WO2022128823A1 - Entretoise pour cellules électrochimiques de batterie - Google Patents

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WO2022128823A1
WO2022128823A1 PCT/EP2021/085306 EP2021085306W WO2022128823A1 WO 2022128823 A1 WO2022128823 A1 WO 2022128823A1 EP 2021085306 W EP2021085306 W EP 2021085306W WO 2022128823 A1 WO2022128823 A1 WO 2022128823A1
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fluid
walls
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PCT/EP2021/085306
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David Leray
Thierry Tourret
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Renault S.A.S
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Definitions

  • TITLE Spacer for electrochemical battery cells.
  • the invention relates to a spacer for electrochemical battery cells, such as lithium-ion cells for example.
  • the invention also relates to a battery module comprising such a spacer.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising such a spacer, or such a battery module.
  • Document CN209357868 discloses the technical solution of inserting a heat transfer plate between two contiguous cells.
  • the transfer plates contain a cooling fluid, which can be for example water.
  • this solution has drawbacks.
  • the thermal efficiency of this technical solution is not optimal, in particular because of the presence of multiple exchange interfaces.
  • the implementation of this solution is complex due to the numerous connections between each transfer plate and the fluid circulation circuit.
  • the fluid due to its conductive nature, the fluid must above all not come into contact with the battery cells, otherwise an electrical incident, short circuits for example, may occur. The complexity of the connections and the risk of an electrical incident associated with a leak are therefore major flaws in such a cooling system.
  • the object of the invention is to provide a device remedying the above drawbacks and improving the devices known from the prior art.
  • the invention makes it possible to produce a device which is simple, reliable and effective, which allows circulation of a cooling fluid over the entire surface of the battery cells, and whose implementation does not present any risk of electrical incident.
  • the invention relates to a spacer for electrochemical battery cells, comprising a honeycomb structure formed by walls, the walls having holes allowing a fluid to pass through the cells of the honeycomb structure.
  • the holes are distributed over the walls of the honeycomb structure so that each cell has at least two holes.
  • the walls comprise a first series of holes aligned along a first segment and optionally a second series of holes aligned along a second segment, the first and second segments being parallel to each other.
  • the spacer has two main faces, the walls of the honeycomb structure extending perpendicular to the two main faces, from one main face to the other.
  • the two main faces are substantially parallel to a direction of alignment of the holes in the walls of the cells.
  • the distance between the two main faces of the spacer is less than 2 millimeters or even less than 1.5 millimeters, or even equal to 1 millimeter.
  • the thickness of the walls of a cell is between 100 and 500 microns, and/or
  • the largest dimension of an orthogonal section of a cell is between 0.5 and 0.8 millimeters
  • the diameter of the holes is between 0.1 and 0.3 millimeters.
  • the spacer resists a compressive force equal to 490 Newton, the compressive force being exerted perpendicular to its main faces.
  • the spacer is made by molding or injection in Acrylonitrile Butadiene Styrene.
  • the invention also relates to a battery module comprising at least two adjacent battery cells and a spacer according to the invention arranged between said two adjacent cells.
  • the battery module includes:
  • each cell having two main faces, parallel to each other
  • the second number of spacers being greater by one unit than the first number of cells, the cells and the spacers being arranged alternately so that each main face of each cell is in contact with a main face of a spacer.
  • the battery module includes:
  • hermetic box comprising respectively a first and a second orifice, intended for the connection of a thermal circuit for the implementation of a circulation of pressurized fluid in the hermetic box, in particular of dielectric fluid, according to an overall direction of circulation defined by an axis connecting the first orifice to the second orifice, the holes of each spacer being arranged so that the direction of circulation of fluid through said holes within each spacer is substantially aligned with the overall direction of circulation.
  • the invention also relates to a motor vehicle, comprising
  • cooling system creating a circulation of a dielectric fluid under pressure
  • the cooling system being connected to the orifices of the battery module so as to create a flow of the dielectric fluid under pressure in the battery module, the dielectric fluid circulating at through the module spacer holes, the dielectric fluid being in direct contact with the main faces of the cells of the module.
  • Figure 1 schematically represents a motor vehicle equipped with spacers according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically represents a thermal circuit connected to battery modules equipped with spacers according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 3 schematically represents a battery module equipped with spacers according to the embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a first perspective view of a battery module equipped with spacers according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a second perspective view of a battery module equipped with spacers according to the embodiment of the invention.
  • Figure 6 schematically shows a front view of a spacer according to the embodiment of the invention.
  • Figure 7 schematically shows a sectional view of a spacer according to the embodiment of the invention.
  • the motor vehicle 100 is an electric or hybrid motor vehicle, in particular a passenger vehicle or a utility vehicle.
  • the motor vehicle 100 is equipped with a battery 4 according to the invention, of the Lithium or Li-ion type.
  • the battery 4 could also be a so-called all-solid or solid electrolyte battery.
  • Battery 4 comprises several battery modules 3, the modules 3 comprising Li-ion battery cells 2.
  • the motor vehicle 100 is also equipped with a thermal system 5, more specifically illustrated by FIG. 2, implementing a circulation of pressurized fluid in each of the modules 3 of the battery 4.
  • the fluid circulating in the modules 3 is a fluid with dielectric properties, for example a fluorocarbon fluid or an oil, so that it can come into contact with the cells 2 without risk of generating an undesirable electrical effect.
  • the thermal system 5 comprises a thermal circuit 55 containing the pressurized fluid.
  • the thermal circuit 55 comprises a refrigerated circuit portion 551; it also includes a bypass 552 and a switch 53 between the refrigerated portion 551 and the bypass 552. All of these elements allow the thermal system 5 to suspend the cooling of the fluid, in particular when the battery 4 does not need be cooled.
  • the thermal system 5 also comprises a cooling system 52 comprising a circuit in which Freon gas circulates, in particular a coil 522 wound around the refrigerated portion 551 of the thermal circuit 55, for its cooling.
  • the thermal system 5 also comprises a pump 51 whose role is to generate a circulation of the fluid contained in the thermal circuit 55 according to a given flow rate.
  • the flow controlled by the pump is between 400 and 800 liters per hour.
  • the battery 4 comprises a heating resistor 41, located downstream of the entry point 553.
  • the heating resistor 41 can be controlled to heat the fluid circulating in the thermal circuit 55.
  • the switch 53 is simultaneously controlled to direct the fluid to the bypass 552.
  • a battery module 3 according to one embodiment of the invention is described below with reference to Figures 3 to 5.
  • Module 3 has a housing 31 .
  • the box 31 is in the shape of a rectangular parallelepiped.
  • the box 31 thus comprises a base E of rectangular shape, and four side faces A, B, C, D perpendicular to the base.
  • the side faces are arranged so that two contiguous faces are perpendicular to each other, and two opposite faces are parallel to each other.
  • the base E and the side faces A, B, C, D together define the interior volume of the box 31 .
  • the casing 31 further comprises a cover 313 allowing the casing 31 to be hermetically closed. inside the box 31.
  • the pressure exerted by the fluid on the housing is variable.
  • the pressure is determined in the first place by the flow rate of the fluid, imposed by the pump 51, the flow rate of the fluid preferably being constant.
  • the pressure is also determined by the volume that the fluid can occupy in the housing. However, this volume is variable, due to variations in the volume of the cells 2 contained in the housing 31, during their charging and discharging phases.
  • An orifice 311, 312 is present on a first side face A and a second side face B of the housing, the first and second faces A, B being opposite each other.
  • Two end pieces 6 are fixed on the outer part of the first and second faces A, B, facing the orifices 311, 312. The end pieces 6 are intended for connecting the modules 3 to the thermal management circuit 55.
  • the side faces C and D are respectively called third side face C and fourth side face D.
  • the module 3 further comprises a plurality of battery cells 2. These cells are preferably of the pouch type, with reference to the English term “pouch” meaning sachet. These cells are wrapped in a bag or "pouch", which is heat-sealed so that only the electrical terminals 21 emerge.
  • a battery cell 2 is generally in the shape of a thin rectangular parallelepiped.
  • each cell has two so-called main faces FP2, which are mutually parallel and which have a significantly larger area than the other faces of the cell.
  • the length of a main face of a battery cell can be between 150 millimeters and 450 millimeters, its width can be between 50 millimeters and 150 millimeters.
  • the length as well as the width of a cell can vary very greatly, depending on the use of the cells 2. Thus these measurements can exceed one meter, or even exceed two meters.
  • the thickness of a cell also varies, in particular depending on the number and nature of the electrodes it contains, and the type of electrolyte used. In particular, the thickness of a cell can be between 5 and 15 mm.
  • Module 3 further comprises a plurality of spacers 1 according to the embodiment of the invention.
  • the number of spacers contained in module 3 is greater by one unit than the number of cells contained in module 3.
  • a battery module containing 10 cells could preferably contain 11 spacers.
  • the spacer 1 according to the invention is a honeycomb structure formed by walls 11. Different shapes of cells are possible, including cells in the shape of a honeycomb, or cells in the shape of a diamond.
  • Figure 6 describes a honeycomb structure comprising diamond-shaped cells.
  • the envelope of the honeycomb structure is substantially in the shape of a thin rectangular parallelepiped.
  • each spacer has two so-called main faces FP1 , which are parallel to each other and which have a significantly larger area than the other faces of the spacer envelope, called secondary faces FS1.
  • the walls 11 of the honeycomb structure that is to say the walls delimiting the cells of the honeycomb structure, extend between the two main faces FP1 of the spacer.
  • the walls 11 are preferably perpendicular to the main faces FP1, so as to maximize the compressive strength of the spacer 1, when the compressive force is exerted perpendicular to the main faces FP1.
  • the spacer withstands a compressive force of 490 Newton, this limit being able to go up to 4900 Newton in other embodiments, the compression force being exerted perpendicularly to its main faces FP1.
  • the walls 11 of the honeycomb structure have holes 12 allowing a fluid to pass through the cells of the honeycomb structure.
  • the holes 12 can be distributed over the honeycomb structure so that each cell has at least two holes.
  • the holes 12 of the walls 11 of the honeycomb structure are distributed uniformly over the entire honeycomb structure.
  • each cell wall is perforated at several points.
  • the spacer is pierced in its thickness so that each boring produces an alignment of holes 12 in the honeycomb structure, the holes being aligned in a direction x1.
  • the direction x1 is preferably perpendicular to two opposite secondary faces FS1 of the envelope of the measuring rod. This operation is repeated so as to obtain a total of eight holes in the direction x1 .
  • the walls can comprise a first series of holes aligned along a first segment and optionally a second series of holes aligned along a second segment, the first and second segments being parallel to each other, i.e. that is aligned to a common direction x1 named in the rest of the document alignment direction x1 .
  • the walls 11 have a plurality of holes aligned along a plurality of segments, the number of which may be greater than or equal to 3, oriented along the alignment direction x1.
  • said segments are parallel and coplanar; they are contained in a plane dividing the spacer 1 in its thickness, preferably into two equal parts.
  • a hole 12 is arranged at each intersection of said segments with the walls 11 of the honeycomb structure.
  • the spacer 1 is made by molding or injection, in particular in Acrylonitrile Butadiene Styrene ABS.
  • the holes are also made by molding or injection.
  • the dimensions of the main faces FP1 of the spacer, in particular their length LO1 and their width LA1 are preferably identical to the dimensions of the main faces FP2 of the battery cells arranged in the module 3.
  • the thickness of the spacer corresponding to the distance between the two main faces FP1 of the spacer, is in particular determined by a compromise between the optimization of the thermal management of the battery, and the optimization of the energy density. drums.
  • the spacer must be thick enough to allow fluid flow through the holes in the cell walls.
  • the thickness of the spacer must be as small as possible.
  • the thickness of the spacer is between 1 and 2 millimeters.
  • the thickness of the spacer is less than 2 millimeters or even less than 1.5 millimeters, or even equal to 1 millimeter.
  • the honeycomb structure is such that:
  • the thickness of the walls 11 of a cell is between 100 and 500 microns, and/or
  • the greatest dimension of an orthogonal section of a cell is between 0.5 and 0.8 millimeters, and/or the length of the sides of a diamond forming the cellular structure is between 0.5 and 1 millimeter , and or
  • the diameter of the holes is between 0.1 and 0.3 millimeters, and/or
  • the number of holes per side of a rhombus is between 1 and 4.
  • an orthonormal reference comprising axes X, Y and Z.
  • the axes X, Y, Z are used in the rest of the document as a reference for the description of the assembly of a module 3 according to the embodiment of the invention.
  • the X axis will be considered as defining the longitudinal direction, parallel to the base E of a module and oriented along the longest length of this base.
  • the Y axis, perpendicular to the X axis is likewise parallel to the base E of a module.
  • the Z axis is perpendicular to the two axes X, Y, oriented in a direction perpendicular to the plane of the base E.
  • the base E of the housing 31 of the module 3 is in a plane parallel to the XY plane and the first and second side faces A, B of the housing (each having an orifice 311, 312) are each in a plane parallel to the YZ plane.
  • the orifices 311, 312 are aligned on an axis x2 parallel to the axis X.
  • the third and fourth side faces C, D of the box 31 are each located in a plane parallel to the plane XZ.
  • the cells 2 are arranged in the casing 31 so that its main faces PF2 are parallel to the third and fourth side faces C, D of the casing 31 .
  • the main faces PF2 of the cells are parallel to the axis X, therefore to the global direction of the displacement of the fluid. They are also parallel to the third and fourth side faces C, D of the casing 31 .
  • the electrical terminals 21 of the cells 2 are arranged opposite the first and second faces A, B of the casing.
  • the positive terminals of the cells are all arranged facing one of the first and second faces A, B, and the negative terminals of the cells are all arranged facing each other. other of the first and second sides A, B.
  • the cells can be arranged so as to alternate positive and negative terminals facing each of the first and second faces A, B.
  • One or more interconnecting bars allow the cells to be connected in series.
  • Spacers 1 are arranged in module 3 between each pair of adjacent cells. In other words, spacers 1 and cells 2 are arranged alternately in module 3.
  • the main faces FP1 of the spacers are therefore arranged parallel to the plane XZ, and parallel to the main faces FP2 of the cells.
  • the direction of alignment x1 of the holes of the spacer is aligned with the X axis.
  • the holes of the spacer are aligned with each other according to several segments, each segment being aligned with the direction overall displacement of the fluid, the latter being defined by the position of the fluid inlet orifices 311, 312 in the module 3.
  • the x1 alignment direction and the overall direction of fluid movement are aligned.
  • the fluid passes through the spacers 1 of the module, flowing from a first secondary face FS1 to a second secondary face FS1 of the spacer, in a direction perpendicular to the direction of the cells, perpendicular to at least one main face of the spacer.
  • the orifices 311, 312 of the first and second faces A, B could be arranged so that the alignment direction x1 and the overall direction of fluid displacement form a non-zero angle.
  • the angle formed by these two directions is less than a maximum threshold, in particular less than 30 degrees, or even less than 15 degrees, in order to promote laminar flow of the fluid.
  • spacers 1 and cells 2 begins and ends with a spacer. There is therefore one more spacer than cells.
  • a spacer is arranged between the third face C of the casing 31 and the first cell placed in the module 3.
  • the two spacers located between a side face and a cell have the function of facilitating the flow of fluid between a side face of the casing and the cell closest to this side face.
  • the assembly formed by the alternation of cells and spacers is held in place by a compression exerted by the third and fourth faces C, D of the casing 31 on the spacers bordering this assembly.
  • the cells 2 are caused to increase in volume.
  • Such an increase in volume generates excess pressure on the spacers and the walls of the housing.
  • the honeycomb structure of the spacers advantageously makes it possible to absorb part of this increase in volume by allowing the cell to be inserted substantially into the cells, without however filling them.
  • the honeycomb structure improves the robustness of the module and of the battery in the face of variations in cell volume.
  • the structure of the spacers maintains a fluid circulation space between two contiguous cells, so as to maintain direct contact between the fluid and the cells over substantially the entire surface of the cells.
  • the circulation of the fluid in the cells is made possible by the presence of the holes 12 on the walls 11 of the cells.
  • the arrangement of the holes, aligned along several segments parallel to the overall direction of movement of the fluid promotes the establishment of a laminar flow of the fluid over substantially the entire surface of the cell.
  • any other distribution of the holes of the cells would be possible, since the fluid can circulate from the inlet to the outlet of the spacer by coming into direct contact with the contiguous cells to cool them.
  • the holes of the cells are not necessarily aligned.
  • any number of holes is possible, at least two per cell.
  • the fluid circulating in the spacer comes into direct contact with the adjacent cell or cells, preferably over substantially their entire surface, or even over at least three quarters of their surface.
  • the holes can all be the same or different. They can have any shape forming a passage for a fluid.
  • the distribution of the holes in the alveolar walls could be calculated according to a spatial distribution of temperature in a battery cell, so as to obtain a greater flow of fluid on the zones of higher temperature. or of greater thermal amplitude.
  • a portion of honeycomb structure located opposite a central zone of the cell in particular a central longitudinal portion of the cell, could have numerous holes in all its cells so as to maximize the flow rate of the fluid in these portions.
  • portions of the same alveolar structure located in particular opposite the edges of the cell, could have fewer holes so as to minimize the flow of fluid in these portions.
  • some cells may not have a hole.
  • the spacer 1 allows the circulation of fluid over substantially the entire surface of an adjoining cell, in particular over the central area of the cell which can be subjected to high temperatures. This arrangement promotes the optimization of heat exchange.
  • the spacer leaves free access to the surface of the cell; in other words, the spacer does not come between the cell and the fluid.
  • the spacer allows heat transfer between the fluid and the cell to take place without thermal resistance, and therefore in an optimized manner.
  • the spacer further optimizes the heat exchange between the cell and the fluid.

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Abstract

Entretoise (1) pour cellules électrochimiques (2) de batterie, caractérisée en ce qu'elle comprend une structure alvéolaire formée par des parois (11), les parois (11) présentant des trous (12) permettant à un fluide de traverser les alvéoles de la structure alvéolaire.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Entretoise pour cellules électrochimiques de batterie.
L’invention concerne une entretoise pour cellules électrochimiques de batterie, comme des cellules lithium-ion par exemple. L’invention porte aussi sur un module de batterie comprenant une telle entretoise. L’invention porte également sur un véhicule automobile comprenant une telle entretoise, ou un tel module de batterie.
Les performances des batteries de véhicules électriques ou hybrides dépendent fortement de leur température de fonctionnement. Il est donc nécessaire de maitriser les plages de températures auxquelles sont soumises de telles batteries.
A cet effet, la plupart des batteries de véhicules électriques ou hybrides sont équipées de systèmes de refroidissement intégrés. Ces systèmes mettent en œuvre une circulation de fluides liquides dans des conduits permettant un échange thermique entre le fluide et les cellules électrochimiques de batterie, via une interface thermique. Alternativement, la circulation d’un fluide diélectrique entrant directement en contact avec les cellules de batteries peut être mise en œuvre pour optimiser les échanges thermiques entre la cellule et le fluide de refroidissement. Toutefois certaines zones des cellules restent difficilement accessibles au fluide de refroidissement, notamment du fait des variations du volume des cellules lors des phases de charge et de décharge de la batterie, qui créent une compression des cellules entre elles.
On connaît du document CN209357868 la solution technique consistant à intercaler une plaque de transfert thermique entre deux cellules contiguës. Les plaques de transfert contiennent un fluide de refroidissement, qui peut être par exemple de l’eau.
Toutefois, cette solution présente des inconvénients. En particulier, l’efficacité thermique de cette solution technique n’est pas optimale, à cause notamment de la présence de multiples interfaces d’échange. De plus, la mise en œuvre de cette solution est complexe du fait des nombreux raccordements entre chaque plaque de transfert et le circuit de circulation du fluide. Par ailleurs, du fait de sa nature conductrice, le fluide ne doit surtout pas entrer en contact avec les cellules de batterie, sous peine de créer un incident électrique, des courts-circuits par exemple. La complexité des raccordements et le risque d’incident électrique associé à une fuite constituent donc des failles importantes d’un tel système de refroidissement.
Le but de l’invention est de fournir un dispositif remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs connus de l’art antérieur. En particulier, l’invention permet de réaliser un dispositif qui soit simple, fiable et efficace, qui permette une circulation d’un fluide de refroidissement sur toute la surface des cellules de batterie, et dont la mise en œuvre ne présente aucun risque d’incident électrique.
A cet effet, l’invention porte sur une entretoise pour cellules électrochimiques de batterie, comprenant une structure alvéolaire formée par des parois, les parois présentant des trous permettant à un fluide de traverser les alvéoles de la structure alvéolaire.
Dans un mode de réalisation, les trous sont répartis sur les parois de la structure alvéolaire de sorte que chaque alvéole présente au moins deux trous. Dans un mode de réalisation, les parois comprennent une première série de trous alignés le long d’un premier segment et optionnellement une deuxième série de trous alignés le long d’un deuxième segment, les premier et deuxième segments étant parallèles entre eux.
Dans un mode de réalisation, l’entretoise présente deux faces principales, les parois de la structure alvéolaire s’étendant perpendiculairement aux deux faces principales, d’une face principale à l’autre.
Dans un mode de réalisation, les deux faces principales sont sensiblement parallèles à une direction d’alignement des trous des parois des alvéoles.
Dans un mode de réalisation, la distance entre les deux faces principales de l’entretoise est inférieure à 2 millimètres voire inférieure à 1 ,5 millimètres, voire égale à 1 millimètre.
Dans un mode de réalisation,
- l’épaisseur des parois d’une alvéole est comprise entre 100 et 500 microns, et/ou
- la plus grande dimension d’une section orthogonale d’une alvéole est comprise entre 0,5 et 0,8 millimètre, et/ou
- le diamètre des trous est compris entre 0,1 et 0,3 millimètre.
Dans un mode de réalisation, l’entretoise résiste à une force de compression égale à 490 Newton, la force de compression étant exercée perpendiculairement à ses faces principales.
Dans un mode de réalisation, l’entretoise est réalisée par moulage ou injection en Acrylonitrile Butadiène Styrène. L’invention porte également sur un module de batterie comprenant au moins deux cellules adjacentes de batterie et une entretoise selon l’invention agencée entre lesdites deux cellules adjacentes.
Dans un mode de réalisation, le module de batterie comprend :
- un premier nombre de cellules, chaque cellule présentant deux faces principales, parallèles entre elles
- un deuxième nombre d’entretoises selon l’invention, le deuxième nombre d’entretoises étant supérieur d’une unité au premier nombre de cellules, les cellules et les entretoises étant disposées en alternance de sorte que chaque face principale de chaque cellule soit en contact avec une face principale d’une entretoise.
Dans un mode de réalisation, le module de batterie comprend :
- un boitier hermétique comprenant respectivement un premier et un deuxième orifice, destinés au raccordement d’un circuit thermique pour la mise en œuvre d’une circulation de fluide sous pression dans le boitier hermétique, notamment de fluide diélectrique, selon une direction de circulation globale définie par un axe reliant le premier orifice au deuxième orifice, les trous de chaque entretoise étant agencés de sorte que la direction de circulation de fluide par lesdits trous au sein de chaque entretoise soit sensiblement alignée à la direction de circulation globale.
L’invention porte également sur un véhicule automobile, comprenant
- un module de batterie selon l’invention, et
- un système de refroidissement créant une circulation d’un fluide diélectrique sous pression, le système de refroidissement étant raccordé aux orifices du module de batterie de sorte à créer un écoulement du fluide diélectrique sous pression dans le module de batterie, le fluide diélectrique circulant à travers les trous des entretoises du module, le fluide diélectrique étant au contact direct des faces principales des cellules du module.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un véhicule automobile équipé d’entretoises selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement un circuit thermique relié à des modules de batterie équipés d’entretoises selon le mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement un module de batterie équipé d’entretoises selon le mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 4] La figure 4 est une première vue en perspective d’un module de batterie équipé d’entretoises selon le mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 5] La figure 5 est une deuxième vue en perspective d’un module de batterie équipé d’entretoises selon le mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 6] La figure 6 représente schématiquement une vue de face d’une entretoise selon le mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 7] La figure 7 représente schématiquement une vue en coupe d’une entretoise selon le mode de réalisation de l’invention.
Un mode de réalisation d’un véhicule automobile 100 selon l’invention est décrit ci-après en référence à la figure 1. Le véhicule automobile 100 est un véhicule automobile électrique ou hybride, notamment un véhicule de tourisme ou un véhicule utilitaire.
Le véhicule automobile 100 est équipé d’une batterie 4 selon l’invention, de type Lithium, ou Li-ion. La batterie 4 pourrait également être une batterie dite tout solide ou à électrolyte solide. La batterie 4 comprend plusieurs modules de batterie 3, les modules 3 comprenant des cellules Li-ion de batterie 2.
Le véhicule automobile 100 est également équipé d’un système thermique 5, plus spécifiquement illustré par la figure 2, mettant en œuvre une circulation de fluide sous pression dans chacun des modules 3 de la batterie 4. Dans un mode de réalisation préférentiel le fluide circulant dans les modules 3 est un fluide à propriétés diélectriques, par exemple un fluide fluocarboné ou une huile, de sorte qu’il peut entrer en contact avec les cellules 2 sans risque de générer d’effet électrique indésirable.
Le système thermique 5 comprend un circuit thermique 55 contenant le fluide sous pression. Le circuit thermique 55 comprend une portion de circuit réfrigérée 551 ; il comprend également une dérivation 552 et un aiguillage 53 entre la portion réfrigérée 551 et la dérivation 552. L’ensemble de ces éléments permet au système thermique 5 de suspendre le refroidissement du fluide, notamment lorsque la batterie 4 n’a pas besoin d’être refroidie.
Le système thermique 5 comprend également un système de refroidissement 52 comprenant un circuit dans lequel circule du gaz Fréon, notamment un serpentin 522 enroulé autour de la portion réfrigérée 551 du circuit thermique 55, pour son refroidissement.
Le système thermique 5 comprend également une pompe 51 ayant pour rôle de générer une circulation du fluide contenu dans le circuit thermique 55 selon un débit donné. Dans un mode de réalisation, le débit commandé par la pompe est compris entre 400 et 800 litres par heure. Ainsi, grâce à la pompe 51 , le fluide sous pression traverse les modules de batterie, d’un point d’entrée 553 à un point de sortie 554. Puis le fluide sous pression repasse par la pompe 51 en empruntant le circuit thermique 55 du point de sortie 554 au point d’entrée 553.
Dans un mode de réalisation, la batterie 4 comprend une résistance chauffante 41 , située en aval du point d’entrée 553. La résistance chauffante 41 peut être commandée pour chauffer le fluide circulant dans le circuit thermique 55. Avantageusement, lorsque la résistance 41 est commandée, c’est-à-dire lorsqu’elle chauffe, l’aiguillage 53 est simultanément commandé pour diriger le fluide vers la dérivation 552.
Un module de batterie 3 selon un mode de réalisation de l’invention est décrit ci-après en référence aux figures 3 à 5.
Le module 3 est doté d’un boîtier 31 . Dans le mode de réalisation présenté, le boîtier 31 est en forme de parallélépipède rectangle.
Le boîtier 31 comprend ainsi un socle E de forme rectangulaire, et quatre faces latérales A, B, C, D perpendiculaires au socle. Les faces latérales sont disposées de sorte que deux faces contiguës sont perpendiculaires entre elles, et deux faces opposées sont parallèles entre elles. Le socle E et les faces latérales A, B, C, D définissent ensemble le volume intérieur du boîtier 31 .
Le boîtier 31 comprend en outre un couvercle 313 permettant de fermer hermétiquement le boîtier 31. Notamment la fixation du couvercle 313 sur les faces latérales A, B, C, D est conçue pour résister à la pression exercée par le fluide sous pression circulant à l’intérieur du boîtier 31.
La pression exercée par le fluide sur le boîtier est variable. La pression est déterminée en premier lieu par le débit du fluide, imposé par la pompe 51 , le débit du fluide étant préférentiellement constant. La pression est par ailleurs déterminée par le volume que le fluide peut occuper dans le boîtier. Or ce volume est variable, du fait des variations de volume des cellules 2 contenues dans le boîtier 31 , lors de leurs phases de charge et de décharge.
Un orifice 311 , 312 est présent sur une première face latérale A et une deuxième face latérale B du boîtier, les première et deuxième faces A, B étant opposées l’une à l’autre. Deux embouts 6 sont fixés sur la partie extérieure des première et deuxième faces A, B, en vis-à-vis des orifices 311 , 312. Les embouts 6 sont destinés au raccordement des modules 3 au circuit de gestion thermique 55.
Dans la suite du document, les faces latérales C et D sont nommées respectivement troisième face latérale C et quatrième face latérale D.
Le module 3 comprend en outre une pluralité de cellules de batterie 2. Ces cellules sont préférentiellement de type pouch, en référence au terme anglais « pouch» signifiant sachet. Ces cellules sont enveloppées dans un sachet ou « pouch », qui est thermoscellé de sorte à ne laisser ressortir que les terminaux électriques 21 .
Dans ce mode de réalisation, une cellule de batterie 2 est généralement en forme de parallélépipède rectangle de faible épaisseur.
Dans le mode de réalisation présenté, chaque cellule présente deux faces dites principales FP2, qui sont parallèles entre elles et qui présentent une aire significativement plus importante que les autres faces de la cellule.
A titre d’exemple de dimensions, la longueur d’une face principale de cellule de batterie peut se situer entre 150 millimètres et 450 millimètres, sa largeur peut se situer entre 50 millimètres et 150 millimètres.
Dans certains modes de réalisation, la longueur ainsi que la largeur d’une cellule peuvent varier très fortement, selon l’usage des cellules 2. Ainsi ces mesures peuvent dépasser un mètre, voire dépasser deux mètres. L’épaisseur d’une cellule varie également, notamment en fonction du nombre et de la nature des électrodes qu’elle contient, et du type d’électrolyte utilisé. Notamment, l’épaisseur d’une cellule peut se situer entre 5 et 15 mm.
Le module 3 comprend en outre une pluralité d’entretoises 1 selon le mode de réalisation de l’invention. Préférentiellement, le nombre d’entretoises contenues dans le module 3 est supérieur d’une unité au nombre de cellules contenues dans le module 3. Par exemple, un module de batterie contenant 10 cellules pourra de préférence contenir 11 entretoises.
L’entretoise 1 selon l’invention est une structure alvéolaire formée par des parois 11. Différentes formes d’alvéoles sont envisageables, parmi lesquelles des alvéoles en forme de nid d’abeille, ou des alvéoles en forme de losange. La figure 6 décrit une structure alvéolaire comprenant des alvéoles en forme de losange.
Dans un mode de réalisation, l’enveloppe de la structure alvéolaire est sensiblement en forme de parallélépipède rectangle de faible épaisseur.
Ainsi, l’enveloppe de chaque entretoise présente deux faces dites principales FP1 , qui sont parallèles entre elles et qui sont d’une aire significativement plus importante que les autres faces de l’enveloppe de l’entretoise, dites faces secondaires FS1.
Les parois 11 de la structure alvéolaire, c’est-à-dire les parois délimitant les alvéoles de la structure alvéolaire, s’étendent entre les deux faces principales FP1 de l’entretoise.
Les parois 11 sont préférentiellement perpendiculaires aux faces principales FP1 , de sorte à maximiser la résistance en compression de l’entretoise 1 , lorsque la force de compression est exercée perpendiculairement aux faces principales FP1. Dans un mode de réalisation préférentiel, l’entretoise résiste à une force de compression de 490 Newton, cette limite pouvant aller jusqu’à 4900 Newton dans d’autres modes de réalisation, la force de compression étant exercée perpendiculairement à ses faces principales FP1 .
Les parois 11 de la structure alvéolaire présentent des trous 12 permettant à un fluide de traverser les alvéoles de la structure alvéolaire. Les trous 12 peuvent être répartis sur la structure alvéolaire de sorte que chaque alvéole présente au moins deux trous.
Dans le mode de réalisation représenté par la figure 5, les trous 12 des parois 11 de la structure alvéolaire sont répartis de façon uniforme sur l’ensemble de la structure alvéolaire. Notamment, chaque paroi d’alvéole est trouée en plusieurs points.
Par exemple, dans le mode de réalisation représenté par les figures 6 et 7, l’entretoise est percée dans son épaisseur de sorte que chaque perçage produise un alignement de trous 12 dans la structure alvéolaire, les trous étant alignés selon une direction x1 . La direction x1 est préférentiellement perpendiculaire à deux faces secondaires opposées FS1 de l’enveloppe de la toise. Cette opération est répétée de sorte à obtenir au total huit perçages selon la direction x1 .
Plus généralement, les parois peuvent comprendre une première série de trous alignés le long d’un premier segment et optionnellement une deuxième série de trous alignés le long d’un deuxième segment, les premier et deuxième segments étant parallèles entre eux, c’est-à-dire alignés à une direction commune x1 nommée dans la suite du document direction d’alignement x1 .
De préférence, les parois 11 présentent une pluralité de trous alignés le long d’une pluralité de segments, dont le nombre peut être supérieur ou égal à 3, orientés selon la direction d’alignement x1 . Dans le mode de réalisation représenté par les figures 6 et 7, lesdits segments sont parallèles et coplanaires ; ils sont contenus dans un plan partageant l’entretoise 1 dans son épaisseur, préférentiellement en deux parties égales.
Avantageusement un trou 12 est disposé à chaque intersection desdits segments avec les parois 11 de la structure alvéolaire.
Dans un mode de réalisation, l’entretoise 1 est réalisée par moulage ou injection, notamment en Acrylonitrile Butadiène Styrène ABS. Les trous sont également réalisés par moulage ou injection.
Les dimensions des faces principales FP1 de l’entretoise, notamment leur longueur LO1 et leur largeur LA1 sont préférentiellement identiques aux dimensions des faces principales FP2 des cellules de batterie disposées dans le module 3.
L’épaisseur de l’entretoise, correspondant à la distance entre les deux faces principales FP1 de l’entretoise, est notamment déterminée par un compromis entre l’optimisation de la gestion thermique de la batterie, et l’optimisation de l’énergie volumique de la batterie.
Pour optimiser la gestion thermique, l’entretoise doit être suffisamment épaisse pour permettre l’écoulement du fluide à travers les trous des parois d’alvéoles.
Pour optimiser l’énergie volumique de la batterie, l’épaisseur de l’entretoise doit être la plus faible possible.
Dans un mode de réalisation préférentiel, l’épaisseur de l’entretoise est comprise entre 1 et 2 millimètres. Avantageusement, l’épaisseur de l’entretoise est inférieure à 2 millimètres voire inférieure à 1 ,5 millimètres, voire égale à 1 millimètre. Dans un mode de réalisation préférentiel, la structure alvéolaire est telle que :
- l’épaisseur des parois 11 d’une alvéole est comprise entre 100 et 500 microns, et/ou
- la plus grande dimension d’une section orthogonale d’une alvéole est comprise entre 0,5 et 0,8 millimètres, et/ou la longueur des côtés d’un losange formant la structure alvéolaire est comprise entre 0,5 et 1 millimètres, et/ou
- le diamètre des trous est compris entre 0,1 et 0,3 millimètre, et/ou
- le nombre de trous par côté d’un losange est compris entre 1 et 4.
En référence à la figure 5, on définit un repère orthonormé comprenant des axes X, Y et Z. Les axes X, Y, Z sont utilisés dans la suite du document comme référence pour la description de l’assemblage d’un module 3 selon le mode de réalisation de l’invention. L’axe X sera considéré comme définissant la direction longitudinale, parallèle à la base E d’un module et orienté selon la plus grande longueur de cette base. L’axe Y, perpendiculaire à l’axe X, est de même parallèle à la base E d’un module. L’axe Z est perpendiculaire aux deux axes X, Y, orienté selon une direction perpendiculaire au plan de la base E.
La base E du boîtier 31 du module 3 est dans un plan parallèle au plan XY et les première et deuxième faces latérales A, B du boîtier (présentant chacune un orifice 311 , 312) sont chacune dans un plan parallèle au plan YZ. Dans le mode de réalisation présenté par la figure 5, les orifices 311 , 312 sont alignés sur un axe x2 parallèle à l’axe X. Ainsi, en traversant le boîtier 31 , de l’orifice 311 à l’orifice 312, le fluide se déplacera globalement selon une direction alignée à l’axe X.
Les troisième et quatrième faces latérales C, D du boîtier 31 se situent chacune dans un plan parallèle au plan XZ. Dans un mode de réalisation préférentiel, tel que représenté par la figure 5, les cellules 2 sont disposées dans le boîtier 31 de sorte que ses faces principales PF2 soient parallèles aux troisième et quatrième faces latérales C, D du boîtier 31 . De cette façon, les faces principales PF2 des cellules sont parallèles à l’axe X, donc à la direction globale du déplacement du fluide. Elles sont aussi parallèles aux troisième et quatrième faces latérales C, D du boîtier 31 .
Avantageusement, les terminaux électriques 21 des cellules 2 sont disposés en vis-à-vis des première et deuxième faces A, B du boîtier.
Dans un mode de réalisation, les terminaux positifs des cellules sont tous disposés en vis-à-vis de l’une des première et deuxième faces A, B, et les terminaux négatifs des cellules sont tous disposés en vis-à-vis de l’autre des première et deuxième faces A, B.
Dans un mode de réalisation préférentiel, les cellules peuvent être disposées de sorte à alterner terminaux positifs et négatifs en vis-à-vis de chacune des première et deuxième faces A, B.
Une ou plusieurs barres d’interconnexion permettent de connecter les cellules en série.
Les entretoises 1 sont disposées dans le module 3 entre chaque paire de cellules adjacentes. Autrement dit, les entretoises 1 et les cellules 2 sont disposées en alternance dans le module 3.
Les faces principales FP1 des entretoises sont donc disposées parallèlement au plan XZ, et parallèlement aux faces principales FP2 des cellules.
De ce fait, la direction d’alignement x1 des trous de l’entretoise est alignée à l’axe X. Autrement dit, les trous de l’entretoise sont alignés entre eux selon plusieurs segments, chaque segment étant aligné à la direction globale du déplacement du fluide, celle-ci étant définie par la position des orifices d’entrée du fluide 311 , 312 dans le module 3.
Dans le mode de réalisation présenté, la direction d’alignement x1 et la direction globale du déplacement du fluide sont alignées.
Le fluide traverse les entretoises 1 du module, circulant d’une première face secondaire FS1 à une deuxième face secondaire FS1 de l’entretoise, selon une direction perpendiculaire à la direction des alvéoles, perpendiculaire à au moins une face principale de l’entretoise.
Dans un mode de réalisation alternatif, les orifices 311 , 312 des première et deuxième faces A, B pourraient être disposés de sorte que la direction d’alignement x1 et la direction globale du déplacement du fluide forment un angle non nul. Préférentiellement l’angle formé par ces deux directions est inférieur à un seuil maximal, notamment inférieur à 30 degrés, voire inférieur à 15 degrés, afin de favoriser un écoulement laminaire du fluide.
L’alternance d’entretoises 1 et de cellules 2 débute et se termine par une entretoise. Il y a donc une entretoise de plus que de cellules.
En effet, comme illustré par les figures 3 et 5, une entretoise est disposée entre la troisième face C du boîtier 31 et la première cellule placée dans le module 3.
De même, une entretoise sera placée entre la quatrième face D et la dernière cellule agencée dans le module 3.
Les deux entretoises situées entre une face latérale et une cellule ont pour fonction de faciliter l’écoulement du fluide entre une face latérale du boîtier et la cellule la plus proche de cette face latérale.
L’ensemble constitué par l’alternance de cellules et d’entretoises est maintenu en place par une compression exercée par les troisième et quatrième faces C, D du boîtier 31 sur les entretoises bordant cet ensemble. Lors des phases de charge et de décharge de la batterie, les cellules 2 sont amenées à augmenter de volume. Une telle augmentation de volume génère une surpression sur les entretoises et les parois du boîtier. La structure alvéolaire des entretoises permet avantageusement d’absorber une partie de cette augmentation de volume en permettant à la cellule de s’insérer sensiblement dans les alvéoles, sans toutefois les remplir.
Ainsi, par sa forme et par ses caractéristiques de résistance à la pression, la structure alvéolaire améliore la robustesse du module et de la batterie face aux variations de volumes des cellules.
De plus, même pendant les phases de dilatation des cellules 2, la structure des entretoises maintient un espace de circulation du fluide entre deux cellules contiguës, de sorte à maintenir un contact direct entre le fluide et les cellules sur sensiblement toute la surface des cellules.
La circulation du fluide dans les alvéoles est rendue possible par la présence des trous 12 sur les parois 11 des alvéoles. Avantageusement, la disposition des trous, alignés selon plusieurs segments parallèles à la direction globale de déplacement du fluide, favorise la mise en place d’un écoulement laminaire du fluide sur sensiblement toute la surface de la cellule.
En variante, toute autre répartition des trous des alvéoles serait possible, dès lors que le fluide peut circuler de l’entrée vers la sortie de l’entretoise en venant au contact direct avec les cellules contiguës pour les refroidir. Ainsi, les trous des alvéoles ne sont pas nécessairement alignés. D’autre part, tout nombre de trous est possible, au moins deux par alvéole. Par cet agencement, le fluide circulant dans l’entretoise vient au contact direct avec la ou les cellules adjacentes, de préférence sur sensiblement toute leur surface, voire sur au moins les trois quarts de leur surface. D’autre part, les trous peuvent être tous identiques ou différents. Ils peuvent présenter toute forme formant un passage pour un fluide.
Dans un autre mode de réalisation, la répartition des trous dans les parois alvéolaires pourrait être calculée en fonction d’une répartition spatiale de température dans une cellule de batterie, de sorte à obtenir un débit de fluide plus important sur les zones de plus forte température ou de plus forte amplitude thermique.
Par exemple, une portion de structure alvéolaire située en vis-à-vis d'une zone centrale de la cellule, notamment une portion longitudinale centrale de la cellule, pourrait disposer de nombreux trous dans toutes ses alvéoles de sorte à maximiser le débit du fluide dans ces portions.
A l’inverse, d’autres portions de la même structure alvéolaire, situées notamment en en vis-à-vis des bordures de la cellule, pourraient présenter moins de trous de sorte à minimiser le débit du fluide dans ces portions. Notamment, dans ce mode de réalisation, certaines alvéoles pourraient ne pas présenter de trou.
D’autres modes de réalisation, notamment d’autres modes de répartition des trous dans la structure alvéolaire pourraient également être envisagés.
Au total, les bénéfices d’une entretoise 1 selon l’invention sont multiples.
Premièrement, l’entretoise 1 permet la circulation du fluide sur sensiblement toute la surface d’une cellule contiguë, en particulier sur la zone centrale de la cellule qui peut subir de fortes températures. Cet agencement favorise l’optimisation de l’échange thermique.
Deuxièmement, grâce à sa structure alvéolaire, l’entretoise laisse libre accès à la surface de la cellule ; autrement dit, l’entretoise ne s’interpose pas entre la cellule et le fluide. En permettant au fluide d’être au plus proche de la cellule, c’est-à-dire en contact direct avec l’enveloppe de la cellule, l’entretoise permet au transfert calorique entre le fluide et la cellule de s’effectuer sans résistance thermique, et donc de manière optimisée. Troisièmement, en pouvant créer un écoulement laminaire, l’entretoise optimise encore l’échange thermique entre la cellule et le fluide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Entretoise (1 ) pour cellules électrochimiques (2) de batterie, caractérisée en ce qu’elle comprend une structure alvéolaire formée par des parois (11 ), les parois (11 ) présentant des trous (12) permettant à un fluide de traverser les alvéoles de la structure alvéolaire.
2. Entretoise (1 ) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les trous (12) sont répartis sur les parois de la structure alvéolaire de sorte que chaque alvéole présente au moins deux trous.
3. Entretoise (1 ) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les parois comprennent une première série de trous alignés le long d’un premier segment et optionnellement une deuxième série de trous alignés le long d’un deuxième segment, les premier et deuxième segments étant parallèles entre eux.
4. Entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle présente deux faces principales (FP1 ) et en ce que les parois (11 ) de la structure alvéolaire s’étendent perpendiculairement aux deux faces principales (FP1 ), d’une face principale à l’autre.
5. Entretoise (1 ) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les deux faces principales (FP1 ) sont sensiblement parallèles à une direction d’alignement des trous (12) des parois (11 ) des alvéoles.
6. Entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la distance entre ses deux faces principales (FP1 ) est inférieure à 2 millimètres voire inférieure à 1 ,5 millimètres, voire égale à 1 millimètre. Entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que
- l’épaisseur des parois (11 ) d’une alvéole est comprise entre 100 et 500 microns, et/ou
- la plus grande dimension d’une section orthogonale d’une alvéole est comprise entre 0,5 et 0,8 millimètre, et/ou
- le diamètre des trous (12) est compris entre 0,1 et 0,3 millimètre. Entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle résiste à une force de compression égale à 490 Newton, la force de compression étant exercée perpendiculairement à ses faces principales (FP1 ). Entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle est réalisée par moulage ou injection en Acrylonitrile Butadiène Styrène. Module de batterie (3) caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux cellules (2) adjacentes de batterie et une entretoise (1 ) selon l’une des revendications précédentes agencée entre lesdites deux cellules adjacentes. Module de batterie (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend :
- un premier nombre de cellules (2), chaque cellule présentant deux faces principales (FP2), parallèles entre elles
- un deuxième nombre d’entretoises (1 ) selon l’invention, le deuxième nombre d’entretoises étant supérieur d’une unité au premier nombre de cellules, les cellules (2) et les entretoises (1 ) étant disposées en alternance de sorte que chaque face principale (FP2) de chaque cellule soit en contact avec une face principale (FP1 ) d’une entretoise.
12. Module de batterie (3) selon la revendication 10 ou 11 , caractérisé en ce qu’il comprend :
- un boitier hermétique (31 ) comprenant respectivement un premier et un deuxième orifice (311 , 312), destinés au raccordement d’un circuit thermique (55) pour la mise en œuvre d’une circulation de fluide sous pression dans le boitier hermétique (31 ), notamment de fluide diélectrique, selon une direction de circulation globale définie par un axe (x2) reliant le premier orifice (311 ) au deuxième orifice (312) et caractérisé en ce que les trous (12) de chaque entretoise sont agencés de sorte que la direction de circulation de fluide par lesdits trous au sein de chaque entretoise soit sensiblement alignée à la direction de circulation globale.
13. Véhicule automobile (100), caractérisé en ce qu’il comprend un module de batterie (3) selon la revendication précédente, et un système de refroidissement (5) créant une circulation d’un fluide diélectrique sous pression, le système de refroidissement (5) étant raccordé aux orifices (311 , 312) du module de batterie (3) de sorte à créer un écoulement du fluide diélectrique sous pression dans le module de batterie (3), et en ce que le fluide diélectrique circule à travers les trous (12) des entretoises (1 ) du module (3) et en ce que le fluide diélectrique est au contact direct des faces principales (FP2) des cellules du module (3).
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