Brevet FR3132390A1 — publié le 20230804

Système d’alimentation électrique embarqué (100) comportant une batterie (1), notamment batterie lithium-ion, comportant : un boîtier (3) comportant au moins une paroi (6) et définissant une enceinte (2), ladite enceinte (2) logeant au moins un module (4) contenant au moins une cellule (5) électrochimique, et un système de refroidissement (10) de la batterie (1) par écoulement de gaz, ledit système de refroidissement (10) comportant au moins une entrée (11) permettant d’injecter un gaz dans l’enceinte (2) de la batterie (1), ledit gaz étant un gaz inerte. Figure de l’abrégé : Figure 3 Système d’alimentation électrique embarqué La présente divulgation relève du domaine des systèmes d’alimentation électrique embarqués comportant une batterie, dans le secteur aéronautique, notamment une batterie propulsive ou une batterie tampon. L’invention concerne en particulier un système d’alimentation électrique embarqué, par exemple dans un avion, dans un hélicoptère ou dans un drone ainsi qu’un procédé de refroidissement d’un tel système d’alimentation électrique. Une batterie, notamment de type Lithium-ion (Li-ion), contient au moins une, généralement plusieurs cellules électrochimiques, telles que des cellules Li-ion, chaque cellule pouvant être l’objet d’un emballement thermique. En effet, l’électrolyte que les cellules contiennent se présente sous la forme de sels de lithium dans un solvant organique hautement inflammable. Une surchauffe de la batterie peut être une des causes du déclenchement d’un emballement thermique. Par « emballement thermique d’une batterie », on entend une élévation anormale de la température d’au moins une cellule, une surpression avec dégazage puis réaction de combustion avec éventuellement des fumées et flammes. Ce phénomène d’emballement thermique peut être déclenché par trois types d’initiation : une initiation thermique, par exemple une augmentation de température, une initiation électrique, par exemple une surcharge, ou une initiation mécanique, par exemple une déformation. Ce phénomène peut encore être dû à un défaut interne (court-circuit) d’une cellule Li-ion. L’emballement thermique induit par exemple des flammes, des dégazages, des explosions et/ou des projections de matière au sein de la batterie. Dans le cas de systèmes d’alimentation électrique comportant des batteries Li-ion, et embarqués, par exemple disposés dans un avion, un hélicoptère ou un drone, du fait de leur proximité avec la zone de carburant et/ou la présence de personnel navigant et éventuellement de passagers, tout emballement thermique de batterie constitue potentiellement un danger pour le matériel et les personnes. Des solutions sont connues pour éviter au maximum le phénomène d’emballement thermique, par protection sur court-circuit électrique avec contacteurs et fusibles, par équilibrage des cellules (« balancing »), par surveillance des tensions et de la température avec une électronique dédiée, par système de refroidissement de la batterie par écoulement d’air ou de liquide avec échangeur, par gestion de la charge et décharge électrique, ou encore par amortissement mécanique de la batterie. Toutefois, le phénomène de court-circuit interne dû à un défaut de la cellule ne pourra pas être supprimé et devient d’autant plus critique sur des batteries contenant un large nombre de cellules. Ainsi, le risque d’emballement thermique ne peut pas être complètement supprimé et il est nécessaire de pouvoir contenir ce phénomène lorsqu’il advient, par exemple de stopper le feu qu’il peut induire. D’autres solutions sont connues pour permettre de contenir les flammes et débris au sein de la batterie et empêcher une élévation de la température de se répercuter sur l’ensemble de l’équipement. On connaît ainsi une solution de confinement basée sur l’utilisation d’un tissu haute technologie pour protéger le boîtier de la batterie ainsi que pour contenir les flammes et débris à l’intérieur de celle-ci, divulguée dans FR 1 904 729. Alors que le boîtier de batterie est protégé ou directement développé dans des matériaux capables de supporter les contraintes de flammes, des lacunes existent sur l’inhibition du feu déclenché au sein de la batterie lors d’un emballement thermique. Les solutions proposées reposent sur des systèmes d’immersion de la batterie dans de l’eau salée ou de développement de systèmes de projection d’eau en plus des systèmes pour l’usage fonctionnel de la batterie. Il existe un besoin pour bénéficier, dans le domaine aéronautique, d’un système d’alimentation électrique embarqué, comportant une batterie, notamment une batterie Lithium-ion, et comportant des moyens permettant d’éteindre un feu déclenché lors d’un emballement thermique au sein de la batterie sans pour autant ajouter un système impactant significativement la masse. Résumé La présente divulgation vient améliorer la situation. Il est proposé un système d’alimentation électrique embarqué comportant une batterie, notamment batterie lithium-ion, comportant : un boîtier comportant au moins une paroi et définissant une enceinte, ladite enceinte logeant au moins un module contenant au moins une cellule électrochimique, et un système de refroidissement de la batterie par écoulement de gaz, ledit système de refroidissement comportant au moins une entrée permettant d’injecter un gaz dans l’enceinte de la batterie, ledit gaz étant un gaz inerte. Grâce à l’invention, on permet de faire pénétrer dans l’enceinte un gaz inerte, lequel va contribuer à étouffer un feu en cas d’emballement thermique d’une ou plusieurs cellules, au contraire de l’air chargé en oxygène qui alimente le feu. Un tel système permet de limiter fortement le phénomène de l’emballement thermique. De plus, ce système permet de ne pas ajouter de masse significative à la batterie. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : Le gaz inerte est de préférence choisi dans le groupe constitué par l’argon, l’azote, l’hélium, le néon, le krypton, le xénon, le radon et un mélange de ceux-ci. Ladite au moins une entrée est de préférence configurée pour permettre l’injection dudit gaz inerte lorsque la température et/ou la pression dans l’enceinte est supérieure à un seuil prédéterminé. Dans ce cas, l’injection de gaz inerte est automatiquement enclenchée dès franchissement de ce seuil. L’injection de gaz inerte a alors lieu de manière passive. En variante, le système d’alimentation électrique comporte un dispositif de détection de la température et/ou de la pression, et/ou éventuellement d’une autre caractéristique telle que le bruit, la présence de fumée et/ou de gaz, à l’intérieur de l’enceinte et un dispositif de commande agencé pour, lorsque le dispositif de détection détecte une température et/ou une pression, et/ou le cas échéant une autre caractéristique, supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, ce qui correspond à la détection d’un emballement thermique, provoquer l’injection de gaz inerte au travers de ladite au moins une entrée. Dans ce cas, l’injection de gaz inerte est provoquée lors du franchissement de ce seuil. L’injection de gaz inerte a alors lieu de manière active. Ledit seuil prédéterminé pour la température est de préférence égal à 100°C environ. Ledit seuil prédéterminé pour la température peut encore être égal à 130°c environ. Ledit seuil prédéterminé pour la pression peut consister en une augmentation de la pression de 0,6 bar. La pression de service peut être comprise entre 1 et 5 bar, avec une pression maximale pouvant être égale à 5 bar. Ladite au moins une entrée est de préférence unique. On peut aussi prévoir plusieurs entrées, notamment deux entrées permettant d’injecter un gaz inerte dans l’enceinte. La ou les entrées de gaz inerte peut ou peuvent être positionnées à tout endroit du boîtier sans impact sur les fonctions de la batterie. Le système de refroidissement comporte avantageusement, outre ladite au moins une entrée, une entrée d’air et une sortie de gaz réalisées dans au moins une paroi du boîtier. L’invention peut permettre de détourner le management thermique par écoulement de gaz réfrigérant qui est généralement présent au sein de la batterie pour assurer le fonctionnement normal de la batterie aux fins de traiter un emballement thermique dans la batterie. Deux cas de figures peuvent être utilisés pour un management thermique à écoulement de gaz. Le premier consiste à réaliser une entrée et une sortie sur la paroi de la batterie permettant de générer l’écoulement de gaz avec parfois ajout de canaux pour diriger les écoulements aux points clefs nécessitant davantage de refroidissement, le gaz utilisé étant généralement de l’air. Le second consiste en un système de tubulure dirigeant l’écoulement de gaz sans échange entre le gaz et les cellules. Dans ce cas, les gaz les plus classiquement utilisés proviennent des familles suivantes : les chlorofluorocarbures, les hydrochlorofluorocarbures R32, les hydrofluorocarbures, les perfluorocarbures, et plus généralement la classe des hydrocarbures ou composés organiques, et les composés inorganiques tels que l’ammoniac, le dioxyde de carbone R744, l’azote R728 et le propane R290. La batterie devant être étanche pour respecter les normes en vigueur (DO-311A relative aux normes de performances opérationnelles minimales pour les batteries au lithium rechargeables et les systèmes de batteries), le remplacement de l’air par un gaz inerte n’est pas significativement impactant et assure une protection tout au long de l’utilisation de la batterie. Ladite au moins une entrée permettant d’injecter un gaz inerte dans l’enceinte peut être réalisée dans une paroi dudit boîtier. Dans ce cas, ladite au moins une entrée peut être soit dans un état fermé par un obturateur, soit dans un état ouvert en cas de déplacement et/ou de fusion au moins partielle dudit obturateur, notamment lorsque la température et/ou la pression, et/ou éventuellement une autre caractéristique, dans l’enceinte est supérieure à un seuil prédéterminé. L’ouverture présente avantageusement une surface au moins égale à 1 cm². Dans ce cas, l’entrée d’air et la sortie de gaz du système de refroidissement peuvent être distinctes de ladite au moins une entrée permettant d’injecter le gaz inerte. L’obturateur peut être réalisé dans un matériau ayant une température de fusion choisie de manière à ce que, lorsqu’un seuil prédéterminé est franchi pour la température à l’intérieur de l’enceinte, l’obturateur fonde pour mettre ladite au moins une entrée dans l’état ouvert et permettre l’injection de gaz inerte à l’intérieur de l’enceinte. En particulier, l’obturateur peut être réalisé dans un matériau dont la température de fusion est inférieure ou égale à 130°C. Un tel matériau peut être choisi dans le groupe constitué par les alliages type métal de Newton Bismuth-Plomb-Etain, qui ont une température de fusion d’environ 100°C, et les matériaux polymères, tels qu’un polychlorure de vinyle (PVC) qui a une température de fusion d’environ 100°C ou un acrylonitrile butadiène styrène qui a une température de fusion d’environ 130°C. En variante, le déplacement de l’obturateur pour faire passer ladite au moins une entrée de l’état fermé à l’état ouvert peut être commandé par le dispositif de commande. Le déplacement de l’obturateur peut encore être déclenché par la pression à l’intérieur de l’enceinte. L’épaisseur de l’obturateur peut être comprise entre 1 et 2 mm. Un raccord pour permettre l’injection de gaz inerte dans l’enceinte de la batterie peut être fixé à ladite au moins une entrée. Selon un mode de réalisation particulier, ladite au moins une entrée peut être munie, notamment à l’extérieur de l’enceinte, d’un tuyau de liaison, notamment d’un raccord en T, permettant d’injecter soit du gaz inerte soit de l’air en fonction de la température et/ou de la pression détectée à l’intérieur de l’enceinte par le dispositif de détection. Cela permet d’injecter par l’entrée soit de l’air si les conditions sont normales, avec une température et/ou une pression, et éventuellement une autre caractéristique, inférieure audit seuil prédéterminé, soit un gaz inerte en cas d’emballement thermique, détecté grâce à la détection par le dispositif de détection du franchissement du seuil prédéterminé pour la température et/ou la pression, et/ou le cas échéant ladite autre caractéristique, telle que bruit, présence de fumée ou d’un gaz. Dans ce cas, le tuyau de liaison, notamment le raccord en T, est avantageusement muni d’un clapet, notamment d’un clapet anti-retour. Le tuyau de liaison est de préférence relié d’une part à une arrivée d’air et d’autre part à une arrivée de gaz inerte commandée par une électrovanne dont l’ouverture est commandée par le dispositif de commande. Le dispositif de détection comporte de préférence au moins un capteur présent dans l’enceinte de la batterie, notamment un capteur de détection de l’emballement thermique. Un tel capteur peut être choisi dans le groupe constitué par les capteurs de bruit, de fumée, de température, de pression ou de gaz. Les capteurs de détection de l’emballement thermique, « thermal runaway » en anglais, permettent de mesurer des grandeurs physiques, telles que bruit, gaz, température, pression et fumée. De tels capteurs peuvent apporter une information aux dispositifs de commande, notamment aux calculateurs avion, hélicoptère ou drone, sur le déclenchement d’un emballement thermique, en particulier afin d’agir sur les systèmes et d’enclencher la protection mais aussi pour fournir une information aux pilotes. L’arrivée de gaz inerte comporte par exemple un raccord relié à une bonbonne de gaz inerte, le tuyau de liaison, notamment le raccord en T, étant séparé de la bonbonne de gaz inerte par l’électrovanne. Selon un autre mode de réalisation particulier, le système de refroidissement comporte, dans l’enceinte de la batterie, une tubulure pour la circulation d’un gaz. Dans ce cas, ladite au moins une entrée est avantageusement formée dans ladite tubulure. Toujours dans ce cas, ladite au moins une entrée est de préférence configurée pour être dans un état fermé lorsque la température et/ou la pression est inférieure à un seuil prédéterminé. Dans un tel cas, il n’y a pas de contact entre le gaz et les cellules. Avantageusement, ladite au moins une entrée est configurée pour être dans un état ouvert lorsque ledit seuil prédéterminé est franchi. Dans ce cas, le gaz inerte vient en contact avec les cellules et l’espace intérieur de l’enceinte, hors de la tubulure. Ladite au moins une entrée est par exemple réalisée dans une zone de fragilité fermée en deçà dudit seuil prédéterminé et apte à laisser passer dans l’enceinte de la batterie le gaz inerte contenu dans la tubulure lorsque ledit seuil prédéterminé est franchi. La tubulure peut comporter au moins une portion de tubulure réalisée dans un matériau différent du reste de la tubulure, ladite au moins une portion de tubulure comportant ladite zone de fragilité. Le matériau de la portion de tubulure comporte par exemple un silicone haute température. La portion de tubulure est alors souple et peut résister à des températures allant par exemple jusqu’à 250°C, voire jusqu’à 300°C. La zone de fragilité peut être réalisée en un matériau présentant une température de fusion inférieure ou égale à 130°C environ, notamment égale à environ 100°C. Un tel matériau est par exemple choisi dans le groupe constitué par les alliages type métal de Newton Bismuth-Plomb-Etain et les matériaux polymères, tels qu’un polychlorure de vinyle (PVC) ou un acrylonitrile butadiène styrène. La zone de fragilité peut alternativement être réalisée en un matériau présentant une porosité telle que, lorsque la pression est inférieure au seuil prédéterminé, ladite au moins une entrée soit dans l’état fermé, et, lorsque la pression franchit ledit seuil, ladite au moins une entrée soit dans l’état ouvert, laissant passer le gaz inerte présent dans la tubulure. L’invention concerne encore un procédé de refroidissement d’un système d’alimentation électrique tel que défini plus haut, comportant l’étape consistant à injecter un gaz inerte à l’intérieur d’une enceinte de la batterie. Un tel procédé permet d’agir efficacement pour lutter contre le feu en cas d’emballement thermique d’une ou plusieurs cellules au sein de la batterie, tout en évitant l’ajout de masse significative. Ladite étape peut être mise en œuvre de manière passive, le système étant configuré pour permettre automatiquement l’injection de gaz inerte lorsqu’un seuil prédéterminé de température et/ou de pression est franchi. En variante ou de manière additionnelle, ladite étape est mise en œuvre de manière active, le système étant alors configuré pour commander l’injection de gaz inerte après détection d’une température et/ou pression et/ou éventuellement d’une autre caractéristique telle qu’un bruit, une présence de fumée ou de gaz, supérieure ou égale à un seuil prédéterminé. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre un exemple d’intégration d’un système d’alimentation électrique embarqué comportant une batterie selon l’invention. montre un autre exemple d’intégration d’un système d’alimentation électrique selon l’invention. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un mode de réalisation. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un autre mode de réalisation. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un autre mode de réalisation. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un autre mode de réalisation. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un autre mode de réalisation. montre schématiquement un système d’alimentation électrique selon un autre mode de réalisation. montre isolément le détail selon IX de la . Système d’alimentation électrique (100) embarqué comportant une batterie (1), notamment batterie lithium-ion, comportant : un boîtier (3) comportant au moins une paroi (6) et définissant une enceinte (2), ladite enceinte (2) logeant au moins un module (4) contenant au moins une cellule (5) électrochimique, et un système de refroidissement (10) de la batterie (1) par écoulement de gaz, ledit système de refroidissement (10) comportant au moins une entrée (11) permettant d’injecter un gaz dans l’enceinte (2) de la batterie (1), ledit gaz étant un gaz inerte. Système selon la revendication 1, dans lequel le gaz inerte est choisi dans le groupe constitué par l’argon, l’azote, l’hélium, le néon, le krypton, le xénon, le radon et un mélange de ceux-ci. Système selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel ladite au moins une entrée est configurée pour permettre l’injection dudit gaz inerte lorsque la température et/ou la pression dans l’enceinte est supérieure à un seuil prédéterminé. Système selon l’une des revendications 1 et 2, comportant un dispositif de détection (19) de la température et/ou de la pression à l’intérieur de l’enceinte (2) et un dispositif de commande (18) agencé pour, lorsque le dispositif de détection (19) détecte une température et/ou une pression supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, provoquer l’injection de gaz inerte au travers de ladite au moins une entrée (11). Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ledit seuil prédéterminé pour la température est égal à 100°C environ et/ou ledit seuil prédéterminé pour la pression consiste en une augmentation de la pression de 0,6 bar. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de refroidissement (10) comporte une entrée d’air (13) et une sortie de gaz (12) réalisées dans au moins une paroi (6) du boîtier (3). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une entrée (11) est réalisée dans une paroi (6) dudit boîtier (3). Système selon la revendication précédente, ladite au moins une entrée (11) étant soit dans un état fermé par un obturateur (15), soit dans un état ouvert en cas de déplacement et/ou de fusion au moins partielle dudit obturateur (15). Système selon la revendication précédente, dans laquelle l’obturateur (15) est réalisé dans un matériau ayant une température de fusion choisie de manière à ce que, lorsqu’un seuil prédéterminé est franchi pour la température à l’intérieur de l’enceinte (2), l’obturateur (15) fonde pour mettre ladite au moins une entrée (11) dans l’état ouvert et permettre l’injection de gaz inerte à l’intérieur de l’enceinte (2). Système selon les revendications 4 et 8, dans lequel le déplacement de l’obturateur (15) pour faire passer ladite au moins une entrée (11) de l’état fermé à l’état ouvert est commandé par le dispositif de commande (18). Système selon les revendications 4, 6 et 7, ladite au moins une entrée (11) étant munie d’un tuyau de liaison (16), notamment d’un raccord en T, permettant d’injecter soit du gaz inerte soit de l’air en fonction de la température et/ou de la pression détectée à l’intérieur de l’enceinte par le dispositif de détection (19). Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le système de refroidissement (10) comportant, dans l’enceinte (2) de la batterie (1), une tubulure (21) pour la circulation d’un gaz, dans lequel ladite au moins une entrée (11) est formée dans ladite tubulure (21). Système selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une entrée (11) est configurée pour être dans un état fermé lorsque la température et/ou la pression est inférieure à un seuil prédéterminé, ladite au moins une entrée (11) étant configurée pour être dans un état ouvert lorsque ledit seuil prédéterminé est franchi. Système selon la revendication précédente, dans laquelle ladite au moins une entrée (11) est réalisée dans une zone de fragilité (23) fermée en deçà dudit seuil prédéterminé et apte à laisser passer dans l’enceinte (2) de la batterie (1) le gaz inerte contenu dans la tubulure (21) lorsque ledit seuil prédéterminé est franchi. Système selon la revendication précédente, dans laquelle la tubulure (21) comporte au moins une portion (22) de tubulure réalisée dans un matériau différent du reste de la tubulure, ladite au moins une portion de tubulure (22) comportant ladite zone de fragilité (23). Système selon la revendication 14 ou 15, dans lequel la zone de fragilité est réalisée en un matériau présentant une température de fusion inférieure ou égale à 130°C environ, notamment égale à environ 100°C, étant choisi dans le groupe constitué par les alliages type métal de Newton Bismuth-Plomb-Etain et les matériaux polymères, tels qu’un polychlorure de vinyle (PVC) ou un acrylonitrile butadiène styrène.