Brevet FR3131446A1 — publié le 20230630

Module d’accumulateur électrochimique comportant : – au moins une cellule d’accumulateur (2) ; – un dispositif de refroidissement ; – un élément de cerclage. Le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression (3) remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur (2). Figure pour l’abrégé : Fig.2 MODULE D’ACCUMULATEUR ÉLECTROCHIMIQUE À REFROIDISSEMENT PAR POCHE DE COMPRESSION L’invention concerne le domaine du stockage d’énergie électrique et vise les moyens de refroidissement destinés à la mise en œuvre des accumulateurs électrochimiques, qu’ils soient embarqués dans des véhicules ou stationnaires. Un accumulateur électrochimique doit fonctionner dans une plage de température définie sous peine de dégrader ses performances, voir même de se dégrader physiquement jusqu’à sa destruction. Au-delà d’un certain seuil de température, un amorçage de réactions chimiques internes exothermiques se produit et l’accumulateur devient incapable d’évacuer suffisamment de chaleur compte tenu de ses pertes internes éventuelles et de la chaleur dégagée par ces réactions internes. L’accumulateur peut alors partir en emballement thermique jusqu’à destruction. Ce type d’accumulateur nécessite d’être géré thermiquement pour limiter sa dégradation et ainsi augmenter sa durée de vie et ses performances, en sécurité. ART ANTÉRIEUR La gestion thermique des cellules de batteries est un enjeu majeur dans la plupart des applications de forte puissance. Des systèmes de gestion complexes sont couramment mis en œuvre autour des modules, voire des systèmes de batteries complets. La problématique de la maintenance se pose lors du remplacement ou du recyclage des batteries, notamment du fait de la présence de ces systèmes complexes de gestion thermique. Les systèmes de gestion thermique connus les plus courants sont des systèmes à air pulsé (convection forcée), à circulation d’un fluide caloporteur, ou à refroidissement indirect de type « plaques froides ». Aujourd’hui, les solutions à refroidissement liquide donnent les meilleurs résultats mais nécessitent l’immersion des batteries dans un fluide diélectrique caloporteur, et impliquent une architecture de batterie plus complexe, avec des problématiques d’étanchéité, de maintenance, et de tenue à la pression très contraignantes. Les demandes de brevet EP3723189 et CN109149009 décrivent des solutions de type « plaques froides ». Elles permettent une régulation thermique du contenant de la batterie, mais pas un refroidissement direct des cellules d’accumulateur. Les demandes de brevet US10062935, et US20180123159 proposent des solutions d’intégrations plus proches des cellules d’accumulateur mais n’autorisent pas un refroidissement homogène et pertinent de celles-ci. De par leurs conceptions et les choix de matériaux (conducteurs), leurs implantations au sein d’un système de batterie augmente fortement les risques de court-circuit lors de l’assemblage. L’invention a pour but d’améliorer les moyens de refroidissement pour accumulateurs électrochimiques de l’art antérieur. À cet effet, l’invention vise un module d’accumulateur électrochimique comportant : – au moins une cellule d’accumulateur ; – un dispositif de refroidissement ; – un élément de cerclage. Le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur. L’invention assure un refroidissement performant au plus près des cellules d’accumulateur, 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 cellules 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. 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 dispositif de contention selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – l’élément de cerclage comporte un boitier rigide dans lequel sont insérées la cellule d’accumulateur et la poche de compression ; – la poche de compression comporte des ouvertures d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur ; – le dispositif de refroidissement comporte des conduits de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures d’entrée et de sortie ; – le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de poches de compression en communication fluidique les unes avec les autres ; – le dispositif de refroidissement comporte un circuit de mise en circulation du fluide caloporteur ; – le module comporte un capteur de température sur au moins l’une des ouvertures d’entrée et de sortie ; – la poche de compression est hermétiquement fermée ; – la poche de compression est délimitée par une membrane souple ; – la membrane souple est élastiquement déformable ; – la poche de compression comporte deux membranes souples reliées par un rebord périphérique ; – le fluide caloporteur est un fluide compressible ; – le fluide caloporteur est un fluide incompressible ; – la poche de compression est intercalée entre la cellule d’accumulateur et l’élément de cerclage ; – le module comporte au moins deux poches de compression, et les poches de compression sont intercalées de part et d’autre de la cellule d’accumulateur. Le dispositif de refroidissement peut de plus être agencé pour remplir une fonction supplémentaire d’amélioration du calage des cellules d'accumulateurs, et d’amortissement des chocs. À cet effet, la poche de compression forme un élément de serrage pour le module d’accumulateur. Le fluide caloporteur peut être un fluide sous pression qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur. La mise en compression des cellules constituant le module, lors de l’assemblage final, est ainsi assurée et facilitée, 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. Un démontage aisé est de plus permis, ce qui augmente la réparabilité de l’ensemble. Du point de vue des risques électriques, la poche de compression 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. 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. De plus, la force de compression s’appliquant mécaniquement sur la cellule d’accumulateur peut être commandée en commandant la pression du fluide de la poche de compression, de manière ponctuelle ou en continu. Une fonction supplémentaire dite de « respirabilité » est également apportée par la poche de compression. 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. 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 représente une cellule d’accumulateur associée à une poche de compression ; – la représente en perspective une poche de compression ; – la est une vue du profil de la poche de compression ; – la est une vue de détail de la poche de compression ; – la est une vue partielle d’un module d’accumulateur avec son élément de contention ; – la illustre la coopération entre une poche de compression et une cellule d’accumulateur ; – la illustre schématiquement la surface de contact entre une poche de compression et une cellule d’accumulateur. Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures. Module d’accumulateur électrochimique comportant : – au moins une cellule d’accumulateur (2) ; – un dispositif de refroidissement ; – un élément de cerclage ; caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression (3) remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur (2). Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément de cerclage comporte un boitier rigide (10) dans lequel sont insérées la cellule d’accumulateur (2) et la poche de compression (3). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) comporte des ouvertures (9) d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte des conduits (4,5,6) de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures (9) d’entrée et de sortie. Module selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de poches de compression (3) en communication fluidique les unes avec les autres. Module selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte un circuit (13) de mise en circulation du fluide caloporteur. Module selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de température (12) sur au moins l’une des ouvertures (9) d’entrée et de sortie. Module selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est hermétiquement fermée. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est délimitée par une membrane souple. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que la membrane souple est élastiquement déformable. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) comporte deux membranes souples (8) reliées par un rebord périphérique (7). Module selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide compressible. Module selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide incompressible. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est intercalée entre la cellule d’accumulateur (2) et l’élément de cerclage. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux poches de compression (3), et en ce que les poches de compression (3) sont intercalées de part et d’autre de la cellule d’accumulateur (2). Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression forme un élément de serrage pour le module d’accumulateur, le fluide caloporteur étant un fluide sous pression qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur.