WO2017029457A1 - Ensemble modulaire pour stockeur ou batterie - Google Patents

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WO2017029457A1
WO2017029457A1 PCT/FR2016/052093 FR2016052093W WO2017029457A1 WO 2017029457 A1 WO2017029457 A1 WO 2017029457A1 FR 2016052093 W FR2016052093 W FR 2016052093W WO 2017029457 A1 WO2017029457 A1 WO 2017029457A1
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modules
layer
volume
heat
layers
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PCT/FR2016/052093
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Fabrice Chopard
Paul BLINE
Cédric HUILLET
Fanny Geffray
Nadine Poupa
Christophe Dominiak
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Hutchinson
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    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/181—Construction of the tank
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a modular assembly comprising a plurality of modules that are functionally interconnected by means for circulating a flow (electrical, fluid, etc.). An individual module is also concerned.
  • Such an assembly may in particular define or contain a storage battery or a storage unit and the return of thermal energy provided by a fluid, such as oil from an engine, in particular.
  • a thermal flow management problem arises both module by module and on such sets, when it is expected that they each contain at least one volume where is present at least one of:
  • an element to be maintained at a certain temperature and / or a heat generating element may consist of an electrolyte, anode and / or a cathode of an electric accumulator of a vehicle battery unit.
  • the refrigerant or coolant and storage elements and a thermal energy can in particular be in a storage unit and restitution as mentioned above, the latter as elements of thermal regulation of the first .
  • GB 2519742 proposes a modular assembly comprising several adjacent modules:
  • At least one first layer comprising at least one thermal phase change material (MCP) being disposed at the periphery (of at least some) of said volumes.
  • MCP thermal phase change material
  • At least a first layer comprising at least one thermal phase change material (MCP) being disposed on the periphery of at least some of said volumes, including on one side:
  • MCP thermal phase change material
  • the local complex MCP / thermal insulation will associate thermal insulation between modules and capacity:
  • phase change material - or
  • MCP- means a material capable of changing physical state within a restricted temperature range.
  • Thermal storage can be achieved by using its Latent Heat (CL): the material can then store or transfer energy by simple change of state, while maintaining a temperature and a substantially constant pressure, that of the change of temperature. 'state.
  • CL Latent Heat
  • the thermally insulating material chosen which will therefore not be a MCP material, will be an insulator such as glass wool, a porous insulator, a polyurethane or polyisocyanurate foam, or even more favorably a thermally insulating material.
  • porous structure disposed in a vacuum chamber, for defining at least one vacuum insulating panel, PIV.
  • the thermally insulating material of the second layer comprise a porous heat-insulating material disposed in a vacuum chamber, to define at least one vacuum insulating panel, PIV.
  • Porous means a material having gaps for the passage of air. Open cell porous materials therefore include foams but also fibrous materials (such as glass wool or rock wool).
  • the passage interstices that may be described as pores have sizes of less than 1 or 2 mm so as to ensure good thermal insulation, and preferably at 1 micron, and preferably still at 10 -9 m (nanoporous structure), for particular issues of resistance to aging and therefore possible lower depression in the envelope PIV.
  • PAV means a vacuum partial air structure (internal pressure may be between 10 and 10 4 Pa) containing at least one a priori porous thermal insulating material (pore sizes less than Omicrons). Note, however, that the expression “under air vacuum” includes the case where this partial vacuum would be replaced by a "controlled atmosphere”: the insulating pockets would be filled with a gas having a thermal conductivity lower than that of the ambient air (26MW / mK).
  • the PIV panels are thermal insulators where cores made of porous material, for example silica gel or silicic acid powder (SiO 2), are pressed in a plate and each surrounded, partial air vacuum, a gas-tight wrapping foil, for example plastic and / or laminated aluminum.
  • thermal insulation efficiency via said "second layer” in particular significantly higher than that of more conventional insulating materials, such as certain technical polymers such as RYNITE® PET polyester resin or HYTREL® thermoplastic polyester elastomer from Dupont de Nemours®.
  • a thermal conductivity ⁇ less than 0.008 / 0.01 W / m.K is hereby expected, preferably.
  • a part of the periphery of at least some of the modules is devoid of at least the second couchelà where a module is in physical contact with a thermal energy transfer means by convection and / or conduction.
  • a heat transfer may pass through the layer (s) MCP or by the single non-insulating outer wall (typically polymer or metal) of the module peripherally limiting said volume at this location.
  • a given module defines an electric accumulator of a vehicle battery unit, where at least one electrolyte, anode and a cathode disposed in said volume define all or part of said element to be maintained at a certain temperature. and / or said element generating heat, the envelope passing electrical connection means connected to the anode and cathode. Indeed, it must be particularly careful to thermal control to prevent the cell overheating.
  • the first and second layers are grouped together in at least one pocket which will surround said volume
  • thermally insulating material of the second layer comprises a porous material disposed in a vacuum chamber, to define at least one vacuum insulating panel, PIV.
  • the sheet or plastic film, or even metal or metal / plastic complex of the pocket and / or the enclosure will promote the aforementioned heat transfer sought, while ensuring a high-performance manufacturing process. Indeed, since a PIV panel can typically be made with a heat-sealable film metal layer (eg aluminum) so thermally good conductor, it will then be easy to use this layer for said heat transfer; ditto in the case of a metal wall a little thicker (1 / 10mm for example) so more rigid.
  • a heat-sealable film metal layer eg aluminum
  • first and second layers may even be favorable for the first and second layers to be distributed in two pockets that may be conformable or deformable and sealed together around said volume, thereby creating an envelope closing the volume.
  • Part of the welding periphery can then serve as a heat transfer zone.
  • each module will have at least one peripheral wall which will close the volume, except possibly at the place of an opening allowing access to said volume,
  • each module will have at least one peripheral wall:
  • modules are or will contain electric accumulators of a battery pack for a vehicle, where at least one electrolyte, anode and a cathode disposed in said volume will define all or part of the aforementioned element to be maintained at a certain temperature and / or said element generating heat;
  • the adjacent modules are those of a unit for storing and returning a thermal energy
  • the volumes contain said storage and retrieval elements of this thermal energy
  • At least one first passage passing through a wall of at least one of the modules allows said refrigerant or heat transfer fluid to enter and exit
  • the electrical performance over time in fact depends significantly on the internal temperature conditions in the block, which must be contained in an optimum range of approximately 25 to 35 ° C .; otherwise the yield drops,
  • FIG. 1 is a block diagram of the storage-heat exchanger type unit, in exploded view
  • FIG. 2 shows in vertical section two modules of the unit of Figure 1 superimposed, with an active barrier 15/23 integrated;
  • FIGS. 3 to 7 show in vertical section embodiments of battery cells arranged in a lateral line
  • FIG. 8 shows in vertical section two pockets ready to be interassembled (see arrows) to form a cell or pocket type battery module (pouch);
  • FIG. 11 schematizes in vertical section an alternative of FIG. 10, with MCP only inside (INT) closed state of an articulated panel with continuous insulation;
  • FIG. 16 is a diagram in vertical section of alternative solution of FIG. 2,
  • FIGS. 17, 18 are top diagrams (horizontal section on the left) and with cut-away embodiments that can be those of FIGS. 3 to 6.
  • the invention proposes a modular embodiment which we can adjust the volume, or even the mass, and whose thermal performance provided by the local association MCP / thermal insulation will achieve both a thermal insulation between modules that (via the MCP material) a smoothing ability of the temperature variations of elements present in the internal volume of the module in question (case of a battery application) and / or an ability to delay a temperature variation of a present fluid in the volume (in the case of a storer / exchanger application) or the object to be thermally regulated (battery case).
  • Each comprises several modules 3 each having an interior volume 7 limited externally by a peripheral wall 5. Note however that, if a modular assembly is advisable, it is here the individual thermal structuring of each "module" that takes precedence. Each module is therefore to be considered as such, as a thermally independent whole.
  • the modules 3 are functionally interconnected by means 6 for circulating a flow 9:
  • FIGs 3,4,10 we see schematically at least one electrolyte 16, and anode 14 and a cathode 17 arranged in the volume 7 of each of the electric accumulator 3, this defining one or more elements to maintain at a certain temperature and / or generating heat, when in operation all or part of the anode, cathode and the electrolyte 16 will be heated to within these accumulators.
  • the polarized terminals of these anode and cathode which connect to the means 6, locally through the wall 5, are also distinguished at 140,170.
  • the adjacent two-to-two modules of the set 1 are those of a storage and retrieval unit (subsequent). thermal energy.
  • the volumes 7 each contain elements 13 for storing and restoring (subsequently) this thermal energy transported by the flow 9 of the circulating fluid, which, refrigerant or coolant, is a priori liquid (water, oil in particular), but could to be gaseous, like air to be conditioned.
  • First passages 33,35 pass through, at opposite ends of the unit 1, covers 32 covering, closing them if necessary, the two end modules of what is here formed in a stack, to let in and take out the fluid that will flow between the modules.
  • This circulation can be in series or in parallel.
  • the cover 32 opening side 31 can be doubled by a single pocket 34 PIV constitution.
  • a plate 36 of mechanical protection can close the whole, along the axis 27, as illustrated.
  • second passages 30 are established between all the modules in pairs, in walls 29 transverse to the stack.
  • Each wall 29 defines here the bottom of the considered module, in addition to the peripheral wall 5.
  • the modules are open, at 31, to allow placing in each volume 7 thus defined elements 13 for storing and restoring the thermal energy that will have been provided by the fluid 9.
  • the elements 13 will be favorably balls made of material partially (for example in addition to a polymer) or totally MCP, for the thermal efficiency and a good capacity to be easily arranged in number in their volume of reception.
  • constitution of the elements 13 may for example provide a rubber composition as described in EP2690137 or in EP2690141, namely in the second case a crosslinked composition based on at least one elastomer RTV silicone "Vulcanized at room temperature and comprising at least one phase change material (PCM), said at least one silicone elastomer having a viscosity measured at 23 ° C according to ISO 3219 which is less than or equal to 5000 mPa.s.
  • PCM phase change material
  • the elastomer matrix may be predominantly constituted (i.e. in an amount greater than 50 phr, preferably greater than 75 phr) of one or more silicone elastomers "RTV".
  • this composition may have its elastomer matrix comprising one or more silicone elastomers in a total amount greater than 50 phr and optionally one or more other elastomers (i.e. other than "RTV” silicones) in a total quantity of less than 50 phr.
  • the thermal phase change material MCP
  • MCP thermal phase change material
  • the MCP material could be based on fatty acid, paraffin, or eutectic or hydrated salt.
  • this material and its packaging in particular its dispersion within a polymer matrix, will depend on the intended application and the expected results.
  • Fixing means 40 which may be tie rods, mechanically fix the modules together, in this case a stacking axis 27.
  • At least a first layer 15 comprising at least one MCP material is disposed around each volume 7, including on one side where two adjacent modules face each other and where at least a portion at least one second layer 23 comprising a thermally insulating material is also interposed, as shown schematically in the figures "in situation" 2-6 and 9.
  • the thermally insulating material of the second layer 23 comprises in the preferred versions illustrated a porous thermally insulating material disposed in a vacuum chamber 37, for defining at least one vacuum insulating panel, PIV.
  • the second layer 23 will be, where the two layers MCP / PIV exist, disposed around the first layer 15, so between it and the outside (EXT); it being specified, however, that the second layer 23 could be interposed between two MCP layers 15a, 15b. In that case :
  • the two MCP layers 15a, 15b may be the same,
  • FIG. phase will be different, the temperature of change of state increasing as one goes inward (INT).
  • each "layer” 15a, 15b may be formed of several adjacent sub-layers of lesser thickness each having its change of state temperature in case b), for a gradual evolution of these temperatures.
  • an excessively cold or hot external temperature interferes only slightly with that in the volume (s) 7, the first layer 15 (or the internal one 15a) being, in the Battery application, defined to smooth out the internal temperature variations in this (these) volume (s) and within the fluid and to delay the propagation to excessive heat or cold modules (typically less than 25 ° C or more) 35 ° C).
  • the active thermal barrier formed by the MCP / thermal insulation layers therefore comprise at least one PIV panel formed by a pocket 19 where the second layer 23 will be integrated.
  • the porous thermal insulating material thus contained in the envelope 37, it will be noted that it will advantageously be composed of a porous material (for example with a nanostructure, such as silica powder or airgel, such as a silica airgel) confined in a sheet or a flexible film 49 or 51 which will not let through the water vapor or gas.
  • the obtained PIV will be emptied of its air to obtain for example a pressure of a few millibars, then can be sealed.
  • the thermal conductivity ⁇ of such a PIV will be 0.004 / 0.008 W / mK
  • PIV panel and super-insulating material are provided in PCT / FR2014 / 050267 and WO2014060906 (porous material), respectively.
  • a possible composition of the material 23 is as follows: 80-85% of silica dioxide (SiO2), 15-20% of silicon carbide (SiC) and possibly 5% of other products (binder / fillers). A thickness of 0.4 to 3 cm is possible.
  • thermal management structure thermal management in English
  • the materials of the thermal barrier 15,23 are then an integral part of the structure.
  • a face other that the side faces of the wall 5, here the bottom 29, is not only devoid of said layers 15/23 of the thermal barrier but doubled (here below) by a means 44 of convection exchange (arrows H in different figures ), natural or forced, such as a thermally conductive plate, for example metal, or at least one conduit in which an exchange fluid, such as water, would circulate to evacuate the heat provided by the layer or layers 15 of MCP coming fromat his touch, as illustrated;
  • a space 42 may, between two thicknesses of said second layer 23 interposed between two adjacent modules 52, make it possible to circulate, in a natural or forced manner, a fluid F in order to evacuate calories (even frigories ) present in these spaces because of exchanges between modules.
  • Each space 42 can therefore be connected to the respective conduits 43a for supplying fluid and 43b for discharging this fluid.
  • FIGS. 4, 6, 7 are diagrammatically an independent MCP / PIV barrier, resulting from a band 50 articulated in several places because the flexible sheets or films (or parts of the same sheet or single film) which form (nt) the envelope 37 are:
  • a deformable structure 79 may be formed by a conformable or deformable support in a polymer mesh of a few mm thick impregnated with an airgel 81, by example of silica, or its pyrolate (pyrolysed airgel, it being specified that this alternative pyrolate applies to each case of the present description in which a porous thermally insulating material is concerned), as FIG. 12.
  • FIGS 8,13,14 we see, among others, different ways of making a band 50, see individually a pocket 19 15/23 materials and constitution PIV which composes favorably.
  • each pocket 19 comprises at least one closed external envelope 37 which contains the first and second elements 15/23 and consists of at least one conformable or deformable sheet 49 that is tight to the MCP material, with:
  • two layers (15a, 15b) containing one or more MCP materials could (as in FIG. 7) be disposed on either side of the layer of porous material 23.
  • the sheet (s) or film (s) 49 and 53 may typically be made in the form of a multilayer film comprising polymer films (PE and PET) and aluminum in the form of, for example, rolled (sheet of the order of ten micrometers) or metallized (vacuum deposition of a film of a few tens of nanometers).
  • the metallization can be carried out on one or both sides of a PE film and a plurality of metallized PE films can be complexed to form a single film.
  • Example of the design of the film - PE internal sealing, approx. 40 ⁇ - Vacuum metalization Al, approx. 0.04 ⁇ - PET outer layer, approximately 60 ⁇ .
  • modules 3 if they are formed each time, on a complete modular assembly, stack or line, are superimposed by their openings 31 and bottom 29, FIG. 2, while they are laterally in line, side by side by a portion of their peripheral wall 5 FIGS. 3-7.
  • peripheral side wall 5 of moldable material covers both fiber-filled and injected thermoplastic resins and thermosetting resins impregnating a mat, such as a woven or a nonwoven.
  • the bottom 29 also incorporates a gate MCP / PIV 15/23. It may be at least one pocket 19 or two flat pockets, side by side between which pass or passage channels electrical connections terminals 140,170.
  • a gate MCP / PIV 15/23 may be at least one pocket 19 or two flat pockets, side by side between which pass or passage channels electrical connections terminals 140,170.
  • an electric cell 52 completely closed and therefore containing the elements 15, 16, 17
  • Figure 4 is schematically the case where the inside hollow delimited by the inner face of the walls 5 and 29 is directly the volume 7.
  • the elements 15,16,17 placed there are held by a cover 57 which closes the opening 31. Situations can be switched between the two figures.
  • a porous insulating layer 23 between two layers MCP there is at least one vacuum bag with three layers: a porous insulating layer 23 between two layers MCP, a priori identical.
  • the thickness of the layer 23 may be twice that of the dedicated layer versions of the other variants.
  • a mechanically protective sleeve 38 may surround the batch of cells and their individual thermal barriers 15/23.
  • FIGS. 8-11 diagrammatically show another way of producing a battery cell, in this case a "pouch” cell (pocket) FIGS. 10-11, while it may be prismatic cells FIG. in the previous figures.
  • FIGS. 9-11 two elongate pockets 19 each formed of a casing 37 are schematized, face to face. Each has two ends 49a, 49b of outer films 49 welded together. It is these two pairs of ends 49a, 49b that we will be able to join together and solder by torque, as shown in FIGS. 9-11 to constitute a closed central space corresponding to either (FIG. 9) to the space 56 already present in the solution of Figure 3 is directly to the internal volume 7 ( Figures 10-11), since the wall 49 will then be chosen to resist the electrolyte and exchanges related to the electrical production in the volume, being so necessary to it doubles with an ad-hoc wall.
  • FIGS 10,11 note the bent outward appearance (EXT) sealed envelopes 37/51 flexible sheets, being specified that such a shape can result from a shortening, on each envelope, the length L1 of the inner sheet with respect to the length L2 of the outer sheet, this creating a mechanical tension at the location of the end seals which hinge the envelope.
  • EXT bent outward appearance
  • bends can therefore be made at the location of the hinge zones 21, where two sheets 49 are in direct contact with one another and which are each interposed between a pocket 19 and a thermally insulating intermediate zone 59 containing at least one porous material 23.
  • FIG. 16 shows an alternative to the solution of FIG. 2: the bottoms 29 may not comprise layers 15 or 23.
  • the same material as that of the wall 5 may be used for a one-piece constitution.
  • FIG. 17 shows in plan view a case where the means 44 for transferring thermal energy acts in particular by conduction, via conduits 48 for the circulation of a fluid which, via the transfer plate 50 of thermal energy (metal typically) which doubles a face 58 of the combined blocks 3 (here several adjacent cells 52), ensures the evacuation of the thermal energy supplied to this plate by the MCP layers 15.
  • thermal energy metal typically
  • such a layer MCP15 surrounds laterally (on the four lateral faces other than the face 58 and its opposite, see figure) all the blocks 3/52 together and is itself doubled externally by a thermal insulator 23.
  • FIG. 18 schematizes an alternative where the heat transfer means 44, here by convection, extends all around an MCP 15 which surrounds laterally (on the four lateral faces other than the lower and upper faces here; see figure) all the blocks 3/52 together.
  • the means 44 for convection transfer may be an externally carrying plate of fins 46.
  • FIG. 17 also shows the sleeve, or more generally the envelope in one or more parts, which serves as a mechanically protective wall, or even a lateral holding means (see solution in FIG. 1) to the elements they surround; blocks 3, layers 15/23 ...
  • the outer peripheral carrying plate of fins 46 may play this role, especially if the plates are joined together to form a continuous wall.

Abstract

Est concerné un ensemble modulaire comprenant plusieurs modules adjacents réunis entre eux par des moyens (6) de circulation d'un flux et qui contiennent chacun au moins un volume où sont présents un fluide (9) frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation et des éléments (13) de stockage et de restitution d'une énergie thermique. Au moins une première couche (15) comprenant au moins un matériau MCP est disposée en périphérie de certains au moins des modules, y compris sur un côté où deux modules adjacents se font face et où au moins une partie d'au moins une seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant est également intercalée.

Description

ENSEMBLE MODULAIRE POUR STOCKEUR OU BATTERIE
La présente invention concerne un ensemble modulaire comprenant plusieurs modules réunis fonctionnellement entre eux par des moyens de circulation d'un flux (électrique, de fluide... etc). Un module individuel est également concerné.
Un tel ensemble peut notamment définir ou renfermer une batterie d'accumulateurs ou une unité de stockage et de restitution d'une énergie thermique apportée par un fluide, tel de l'huile d'un moteur, notamment.
Un problème de gestion des flux thermiques se pose tant module par module que sur de tels ensembles, lorsqu'on prévoit qu'ils contiennent chacun au moins un volume où est présent l'un au moins parmi :
- un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
- des éléments de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
- au moins un élément à maintenir à une certaine température, et/ou
- au moins un élément dégageant de la chaleur.
On peut imaginer qu'un élément à maintenir à une certaine température et/ou un élément dégageant de la chaleur puisse être constitué par un électrolyte, une anode et/ou une cathode d'un accumulateur électrique d'un bloc batterie de véhicule.
Quant au fluide frigorigène ou caloporteur et aux éléments de stockage et de restitution d'une énergie thermique, ils peuvent en particulier se trouver dans une unité de stockage et de restitution telle que précitée, les seconds en tant qu'éléments de régulation thermique du premier.
Or, par exemple dans le domaine automobile ou aéronautique, la tendance actuelle à intégrer dans les véhicules (voitures, avions...) des systèmes devant assurer une augmentation de la performance (turbo, super-capacités, ...) alourdit et tend à augmenter le besoin en capacité des systèmes de gestion des flux. Ceci est vrai, pour les flux électriques dans les véhicules électriques ou hybrides et pour les flux de fluide, par exemple dans les unités de conditionnement de température d'air de ces mêmes véhicules, ou dans certains échangeurs.
Par ailleurs, l'industrie est invitée à accélérer la mise sur le marché de nouvelles technologies pouvant réduire les émissions de polluants, lisser d'éventuelles augmentations ponctuelles de charges ou de gradients thermiques par rapport à un fonctionnement nominal dimensionnant, ou encore proposer des solutions pour décaler dans le temps la restitution d'une énergie disponible à un autre moment, tout en favorisant le fonctionnement opérationnel d'un élément dans sa gamme optimale de températures de fonctionnement (cas par exemple d'une batterie d'accumulateurs).
GB 2519742 propose un ensemble modulaire comprenant plusieurs modules adjacents :
- présentant une paroi périphérique,
- qui sont réunis entre eux par des moyens de circulation d'un flux,
- et contenant chacun au moins un volume où est présent l'un au moins parmi :
-- un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
-- des éléments de stockage et de restitution d'une énergie thermique, au moins une première couche comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) étant disposée en périphérie (de certains au moins) desdits volumes.
Dans GB 2519742 il s'agit de dispositifs destinés à stocker une énergie thermique pour une utilisation ultérieure dans le chauffage de locaux ou d'eau.
La problématique est donc différente de celle dans la présente demande où la gestion thermique de l'intérieur des volumes des modules passe par la gestion des échanges thermiques entre modules adjacents. C'est dans ce contexte qu'est ici notamment proposé un ensemble comme précité, comprenant donc plusieurs modules adjacents présentant une paroi périphérique à travers laquelle les modules adjacents peuvent être en échange thermique, lesdits modules adjacents étant réunis entre eux par des moyens de circulation d'un flux et contenant chacun au moins un volume où est présent l'un au moins parmi :
- un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
- des éléments de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
- au moins un élément à maintenir à une certaine température,
- au moins un élément dégageant de la chaleur,
au moins une première couche comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) étant disposée en périphérie de certains au moins desdits volumes, y compris sur un côté :
- où deux modules sont en contact par leurs parois périphériques respectives, ou bien
- où ladite première couche est serrée entre deux modules se faisant face,
et où au moins une partie d'au moins une seconde couche comprenant un matériau thermiquement isolant est également respectivement interposée et serrée.
Le complexe local MCP/isolant thermique permettra d'associer une isolation thermique entre modules et une capacité :
- d'effet retardateur quant à une variation de température non souhaité (effet des matériaux MCP),
- et/ou de lissage des variations de température du fluide et/ou des éléments présents dans le volume interne du module considéré (via le matériau MCP).
On pourra ainsi éviter les perturbations thermiques entre modules, tout en tirant parti de l'énergie thermique présente dans les volumes de ces modules dont on pourra si nécessaire gérer la plage de fonctionnement (cas des modules d'une batterie d'accumulateurs, notamment). Dans GB 2519742 l'éloignement latéral entre les modules et les fines couches d'air sous les couvercles confirment que ces effets n'y sont ni visés ni atteints. On ne vise pas à tirer thermiquement parti d'une compacité modulaire.
A toute fin, il est précisé qu'un matériau à changement de phase - ou
MCP- désigne un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. Le stockage thermique peut s'opérer par utilisation de sa Chaleur Latente (CL) : le matériau peut alors stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température et une pression sensiblement constante, celle du changement d'état.
Et « serré(e) » a pour sens « en contact » physique avec l'un au moins des deux modules adjacents qui se font alors face. Il n'y a pas de nécessité de pression, mais de maintien en place et de contact pour un bon échange thermique. Par exemple, entre deux modules 52 successifs, on trouve maintenu « serré » figure 5 un ensemble de trois couches 15-23-15, alors que par exemple figure 6, on trouve maintenu « serré » avec chacun de ces deux modules 52 un ensemble de deux couches 15-23 ou 23-15, avec un espace 42 de circulation d'un fluide F de gestion thermique établi entre les deux couches 23 respectives.
De façon générle, le matériau thermiquement isolant retenu, qui ne sera donc pas un matériau MCP, sera un isolant tel qu'une laine de verre, un isolant poreux, une mousse de polyuréthane ou de polyisocyanurate, ou encore plus favorablement un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.
En effet, avec un PIV, la performance de la gestion thermique à assurer sera encore améliorée, voire le volume d'ensemble diminué par rapport à un autre isolant.
Aussi est-il conseillé que le matériau thermiquement isolant de la seconde couche comprenne un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.
« Poreux » désignera un matériau possédant des interstices permettant le passage de l'air. Les matériaux poreux, à cellules ouvertes, incluent donc les mousses mais également les matériaux fibreux (tels que la laine de verre ou de roche). Les interstices de passage que l'on peut qualifier de pores ont des tailles inférieures à 1 ou 2mm de façon à pouvoir garantir une bonne isolation thermique, et de préférence à 1 micron, et préférentiellement encore à 10"9m (structure nanoporeuse), pour des questions en particulier de tenue au vieillissement et donc de possible dépression moins forte dans l'enveloppe PIV.
Par « PIV », on entend une structure sous vide d'air partiel (pression interne pouvant être comprise entre 10 et 104 Pa) contenant au moins un matériau isolant thermique a priori poreux (tailles de pores inférieures à l Omicrons). On notera toutefois que l'expression « sous vide d'air » inclut le cas où ce vide partiel serait remplacé par une « atmosphère contrôlée » : les poches isolantes seraient remplies par un gaz ayant une conductivité thermique inférieure à celle de l'air ambiant (26mW/m.K).
Typiquement, les panneaux PIV (panneau isolant sous vide ; VIP en anglais) sont des isolants thermiques où des noyaux en matériau poreux, par exemple en gel de silice ou poudre d'acide silicique (SiO2), sont pressés en plaque et entourés chacun, sous vide d'air partiel, d'une feuille enveloppante étanche aux gaz, par exemple en matière plastique et/ou ou aluminium laminé. Le vide obtenu, d'une pression résiduelle typiquement inférieure à 1 mbar (102 Pa), permet typiquement d'abaisser la conductivité thermique à moins de 0,01 /0,020 W/m-K environ dans les conditions d'utilisation.
Or, dans au moins certaines applications ou situations de fonctionnement à anticiper, il pourra être nécessaire d'atteindre une efficacité d'isolation thermique via ladite « seconde couche » en particulier notablement supérieure à celle des matériaux isolants plus classiques, tels certains polymères techniques comme la résine polyester PET RYNITE® ou l'élastomère polyester thermoplastique HYTREL® de chez Dupont de Nemours ®.
Typiquement, une conductivité thermique λ inférieure à 0.008/0,01 W/m.K est ici attendue, de préférence.
Concernant ces panneaux PIV et matériaux MCP, il a en outre été noté qu'ils ne semblent pas répondre jusqu'à présent aux attentes du marché. Notamment, leurs mises en œuvre sur le terrain est un problème, en particulier leur conditionnement.
Aussi ce choix de barrière active MCP/PIV est-il ici jugé pertinent.
Dans certaines applications ou situations de fonctionnement à anticiper, il pourra par ailleurs être nécessaire d'évacuer ou d'amener de l'énergie thermique contenue dans les volumes précités des modules concernés, ou encore de limiter un transfert thermique vers les objets à réguler thermiquement (éléments de batterie).
Il est alors conseillé qu'une partie de la périphérie de certains au moins des modules soit dépourvue au moins de la seconde couchelà où un module est en contact physique avec un moyen de transfert d'énergie thermique par convection et/ou conduction.
II en résultera qu'à l'endroit d'une zone localisée d'un module donné, un transfert thermique pourra transiter par la(les) couche(s) MCP ou par la seule paroi extérieure non isolante (typiquement en polymère ou métal) du module limitant périphériquement ledit volume à cet endroit.
Ceci pourra s'appliquer en particulier si un module donné définit un accumulateur électrique d'un bloc batterie de véhicule, où au moins un électrolyte, une anode et une cathode disposés dans ledit volume définissent tout ou partie dudit élément à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur, l'enveloppe laissant passer des moyens de branchement électrique reliés aux anode et cathode. En effet, il faut être alors particulièrement vigilant au contrôle thermique pour éviter que la cellule surchauffe.
En liaison avec ce point, et pour favoriser une fabrication en grande série, il est d'ailleurs proposé:
- que les première et seconde couches soient regroupées dans au moins une poche qui entourera ledit volume,
- et que le matériau thermiquement isolant de la seconde couche comprenne un matériau poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.
La feuille ou le film plastique, voire métallique ou à complexe métal/plastique de la poche et/ou de l'enceinte favorisera le transfert thermique précité recherché, tout en assurant un procédé de fabrication performant. En effet, étant donné qu'un panneau PIV peut typiquement être réalisé avec un film thermosoudable à couche métallique (par exemple en aluminium) donc thermiquement bonne conductrice, il sera alors aisé d'utiliser cette couche pour ledit de transfert thermique ; idem dans le cas d'une paroi métallique un peu plus épaisse (1/10mm par exemple) donc plus rigide.
Précisément, il pourra même être favorable que les première et seconde couches soient réparties dans deux poches qui pourront être conformables ou déformables et scellées ensemble autour dudit volume, créant ainsi une enveloppe fermant le volume.
Une partie de la périphérie de soudage pourra alors servir de zone de transfert thermique.
En termes de mise en œuvre des première et seconde couches précitées, et outre le cas où le conditionnement en poche PIV fera que la réalisation de la barrière active MCP/PIV ainsi conditionnée constituera d'elle-même la paroi du volume interne du module considéré, deux autres réalisations sont privilégiées, par soucis de performance énergétique, de capacité de fabrication en grande série (domaine automobile typiquement), de fiabilité et de coûts réduits, à savoir : a) - chaque module présentera au moins une paroi périphérique qui fermera le volume, sauf possiblement à l'endroit d'une ouverture laissant accès audit volume,
- et les première et/ou seconde couches, qui sera/seront structurellement distincte(s) de ladite paroi périphérique, sera/seront disposée(s) autour de cette paroi périphérique, avec la seconde couche à l'extérieur de la première, là où existera une présence des première et seconde couches, b) ou bien chaque module présentera au moins une paroi périphérique :
- qui fermera le volume, sauf possiblement à l'endroit d'une ouverture laissant accès audit volume,
- et qui incorporera le support en matériau moulable et les première et seconde couches.
En liaison avec ce qui a déjà été indiqué, deux applications (parmi d'autres non exclues) ont été en particulier prises en compte, du fait des besoins exprimés par le marché, comme développé ci-avant.
Il s'agit :
- du cas où les modules seront ou renfermeront des accumulateurs électriques d'un bloc batterie pour un véhicule, où au moins un électrolyte, une anode et une cathode disposés dans ledit volume définiront tout ou partie de l'élément précité à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur ;
- et du cas où :
- les modules adjacents sont ceux d'une unité de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
-- les volumes contiennent lesdits éléments de stockage et de restitution de cette énergie thermique,
-- au moins un premier passage traversant une paroi d'au moins un des modules laisse entrer et sortir ledit fluide frigorigène ou caloporteur,
- et des seconds passages établis entre certains au moins un desdits modules laissent passer le fluide frigorigène ou caloporteur entre les volumes. Ces deux cas sont intéressants en ce qu'ils sont fondés sur une solution commune, bien que concernant des contextes profondément différents :
- dans un bloc batterie ou un accumulateur électrique de véhicule, la performance électrique dans le temps dépend en effet notablement des conditions intérieures de température, dans le bloc, qui doit être contenue dans une gamme optimale de 25 à 35°C environ ; sinon le rendement chute,
- dans une unité de stockage et de restitution d'énergie thermique, il faut emmagasiner cette énergie (typiquement au bout d'environ 6-10 minutes) dans l'unité à un moment, la conserver un certain temps (typiquement plusieurs heures, par exemple 12 à 15 heures), puis la restituer (typiquement moins de 2/3 minutes, par exemple à un moteur lors d'une phase de démarrage à froid), tout ceci via un fluide frigorigène ou caloporteur entrant et/ou sortant.
Si nécessaire, l'invention sera encore mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'unité de type stockeur-échangeur d'énergie thermique, en vue éclaté ;
- la figure 2 montre en coupe verticale deux modules de l'unité de la figure 1 superposés, avec une barrière active 15/23 intégrée ;
- les figures 3 à 7 montrent en coupe verticale des réalisations de cellules de batterie disposées en ligne latérale ;
- la figure 8 schématise en coupe verticale deux poches prêtes à être interassemblées (voir flèches) pour constituer une cellule ou module de batterie de type poche (pouch) ;
- les figures 9,10 schématisent en coupe verticale deux résultats de l'assemblage de la figure 8 ; - la figure 11 schématise en coupe verticale une alternative de la figure 10, avec du MCP uniquement côté intérieur (INT) état fermé d'un panneau articulable à isolation continue ;
- les figures 12,15 schématisent en coupe verticale, refermées sur elle- mêmes, deux bandes à structure MCP/PIV (la couche MCP n'a pas été figurée ; elle double intérieurement la couche poreuse 23) , et
- les figures 13,14 schématisent, en en coupe verticale locale (à prolonger de part et d'autre dans le cas d'un panneau articulable) deux structures possibles de poches isolantes (19 ci-après),
- la figure 16 est un schéma en coupe verticale de solution alternative de la figure 2,
- et les figures 17, 18 sont des schémas de dessus (coupe horizontale à gauche) et avec arrachements des modes de réalisation qui peuvent être ceux des figures 3 à 6.
Comme mentionné ci-avant, l'invention propose une réalisation modulaire dont on va pouvoir ajuster le volume, voire la masse, et dont la performance thermique assurée par l'association locale MCP/isolant thermique permettra d'obtenir tant une isolation thermique entre modules que (via le matériau MCP) une capacité de lissage des variations de température d'éléments présents dans le volume interne du module considéré (cas d'une application batterie) et/ou une capacité à retarder une variation de température d'un fluide présent dans le volume (cas d'une application stockeur/échangeur) ou de l'objet à réguler thermiquement (cas batterie) .
Ainsi, voit-on sur les figures annexées et à titre non limitatif, trois ensembles modulaires 1 , 10, 100 respectivement : stockeur/échangeur figures 1 ,2 et deux solutions de batteries d'accumulateurs, respectivement figures 3-10 et 11 ,12, respectivement.
Chacun comprend plusieurs modules 3 comportant chacun un volume intérieur 7 limité extérieurement par une paroi périphérique 5. A noter toutefois que, si un assemblage modulaire est conseillé, c'est ici la structuration thermique individuelle de chaque « module » qui prime. Chaque module est donc à considérer en tant que tel, comme un tout thermiquement indépendant.
Les modules 3 sont réunis fonctionnellement entre eux par des moyens 6 de circulation d'un flux 9:
- flux d'un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler, dans un circuit extérieur 110 et dans lesdits volumes, sous l'action de moyens 11 de circulation,
- et/ou flux d'énergie électrique dès lors que les moyens 6 (tels que des câbles) assurent alors une connexion électrique, typiquement en série ou en parallèle, entre les éléments modulaires 3 (formant ou renfermant chacun un accumulateur électrique) du bloc batterie, afin d'obtenir une tension électrique destinée à un véhicule. Seules les figures 3-4 schématisent ces connexions électriques, pour éviter de surcharger les autres figures 5-11 concernées,
- et/ou encore fluide, par un moyen 44 d'échange ; voir ci-après dans l'application « batterie » (figures 3-12) ; Ce moyen d'échange 44 assurera alors la fonction de moyens de circulation d'un flux entre les modules.
Figures 3,4,10 (les autres figures 5-9,11 ne le figurant pas par souci d'allégement de détails), on voit schématisé au moins un électrolyte 16, ainsi qu'une anode 14 et une cathode 17 disposés dans le volume 7 de chacun des accumulateur électriques 3, ceci définissant un ou plusieurs éléments à maintenir à une certaine température et/ou dégageant de la chaleur, dès lors qu'en fonctionnement tout ou partie des anode, cathode et l'électrolyte 16 vont chauffés au sein de ces accumulateurs. Sur ces figures, on distingue aussi en 140,170 les bornes polarisées de ces anode et cathode qui assurent la connexion avec les moyens 6, localement à travers la paroi 5.
Dans l'exemple figure 1 , les modules 3 deux à deux adjacents de l'ensemble 1 sont ceux d'une unité de stockage et de restitution (ultérieure) d'une énergie thermique. Les volumes 7 contiennent chacun des éléments 13 de stockage et de restitution (ultérieure) de cette énergie thermique transportée par le flux 9 du fluide en circulation, lequel, frigorigène ou caloporteur, est a priori liquide (eau, huile en particulier), mais pourrait être gazeux, tel de l'air à conditionner.
Des premiers passages 33,35 traversent, à des extrémités opposées de l'unité 1 , des couvercles 32 recouvrant, en les fermant si nécessaire, les deux modules d'extrémité de ce qui est ici formé en une pile, afin de laisser entrer et sortir le fluide qui va donc circuler entre les modules. Cette circulation peut être en série ou en parallèle.
Extérieurement, le couvercle 32 côté ouverture 31 (voir ci-après) peut être doublé par une poche unique 34 à constitution PIV. Et une plaque 36 de protection mécanique peut fermer le tout, suivant l'axe 27, comme illustré. Un manchon ou fourreau 38 de protection mécanique ouvert aux deux extrémités, par exemple en plastique dur, enveloppe en outre les modules 3 et les pièces 32,34,36.
Pour laisser passer le flux de fluide 9, entre les volumes, des seconds passages 30 sont établis entre ici tous les modules deux à deux, dans des parois 29 transversales à l'empilement. Chaque paroi 29 définit ici le fond du module considéré, en complément de la paroi périphérique 5.
A l'opposé de leur fond 29, les modules sont ouverts, en 31 , pour permettre de placer dans chaque volume 7 ainsi défini des éléments 13 de stockage et de restitution de l'énergie thermique qui aura donc été apportée par le fluide 9. Les éléments 13 seront favorablement des billes en matériau partiellement (par exemple en complément d'un polymère) ou totalement MCP, pour le rendement thermique et une bonne capacité à être aisément disposées en nombre dans leur volume d'accueil.
En tant que constitution des éléments 13 (ou matériau 15 ci-après) on pourra par exemple prévoir une composition de caoutchouc telle que décrite dans EP2690137 ou dans EP2690141 , à savoir dans le second cas une composition réticulée à base d'au moins un élastomère silicone « RTV » vulcanisé à température ambiante et comprenant au moins un matériau à changement de phase (MCP), ledit au moins un élastomère silicone présentant une viscosité mesurée à 23°C selon la norme ISO 3219 qui est inférieure ou égale à 5000 mPa.s.
Dans cette composition, la matrice élastomère pourra être majoritairement constituée (i.e. selon une quantité supérieure à 50 pce, de préférence supérieure à 75 pce) d'un ou de plusieurs élastomères silicones « RTV ». Ainsi, cette composition pourra avoir sa matrice élastomère comprenant un ou plusieurs élastomères silicones selon une quantité totale supérieure à 50 pce et optionnellement un ou plusieurs autres élastomères (i.e. autres que des silicones « RTV ») selon une quantité totale inférieure à 50 pce. Le matériau à changement de phase (MCP) thermique est constitué de n-hexadécane, d'eicosane ou d'un sel de lithium. En alternative, le matériau MCP pourrait être à base d'acide gras, de paraffine, ou de sel eutectique ou hydraté.
De fait, le choix de ce matériau et son conditionnement, en particulier sa dispersion au sein d'une matrice polymère, dépendra de l'application prévue et des résultats attendus.
Des moyens 40 de fixation, qui peuvent être des tirants, fixent mécaniquement ensemble les modules, suivant ici un axe d'empilement 27.
Pour protéger de la chaleur ou du froid extérieur (EXT) au moins une première couche 15 comprenant au moins un matériau MCP est disposée autour de chaque volume 7, y compris sur un côté où deux modules adjacents se font face et où au moins une partie d'au moins une seconde couche 23 comprenant un matériau thermiquement isolant est également intercalée, comme schématisé dans les figures « en situation » 2-6 et 9.
Pour favoriser au mieux cette isolation « active » dès lors qu'un matériau MCP y est inclus, le matériau thermiquement isolant de la seconde couche 23 comprend dans les versions préférées illustrées un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte 37 sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.
A priori la seconde couche 23 sera, là où les deux couches MCP/PIV existent, disposée autour de la première couche 15, donc entre elle et l'extérieur (EXT) ; étant toutefois précisé que l'on pourrait interposer la seconde couche 23 entre deux couches MCP 15a, 15b. Dans ce cas :
- a) si l'extérieur (EXT) est la cellule 52 voisine, les deux couches MCP 15a, 15b pourront être les mêmes,
- b) si l'extérieur (EXT) est l'environnement autour d'un bloc batterie complet, au-delà de la périphérie latérale et de sa paroi 55, comme par exemple en zones 111 figure 4, alors les températures de changement de phase seront de différentes, la température de changement d'état augmentant à mesure qu'on va vers l'intérieur (INT) .
A noter que chaque « couche » 15a, 15b pourra être formée de plusieurs sous-couches accolées de moindre épaisseur ayant chacune sa température de changement d'état dans le cas b), pour une évolution progressive de ces températures.
Ainsi, on pourra s'arranger pour qu'une température extérieure excessivement froide ou chaude n'interfère que peu avec celle dans le(s) volume(s) 7, la première couche 15 (ou celle interne 15a) étant, dans l'application batterie, définie pour lisser en périphérie les variations internes de température dans ce(s) volume(s) et au sein du fluide et pour retarder la propagation vers les modules de chaleur ou de froid excessif (typiquement moins de 25°C ou plus de 35°C) .
Afin d'optimiser cette démarche, il est conseillé que la barrière thermique active formée par les couches MCP/isolant thermique comprennent donc au moins un panneau PIV formé par une poche 19 où sera a priori intégrée la seconde couche 23. On trouvera alors, pour constituer le/chaque panneau PIV 19 un matériau isolant thermique poreux, qui pourra donc constituer la seconde couche 23, ce matériau étant contenu dans l'enveloppe 37 formant une enceinte étanche audit matériau et à l'air. Une fois un vide d'air établi dans l'enveloppe, la poche malgré tout légèrement conformable ou déformable formant le panneau PIV sera constituée.
Concernant le matériau isolant thermique poreux contenu donc dans l'enveloppe 37, on notera qu'il se composera favorablement d'un matériau poreux (par exemple à nanostructure, tel poudre de silice ou aérogel, tel un aérogel de silice) confiné dans une feuille ou un film flexible 49 ou 51 qui ne laissera passer ni les vapeurs d'eau ni les gaz. Le PIV obtenu sera vidé de son air pour obtenir par exemple une pression de quelques millibars, puis pourra être scellé. Typiquement, la conductivité thermique λ d'un tel PIV sera de 0.004/0,008 W/m.K. L'utilisation de panneaux isolants sous vide devrait permettre d'atteindre une résistance thermique R = 5 m2.K/W avec seulement 35 mm d'isolant. Des exemples, pouvant ici s'appliquer, de panneau PIV et de matériau super-isolant sont fournis dans PCT/FR2014/050267 et dans WO2014060906 (matériau poreux), respectivement. Une possible composition du matériau 23 est la suivante : 80-85 % de dioxyde de silice (SiO2), 15-20 % de carbure de silicium (SiC) et possiblement 5 % d'autres produits (liant/charges). Une épaisseur de 0.4 à 3 cm est possible.
A cette étape de la présentation de l'invention, il a été compris qu'un élément important de celle-ci concerne la conception modulaire d'une structure de gestion thermique (thermal management en Anglais) ayant comme finalité la maîtrise de la température dans un volume interne que cette structure entoure, soit de façon structurellement dissociée, comme un sac isotherme entoure un contenu, soit de façon structurellement intégrée : les matériaux de la barrière thermique 15,23 font alors partie intégrante de la structure. Ce qui doit être aussi bien saisi est la volonté de rendre autonome la gestion thermique de chaque module ou chaque volume interne. En effet, il s'est avéré que ceci : - doit permettre de répondre plus finement aux besoins des clients, en permettant notamment de réduire le nombre de modules pour un même objectif, avec des gains de poids et d'encombrement à la clé ;
- autorise des montages où les modules « adjacents » ne seront pas nécessairement strictement accolés bien que très proches (moins de
3/4cms d'écart au maximum), comme par exemple figures 4 ou 6 où un espace 42 existe entre deux modules à barrière thermique 15,23 intégrée (figure 4) ou à barrière thermique 15,23 extérieure, rapportée (figure 6). En effet, le fait d'avoir prévu une structure modulaire, avec cette barrière ici MCP/PIV entre deux tels modules 3 ou volumes 7 adjacents, dans l'alignement latéral retenu, permet dans au moins une direction (ici le long d'une face latérale) de réserver cet espace 42 pour y faire circuler de manière naturelle ou forcée un fluide F qui pourrait avantageusement faciliter un transfert thermique si, comme conseillé dans le cas d'une « application batterie » comme figures 4 et 6, une face autre que les faces latérales de la paroi 5, ici le fond 29, est non seulement dépourvue desdites couches 15/23 de la barrière thermique mais doublée (ici par-dessous) par un moyen 44 d'échange par convection (flèches H sur différentes figures), naturelle ou forcée, telle une plaque thermiquement conductrice, par exemple métallique, ou au moins un conduit dans lequel circulerait un fluide d'échange, tel de l'eau, pour évacuer la chaleur apportée par la ou les couches 15 en MCP venant à son contact, comme illustré ;
- permet de rationnai iser, à coût réduit, une fabrication en grande série, dans plusieurs applications, dès lors qu'en prévoyant la barrière thermique 15,23 entre deux modules, on pourra :
-- utiliser une unique bande 50 de poches PIV dans le cadre du mode de réalisation à barrière thermique intégré détaillé ci-après qui peut permettre de fabriquer des modules à paroi latérale 5 et fond 29 ainsi pourvus, comme figures 2,3,
-- se dispenser d'au moins une poche 34 à constitution PIV en extrémité de pile figure 1 ; - permet aisément l'utilisation des bandes 50 évoquées ci-dessus, ces bandes, comme celles des figures 12,15, pouvant être placées latéralement (axe 51 ) autour du corps d'une cellule de batterie 52, comme on peut les imaginer, chacune refermées sur elles-mêmes, en voyant les figures 4,6,7, pour doubler chacune leur paroi latérale 5 avec la barrière thermique 15,23 que chaque bande intégrera alors ;
- et permet de concevoir des modules indépendants multi-fonctions, comme les cellules 100 de type poche (battery pouch Cell en anglais) des figures 10,11 .
Ainsi, comme schématisé figure 6, un espace 42 pourra, entre deux épaisseurs de dite seconde couche 23 interposée entre deux modules 52 adjacents, permettre de faire circuler, de manière naturelle ou forcée, un fluide F afin d'évacuer des calories (voire frigories) présentes dans ces espaces du fait des échanges entre modules. Chaque espace 42 pourra de ce fait être relié à des conduits respectivement 43a d'alimentation en fluide et 43b d'évacuation de ce fluide.
De ce qui précède, il ressort que la partie d'isolation thermique formée par la barrière 15/23 de préférence à constitution PIV pourra être structurellement dissociée tant des volumes 7 que de la paroi périphérique 5 de chaque module (cas des cellules 52 précitées). Dans ce dernier cas cette partie 15/23 entourera la paroi. Figures 4,6,7, on a schématisé une barrière MCP/PIV indépendante, issue d'une bande 50 articulée en plusieurs endroits du fait que les feuilles ou films 49 flexibles (ou parties d'une même feuille ou film unique) qui forme(nt) l'enveloppe 37 sont :
- soit en contact direct en zones 21 intermédiaires entre deux poches 19 thermiquement isolantes successives chacune à couches MCP 15 / matériau poreux 23 intégrées au sein de l'espace global sous vide créé, comme en figure 12 ou 15 ;
- soit remplies sur quelques mm d'épaisseur d'une structure déformable 79 pouvant être formée par un support conformable ou déformable en maillage polymère de quelques mm d'épaisseur imprégné d'un aérogel 81 , par exemple de silice, ou son pyrolat (aérogel pyrolysé, étant précisé que cette alternative de pyrolat s'applique à chaque cas de la présente description où un matériau poreux thermiquement isolant est concerné), comme figure 12.
Figures 8,13,14 on voit, parmi d'autres, différentes manières de 5 réaliser une bande 50, voir individuellement une poche 19 à matériaux 15/23 et constitution PIV qui la compose favorablement.
Dans les deux réalisations privilégiées proposées, chaque poche 19 comprend au moins une enveloppe extérieure 37 fermée qui contient les premier et second éléments 15/23 et est constituée d'au moins une feuille 10 49 conformable ou déformable étanche au matériau MCP, avec :
-- a) soit ladite feuille 49 qui est scellable (thermiquement/chimiquement, tels en 49a,49b, autour de la poche) et étanche au matériau poreux 23 et à l'air (voire aussi à l'eau), de sorte qu'un vide d'air régnant dans l'enveloppe 37, un dit panneau isolant sous vide (PIV) est ainsi défini, 15 comme montré figures 7,13 ;
-- b) soit le second élément isolant thermique 23 contenu à l'intérieur d'une seconde enveloppe fermée 51 à feuille flexible 53 scellable (comme ci-avant) et étanche au matériau poreux et à l'air, de sorte qu'un vide d'air régnant dans la seconde enveloppe, un dit panneau isolant 0 sous vide (PIV) est ainsi défini, comme montré figures 8,14.
A noter que deux couches 15 (15a, 15b) contenant un ou plusieurs matériaux MCP pourraient (comme figure 7) être disposées de part et d'autre de la couche de matériau poreux 23.
La ou les feuilles ou film(s) 49 et 53 pourront typiquement être 5 réalisés sous la forme d'un film multicouche comportant des films polymère (PE et PET) et de l'aluminium sous forme par exemple laminée (feuille d'épaisseur de l'ordre d'une dizaine de micromètre) ou métallisée (dépôt sous vide d'un film de quelques dizaines de nanomètre). La métallisation peut être effectuée sur une face ou sur les deux faces d'un film PE et 30 plusieurs films PE métallisés peuvent être complexés pour former un film unique. Exemple de conception du film: - Scellement intérieur PE, environ 40 μηη - Métal lisation sous vide Al, env. 0.04 μηη - Couche extérieure PET, environ 60 μηη.
Comme déjà noté, en comparant les figures 2 et 3-7, on aura remarqué que les modules 3, s'ils sont formés à chaque fois, sur un ensemble modulaire complet, en pile ou ligne, sont superposés par leurs ouverture 31 et fond 29, figure 2, tandis qu'ils sont latéralement en ligne, côte à côte par une partie de leur paroi périphérique 5 figures 3-7.
Dans l'application « modules superposés» pour le stockeur- échangeur 1 (voir figure 2), c'est donc non seulement la paroi périphérique 5 mais aussi le fond 29 qui sont pourvus de la double barrière 15/23, avec par exemple au moins une bande 50, pliée dans les angles, utilisée pour trois côtés (voir coupe figure 2 où le schéma, grossier, ne montre pas la bande), deux poches 19 simples pour les 4° et 5° côtés, le dernier côté étant ouvert (ouverture 31 ). Par contre, figures 3-4, la bande 50 pourra disposée à l'horizontale au niveau de la seule paroi latérale 5. Et toutes ces structures, ici à constitution PIV, seront favorablement noyées avec un support 55. Ce support sera favorablement monobloc. Il pourra être en matière plastique, métallique (inox, aluminium) ou composite, en particulier. Une fabrication moulée sera préférée.
La référence à une paroi latérale périphérique 5 en matériau moulable couvre tant les résines thermoplastiques chargées de fibres et injectées que les résines thermodurcissables imprégnant un mat, tel un tissé ou un non tissé.
Figure 3, le fond 29 intègre aussi une barrière MCP/PIV 15/23. Il peut s'agir d'au moins une poche 19 ou de deux poches à plat, côte à côte entre lesquels passeraient le ou les canaux de passage des raccordements électriques des bornes 140,170. Sur cette figure, on a supposé qu'une cellule électrique 52 (entièrement close et contenant donc les éléments 15,16,17) a été placée, dans chaque espace central 56 délimité par la face intérieure des parois 5 et 29, par l'ouverture 31 opposée au fond transversal 29. Figure 4, on a au contraire schématisé le cas où l'intérieur creux délimité par la face intérieure des parois 5 et 29 est directement le volume 7. Dans ce cas, les éléments 15,16,17 placés là y sont maintenus par un couvercle 57 qui ferme l'ouverture 31 . Les situations peuvent être interverties entre les deux figures.
Figure 5, et avec plus de détails figure 7, une particularité réside dans la paroi PIV 23 qui est commune aux deux cellules 52 adjacentes.
Ainsi, entre deux cellules 52 adjacentes, on trouve au moins une poche sous vide à trois couches : une couche isolante poreuse 23 entre deux couches MCP, a priori identiques. L'épaisseur de la couche 23 peut être double des versions à couches dédiées des autres variantes. Comme figures 5,6, un manchon 38 mécaniquement protecteur peut entourer le lot des cellules et leurs barrières thermiques individuelles 15/23.
Les figures 8-11 schématisent une autre manière de réaliser une cellule de batterie d'accumulateurs, en l'espèce une cellule « pouch » (poche) figures 10-11 , alors qu'il peut s'agir de cellules prismatiques figure 9 et sur les figures précédentes.
Figure 8, deux poches allongées 19 formées chacune d'une enveloppe 37 sont schématisées, face à face. Chacune présente deux extrémités 49a,49b de films extérieurs 49 soudées ensemble. Ce sont ces deux couples d'extrémités 49a,49b que l'on va pouvoir réunir et souder par couple, comme montré figures 9-11 pour constituer un espace central fermé correspondant soit (figure 9) à l'espace 56 déjà présent dans la solution de la figure 3 soit directement au volume interne 7 (figures 10-11 ), dès lors que la paroi 49 sera alors choisie pour résister à l'électrolyte et aux échanges liées à la production électrique dans le volume, en étant si nécessaire pour cela doubler par une paroi ad-hoc. Figures 10,11 , on notera l'aspect cintré vers l'extérieur (EXT) des enveloppe scellées 37/51 à feuilles flexibles, étant précisé qu'une telle forme peut résulter d'un raccourcissement, sur chaque enveloppe, de la longueur L1 de la feuille interne par rapport à la longueur L2 de la feuille externe, ceci créant une tension mécanique à l'endroit des scellements d'extrémités qui cintre l'enveloppe.
Dans le mode de réalisation des figures 12,15, des pliures pourront donc s'opérer à l'endroit des zones 21 d'articulation, où deux feuilles 49 sont en contact direct l'une avec l'autre et qui sont intercalées chacune entre une poche 19 et une zone intermédiaire 59 thermiquement isolante contenant au moins un matériau poreux 23.
On pourra intercaler au moins une couche MCP entre le fond 29 et le moyen 44 d'échange par convection, le fond 29 pouvant intégrer cette ou ces couches.
La figure 16 permet de montrer une alternative à la solution de la figure 2 : les fonds 29 peuvent ne pas comprendre de couches 15 ni 23. Le même matériau que celui de la paroi 5 peut être utilisé, pour une constitution monobloc.
Quant à la figure 17, elle montre en vue de dessus un cas où le moyen 44 de transfert d'énergie thermique agit en particulier par conduction, via des conduits 48 de circulation d'un fluide qui, via la plaque 50 de transfert d'énergie thermique (métal typiquement) qui double une face 58 des blocs 3 réunis (ici plusieurs cellules 52 adjacentes), assure l'évacuation de l'énergie thermique apportée à cette plaque par les couches MCP 15.
On notera qu'une telle couche MCP15 entoure latéralement (sur les quatre faces latérales autres que la face 58 et son opposé ; voir figure) l'ensemble des blocs 3/52 réunis et est elle-même doublée extérieurement par un isolant thermique 23.
La figure 18 schématise une alternative où le moyen 44 de transfert d'énergie thermique, ici par convection, s'étend tout autour d'une couche MCP 15 qui entoure latéralement (sur les quatre faces latérales autres que les faces ici inférieure et supérieure; voir figure) l'ensemble des blocs 3/52 réunis. Le moyen 44 de transfert par convection peut être une plaque porteuse extérieurement d'ailettes 46.
On a encore figuré en 38 figure 17 le manchon, ou plus généralement l'enveloppe en une ou plusieurs pièces, qui sert de paroi mécaniquement protectrice, voire de moyen latéral de maintien (voir solution figure 1 ) aux éléments qu'elles entourent ; blocs 3, couches 15/23... Dans la solution de la figure 18, la plaque périphérique porteuse extérieurement des ailettes 46 pourra jouer ce rôle, notamment si l'on réunit les plaques entre elles pour former une paroi continue.
Dans toutes les solutions qui précèdent, on a pu noter que c'est à travers leurs parois périphériques 5 que les modules adjacents 3 échangeraient davantage de calories ou frigories si les couches 15/23 et/ou les enveloppes PIV n'étaient pas présentes, altérant ainsi leur gestion interne.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Ensemble modulaire comprenant plusieurs modules (3) adjacents présentant chacun une paroi périphérique à travers laquelle les modules adjacents peuvent être en échange thermique entre eux, lesdits modules adjacents étant réunis entre eux par des moyens (6) de circulation d'un flux et contenant chacun au moins un volume (7) où est présent l'un au moins parmi :
- un fluide (9) frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
- des éléments (13) de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
- au moins un élément (16,52) à maintenir à une certaine température,
- au moins un élément (52,16,14,17) dégageant de la chaleur, au moins une première couche (15) comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) étant disposée en périphérie de certains au moins desdits volumes (7), y compris sur un côté :
- où deux modules sont en contact par leurs parois périphériques respectives, ou bien
- où ladite première couche (15) est serrée entre deux modules se faisant face, ou bien
- où un espace (42) est réservé entre deux modules pour y faire circuler de manière naturelle ou forcée un fluide,
et où au moins une partie d'au moins une seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant est interposée.
2. Ensemble modulaire selon la revendication 1 , où le matériau thermiquement isolant (23) de la seconde couche comprend un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte (37) sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide (19,50).
3. Ensemble modulaire selon l'une des revendications 1 ,2, où une partie de la périphérie de certains au moins des modules est dépourvue desdites première et/ou seconde couches- là où un module (3) est en contact physique avec un moyen (44) de transfert d'énergie thermique par convection et/ou conduction.
4. Ensemble modulaire comprenant plusieurs modules (3) adjacents présentant chacun une paroi périphérique :
- à travers laquelle les modules adjacents peuvent être en échange thermique entre eux, lesdits modules adjacents étant réunis entre eux par des moyens (6) de circulation d'un flux,
- et qui ferme un volume (7), sauf possiblement à l'endroit d'une ouverture (31 ) laissant accès audit volume, dans lequel est présent l'un au moins parmi :
-- un fluide (9) frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
-- des éléments (13) de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
-- au moins un élément (16,52) à maintenir à une certaine température,
-- au moins un élément (52,16,14,17) dégageant de la chaleur, au moins une première couche (15) comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) étant disposée en périphérie de certains au moins desdits volumes (7), y compris sur un côté :
- où ladite première couche (15) est serrée entre deux modules se faisant face,
- et où au moins une partie d'au moins une seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant est également serrée, lesdites première et/ou seconde couches (15,23), qui est/sont structurellement distincte(s) de ladite paroi périphérique, étant disposée(s) autour de cette paroi périphérique, avec la seconde couche (23) à l'extérieur de la première (15), là où existe une présence des première et seconde couches.
5. Ensemble modulaire comprenant plusieurs modules (3) adjacents présentant chacun une paroi périphérique :
- à travers laquelle les modules adjacents peuvent être en échange thermique entre eux, lesdits modules adjacents étant réunis entre eux par des moyens (6) de circulation d'un flux,
- et qui ferme un volume (7), sauf possiblement à l'endroit d'une ouverture (31 ) laissant accès audit volume, dans lequel est présent l'un au moins parmi :
-- un fluide (9) frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation,
-- des éléments (13) de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
-- au moins un élément (16,52) à maintenir à une certaine température,
-- au moins un élément (52,16,14,17) dégageant de la chaleur, au moins une première couche (15) comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) étant disposée en périphérie de certains au moins desdits volumes (7), y compris sur un côté où deux modules sont en contact par leurs parois périphériques respectives, et où au moins une partie d'au moins une seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant est interposée, les parois périphériques incorporant chacune un support (55) en matériau moulable et les première et seconde couches (15,23).
6. Ensemble modulaire selon l'une des revendications précédentes, où les modules (3) définissent ou renferment des accumulateurs électriques (10,100,52) d'un bloc batterie pour un véhicule, où au moins un électrolyte (16), ainsi qu'une anode et une cathode disposés dans chaque dit volume (7), définissent tout ou partie dudit élément à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur.
7. Ensemble modulaire selon l'une des revendications précédentes, où un espace (42) est réservé entre deux épaisseurs de dite seconde couche (23) interposée entre deux modules adjacents, pour y faire circuler de manière naturelle ou forcée un fluide.
8. Ensemble modulaire selon l'une des revendications 1 à 5, où :
- les modules (3) sont ceux d'une unité de stockage et de restitution d'une énergie thermique,
- les volumes (7) contiennent lesdits éléments (13) de stockage et de restitution de ladite énergie thermique,
- au moins un premier passage traversant une paroi d'au moins un des modules laisse entrer et sortir ledit fluide frigorigène ou caloporteur (9),
- et des seconds passages (30) établis entre certains au moins un desdits modules laissent passer le fluide frigorigène ou caloporteur entre les volumes.
9. Ensemble modulaire selon l'une des revendications précédentes, où les modules (3) dans leur ensemble sont entourés par une dite première couche (15) comprenant au moins un matériau à changement de phase thermique (MCP) doublé :
- par une dite seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant, hormis à l'endroit d'une plaque (50) de transfert d'énergie thermique apportée à cette plaque par lesdites premières couches (15)
- ou par des plaques porteuses extérieurement d'ailettes (46) agissant comme moyen (44) de transfert d'énergie thermique apportée à ces plaques par lesdites premières couches (15).
10. Module pour un ensemble modulaire selon l'une des revendications précédentes, où les première et seconde couches (15,23) sont regroupées dans au moins une poche (19) qui entoure ledit volume (7), et le matériau thermiquement isolant de la seconde couche (23) comprend un matériau poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide.
11 . Module selon la revendication 10, où les première et seconde couches (15,23) sont réparties dans deux poches (19) scellées ensemble autour dudit volume, créant ainsi une enveloppe (49) fermant le volume (7).
12. Module selon la revendication 11 qui définit un accumulateur électrique (52,100) d'un bloc batterie de véhicule, où au moins un électrolyte (16), une anode (14) et une cathode (17) disposés dans ledit volume définissent tout ou partie dudit élément à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur, l'enveloppe laissant passer des moyens (140,170) de branchement électrique reliés aux anode et cathode.
13. Module selon la revendication 12, où l'accumulateur électrique est une cellule (100) de type poche (battery pouch Cell en anglais).
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