Brevet FR3083803A1 — publié le 20200117

La présente invention concerne le domaine des systèmes de propulsion des véhicules électriques ou hybrides, et plus particulièrement de leurs moyens de lubrification et/ou de refroidissement Elle vise ainsi à proposer une composition dotée a minima de propriétés de refroidissement de l'électronique de puissance et de la batterie, et éventuellement de lubrification vis-à-vis de la transmission du système de propulsion, et des deux propriétés combinées vis-à-vis du moteur dans un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride. I,a composition présente en outre des propriétés de résistance à l'inflammation, ce qui présente son utilité vis-à-vis des batteries. Autrement dit, la présente invention vise en particulier à proposer un moyen de refroidir les batteries de véhicules électriques ou hybrides via un fluide pouvant refroidir niais aussi retarder et/ou éviter la propagation du feu. L'évolution des normes internationales pour la réduction des émissions de CO2, mais également pour la diminution de la consommation d'énergie, pousse les constructeurs automobiles à proposer des solutions alternatives aux moteurs à combustion L'une des solutions identifiées par les constructeurs automobiles consiste à remplacer les moteurs à combustion par des moteurs électriques. les recherches pour la réduction des émissions de CO2 ont donc mené au développement des véhicules électriques par un certain nombre de compagnies automobiles. Par « véhicule électrique » au sens de la présente invention, on entend un véhicule comprenant un moteur électrique comme unique moyen de propulsion à l'inverse d'un véhicule hybride qui comprend un moteur à combustion et un moteur électrique comme moyens de propulsion combinés Par « système de propulsion » au sens de la présente invention, on entend un système comprenant les pièces mécaniques nécessaires à la propulsion d'un véhicule /5 électrique Le système de propulsion englobe ainsi plus particulièrement un moteur électrique comprenant l'ensemble rotor-stator, de l'électronique de puissance (dédié à la régulation de la vitesse), une transmission et une batterie. D'une manière générale, il est nécessaire de meure en oeuvre, dans les véhicules électriques ou hybrides, des compositions pour répondre à la contrainte de lubrification et/ou 30 de refroidissement des différentes pièces du système de propulsion rappelées ci-dessus. 2 Selon les systèmes, une seule et même composition peut jouer le rôle de lubrification et de refroidissement tandis que, dans d'autres systèmes, il peut exister à la fois une composition lubrifiante dédiée à cette action vis-à-vis des éléments du système de propulsion, ainsi qu'il vient d'être décrit, et une composition refroidissante différente, en 5 particulier pour les batteries et l'électronique de puissance Cette deuxième alternative est notamment utilisée lorsque des fluides hydrocarbonés présentant une température d'ébullition supérieure ou égale à 50°C, et notamment comprise entre 50 et 350 °C, en particulier entre 60 oc et 250 'C., et encore plus particulièrement entre 80 °C et 200 OC, sont mis en oeuvre pour le refroidissement des 10 batteries et de l'électronique de puissance comme cela sera détaillé ci-après. De tels fluides hydrocarbonés ne présentent pas de propriétés lubrifiantes, line composition de refroidissement, et éventuellement de lubrification, selon l'invention, tout en assurant le refroidissement de la batterie, garantit la sécurité des batteries. Selon un mode de réalisation particulier, la composition selon l'invention joue 15 le double rôle de refroidissement et de lubrification. Toujours selon ce mode de réalisation, pour ce qui est du moteur électrique lui-même, la composition joue un rôle à la fois de lubrification et de refroidissement Pour ce qui est de l'électronique de puissance, la composition joue un rôle de refroidissement. La transmission est lubrifiée par la composition et enfin les batteries sont refroidies par ladite 20 composition. Les compositions lubrifiantes, dites encore « les lubrifiants », sont communément mises en oeuvre dans les systèmes de propulsion, tels que les moteurs électriques, à des fins principales de réduction des forces de frottement entre les différentes pièces métalliques en mouvement dans les moteurs. Elles sont en outre efficaces pour prévenir une usure prématurée voire un endommagement de ces pièces, et en particulier de leur surface Pour ce faire, une composition lubrifiante est classiquement composée d'une ou plusieurs huiles de base, auxquelles sont généralement associés plusieurs additifs dédiés à stimuler les performances lubrifiantes des huiles de base, comme par exemple des additifs modificateurs de frottement. D'autre part, les systèmes de propulsion électriques génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement vin le moteur électrique, l'électronique de puissance et les batteries. La quantité de chaleur générée étant supérieure à la quantité de chaleur normalement dissipée à l'environnement, il est nécessaire d'assurer un refroidissement du moteur, de l'électronique de puissance et des batteries De manière générale, le refroidissement s'effectue sur plusieurs parties du système de propulsion générant de la 5 chaleur et/ou les parties dudit système sensibles à la chaleur, afin d'éviter d'atteindre des températures dangereuses, et notamment l'électronique de puissance et les batteries Traditionnellement, il est connu de refroidir les moteurs électriques par l'air ou par l'eau, éventuellement associée à du glycol. Ces refroidissements ne sont pas optimum, voire insuffisants avec les nouvelles évolutions du système de propulsion des véhicules 10 électriques et hybrides. On connait par ailleurs des retardateurs de flammes pouvant être mis oeuvre dans des fluides, y compris huileux, notamment pour des applications industrielles. Toutefois, certaines huiles quasiment ininflammables sont généralement composées d'halogénés lourds tels que des polychlorotrifluornéthylènes (PCTFE) Par 15 ailleurs, certains fluides organiques perfluorés de type éther ou cétone sont également connus comme fluide de refroidissement pour le système de propulsion des véhicules électriques. Ces composés halogénés sont très chers et leur utilisation n'est pas privilégiée pour des raisons réglementaires et d'environnement. De plus, ces composés halogénés ont une densité élevée qui s'ajoutent à la masse de la batterie et qui aurait pour conséquence 20 finale de réduire l'autonomie du véhicule. Malgré les systèmes de refroidissement connus dans le domaine de la lubrification des systèmes de propulsion des véhicules électriques ou hybrides, le risque ne peut être complètement écarté de voir la batterie surchauffer au niveau d'une cellule, ce qui 25 peut conduire à une explosion et â tin embrasement global de la batterie, appelé « effet emballement ». C'est en particulier ce qui peut être à craindre dans le fonctionnement d'une batterie Li-ion en particulier visée dans le cadre de la présente invention. La présente invention vise précisément à proposer une nouvelle composition permettant de satisfaire au moins le refroidissement des éléments du système de propulsion 30 susmentionnés d'une part, ainsi que d'autre part d'assurer la sécurité des batteries, en particulier les batteries Lithium-ion (Li-ion) ou Nickel-Cadmium (Ni-Cd), en conférant une propriété de résistance à l'inflammation Les inventeurs ont découvert qu'il est possible (l'assurer au moins la fonction de de refroidissement, ainsi que de résistance à l'inflammation pour un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, en mettant en oeuvre au moins un retardateur de flammes, et plus particulièrement un retardateur de flammes fluoré de formule (I) telle que 5 définie ci-après, en particulier sous une forme encapsulée dans une composition de refroidissement comportant au moins un fluide hydrocarboné ayant un point d'ébullition d'au moins 50°C ou dans une huile de base. Plus précisément, l'encapsulation de tout ou partie du retardateur de formule (I) permet de contrôler sa libération dans l'huile de base et donc de lui conférer des propriétés 10 ininflammables dès lors qu'un effet d'emballement se produit. 11 a également été constaté que l'encapsulation du retardateur de flamme permet de contrôler son relargaàe dans le milieu et d'améliorer sa solubilisation dans la composition de refroidissement. La composition ainsi formée peut ainsi être mise en contact direct avec le système de propulsion et refroidir le moteur, l'électronique de puissance et la batterie par le 15 biais de ce contact direct de ladite composition sur ces organes, tout en assurant une sécurité accrue en cas d'emballement de ladite batterie La composition ainsi en contact direct avec ces organes apporte un meilleur refroidissement que les refroidissements conventionnels par air et en contact indirect par eau. Cette mise en contact direct permet une meilleure dissipation de la chaleur. 20 En effet, le refroidissement par air permet un refroidissement direct mais l'air est un très mauvais fluide de dissipation de la chaleur. .A l'inverse, l'eau est un fluide performant pour le refroidissement mais n'est pas compatible avec un contact direct avec le moteur, l'électronique de puissance et la batterie 25 Ainsi, la présente invention concerne, selon un premier de ses aspects, une composition de refroidissement d'un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, comprenant : (i) au moins une huile de base, ou au moins un fluide hydrocarboné ayant un point d'ébullition supérieur ou égal à 50`)C ; et 30 (ii) au moins un retardateur de flammes répondant à la formule ()) RE-L-Rti (l) dans laquelle 5 RE est un groupe perfluoré ou partiellement fluoré, en particulier comportant de 1 à 22, de préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, RH est un groupe hydrocarboné, en particulier comportant de 1 à 22, de préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, et L est un I nker, ledit retardateur de de flammes de formule I) se trouvantau moins partiellement sous une forme encapsulée. La présente invention concerne également l'utilisation d'au moins un retardateur de flammes répondant à la formule (I) 10 RF-1,-RH (I) dans laquelle Ri est un groupe perfluoré ou partiellement fluoré, en particulier comportant de 1 à 22, de préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, RH est un groupe hydrocarboné, en particulier comportant de 1 à 22, de 15 préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, et L est un I nker, ledit retardateur de de flammes de formule (I) se trouvant au moins partiellement sous une forme encapsulée, dans une composition de refroidissement d'un système de propulsion d'un 20 véhicule électrique ou hybride, comportant au moins une batterie, pour lui conférer des propriétés de résistance à l'inflammation. Plus particulièrement, la composition de refroidissement, ainsi additivée, est destinée à être mise en contact direct avec les batteries des véhicules électriques, notamment les batteries Li-ion ou batterie Ni-Cd, qui sont notamment en immersion ou semi-immersion, 75 statique ou en circulation, dans ladite composition de refroidissement additivée, ou composition selon l'invention, ou encore directement pulvérisée sous forme de spray, jet ou brouillard d'huile. Des composés fluorés, et notamment sous forme de composés fluorés diblocs sont décrits dans le document W097/21425. Toutefois, ces composés fluorés sont décrits 30 comme agents dispersants permettant de contrôler la biodisponibi lité et l'efficacité de composés lipophiles, dans des émulsions. Aucune application conforme à la présente invention n'y est décrite ni suggérée. 6 Une composition selon l'invention permet de refroidir efficacement la batterie, l'électronique de puissance et le moteur présents dans un véhicule électrique ou hybride. Egalement, une composition selon l'invention permet de retarder ou d'éviter l'emballement thermique, voire la propagation du feu en cas d'inflammation d'une des 5 cellules de la batterie L'invention concerne encore un procédé de refroidissement et d'ignifugation d'une batterie d'un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride comprenant au moins une étape de mise en contact d'au moins une battefie, en particulier une batterie 10 Lithium-ion ou Nickel-Cadmium, avec une composition selon l'invention. D'autres caractéristiques, variantes et avantages de la mise en oeuvre d'une composition selon l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description et de la figure qui suivent, données à titre illustratif et non limitatif de l'invention. 15 Dans le cadre de la présente invention, il pourra être utilisé indifféremment les termes « ignifugeant », apte à la « sécurisation au feu », « retardateur de flammes », « retardant et/ou évitant la propagation du feu » ou « résistant à l'inflammation ». Tous ces termes qualifient les composés présentant la capacité à sécuriser un objet face à la survenue 20 d'une explosion ou d'un embrasement, en particulier suite à une surchauffe. Dans la suite du texte, les expressions « compris entre ... et ... « allant de ... à ... » et « variant de ... à » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire La figure 1 est une représentation schématique d'un système de propulsion /5 électrique ou hybride COMPOSITION Comme indiqué précédemment, une composition selon l'invention comprend au moins une huile de base ou base fluide comme explicité ci-après, et un retardateur de 30 flammes répondant à la formule (I), définie en détail ci-après, ledit retardateur de flamme se trouvant au moins partiellement sous une forme encapsulée. 7 Plus particulièrement, une composition selon l'invention présente une viscosité cinématique, mesurée à 100°C selon la norme ASTM D445, comprise entre 2 et 8 mm2,/s, de préférence entre 3 et 7 min2,/s. 5 Huile de base Une composition selon l'invention peut mettre en oeuvre au moins une huile de base, en particulier une base fluide formée d'une ou plusieurs huiles de base, présentant une viscosité cinématique, mesurée à 100 °C. selon la norme ASTM 1)445, allant de 1,5 à 8 inm2/s, en particulier de 1,5 à 6,1 min2/s, plus particulièrement de 1,5 à 4,1 min2ls, encore 10 plus particulièrement de 1,5 à 2,1 nim2/s. Cette huile de base peut être un mélange de plusieurs huiles de base, à savoir un mélange de 2, 3 ou 4 huiles de base. Dans la suite du texte, on désignera sous l'appellation « base fluide », l'huile ou le mélange d'huiles de base, présentant une viscosité cinématique mesurée à 100°C selon la 15 norme ASTM D445 allant de 1,5 à 8 mm2/s. L'huile de base utilisée dans une composition de refroidissement selon l'invention peut être choisie parmi les huiles d'origines minérales ou synthétiques appartenant aux groupes L à V selon les classes définies dans la classification API (ou leurs 20 équivalents selon la classification AT1EL) et présentées dans le tableau A ci-dessous ou leurs mélanges, pour autant que l'huile ou mélange d'huiles présente la viscosité souhaitée précitée. Teneur en Teneur en soufre Indice de saturés viscosité (VI) Groupement l Huiles minérales 0,03 '1/4 80 90% 90 % Comme exemples de mise en contact direct, on peut citer le refroidissement par injection, jet, par sprayage ou encore par formation d'un brouillard à partir de la composition selon l'invention sous pression et par gravité sur la batterie De manière avantageuse, la composition est injectée par jet sous assez haute 5 pression dans les zones à refroidir du système de propulsion Avantageusement, le cisaillement résultant de cette injection permet de réduire la viscosité du fluide au niveau de la zone d'injection, par rapport à la viscosité cinématique au repos, et ainsi, d'accroître REVENDICATIONS1 Composition de refroidissement d'un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, comprenant (i) au moins une huile base, ou au moins un fluide hydrocarboné ayant un point d'ébullition supérieur ou égal à 50°C ; et (ii) au moins un retardateur de flammes répondant à la formule (I) Ru-L-RH (I) dans laquelle _RF est un groupe perfluoré ou partiellement fluoré, en particulier comportant de 1 à 22, de préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, RH est un groupe hydrocarboné, en particulier comportant de 1 à 2 préférence de 1 à 20, encore plus préférentiellement de 1 à 16 atomes de carbone, et L est un linker, ledit retardateur de flammes de formule H se trouvant au moins partiellement sous une forme encapsulée. 2. Composition selon la revendication précédente, caractérisée en ce que RF est un groupe (C i-Cis)alkyle perfluoré ou partiellement fluoré éventuellement interrompu par un ou deux hétéroatomes choisis parmi un atome d'azote et un atome d'oxygène et Ru est un groupe (C14115)alkyle ou (C24125)alkényle, ledit groupe étant éventuellement substitué par un cycle hydrocarboné tel que le groupe (C2-C)cycloalkyle, phényle ou benzyle. 3. Composition selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que L est choisi parmi les groupes divalents suivants : -CI12-, -s- ou -PO4- 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, /5 caractérisée en ce que le retardateur de flammes de formule (I) se trouve totalement sous une forme encapsulée 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le retardateur de flammes de Formule (I) est présent dans une teneur comprise entre 0,5 % et 40 % en poids, par rapport au poids total de la composition, en 30 particulier dans une teneur comprise entre 2% et 30 %en poids, encore plus particulièrement dans une teneur comprise entre 2 (1,:b et 20 ?1) en poids, avantageusement entre 3 (110 et 10 % en poids. 42 6. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le fluide hydrocarboné a un point d'ébullition compris entre 50 ce, et 350 0(1, en particulier entre 60 °C et 250 T, et encore plus particulièrement entre 80 T et 200 T 7. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée 5 en ce que le fluide hydrocarboné est totalement saturé, de préférence en ce que les composants du fluide hydrocarboné sont choisis parmi les isoparaftines comprenant de 12 à 30 atomes de carbone, préférentiellement de 13 à 19 atomes de carbone, et plus préférentiellement de 14 à 18 atomes de carbones. 8. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée 10 en ce qu'elle comprend au moins une huile de base, en particulier une base fluide formée d'une ou plusieurs huiles de hase, présentant une viscosité cinématique, mesurée à 100 °C selon la norme ASTM D445, allant de 1,5 à 8 mm/s, en particulier de 1,5 à 6,1 mm2/s, plus particulièrement de 1,5 à 4,1 mm2/s, encore plus particulièrement de 1,5 à 2,1 mmls. 9 Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisée en ce que l'huile de base est choisie parmi les huiles synthétiques, telles certains esters d'acides carboxyliques et d'alcools, parmi les polyalphaolétines, et parmi les polyalkylène glycol obtenus par polymérisation ou copolymérisation d'oxydes d'alkylene comprenant de 2 à 8 atonies de carbone, en particulier de 2 à 4 atomes de carbone. 10. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite 20 composition comprenant en outre au moins un additif choisi parmi les modificateurs de frottements, les détergents, les additifs anti-usure, les additifs extrême-pression, les dispersants, les antioxydants, les améliorants du point d'écoulement, les anti -mousse et leurs mélanges 11. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un inhibiteur de radicaux et/ou au moins un retardateur de flammes additionnel, différent du retardateur de flammes de formule U) telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 12. Composition selon la revendication précédente, caractéiisée en ce que l'inhibiteur de radicaux est choisi parmi les composés se présentant sous la forme d'un phosphore pentavalent de la famille des phosphates ou des phosphazènes ou sous la forme d'un phosphore trivalent de la famille des phosphites et le retardateur de tlam mes additionnel est choisi parmi les composés halogénés autres que fluorés. 43 13. Utilisation d'au moins un retardateur de flammes de formule (t) telle que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, se trouvant au moins partiellement sous une forme encapsulée dans une composition de refroidissement d'un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, comportant au moins une batterie, pour lui 5 conférer des propriétés de résistance à l'inflammation 14. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la composition comprend en outre au moins un inhibiteur de radicaux et/ou au moins un retardateur de flammes additionnel, en particulier tels que définis selon la revendication 12. 15. Utilisation selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que le 10 retardateur de flammes de formule (1) est présent dans la composition dans une teneur comprise entre 0,5 % et 40 % en poids, par rapport au poids total de la composition, en particulier dans une teneur comprise entre 2% et 30% en poids, encore plus particulièrement dans une teneur comprise entre 2 `)/to et 20% en poids, avantageusement entre 3 % et 10% en poids 15 16. Procédé de refroidissement et d'ignifugation d'une batterie d'un système de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, comprenant au moins une étape de mise en contact d'au moins une batterie, en particulier une batterie Lithium-ion ou Nickel-Cadmium, avec une composition telle que décrite selon l'une quelconque des revendications t à 12. 17, Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite au moins une 20 batterie est en immersion ou semi-immersion, statique ou en circulation, dans ladite composition ou ladite composition est mise en contact direct avec les batteries par injection, jet, par sprayage ou encore par formation d'un brouillard à partir de ladite composition sous pression et par gravité sur la batterie