Brevet FR2989323A1 — publié le 20131018

MODULE DE BATTERIES COMPORTANT UN DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT COMPRENANT UN MATERIAU DE FUSION La présente invention concerne un module de batteries comportant un dispositif de refroidissement, ainsi qu'un véhicule hybride ou électrique équipé d'un tel module de batteries. Les véhicules hybrides ou électriques comportent généralement un compartiment formant un module contenant des accumulateurs d'énergie, qui peuvent être des cellules électrochimiques réalisées suivant différentes technologies connues, appelés par la suite batteries. En fonction de la technologie, ces batteries peuvent nécessiter un système de refroidissement pour assurer les performances, la durée de vie ainsi que la sécurité. En particulier les cellules au lithium-ion disposant d'une forte densité d'énergie par rapport à la masse, nécessitent un suivi important de leurs conditions de fonctionnement, comme la tension ou la température, et un système de refroidissement pour les maintenir dans une plage de température réduite. De plus, il faut assurer à l'intérieur du module de batteries un refroidissement suffisamment homogène de l'ensemble des cellules, afin d'éviter une augmentation de température de certaines cellules moins bien refroidies, qui entraînerait un vieillissement prématuré de ces cellules, et un endommagement du système complet de batteries. Un système de batteries connue, présenté notamment par les documents US-A1-2011/0000241 et US-A1-2011/0206965, comporte des caloducs dont une extrémité est insérée entre les cellules, comprenant un fluide qui s'évapore au contact de ces cellules en absorbant une chaleur latente d'évaporation, et qui circule ensuite à l'autre extrémité du caloduc pour se liquéfier en restituant cette énergie par la chaleur latente de liquéfaction. On réalise ainsi des conducteurs thermiques compacts pouvant transmettre une puissance thermique élevée, qui est nettement supérieure à celle transmise par des matériaux conducteurs restant dans un même état. Les caloducs conduisent la chaleur vers différents systèmes de dissipation actifs, comme des radiateurs dissipant les calories dans l'air ambiant, ou des échangeurs thermiques qui utilisent ces calories pour d'autres systèmes thermiques du véhicule. Toutefois, ces systèmes de dissipation actifs ne sont pas autonomes d'un point de vue thermique, ils sont liés à des échangeurs extérieurs nécessitant des systèmes de circulation de fluides, comme des pompes ou des ventilateurs, afin de dissiper les calories produites. Ces système de circulation de fluides nécessitent une énergie pour les entraîner qui augmente la consommation globale du véhicule, et comportent une masse ainsi qu'un volume qui pénalisent ce véhicule. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un module de batteries comportant des cellules électrochimiques regroupées dans un compartiment, et un dispositif de refroidissement comprenant des caloducs disposant d'un fluide caloporteur subissant un cycle d'évaporation et de condensation, qui comportent une extrémité insérée entre ces cellules pour prélever des calories, et les restituer à une source froide se trouvant à l'autre extrémité, caractérisé en ce que la source froide contient un matériau de fusion comportant une température de fusion inférieure à la température d'évaporation du fluide du caloduc. Un avantage de ce module de batteries, est qu'il peut comporter une matrice intégrée dans le compartiment, contenant le matériau de fusion disposant d'une chaleur latente de fusion élevée, pour réaliser un ensemble compact capable d'absorber en interne les différentes puissances thermiques dissipées par chacune des cellules, avec une bonne homogénéité des températures grâce à la conduction thermique élevée des caloducs. Le module de batteries selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Selon un premier mode de réalisation, les caloducs comportent une mèche tissée qui s'étend le long d'une enceinte étanche, formant un réseau de capillaires. Selon un deuxième mode de réalisation, les caloducs comportent des rainures disposées suivant l'axe, qui entourent un volume axial vide, formant un réseau de capillaires. Selon un troisième mode de réalisation, les caloducs comportent une poudre fritée, comprenant des grains agglomérés, formant un réseau de capillaires En particulier, les caloducs peuvent comporter des parties supérieures dépassant au dessus des cellules, et insérées dans la source froide, qui forment un angle par rapport à la direction principale des parties insérées entre ces cellules. Avantageusement, le matériau de fusion de la source froide comporte de la paraffine Avantageusement, le matériau de fusion de la source froide est intégré 20 dans une matrice comportant des porosités, qui dispose d'une forte conductivité thermique. Avantageusement, la matrice comporte une poudre frittée disposant d'une matière comprenant une bonne conductibilité thermique. En particulier, les cellules comportant une forme cylindrique de section 25 circulaire, et étant alignées suivant des rangées et des colonnes, les caloducs peuvent comprendre une forme en étoile qui s'insère entre les différentes cellules adjacentes. Les cellules étant alignées en rangées ou en colonnes comprenant des espacements entre elles, les caloducs peuvent former des plaques qui sont 30 interposées dans ces espacements. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride ou électrique comprenant des modules de batteries pour alimenter une machine électrique de traction, comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 à 5 sont des vues en coupe de caloducs réalisés suivant cinq variantes différentes ; - la figure 6 est un schéma présenté en perspective d'un module de batteries selon l'invention ; - la figure 7 est un schéma présenté en perspective d'un module selon une variante ; - la figure 8 est un schéma présenté en vue de face, de ce module comportant une option ; - les figures 9 et 10 présentent deux formes de caloducs adaptées pour des cellules électrochimiques de section circulaire ; et - les figures 11 et 12 présentent deux formes de caloducs adaptées pour des cellules électrochimiques de section rectangulaire. Les figures 1 à 5 présentent cinq exemples de caloducs, comportant chacun une enceinte étanche 4 de forme allongée suivant un axe, et thermiquement conductrice, comprenant une extrémité placée au contact d'une source chaude, comme les cellules électrochimiques d'une batterie, pour prélever des calories sur cette source chaude. L'autre extrémité des caloducs est placée au contact d'une source froide, pour délivrer les calories à cette source froide. Chaque caloduc comporte un réseau de capillaires qui s'étend sur toute la longueur de l'enceinte 4, permettant la circulation par capillarité d'un fluide caloporteur, d'une extrémité de ce caloduc en contact avec la source chaude, à l'autre extrémité en contact avec la source froide. Un volume axial s'étendant sur toute la longueur du caloduc, est laissé libre pour permettre la circulation dans l'autre sens du gaz produit par l'évaporation de ce fluide au contact de la source chaude. Le fluide caloporteur comporte une température d'évaporation qui est, compte-tenu de la pression interne dans le caloduc, incluse dans la plage de température de fonctionnement de la source chaude. Le fluide caloporteur peut être pur ou constitué d'un mélange binaire, il est choisi pour comporter une très bonne mouillabilité du réseau de capillaires. Dans le cas de cellules électrochimiques de batteries comportant suivant la technologie utilisée, une température d'utilisation comprise entre 20 et 35°C, des exemples de fluides caloporteurs disponibles pour ces applications sont de l'eau, de l'ammoniaque, de l'acétone ou de l'éthanol. La figure 1 présente un premier type de caloduc, comportant une mèche tissée 2 s'étendant le long de l'enceinte étanche 4, qui véhicule le liquide par capillarité de la source froide vers la source chaude. Un volume axial vide 10 s'étend le long de cette mèche tissée 2, de manière à laisser passer le retour des gaz circulant en sens inverse. La figure 2 présente un deuxième type de caloduc, comportant une enceinte 4 comprenant sur sa surface interne, une succession de rainures de petite section disposées suivant l'axe 12, qui entourent le volume axial vide 10, et forment un réseau de capillaires. La figure 3 présente un troisième type de caloduc similaire au deuxième type, recevant en plus une toile interne 14 formant une gaine qui sépare les rainures disposées suivant l'axe 12, du volume axial vide 10. La figure 4 présente un quatrième type de caloduc, comprenant un réseau de capillaires constitué par une poudre métallique fritée, qui comporte des grains de métaux 20 agglomérés disposant d'espaces intermédiaires laissés vides formant le réseau de capillaires. Un volume axial 10 est laissé vide au centre de la poudre fritée 20, pour le passage des gaz. La figure 5 présente un cinquième type de caloduc comportant une enceinte étanche 4, une toile interne 14 couvrant la face intérieure de cette enceinte, et délimitant le volume axial vide 10 qui comporte une artère en métal fritté 20 s'étendant le long de ce caloduc. Le réseau de capillaires est formé par la toile interne 14, et par l'artère en métal fritté 20. Le principe de fonctionnement des caloducs est le suivant. Au contact de la source chaude, les calories sont transmises à une extrémité de l'enceinte conductrice 4 comportant le fluide caloporteur à l'état liquide contenu dans le réseau de capillaires. Ce fluide s'évapore, en absorbant une chaleur latente d'évaporation qui refroidit cette source chaude. La pression des vapeurs du fluide caloporteur conduit alors ces gaz par le volume axial vide 10, vers l'autre extrémité du caloduc insérée dans la source froide. Au contact de la source froide, les vapeurs se condensent en dégageant une chaleur latente de condensation qui réchauffe la source froide, et crée une baisse de pression qui permet avec l'augmentation de pression de l'évaporation, de faire circuler les gaz. Le fluide caloporteur condensé est alors conduit par capillarité dans le réseau de capillaires vers la source chaude, ce qui renouvelle ce fluide prêt à subir un nouveau cycle. L'enceinte étanche 4 du caloduc comporte en particulier une résistance mécanique suffisante pour tenir la pression interne, ainsi qu'une stabilité pour éviter des corrosions par le liquide ou les gaz contenus. On peut utiliser notamment du cuivre ou de l'aluminium, qui comportent une bonne conductibilité thermique. On obtient ainsi un système de conduction thermique passif très efficace, qui conduit pour un volume donné une quantité de chaleur bien plus importante que celle transportée par une conduction directe avec une matière restant dans la même phase. Ce système peut être compact et économique, en rapport avec la quantité d'énergie calorifique conduite. La figure 6 présente un module de batteries 30, comportant une succession de cellules électrochimiques 32 de forme parallélépipédique, 30 comprenant des caloducs plats 34 interposés chacun entre deux cellules mitoyennes, de manière à couvrir simultanément une face principale entière de chacune de ces cellules. On obtient ainsi pour chaque caloduc 34, une grande surface d'échange thermique avec deux cellules 32. En complément, on peut disposer une mousse thermiquement conductrice entre les cellules 32 et les caloducs 34, pour améliorer la conduction thermique entre ces composants. La majeure partie du volume de chaque caloduc 34 est interposée entre les cellules 32, une petite partie supérieure dépassant au-dessus des cellules, est insérée dans une matrice 36 qui recouvre les cellules centrales. La matrice 36 comporte un matériau comprenant une température de fusion inférieure à la température d'évaporation du fluide du caloduc 34, qui est dans ce cas de l'ordre de 30 à 40°C, et une forte chaleur latente de fusion. Le matériau de fusion est choisi avantageusement pour comporter une bonne conductivité thermique, une grande chaleur spécifique, une faible variation de volume lors du changement de phase pour le passage à l'état liquide, une grande stabilité après un nombre important de cycles, une inflammabilité, une faible corrosivité et une absence de toxicité. Avantageusement, on utilise de la paraffine comportant la plupart de ces critères, mais disposant d'une faible conductivité thermique qui est de l'ordre de 0.5W/m.K, ce qui peut poser des problèmes d'écarts de température à l'intérieur du matériau. Pour y remédier, on utilise avantageusement une matrice 36 disposant d'une forte conductivité thermique, comprenant par exemple du graphite, un métal ou un semi-métal, pouvant comporter une conductivité de 500W/m.K, qui est produite par poudre frittée de manière à obtenir un ensemble rigide disposant de nombreuses porosités. La matrice 36 est ensuite imprégnée de paraffine, de manière à remplir toutes les porosités internes. Le fonctionnement du module de batteries 30 est le suivant. Au contact des cellules 32 les plus chaudes se trouvant à des températures de l'ordre de 30 à 40°C, le fluide situé dans la partie inférieure des caloducs 34 se vaporise en absorbant les calories dégagées par ces cellules, correspondant à la chaleur latente d'évaporation. Les gaz produits montent alors vers la partie supérieure des caloducs 34 sous l'effet de la légère pression générée par cette vaporisation. Les gaz arrivant dans la partie supérieure des caloducs 34 réchauffent la matrice 36, ainsi que la paraffine contenue dans ses porosités qui était solide à la température ambiante. La bonne conductibilité thermique de la matrice 36 permet de répartir uniformément les calories dégagées par les caloducs 34 dans la paraffine, même si ces caloducs sont réchauffés de manière peu homogène. Quand la paraffine atteint sa température de fusion, elle fond alors en absorbant une chaleur latente de fusion, ce qui stabilise sa température sur un palier correspondant à cette température de fusion. On a alors une possibilité d'absorber une grande quantité de chaleur dépendant de la masse de paraffine solide disponible, en attendant que toute cette paraffine soit fondue. On a ensuite dans le cas où les cellules 32 continuent à dégager des calories, une température de la matrice 36 qui recommence à monter. La figure 7 présente en variante un module de batteries 30 comportant des parties supérieures de caloducs 34 dépassant au dessus des cellules 32 et intégrées dans la matrice 36, qui sont inclinées suivant un angle par rapport à la direction principale des parties de caloducs accolées aux cellules. On peut alors obtenir un volume de ces parties supérieures des caloducs 34, et des surfaces d'échange de ces parties avec la matrice 36, qui restent équivalents tout en réduisant la hauteur de cette matrice. Avantageusement, on calcule la masse de paraffine pour permettre le refroidissement des cellules 32 nécessaire dans la plus grande partie des cycles d'utilisation du module de batteries 30. Ce calcul permet de limiter la masse, l'encombrement et le coût de la matrice 36, en ne prenant pas en compte les pointes de puissance thermique occasionnelles. La figure 8 présente un module de batteries 30 similaire, comportant en plus un dissipateur thermique 40 posé à plat au-dessus de la matrice 36, permettant un échange de calories avec l'air ambiant. Avantageusement, le dissipateur thermique 40 comporte un métal comprenant une forte conductibilité thermique, comme de l'aluminium, et des formes fortement découpées disposant de surfaces importantes, pour réaliser les échanges avec l'air qui est pulsé par un ventilateur sur cet échangeur. Pour absorber les pointes exceptionnelles de dégagement de chaleur des cellules 32, la totalité de la paraffine étant alors fondue, le système de surveillance du module de batteries 30 mesure la température du dissipateur 40 par une sonde de température, pour mettre en route le ventilateur quand cette température devient trop élevée. On doit alors dimensionner ce système de refroidissement actif pour des pointes de puissance thermique qui sont limitées dans le temps, ce qui permet de garder un système compact, léger et économique. La figure 9 présente en vue de dessus des cellules cylindriques 32 d'un module de batteries, alignées suivant des rangées et des colonnes, les différentes rangées ou colonnes étant très proches entre elles. Les caloducs 34 peuvent être des éléments séparés en forme d'étoile à quatre branches, qui se trouvent chacun au contact de quatre cellules 32 adjacentes. On a alors une grande modularité d'assemblage, tous les caloducs 34 étant identiques. En variante, les cellules cylindriques 32 pourraient être rangées en quinconce, ce qui donnerait des caloducs 34 en forme d'étoile à trois branches pour rester en contact avec les trois cellules adjacentes. La figure 10 présente en vue de dessus des cellules cylindriques 32 alignées aussi en rangées et en colonnes, les rangées étant espacées entre elles. On peut alors réaliser des caloducs 34 sous forme de plaques 50 disposées entre deux rangées de cellules 32, ce qui permet de produire moins de composants, et de faciliter leur assemblage en manipulant un nombre de composants réduit. 2 9 8932 3 10 Par contre cette disposition nécessite des plaques 50 de longueurs différentes, dans le cas où les rangées ne comportent pas toutes le même nombre de cellules 32. On notera pour ces différentes variantes, que les caloducs 34 5 recouvrent toujours une grande partie des surfaces des cellules 32, ce qui favorise les échanges thermiques. La figure 11 présente en vue de dessus des cellules parallélépipédiques 32, recevant des caloducs 34 de forme plate qui recouvrent en une seule pièce, toute la surface principale des cellules adjacentes. 10 La figure 12 présente en variante les mêmes cellules 32 recevant entre elles deux caloducs 34 identiques de forme plate, qui recouvrent une majeure partie de la surface principale des cellules adjacentes. On utilise ainsi un plus grand nombre de caloducs 34, comportant chacun des dimensions réduites. 15 D'une manière générale, en combinant les caloducs 34 comportant une très grande conductibilité thermique, avec le matériau de fusion pouvant absorber une quantité de chaleur importante, on obtient un module de batteries compacte, comportant une bonne homogénéité des températures et une capacité d'absorption calorifique importante, ce qui permet d'assurer la 20 sécurité de ces batteries est de préserver leur durée de vie. En particulier, on peut obtenir un gradient de température inférieure à 1° ou 2° dans l'ensemble des cellules 32. Le système de batteries suivant l'invention peut être utilisé avantageusement avec des accumulateurs au lithium-ion, mais aussi avec 25 tous types de cellules électrochimiques nécessitant un refroidissement. REVENDICATIONS1 - Module de batteries comportant des cellules électrochimiques (32) regroupées dans un compartiment, et un dispositif de refroidissement comprenant des caloducs (34) disposant d'un fluide caloporteur subissant un cycle d'évaporation et de condensation, qui comportent une extrémité insérée entre ces cellules pour prélever des calories, et les restituer à une source froide (36) se trouvant à l'autre extrémité, caractérisé en ce que la source froide (36) contient un matériau de fusion comportant une température de fusion inférieure à la température d'évaporation du fluide du caloduc. 2 - Module de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caloducs (34) comportent une mèche tissée (2) qui s'étend le long d'une enceinte étanche (4), formant un réseau de capillaires. 3 - Module de batteries selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les caloducs (34) comportent des rainures disposées suivant l'axe (12), qui entourent un volume axial vide (10), formant un réseau de capillaires. 4 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caloducs (34) comportent une poudre 20 fritée (20), comprenant des grains agglomérés disposant d'espaces intermédiaires laissés vides, formant un réseau de capillaires. 5 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caloducs (34) comportent des parties supérieures dépassant au dessus des cellules (32), et insérées dans la 25 source froide (36), qui forment un angle par rapport à la direction principale des parties insérées entre ces cellules. 6 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de fusion de la source froide (36), comporte de la paraffine 30 7 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de fusion de la source froideest intégré dans une matrice (36) comportant des porosités, qui dispose d'une forte conductivité thermique. 8 - Module de batteries selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matrice (36) comporte une poudre frittée disposant d'une matière comprenant une bonne conductibilité thermique. 9 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules (32) comportant une forme cylindrique de section circulaire, et étant alignées suivant des rangées et des colonnes, les caloducs (34) comprennent une forme en étoile qui s'insère entre les différentes cellules adjacentes. 10 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules étant alignées en rangées ou en colonnes comprenant des espacements entre elles, les caloducs (34) forment des plaques (50) qui sont interposées dans ces espacements. 11 - Véhicule automobile hybride ou électrique comprenant des modules de batteries (30) pour alimenter une machine électrique de traction, caractérisé en ce que ces modules sont réalisés selon l'une quelconque des revendications précédentes.