WO2020225313A1 - Coffre pour batterie - Google Patents

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thermal
box
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Julien GIRON
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Safran Electronics & Defense Cockpit Solutions
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates, in general, to the protection of batteries.
  • the invention relates to a battery box and, more specifically, to a thermal and mechanical protection box for a battery.
  • Lithium-ion batteries are particularly prone to thermal runaway. This is because the electrolyte they contain, in the form of lithium salts, is highly flammable. Consequently, overheating of the battery can cause it to catch fire, accompanied by the release of toxic gases, which can lead to its explosion.
  • Solutions to contain the molten debris projected during the explosion are known. These solutions consist of placing a covering sheet or an explosion-proof bag around the battery.
  • the tarpaulin and bag do not seal the battery, nor do they allow for thermal containment.
  • the batteries do not provide any mechanical protection.
  • the batteries also require protection against mechanical stresses so as to be able to preserve their integrity.
  • the invention relates to a lightweight battery box, allowing both protection against external mechanical stresses and the formation of a thermal barrier capable of containing the exothermic reaction, projections and flames. in the event of thermal runaway of the battery.
  • a battery box comprising an external mechanical protection housing and an internal thermal containment envelope, said internal envelope comprising at least one thermal insulating component and at least one flame protection component.
  • said internal envelope is a multilayer structure.
  • the internal envelope can comprise at least one layer comprising a thermal insulating component and a component for protection against flames.
  • the inner envelope can include an outer layer disposed opposite the outer casing and comprising a waterproof component.
  • the inner shell may include an inner layer disposed facing the battery and comprising a waterproof component.
  • a thermal insulating component in the form of soft is disposed between said outer and inner layers of the inner thermal containment envelope.
  • all of the layers of the internal thermal containment envelope can include a thermal insulating component.
  • the thermal insulating component can comprise a material chosen from glass fibers, silica fibers or a mixture of these.
  • the component for protection against flames comprises vermiculite.
  • the inner envelope may be at least partially woven structure.
  • the outer casing may include aluminum.
  • the outer casing and / or the inner thermal containment envelope includes a vent.
  • means for cooling the battery can be fitted in the trunk.
  • the internal containment envelope can include a battery cooling network comprising one or more air guide channels and a plurality of air outlet ports from the channels to the battery.
  • FIG 1 is a perspective view of a battery box according to the invention, comprising an outer casing and an inner shell.
  • FIG 2 is a cross-sectional view illustrating a first embodiment of an inner shell of a battery box according to the invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of an inner envelope of a trunk according to the invention, according to a second embodiment.
  • Figures 1 to 3 illustrate a box 1 for a battery 2, for example a lithium-ion battery.
  • the box 1 comprises an outer casing 3 as well as an inner casing 4, arranged around the battery 2.
  • the inner casing 4 is advantageously configured to be arranged between the external box 3 and the battery 2.
  • the outer casing 3 provides mechanical protection to the battery 2 and, on the other hand, the inner casing 4 provides insulation and thermal protection in thermal containment of the battery 2.
  • the outer casing 3 forms a sealed structure and it is independent of the inner casing 4.
  • the material chosen for the outer case 3 will preferably be a material lighter than steel and stainless steel, for example aluminum, or a material composite.
  • the outer case 3 can be formed by a plurality of plates which can be assembled, for example, by welding or screwing.
  • the outer box 3 has a cover attached to the rest of the box by screws 5, facilitating access to the battery 2.
  • the inner envelope 4 comprises at least one thermal insulating component. According to one example, it is possible to choose glass fibers or silica fibers which have a high resistance to high temperatures, ranging up to 1200 ° C, or even a mixture of these.
  • at least one component for protection against flames for example vermiculite
  • the inner shell 4 can be a multilayer structure, preferably flexible, in which each layer can thus have specific properties.
  • the different layers of the inner shell 4 can be formed by plates or one or more woven materials.
  • the internal casing 4 comprises a flameproof layer 6 comprising glass fibers and vermiculite, as well as a thermal insulation layer 7 of the battery 2, in the form of soft, also comprising glass fibers.
  • This foam is an effective thermal insulator, allowing air to be trapped, and thus reduce heat transfer through the mesh to limit the rise in temperature of the structure.
  • the internal casing 4 can also include an external layer 8 placed opposite the external case 3 and / or an internal layer 9 placed opposite the battery, comprising a waterproof component, for example silicone.
  • the outer 8 and inner 9 layers thus make it possible to seal the inner casing 4 and prevent the passage of water towards the battery 2.
  • the flame-resistant layer 6 and the long-term thermal insulation layer 7 are arranged between the outer 8 and inner 9 layers.
  • each layer of the multilayer structure of the example illustrated comprises a thermal insulating component, here glass fibers which also have the advantage of being electrical insulating.
  • the box 1 may include a vent 10 allowing the gases released during the thermal runaway of the battery 2 to escape.
  • the outer casing 3 and the inner casing 4 both include a vent 10, on the upper face of the trunk
  • the box 1 also includes means for cooling the battery 2 in order to limit overheating and prevent thermal runaway.
  • the internal casing 4 can include cooling means.
  • the outer case 3 is not shown.
  • the internal casing 4 may include a cooling network for the battery 2 comprising several channels 1 1 for guiding the air and a plurality of air outlet orifices 12 from said channels 1 1 to the battery 2.
  • the channels 11 of the cooling network are provided between the outer layer 9 and the long-term thermal insulation layer 7, by excess material in the inner layer 9.
  • the box 1 is configured so that a space 13 remains between the battery 2 and the internal casing 4 allowing in particular the circulation of air for the cooling of the battery 2.
  • Air can thus be blown, for example from the vent 10, into the air guide channels 1 1 so that the air is delivered into the space 13 via the air outlet orifices 12 in order to to cool the battery 2. It will of course be possible to provide in the box 1 electrical connection interfaces for the battery 2.
  • the battery 2 shown is a lithium-ion battery for which the box 1 according to the invention is particularly advantageous given the risk of thermal runaway of this type of battery.
  • the box 1 as described above makes it possible to separate the mechanical protection means and the thermal protection means of the battery 2.
  • the box 1 can thus be made lighter.

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Abstract

Coffre pour batterie, comprenant un boîtier externe (3) de protection mécanique et une enveloppe interne (4) de confinement thermique, ladite enveloppe interne (4) comportant au moins un composant isolant thermique et au moins un composant de protection contre les flammes.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Coffre pour batterie
La présente invention concerne, de manière générale, la protection des batteries .
En particulier, l’invention se rapporte à un coffre pour batterie et, plus précisément, à un coffre de protection thermique et mécanique d’une batterie .
Certains types de batteries comme les batteries Lithium-ion sont particulièrement sujettes à l’emballement thermique. En effet, l’électrolyte qu’elles contiennent, se présentant sous la forme de sels de lithium, est hautement inflammable . Par conséquent, une surchauffe de la batterie peut entraîner son embrasement, accompagné du dégagement de gaz toxiques, pouvant conduire j usqu’ à son explosion.
Dans le cas de batteries embarquées, par exemple disposées dans un avion, leur proximité avec la zone de carburant rend considérablement risquée tout échauffement de la batterie . L’augmentation de la température des parois de la batterie est donc inacceptable et il est néces saire de prévoir des moyens pour son isolement thermique.
Des solutions visant à contenir les débris en fusion projetés lors de l’explosion sont connues . Ces solutions consistent à disposer une bâche couvrante ou un sac anti-déflagration autour de la batterie.
Cependant, la bâche et le sac n’étanchéifie pas la batterie et ils ne permettent pas non plus d’as surer un confinement thermiquement.
De plus, ils ne fournis sent aucune protection mécanique . Or, les batteries requièrent en outre une protection contre les contraintes mécaniques de sorte à pourvoir préserver leur intégrité.
Il est également connu d’utiliser un boîtier en acier inoxydable ou en titane, dispo sé autour de la batterie, et la protégeant à la fois mécaniquement et thermiquement.
Cependant, bien que fortement résistant, la masse d’un tel boîtier est trop importante pour que son application puis se être envisagée dans le domaine de l’aviation dont les innovations qui s’y afférent visent au contraire un allégement des dispositifs embarqués .
Pour les raisons évoquées ci-dessus , l’invention concerne un coffre de batterie léger, permettant à la fois une protection contre les contraintes mécaniques extérieures et la formation d’une barrière thermique capable de contenir la réaction exothermique, les proj ections et les flammes en cas d’emballement thermique de la batterie.
Il est donc proposé un coffre pour batterie, comprenant un boîtier externe de protection mécanique et une enveloppe interne de confinement thermique, ladite enveloppe interne comportant au moins un composant isolant thermique et au moins un composant de protection contre les flammes .
Selon un mode de réalisation, ladite enveloppe interne est une structure multicouche.
Selon une caractéristique, l’enveloppe interne peut comprendre au moins une couche comportant un composant isolant thermique et un composant de protection contre les flammes .
Avantageusement, l’enveloppe interne peut comprendre une couche externe disposée en regard du boîtier externe et comportant un composant imperméable à l’eau .
De manière encore plus avantageu se, l’enveloppe interne peut comprendre une couche interne disposée en regard de la batterie et comportant un composant imperméable à l’eau .
De préférence, un composant isolant thermique sous forme de mous se est disposé entre lesdites couches externe et interne de l’enveloppe interne de confinement thermique.
Selon une caractéristique, l’ensemble des couches de l’enveloppe interne de confinement thermique peut comprendre un composant isolant thermique.
Avantageusement, le compo sant isolant thermique peut comporter un matériau choisi parmi les fibres de verre, les fibres de silice ou un mélange de ceux-ci .
Selon un mode de réalisation, le compo sant de protection contre les flammes comprend de la vermiculite . De plu s, l’enveloppe interne peut être une structure au moins en partie tis sée .
Le boîtier externe peut comprendre de l’aluminium.
De préférence, le boîtier externe et/ou l’enveloppe interne de confinement thermique comprend un évent.
Selon un mode de réalisation des moyens de refroidis sement de la batterie peuvent être aménagés dans le coffre.
Selon une caractéristique, l’enveloppe interne de confinement peut inclure un réseau de refroidissement de la batterie comprenant un ou plusieurs canaux de guidage de l’air et une pluralité d’orifices de sortie d’air des canaux vers la batterie.
D’autres buts , avantages et caractéristiques res sortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig 1 ] est une vue en perspective d’un coffre pour batterie selon l’invention, comportant un boîtier externe et une enveloppe interne.
[Fig 2] est une vue en coupe transversale illustrant un premier mode de réalisation d’une enveloppe interne d’un coffre de batterie selon l’invention .
[Fig 3 ] est une vue en coupe transversale d’une enveloppe interne d’un coffre selon l’invention, selon un deuxième mode de réalisation.
Les figures 1 à 3 illustrent un coffre 1 pour une batterie 2 , par exemple une batterie Lithium-ion .
Comme on peut le voir sur la vue en coupe de la figure 2, le coffre 1 comprend un boîtier externe 3 ainsi qu’une enveloppe interne 4, disposés autour de la batterie 2. L’enveloppe interne 4 est avantageusement configurée pour être disposée entre le boîtier externe 3 et la batterie 2.
D’une part, le boîtier externe 3 confère une protection mécanique à la batterie 2 et, d’autre part, l’enveloppe interne 4 confère une isolation et une protection thermique en confinement thermiquement la batterie 2.
Dans l’exemple illu stré, le boîtier externe 3 forme une structure étanche et il est indépendant de l’enveloppe interne 4. Pour une application du coffre 1 dans le domaine de l’aviation, le matériau choisi pour le boîtier externe 3 sera, de préférence, un matériau plus léger que l’acier et l’acier inoxydable, par exemple l’aluminium, ou un matériau composite.
Le boîtier externe 3 peut être formé par une pluralité de plaques qui peuvent être assemblées , par exemple, par soudage ou vis sage . Dans l’exemple illu stré, le boîtier externe 3 comporte un couvercle fixé au reste du boîtier par des vis 5 , facilitant l’accès à la batterie 2.
L’enveloppe interne 4 comporte au moins un composant isolant thermique. Selon un exemple, on pourra choisir des fibres de verre ou des fibres de silice qui possèdent une grande résistance aux hautes températures , allant jusqu’à 1200°C , ou encore un mélange de celles-ci .
Elle comporte en outre au moins un composant de protection contre les flammes , par exemple de la vermiculite, afin de confiner la batterie 2 et de contenir les éventuelles proj ections et flammes en cas de surchauffe et d’explosion.
De plus , l’enveloppe interne 4 peut être une structure multicouche, de préférence souple, dans laquelle chaque couche peut ainsi comporter des propriétés spécifiques .
Les différentes couches de l’enveloppe interne 4 peuvent être formées par des plaques ou bien un ou des matériaux tis sés .
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, l’enveloppe interne 4 comprend une couche anti-flammes 6 comportant des fibres de verre et de la vermiculite, ainsi qu’une couche d’isolation thermique 7 de la batterie 2, sous forme de mous se, comportant également des fibres de verre. Cette mousse est un isolant thermique efficace, permettant d’emprisonner de l’air, et ainsi de réduire le transfert de chaleur à travers le tis su pour limiter la montée en température de la structure.
Avantageusement, l’enveloppe interne 4 peut également comprendre une couche externe 8 disposée en regard du boîtier externe 3 et/ou une couche interne 9 disposée en regard de la batterie, comportant un composant imperméable à l’eau , par exemple du silicone . Les couches externe 8 et interne 9 permettent ainsi d’étanchéifier l’enveloppe interne 4 et empêcher le pas sage d’eau vers la batterie 2. La couche anti-flammes 6 et la couche d’isolation thermique à long terme 7 sont disposées entre les couches externe 8 et interne 9.
De manière avantageuse, chaque couche de la structure multicouche de l’exemple illustré comprend un composant isolant thermique, ici des fibres de verre qui ont également pour avantage d’être isolant électrique.
En outre, comme cela est représenté sur les figures , le coffre 1 peut comprendre un évent 10 lais sant échapper les gaz dégagés lors de l’emballement thermique de la batterie 2.
Préférentiellement, le boîtier externe 3 et l’enveloppe interne 4 comprennent tous les deux un évent 10, sur la face supérieure du coffre
1 .
De préférence, le coffre 1 comprend également des moyens de refroidis sement de la batterie 2 afin de limiter la surchauffe et prévenir l’emballement thermique.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3 , l’enveloppe interne 4 peut inclure des moyens de refroidis sement. Pour une meilleure compréhension de la configuration de l’enveloppe interne 4, le boîtier externe 3 n’est pas représenté.
L’enveloppe interne 4 peut inclure un réseau de refroidissement de la batterie 2 comprenant plusieurs canaux 1 1 de guidage de l’air et une pluralité d’orifices 12 de sortie d’air desdits canaux 1 1 vers la batterie 2.
Dans l’exemple illustré, les canaux 1 1 du réseau de refroidis sement sont ménagés entre la couche externe 9 et la couche d’isolation thermique à long terme 7 , par surplus de matière dans la couche interne 9.
Avantageusement, le coffre 1 est configuré de sorte qu’un espace 13 subsiste entre la batterie 2 et l’enveloppe interne 4 permettant notamment la circulation d’air pour le refroidissement de la batterie 2.
De l’air peut ainsi être soufflé, par exemple depuis l’évent 10, dans les canaux 1 1 de guidage d’air de sorte que l’air soit délivré dans l’espace 13 via les orifices 12 de sortie d’air afin de refroidir la batterie 2. On pourra bien entendu prévoir dans le coffre 1 des interfaces de connexion électrique de la batterie 2.
Par ailleurs , la batterie 2 illu strée est une batterie Lithium-ion pour laquelle le coffre 1 selon l’invention est particulièrement avantageux compte tenu du risque d’emballement thermique de ce type de batterie .
Toutefois , on pourra bien sûr prévoir que le coffre tel que décrit précédemment soit utilisé pour un équipement électrique d’un autre type qu’une batterie.
Le coffre 1 tel que décrit précédemment permet de dis socier les moyens de protection mécanique et les moyens de protection thermique de la batterie 2. Le coffre 1 peut ainsi être allégé.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Coffre pour batterie, comprenant un boîtier externe (3 ) de protection mécanique et une enveloppe interne (4) de confinement thermique, ladite enveloppe interne (4) comportant au moins un composant isolant thermique et au moins un composant de protection contre les flammes , et le boîtier externe (3 ) étant indépendant de l’enveloppe interne (4) .
2. Coffre selon la revendication 1 , dans lequel ladite enveloppe interne (4) est une structure multicouche.
3. Coffre selon la revendication 2, dans lequel ladite enveloppe interne (4) comprend au moins une couche (6) comportant un composant isolant thermique et un composant de protection contre les flammes .
4. Coffre selon la revendication 2 ou 3 , dans lequel ladite enveloppe interne (4) comprend une couche externe (8 ) disposée en regard du boîtier externe (3 ) et comportant un compo sant imperméable à l’eau .
5. Coffre selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ladite enveloppe interne (4) comprend une couche interne (9) disposée en regard de la batterie (2) et comportant un composant imperméable à l’eau .
6. Coffre selon les revendications 4 et 5 , dans lequel un composant isolant thermique sous forme de mous se est disposé entre lesdites couches externe et interne (8 , 9) de l’enveloppe interne (4) de confinement thermique .
7. Coffre selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel l’ensemble des couches (6, 7 , 8 , 9) de ladite enveloppe interne (4) comprend un composant isolant thermique.
8. Coffre selon l’une quelconque des revendications précédentes , dans lequel le composant isolant thermique comporte un matériau choisi parmi les fibres de verre, les fibres de silice ou un mélange de ceux-ci .
9. Coffre selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 , dans lequel le composant de protection contre les flammes comprend de la vermiculite.
10. Coffre selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ladite enveloppe interne (4) est une structure au moins en partie tis sée .
1 1 . Coffre selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le boîtier externe (3 ) comprend de l’aluminium.
12. Coffre selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans lequel le boîtier externe (3 ) et/ou l’enveloppe interne (4) comprend un évent ( 10) .
13. Coffre selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel sont aménagés des moyens de refroidissement de la batterie (2) .
14. Coffre selon la revendication 13 , dans lequel l’enveloppe interne (4) inclut un réseau de refroidis sement de la batterie comprenant un ou plusieurs canaux de guidage de l’air et une pluralité d’orifices de sortie d’air des canaux vers la batterie (2) .
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