WO2020049249A1 - Systeme de refroidissement d'au moins un module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique - Google Patents

Systeme de refroidissement d'au moins un module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique Download PDF

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WO2020049249A1
WO2020049249A1 PCT/FR2019/052020 FR2019052020W WO2020049249A1 WO 2020049249 A1 WO2020049249 A1 WO 2020049249A1 FR 2019052020 W FR2019052020 W FR 2019052020W WO 2020049249 A1 WO2020049249 A1 WO 2020049249A1
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dielectric fluid
fluid
cooling
module
pressure
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PCT/FR2019/052020
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Rémi DACCORD
Stéphane WATTS
Frédéric ALBERGUCCI
Original Assignee
Exoes
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    • H01M10/61—Types of temperature control
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having an optimized thermal management system in which a temperature-controlled fluid comes into direct contact with the battery cells. It applies in particular, but not exclusively, in the automotive field. It applies for example to the traction batteries of electric vehicles (VE) and hybrid electric vehicles (VEH).
  • VE electric vehicles
  • VH hybrid electric vehicles
  • a lithium-ion (Li-ion) type electrochemical cell battery module regularly undergoes charging and discharging phases, causing heating which can be significant.
  • This electrochemistry also has a reduced operating temperature range, typically between 0 and 45 ° C for charging and -20 ° C and 60 ° C for discharging. Cell aging increases when the cell temperature deviates from an ideal operating temperature, typically 25 ° C.
  • Patent application DE102015200700 relates to a high temperature battery comprising a battery module which comprises at least one module housing and a plurality of battery cells arranged in the module housing.
  • a heat transfer fluid used to dissipate heat from the battery cells, is used as a temperature control means.
  • the module housing has at least one passage for the temperature control liquid, via which a receiving space for the temperature control liquid is fluidly coupled to at least one module housing.
  • European patent EP2806494 describes a battery system, comprising:
  • the at least one separator sealed inside the housing and interposed between the first battery element and the second battery element, in which the at least one separator is spaced with respect to an upper surface of the housing sealed by a first space and relative to a lower surface of the housing sealed by a second space
  • the separator extends horizontally from a first separator end fixed to the front surface to a second separator end fixed to the rear surface.
  • a pressure relief valve interposed between the dielectric liquid coolant and the discharge port, wherein the discharge port is in fluid communication with the interior of the housing upon activation of the pressure relief valve.
  • the patent FR3062522 describes a battery comprising a housing, the housing comprising a chamber filled with a dielectric heat transfer liquid fluid, the chamber comprising:
  • each of the electrical accumulators having two electrodes, one of the two electrodes being electrically connected to a first conductive element, the other of the two electrodes being electrically connected to a second conductive element,
  • An electrical connection means arranged to allow the electrical connection of the first and second conductive elements to an element external to the battery.
  • a battery pack is bulky, it is generally of flat shape to facilitate its integration and the upper part of its external walls has a large surface area. Consequently, a pressure differential between the interior and the exterior generates forces and possibly significant deformations. Consequently, the walls of the enclosure must be thick and rigid enough not to deform, which increases the weight of the pack.
  • a final drawback of the state of the art relates to the cooling of peripherals such as busbars, connectors and the electronic battery management circuit, in particular the resistances of the circuit for balancing the cell voltages of batteries.
  • peripherals such as busbars, connectors and the electronic battery management circuit
  • these components heat up and limit the use of the battery.
  • the calibration at various temperatures of electronic circuits is a long and costly step in their development. Keeping electronic circuits within a limited range of temperatures is also desirable to reduce their aging.
  • the solutions implemented in the invention consist in including all of the components peripheral to the battery cells inside the sealed enclosure, by immersing them in a dielectric fluid.
  • the electronic circuits, busbars and connectors are cooled.
  • the number of interfaces with the outside of the enclosure is considerably reduced, which facilitates the implementation of the sealing of the enclosure.
  • the connectors developed are particularly sealed against liquids and gases.
  • the system implemented in the invention has an expansion tank provided with a deformable membrane.
  • the side which is not in contact with the dielectric fluid defines a chamber whose pressure is controlled by a valve which either equalizes the pressure of the chamber with atmospheric pressure, or connects the chamber with a vacuum pump which, once activated, pumps the air contained in the chamber in order to reduce the pressure of the chamber under the saturation pressure of the dielectric fluid at its operating temperature. Therefore, it is possible to force a pressure equal to atmospheric pressure during system downtime for example, to limit the entry of air into the system. It is also possible to control the sub-cooling of the dielectric fluid between a minimum value which is the sub-cooling required for the proper functioning of the dielectric fluid circulation pump, and a maximum value corresponding to the temperature differences that l '' we authorize our between the different battery cells.
  • the dielectric fluid used can be chosen so as to have a saturation temperature at atmospheric pressure outside the operating temperature range, in particular above, so that the difference between the internal and external pressure does not change. sign, in particular that it remains negative (enclosure under vacuum), which simplifies the sealing solutions to be implemented at the enclosure. Finally, such an enclosure, always under vacuum, undergoes a pressure differential limited to 1 barG, which lightens the structure of the enclosure.
  • the invention relates, in its most general sense, to a system for cooling at least one electrical module comprising a plurality of battery cells. immersed in a dielectric fluid, characterized in that it further comprises an expansion vessel connected to the volume of said dielectric fluid and having a gas chamber filled with air at controlled pressure.
  • the module according to the invention also has one or more of the following additional characteristics, taken individually or in combination:
  • said dielectric fluid has a saturation temperature at atmospheric pressure above 45 ° C.
  • said dielectric fluid is Novec 649 (trade name) produced by the company 3M (trade name), the boiling temperature at atmospheric pressure is substantially equal to 49 ° C.
  • the pressure of said gas chamber can be controlled between absolute Obar and atmospheric pressure
  • connection of said expansion vessel to the volume of said dielectric fluid is located just at the intake of a circulation pump of said dielectric fluid
  • a radiator cools a heat transfer fluid of the at least one electrical module and a refrigeration system is mounted in parallel with said radiator so as to supply heat to said heat transfer fluid upstream of said radiator and draws it downstream
  • Said refrigeration system is reversible so as to provide heat to said heat transfer fluid upstream of said radiator and draws it downstream in cooling mode, or alternatively so to supply heat to said heat transfer fluid downstream of said radiator and draws it out upstream in heating mode
  • said heat transfer fluid is said dielectric fluid flowing out of said at least one electrical module.
  • the invention also relates to a method for controlling a cooling system of at least one electrical module. comprising a plurality of battery cells immersed in a dielectric fluid,
  • the pressure of a gas chamber of an expansion vessel connected to the volume of said dielectric fluid is controlled so as to ensure sub-cooling of said dielectric fluid at the intake of a circulation pump of said dielectric fluid between 0K and 10K and preferably between 0.5K and 5K.
  • a refrigeration system mounted in parallel with a radiator for cooling a heat transfer fluid of said at least one electrical module is controlled so as to ensure a temperature of said heat transfer fluid at the inlet of said electrical module of less than 45 °. C and preferably less than 30 ° C.
  • a reversible refrigeration system mounted in parallel with a radiator for cooling a heat transfer fluid of said at least one electrical module is controlled so as to ensure a temperature of said heat transfer fluid between said electrical module between 0 ° C and 45 ° C and preferably between 0 and 30 ° C.
  • a refrigeration system mounted in parallel with a radiator for cooling said dielectric fluid is controlled so as to ensure sub-cooling of said dielectric fluid at the intake of a circulation pump for said dielectric fluid (140) of between 0K and 10K and preferably between 0.5K and 5K.
  • a circulation pump for said dielectric fluid (140) of between 0K and 10K and preferably between 0.5K and 5K.
  • FIG. 1 shows an exploded view of an embodiment of a battery module according to the invention.
  • Figures 3 and 4 show respectively top and bottom views of the cover.
  • FIG. 5 represents a detailed view of the cover with an attached exchanger.
  • FIG. 6 and 7 show a variant module for which the housing is constituted by a flexible envelope.
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of the module containing pocket cells.
  • FIG. 13 shows the integration of one of the thermal management systems of a battery with other thermal management functions.
  • FIG. 14 shows a detailed sectional view of a hermetic electrical connector.
  • FIG. 15 shows an alternative embodiment of the assembly of cells with prismatic cells.
  • FIG. 16 shows an alternative embodiment of the module with the circulating dielectric fluid.
  • the module (1) described in Figure 1 consists of an enclosure formed of three main parts:
  • a block of batteries (400) arranged horizontally, on two parallel planes, offset by half a step.
  • the module (1) forms a hermetically sealed enclosure, defining a free interior volume (that is to say the interior volume of the enclosure subtracted from the volume of the battery pack (400)) divided into:
  • liquid is always present in normal operation and typically represents between 10 and 100% of the free interior volume .
  • an upper part (150) exclusively filled with gas, that is to say the vapor in thermodynamic equilibrium with the liquid phase of the dielectric fluid (140) and, optionally, non-condensable gases in addition such as nitrogen. This part can be reduced to zero.
  • the enclosure forms a rigid and robust component, which includes:
  • the heat transfer fluid (145) circulates in an exchanger (236 or 237) contained in the module (1) to control the temperature inside it.
  • this exchanger (236) is contained in the cover (200).
  • the heat exchanger is offset outside the module (1) and it is the dielectric fluid (140) which flows out of the module (1) towards a heat exchanger.
  • the hydraulic inlet and outlet ports (210, 220) are used for the circulation of the dielectric fluid (140).
  • the cover (200) can act as an exchanger (236) if it has fins inside and it can be cooled by air, moved by a fan outside the module and blowing on the cover (200) provided with fins on the outside.
  • the dielectric fluid (140) has the following characteristics:
  • low global warming potential preferably less than 150, or even less than or equal to 20.
  • the dielectric fluid (140) is not air. It is a fluid which has a liquid phase at atmospheric pressure over the range of operating temperatures defined below. Furthermore, the range of use of the product is characterized by a minimum (Tmin) and maximum (Tmax) temperature, typically -40 ° C and 60 ° C respectively.
  • the dielectric fluid (140) can have a boiling temperature at atmospheric pressure (Tsat (Patm)) which varies:
  • Tmin Tsat (Patm) Tmax there is a boiling point for which the fluid is at atmospheric pressure within the range of use of the product.
  • the saturation pressure of the fluid varies below and above atmospheric pressure as a function of the temperature.
  • the interior of the module (1) is either in depression or in overpressure depending on the temperature. It may then be advantageous to have a deformable balloon (160) inside the module (1), connected to a reference pressure, for example open to the atmosphere, so that the balloon inflates in the event of depression in the module (1) to avoid operating under vacuum and maintain a pressure substantially equal to atmospheric pressure by ensuring that the liquid volume of the dielectric fluid (140) is equal to the interior volume of the module (1) minus the volume of the balloon (160) swollen. Then the internal pressure in the module (1) is between atmospheric pressure and the saturation pressure at the maximum temperature of use.
  • the pressure in the module is the sum of the partial pressure of the gas and the saturation pressure of the dielectric fluid (140). It is then possible to adjust the partial gas pressure during filling of the module (1) in order to be overpressure over the entire operating range, in particular at Tmin.
  • the internal pressure in the module is between a low limit, equal to the saturation pressure at the minimum operating temperature plus the pressure of the mass of gas at the minimum operating temperature and to the volume of the gaseous upper part (150), and an upper bound equal to the saturation pressure at the maximum temperature of use to which is added the pressure of the mass of gas at the maximum temperature of use and the volume of the gaseous upper part (150).
  • Tmax The saturation pressure of the fluid when using the product is always lower than atmospheric pressure.
  • the pressure inside the module (1) is always less than atmospheric pressure and equal to the pressure of saturation of the fluid dielectric at operating temperature
  • the cells (414) of batteries heat by the Joule effect. Indeed, subjected to a current, their internal resistance in particular produces heat, whose power is equal to the internal resistance multiplied by the intensity squared. Therefore, the dielectric fluid (140) inside the module (1) undergoes a heating cycle then isochoric cooling. In contact with the cells (414) of batteries in operation, it heats up by cooling the cells (414). Then it transports this heat to the exchanger (236 or 237) to transfer it to it.
  • the dielectric fluid (140) remains in the liquid phase. It “rises” (vertical movement upwards) towards the exchanger (236 or 237) by natural convection, its density being lower than that of the cold dielectric fluid. If it comes into contact with said exchanger, it cools and "descends" to the bottom of the module (1) thus forming a convection cell. In a second case, it evaporates on contact with the cells (414). The bubbles formed move thanks to Archimedes' push, from the lower part to the upper part (150). The gas phase of the dielectric fluid (140) in contact with the cooler exchanger (236 or 237) condenses. Drips form on the internal surface of the exchanger (236 or 237) and these fall into the lower liquid part.
  • the ratio between the lower volume, the upper volume (150) and the volume of the possible tank (160) vary, the cumulative volume, representing the interior of the module (1), remaining unchanged.
  • the housing does not allow any circulation of the liquid phase of the dielectric fluid (140) towards the outside of this enclosure, outside the filling phases, nor any circulation of the gas phase of the dielectric fluid (140).
  • the liquid phase of the dielectric fluid (140) is generally static, without displacement of the liquid phase under the effect of a pump or of a stirring means or of forced circulation.
  • the only displacements of the liquid phase are those resulting from the natural phenomena of convection and circulation of the bubbles of the gas phase and of the vibrations caused by the support of the module (1).
  • PFPE Galden from Solvay (trade names), or Krytox from Chemours (trade names)
  • the housing (100) consists of a hollow profile, preferably made of aluminum, optionally having reinforcing ribs making it possible to optimize the thickness (and therefore the weight) with respect to the resistance to pressures or depressions forming at inside the enclosure.
  • the upper edge (171) and the lower edge (172) have grooves respectively (173, 174) to receive a seal (175, 176) ensuring the seal with the cover (200) and the bottom (300) respectively.
  • This seal can be an O-ring or flat.
  • the bottom (300) is formed by a sheet of aluminum or stainless steel hermetically closing the lower part of the housing (100).
  • the housing (100) can also directly integrate the base (300) in a single piece, said housing can then be produced by a foundry process for example.
  • This solution makes the O-ring (176) and the bottom fixing lugs obsolete.
  • the housing (100) can be made of plastic or composite material.
  • the housing presented in the example describes four fixing lugs (180) for the connection with the module support (1), as well as two handles (190, 191) for handling the module. These handles (190, 191) have a height greater than the height of the connectors (110, 120) to ensure the mechanical protection of the latter.
  • the housing also has in the example described four tapped holes on the front (181) for the connection with the module support or for mounting the module (1) in a bay, for example on a 19-inch bay.
  • the electrical connectors (110, 120, 130) have a hermetic base in order to prevent the dielectric fluid (140) from being able to escape from the module (1) in the event of overpressure or air from entering the module ( 1) in case of depression.
  • the pressure differential between the interior of the module (1) and the atmosphere does not change sign. It is in fact more complex to design a module which is hermetic both in depression and in overpressure.
  • the dielectric fluid (140) used has a Tsat (Patm) in the operating range then it may be advantageous to use a balloon (160) of variable volume.
  • the module (1) comprises a flexible balloon (160), immersed in the lower part of the fluid (140).
  • the balloon (160) has an opening (161) connected to the outside.
  • the opening (161) being always open during the operation of the module (1), the interior of the balloon (160) is constantly connected to the external pressure. Therefore, the balloon (160) inflates when the internal pressure of the module (1) decreases, which happens when the internal temperature passes under the Tsat (Patm).
  • Tsat Tsat
  • the upper gaseous part (150) is reduced to zero, there is therefore no longer a liquid-vapor equilibrium in the module (1) and the pressure of the liquid - then sub-cooled - is maintained substantially equal to atmospheric pressure.
  • the balloon (160) deflates when the internal pressure of the module (1) increases, during a heating of the interior of the module (1) for example; its volume is then reduced to zero. Therefore, the balloon (160) constitutes to some extent a means of regulating the internal pressure of the module (1) vis-à-vis the outside. Said pressure regulation improves the hermeticity of the housing, the seals being less stressed by pressure variations.
  • Said balloon (160) also makes it possible to simplify the procedure for filling the module (1) with fluid (140), by avoiding having to evacuate the module (1) before filling. Indeed, in order to avoid any degradation of the dielectric fluid (140) with the water and the oxygen contained in the air, the module (1) must not contain air. To do this, during the filling phase, the balloon (160) is kept inflated by an external pressure source. The module (1) is then completely filled to its highest point by the dielectric fluid (140), the upper volume (150) in the gas phase of this fluid not existing. The module (1) is then sealed tightly, then the pressure inside the balloon (160) is released.
  • the balloon (160) remains inflated and the volume greater (150) does not exist. There is therefore no air in the module (1).
  • the cells (414) start to heat and the dielectric fluid (140) begins to evaporate, the pressure rises, the balloon (160) deflates and the upper volume (150) of gas sees its volume increase.
  • the cover (200) will then play its role of condenser, the cooling fins (235) being in contact with the gas.
  • the volume of the balloon (160) is at least equivalent to the volume of gas contained at the level of the cooling fins (235). Consequently, when the balloon (160) is fully deflated, the upper volume (150) is such that the cooling fins (235) are entirely in the volume of gas. The efficiency of this cooling system is then maximum.
  • Figures 3 and 4 show detailed views of the cover, respectively in exploded view from above and in view from below.
  • FIG. 5 represents a detailed view of the cover with an attached exchanger.
  • the cover (200) consists of a solid block (230) of aluminum obtained by machining or foundry.
  • This block (230) has on its lower face cooling fins (235) arranged longitudinally, along the longest axis of the cover (200).
  • These fins (235) have a thickness of between 2 and 5 millimeters. They are regularly spaced at least 5 millimeters, in order to avoid the formation of liquid bridges between two fins during condensation of the dielectric fluid.
  • the height of the fins (235) is between 5 and 15 millimeters.
  • These fins (235) define heat exchange surfaces with the heat transfer fluid exchanger (236) (145) on the one hand, and the gas phase present in the upper volume (150) on the other hand.
  • the cooling circuit exchanger (236) is formed on the opposite surface of the solid block (230). It is constituted by a machining forming a coil opening on a hydraulic inlet port (210) and opening into a hydraulic outlet port (220).
  • this coil is closed by a sheet (239) screwed by its periphery onto said solid block (230).
  • this sheet (239) can be welded to the edges of the coil, or glued.
  • the previously described cooling circuit (236) can be replaced by an exchanger (237) between heat transfer fluid (145) and dielectric fluid (140), the heat transfer fluid (145) then circulating in an exchanger ( 237), which can be of the fin or brazed plate type.
  • an exchanger 237)
  • the sheet (239) is always necessary in order to close the module (1) and to ensure its airtightness.
  • said exchanger (237) can be integral with said sheet (239), in particular in the case of a brazed plate exchanger and an aluminum sheet.
  • the cover (200) has a through hole in which is housed a safety valve (240) or a bursting disc, opening in the event of overpressure in the enclosure, to allow part of the gaseous phase to escape (150 ) dielectric fluid (140) and the gases produced, for example during thermal runaway of the batteries, and avoid the risk of explosion of the module (1).
  • a temperature sensor near the valve (240) detects overheating and transmits the information to the battery management module which will prevent the use of the module until a repair.
  • the dielectric fluid In the event of thermal runaway, the dielectric fluid will first evaporate by absorbing the heat emitted by the faulty cell and be evacuated by the valve. The large amount of energy contained in the evaporation of the fluid will prevent the rise in temperature and contagion to other cells.
  • the cover (200) also has holes (290) opening into the bottom of the coil (236). These holes (290) are closed by fusible lids at a temperature above 80 ° C. In case of fusion of these lids during overheating due to thermal runaway, the coolant escapes from the cooling circuit to fill the enclosure and thus ensure additional cooling of the cell (414) in thermal runout for avoid contagion to other cells.
  • the housing encloses the battery pack (400) which is completely immersed in the liquid phase of the dielectric fluid (140).
  • the battery cells (414) are interconnected in series, in parallel or in series-parallel by plates (401), called bus-bars, formed by a conductive material which can be coated locally with an insulating layer. They are held in a cage formed by two frames (411, 412) connected by spacers (413).
  • the plates (401) being immersed in the liquid dielectric fluid (140), these have the same type of evaporative cooling as the cells (414). Consequently, said plates can be undersized because not fearful excessive heating, which is advantageous for the compactness, the weight and the price of the module.
  • the battery pack (400) can be fixed in the case using plates (260, 261) surrounding the frames (411, 412) from above and fixed by screws .
  • the battery pack (400) can also be fixed to its base via plates (262 to 264) fixed to the bottom (300) of the module (1).
  • the housing also encloses an electronic circuit (420) for managing the batteries, also completely immersed in the liquid phase of the dielectric fluid (140).
  • the immersion of this electronic card (420) allows its cooling and in particular the cooling of the balancing resistors used when charging the cells (414). These can then easily admit a much higher balancing current to reduce the duration of the terminal cell charging phase (414).
  • These resistors like many power electronics components, have a particularly high surface heat flux which can go up to 250 kW / m 2 .
  • the diphasic immersion provides a relevant response making it possible to exceed such flows with only ten degrees of temperature rise relative to the boiling temperature of the dielectric fluid (140).
  • said electronic circuit (420) for managing the batteries can be mounted outside the module (1), and therefore outside the dielectric fluid (140). In this case, the temperature and cell voltage information (414) must be transmitted through a sealed bulkhead connector.
  • the housing can also enclose other peripheral components: electrical connectors, temperature and pressure sensors, contactors, current sensors and various cables also immersed in the liquid phase of the dielectric fluid (140) in order to ensure their cooling too.
  • the unit formed by the block batteries (400), busbars (401), electronic circuits (420) and all of the above-mentioned peripheral components is called the cell assembly (402).
  • the cell assembly (402) In FIG. 15, a variant of this cell assembly (402) using prismatic cells is illustrated. In FIG. 8, only the battery pack (400) with cells (414) of the “pocket” type is illustrated.
  • the electrical connectors (110, 120, 130) have a hermetic base in order to prevent the dielectric fluid (140) from being able to escape from the module (1) in the event of overpressure or air from entering the module ( 1) in case of depression.
  • the hermeticity of these connectors (110, 120, 130) can be ensured by overmolding the metal parts.
  • the material used for this overmolding is chosen from the materials compatible with the dielectric fluid used.
  • the materials to be favored for overmolding are epoxy resins.
  • the tightness of these connectors (110, 120, 130) can also be ensured by an O-ring located inside the connector.
  • the material used for this seal is chosen from the materials compatible with the dielectric fluid used.
  • the fluid chosen is Chemours' SF33
  • the materials to be favored for the joint are those based on EPDM (ethylene-propylene-diene monomer).
  • sealing cap can be mounted inside the power connectors (110, 120) standard, not gas-tight in particular.
  • Said sealing cap is composed of a cylindrical part made of a conductive material (112), said part being directly screwed onto the male pin (121) of the electrical connector (110, 120).
  • Said male pin (121) is, in the example of Figure 14, directly molded into the body of the base (122) of insulating material. Current flow is provided by an annular contact surface (117) located between the conductive cylindrical piece (112) and said male pin (121).
  • This annular surface (117) also serves as a mechanical stop when the conductive part (112) is screwed onto the spindle (121).
  • the contact pressure and the contact surface are chosen in order to obtain a very low electrical contact resistance to avoid a voltage drop and overheating at this location. A typical value not to be exceeded is 2 mOhms.
  • the conductive cylindrical part (112) comprises a threaded part (118) around which the internal connections are screwed.
  • the cap (111) is also composed of a cylindrical insulating part (113) allowing the conductive cylindrical part (112) to remain at a distance from the wall of the case (100) and avoid any risk of electric arc.
  • the insulating part (113) also comprises two O-rings (114, 115) making it possible to guarantee the hermeticity of the cap (111) under high internal pressure.
  • the box encloses several blocks of insulating material (250 to 256), of thickness which can typically vary between 3mm and 20mm. Said blocks make it possible in particular to provide electrical insulation between the battery block (400) and the metal parts of the case. Said blocks allow also to maintain the battery pack (400) in the event of an impact.
  • the volume of said blocks (250 to 256) is maximized to reduce the free volume, especially wherever the presence of the dielectric fluid (140) is not required. Indeed, part of the free volume of dielectric fluid comes from manufacturing and assembly constraints of the module which limit the achievable shapes.
  • the components requiring cooling have a spacing with the blocks (250 to 256) typical of 1 to 5mm to allow the dielectric fluid (140) to pass.
  • the blocks (250 to 256) therefore have shapes on their inner faces that best match the parts they surround, while providing this spacing.
  • This maximization of the volume of the blocks (250 to 256) is motivated by the reduction of the volume of dielectric fluid (140) in order to minimize the weight, the material constituting the blocks (250 to 256) being advantageously lighter than the dielectric fluid (140 ) that it replaces. This maximization is also motivated by the cost, the dielectric fluid (140) being more expensive than the blocks (250 to 256).
  • Said blocks (250 to 256) are chosen from a material compatible with the dielectric fluid (140).
  • the blocks of expanded foam based on polyurethane are preferred.
  • the materials are also closed cell, so that they avoid absorbing the dielectric fluid (140). It is important that the foam is obtained using a blowing agent compatible with the dielectric fluid (140), or even the dielectric fluid itself.
  • SF33 is used as an expanding agent for polyurethane foams, it can also be used as a dielectric fluid for two-phase cooling by immersion of batteries.
  • a resin may be used to provide electrical insulation between the battery pack (400) and the metal parts of the case.
  • the foam may be deposited in the module (1) by a foaming process using a counterform:
  • a first step consists in positioning the counterform in the enclosure of the electrical module
  • a second step consists in injecting the still liquid foam into the internal space defined between the enclosure of the electrical module and the counterform,
  • a third step consists in removing the counterform once the foam has hardened (250 to 256),
  • a fourth step consists in positioning the assembly of cells (402), composed of a battery pack (400), busbars (401), connectors (110, 120, 130), sensors and circuits electronic (420), in the assembly composed of the module (1) and the hardened foam (250 to 256).
  • the counterform is shaped so that the assembly of cells (402), composed of a battery pack (400), busbars (401), connectors (110, 120, 130), sensors and electronic circuits (420) can be positioned during the fourth step while providing, outside of areas of mechanical contact between the cell assembly (402) and the enclosure (100, 200, 300 ), a space between the cell assembly (402) and the foam (250 to 256), of typical thickness between 1 and 5mm.
  • the counterform ideally occupies all of the free volume of the dielectric fluid which is unnecessary for cooling. In practice, constraints linked to the mounting of the cell assembly in the case limit the shape of this counterform. Detailed description of the cooling system
  • the cooling system consists of a cold source, a circulation pump (704) of the heat transfer fluid (145) circulating in a closed circuit, supplying one or more modules (1) with the coolant (145).
  • the heat transfer fluid (145) can be a mixture of deionized water and ethylene glycol in a proportion of 50% to prevent the fluid from freezing at low temperatures, while retaining good thermal properties.
  • any non-flammable heat transfer fluid (145) with high sensitive heat and low viscosity can be used: propylene glycol, special oils.
  • the cold source is a radiator (701), preferably ventilated by a fan (702), capable of removing heat from the heat transfer fluid (145) in the ambient air.
  • a radiator (701) preferably ventilated by a fan (702), capable of removing heat from the heat transfer fluid (145) in the ambient air.
  • This embodiment is suitable for applications where the ambient air does not exceed approximately 30 ° C, and preferably 25 ° C, in order to limit the temperature of the cells (414) in the module (1), for example around 40 ° C maximum.
  • the temperature of the cooling circuit strongly depends on the power dissipated in the module (1) and on the ambient temperature, with the consequence of being preferred in applications with slightly variable battery power in order to avoid its thermal cycling.
  • the supply of several modules (1) by the heat transfer fluid loop (145) can be carried out in series or in parallel, or by a combination of the two.
  • the number of modules (1) in series will be chosen, on the one hand equal to at least 2 in order to limit the required flow rate of the pump (704), and on the other hand equal to at most 3 in order to limit the required pressure of the pump (704) and the heating of the fluid coolant (145) through the modules (1).
  • the number of modules in parallel will preferably be between 2 and 8.
  • the heat transfer fluid circulation pump (704) (145) can advantageously be regulated in rotation speed and controlled by the cooling needs of the modules (1) in order to improve the energy efficiency of the complete system.
  • the radiator (701) could advantageously be equipped with a fan (702) regulated in rotation speed, with the same energy efficiency objective as described above.
  • the cold source consists of the evaporator (708) of a vapor compression refrigeration system (703), of the type used for air conditioning the passenger compartment of vehicles .
  • This type of system consists of an evaporator (708), a compressor (705), a condenser (706) and a pressure reducer (707) connected by pipes allowing the circulation of a refrigerant fluid ( 709) in closed loop.
  • Said fluid (709) can for example be an HFC such as R134a, or an HFO such as R1234yf, R1234ze, R1233zd.
  • the production of cold from the evaporator (708) is used to lower the temperature of the heat transfer fluid (145), if necessary to a value lower than that of the ambient air, which makes it possible to control the temperature in the module (1 ) to a predetermined value, and in particular to limit it - for example to 40 ° C. maximum - whatever the fluctuations in power dissipated in the module and the ambient temperature of the application.
  • the refrigeration system (703) may also be reversible. It can thus, in heating mode, supply heat to reheat the modules (1) whose performance under load in particular is affected for temperatures typically below 0 ° C.
  • the compressor (705) of the refrigeration system will advantageously be chosen from air conditioning compressors used in electric vehicles, which are mainly made of aluminum alloys, and are designed to be directly supplied with direct current from a battery.
  • These compressors being equipped with a variable speed drive, they allow on the one hand a better energy efficiency by adjusting the cooling capacity of the refrigeration system (703) to the just need of the modules (1), and on the other hand to reach high maximum powers when operating at maximum speed.
  • the temperature range targeted for the thermal regulation of the batteries makes it possible to raise the level of evaporation temperature beyond 15 ° C, even up to 30 ° C, and thus increase the cooling capacity developed by the compressor. (705) compared to conventional use in air conditioning: specific powers of around 1.5 kW refrigeration per kilogram of compressor can thus be achieved.
  • an evaporator (708) made of aluminum alloy can be used, preferably of the brazed plate type in order to reduce the internal volume on the heat transfer fluid side (145).
  • the heat transfer fluid loop (145) is adapted to distribute to the modules (1) the cooling power generated at the evaporator (708), in particular when several modules of a battery pack are to be supplied and are located at a certain distance from it.
  • the heat transfer fluid loop (145) can be omitted, the module cooling circuit (236) then serving directly as an evaporator (708) for the refrigeration system (703 ).
  • This type of arrangement is particularly suitable for cooling a single module (1), or a limited number of modules (1) to be cooled in order to limit the charge of refrigerant (709) required and the complexity linked to the management of several evaporators in parallel in a refrigeration system (703).
  • the refrigeration system (703) it is possible to limit the consumption of the refrigeration system (703) by mounting the latter in parallel with the radiator (701) of the heat transfer fluid loop (145). It is also possible to remove the heat transfer fluid loop (145) as shown in Figure 12 by circulating the dielectric fluid (140) from the module (s) (1) to the radiator (701). The refrigeration system (703) in parallel then makes it possible to heat the dielectric fluid (140) before it enters the radiator (701) to cool it more easily by increasing the temperature difference with the air and also makes it possible to cool. the dielectric fluid (140) at the desired temperature just after the radiator (701).
  • Such an arrangement makes it possible to actuate the refrigeration system (703) only when a threshold temperature on the return of the dielectric fluid (140) is exceeded, thereby reducing the consumption of the refrigeration system (703) when the power of battery usage is low, or when it has time to cool down between uses, or when the ambient temperature is low.
  • the elimination of the heat transfer fluid loop (145) also makes it possible to eliminate the stacking of temperature differentials between the cold source and the cells which adversely affect the energy efficiency of the cooling. This solution is to be preferred for demanding on-board applications which must be autonomous in cooling for its on-board weight and its energy efficiency.
  • a module variant is presented in FIG. 16. In this, the exchanger (236) is eliminated and the hydraulic inlet and outlet ports (210 and 220) are used by the dielectric fluid (140).
  • Figure 13 shows the integration of one of the thermal management systems of a battery with other thermal management functions, for example those of electronics (712), electric motors (711) and the system. for heating, ventilating and air conditioning (710) the cabin of a vehicle.
  • the electronics (712) can be constituted by the battery safety management system (BMS) but also the power supply electronics of an electric motor.
  • BMS battery safety management system
  • the heating, ventilation and air conditioning system (710) is connected to a second evaporator (7080) in parallel with one evaporator (708) which is connected to the dielectric fluid loop (140).
  • the flow in this second evaporator (7080) is controlled by a second regulator (7070).
  • the refrigeration system (703) is controlled to regulate subcooling at the inlet of the pump (704) in order to avoid any cavitation and to use the refrigeration system (703) only to the minimum in order to limit consumption.
  • a pressure sensor (P) and a temperature sensor (T) positioned upstream of the pump are required.
  • a typical target subcooling is less than 5 ° C below the saturation temperature at the measured pressure.
  • the second control algorithm controls the speed of rotation of the fan (702) so that the difference between the temperature (T2) of the fluid dielectric (140) at the outlet of the radiator (702) and the ambient temperature (T3) is less than a value varying between 1 and 8 ° C depending on the application use cases, for example charging or discharging, rolling vehicle or stopped, etc.
  • a system for reducing the vacuum in the dielectric fluid loop (140), especially when the system is not in operation is used in particular when a fluid having a Tsat (Patm) lower than the maximum temperature seen by the system is used.
  • An expansion tank (713) with internal membrane is connected to the dielectric fluid circuit (140).
  • This expansion vessel (713) is controlled by an air pressure regulated by a valve (714).
  • the membrane is pressed against the bottom of the vase (713) and the dielectric fluid is drawn into the vase (713).
  • the membrane Conversely, when the air pressure is higher than the pressure of the dielectric fluid circuit (140), the membrane swells and drives the fluid (140) out of the vessel (713).
  • a vacuum pump (715) is connected to one of the 2 valve inputs (714).
  • the valve (714) therefore makes it possible to regulate a pressure between 0 bar absolute and atmospheric pressure.
  • the valve sends an air pressure equal to atmospheric pressure, which makes it possible to fill the circuit with fluid and to keep it in sub-cooled liquid substantially at atmospheric pressure.
  • the dielectric fluid (140) is re-aspirated into the vessel (713) by reducing the control pressure of the vessel (713) to a pressure close to the saturation pressure of the dielectric fluid at its measured temperature (T), which allows room for a vapor phase.
  • the system is dimensioned to have a vapor phase of reduced volume, for example a third of the volume of the pipeline between the module (1) and the radiator (702), which makes it possible to have a relatively small vase (713).
  • the valve (714) and the vacuum pump (715) could be omitted.
  • the vase (713) is then simply put at atmospheric pressure. It is even possible to do without a membrane in the case where the dielectric fluid (140) is not sensitive to oxidation or to hydrolysis by oxygen and ambient humidity.
  • the removal of the pressure control upstream of the circulation pump (704) simplifies the system but induces an uncontrolled and very high subcooling which harms evaporation on the cells. As a result, the exchange coefficients on contact with the cells are lower and the temperature differences between cells are higher. The use of such a fluid then loses its interest.
  • the module is shown with cylindrical cells (414) with a diameter of 66mm and a length of 160mm, with an electrochemistry of the lithium titanate type (LTO), similar to the 40Ah LTO cells of the Yinlong brand.
  • LTO lithium titanate type
  • the same type of cooling by dielectric fluid (140) is not limited to these cells (414) and could be carried out for other types of cells, such as for example cells in 18650 format for example in HG2 brand electrochemistry LG, or cells in the “rectangular thin pocket” format, for example of the Xalt or Kokam brand, or prismatic cells, for example of dimensions 139 ⁇ 22 ⁇ 56 mm from Toshiba.
  • the plates spacers (601) between the cells have a specific design for the evaporative cooling system.
  • said plates have substantially vertical passages (602) intended to allow the flow of evaporated fluid to rise towards the exchanger (237).
  • the dielectric fluid (140) used has a Tsat (Patm) outside of the operating range, for example the Novec 7100 from the company 3M (trade names) which boils at 61 ° C. at lbarA
  • Tsat Peak
  • the use of a balloon (160) is not required.
  • the box can consist of a flexible envelope (502), as shown in FIGS. 8 and 9.
  • a joint (503) which can be a weld between the two parts of the envelope (502).
  • the internal pressure lower than the external pressure combined with the flexibility of the envelope (502) implies that said envelope will stick as close to the cells (414), thereby reducing the volume of dielectric fluid (140 ) present in module (1).
  • This type of flexible envelope module has an operation similar to that described for a rigid case; as shown in FIG. 6, it also has insulating filling blocks (250), a volume of dielectric fluid (140) in liquid and gas phase (150), an exchanger (237) having inlet and outlet ports. hydraulics (210 and 220).
  • the hydraulic outlets (210 and 220) are hermetically linked to the casing (502) by means of welded joints (604) in order to guarantee the hermeticity of the module (1).

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Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique. Ledit système comporte en outre un vase d'expansion connecté au volume dudit fluide diélectrique et présentant une chambre gazeuse remplie d'air à pression contrôlée.

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'AU MOINS UN MODULE ELECTRIQUE COMPRENANT UNE PLURALITE DE CELLULES DE BATTERIES IMMERGEES
DANS UN FLUIDE DIELECTRIQUE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un pack de batterie présentant un système de gestion thermique optimisé dans lequel un fluide à température régulée vient au contact direct des cellules de batteries. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, dans le domaine de l'automobile. Elle s'applique par exemple aux batteries de traction des véhicules électriques (VE) et des véhicules électriques hybrides (VEH) .
Un module de batteries de cellules électrochimiques de type lithium-ion (Li-ion) , subit régulièrement des phases de charge et de décharge, entraînant un échauffement qui peut être important. Cette électrochimie présente également une plage de température de fonctionnement réduite, typiquement entre 0 et 45°C pour la charge et -20°C et 60°C pour la décharge. Le vieillissement des cellules augmente lorsque la température des cellules s'écarte d'une température idéale de fonctionnement, typiquement 25°C.
Il est donc nécessaire de la refroidir efficacement afin, d'une part, de maintenir son niveau de performance, et d'autre part de limiter son vieillissement. La densité de puissance de ces batteries a tendance à augmenter afin de satisfaire aux besoins en termes d'autonomie et de charge rapide. Un refroidissement par liquide, généralement de l'eau glycolée, permet de satisfaire à ces besoins. Mais l'eau étant également un bon conducteur électrique, un inconvénient de ce type de solution est que les contraintes de sécurité notamment pour éviter tout risque de court-circuit, par exemple en cas de choc, les rendent très complexes à mettre en œuvre. Ainsi, l'eau est classiquement contenue dans une plaque, elle-même mise en contact avec les cellules électrochimiques. Le contact entre les cellules et l'eau est donc indirect et local, diminuant d'autant l'efficacité du système. L'eau peut parfois être remplacée par des fluides thermiques diélectriques.
Etat de la technique
La demande de brevet DE102015200700 concerne une batterie haute température comprenant un module de batterie qui comprend au moins un boîtier de module et une pluralité de cellules de batterie agencées dans le boîtier de module. Un fluide caloporteur, servant à dissiper la chaleur des cellules de batterie, est utilisé comme moyen de contrôle de température. Le boîtier de module présente au moins un passage pour le liquide de contrôle de la température, via lequel un espace de réception destiné au liquide de contrôle de la température est couplé de manière fluidique au moins un boîtier de module.
Le brevet européen EP2806494 décrit système de batterie, comprenant :
- un logement scellé ayant une surface avant et une surface arrière
- au moins un premier élément de batterie et un second élément de batterie, dans lequel le premier élément de batterie et le second élément de batterie sont scellés dans le logement
- au moins un séparateur scellé à l'intérieur du logement et intercalé entre le premier élément de batterie et le second élément de batterie, dans lequel 1 ' au moins un séparateur est espacé par rapport à une surface supérieure du logement scellé par un premier espace et par rapport à une surface inférieure du logement scellé par un second espace
- un fluide de refroidissement de liquide diélectrique scellé à l'intérieur du logement, dans lequel le liquide de refroidissement est physiquement en contact avec le premier élément de batterie, le second élément de batterie 1 ' au moins un séparateur, et le logement.
Le séparateur s'étend horizontalement d'une première extrémité de séparateur fixée à la surface avant à une seconde extrémité de séparateur fixée à la surface arrière. Un limiteur de pression intercalé entre le fluide de refroidissement de liquide diélectrique et l'orifice d'évacuation, dans lequel l'orifice d'évacuation est en communication fluidique avec l'intérieur du logement lors de l'activation du limiteur de pression.
Le brevet FR3062522 décrit une une batterie comprenant un boîtier, le boîtier comprenant une chambre remplie par un fluide liquide caloporteur diélectrique, la chambre comportant :
— une pluralité d'accumulateurs électriques
immergés dans le fluide, chacun des accumulateurs électriques présentant deux électrodes, l'une des deux électrodes étant reliée électriquement à un premier élément conducteur, l'autre des deux électrodes étant reliée électriquement à un deuxième élément conducteur,
— un moyen de raccordement électrique agencé pour permettre le raccordement électrique des premier et deuxième éléments conducteurs à un élément extérieur à la batterie.
Inconvénient de l'art antérieur
L'inconvénient majeur des solutions de l'art antérieur tient à la nécessité de garder le vide d'air dans l'enceinte pendant toute la durée de vie de la batterie, ce qui est très difficile à garantir compte-tenu des nombreux câbles. En effet, si l'air entre dans l'enceinte, alors la pression y augmente au détriment des phénomènes d'évaporation/condensation du matériau à changement de phase, diminuant les performances de refroidissement. Il faut donc concevoir le système de telle sorte qu'il soit doublement étanche : il empêche l'air de rentrer à froid et empêche la vapeur de sortir à chaud.
Un autre inconvénient de l'état de l'art tient à la tenue mécanique de l'enceinte : un pack batteries est volumineux, il est généralement de forme plate pour faciliter son intégration et la partie supérieure de ses parois externes est de surface importante. Dès lors un différentiel de pression entre l'intérieur et l'extérieur, engendre des efforts et possiblement des déformations importantes. Par conséquent, les parois de l'enceinte doivent être suffisamment épaisses et rigides pour ne pas se déformer, ce qui augmente le poids du pack.
Enfin, un dernier inconvénient de l'état de l'art concerne le refroidissement des périphériques tels que les bus- barres, les connecteurs et le circuit électronique de gestion de la batterie, notamment les résistances du circuit d'équilibrage des tensions de cellules de batteries. Lors de l'utilisation à de forts ampérages, ces composants chauffent et limitent l'utilisation de la batterie. Par ailleurs, la calibration à diverses températures des circuits électroniques est une étape longue et coûteuse de leur développement. Maintenir les circuits électroniques dans une plage limitée de températures est souhaitable également pour réduire leur vieillissement.
Solution apportée par l'invention
Les solutions mises en œuvre dans l'invention consistent à inclure l'ensemble des composants périphériques aux cellules de batteries à l'intérieur de l'enceinte étanche, en les immergeant dans un fluide diélectrique. Ainsi, les circuits électroniques, les bus-barres et les connecteurs sont refroidis. De plus, le nombre d'interfaces avec l'extérieur de l'enceinte est considérablement réduit ce qui facilite la mise en œuvre de l'étanchéité de l'enceinte. Les connecteurs développés sont particulièrement hermétiques aux liquides ainsi qu'aux gaz. De plus, le système mis en œuvre dans l'invention dispose d'un vase d'expansion doté d'une membrane déformable. Le côté qui n'est pas en contact avec le fluide diélectrique définit une chambre dont la pression est contrôlée par une vanne qui soit égalise la pression de la chambre avec la pression atmosphérique, soit connecte la chambre avec une pompe à vide qui, une fois activée, pompe l'air contenu dans la chambre afin de réduire la pression de la chambre sous la pression de saturation du fluide diélectrique à sa température d'utilisation. De ce fait, il est possible de forcer une pression égale à la pression atmosphérique pendant les temps d'arrêt du système par exemple, pour limiter l'entrée d'air dans le système. Il est d'autre part possible de contrôler le sous- refroidissement du fluide diélectrique entre une valeur minimale qui est le sous-refroidissement requis au bon fonctionnement de la pompe de circulation du fluide diélectrique, et une valeur maximale correspondant aux écarts de température que l'on s'autorise entre les différentes cellules de batteries.
Par ailleurs, le fluide diélectrique utilisé peut être choisi de sorte à présenter une température de saturation à la pression atmosphérique en dehors de la plage de température de fonctionnement, notamment au-dessus, afin que la différence entre la pression interne et externe ne change pas de signe, notamment qu'elle reste négative (enceinte en dépression), ce qui simplifie les solutions d'étanchéité à mettre en œuvre au niveau de l'enceinte. Enfin, Une telle enceinte, toujours en dépression, subit un différentiel de pression limité à 1 barG, ce qui allège la structure de l'enceinte.
Objet de l'invention
L' invention concerne selon son acception la plus générale un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion connecté au volume dudit fluide diélectrique et présentant une chambre gazeuse remplie d'air à pression contrôlée.
Selon des variantes, le module selon l'invention présente en outre une ou plusieurs des caractéristiques additionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison :
- ledit fluide diélectrique présente une température de saturation à pression atmosphérique au-dessus de 45°C
- ledit fluide diélectrique est du Novec 649 (nom commercial) produit par l'entreprise 3M (nom commercial) dont la température d'ébullition à la pression atmosphérique est sensiblement égale à 49°C
- la pression de ladite chambre gazeuse peut être contrôlée entre Obar absolus et la pression atmosphérique
- la connexion dudit vase d'expansion au volume dudit fluide diélectrique est située juste à l'admission d'une pompe de circulation dudit fluide diélectrique
- un radiateur refroidit un fluide caloporteur du au moins un module électrique et un système de réfrigération est monté en parallèle dudit radiateur de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en amont dudit radiateur et en prélève en aval
- ledit système de réfrigération est réversible de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en amont dudit radiateur et en prélève en aval en mode refroidissement, ou alternativement de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en aval dudit radiateur et en prélève en amont en mode chauffage
ledit fluide caloporteur est ledit fluide diélectrique circulant hors dudit au moins un module électrique.
L' invention concerne aussi un procédé de contrôle d'un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique,
caractérisé en ce que l'on commande la pression d'une chambre gazeuse d'un vase d'expansion connecté au volume dudit fluide diélectrique de sorte à assurer un sous-refroidissement dudit fluide diélectrique à l'admission d'une pompe de circulation dudit fluide diélectrique compris entre 0K et 10K et préférentiellement entre 0.5K et 5K.
Selon une variante, on commande un système de réfrigération monté en parallèle d'un radiateur de refroidissement d'un fluide caloporteur dudit au moins un module électrique de sorte à assurer une température dudit fluide caloporteur à l'admission dudit module électrique inférieure à 45°C et préférentiellement inférieure à 30°C.
Selon une autre variante, on commande un système de réfrigération réversible monté en parallèle d'un radiateur de refroidissement d'un fluide caloporteur dudit au moins un module électrique de sorte à assurer une température dudit fluide caloporteur à l'admission dudit module électrique comprise entre 0°C et 45°C et préférentiellement entre 0 et 30°C.
Avantageusement, on commande un système de réfrigération monté en parallèle d'un radiateur de refroidissement dudit fluide diélectrique de sorte à assurer un sous-refroidissement dudit fluide diélectrique à l'admission d'une pompe de circulation dudit fluide diélectrique (140) compris entre 0K et 10K et préférentiellement entre 0.5K et 5K. Description détaillée d'un exemple non limitatif de
1 ' invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- La figure 1 représente une vue éclatée d'un exemple de réalisation d'un module de batteries selon l'invention.
- La figure 2 représente une vue en coupe du module.
Les figures 3 et 4 représentent des vues respectivement de dessus et de dessous du couvercle.
La figure 5 représente une vue détaillée du couvercle avec un échangeur rapporté.
- Les figures 6 et 7 représentent une variante de module pour lequel le boitier est constitué par une enveloppe souple .
- La figure 8 représente une variante de réalisation du module contenant des cellules poches.
- Les figures 9, 10, 11 et 12 représentent les schémas de principe des boucles de refroidissement.
- La figure 13 représente l'intégration d'un des systèmes de gestion thermique d'une batterie avec d'autres fonctions de gestion thermique.
- La figure 14 représente une vue en coupe détaillée d'un connecteur électrique hermétique.
- La figure 15 représente une variante de réalisation de l'assemblage des cellules avec des cellules prismatiques.
- La figure 16 représente une variante de réalisation du module avec le fluide diélectrique circulant.
Architecture générale et principe de fonctionnement
Le module (1) décrit en figure 1 est constitué d'une enceinte formée de trois parties principales :
un boîtier (100) rigide - un couvercle (200)
- un fond (300) .
A l'intérieur de ce boîtier (100) est disposé un bloc de batteries (400) disposées horizontalement, sur deux plans parallèles, décalés d'un demi-pas.
Le module (1) forme une enceinte scellée hermétiquement, définissant un volume intérieur libre (c'est-à- dire le volume intérieur de l'enceinte soustrait du volume du bloc de batteries (400)) divisé en :
une partie inférieure, remplie exclusivement de la phase liquide d'un fluide diélectrique (140), cette partie liquide n'est jamais réduite à zéro : du liquide est toujours présent en fonctionnement normal et représente typiquement entre 10 et 100% du volume intérieur libre.
une partie supérieure (150) exclusivement remplie de gaz, c'est-à-dire la vapeur en équilibre thermodynamique avec la phase liquide du fluide diélectrique (140) et, optionnellement , de gaz incondensables en sus tel de l'azote. Cette partie peut être réduite à zéro.
L'enceinte forme un composant rigide et robuste, qui comprend :
- des connecteurs électriques de puissance (110, 120) pour le raccordement de puissance,
- un ou plusieurs connecteurs électriques de données (130) pour le branchement d'une liaison vers un ou plusieurs systèmes de gestion de batteries,
- des raccords aux niveaux des ports d'entrée et de sortie hydrauliques (210, 220) pour le raccordement de conduites d'arrivée et de départ d'un fluide caloporteur (145) . Le fluide caloporteur (145) circule dans un échangeur (236 ou 237) contenu dans le module (1) pour contrôler la température à l'intérieur de celui-ci. Dans la figure 1, cet échangeur (236) est contenu dans le couvercle (200) . Alternativement, dans la figure 5, il s'agit d'une pièce séparée (237). Alternativement, dans la figure 16, l'échangeur de chaleur est déporté hors du module (1) et c'est le fluide diélectrique (140) qui circule hors du module (1) vers un échangeur de chaleur. Dans cette configuration, les ports d'entrée et de sortie hydrauliques (210, 220) sont utilisés pour la circulation du fluide diélectrique (140) . Alternativement, le couvercle (200) peut faire office d'échangeur (236) s'il présente des ailettes à l'intérieur et il peut être refroidi par de l'air, mû par un ventilateur à l'extérieur du module et soufflant sur le couvercle (200) muni d'ailettes à l'extérieur.
Le fluide diélectrique (140) présente les caractéristiques suivantes :
- potentiel de déplétion ozonique nul,
potentiel de réchauffement global faible, préférentiellement inférieur à 150, voire inférieur ou égal à 20.
inflammabilité faible, inférieur à A2L selon le classement par la directive européenne 2003/632/CE,
- tension de claquage supérieure à 10 kV/mm en phase liquide et gazeuse,
- résistivité électrique supérieure à 10E8 Ohm . cm densité inférieure à 1650 kg/m3 préférentiellement,
chaleur latente supérieure à 8( kJ/kg préférentiellement .
Dans le champ de ce brevet, le fluide diélectrique (140) n'est pas de l'air. Il s'agit d'un fluide qui présente une phase liquide à pression atmosphérique sur la plage de températures d'utilisation définie ci-après. Par ailleurs, la plage d'utilisation du produit est caractérisée par une température minimale (Tmin) et maximale (Tmax) , typiquement -40°C et 60°C respectivement. Le fluide diélectrique (140) peut présenter une température d'ébullition à pression atmosphérique (Tsat(Patm)) qui varie :
- Tmin Tsat ( Patm) Tmax : il existe une température d'ébullition pour laquelle le fluide est à pression atmosphérique dans la plage d'utilisation du produit. Ainsi la pression de saturation du fluide varie en dessous et au-dessus de la pression atmosphérique en fonction de la température.
Dans le cas où le seul fluide présent dans le module (1) est le fluide diélectrique (140), alors à l'équilibre thermodynamique, l'intérieur du module (1) est soit en dépression soit en surpression en fonction de la température. Il peut être alors avantageux d'avoir un ballon (160) déformable à l'intérieur du module (1), raccordé à une pression de référence, par exemple ouvert sur l'atmosphère, afin que le ballon se gonfle en cas de dépression dans le module (1) pour éviter le fonctionnement en dépression et maintenir une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en faisant en sorte que le volume liquide du fluide diélectrique (140) soit égal au volume intérieur du module (1) moins le volume du ballon (160) gonflé. Alors la pression interne au module (1) est comprise entre la pression atmosphérique et la pression de saturation à la température maximale d'utilisation.
Dans le cas où, en plus du fluide diélectrique (140), un gaz, communément dit « incondensable », est présent dans le module (1), par exemple de l'air ou de l'azote, alors la pression dans le module est la somme de la pression partielle du gaz et de la pression de saturation du fluide diélectrique (140) . Il est possible alors d'ajuster la pression partielle de gaz lors du remplissage du module (1) afin d'être en surpression sur toute la plage de fonctionnement, en particulier à Tmin. Alors la pression interne au module est comprise entre une borne basse, égale à la pression de saturation à la température minimale d'utilisation à laquelle s'ajoute la pression de la masse de gaz à la température minimale d'utilisation et au volume de la partie supérieure gazeuse (150), et une borne haute égale à la pression de saturation à la température maximale d'utilisation à laquelle s'ajoute la pression de la masse de gaz à la température maximale d'utilisation et au volume de la partie supérieure gazeuse (150) .
- Tsat ( Patm) >Tmax : La pression de saturation du fluide lors de l'utilisation du produit est toujours inférieure à la pression atmosphérique.
Dans le cas où le seul fluide présent dans le module (1) est le fluide diélectrique (140), alors la pression à l'intérieur du module (1) est toujours inférieure à la pression atmosphérique et égale à la pression de saturation du fluide diélectrique à la température de fonctionnement
En fonctionnement, les cellules (414) de batteries chauffent par effet Joule. En effet, soumise à un courant, leur résistance interne notamment produit de la chaleur, dont la puissance est égale à la résistance interne multipliée par l'intensité au carré. De ce fait, le fluide diélectrique (140) à l'intérieur du module (1) subit un cycle d' échauffement puis refroidissement isochore. Au contact des cellules (414) de batteries en fonctionnement, il s'échauffe en refroidissant les cellules (414) . Puis il transporte cette chaleur vers l'échangeur (236 ou 237) pour la lui céder.
Dans un premier cas, le fluide diélectrique (140) reste en phase liquide. Il « monte » (déplacement vertical vers le haut) vers l'échangeur (236 ou 237) par convection naturelle, sa densité étant plus faible que celle du fluide diélectrique froid. S'il parvient au contact dudit échangeur, il se refroidit et « descend » vers le bas du module (1) formant ainsi une cellule de convection. Dans un second cas, il s'évapore au contact des cellules (414) . Les bulles formées se déplacent grâce à la poussée d'Archimède, de la partie inférieure vers la partie supérieure (150) . La phase gazeuse du fluide diélectrique (140) au contact de l'échangeur (236 ou 237) plus froid se condense. Des gouttent se forment sur la surface interne de l'échangeur (236 ou 237) et celles-ci retombent dans la partie inférieure liquide .
En fonction de la température et de la pression, le ratio entre le volume inférieur, le volume supérieur (150) et le volume de l'éventuel ballon (160) varient, le volume cumulé, représentant l'intérieur du module (1), restant inchangé.
Le boîtier ne permet aucune circulation de la phase liquide du fluide diélectrique (140) vers l'extérieur de cette enceinte, en dehors des phases de remplissage, ni aucune circulation de la phase gazeuse du fluide diélectrique (140) .
La phase liquide du fluide diélectrique (140) est généralement statique, sans déplacements de la phase liquide sous l'effet d'une pompe ou d'un moyen de brassage ni de circulation forcée. Les seuls déplacements de la phase liquide sont ceux résultant des phénomènes naturels de convection et de circulation des bulles de la phase gazeuse et des vibrations occasionnées par le support du module (1) .
Il peut être intéressant de travailler uniquement en dépression pour réduire la différence de pression maximale vue par le module (1), ce qui permet d'alléger la structure du boîtier .
Des exemples non limitatifs de fluides diélectriques utilisables sont détaillés ci-après :
- HFO-1234yf qui bout à -30°C à lbarA
- HFO-1233zd qui bout à 18°C à lbarA
- HFO-1336mzz ou SF33 de Chemours (noms commerciaux) qui bout à 33°C à lbarA et à 60°C à 2.45barA Novec 649 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 49°C à lbarA
- Novec 7100 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 61°C à lbarA
- SF70 de Chemours (noms commerciaux) qui bout à
70°C à lbarA
- Novec 7200 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 76°C à lbarA
- Novec 7300 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 98°C à lbarA
- SF10 de Chemours (noms commerciaux) qui bout à
110°C à lbarA
- Novec 7500 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 128°C à lbarA- des huiles diélectriques (température d'ébullition typiquement > 200°C, conduisant à des pressions de saturation négligeables aux températures de fonctionnement envisagées), par exemple de type PAO.
- de fluides dits PFPE, Galden de la société Solvay (noms commerciaux) , ou Krytox de la société Chemours (noms commerciaux)
ainsi que les mélanges entre ces fluides.
Description détaillée du boîtier (100)
Le boîtier (100) est constitué d'un profilé creux, préférablement en aluminium, présentant optionnellement des nervures de renfort permettant d'optimiser l'épaisseur (et donc le poids) vis à vis de la résistance aux pressions ou aux dépressions se formant à l'intérieur de l'enceinte.
Il présente des oreilles de fixation (170) traversées par des trous taraudés, dans l'exemple décrit, pour le vissage du couvercle (200) et du fond (300) . La tranche supérieure (171) et la tranche inférieure (172) présentent des gorges respectivement (173, 174) pour recevoir un joint (175, 176) assurant l'étanchéité avec respectivement le couvercle (200) et le fond (300) . Ce joint peut être un joint torique ou plat. Le fond (300) est formé par une tôle d'aluminium ou d'acier inoxydable fermant hermétiquement la partie inférieure du boîtier (100) .
Alternativement, le boîtier (100) pourra également intégrer directement le fond (300) dans une seule et même pièce, ledit boîtier pouvant alors être réalisé par un procédé de fonderie par exemple. Cette solution rend caduque le joint torique (176) et les oreilles de fixation du fond.
Alternativement le boîtier (100) pourra être réalisé en matière plastique ou matériau composite.
Le boîtier présenté dans l'exemple décrit quatre pattes de fixation (180) pour la liaison avec le support du module (1), ainsi que deux poignées (190, 191) pour la manutention du module. Ces poignées (190, 191) présentent une hauteur supérieure à la hauteur des connecteurs (110, 120) pour assurer la protection mécanique de ces derniers. Le boîtier présente également dans l'exemple décrit quatre trous taraudés en façade (181) pour la liaison avec le support du module ou pour le montage du module (1) dans une baie, par exemple sur une baie de 19 pouces.
Les connecteurs électriques (110, 120, 130) possèdent une embase hermétique afin d'éviter au fluide diélectrique (140) de pouvoir s'échapper du module (1) en cas de surpression ou à de l'air de pénétrer dans le module (1) en cas de dépression.
Description détaillée du ballon (160)
Il est avantageux que le différentiel de pression entre l'intérieur du module (1) et l'atmosphère ne change pas de signe. Il est en effet plus complexe de concevoir un module qui soit hermétique à la fois en dépression et en surpression. Dans le cas où le fluide diélectrique (140) utilisé possède une Tsat(Patm) dans la plage de fonctionnement alors il peut être avantageux d'utiliser un ballon (160) de volume variable.
Sur la figure 1, le module (1) comprend un ballon (160) souple, immergé dans la partie inférieure du fluide (140) . Le ballon (160) possède une ouverture (161) reliée à l'extérieur. L'ouverture (161) étant toujours ouverte lors du fonctionnement du module (1), l'intérieur du ballon (160) est constamment relié à la pression extérieure. De ce fait, le ballon (160) gonfle lorsque la pression interne du module (1) diminue, ce qui arrive lorsque la température interne passe sous la Tsat(Patm) . En gonflant, la partie supérieure gazeuse (150) est réduite à zéro, il n'y a donc plus d'équilibre liquide-vapeur dans le module (1) et la pression du liquide -alors sous- refroidi- est maintenue sensiblement égale à la pression atmosphérique. A l'inverse, le ballon (160) dégonfle lorsque la pression interne du module (1) augmente, lors d'un réchauffement de l'intérieur du module (1) par exemple ; son volume est alors réduit à zéro. De ce fait, le ballon (160) constitue dans une certaine mesure un moyen de régulation de la pression interne du module (1) vis-à-vis de l'extérieur. Ladite régulation de pression améliore l'herméticité du boîtier, les étanchéités étant moins sollicitées par les variations de pression.
Ledit ballon (160) permet également de simplifier la procédure de remplissage du module (1) en fluide (140), en évitant de devoir tirer au vide dans le module (1) avant remplissage. En effet, afin d'éviter toute dégradation du fluide diélectrique (140) avec l'eau et l'oxygène contenu dans l'air, le module (1) ne doit pas contenir d'air. Pour ce faire, lors de la phase de remplissage, le ballon (160) est maintenu gonflé grâce à une source de pression externe. Le module (1) est ensuite entièrement rempli jusqu'à son point haut par le fluide diélectrique (140), le volume supérieur (150) en phase gazeuse de ce fluide n'existant pas. Le module (1) est ensuite scellé hermétiquement, puis la pression à l'intérieur du ballon (160) est libérée. A ce stade-là, c'est-à-dire lorsque les cellules (414) ne chauffent pas et qu'il n'y a donc pas d'évaporation, le ballon (160) reste gonflé et le volume supérieur (150) n'existe pas. Il n'y a donc pas d'air dans le module (1) . Lorsque les cellules (414) se mettent à chauffer et le fluide diélectrique (140) se met à s'évaporer, la pression monte, le ballon (160) se dégonfle et le volume supérieur (150) de gaz voit son volume augmenter. Le couvercle (200) va alors jouer son rôle de condenseur, les ailettes de refroidissement (235) étant au contact du gaz. Le volume du ballon (160) est à minima équivalent au volume de gaz contenu au niveau des ailettes de refroidissement (235) . En conséquence, au moment où le ballon (160) est entièrement dégonflé, le volume supérieur (150) est tel que les ailettes de refroidissement (235) sont entièrement dans le volume de gaz. L'efficacité de ce système de refroidissement est alors maximale.
Description détaillée du couvercle (200)
Les figures 3 et 4 représentent des vues détaillées du couvercle, respectivement en vue éclatée de dessus et en vue de dessous.
La figure 5 représente une vue détaillée du couvercle avec un échangeur rapporté.
Le couvercle (200) est constitué par un bloc massif (230) en aluminium obtenu par usinage ou fonderie. Ce bloc (230) présente à sa face inférieure des ailettes de refroidissement (235) disposées longitudinalement, selon le plus grand axe du couvercle (200). Ces ailettes (235) présentent une épaisseur comprise entre 2 et 5 millimètres. Elles sont régulièrement espacées d'au moins 5 millimètres, afin d'éviter la formation de ponts liquides entre deux ailettes lors de la condensation du fluide diélectrique. La hauteur des ailettes (235) est comprise entre 5 et 15 millimètres.
Ces ailettes (235) définissent des surfaces d'échange thermique avec l'échangeur (236) du fluide caloporteur (145) d'une part, et la phase gazeuse présente dans le volume supérieur (150) d'autre part.
L'échangeur (236) du circuit de refroidissement est formé sur la surface opposée du bloc massif (230) . Il est constitué par un usinage formant un serpentin s'ouvrant sur un port d'entrée hydraulique (210) et débouchant dans un port de sortie hydraulique (220).
La surface supérieure de ce serpentin est fermée par une tôle (239) vissée par sa périphérie sur ledit bloc massif (230). Alternativement, cette tôle (239) peut être soudée sur les arêtes du serpentin, ou collée.
Alternativement, sur la figure 5, le circuit de refroidissement (236) précédemment décrit peut être remplacé par un échangeur (237) entre fluide caloporteur (145) et fluide diélectrique (140), le fluide caloporteur (145) circulant alors dans un échangeur (237), qui peut être de type batterie à ailettes ou à plaques brasées. Dans cette variante, la tôle (239) est toujours nécessaire afin de fermer le module (1) et d'assurer son herméticité. Avantageusement, ledit échangeur (237) peut être solidaire de ladite tôle (239) , en particulier dans le cas d'un échangeur à plaques brasées et d'une tôle en aluminium.
Le couvercle (200) présente un perçage traversant dans lequel est logé une soupape de sécurité (240) ou bien un disque de rupture, s'ouvrant en cas de surpression dans l'enceinte, pour laisser échapper une partie de la phase gazeuse (150) du fluide diélectrique (140) ainsi que les gaz produits, par exemple lors de l'emballement thermique des batteries, et éviter le risque d'explosion du module (1) . En cas de surchauffe conduisant à l'ouverture de la soupape de sécurité (240), un capteur de température à proximité de la soupape (240) détecte la surchauffe et transmet l'information au module de gestion de la batterie qui empêchera l'utilisation du module jusqu'à une remise en état.
En cas d'emballement thermique, le fluide diélectrique va premièrement s'évaporer en absorbant la chaleur émise par la cellule défaillante et être évacué par la soupape. L'importante quantité d'énergie contenue dans l'évaporation du fluide va permettre d'éviter la montée en température et la contagion aux autres cellules.
Optionnellement , le couvercle (200) présente en outre des perçages (290) débouchant dans le fond du serpentin (236). Ces perçages (290) sont refermés par des opercules fusibles à une température supérieure à 80°C. En cas de fusion de ces opercules lors d'une surchauffe due à un emballement thermique, le liquide de refroidissement s'échappe du circuit de refroidissement pour remplir l'enceinte et ainsi assurer un refroidissement complémentaire de la cellule (414) en emballement thermique pour éviter toute contagion à d'autres cellules .
Description détaillée des composants électriques
Le boîtier enferme le bloc de batteries (400) qui est totalement immergé dans la phase liquide du fluide diélectrique (140). Les cellules (414) de batteries sont reliées entre elles en série, en parallèle ou en série-parallèle par des platines (401), appelées bus-barres, formées par un matériau conducteur qui peut être revêtu localement par une couche isolante. Elles sont maintenues dans une cage formée de deux cadres (411, 412) reliés par des entretoises (413) . Les platines (401) étant immergées dans le fluide diélectrique liquide (140), celles-ci disposent du même type de refroidissement par évaporation que les cellules (414). En conséquence, lesdites platines peuvent être sous-dimensionnées car ne craignant pas d' échauffement excessif, ce qui avantageux pour la compacité, le poids et le prix du module.
Selon les sollicitations appliquées au module (1), le bloc de batteries (400) pourra être fixé dans le boitier à l'aide de plaques (260, 261) ceinturant les cadres (411, 412) par le haut et fixées par des vis. Le bloc de batteries (400) pourra également être fixé à sa base via des plaques (262 à 264) fixées sur le fond (300) du module (1) .
Le boîtier enferme aussi un circuit électronique (420) de gestion des batteries, également totalement immergé dans la phase liquide du fluide diélectrique (140) . L'immersion de cette carte électronique (420) permet son refroidissement et en particulier le refroidissement des résistances d'équilibrage utilisées lors de la charge des cellules (414) . Celles-ci peuvent alors facilement admettre un courant d'équilibrage bien plus élevé pour diminuer la durée de la phase terminale de charge des cellules (414). Ces résistances, comme de nombreux composants d'électronique de puissance, présentent un flux thermique surfacique particulièrement élevé pouvant monter jusque 250 kW/m2. L'immersion diphasique apporte une réponse pertinente permettant de dépasser de tels flux avec seulement une dizaine de degré d'élévation de température par rapport à la température d'ébullition du fluide diélectrique (140). Alternativement, ledit circuit électronique (420) de gestion des batteries pourra être monté à l'extérieur du module (1), et donc à l'extérieur du fluide diélectrique (140) . Dans ce cas, les informations de températures et de tension des cellules (414) doivent être transmises à travers un connecteur passe-cloison hermétique.
Le boîtier peut enfermer également d' autres composants périphériques : les connecteurs électriques, des capteurs de température et de pression, des contacteurs, des capteurs de courant et divers câbles également immergés dans la phase liquide du fluide diélectrique (140) afin d'assurer leur refroidissement également. L'ensemble formé par le bloc batteries (400), les bus-barres (401), les circuits électroniques (420) et tous les composants périphériques précédemment cités est appelé l'assemblage de cellules (402) . En figure 15, une variante de cet assemblage de cellule (402) utilisant des cellules prismatiques est illustrée. En figure 8, seul le bloc batteries (400) avec des cellules (414) de type « poches » est illustré.
Description détaillée des connecteurs électriques
Les connecteurs électriques (110, 120, 130) possèdent une embase hermétique afin d'éviter au fluide diélectrique (140) de pouvoir s'échapper du module (1) en cas de surpression ou à de l'air de pénétrer dans le module (1) en cas de dépression.
L'herméticité de ces connecteurs (110, 120, 130) peut être assurée par un surmoulage des pièces métalliques. Dans ce cas, la matière utilisée pour ce surmoulage est choisie parmi les matières compatibles avec le fluide diélectrique utilisé. Par exemple, si le fluide choisi est le Novec 7100 de 3M, les matières à privilégier pour le surmoulage sont les résines époxy. L'herméticité de ces connecteurs (110, 120, 130) peut également être assurée par un joint torique situé à l'intérieur du connecteur. Dans ce cas, la matière utilisée pour ce joint est choisie parmi les matières compatibles avec le fluide diélectrique utilisé. Par exemple, si le fluide choisi est le SF33 de Chemours, les matières à privilégier pour le joint sont celles à base d'EPDM (éthylène-propylène-diène monomère).
Ces types de connecteurs électriques sont généralement très onéreux et complexes lorsqu' ils doivent rester hermétiques sous une différence de pression, de par la mise en œuvre de broches noyées dans un manchon de verre isolant par exemple. C'est pourquoi un capuchon d'herméticité (111) peut être monté à l'intérieur des connecteurs de puissance (110, 120) standard, non hermétiques aux gaz en particulier. Ledit capuchon d'herméticité est composé d'une pièce cylindrique faite d'un matériau conducteur (112), ladite pièce étant directement vissée sur la broche mâle (121) du connecteur électrique (110, 120) . Ladite broche mâle (121) est, dans l'exemple de la figure 14, directement surmoulé dans le corps de l'embase (122) en matière isolante. Le passage de courant est assuré par une surface de contact annulaire (117) située entre la pièce cylindrique conductrice (112) et ladite broche mâle (121) . Cette surface annulaire (117) sert également de butée mécanique lors du vissage de la partie conductrice (112) sur la broche (121) . La pression de contact ainsi que la surface de contact sont choisie afin d'obtenir une résistance électrique de contact très faible pour éviter une chute de tension et un échauffement à cet endroit. Une valeur typique à ne pas dépasser est 2 mOhms . La pièce cylindrique conductrice (112) comprend une partie filetée (118) autour de laquelle vient se visser la connectique intérieure. Le capuchon (111) est également composé d'une pièce isolante (113) cylindrique permettant à la pièce cylindrique conductrice (112) de rester à distance de la paroi du boitier (100) et éviter tout risque d'arc électrique. La pièce isolante (113) comprend également deux joints toriques (114, 115) permettant de garantir l'herméticité du capuchon (111) sous une pression interne importante .
Description détaillée des blocs de remplissage isolants
Le boitier enferme plusieurs blocs de matériau isolant (250 à 256), d'épaisseur pouvant varier typiquement entre 3mm et 20mm. Lesdits blocs permettent notamment d'assurer l'isolation électrique entre le bloc de batteries (400) et les parties métalliques du boitier. Lesdits blocs permettent également d'assurer le maintien du bloc de batteries (400) en cas de choc.
Le volume desdits blocs (250 à 256) est maximisé pour réduire le volume libre, notamment partout où la présence du fluide diélectrique (140) n'est pas requise. En effet, une partie du volume libre de fluide diélectrique vient de contraintes de fabrication et d'assemblage du module qui limitent les formes réalisables. Les composants nécessitant un refroidissement présentent un espacement avec les blocs (250 à 256) typique de 1 à 5mm pour laisser passer le fluide diélectrique (140). Les blocs (250 à 256) présentent donc en leurs faces intérieures des formes épousant au mieux les pièces qu'elles entourent, tout en ménageant cet espacement. Cette maximisation du volume des blocs (250 à 256) est motivée par la réduction du volume de fluide diélectrique (140) afin de minimiser le poids, le matériau constituant les blocs (250 à 256) étant avantageusement plus léger que le fluide diélectrique (140) qu'il remplace. Cette maximisation est également motivée par le coût, le fluide diélectrique (140) étant plus onéreux que les blocs (250 à 256) .
Lesdits blocs (250 à 256) sont choisis dans un matériau compatible avec le fluide diélectrique (140) . Dans l'exemple décrit, les blocs en mousse expansée à base de polyuréthane sont privilégiés. Les matériaux sont également à cellules fermées, afin qu'elles évitent d'absorber le fluide diélectrique (140) . Il est important que la mousse soit obtenue en utilisant un agent d'expansion compatible avec le fluide diélectrique (140), voire le fluide diélectrique lui-même. Par exemple, le SF33 est utilisé comme agent d'expansion des mousses polyuréthane, il peut également être utilisé comme fluide diélectrique pour un refroidissement diphasique par immersion de batteries . Alternativement, une résine pourra être utilisée afin d'assurer l'isolation électrique entre le bloc de batteries (400) et les parties métalliques du boitier.
Alternativement, la mousse pourra être déposée dans le module (1) par un procédé de moussage à l'aide d'une contre- forme :
• une première étape consiste à positionner la contre-forme dans l'enceinte du module électrique,
• une deuxième étape consiste à injecter la mousse encore liquide dans l'espace interne définit entre l'enceinte du module électrique et la contre-forme,
• une troisième étape consiste à retirer la contre- forme une fois que la mousse a durci (250 à 256) ,
• une quatrième étape consiste à positionner l'assemblage des cellules (402), composé d'un bloc de batteries (400), des bus-barres (401), des connecteurs (110, 120, 130), des capteurs et des circuits électroniques (420), dans l'ensemble composé du module (1) et de la mousse durcie (250 à 256) .
Dans ce procédé, la contre-forme est façonnée de sorte à ce que l'assemblage des cellules (402), composé d'un bloc de batteries (400), des bus-barres (401), des connecteurs (110, 120, 130), des capteurs et des circuits électroniques (420) puisse être positionné lors de la quatrième étape tout en ménageant, en dehors de zones de contact mécanique entre l'assemblage de cellules (402) et l'enceinte (100, 200, 300), un espace entre l'assemblage des cellules (402) et la mousse (250 à 256), d'épaisseur typique comprise entre 1 et 5mm. La contre- forme occupe idéalement toute la partie du volume libre du fluide diélectrique inutile au refroidissement. En pratique, des contraintes liées au montage de l'assemblage de cellules dans le boitier limitent la forme de cette contre-forme. Description détaillée du système de refroidissement
Le fluide caloporteur (145) circulant dans l'échangeur (236) du circuit de refroidissement du couvercle (200), y prélève la chaleur générée dans le module (1) et l'évacue à l'aide d'un système de refroidissement. Le système de refroidissement est constitué d'une source froide, d'une pompe de circulation (704) du fluide caloporteur (145) circulant dans un circuit fermé, alimentant un ou plusieurs modules (1) avec le fluide caloporteur (145) refroidi.
Le fluide caloporteur (145) peut être un mélange d'eau dé-ionisée et d'éthylène glycol à proportion de 50% pour éviter le gel du fluide aux basses températures, tout en conservant de bonnes propriétés thermiques. Alternativement tout fluide caloporteur (145) non inflammable, possédant une chaleur sensible élevée et une viscosité faible peut être utilisé : propylène glycol, huiles spéciales.
Dans un premier mode de réalisation représenté en figure 9, la source froide est un radiateur (701), de préférence ventilé par un ventilateur (702), apte à évacuer la chaleur du fluide caloporteur (145) dans l'air ambiant. Ce mode de réalisation est adapté aux applications où l'air ambiant ne dépasse pas 30°C environ, et de préférence 25°C, afin de limiter la température des cellules (414) dans le module (1), par exemple aux alentours de 40 °C maximum. Par ailleurs avec ce type de solution la température du circuit de refroidissement dépend fortement de la puissance dissipée dans le module (1) et de la température ambiante, avec pour conséquence un emploi privilégié dans les applications ayant des puissances batterie faiblement variables afin d'éviter son cyclage thermique.
L'alimentation de plusieurs modules (1) par la boucle de fluide caloporteur (145) peut être réalisée en série ou en parallèle, ou par une combinaison des deux. Préférentiellement le nombre de modules (1) en série sera choisi, d'une part égal à 2 au minimum afin de limiter le débit requis de la pompe (704), et d'autre part égal à 3 au maximum afin de limiter la pression requise de la pompe (704) et 1 ' échauffement du fluide caloporteur (145) à la traversée des modules (1) . Le nombre de modules en parallèle sera de préférence compris entre 2 et 8.
La pompe (704) de circulation du fluide caloporteur (145) pourra avantageusement être régulée en vitesse de rotation et asservie aux besoins de refroidissement des modules (1) afin d'améliorer l'efficacité énergétique du système complet.
De même le radiateur (701) pourra avantageusement être équipé d'un ventilateur (702) régulé en vitesse de rotation, avec le même objectif d'efficacité énergétique que décrit précédemment .
Dans un deuxième mode de réalisation représenté figure 10, la source froide est constituée par l ' évaporateur (708) d'un système de réfrigération par compression de vapeur (703), du type de ceux utilisés pour la climatisation de l'habitacle de véhicules.
Ce type de système est constitué d'un évaporateur (708), d'un compresseur (705), d'un condenseur (706) et d'un détendeur (707) reliés par des tubulures permettant la circulation d'un fluide réfrigérant (709) en boucle fermée. Ledit fluide (709) peut être par exemple un HFC comme le R134a, ou un HFO comme le R1234yf, R1234ze, R1233zd.
La production de froid de l ' évaporateur (708) est utilisée pour abaisser la température du fluide caloporteur (145), au besoin à une valeur inférieure à celle de l'air ambiant, ce qui permet de contrôler la température dans le module (1) à une valeur prédéterminée, et en particulier de la limiter -par exemple à 40 °C maximum- quelques soient les fluctuations de puissance dissipée dans le module et la température ambiante de 1 ' application . Le système de réfrigération (703) peut également être réversible. Il peut ainsi, en mode chauffage, fournir de la chaleur pour réchauffer les modules (1) dont les performances en charge notamment sont affectées pour des températures typiquement inférieures à 0°C.
Pour des applications embarquées où la masse doit être minimisée, le compresseur (705) du système de réfrigération sera avantageusement choisi parmi les compresseurs de climatisation utilisés dans les véhicules électriques, qui sont réalisés principalement en alliages d'aluminium, et sont conçus pour être directement alimentés en courant continu provenant d'une batterie. Ces compresseurs étant équipés d'un variateur de vitesse, ils permettent d'une part une meilleure efficacité énergétique en ajustant la puissance frigorifique du système de réfrigération (703) au juste besoin des modules (1), et d'autre part d'atteindre des puissances maximales élevées en fonctionnant à vitesse maximale.
Par ailleurs la plage de température visée pour la régulation thermique des batteries permet d'élever le niveau de température d'évaporation au-delà de 15°C, voire jusqu'à 30°C, et ainsi augmenter la capacité frigorifique développée par le compresseur (705) par rapport à une utilisation conventionnelle en climatisation: des puissances spécifiques de l'ordre de 1,5 kW frigorifique par kilogramme de compresseur peuvent ainsi être atteintes .
De même pour minimiser la masse du système, un évaporateur (708) réalisé en alliage d'aluminium peut être utilisé, de préférence du type à plaques brasées afin de diminuer le volume interne coté fluide caloporteur (145) .
La boucle de fluide caloporteur (145) est adaptée pour distribuer aux modules (1) la puissance frigorifique générée au niveau de 1 ' évaporateur (708), en particulier lorsque plusieurs modules d'un pack batteries doivent être alimentés et sont situés à une certaine distance de celui-ci. Alternativement, sur la figure 11, pour des systèmes plus compacts, la boucle de fluide caloporteur (145) peut être supprimée, le circuit de refroidissement du module (236) servant alors directement d' évaporateur (708) pour le système de réfrigération (703) . Ce type de disposition est particulièrement adapté au refroidissement d'un module (1) unique, ou d'un nombre limité de modules (1) à refroidir afin de limiter la charge de réfrigérant (709) requise et la complexité liée à la gestion de plusieurs évaporateurs en parallèle dans un système de réfrigération (703).
Alternativement, pour des systèmes plus économes en énergie, il est possible de limiter la consommation du système de réfrigération (703) en montant celui-ci en parallèle du radiateur (701) de la boucle de fluide caloporteur (145) . Il est également possible de supprimer la boucle de fluide caloporteur (145) tel que présenté sur la figure 12 en faisant circuler le fluide diélectrique (140) depuis le ou les modules (1) vers le radiateur (701) . Le système de réfrigération (703) en parallèle permet alors de réchauffer le fluide diélectrique (140) avant son entrée dans le radiateur (701) pour refroidir celui-ci plus facilement en augmentant la différence de température avec l'air et permet aussi de refroidir le fluide diélectrique (140) à la température souhaitée juste après le radiateur (701) . Un tel montage permet de n'actionner le système de réfrigération (703) que lorsque qu'une température seuil sur le retour du fluide diélectrique (140) est dépassée, réduisant ainsi la consommation du système de réfrigération (703) lorsque la puissance d'utilisation de la batterie est faible, ou bien lorsqu'elle a le temps de refroidir entre deux utilisations, ou bien lorsque la température ambiante est basse. La suppression de la boucle de fluide caloporteur (145) permet également de supprimer l'empilement de différentiels de température entre la source froide et les cellules qui nuisent à l'efficacité énergétique du refroidissement. Cette solution est à préférer pour les applications embarquées exigeantes qui doivent être autonomes en refroidissement pour son poids embarqué et son efficacité énergétique. Afin de pouvoir faire circuler le fluide diélectrique (140), une variante de module est présentée en figure 16. Dans celle-ci, l'échangeur (236) est supprimé et les ports d'entrée et de sorties hydrauliques (210 et 220) sont empruntés par le fluide diélectrique (140) .
Enfin, la figure 13 montre l'intégration d'un des systèmes de gestion thermique d'une batterie avec d'autres fonctions de gestion thermique, par exemple celles de l'électronique (712), des moteurs électriques (711) et le système de chauffage, ventilation et climatisation (710) de la cabine d'un véhicule.
L'électronique (712) peut être constituée par le système de gestion de la sécurité de la batterie (BMS) mais également l'électronique de puissance d'alimentation d'un moteur électrique .
Le système de chauffage, ventilation et climatisation (710) est branché sur un deuxième évaporateur (7080) en parallèle de 1 ' évaporateur (708) qui est branché sur la boucle de fluide diélectrique (140) . Le débit dans ce deuxième évaporateur (7080) est piloté par un deuxième détendeur (7070) .
Dans cette figure 13 sont aussi illustrés deux systèmes de contrôle des actionneurs de ce système. Le système de réfrigération (703) est asservi pour réguler un sous- refroidissement à l'entrée de la pompe (704) afin d'éviter toute cavitation et de n'utiliser le système de réfrigération (703) qu'au minimum afin de limiter sa consommation. Pour ce faire un capteur de pression (P) et un capteur température (T) positionnés en amont de la pompe sont nécessaires. Un sous-refroidissement cible typique est inférieur à 5°C en dessous de la température de saturation à la pression mesurée. Le second algorithme de contrôle asservit la vitesse de rotation du ventilateur (702) de telle sorte que la différence entre la température (T2) du fluide diélectrique (140) en sortie du radiateur (702) et la température (T3) ambiante soit inférieure à une valeur variant entre 1 et 8°C selon les cas d'utilisation de l'application, par exemple charge ou décharge, véhicule roulant ou à l'arrêt, etc.
Il est également illustré un système destiné à réduire la dépression dans la boucle de fluide diélectrique (140), notamment lorsque le système n'est pas en fonction. Ce système est utilisé en particulier lorsqu'un fluide présentant une Tsat(Patm) inférieure à la température maximale vue par le système est utilisé. Un vase d'expansion (713) à membrane interne est branché sur le circuit de fluide diélectrique (140) . Ce vase d'expansion (713) est commandé par une pression d'air régulée par une vanne (714) . Lorsque la pression d'air est inférieure à la pression dans le circuit de fluide diélectrique (140), la membrane est plaquée au fond du vase (713) et le fluide diélectrique est aspiré dans le vase (713) . Inversement, lorsque la pression d'air est supérieure à la pression du circuit de fluide diélectrique (140), la membrane se gonfle et chasse le fluide (140) hors du vase (713) . Afin de pouvoir réguler une pression d'air inférieure à la pression atmosphérique, une pompe à vide (715) est branchée sur l'une des 2 entrées de la vanne (714) . La vanne (714) permet donc de réguler une pression comprise entre 0 bar absolu et la pression atmosphérique. Ainsi pour éviter la dépression à l'arrêt, la vanne envoie une pression d'air égale à la pression atmosphérique, ce qui permet de remplir le circuit de fluide de liquide et de le maintenir en liquide sous-refroidi sensiblement à la pression atmosphérique. En fonctionnement, le fluide diélectrique (140) est ré-aspiré dans le vase (713) en ramenant la pression de contrôle du vase (713) à une pression proche de la pression de saturation du fluide diélectrique à sa température mesurée (T) , ce qui permet de laisser la place à une phase vapeur. Le système est dimensionné pour avoir une phase vapeur de volume réduit, par exemple un tiers du volume de la canalisation entre le module (1) et le radiateur (702), ce qui permet d'avoir un vase (713) relativement petit .
Dans le cas où un fluide diélectrique présentant une Tsat(Patm) supérieure à la température maximale vue par le système, est utilisé, alors la vanne (714) et la pompe à vide (715) pourraient être supprimées. Le vase (713) est alors simplement mis à la pression atmosphérique. Il est même possible de se passer d'une membrane dans le cas où le fluide diélectrique (140) n'est pas sensible à l'oxydation ni à l'hydrolyse par l'oxygène et l'humidité ambiante. La suppression du contrôle de la pression en amont de la pompe de circulation (704) simplifie le système mais induit un sous-refroidissement non contrôlé et très élevé ce qui nuit à l'évaporation sur les cellules. De ce fait, les coefficients d'échanges au contact des cellules sont moindres et les différences de température entre cellules sont plus élevées. L'utilisation d'un tel fluide perd alors de son intérêt .
Variantes de réalisation
Dans les figures présentées, le module est montré avec des cellules (414) cylindriques d'un diamètre de 66mm et de longueur 160mm, avec une électrochimie de type lithium titanate (LTO) , similaires aux cellules 40Ah LTO de marque Yinlong. Toutefois, le même type de refroidissement par fluide diélectrique (140) ne se limite pas à ces cellules (414) et pourra être réalisé pour d'autres types de cellules, comme par exemple des cellules au format 18650 par exemple en électrochimie HG2 de marque LG, ou des cellules au format « poche rectangulaire de faible épaisseur » par exemple de marque Xalt ou Kokam, ou des cellules prismatiques par exemple de dimensions 139x22x56mm de Toshiba.
Dans le cas de la variante avec cellules au format « poche » précédemment cité, il est à noter que les plaques intercalaires (601) entre les cellules ont une conception spécifique au système de refroidissement par évaporation. En effet, comme montré en figure 8, lesdites plaques possèdent des passages sensiblement verticaux (602) destinés à laisser monter le flux de fluide évaporé vers l'échangeur (237) .
Dans le cas où le fluide diélectrique (140) utilisé possède une Tsat(Patm) hors de la plage de fonctionnement, par exemple le Novec 7100 de la société 3M (noms commerciaux) qui bout à 61°C à lbarA, il peut être intéressant d'effectuer le remplissage après avoir préalablement tiré au vide le module avec un volume liquide de fluide diélectrique inférieur au volume libre, afin de conserver un ciel gazeux à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, l'utilisation d'un ballon (160) n'est pas requise. Egalement, étant donné que la pression interne n'excède pas lbarA, le boitier peut être constitué d'une enveloppe souple (502), comme présenté dans les figures 8 et 9. Cette enveloppe souple (502), de préférence de matière plastique, est scellée hermétiquement à l'aide d'une jointure (503), qui peut être une soudure entre les deux parties de l'enveloppe (502) . Comme présenté en figure 7, la pression interne inférieure à la pression extérieure combinée à la souplesse de l'enveloppe (502) implique que ladite enveloppe va se coller au plus près des cellules (414), réduisant ainsi le volume de fluide diélectrique (140) présent dans le module (1) . Ce type de module à enveloppe souple possède un fonctionnement similaire à celui décrit pour un boitier rigide ; comme montré en figure 6 il possède également des blocs de remplissage isolants (250), un volume de fluide diélectrique (140) en phase liquide et en phase gazeuse (150), un échangeur (237) possédant des ports d'entrée et de sorties hydrauliques (210 et 220) . Les sorties hydrauliques (210 et 220) sont liées hermétiquement à l'enveloppe (502) grâce à des jointures soudées (604) afin de garantir l'herméticité du module (1) .

Claims

Revendications
1 - Système de refroidissement comprenant au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion (713) connecté au volume dudit fluide diélectrique (140) et présentant une chambre gazeuse remplie d'air à pression contrôlée, ladite chambre gazeuse étant connectée à une vanne (714) commandant l'égalisation de la pression de la chambre avec la pression atmosphérique, ou la connexion de la chambre gazeuse avec une pompe à vide.
2 - Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit fluide diélectrique présente une température de saturation à pression atmosphérique au-dessus de 45°C.
3 - Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit fluide diélectrique est du Novec 649 produit par l'entreprise 3M dont la température d'ébullition à la pression atmosphérique est sensiblement égale à 49 ° C .
4 - Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression de ladite chambre gazeuse puisse être contrôlée entre Obar absolus et la pression atmosphérique.
5 - Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la connexion dudit vase d'expansion (713) au volume dudit fluide diélectrique (140) soit située juste à l'admission d'une pompe de circulation (704) dudit fluide diélectrique (140).
6 - Système de refroidissement d'au moins un module électrique selon la revendication 1 comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique, caractérisé en ce qu'un radiateur (701) refroidisse un fluide caloporteur (145) du au moins un module électrique et qu'un système de réfrigération (703) est monté en parallèle dudit radiateur de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en amont dudit radiateur et en prélève en aval.
7 - Système de refroidissement selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit système de réfrigération (703) est réversible de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en amont dudit radiateur et en prélève en aval en mode refroidissement, ou alternativement de sorte à fournir de la chaleur audit fluide caloporteur en aval dudit radiateur et en prélève en amont en mode chauffage.
8 - Système de refroidissement selon les revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur (145) est ledit fluide diélectrique (140) circulant hors dudit au moins un module électrique.
9 - Procédé de contrôle d'un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique, caractérisé en ce que l'on commande la pression d'une chambre gazeuse d'un vase d'expansion (713) connecté au volume dudit fluide diélectrique (140) de sorte à assurer un sous-refroidissement dudit fluide diélectrique (140) à l'admission d'une pompe de circulation (704) dudit fluide diélectrique (140) compris entre 0K et 10K et préférentiellement entre 0.5K et 5K.
10 - Procédé de contrôle d'un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique,
Caractérisé en ce que l'on commande un système de réfrigération (703) monté en parallèle d'un radiateur (701) de refroidissement d'un fluide caloporteur (145) dudit au moins un module électrique de sorte à assurer une température dudit fluide caloporteur (145) à l'admission dudit module électrique inférieure à 45°C et préférentiellement inférieure à 30°C.
11 - Procédé de contrôle d'un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique,
Caractérisé en ce que l'on commande un système de réfrigération réversible (703) monté en parallèle d'un radiateur (701) de refroidissement d'un fluide caloporteur (145) dudit au moins un module électrique de sorte à assurer une température dudit fluide caloporteur (145) à l'admission dudit module électrique comprise entre 0°C et 45°C et préférentiellement entre 0 et 30°C.
12 - Procédé de contrôle d'un système de refroidissement d'au moins un module électrique comprenant une pluralité de cellules de batteries immergées dans un fluide diélectrique,
caractérisé en ce que l'on commande un système de réfrigération (703) monté en parallèle d'un radiateur (701) de refroidissement dudit fluide diélectrique (140) de sorte à assurer un sous-refroidissement dudit fluide diélectrique (140) à 1 ' admission d'une pompe de circulation (704) dudit fluide diélectrique ( 140) compris entre 0K et 10K et préférentiellement entre 0.5K et 5K .
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