Brevet FR2895838A1 — publié le 20070706

L'invention concerne une batterie électrique qui est notamment destinée à la traction d'un véhicule automobile électrique, ou à dominante électrique. Pour de telles applications, il est connu d'utiliser des batteries rechargeables à système générateur d'énergie électrique de type électrochimique Lithiumùion, qui ont pour avantage de présenter des densités d'énergie et de puissance massiques importantes ainsi qu'une bonne cyclabilité. Toutefois, l'exposition de la batterie à des températures en excès d'une plage de températures optimales (typiquement comprises entre 20 et 30 C), nuit à sa cylcabilité et donc à sa longévité en fonction du temps d'exposition cumulé à un niveau de température critique donné. En outre, la performance des systèmes électrochimiques utilisés pour générer l'électricité diminue à des températures d'utilisation négative, jusqu'à ne plus fonctionner en dessous d'une certaine température (typiquement inférieure à -23 C). Or, dans des applications automobiles, les contraintes de températures sont très importantes, tant du fait de l'énergie calorique générée que de celle issue des conditions climatiques d'utilisation, ce qui limite les performances des batteries en utilisation par rapport à leurs performances intrinsèques. Pour résoudre ce problème, on a proposé de refroidir les batteries embarquées dans les véhicules automobiles à l'aide notamment de dispositifs comprenant une circulation d'eau. Toutefois, ces dispositifs, outre leur complexité qui nuit à leur fiabilité de fonctionnement, présentent notamment l'inconvénient de consommer une partie de l'énergie électrique embarquée, ce qui va à l'encontre des performances d'autonomie du véhicule. L'invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients en proposant une batterie électrique qui comprend un dispositif de conditionnement en température qui utilise la chaleur latente de fusion d'un matériau à changement de phase pour refroidir ou chauffer ladite batterie en tant que de besoin. Ainsi, en déterminant la quantité et la plage de transition du matériau, on peut 2 maintenir le système générateur d'énergie électrique dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation et ce, sans consommer d'énergie électrique embarquée. A cet effet, l'invention propose un batterie électrique, notamment pour la traction d'un véhicule automobile, comprenant un bac dans lequel sont disposés des cellules formées chacune d'une enveloppe dans laquelle est confiné un système générateur d'électricité, dans laquelle un dispositif de conditionnement en température est prévu à l'intérieur du bac, ledit dispositif comprenant une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée de sorte, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, à maintenir le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence à la figure jointe représentant de façon schématique un module de batterie selon l'invention. On décrit ci-dessous une batterie électrique comprenant des cellules 1 incluant un système générateur d'électricité, en particulier un tel système peut être de type électrochimique à Lithium-ion. Ce type de batterie est plus particulièrement destiné à la traction d'un véhicule automobile, qu'il s'agisse d'un véhicule électrique ou de type hybride électrique û thermique. Une cellule 1 comprend une enveloppe 2 dans laquelle le système électrochimique est confiné pour isoler les composants chimiques nécessaire à la génération de l'électricité, ladite enveloppe étant pourvue de cosses 3 qui sont branchées sur les électrodes du système générateur d'électricité. La batterie comprend un bac dans lequel sont disposés des cellules 1, ledit bac présentant une géométrie adaptée à la disposition de la batterie dans le30 3 véhicule automobile, par exemple sous le plancher du véhicule ou dans le logement de la roue de secours. Le bac est agencé pour disposer le nombre nécessaire de cellules 1 afin d'obtenir une batterie dont la puissance est adaptée à la traction du véhicule pour laquelle elle est prévue. En variante, le véhicule automobile peut comprendre plusieurs batteries dont chacun des bacs est logé dans un emplacement prévu à cet effet. Le bac, outre le conditionnement des cellules 1, a également pour fonction de protéger lesdites cellules notamment vis-à-vis des chocs et de la pollution, en prévoyant en particulier que le bac soit résistant et étanche. Dans un mode de réalisation, les cellules 1 présentent une géométrie généralement cylindrique, par exemple de diamètre de l'ordre de 5 cm et de hauteur de l'ordre de 20 cm. Comme représenté, les cellules 1 sont regroupées dans un module 4, les modules 4 étant disposés dans le bac. Le module 4 est agencé pour recevoir six cellules 1 en deux rangées de trois côte à côte, ledit module comprenant la connectique nécessaire au branchement desdites cellules. Le bac contient le nombre de modules 4 nécessaire à la traction du véhicule. Dans un mode de réalisation non représenté, le nombre voulu de cellules 1 peut être disposé directement dans le bac. Le bac comprend en outre la connectique nécessaire au branchement des cellules 1 et/ou des modules 4 de sorte à fournir l'énergie électrique au véhicule. En outre, une unité de gestion de l'énergie électrique fournie par la batterie peut être associée au bac. La batterie comprend un dispositif de conditionnement en température qui est prévu à l'intérieur du bac. En effet, lors du fonctionnement, de la recharge mais également sous l'effet des conditions climatiques, la batterie subit des contraintes thermiques importantes qu'il faut contrôler pour assurer un fonctionnement et une fiabilité optimale de celle-ci. 4 Le dispositif de conditionnement comprend une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée. Selon une réalisation, le dispositif de conditionnement comprend dans chaque module 4 entre 100 et 300 ml d'un matériau commercial comprenant un mélange eutectique dont la plage de température de transformation solide liquide est comprise entre 35 C et 45 C. Ainsi, en stockant de façon réversible de l'ordre de 300 kJ sous forme de chaleur latente de fusion, il est possible de stabiliser la température de fonctionnement de la batterie autour de 35 C, et de prévenir un échauffement de celle-ci au dessus de 45 C dans des conditions d'utilisation standard. De façon générale, le dispositif de conditionnement selon l'invention est modulable pour maintenir, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation. Selon une réalisation, le matériau à changement de phase est disposé dans le bac pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes 2. En outre, l'enveloppe 2 des cellules 1 peut être réalisée en matériau métallique, notamment en aluminium, de sorte à favoriser les transferts thermiques par conduction entre lesdites cellules et le matériau à changement de phase. Selon la réalisation dans laquelle les cellules 1 sont regroupées dans des modules 4, le matériau à changement de phase peut être disposé dans chacun des modules 4 pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes 2. En particulier, compte tenu de la forte dissymétrie des flux d'échanges thermiques à ce niveau, les faces inférieures des cellules 1 peuvent être entourées par du matériau à changement de phase. En variante, on peut prévoir de disposer du matériau à changement de phase pour qu'il soit en contact avec au moins une partie de la surface extérieure des modules 4 de sorte améliorer la capacité de conditionnement en température de la batterie. Cette réalisation permet en particulier de disposer une plus 5 grande quantité de matériau à changement de phase, de sorte à augmenter la capacité de stockage thermique du dispositif de conditionnement. La quantité de matériau à changement de phase peut être disposée en vrac dans le bac et/ou dans les modules 4 qui sont étanches. En variante, le dispositif de conditionnement comprend au moins un étui souple dans lequel est disposé le matériau à changement de phase. Ainsi, il est possible de disposer le matériau de façon plus précise dans la batterie, en particulier au niveau des zones d'échauffement et/ou des zones des cellules 1 qui sont les plus fragiles en température. Comme représenté sur la figure, le dispositif de conditionnement comprend une chambre 5 prévue dans chacun des modules 4, un fluide de conditionnement thermique, par exemple de l'eau, étant prévu à l'intérieur desdites chambres. Le dispositif de conditionnement peut comprendre en outre un moyen de mise en circulation du fluide de conditionnement et un moyen d'échange thermique entre le fluide et l'extérieur des modules 4. Ainsi, en prévoyant une circulation d'eau au moyen d'une pompe et un radiateur extérieur au bac, on peut améliorer le conditionnement en température de la batterie en extrayant ou en apportant de l'énergie thermique à l'intérieur de ladite batterie, tant directement au niveau des cellules 1 qu'au niveau du matériau à changement de phase. Selon une réalisation, éventuellement complémentaire de la précédente, la disposition des modules 4 dans le bac peut être prévue de sorte à former des canaux d'air entre eux. En particulier, une disposition hexagonale des modules 4 permet d'obtenir un agencement compact qui améliore le rapport puissance / 6 volume de la batterie, tout en prévoyant des canaux d'air favorisant le conditionnement en température. Le dispositif de conditionnement peut comprendre un moyen de mise en circulation de l'air contenu dans les canaux entre l'intérieur et l'extérieur du bac. Ainsi, il est possible, par convection, de contrôler l'apport en énergie thermique au niveau des cellules 1 et/ou au niveau du matériau à changement de phase, notamment de sorte à limiter le temps d'exposition des cellules 1 à des températures critiques. Dans cette réalisation, on peut prévoir des modules 4 à paroi mince et en matériau métallique pour augmenter encore les échanges convectifs. En outre, les modules peuvent être de géométrie prismatique pour réaliser un empilement hexagonal. En variante, au moins une partie des canaux peut être remplie de matériau à changement de phase. Il est également possible de prévoir une circulation d'air entre l'intérieur de l'habitacle du véhicule et la batterie, de sorte à favoriser le maintien des cellules 1 dans la plage de température souhaitée. Enfin, pour optimiser le conditionnement en température de la batterie, on peut prévoir d'isoler thermiquement le bac et/ou les modules 4. L'invention permet donc, par détermination d'une quantité d'un matériau à changement de phase, de conditionner en température les cellules 1. Ce conditionnement est obtenu par changement entropique du matériau lors des variations de températures subit, tant par effet Joule induit par le fonctionnement de la batterie, que par apport calorique externe. Enfin l'invention peut être complétée par l'incorporation au sein du matériau à changement de phase d'un autre matériau solide pulvérulent dont la propriété est à partir d'une certaine élévation thermique (typiquement au delà de 60 C) de se décomposer de manière endothermique de façon à refroidir énergétiquement toute cellule dont la température interne s'élèverait par suite d'un disfonctionnement interne ou externe. REVENDICATIONS 1. Batterie électrique, notamment pour la traction d'un véhicule automobile, comprenant un bac dans lequel sont disposés des cellules (1) formées chacune d'une enveloppe (2) dans laquelle est confiné un système générateur d'électricité, ladite batterie étant caractérisée en ce qu'un dispositif de conditionnement en température est prévu à l'intérieur du bac, ledit dispositif comprenant une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée de sorte, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, à maintenir le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation. 2. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau à changement de phase est disposé dans le bac pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes (2). 3. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des modules (4) dans chacun desquels sont regroupées des cellules (1), lesdits modules étant contenus dans le bac, le matériau à changement de phase étant disposé dans chacun des modules (4) pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes (2). 4. Batterie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend une chambre (5) prévue dans chacun des modules (4), un fluide de conditionnement thermique étant prévu à l'intérieur desdites chambres. 5. Batterie électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend en outre un moyen de mise en circulation du fluide de conditionnement et un moyen d'échange thermique entre le fluide et l'extérieur des modules (4). 8 6. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les modules (4) sont disposés dans le bac de sorte à former des canaux d'air entre eux. 7. Batterie électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend un moyen de mise en circulation de l'air contenu dans les canaux entre l'intérieur et l'extérieur du bac. 8. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend une quantité de matériau à changement de phase qui est disposé en vrac dans le bac et/ou dans les modules (4) qui sont étanches. 9. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend au moins un étui souple dans lequel est disposé le matériau à changement de phase. 10. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend en outre un matériau solide pulvérulent qui est incorporé au matériau à changement de phase, ledit matériau solide pulvérulent étant apte à se décomposer de manière endothermique à partir d'une certaine élévation thermique.