WO2024236249A1 - Batterie comprenant au moins un empilement de cellules électriques et procédé de montage associé - Google Patents

Batterie comprenant au moins un empilement de cellules électriques et procédé de montage associé Download PDF

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Kevin KAPPLER
Frédéric Pinard
Sébastien THOMASSIER
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Safran Electrical and Power SAS
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Definitions

  • TITLE Battery comprising at least one stack of electric cells and associated assembly method
  • the present invention relates to the storage of electrical energy, in particular in the field of aeronautics. It relates generally to the storage of electrical energy, for applications in which mass is an important issue.
  • Lithium-Ion batteries typically a voltage lower than 120V.
  • battery means a set of individual modules each comprising power elements arranged in series and/or parallel in order to achieve the desired electrical voltage and electrical capacity.
  • the battery voltage for example to 800 V.
  • the power elements or electrical cells of the battery are generally grouped into modules, each of which contains a certain number of cells, including mechanical fixing, electrical connection and possibly thermoregulation devices.
  • Document FR 3 067 859 A1 describes in this regard a battery comprising a stack of a plurality of cells assembled by means of mechanical fixing devices comprising frames or shells in which the cells are inserted. This assembly multiplies the mechanical interfaces and does not allow the integration to be optimized in terms of volume and mass. In addition, the presence of rather thermally insulating frames or shells disrupts the heat exchange within the battery, making the thermal management of the battery more difficult.
  • the aim of the invention is therefore to propose an electrical energy storage battery, in particular for an aircraft, whose integration in terms of volume and mass is improved, and whose thermal management is facilitated.
  • the subject of the invention is an electrical energy storage battery comprising at least one stack of electrical cells, a housing comprising a base on which said stack of the battery is fixed and a bell covering the base.
  • the battery comprises at least two compression plates arranged on either side of said stack, means for fixing said plates to the base, and at least one tie rod capable of compressing the compression plates against the cells of said stack, the number of tie rods being exactly one greater than the number of stacks.
  • the base includes means of thermal management of the electric cells.
  • the use of stacked electric cells in such a battery improves integration in terms of volume and mass. Thermal management of the electric cells is facilitated by heat exchange with the base.
  • the use of compression plates on either side of the stack reduces the need to include other mechanical compression elements, such as additional tie rods.
  • the tie rods are provided only in the upper part of the compression plates.
  • a stack of cells can be held by only two tie rods associated with the compression plates.
  • each stack of cells comprises at each of its ends a layer of end foam, such that the compression plates are in contact with said layers of end foam of the stacks.
  • the battery comprises at least one heat sink disposed on a first external surface of at least one cell of each stack and/or comprises at least one intermediate foam layer disposed on a second external surface of at least one cell of each stack, the second external surface being opposite the first.
  • the heat sink comprises at least one layer of graphite and at least one layer of glue.
  • the heat drain is folded under the cell with which it is in contact, so as to constitute a contact surface of the drain with the base.
  • Such a configuration makes it possible to increase thermal transfers between the base and the cells.
  • the battery includes a layer of glue covering the contact surface of the drain with the base.
  • the fixing means comprise first and second fixing elements, said first elements being fixed on the base and intended to pass through holes provided on a base of each compression plate, and said second fixing elements cooperating with the first fixing elements to fix the compression plates to the base.
  • the first fixing elements fixed to the base comprise at least one stud.
  • said stud passes through a hole provided at the base of the compression plate, and oriented in the direction of lateral movement of the compression plate.
  • the second fastening elements comprise at least one nut.
  • the base comprises adjustment means capable of imposing a lateral displacement on a compression plate so as to move said compression plate closer to or further away from the middle of the base, when said lateral displacement is respectively increased or reduced.
  • the adjustment means comprise at least one cam capable of cooperating with a base of the compression plate.
  • the battery comprises a protective wall fixed to the compression walls and arranged between the cells and the bell, so as to protect the bell in the event of thermal runaway of the cells.
  • the battery comprises at least one intermediate wall fixed to the base, oriented parallel to the electric cells and arranged inside each stack.
  • the invention relates to a method for mounting a battery as described above, comprising the following steps: placing a first compression plate, placing at least one stack of electric cells against the first plate, placing a second compression plate opposite the first plate, and arranged in contact with the stacks of cells, pressurizing the two compression plates against the stacks, gradually bringing the two compression plates together, after the plates have come together, fixing the compression plates to the base and installing the tie rods, and tensioning the tie rods.
  • the invention relates to an aircraft comprising at least one electrical energy storage battery comprising at least one stack of electrical cells, the battery being as defined above according to the first aspect.
  • FIG 1 is a schematic perspective view of an electrical energy storage battery according to one embodiment of the invention.
  • FIG 2 is a perspective view of the battery of Fig. 1, in which the housing bell has been removed;
  • FIG 3 is a side view of the battery of Figure 2;
  • FIG 4 is a perspective view of a detail of the connection between a compression plate and the base of the battery of Figure 2;
  • FIG 5 is a partial perspective view of a battery according to one embodiment of the invention.
  • FIG 6 is a flowchart of a method of assembling a battery according to one embodiment of the invention.
  • Figures 1 and 2 illustrate an exemplary embodiment of an electrical energy storage battery according to the invention, designated by the general numerical reference 1.
  • the battery 1 comprises a housing 2 comprising a base 3 and a bell 4.
  • the housing 2 is intended to ensure the assembly, connection and protection of the power elements of the battery 1, visible in figure 2 in which the bell has not been shown.
  • the housing 2 is provided with means for mechanically fixing the bell to the base, made for example in the form of screws, bolts or any other fixing means appropriate for the intended use.
  • the battery 1 is intended to be carried on board an aircraft. It will be noted, however, that the invention also applies, in general, to other fields and environments in which problems of mass management and integration arise.
  • the base 3 is also equipped with several fixing elements 5 which allow its installation on board an aircraft. It will be noted, however, that the base 3 may be constituted, as a variant, by a structural element supporting the aircraft provided for the integration of the battery.
  • this covers all the elements located inside the housing 2 and represents a physical barrier which separates and protects the interior of the housing 2 and its external environment.
  • the bell 4 is intended in particular to reduce the risk of gas leaks.
  • a seal is implemented between the base 3 and the bell 4 to contain the gases.
  • the bell 4 provides a function of protecting the external environment of the housing 2 by limiting the impact of this event on the external environment of the housing 2.
  • the power elements of the battery 1 comprise electric cells 6.
  • the cells 6 are preferably of prismatic format with flexible packaging, usually designated by the Anglo-Saxon term “pouch”.
  • the electric cells 6 are grouped in at least one stack 7.
  • the cells of a stack are arranged next to each other along a longitudinal axis X of the stack (figure 3).
  • the longitudinal axis X of the stack is parallel to the base 3.
  • the battery 1 comprises at least two opposing compression plates 8, arranged on either side of the stacks 7 of cells 6.
  • the compression plates 8 are here placed at lateral positions, at the ends of the at least one stack 7.
  • the compression plates 8 are limited to the ends of the stacks 7 of cells 6. the number of compression plates to two, one per side, but it is still possible to provide a greater number of plates.
  • the compression plates 8 have a rigidity enabling them to meet maximum admissible deformation criteria along the longitudinal axis X of the stack, under the maximum pressure exerted by the cells 6.
  • the rigidity of the plates 8 is such that the maximum deformation is less than 0.1 mm.
  • the compression plates 8 include stiffeners 8a.
  • the compression plates 8 are preferably substantially planar and extend orthogonally to the longitudinal axis X of the stack of cells.
  • the compression plates 8 are connected by their lower part 9 to the base 3 by fixing means 10.
  • the compression plates 8 are connected to each other by their upper part 11 by at least one tie rod, preferably by tie rods 12.
  • the tie rods 12 are installed in a direction parallel to the longitudinal axes X of the stacks 7 and parallel to the base 3.
  • the number of tie rods 12 is reduced compared to solutions used conventionally in which the tie rods are present both in the lower part and in the upper part of the compression plates.
  • the tie rods 12 are here preferably only arranged in the upper part 11 of the compression plates 8.
  • a single stack of cells could be held by only two tie rods.
  • a single tie rod 12 could be arranged only in the upper part 11 of the compression plates 8 to further reduce the number of tie rods.
  • tie rods 12 which is one unit greater than the number of stacks 7.
  • four tie rods 12 are present for three stacks 7, i.e. one of more than the number of stacks. This reduction in the number of tie rods allows for better integration in terms of mass and volume.
  • the base 3 is capable of providing a thermal management functionality and is associated for this purpose with thermal management means.
  • the thermal management means may in particular comprise at least one heat exchanger 13, provided with pipes, inside which a heat transfer fluid circulates.
  • the heat transfer fluid is for example a coolant.
  • the heat exchanger 13 has for example a serpentine shape.
  • the base 3 is advantageously made of thermally conductive material, in particular of metallic material.
  • the heat exchanger 13 is for example integrated into the base 3, which optimizes the thermal path between the cells and the fluid, by reducing the thermal resistances linked to the passages between components.
  • the heat exchanger can be installed in heat exchange relationship with the base 3, preferably with an external face of the base 3, that is to say with the face opposite an internal face which accommodates the cells 6.
  • the base 3 is in heat exchange relationship with the electric cells 6 and can therefore bring and maintain the cells 6 at optimum operating temperatures.
  • the battery 1 preferably comprises at least one intermediate wall 14 fixed to the base 3, oriented parallel to the electric cells 6 and arranged inside each stack 7.
  • FIG. 2 illustrates a single intermediate wall 14 arranged in a central zone of the base 3, corresponding approximately to the middle of the base 3.
  • the intermediate walls 14 extend over most of the width of the base 3.
  • each stack 7 comprises at each of its ends 7a, 7b a layer of end foam 15.
  • Each cell 6 comprises a first external surface S I and a second external surface S2 opposite the first.
  • the first external surface S1 of each cell 6 is in contact with a heat sink 16 and the second external surface S2 is in contact with a foam layer 17, 15.
  • the stack comprises two end foam layers 15 and a plurality of intermediate foam layers 17.
  • the foam layers 15, 17 provide a thermal insulation function and have an elasticity capable of compensating for dimensional variations in the cells 6 during their operation, while returning a pressure compatible with the admissible limits of the cells 6.
  • the foam layers 15, 17 may in particular comprise reinforcing fibers, an aerogel, a neoprene, and/or a thermoplastic.
  • the number of foam layers 17 required to compensate for the dimensional variation of the cells 6 depends on the type of cells used. Thus, depending on the chemistry of the cells 6, it is possible to drastically reduce the number of foam layers 17, or even eliminate them.
  • the heat sink 16 comprises at least one layer of graphite and at least one layer of glue.
  • the graphite layer of the heat sink 16 is placed in contact with the external surface S I of the associated cell 6 in order to maximize the heat transfer capacity between the drain and the associated cell.
  • the heat drain 16 comprises a metal layer, for example made of aluminum or copper, associated with a layer of glue and a layer of graphite.
  • Each heat drain 16 comprises a main portion 16a and an end portion 16b.
  • the main portion 16a is oriented in a direction perpendicular to a longitudinal axis X of the stack which is normal to the surfaces SI, S2 of the cells 6.
  • the main portions 16a of the heat drains 16 are parallel to the surfaces SI, S2.
  • the main portion 16a is in contact with the surface SI of the associated cell 6 and the end portion 16b is folded under the associated cell 6 so as to constitute a contact surface 16c of the drain 16 with the base 3.
  • a layer of glue covers the contact surface 16c of the drain 16 with the base 3, in order to reduce the risk of relative displacement between the drains and the base.
  • the fastening means 10 of the compression plates 8 comprise first fastening elements 18 and second fastening elements 19.
  • the first fastening elements 18 are fastened to the base 3. They are intended to pass through holes provided on a base 20 of each compression plate 8 and cooperate with the second fastening elements 19 to fasten the compression plates 8 to the base 3.
  • the first fastening elements 18 may in particular be studs, threaded rods or bolts.
  • the second fastening elements 19 may be nuts.
  • the base 3 is provided with adjustment means 21 capable of imposing a lateral displacement D on at least one compression plate 8.
  • the lateral displacement is imposed here by a rotation R of a cam 22 whose profile is in contact with the plate 8 and which presses on the latter.
  • the profile of the cam 22 can for example press on the edge of the base 20.
  • the position of the plate 8 can be adjusted according to the rotation R of the cam, so as to bring the compression plate 8 closer to or further away from the middle of the base 3 when the lateral displacement D imposed by the rotation R is respectively increased or reduced.
  • each first fixing element 18 passes through an oblong hole 23 provided on the base 20 and oriented in the direction of lateral movement D to allow this movement.
  • the use of such adjustment means 22 makes it possible to guard against possible negative consequences of manufacturing tolerances. It thus becomes possible to precisely adjust the longitudinal distance between the compression plates 8, and to allow better control of the pressure exerted on the stacks 7 of the cells 6.
  • the base 3 participates in the compression of the cells 6 and in their maintenance in the stack 7.
  • the battery is provided with a protective wall 24 fixed on the compression walls 8 and arranged between the electric cells of the battery and the bell 4, so as to protect the bell 4 in the event of thermal runaway of the cells.
  • the protective wall 24 is supported vertically by the base 3 and rests laterally on bosses 25 provided on the base 3.
  • the protective wall 24 can further be fixed to the intermediate walls 14.
  • Figure 6 is a flowchart of a method of mounting a battery 1 according to a possible exemplary embodiment of the invention.
  • the method begins with a step 26 of placing a first compression wall 8 at a first predetermined height.
  • At least one stack 7 of electric cells 6 is placed against the first plate 8.
  • Each stack 7 is preferably installed at a second predetermined dimension, different from the first, so that the edge intended to be in contact with the base 3 is further from the center of the stack than the edge of the base 20 also intended to be in contact with the base 3. This difference between the first dimension and the second dimension is called "negative clearance".
  • a flexible seal can be provided under each cell 6, also creating a negative clearance.
  • a second compression plate 8 opposite the first and arranged in contact with the stacks 7 of cells 6 is then put in place (step 28). The second compression plate is put in place at the same first dimension as the first compression plate 8.
  • the method continues with a step 29 of pressurizing the two compression plates 8 against the stacks of cells, using pressurizing means.
  • the pressurizing means may in particular be hydraulic cylinders, preferably controllable in movement.
  • the two compression walls 8 are gradually brought closer together by controlling the pressurization means. Control is preferably carried out by movement to ensure perfect control of the relative position of the compression plates 8.
  • the method continues with a step 31 of fixing the compression plates to the base 3, followed by a step 32 of installing the tie rods 12.
  • the step 32 of installing the tie rods 12 can be carried out before the step 31 of fixing the plates 8 to the base 3.
  • the method may include an optional step of placing a layer of glue on the contact surfaces 16b of the heat drains 16 with the base 3.
  • the layer of glue and the additional pressure between the stacks 7 and the base 3 generated by the negative clearance described above contribute to maintaining contact between the heat drains 16 and the base 3.
  • the process ends with tensioning the tie rods 12 (step 33).
  • the tensioning of the tie rods can be carried out by removing or by deactivating the pressurizing means used during the previous pressurizing and rimpedement steps.
  • the tension of the tie rods 12 could be increased, for example by means of active anchors.
  • the tension forces of the tie rods 12 are balanced by the compression forces acting on the compression plates 8.

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Abstract

L'invention concerne une batterie (1) de stockage d'énergie électrique comprenant au moins un empilement (7) de cellules (6) électriques, un boît ier comportant un socle (3) sur lequel est fixé ledit empilement (7) de la batterie (1) et une cloche coiffant le socle (3). La batterie (1) comprend au moins deux plaques (8) de compression disposées de part et d'autre dudit empilement (7), des moyens de fixation (10) desdites plaques (8) au socle (3), et au moins un tirant (12) apte à comprimer les plaques de compression contre les cellules dudit empilement (7). Le socle (3) comprend des moyens de gestion thermique (13) des cellules (6) électriques.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Batterie comprenant au moins un empilement de cellules électriques et procédé de montage associé
Domaine technique
La présente invention concerne le stockage de l’ énergie électrique, en particulier dans le domaine de l’ aéronautique. Elle se rapporte de manière générale au stockage de l’ énergie électrique, pour des applications dans lesquelles la masse est un enjeu important.
Techniques antérieures
Classiquement, dans le domaine de l’ aéronautique, le stockage de l’énergie électrique s’effectue au moyen de batteries Lithium-Ion à basse tension, typiquement une tension inférieure à 120V.
Le terme batterie signifie un ensemble de modules individuels comprenant chacun des éléments de puissance agencés en série et/ou en parallèle afin d’ atteindre la tension électrique et la capacité électrique voulues.
Les aéronefs modernes présentent des besoins croissants en énergie électrique, ce qui nécessite de configurer les batteries en conséquence. En effet, le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. Diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats.
L’ aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’ améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’ emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible, pour réduire l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’ avion, l’ allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et enfin les biocarburants aéronautiques.
Afin de fournir la puissance électrique demandée tout en minimisant le poids des équipements électriques, il est intéressant d’ élever la tension des batteries, par exemple à 800 V.
A l'intérieur des batteries à haute tension, les éléments de puissance ou cellules électriques de la batterie sont généralement regroupés en modules, qui contiennent chacun un certain nombre de cellules, y compris des dispositifs de fixation mécanique, de raccordement électrique et éventuellement de thermorégulation.
Afin d’ améliorer l’intégration de la batterie en termes de volume et de masse, il est possible d’ empiler les cellules.
Le document FR 3 067 859 Al décrit à cet égard une batterie comprenant un empilement d’une pluralité de cellules assemblées au moyen de dispositifs de fixation mécanique comprenant des cadres ou des coques dans lesquels sont insérées les cellules. Ce montage multiplie les interfaces mécaniques et ne permet pas d’ optimiser l’ intégration en termes de volume et de masse. En outre, la présence de cadres ou de coques plutôt isolants thermiquement perturbe l’ échange de chaleur au sein de la batterie rendant plus difficile la gestion thermique de la batterie.
Il existe par ailleurs des modules batterie comprenant des assemblages de cellules empilées, maintenues en compression à l’ aide de quatre tirants. La présence d’un nombre aussi important de tirants affecte négativement le bilan de l’ intégration en termes de volume et de masse. Par ailleurs, la gestion thermique de tels assemblages n’ est pas considérée. Exposé de l’invention
Le but de l’invention est donc de proposer une batterie de stockage d’ énergie électrique, notamment pour un aéronef, dont l’ intégration en termes de volume et de masse est améliorée, et dont la gestion thermique est facilitée.
L’ invention a pour objet, selon un premier aspect, une batterie de stockage d’ énergie électrique comprenant au moins un empilement de cellules électriques, un boîtier comportant un socle sur lequel est fixé ledit empilement de la batterie et une cloche coiffant le socle.
La batterie comprend au moins deux plaques de compression disposées de part et d’ autre dudit empilement, des moyens de fixation desdites plaques au socle, et au moins un tirant apte à comprimer les plaques de compression contre les cellules dudit empilement, le nombre de tirants étant supérieur exactement d’une unité au nombre d’ empilements.
En outre, le socle comprend des moyens de gestion thermique des cellules électriques.
L’utilisation de cellules électriques empilées dans une telle batterie permet d’ améliorer l’intégration en termes de volume et de masse. La gestion thermique des cellules électriques est facilitée par l’ échange thermique avec le socle. L’utilisation de plaques de compression de part et d’ autre de l’ empilement permet notamment de réduire le besoin d’inclure d’ autres éléments mécaniques de compression, tels que des tirants additionnels.
L’utilisation d’un nombre de tirants supérieur exactement d’une unité au nombre d’ empilements, permet d’ avoir un nombre plus réduit de tirants par rapport aux modules de batterie de l’ art antérieur et se traduit par des gains de masse significatifs.
Selon une caractéristique préférentielle de l’ invention, les tirants sont prévus uniquement en partie supérieure des plaques de compression. Ainsi, avantageusement, un empilement de cellules peut être maintenu par uniquement deux tirants associés aux plaques de compression.
De préférence, chaque empilement de cellules comprend à chacune de ses extrémités une couche de mousse d’ extrémité, de manière que les plaques de compression soient en contact avec lesdites couches de mousse d’ extrémité des empilements.
Par exemple, la batterie comprend au moins un drain thermique disposé sur une première surface externe d’ au moins une cellule de chaque empilement et/ou comprend au moins une couche intermédiaire de mousse disposée sur une deuxième surface externe d’ au moins une cellule de chaque empilement, la deuxième surface externe étant opposée à la première.
Selon une caractéristique, le drain thermique comprend au moins une couche de graphite et au moins une couche de colle.
De préférence, le drain thermique est plié sous la cellule avec laquelle il est en contact, de manière à constituer une surface de contact du drain avec le socle.
Une telle configuration permet d’ accroître les transferts thermiques entre le socle et les cellules.
Selon une autre caractéristique, la batterie comprend une couche de colle recouvrant la surface de contact du drain avec le socle.
Par exemple, les moyens de fixation comprennent des premiers et deuxièmes éléments de fixation, lesdits premiers éléments étant fixés sur le socle et destinés à traverser des trous ménagés sur une embase de chaque plaque de compression, et lesdits deuxièmes éléments de fixation coopérant avec les premiers éléments de fixation pour fixer les plaques de compression au socle.
De préférence, les premiers éléments de fixation fixés sur le socle comprennent au moins un goujon.
De préférence, ledit goujon traverse un trou ménagé au niveau de l’ embase de la plaque de compression, et orienté dans la direction du déplacement latéral de la plaque de compression. De préférence, les deuxièmes éléments de fixation comprennent au moins un écrou.
Avantageusement, le socle comprend des moyens de réglage aptes à imposer un déplacement latéral à une plaque de compression de manière à rapprocher ou à éloigner ladite plaque de compression du milieu du socle, lorsque ledit déplacement latéral est respectivement augmenté ou réduit.
De tels moyens de réglage permettent une maîtrise parfaite de la distance relative entre les plaques de compression.
De préférence, les moyens de réglage comprennent au moins une came apte à coopérer avec une embase de la plaque de compression.
Avantageusement, la batterie comprend une paroi de protection fixée sur les parois de compression et disposée entre les cellules et la cloche, de manière à protéger la cloche en cas d’ emballement thermique des cellules.
Par exemple, la batterie comprend au moins une paroi intermédiaire fixée au socle, orientée parallèlement aux cellules électriques et disposée à l’intérieur de chaque empilement.
Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un procédé de montage d’une batterie telle que décrit ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : mise en place d’une première plaque de compression, mise en place d’ au moins un empilement de cellules électriques contre la première plaque, mise en place d’une deuxième plaque de compression opposée à la première plaque, et disposée en contact avec les empilements de cellules, mise en pression des deux plaques de compression contre les empilements, rapprochement progressif des deux plaques de compression, à l’ issue du rapprochement des plaques, fixation des plaques de compression au socle et installation des tirants, et mise en tension des tirants. Selon un autre aspect, l’ invention se rapporte à un aéronef comportant au moins une batterie de stockage d’ énergie électrique comprenant au moins un empilement de cellules électriques, la batterie étant telle que définie ci-avant selon le premier aspect.
Brève description des dessins
D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig 1 ] est une vue schématique en perspective d’une batterie de stockage d’ énergie électrique selon un mode de réalisation de l’ invention ;
[Fig 2] est une vue en perspective de la batterie de la figure 1 , dans laquelle la cloche du boîtier a été ôtée ;
[Fig 3] est une vue latérale de la batterie de la figure 2 ;
[Fig 4] est une vue en perspective d’un détail de la liaison entre une plaque de compression et le socle de la batterie de la figure 2 ;
[Fig 5] est une vue partielle en perspective d’une batterie selon un mode de l’invention ; et
[Fig 6] est un organigramme d’un procédé de montage d’une batterie selon un mode de l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation d’une batterie de stockage d’ énergie électrique conforme à l’invention, désignée par la référence numérique générale 1.
La batterie 1 comprend un boîtier 2 comportant un socle 3 et une cloche 4. Le boîtier 2 est destiné à assurer le montage, la connectique et la protection des éléments de puissance de la batterie 1 , visibles sur la figure 2 sur laquelle la cloche n’ a pas été représentée.
Le boîtier 2 est doté de moyens de fixation mécanique de la cloche sur le socle, réalisés par exemple sous la forme de vis, boulons ou tout autre moyen de fixation approprié pour l’utilisation envisagée. Dans le mode de réalisation décrit, la batterie 1 est destinée à être embarquée à bord d’un aéronef. On notera toutefois que l’ invention s’ applique également, de manière générale, à d’ autres domaines et environnements dans lesquels des problématiques de gestion de masse et d’ intégration se posent.
Le socle 3 est par ailleurs équipé de plusieurs éléments de fixation 5 qui permettent son installation à bord d’un aéronef. On notera toutefois que le socle 3 peut être constitué, en variante, par un élément structurel de support de l’ aéronef prévu pour l’intégration de la batterie.
En ce qui concerne la cloche 4, celle-ci couvre l’ ensemble des éléments situés à l’ intérieur du boîtier 2 et représente une barrière physique qui sépare et protège l’intérieur du boîtier 2 et son environnement extérieur.
La cloche 4 est notamment destinée à diminuer le risque de fuites de gaz. De préférence, un joint d’ étanchéité est mis en œuvre entre le socle 3 et la cloche 4 pour contenir les gaz.
Par ailleurs, dans l’éventualité d’un événement de type emballement thermique de la batterie 1 , la cloche 4 assure une fonction de protection de l’ environnement extérieur du boîtier 2 en limitant l’ impact de cet événement sur l’environnement extérieur du boîtier 2.
Les éléments de puissance de la batterie 1 comprennent des cellules électriques 6. Les cellules 6 sont préférentiellement de format prismatique à emballage souple, usuellement désignées par le terme anglo-saxon « pouch » .
Les cellules électriques 6 sont groupées en au moins un empilement 7. Autrement dit, les cellules d’un empilement sont disposées les unes à côté des autres le long d’un axe longitudinal X de l’ empilement (figure 3) . De préférence, l’ axe longitudinal X de l’ empilement est parallèle au socle 3.
La batterie 1 comprend au moins deux plaques de compression 8 opposées, disposées de part et d’ autre des empilements 7 de cellules 6. Les plaques de compression 8 sont ici placées à des positions latérales, aux extrémités de l’ au moins un empilement 7. De préférence, on limite le nombre de plaques de compression à deux, soit une par côté, mais il reste possible de prévoir un nombre de plaques 8 plus grand.
Les plaques de compression 8 ont une rigidité permettant de respecter des critères de déformation maximale admissible le long de l’ axe longitudinal X de l’ empilement, sous la pression maximale exercée par les cellules 6. Par exemple, la rigidité des plaques 8 est telle que la déformation maximale est inférieure à 0.1 mm.
Afin de respecter les critères de déformation maximale tout en réduisant la masse, les plaques de compression 8 comportent des raidisseurs 8a.
Les plaques de compression 8 sont de préférence sensiblement planes et s’ étendent orthogonalement à l’ axe longitudinal X de l’ empilement de cellules.
Les plaques de compression 8 sont reliées par leur partie inférieure 9 au socle 3 par des moyens de fixation 10.
Dans le présent exemple, les plaques de compression 8 sont reliées l’une à l’ autre par leur partie supérieure 1 1 par au moins un tirant, de préférence par des tirants 12.
De préférence, les tirants 12 sont installés selon une direction parallèle aux axes longitudinaux X des empilements 7 et parallèle au socle 3.
Avantageusement, le nombre de tirants 12 est réduit par rapport à des solutions utilisées classiquement dans lesquelles les tirants sont présents à la fois en partie inférieure et en partie supérieure des plaques de compression. Les tirants 12 sont ici de préférence uniquement disposés dans la partie supérieure 1 1 des plaques de compression 8. Ainsi, un unique empilement de cellules pourrait être maintenu par uniquement deux tirants. En variante, un seul tirant 12 pourrait être disposé uniquement dans la partie supérieure 1 1 des plaques de compression 8 pour diminuer encore plus le nombre de tirants.
Il en résulte ici un nombre total de tirants 12 supérieur d’une unité au nombre d’ empilements 7. Dans l’ exemple illustré sur la figure 2, quatre tirants 12 sont présents pour trois empilements 7 , soit un de plus que le nombre d’ empilements. Cette réduction du nombre de tirants permet une meilleure intégration en termes de masse et de volume.
Le socle 3 est apte à assurer une fonctionnalité de gestion thermique et est associé à cet effet à des moyens de gestion thermique. Les moyens de gestion thermique peuvent notamment comprendre au moins un échangeur de chaleur 13 , muni de tuyaux, à l’intérieur desquels circule un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est par exemple un liquide de refroidissement. L’ échangeur de chaleur 13 présente par exemple une forme en serpentin. Le socle 3 est avantageusement réalisé en matériau thermiquement conducteur, notamment en matériau métallique.
L’ échangeur de chaleur 13 est par exemple intégré au socle 3, ce qui optimise le chemin thermique entre les cellules et le fluide, en réduisant les résistances thermiques liées aux passages entre composants. Alternativement, l’échangeur de chaleur peut être installé en relation d’ échange thermique avec le socle 3 , de préférence avec une face externe du socle 3, c’ est-à-dire avec la face opposée à une face interne qui accueille les cellules 6.
Le socle 3 est en relation d’ échange thermique avec les cellules électriques 6 et peut en conséquence amener et maintenir les cellules 6 à des températures de fonctionnement optimales.
La batterie 1 comprend de préférence au moins une paroi intermédiaire 14 fixée au socle 3, orientée parallèlement aux cellules électriques 6 et disposée à l’intérieur de chaque empilement 7. La figure 2 illustre une unique paroi intermédiaire 14 disposée dans une zone centrale du socle 3, correspondant approximativement au milieu du socle 3. En variante, il reste possible de prévoir plusieurs parois intermédiaires, disposées à des intervalles réguliers de chaque empilement. De préférence, les parois intermédiaires 14 s’ étendent sur la majeure partie de la largeur du socle 3.
La présence de parois intermédiaires 14 participe à rigidifier les empilements 7 et a pour effet de limiter les déformations dans une direction normale au socle 3. La présence de parois intermédiaires 14 participe à la bonne tenue aux vibrations de la batterie 1. En référence à la figure 3, chaque empilement 7 comprend à chacune de ses extrémités 7a, 7b une couche de mousse d’extrémité 15.
Chaque cellule 6 comprend une première surface S I externe et une deuxième surface S2 externe opposée à la première.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, la première surface S I externe de chaque cellule 6 est en contact avec un drain thermique 16 et la deuxième surface S2 externe est en contact avec une couche 17 , 15 en mousse. En variante, il reste possible que seules certaines cellules 6 d’un empilement donné soient en contact avec un drain thermique et/ou une couche 17, 15 en mousse, voire que les cellules 6 ne soient en contact ni avec un drain, ni avec une couche 17 en mousse. Ici, l’empilement comprend deux couches de mousse d’ extrémité 15 et une pluralité de couches intermédiaires de mousse 17. Les couches de mousse 15, 17 assurent une fonction d’ isolation thermique et présentent une élasticité apte à compenser les variations dimensionnelles des cellules 6 lors de leur fonctionnement, tout en renvoyant une pression compatible avec les limites admissibles des cellules 6.
Les couches de mousse 15, 17 peuvent notamment comprendre des fibres de renfort, un aérogel, un néoprène, et/ou un thermoplastique.
Le nombre des couches 17 en mousse nécessaires pour compenser la variation dimensionnelle des cellules 6 dépend du type de cellules utilisé. Ainsi, en fonction de la chimie des cellules 6, il est possible de réduire drastiquement le nombre de couches 17 en mousse, voire de les supprimer.
Le drain thermique 16 comprend au moins une couche de graphite et au moins une couche de colle. La couche de graphite du drain thermique 16 est placée en contact avec la surface S I externe de la cellule 6 associée afin de maximiser la capacité de transfert thermique entre le drain et la cellule associée.
Dans un mode de réalisation particulier, le drain thermique 16 comprend une couche métallique, par exemple constituée par de l’ aluminium ou par du cuivre, associée à une couche de colle et une couche de graphite. Chaque drain thermique 16 comprend une partie principale 16a et un partie terminale 16b. La partie principale 16a est orientée selon une direction perpendiculaire à un axe longitudinal X de l’ empilement qui est normal aux surfaces S I , S2 des cellules 6. Autrement dit, les parties principales 16a des drains thermiques 16 sont parallèles aux surfaces S I , S2. La partie principale 16a est en contact avec la surface S I de la cellule 6 associée et la partie terminale 16b est pliée sous la cellule 6 associée de manière à constituer une surface de contact 16c du drain 16 avec le socle 3.
De préférence, une couche de colle recouvre la surface de contact 16c du drain 16 avec le socle 3, afin de réduire le risque de déplacement relatif entre les drains et le socle.
Les moyens de fixation 10 des plaques de compression 8 comprennent des premiers éléments de fixation 18 et des deuxièmes éléments de fixation 19. Les premiers éléments de fixation 18 sont fixés sur le socle 3. Ils sont destinés à traverser des trous ménagés sur une embase 20 de chaque plaque de compression 8 et coopèrent avec les deuxièmes éléments de fixation 19 pour fixer les plaques de compression 8 au socle 3. Les premiers éléments de fixation 18 peuvent notamment être des goujons, des tiges filetées ou des boulons. Les deuxièmes éléments de fixation 19 peuvent être des écrous.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, le socle 3 est muni de moyens de réglage 21 aptes à imposer un déplacement latéral D à au moins une plaque de compression 8. Le déplacement latéral est imposé ici par une rotation R d’une came 22 dont le profil est en contact avec la plaque 8 et qui appuie sur celle-ci. Le profil de la came 22 peut par exemple appuyer sur le bord de l’ embase 20. La position de la plaque 8 peut être ajustée en fonction de la rotation R de la came, de manière à rapprocher ou à éloigner la plaque de compression 8 du milieu du socle 3 lorsque le déplacement latéral D imposé par la rotation R est respectivement augmenté ou réduit.
Dans ce mode de réalisation, chaque premier élément de fixation 18 traverse un trou oblong 23 ménagé sur l’embase 20 et orienté dans la direction du déplacement latéral D pour autoriser ce déplacement. L’utilisation de tels moyens de réglage 22 permet de se prémunir contre d’ éventuelles conséquences négatives des tolérances de fabrication. Il devient ainsi possible d’ ajuster avec précision la distance longitudinale entre les plaques de compression 8, et de permettre une meilleure maîtrise de la pression exercée sur les empilements 7 des cellules 6.
Ainsi, grâce d’une part à la présence des deux plaques de compression 8 sur les côtés, et grâce d’ autre part à la fixation mécanique précise des plaques de compression 8 sur le socle 3 à l’ aide des moyens de fixation 10 (comprenant par exemple des goujons tel que décrit ci- avant), le socle 3 participe à la compression des cellules 6 et à leur maintien dans l’ empilement 7.
En référence à la figure 5 , selon une variante possible, la batterie est munie d’une paroi de protection 24 fixée sur les parois de compression 8 et disposée entre les cellules électriques de la batterie et la cloche 4, de manière à protéger la cloche 4 en cas d’emballement thermique des cellules.
La paroi de protection 24 est supportée verticalement par le socle 3 et prend appui latéralement sur des bossages 25 prévus sur le socle 3.
La paroi de protection 24 peut en outre être fixée aux parois intermédiaires 14.
La figure 6 est un organigramme d’un procédé de montage d’une batterie 1 selon un exemple possible de réalisation de l’ invention.
Le procédé commence par une étape 26 de mise en place d’une première paroi de compression 8 à une première cote prédéterminée.
Lors de l’étape 27 suivante, on procède à la mise en place d’ au moins un empilement 7 de cellules électriques 6 contre la première plaque 8. Chaque empilement 7 est installé de préférence à une deuxième cote prédéterminée, différente de la première, de manière que le bord destiné à être en contact avec le socle 3 soit plus éloigné du centre de l’empilement que le bord de l’ embase 20 destiné lui aussi à être en contact avec le socle 3. Cet écart entre la première cote et la deuxième cote est appelé « jeu négatif » . En variante, on peut prévoir un joint souple sous chaque cellule 6 en créant également un jeu négatif. Une deuxième plaque de compression 8 opposée à la première et disposée en contact avec les empilements 7 de cellules 6 est ensuite mise en place (étape 28). La deuxième plaque de compression est mise en place à la même première cote que la première plaque de compression 8.
Le procédé se poursuit par une étape 29 de mise en pression des deux plaques 8 de compression contre les empilements de cellules, à l’ aide de moyens de mise en pression. Les moyens de mise en pression peuvent notamment être des vérins hydrauliques, de préférence pilotables en déplacement.
Lors de l’ étape 30 de rapprochement suivante, on rapproche progressivement les deux parois de compression 8 en pilotant les moyens de mise en pression. Le pilotage est réalisé de préférence en déplacement pour assurer la parfaite maîtrise de la position relative des plaques de compression 8.
Lorsque les deux plaques de compression 8 ont été rapprochées, le procédé se poursuit par une étape 31 de fixation des plaques de compression au socle 3, suivie par une étape 32 d’ installation des tirants 12. En variante, l’ étape 32 d’ installation des tirants 12 peut être réalisée avant l’ étape 31 de fixation des plaques 8 au socle 3.
Il est à noter que, lors de l’ assemblage du socle 3 et des plaques de compression 8, le jeu négatif entre les empilements 7 et les plaques de compression 8 se traduit par une pression supplémentaire entre les empilements 7 et le socle 3. Cette pression supplémentaire améliore le coefficient d’échange thermique entre les empilements 7 et le socle 3.
Lorsque la batterie est équipée de drains thermiques 16, le procédé peut comprendre une étape optionnelle de mise en place d’une couche de colle sur les surfaces de contact 16b des drains thermiques 16 avec le socle 3. La couche de colle et la pression supplémentaire entre les empilements 7 et le socle 3 engendrée par le jeu négatif décrit précédemment participent au maintien du contact entre les drains thermiques 16 et le socle 3.
Le procédé prend fin par une mise en tension des tirants 12 (étape 33) . La mise en tension des tirants peut être réalisée en enlevant ou en désactivant les moyens de mise en pression utilisés lors des étapes de mise en pression et de rapprochement précédentes. En complément, la tension des tirants 12 pourrait être augmentée, par exemple à l’ aide d’ ancrages actifs. Les forces de tension des tirants 12 sont équilibrées par les forces de compression agissant sur les plaques de compression 8.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie ( 1 ) de stockage d’ énergie électrique comprenant au moins un empilement (7) de cellules (6) électriques, un boîtier (2) comportant un socle (3) sur lequel est fixé ledit empilement (7) de la batterie ( 1 ) et une cloche (4) coiffant le socle (3), la batterie étant caractérisée en ce qu’ elle comprend au moins deux plaques (8) de compression disposées de part et d’ autre dudit empilement, des moyens de fixation ( 10) desdites plaques (8) de compression au socle (3), et au moins un tirant ( 12) apte à comprimer les plaques de compression (8) contre les cellules (6) dudit empilement
(7), le socle (3) comprenant des moyens de gestion thermique des cellules (6) électriques, le nombre de tirants ( 12) étant supérieur exactement d’une unité au nombre d’empilements (7) .
2. Batterie selon la revendication 1 , dans laquelle chaque empilement (7) de cellules comprend à chacune de ses extrémités (7a, 7b) une couche ( 15) de mousse d’ extrémité, de manière que les plaques
(8) de compression soient en contact avec lesdites couches ( 15) de mousse d’ extrémité des empilements.
3. Batterie selon la revendication 1 ou 2, comprenant au moins un drain thermique ( 16) disposé sur une première surface externe (S I ) d’ au moins une cellule (6) de chaque empilement (7) et/ou comprenant au moins une couche intermédiaire ( 17) de mousse disposée sur une deuxième surface externe (S2) d’ au moins une cellule (6) de chaque empilement (7), la deuxième surface externe (S2) étant opposée à la première (S I ).
4. Batterie selon la revendication 3 , dans laquelle ledit drain thermique ( 16) comprend au moins une couche de graphite et au moins une couche de colle.
5. Batterie selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle ledit drain thermique ( 16) est plié sous la cellule (6) avec laquelle il est en contact, de manière à constituer une surface de contact ( 16c) du drain ( 16) avec le socle (3) .
6. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les moyens de fixation ( 10) comprennent des premiers ( 18) et deuxièmes ( 19) éléments de fixation, lesdits premiers éléments étant fixés sur le socle (3) et destinés à traverser des trous ménagés sur une embase (20) de chaque plaque de compression (8), lesdits deuxièmes ( 19) éléments de fixation coopérant avec les premiers ( 18) éléments de fixation pour fixer les plaques de compression (8) au socle (3) .
7. Batterie selon la revendication 6, dans laquelle le socle (3) comprend des moyens de réglage (22) aptes à imposer un déplacement latéral (D) à au moins une plaque de compression (8), de manière à rapprocher ou à éloigner ladite plaque de compression (8) du milieu du socle (3), lorsque ledit déplacement latéral (D) est respectivement augmenté ou réduit.
8. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une paroi de protection (24) fixée sur les plaques de compression (8) et disposée entre les cellules et la cloche, de manière à protéger la cloche en cas d’ emballement thermique des cellules.
9. Procédé de montage d’une batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant les étapes suivantes : mise en place d’une première plaque (8) de compression, mise en place d’ au moins un empilement (7) de cellules électriques (6) contre la première plaque (8), mise en place d’une deuxième plaque (8) de compression opposée à la première plaque, et disposée en contact avec les empilements (7) de cellules (6), mise en pression des deux plaques (8) de compression contre les empilements (7), rapprochement progressif des deux plaques (8) de compression, à l’ issue du rapprochement des plaques (8) , fixation des plaques (8) de compression au socle (3) et installation des tirants ( 12), et mise en tension des tirants ( 12) .
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