Brevet FR3125635A1 — publié le 20230127

L’invention concerne un dispositif de stockage électrique comprenant deux cellules électrochimiques (2a, 2b) de stockage électriques adjacentes, une tranche (3) de séparation de ces deux cellules électrochimiques (2a, 2b) constituée d’un matériau isolant thermiquement, cette tranche (3) étant prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques (2a, 2b), un circuit de refroidissement (4) des cellules électrochimiques (2a, 2b) par un liquide diélectrique (5), caractérisé en ce que les cellules électrochimiques (2a, 2b) sont partiellement immergées par le liquide diélectrique (5) et en ce la tranche (3) de séparation comprend une conduite (3a) d’amenée du liquide diélectrique (5) débouchant au niveau de la partie émergée des cellules électrochimiques (2a, 2b). Figure 1 DISPOSITIF DE STOCKAGE ELECTRIQUE A CELLULES PARTIELLEMENT IMMERGEES La présente invention concerne le refroidissement des batteries. Plus particulièrement, l’invention a pour objet un dispositif de stockage électrique avec des cellules électrochimiques partiellement immergées dans du liquide diélectrique et une conduite d’amenée de ce liquide dans la partie émergée des cellules électrochimiques. Les véhicules, qu'ils soient totalement électriques ou combinant l'utilisation d'un moteur thermique et d'un moteur électrique, sont équipés de dispositifs de stockage électrique, comportant généralement plusieurs modules électriques. Ces modules électriques comprennent une pluralité de cellules électriques connectées entre elles. Ces modules électriques supportent mal de fonctionner en dehors d'une plage de température déterminée, il convient de les maintenir dans une plage de température donnée. Par exemple, le fonctionnement des batteries lithium-ion est optimal entre 15°C et 40°C et une gestion thermique efficace est nécessaire afin de garantir le maintien des cellules dans cette plage de température quelles que soient les conditions atmosphériques et d’utilisation. La cas d’usage le plus critique, celui qui dimensionne la capacité de refroidissement, est rencontré lors des évènements d’emballement thermique ou de recharge ultra rapide. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique et besoin de refroidissement plus important. Parmi les solutions proposés pour ralentir et protéger contre l’emballement thermique, des matériaux isolants d’interface pour isoler les cellules contre la propagation de ce phénomène peuvent être prévus. Il est également connu par exemple du document FR3083008A1 de refroidir les cellules de la batterie par des plaques de refroidissement. Cependant ces plaques de refroidissement pénalisent le poids du système de stockage électrique. On connait encore du document JP5994345B2 un dispositif de contrôle de la température d’une batterie avec une plaque creuse de séparation disposée entre deux cellules électriques, cette plaque comprenant dans le volume creux un circuit de refroidissement. Cependant cette solution est complexe et couteuse à mettre en œuvre. Pour le refroidissement des batteries il est connu par exemple du document FR3085547 d’immerger totalement les cellules électriques dans un fluide non conducteur autrement désigné fluide diélectrique. Cependant l’immersion totale des cellules électriques requiert une quantité importante de fluide diélectrique, ce qui pénalise le poids du système et son coût. L’invention vise à améliorer le refroidissement des cellules de batteries en proposant selon l’invention un dispositif de stockage électrique comprenant : -deux cellules électrochimiques de stockage électriques adjacentes, -une tranche de séparation de ces deux cellules électrochimiques constituée d’un matériau isolant thermiquement, cette tranche étant prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques, - un circuit de refroidissement des cellules électrochimiques par un liquide diélectrique, caractérisé en ce que les cellules électrochimiques sont partiellement immergées par le liquide diélectrique et en ce la tranche de séparation comprend une conduite d’amenée du liquide diélectrique débouchant au niveau de la partie émergée des cellules électrochimiques. L’effet technique est de permettre un refroidissement de la partie émergée des cellules électrochimiques tout en limitant la quantité de liquide diélectrique utilisée pour ce refroidissement. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : Selon une réalisation, le matériau de la tranche d’isolation thermique est un aérogel. Selon une réalisation, l’aérogel comprend des fibres de renforcement. Selon une réalisation, la conduite débouche de la tranche par un trou de pulvérisation du liquide diélectrique. Selon une réalisation, la conduite et le trou de pulvérisation sont obtenus par moulage de la tranche de séparation. Selon une réalisation, le diamètre du trou de pulvérisation du liquide diélectrique est compris entre 0,5 mm et 1 mm. Selon une réalisation, le dispositif comprend un support sur lequel sont posés les cellules électrochimiques et faisant office de rampe d’alimentation en fluide de la conduite. Selon une réalisation, le dispositif comprend : -une pompe dont le débit ou la pression est variable, -des moyens de commande configurés pour piloter le débit ou la pression de la pompe, -un clapet d’entrée du fluide dans le support configuré pour s’ouvrir si le débit ou la pression fournit par la pompe dépasse un seuil donné. Selon une réalisation, la partie immergée des cellules électrochimiques est comprise entre 10% et 40% de leur hauteur. L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant un dispositif de stockage électrique selon l’une quelconque des variantes précédemment décrites. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : : cette figure représente schématiquement un dispositif de stockage électrique conforme à l’invention. On comprendra par batterie, dans la suite de cette description, un ensemble comprenant au moins un module de batterie, le module de batterie contenant au moins deux cellules électrochimiques. Lorsqu’il y a plusieurs modules, ils sont regroupés dans un bac ou carter et forment alors un bloc batteries, ce bloc batteries étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries », ce carter contenant généralement une interface de montage, et des bornes de raccordement. Par ailleurs, on comprendra par cellule de stockage d’énergie électrique, ou cellule électrochimique, dans tout le texte de ce document, une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb. La présente schématiquement un dispositif de stockage électrique 1. Ce dispositif de stockage électrique 1 peut équiper un véhicule automobile comprenant un moteur électrique pour sa traction. Ce dispositif de stockage électrique 1 comprend un module 2 de batterie. Ce module de batterie comprend au moins deux cellules électrochimiques 2a, 2b adjacentes. Ces cellules électrochimiques 2a, 2b comprennent chacune une face, respectivement 2a’, 2b’ en regard l’une de l’autre. Une tranche 3 d’isolant thermique sépare les deux cellules électrochimiques 2a, 2b. Cette tranche 3 d’isolant thermique sert à la prévention de l’emballement thermique du module 1 de batterie. Cette tranche 3 est prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques 2a, 2b, autrement dit les cellules électrochimiques 2a, 2b sont en contact entre elles via cette tranche 3 d’isolant thermique. La tranche 3 d’isolant thermique est de préférence constituée d’un matériau isolant thermiquement. Dans le cas de cellules électrochimiques 2a, 2b dites prismatiques, c’est-à-dire avec une forme parallélépipédique, la tranche 3 est prise en sandwich entre les grandes faces de ces cellules. Comme le montre la , les cellules électrochimiques sont toutes en contact entre elles via ce matériau isolant. Ce contact est nécessaire afin de pouvoir tenir l’ensemble du module 2 de batterie, ainsi que pour assurer une précontrainte en compression de l’ensemble des cellules électrochimiques. Les cellules électrochimiques sont reliées électriquement entre elles au moyen de connecteurs électriques 2a’’, 2b’’. Le dispositif de stockage électrique 1 comprend encore un circuit de refroidissement 4 des cellules électrochimiques du module 2 de batterie par un liquide de refroidissement diélectrique 5, c’est-à-dire un liquide qui n’est pas conducteur d’électricité. Un tel liquide est déjà utilisé comme isolant électrique dans les applications haute tension, par exemple, transformateurs, condensateurs. Le circuit de refroidissement 4 comprend une pompe 4a de circulation du liquide diélectrique 5 reliée par exemple au moyen d’une conduite à une entrée 2e de liquide diélectrique d’un carter 2c du module 2 de batterie. Le carter 2c comprend également une sortie 2s de liquide diélectrique 5 reliée au moyen par exemple d’une conduite à une entrée de liquide diélectrique 5 d’un échangeur de chaleur 4b. L’échangeur de chaleur 4b comprend une sortie de liquide diélectrique 5 reliée par exemple au moyen d’une conduite à la pompe 4a de circulation. La pompe 4a est avantageusement à débit ou à pression variable pilotable en fonction des besoins en refroidissement. A cet effet, le dispositif comprend des moyens 6 de commande de la pompe 4a. Afin de limiter la quantité de liquide embarqué par le dispositif, les cellules électrochimiques 2a, 2b sont partiellement immergées par le liquide diélectrique 5. Cependant dans ce cas les cellules électrochimiques ont une partie émergée qui peut avoir besoin d’être refroidie. De plus, les connecteurs électriques 2a’’, 2b’’, qui sont dans la partie émergée, sont une source non négligeable de chaleur dans le module 2 de batterie. Aussi, il est prévu de pouvoir amener le liquide diélectrique 5 sur la partie émergée des cellules électrochimiques en aménageant dans la tranche 3 d’isolant thermique au moins une conduite 3a interne d’amenée du liquide diélectrique 5 débouchant au niveau de la partie émergée des cellules électrochimiques 2a, 2b. Afin de d’améliorer l’arrosage de la partie émergée des cellules électrochimiques, il est prévu que la conduite 3a débouche sur au moins une trou calibré 3b formant une buse de pulvérisation. Le diamètre du trou 3b de pulvérisation peut être compris entre 0,5 mm et 1 mm. Un trou 3b de pulvérisation peut être prévu notamment pour l’arrosage des connecteurs électrique 2a’’, 2b’’. La conduite 3a interne et le trou 3b de pulvérisation peuvent être obtenu par moulage de la tranche 3 d’isolant thermique. Les cellules électrochimiques 2a, 2b sont posées sur un support 2f qui fait aussi office de rampe d’alimentation en fluide de la conduite 3a interne. La conduite 3a interne à la tranche 3 d’isolation thermique est donc connectée à une sortie de liquide aménagée dans le support 2f. Le dispositif de stockage électrique 1 peut encore comprendre un clapet 2g configuré pour rester fermé en deçà d’un seuil déterminé de débit ou de pression de liquide diélectrique 5 fournit par la pompe 4a et s’ouvrir si ce seuil est dépassé. Ainsi pendant des situations de vie d’utilisation normale de la batterie, telle que par exemple du roulage en ville, le débit ou pression de la pompe 4a est commandé de sorte à être inférieur au seuil déterminé. Le clapet 2g reste fermé et les cellules électrochimiques sont refroidies avec seulement un bain pour refroidir la partie immergée des cellules. Une immersion des cellules électrochimiques comprise entre 10% et 40% de leur hauteur suffit pour un bon refroidissement lors de ces des situations de vie jugée normale de la batterie. Lors des situations de vie extrêmes de sollicitation des cellules électrochimiques telles qu’une demande de recharge rapide ou des conditions climatique extrêmes ou un roulage sur autoroute, le débit ou la pression de la pompe 4a est commandé de sorte à être Supérieur au seuil déterminé. Le clapet 2g s’ouvre et la pulvérisation est activé via le liquide diélectrique 5 passant dans la rampe d’alimentation 2f, la conduite 3a interne et les trous de pulvérisation pour asperger les faces adjacentes des cellules électrochimiques 2a, 2b et le haut des cellules électrochimiques et leurs connecteurs électriques 2a’’, 2b’’. Le liquide diélectrique s’écoule ensuite vers le bas du module 2 où il s’accumule pour former le bain de refroidissement directe des parties inferieures des cellules électrochimiques 2a, 2b. Ce mode de fonctionnement permet de protéger le module 2 de batterie contre un risque d’emballement thermique et d’optimiser le volume et le poids du fluide de refroidissement dans le module 2 batterie afin de refroidir efficacement les cellules par contact direct et ainsi extraire la chaleur localement à la source. Le matériau constituant la tranche 3 d’isolation thermique peut être souple, malléable et flexible avec une élasticité pour encaisser les contraintes des cellules électrochimiques générées par un phénomène de gonflement lors de la charge et décharge de celles-ci. Avantageusement, le matériau constituant la tranche d’isolation thermique peut être un aérogel, tel qu’un aérogel de silice. Ce matériau à l’avantage d’être de plus très peu dense et donc de favoriser la réduction de poids du module 2 de batterie. Afin d’améliorer la tenue mécanique de cet aérogel on peut prévoir de le renforcer avec des fibres, par exemple une fibre minérale à base de silicone. Un avantage de l’invention dans le cadre du refroidissement direct des batteries via un liquide diélectrique assuré par des matériaux d’interface isolant est de protéger les modules batteries contre les évènements d’emballement thermique et d’assurer un refroidissement efficace avec une homogénéité de température et améliorer la durée de vie de la batterie. Un autre avantage est de réduire le cout de la fonction de refroidissement et le poids des composants de refroidissement en utilisant un bain de fluide diélectrique qui refroidi les cellules électrochimiques en permanence et au besoin en activant la fonction pulvérisation via des buses calibrées quand la batterie est sollicitée en recharge rapide ou dans les conditions climatiques extrêmes (chaud ou froid) ainsi que pour préparer la batterie en la pré-conditionnement avant de la soumettre à des recharges ultra rapide. Un autre avantage est de permettre une température uniforme au sein des cellules et du module batterie dans toute les situations de vie (recharge ultra rapide, roulage sur autoroute, climat chaud ou froid …) et améliorer le vieillissement des cellules. Dispositif de stockage électrique (1) comprenant : -deux cellules électrochimiques (2a, 2b) de stockage électriques adjacentes, -une tranche (3) de séparation de ces deux cellules électrochimiques (2a, 2b) constituée d’un matériau isolant thermiquement, cette tranche (3) étant prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques (2a, 2b), - un circuit de refroidissement (4) des cellules électrochimiques (2a, 2b) par un liquide diélectrique (5), caractérisé en ce que les cellules électrochimiques (2a, 2b) sont partiellement immergées par le liquide diélectrique (5) et en ce la tranche (3) de séparation comprend une conduite (3a) d’amenée du liquide diélectrique (5) débouchant au niveau de la partie émergée des cellules électrochimiques (2a, 2b). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la tranche (3) d’isolation thermique est un aérogel. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’aérogel comprend des fibres de renforcement. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite (3a) débouche de la tranche (3) par un trou (3b) de pulvérisation du liquide diélectrique (5). Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la conduite (3a) et le trou (3b) de pulvérisation sont obtenus par moulage de la tranche (3) de séparation. Dispositif selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre du trou (3b) de pulvérisation du liquide diélectrique (5) est compris entre 0,5 mm et 1 mm. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un support (2f) sur lequel sont posés les cellules électrochimiques (2a, 2b) et faisant office de rampe d’alimentation en fluide de la conduite (3a). Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend : -une pompe (4a) dont le débit ou la pression est variable, -des moyens commande (6) configurés pour piloter le débit ou la pression de la pompe (4a), -un clapet (2g) d’entrée du fluide dans le support (2f) configuré pour s’ouvrir si le débit ou la pression fournit par la pompe (4a) dépasse un seuil donné. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie immergée des cellules électrochimiques (2a, 2b) est comprise entre 10% et 40% de leur hauteur. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de stockage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.