Brevet FR3134241A1 — publié le 20231006

Batterie comportant un élément de refroidissement actionnable en dérivation et procédé de refroidissement d’un gaz produit dans une telle batterie L’invention propose une batterie (1), notamment une batterie de traction pour un véhicule électrique, présentant : un boîtier de batterie (2) dans lequel est disposée une pluralité de cellules de batterie (3) ; un système de refroidissement (4) destiné à refroidir les cellules de batterie (3) au moyen d’un fluide de refroidissement ; un orifice de dégazage (5) par lequel, en cas de sinistre, un gaz provenant d’au moins une cellule de batterie (3) peut s’échapper du boîtier de batterie (2) ; un élément de refroidissement (6) agencé dans l’orifice de dégazage (5) et conçu, en cas de sinistre, pour être traversé par le fluide de refroidissement du système de refroidissement (4) ; ledit élément de refroidissement (6) étant raccordé au système de refroidissement (4), en parallèle à celui-ci, par le biais d’une vanne (7). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Batterie comportant un élément de refroidissement actionnable en dérivation et procédé de refroidissement d’un gaz produit dans une telle batterie La présente invention concerne une batterie comportant un élément de refroidissement actionnable en dérivation activé en cas de sinistre. L’invention concerne en outre un procédé adapté de refroidissement d’un gaz produit dans une telle batterie. Les batteries haute tension (batteries HT) servant à la propulsion des véhicules électriques présentent le plus souvent, dans l’état de la technique, un boîtier de batterie métallique renfermant une multiplicité de modules de batterie. Le boîtier de batterie sert d’une part à la fixation de la batterie dans le véhicule et à sa protection en cas d’accident et, d’autre part, assure l’isolement des fluides et le blindage CEM. Chacun des modules installés dans la batterie présente lui-même un boîtier en métal et/ou en plastique dans lequel un certain nombre de cellules de batterie sont disposées et maintenues. Les modules composant une batterie constituent normalement ses plus petites unités fonctionnelles, dont la position, l’orientation et la quantité totale sont adaptées lors de conception de la batterie. Les modules d’une batterie de traction présentent habituellement une structure identique. L’un des critères particulièrement importants, en ce qui concerne les véhicules électriques actuellement disponibles sur le marché disposant d’une puissance de propulsion notable et outre leur sécurité à l’usage, réside en la gestion de la chaleur dégagée par la batterie de traction. L’un des risques les plus connus concernant les batteries de traction consiste en l’emballement thermique (en anglais : thermal runaway) d’une cellule de batterie à l’intérieur de la batterie de traction. La cause en est souvent un dépassement des paramètres de fonctionnement admissibles, par exemple un courant de charge ou de décharge trop élevé et par conséquent une tension des cellules trop élevée. Ces effets peuvent entraîner un dépassement de la température de service admissible pour la cellule de batterie concernée et il peut y avoir une production très rapide et incontrôlée de gaz chaud de la cellule de batterie concernée. Ce gaz très chaud doit, autant que possible, être évacué de la cellule de batterie et du système de batterie afin de limiter les dommages, notamment afin que le sinistre thermique ne se propage pas aux cellules de batterie voisines. Il est primordial, dans le cas d’un tel sinistre thermique, que le gaz, tant qu’il est chaud, soit aussi peu en contact avec l’oxygène que possible, car cet oxygène favoriserait l’inflammation dudit gaz chaud. Ce gaz chaud doit en même temps subir un refroidissement aussi important que possible avant de pouvoir être mis à l’atmosphère, car le gaz, une fois ramené à une température inférieure, n’est plus inflammable s’il est mélangé à l’oxygène de l’air. Le document DE 10 2014 203 133 A1 divulgue par exemple un dispositif de conditionnement thermique et de dégazage de cellules de batterie présentant un organe de conditionnement thermique destiné à conditionner thermiquement les cellules de batterie au moyen d’un fluide de conditionnement et un organe collecteur de gaz destiné à recueillir les gaz nocifs des cellules de batterie. Une unité de transfert reliée en communication avec l’organe de conditionnement thermique et avec l’organe collecteur de gaz est par ailleurs prévue afin de permettre un transfert d’énergie thermique entre les gaz nocifs recueillis et le fluide de conditionnement, tout comme l’est une unité de dégazage reliée en communication avec l’unité de transfert pour permettre le dégazage des gaz nocifs recueillis. Le document CN110335973 A divulgue une batterie dotée d’un boîtier de batterie dans lequel sont agencées plusieurs cellules de batterie et pourvue d’un dispositif anti-incendie à deux stades. En cas d’événement thermique d’une des cellules de batterie, on observe, au premier stade, une rupture d’un point de rupture prévu et le liquide de refroidissement est introduit dans le boîtier de la batterie à partir d’un réservoir de liquide de refroidissement. Si l’incendie se poursuit et que davantage de gaz chaud est dégagé, on observe la rupture d’un autre point de rupture prévu, ce qui entraîne l’évacuation du mélange du gaz chaud et du liquide de refroidissement évaporé du boîtier de la batterie. A la lumière de ce qui précède, le but de la présente invention est de fournir une batterie de traction dans laquelle le dommage résultant peut être limité avec le moins d’effort supplémentaire possible en cas d’emballement thermique d’une des cellules de batterie. Cet objectif est atteint selon un premier aspect de l’invention par une batterie, notamment batterie de traction pour un véhicule électrique, présentant : un boîtier de batterie dans lequel est disposée une pluralité de cellules de batterie, un système de refroidissement destiné à refroidir les cellules de batterie au moyen d’un fluide de refroidissement, un orifice de dégazage par lequel, en cas de sinistre, un gaz provenant d’au moins une cellule de batterie peut s’échapper du boîtier de batterie, un élément de refroidissement agencé dans l’orifice de dégazage et conçu, en cas de sinistre, pour être traversé par le fluide de refroidissement du système de refroidissement ; ledit élément de refroidissement étant raccordé au système de refroidissement, en parallèle à celui-ci, par le biais d’au moins une vanne. Cet objectif est aussi atteint, selon un autre aspect de l’invention, par un procédé d’activation d’un élément de refroidissement dans une batterie telle que décrite ci-dessus, notamment batterie de traction pour un véhicule électrique, comprenant : l’activation de ladite au moins une vanne, moyennant quoi du fluide de refroidissement du système de refroidissement de la batterie est introduit dans l’élément de refroidissement. La présente invention propose un élément de refroidissement susceptible d’être traversé par le fluide de refroidissement et disposé dans ou sur la batterie de traction. L’élément de refroidissement est alors raccordé au système de refroidissement de la batterie à la manière d’un élément de dérivation. En cas d’événement thermique (on entendra ci-après par ces termes un « emballement thermique ») dans une cellule de batterie, du fluide de refroidissement est évacué du système de refroidissement de la batterie à l’aide d’une ou d’au moins une vanne et introduit dans l’élément de refroidissement. L’élément de refroidissement offre alors au gaz chaud sortant de la cellule de batterie une trajectoire d’écoulement à travers l’élément de refroidissement permettant de refroidir le gaz au cours de son écoulement. Le gaz chaud produit dans la batterie est, en cas de sinistre, soumis à un fort refroidissement lorsqu’il s’écoule dans l’élément de refroidissement. Cela permet très largement d’éviter une inflammation du gaz et de réduire le risque d’incendie. Dans le cadre de l’invention, l’élément de refroidissement est conçu à la manière d’un élément de dérivation qui, en mode de conduite normal, n’est pas rempli de fluide de refroidissement, mais le devient en cas de sinistre. La mise en œuvre de cet élément n’ajoute donc qu’un très faible supplément en poids et en volume puisqu’il repose principalement sur l’infrastructure déjà existante du système de refroidissement, notamment son fluide de refroidissement. Cela permet par conséquent des économies en matière de poids et de coûts. Dans différents modes de réalisation, on propose une batterie, notamment une batterie de traction pour un véhicule électrique, présentant un boîtier de batterie, dans lequel est disposée une pluralité de cellules de batterie, et un système de refroidissement destiné à refroidir les cellules de batterie au moyen d’un fluide de refroidissement. La structure de la batterie de l’invention correspond en cela à la structure connue de l’état de la technique. La batterie de l’invention présente en outre un orifice de dégazage par lequel, en cas de sinistre, un gaz provenant d’au moins une cellule de batterie peut s’échapper du boîtier de batterie, et un élément de refroidissement agencé dans l’orifice de dégazage et conçu, en cas de sinistre, pour être traversé par le fluide de refroidissement du système de refroidissement. Par « sinistre », on entend notamment un événement thermique dans le cadre duquel du gaz très chaud s’échappe d’une cellule de batterie et pénètre dans le boîtier de batterie. Une trajectoire d’écoulement est prévue dans l’élément de refroidissement agencé dans l’orifice de dégazage, laquelle relie l’intérieur du boîtier de batterie à l’environnement extérieur de telle manière que, en cas de sinistre, le gaz chaud sortant du boîtier de batterie doive traverser l’élément de refroidissement. L’élément de refroidissement de la batterie de l’invention est raccordé au système de refroidissement, en parallèle à celui-ci, par le biais d’au moins une vanne. Cela signifie qu’un fluide de refroidissement circulant dans le système de refroidissement peut, en cas de sinistre, soit être introduit dans l’élément de refroidissement par une conduite d’amenée appropriée, soit continuer de circuler dans le système de refroidissement normal de la batterie de l’invention. La vanne peut consister en un composant actif s’ouvrant puis se refermant sous l’effet d’un actionneur. Le signal de pilotage visant à l’ouverture et à la fermeture de la vanne peut être établi au moyen de capteurs de tension et/ou de température présents au niveau des cellules de batterie et permettant de détecter un événement thermique. La vanne peut, dans une variante de mode de réalisation, être conçue sous la forme d’un constituant passif pouvant présenter un point de rupture prévu. La vanne peut s’ouvrir sous l’effet d’une rupture dudit point de rupture prévu si une certaine température et/ou pression sont atteintes. Le point de rupture prévu peut être agencé de manière à être entouré ou traversé par un écoulement de gaz chaud et être amené à s’ouvrir de façon passive, c’est-à-dire sans actionneur, par exemple sous l’effet d’un réchauffement exercé par le gaz chaud et supérieur à une température limite. Une première zone de traversée présente dans l’élément de refroidissement et traversée par le fluide de refroidissement en cas de sinistre peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, être impénétrable ou fermée de manière étanche au fluide du système de refroidissement en mode de fonctionnement régulier de la batterie, c’est-à-dire en dehors du temps où il se produit l’événement thermique. L’élément de refroidissement peut ainsi être vide en mode de fonctionnement régulier, c’est-à-dire se trouver dans un état non rempli de fluide de refroidissement issu du système de refroidissement. Ce n’est qu’après l’activation d’au moins une vanne qu’au moins une partie du fluide de refroidissement du système de refroidissement de la batterie est en mesure de pénétrer dans l’élément de refroidissement. L’intérieur de l’élément de refroidissement dans lequel pénétrera le fluide de refroidissement en cas de sinistre pourra, le cas échéant, être soumis à une dépression (par rapport à la pression normale). La première zone de traversée peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, présenter une pluralité de premiers canaux d’écoulement. Cela permet d’accroître sensiblement la surface de contact entre le fluide de refroidissement et l’élément de refroidissement, permettant d’obtenir un refroidissement plus rapide de l’élément de refroidissement en cas de sinistre. L’élément de refroidissement peut par exemple être réalisé sous la forme d’un bloc métallique susceptible d’être traversé par le fluide de refroidissement et doté d’une surface aussi importante que possible dans sa première zone de traversée, située en son intérieur. L’élément de refroidissement peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, présenter une deuxième zone de traversée permettant l’échappement vers l’extérieur d’un gaz produit dans le boîtier de batterie en cas de sinistre. Les orifices de la deuxième zone de traversée de l’élément de refroidissement, exposés à l’extérieur, peuvent être étanches ou impénétrables aux fluides en mode de fonctionnement régulier de la batterie, par exemple au moyen de fines membranes qui viendront se rompre en cas de sinistre sous l’effet de la sortie du gaz. Cela permet d’éviter la pénétration d’air ambiant dans le boîtier de batterie, ce qui pourrait par exemple occasionner une humidité indésirable. La deuxième zone de traversée peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, présenter une pluralité de deuxièmes canaux d’écoulement. Par analogie avec la première zone de traversée, la surface de contact entre le gaz chaud à évacuer du boîtier de batterie et l’élément de refroidissement peut ainsi être sensiblement accrue, permettant un meilleur effet de refroidissement en cas de sinistre. Un premier canal d’écoulement peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, être entouré par au moins deux deuxièmes canaux d’écoulement adjacents. En d’autres termes, un premier canal d’écoulement (ou ses parois) peut être en contact avec une paroi extérieure d’au moins deux deuxièmes canaux d’écoulement adjacents. Le sens de l’écoulement du fluide de refroidissement dans la première zone de traversée et le sens de l’écoulement du gaz chaud dans la deuxième zone de traversée peuvent être les mêmes, ou perpendiculaires l’un à l’autre, en fonction de l’agencement relatif des divers canaux d’écoulement à l’intérieur de l’élément de refroidissement. Les premiers et deuxièmes canaux d’écoulement peuvent par exemple être agencés en alternance dans une direction, par exemple verticalement vus selon la position d’installation de la batterie dans un véhicule électrique. Dans un mode de réalisation préférentiel, les premiers canaux d’écoulement peuvent parcourir transversalement l’élément de refroidissement, sous la forme de fines conduites, et la deuxième zone de traversée peut consister en l’espace qui les sépare (qui pourrait éventuellement être lui-même divisé en canaux d’écoulement) et dans lequel se forment, en cas de sinistre, des trajectoires d’écoulement ondulées pour le gaz chaud. L’élément de refroidissement correspond pour ainsi dire à un échangeur de chaleur, eu égard à sa fonction, et peut présenter une structure équivalente. L’élément de refroidissement peut, selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, présenter une pluralité de buses conçues pour pulvériser du fluide de refroidissement dans le boîtier de batterie en cas de sinistre. L’élément de refroidissement peut dans ce cas être conçu de telle manière qu’une partie seulement du fluide de refroidissement traversant l’élément de refroidissement, voire la totalité du fluide de refroidissement qui s’y écoule, soit pulvérisée dans l’intérieur du boîtier de batterie afin de refroidir le gaz chaud généré dans le boîtier de batterie. Dans le premier cas, le restant de fluide de refroidissement s’écoule dans l’élément de refroidissement en direction de sa sortie puis retourne au système de refroidissement de la batterie. Selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, celle-ci peut présenter un filtre à particules agencé en amont ou en aval de la deuxième zone de traversée. Cela permet d’éviter que des particules provenant de l’intérieur de la cellule de batterie, notamment des particules toxiques d’électrolyte et/ou des électrodes, susceptibles d’être émises par une cellule de batterie en cas de sinistre, parviennent à l’atmosphère. Selon d’autres modes de réalisation de la batterie de l’invention, le système de refroidissement peut par ailleurs présenter une arrivée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement disposées du même côté de la batterie ou du boîtier de batterie. Les tubulures pour l’arrivée et la sortie de fluide de refroidissement pourront ainsi être agencées sur l’avant, à gauche et à droite, ou sur l’arrière, à gauche et à droite, du véhicule, lorsque la batterie est présente dans le véhicule. L’élément de refroidissement peut avantageusement être raccordé à la manière d’une dérivation dans le système de refroidissement de la batterie entre l’arrivée et la sortie de fluide de refroidissement et se situer du même côté de la batterie que les tubulures de fluide de refroidissement, c’est-à-dire devant ou derrière le bloc des cellules de batterie renfermé par la batterie de l’invention ou, vu autrement, sur/dans la périphérie avant ou la périphérie arrière du boîtier de batterie. La disposition de l’élément de refroidissement à proximité de de l’arrivée de fluide de refroidissement permet de garantir que du fluide de refroidissement « frais », donc non encore chauffé, est introduit dans l’élément de refroidissement en cas de sinistre. L’invention propose en outre un procédé d’activation d’un élément de refroidissement mis en œuvre dans une batterie de l’invention susmentionnée, le procédé comprenant l’activation de l’au moins une vanne, de manière passive ou active, de la manière susdécrite, moyennant quoi du fluide de refroidissement du système de refroidissement de la batterie est introduit dans l’élément de refroidissement. Le procédé selon l’invention se caractérise en ce que l’activation de la vanne en cas de sinistre entraîne l’activation d’une trajectoire d’écoulement de dérivation entre l’entrée et la sortie de fluide de refroidissement et en ce que le fluide de refroidissement, qui normalement ne fait que traverser le système de refroidissement de la batterie, est introduit dans l’élément de refroidissement. Il va de soi que les caractéristiques citées ci-dessus et celles qui seront explicitées ci-après ne s’appliquent pas que selon les combinaisons indiquées, mais aussi selon d’autres combinaisons ou bien seules, sans sortir du cadre de la présente invention. D’autres avantages et configurations de l’invention ressortiront de la description ci-après et des dessins annexés. représente un exemple de réalisation de la batterie de l’invention vue de dessus. représente un exemple de réalisation de la batterie de l’invention à l’état monté, selon une vue en coupe transversalement à l’axe longitudinal d’une carrosserie de véhicule. La illustre un exemple de réalisation de la batterie de l’invention 1 vue de dessus. Cela signifie que, dans un tel cas, la batterie étant en position montée dans un véhicule associé, le plan xy visualisé au moyen du système de coordonnées représenté dans la est parallèle au plancher du véhicule. L’exemple de réalisation de la batterie de l’invention illustré à la fait appel à des vannes à commande active qui sont activées/ouvertes en cas de sinistre et laissent passer un écoulement de fluide de refroidissement dans l’élément de refroidissement, c’est-à-dire qu’elles activent la dérivation. La batterie 1 présente un boîtier de batterie 2 dans lequel est disposée une pluralité de cellules de batterie 3. Il est par ailleurs prévu un système de refroidissement 4 destiné à refroidir les cellules de batterie 3 au moyen d’un fluide de refroidissement, lequel système présente par exemple des conduites, dans l’exemple illustré, agencées dans la partie supérieure et inférieure du boîtier de batterie 2 et donc pas directement visibles dans la . Dans le boîtier de batterie 2 est prévu un orifice de dégazage 5, par lequel un gaz chaud issu d’au moins une cellule de batterie 3 peut s’échapper du boîtier de batterie 2 en cas de sinistre. Un élément de refroidissement 6 est agencé dans l’orifice de dégazage et est traversé par le fluide de refroidissement du système de refroidissement 4 en cas de sinistre. L’élément de refroidissement 6 est à cet effet couplé au moyen d’une conduite d’alimentation en fluide de refroidissement 10 et d’une conduite d’évacuation de fluide de refroidissement 11 parallèlement au système de refroidissement 4. Les conduites d’acheminement de fluide de refroidissement 10, 11 présentent chacune une vanne 7 (seule la vanne supérieure est dotée d’un numéro de référence), chacune pilotée par un dispositif de commande 12. Le dispositif de commande est par ailleurs couplé à un capteur de température 13 agencé sur une cellule de batterie 3. Le capteur de température 13 ne constitue qu’un exemple représentatif et il va de soi que de nombreux autres capteurs de température pourraient être prévus, par exemple sur chacune des cellules de batterie 3. Le capteur de température 13 permet de surveiller la température des cellules de batterie 13. La détection d’un dépassement d’une valeur limite est traitée comme un événement thermique amenant le dispositif de commande 12 à piloter l’ouverture des vannes 7. Il se produit alors un écoulement du fluide de refroidissement du système de refroidissement 4 dans l’élément de refroidissement 6. Le gaz chaud s’échappant de l’intérieur du boîtier de batterie 2 en passant par les deuxièmes canaux d’écoulement 9 présents dans l’élément de refroidissement 6 subit un refroidissement sous l’effet de l’élément de refroidissement 4 avant d’être évacué à l’extérieur. Une fois que la pression et/ou la température régnant à l’intérieur du boîtier de batterie 2 sont revenues à la normale, les vannes 7 peuvent être à nouveau fermées et le système de refroidissement 4 reprend son mode de fonctionnement régulier. La illustre un exemple de réalisation de la batterie 1 de l’invention, à l’état monté, selon une vue en coupe transversalement à l’axe longitudinal d’une carrosserie 14 d’un véhicule approprié. L’axe longitudinal du véhicule est ici agencé dans le sens de l’axe x. La batterie 1 est agencée dans le plancher du véhicule et protégée par le dessous au moyen d’une plaque de protection du carénage inférieur 15. La batterie 1 présente une structure selon la et ses éléments ne seront donc pas tous à nouveau décrits. En cas de sinistre, le gaz chaud 16 s’accumulant dans le boîtier de batterie 2 peut s’écouler vers l’orifice de dégazage 5 pour parvenir à l’extérieur en passant par l’élément de refroidissement 6. Ce faisant, le gaz 16 traverse les premiers canaux d’écoulement 8 présents dans l’élément de refroidissement 6 et subit un refroidissement sous l’effet de l’élément de refroidissement 6 refroidi au moyen du fluide de refroidissement du système de refroidissement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. Batterie (1), notamment batterie de traction pour un véhicule électrique, présentant : un boîtier de batterie (2) dans lequel est disposée une pluralité de cellules de batterie (3), un système de refroidissement (4) destiné à refroidir les cellules de batterie (3) au moyen d’un fluide de refroidissement, un orifice de dégazage (5) par lequel, en cas de sinistre, un gaz provenant d’au moins une cellule de batterie (3) peut s’échapper du boîtier de batterie (2), un élément de refroidissement (6) agencé dans l’orifice de dégazage (5) et conçu, en cas de sinistre, pour être traversé par le fluide de refroidissement du système de refroidissement (4) ; ledit élément de refroidissement (6) étant raccordé au système de refroidissement (4), en parallèle à celui-ci, par le biais d’au moins une vanne (7). Batterie (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’une première zone de traversée présente dans l’élément de refroidissement (6) et traversée par le fluide de refroidissement en cas de sinistre, est fermée de manière étanche au fluide du système de refroidissement (4) en mode de fonctionnement régulier de la batterie (1). Batterie (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première zone de traversée présente une pluralité de premiers canaux d’écoulement (8). Batterie (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’élément de refroidissement (6) présente une deuxième zone de traversée permettant l’échappement vers l’extérieur d’un gaz produit dans le boîtier de batterie (2) en cas de sinistre. Batterie (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la deuxième zone de traversée présente une pluralité de deuxièmes canaux d’écoulement (9). Batterie (1) selon la revendication 3 et 5, caractérisée en ce qu’un premier canal d’écoulement (8) est entouré par au moins deux deuxièmes canaux d’écoulement (9) adjacents. Batterie (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l’élément de refroidissement (6) présente une pluralité de buses conçues pour pulvériser du fluide de refroidissement dans le boîtier de batterie (2) en cas de sinistre. Batterie (1) selon l’une des revendications 4 à 7, prise en dépendance de la revendication 4, caractérisée en ce qu’elle présente par ailleurs : un filtre à particules agencé en amont ou en aval de la deuxième zone de traversée. Batterie (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le système de refroidissement (4) présente en outre une arrivée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement qui sont disposées du même côté de la batterie (1) ou du boîtier de batterie (2). Procédé d’activation d’un élément de refroidissement (6) dans une batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, notamment batterie de traction pour un véhicule électrique, comprenant : l’activation de ladite au moins une vanne (7), moyennant quoi du fluide de refroidissement du système de refroidissement (4) de la batterie (1) est introduit dans l’élément de refroidissement (6).