Brevet FR2869722A1 — publié le 20051104

L'invention concerne les boîtiers de batterie avancés devant fonctionner à des températures stabilisées selon des régimes thermiques très différents, allant d'une forte isolation thermique à une importante dissipation thermique. Les applications de ces batteries en transport automobile sont tout particulièrement concernées. Ainsi, les batteries avancées Lithium Polymère par exemple, sont constituées d'éléments accumulateurs au lithium à électrolytes polymères io avec leur système de gestion intégré qui sont assemblés dans un boîtier module assurant les rôles de contenant, de protection mécanique et de protection thermique. Ces batteries fonctionnent à une température élevée (environ 90 C) qui doit être maintenue pour lui conserver ses performances. Ainsi, au repos il faut limiter la baisse de température à la fois en isolant thermiquement la batterie de son environnement et à la fois en lui adjoignant un système de chauffage embarqué. En revanche, lors de fortes sollicitations de charge et décharge, il faut au contraire évacuer la puissance interne dissipée thermiquement. Le cahier des charges de certaines applications de transport automobile envisagées pour ces batteries conduit donc à demander au boîtier des comportements thermiques antagonistes: forte isolation thermique au repos et très faible isolation thermique lors des sollicitations importantes de charge et décharge. Les moyens utilisés pour y parvenir sont typiquement un matériau supersisolant thermique à conductivité thermique rendue variable par un système de variation de pression interne. Mais aucun matériau ou système existant n'est satisfaisant. On a ainsi proposé, dans le document JP 11 273 717, un boîtier 30 isolant à paroi à vide, dans lequel la capacité de dissipation est rendue variable par contrôle de la sous-pression. Dans le document JP 07 226 230, on propose un système similaire dans lequel, de plus, la paroi creuse est remplie d'un matériau isolant qui est lui-même soumis au vide variable. Mais parmi les boîtiers thermiques assurant, selon le besoin, soit une très haute isolation thermique soit une forte dissipation d'énergie thermique, l'optimisation des matériaux et systèmes constitutifs du boîtier et leur assemblage entre eux n'ont pas permis de conférer au boîtier des comportements thermiques assez efficacement antagonistes pour satisfaire aux applications souhaitées. lo Le but de l'invention est de fournir un boîtier d'isolation thermique de batterie ayant un comportement isolant de type variable et commandable sélectivement, dont l'efficacité dans chacun des deux comportements antagonistes (isolation, dissipation) soit encore accrue. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un boîtier d'isolation thermique de batterie apte à assurer deux modes d'isolation, dont l'un correspond à une isolation thermique élevée et l'autre à une dissipation thermique souhaitée, du type comprenant une enveloppe creuse incorporant un matériau aux propriétés isolantes sensibles à la pression, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour ventiler l'enveloppe creuse. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure annexée qui représente, en coupe, un boîtier de batterie conforme à une variante préférée de l'invention. On a représenté, sur cette figure, une batterie avancée de type Lithium Polymère, c'est à dire constituée ici d'éléments accumulateurs au lithium à électrolyte polymère avec leur système de gestion intégrée qui sont assemblés dans un boîtier module assurant les rôles de contenant, de protection mécanique et de protection thermique. Ces batteries fonctionnent à une température élevée (environ 90 C) qui doit être maintenue pour leur conserver leur performance. Ainsi, au repos, il faut limiter la baisse de température à la fois en l'isolant thermiquement de son environnement et/ou en lui adjoignant un système de chauffage le plus souvent embarqué. Le système de chauffage ne peut pas compenser les pertes thermiques sans une bonne isolation des éléments vis à vis de l'environnement car sa consommation serait dans ce cas trop importante. Par ailleurs, cette consommation, si elle n'est pas compensée par un apport externe, vient diminuer la quantité d'énergie stockée et donc l'autonomie conférée par la batterie. io La résistance thermique que doit avoir le boîtier dépend de la durée de maintien en température, de la température finale acceptable, de la géométrie de la batterie, de la puissance consacrée au chauffage et des conditions thermiques environnantes. Dans la pratique, la résistance thermique nécessaire peut rapidement dépasser 3m2.K/W ce qui conduit à des épaisseurs d'isolant classique considérables. De plus le choix de matériau possible est restreint du fait des températures atteintes et des résistances mécaniques demandées pour certaines applications comme le transport. II faut alors recourir à un assemblage complexe donc coûteux d'éléments pour constituer le boîtier. En revanche, lors de fortes sollicitations de charge et décharge, il faut au contraire évacuer la puissance interne dissipée thermiquement. En effet, dans ce cas la dissipation thermique due à la résistance interne des éléments de la batterie dans lesquels circulent les courants de charge et de décharge, est importante et peut entraîner une surchauffe locale et/ou globale de ces éléments si la batterie et son boîtier ne sont pas capables d'évacuer cette énergie. Ceci est fort difficile avec les résistances thermiques indiquées ci-dessus et le volume typique des batteries dès lors que les puissances à dissiper dépassent les 100 à 150 W. Dans la pratique, les puissances à dissiper sont de 3 à 4 fois ces valeurs. II faudrait donc un boîtier ayant une faible résistance thermique, c'est à dire 3 à 4 fois inférieure, mais dans ce cas on ne satisfait plus au maintien de la température au repos sauf à associer à une forte isolation thermique un système permettant d'évacuer cette énergie thermique. On voit donc que le cahier des charges des applications envisagées pour ces batteries, comme le transport automobile, conduit à demander au boîtier des comportements thermiques antagonistes: forte isolation thermique au repos et très faible isolation thermique lors des sollicitations importantes de charge et décharge. L'invention consiste donc bien en la conception d'un boîtier thermique pouvant assurer selon le besoin des éléments de la batterie, soit io une très haute isolation thermique, soit une forte dissipation d'énergie thermique. Les premiers moyens décrits ici pour y parvenir sont un matériau superisolant thermique à conductivité thermique rendue variable par un système de variation de pression interne associé lui-même à un système de circulation d'air forcé à l'intérieur de l'enveloppe du boîtier. Le boîtier décrit ci-après concerne le cas particulier des batteries lithium-polymère utilisées à la propulsion d'un véhicule hybride. La même démarche est applicable à d'autres types de batteries fonctionnant à chaud et/ou à d'autres applications de ces batteries. Les fonctionnalités principales remplies par le boîtier ci-après sont les suivantes: Il maintient ensemble les éléments accumulateurs de la batterie, leur connectique, le système de chauffage interne et éventuellement l'électronique de commande et la régulation embarquée. II protège mécaniquement les composants en situation normale d'utilisation. On citera la tenue au fluage, la résistance aux chocs et aux vibrations. Il protège la batterie contre des agressions extérieures: étanchéité à l'eau, intrusion d'objets, feu. Il constitue un ancrage des connexions électriques externes et un ancrage des fixations mécaniques au véhicule. Enfin, il remplit sa fonction essentielle, l'isolation au repos et l'évacuation de l'énergie en cas de surchauffe. Le boîtier système proposé ici (figure 1) comprend un boîtier constitué d'une enveloppe creuse et étanche 100 renfermant un matériau s de coeur 200 et à porosité ouverte. Cette enveloppe creuse 100 est équipée d'une pompe à vide 300 branchée sur le boîtier et de deux vannes amont 400 et aval 500 associées. Le dispositif inclut en outre une commande régulée des vannes 400 et 500 et de la pompe 300. En outre, des plaques d'homogénéisation de la io température 600 sont positionnées dans l'enveloppe creuse 100. Ce dispositif renferme également des traversées de câbles et de connexions. Le boîtier peut par exemple être constitué d'un fond et de son couvercle, ou encore d'une seule boîte. Dans le premier cas on trouvera deux arrivées et deux sorties d'air. La résistance mécanique est telle que la protection mécanique des éléments en condition normale et accidentelle est assurée, ainsi que la fonction d'ancrage à la structure du véhicule. Des plaques d'homogénéisation de température 600, décrites ci- après en référence à un mode de réalisation où ces plaques sont au contact de la peau la plus interne de l'enveloppe creuse 100, peuvent également être agencées en partie intérieure de la partie courante de l'enveloppe creuse, par exemple à mi-épaisseur de celle-ci. L'enveloppe est en matériau polymère ou métallique ou bien encore 25 formée de plusieurs couches de ces matériaux. L'enveloppe creuse 100 est essentiellement constituée d'une peau interne 110 et d'une peau externe 120 en vis à vis l'une de l'autre. L'enveloppe creuse 100 est de faible épaisseur, typiquement de 10 à 30 mm. Elle est constituée des deux peaux 110 et 120 qui sont ici sensiblement parallèles. La peau interne est ici en contact avec des plaques d'homogénéisation de température. Elle est même, en variante, constituée par ces plaques. Les peaux interne 110 et externe 120 peuvent être en deux matériaux différents, par exemple en aluminium pour la peau interne et en 5 acier pour la peau externe. L enveloppe 100 est étanche au vide, hormis pour ses tuyauteries d'arrivée et de sortie d'air. L'espace entre peau interne 110 et peau externe 120 de l'enveloppe 100 est occupé par un ou des matériaux isolants 200 à porosité ouverte, résistant à la compression occasionnée par le vide que l'on peut y créer et io résistant aux températures atteintes. Ce matériau 200 peut être fibreux ou alvéolaire, minéral ou organique, microporeux ou nanoporeux. Il peut être en vrac ou en forme, comme par exemple moulé. Des exemples de ces matériaux sont les fibres minérales, les silices nanoporeuses diverses, les mousses de polymère comme le polystyrène, le polypropylène, le polyuréthane. De préférence, ces matériaux sont relativement opaques au rayonnement infrarouge. La modulation de la pression dans l'isolant 200 fait varier sa conductivité thermique et adapter en permanence la résistance thermique 20 aux besoins électriques. Les deux vannes d'entrée 400 et de sortie d'air 500 ainsi que la pompe 300, toutes commandées et/ou régulées, permettent le réglage de la pression à l'intérieur de l'enveloppe 100. Ces composants peuvent être embarqués sur le boîtier ou bien accessoires à celui-ci. Les niveaux de pression atteints dépendent du matériau coeur retenu et sont situés entre la pression atmosphérique et 0,1 mbar. Le fonctionnement de la pompe 300, même à la pression de référence (basse) n'est pas nécessairement continu. Les modes de fonctionnement extrêmes du boîtier sont l'isolation thermique pour maintien de la température et la dissipation thermique. Le fonctionnement est le suivant, sachant que les modes intermédiaires sont accessibles par la régulation qui peut en particulier utiliser les informations amont de la sollicitation électrique de la batterie pour anticiper le réglage thermique. En mode isolation, on demande la meilleure résistance thermique possible au boîtier. Celle-ci est obtenue par abaissement de la pression dans l'enveloppe (vanne amont fermée, pompage à la pression de référence, vanne aval ouverte en pompage et fermée en maintien de pression). Sa résistance thermique en partie courante peut alors atteindre une valeur supérieure à 3m2.K/W. Le système de régulation et de commande utilise les données de io température communiquées par l'électronique de contrôle des éléments de batterie pour piloter le niveau de pression. Le système est ici complété par une ventilation permettant un débit d'air important dans l'enveloppe 100 pour soulager la pompe à vide lors des phases de dissipation (cf. paragraphe 2.3). is Dans ce mode, deux cas de figure peuvent se présenter. Le premier cas est un besoin de dissipation normale, l'autre cas est un besoin de dissipation très fort. Dans le cas d'un besoin normal de dissipation, on impose une pression plus élevée dans l'enveloppe 100 jusqu'à atteindre éventuellement la pression atmosphérique (pompe arrêtée, vanne entrouverte puis refermée à a consigne). Ceci permet à la résistance thermique de diminuer jusqu'à des valeurs en partie courante inférieures à 1 m2.k/W. Dans le cas d'un besoin encore plus fort de dissipation thermique, on force la circulation d'air dans l'enveloppe 100: vannes 400 et 500 ouvertes 25 et ventilation en fonctionnement. De manière avantageuse, la ventilation est produite par la pompe 300 ellemême. La pompe 300 génère un courant d'air plutôt qu'une sous-pression, du fait que la vanne amont 400 est ouverte. Ce mode peut doubler aisément la dissipation thermique de la 30 batterie. Dans ces modes de dissipation, les plaques d'homogénéisation de température 600 jouent le rôle de caloduc. s En variante, la vanne aval 500 est avantageusement prévue du type à trois voies. Ces plaques d'homogénéisation de la température 600 sont situées en périphérie des rangées d'éléments de batterie. Elles sont réalisées en matériau à conductivité thermique élevée ( par exemple en aluminium). Elles peuvent être indépendantes, participer ou constituer la peau interne 100 de l'enveloppe. L'espace creux, ici ouvert, peut en variante être parcouru sur ses six faces par des canaux, obtenus par moulage ou usinage, permettant la io circulation de l'air. Sur les faces d'entrée et de sortie de l'air, ces canaux y assurent alors la répartition homogène de l'air et la distribution homogène de celui-ci aux quatre autres faces. REVENDICATIONS 1. Boîtier d'isolation thermique de batterie apte à assurer deux modes d'isolation, dont l'un correspond à une isolation thermique élevée et l'autre à une dissipation thermique souhaitée, du type comprenant une enveloppe creuse (100) incorporant un matériau (200) aux propriétés isolantes sensibles à la pression, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (400, 500, 600) pour ventiler l'enveloppe creuse. 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (300) agencée pour générer une sous-pression dans l'enveloppe creuse (100), et au moins une vanne (400, 500) agencée pour provoquer, selon son état d'ouverture ou de fermeture, l'apparition d'un vide ou dudit courant de ventilation dans l'enveloppe creuse (100). 3. Boîtier selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne amont (400) et une vanne aval (500), un système de pilotage de l'état d'ouverture/fermeture de chacune de ces vannes (400, 500) pour provoquer sélectivement l'apparition d'une souspression et/ou d'une surpression et l'apparition du courant de ventilation. 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe creuse (100) est délimitée par deux parois (110, 120) en vis à vis, entourant toutes deux l'emplacement de batterie, la partie creusée étant constituée par l'interstice entre ces deux parois (110, 120). 5. Boîtier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'interstice inclut également une ou des plaques conductrices (600) produisant une homogénéisation de température dans l'enveloppe creuse (100). 6. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température intérieure et 30 des moyens de commande de ventilation prévus pour réagir à un franchissement de seuil de la température captée. io 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il inclut des moyens pour diriger le flux de ventilation au sein de l'enveloppe. 8. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que 5 l'enveloppe creuse (100) présente une largeur d'interstice d'environ 10 à 30 mm. 9. Boîtier selon les revendications 4 et 5 en combinaison, caractérisé en ce que les plaques d'homogénéisation (600) sont placées contre la paroi la plus interne (110) de l'enveloppe creuse (100). io 10. Boîtier selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque d'homogénéisation (600) qui constitue elle-même au moins une partie de paroi de l'enveloppe creuse (100). 11. Système de pompe à vide de boîtier d'isolation thermique de batterie du type comprenant une enveloppe creuse (100) incorporant un matériau (200) aux propriétés isolantes sensibles à la pression, apte à assurer deux modes d'isolation dont l'un correspond à une isolation thermique élevée et l'autre à une dissipation thermique souhaitée, caractérisé en ce qu'il inclut également des moyens (400, 500, 600) de ventilation de l'enveloppe creuse. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (300) agencée pour générer une sous-pression dans l'enveloppe creuse (100), et au moins une vanne (400, 500) agencée pour provoquer, selon son état d'ouverture ou de fermeture, l'apparition d'un vide ou dudit courant de ventilation dans l'enveloppe creuse (100). 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pompe (300) est agencée pour générer elle-même le courant de ventilation dans l'enveloppe creuse (100). 14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température intérieure et des moyens de commande de ventilation prévus pour réagir à un franchissement de seuil de la température captée.