WO2023117517A1 - Module pour batterie comprenant un fluide appliquant une pression sur une cellule - Google Patents

Module pour batterie comprenant un fluide appliquant une pression sur une cellule Download PDF

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WO2023117517A1
WO2023117517A1 PCT/EP2022/085303 EP2022085303W WO2023117517A1 WO 2023117517 A1 WO2023117517 A1 WO 2023117517A1 EP 2022085303 W EP2022085303 W EP 2022085303W WO 2023117517 A1 WO2023117517 A1 WO 2023117517A1
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cell
fluid
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main face
cells
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PCT/EP2022/085303
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Victor CHAUDOY
Thierry Tourret
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Renault S.A.S.
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • TITLE Battery module comprising a fluid applying pressure to a cell.
  • the invention relates to a module for a battery.
  • the invention also relates to a battery comprising such a module.
  • the invention also relates to a system comprising such a module or such a battery.
  • the invention also relates to a vehicle comprising such a system or such a battery or such a module.
  • the invention also relates to a method of operating such a system.
  • An electric or hybrid vehicle for example a motor vehicle, generally comprises a battery.
  • a battery for example traction and/or propulsion, generally comprises one or more modules.
  • modules each comprise at least one electrochemical cell for storing electrical energy, of the lithium-ion type for example.
  • a cell, in particular of the Lithium-Ion type, of a battery module undergoes volume variations throughout its life. More specifically, during charge/discharge cycles, the volume of a cell varies by inflating and shrinking respectively. Such volume changes are particularly significant when using certain materials in the cell, especially silicon. In addition, as a cell ages, it gradually swells without shrinking.
  • a cell undergoes temperature variations. Indeed, during its charging in particular, a cell can heat up. This increase in temperature, in particular at the level of its connections, is consequent during rapid recharges, generally obtained from high currents. Thus, such a cell needs to be cooled to maximize its performance, in particular in terms of autonomy and recharge time.
  • the document KR10-2256604 describes a battery module aiming both at controlling the swelling of the cells and at cooling them with a compact structure.
  • This module comprises a plurality of "pads" arranged between the cells, the pads being pockets made of an elastic material filled with a phase change material. The elastic pads are compressed as the cells swell, the phase change material being able to control their temperature.
  • the main disadvantage of this solution is in particular that it is a passive system operating independently of the actual state of the cells, whether it is their short-term state in terms of load or temperature, or even their state at term in terms of the state of aging or the state of health.
  • the object of the invention is to provide a module solving the problems of inflation / deflation as well as thermal conditioning of the cells.
  • the invention proposes a system that can be controlled according to the state of the cells.
  • the invention relates to a module for a battery, in particular for a vehicle, the module comprising:
  • each cell comprising a first main face and a second main face
  • the module comprising flexible walls each extending opposite and in contact, or substantially in contact, with the first main face or the second main face of a cell and the flow rate of the fluid being controlled so as to make it possible to vary a pressure of the fluid being applied to the flexible walls at the level of the first main faces and/or at the level of the second main faces of the cells, in order to follow a retraction and/or a swelling of the cells during the charge/discharge cycles of the cells and/or during cell aging.
  • a flexible wall extending opposite a first main face of a cell and a flexible wall extending opposite a second main face of an adjacent cell can be monobloc and may form a single membrane.
  • At least one flexible wall can be made of polymer, optionally covered at least partially with a plate on the side of its contact with a cell, the plate being able to be obtained in a material that is more conductive of heat than the polymer, in particular a metal, or at least one flexible wall may comprise an insert in the form of a rectangular plate obtained from a material that conducts heat more than the polymer, in particular a metal.
  • the module may comprise a first means for holding each membrane and a second means for holding each membrane, so as to stretch each membrane facing the first main face of a cell and facing of the second main face of an adjacent cell, or so as to stretch each membrane facing the first main face or the second main face of a cell and facing the enclosure .
  • Each first means for holding each membrane may be cylindrical, in particular of the tube type, and/or each second means for holding each membrane may be cylindrical, in particular of the tube type, each membrane being able in particular to partially surround the first means of holding and the second holding means.
  • the enclosure may comprise an upper part, in particular an upper part comprising the fluid evacuation means, and a lower part, in particular a lower part comprising the fluid inlet means, the upper part and the lower part possibly being arranged so as to transmit the fluid from the lower part towards the spaces then towards the upper part.
  • the upper part can comprise a first means for positioning the first and second means for holding and the membranes and/or the lower part can comprise a second means for positioning the first and second means for holding and the membranes.
  • the invention also relates to a battery comprising at least one module as defined previously.
  • the invention also relates to a system comprising a module as defined above or a battery as defined above, the system comprising:
  • a pump for the fluid and means for controlling the parameters of the pump, in particular its activation and/or its deactivation and/or its level of flow,
  • - a means of measuring the temperature at the level of the module and/or at the level of the enclosure and/or at the level of at least one cell.
  • the invention also relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a system as defined above or a battery as defined above or a module as defined above.
  • the invention also relates to a method for operating a system as defined above, the method comprising a step of activating the pump so as to obtain a flow rate of fluid creating a pressure applied to at least one flexible wall facing a first main face of a cell and/or on at least one flexible wall facing a second main face of a cell.
  • the process may include:
  • Figure 1 is a schematic view of a vehicle according to one embodiment.
  • Figure 2 is a schematic view of a system according to one embodiment.
  • Figure 3 is a partial perspective view of a battery module according to one embodiment.
  • FIG. 4 is a partial detail view of the battery module according to the embodiment.
  • Figure 5 is a perspective view of membranes of the battery module according to the embodiment.
  • Figure 6 is a perspective view of membranes of the battery module according to a variant of the embodiment.
  • Figure 7 is a schematic top view of the battery module according to the embodiment.
  • Figure 8 is a partial schematic top view of a cell, membrane, and space according to the embodiment, with the cell uninflated.
  • Figure 9 is a partial schematic top view of a cell, membrane and space according to the embodiment, with the cell inflated.
  • Figure 10 is a schematic view in partial section of a module according to the embodiment.
  • the direction in which a vehicle, in particular a motor vehicle, travels in a straight line is defined as the direction longitudinal X.
  • transverse direction Y the direction perpendicular to the longitudinal direction, located in a plane parallel to the ground.
  • vertical direction Z The third direction, perpendicular to the other two, is called vertical direction Z.
  • XYZ a direct reference is used XYZ in which X is the longitudinal direction in the front-rear direction of the vehicle, therefore directed towards the rear, Y is the transverse direction directed to the right and Z is the vertical direction directed upwards.
  • the forward direction corresponds to the direction in which the vehicle usually moves in the longitudinal direction and is opposite to the reverse direction.
  • a vehicle 100 for example a motor vehicle, comprises a battery-type electrical energy storage means 101.
  • the vehicle, or the battery 101 comprises at least one module 1.
  • the battery 101 comprises several modules 1, for example arranged side by side, for example being in contact or substantially in contact with each other.
  • Each module 1 comprises at least one cell 8, preferably several cells 8.
  • Each cell 8 comprises a first main face 8A and a second main face 8B.
  • each cell is, or is substantially, a rectangular parallelepiped and the first and second main faces 8A, 8B are the two largest faces of the parallelepiped. In this case, the faces 8A, 8B of each cell are parallel in pairs.
  • Vehicle 100 includes a system 40.
  • the system 40 comprises a module 1 and/or a battery 101.
  • a fluid F preferably a liquid, for example of the glycol water type, is present within the module 1 as it will be explained later.
  • the system further comprises a pump 102 for the fluid F and a means 103 for controlling parameters of the pump 102.
  • these parameters include the activation of the pump 102 and/or the deactivation of the pump 102 and/or the flow rate level of the pump 102.
  • the pump control means uses, for example, pulse width modulation (known by the English abbreviation PWM for Pulse Width Modulation).
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a flow meter completes the control means.
  • the system 40 also comprises a means 104 for measuring the temperature at the level of the module 1 and/or at the level of at least one cell 8.
  • the temperature measuring means 104 preferably comprises one or more thermocouples.
  • the system 40 comprises a means 106 for determining the pressure of the fluid.
  • the determination means 106 measures, for example, the pressure exerted by the cell via the pressure drop of the hydraulic network, that is to say the drop in flow rate of the fluid F.
  • the control means 103 of the pump 102 is slaved to the means 106 for determining the pressure so as to maintain constant, or substantially constant, the pressure of the fluid F within the module.
  • the control means 103 of the pump comprises software means for monitoring the flow rate and managing the pump by PWM. Note that several pumps can be arranged on the same circuit.
  • the system 40 comprises several modules 1 connected together electrically.
  • the system 40 comprises several modules 1 using the same volume of fluid, the modules having hydraulic connections between them, the system 40 comprising a single pump or several pumps.
  • the module 1 comprises an enclosure 30.
  • the enclosure 30 also has a parallelepiped shape.
  • the enclosure 30 envelops all the cells 8 of the module 1.
  • the cells 8 are arranged so that the first main face 8A of a cell 8 is parallel to a second face main 8B of an adjacent cell 8.
  • the first main face 8A of a cell 8 adjacent to the enclosure 30 extends opposite an interior face 32 of the enclosure 30.
  • the second main face 8B of a cell 8 adjacent to the enclosure 30 extends opposite an inner face 34 of the enclosure 30.
  • the module 1 comprises terminals 2, 3, for example a positive terminal and a negative terminal, extending for example above the module 1.
  • the terminal 2 is connected to, or comprises, a connection means 6, preferably of the "busbar" type.
  • the terminal 3 is connected to, or comprises, a connection means 7, preferably of the "busbar" type.
  • the module 1 comprises at least one connection or connection means 9 between the cells 8 of the module.
  • terminals 2, 3 allow the electrical connection of module 1 to another module, preferably another adjacent module.
  • a space 31 is provided between the first main face 8A of a cell 8 and the second main face 8B of an adjacent cell 8.
  • a space 31 is provided between the first main face 8A of a cell 8 adjacent to the enclosure 30 and the inner face 32 of the enclosure 30.
  • a space 31 is provided between the second main face 8B of a cell 8 adjacent to the enclosure 30 and the inner face 34 of the enclosure 30.
  • the module 1 further comprises an admission means 4, or input, or arrival, a fluid F.
  • the fluid F is a coolant.
  • the module 1 further comprises an evacuation means 5, or outlet, or exhaust, of the fluid F.
  • the fluid allowing the management of the swelling as will be seen subsequently, and the cooling of the cells, enters module 1 at inlet 4 and leaves module 1 via outlet 5.
  • the fluid circulates in the opposite direction.
  • the fluid F occupies the spaces 31 so as to cool the first main faces 8A and the second main faces 8B.
  • the flow rate of the fluid F is controlled so as to make it possible to vary the pressure P applied to the first main faces 8A and to the second main faces 8B of the cells 8.
  • the pressure applied to the main faces 8A, 8B of the cells is varied during the charge/discharge cycles of the cells as well as during during the life of the cells.
  • the module 1 comprises flexible walls 13 each extending vis-à-vis the first main face 8A or the second main face 8B of a cell 8.
  • the walls flexible 13 each extend opposite, and in contact or substantially in contact, with the first main face 8A or the second main face 8B of each cell 8.
  • the walls are flexible or flexible, and preferably elastic .
  • a flexible wall 13, of the strip or thin sheet type is separate from the cell 8 against which the flexible wall 13 extends.
  • each flexible wall 13 is affixed to, or covers, at least partially, the first main face 8A or the second main face 8B of a cell 8.
  • two flexible walls 13 extend between two holding means 14, 15.
  • each flexible wall 13 is for example fixed to a holding means 14 on the one hand, and to a holding means 15 d 'somewhere else.
  • the spaces 31 between two adjacent cells, or the space(s) between a cell and an interior face 32, 34 of the enclosure 30, extend between the flexible walls 13.
  • each flexible wall 13 is made of polymer.
  • the polymer used is flexible so as to allow a change in the shape of the wall under a pressure level P of the fluid F as well as under the pressure due to the swelling of the cells.
  • at least one wall 13 is covered, at least partially, with a plate 16 on the side of its contact with a cell 8.
  • the wall 13 includes the plate 16 of rectangular shape for example.
  • the plate 16 is obtained from a material that conducts heat more than the polymer.
  • the material of plate 16 is a metal, for example copper or else an alloy comprising copper.
  • At least one wall 13 comprises an insert 16' in the form of a rectangular plate obtained from a material that conducts heat more than the polymer, for example a metal, for example copper or containing copper.
  • insert it is meant that the wall 13 comprises, over the entire area or substantially the entire area receiving the insert 16′, only the insert 16′.
  • the insert 16' replaces the material of the wall 13 over the entire surface of the insert.
  • the area of a plate 16, or of an insert 16' is substantially equal to the area of a main face 8A, 8B of a cell.
  • a plate 16 or an insert 16' comes face to face, either completely or substantially entirely, and in contact or substantially in contact, with a main face 8A, 8B of a cell.
  • each membrane 20 has the shape of a sleeve stretched between two holding means 14, 15.
  • a membrane 20 is distinct from the cell or cells against which the membrane 20 extends.
  • each membrane 20 is affixed to, or covers, at least partially, the first main face 8A or the second main face 8B of a cell 8.
  • the same membrane 20 is affixed to, or covers, at least partially, the first main face 8A of a cell and the second main face 8B of an adjacent cell, as illustrated in particular in Figure 7.
  • the module 1, or the enclosure 30 comprises a first holding means 14 for each membrane 20 and a second holding means 15 for each membrane 20.
  • the first and the second holding means 14, 15 are arranged so as to stretch a membrane 20 facing the first main face 8A of a cell 8 and facing the second main face 8B of an adjacent cell 8.
  • the first and second holding means 14, 15 are arranged so as to stretch a membrane 20 facing the first main face 8A and the inner face 32 of the enclosure 30, or facing vis-a-vis the second main face 8B and the inner face 34 of the enclosure 30.
  • each first holding means 14 of each membrane 20 is cylindrical, for example of the tube or solid cylindrical shaft type.
  • each second means 15 for holding each membrane 20 is cylindrical, for example of the tube or solid cylindrical shaft type.
  • each membrane 20 at least partially surrounds the first holding means 14 and the second holding means 15.
  • the holding means are rigid, for example obtained based on metallic material or composite materials, so as to obtain a high mechanical strength compatible with the tension that the holding means 14, 15 submit to the walls 13 or membranes 20 .
  • the membrane 20 surrounds the holding means 14, 15 over half or substantially half of their external surface (FIG. 8).
  • the membrane 20 surrounds the holding means 14, 15 beyond half of their external surface (FIG. 9 - in the event of cell adjacent to the cell shown and therefore also in contact with the membrane 20 illustrated, the membrane is deformed on both sides and not only on one side as illustrated here with a single cell).
  • the module 1 or the enclosure 30 also comprises an upper part 11.
  • the upper part 11 comprises the means 5 for discharging the fluid F.
  • the module 1 or the enclosure 30 comprises another lower part 12.
  • the lower part 12 comprises the means 4 for inlet of the fluid F.
  • the upper part 11 and the lower part 12 are arranged so as to transmit or even promote the transmission of the fluid from the lower part 12 towards the spaces 31 then towards the upper part 11.
  • the parts 11, 12 comprise ducts and/or channels and/or cavities making it possible to ensure the flow of the fluid from the inlet 4 towards the spaces 31 and from spaces 31 to exit 5.
  • the upper part 11 comprises a first means for positioning the first and second holding means 14, 15 and/or the membranes 20.
  • the lower part 12 comprises a second means for positioning 19 of the first and second holding means 14, 15 and/or the membranes 20.
  • the first positioning means and the second means for positioning the holding means 14, 15 and/or the membranes 20 are for example made from the material of the upper part 11, respectively of the lower part 12, as illustrated in FIG. 10.
  • the first and second positioning means hold the holding means 14, 15 and/or the membranes 20 in position, or even seal the means of holding 14, 15 and/or the membranes 20.
  • the walls 13 or membranes 20 are sealed to the first and second positioning means of the holding means, for example by gluing or by laser welding.
  • THE tubes 14, 15 are for example arranged, inserted, in slots provided in the upper part 11 and in the lower part 12.
  • the walls 13 or membranes 20 are also arranged in notches, or projections or cavities provided for their maintenance within of the upper part 11 and of the lower part 12.
  • the walls 13 or membranes 20 are welded to areas of the lower and upper parts 12, 11.
  • the operating method of the system 40 includes a step of activating the pump 102 so as to obtain a fluid flow F creating the pressure P applied to the first main faces 8A and to the second main faces 8B of the cells 8.
  • the method initially comprises a step of determining the pressure P of the fluid F by the means 106 for determining the pressure, preferably within the enclosure.
  • the method comprises a step of measuring a temperature by the temperature measuring means 104.
  • control means 103 controls the flow rate of the pump 102 by the control means 103 according to the determined pressure of the fluid and/or the measured temperature. This control is carried out in such a way as to maintain the pressure P constant, or substantially constant, on the first main faces 8A and on the second main faces 8B of the cells.
  • the walls 13 or membranes 20 can deform due to the swelling of the cells. These deformations modify the volume of the spaces 31 . In case of swelling of the cells, the volume of the spaces 31 is lowered. In the event of deflation of the cells, the volume of the spaces 31 is increased.
  • the pressure P applied to the cells by means of the fluid injected inside the enclosure is intended solely to "follow" the inflation/deflation of the cells. In other words, the pressure P applying to the walls or membranes and having repercussions on the faces 8A, 8B of the cells, and possibly on the inner faces 32, 34 of the enclosure 30, accompanies the swelling of the cells and, if if necessary, the deflation of the cells.
  • Fluid pressure determining means 106 detects an increase in pressure.
  • the pump 102 is then controlled to lower the pressure of the fluid in order to return to a target value within the module 1.
  • the pressure determining means 106 observes a drop in pressure. Pump 102 is then controlled to increase the pressure of the fluid in order to return to a target value within module 1.
  • the solution makes it possible to apply a constant and continuous pressure on the first and second main faces of the cells of a battery module although these cells inflate and retract in a variable manner.
  • the solution makes it possible to cool the cells via the fluid which makes it possible to evacuate calories.
  • the solution makes it possible to manage the swelling/retraction of a cell or of several cells, in particular electrochemical cells, during cycles of the charge/discharge type, and throughout the life of such cells.
  • the enclosure 30 of the module in particular its walls 33 (FIG. 2), possibly inserted in a box or casing for receiving a battery, does not undergo any deformation caused by the swelling.
  • the pressure of the fluid F is lowered, in particular by lowering the flow rate of the pump, and the enclosure 30 is not impacted in terms of deformations.
  • walls and/or membranes also makes it possible to limit the quantity of fluid used.
  • the pressure is applied only to the first and second main faces of the cells.
  • the cells are not immersed in the fluid.
  • the electrical connectors of the cells are not subjected to pressure.
  • the membranes 20 and the lower and upper parts 12, 11 are arranged so as to confine, store, the fluid. Thus, it is possibly possible to change a cell, or even to remove the cells, in particular by opening the module, without leakage or loss of fluid.
  • Lithium-Ion cells having a swelling during their aging as well as during the various charge and discharge cycles are maintained at a certain pressure within their enclosure, in particular at the level of their main faces. .
  • This is particularly advantageous for cells exhibiting a strong volume variation during the various charge/discharge cycles. This is the case for cells comprising materials increasing their energy density and/or possessing a high specific capacity, for example based on silicon.
  • the fluid cools the cells by cooling their various faces.
  • the presence of the fluid whose pressure is controlled within the module makes it possible to adapt to the swelling of the cells while controlling the evolution of the temperature of the cells.
  • the solution makes it possible to adapt to the swelling of cells in "cycling" and aging by adjusting the internal pressure of the module.
  • the internal pressure changes according to the state of charge of the cell or cells.
  • the decrease in pressure of fluid F makes it possible to let the cells 8 swell (FIG. 9) whereas the increase in pressure of fluid F makes it possible to tolerate the absence of swelling, or substantially the absence of swelling, of the cells 8 (FIG. 8).
  • the swelling of the cells is monitored by adjusting the pressure of the fluid.
  • the solution also makes it possible to deduce the level of swelling of the cells and possibly to estimate the age of the cells. Indeed, by instrumenting the system, in particular with the means 106 for determining the pressure of the fluid and/or the means for measuring 104 the temperature, it becomes possible to interpret a command for a pressure increase or a decrease. pressure to the pump 102 for transferring the fluid. As a reminder, the solution aims to maintain a constant, or substantially constant, pressure on the cells, in particular on the main faces 8A, 8B of the cells 8 in order to adapt to the general swelling.
  • general swelling we mean the association of the swelling of the cells due to the aging of the cells and the swelling due to a load of the cells into electrical energy.
  • the solution provides a means of determining the state of cells.
  • the solution makes it possible to apply continuous pressure to the assembly of cells, in particular on each first main face and/or on each second main face and this in an adjustable manner, adjustable, in particular according to the rigidity of the walls 13 or membranes 20.
  • the solution makes it possible to prevent the walls of the enclosure 30 from deforming, or deforming beyond a threshold, due to the swelling of the cells. Indeed, in the event of swelling of the cells 8, the flow rate of the pump 102 is reduced so as to allow the cells to deform without causing any repercussions on the walls of the enclosure 30. Conversely, during the deflation of the cells , the flow rate of the pump is increased.
  • the circulation of the fluid preferably continuous, still makes it possible to control, or even limit the evolution or increase in the temperature of the cells. Thus, the circulation of the fluid contributes to maintaining a constant pressure on the cells while ensuring a cooling role. Obviously, in the event of the presence of plates 16 or insert 16' at the level of the walls 13 or membranes 20 made of a more heat-conductive material, a better heat exchange between the cells and the fluid accelerates the cooling of the cells.
  • the solution is compatible with different types of materials, both for positive electrodes and negative electrodes, and/or for all-solid battery technologies (with a solid electrolyte) or even conventional Lithium-ion batteries (with usually a liquid electrolyte).
  • the solution is particularly suitable for a battery module of an electric or hybrid vehicle or even comprising a heat engine equipped with a battery, in particular with a voltage of the order of 48 V.
  • the vehicle can be a bus, a two-wheeler, or other.
  • the solution can be used in a battery intended to be stationary or even in a battery intended to power electronic and/or electrical devices, in particular portable ones.
  • the solution according to the invention therefore achieves the desired objective of providing a battery module compatible with the inflations/deflations of the cells while ensuring thermal conditioning of the cells.
  • the performance of the cells in particular in terms of autonomy and recharging speed, is improved.

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Abstract

L'invention porte sur un module (1) pour une batterie comprenant une enceinte (30), des cellules (8) agencées au sein de l'enceinte (30), un espace (31) ménagé entre la première face principale (8A) d'une cellule (8) et la deuxième face principale (8B) d'une cellule (8) adjacente, le fluide occupant le ou les espaces (31) de sorte à refroidir les premières faces principales (8A) et/ou les deuxièmes faces principales (8B), le module (1) comprenant des parois souples (13) s'étendant chacune en vis-à-vis et au contact de la première face principale (8A) ou de la deuxième face principale (8B) d'une cellule (8) et le débit du fluide étant piloté de sorte à permettre de faire varier une pression du fluide s'appliquant sur les parois souples (13).

Description

TITRE : Module pour batterie comprenant un fluide appliquant une pression sur une cellule.
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne un module pour une batterie. L’invention porte encore sur une batterie comprenant un tel module. L’invention porte encore sur un système comprenant un tel module ou une telle batterie. L’invention porte encore sur un véhicule comprenant un tel système ou une telle batterie ou un tel module. L’invention porte encore sur un procédé de fonctionnement d’un tel système.
Etat de la technique antérieure
Un véhicule électrique ou hybride, par exemple un véhicule automobile, comprend généralement une batterie. Une telle batterie, par exemple de traction et/ou de propulsion, comprend généralement un ou plusieurs modules. De tels modules comprennent chacun au moins une cellule électrochimique de stockage d’énergie électrique, de type lithium-ion par exemple.
Une cellule, en particulier de type Lithium-Ion, d’un module de batterie subit des variations de volume tout au long de sa vie. Plus précisément, lors des cycles de charge / décharge, le volume d’une cellule varie respectivement en se gonflant et en se rétractant. De tels changements de volume sont particulièrement conséquents en cas d’utilisation de certains matériaux dans la cellule, en particulier le silicium. De plus, au fur et à mesure du vieillissement d’une cellule, elle gonfle petit à petit sans se rétracter.
De plus, une cellule subit des variations de température. En effet, au cours de sa charge notamment, une cellule peut chauffer. Cette augmentation de température, en particulier au niveau de ses connexions, est conséquente lors de recharges rapides, généralement obtenue à partir de courants élevés. Ainsi, une telle cellule a besoin d’être refroidie pour maximiser ses performances, en particulier en termes d’autonomie et de temps de recharge.
Ainsi, il est particulièrement complexe de gérer simultanément le conditionnement thermique et les gonflements / dégonflements des cellules d’un module de batterie.
Le document KR10-2256604 décrit un module de batterie visant à la fois le contrôle du gonflement des cellules et leur refroidissement avec une structure compacte. Ce module comprend une pluralité de « tampons » disposés entre les cellules, les tampons étant des poches faites d’un matériau élastique remplies d’un matériau à changement de phase. Les tampons élastiques sont comprimés au gonflement des cellules, le matériau à changement de phase étant capable de contrôler leur température. Le principal inconvénient de cette solution est notamment qu’il s’agit d’un système passif fonctionnant indépendamment de l’état réel des cellules, que ce soit leur état à court terme en matière de charge ou de température, ou encore leur état à long terme en matière d’état de vieillissement ou d’état de santé.
Présentation de l'invention
Le but de l’invention est de fournir un module résolvant les problématiques de gonflement / dégonflement ainsi que de conditionnement thermique des cellules. En outre l’invention propose un système pilotable en fonction de l’état des cellules.
Résumé de l'invention
Pour atteindre cet objectif, l’invention porte sur un module pour une batterie, notamment de véhicule, le module comprenant :
- une enceinte,
- des cellules agencées au sein de l’enceinte, chaque cellule comprenant une première face principale et une deuxième face principale,
- un espace ménagé entre la première face principale d’une cellule et la deuxième face principale d’une cellule adjacente et/ou un espace ménagé entre l’une des première et deuxième faces principales d’une cellule et l’enceinte,
- un moyen d’admission d’un fluide et un moyen d’évacuation du fluide, le fluide occupant le ou les espaces de sorte à refroidir les premières faces principales et/ou les deuxièmes faces principales, le module comprenant des parois souples s’étendant chacune en vis-à-vis et au contact, ou sensiblement au contact, de la première face principale ou de la deuxième face principale d’une cellule et le débit du fluide étant piloté de sorte à permettre de faire varier une pression du fluide s’appliquant sur les parois souples au niveau des premières faces principales et/ou au niveau des deuxièmes faces principales des cellules, afin de suivre une rétractation et/ou un gonflement des cellules au cours des cycles de charge / décharge des cellules et/ou au cours du vieillissement des cellules.
Une paroi souple s’étendant en vis-à-vis d’une première face principale d’une cellule et une paroi souple s’étendant en vis-à-vis d’une deuxième face principale d’une cellule adjacente peuvent être monoblocs et peuvent ne former qu’une seule membrane.
Au moins une paroi souple peut être en polymère, éventuellement recouverte au moins partiellement d’une plaque du côté de son contact avec une cellule, la plaque pouvant être obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère, notamment un métal, ou au moins une paroi souple peut comprendre un insert en forme de plaque rectangulaire obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère, notamment un métal. Le module peut comprendre un premier moyen de maintien de chaque membrane et un deuxième moyen de maintien de chaque membrane, de sorte à tendre chaque membrane en vis-à-vis de la première face principale d’une cellule et en vis-à-vis de la deuxième face principale d’une cellule adjacente, ou de sorte à tendre chaque membrane en vis-à-vis de la première face principale ou de la deuxième face principale d’une cellule et en vis-à-vis de l’enceinte.
Chaque premier moyen de maintien de chaque membrane peut être cylindrique, notamment de type tube, et/ou chaque deuxième moyen de maintien de chaque membrane peut être cylindrique, notamment de type tube, chaque membrane pouvant entourer notamment partiellement le premier moyen de maintien et le deuxième moyen de maintien.
L’enceinte peut comprendre une partie supérieure, notamment une partie supérieure comprenant le moyen d’évacuation du fluide, et une partie inférieure, notamment une partie inférieure comprenant le moyen d’admission du fluide, la partie supérieure et la partie inférieure pouvant être agencées de sorte à transmettre le fluide depuis la partie inférieure vers les espaces puis vers la partie supérieure.
La partie supérieure peut comprendre un premier moyen de positionnement des premiers et deuxièmes moyens de maintien et des membranes et/ou la partie inférieure peut comprendre un deuxième moyen de positionnement des premiers et deuxièmes moyens de maintien et des membranes.
L’invention porte encore sur une batterie comprenant au moins un module tel que défini précédemment. L’invention porte encore sur un système comprenant un module tel que défini précédemment ou une batterie telle que définie précédemment, le système comprenant :
- une pompe pour le fluide et des moyens de pilotage de paramètres de la pompe, notamment son activation et/ou sa désactivation et/ou son niveau de débit,
- un moyen de détermination de la pression du fluide, notamment au sein de l’enceinte,
- un moyen de mesure de la température au niveau du module et/ou au niveau de l’enceinte et/ou au niveau d’au moins une cellule.
L’invention porte encore sur un véhicule, notamment un véhicule automobile, comprenant un système tel que défini précédemment ou une batterie telle que définie précédemment ou un module tel que défini précédemment.
L’invention porte encore sur un procédé de fonctionnement d’un système tel que défini précédemment, le procédé comprenant une étape d’activation de la pompe de sorte à obtenir un débit de fluide créant une pression s’appliquant sur au moins une paroi souple en vis-à-vis d’une première face principale d’une cellule et/ou sur au moins une paroi souple en vis-à-vis d’une deuxième face principale d’une cellule.
Le procédé peut comprendre :
- une étape de détermination de la pression du fluide par le moyen de détermination de la pression et/ou une étape de mesure d’une température par le moyen de mesure de température,
- une étape de pilotage du débit de la pompe par le moyen de pilotage en fonction de la pression déterminée du fluide et/ou de la température mesurée de sorte à maintenir une pression constante ou sensiblement constante sur au moins une première face principale et/ou sur au moins une deuxième face principale d’une cellule. Présentation des figures
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation et d’un mode d’exécution d’un procédé de fonctionnement faite à titre non- limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[Fig. 1 ] La figure 1 est une vue schématique d’un véhicule selon un mode de réalisation.
[Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique d’un système selon un mode de réalisation.
[Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective partielle d’un module de batterie selon un mode de réalisation.
[Fig. 4] La figure 4 est une vue de détail partielle du module de batterie selon le mode de réalisation.
[Fig. 5] La figure 5 est une vue en perspective de membranes du module de batterie selon le mode de réalisation.
[Fig. 6] La figure 6 est une vue en perspective de membranes du module de batterie selon une variante du mode de réalisation.
[Fig. 7] La figure 7 est une vue schématique de dessus du module de batterie selon le mode de réalisation.
[Fig. 8] La figure 8 est une vue schématique partielle de dessus d’une cellule, d’une membrane et d’un espace selon le mode de réalisation, la cellule n’étant pas gonflée.
[Fig. 9] La figure 9 est une vue schématique partielle de dessus d’une cellule, d’une membrane et d’un espace selon le mode de réalisation, la cellule étant gonflée.
[Fig. 10] La figure 10 est une vue schématique en coupe partielle d’un module selon le mode de réalisation.
Description détaillée
La direction selon laquelle un véhicule, notamment un véhicule automobile, se déplace en ligne droite est définie comme étant la direction longitudinale X. Par convention, la direction perpendiculaire à la direction longitudinale, située dans un plan parallèle au sol, est nommée direction transversale Y. La troisième direction, perpendiculaire aux deux autres, est nommée direction verticale Z. Ainsi, on utilise un repère direct XYZ dans lequel X est la direction longitudinale dans le sens avant-arrière du véhicule, donc dirigée vers l’arrière, Y est la direction transversale dirigée vers la droite et Z est la direction verticale dirigée vers le haut. Le sens avant correspond au sens dans lequel le véhicule se déplace habituellement dans la direction longitudinale et est opposé au sens arrière.
Comme illustré sur la figure 1 , un véhicule 100, par exemple un véhicule automobile, comprend un moyen de stockage de l’énergie électrique de type batterie 101. Le véhicule, ou la batterie 101 , comprend au moins un module 1. De préférence la batterie 101 comprend plusieurs modules 1 , par exemple agencés côte à côte, par exemple en étant en contact ou sensiblement en contact entre eux. Chaque module 1 comprend au moins une cellule 8, de préférence plusieurs cellules 8. Chaque cellule 8 comprend une première face principale 8A et une deuxième face principale 8B. Avantageusement, chaque cellule est, ou est sensiblement, un parallélépipède rectangle et les première et deuxième faces principales 8A, 8B sont les deux plus grandes faces du parallélépipède. Dans ce cas, les faces 8A, 8B de chaque cellule sont parallèles deux à deux.
Le véhicule 100 comprend un système 40.
Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, le système 40 comprend un module 1 et/ou une batterie 101. Un fluide F, de préférence un liquide, par exemple de type eau glycolée, est présent au sein du module 1 comme il sera expliqué par la suite. Le système comprend encore une pompe 102 pour le fluide F et un moyen de pilotage 103 de paramètres de la pompe 102. Par exemple, ces paramètres comprennent l’activation de la pompe 102 et/ou la désactivation de la pompe 102 et/ou le niveau de débit de la pompe 102. Le moyen de pilotage de la pompe utilise par exemple une modulation par largeur d’impulsions (connue sous l’abréviation anglo-saxonne PWM pour Pulse Width Modulation). Ainsi, en modulant les impulsions, on module la fréquence et par conséquent le débit du fluide. Avantageusement, un débitmètre complète le moyen de pilotage. De préférence, le système 40 comprend encore un moyen de mesure 104 de la température au niveau du module 1 et/ou au niveau d’au moins une cellule 8. Le moyen de mesure 104 de température comprend de préférence un ou plusieurs thermocouples. Avantageusement, le système 40 comprend un moyen de détermination 106 de la pression du fluide. Le moyen de détermination 106 mesure par exemple la pression exercée par la cellule via la perte de charge du réseau hydraulique, c’est-à-dire la chute de débit du fluide F. De préférence, le moyen de pilotage 103 de la pompe 102 est asservi au moyen de détermination 106 de la pression de sorte à maintenir constante, ou sensiblement constante, la pression du fluide F au sein du module. De préférence, le moyen de pilotage 103 de la pompe comprend des moyens logiciels de suivi du débit et de gestion de la pompe par PWM. A noter que plusieurs pompes peuvent être agencées sur un même circuit.
Alternativement, le système 40 comprend plusieurs modules 1 connectés entre eux électriquement. Alternativement, ou en complément, le système 40 comprend plusieurs modules 1 utilisant le même volume de fluide, les modules ayant des connexions hydrauliques entre eux, le système 40 comprenant une seule pompe ou plusieurs pompes.
Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, le module 1 comprend une enceinte 30. En cas de cellule 8 de forme parallélépipédique, l’enceinte 30 a également une forme parallélépipédique. L’enceinte 30 enveloppe l’ensemble des cellules 8 du module 1. Comme illustré sur la figure 7, au sein de l’enceinte 30, les cellules 8 sont agencées de sorte que la première face principale 8A d’une cellule 8 soit parallèle à une deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente. De préférence, la première face principale 8A d’une cellule 8 adjacente à l’enceinte 30 s’étend en vis-à-vis d’une face intérieure 32 de l’enceinte 30. De préférence, la deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente à l’enceinte 30 s’étend en vis-à-vis d’une face intérieure 34 de l’enceinte 30. Les faces intérieures 32, 34 de l’enceinte 30 sont parallèles, de mêmes dimensions ou sensiblement de même dimensions, et en vis-à-vis l’une de l’autre lorsque l’enceinte est vide. De préférence, comme illustré sur les figures 2 et 3, le module 1 comprend des bornes 2, 3, par exemple une borne positive et une borne négative, s’étendant par exemple au-dessus du module 1. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, la borne 2 est reliée à, ou comprend, un moyen de connexion 6, de préférence de type « busbar ». De la même manière, par exemple, la borne 3 est reliée à, ou comprend, un moyen de connexion 7, de préférence de type « busbar ». De préférence, le module 1 comprend au moins un moyen de connexion ou de connectique 9 entre les cellules 8 de module. Par exemple, les bornes 2, 3 permettent la connexion électrique du module 1 à un autre module, de préférence un autre module adjacent.
Comme illustré en particulier sur les figures 7, 8, 9 et 10, un espace 31 est ménagé entre la première face principale 8A d’une cellule 8 et la deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente. De préférence, un espace 31 est ménagé entre la première face principale 8A d’une cellule 8 adjacente à l’enceinte 30 et la face intérieure 32 de l’enceinte 30. De préférence, un espace 31 est ménagé entre la deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente à l’enceinte 30 et la face intérieure 34 de l’enceinte 30.
Comme illustré sur les figures 2 et 3, le module 1 comprend encore un moyen d’admission 4, ou d’entrée, ou d’arrivée, d’un fluide F. De préférence, le fluide F est un liquide de refroidissement. Le module 1 comprend encore un moyen d’évacuation 5, ou de sortie, ou d’échappement, du fluide F. Ainsi, le fluide permettant la gestion du gonflement comme il sera vu par la suite, et le refroidissement des cellules, entre dans le module 1 au niveau de l’entrée 4 et ressort du module 1 par la sortie 5. Alternativement, le fluide circule dans le sens inverse.
Le fluide F occupe les espaces 31 de sorte à refroidir les premières faces principales 8A et les deuxièmes faces principales 8B. Le débit du fluide F est piloté de sorte à permettre de faire varier la pression P s’appliquant sur les premières faces principales 8A et sur les deuxièmes faces principales 8B des cellules 8. Ainsi, en faisant varier la pression du fluide F, on suit un dégonflement ou un gonflement des premières et des deuxièmes faces principales des cellules 8. Autrement dit, on fait varier la pression s’appliquant sur les faces principales 8A, 8B des cellules au cours des cycles de charge / décharge des cellules ainsi qu’au cours de la durée de vie des cellules.
Comme illustré sur les figures 3 à 10, le module 1 comprend des parois souples 13 s’étendant chacune en vis-à-vis de la première face principale 8A ou de la deuxième face principale 8B d’une cellule 8. Avantageusement, les parois souples 13 s’étendent chacune en vis-à-vis, et au contact ou sensiblement au contact, de la première face principale 8A ou de la deuxième face principale 8B de chaque cellule 8. Les parois sont souples ou flexibles, et de préférence élastiques. Ainsi, une paroi souple 13, de type bande ou feuille mince, est distincte de la cellule 8 contre laquelle la paroi souple 13 s’étend. Autrement dit, chaque paroi souple 13 est apposée sur, ou recouvre, au moins partiellement, la première face principale 8A ou la deuxième face principale 8B d’une cellule 8. Par exemple, deux parois souples 13 s’étendent entre deux moyens de maintien 14, 15. Dans ce cas, chaque paroi souple 13 est par exemple fixée à un moyen de maintien 14 d’une part, et à un moyen de maintien 15 d’autre part.
Ainsi, plus précisément, les espaces 31 entre deux cellules adjacentes, ou le ou les espace(s) entre une cellule et une face intérieure 32, 34 de l’enceinte 30, s’étendent entre les parois souples 13.
Avantageusement, chaque paroi souple 13 est en polymère. De préférence, le polymère utilisé est souple de sorte à permettre un changement de forme de la paroi sous un niveau de pression P du fluide F ainsi que sous la pression due au gonflement des cellules. Par exemple, selon une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 6, au moins une parois 13 est recouverte, au moins partiellement, d’une plaque 16 du côté de son contact avec une cellule 8. Dans ce cas, la paroi 13 comprend la plaque 16 de forme rectangulaire par exemple. De préférence, la plaque 16 est obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère. Avantageusement, le matériau de la plaque 16 est un métal, par exemple du cuivre ou encore un alliage comprenant du cuivre.
Alternativement, au moins une paroi 13 comprend un insert 16’ en forme de plaque rectangulaire obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère, par exemple un métal, par exemple du cuivre ou contenant du cuivre. Par « insert », on entend que la paroi 13 comprend, sur toute l’aire ou sensiblement toute l’aire recevant l’insert 16’, uniquement l’insert 16’. Autrement dit, l’insert 16’ remplace la matière de la paroi 13 sur toute la surface de l’insert.
Avantageusement, l’aire d’une plaque 16, ou d’un insert 16’, est sensiblement égale à l’aire d’une face principale 8A, 8B d’une cellule. Une plaque 16 ou un insert 16’ vient en vis-à-vis, intégralement ou sensiblement intégralement, et au contact ou sensiblement au contact, d’une face principale 8A, 8B d’une cellule.
De préférence, comme illustré sur les figures 7 à 9, une paroi 13 s’étendant en vis-à-vis d’une première face principale 8A d’une cellule 8 et une paroi 13 s’étendant en vis-à-vis d’une deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente (non illustrée) sont monoblocs. Ainsi, les deux parois 13 forment une seule membrane 20. Avantageusement, comme illustré en particulier sur les figures 4 à 9, chaque membrane a une forme de manchon tendu entre deux moyens de maintien 14, 15. Ainsi, une membrane 20 est distincte de la cellule ou des cellules contre laquelle ou lesquelles la membrane 20 s’étend. Autrement dit, chaque membrane 20 est apposée sur, ou recouvre, au moins partiellement, la première face principale 8A ou la deuxième face principale 8B d’une cellule 8. De préférence, une même membrane 20 est apposée sur, ou recouvre, au moins partiellement, la première face principale 8A d’une cellule et la deuxième face principale 8B d’une cellule adjacente, comme illustré en particulier sur la figure 7.
Le contact de deux parois 13 de part et d’autre d’une cellule, ou de deux membranes 20 de part et d’autres d’une cellule 8, permet d’appliquer une pression P du fluide F sur les premières et deuxièmes faces principales 8A, 8B des cellules. En effet, pour rappel, le fluide F occupe les espaces 31 s’étendant alors au sein des membranes 20. En cas d’insert 16’ ou de plaque 16 au niveau des parois 13 ou membranes 20, la capacité de transmission de la chaleur depuis les faces 8A, 8B des cellules 8 vers les inserts 16’ ou les plaques 16, puis depuis les inserts 16’ ou les plaques 16 vers le fluide concourt à améliorer, à aider, le refroidissement des cellules. Autrement dit, les calories produites par les cellules sont transférées rapidement vers le fluide F qui les dissipe du fait de la circulation permanente du fluide F. Comme illustré sur les figures 5, 6, 7, 8 et 9, le module 1 , ou l’enceinte 30, comprend un premier moyen de maintien 14 de chaque membrane 20 et un deuxième moyen de maintien 15 de chaque membrane 20. Le premier et le deuxième moyens de maintien 14, 15 sont agencés de sorte à tendre une membrane 20 en vis-à-vis de la première face principale 8A d’une cellule 8 et en vis-à-vis de la deuxième face principale 8B d’une cellule 8 adjacente. Alternativement, le premier et le deuxième moyens de maintien 14, 15 sont agencés de sorte à tendre une membrane 20 en vis-à-vis de la première face principale 8A et de la face intérieure 32 de l’enceinte 30, ou en vis-à-vis de la deuxième face principale 8B et de la face intérieure 34 de l’enceinte 30. De préférence, chaque premier moyen de maintien 14 de chaque membrane 20 est cylindrique, par exemple de type tube ou arbre cylindrique plein. De préférence, chaque deuxième moyen de maintien 15 de chaque membrane 20 est cylindrique, par exemple de type tube ou arbre cylindrique plein. Ainsi, par exemple, chaque membrane 20 entoure au moins partiellement le premier moyen de maintien 14 et le deuxième moyen de maintien 15. En cas de moyen de maintien 14, 15 de section circulaire, comme illustré sur les figures 5 à 9, une membrane 20 entoure ou enveloppe sensiblement la moitié de la surface externe des moyens de maintien 14, 15 qui la maintiennent tendue. De préférence, les moyens de maintien sont rigides, par exemple obtenus à base de matière métallique ou de matériaux composites, de sorte à obtenir une résistance mécanique élevée compatible avec la tension que les moyens de maintien 14, 15 soumettent aux parois 13 ou membranes 20.
Comme il sera expliqué par la suite, en cas de phase de rétractation ou dégonflement de la cellule 8, la membrane 20 entoure les moyens de maintien 14, 15 sur la moitié ou sensiblement la moitié de leur surface externe (figure 8). Au contraire, en cas de phase de gonflement de la cellule 8 lors de la charge ou de cellule gonflée, la membrane 20 entoure les moyens de maintien 14, 15 au-delà de la moitié de leur surface externe (figure 9 - en cas de cellule adjacente à la cellule illustrée et donc également au contact de la membrane 20 illustrée, la membrane est déformée des deux côtés et non d’un seul côté comme illustré ici avec une seule cellule).
Comme illustré sur les figures 3 et 4, le module 1 ou l’enceinte 30 comprend encore une partie supérieure 11. Avantageusement, la partie supérieure 11 comprend le moyen d’évacuation 5 du fluide F. Le module 1 ou l’enceinte 30 comprend encore une partie inférieure 12. Avantageusement, la partie inférieure 12 comprend le moyen d’admission 4 du fluide F. De manière générale, la partie supérieure 11 et la partie inférieure 12 sont agencées de sorte à transmettre voire favoriser la transmission du fluide depuis la partie inférieure 12 vers les espaces 31 puis vers la partie supérieure 11. Autrement dit, les parties 11 , 12 comprennent des conduits et/ou canaux et/ou cavités permettant d’assurer l’écoulement du fluide depuis l’entrée 4 vers les espaces 31 et depuis les espaces 31 vers la sortie 5.
De préférence, la partie supérieure 11 comprend un premier moyen de positionnement des premiers et deuxièmes moyens de maintien 14, 15 et/ou des membranes 20. De préférence, comme illustré sur la figure 10, la partie inférieure 12 comprend un deuxième moyen de positionnement 19 des premiers et deuxièmes moyens de maintien 14, 15 et/ou des membranes 20. Le premier moyen de positionnement et le deuxième moyen de positionnement des moyens de maintien 14, 15 et/ou des membranes 20 sont par exemple venus de matière de la partie supérieure 11 , respectivement de la partie inférieure 12, comme illustré sur la figure 10. Par exemple, les premier et deuxième moyens de positionnement maintiennent en position les moyens de maintien 14, 15 et/ou les membranes 20, voire scellent les moyens de maintien 14, 15 et/ou les membranes 20. Par exemple, les parois 13 ou membranes 20 sont scellées sur les premier et deuxième moyens de positionnement des moyens de maintien, par exemple par collage ou par soudage laser. Les tubes 14, 15 sont par exemple agencés, insérés, dans des emplacements prévus dans la partie supérieure 11 et dans la partie inférieure 12. Les parois 13 ou membranes 20 sont également agencées dans des encoches, ou saillies ou cavités ménagées pour leur maintien au sein de la partie supérieure 11 et de la partie inférieure 12. Alternativement, les parois 13 ou membranes 20 sont soudées sur des zones des parties inférieure et supérieure 12, 11.
A noter que l’ensemble des éléments comprenant du fluide F pour la gestion de la pression P sur les faces des cellules et le conditionnement thermique des cellules sont étanches et résistent à une pression seuil maximale pouvant être atteinte par le fluide dans ces éléments.
Un mode d’exécution d’un procédé de fonctionnement du système 40 va maintenant être décrit.
Le procédé de fonctionnement du système 40 comprend une étape d’activation de la pompe 102 de sorte à obtenir un débit de fluide F créant la pression P s’appliquant sur les premières faces principales 8A et sur les deuxièmes faces principales 8B des cellules 8.
Avantageusement, le procédé comprend dans un premier temps, une étape de détermination de la pression P du fluide F par le moyen de détermination 106 de la pression, de préférence au sein de l’enceinte. Alternativement, ou en complément, le procédé comprend une étape de mesure d’une température par le moyen de mesure de température 104.
Ensuite, on procède à une étape de pilotage du débit de la pompe 102 par le moyen de pilotage 103 en fonction de la pression déterminée du fluide et/ou de la température mesurée. Ce pilotage est réalisé de sorte à maintenir la pression P constante, ou sensiblement constante, sur les premières faces principales 8A et sur les deuxièmes faces principales 8B des cellules.
Grâce à leur élasticité, les parois 13 ou membranes 20 peuvent se déformer du fait du gonflement des cellules. Ces déformations modifient le volume des espaces 31 . En cas de gonflement des cellules, le volume des espaces 31 est abaissé. En cas de dégonflement des cellules, le volume des espaces 31 est augmenté. De préférence, la pression P appliquée sur les cellules par le biais du fluide injecté à l’intérieur de l’enceinte vise uniquement à « suivre » le gonflement / dégonflement des cellules. Autrement dit, la pression P s’appliquant sur les parois ou membranes et se répercutant sur les faces 8A, 8B des cellules, et éventuellement sur les faces intérieure 32, 34 de l’enceinte 30, accompagne le gonflement des cellules et, le cas échéant, le dégonflement des cellules.
Ainsi, en cas de gonflement des cellules, notamment liée à la charge électrique des cellules, le volume de la somme des espaces 31 s’abaisse. Le moyen de détermination de la pression 106 du fluide constate une augmentation de pression. La pompe 102 est alors pilotée pour abaisser la pression du fluide afin de revenir à une valeur cible au sein du module 1. A l’inverse, en cas de dégonflement des cellules, notamment liée à la décharge électrique des cellules engendrée par la consommation d’énergie électrique stockée dans la batterie 101 , le volume des espaces 31 augmente. Le moyen de détermination de la pression 106 constate une baisse de pression. La pompe 102 est alors pilotée pour augmenter la pression du fluide afin de revenir à une valeur cible au sein du module 1.
En résumé, la solution permet d’appliquer une pression constante et continue sur les premières et deuxièmes faces principales des cellules d’un module de batterie bien que ces cellules gonflent et se rétractent de manière variable. En outre, la solution permet de refroidir les cellules par l’intermédiaire du fluide qui permet d’évacuer des calories. Ainsi, la solution permet de gérer le gonflement / la rétractation d’une cellule ou de plusieurs cellules, notamment électrochimiques, en cours de cycles de type charge/décharge, et tout au long de la vie de telles cellules.
Il en résulte que l’enceinte 30 du module, notamment ses parois 33 (figure 2), éventuellement insérée dans un boîtier ou carter de réception d’une batterie, ne subit pas de déformation engendrée par les gonflements. Lors du gonflement des cellules, la pression du fluide F est abaissée, notamment par baisse du débit de la pompe, et l’enceinte 30 n’est pas impactée en termes de déformations.
L’utilisation des parois et/ou membranes permet en outre de limiter la quantité de fluide utilisée.
Avantageusement, la pression est appliquée uniquement sur les premières et deuxièmes faces principales des cellules. En effet, avantageusement, les cellules ne sont pas immergées dans le fluide. Dans ce cas, les connectiques électriques des cellules ne sont pas soumises à la pression. Avantageusement, les membranes 20 et les parties inférieure et supérieure 12, 11 sont agencées de sorte à confiner, stocker, le fluide. Ainsi, il est éventuellement possible de changer une cellule, voire de retirer les cellules, notamment en ouvrant le module, sans fuite ou perte du fluide.
Grâce à la solution, des cellules Lithium-Ion ayant un gonflement lors de leur vieillissement ainsi qu’au cours des différents cycles de charge et de décharge sont maintenues à une certaine pression au sein de leur enceinte, en particulier au niveau de leurs faces principales. Cela est particulièrement avantageux pour des cellules présentant une forte variation volumique au cours des différents cycles de charge/décharge. C’est le cas pour des cellules comprenant des matériaux augmentant leur densité d’énergie et/ou possédant une capacité spécifique élevée, par exemple à base de silicium. Ces expansions / contractions réversibles lors des charges I décharges de la cellule, et l’expansion irréversible liée au vieillissement sont gérées par le contrôle ou la gestion du fluide circulant au sein du module. En outre, en cas de charge rapide impliquant des courants élevés générateurs d’échauffements dans la cellule, en particulier au niveau de la connectique électrique, le fluide refroidit les cellules en refroidissant leurs différentes faces. Ainsi, la présence du fluide dont la pression est contrôlée au sein du module permet de s’adapter aux gonflements des cellules tout en maîtrisant l’évolution de la température des cellules.
Autrement dit la solution permet de s’adapter au gonflement des cellules en « cyclage » et en vieillissement en ajustant la pression interne du module. En effet, via le pilotage de la pression du fluide, la pression interne évolue en fonction de l’état de charge de la cellule ou des cellules. La diminution de pression du fluide F permet de laisser les cellules 8 gonfler (figure 9) alors que l’augmentation de pression du fluide F permet de tolérer l’absence de gonflement, ou sensiblement l’absence de gonflement, des cellules 8 (figure 8). Ainsi, on suit le gonflement des cellules en ajustant la pression du fluide.
La solution permet encore de déduire le niveau de gonflement des cellules et éventuellement d’estimer l’âge des cellules. En effet, en instrumentant le système, notamment avec le moyen de détermination 106 de la pression du fluide et/ou le moyen de mesure 104 de température, il devient possible d’interpréter une commande d’une augmentation de pression ou d’une baisse de pression à la pompe 102 de transfert du fluide. Pour rappel, la solution vise à conserver une pression constante, ou sensiblement constante, sur les cellules, en particulier sur les faces principales 8A, 8B des cellules 8 afin de s’adapter au gonflement général. Par « gonflement général », on entend l’association du gonflement des cellules dû au vieillissement des cellules et le gonflement dû à une charge des cellules en énergie électrique. Ainsi, la solution offre un moyen de détermination de l’état des cellules.
Grâce notamment aux parois 13 ou membranes 20 en contact ou sensiblement en contact avec les faces 8A, 8B des cellules, la solution permet d’appliquer une pression continue sur l’assemblage de cellules, en particulier sur chaque première face principale et/ou sur chaque deuxième face principale et ce de manière réglable, ajustable, en particulier en fonction de la rigidité des parois 13 ou membranes 20.
La solution permet d’éviter que les parois de l’enceinte 30 se déforment, ou se déforment au-delà d’un seuil, du fait du gonflement des cellules. En effet, en cas de gonflement des cellules 8, le débit de la pompe 102 est diminué de sorte à laisser les cellules se déformer sans engendrer de répercussion sur les parois de l’enceinte 30. A l’inverse, lors du dégonflement des cellules, le débit de la pompe est augmenté. A noter que la circulation du fluide, de préférence continue, permet encore de contrôler, voire limiter l’évolution ou augmentation de la température des cellules. Ainsi, la circulation du fluide participe à conserver une pression constante sur les cellules toute en assurant un rôle de refroidissement. Evidemment, en cas de présence de plaques 16 ou insert 16’ au niveau des parois 13 ou membranes 20 en matériau davantage conducteur de chaleur, un meilleur échange thermique entre les cellules et le fluide accélère le refroidissement des cellules.
A noter que la solution est compatible avec différents types de matières, aussi bien pour des électrodes positives que des électrodes négatives, et/ou pour des technologies de batterie tout solide (avec un électrolyte solide) ou encore les batteries Lithium-ion conventionnelles (avec un électrolyte liquide généralement). La solution est particulièrement adaptée pour un module de batterie de véhicule électrique ou hybride ou encore comprenant un moteur thermique équipé d’une batterie, notamment de tension de l’ordre de 48 V. Le véhicule peut être un bus, un deux roues, ou autre. Alternativement, la solution peut être utilisée dans une batterie destinée à être stationnaire ou encore dans une batterie destinée à alimenter des dispositifs électroniques et/ou électriques, notamment portables.
En remarque, la solution selon l’invention atteint donc l’objectif recherché de fournir un module de batterie compatible avec les gonflements / dégonflements des cellules tout en assurant un conditionnement thermique des cellules. En outre, les performances des cellules, en particulier en termes d’autonomie et de rapidité de recharge, sont améliorées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module (1 ) pour une batterie (101 ), notamment de véhicule (100), le module (1 ) comprenant :
- une enceinte (30),
- des cellules (8) agencées au sein de l’enceinte (30), chaque cellules (8) comprenant une première face principale (8A) et une deuxième face principale (8B),
- un espace (31 ) ménagé entre la première face principale (8A) d’une cellule (8) et la deuxième face principale (8B) d’une cellule (8) adjacente et/ou un espace (31 ) ménagé entre l’une des première et deuxième faces principales (8A ; 8B) d’une cellule (8) et l’enceinte (30),
- un moyen d’admission (4) d’un fluide (F) et un moyen d’évacuation (5) du fluide (F), le fluide (F) occupant le ou les espaces (31 ) de sorte à refroidir les premières faces principales (8A) et/ou les deuxièmes faces principales (8B), caractérisé en ce que le module (1 ) comprend des parois souples (13) s’étendant chacune en vis-à-vis et au contact, ou sensiblement au contact, de la première face principale (8A) ou de la deuxième face principale (8B) d’une cellule (8) et en ce que le débit du fluide (F) est piloté de sorte à permettre de faire varier une pression (P) du fluide (F) s’appliquant sur les parois souples (13) au niveau des premières faces principales (8A) et/ou au niveau des deuxièmes faces principales (8B) des cellules (8), afin de suivre une rétractation et/ou un gonflement des cellules (8) au cours des cycles de charge / décharge des cellules (8) et/ou au cours du vieillissement des cellules (8).
2. Module (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’une paroi souple (13) s’étendant en vis-à-vis d’une première face principale (8A) d’une cellule (8) et une paroi souple (13) s’étendant en vis-à-vis d’une deuxième face principale (8B) d’une cellule (8) adjacente sont monoblocs et ne forment qu’une seule membrane (20). Module (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins une paroi souple (13) est en polymère, éventuellement recouverte au moins partiellement d’une plaque (16) du côté de son contact avec une cellule (8), la plaque (16) étant obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère, notamment un métal, ou en ce qu’au moins une paroi souple (13) comprend un insert (16’) en forme de plaque rectangulaire obtenue dans un matériau davantage conducteur de la chaleur que le polymère, notamment un métal. Module (1 ) selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que le module (1 ) comprend un premier moyen de maintien (14) de chaque membrane (20) et un deuxième moyen de maintien (15) de chaque membrane (20), de sorte à tendre chaque membrane (20) en vis-à-vis de la première face principale (8A) d’une cellule (8) et en vis-à-vis de la deuxième face principale (8B) d’une cellule (8) adjacente, ou de sorte à tendre chaque membrane (20) en vis-à-vis de la première face principale (8A) ou de la deuxième face principale (8B) d’une cellule (8) et en vis-à-vis de l’enceinte (30). Module (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque premier moyen de maintien (14) de chaque membrane (20) est cylindrique, notamment de type tube, et/ou chaque deuxième moyen de maintien (15) de chaque membrane (20) est cylindrique, notamment de type tube, chaque membrane (20) entourant notamment partiellement le premier moyen de maintien (14) et le deuxième moyen de maintien (15). Module (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’enceinte (30) comprend une partie supérieure (11 ), notamment une partie supérieure (11 ) comprenant le moyen d’évacuation (5) du fluide (F), et une partie inférieure (12), notamment une partie inférieure (12) comprenant le moyen d’admission (4) du fluide (F), la partie supérieure (11 ) et la partie inférieure (12) étant agencées de sorte à transmettre le fluide (F) depuis la partie inférieure (12) vers les espaces (31 ) puis vers la partie supérieure (11 ). Module (1 ) selon les revendications 4 et 6 ou 5 et 6, caractérisé en ce que la partie supérieure (11 ) comprend un premier moyen de positionnement des premiers et deuxièmes moyens de maintien (14, 15) et des membranes (20) et/ou en ce que la partie inférieure (12) comprend un deuxième moyen de positionnement (19) des premiers et deuxièmes moyens de maintien (14, 15) et des membranes (20). Batterie (101 ), caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un module (1 ) selon l’une des revendications précédentes. Système (40) comprenant un module (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7 ou une batterie (101 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une pompe (102) pour le fluide (F) et des moyens de pilotage (103) de paramètres de la pompe (102), notamment son activation et/ou sa désactivation et/ou son niveau de débit,
- un moyen de détermination (106) de la pression du fluide (F), notamment au sein de l’enceinte (30),
- un moyen de mesure (104) de la température au niveau du module (1 ) et/ou au niveau de l’enceinte (30) et/ou au niveau d’au moins une cellule (8). Véhicule (100), notamment véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un système (40) selon la revendication précédente ou une batterie (101 ) selon la revendication 8 ou un module (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7. Procédé de fonctionnement d’un système (40) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’activation de la pompe (102) de sorte à obtenir un débit de fluide (F) créant une pression (P) s’appliquant sur au moins une paroi souple (13) en vis-à-vis d’une première face principale (8A) d’une cellule (8) et/ou sur au moins une paroi souple (13) en vis-à-vis d’une deuxième face principale (8B) d’une cellule (8). Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de détermination de la pression (P) du fluide (F) par le moyen de détermination (106) de la pression et/ou une étape de mesure d’une température par le moyen de mesure de température (104),
- une étape de pilotage du débit de la pompe (102) par le moyen de pilotage (103) en fonction de la pression déterminée du fluide et/ou de la température mesurée de sorte à maintenir une pression (P) constante ou sensiblement constante sur au moins une première face principale (8A) et/ou sur au moins une deuxième face principale (8B) d’une cellule (8).
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