Brevet FR2963591A1 — publié le 20120210

Pack de batteries électriques et engin motorisé comportant au moins un tel pack de batteries Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un pack de batteries électriques. Elle concerne également une batterie électrique munie d'au moins un tel pack de batterie. L'invention a également pour objet un engin motorisé tel qu'un véhicule automobile, comportant une telle batterie. Etat de la technique Pour répondre aux objectifs de réduction des émissions, les constructeurs automobiles se sont orientés vers des véhicules de type tout électrique ou de type électrique hybride combinant l'utilisation d'une machine électrique et d'un moteur thermique à combustion interne. Dans ces domaines de véhicules, il est connu de mettre en oeuvre une batterie électrique comportant des packs batterie. Lesdits packs comprenant plusieurs cellules Lithium pour alimenter en énergie les moteurs électriques de ces véhicules. Les packs batterie Lithium-ion sont particulièrement plébiscités dans les applications transport (démarrage, traction,...) en raison de leurs énergies spécifiques élevées qui contribuent à augmenter l'autonomie des véhicules électriques et des densités d'énergie élevées qu'elles sont susceptibles de fournir. On connaît des batteries électriques comportant des cellules Lithium-ion, lesquelles sont souvent connectées en série et disposées dans un caisson métallique. Ces cellules ne sont maintenues en position que par une pièce rapportée entre le dessus des cellules et le couvercle du caisson. Or, il est connu que les batteries sont soumises à de multiples contraintes telles que des variations importantes de température, des efforts mécaniques et des agressions extérieures ayant des origines diverses, notamment par l'eau extérieure. Les cellules Lithium-ion en boîtiers prismatiques à parois métalliques minces étant des éléments fragiles, on observe souvent des disfonctionnement de ce type de batteries liées à des pertes d'intégrité d'au moins certaines de ces cellules. Ces pertes d'intégrité des cellules résultent notamment des contraintes extérieures s'exerçant sur le caisson. La maintenance de ces batteries est particulièrement onéreuse en raison du coût des cellules Lithium-ion. Par ailleurs, pour assurer l'alimentation en énergie du moteur électrique mais également pour couvrir les demandes croissantes en électricité à bord des véhicules liées aux nombreuses fonctions (assistance au freinage, direction électrique, ...) que ces véhicules peuvent offrir, les batteries présentent une taille plus ou moins grosse selon les équipements retenus mais dans tous les cas, plus importante que les batteries traditionnelles. Or, il est connu que les batteries sont soumises à des limitations importantes de place du fait de la présence de nombreux organes mécaniques et/ou électriques dans le capot ou sur le châssis des véhicules. Il serait donc intéressant de disposer d'une batterie électrique dont l'architecture originale permette de surmonter les inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention L'objectif de la présente invention est donc de proposer une batterie électrique qui soit simple et modulaire dans sa conception et dans son mode opératoire, économique et permettant de préserver l'intégrité et la durée de vie des cellules génératrices d'énergie qu'elle comporte. Un autre objet de la présente invention est une batterie électrique compacte tout en étant apte à fournir des densités d'énergie aussi importantes que les batteries de l'art antérieur. Encore un objet de la présente invention est une batterie électrique permettant de varier, selon les besoins en capacité demandés par les engins motorisés, d'une part le nombre de cellules génératrices d'énergie et d'autre part les associations en série et en parallèle desdites cellules. Pour cela, l'invention propose une mise en compression, des cellules alignées en forme de colonne, selon l'axe des x (x étant l'épaisseur de la cellule, y la largeur de la cellule et z la hauteur de la cellule) afin d'en préserver l'intégrité et le bon fonctionnement tout au long de leurs durées de vie. Les cellules de l'invention sont des cellules prismatiques permettant d'obtenir à la fois une bonne sécurité, un coût compétitif et une grande modularité. Au sein d'une même colonne, les cellules sont mises en parallèle par deux, trois, quatre ou cinq en fonction du courant nominal souhaitée. Les cellules sont mises en série jusqu'à obtenir la tension souhaitée. Les colonnes des cellules sont ensuite intégrées de manière standardisée dans un pack de batteries. Dans l'invention, les batteries sont conçues avec une intégration modulaire standardisée de packs de batteries. Ces intégrations standardisées permettent à la fois une insertion facile dans les véhicules et un assemblage modulaire. L'emploi de pack de batteries sous forme de modules facilite sa réalisation et sa maintenance. Il permet aussi d'utiliser des packs identiques ou hétérogènes pour constituer des batteries ayant des capacités différentes. Plus précisément, l'invention a pour objet un pack de batteries comprenant un ensemble de cellules génératrices d'énergie, caractérisée en ce que - ledit pack de batteries comprend au moins un arrangement longitudinal formé par lesdites cellules, - en fonction de la tension souhaitée, un nombre n de cellules dudit arrangement à associer en série est déterminé, cette association étant effectuée en reliant, de manière standardisée, une borne positive de l'une desdites cellules à une borne négative de l'autre desdites cellules, - en fonction du courant nominal souhaité, un nombre p de cellules dudit arrangement à associer en parallèle est déterminé, cette association étant effectuée en reliant entre eux, de manière standardisée, les bornes positives desdites cellules de même que leurs bornes négatives. L'invention a également pour objet une batterie électrique comprenant au moins un pack de batteries de l'invention. Ces packs étant connectés, de manière standardisée, en série et/ou en parallèle, en fonction de la tension et du courant nominal souhaités. L'invention a également pour objet un engin motorisé équipé d'au moins une batterie comprenant au moins un pack de batteries électriques telle que décrite précédemment. Cet engin motorisé peut être un véhicule de type tout électrique ou de type hybride. Ce véhicule peut être un véhicule de transport de personnes et/ou de marchandises, un engin de chantier, un véhicule nautique ou encore un aéronef. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 montre de manière schématique une vue en perspective d'un arrangement longitudinal d'un pack de batteries électriques selon un mode de réalisation particulier de l'invention. La Figure 2 montre de manière schématique une vue partielle de l'arrangement longitudinale de la Figure 1. La Figure 3 montre une vue de face de deux arrangements longitudinaux placés côte-à-côte, selon un mode de réalisation de l'invention. La Figure 4 est une vue en perspective et partielle d'un pack de batteries électriques, selon un mode de réalisation de l'invention. La Figure 5 montre une vue agrandie de la Figure 2. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre des cellules 11 unitaires, génératrices d'énergie, encore appelées cellules unitaires ou piles éléments, réparties en forme de colonne 9 ou d'arrangement longitudinal, en étant alignées et plaquées les unes contre les autres. Ces cellules 11 unitaires sont de préférence des cellules Lithium-ion à boîtier prismatique légers (Boîtiers à paroi métallique mince) d'une capacité pouvant être supérieure ou égale à 20Ah. La figure 2 montre un exemple d'orientation des cellules 11 afin d'optimiser leur connexion. Chaque cellule 11 comporte une borne 16 positive et une borne 17 négative. Dans la colonne 9 est présente une association en série d'au moins deux cellules 11. Cette association en série s'effectue en reliant la borne 16 positive de l'une à la borne 17 négative de l'autre. En mettant plusieurs cellules 11 en série, on obtient une tension totale égale à la somme des tensions de chaque cellule 11. Un nombre n de cellules 11 à associer en série dépend de la tension souhaitée. Dans la colonne 9 est également présente une association en parallèle d'au moins deux cellules 11. Cette association s'effectue en reliant entre eux les bornes 16 positives des cellules de même que leurs bornes 17 négatives. En mettant plusieurs cellules 11 en parallèle, on obtient un courant plus important que celui que peut délivrer une seule cellule 11. En effet, le courant total fourni par plusieurs cellules 11 en parallèle est égal à la somme des courants que peut fournir chaque cellule 11. Un nombre p de cellules 11 à associer en parallèle dépend du courant souhaité. En fonction des besoins en tension et en courant, il est ainsi prédéterminé un nombre p de cellules à associer en parallèle dans le montage de la colonne 9. Il est également prédéterminé un nombre n de cellules ou groupes de cellules, à associer en série au sein de ladite colonne. La longueur de la colonne 9 est égale à n x p. les nombres n et p sont des entiers supérieurs ou égaux à un. L'association en parallèle et en série des cellules est effectuée à l'aide de connecteurs standards et communs. Dans un mode de réalisation préférée, les cellules sont d'abord associées en parallèle avant de l'être en série. Dans l'exemple de la figure 2, p est égal à 6. Les cellules 11 a et 11 b, 11 c et 11 d ainsi que les cellules 11 e et 11 f sont respectivement connectées en parallèle. Les cellules 11 a et 11 b sont connectées en série aux cellules 11 c et 11 d qui sont connectées en série, à leur tour, aux cellules 11 e et 11 f. Un nombre m prédéterminé de colonnes 9 sont ensuite regroupées dans un pack 10 de batteries, comme illustré à la figure 3. Par pack il faut entendre tout mode d'assemblage des cellules en un sous-ensemble cohérent au sein du véhicule, que ce sous-ensemble soit conçu de façon autonome (cas général) ou directement dans un berceau ou support arrimé ou partie intégrante du véhicule. Deux packs peuvent être séparés et indépendants (cas général), être accolés dans une même structure globale, ou correspondre à des sous-ensembles individualisables dans une structure d'ensemble type bâti d'assemblage ou rack en anglais. Le nombre m de colonnes est un entier supérieur ou égal à un. Ce nombre m est prédéterminé en fonction de la tension et du courant souhaités. Le produit m x n est le nombre de cellules ou groupe de cellules 11 mises en série dans le pack 10. Dans l'exemple de la figure 3, les cellules 11 unitaires sont réparties en trois (m) colonnes 9 ou arrangements longitudinaux. Les cellules 11 de chaque colonne 9 sont maintenues solidaires entre elles par deux plaques de compression 12 et 13 placées aux extrémités de la colonne correspondante. Les plaques de compression 12 et 13 de chaque colonne exercent sur les cellules 11 de la colonne correspondante une compression le long de l'axe longitudinal de cette colonne. Dans cet arrangement longitudinal une fois compressé, se crée alors une adhérence entre chaque cellule de la colonne produisant ainsi un bloc rigide. Ainsi, en alignant les cellules 11 sous forme de colonne et en utilisant cette compression, il est avantageusement possible de réaliser un positionnement ainsi qu'un maintien dans les directions x, y, z où x est l'épaisseur, y la largeur et z la hauteur de chaque cellule 11. Des tirants 14 permettent de relier les plaques de compression 12 et 13 entre elles dans chaque colonne. Ces tirants 14 assurent le réglage de la compression des cellules 11. Le nombre de cellules 11 de chaque colonne 9 peut varier en fonction des besoins en tension et puissance du pack de batteries électriques. Afin de permettre une adaptation du nombre de cellules 11 de chaque colonne 9 pour tenir compte des besoins en capacité demandés, ces tirants 14 sont avantageusement ajustables en longueur. Il s'agit par exemple de tirants télescopiques. Le nombre de tirants 14 reliant les plaques de compression 12 et 13 de chaque colonne 9 est variable en fonction de leur position, ceci afin d'obtenir une compression homogène sur toute la surface de chaque cellule 11. Dans le cas où une colonne 9 est trop longue, il est possible d'ajouter des plaques de compression intermédiaires (non représentées) permettant d'augmenter la quantité de points de fixation de la colonne 9 dans le caisson du pack de batteries et d'homogénéiser la compression des cellules 11. Les tirants 14, placés sur les cotés des cellules 11, permettent de libérer la partie supérieure de la cellule pour garantir une bonne connexion ainsi que sa partie inférieure pour garantir une bonne assise de la cellule 11 dans le caisson du pack 10 de batteries. Le volume engendré par le passage des tirants 14 est en partie absorbé lors du montage de plusieurs colonnes 9 par un système d'emboitement, en décalant la position des tirants 14 en hauteur ce qui permet ainsi d'insérer dans une même largeur les tirants de deux colonnes 9 placées côte-à-côte. Pour cela, les plaques de compression 12 et 13 comportent des découpes latérales complémentaires 15, comme illustré à la figure 3, permettant d'emboîter les bords latéraux des plaques placées en regard de deux colonnes 9 placées côte-à-côte. Cet emboitement permet d'insérer autant de colonnes 9 que nécessaire pour l'obtention de la puissance demandé au pack 10, tout en garantissant un encombrement minimum. Après vissage dans le caisson du pack 10, l'emboitement des plaques de compression 12 et 13 permet également de solidariser les colonnes 9 entre elles afin de créer un bloc rigide. Chacune des colonnes 9 est fixée au pack 10 par l'intermédiaire des plaques de compression 12 et 13. L'une des plaques de compression placées aux extrémités de chaque colonne étant fixe, l'autre est rendue mobile pour permettre d'absorber les variations de longueur des colonnes consécutives au réglage de la compression des cellules 11. De manière plus générale, le montage de ces colonnes 9 peut être réalisé dans différentes positions en fonction des contraintes d'intégration dans le logement batterie du véhicule. Les cellules 11 peuvent ainsi être placées debout ou couchées, les positions des tirants 7 étant alors adaptées afin de conserver une bonne homogénéité de la compression. L'invention permet ainsi de créer une batterie formée de q packs 10 modulables. Par exemple, si m x n est le nombre d'éléments à mettre au total en série pour atteindre la tension de la batterie désirée, les packs 10 peuvent alors être mis en parallèle au cas où la puissance demandée nécessiterait une intensité nominale supérieure et multiple de celle délivrée par les p cellules en parallèle. Le nombre q est un entier positif supérieur ou égal à un. Egalement, si m x n est un nombre inférieur au nombre total de cellules 11 à mettre en série pour assurer la tension de la batterie recherchée, les q packs 10 composant la batterie sont alors mis en série jusqu'à atteindre la tension voulue. Les nombres p des colonnes 9 doivent être identiques dans tous les q packs ou modules. Les nombres m et n propres à chaque pack 10 peuvent exceptionnellement varier en fonction de la spécificité des besoins de tension et de contrainte géométrique L'invention permet ainsi d'obtenir une batterie avec q pack 10 connecté en série et/ou en parallèle. Cette connexion des packs est effectuée à l'aide de connecteurs standards et commun. Chaque pack 10 de la batterie comprend m colonnes 9 connectée en série et/ou en parallèle. Cette connexion des colonnes est effectuée à l'aide de connecteurs standards et commun. Chaque colonne 9 du pack 10 comprend n cellule ou groupes de cellules en série et p cellule en parallèle. Par conséquent, pour une colonne 9 du pack 10 son courant nominal équivaut au nombre p multiplié par le courant nominal de la cellule 11 et sa tension au nombre n multiplié par la tension d'une cellule 11. Lorsque, le courant nominal souhaité pour la colonne 9 est égal au courant d'une seule cellule alors le nombre p est égal à un. Dans ce cas, la colonne 9 n'est constituée que de cellules 11 connectées en série. Lorsque la tension souhaité est égale à la tension d'une cellule, le nombre n est égal à un. Dans ce cas, la colonne 9 n'est constituée que de cellules 11 en parallèle. Pour obtenir respectivement le courant et la tension du pack 10, on multiplie le courant nominal de la colonne par le nombre m de colonnes connectées en parallèle et la tension de la colonne par le nombre m de colonnes reliées en série. Le nombre m est égal à un lorsque toutes les colonnes sont soit connectées en série ou en parallèle. Pour obtenir respectivement le courant et la tension de la batterie, on multiplie le courant nominal du pack par le nombre q de pack connecté en parallèle et la tension du pack par le nombre q de pack relié en série. Le nombre q est égal à un lorsque tous les packs 10 sont soit connectés en série ou en parallèle. Cette architecture de regroupement mécanique et électrique des cellules 11 permet une standardisation des colonnes 9 en une version réalisée à partir de multiples de p. Le plus souvent le multiple de p équivaut à 12, 15, 16 ou 18. L'invention permet, en effet, de concevoir des packs autour de colonnes 9 de cellules 11 avec au moins trois diviseurs entiers n, m et p. Cette standardisation permet de faciliter les modes d'assemblages des colonnes, en nombre et en longueur variables, dans un pack 10. Cet assemblage est également facilité par une standardisation des moyens de fixation des colonnes dans le pack. Ces packs 10 obtenus sont ainsi standardisés et facilement adaptables. Afin de faciliter la conception, l'ensemble des connectiques 19 électriques, illustrées à la figure 5, reliant n cellules 11 en série et p cellules 11 en parallèles, peuvent être préinstallées sur les colonnes 9 avant montage dans le pack 10. Des capteurs de mesures (non représentées) notamment de température et de tension ou servant à l'équilibrage peuvent également être préinstallés sur les colonnes 9. Ce pré-montage des capteurs et des connectiques 19 simplifie la conception et le coût de fabrication des packs 10. Le pack 10 de batteries est surveillé et géré par un système 20 de gestion pour batterie. Ce type de système 20, plus connu sous son nom anglais de BMS, est en lui-même bien connu de l'homme du métier. Dans un mode de réalisation, dans le cas de packs simples ou d'un nombre limité de pack 10, chaque pack est géré par son propre BMS 20 Aux fins de standardisation et dès que le nombre de packs augmenterait, il est néanmoins plus judicieux de regrouper aussi au niveau de la BMS 20 l'ensemble des (n x p) éléments d'une même colonne 9 au sein d'un simple boitier permettant un pré-câblage des colonnes. Ce boitier est généralement un simple point de regroupement. Mais selon le nombre de packs 10 et l'optimisation d'ensemble de la BMS 20 ce boitier peut le cas échéant comporter l'exercice de certains contrôles ou processus déportés, permettant alors à une BMS 20 centrale de fonctionner directement avec (m x q) colonnes, où m est le nombre de colonnes par pack et q le nombre de packs. Une telle architecture d'assemblage mécanique et électrique des cellules 11, avec réalisation préalable des connectiques 19 de contact par colonnes avant montage permet a posteriori le démontage facile du pack 10 et d'une colonne 9 complète dudit pack sans endommager les autres colonnes 9 ou éléments du pack. Cette architecture apporte une modularité complémentaire au niveau du contrôle qualité puis de la maintenance ou du remplacement. En effet avec l'invention, une colonne 9 d'un pack 10 peut être démontée sans décompresser les autres colonnes. Cette colonne peut également être débranchée par rapport au courant principal sans endommager les connectiques 19 des cellules 11 voisines. L'invention permet ainsi un assemblage mécanique permettant tout à la fois de comprimer les cellules au cours de leur durée de vie et d'en assurer le maintien en x, y et z au sein du pack 10 et du véhicule. L'invention propose ainsi un pack de batteries utilisant des cellules électrochimiques de forme prismatiques à boitier métallique mince, et faisant appel de ce fait à un maintien physique par compression des cellules en colonnes ou rangées. L'invention permet de déboucher sur une modularité complète de la batterie obtenue par une standardisation de la conception des colonnes 9 et de celle des packs 10.