Brevet FR2991106A1 — publié le 20131129

MODULE DE BATTERIES COMPORTANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE INTERMEDIAIRE ENTRE DES CELLULES ET DES CALODUCS L'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 10 compartiment formant un module contenant des accumulateurs d'énergie, qui peuvent être des cellules électrochimiques réalisées suivant différentes technologies connues, appelé par la suite module de batteries. En fonction de la technologie, ces modules peuvent nécessiter un système de refroidissement pour assurer les performances, la durée de vie ainsi que la 15 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 20 température réduite. Il faut alors 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 qui entraînerait un vieillissement prématuré, et un endommagement du système 25 complet de batteries. Un type de batteries connu, présenté notamment par le document US-A1-2011/0000241, 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. Les gaz circulent 30 ensuite vers l'autre extrémité du caloduc pour se liquéfier au contact d'un échangeur thermique avec le milieu extérieur, en restituant cette énergie par la chaleur latente de liquéfaction. On réalise ainsi des conducteurs thermiques compacts, pouvant transmettre une puissance élevée qui est nettement supérieure à celle 5 transmise par des matériaux conducteurs restant dans un même état. Toutefois, pour assurer la fixation des cellules et le prélèvement de leurs calories, on utilise généralement une résine thermo-conductrice qui entoure ces cellules en venant en contact avec leurs parois, de manière à assurer une conduction thermique vers le moyen d'échange thermique avec 10 le milieu extérieur. Un problème qui se pose dans le cas où on utilise des caloducs comme moyen d'échange thermique, est que les résines thermo-conductrices ne comportent généralement pas une conductivité assez élevée permettant de réaliser des échanges thermiques suffisants entre les différentes cellules, qui 15 peuvent chauffer de manière variable, pour permettre de prévoir un nombre réduit de caloducs tout en assurant une homogénéité des températures de ces cellules. Il faut alors un nombre important de caloducs régulièrement répartis entre les cellules, afin de garantir un contrôle optimal de la température de 20 chacune de ces cellules, ce qui entraîne des coûts élevés. De plus, la capacité calorifique des résines thermo-conductrices est faible. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. 25 Elle propose à cet effet un module de batteries comportant des cellules électrochimiques, 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 prélevant des calories générées par les cellules, pour les restituer à une source froide, caractérisé 30 en ce que les cellules ainsi que les extrémités des caloducs prélevant les calories, sont insérées dans un même matériau à changement de phase qui les relie thermiquement. Un avantage de ce module de batteries, est que le matériau à changement de phase représente une masse qui peut absorber lors de sa fusion une certaine quantité de calories prélevées sur les cellules, et qui peut aussi transmettre par sa bonne conductivité thermique avec une bonne homogénéité des calories aux caloducs, afin de les dissiper dans un échangeur thermique extérieur. Le module de batteries selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le fluide caloporteur des caloducs comporte une température d'évaporation qui est un peu supérieure à la température de fusion du matériau à changement de phase. Avantageusement, le matériau à changement de phase comporte de la paraffine. Avantageusement, le matériau à changement de phase est intégré dans une matrice thermo-conductrice comportant des porosités. En particulier, la matrice peut être produite à partir d'une poudre frittée pour obtenir un ensemble rigide. Avantageusement, la poudre frittée comporte du graphite. Selon un mode de réalisation, la source froide comporte un échangeur thermique avec l'air ambiant. Avantageusement, les caloducs ont une extrémité insérée dans le 25 matériau à changement de phase, sur une longueur sensiblement équivalente à la hauteur des cellules. En particulier, les cellules peuvent comporter une technologie au lithium-ion. Dans ce cas, le matériau à changement de phase comporte 30 avantageusement une température de fusion qui est proche de 40°C. 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 : - la figure 1 est un schéma vu de dessus d'un module de batteries selon l'invention, comprenant deux caloducs ; - la figure 2 est un schéma vu de dessus d'un module de batteries selon l'invention, comprenant un seul caloduc ; - les figures 3 à 7 sont des vues en coupe transversale de caloducs réalisés suivant cinq variantes différentes ; - la figure 8 présente les échanges thermiques à l'intérieur d'un module comprenant un seul caloduc ; - la figure 9 est un graphique présentant la température de ce module en fonction du temps ; - la figure 10 est un schéma vu de dessus d'un module de batteries suivant un autre mode de réalisation ; et - la figure 11 est un schéma vu de côté de ce module de batteries. La figure 1 présente un module de batteries 1 comportant une succession de cellules 4 de forme cylindrique disposées debout, qui sont rassemblées dans un compartiment 2. Les cellules 4 sont reliées électriquement entre elles et à des bornes extérieures, par des connexions électriques non représentées, pour alimenter un circuit électrique d'un véhicule hybride ou électrique, qui délivre une puissance à un moteur de traction de ce véhicule. L'espace intérieur du compartiment 2 laissé libre entre les cellules 4, est 30 entièrement rempli par une matrice thermo-conductrice 6 comprenant un matériau à changement de phase, qui vient en contact avec les parois 2 991 106 5 extérieures de ces cellules sur toute leur hauteur, de manière à assurer une bonne conductivité thermique. La matrice 6 est réalisée dans un matériau poreux disposant d'une forte conductivité thermique, comprenant par exemple du graphite, un métal ou un 5 semi-métal, qui est produit par poudre frittée pour obtenir un ensemble rigide disposant de nombreuses porosités. Le matériau poreux est ensuite imprégnée par le matériau à changement de phase de manière à remplir toutes les porosités internes. Avantageusement, le matériau à changement de phase comporte de la 10 paraffine comprenant des caractéristiques physiques adaptées pour cette application, notamment une température de fusion de l'ordre de 40°C, une conductivité thermique de l'ordre de 25W/m.K, une capacité thermique de l'ordre de 3 à 5 kJ/Kg.K, ainsi qu'une chaleur latente de fusion de l'ordre de 200 kJ/Kg. De plus la masse volumique de ce matériau est relativement 15 faible, de l'ordre de 750 Kg/m3, elle est nettement inférieure à celle des résines thermo-conductrices utilisées habituellement. Par ailleurs, la paraffine comporte 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 ininflammabilité, une faible 20 corrosivité et une absence de toxicité. On obtient ainsi une matrice 6 assez légère, capable de maintenir en position les cellules 4 grâce à sa rigidité mécanique. La matrice 6 comporte de plus à la fois une bonne conductivité thermique permettant de répartir de manière homogène la température dans le compartiment 2, pour éviter 25 notamment la surchauffe d'une des cellules 4, et une capacité d'absorption d'une certaine quantité de chaleur par la fusion de son matériau à changement de phase, lors des échauffements de ces cellules. Le module de batteries 1 comporte de chaque côté des caloducs 8 disposant chacun d'une enceinte étanche thermiquement conductrice, 30 comprenant une extrémité au contact de la source chaude constituée par la matrice 6, et l'autre extrémité formant un condenseur placée au contact d'une source froide constituée par un échangeur thermique 10. En variante, un seul caloduc 8 pourrait être disposé sur un côté du module de batteries 1, comme présenté figure 8. L'échangeur thermique 10 est avantageusement réalisé dans un métal conducteur comprenant des ailettes d'échange avec l'air ambiant, cet air pouvant être brassé par convection naturelle, ou par convection forcée en utilisant par exemple un ventilateur. La figure 2 présente un module de batteries 1 similaire, comportant une 10 succession de cellules 4 de forme prismatique disposées debout, comprenant une section transversale rectangulaire. De la même manière, la matrice 6 remplit dans le compartiment tout l'espace entre les cellules 4. Les exemples de caloducs présentés par les figures 3 à 7, comportent un volume axial intérieur creux 30 s'étendant suivant un axe représentant le 15 sens de circulation des calories, qui est laissé libre pour permettre la circulation du gaz produit par l'évaporation d'un fluide caloporteur au contact de la source chaude, vers la source froide. Un réseau de capillaires 32 s'étendant suivant l'axe du caloduc 8, permet en retour la circulation par capillarité du fluide caloporteur liquéfié au 20 contact de la source froide, vers la source chaude. Avantageusement, le fluide caloporteur comporte une température d'évaporation qui est, compte-tenu de la pression interne dans le caloduc 8, un peu supérieure à la température de fusion du matériau à changement de phase. Le fluide caloporteur peut être pur, ou constitué d'un mélange binaire, 25 il est choisi pour comporter une très bonne mouillabilité du réseau de capillaires. Des exemples de fluides caloporteurs disponibles pour cette application sont de l'eau, de l'ammoniac, de l'acétone, du méthanol ou de l'éthanol. Différents types de caloducs 8 peuvent être utilisés. La figure 3 30 présente un réseau de capillaires comportant une mèche tissée 32 qui s'étend le long de l'enceinte étanche 34, avec un volume axial intérieur creux 30. La figure 4 présente en variante, une succession de rainures axiales 32 disposées le long de l'enceinte 34, autour d'un volume axial creux 30. La figure 5 comporte en complément une toile interne 44, pour séparer le volume axial creux 30 de ces rainures 32. La figure 6 présente en variante un réseau de capillaires constitué par une poudre métallique fritée 40, comprenant des grains agglomérés disposant d'espaces intermédiaires 32 laissés vides formant ce réseau, avec 10 un volume axial creux 30 pour le passage des gaz. La figure 7 présente en variante un caloduc comportant une enceinte étanche 34, une toile interne 44 couvrant la face intérieure de cette enceinte, et délimitant le volume axial creux 30 qui comporte une artère en métal fritté 40 s'étendant le long de ce caloduc. Le réseau de capillaires est formé par la 15 toile interne 44, et par l'artère en métal fritté 40. Le principe de fonctionnement des caloducs 8 est le suivant. Au contact de la matrice 6 comportant le matériau à changement de phase, les calories sont transmises au fluide caloporteur à l'état liquide contenu dans le réseau de capillaires. Ce fluide s'évapore, en absorbant une chaleur latente 20 d'évaporation qui refroidit la source chaude. La pression des vapeurs du fluide caloporteur conduit alors ces gaz par le volume axial creux 30 vers l'autre extrémité du caloduc 8 insérée dans la source froide. Au contact de la source froide, les vapeurs se condensent en dégageant une chaleur latente de condensation qui réchauffe cette source 25 froide, et crée une baisse de pression qui permet avec l'augmentation de pression du côté 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. 30 L'enceinte étanche 34 du caloduc comporte en particulier une résistance mécanique suffisante pour tenir la pression interne, ainsi qu'une 2 991 106 8 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 5 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. Le fonctionnement du module de batteries 1 est présenté par les figures 8 et 9. La figure 9 montre une évolution de la température T° des cellules 4, en fonction du temps t. Lors du démarrage du véhicule, quand les batteries sont misent en service, elles sont au temps tO à une température initiale TO. Ensuite, au cours du fonctionnement de ces batteries, leur température monte progressivement, ce qui génère un échange thermique 20 avec la matrice 6. Au temps t1, la température de la matrice 6 atteint la température de fusion Tf du matériau à changement de phase, ce qui occasionne le début de la liquéfaction de ce matériau. On a alors une liquéfaction de l'ensemble du matériau de fusion jusqu'aux temps t2, qui absorbe une chaleur latente de fusion importante, ce qui maintient sa température à un niveau très constant. En parallèle, on a un échange thermique 22 important dans le matériau à changement de phase par sa conductibilité thermique, ce qui homogénéise la température dans l'ensemble du compartiment 2 du module de batteries 1. Au temps t2 l'ensemble du matériau de fusion est fondu, on a alors à nouveau une montée de la température des cellules 4 et de la matrice 6, jusqu'à ce que la température d'évaporation Te des caloducs 8 soit atteinte au temps t3. On a alors une évaporation du fluide des caloducs 8, et une circulation de ce fluide qui prélève 24 des calories dans la matrice 6, pour les conduire vers l'échangeur thermique extérieur 10 où elles sont évacuées 26 vers l'air ambiant. A partir du temps t3, le flux thermique important permis par les caloducs 8, fait que la température des cellules 4 se stabilise à nouveau près de la température d'évaporation Te. On obtient ainsi une température des cellules 4 à la fois très homogène, et qui peut être limitée à l'intérieur d'une plage de température réduite restant sensiblement entre la température de fusion Tf du matériau à changement de phase, et la température d'évaporation Te du fluide du caloduc 8. En particulier, on peut choisir une plage de température comprise sensiblement entre 40 et 50°C, pour faire fonctionner des batteries au lithium-ion. Les conditions de fonctionnement des batteries sont ainsi optimisées, ce qui permet d'assurer à la fois les meilleures performances, ainsi qu'une bonne durée de vie de chacune de ses cellules 4. De plus le système de refroidissement des batteries 1 peut être relativement léger, grâce à la faible densité de la matrice 6 par rapport à d'autres solutions comme des résines thermo-conductrices, ce qui est important pour un véhicule. D'une manière générale la forme des cellules 4 ainsi que leurs dispositions peuvent être quelconques. On peut en particulier utiliser des cellules cylindriques qui sont alignées pour former des carrés, l'espace intermédiaire rempli par la matrice 6 ayant dans ce carré la forme d'une étoile à quatre branches, ou qui sont alignées pour former des triangles, l'espace intermédiaire ayant dans ce triangle la forme d'une étoile à trois branches. On peut en variante utiliser des cellules 4 ayant la forme d'un prisme, qui sont alignées de manière à laisser un espace entre les rangées et les colonnes permettant de disposer la matrice 6 dedans. Les cellules 4 peuvent 25 aussi être comprises dans des sachets de forme souple. Les figures 10 et 11 présentent des caloducs 8 comprenant une forme cylindrique, disposés parallèlement aux cellules cylindriques 4, dont l'extrémité est insérée dans le matériau à changement de phase sur une longueur sensiblement équivalente à la hauteur de ces cellules. 30 Les caloducs 8 sont placés aux extrémités de rangées de cellules 4 alignées pour former des triangles. De cette manière, on utilise pour ces caloducs 8 des espaces laissés disponibles aux extrémités des alignements de cellules 4. L'extrémité supérieure des caloducs 8 dépasse au-dessus du compartiment 2 comprenant la matrice 6 et les cellules 4, et reçoit l'échangeur thermique 10 avec l'air ambiant, comprenant une succession de lamelles parallèles disposées transversalement par rapport à ces caloducs. D'une manière générale, l'utilisation de la matrice 6 à bonne conductibilité thermique permet de transférer les calories vers un nombre réduit de caloducs 8, qui peuvent comporter chacun une puissance plus importante. On peut ainsi réduire les coûts par rapport à un système comportant un plus grand nombre de caloducs 8. La matrice 6 moulée dans un matériau fritté, permet de réaliser des formes quelconques s'adaptant facilement aux dimensions des cellules 4 et à leurs dispositions, ainsi qu'à la forme des caloducs 8 qui sont insérés dans cette matrice. Le système de batteries suivant l'invention peut être utilisé avantageusement avec des accumulateurs au lithium-ion, mais aussi avec tous types de cellules électrochimiques nécessitant un refroidissement bien maîtrisé.20 REVENDICATIONS1 - Module de batteries comportant des cellules électrochimiques (4), et un dispositif de refroidissement comprenant des caloducs (8) disposant d'un fluide caloporteur subissant un cycle d'évaporation et de condensation, qui comportent une extrémité prélevant des calories générées par les cellules, pour les restituer à une source froide (10), caractérisé en ce que les cellules (4) ainsi que les extrémités des caloducs (8) prélevant les calories, sont insérées dans un même matériau à changement de phase qui les relie thermiquement. 2 - Module de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur des caloducs (8) comporte une température d'évaporation qui est un peu supérieure à la température de fusion du matériau à changement de phase. 3 - Module de batteries selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase comporte de la paraffine. 4 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est intégré dans une matrice thermo-conductrice (6) comportant des porosités. 5 - Module de batteries selon la revendication 4, caractérisé en ce la matrice (6) est produite à partir d'une poudre frittée pour obtenir un ensemble rigide. 6 - Module de batteries selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre frittée comporte du graphite. 7 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source froide comporte un échangeur thermique avec l'air ambiant (10). 8 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caloducs (8) ont une extrémité 30 insérée dans le matériau à changement de phase, sur une longueur sensiblement équivalente à la hauteur des cellules (4). 9 - Module de batteries selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules (4) comportent une technologie au lithium-ion. 10 - Module de batteries selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase comporte une température de fusion qui est proche de 40°C. 11 - Véhicule automobile hybride ou électrique comprenant des modules de batteries (1) pour alimenter une machine électrique de traction, caractérisé en ce que ces modules sont réalisés selon l'une quelconque des revendications précédentes.