Brevet FR3077164A1 — publié le 20190726

«BATTERIE EQUIPEE D'UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT COMPORTANT DES MODULES AVEC CHAMBRE DE CIRCULATION» [0001] La présente invention concerne une batterie équipée d'un système de refroidissement de cellules électrochimiques de stockage d'énergie électrique, ainsi qu'un véhicule automobile équipé de cette batterie. [0002] Les véhicules automobiles hybrides ou électriques comportent des batteries de traction comprenant des cellules électrochimiques de stockage du courant électrique, reliées entre elles en série et en parallèle, afin d'obtenir une capacité de stockage d'énergie pouvant délivrer un courant avec une tension et une intensité adaptée. Les cellules électrochimiques généralement cylindriques, peuvent utiliser en particulier la technologie lithium-ion présentant une capacité de charge élevée par rapport à la masse. [0003] D'une manière générale les cellules électrochimiques nécessitent une régulation en température afin d'obtenir les meilleures performances comprenant la capacité de charge et la durée de vie, et d'éviter des accidents provenant d'une surchauffe d'une cellule. Les cellules au lithium-ion notamment nécessitent une surveillance précise de leurs températures pour éviter des endommagements. [0004] Un système de refroidissement connu comporte un débit d'air pulsé autour des cellules pour réguler leurs températures. Ce type de refroidissement par air comporte une puissance de refroidissement limitée, présente un encombrement supplémentaire pour former les canaux d'air, et nécessite un pulseur d'air qui peut générer des bruits. [0005] Un autre type de système de refroidissement connu comporte des serpentins entourant les cellules, ou des plaques interposées entre des rangées de cellules, qui comprennent une circulation de fluide de refroidissement. On obtient pour ce type de système, suivant la disposition des serpentins ou des plaques, des contacts qui ne sont pas continus avec les surfaces extérieures des cellules, générant des gradients de température dans ces cellules. De plus avec un contact partiel sur les surfaces extérieures, la capacité d'échange de calories avec les cellules n'est pas optimale. [0006] Un autre type de système de refroidissement connu, présenté notamment par le document VVO-A2-03103083, comporte une structure spatiale formée d'une seule pièce, disposée dans un plan, présentant des ouvertures cylindriques disposées 2 perpendiculairement à ce plan, recevant chacune une cellule électrochimique afin de constituer avec l'ensemble des cellules une batterie. Les cellules alignées sur plusieurs rangées, sont disposées en quinconce. [0007] Les espaces formés entre les cellules comportent des canaux parallèles à ces 5 cellules recevant un fluide de refroidissement. Afin d'absorber des différences de dilatation entre les différents composants de la batterie, des joints de dilatation sont prévus entre les parois de deux canaux juxtaposés, permettant des petits mouvements des composants à l'intérieur de la batterie. [0008] Toutefois la structure spatiale formée par une seule pièce recevant l'ensemble 10 des cellules sur plusieurs rangées, comprenant les joints de dilatation interposés entre les parois des canaux, constitue un ensemble complexe et encombrant, nécessitant des tolérances de fabrication précises, qui est délicat à réaliser et à assembler. [0009] La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. 15 [0010] Elle propose à cet effet une batterie de stockage d'énergie électrique équipée d'un système de refroidissement par fluide de cellules électrochimiques, ce système comprenant des alvéoles de réception des cellules allongées suivant une direction longitudinale, qui sont disposées parallèlement entre elles et dans un même plan, et entre ces alvéoles des chambres de circulation du fluide allongées longitudinalement, 20 cette batterie étant remarquable en ce qu'elle comporte plusieurs modules comprenant chacun des côtés formant des parties des alvéoles, et au moins une chambre de circulation, et en ce qu'elle comporte des collecteurs reliant les chambres de circulation des différents modules entre elles. [0011] Un avantage de cette batterie est qu'on peut réaliser des modules individuels 25 formant une étoile disposée entre plusieurs cellules, pour constituer avec des côtés de plusieurs modules des alvéoles circulaires entourant entièrement la surface extérieure des cellules pour optimiser l'échange thermique. [0012] Chaque module de dimension réduite est simple à fabriquer. De plus, la structure modulaire comprenant plusieurs petits modules assemblés autour des 30 cellules, permet des petits mouvements relatifs pour absorber des dilatations différentielles de composants dans la batterie. 3 [0013] La batterie suivant l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. [0014] Avantageusement, la batterie comporte un dispositif de serrage extérieur entourant l'ensemble des modules, serrant ces modules sur les cellules. 5 [0015] Dans ce cas, avantageusement les bords juxtaposés de deux modules proches comportent un jeu entre eux. [0016] En particulier, les bords juxtaposés de deux modules peuvent être alignés suivant des axes passant par les centres des cellules. [0017] Dans ce cas, les cellules étant alignées suivant des rangées et des colonnes 10 perpendiculaires, des modules centraux de la batterie peuvent comprendre quatre côtés concaves couvrant chacun un quart d'une cellule, ou les cellules étant alignées en quinconce, des modules centraux de la batterie peuvent comprendre trois côtés concaves couvrant chacun un sixième d'une cellule. [0018] Avantageusement, les collecteurs comprennent des embouts de connexion 15 s'emboîtant dans des creux cylindriques débouchant dans les chambres de circulation. [0019] Dans ce cas, avantageusement les embouts sont disposés dans l'axe longitudinal des chambres de circulation, ou perpendiculairement à cet axe longitudinal. [0020] Avantageusement, un joint circulaire d'étanchéité est interposé entre chaque embout et le creux cylindrique le recevant. 20 [0021] Avantageusement, chaque module est formé par un moulage d'une matière plastique comportant une extrusion et un soufflage de la matière plastique. [0022] L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride ou électrique équipé d'une batterie de stockage d'énergie électrique, remarquable en ce que cette batterie comporte l'une quelconque des caractéristiques précédentes. 25 [0023] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels : 4 - la figure 1 est une vue en coupe suivant le plan de coupe I - I d'une batterie comportant un système de refroidissement selon l'invention ; - les figures 2a et 2b sont des vues respectivement de dessus et de dessous de cette batterie, présentant un premier exemple de câblage électrique des cellules ; 5 - les figures 3 et 4 présentent en vue de dessus deux autres exemples de câblage électrique des cellules sur cette batterie ; - la figure 5 est une vue partielle en coupe de cette batterie présentant trois modules, suivant le plan de coupe V - V disposé parallèlement aux collecteurs ; - les figures 6 et 7 sont des vues en coupe d'un module avec un collecteur selon 10 deux variantes, suivant un plan de coupe VI - VI disposé perpendiculairement aux collecteurs ; - la figure 8 est une vue en coupe transversale présentant deux modules selon une variante ; et - la figure 9 présente un système de refroidissement selon l'invention pour une 15 batterie comportant des cellules disposées en quinconce. [0024] Les figures 1, 2a, 2b, 5 et 6 présentent une batterie comprenant seize cellules électrochimiques 2 de forme cylindrique, disposées parallèlement dans un même plan, qui sont alignées suivant quatre lignes et quatre colonnes perpendiculaires. Suivant l'axe d'une rangée ou d'une colonne, les cellules juxtaposées 2 présentent entre elles 20 un petit écart qui est constant sur l'ensemble de la batterie. [0025] Un système de refroidissement entourant complètement les cellules 2, comporte un ensemble de modules 4 couvrant leurs hauteurs complètes. Les modules 4 sont sensiblement jointifs entre eux suivant des lignes de jonction A passant par les axes des rangées ou des colonnes de cellules 2. 25 [0026] Des modules centraux 6 présentent une forme en étoile à quatre branches ajustée entre quatre cellules 2, comportant quatre côtés concaves formant chacun un quart de cercle couvrant un quart de la surface de chaque cellule. [0027] Des modules de bord 8 présentent deux côtés concaves juxtaposés formant chacun un quart de cercle ajusté sur une cellule 2, et du côté opposé un bord droit de 5 la batterie. Des modules d'angle 10 présentent un seul côté concave formant un quart de cercle ajusté sur une cellule 2, et du côté opposé deux bords perpendiculaires formant un angle de la batterie. [0028] De cette manière l'ensemble du volume entre les cellules 2 est rempli par les 5 modules 4 comprenant trois formes standard différentes, pour constituer un ensemble présentant un contour extérieur carré. Un petit jeu 26 est formé entre les bords juxtaposés de deux modules 4 proches, disposés suivant les lignes de jonction A. [0029] Quatre barrettes 14 maintenues entre elles à chaque angle par une vis 16, constituent un cadre qui enserre l'ensemble des modules 4 pour les maintenir tous 10 serrés sur les cellules 2. En particulier le jeu 26 disposé sur les lignes de jonction A entre les modules 4 permet d'éviter un serrage de ces modules entre eux, et d'assurer un serrage des côtés concaves des modules sur la surface extérieure de chaque cellule 2 donnant le meilleur échange thermique entre ces deux éléments. [0030] Tout autre système de maintien et de serrage des modules 4 sur les cellules 2 15 peut être utilisé, comprenant par exemple des tiges traversant la batterie en différents endroits, entre les cellules, en passant au travers de ces modules. [0031] En complément on peut disposer une pâte de conduction thermique sur le contour extérieur des cellules 2, ou tout autre type de revêtement sur les cellules ou les côtés concaves des modules 4, afin de favoriser l'échange thermique entre ces 20 éléments. [0032] Chaque module 4 comporte une chambre longitudinale intérieure de circulation 12 le traversant sur toute la longueur, recevant le fluide de refroidissement circulant dans sa longueur, comportant à chaque extrémité un perçage cylindrique de section réduite équipé d'un joint circulaire intérieur 24 disposé dans une gorge. 25 [0033] En variante, pour des questions d'encombrement notamment, les modules 4 peuvent présenter une hauteur supérieure ou inférieure à celle des cellules 2. [0034] De chaque côté du plan de la batterie, suivant la direction des rangées de cellules 2, chaque axe passant par les perçages cylindriques alignés des chambres de circulation 12, reçoit un collecteur 20 formant une canalisation de section rectangulaire 30 présentant dans sa section transversale une largeur plus grande que la hauteur. 6 [0035] Chaque collecteur 20 comporte des embouts de connexion circulaires 22, formant chacun un embranchement perpendiculaire à la canalisation, qui s'ajuste dans le perçage cylindrique d'extrémité de chaque chambre de circulation 12 en étant serré dans le joint circulaire intérieur 24 pour assurer l'étanchéité. 5 [0036] En complément chaque embout de connexion 22 peut comporter à son extrémité un bourrelet extérieur 28 venant lors de l'assemblage en dessous du perçage d'extrémité des chambres de circulation 12, afin d'assurer un maintien mécanique par compression de ce bourrelet lors du glissement dans le perçage, puis extension en dessous de ce perçage. 10 [0037] En variante on peut disposer à la place ou en complément du joint circulaire intérieur 24 une colle ou une pâte d'étanchéité assurant l'étanchéité entre le collecteur 20 et la chambre de circulation 12. [0038] On obtient ainsi une facilité de mise en place des collecteurs 20 sur chaque côté de la batterie, en les emboîtant simplement et rapidement dans les perçages 15 d'extrémité des chambres de circulation 12 après l'assemblage des modules 4 autour des cellules 2 maintenus par le cadre extérieur. [0039] De chaque côté de la batterie les différents collecteurs 20 sont reliés entre eux en parallèle, par un tube d'alimentation 34 assurant d'un côté de cette batterie l'arrivée du fluide de refroidissement et de l'autre côté le départ. 20 [0040] En variante on peut réaliser des circulations en serpentin passant le fluide successivement d'un côté à l'autre du plan de la batterie, ou des sections de passage du fluide différentes suivant les collecteurs 20 et à l'intérieur de ces collecteurs, ainsi que toutes associations de ces solutions afin d'optimiser l'homogénéisation de la température de toutes les cellules 2. On peut en particulier prendre en compte le 25 refroidissement par convection naturelle des modules 4 et des cellules 2 disposés sur le bord de la batterie. La circulation du fluide peut être naturelle ou forcée par une pompe. [0041] Les figures 2a et 2b présentent un exemple de câblage électrique des cellules 2 entre elles présentant axialement d'un côté une borne positive, la borne négative 30 étant constituée par le corps extérieur métallique de cette cellule. De chaque côté de la batterie un conducteur électrique positif 18 ou négatif 19 relie sur chaque rangée entre deux collecteurs 20, respectivement les bornes positives ou le corps des cellules 2. 7 [0042] Toutes les cellules 4 sont disposées en parallèle ce qui donne pour la batterie une faible tension égale à celle d'une cellule, et une forte intensité [0043] De cette manière on utilise l'espace disponible entre deux collecteurs 20, les liaisons électriques 18 ne dépassant pas dans la hauteur de ces collecteurs. En 5 variante on peut disposer des liaisons électriques transversalement aux collecteurs 20, en passant au-dessus ou en dessous, en réalisant par exemple des formes spécifiques sur les collecteurs formant des encoches permettant le passage de ces liaisons sans modifier l'encombrement total en hauteur. [0044] On obtient une batterie présentant un contact optimum sur pratiquement toute 10 la surface extérieure des cellules 2, avec le fluide caloriporteur contenu dans les modules 4, qui permet d'obtenir une température contrôlée de l'ensemble des cellules quelle que soit la position dans la batterie, assurant une optimisation des performances et des durées de vie, et évitant tout risque d'accident par une surchauffe locale. On notera qu'on utilise pour le refroidissement un espace disponible entre les cellules 2, ce 15 qui modifie peu l'encombrement global de la batterie. [0045] La figure 3 présente un deuxième exemple de câblage électrique des cellules 2 qui sont sur chaque rangée alternativement retournées, comprenant pour chaque rangée une connexion en série de ces cellules, et une mise en parallèle de ces rangées. Le nombre de cellules 2 par rangée étant pair, le conducteur électrique positif 20 18 et le conducteur électrique négatif 19 sont tous les deux au-dessus de la batterie. On obtient pour cette batterie une tension et une intensité qui sont moyennes. [0046] La figure 4 présente un troisième exemple de câblage électrique des cellules 2 qui sont sur chaque rangée alternativement retournées, comprenant pour chaque rangée une connexion en série de ces cellules, et une mise en série de ces rangées. 25 On obtient pour cette batterie une tension élevée et une intensité qui est basse. [0047] En variante tout autre type de câblage électrique des cellules 2 est possible afin d'obtenir différentes tensions, en disposant avantageusement des connexions entre les collecteurs 20 pour optimiser l'encombrement. [0048] La figure 7 présente une canalisation de chaque collecteur 20 comportant une 30 section transversale circulaire. On obtient avec une largeur du collecteur 20 identique, une section de passage du fluide plus importante, mais une hauteur de la batterie un peu plus grande. 8 [0049] La figure 8 présente pour chaque module 4, de chaque côté de la batterie, un perçage horizontal 36 traversant complètement le module formant une partie du collecteur 20, comprenant d'un côté un embout cylindrique de connexion 30 dépassant de ce module, et de l'autre côté un creux cylindrique 32 ajusté au diamètre de cet 5 embout, recevant le joint circulaire intérieur d'étanchéité 24. [0050] De cette manière on réalise rapidement un assemblage des modules 4 entre eux sur une même rangée, en emboîtant de chaque côté les embouts 30 dans les creux cylindrique 32 pour former la rangée. On assemble ensuite les rangées entre elles, et les cellules 2 entre les différents modules 4. 10 [0051] On notera en particulier que le collecteur formé par les perçages horizontaux 36 comporte une longueur qui est variable grâce aux petits coulissements possibles des embouts 30 dans les creux cylindriques 32, permettant de suivre notamment des variations de dilatation des différents composants de la batterie. [0052] Les modules 4 sont réalisés avantageusement par un moulage d'une matière 15 plastique semi-rigide, permettant d'obtenir de manière économique en une seule opération de moulage des pièces finies. En particulier on peut utiliser un procédé d'extrusion et soufflage pour former la chambre de circulation 12 avec des parois d'épaisseur constante. [0053] On peut aussi réaliser directement par le moulage, des modules 4 reliés entre 20 eux par un collecteur 20 disposé d'un côté du plan de la batterie. [0054] La figure 9 présente en variante des cellules 2 disposées en quinconce. Les lignes de jonction des cellules 4 entre elles sont disposées suivant les axes passant par les centres des cellules 2. Chaque module central 6 comporte trois côtés concaves formant chacun un arc de cercle suivant un sixième du contour d'une REVENDICATIONS1. Batterie de stockage d'énergie électrique équipée d'un système de refroidissement par fluide de cellules électrochimiques (2), ce système comprenant des alvéoles de réception des cellules (2) allongées suivant une direction longitudinale, qui sont disposées parallèlement entre elles et dans un même plan, et entre ces alvéoles des chambres de circulation du fluide (12) allongées longitudinalement, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs modules (4) comprenant chacun des côtés formant des parties des alvéoles, et au moins une chambre de circulation (12), et en ce qu'elle comporte des collecteurs (20) reliant les chambres de circulation (12) des différents modules (4) entre elles. 2. Batterie de stockage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de serrage extérieur (14) entourant l'ensemble des modules (4), serrant ces modules sur les cellules (2). 3. Batterie de stockage selon la revendication 2, caractérisée en ce que les bords juxtaposés de deux modules proches (4) comportent un jeu (26) entre eux. 4. Batterie de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bords juxtaposés de deux modules (4) sont alignés suivant des axes (A) passant par les centres des cellules (2). 5. Batterie de stockage selon la revendication 4, caractérisée en ce que les cellules (2) sont alignées suivant des rangées et des colonnes perpendiculaires, des modules centraux (6) de la batterie comprenant quatre côtés concaves couvrant chacun un quart d'une cellule (2), ou en ce que les cellules (2) sont alignées en quinconce, des modules centraux (6) de la batterie comprenant trois côtés concaves couvrant chacun un sixième d'une cellule (2). 6. Batterie de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les collecteurs (20) comprennent des embouts de connexion (22, 30) s'emboîtant dans des creux cylindriques (32) débouchant dans les chambres de circulation (12). 7. Batterie de stockage selon la revendication 6, caractérisée en ce que les embouts (22, 30) sont disposés dans l'axe longitudinal des chambres de circulation (12), ou perpendiculairement à cet axe longitudinal. 10 8. Batterie de stockage selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'un joint circulaire d'étanchéité (24) est interposé entre chaque embout (22, 30) et le creux cylindrique (32) le recevant. 9. Batterie de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que chaque module (12) est formé par un moulage d'une matière plastique comportant une extrusion et un soufflage de la matière plastique. 10. Véhicule automobile hybride ou électrique équipé d'une batterie de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce que cette batterie est selon l'une quelconque des revendications précédentes.