Brevet FR3081261A1 — publié le 20191122

Batterie et véhicule équipé d'une telle batterie La présente invention concerne les batteries de stockage d'électricité, notamment pour les véhicules automobiles. Les véhicules automobiles propulsés par des moteurs électriques peuvent être équipés de batteries de grande capacité contenant par exemple des cellules de type Li Ion. De telles cellules dégagent de grandes quantités de chaleur quand elles sont fortement sollicitées. La température de fonctionnement de ces batteries doit impérativement être contrôlée pour éviter un vieillissement prématuré. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une batterie pourvue d'un système de gestion de la température efficace, et qui soit de conception économique. A cette fin, l'invention porte selon un premier aspect sur une batterie comprenant : - au moins une cellule de stockage d'énergie électrique ; - une enveloppe dans laquelle est logée l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique, l'enveloppe ayant un fond en un matériau de faible conductivité thermique présentant au moins un canal de circulation d'un fluide de refroidissement ; - une plaque thermique en un matériau de conductivité thermique élevée, posée sur le fond, la plaque thermique étant en contact thermique avec l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique ; - un berceau, placé en vis-à-vis du fond et séparé du fond par un espace. Le fluide de refroidissement est en contact thermique avec les cellules à travers une plaque ayant une conductivité thermique élevée, de telle sorte que la chaleur est évacuée de manière très efficace. Le fond de l'enveloppe de la batterie est utilisé pour créer les canaux de circulation du fluide, ce qui est particulièrement économique. Il n'est pas nécessaire d'ajouter un élément supplémentaire pour créer les canaux de circulation. Le berceau protège la batterie contre les agressions extérieures. Ce berceau est une pièce distincte de l'enveloppe et distincte de la plaque thermique, et peut donc être réalisé dans un matériau adapté à sa fonction d'écran de protection. L'espace ménagé entre le fond et le berceau crée une protection thermique, isolant les conduits de l'extérieur. Ces différentes fonctions sont assurées par trois pièces, typiquement de forme de plaque, de telle sorte que la conception de la batterie est simple et économique. Par « plaque », on entend selon l'invention un élément dont la partie principale est sensiblement plane, de faible épaisseur au regard de ses autres dimensions, la partie principale étant possiblement nervurée. 2 La batterie peut en outre présenter les caractéristiques suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : - le fond est dans un matériau composite ou plastique ; - le matériau composite comprend une matière thermoplastique ou 5 thermodurcissables et un renfort, le renfort comprenant avantageusement des fibres, une majorité des fibres étant des fibres courtes de longueur inférieure à 51 mm ; - le fond présente une face intérieure en vis-à-vis de la plaque thermique et une face extérieure en vis-à-vis du berceau, la face intérieure portant des reliefs délimitant entre eux les canaux de circulation; 10 - les canaux de circulation sont ouverts vers la plaque thermique ; - la plaque thermique est posée sur les reliefs et ferme les canaux ; - le berceau est en un matériau composite ; - le matériau composite comprend une matière thermoplastique ou thermodurcissables et un renfort, le renfort comprenant avantageusement des fibres, une 15 majorité des fibres étant des fibres continues de longueur supérieure à 100 mm ; - l'enveloppe comprend une partie supérieure fixée de manière étanche au fond ; - le fond est lié au berceau en une pluralité de points répartis sur la surface du fond. Selon un second aspect, l'invention porte sur un véhicule comprenant une caisse et une batterie ayant les caractéristiques ci-dessus, le berceau étant directement fixé à la 20 caisse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillées qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une batterie selon l'invention, 25 accrochée sous la caisse d'un véhicule; - les figures 2 et 3 sont des vues en perspective, respectivement de dessus et de dessous, du fond de l'enveloppe de la batterie de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en perspective de la plaque thermique de la batterie de la figure 1 ; et 30 - les figures 5 et 6 sont des vues en perspective, respectivement de dessus et de dessous, du berceau de la batterie de la figure 1. La batterie 1 représentée sur la figure 1 est destinée au stockage d'énergie électrique. Elle est équipée par exemple de cellules de type Li Ion. En variante, elle est d'un autre type. 3 La batterie 1 est typiquement destinée à équiper un véhicule ayant un moteur de propulsion électrique. En variante, elle est destinée à équiper un véhicule ayant un moteur hybride. Le véhicule est typiquement un véhicule automobile, par exemple une voiture, un bus ou un camion. 5 Selon une autre variante, la batterie 1 n'équipe pas un véhicule mais une installation statique. La batterie 1 comprend au moins une cellule de stockage d'énergie électrique 3, et une enveloppe 5 dans laquelle est logée l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique 3. 10 Typiquement, la batterie 1 comprend un grand nombre de cellules 3, raccordées électriquement entre elles, en série et/ou en parallèle. Les cellules 3 sont agencées les unes contre les autres et forment un ou plusieurs blocs du type représenté sur la figure 1. Les cellules d'un même bloc sont disposées entre deux flasques 4, placés aux deux extrémités opposées du bloc. Les cellules 3 et les 15 flaques 4 d'un même bloc sont solidarisés par des sangles (non représentées) ou tout autre moyen. L'enveloppe 5 entoure complètement l'au moins une cellule 3. Elle est agencée pour maintenir la ou les cellules 3 en position. Elle délimite intérieurement un volume étanche aux gaz et aux liquides. Elle isole ainsi la ou les cellules 3 de l'environnement 20 extérieur. L'enveloppe 5 comporte un fond 7 en un matériau de faible conductivité thermique, présentant au moins un canal 9 de circulation d'un fluide de refroidissement. La batterie 1 comporte encore une plaque thermique 11 en un matériau de conductivité thermique élevée, posée sur le fond 7. La plaque thermique 11 est en contact 25 thermique avec l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique 3. On entend ici par être en contact thermique le fait que la chaleur dégagée par les cellules 3 est préférentiellement transmise à la plaque thermique 11. La plaque thermique 11 constitue une voie d'évacuation privilégiée pour la chaleur provenant des cellules 3. La batterie 1 comporte également un berceau 13, placé en vis-à-vis du fond 7 et 30 séparé du fond 7 par un espace 15. Le fond 7 correspond à la zone de l'enveloppe 5 destinée à être tournée vers le bas quand la batterie 1 est en fonctionnement, par exemple quand elle est embarquée à bord du véhicule. 4 L'enveloppe 5 comprend une partie supérieure 17 fixée de manière étanche au fond 7. Le fond 7 et la partie supérieure 17 ensemble entourent complètement la ou les cellules 3. Le fond 7 est représenté de manière plus détaillée sur les figures 2 et 3. Il 5 présente une face intérieure 19 en vis-à-vis de la plaque thermique 11 et une face extérieure 21 en vis-à-vis du berceau 13. Il comporte une zone sensiblement plane 23, entourée par un bord dressé 25. Le fond 7 a ainsi la forme d'un bac. Le bord dressé 25 se prolonge sur sa périphérie, vers l'extérieur, par une collerette 27. La zone sensiblement plane 23 définit les faces intérieure et extérieure 19 et 21. 10 La face intérieure 19 porte des reliefs 29 délimitant entre eux les canaux de circulation 9. Ces reliefs font saillie vers la plaque thermique 11 par rapport à la face intérieure 19. Ce sont par exemple des nervures. En variante, les reliefs 29 ont une autre forme. Les reliefs 29 sont venus de matière avec la zone sensiblement plane 23. 15 Le fond 7 est typiquement obtenu par moulage. Il est donc fabriqué de manière très économique. En variante, le fond 7 est obtenu par soufflage, ou par fabrication additive. Les reliefs 29 délimitent entre eux les canaux 9. Ceux-ci raccordent fluidiquement une entrée de fluide de refroidissement 31 à une sortie de fluide de refroidissement 33. 20 L'entrée 31 et la sortie 33 sont des orifices ménagés dans le fond 7, par exemple dans le bord dressé 25. L'entrée 31 est prévue pour être raccordée à une alimentation en fluide de refroidissement. La sortie 33 est prévue pour être raccordée à une évacuation de fluide de refroidissement. Les canaux 9 sont typiquement sensiblement parallèles entre eux, comme visible 25 sur la figure 2. Ils couvrent sensiblement toute la face intérieure 19 du fond 7. Les canaux 9 sont ouverts vers la plaque thermique 11. Le fond 7 est avantageusement dans un matériau composite ou plastique. Le matériau du fond 7 présente une faible conductivité thermique, typiquement comprise entre 0,15 et 1,5 W.rril. 30 Le matériau composite comprend de préférence une matière thermoplastique ou thermodurcissable et un renfort. A titre d'exemple, ces renforts peuvent être des fibres, une majorité des fibres étant des fibres courtes de longueur inférieure à 51 mm (2 pouces). Ces fibres courtes sont typiquement des fibres coupées. 5 Des fibres longues peuvent être disposées en certains points du fond 7, de manière à renforcer localement le fond 7. Ces fibres présentent une longueur supérieure à 100 mm. Ces fibres longues sont encore appelées fibres continues. Ainsi, dans le matériau formant le fond 7, au moins 50% en poids des fibres sont 5 des fibres courtes, et moins de 50% en poids des fibres sont des fibres longues. Le matériau composite est par exemple un matériau à matrice thermodurcissable du type SMC (Sheet Molding Compound en anglais) / SMC à fibres continues. En variante, le matériau composite est par exemple un matériau à matrice thermoplastique du type pré-imprégné thermoplastique surmoulé. 10 Le fond 7 présente typiquement une épaisseur comprise entre 2 mm et 7,5 mm. La partie supérieure 17 de l'enveloppe 5 est typiquement réalisée dans le même matériau que le fond 7. Un tel matériau est facilement mis en forme par moulage et permet d'obtenir les formes recherchées pour le fond 7, notamment du fait de l'utilisation des technologies de 15 SMC / SMC à fibres continues thermodurcissable ou pré-imprégné thermoplastique surmoulé. La partie supérieure 17 de l'enveloppe 5 présente typiquement la forme d'une coiffe. Elle comporte une collerette supérieure 35 prévue pour venir en appui contre la collerette 27 du fond 7. 20 La collerette 27 et la collerette supérieure 35 sont fixées l'une à l'autre de manière étanche aux gaz et aux liquides, par tous moyens adaptés. Elles sont par exemple rigidement fixées l'une à l'autre par des organes mécaniques 37 tels que des vis ou des tirants, avec interposition d'un joint d'étanchéité non représenté (figure 1). Les organes mécaniques 37 sont reçus dans les orifices 38 du fond 7 (figures 2 et 3). Les orifices 38 25 sont répartis tout autour du fond 7. Alternativement ou en plus, la collerette 27 et la collerette supérieure 35 sont collées l'une à l'autre. La plaque thermique 11 est sensiblement plane (figure 4). Elle est typiquement de taille et de forme identique à celles de la zone sensiblement plane 23 du fond 7. Dans 30 l'exemple représenté, elle est rectangulaire, mais en variante présente toute autre forme adaptée. La plaque thermique 11 est posée sur les reliefs 29 de la face intérieure 19 du fond 7 et ferme ainsi les canaux 9 de circulation d'un fluide de refroidissement (figure 1). Elle est en contact avec les sommets des reliefs 29 et reliée en périphérie des canaux 9, 35 de manière étanche au liquide de refroidissement, par exemple par collage. 6 Une marche 39 (figure 1) est formée sur la plus grande partie du pourtour de la zone sensiblement plane 23 du fond 7. La plaque thermique 11 est également posée sur la marche 39 et est liée à la marche 39 de manière étanche au liquide de refroidissement, par exemple par collage. 5 La plaque thermique 11 est en un matériau de conductivité thermique élevée, typiquement comprise entre 50 et 250 W.m-1. Le matériau de la plaque thermique 11 est de préférence métallique, et est par exemple un acier, un aluminium ou un alliage d'aluminium. La plaque thermique 11 est typiquement une tôle d'acier revêtue ou une tôle aluminium anodisée ou non. 10 La ou les cellules 3 reposent sur une face supérieure 43 de la plaque thermique 11 (figure 1). La plaque thermique 11 est de préférence directement en contact avec la ou les cellules 3, leurs emballages ou leurs intercalaires. En variante, la plaque thermique 11 est en contact avec la ou les cellules 3 à travers un dispositif garantissant la transmission 15 homogène de la chaleur, tel une pâte thermique. La plaque thermique 11 présente typiquement une épaisseur comprise entre 0,2 et 1,5 mm, et de préférence entre 0,6 et 1 mm. Le berceau 13 (figures 5 et 6) comporte une partie centrale 45, sensiblement plane, entourée par un bord dressé 47. Le bord dressé 47 se prolonge vers l'extérieur, en 20 périphérie, par une collerette sortante 49. Le berceau 13 a ainsi la forme d'un bac, concave, pour recevoir le fond 7. La partie centrale 45 est de taille supérieure à celle de la zone sensiblement plane 23 du fond 7. La zone sensiblement plane 23 du fond 7 est logée à l'intérieur du berceau 13. 25 Typiquement, le fond 7 est pratiquement entièrement logé à l'intérieur du berceau 13, le bord dressé 47 entourant complètement le fond 7. La collerette 27 du fond 7 repose sur la collerette sortante 49 du berceau 13. La partie centrale 45 du berceau 13 est sensiblement parallèle à la zone sensiblement plane 23 du fond 7. L'espace 15 s'étend ainsi le long de toute la surface de 30 la zone sensiblement plane 23. La zone sensiblement plane 23 porte sur sa face extérieure 21 des nervures 51 (figure 3), qui sont en appui sur la partie centrale 45 du berceau 13. Ces nervures 51 forment des entretoises qui définissent la hauteur de l'espace 15 séparant le fond 7 du berceau 13. 7 L'espace 15 isole thermiquement les conduits 9 de l'extérieur. Cet espace offre également une course d'absorption d'impact sous véhicule. Il présente typiquement une hauteur comprise entre 2,5 et 20 mm. Les organes mécaniques 37 solidarisent également la collerette sortante 49 à la 5 collerette 27 et la collerette supérieure 35, appartenant respectivement au fond 7 et à la partie supérieure 17 de l'enveloppe 5. Ils sont reçus dans des orifices 52 ménagés dans le berceau 13. De préférence, la plaque thermique 11, le fond 7 et le berceau 13 sont rigidement fixés les uns aux autres par des organes mécaniques 53 tels que des vis ou des tirants, 10 avec interposition de joints d'étanchéité non représentés. Ces organes mécaniques 53 sont disposés par exemple en trois lignes sensiblement parallèles entre elles, deux lignes le long des bords extérieurs de la plaque thermique 11 et une ligne médiane de la plaque 11. Les organes mécaniques 53 traversent la plaque thermique 11 par les orifices 55 (figure 4), traversent la zone 15 sensiblement plane 23 du fond 7 par les orifices 57 (figures 2 et 3), et traversent la partie centrale 45 du berceau 13 par les orifices 59 (figures Set 6). La plaque thermique 11 est liée au fond 7 de manière étanche autour des organes mécaniques 53 la traversant, par exemple par collage. Les orifices 59 sont situés au sommet des bossages 61, formés dans la partie 20 centrale 45 du berceau 13. Les organes mécaniques 53 typiquement traversent également la partie supérieure 17 de l'enveloppe 5 et les flasques 4. Les organes mécaniques 37 et 53 assurent ainsi la cohésion mécanique de l'enveloppe 5, de la plaque thermique 11 et du berceau 13. 25 Ainsi, le fond 7 est avantageusement lié au berceau 13 en une pluralité de points répartis sur la surface du fond 7. Ceci permet de conférer une grande rigidité à la structure supportant la ou les cellules 3, à savoir la structure formée de la plaque thermique 11, du fond 7 et du berceau 13, à l'endroit où est centré la masse de la ou des cellules. La ou les cellules sont particulièrement lourdes. Pour un véhicule propulsé 30 électriquement, ces cellules ont un poids de l'ordre de 50 kg à 5 tonnes, et plus précisément de 50 à 750 kg pour un véhicule automobile et de 150 kg à 5 tonnes pour un bus ou un camion. Les nervures 51 contribuent également à la rigidité de ladite structure. Le berceau 13 est avantageusement en un matériau composite. 8 Le matériau composite comprend de préférence une matière thermoplastique ou thermodurcissable et un renfort. A titre d'exemple, ces renforts peuvent être des fibres, une majorité des fibres étant des fibres continues de longueur supérieure à 100 mm. Ainsi, dans le matériau formant le berceau 13, au moins 50% en poids des fibres 5 sont des fibres continues. Ces fibres longues sont avantageusement disposées en plusieurs couches, avec des orientations choisies pour obtenir une excellente résistance mécanique en fonction des sollicitations. La matière thermodurcissable est par exemple un polyester, un vinylester, un 10 époxy, un acrylique, ou une résine bio-sourcée. La matière thermoplastique est par exemple une résine thermoplastique de synthèse ou bio-sourcée. Le renfort est par exemple une fibre de verre, de basalte, de carbone, d'aramide, ou de HMPP (polypropylène à haut poids moléculaire). En variante, le renfort est en lin, en chanvre ou est une autre fibre bio-sourcée. 15 Ainsi, le berceau 13 est réalisé dans un matériau particulièrement rigide et résistant mécaniquement. Il assure la protection de la ou des cellules 3 vis-à-vis des agressions extérieures. Quand la batterie 1 est montée à bord d'un véhicule, le berceau 13 reprend les efforts subis par la batterie 1 pour les transmettre à la structure du véhicule. Les efforts 20 transmis sont typiquement des accélérations, verticales et/ou horizontales. Ces accélérations résultent par exemple du déplacement normal du véhicule, d'irrégularités de la surface de roulement, ou encore de chocs subis par le véhicule. Quand la batterie 1 est monté à bord du véhicule, le berceau 13 protège les cellules 3 des intrusions venant soit du dessous par des obstacles présents sur la 25 chaussée, soit des cotés en participant à la protection des cellules 3 lors du choc latérale. Typiquement, le berceau 13 transmet les efforts directement à la caisse 63 du véhicule (figure 1). Pour ce faire, le berceau 13 est rigidement fixé à la caisse 63 par des organes mécaniques 65, tels que des vis, des tirants ou tout autre moyen de fixation. Ces organes 30 mécaniques 65 sont reçus dans des orifices 67 ménagés dans la collerette sortante 49 du berceau 13 (figures 5 et 6). Ainsi, la batterie 1 de l'invention comprend avantageusement une première structure en un matériau composite assurant le logement des cellules dont la mise en forme est plus facile, et une seconde structure en un matériau composite structurellement 35 plus résistant assurant la protection de celles-ci mais dont la mise en forme est plus 9 difficile. La première structure est le fond 7. Du fait qu'il peut être relativement plus facilement être mis en forme, il est possible de créer des canaux de circulation de fluide de refroidissement à moindre coût dans le fond 7. La seconde structure est le berceau 13. Sa résistance mécanique lui permet 5 d'assurer ses fonctions de protection et de reprise d'efforts. Elle est toutefois réalisée dans un matériau ne permettant pas facilement d'obtenir des formes nervurées complexes, notamment les canaux de refroidissement. La batterie 1 est typiquement fixée sous la caisse 63, comme illustrée sur la figure 1. En variante, REVENDICATIONS1.- Batterie (1) comprenant : - au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (3) ; - une enveloppe (5) dans laquelle est logée l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (3), l'enveloppe (5) ayant un fond (7) en un matériau de faible conductivité thermique présentant au moins un canal (9) de circulation d'un fluide de refroidissement ; - une plaque thermique (11) en un matériau de conductivité thermique élevée, posée sur le fond (7), la plaque thermique (11) étant en contact thermique avec l'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (3) ; - un berceau (13), placé en vis-à-vis du fond (7) et séparé du fond (7) par un espace (15). 2.- Batterie selon la revendication 1, dans laquelle le fond (7) est dans un matériau composite ou plastique. 3.- Batterie selon la revendication 2, dans laquelle le matériau composite comprend une matière thermoplastique ou thermodurcissables et un renfort, le renfort comprenant avantageusement des fibres, une majorité des fibres étant des fibres courtes de longueur inférieure à 51 mm . 4.- Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le fond (7) présente une face intérieure (19) en vis-à-vis de la plaque thermique (11) et une face extérieure (21) en vis-à-vis du berceau (13), la face intérieure (19) portant des reliefs (29) délimitant entre eux les canaux de circulation (9). 5.- Batterie selon la revendication 4, dans laquelle les canaux de circulation (9) sont ouverts vers la plaque thermique (11). 6.- Batterie selon la revendication 5, dans laquelle la plaque thermique (11) est posée sur les reliefs (29) et ferme les canaux (9). 7.- Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le berceau (13) est en un matériau composite. 8.- Batterie selon la revendication 7, dans laquelle le matériau composite comprend une matière thermoplastique ou thermodurcissables et un renfort, le renfort comprenant avantageusement des fibres, une majorité des fibres étant des fibres continues de longueur supérieure à 100 mm. 9.- Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'enveloppe (5) comprend une partie supérieure (17) fixée de manière étanche au fond (7). 11 10.- Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le fond (7) est lié au berceau (13) en une pluralité de points répartis sur la surface du fond (7). 11.- Véhicule comprenant une caisse (63) et une batterie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le berceau (13) étant directement fixé à la caisse (63).