Brevet FR2998715A1 — publié le 20140530

La présente invention se rapporte à une batterie électrique modulaire, notamment pour véhicules automobiles, en particulier de type hybride ou électrique. Les véhicules automobiles terrestres, de part l'hybridation et plus généralement l'électrification, abandonnent peu à peu les batteries électrochimiques à base de matériau au plomb au profit des batteries électrochimiques de nouvelles technologies, comme celles à base de lithium. Ces nouvelles technologies de batteries sont très souvent produites sous 10 forme unitaire à partir d'accumulateurs électrochimiques puis associées dans un packaging défini pour un type d'élément, notamment dans le domaine de l'automobile. Aujourd'hui, plusieurs technologies de batterie sont proposées avec une 15 grande diversité de contraintes techniques, notamment au niveau de l'intégration des accumulateurs, de la densité énergétique obtenue, des contraintes thermiques,... Ceci a pour inconvénients d'entraîner des surcoûts non négligeables, en particulier ceux liés à la diversité de réalisation des packagings. 20 La présente invention propose de remédier à cette problématique par la conception d'une batterie modulaire comprenant également son électronique et ses appareillages électrotechniques. 25 Cette batterie est avantageuse en termes de rapidité de montage et de démontage, de facilité à l'adaptation aux besoins de puissances et/ou d'énergie électriques souhaitées, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas d'une utilisation en laboratoire ou sur véhicule prototype. 30 A cet effet, la présente invention concerne une batterie électrique modulaire, notamment pour véhicules automobiles, en particulier de type hybride ou électrique, comportant au moins un accumulateur électrochimique de stockage et de restitution d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un module de réception à l'intérieur duquel est logé au moins un accumulateur et sur lequel sont rapportés et fixés au moins un module de connexion électrique et au moins un module de fermeture. Le module de réception peut comprendre au moins une alvéole de réception d'accumulateur. Le module de réception peut comprendre un système de chauffage/refroidissement. Le système de chauffage/refroidissement peut comprendre au moins une canalisation interne au module de réception et parcourue par un fluide de chauffage/refroidissement. Le système de chauffage/refroidissement peut comprendre au moins une canalisation en forme de U placée le long d'une rangée d'alvéoles. Le système de chauffage/refroidissement peut comprendre au moins une 20 canalisation en forme de U placée le long d'une alvéole. Le module de connexion peut comprendre des alésages épaulés de disposition concordante à celles des alvéoles du module de réception. 25 Le module de connexion peut comprendre des empreintes creuses pour la mise en place de barrettes de liaisons électriques. Le module de connexion peut comprendre au moins un passage pour les barrettes de liaisons électriques d'entrée/sortie. 30 Le module de fermeture peut comprendre un système d'évacuation de gaz. Le système d'évacuation de gaz peut comprendre au moins un évent pour la mise en communication du module de fermeture avec l'air extérieur. Le module de fermeture peut porter un dispositif électronique. Le dispositif électronique peut être dans un compartiment fermé par un couvercle. La batterie peut comprendre un module électrotechnique raccordé à au moins un module de connexion électrique. Le procédé de montage de la batterie peut consister à : - loger le nombre souhaité d'accumulateurs dans les alvéoles du module de réception, - placer et fixer au moins un module de connexion sur le module de réception, - établir par des barrettes conductrices amovibles les liaisons électriques avec les accumulateurs entre eux et avec les barrettes électriques 20 d'entrée/sortie, - placer et fixer un module de fermeture sur le module de connexion. Le procédé de montage peut consister à loger un dispositif électronique dans au moins un des modules de fermeture. 25 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : la figure 1 qui est un schéma montrant la batterie modulaire selon 30 l'invention dans son ensemble, la figure 2 qui montre un élément (module de réception), vu de dessus, extrait de la batterie de la figure 1, - la figure 3 qui illustre une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2, - la figure 4 et la figure 5 résultant de la coupe selon la ligne 5-5 de la figure 4 sont une illustration de la variante de l'élément de la figure 2, - la figure 6 est un schéma montrant en vue de dessus un autre élément (module de connexion) extrait de la batterie de la figure 1, - la figure 7 est une coupe selon la ligne 7-7 de la figure 6, - la figure 8 illustre un autre élément (module de fermeture), vu de dessus extrait de la batterie de la figure 1, et - la figure 9 est une coupe selon la ligne 9-9 de la figure 8. Sur la figure, la batterie modulaire 10, ici de forme parallélépipédique rectangle, comprend un module de réception 12 à l'intérieur duquel est logé au moins un accumulateur électrochimique 14 de stockage et de restitution d'énergie électrique. Sur ce module de réception sont rapportés et fixés au moins un module de connexion électrique 16, ici un module supérieur et un module inférieur, et au moins un module de fermeture 18, ici deux modules, placés sur les modules de connexion électrique 16. Avantageusement, la batterie comprend également un module électrotechnique 20 connecté à au moins un module de connexion électrique 16 et qui comprend les appareillages électrotechniques liés à la batterie, tel que les contacteurs, les fusibles,... En se rapportant en plus aux figures 2 et 3, le module de réception 12, de forme parallélépipédique rectangle, comprend un bloc 22 en un matériau ayant de bonnes propriétés thermiques, notamment pour permettre l'évacuation de la chaleur, associés à de bonnes propriétés de résistance mécanique, comme un alliage d'aluminium. Ce bloc comprend une multiplicité d'alvéoles circulaires verticales 24 pour la réception d'accumulateurs électrochimiques 14, qui s'étendent entre les deux faces horizontales supérieure 26a et inferieure 26b du bloc. Dans l'exemple illustré, il est prévu de réaliser dix alvéoles réparties régulièrement selon deux rangées de cinq alvéoles, mais ce nombre et cette disposition peuvent varier notamment en fonction de la taille et/ou du nombre d'accumulateurs requis pour la puissance ou l'énergie électrique que doit fournir la batterie. Les accumulateurs illustrés à titre d'exemple sur les figures ont leurs deux 5 électrodes 28 de part et d'autre de l'accumulateur mais la disposition selon laquelle les deux électrodes sont du même côté de l'accumulateur n'est pas à écarter. Les accumulateurs sont ici de forme cylindrique mais toute autre forme, 10 comme une forme parallélépipédique, peut être envisagée. Comme visible sur les figures, les accumulateurs ont une hauteur plus grande que la hauteur du bloc considérée entre les deux faces horizontales 26a, 26b. 15 Ces accumulateurs, qui sont de diamètre moindre que le diamètre des alvéoles, sont logés dans les alvéoles 24 en y interposant un fourreau 30 de même hauteur que la hauteur du bloc. Ce fourreau présente des caractéristiques élastiques permettant de maintenir l'accumulateur dans l'alvéole tout en absorbant les vibrations pouvant provenir du bloc. Ce fourreau 20 présente également des caractéristiques diélectriques permettant d'isoler électriquement l'accumulateur du bloc et de bonnes propriétés thermiques pour conduire la chaleur, comme des feuilles en silicone renforcé de fibres de verre. Le bloc porte également à l'intérieur de son corps un système de 25 chauffage/refroidissement 32 comportant au moins une canalisation interne parcourue par un fluide qui permet, soit de chauffer le bloc pour amener les accumulateurs à la température de fonctionnement, soit de refroidir ce bloc pour évacuer les calories provenant des accumulateurs en assurant ainsi leur refroidissement. 30 Sur l'exemple des figures 2 et 3, le système de chauffage/refroidissement comprend deux paires de canalisations internes horizontales 34 en forme de U qui s'étendent sensiblement parallèlement et à distance des faces 26a, 26b du bloc. Les paires de canalisations sont placées à distance l'une de l'autre et l'une au dessus de l'autre. Ces canalisations sont disposées d'une manière telle qu'une rangée d'alvéoles 24 est située à l'intérieur du U de deux canalisations disposées l'une au dessus de l'autre. Les extrémités libres des branches aboutissent sur la petite face verticale 36 du bloc en étant raccordées pour l'une des branches à l'entrée E d'un fluide de chauffage/refroidissement et pour l'autre des branches à la sortie S du fluide. Sur la variante des figures 4 et 5, il est illustré un autre exemple de système de chauffage/refroidissement 32. Pour cette variante, il est également prévu des canalisations internes 38 en forme de U situées dans le bloc 22 avec une entrée E d'un fluide de chauffage/refroidissement et une sortie S de ce fluide. Dans cette variante, une canalisation 38 entoure une alvéole 24 avec une disposition selon laquelle l'alvéole se situe dans le fond du U et les extrémités des branches du U aboutissent sur la grande face verticale 40a ou 40b du bloc en regard de la rangée d'alvéoles. Comme mieux visible sur la figure 5, il est prévu, pour chaque alvéole 22, deux canalisations 38 placées l'une au dessus de l'autre en présentant une inclinaison a par rapport à l'horizontale. Dans les exemples illustrés aux figures 2 à 4, le bloc comporte, sur les faces horizontales 26 a et 26b, un logement de réception 42 pour un joint d'étanchéité qui s'étend sur le pourtour du bloc. Dans l'exemple des figures 6 et 7, le module de connexion 16 comprend une plaque plane rectangulaire 44 de forme semblable à celle du module de réception et qui est en une matière isolante électriquement, comme une matière plastique. Cette plaque porte sur une de ses grandes faces horizontales 46, ici la face horizontale inferieure en considérant la figure 7, une multiplicité d'alésages épaulés 48 et, sur l'autre 50 de ses grandes faces horizontales, opposée à la face 46, une cavité 52 de forme rectangulaire délimitant une bordure 54. Les alésages épaulés 48 sont disposés dans la plaque selon une configuration identique à celle des alvéoles 24 du bloc 22 (ici deux rangées de 5 cinq alésages). Chaque alésage épaulé comprend un alésage cylindrique 56, de diamètre sensiblement identique à celui des alvéoles, qui part de la face 46 de la plaque et qui aboutit à un épaulement 58. A partir de cet épaulement, un perçage 60 est réalisé coaxialement à l'alésage 56 en débouchant dans cet alésage et dans la cavité 52. Ce perçage est de diamètre supérieur à celui des 10 électrodes 28 des accumulateurs 14 et l'épaulement 58 est à une distance telle de la face 46 que l'extrémité libre de l'électrode puisse déboucher à l'intérieur de la cavité 52. Le fond de cette cavité comprend un réseau d'empreintes creuses 62 qui relient, d'une part, les perçages 60 selon un cadre rectangulaire 64 et, d'autre 15 part, ces mêmes perçages selon un cheminement 66 en X, comme cela est mieux illustré sur la figure 6. Ce réseau permet ainsi d'utiliser des dispositifs électrotechniques de distribution et d'acheminement de l'énergie, de protection contre les différents risques électriques et d'équilibrage des niveaux de charge des accumulateurs. 20 Au niveau de la bordure 54, il est prévu un passage 68 sensiblement horizontal traversant cette bordure à partir de la cavité 52. Avantageusement, il est prévu de réaliser deux passages 68, un dans le prolongement de chaque grande dimension du cadre 64. 25 Comme pour le bloc 22, la plaque 44 comporte sur les faces horizontales 46 et 50 un logement de réception 70 pour un joint d'étanchéité qui s'étend sur le pourtour de cette plaque. Le module de fermeture 18 illustré sur les figures 8 et 9 se présente sur la 30 forme d'un plateau 72 plan rectangulaire de forme semblable à celle du module de connexion 16. Ce plateau comporte un évidement 74, de forme générale rectangulaire, ouvert en direction de la grande face horizontale inférieure 76 du plateau, en considérant la figure 9. Cet évidement comporte un fond 78, qui est à distance de l'autre grande face horizontale 80 du plateau, et permet en outre de délimiter un rebord périphérique 82. Ce module de fermeture 18 comporte également un système d'évacuation de gaz 84, qui a pour fonction d'évacuer des gaz toxiques qui pourraient s'avérer être dangereux pour l'être humain. Ces gaz toxiques peuvent résulter, par exemple, d'une défaillance interne d'un accumulateur liée par exemple à un défaut de fabrication. Le système d'évacuation de gaz 84 comporte ici un évent 86 sous forme d'un alésage horizontal, sensiblement parallèle au fond 78, qui traverse ce rebord en débouchant dans l'évidement pour la mise en communication avec l'air extérieur. Avantageusement, il est prévu deux évents 86 disposés symétriquement par rapport à l'axe médian de l'évidement. Le plateau comporte, de manière opposée à l'évidement, un compartiment creux 88 de forme générale rectangulaire, ouvert en direction de la grande face horizontale supérieure 80 du plateau. Ce compartiment est de dimension moindre que l'évidement en délimitant un bord saillant périphérique 90. Le fond 92 de ce compartiment est à distance du fond 78 de l'évidement en formant ainsi une cloison plane 94. Comme mieux visible sur la figure 9, cette cloison porte, au voisinage de la paroi périphérique du compartiment, une ouverture verticale 96, ici en forme d'un alésage circulaire, qui traverse cette cloison en aboutissant dans le compartiment et dans l'évidement. De manière avantageuse, il est prévu de disposer de deux ouvertures 96 disposées symétriquement par rapport à l'axe médian du module. La face ouverte de ce compartiment est fermée par un couvercle plat 98 de forme identique à celui de module de fermeture. Comme illustré en trait d'axe sur les figures 8 et 9, le fond de l'évidement 30 92 peut porter un dispositif électronique 100, comme une carte électronique permettant notamment de réaliser les fonctions d'acquisition des mesures, d'équilibrages actifs ou passifs et de communication avec le système de contrôle de batterie ou BMS (Battery Management System). Les faces horizontales du plateau 72 ainsi que le couvercle 98 porte un logement de réception 102, 104, 106 pour un joint d'étanchéité qui s'étend sur leur pourtour. Bien entendu, bien que cela ne soit pas expressément décrit et représenté, les différents modules sont équipés de tous moyens de liaison et de fixation facilement démontables, comme par vissage, pour l'assemblage des 10 modules entre eux. De même, les différentes entrées/sorties du fluide caloporteur seront munis de moyens de raccordement à un circuit de circulation d'une fluide de chauffage/refroidissement. 15 En revenant à la figure 1, l'assemblage des différents modules permet de s'adapter aux besoins. Ainsi, le bloc 22 du module de réception peut comporter de un à dix accumulateurs 14 logés dans les alvéoles 24 et avec le système de chauffage/refroidissement des figures 2 et 3 ou des figures 4 et 5. 20 Sur ce module de réception sont placés et fixés deux modules de connexion 16, respectivement sur les faces supérieure 26a et inférieure 26b du bloc 22, en y interposant un joint d'étanchéité dans les rainures 42 et 70. Au préalable de ce placement et de cette fixation, les alésages 56 des alésages épaulés 48 sont munis de bagues 108 élastiques qui permettront 25 après montage et fixation sur les faces 26a et 26b du bloc, l'immobilisation axiale des accumulateurs entre les deux épaulements 58. Pour cela, la hauteur des accumulateurs 14 est définie de sorte à ce que cette hauteur soit celle considérée entre les deux épaulements 58 et que les électrodes puissent déboucher dans la cavité 52. 30 Dans l'éventualité où cette hauteur est inférieure à la distance entre les deux épaulement, comme illustré à titre d'exemple sur la partie droite de la figure 1, il est prévu de placer, en plus de la bague élastique 108, un joint déformable axialement 110 pour la compensation de la hauteur des accumulateurs. Ce joint, qui est placé entre l'épaulement 58 et l'extrémité de l'accumulateur, permet de mettre en contrainte cet accumulateur entre les deux épaulements pour assurer son immobilisation. Comme illustré sur cette figure, les accumulateurs utilisés à titre d'exemple sur les figures ont leurs électrodes 28 de chaque coté de l'accumulateur. De ce fait, chaque module de connexion portera, dans les empreintes 62, des barrettes de liaisons électriques amovibles 112 permettant de relier les électrodes des accumulateurs entre elles. Ainsi, en disposant de manière adéquate ces barrettes, il est possible de relier une partie ou la totalité des accumulateurs du bloc aux barrettes d'entrée/sortie 114 qui traversent le passage 68 du rebord 54. Dans la configuration où les électrodes sont disposées du même côté de l'accumulateur, seul le module de connexion 16 en regard de ces électrodes comportera les barrettes de liaison et les barrettes d'entrée/sortie. Après montage et fixation de ces modules de connexion, les modules de fermeture/évacuation des gaz 18 sont rapportés et fixés sur les modules de connexion en y interposant un joint d'étanchéité dans les logements 70 et 104. Il est alors possible de placer dans le compartiment 88 de l'un des modules (ou des deux), le dispositif électronique 100 en faisant passer les fils 25 électriques qu'il comporte au travers des ouvertures 96 prévu dans le fond de l'évidement. Ce dispositif est ensuite connecté au système de contrôle de batterie (BMS) et également aux électrodes des accumulateurs 14. Une fois, ce dispositif électronique monté dans le ou les modules de 30 fermeture, le compartiment 88 est fermé par le couvercle 98 en interposant un joint d'étanchéité dans les logements 102 et 106. Le module électrotechnique 20 peut être alors connecté aux barrettes d'entrée/sorties 114 en étant fixé sur l'ensemble formé par le module de réception et les modules de connexion 16. Par la suite, les entrées/sorties des canalisations du système de chauffage/refroidissement 32 sont reliées au circuit de circulation du fluide de chauffage/refroidissement. Grâce à cette batterie modulaire, il est possible de moduler la capacité 10 ou la puissance de la batterie d'une manière simple et peu coûteuse et cela en faisant varier le nombre d'accumulateurs. De plus, cette variation n'entraine aucune modification structurelle des modules qui sont placés sur le module de réception, 15 En outre, cette batterie est particulièrement avantageuse en terme de rapidité de montage et de démontage, ce qui est intéressant dans le cas d'une utilisation en laboratoire ou sur véhicule prototype. REVENDICATIONS1) Batterie électrique modulaire, notamment pour véhicules automobiles, en particulier de type hybride ou électrique, comportant au moins un accumulateur électrochimique (14) de stockage et de restitution d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un module de réception (12) à l'intérieur duquel est logée au moins un accumulateur (14) et sur lequel sont rapportés et fixés au moins un module de connexion électrique (16) et au moins un module de fermeture (18). 2) Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module de réception (12) comprend au moins une alvéole (24) de réception d'accumulateur. 3) Batterie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le module de réception (12) comprend un système de chauffage/refroidissement (32). 4) Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que le système de chauffage/refroidissement (32) comprend au moins une canalisation (34, 38) 20 interne au module de réception (12) et parcourue par un fluide de chauffage/refroidissement. 5) Batterie selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le système de chauffage/refroidissement (32) comprend au moins une 25 canalisation en forme de U (34) placée le long d'une rangée d'alvéoles (24). 6) Batterie selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le système de chauffage/refroidissement (32) comprend au moins une canalisation en forme de U (38) placée le long d'une alvéole (24). 30 2 9 9 8 7 1 5 13 7) Batterie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le module de connexion (16) comprend des alésages épaulés (48) de disposition concordante à celles des alvéoles (24) du module de réception (12). 5 8) Batterie selon la revendication 1 ou 7, caractérisée en ce que le module de connexion (16) comprend des empreintes creuses (62) pour la mise en place de barrettes de liaisons électriques (112). 9) Batterie selon la revendication 8, caractérisée en ce que le module de 10 connexion (16) comprend au moins un passage (68) pour les barrettes électriques d'entrée/sortie (114). 10) Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module de fermeture (18) comprend un système d'évacuation de gaz (84). 15 11) Batterie selon la revendication 10, caractérisée en ce que le système d'évacuation de gaz (84) comprend au moins un évent (86) pour la mise en communication du module de fermeture (18) avec l'air extérieur. 12) Batterie selon la revendication 1 ou 10, caractérisée en ce que le module de fermeture (18) porte un dispositif électronique (100). 13) Batterie selon la revendication 12, caractérisée en ce que le dispositif électronique (100) est logé dans un compartiment (88) fermé par un couvercle 25 (98). 14) Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un module électrotechnique (20) raccordé à au moins un module de connexion électrique (16). 30 15) Procédé de montage d'une batterie selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il consiste à :- loger le nombre souhaité d'accumulateurs (14) dans les alvéoles (24) du module de réception (12), - placer et fixer au moins un module de connexion (16) sur le module de réception (12), - établir par des barrettes conductrices amovibles (112) les liaisons électriques avec les accumulateurs (14) entre eux et avec les barrettes électriques d'entrée/sortie (114), - placer et fixer un module de fermeture (18) sur le module de connexion (16). 16) Procédé de montage selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il consiste à loger un dispositif électronique (100) dans au moins un des modules de fermeture (18).10