WO2020249906A1 - Ensemble a boitier thermiquement controle, pour cellules electriques - Google Patents

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Definitions

  • the technical field of the invention is that of the thermal management of the cells of an electric battery intended to deliver electrical energy, particularly on a vehicle, in particular hybrid or “all-electric” in which at least one motor electric is present, therefore or not coupled to at least one heat engine.
  • vehicle is to be understood in the broad sense.
  • the cells are adapted to operate in a preferential range of temperatures. Otherwise, they are less efficient: reduced lifespan, reduced electrical performance.
  • the battery and its thermal management must adapt to the constraints of the vehicle (available space, orientation in space, connection to the supply of said fluid flow to circulate under the cells), and not the other way around ;
  • cell here means electrochemical cell and more generally electric cell (which generates electricity), and
  • thermo fluid flow here has the meaning of a suitable fluid flow:
  • thermo fluid flow as a coolant in that it transports (delivers to cells) or removes (from cells) heat.
  • BMS Battery Management System
  • vehicle supervisor energy management, actuator control
  • battery pack which contains the assembly. cells
  • the cell / cooling plate exchange surfaces remain relatively small.
  • thermal power for example 20 kW at the battery compartment (2 kW in nominal use).
  • This heat will increase the temperature of the entire battery pack to a higher level (threshold for example at 35 ° C for Li-lon cells) than the nominal temperature range. (for example between 20 ° C and less than 35 ° C for Li-lon cells) in which the operation of the pack is desired.
  • Devices such as elements loaded with MCP (phase change material) could allow this temperature increase to be damped by 3 to 10 ° C.
  • a more efficient module cooling system becomes a necessity.
  • a lower temperature for the flow of fluid coming into thermal exchange with the cells would imply a modification of the cooling setpoints, a loss of efficiency on the cold producing means. and an increase in the flow rate (then probably a need for a variable flow pump, with a higher electrical consumption) or an increase in the exchange surface at the level of the thermal management of the cells.
  • the invention aims to improve the above situation by taking into account at least some of the problems mentioned. It is an improvement in the thermal management of the electrical cell (s) that is expected. An increase in the electrical efficiency of the cell (s) and / or an increased lifespan is also aimed at.
  • At least one wall adapted to be in thermal exchange with said at least one cell and arranged for this purpose in front of it, in a plane parallel to one of the sides of said at least one cell or of the module, said at least one wall containing at least one space where at least one fluid flow (F1, F2 below) can be present, adapted to be in thermal exchange with at least one cell or with the module, for its thermal management,
  • a first fluid flow (F2 ) and a second flow (F1) of non-mixing fluid Arranged opposite at least one said cell or module, the aforementioned wall and this cell (or also the other cells which will be aligned with this first cell, in the same plane) will be adjacent, that is to say immediately close to each other.
  • said at least one wall is made of a material such that it does not contain PCM, the use of which can be reserved elsewhere.
  • the aforementioned assembly may even be such that said at least a first space and at least a second space, which define respective hollow interiors in said at least one wall, are each so bulky that they will occupy most of at least the length of the wall. 'inside said at least one wall, to adapt the temperature thereof.
  • heat exchange fluid is not limited to circulating in small tubes passing just under the cells, as in the existing "cooling plates".
  • Another point to consider may be related to the extent of the heat exchange zones between fluid flow (s) and cell (s).
  • said at least a first space and at least a second space can be defined respectively between a first plate and a second plate and between the second plate and a third plate parallel to each other and joined together, or even
  • the first, second and third plates have peripheral edges arranged to direct said flows.
  • At least one of said first and second spaces be defined by a series of tubes arranged in the same plane or in parallel planes.
  • each of said first and second spaces be defined by tubes arranged along at least a first and a second series located in the same plane or in separate parallel planes, the first series forming said at least one first space and the second series forming said at least one second space.
  • At least one of said first and second spaces is defined between a first plate and a second plate parallel to each other and joined together, and that the other of said first and second spaces is defined. by a series of tubes arranged in the same plane or in parallel planes.
  • Cross-circulations could be optimal if the flows are vaporizable one liquid the other in the event of a cell overheating.
  • the vaporizable flow will a priori be the one furthest from the adjacent cell considered, because it is an overheating of one cell (which can also be managed thermally by the other flow, during its nominal operating state) which can induce vaporization of the vaporizable stream.
  • Another set of thermal management of a battery, comprising the previous set, is also concerned by the invention.
  • a box containing all of said cells the box peripherally comprising several sides and one or more said walls per side, the box surrounding on several sides:
  • the invention relates to a vehicle comprising an assembly as mentioned above, with all or parts of its characteristics, and in particular possibly a vehicle which can be driven:
  • said first and second spaces will then contain, as said first flow and second flow, and this at the same time or at different times of operation of the cells, respectively a first flow of fluid (F2), present (dynamically, therefore) to circulate in a nominal operating state of the cells, and a second vaporizable flow (F1), resulting from the same flow of fluid or a different fluid flow suitable for being vaporized in said second space, in the event of overheating of at least one said cell which then no longer operates in a nominal manner.
  • F2 first flow of fluid
  • F1 second vaporizable flow
  • said second flow (F1) of fluid then contained in the second space (s) may preferentially intervene as a fluid flow adapted to present a vapor phase when at least one adjacent cell overheats and brings it to his temperature
  • first flow (F2) of fluid contained in the first space (s) may preferentially intervene as a fluid flow adapted to maintain as much as possible the adjacent cell (s) in their nominal operating state , without overheating.
  • said second fluid flow (F1) is present in the second space, in the state of overheating of at least one said cell with which it is in heat exchange, so that at a temperature threshold of said at least one cell, said second fluid flow (F1) reaches its vaporization temperature, and
  • the external atmosphere is that of the external environment which surrounds the vehicle, and therefore said whole.
  • the atmosphere and the external environment are therefore at ambient pressure (atmospheric pressure).
  • the vehicle further comprises a recycling circuit for recycling said fluid from the outlet to the inlet and on which are arranged a means for forced circulation of the fluid and an exchanger for heat exchange between the first flow of fluid and another fluid flow, one of which will then be connected to a pump or a fan, thus ensuring forced circulation of the first flow, in the wall.
  • a crack point could be the central zone of the case, because the cells could be less easy to manage thermally.
  • the vehicle includes:
  • control unit which will then control the supply of said first flow of fluid (F2) at the inlet and / or the evacuation of this flow at the outlet, so that said first flow circulates in said first spaces, while the cells are operating in the nominal state.
  • the invention also concerns a method of thermal management of at least one cell of an electric battery by means of at least one wall adapted to be in exchange. thermal with said cell, said wall containing at least one space where at least one fluid flow (F1, F2) can be present, adapted to be in thermal exchange with at least one cell, for its thermal management, this method being characterized in that that said at least one space comprising at least a first space and at least a second space arranged parallel to one another:
  • a second vaporizable flow (F1) is made to vaporize out of said second space, resulting from the same flow of fluid or a different flow of fluid and then contained in said second space.
  • FIG. 1 represents a vehicle; such as an automobile, provided with a housing according to the invention
  • FIG. 2 shows an example of a housing for electric battery cells, according to the invention
  • FIG. 3 shows a wall (hereinafter sometimes called the first wall or second wall, such as 1 1 -1 1 b1 or 1 1 -1 1 b2) of the housing;
  • FIG. 4 is an exploded view which shows how a functionalized wall can be produced in accordance with the invention, as marked 1 1 or 1 1 -1 1 c below; different tears detail enlarged areas;
  • FIG. 5 shows an assembly according to the invention for thermal management of an electric battery, the assembly comprising at least a first and a second wall (in the example two pairs) joined by a connection block.
  • FIG. 6 shows the housing of [Fig. 2], three cutouts A, B, C detail possible enlarged areas;
  • FIG. 7 shows a wall of the housing (called the first wall) and a connection block (marked 31) to be engaged in one another;
  • FIG. 8 shows an exploded view of an example of a housing according to the invention, with cells and with an assembly skeleton (59);
  • FIG. 9 shows an assembled state of the view of [FIG. 8], without cell and in perspective from above;
  • FIG. 10 shows an assembled state of the view of [FIG. 8], without cell and in perspective from below;
  • FIG. 1 1 shows the assembled state of the view of [Fig. 9], with cells and additional elements to be placed above and below for their thermal and / or mechanical protection,
  • FIG. 12 shows, in relation to [FIG. 2], part of the circulation path of the fluid flow referenced F2, in the event of recycling, with associated means which can be provided, in one example,
  • FIG. 13 shows the box and its electrical cells of [Fig. 2], without recycling the flow of fluid F2, but with two wall details, in tearing, and
  • FIG. 14 shows, in more detail than [Fig. 13], a corner zone of the lateral thermal management enclosure which can surround the housing, and in which a flow of fluid F3 can circulate, in one example,
  • FIG. 15 represents an alternative embodiment of the cells, therefore of the housing of the invention
  • FIG. 16 shows another alternative embodiment of the cells, with a housing according to the invention which may be like that of [Fig. 1] to [Fig. 8];
  • FIG. 17 shows yet another alternative embodiment of the cells, with a section along the line XVII-XVII of [Fig. 16] and a housing according to the invention which can also be like that of [Fig. 1] to [Fig. 8],
  • FIG. 18 represents an alternative circulation of the flows F1 and F2, with a 90 ° tilting of the double wall with respect to the position of FIG. 3,
  • FIG. 19 shows a housing according to the invention, with hollow walls as in Figure 4, assembled, the fluid flows F1 flowing "in parallel" are shown in certain places (so as not to overload the figure);
  • FIG. 20 shows the same housing as in FIG. 19; the fluid flows F1 (always crossed at 90 ° with respect to the flow F2) are shown, in certain places,
  • FIG. 21 shows a case according to the invention, tilted 90 ° with respect to any of the preceding cases, with the addition of cells still upright,
  • FIG. 22 presents the solution of figure 22 with a partial exploded view at the location of one of the hollow walls and of two fittings which border it in a coplanar fashion
  • FIG. 23 presents an alternative solution where one of the double plates of the solution of FIG. 4 is replaced by a series of tubes occupying almost the same major surface as in the case of FIG. 4;
  • FIG. 24 presents another alternative solution where the two groups of three plates of the solution of figure 4 are each replaced by a double series of tubes each occupying almost the same major surface as in the case of figure 4,
  • FIG. 25 is an alternative embodiment and relative positioning between cells and a wall 11,
  • FIG. 26 is a local exploded view of figure 25,
  • FIG. 27 is another alternative embodiment and relative positioning between cells and a wall 11,
  • FIG. 28 is a local exploded view of figure 27,
  • FIG. 29 is another alternative embodiment and relative positioning between cells and a wall 11,
  • FIG. 30 is a local exploded view of figure 29,
  • FIG. 31 is another alternative embodiment and relative positioning between cells and a wall 11,
  • FIG. 32 is a local exploded view of figure 31
  • FIG. 33 is another alternative embodiment and relative positioning between cells and a wall 11,
  • FIG. 34 shows, for a better view, the layer of tubes offset from the cells.
  • FIG. 1 there is shown a vehicle 1; an automobile in the example, which comprises for its movement (and therefore for driving here on the ground 77, via the wheels 4) at least one electric motor 3 supplied by an electric battery 5 with which the motor 3 is therefore electrically connected.
  • the vehicle 1 can thus be electric or hybrid.
  • the cells 7 (see also Figure 8) of the battery 5 adapted to have an electrochemical activity are contained in at least one interior space 9 delimited peripherally by walls (or faces) 1 1 of the housing 6.
  • the housing 6 is disposed in the external environment 13 which surrounds it, which is also that of the vehicle 1.
  • the housing 6 is polygonal. Each of its sides runs parallel to a face of a cell or a series of cells parallel to each other.
  • the battery 5, and therefore its cells 7, is placed on the chassis or floor 75 of the vehicle, assumed to be horizontal and which may include the bottom (horizontal) plate 35 mentioned below.
  • the battery 5 and the box 6 which contains it and surrounds it on several sides could also be placed on a vehicle, such as a ship whose battery connected to an engine is to be protected.
  • Each cell 7 presents:
  • INF and SUP indicate what is partly, lower area or face, respectively upper.
  • the angle (figure 2) can be a right angle: frequent case of parallelepipedal cells.
  • each cell 7 has at least two opposite side faces 7b, 7e which define the largest surfaces of each cell.
  • the walls of cells 7 are therefore, in the example used, rectangular parallelepipeds. At least some of the walls 1 1 are functionalized, as already explained and as further detailed below.
  • each of these walls such as for example the wall 11-1 1c, figures 3-4 (we might as well have referenced it 1 1-1 1a or other):
  • - Contains at least one space 17 in which, at one time, a flow of fluid (F1 or F2, FIG. 3) may be present, in heat exchange with some of the cells 7.
  • a flow of fluid F1 or F2, FIG. 3
  • each said wall is also such:
  • said at least one space 17, and therefore the corresponding wall (such as 11-1 1 c), has an inlet 23a and an outlet 23b for the flow of fluid
  • the inlet 23a and the outlet 23b of the fluid flow communicate with, respectively, a supply 25a of thermal fluid flow and an outlet 25b of said flow of fluid, so that the fluid flow can circulate in said at least one space 17.
  • this same wall extends laterally, parallel to at least one of the side faces 7b-7e of at least one said cell 7.
  • the flow F2 can in particular advantageously be a liquid flow, more thermally efficient than a gas flow, such as a flow of glycol water.
  • the supply 25a of thermal fluid flow is a liquid supply, so that this liquid F2 arrives, via the inlet 23a , said at least one space 17, then goes from wall 1 1 to wall 1 1 (in successive spaces 17).
  • FIG. 4 The exploded view of Figure 4 shows how can be achieved a said functionalized wall according to the invention, such as 1 1-11 c.
  • Each of these walls can thus comprise at least one plate 170a having a first and a second opposite faces 170aa, 170ab, at least one of which has edges 27a1, 27a2 and / or, 27b1, 27b2, and possibly also protuberances 26
  • Each plate 170a is generally flat, and rectangular in the example.
  • the protuberances 26 are formed by ribs or rectilinear undulations 26-26a parallel to each other (see local enlargement in FIG. 4) which extend at an angle.
  • the protuberances 26 could be formed by granulation or punctual stampings 26-26b (see other local enlargement in FIG. 4).
  • the tops of the protuberances 26 are applied against each other, bearing from one plate to the other, and the space 17 is defined by the spaces between the rectilinear ribs or the respective stampings of the two plates, outside their crossing or bearing zones.
  • the fluid flow concerned (F2 in the example; but it could be the flow F 1, see Figures 18 and 20) will be channeled horizontally and be able to circulate from said space 17-17a1 or 17-17a2 (said first space) from one wall to the same space of the wall which is adjacent to the previous one, along the X axis.
  • connection block 31 also called connection
  • a connection block 31 hollow containing at least one space 310 communicating with the aforementioned spaces of these walls (such as 1 1 -1 1 c or 1 1 -1 1 a), respectively, will allow the flow of fluid F2 to circulate laterally, horizontally, in the interior space 9 or on the periphery of the housing, successively from walls 1 1 to walls 1 1, as illustrated by the arrows F2 in FIG. 6 (where the arrow traffic is however only one example).
  • solution B could also be provided, in degraded solution, in the intermediate walls at the heart of box 6, between two groups of cells, in place of solution A.
  • Figure 6 as the arrows (in bold thick) fluid flow circulation (F2 in the example) are therefore only by way of non-limiting example. Other paths, from walls 11 to walls 11, are possible; see figures 19-20.
  • connection blocks 31 The space (s) 310 for internal circulation in the connection blocks 31 may be different from that of FIG. 6, depending on where the connection block is placed and the number of spaces in the successive walls 1 1 to communicate in pairs.
  • connection block 31 have at least two
  • mouthpieces such as 31 1 a, 31 1 b figure 7:
  • connection block Each communicating with said at least one space 310 of the connection block, for an inlet or an outlet of said at least one flow of thermal fluid, such as F2.
  • one (each) wall 1 1 and one (each) connection block 31 may be placed in end-to-end contact ( see wall in figure 3) or engaged one in the other, two by two (see figure 7), and for example welded together, thus ensuring a tight mechanical connection (see references 51 a, 51 b figures 5.7).
  • second space another thermal management space (called “second space”) (marked 17-17b1 or 17-17b2, FIG. 4), with a flow of fluid F1 present therein at least in an abnormal situation of overheating of at least one of the cells 7 can therefore be provided in each wall 11.
  • two edges 27b1, 27b2 extend along the vertical edges of the plate
  • a third plate 170c (FIG. 4) is provided, identical to the plate 170b, but rotated one by 180 ° around said median horizontal axis X contained in the plane 171 of these plates, and therefore of the wall 1 1 (1 1-1 1c figure 4) concerned.
  • these two plates 170b, 170c are such that their lateral edges
  • Respective 27b1, 27b2, located respectively on the left vertical and right vertical borders, on either side of the protuberances 26, are vertical (perpendicular to the X axis), face each other and are supported in pairs (see enlargement at right of figure 4).
  • the fluid flow F1 will be channeled vertically and be able to escape through the opening (the slot) 33 in the upper horizontal part of the space concerned, such as that 17-17b1 in FIG. 4; see also figure 3.
  • the same opening (or slot) 33 may exist in the lower horizontal part of the same space 17.
  • Seals can be placed there to seal the flow of fluid, if necessary.
  • the inlet or the outlet of this second space will be connected to a pump or a fan ( 73; FIG. 6), ensuring a forced supply of fluid flow F1 at the inlet.
  • At least one fan or at least one pump 53,43 will do the same for the flow of fluid F2 (see below). And the same for a flow of fluid F3, if it exists: see below and supply 79 with flow of fluid F3 connected to the inlets 322 in one (of) wall (s)
  • Outlets 323 allow the flow of fluid F3 to exit from the wall (s) 37, therefore from the respective spaces 17-17c, after having circulated therein.
  • Gaskets may be placed at the inlet of the housing and / or at the outlet, to seal the flow of F3 fluid, if necessary.
  • fluid flow F1 could also circulate between the (second) space 17-17b1 and / or 17-17 b2 of one wall and the same (second) space of the wall which is adjacent to the previous one, so as to create then a situation of communicating vessels, making it possible to balance the levels in the spaces, in particular if the fluid flow F1 is a liquid (or has at least one liquid phase in the nominal state of the cells).
  • the flow of fluid F1 will be a vaporizable fluid, such as water (glycolated or not).
  • this flow of fluid F1 will thus be usefully adapted to change phase, at ambient temperature and pressure (20 ° C.; atmospheric pressure).
  • the wall 1 1 -1 1 c is formed of a pair of double-spaces, respectively 17-17a1, 17-17b1 and 17-17a2,17-17b2, these two double-spaces being separated by a intermediate heat insulating plate 29.
  • the wall 1 1 -1 1 c like that 1 1 -1 1 b, is one of those which extends between two cells 7, therefore partly inside the housing, in the space 9 that these walls
  • each space 17 (17-17a1 or 17-17b1 for example) is in thermal exchange with at least the cell 7 which is adjacent to it.
  • plate 170a (its outer face 170aa) stands up against one of these cells. If an air film 30 exists between them, in particular due to the growths 26, no flow of fluid circulates there.
  • the thermal insulating plate 29 acts as a shield, so as to prevent overheating from one cell 7 from diffusing to another.
  • the aforementioned double space pair works on both sides.
  • first and second spaces (17-17a1 and 17-17a2 or 17-17b1 and 17-17b2), or even a pair of such first and second spaces (as illustrated in FIG. 3), we will have first and second spaces:
  • the box 6 will in any case comprise several said functionalized walls 11 each having said at least one space 17 standing around the cells 7, or groups of cells, to define a at least part of the housing 6, which will completely surround the cells (arranged with their terminals 7 on the upper or lower horizontal face), or groups of such cells, on several adjacent sides of the housing.
  • these functionalized walls 11 define a closed outer contour (or perimeter) C1 of the housing, extending around the cells 7,
  • the functionalized walls 1 1 extend between two groups of (several) cells, to partition the housing 6, as illustrated in FIG. 2 (see for example wall 1 1- 1 1c1 and 11-1 1 c2 figure 6). If we come back to the situation on the outer periphery of the housing 6, it will be possible to provide there for a complementary circulation of another fluid flow, F3 (see figures 13,14), a priori planned to recharge the MCP, on the outer periphery. of the housing (see below).
  • F3 another fluid flow
  • the flow of fluid F3 will a priori be different from the flow of fluid (s) F1 and / or F2.
  • the flow of fluid F3 can be gaseous, such as air, which can be ventilated, therefore under pressure.
  • At least one layer or one thermal insulating plate 39 (which may be a PIV, vacuum insulating panel) can be interposed (standing vertically on the side face of the housing) between the wall 37 containing the third space 17-17c and a mechanically protective outer wall 40 which will be adjacent thereto; see figures 13,14.
  • At least one other layer or plate of phase change material (PCM)
  • 41 a, 41 b may even be further interposed (standing vertically on the lateral face of the housing) between the thermal insulation 39 and the wall 37 containing the third space 17-17c.
  • MCP 41a and 41b containing different MCPs in terms of phase change temperatures will be able to cope with external environment temperatures 13 which can be very cold at one time and very hot at another. moment.
  • the (each) wall 37 may include two plates 37a, 37b ( Figure 14) traversed (in the example horizontally) along the walls 11 of the housing which are parallel to it, by channels forming said third space 17-17c; see figures 13,14.
  • the material of the plates 37a, 37b contains MCP in a rigid structuring matrix. It will preferably be MCP (phase change material) in a polymer matrix.
  • MCP phase change material
  • the flow of fluid F3 circulating in the channels will make it possible in particular to regenerate the MCP when the time comes.
  • the channels, tubes or chutes of the peripheral passage of the fluid flow F3 can be integrated or attached (tubes or chutes) in the wall 37.
  • each complementary connection block 32 comprises an interior space 320, and at least two mouths (depending on the I-shape, X-shape, L-shape as in FIG. 14, T %) such as 321 a, 321 b figure 14:
  • one (each) wall 37 and one (each) complementary connection block 32 may be engaged one in the other. , two by two (see figure 14), tightly, thus ensuring a tight mechanical connection (see references 330a, 330b figure 14).
  • a first range of temperatures for example between 20 and 35 ° C for Li-ion cells
  • a threshold for example 35 ° C in the above case
  • the temperature of these cells such as 7-7a 7-7b will be able to be managed thermally by heat exchange between them and the flow of fluid F2 circulating in the (said first) space (17-17a1 or 17-17a2) closest to the cell concerned.
  • the insulating layer 29 will form a thermal screen between the two groups of cells to which the cells 7-7a and 7-7b respectively belong.
  • thermal fluid F2 is dynamic. We can thus take advantage that it leaves the walls 1 1, and therefore (the interior space 9) of the housing 6, via the outlets 23b, so that its discharge 25b communicates via a recycling circuit 39 which allows at least part of the thermal fluid flow to be recycled to the feed 25a; see figure 2.
  • At least one three-way variable flow valve 41 will be able to make it possible to recycle all or part of the flow of fluid F2 leaving the housing 6, including in the solution of Figures 18-19 in which a collection cover (not shown) can come to cap the open face of the housing on which the openings 23b emerge.
  • a means 43 of forced circulation pump if the flow of fluid F2 is a liquid, fan, if it is a gas
  • an exchanger 45 will usefully be found on the recycling circuit 39. (between the flow of fluid F2 and another flow of fluid F4), in order a priori to cool the flow of fluid F2 and recycle it to 25a colder than it left the housing; see Figure 12 where, like Figure 2, the flow path of the fluid flow F2 is provided only by way of non-limiting example.
  • control unit 49 (FIG. 12) to control the supply of this flow of thermal fluid to the inlet and / or the discharge of said flow of fluid to the outlet, so that the flow of fluid F2 thus circulates in said at least one space 17; 17-17a1, 17-17a2 while cells 7 are in the nominal state.
  • this flow of fluid F2 also to circulate in said at least one space 17; 17-17a1, 17-17a2 while cubicles 7 are in an abnormal state: below or above the minimum and maximum nominal operating temperature thresholds of the cubicles, namely:
  • a control unit 49 can be connected with at least one temperature sensor 51 sensing the temperature of (at least one) cell (s) 7; figure 2.
  • the control unit 49 can be connected with at least one temperature sensor 51 sensing the temperature of (at least one) cell (s); figure 2.
  • a circulation means 53 connected with the control unit 49, will ensure the forced circulation of said fluid flow, in the housing 6 (its walls 1 1).
  • the control unit 49 can also be connected with the three-way valve (s) 41 for control; figure 12.
  • the fluid F3 and the circulation of the fluid flow F2 what follows in connection with the circulation of the fluid flow (s) F1 and / or F2 and / or F3 in the housing 6 is independent of the description above in link with figures.
  • a thermal power of 20 kW for example should be able to be dissipated at the level of a group of cells (a compartment in figure 2 or 8), instead for example of 2 kW in nominal use. This heat should be able to increase the temperature of the entire battery pack 5, to a temperature level above the allowable temperature for a
  • the prismatic cells 7 of the battery 5 are at side connection terminals 15, here marked 15a (anode) and 15b (cathode).
  • connection terminals 15 are neither on the upper face 7a, nor on the opposite lower face, but here on two opposite side faces 7c, 7d. This requires that the functionalized walls 11 of the housing 6 of the invention be lower (in this case vertically, therefore) than the cells 7: H3 ⁇ H4 in FIG. 15.
  • connection terminals 15 By not extending to the level of these side connection terminals 15, the walls 1 1 and the connection blocks 31 will not interfere with the connection terminals 15 which will therefore overhang them, on the two opposite sides most lengths of the housing 6 in the example illustrated. This makes it possible not to interfere with the electrical connections and the circulation of the fluid flow (s) F 1, F2 and / or F3.
  • FIG 16 an example is illustrated where the cells 7 of the battery 5 are cylindrical and with upper connection terminals 15:
  • the two terminals, here marked 15a (anode) and 15b (cathode), are on the upper face 7a of each cell .
  • FIG 17 shows an example where cells 7 of battery 5 are still
  • connection terminals 15a and 15b one on the upper face 7a, the other on the lower face 7f:
  • the walls 1 1 and the connection blocks 31 are located laterally with respect to the opposite faces 7a, 7f of the cells, again so as not to interfere with the connection terminals 15.
  • (horizontal) bottom 35 comprises a housing 6 as presented above (walls 1 1 on several sides with in particular flow F1 and F2, but with the particularity that one of said walls of the housing (1 1-1 1a on the figure) which contains at least one said space (17-17a1 / 17-17b1 in the figure) is oriented, on the vehicle, to be disposed parallel to said frame (to its base plate 35), facing it.
  • contour C1 is in a vertical plane P2 and the axis (s) B1 of aligned arrangement of the cells, by line, is horizontal.
  • the walls 11 with hollow interiors (therefore with space (s) 1 1 internal (s)) allowing the fluids F1 and F2 to be present therein are organized as follows: one of these walls (marked 1 1 -1 1e) is a bottom wall, located in a plane parallel to plane P2.
  • the functionalized walls 1 1 may extend in three perpendicular planes, these walls being adjacent in pairs, so that one and / or the other of the fluids F1 and F2 can, if necessary, pass from a wall 1 1 to the wall 1 1 adjacent.
  • each cell 7 has lateral sides including two opposite lateral sides (including the 7th one) defining the largest surfaces of each cell 7, and
  • perimeter C1 extends perpendicularly to said largest surfaces of cells considered all together or groups (here of the two groups) of cells considered all together.
  • connection faces (terminals 15) arranged face to face, from one line to the next, parallel to the plane P2, the terminals 15 being oriented towards the center of the box where a free space 55 allows the installation of the cables (not shown) of
  • each cell 7 always has lateral sides, including two opposite lateral sides (7b, 7e) defining the largest surfaces of each cell,
  • the perimeter C1 passes around said largest surfaces of the cells considered all together or the groups of cells considered all together.
  • each cell 7 therefore has lateral sides with, among these sides, two which are opposite lateral sides (7b, 7e) which define the largest surfaces of each cell parallel to which the cells are arranged in the box, along a line (figure 15) or several lines (figure 2 or 13).
  • these walls each have two thin opposite elongated edges (1 11 a and 1 11 b figure 7) which each extend:
  • angles 57a and 57b in FIG. 11 which limit the sides thereof.
  • the housing 6 could be in one piece (with walls 1 1 integrated together, for example molded all together, the bottom (11-11 e Figure 21) can also be integrated or attached by fixing with the other walls).
  • the wall has a surface S (see hatching in Figure 1 1 and perimeter in alternating long / short lines in Figure 3).
  • the surface S is delimited by said two thin edges 11 1 a and 11 1 b and:
  • said spaces (17; 17-17a1, 17-17a2; 17-17b1, 17-17 b2) of the walls of the housing occupy most of the surfaces (S) of these walls.
  • FIGS. 23 and 24 Another solution is also to be considered. Two examples thereof are illustrated in FIGS. 23 and 24.
  • This solution is in part inspired by an embodiment in a network of at least one of the spaces 17.
  • these protuberances form a suitable network. so that the flow of fluid F1 or F2 can circulate in the corresponding space 17.
  • space 17 sufficiently large to occupy the essential at least of the interior of said walls 11 (therefore of said surface S), a single space, but a networked or compartmentalized space .
  • one of the plates or panels defining the wall here the plate or the outer panel 170a, has been replaced by a series 1700a of tubes 173. That in the example it is on both sides opposite sides of panel 11 (two 1700a series) does not change anything.
  • the tubes 173 of an entire series (like the one in the front figure 23) all together define a surface of passage of the fluid F2 almost equivalent to the previous cases and which is as bulky as mentioned above: the series of tubes 173 extends over almost the entire said surface S. All the tubes 173 are therefore hollow and extend along the aforementioned surface S; in this case over the entire length L of the remaining plates 170b, 170c between which a fluid F1 may be present, as before. Parallel or not to each other, all the tubes 173 of one (of each) series will form a structure extending parallel to the aforementioned common plane 171 of the remaining plates of the wall.
  • each tube 173 can be in fluid connection with the fittings 31 already presented, so that such a panel 11 can be connected to another adjacent identical panel 11.
  • the solution of figure 24 differs from that of figure 23 in that the three plates 170a, 170b, 170c of the first solution have been replaced by two adjacent series 1700a, 1700b, placed one against the other according to the plan 171.
  • the tubes 173 may be metallic, for example aluminum. But in fact that they are formed with plates, tubes or others, the hollow walls 1 1 will be of polymer material (plastic) or metal, or even composite, but a priori without MCP. As a polymeric material, interest has been shown in an elastomer. As composite, there may in particular be mentioned a composite with an organic matrix (CMO) or with a metal matrix (CMM).
  • CMO organic matrix
  • CCMM metal matrix
  • the walls 11 would be advantageously thermally conductive with then a conductivity l greater than 1 W / mk, and even preferably greater than 5, or even 10 W / mk, in fact greater than the conductivity l of MCP which can be used elsewhere in the housing 6.
  • a flat plate of the housing such as 170b or 170c in the solution of Figure 23
  • they can be attached to it, for example by gluing or welding.
  • the sets can also be secured together and to plate 29 in this case, to form a unitary set.
  • tubes 173 in a series are vertical, they could have a closed bottom end 173a and contain an F1 fluid which will vaporize when the time comes, if an adjacent cell overheats.
  • FIGS. 25 to 34 which, in pairs, schematize five possible situations, in conjunction with three different embodiments, shown each time in an assembled situation, and with the wall 11 concerned moved away from the cell (s) 7 concerned, or even exploded in FIGS. 26,28,30,32).
  • the cells 7 considered are prismatic.
  • At least one cell 7 in the example several cells aligned along a single line), said cell having several sides (such as 7a and 7e above), and
  • the wall 1 1 containing at least a first and a second space: - spaces 17-17a1, 17-17b1 in the example of the three-plate solution (figures 25-28; see also figure 4 for details),
  • the flows F1 and F2 circulate in parallel and in offset (planes P6, P7), as illustrated and as already explained.
  • the second case ( Figures 27,28) is identical to the first case, except that the set of parallel plates 170a, 170b, 170c are now arranged opposite and adjacent to the same long aligned sides 7th of the cells.
  • the flows F1 and F2 circulate in parallel and in offset (planes P6, P7), as illustrated and as already explained.
  • the third (figures 29,30) and fourth cases (figures 31, 32) are identical, except that the tubes 173 of one sheet 1700a and those of the other sheet 1700b are:
  • tubes 137 with an envelope or wall 65 and openings 161, but alternating in the same plane P8, along small sides of cells, but this could be facing at least one large side.

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Abstract

Ensemble comprenant un boîtier (6) présentant des parois (11) et contenant des groupes de cellules électriques (7). Chaque paroi renferme au moins un espace dans lequel, à un moment, peut être présent un flux de fluide thermique (F2). Ledit espace, et donc la paroi (11) correspondante, présente une entrée et une sortie de flux de fluide. De façon étanche au flux de fluide, l'entrée et la sortie de flux de fluide communiquent avec, respectivement, une alimentation (25a) en flux de fluide thermique et une évacuation (25b) dudit flux de fluide, de façon que le flux de fluide puisse circuler dans ledit espace. Par la paroi qui l'entoure et lesdites communications étanches, ledit espace est isolé physiquement des cellules, de sorte que le flux de fluide (F2) qui y est présent et l'espace intérieur (9) du boîtier ne communiquent pas. La paroi (11) s'étend parallèlement à l'une au moins des faces latérales d'au moins une dit cellule (7).

Description

DESCRIPTION
TITRE : ENSEMBLE A BOITIER THERMIQUEMENT CONTROLE, POUR CELLULES
ELECTRIQUES
Domaine technique de l’invention
Le domaine technique de l’invention est celui de la gestion thermique des cellules d’une batterie électrique prévue(s) pour délivrer de l’énergie électrique, particulièrement sur un véhicule en particulier hybride ou « tout électrique » dans lequel au moins un moteur électrique est présent, couplé donc ou non à au moins un moteur thermique.
Les grosses batteries électriques, par exemple sur des navires ou dans le domaine ferroviaire, nécessitant que l’on gère thermiquement leur fonctionnement sont aussi concernées.
Le termes « véhicule » est à comprendre au sens large.
Etat de la technique antérieure
Gérer thermiquement les cellules d’une batterie électrique est un problème.
Les cellules sont adaptées à fonctionner dans une gamme préférentielle de températures. Sinon, elles sont moins performantes : durée de vie réduite, performance électrique réduite.
Il a déjà été proposé de gérer leur température de fonctionnement.
Ainsi, a-t-il été proposé, par exemple à destination d’un véhicule automobile électrique ou hybride pourvu d’un moteur électrique raccordé à une batterie dont les cellules sont dressées verticalement parallèlement les unes aux autres, de faire circuler sous les cellules
- donc sur un unique côté, ou face, inférieur de ces cellules considérées toutes ensemble -- un flux de fluide, ce flux de fluide venant en échange thermique avec lesdites cellules, en fonctionnement.
On peut imaginer que cette manière de gérer thermiquement les cellules ait pu être dictée :
- par une difficulté à apprécier la question de cette gestion thermique indépendamment du reste du véhicule, et en particulier de son environnement immédiat ; il est a priori
actuellement considéré que la batterie et sa gestion thermique doivent s’adapter aux contraintes du véhicule (place disponible, orientation dans l’espace, raccordement à l’alimentation en dit flux de fluide à faire circuler sous les cellules), et pas l’inverse ;
- par un manque de considération fine de la question de ladite gestion thermique en elle- même : celle-ci est complexe ; de là la nécessité de chercher à ce que son environnement s’adapte à elle, et non excessivement l’inverse,
- par une approche industrielle jusqu’à présente insuffisante d’une solution qui puisse être réalisée en série, pour plusieurs types de batterie ou cellules, sans qu’il y ait d’emblée un ensemble véhicule/batterie/système de gestion thermique des cellules quasi indissociable. Bien que les véhicules roulants ne soient pas les seuls concernés par la problématique de l’invention, à titre d’exemple plus précis on peut citer une solution de gestion thermique de cellules d’une batterie électrique qui prévoit la présence d’une « plaque de refroidissement » sous la batterie dans laquelle circule un flux de fluide « thermique », en échange thermique avec les cellules de cette batterie.
Il est précisé :
- que cellule a ici pour sens cellule électrochimique et plus généralement cellule électrique (qui génère de l’électricité), et
- que « flux de fluide thermique » a ici pour sens un flux de fluide adapté :
-- à apporter des calories aux cellules, pour les chauffer si elles sont à une
température inférieure à une dite « première gamme de températures »
correspondant à l’état nominal (de fonctionnement) de ces cellules,
-- à évacuer des calories depuis les cellules, pour les refroidir si elles sont à une température supérieure à cette « première gamme de températures », et qu’elles sont alors dans un état de surchauffe ou « état anormal » (de fonctionnement)
consécutivement à un emballement thermique.
On pourrait qualifier le « flux de fluide thermique » de caloporteur en ce qu’il transporte (apporte aux cellules) ou évacue (des cellules) de la chaleur.
Plusieurs raisons peuvent avoir converger pour le positionnement précité sous les cellules : une sécurité en cas de fuite, l’encombrement et la maintenance.
Chaque solution implique une communication avec le BMS (Battery Management System) qui est le système électronique de commande placé à l’interface entre le superviseur véhicule (gestion de l’énergie, commande des actuateurs) et le pack batterie (qui contient l’ensemble des cellules).
Quoi qu’il en soit, des problèmes dans la gestion thermique des cellules demeurent, et parmi eux :
un rendement thermique insuffisant,
- de nouvelles exigences en termes d’encombrement, notamment en hauteur, dans un environnement exigu, et/ou en termes de protection mécanique des moyens de gestion thermique adjacents à la batterie électrique,
de coûts des solutions actuelles.
Ainsi, il est actuellement typiquement difficile de traiter les points chauds présents sur le haut des cellules du fait des bornes de connexions électriques.
Les surfaces d’échange cellules/ plaque de refroidissement demeurent relativement faibles. Or, notamment des situations à l’avenir de plus en plus fréquentes de recharge rapide (temps inférieur à 15 minutes), peuvent amener à devoir dissiper une puissance thermique par exemple 20 kW au niveau du compartiment batterie (2 kW en usage nominal). Cette chaleur augmentera la température de l’ensemble du pack batterie à un niveau supérieur (seuil par exemple à 35°C pour des cellules Li-lon) à la gamme nominale de températures (par exemple entre 20°C et moins de 35°C pour des cellules Li-lon) dans laquelle le fonctionnement du pack est souhaité. Des dispositifs tels que des éléments chargés de MCP (matériau à changement de phase) pourraient permettre d’amortir cette augmentation de température de 3 à 10°C. Néanmoins à la fin d’une recharge rapide, un système de refroidissement plus efficace des modules devient une nécessité.
Typiquement, une température plus basse pour le flux de fluide venant en échange thermique avec les cellules (appelé ici flux de fluide caloporteur ou flux de fluide thermique) impliquerait une modification des consignes de refroidissement, une perte d’efficacité sur le moyen producteur de froid et une augmentation du débit (nécessité alors probablement d’une pompe à débit variable, avec alors une consommation électrique plus forte) ou une augmentation de la surface d’échange au niveau de la gestion thermique des cellules.
Des problèmes d’homogénéité des températures au sein des cellules existent également. Présentation de l’invention
L’invention vise à améliorer la situation posée ci-avant en prenant en compte une partie au moins des problèmes mentionnés. C’est une amélioration de la gestion thermique de la ou des cellules électrique(s) qui est attendue. Est aussi visée une augmentation du rendement électrique de la ou des cellules et/ou une durée de vie accrue.
Résumé de l’invention
A cette fin, il est proposé notamment un ensemble comprenant :
- au moins une cellule d’une batterie électrique ou un module présentant plusieurs côtés et contenant un groupe de cellules, ladite au moins une cellule ou le module présentant plusieurs côtés, et
- au moins une paroi adaptée à être en échange thermique avec ladite au moins une cellule et disposée à cette fin en face d’elle, dans un plan parallèle à un des côtés de ladite au moins une cellule ou du module, ladite au moins une paroi renfermant au moins un espace où peut être présent au moins un flux de fluide (F1 ,F2 ci-après) adapté à être en échange thermique avec au moins une cellule ou avec le module, pour sa gestion thermique,
Cet ensemble étant caractérisé en ce que ledit au moins un espace comprend au moins un premier espace et au moins un deuxième espace :
- qui s’étendent dans deux plans parallèles l’un à l’autre et audit côté de ladite au moins une cellule ou du module face à laquelle(auquel) s’étend ladite paroi (comme commenté ci-après ces deux plans parallèles peuvent être des plans confondus),
- qui sont séparés par au moins une cloison, de façon à ne pas communiquer entre eux, et
- qui sont adaptés pour qu’y soient présents, en tant que dit au moins un flux de fluide et au même moment ou à des moments différents de fonctionnement de ladite au moins une cellule ou du module, respectivement un premier flux de fluide (F2) et un second flux (F1 ) de fluide ne se mélangeant pas. Disposée en face d’au moins une dite cellule ou du module, la paroi précitée et cette cellule (voire aussi les autres cellules qui seront alignées avec cette première cellule, dans le même plan) seront adjacentes, c’est-à-dire immédiatement proche l’une de l’autre.
Ainsi, on pourra disposer de deux flux de fluide(s), à utiliser aux moments opportuns et dans une géométrie optimisée.
Dans ce cadre, il est aussi proposé que ladite au moins une paroi soit dans un matériau tel qu’il ne contienne pas de MCP, dont on pourra réserver l’emploi ailleurs.
L’ensemble précité pourra même être tel que lesdits au moins un premier espace et au moins un deuxième espace, qui définissent des intérieurs creux respectifs dans ladite au moins une paroi, soient chacun si volumineux qu’ils occuperont l’essentiel au moins de l’intérieur de ladite au moins une paroi, pour en adapter la température.
Il sera alors permis que les flux de fluide(s) d’échanges thermiques ne soi(en)t pas limités à circuler dans de petits tubes passant juste sous les cellules, comme dans les « plaques de refroidissement » existantes.
Un autre point à considérer pourra être lié à l’ampleur des zones d’échanges thermiques entre flux de fluide(s) et cellule(s).
Aussi est-il aussi proposé :
- que ladite au moins une paroi présente un périmètre le long d’un bord mince allongé,
- que ladite au moins une paroi s’étende dans un plan perpendiculaire audit bord mince et suivant lequel la paroi présente une surface (S) délimitée par ledit périmètre,
- et que lesdits au moins un premier espace et au moins un deuxième espace occupent chacun plus de 50% de ladite surface (S).
On associera ainsi une fabrication possible en structures fines et en série avec des surfaces d’échanges particulièrement étendues.
En première possibilité de fabrication optimisée, il est proposé :
- que lesdits au moins un premier espace et au moins un deuxième espace puissent être définis respectivement entre une première plaque et une deuxième plaque et entre la deuxième plaque et une troisième plaque parallèles entre elles et réunies ensemble, voire
- que, pour définir lesdits premier et deuxième espaces, les première, deuxième et troisième plaques présentent des rebords périphériques disposés pour diriger lesdits flux.
En deuxième possibilité de fabrication optimisée, il est proposé que l’un au moins desdits premier et deuxième espaces soit défini par une série de tubes disposés dans le même plan ou dans des plans parallèles.
En troisième possibilité de fabrication optimisée, il est proposé que chacun desdits premier et deuxième espaces soit défini par des tubes disposés suivant au moins une première et une deuxième séries situées dans le même plan ou dans des plans parallèles distincts, la première série formant ledit au moins un premier espace et la deuxième série formant ledit au moins un deuxième espace.
En quatrième possibilité de fabrication optimisée, il est proposé que l’un au moins desdits premier et deuxième espaces soit défini entre une première plaque et une deuxième plaque parallèles entre elles et réunies ensemble, et que l’autre desdits premier et deuxième espaces soit défini par une série de tubes disposés dans le même plan ou dans des plans parallèles.
Ces solutions ont des intérêts divers suivant que l’on apprécie le mode de production (extrusion/moulage/emboutissage..), le matériau, la facilité à adapter la solution à la forme retenue, la conformation des chemins souhaités pour les flux, etc...
Sur ce dernier point, il est noté que dans lesdits premier et deuxième espaces pourront être définis des circulations tant parallèles que croisées, pour lesdits premier et second flux (F1/F2).
Des circulations croisées pourraient être optimums si les flux sont l’un liquide l’autre vaporisable en cas de surchauffe d’une cellule.
Le flux vaporisable sera a priori celui le plus éloigné de la cellule adjacente considérée, car c’est une surchauffe d’une cellule (qui pourra être par ailleurs gérée thermiquement par l’autre flux, pendant son état nominal de fonctionnement) qui pourra induire la vaporisation du flux vaporisable.
Un autre ensemble de gestion thermique d’une batterie, comprenant l’ensemble précédent, est aussi concerné par l’invention.
Dans cet ensemble de gestion thermique, il est proposé que soit compris :
- plusieurs dites cellules ou groupes de dites cellules, et
- un boîtier contenant toutes lesdites cellules, le boîtier comprenant périphériquement plusieurs côtés et une ou plusieurs dites parois par côté, le boîtier entourant sur plusieurs côtés :
- lesdites cellules considérées toutes ensemble, ou
- les groupes de cellules considérés tous ensemble.
Avec la solution de l’invention, il va être possible, pour obtenir des échanges thermiques optimisés:
- que les parois qui renferment lesdits (premier(s) et deuxième(s)) espaces présentent des bords minces périphériques qui s’étendent individuellement :
-- soit entre deux angles successifs du boîtier qui en limitent les côtés,
-- soit entre deux raccords par lesquels deux dites parois seraient assemblées,
- que les parois qui renferment lesdits espaces s’étendent chacune dans un plan perpendiculaire audit bord mince et suivant lequel la paroi présente une surface (S) délimitée, le long dudit bord mince : -- soit entre deux angles successifs du boîtier,
-- soit entre deux raccords, et
- que lesdits espaces des parois du boîtier occupent l’essentiel des surfaces (S) de ces parois.
Sur un autre aspect, l’invention concerne un véhicule comprenant un ensemble comme précité, avec toutes ou parties de ses caractéristiques, et en particulier possiblement un véhicule pouvant rouler:
- comprenant au moins un tel ensemble, avec plusieurs dites cellules raccordées avec un moteur électrique, et
- dans au moins une dite paroi qui s’étendra face à un dit côté d’au moins une dite cellule, lesdits au premier et deuxième espaces contiendront alors, en tant que dits premier flux et second flux, et ce au même moment ou à des moments différents de fonctionnement des cellules, respectivement un premier flux de fluide (F2), présent (dynamiquement, donc) pour circuler dans un état nominal de fonctionnement des cellules, et un second flux (F1 ) vaporisable, issu du même flux de fluide ou d’un flux de fluide différent et adapté à être vaporisé dans ledit deuxième espace, en cas de surchauffe d’au moins une dite cellule qui ne fonctionne alors plus de façon nominale.
Sur ce véhicule il va même être possible que, les cellules présentant l’état nominal suivant une première gamme de températures inférieure à un seuil de température à partir duquel elles surchauffent ou s’altèrent, ledit second flux (F1 ) de fluide qui est contenu dans le deuxième espace d’au moins une dite paroi disposée de façon adjacente à au moins une cellule qui surchauffe soit effectivement présent dans ce deuxième espace :
- soit tant dans l’état nominal des cellules que lors de la surchauffe ou de l’altération,
- soit uniquement lors de ladite surchauffe ou de l’altération.
Quel que soit le choix, il point à noter réside dans le fait:
- que ledit second flux (F1 ) de fluide contenu alors dans le(s) deuxième(s) espace(s) pourra intervenir préférentiellement en tant que flux fluide adapté à présenter une phase vapeur quand au moins une cellule adjacente surchauffe et le porte à sa température de
vaporisation ou d’ébullition,
- et que ledit premier flux (F2) de fluide contenu dans le(s) premier(s) espace(s) pourra intervenir préférentiellement en tant que flux fluide adapté à maintenir autant que possible la ou les cellules adjacentes dans leur état nominal de fonctionnent, sans surchauffer.
En liaison avec ledit second flux de fluide (F 1 ), il est donc en particulier possible qu’il s’agisse d’un flux de fluide apte, à pression ambiante, à changer de phase.
Dans le véhicule, on pourra alors en outre s’assurer :
- que ledit second flux de fluide (F1 ) soit présent dans le deuxième espace, dans l’état de surchauffe d’au moins une dite cellule avec laquelle il est en échange thermique, de façon qu’à un seuil de température de ladite au moins une cellule ledit second flux de fluide (F1 ) atteigne sa température de vaporisation, et
- que le ou les deuxièmes espaces soient ouverts, pour permettre une évacuation dudit second flux de fluide (F1 ) vaporisé, hors de la dite paroi, vers l’atmosphère extérieure.
L’atmosphère extérieure est celui de l’environnement extérieur qui entoure le véhicule, et donc ledit ensemble. L’atmosphère et l’environnement extérieur(e) sont donc à la pression ambiante (pression atmosphérique).
En liaison maintenant avec ledit premier flux de fluide (F2), et pour en assurer une présence dynamique, circulante dans le ou les premiers espaces, on pourra s’assurer qu’il
communique, dans la paroi qui le contient, avec une entrée et une sortie de flux, et que
- le véhicule comprend en outre un circuit de recyclage pour recycler ledit fluide de la sortie vers l’entrée et sur lequel sont disposés un moyen de circulation forcée du fluide et un échangeur pour un échange de chaleur entre le premier flux de fluide et un autre flux de fluide dont l’une sera alors raccordée à une pompe ou à un ventilateur, assurant ainsi une circulation forcée du premier flux, dans la paroi.
Un point crique pourra être la zone centrale du boîtier, car les cellules pourraient être moins faciles à gérer thermiquement.
Aussi est-il proposé:
- que les cellules étant réparties dans le boîtier en plusieurs groupes de cellules, l’une au moins desdites parois s’étend entre deux groupes de cellules, comme une cloison interne du boîtier, et
- que l’un au moins desdits (au moins un) premier et deuxième espaces de ladite cloison interne communique avec desdits espaces respectifs d’autres dites parois du boîtier, pour que l’un au moins desdits premier flux de fluide (F2) et second flux (F1 ) circule, à un moment, d’un espace à un autre espace d’une dite autre paroi.
Cette circulation favorisera l’efficacité des transferts thermiques.
D’autres caractéristiques peuvent encore être prévus, en liaison avec l’invention, et en particulier, que, les cellules présentant donc un état nominal suivant une première gamme de températures inférieure à un seuil de température à partir duquel elles surchauffent ou s’altèrent, le véhicule comprenne :
- un circuit d’alimentation et d’évacuation en flux de fluide (F2) de certains au moins desdits premiers espaces des parois du boîtier, et
- une unité de contrôle qui commandera alors l’alimentation en premier dit flux de fluide (F2) en entrée et/ou l’évacuation de ce flux en sortie, pour que ledit premier flux circule dans lesdits premiers espaces, alors que les cellules fonctionnent dans l’état nominal.
Est encore concerné par l’invention un procédé de gestion thermique d’au moins une cellule d’une batterie électrique par l’intermédiaire d’au moins une paroi adaptée à être en échange thermique avec ladite cellule, ladite paroi renfermant au moins un espace où peut être présent au moins un flux de fluide (F1 ,F2) adapté à être en échange thermique avec au moins une cellule, pour sa gestion thermique, ce procédé étant caractérisé en ce que ledit au moins un espace comprenant au moins un premier espace et au moins un deuxième espace disposés parallèlement l’un à l’autre :
- au moins pendant que ladite cellule fonctionne de façon nominale, on fait circuler dans ledit premier espace un premier flux de fluide (F2), et,
- au moins dans une situation de surchauffe de ladite cellule, qui ne fonctionne alors plus de façon nominale, on fait, par transfert thermique de la cellule vers ladite paroi, se vaporiser hors dudit deuxième espace un second flux (F1 ) vaporisable, issu du même flux de fluide ou d’un flux de fluide différent et alors contenu dans ledit deuxième espace.
Il est conseillé :
- que l’on fasse circuler dans ledit premier espace le premier flux de fluide (F2) plus près de ladite cellule que ne l’est le deuxième espace contenant le second flux (F1 ) vaporisable.
Ainsi, l’échange thermique avec la cellule sera optimisé pour le fonctionnement
nominal et/ou;
- que le second flux (F1 ) vaporisable ne soit présent dans le deuxième espace que dans la situation de surchauffe de ladite cellule, alors qu’elle ne fonctionne plus de façon nominale. Dans le premier cas, l’échange thermique avec la cellule sera optimisé pour le
fonctionnement nominal.
Dans le second cas, le second flux (F1 ) vaporisable sera maintenu en réserve, à
température optimale.
Brève description des figures
[Fig. 1] représente un véhicule; tel qu’une automobile, pourvue d’un boîtier conforme à l’invention ;
[Fig. 2] représente un exemple de boîtier pour cellules de batterie électrique, conformément à l’invention ;
[Fig. 3] représente une paroi (dite ci-après parfois première paroi ou deuxième paroi, telle que 1 1 -1 1 b1 ou 1 1 -1 1 b2) du boîtier ;
[Fig. 4] représente une vue éclatée qui permet de montrer comment peut être réalisée une paroi fonctionnalisée conformément à l’invention, telle que repérée 1 1 ou 1 1 -1 1 c ci-après ; différents arrachements détaillent des zones agrandies ;
[Fig. 5] représente un assemblage conforme à l’invention pour une gestion thermique de batterie électrique, l’assemblage comprenant au moins une première et une deuxième parois (dans l’exemple deux paires) réunies par un bloc de raccordement.
[Fig. 6] représente le boîtier de la [Fig. 2], trois arrachements A,B,C détaillent de possibles zones agrandies ; [Fig. 7] représente une paroi du boîtier (dite première paroi) et un bloc de raccordement (repéré 31 ) à engager l’un dans l’autre ;
[Fig. 8] représente une vue éclatée d’un exemple de boîtier conforme à l’invention, avec cellules et avec un squelette (59) d’assemblage ;
[Fig. 9] représente un état assemblé de la vue de la [Fig. 8], sans cellule et en perspective de dessus ;
[Fig. 10] représente un état assemblé de la vue de la [Fig. 8], sans cellule et en perspective de dessous ;
[Fig. 1 1 ] représente l’état assemblé de la vue de la [Fig. 9], avec cellules et des éléments complémentaires à placer par-dessus et par-dessous pour leur protection thermique et/ou mécanique,
[Fig. 12] représente, en relation avec la [Fig. 2], une partie du chemin de circulation du flux de fluide référencé F2, en cas de recyclage, avec des moyens associés qui peuvent être prévus, dans un exemple,
[Fig. 13] représente le boîtier et ses cellules électriques de la [Fig. 2], sans recyclage du flux de fluide F2, mais avec deux détails de parois, en arrachement, et
[Fig. 14] représente, avec davantage de détail que [Fig. 13], une zone d’angle de l’enceinte latérale de gestion thermique qui peut entourer le boîtier, et dans laquelle un flux de fluide F3 peut circuler, dans un exemple,
[Fig. 15] représente une alternative de réalisation des cellules, donc du boîtier de l’invention ; [Fig. 16] représente une autre alternative de réalisation des cellules, avec un boîtier conforme à l’invention qui peut être comme celui des [Fig. 1 ] à [Fig. 8] ;
[Fig. 17] représente encore une autre alternative de réalisation des cellules, avec une coupe suivant la ligne XVII-XVII de la [Fig. 16] et un boîtier conforme à l’invention qui peut aussi être comme celui des [Fig. 1] à [Fig. 8],
[Fig. 18] représente une alternative de circulation des flux F1 et F2, avec un basculement à 90° de la paroi double par rapport à la position de la figure 3,
[Fig. 19] représente un boîtier conforme à l’invention, avec des parois creuses comme sur la figure 4, assemblées, les flux de fluide F1 circulant « en parallèle » sont montrés, à certains endroits (pour ne pas surcharger la figure) ; et
[Fig. 20] représente le même boîtier que figure 19 ; les flux de fluide F1 (toujours croisés à 90° par rapport au flux F2) sont montrés, à certains endroits,
[Fig. 21] représente un boîtier conforme à l’invention, basculé à 90°par rapport à l’un quelconque des cas précédents, avec en outre des cellules toujours dressées,
[Fig. 22] présente la solution de la figure 22 avec un éclaté partiel à l’endroit d’une des parois creuses et de deux raccords qui la bordent de façon coplanaire, [Fig. 23] présente une solution alternative où une des doubles plaques de la solution de la figure 4 est remplacée par une série de tubes occupant quasiment la même surface majeure que dans le cas de la figure 4 ; et
[Fig. 24] présente une autre solution alternative où les deux groupes de trois plaques de la solution de la figure 4 sont chacun remplacée par une double série de tubes occupant chacun quasiment la même surface majeure que dans le cas de la figure 4,
[Fig. 25] est une alternative de réalisation et positionnement relatif entre des cellules et une paroi 11 ,
[Fig. 26] est un éclaté local de la figure 25,
[Fig. 27] est une autre alternative de réalisation et positionnement relatif entre des cellules et une paroi 11 ,
[Fig. 28] est un éclaté local de la figure 27,
[Fig. 29] est une autre alternative de réalisation et positionnement relatif entre des cellules et une paroi 11 ,
[Fig. 30] est un éclaté local de la figure 29,
[Fig. 31] est une autre alternative de réalisation et positionnement relatif entre des cellules et une paroi 11 ,
[Fig. 32] est un éclaté local de la figure 31
[Fig. 33] est une autre alternative de réalisation et positionnement relatif entre des cellules et une paroi 11 ,
[Fig. 34] montre, pour qu’on la voit mieux, la nappe de tubes décalée des cellules.
Description détaillée de l’invention
En liaison avec les figures mentionnées, ce qui suit se réfère à des exemples non limitatifs. Sur la figure 1 , est représenté un véhicule 1 ; une automobile dans l’exemple, qui comprend pour son déplacement (et donc pour rouler ici sur le sol 77, via les roues 4) au moins un moteur 3 électrique alimenté par une batterie 5 électrique avec laquelle le moteur 3 est donc connecté électriquement.
Le véhicule 1 peut ainsi être électrique ou hybride.
Sur la figure 2, dans le véhicule 1 , les cellules 7 (voir aussi figure 8) de la batterie 5 adaptées pour avoir une activité électrochimique sont contenues dans au moins un espace intérieur 9 délimité périphériquement par des parois (ou faces) 1 1 du boîtier 6.
Le boîtier 6 est disposé dans l’environnement extérieur 13 qui l’entoure, qui est aussi celui du véhicule 1.
Le boîtier 6 est polygonal. Chacun de ses côtés s’étend parallèlement à une face d’une cellule ou d’une série de cellules parallèles entre elles.
La batterie 5, et donc ses cellules 7, est posée sur le châssis ou plancher 75 du véhicule, supposé horizontal et qui peut comprendre la plaque (horizontale) de fond 35 citée ci-après. La batterie 5 et le boîtier 6 qui la contient et l’entoure sur plusieurs côtés pourrait aussi se trouver placer sur un véhicule, tel qu’un navire dont une batterie raccordée à un moteur serait à protéger.
Chaque cellule 7 présente :
- une face, ou côté, 7a de connexion où sont situés des bornes 15 de connexions électriques pour des échanges électriques,
- des faces latérales, ou côtés latéraux, 7b-7e qui forment un angle avec la face de connexion et lui sont adjacentes, et
- une face ou côté 7f opposée à la face 7a et peut être la face inférieure.
Sur certaines figures, INF et SUP indiquent ce qui est en partie, zone ou face inférieure, respectivement supérieure.
L’angle (figure 2) peut être un angle a droit : cas fréquent des cellules parallélépipédiques.
A priori, les faces 7a de connexion de toutes les cellules seront identiquement orientées dans l’espace intérieur 9.
Parmi les faces latérales, chaque cellule 7 présente au moins deux faces latérales opposées 7b, 7e qui définissent les surfaces les plus grandes de chaque cellule.
Les parois des cellules 7 sont donc, dans l’exemple retenu, des parallélépipèdes rectangles. Certaines au moins des parois 1 1 sont fonctionnalisées, comme déjà expliqué et comme encore détaillé ci-après.
A cet égard, l’une au moins de ces parois 11 fonctionnalisée :
- s’étend entre groupes de cellules, ou entre cellules, en formant alors au moins une cloison, telle que 1 1 -11 b ou 11 -11 c figure 2, qui compartimente l’espace intérieur 9 du boîtier, ou
- s’étend en périphérie des groupes de cellules, ou de l’ensemble des cellules, telle que les parois 1 1-1 1a ou 1 1 -1 1 d figure 2.
Fonctionnalisée, chacune de ces parois, comme par exemple la paroi 11-1 1c, figures 3-4 (on aura aussi bien pu la référencer 1 1-1 1a ou autre) :
- est en échange thermique avec certaines des cellules 7 et/ou avec l’environnement extérieur 13, et
- renferme au moins un espace 17 dans lequel, à un moment, peut être présent un flux de fluide (F1 ou F2, figure 3), en échange thermique avec certaines des cellules 7.
L’expression « à un moment » indique que le flux de fluide précité est présent dans l’espace 17 :
- dans l’état nominal des cellules (alors qu’elles génèrent une activité électrochimique ou une décharge électrique), suivant donc leur dite première gamme de températures inférieure au seuil de surchauffe, - et/ou dans un état anormal d’au moins une cellule avec laquelle le flux de fluide est en échange thermique, de façon adjacente, la température de cette cellule étant alors au-delà dudit seuil : elle surchauffe.
Fonctionnalisée conformément à l’invention, chaque dite paroi est en outre telle :
- que ledit au moins un espace 17, et donc la paroi correspondante (telle que donc 11-1 1 c), présente une entrée 23a et une sortie 23b de flux de fluide,
- que, de façon étanche au flux de fluide (via des joints si nécessaire), l’entrée 23a et la sortie 23b de flux de fluide communiquent avec, respectivement, une alimentation 25a de flux de fluide thermique et une évacuation 25b dudit flux de fluide, de façon que le flux de fluide puisse circuler dans ledit au moins un espace 17.
En outre :
- par la paroi qui l’entoure (le matériau structurel 1 10 de cette paroi 11 -11 c, dans l’exemple ; figure 3) et par lesdites communications étanches, l’espace considéré est isolé
physiquement des cellules 7, de sorte que le flux de fluide qui y est présent (flux de fluide F2 dans l’exemple de la figure 3) et l’espace intérieur 9 du boîtier ne communiquent pas, et
- cette même paroi s’étend latéralement, parallèlement à l’une au moins des faces latérales 7b-7e d’au moins une dit cellule 7.
Le flux F2 pourra en particulier être avantageusement un flux liquide, plus efficace thermiquement qu’un flux gaz, tel qu’un flux d’eau glycolée.
Le risque de fuite étant prévenu et des surfaces d’échange thermique agrandies étant disponibles, on va pouvoir prévoir que l’alimentation 25a en flux de fluide thermique soit une alimentation en liquide, de sorte que ce liquide F2 parvienne, via l’entrée 23a, audit au moins un espace 17, puis passe de paroi 1 1 en paroi 1 1 (dans les espaces 17 successifs).
La vue éclatée de la figure 4 permet de monter comment peut être réalisée une dite paroi fonctionnalisée conformément à l’invention, telle que donc1 1-11 c.
Chacune de ces parois peut ainsi comprendre au moins une plaque 170a présentant une première et une deuxième faces opposées 170aa, 170ab dont l’une au moins présente des rebords 27a1 ,27a2 et/ou, 27b1 ,27b2, et possiblement aussi des excroissances 26
définissant, respectivement entre lesdits rebords (27a1 ,27a2 ou 27b1 ,27b2) et possiblement entre les excroissances, ledit au moins un espace 17.
Chaque plaque 170a est globalement plane, et rectangulaire dans l’exemple.
Dans l’exemple, les excroissances 26 sont formées par des nervures ou ondulations rectilignes 26-26a parallèles entre elles (voir agrandissement local figure 4) qui s’étendent de biais. En alternative, sur la face concernée, les excroissances 26 pourraient être formées par un granulage ou des emboutis ponctuels 26-26b (voir autre agrandissement local figure 4). Dans chaque cas, les sommets des excroissances 26 sont appliquées les unes contre les autres, en appui d’une plaque à l’autre, et l’espace 17 est défini par les espaces entre les nervures rectilignes ou les emboutis respectifs des deux plaques, hors de leurs zones de croisement ou d’appui.
Deux plaques identiques, telles que 170a, 170b, l’une tournée par rapport à l’autre de 180° autour d’un axe horizontal médian X contenu dans le plan 171 de ces plaques, et donc de la paroi 1 1 (1 1 -1 1 c figures 3,4) concernée, appliquées l’une contre l’autre définiront entre elles un dit espace 17 (repéré 17-17a1 ou 17-17a2, figure 4). Ainsi disposées, ces deux plaques 170a, 170b sont telles que leurs rebords 27a1 ,27a2 respectifs, situés en bordures respectivement horizontale supérieure et horizontale inférieure, sont horizontaux (parallèles à l’axe X), se font face et sont en appui deux à deux (voir agrandissement en haut de la figure 4).
De la sorte, le flux de fluide concerné (F2 dans l’exemple ; mais ce pourrait être le flux F 1 , voir figures 18 et 20) va être canalisé horizontalement et pouvoir circuler dudit espace 17- 17a1 ou 17-17a2 (dit premier espace) d’une paroi au même espace de la paroi qui est adjacente à la précédente, suivant l’axe X.
Entre deux telles première et deuxième parois successives, telles que 1 1 -1 1 b1 , 1 1 -1 1 b2 ou 1 1 -1 1 c1 , 11 -11 c2 figure 5 ou 6, un bloc de raccordement 31 (appelé aussi raccord) creux renfermant au moins un espace 310 communiquant avec les espaces précités de ces parois (telles que 1 1 -1 1 c ou 1 1 -1 1 a), respectives, permettra au flux de fluide F2 de circuler latéralement, de façon horizontale, dans l’espace intérieur 9 ou en périphérie du boîtier, successivement de parois 1 1 en parois 1 1 , comme illustré par les flèches F2 figure 6 (où la circulation fléchée n’est toutefois qu’un exemple).
En arrachements figure 6, on a agrandi deux zones différentes
- dans la première zone entourée de pointillés et correspondant à l’agrandissement A, on détaille une paroi 1 1 intermédiaire au cœur du boîtier 6 ; Puisqu’elle est située entre deux (groupes de) cellules 7, la paroi présente (de préférence), intérieurement, les deux espaces 17-17a1 et 17-17a2 (pour la circulation du flux de fluide F2), et, de préférence, les deux autres espaces de sécurité, avec les ouvertures 33 (par où peut s’échapper le flux de fluide fusible F1 ), et
- dans la deuxième zone entourée de pointillés et correspondant à l’agrandissement B, on détaille une autre paroi 1 1 , cette fois-ci périphérique du boîtier 6 ; Puisqu’elle est située autour des (groupes de) cellules 7, la paroi présente, intérieurement, un espace 17-17a1 (pour la circulation du flux de fluide concerné) et une ouverture 33 (par où peut s’échapper l’autre flux de fluide F1 ou F2, suivant que l’on se trouve dans le cas de la figure 3 ou de la figure 18) ; solution B figure 6 à titre d’exemple.
A noter que la solution B pourrait aussi être prévue, en solution dégradée, dans les parois intermédiaires au cœur du boîtier 6, entre deux groupes de cellules, à la place de la solution A. A noter aussi figure 6 que les flèches (en gras épais) de circulation du flux de fluide (F2 dans l'exemple) ne sont donc qu’à titre d’exemple non limitatif. D’autres cheminements, de parois 11 en parois 11 , sont possibles ; voir figures 19-20.
Le(s) espace(s) 310 de circulation intérieur dans les blocs de raccordement 31 pourront être différents de celui de la figure 6, suivant l’endroit où est placé le bloc de raccordement et le nombre de espaces des parois successives 1 1 à faire communiquer deux à deux.
Ainsi, on pourra avoir des espaces 310 alignés (cas où n’y aurait par exemple à faire communiquer que les parois 11-11 b1 , 1 1-11 b2 figure 5), en T (bloc 31 -31 a figure 6), en L (bloc 31 -31 b), en X (bloc 31 -31 c ; voir figure 7), notamment.
Pour associer aussi modularité, compacité et distribution flux de fluide dans le boîtier 6, il est aussi proposé que le (chaque) bloc de raccordement 31 présente au moins deux
embouchures, telles que 31 1 a, 31 1 b figure 7 :
- sur lesquelles débouchent le premier ou le deuxième côté latéral ouvert 1 10a1 , 1 10a2 desdites première et deuxième parois, respectivement, et
- communiquant chacune avec ledit au moins un espace 310 du bloc de raccordement, pour une entrée ou une sortie dudit au moins un flux de fluide thermique, tel F2.
Pour une communication étanche évitant que du flux de fluide (en particulier F2) parvienne dans l’espace interne 9 du boîtier, une(chaque) paroi 1 1 et un(chaque) bloc de raccordement 31 pourront être mis en contact bout à bout (voir paroi figure 3) ou engagés l’un dans l’autre, deux à deux (voir figure 7), et par exemple soudés ensemble, assurant ainsi une liaison mécanique étanche (voir repères 51 a, 51 b figures 5,7).
Comme déjà mentionné, un autre espace (dit « deuxième espace ») de gestion thermique (repéré 17-17b1 ou 17-17b2, figure 4), avec un flux de fluide F1 présent dedans au moins en situation anormale de surchauffe d’au moins une des cellules 7, peut donc être prévu dans chaque paroi 11.
A cette fin :
- au dos de la plaque 170b (face 170ba figure 4), outre les possibles excroissances 26, s’étendent deux rebords 27b1 ,27b2, le long des bordures verticales de la plaque,
- et une troisième plaque 170c (figure 4) est prévue, identique à la plaque 170b, mais tournée l’une par à elle de 180° autour dudit axe horizontal médian X contenu dans le plan 171 de ces plaques, et donc de la paroi 1 1 (1 1-1 1c figure 4) concernée.
Ainsi disposées, ces deux plaques 170b, 170c sont telles que leurs rebords latéraux
27b1 ,27b2 respectifs, situés en bordures respectivement verticale gauche et verticale droite, de part et d’autre des excroissances 26, sont verticaux (perpendiculaires à l’axe X), se font face et sont en appui deux à deux (voir agrandissement à droite de la figure 4).
De la sorte, le flux de fluide F1 va être canalisé verticalement et pouvoir s’échapper par l’ouverture (la fente) 33 en partie horizontale supérieure de l’espace concerné, tel que celui 17-17b1 figure 4 ; voir aussi figure 3. En partie horizontale inférieure du même espace 17, une même ouverture (ou fente) 33 pourra exister. Ainsi, on pourra alimenter intérieurement, en flux de fluide fusible F1 et le moment venu, le(chaque) espace concerné d’une ou plusieurs parois 1 1 , à partir d’une source 71 ; voir figure 6. Des joints pourront être placés là, pour l’étanchéité du flux de fluide, si nécessaire.
Au moins dans le deuxième espace précité (17-17b1 et/ou 17-17b2 figure 4), et pour une présence dynamique via la source 71 , l’entrée ou la sortie de ce deuxième espace sera raccordé à une pompe ou un ventilateur (73 ; figure 6), assurant une alimentation forcée en flux de fluide F1 à l’entrée.
Au moins un ventilateur ou au moins une pompe 53,43 assurera la même chose pour le flux de fluide F2 (voir ci-après). Et même chose pour qu’un flux de fluide F3, s’il existe : voir ci- après et alimentation 79 en flux de fluide F3 reliée aux entrées 322 dans une(des) paroi(s)
37 (espaces respectifs 17-17c), via une pompe ou un ventilateur (repère 81 figure 13). Des sorties 323 permettent au flux de fluide F3 de sortir de la(des) paroi(s) 37, donc des espaces respectifs 17-17c, après y avoir circulé.
Des joints pourront être placés à l’entrée du boîtier et/ou à la sortie, pour l’étanchéité du flux de fluide F3, si nécessaire.
Par des canaux (non représentés) ouverts dans au moins une plaque de fond 35 (voir figure 3) s’étendant sous les tranches des parois 1 1 (mais aussi de préférence sous tout le fond du boîtier 6 et sous les cellules 7), du flux de fluide F1 pourrait par ailleurs circuler entre le (deuxième) espace 17-17b1 et/ou 17-17 b2 d’une paroi et le même (deuxième) espace de la paroi qui est adjacente à la précédente, de sorte à créer alors une situation de vases communiquant, permettant d’équilibrer les niveaux dans les espaces, en particulier si le flux de fluide F1 est un liquide (ou présente au moins une phase liquide dans l’état nominal des cellules).
Le flux de fluide F1 sera un fluide vaporisable, tel que de l’eau (glycolée ou non).
Pour optimiser le compromis sécurité/gestion thermique, ce flux de fluide F1 sera ainsi utilement adapté à changer de phase, à température et pression ambiantes (20°C ; pression atmosphérique).
Sur la figure 4, la paroi 1 1 -1 1 c est formée d’une paire de double-espace, respectivement 17- 17a1 , 17-17b1 et 17-17a2,17-17b2, ces deux double-espaces étant séparés par une plaque d’isolant thermique 29 intermédiaire.
En effet, la paroi 1 1 -1 1 c, comme celle 1 1 -1 1 b, est l’une de celles qui s’étend entre deux cellules 7, donc en partie intérieure du boîtier, dans l’espace 9 que ces parois
compartimentent.
En croix, un tel compartimentage accroît encore davantage la résistance mécanique du boîtier 6 et la gestion thermique des cellules. De part et d’autre de la plaque d’isolant thermique 29, chaque espace 17 (17-17a1 ou 17- 17b1 par exemple) est en échange thermique avec au moins la cellule 7 qui lui est adjacente.
Ainsi, la plaque 170a (sa face extérieure 170aa) se dresse contre l’une de ces cellules. Si un film d’air 30 existe entre elles, notamment du fait des excroissances 26, aucun flux de fluide circule là.
La plaque d’isolant thermique 29 fait écran, de sorte à éviter qu’une surchauffe d’une cellule 7 se diffuse à une autre. La paire de double espace précitée agit de part et d’autre.
En périphérie extérieure du boîtier 6, on pourra par contre se satisfaire d’une paroi (telle que 1 1-11 a, 11-11 d) simple (une série de telles parois successives), avec ou sans plaque d’isolant thermique 29 à sa(leur) propre périphérie extérieure.
Ainsi, avec, pour chaque paroi 11 fonctionnalisée, un premier et un deuxième espaces (17- 17a1 et 17-17a2 ou 17-17b1 et 17-17b2), voire une paire de tels premier et deuxième espaces (comme illustré figure 3), on disposera de premier et deuxième espaces :
- qui ne communiqueront pas entre eux,
- qui seront adaptés pour qu’y soit présents, au même moment ou à des moments différents, respectivement ledit au moins un flux de fluide thermique (tel F2) et un autre flux de fluide (tel F1 ), le premier flux de fluide étant présent dynamiquement, l’autre flux de fluide pouvant l’être de façon statique ou dynamique : Sans ouverture 33 dans le fond de la paroi, dans ledit deuxième espace 17-17b1 , ou 17-17b1 et 17-17 b2 , le flux de fluide F1 sera présent statiquement, sinon il le sera dynamiquement, car en circulation (le vase communiquant impliquant une circulation).
Avec la présence statique ou dynamique de tels flux de fluides F1 et/ou F2 en faces latérales du boîtier (donc, dans les exemples jusqu’à la figure 20, ni en face supérieure, ni sur la face où sont les bornes 15, ni en face inférieure, où on va trouver la plaque de fond 35), le boîtier 6 comprendra de toutes façons plusieurs dites parois fonctionalisées 11 présentant chacune ledit au moins un espace 17 se dressant autour des cellules 7, ou groupes de cellules, pour définir une partie au moins du boîtier 6, lequel entourera entièrement les cellules (disposées avec leurs bornes 7 en face horizontale supérieure ou inférieure), ou groupes de telles cellules, sur plusieurs côtés adjacents du boîtier.
Plus précisément, il est prévu que ces parois 11 fonctionnalisées définissent un contour extérieur fermé (ou périmètre) C1 du boîtier, en s’étendant autour des cellules 7,
considérées toutes ensemble (comme figure 13), ou autour des groupes de cellules considérés tous ensemble (comme figure 2).
Il est aussi possible, pour améliorer encore le contrôle et la sécurité thermique que les parois 1 1 fonctionnalisées s’étendent entre deux groupes de (plusieurs) cellules, pour cloisonner le boîtier 6, comme illustré figure 2 (voir par exemple paroi 1 1-1 1c1 et 11-1 1 c2 figure 6). Si l’on revient sur la situation en périphérie extérieure du boîtier 6, on pourra y prévoir une circulation complémentaire d’un autre flux de fluide, F3 (voir figures 13,14), prévu a priori pour recharger du MCP, en périphérie extérieure du boîtier (voir plus loin).
Ce qui suit en liaison avec le flux de fluide F3 est indépendant de la description qui précède en lien avec les figures. Le flux de fluide F3 sera a priori différent des flux de fluide(s) F1 et/ou F2. Le flux de fluide F3 pourra être gazeux, tel que de l’air, qui pourra être ventilé, donc sous pression.
Ainsi, quelle que soit la manière de réaliser lesdits parois fonctionnalisées 11 et leurs espaces internes 17, il pourra être utile (toujours en termes de gestion thermique des cellules) qu’au moins une couche ou une plaque d’isolant thermique 39 (qui pourra être un PIV, panneau isolant sous vide) puisse être interposée (dressée verticalement en face latérale du boîtier) entre la paroi 37 contenant le troisième espace 17-17c et une paroi mécaniquement protectrice extérieure 40 qui lui sera adjacente ; voir figures 13,14.
Au moins une autre couche ou une plaque de matériau à changement de phase (MCP)
41 a, 41 b pourra même être encore interposée (dressée verticalement en face latérale du boîtier) entre l’isolant thermique 39 et la paroi 37 contenant le troisième espace 17-17c.
Une ou deux couches ou plaques de MCP 41a et 41 b contenant des MCPs différents en termes de températures de changements de phase pourront permettre de faire face à des températures d’environnement extérieur 13 pouvant être très froides à un moment et très chaudes à un autre moment.
La(chaque) paroi 37 pourra comprendre deux plaques 37a, 37b (figure 14) traversées (dans l’exemple horizontalement) le long des parois 11 du boîtier qui lui sont parallèles, par des canaux formant ledit troisième espace 17-17c ; voir figures 13,14.
Le matériau des plaques 37a, 37b contient du MCP dans une matrice rigide structurante. Ce sera de préférence du MCP (matériau à changement de phase) dans une matrice polymère. Le flux de fluide F3 circulant dans les canaux permettra en particulier de régénérer le MCP le moment venu.
Ainsi, on disposera d’un corps composite autoportant quelle que soit la phase du MCP (solide ou liquide notamment). Les canaux, tubes ou goulottes du passage périphérique du flux de fluide F3 pourront être intégrés ou rapportés (tubes ou goulottes) dans la paroi 37. Avec une telle association entre du MCP, le flux de fluide F3 en circulation et un isolant thermique autour, on pourra créer un barrière thermique dynamique performante.
Entre deux parois 37 adjacentes, consécutives le long du chemin de circulation du flux de fluide F3 le long des parois 1 1 du boîtier 6, parallèlement au chemin de circulation du flux de fluide F2, s’il existe, sera interposé un bloc de raccordement 32 complémentaire qui pourra être fonctionnellement identique au bloc de raccordement 31. Ainsi, chaque bloc de raccordement 32 complémentaire comprend un espace intérieur 320, et au moins deux embouchures (en fonction de la forme en I, en X, en L comme figure 14, en T...) telles que 321 a, 321 b figure 14 :
- sur lesquelles débouchent latéralement lesdits troisième espace 17-17c des parois 37, et
- communiquant chacune avec l’espace intérieur 320, pour une entrée ou une sortie du flux de fluide thermique F3, et donc pour sa circulation latérale autour du boîtier 6, le long des parois 1 1 et des blocs 31.
Pour une communication étanche évitant que du flux de fluide (ici F3) parvienne dans l’espace interne 9 du boîtier, une(chaque) paroi 37 et un(chaque) bloc de raccordement 32 complémentaire pourront être engagés l’un dans l’autre, deux à deux (voir figure 14), de façon serrée, assurant ainsi une liaison mécanique étanche (voir repères 330a, 330b figure 14).
Ainsi, on aura compris qu’en périphérie extérieure du boîtier 6, au moins sur le contour C1 précité, ou sur ce contour C1 et entre deux groupes de cellules 7 (en tant que cloison intermédiaire comme précité), on pourra donc trouver :
- soit les deux flux de fluides F1 , F2, avec donc des parois latérales (telles que 1 1 -1 1 a, 1 1 -
1 1 d) chacune simples (à deux espaces latéraux parallèles adjacents, tels que 17-17a2 et 17- 17b2),
- soit les trois flux de fluides F1 , F2, F3, avec donc des parois chacune dressées
latéralement, à trois espaces latéraux adjacents, tels que 17-17a2, 17-17 b2 et 17-17c, comme illustré figure 13.
Dans chaque cas, tous les espaces où les flux de fluides (respectivement donc F1 , F2, F3 ou F1 , F2) sont parallèles entre eux et adjacents (donc présents sur une même face du boîtier) pourront être intégrés dans une même dite paroi fonctionnalisée.
A noter également que, où que ce soit, quand le flux de fluide F1 est couplé avec le flux de fluide F2, l’espace (17-17b1 ou 17-17b2) du flux de fluide F1 sera disposé latéralement, de façon adjacente à l’espace du flux de fluide F2, mais à l’extérieur de celui-ci. Ainsi, on trouvera :
- une cellule 7, puis,
- le (dit premier) espace (17-17a1 ou 17-17a2) du flux de fluide F2, puis
- le (dit deuxième) espace (17-17b1 ou 17-17b2) du flux de fluide F1.
Encore plus à l’écart de ladite cellule, on pourrait trouver soit un isolant 29, soit l’espace 17- 17c du troisième flux de fluide F3.
De la sorte, si (au moins) une cellule électrique, telle que 7-7a figure 4, adjacente à une paroi « fonctionnalisée », telle que 1 1 -1 1 a, génère une activité électrochimique:
- elle va naturellement chauffer dans ce qu’on a dénommé son état nominal, suivant une première gamme de températures (par exemple entre 20 et 35°C pour des cellules Li-ion) inférieure à un seuil, par exemple 35°C dans le cas ci-dessus,
- mais elle risque à un moment d’atteindre un état anormal, en surchauffant au-delà dudit seuil ou en s’altérant.
Idem pour la cellule 7-7b adjacente au espace 17-17a2 située à l’opposé de cette paroi 11- 1 1c qui est donc dans l’exemple une cloison de séparation entre deux groupes de cellules 7. Au moins quand cet état anormal est atteint, et de préférence dès l’état nominal, du flux de fluide F1 sera présent dans lesdits deuxièmes espaces (17-17b1 ; 17-17b2).
Par ailleurs, de préférence pendant cet état nominal, la température de ces cellules telles 7- 7a 7-7b va pouvoir être gérée thermiquement par échange thermique entre elles et du flux de fluide F2 circulant dans le (dit premier) espace (17-17a1 ou 17-17a2) le plus proche de la cellule concernée.
Si elle est prévue, la couche isolante 29 fera écran thermique entre les deux groupes de cellules auxquels appartiennent respectivement les cellules 7-7a et 7-7b.
L’échange thermique entre le flux de fluide F2 et la cellule la plus proche va permettre de limiter le risque de surchauffe, d’autant plus avec un flux de fluide liquide et que l’on est en face latérale des cellules (7b-7e), sur donc les plus grandes surfaces d’échanges.
S’il y a malgré tout surchauffe, la chaleur de la cellule va échauffer le flux de fluide F1 présent dans ledit deuxième espace le plus proche (17-17b1 ou 17-17b2).
Ceci peut conduire à un changement de phase de ce flux de fluide qui, s’il atteint sa température de vaporisation et donc se vaporise (à pression ambiante), pourra alors s’évacuer en phase gazeuse par l’ouverture 33 de l’espace concerné (flèches F1 figure 3 ou 18).
On notera encore qu’à la différence de la périphérie du boîtier 6 qui est à l’interface entre l’environnement extérieur 13 et les cellules 7, toute la partie de l’espace intérieur 9 du boîtier qui peut s’étendre entre deux groupes de cellules 7 sera par ailleurs favorablement exclusivement réservée à l’échange thermique entre :
- la(chaque) paroi précitée fonctionnalisée (telle que les parois 11-1 1 b, 1 1-1 1c) formant au moins une dite cloison, et
- au moins les cellules 7 qui lui(leur) sont adjacentes, de sorte qu’aucun matériau à changement de phase ne sera alors disposé, ni dans ces parois (voir figure 4 où aucun MCP n’est prévu) ni entre elles et la cellule 7 adjacente considérée.
Ainsi on optimisera le compromis entre résistance mécanique/encombrement/poids/gestion thermique.
Par contre, on pourra dans le même but et au sein d’un même groupe de cellules 7, disposer entre deux cellules 7 successives (adjacentes) une couche ou plaque de MCP 41 c, comme illustré figure 2. Chaque MCP 41c lissera les à-coups thermique des cellules qui lui sont adjacentes. Comme pour le fluide F3, ce qui suit en liaison avec la circulation du flux de fluide F2 est indépendant de la description qui précède en lien avec les figures.
Comme déjà noté, le flux de fluide thermique F2 est dynamique. On pourra ainsi profiter qu’il sorte des parois 1 1 , et donc (de l’espace intérieur 9) du boîtier 6, via les sorties 23b, pour que son évacuation 25b communique par l’intermédiaire d’un circuit de recyclage 39 qui permet de recycler vers l’alimentation 25a une partie au moins du flux de fluide thermique ; voir figure 2.
Au moins une vanne 41 trois voies à débit variable pourra permettre de recycler tout ou partie du flux de fluide F2 sorti du boîtier 6, y compris dans la solution des figures 18-19 dans laquelle un couvercle de collecte (non représenté) pourra venir coiffer la face ouverte du boîtier sur laquelle sortent les ouvertures 23b.
Pour favoriser la performance énergétique, on trouvera utilement sur le circuit de recyclage 39 un moyen 43 de circulation forcée (pompe si le flux de fluide F2 est un liquide, ventilateur, s’il s’agit d’un gaz) et un échangeur 45 (entre le flux de fluide F2 et un autre flux de fluide F4), pour a priori refroidir le flux de fluide F2 et le recycler en 25a plus froid qu’il n’est sorti du boîtier ; voir figure 12 où, comme figure 2, le chemin de circulation du flux de fluide F2 n’est fourni qu’à titre d’exemple non limitatif.
Concernant encore ce flux de fluide F2, on pourra avoir intérêt à ce qu’une unité de contrôle 49 (figure 12) commande l’apport de ce flux de fluide thermique à l’entrée et/ou l’évacuation dudit flux de fluide à la sortie, pour que le flux de fluide F2 circule ainsi dans ledit au moins un espace 17 ; 17-17a1 ,17-17a2 alors que les cellules 7 sont dans l’état nominal.
A priori, on devrait aussi avoir intérêt à ce que ce flux de fluide F2 circule également dans ledit au moins un espace 17 ; 17-17a1 ,17-17a2 alors que les cellules 7 sont dans un état anormal : en-deçà ou au-delà des seuils de température mini et maxi de fonctionnement nominal des cellules, soit :
- sous 10°C en seuil de température mini, et
- au-delà de 35°C en seuil de température maxi .
Qu’il y ait ou non recyclage du flux de fluide F2, une unité de contrôle 49 pourra être connectée avec au moins un capteur de température 51 captant la température des (d’au moins une) cellule(s) 7; figure 2.
L’unité de contrôle 49 pourra être connecté avec au moins un capteur de température 51 captant la température des (d’au moins une) cellule(s) ; figure 2.
Pour une alimentation forcée en flux de fluide F2 en l’absence de recyclage (ou en substitution du moyen 43), un moyen de circulation 53, connecté avec l’unité de contrôle 49, assurera la circulation forcée dudit flux de fluide, dans le boîtier 6 (ses parois 1 1 ).
L’unité de contrôle 49 pourra également être connectée avec la(les) vanne(s) trois voies 41 pour la commande ; figure 12. Comme pour le fluide F3 et la circulation du flux de fluide F2, ce qui suit en liaison avec la circulation des flux de fluide(s) F1 et/ou F2 et/ou F3 dans le boîtier 6 est indépendant de la description qui précède en lien avec les figures.
Ainsi, concernant cette circulation des flux de fluide(s) F1 et/ou F2 et/ou F3, et qu’il y ait un tel flux (F1 ou F2), deux (F1 et F2) ou trois (F1 ,F2 et F3), on notera encore ce qui suit :
- en relation avec le flux de fluide F1 ; il s’agit donc d’un flux de fluide fusible dont la circulation est chargée, par ébullition ou vaporisation du flux de fluide F1 dans l’espace correspondant de la paroi 11 considérée, d’assurer l’évacuation de chaleur lors d’un emballement thermique d’une cellule et/ou d’un groupe de cellules,
- en relation avec le flux de fluide F2 ; il s’agit donc d’un flux de fluide dont la circulation est chargée d’assurer le maintien en état nominal des cellules 7 pendant leur fonctionnement (production électrique) :
-- refroidissement si elles chauffent,
-- chauffage si elles sont encore froides, car si une cellule doit fonctionner à trop basse température (pour une cellule Li-lon, une température en fonctionnement comprise entre +10°C et +35°C est idéale ; en nominal, la plage de température autorisée en charge peut être considérée comme comprise entre 0 à +45°C, et -20°C à +60°C en décharge). Ainsi, on pourra avoir intérêt à chauffer les cellules pour favoriser leur charge, si la température extérieure est de moins de 10°C, par exemple suite à un stationnement en période froide l’hiver.
Par abus de langage on se réfère toutefois et de façon générale, dans le présent texte, à un « circuit de refroidissement », car il est probable qu’un refroidissement soit plus fréquent qu’un chauffage.
Prévoir une circulation de flux de fluide thermique uniquement sous les cellules 7 comme déjà proposé sur certains véhicules est pourtant inapproprié (accessibilité, efficacité, maintenance insuffisantes...).
Le positionnement (comme dans l’invention) sur plusieurs côtés du boîtier, et donc des cellules, et qui peut en particulier être périmétrique (sur tout le contour fermé C1 figure 2 ou 21 ), de ce circuit de refroidissement, avec des parois 11 s’étendant typiquement, en périphérie extérieure du boîtier 6, doit permettre d’évacuer très efficacement la chaleur produite par les cellules. Il doit permettre notamment de traiter les points chauds présents près des connections 15.
Si ce positionnement périphérique, sur plusieurs côtés, est présent :
- sur (au moins) les deux faces latérales opposées de plus grandes longueurs des cellules, comme figure 2,
- ou dans un plan P2 perpendiculaire à un axe B1 , ou à plusieurs axes B1 parallèles entre eux (comme figure 21 ) d’alignement des cellules 7 par leurs plus grandes faces 7b, 7e, il permet d’augmenter notablement la surface d’échange par rapport à une surface d’échange sous les cellules, et ce sans risque notable de flux de fluide compte tenu de la conception proposée.
Lors d’une recharge rapide (temps inférieur à 5 minutes par exemple), une puissance thermique par exemple de 20 kW devrait pouvoir être ainsi dissipée au niveau d’un groupe de cellules (un compartiment figure 2 ou 8), au lieu par exemple de 2 kW en usage nominal. Cette chaleur devrait pouvoir faire augmenter la température de l’ensemble du pack batterie 5, à un niveau de température supérieure à la température admissible pour un
fonctionnement normal du pack. Des dispositifs tels que des éléments(ou plaques) chargés de MCP pourront(pourraient) permettre d’amortir cette augmentation de température par exemple de 3 à 10°C. Néanmoins en fin de recharge rapide, un système de refroidissement plus efficace des modules devient une nécessité :
-- via une température plus faible pour le flux de fluide de refroidissement F2 (ce qui implique modification des consignes de refroidissement et une perte d’efficacité du producteur de froid), et/ou
-- via une augmentation du débit (ce qui nécessite une pompe à débit variable et une consommation plus forte) et/ou
-- via une augmentation des surfaces d’échange.
Parmi les intérêts thermiques de la solution périphérique, sur plusieurs côtés, et en particulier périmétrique, proposée par l’invention, on peut noter :
- une meilleure homogénéisation des températures au sein de la cellule 7 lorsqu’il y a un tel refroidissement,
- une disponibilité de surface d’échange thermique importante : il peut être envisagé des plaques d’échange avec une conductivité thermique (l )moins importante que celle de l’aluminium ou inox : composite, plastique, verre, avec certes une résistance thermique plus élevée ; mais ceci peut être compensé par une surface d’échange plus importante et un coefficient d’échange convectif plus important au sein du chemin de refroidissement, y compris notamment si des excroissances 26 sont présentes.
En relation avec le flux de fluide F3, il s’agit donc d’un flux de fluide dont la circulation peut être chargée d’assurer le maintien en température du compartiment 9/des cellules 7 pendant que les cellules ne fonctionnent pas (pas de production électrique). La circulation du flux de fluide F3 peut permettre de recharger thermiquement les plaques latérales de PCM 41 a, 41 b, si elles existent.
Dans la solution de la figure 15, les cellules 7 prismatiques de la batterie 5 sont à bornes de connexion 15 latérales, ici repérées 15a (anode) et 15b (cathode).
Ces bornes de connexion 15 ne sont ni en face supérieure 7a, ni en face inférieure opposée, mais ici sur deux faces latérales opposées 7c, 7d. Ceci impose que les parois 11 fonctionnalisées du boîtier 6 de l’invention soient moins hautes (en l’espèce verticalement donc) que les cellules 7 : H3<H4 figure 15.
En ne s’étendant pas jusqu’au niveau de ces bornes de connexion 15 latérales, les parois 1 1 et les blocs de raccordement 31 ne vont pas interférer avec les bornes de connexion 15 qui les surplomberont donc, sur les deux côtés opposés les plus longs du boîtier 6 dans l’exemple illustré. Ceci permet de ne pas faire interférer les connexions électriques et la circulation du/des flux de fluide F 1 , F2 et/ou F3.
Figure 16, on a illustré un exemple où les cellules 7 de la batterie 5 sont cylindriques et à bornes de connexion 15 supérieures : Les deux bornes, ici repérées 15a (anode) et 15b (cathode), sont en face supérieure 7a de chaque cellule.
Figure 17, on a illustré un exemple où les cellules 7 de la batterie 5 sont encore
cylindriques ; mais à bornes de connexion 15a et 15b l’une en face supérieure 7a, l’autre en face inférieure 7f :
Bien que les connexions électriques entre les cellules et avec le moteur 3 ne soient pas illustrées, on comprend que la batterie 5 est toujours, notamment dans les deux exemples des figures 16-17, dans son boîtier 6 fonctionnalisé.
Les parois 1 1 et les blocs de raccordement 31 sont situés latéralement par rapport aux faces opposées 7a, 7f des cellules, pour là encore ne pas interférer avec les bornes de connexion 15.
Sur les figures 16-17, ledit autre flux de fluide F1 a été supposé présent en statique dans les parois 1 1. Les entrées et sorties du flux de fluide F2 dans et hors du boîtier 6 n’ont pas été illustrées.
Par contre, sur la figure 16, une entrée 23a et une sortie 23b du flux de fluide F2 en circulation dans une des parois 1 1 a été illustrée. Intérieurement, dans chaque paroi 11 , la réalisation peut être comme illustré figure 17, c’est-à-dire comme figure 3 ou 7.
Une solution basculée de 90° autour d’un axe central A perpendiculaire au plan P (figure 18) du ou des panneaux 1 1 qui peuvent se succéder de façon coplanaire, comme schématisé figure 5 ou 6, est toutefois possible.
Dans ce cas, comme illustré figures 18, 19 et 20 :
- le flux de fluide F1 circulera « en série » et s’évacuera de panneau 1 1 en panneau 11 adjacent (flèches F1 figure 20), via les blocs de raccordement 31 , tandis que :
- le flux de fluide F2 circulera « en parallèle » (chaque panneau 1 1 a son/ses évacuations ; flèche F2 figure 19).
Si, les parois 11 sont dressées, le flux de fluide F2 pourra circuler de bas en haut ou l’inverse (les flèches seraient alors vers le bas sur la figure 18). De même on peut avoir un parcours « en série » du flux de fluide F1 autre que celui de l’exemple de la figure 20. Quoi qu’il en soit, on en attend une encore meilleure gestion thermique des cellules 7 grâce à un maintien des flux de fluides (F1 ,F2) à plus basse température durant une durée plus importante.
Ce qui précède peut bien sûr s’appliquer au cas des figures 21-22 où le véhicule roulant concerné, dont on a schématisé une partie du châssis horizontal, à savoir la plaque
(horizontale) de fond 35, comprend un boîtier 6 comme ci-avant présenté (parois 1 1 sur plusieurs côtés avec notamment flux F1 et F2, mais avec la particularité que l’une desdites parois du boîtier (1 1-1 1a sur la figure) qui renferme au moins un dit espace (17-17a1/17- 17b1 sur la figure) est orientée, sur le véhicule, pour être disposée parallèlement audit châssis (à sa plaque de fond 35), face à lui.
Ainsi, le contour C1 est dans un plan P2 vertical et l’(les) axe(s) B1 de disposition alignées des cellules, par ligne, est horizontal.
Avec l’aide de cette figure (considérée uniquement comme exemple non limitatif), on notera que, si conformément à l’invention, le boîtier 6 entoure sur plusieurs côtés de ce boîtier (et donc des cellules 7) :
- lesdites cellules considérées toutes ensemble, ou
- les groupes de cellules 7 considérés tous ensemble,
il est possible que les parois 11 à intérieurs creux (donc à espace(s) 1 1 interne(s)) permettant qu’y soient présents les fluides F1 et F2 soient organisées comme suit : l’une de ces parois (repérée 1 1-1 1e) est une paroi de fond, située dans un plan parallèle au plan P2. Ainsi, les parois fonctionnalisées 1 1 pourront s’étendre dans trois plans perpendiculaires, ces parois étant adjacentes deux à deux, de façon que l’un et/ou l’autre des fluides F1 et F2 puisse si nécessaire passer d’une paroi 1 1 à la paroi 1 1 adjacente.
Dans la solution des figures 21 et 22, on pourra aussi noter :
- que chaque cellule 7 présente des côtés latéraux parmi lesquels deux côtés latéraux opposés (dont celui 7e) définissant les plus grandes surfaces de chaque cellule 7, et
- que le périmètre C1 s’étend perpendiculairement auxdites plus grandes surfaces des cellules considérées toutes ensemble ou des groupes (ici des deux groupes) de cellules considérés tous ensemble.
Ceci peut permettre notamment une disposition performante des cellules :
- avec leurs faces de connexion (bornes 15) disposées face à face, d’une ligne à la ligne suivante, parallèlement au plan P2, les bornes 15 étant orientées vers le centre du boîtier où un volume libre 55 permet de mettre en place les câbles (non représentés) de
raccordements électriques des cellules entre elles et avec le moteur électrique concerné,
- et avec leurs bords minces (côtés de plus petites surfaces 7a et 7f) allongés verticalement. Une orientation dos à dos aurait été moins pratique. De façon différente, dans la solution des figures 2, 13 et 15 :
- si chaque cellule 7 présente toujours des côtés latéraux parmi lesquels deux côtés latéraux opposés (7b, 7e) définissant les plus grandes surfaces de chaque cellule,
- le périmètre C1 passe autour desdites plus grandes surfaces des cellules considérées toutes ensemble ou les groupes de cellules considérés tous ensemble.
Comme déjà mentionné, ces deux solutions sont très performantes en termes de rendement thermique, de performance énergétique et/ou de compacité ou d’encombrement.
A cet égard, on pourra noter que dans les deux cas, chaque cellule 7 présente donc des côtés latéraux avec, parmi ces côtés, deux qui sont des côtés latéraux opposés (7b, 7e) qui définissent les plus grandes surfaces de chaque cellule parallèlement auxquelles les cellules sont disposées dans le boîtier, suivant une ligne (figure 15) ou plusieurs lignes (figure 2 ou 13).
Concernant les parois 11 qui renferment lesdits espaces (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 ,
17-17b2...), est aussi à noter ce qui suit : ces parois présentent chacune deux bords minces allongés opposés (1 11 a et 1 11 b figure 7) qui s’étendent chacun :
- soit entre deux raccords 31 par lesquels deux dites parois 11 sont assemblées (comme figure 7),
- soit entre deux angles successifs du boîtier 6 (tels que les angles 57a et 57b figure 11 ) qui en limitent les côtés.
Dans ce dernier cas, le boîtier 6 pourrait être monobloc (à parois 1 1 intégrées ensemble, par exemple moulées toutes ensemble, le fond (11-11 e figure 21 ) pouvant être lui aussi intégrés ou rapporté par fixation avec les autres parois).
Avec cette réalisation de paroi 1 1 à bords minces tels que 11 1a et 11 1 b, les parois 1 1 concernées à espaces intérieurs (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-17 b2.... ) s’étendront favorablement chacune dans un plan (171 figure 3 et P3 figure 11 ) :
- perpendiculaire auxdits bords minces, et
- suivant lequel la paroi présente une surface S (voir hachures figure 1 1 et périmètre en traits alternés longs/courts figure 3).
La surface S est délimitée par lesdits deux bords minces 11 1 a et 11 1 b et :
-- soit lesdits deux angles successifs (tels que 57a et 57b) du boîtier,
-- soit lesdits deux raccords 31.
En outre, lesdits espaces (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-17 b2 ) des parois du boîtier occupent l’essentiel des surfaces (S) de ces parois.
Autrement dit, pour une efficacité optimisée en termes de performance d’échange thermique, il est conseillé que lesdits espaces (17...) des parois du boîtier qui définissent des intérieurs creux respectifs dans ces parois : - soient si volumineux qu’ils occupent l’essentiel au moins de l’intérieur desdites parois, et
- contiennent lesdits flux de fluide (F1 ,F2), pour adapter la température desdites cellules.
Une autre solution est aussi à considérer. Deux exemples en sont illustrés figures 23 et 24. Cette solution s’inspire en partie d’une réalisation en réseau de l’un au moins des espaces 17. En effet, dans la solution à excroissances intérieures 26, ces excroissances forment un réseau adapté pour que le flux de fluide F1 ou F2 puisse circuler dans l’espace 17 correspondant.
Ainsi, on ne trouvera pas nécessairement, en tant qu’espace 17 suffisamment volumineux pour occuper l’essentiel au moins de l’intérieur desdites parois 1 1 (donc de ladite surface S), un espace unique, mais un espace en réseau ou compartimenté.
Dans la solution de la figure 23, on a remplacé l’une des plaques ou panneaux définissant la paroi, ici la plaque ou le panneau extérieur 170a, par une série 1700a de tubes 173. Que dans l’exemple ce soit sur les deux faces latérales opposés du panneau 11 (deux séries 1700a) ne change rien.
Si l’on s’intéresse à l’une de ces faces (ou à chaque face considérée en elle-même), les tubes 173 d’une série entière (comme celle sur l’avant figure 23) définissent tous ensemble une surface de passage du fluide F2 quasi équivalente aux cas précédents et qui aussi volumineuse que précitée : la série de tubes 173 s’étend sur quasiment toute ladite surface S. Tous les tubes 173 sont donc creux et s’étendent le long de la surface S précitée ; en l’espèce sur toute la longueur L des plaques restantes 170b, 170c entre lesquelles un fluide F1 peut être présent, comme précédemment. Parallèles ou non entre eux, l’ensemble des tubes 173 d’une (de chaque) série formera une structure s’étendant parallèlement au plan commun précité 171 des plaques restantes de la paroi.
Si nécessaire, les extrémités de chaque tube 173 pourront être en liaison fluide avec les raccords 31 déjà présentés, pour qu’un tel panneau 11 puisse être raccordé à un autre panneau 11 identique adjacent.
La solution de la figure 24 diffère de celle de la figure 23 en ce qu’on a remplacé les trois plaques 170a,170b, 170c de la première solution par deux séries 1700a, 1700b adjacentes, placées l’une contre l’autre suivant le plan 171.
Chaque série permet de faire circuler l’un des fluides F2 (le plus à l’extérieur) et F1 (le plus à l’intérieur) et la série de tubes 173 y occupe quasiment l’équivalent de toute ladite surface S précédemment définie.
Entre les deux séries 1700b les plus centrales dans le plan 171 s’étend le panneau isolant thermique 29, pour placer cette solution comme parfaite alternative à celle de la figure 4, et équivalente à elle en termes de performance d’échanges thermiques avec les cellules 7 se dressant dans ce cas de part et d’autre, parallèlement au plan 171. Les tubes 173 pourront être métalliques, par exemple en aluminium. Mais en fait qu’elles soient formées avec des plaques, des tubes ou autres, les parois 1 1 creuses seront en matériau polymère (plastique) ou métallique, voire composite, mais a priori sans MCP. En tant que matériau polymère, un intérêt a été marqué pour un élastomère. Comme composite, on peut notamment citer un composite à matrice organique (CMO) ou à matrice métallique (CMM). Métalliques, les parois 1 1 seraient avantageusement thermiquement conductrices avec alors une conductivité l supérieure à 1 W/mk, et même de préférence supérieure à 5, voire 10 W/mk, en fait supérieure à la conductivité l de MCP pouvant être utilisés par ailleurs dans le boîtier 6.
S’ils s’étendent face à une plaque plane du boîtier (telle que 170b ou 170c dans la solution de la figure 23), ils pourront être fixés à elle, par exemple par collage ou soudage.
Dans la solution de la figure 24 à deux séries 1700a, 1700b adjacentes de tubes, les séries peuvent être également fixées ensemble et à la plaque 29 en l’espèce, pour former un ensemble unitaire.
Si les tubes 173 d’une série sont verticaux, ils pourront présenter une extrémité inférieure à fond fermé 173a et contenir un fluide F1 qui se vaporisera le moment venu, s’il y a surchauffe d’une cellule adjacente.
Dans une situation de paroi 1 1 à deux fluides F1 et F2, que ce soit avec deux séries
1700a, 1700b adjacentes de tubes ou avec une paroi 11 à double espaces internes (tels 17- 17a1 et 17-17b1 et/ou 17-17a2 et 17-17b2) parallèles entre eux suivant le plan de cette paroi (tel le plan 171 figure 3), les circulations de ces deux fluides F1 et F2 dans la paroi seront de préférence croisées l’une par rapport à l’autre comme sur les dessins ; mais ceci n’est pas strictement impératif : on pourrait prévoir des flux parallèles (rectilignes ou coudés, en fonction de la manière par exemple de placer les rebords (27a1 ,27a2,2b1..) sur les plaques 170a, 170b, 170c dans une solution comparable à celle de la figure 4).
Pour encore davantage expliciter les spécificités de l’invention, on pourra aussi se reporter aux figures 25 à 34 qui, par paires, schématisent cinq situations possibles, en liaison avec trois modes de réalisation différents, montrés à chaque fois en situation assemblé, et avec la paroi 11 concernée déplacée à l’écart de la ou des cellules 7 concernées, voire en éclaté figures 26,28,30,32). Les cellules 7 considérées sont prismatiques.
Dans ces cinq cas, on retrouve un ensemble comprenant :
- au moins une cellule 7 (dans l’exemple plusieurs cellules alignées suivant une seule ligne), ladite cellule présentant plusieurs côtés (tels que 7a et 7e précités), et
- au moins une paroi 11 adaptée à être en échange thermique avec la(les) cellule(s) et disposée à cette fin en face d’elles, dans un plan P5 parallèle à un des côtés (commun entre les cellules si elles sont plusieurs) de la ou des cellules 7, la paroi 1 1 renfermant au moins un premier et un deuxième espaces : - espaces 17-17a1 , 17-17b1 dans l’exemple de la solution à trois plaques (figures 25-28 ; voir aussi figure 4 pour le détail),
- ou succession des passages internes 61 de la ou des nappes de tubes 173.
Les espaces respectifs s’étendent dans deux plans :
-- parallèles l’un à l’autre (P6 et P7 ; mais ce peut aussi être des plans confondus P8)
-- et parallèles audit côté de la ou des cellules face à laquelle s’étend ladite paroi 1 1 : grand côté 7e ou petit côté 7c sur les figures.
En outre, les espaces respectifs :
- sont séparés par au moins une cloison (l’enveloppe 65 de tout tube 173 ou par exemple la plaque intermédiaire 170b), de façon à ne pas communiquer entre eux, et
- sont adaptés pour qu’y soient présents, au même moment ou à des moments différents de fonctionnement de la/des cellules, respectivement le premier flux de fluide (F2) et le second flux (F1 ) de fluide, qui ne se mélangent donc pas.
Comme déjà mentionné, on voit bien sur les figures 25 à 34 que lesdits premier et deuxième espaces qui définissent des intérieurs creux respectifs dans ladite paroi 1 1 sont chacun si volumineux qu’ils occupent l’essentiel au moins de l’intérieur de la paroi 1 1 réalisée.
Concernant de nouveau les premier et un deuxième espaces, il est encore précisé que :
- il s’agit donc des espaces 17-17a1 , 17-17b1 dans l’exemple de la solution à trois plaques (figures 25-28 ; voir aussi figure 4 pour le détail),
- il s’agit de la succession des passages internes 61 (considérés tous ensemble) des nappes respectives de tubes 173 dans les solutions à deux nappes des figures 29-32, et
- figures 33-34, il s’agit encore des passages internes 61 des tubes 173, mais ici en tenant compte des alternances de tubes en deux groupes coplanaires (plan P8) : premier groupe de tubes 173 pour flux F1 et second groupe d’autres tubes 173 pour flux F2. Les tubes 173 sont donc dans ce cas considérés tous ensemble, mais par groupe. Les tubes d’un groupe sont intercalés entre un ou plusieurs tubes consécutifs de l’autre groupe.
Dans le premier cas (figures 25,26), on retrouve donc les trois plaques parallèles
170a, 170b, 170c de la solution de la figure 4 disposées parallèlement aux mêmes petits côtés alignés 7c des cellules.
Les flux F1 et F2 circulent en parallèle et en décalé (plans P6, P7), comme illustré et comme déjà expliqué.
Le deuxième cas (figures 27,28) est identique au premier cas, à ceci près que l’ensemble de plaques parallèles 170a, 170b, 170c est maintenant disposé en face et de façon adjacente aux mêmes grands côtés alignés 7e des cellules.
Les flux F1 et F2 circulent en parallèle et en décalé (plans P6, P7), comme illustré et comme déjà expliqué. Les troisième (figures 29,30) et quatrième cas (figures 31 ,32) sont identique, à ceci près que les tubes 173 d’une nappe 1700a et ceux de l’autre nappe 1700b sont :
- parallèles dans le troisième cas (figures 29,30) et
- croisés (perpendiculaires en l’espèce) dans le quatrième cas (figures 31 ,32).
Dans le cinquième cas (figures 33,34), on retrouve des tubes 137 à enveloppe ou paroi 65 et ouvertures 161 , mais alternés dans un même plan P8, le long de petits côtés de cellules, mais ce pourrait être face à au moins un grand côté.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble comprenant :
- au moins une cellule (7) d’une batterie électrique (5), ladite au moins une cellule (7) présentant plusieurs côtés (7a-7f), ou un module (700) présentant plusieurs côtés (70a-70f) et contenant un groupe de cellules (7,70), et
- au moins une paroi (1 1 ) adaptée à être en échange thermique avec ladite au moins une cellule (7) ou avec le module (700) et disposée à cette fin en face d’elle ou de lui, dans un plan parallèle à un des côtés de ladite au moins une cellule (7) ou du module (700), ladite au moins une paroi (1 1 ) renfermant au moins un espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-
17b2) où peut être présent au moins un flux de fluide (F1 ,F2) adapté à être en échange thermique avec au moins une cellule (7) ou avec le module (700), pour sa gestion thermique, caractérisé en ce que ledit au moins un espace comprend au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) :
- qui s’étendent dans deux plans parallèles l’un à l’autre et audit côté de ladite au moins une cellule ou du module (700) face à laquelle ou auquel s’étend ladite paroi (11 ),
- qui sont séparés par au moins une cloison, de façon à ne pas communiquer entre eux, et
- qui sont adaptés pour qu’y soient présents, en tant que dit au moins un flux de fluide (F1 ,F2) et au même moment ou à des moments différents de fonctionnement de ladite au moins une cellule ou du module, respectivement un premier flux de fluide (F2) et un second flux (F1 ) de fluide ne se mélangeant pas.
2. Ensemble selon la revendication 1 , dans lequel lesdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2), qui définissent des intérieurs creux respectifs dans ladite au moins une paroi (11 ) sont chacun si volumineux qu’ils occupent l’essentiel au moins de l’intérieur de ladite au moins une paroi.
3. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- ladite au moins une paroi (1 1 ) présente un périmètre le long d’un bord mince allongé,
- ladite au moins une paroi (1 1 ) s’étend dans un plan perpendiculaire audit bord mince et suivant lequel la paroi présente une surface (S) délimitée par ledit périmètre,
- et lesdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) occupent chacun plus de 50% de ladite surface (S).
4. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- lesdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) sont définis respectivement entre une première plaque (170a) et une deuxième plaque (170b) et entre la deuxième plaque (170b) et une troisième plaque (170c) parallèles entre elles et réunies ensemble, les première, deuxième et troisième plaque (170a, 170b, 170c) présentent des rebords (27a1 ,27a2,2b1..) périphériques disposer pour diriger lesdits flux, et/ou
- l’un au moins desdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) est défini par une série de tubes (173) disposés dans le même plan ou dans des plans parallèles.
5. Ensemble selon quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chacun desdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ) et au moins un deuxième espace (17 ;
17-17b1 , 17-17b2) est défini par des tubes (173, 1700a, 1700b) disposés suivant au moins une première et une deuxième séries situées dans le même plan ou dans des plans parallèles, la première série formant ledit au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-
17a2 ) et la deuxième série formant ledit au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17- 17b2).
6. Ensemble comprenant l’ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, et qui comprend :
- plusieurs dites cellules ou groupes de dites cellules (7), et
- un boîtier (6) contenant toutes lesdites cellules, le boîtier (6) comprenant périphériquement plusieurs côtés et une ou plusieurs dites parois (1 1 ) par côté, le boîtier entourant sur plusieurs côtés :
- lesdites cellules (7) considérées toutes ensemble, ou
- les groupes de cellules (7) considérés tous ensemble.
7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel :
- les parois (1 1 ) qui renferment lesdits espaces (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-17b2) présentent des bords minces périphériques qui s’étendent individuellement :
-- soit entre deux angles successifs du boîtier qui en limitent les côtés,
-- soit entre deux raccords (31 ) par lesquels deux dites parois sont assemblées,
- les parois (1 1 ) qui renferment lesdits espaces (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-17b2) s’étendent chacune dans un plan perpendiculaire audit bord mince et suivant lequel la paroi présente une surface (S) délimitée, le long dudit bord mince :
-- soit entre deux angles successifs du boîtier,
-- soit entre deux raccords, et
- lesdits espaces (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17-17b1 , 17-17b2) des parois du boîtier occupent l’essentiel des surfaces (S) de ces parois.
8. Véhicule comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes.
9. Véhicule pouvant rouler :
- comprenant au moins un ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, avec plusieurs dites cellules (7) raccordées avec un moteur électrique (3) et
- dans au moins une dite paroi (1 1 ) qui s’étend face à un dit côté (7a-7f) d’au moins une dite cellule, lesdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) contiennent, en tant que dits premier flux de fluide (F2) et second flux (F1 ), au même moment ou à des moments différents de fonctionnement des cellules, respectivement un premier flux de fluide (F2), présent pour circuler dans un état nominal de fonctionnement des cellules, et un second flux (F1 ) vaporisable, issu du même flux de fluide ou d’un flux de fluide différent et adapté à être vaporisé dans ledit deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2), en cas de surchauffe d’au moins une dite cellule qui ne fonctionne alors plus de façon nominale.
10. Véhicule selon la revendication 8 ou 9 dans lequel, les cellules présentant l’état nominal suivant une première gamme de températures inférieure à un seuil de température à partir duquel elles surchauffent ou s’altèrent, ledit second flux (F1 ) de fluide qui est contenu dans le deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2 ) d’au moins une dite paroi disposée de façon adjacente à au moins une cellule (7) qui surchauffe est effectivement présent dans ce deuxième espace :
- soit tant dans l’état nominal des cellules que lors de la surchauffe ou de l’altération,
- soit uniquement lors de ladite surchauffe ou de l’altération.
1 1. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 8 à 10 dans lequel, dans le deuxième espace, ledit second flux de fluide (F1 ) est un flux de fluide apte, à pression ambiante, à changer de phase.
12. Véhicule selon l’une des revendications 8 à 1 1 , dans lequel :
- ledit second flux de fluide (F1 ) est présent dans le deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17- 17b2), dans l’état de surchauffe d’au moins une dite cellule avec laquelle il est en échange thermique, de façon qu’à un seuil de température de ladite au moins une cellule ledit second flux de fluide (F1 ) atteigne sa température de vaporisation, et
- le deuxième espace est ouvert (33), pour permettre une évacuation dudit second flux de fluide (F1 ) vaporisé hors de la dite paroi, vers l’atmosphère extérieur.
13. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 9 à 12 dans lequel, pour ladite présence circulante du premier flux de fluide (F2) :
- le premier espace (17 ; 17-17a1 ) communique, dans la paroi (1 1 ) qui le contient, avec une entrée et une sortie de flux de fluide, et
- le véhicule comprend en outre un circuit de recyclage (39) pour recycler ledit fluide de la sortie vers l’entrée et sur lequel sont disposés un moyen (43) de circulation forcée du fluide et un échangeur (45) pour un échange de chaleur entre le premier flux de fluide (F2) et un autre flux de fluide (F4).
14. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 9 à 13 et comprenant un ensemble selon la revendication 6, dans lequel :
- les cellules étant réparties dans le boîtier en plusieurs groupes de cellules, l’une au moins desdites parois (1 1 ) s’étend entre deux groupes de cellules, comme une cloison interne du boîtier, et
- l’un au moins desdits au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17 b2 ) de ladite cloison interne communique avec desdits espaces respectifs d’autres dites parois (11 ) du boîtier, pour que l’un au moins desdits premier flux de fluide (F2) et second flux (F1 ) circule, à un moment, d’un espace à un autre espace d’une dite autre paroi.
15. Procédé de gestion thermique d’au moins une cellule (7) d’une batterie électrique (5) par l’intermédiaire d’au moins une paroi (1 1 ) adaptée à être en échange thermique avec ladite cellule (7), ladite paroi (1 1 ) renfermant au moins un espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2 ; 17- 17b1 , 17-17b2) où peut être présent au moins un flux de fluide (F1 ,F2) adapté à être en échange thermique avec au moins une cellule (7), pour sa gestion thermique,
caractérisé en ce que ledit au moins un espace comprenant au moins un premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) et au moins un deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) disposés parallèlement l’un à l’autre :
- au moins pendant que ladite cellule fonctionne de façon nominale, on fait circuler dans ledit premier espace (17 ; 17-17a1 , 17-17a2) un premier flux de fluide (F2), et,
- au moins dans une situation de surchauffe de ladite cellule, qui ne fonctionne alors plus de façon nominale, on fait, par transfert thermique de la cellule vers ladite paroi (11 ), se vaporiser hors dudit deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2) un second flux (F1 ) vaporisable, issu du même flux de fluide ou d’un flux de fluide différent et alors contenu dans ledit deuxième espace (17 ; 17-17b1 , 17-17b2).
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