Brevet FR3131447A1 — publié le 20230630

Module d’accumulateur électrochimique prismatique (1) comportant : – au moins une cellule d’accumulateur (3) ; – un dispositif de contention qui comprend un élément de cerclage et un élément de serrage. L’élément de serrage comporte une poche de compression (4) qui renferme un fluide sous pression et qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur (3). Figure pour l’abrégé : Fig.1 MODULE D’ACCUMULATEUR ÉLECTROCHIMIQUE À CONTENTION PAR POCHE DE COMPRESSION L’invention concerne le domaine du stockage d’énergie électrique et vise les techniques de contention nécessaires pour la mise en œuvre des accumulateurs électrochimiques prismatiques, qu’ils soient embarqués dans des véhicules ou stationnaires. ART ANTÉRIEUR Certaines batteries d’accumulateurs électrochimiques présentent une forme prismatique et comportent des cellules agencées dans des contenants souples ou rigides. Ces batteries nécessitent l’application d’une force de compression sur leurs faces latérales afin d’empêcher la délamination des couches internes des cellules d’accumulateurs, ce qui dégraderait la durée de vie et les performances de ces accumulateurs. En effet, ce type d’accumulateur se déforme en conditions d’utilisation, ce qui en fin de vie entraine des gonflements d’environ 5 à 20 % des cellules constituant l’accumulateur. Une déformation non maîtrisée engendre une dégradation de celles-ci dans le temps, pouvant aller jusqu’à leur destruction. Le problème technique relatif à la nécessité d’une contention de ces accumulateurs électrochimiques est bien connu et de nombreuses solutions de contention existent dans l’art antérieur. La demande de brevet US4020244 propose un cerclage des cellules d’accumulateur. La tension générant une compression sur les cellules est figée par soudage électrique. La demande de brevet FR2963484 décrit des moyens mécaniques de mise en contention consistant en des tirants transversaux au module d’accumulateur et adaptés à serrer mutuellement deux plaques de contention appliquées sur les faces latérales du module. Ces tirants peuvent être soudés ou vissés sur les plaques latérales. Ces solutions permettent d’exercer une force de serrage plus importante que les solutions impliquant une sangle et sont donc plus adaptées aux accumulateurs électrochimiques récents. Cependant, ces solutions sont couteuses, difficiles à mettre en place et requièrent du savoir-faire pour leur montage et leur réglage. Ces solutions sont aussi peu flexibles, le démontage de l’accumulateur électrochimique devenant difficile, voire impossible. La demande de brevet EP2777085 décrit une enveloppe rigide utilisée comme support de vissage pour deux bouchons filetés qui sont directement en contact avec les cellules afin de les comprimer. Le document DE4226428 décrit également un module d’accumulateur équipé de deux plaques de contention serrées par des sangles de cerclage. Les plaques de contention sont bombées et les sangles de cerclage déforment ces plaques en comprimant le module d’accumulateur. L’invention a pour but d’améliorer les moyens de contention pour accumulateurs électrochimiques prismatiques de l’art antérieur. À cet effet, l’invention vise un module d’accumulateur électrochimique prismatique comportant : – au moins une cellule d’accumulateur ; – un dispositif de contention qui comprend un élément de cerclage et un élément de serrage. L’élément de serrage comporte une poche de compression qui renferme un fluide sous pression et qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur. Selon un autre objet, l’invention vise une batterie d’accumulateurs électrochimiques comportant un module tel que décrit ci-dessus et un système de gestion de batterie. La batterie comporte un dispositif de mise en pression piloté par le système de gestion de batterie, et relié à la valve de la poche de compression. Selon un autre objet, l’invention vise un procédé de serrage d’un module d’accumulateur électrochimique, qui met en œuvre un dispositif de contention tel que décrit ci-dessus, et qui comporte les étapes suivantes, seules ou en combinaison : – disposer une poche de compression contre une cellule d’accumulateur ; – remplir la poche de compression de fluide et le mettre en pression, de sorte que la cellule d’accumulateur soit comprimée par la poche de compression, et par appui sur l’élément de cerclage. Le procédé peut comporter une étape de modification de la pression du fluide de la poche de compression pour modifier l’effort de compression de la poche de compression sur la cellule d’accumulateur. La mise en compression des cellules constituant le module, lors de l’assemblage final, est assurée et facilitée par l’invention, avec un encombrement et une masse réduite de l’ensemble du système. Des accumulateurs électrochimiques de forte tension et de forte densité d’énergie peuvent ainsi être mis en œuvre avec les importantes forces de compression qui sont requises par les accumulateurs actuels (de l’ordre de plusieurs milliers de newtons), avec des moyens compacts. Les dispositifs de l’art antérieur imposent quant à eux, généralement, une mécanique complexe à intégrer pour de telles forces de compression. L’invention permet de plus un démontage aisé qui augmente la réparabilité de l’ensemble. Du point de vue des risques électriques, l’invention fournit une solution extrêmement sécurisée par rapport à l’art antérieur recourant généralement à des tirants, des poussoirs, des cerclages métalliques, qui présentent des risques de contact électrique parasite avec le câblage et la connectique entourant les batteries d’accumulateurs récentes, ce câblage et cette connectique ayant tendance à devenir plus encombrants avec la complexification des batteries. L’invention permet de plus une compression uniforme par appui mécanique sur une large surface de la cellule d’accumulateur. Sur toute la surface de contact entre la poche de compression et les cellules, la pression est uniforme. L’invention permet d’utiliser un fluide sous pression pour réaliser la compression sur les cellules d’accumulateur. La mise en pression du fluide, ainsi que le contrôle et la mesure de cette pression sont en exacte corrélation avec la force de compression qui s’exerce sur la cellule d’accumulateur. La pression du fluide à appliquer est donc déterminée pour l’application d’une force donnée de compression sur la surface des cellules d’accumulateur. De même, la mesure de la pression du fluide correspond à une mesure exacte de la force de compression s’appliquant sur les faces des cellules d’accumulateur. L’invention donne de plus une possibilité de commande de la force de compression s’appliquant mécaniquement sur la cellule d’accumulateur, en commandant la pression du fluide de la poche de compression, de manière ponctuelle ou en continu. Le dispositif de contention selon l’invention procure de plus une fonction supplémentaire dite de « respirabilité ». Dans l’art antérieur cette fonction, lorsqu’elle existe, est réalisée par des éléments proéminents augmentant l’encombrement du module d’accumulateur. Cette fonction de « respirabilité » permet au module d’accumulateur, tout en subissant une force de contention permanente, de pouvoir néanmoins se dilater et se contracter lors des cycles de charge et de décharge. En effet, la contention appliquée sur le module d’accumulateur permet, sur un temps long correspondant à la durée de vie de l’accumulateur, d’empêcher un gonflement des parois latérales. Cependant, les cycles de charge et de décharge du module d’accumulateur entrainent un échauffement et un refroidissement cyclique qui tendent, de manière indésirable, à augmenter la force de contention durant la dilatation liée à l’échauffement, et à diminuer cette force de contention durant la contraction liée au refroidissement. L’invention permet d’appliquer une force de contention maitrisée, en autorisant la faible variation de dimension liées aux cycles de charge et de décharge, ce qui contribue à un allongement de la durée de vie de l’accumulateur. L’invention facilite le montage, le démontage, le recyclage, et le reconditionnement du module d’accumulateur. L’invention permettant un démontage simple et non-destructif du système, elle sera applicable notamment dans tous les produits à maintenance et sécurité accrues, ainsi que ceux d’écoconception. Le module d’accumulateur selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – la poche de compression est délimitée par une membrane souple ; – la membrane souple est élastiquement déformable ; – le fluide sous pression est un fluide compressible ; – le fluide sous pression est de l’air comprimé ; – le fluide sous pression est un fluide incompressible ; – l’élément de cerclage comporte un boitier de contention rigide ; – la poche de compression comporte deux parois souples reliées par un rebord périphérique ; – la poche de compression comporte un orifice de remplissage en fluide sous pression, cet orifice étant muni d’un bouchon ; – la poche de compression comporte une soupape de décharge calibrée pour maintenir la poche de compression à une pression maximale prédéterminée ; – la poche de compression comporte une valve ; – la poche de compression est intercalée entre la cellule d’accumulateur et l’élément de cerclage ; – le module comporte une deuxième poche de compression renfermant un fluide sous pression, les deux poches de compression étant intercalées entre des cellules d’accumulateur d’extrémité et l’élément de cerclage ; – le module comporte au moins deux cellules d’accumulateurs, et la poche de compression est intercalée entre deux cellules d’accumulateur ; – la poche de compression est formée d’une membrane fixée sur la cellule d’accumulateur. Selon un mode de réalisation, la poche de compression est remplie d’un fluide caloporteur et forme un dispositif de refroidissement. Le fluide sous pression de la poche de compression est ainsi un fluide caloporteur. Le module d’accumulateur selon ce deuxième mode de réalisation peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – la poche de compression comporte des ouvertures d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur ; – le module comporte des conduits de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures d’entrée et de sortie de la poche de compression ; – le module comporte une pluralité de poches de compression en communication fluidique les unes avec les autres ; – le module comporte un circuit de mise en circulation du fluide caloporteur ; – la poche de compression est hermétiquement fermée. Un refroidissement performant, au plus près des cellules d’accumulateur, est ainsi réalisé, avec une intégration mécanique sécurisée et une maintenance aisée. Une fois comprimée contre une face de la cellule d’accumulateur, la poche de compression est plaquée surface contre surface pour former une zone d’échange thermique optimisée. L’échange thermique peut être modulé en fonction de la forme de la cellule d’accumulateur, en variant la configuration de la poche de compression. Par exemple, une poche de compression ventrue offrira un espace d’échange thermique plus important au centre et moindre à la périphérie. À l’inverse, une poche de compression plus volumineuse en périphérie, ou torique, offrira un espace d’échange thermique plus important à la périphérie et moindre au centre. Cette solution de refroidissement pour module d’accumulateur est plus compacte que les solutions classiques de l’art antérieur, et est plus facilement intégrable au sein d’un module d’accumulateur. Le dispositif de refroidissement, dont l’élément au contact des cellule d'accumulateurs est une poche de compression, est par nature plus facilement réalisable entièrement en matériaux diélectriques. La poche de compression est de préférence une poche réalisée en matériau souple telle qu’un polymère diélectrique. L’intégration d’un tel dispositif de refroidissement est de plus adaptable selon les puissances thermiques à dissiper. Il peut être adapté avec peu de modifications structurelles, simplement par la modification du nombre et du positionnement des poches de compression. Cette adaptation peut être réalisée lors de la conception, au cours du cycle de vie, ou lors du reconditionnement d’un module d’accumulateur. PRÉSENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels : – la illustre un premier exemple de module d’accumulateur selon l’invention ; – la illustre un deuxième exemple de module d’accumulateur selon l’invention ; – la est une vue de profil d’un module d’accumulateur ; – la représente en perspective une poche de compression selon un premier mode de réalisation ; – la représente la poche de compression de la , vue de profil ; – la illustre un premier exemple d’orifice de remplissage pour la poche de compression ; – la illustre un deuxième exemple d’orifice de remplissage pour la poche de compression ; – la illustre un troisième exemple d’orifice de remplissage pour la poche de compression ; – la illustre une poche de compression selon un deuxième mode de réalisation ; – la est une vue de profil des éléments de la ; – la est relative à une poche de compression selon un troisième mode de réalisation. Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures. Module d’accumulateur électrochimique prismatique (1) comportant : – au moins une cellule d’accumulateur (3) ; – un dispositif de contention qui comprend un élément de cerclage et un élément de serrage ; caractérisé en ce que l’élément de serrage comporte une poche de compression (4) qui renferme un fluide sous pression et qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur (3). Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poche de compression (4) est délimitée par une membrane souple. Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane souple est élastiquement déformable. Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide sous pression est un fluide compressible. Module selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide sous pression est de l’air comprimé. Module selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le fluide sous pression est un fluide incompressible. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de cerclage comporte un boitier de contention (2) rigide. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (4) comporte deux parois souples reliées par un rebord périphérique (5). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (4) comporte un orifice de remplissage (8) en fluide sous pression, cet orifice (8) étant muni d’un bouchon (9). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (4) comporte une soupape de décharge (10) calibrée pour maintenir la poche de compression (4) à une pression maximale prédéterminée. Module selon l’une des revendications précédents, caractérisé en ce que la poche de compression (4) comporte une valve (12). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (4) est intercalée entre la cellule d’accumulateur (3) et l’élément de cerclage. Module selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une deuxième poche de compression (4) renfermant un fluide sous pression, les deux poches de compression (4) étant intercalées entre des cellules d’accumulateur (3) d’extrémité et l’élément de cerclage. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux cellules d’accumulateurs (3), et en ce que la poche de compression (4) est intercalée entre deux cellules d’accumulateur (3). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (4) est formée d’une membrane (13) fixée sur la cellule d’accumulateur (3). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide sous pression de la poche de compression (4) est un fluide caloporteur. Module selon revendication 16, caractérisé en ce que la poche de compression (4) comporte des ouvertures d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur. Module selon la revendication 17, caractérisé en ce qu’il comporte des conduits de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures d’entrée et de sortie de la poche de compression. Module selon l’une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de poches de compression (4) en communication fluidique les unes avec les autres. Batterie d’accumulateurs électrochimiques comportant un module selon la revendication 11 et un système de gestion de batterie (14), caractérisé en ce qu’elle comporte un dispositif de mise en pression (15) piloté par le système de gestion de batterie (14), et relié à la valve (12) de la poche de compression (4). Procédé de serrage d’un module d’accumulateur électrochimique selon l’une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : – disposer une poche de compression (4) contre une cellule d’accumulateur (3) ; – remplir la poche de compression (4) de fluide et le mettre en pression, de sorte que la cellule d’accumulateur (3) soit comprimée par la poche de compression (4), et par appui sur l’élément de cerclage. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de modification de la pression du fluide de la poche de compression (4) pour modifier l’effort de compression de la poche de compression (4) sur la cellule d’accumulateur (3).