Brevet FR2976408A1 — publié le 20121214

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT DE CELLULES ELECTROCHIMIQUES CYLINDRIQUES [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un dispositif de refroidissement de cellules électrochimiques cylindriques. [3] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles pour le refroidissement de dispositifs de stockage d'énergie électrique alimentant des machines électriques du véhicule. io [04] ETAT DE LA TECHNIQUE [5] Comme décrit dans le document US-6228524, on connait des dispositifs de refroidissement de cellules électrochimiques cylindriques comportant des poches de refroidissement de forme ondulée dans lesquelles circule un liquide de refroidissement. Ces poches de refroidissement sont is positionnées entre deux rangées successives de cellules. Par ailleurs, des plaques de mousse conductrice sont de préférence positionnées entre la poche et les cellules. [6] La poche de forme ondulée comporte, sur deux faces, opposées l'une par rapport à l'autre, des creux de rayon de courbure supérieur au 20 rayon des cellules et des bosses destinées à avancer à l'intérieur des espaces entre deux cellules successives d'une même rangée. [7] De tels dispositifs de refroidissement améliorent les échanges thermiques entre la poche et les cellules. [8] Toutefois, de tels dispositifs présentent des difficultés 25 d'assemblage pour obtenir un bloc de cellules compact. [9] OBJET DE L'INVENTION [10] L'invention a notamment pour but de résoudre ce problème. [011] A cet effet, l'invention concerne un dispositif de refroidissement de cellules électrochimiques cylindriques comportant : - un support comportant des rangées de logements pour recevoir les cellules électrochimiques cylindriques, - au moins une poche de refroidissement positionnée entre deux rangées successives de cellules électrochimiques cylindriques, - des plaques de mousse conductrice positionnées entre la poche et les cellules électrochimiques cylindriques, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un couvercle de forme telle que les io plaques de mousse sont compressées progressivement entre les cellules électrochimiques cylindriques et la poche de refroidissement lors de la mise en place du couvercle sur le support. [12] Selon une réalisation, le couvercle comporte des plaques de maintien s'étendant suivant l'axe des cellules électrochimiques cylindriques, is ces plaques de maintien présentant une extrémité longitudinale en appui contre une paroi externe des cellules électrochimiques cylindriques. [13] Selon une réalisation, les plaques de maintien présentent une portion à pente progressive reliant deux portions d'épaisseur constante. [14] Selon une réalisation, la portion à pente progressive de chaque 20 plaque de maintien présente un angle de 10 à 20 degrés par rapport une paroi du couvercle. [15] Selon une réalisation, le couvercle comporte une alternance d'un ensemble de deux plaques de maintien en forme de V et d'une plaque de maintien s'étendant perpendiculairement à la paroi. 25 [016] Selon une réalisation, les deux plaques de maintien forment un angle de 90° entre elles. [017] Selon une réalisation, le couvercle est en appui contre les cellules électrochimiques cylindriques par l'intermédiaire de trois plaques de maintien par cellules électrochimique cylindriques. 30 [018] Selon une réalisation, la poche de refroidissement est de forme ondulée, cette poche comportant sur deux faces opposées l'une par rapport à l'autre des creux ayant un rayon de courbure supérieur au rayon des cellules électrochimiques cylindriques et des bosses en alternance, ces bosses avançant à l'intérieur des espaces entre deux cellules électrochimiques cylindriques successives d'une même rangée de cellules électrochimiques cylindriques. [019] Selon une réalisation, le support comporte des logements ayant sensiblement le même diamètre que les cellules électrochimiques cylindriques, ces logements comprenant un rebord annulaire contre lequel une face d'extrémité d'une cellule électrochimique cylindrique est en appui. io [020] Selon une réalisation, les plaques de mousse conductrice sont réalisées en fibre de verre. [21] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [22] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont is données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [23] Figure 1 : une représentation schématique du dispositif de refroidissement de cellules électrochimiques cylindriques selon l'invention sans le couvercle ; 20 [024] Figure 2 : une représentation schématique du support seul du dispositif de refroidissement selon l'invention ; [25] Figure 3 : une vue en coupe détaillée d'une poche entre deux rangées de cellules du dispositif selon l'invention ; [26] Figure 4: une représentation schématique du dispositif de 25 refroidissement de cellules électrochimiques cylindriques selon l'invention sans le support avec les plaques de maintien représentées sans la pente progressive pour mieux visualiser leur implantation sur le couvercle ; [27] Figures 5a-5b : des vues en coupe du dispositif de refroidissement selon l'invention représentant le couvercle lors de sa mise en place. [28] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [29] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION [030] Les Figures 1 et 4 montrent un dispositif 1 de refroidissement de cellules 2 électrochimiques cylindriques. Ce dispositif 1 comporte un support 10 comportant une rangée 141, 142 de logements 11 pour recevoir les cellules 2, et au moins une poche 20 de refroidissement positionnée entre deux rangées 141, 142 successives de cellules 2. Des plaques 40 de io mousse conductrice sont positionnées entre la poche 20 et les cellules 2. [031] Le dispositif 1 comporte en outre un couvercle 50 de forme telle que les plaques 40 de mousse sont compressées progressivement entre les cellules 2 électrochimiques cylindriques lors de la mise en place du couvercle 50 sur le support 10. is [032] Plus précisément, les cellules 2 cylindriques comportent des électrodes empilées et enroulées selon un axe X. Les électrodes sont protégées par une paroi 3 externe. Dans un exemple, la paroi 3 externe est en aluminium. Grâce à la géométrie cylindrique des cellules 2, la conduction radiale est inférieure d'un rapport de cent à la conduction axiale. Ceci limite 20 la capacité de refroidissement radiale vers la paroi 3 externe. [33] Cependant, la paroi 3 externe est la meilleure surface d'échange possible pour l'extraction de la chaleur générée lors du fonctionnement des cellules 2, dans la mesure où cette paroi 3 présente la plus grande surface. Les faces 4, 5 d'extrémité des cellules 2 sont utilisées par des bornes 6 25 électriques ainsi que par les dispositifs de dégazage des matières actives de la cellule 2 en cas de dysfonctionnement de la cellule 2 (dispositifs dits de « venting » en anglais). [34] Un support 10 recevant les cellules 2 de forme sensiblement parallélépipédique est montré en détails sur la Figure 2. Le support 10 30 permet le dégazage en cas de dysfonctionnement des cellules 2. En cela, le support 10 a, outre la fonction de maintien mécanique, celle de ségrégation du circuit de dégazage par rapport au reste du système. Les gaz liés au dégazage doivent être indépendants du reste du système pour des raisons de sécurité (cf. toxicité des gaz pouvant être mis en jeu). [35] A cet effet, le support 10 comporte les logements 11 pour regrouper les cellules 2 en rangées 141, 142. Ces logements 11 ont sensiblement le même diamètre DO que les cellules 2 et ces logements 11 comprennent un rebord annulaire 12 contre lequel une face 4 d'extrémité d'une cellule cylindrique 2 est en appui. [36] Chaque rangée 141 de logements 11 est décalée suivant une io direction DL longitudinale par rapport à la rangée 142 de logements 11 adjacente, de sorte que l'on puisse positionner la poche 20 de refroidissement entre deux rangées 141, 142 de cellules 2 positionnées dans les logements 11. [37] Selon une réalisation, le diamètre DO des logements 11 est is compris entre 35 et 55 mm. La distance Dl entre chaque logement 11 d'une même rangée 141, 142 est au minimum de 6 mm par exemple. Les deux rangées 141, 142 successives présentent entre elles un décalage longitudinal D2 tel que les écarts entre la cellule d'une rangée et les deux cellules de la rangée voisine les plus proches soit identiques (triangle isocèle 20 formé par les centres des trois cellules, voire équilatéral en fonction des espacements choisis, soit ici (55+6)/2 = 30.5 mm. Le calcul de cette distance se fait automatiquement à partir des deux données précédentes. Ce décalage longitudinal D2 correspond à la distance entre deux droites perpendiculaires à la direction DL longitudinale du support 10 et passant par 25 l'axe de deux logements 11 successifs pris sur deux rangées 141, 142 différentes. [38] On note que les logements 11 permettent l'évacuation des gaz produits par les dispositifs de dégazage installés sur l'extrémité 4 des cellules 2. De préférence, le support 10 comporte des orifices 15 destinées à 30 recevoir des plots 27 de la poche 20 pour faciliter le positionnement de la poche 20 entre les rangées 141, 142 de cellules 2. [039] La Figure 3 montre une poche 20 comportant, sur deux faces 22, 23 opposées l'une par rapport à l'autre, des creux 24 ayant un rayon de courbure supérieur au rayon des cellules 2 et des bosses 25 en alternance. Les bosses 25 correspondent à la rencontre entre les extrémités des parois de la poche délimitant deux creux 24 successifs. Les bosses 25 sont destinées à avancer à l'intérieur des espaces entre deux cellules 2 successives d'une même rangée 141, 142, ce qui permet de doubler la surface d'échange entre la poche 20 et les cellules 2. On prélève ainsi deux fois plus de chaleur des cellules 2 électrochimiques. io [040] A cet effet, deux bosses 25 successives et situées sur deux faces opposées 22, 23 de la poche présentent entre elles un décalage longitudinal D3 correspondant au décalage longitudinal D2 entre les logements 11 du support 10. Ce décalage longitudinal D3 correspond à la distance entre deux droites perpendiculaires à la direction DL longitudinale de la poche 20 is passant par les sommets de bosses successives sur deux faces opposées 22, 23. Ainsi, le centre d'un creux 24 d'une des faces 22, 23 correspond au centre d'une bosse 25 de l'autre face 22, 23. Dans un exemple de réalisation, les bosses 25 présentent entre elles un décalage longitudinal de l'ordre de 30.5 mm. 20 [041] La géométrie de la poche 20 permet une accélération de l'écoulement dans les parties 26 les plus fines de la poche et un développement de tourbillons au niveau des bosses 25. Ces deux paramètres permettent d'augmenter le coefficient d'échange et donc d'augmenter la qualité du refroidissement. 25 [042] Le positionnement de la poche 20 sur le support 10 s'effectue au moyen de plots 27 s'encastrant dans les orifices 15 de positionnement du support 10. La poche 20 est en matériau isolant afin d'isoler électriquement les cellules 2 du liquide de refroidissement 21 qu'elle contient. Dans un exemple de réalisation, la poche 20 est en plastique. 30 [043] Par ailleurs, des plaques 40 de mousse conductrice sont prises en sandwich entre les cellules 2 et la poche 20. Par « pris en sandwich », on entend le fait que les plaques 40 sont compressées entre les cellules 2 et la paroi de poche 20. Les cellules 2 ayant un rayon inférieur au rayon de courbure des creux 24 de la poche 20, les plaques 40 assurent le contact entre les cellules 2 et la poche 20. Dans un exemple, les plaques 40 de mousse conductrices sont réalisées en fibre de verre. Les plaques 40 sont de préférence collées dans les creux 24 de la poche 20. [044] On décrit maintenant dans le détail le couvercle 50 permettant d'isoler électriquement les cellules 2 des composants externes au dispositif 1 et de maintenir axialement et radialement les cellules 2. Ce couvercle 50 sert aussi de support à des composants électroniques externes au dispositif 1 et permet un accès direct aux bornes 6 des cellules 2 par le biais d'orifices (non Io représentés). [45] Le couvercle 50 présente une forme sensiblement parallélépipédique et est ouvert vers le support 10. Le couvercle 50 comporte une paroi principale 52 reliée par deux parois 53, 55 latérales opposées. Une fois le couvercle 50 mis en place, les extrémités des parois 53, 55 sont en is contact avec le support 10 des cellules 2. [46] Sur les deux parois 53, 55, le couvercle 50 comporte des plaques 61-63 de maintien s'étendant suivant l'axe X des cellules 2. Ces plaques 61-63 présentent une extrémité longitudinale destinée à venir en appui contre la paroi externe des cellules 2. Les plaques 61-63 ont pour but de plaquer les 20 cellules 2 sur toute la surface de la plaque 40 conductrice en contact avec la poche 20 dans la mesure où ces plaques 61-63 sont, pour chaque creux de la plaque 40, à l'opposé de la partie extrême gauche, du centre et de la partie extrême droite de la plaque 40. [47] Chaque cellule 2 est maintenue par trois plaques 61-63 (cf Figure 25 4). La première plaque 61 forme un angle droit avec la paroi 53, 55 portant ladite plaque 61. La première plaque 61 est positionnée dans une zone où la distance entre la cellule 2 et la paroi 53, 55 est la plus petite. [48] La deuxième et la troisième plaque 62, 63 s'étendent vers les cellules 2 depuis une zone située au milieu de deux cellules 2 successives. 30 Les plaques 62, 63 forment un angle de 45 degrés avec la paroi 53, 55. La deuxième plaque 62 et la troisième plaque 63 forment un ensemble en forme de V présentant un angle droit entre les deux plaques 62, 63. [49] Le couvercle 50 comporte ainsi une alternance d'un ensemble de deux plaques 62, 63 en forme de V et d'une plaque 61 s'étendant perpendiculairement à une paroi 53, 55. [50] La géométrie des plaques 61-63 de maintien est montrée en détails sur les Figures 5a-5b. Les plaques 61-63 de maintien comportent deux portions 64,66 d'épaisseur constante. La portion 66 comporte une épaisseur plus petite que la portion 64. Une portion 65 à pente progressive s'étend entre les deux portions 64, 66. La portion 65 à pente progressive présente un angle a par rapport à la paroi 53, 55. L'angle a est compris entre io 10 et 20 degrés. [51] Cette géométrie des plaques 61-63 de maintien permet de faciliter l'assemblage du dispositif 1, notamment en compressant progressivement, grâce à la portion 65 à pente progressive, les plaques 40 de mousse entre les cellules 2 et la poche 20 lors de la mise en place du couvercle 50. 15 [052] Lorsque le couvercle 50 est monté sur le support 10, le couvercle 50 s'oppose à un effort exercé par la plaque 40 de mousse compressée sur les cellules 2. [053] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à un système à deux rangées 141, 142 de cellules 2 et une poche 20. En effet, le dispositif 1 peut 20 comporter plus de deux rangées 141, 142 de cellules 2 et plus d'une poche 20 positionnée entre deux rangées 141, 142 de cellules 2. Dans ce cas, si le dispositif 1 comporte N rangées de cellules, il comporte N-1 poches 20. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de refroidissement de cellules (2) électrochimiques cylindriques comportant : s - un support (10) comportant des rangées (141, 142) de logements (11) pour recevoir les cellules (2) électrochimiques cylindriques, - au moins une poche (20) de refroidissement positionnée entre deux rangées (141, 142) successives de cellules (2) électrochimiques cylindriques, - des plaques (40) de mousse conductrice positionnées entre la poche (20) lo et les cellules (2) électrochimiques cylindriques, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un couvercle (50) de forme telle que les plaques (40) de mousse sont compressées progressivement entre les cellules (2) électrochimiques cylindriques et la poche (20) de refroidissement lors de la mise en place du couvercle (50) sur le support. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (50) comporte des plaques (61-63) de maintien s'étendant suivant l'axe (X) des cellules (2) électrochimiques cylindriques, ces plaques (61-63) de maintien présentant une extrémité longitudinale en appui contre une paroi (3) externe 20 des cellules (2) électrochimiques cylindriques. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques (61-63) de maintien présentent une portion (65) à pente progressive reliant deux portions (64, 66) d'épaisseur constante. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la portion (65) à pente progressive de chaque plaque (61-63) de maintien présente un angle (a) de 10 à 20 degrés par rapport une paroi (53, 55) du couvercle (50). 30 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le couvercle (50) comporte une alternance d'un ensemble de deux plaques (62, 63) de maintien en forme de V et d'une plaque (61) de maintien s'étendant perpendiculairement à la paroi (53, 55). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux plaques (62, 63) de maintien forment un angle de 90° entre elles. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le couvercle (50) est en appui contre les cellules (2) électrochimiques cylindriques par l'intermédiaire de trois plaques (61-63) de maintien par cellules (2) électrochimique cylindriques. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la io poche (20) de refroidissement est de forme ondulée, cette poche (20) comportant sur deux faces (22, 23) opposées l'une par rapport à l'autre des creux (24) ayant un rayon de courbure supérieur au rayon des cellules (2) électrochimiques cylindriques et des bosses (25) en alternance, ces bosses (25) avançant à l'intérieur des espaces entre deux cellules (2) is électrochimiques cylindriques successives d'une même rangée (141, 142) de cellules (2) électrochimiques cylindriques. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support (10) comporte des logements (11) ayant sensiblement le même 20 diamètre (DO) que les cellules (2) électrochimiques cylindriques, ces logements (11) comprenant un rebord annulaire (12) contre lequel une face (4) d'extrémité d'une cellule (2) électrochimique cylindrique est en appui. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les 25 plaques (40) de mousse conductrice sont réalisées en fibre de verre.