Brevet FR3141805A1 — publié le 20240510

Batterie (1) comprenant des cellules électrochimiques (2), comprenant un capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie (1), une mémoire comprenant un seuil de température, un moyen de comparaison de la mesure de température au seuil de température, un consommateur d’énergie (3) et un interrupteur (4) commandé reliant les cellules au consommateur d’énergie (3), l’interrupteur (4) étant commandé passant lorsque la mesure du capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans les cellules électrochimiques (2) est consommée par le consommateur d’énergie (3). Figure pour l’abrégé : Fig 1 Batterie munie d’une décharge lors d’un emballement thermique et procédé de commande correspondant. L’invention a pour domaine technique la gestion de batteries, et plus particulièrement, une telle gestion lors d’un emballement thermique. Techniques antérieures Une batterie comprend généralement plusieurs cellules électrochimiques, chaque cellule pouvant être l’objet d’un emballement thermique. Ce phénomène d’emballement est particulièrement prévalent pour les cellules de type Li-ion et peut être déclenché par trois types d’initiations : - thermique via une augmentation température, - électrique via un court-circuit ou une surtension, ou - mécanique via une déformation ou une perforation. En marge de ces initiations, un emballement peut également résulter d’un défaut interne de la cellule. L’emballement thermique, notamment pour la technologie Li-ion, peut induire des flammes, des dégazages, des explosions et des projections de matière au sein de la batterie. Actuellement, des solutions techniques de limitation de la propagation de l’emballement sont mises en place. Ces solutions sont basées sur l’utilisation de barrières physiques telles que des matériaux résistants aux hautes températures ou encore résistants au feu. La demande de brevet FR 3095895 au nom de la demanderesse illustre une telle solution. Il existe un besoin pour une batterie munie d’un dispositif de limitation de l’emballement thermique à proprement parler. L‘invention a pour objet une batterie comprenant des cellules électrochimiques, ainsi qu’un capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie, une mémoire comprenant un seuil de température d’emballement thermique, un moyen de comparaison de la mesure de température au seuil de température d’emballement thermique, un consommateur d’énergie et un interrupteur commandé reliant les cellules électrochimiques au consommateur d’énergie, l’interrupteur étant commandé passant lorsque la mesure du capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans les cellules électrochimiques est consommée par le consommateur d’énergie. Un consommateur d’énergie peut être choisi parmi une résistance, un système de chauffage, un système d’équilibrage de charge, l’énergie consommée étant dissipée sous forme de chaleur par effet Joules. Alternativement, un consommateur d’énergie peut être une ultracapacité, l’énergie consommée étant stockée dans l’ultracapacité. Un consommateur d’énergie peut être disposé au plus près des cellules électrochimiques. Un consommateur d’énergie peut être disposé dans une partie de la batterie distincte de la partie comprenant les cellules électrochimiques. La batterie peut comprendre un habillage extérieur, un consommateur d’énergie étant disposé sur l’extérieur de l’habillage, les cellules électrochimiques étant disposées à l’intérieur de l’habillage. La batterie peut comprendre un habillage extérieur, un consommateur d’énergie étant disposé à distance de l’habillage, les cellules électrochimiques étant disposées à l’intérieur de l’habillage. Le capteur de température peut être configuré pour mesurer la température dans la batterie au voisinage d’un premier groupe de cellules, la batterie comprenant un deuxième capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie au voisinage d’un deuxième groupe de cellules, un deuxième moyen de comparaison de la mesure de température du deuxième capteur au seuil de température, un deuxième consommateur d’énergie et un deuxième interrupteur commandé reliant les cellules au deuxième consommateur d’énergie, le deuxième interrupteur étant commandé passant lorsque la mesure du deuxième capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans le deuxième groupe de cellules électrochimiques est consommée par le deuxième consommateur d’énergie, la commande du deuxième interrupteur étant indépendante de la commande du premier interrupteur de sorte à pourvoir décharger des groupes de cellules en fonction de la localisation de l’emballement thermique dans la batterie. Un autre objet de l’invention est un aéronef muni d’une batterie telle que décrite ci-dessus. L’invention a également pour objet un procédé de commande d’une batterie telle que décrite ci-dessus, dans lequel on détermine la température dans la batterie, on compare la température à un seuil de température d’emballement thermique, et on commande la consommation de l’énergie stockée dans les cellules électrochimiques de la batterie lorsque la mesure de température est supérieure au seuil de température d’emballement thermique de sorte à réduire la réactivité des cellules. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure illustre un premier mode de réalisation d’une batterie selon invention, - la figure illustre un deuxième mode de réalisation d’une batterie selon invention, et - les figures à illustrent la disposition de consommateurs d’énergie dans une batterie selon invention. Description détaillée Les solutions de limitation de la propagation de l’emballement thermique mettant en jeu des barrières physiques (type matériaux résistants aux flammes) ne permettent pas de réduire la réactivité de l’emballement mais juste sa propagation. Or, il est nécessaire, en plus de diminuer la vitesse de propagation de l’emballement thermique, de permettre d’en diminuer la réactivité. Une réduction de la réactivité des cellules permet de réduire non seulement l’ampleur et l’intensité de l’emballement thermique mais également de diminuer les contraintes imposées sur les solutions de confinement physique de l’emballement thermique puisque la violence de la réaction est amoindrie. Ainsi, des gains en masse et volume sont attendus au niveau des barrières de protection à mettre en place. L’état de charge est un facteur de réactivité des cellules lors d’un emballement thermique. En effet, des expériences montrent que la masse de matière perdue est plus faible lorsque les cellules sont déchargées par rapport à la masse perdue lorsque les cellules sont chargées. La batterie selon l’invention utilise des moyens de consommation de l’énergie stockée dans les cellules pour les décharger et réduire leur réactivité vis-à-vis de l’emballement thermique. Une telle réduction de la réactivité a pour avantage de limiter la propagation de l’emballement thermique dans la batterie. Les cellules de la batterie, adjacentes aux cellules objet d’emballement thermique ont ainsi un état de charge faible voire nul et sont moins propices à l’emballement thermique. La propagation de l’emballement thermique est ainsi réduite. Cela se traduit par un procédé de commande au cours duquel on détecte qu’un emballement thermique a lieu dans la batterie à travers une mesure de température. On commande alors un interrupteur commandé afin de fermer le circuit électrique entre les cellules connectées et les consommateurs d’énergie. Pour réaliser cela, la batterie comprend avantageusement un moyen de commande électronique comprenant une mémoire et un moyen de comparaison d’une valeur mémorisée dans la mémoire à une mesure d’un capteur de température. La mémoire comprend une valeur de seuil de température à partir de laquelle la consommation de l’énergie des cellules doit être déclenchée. Tout ou partie des cellules situées autour d’au moins une cellule objet d’un emballement thermique sont ainsi déchargées. C’est notamment le cas, si plusieurs moyens de décharge sont prévus et connectés à différents ensembles de cellules au sein d’une même batterie. La illustre un premier mode de réalisation, dans lequel des cellules 2 d’une batterie 1 sont connectées en parallèle entre elles et à un consommateur d’énergie 3. Un interrupteur commandé 4 permet d’activer la consommation d’énergie des cellules 2 par le consommateur d’énergie 3. On comprendra qu’en faisant circuler un courant entre une ou des cellules à décharger et une résistance, l’état de charge des cellules connectées est réduit par effet Joules. Il en est de même avec un système de chauffage. Comme exemples de consommateurs d’énergie 3, on peut citer des résistances dédiées, un système de chauffage, un système d’équilibrage de charge ou des ultracapacités. Un système d’équilibrage de charge (« load balancing » en langue anglaise) permet de déplacer la charge d’au moins une cellule à décharger vers au moins une autre cellule. Lors d’un emballement thermique, un tel système d’équilibrage de charge peut également être détourné de sa fonction primaire afin de transformer l’énergie consommée en chaleur par effet Joules comme dans le cas d’une résistance ou d’un système de chauffage. La carte électronique d’équilibrage consomme alors l’énergie des cellules à l’aide des composants électroniques qu’elle comprend permettant normalement d’effectuer l’équilibrage des cellules. Une telle commutation est normalement déclenchée par la comparaison de la mesure d’une valeur de tension ou d’état de charge SOC (acronyme anglophone pour « State of Charge ») d’une des cellules de la batterie à une valeur de seuil mémorisée. Lorsque la valeur mesurée est inférieure à la valeur de seuil, un transfert d’énergie entre cellules est réalisé. La commutation de l’énergie des cellules vers les composants électroniques du système d’équilibrage de charge est également déclenchée par la comparaison de la mesure de la température d’au moins une des cellules connectées au système d’équilibrage de charge à une valeur de seuil mémorisée. Lorsque la valeur mesurée est supérieure à un seuil, l’énergie des cellules est déchargée dans les propres composants électroniques du système d’équilibrage de charge afin de la dissiper par effet Joules. Enfin, une ultracapacité permet d’emmagasiner très rapidement une grande quantité d’énergie de sorte que plusieurs cellules peuvent voir leur état de charge significativement réduit en un temps réduit. La illustre un mode de réalisation alternatif dans lequel plusieurs groupes 2a,2b de cellules sont connectés simultanément à un consommateur d’énergie 3. Les groupes de cellules 2a,2b sont alors connectés en série entre eux et au consommateur d’énergie 3, tandis que les cellules 2 sont connectées en parallèle au sein de chaque groupe. Cela permet de créer une zone plus étendue autour de cellules, objet d’un emballement thermique. Les consommateurs d’énergie peuvent être disposés dans la batterie, dans le même environnement que les cellules, comme dans les modes de réalisation illustrés par les figures 1 et 2. Dans d’autres modes de mise en œuvre, le consommateur d’énergie 3 n’est pas disposé au plus proche des cellules Les consommateurs d’énergie peuvent également être disposés dans la batterie mais dans un environnement différent que celui dans lequel les cellules se trouvent. La illustre un tel mode de réalisation, le consommateur d’énergie 3 étant disposé dans une zone 1a distincte de la batterie, isolée par exemple par une cloison interne (non illustrée). Les consommateurs d’énergie peuvent être disposés hors de la batterie, mais au plus proche de celle-ci. La illustre un tel mode de réalisation, le consommateur d’énergie 3 étant disposé immédiatement à l’extérieur de la batterie 1, notamment sur l’habillage. Enfin, les consommateurs d’énergie peuvent être disposés hors de la batterie, à distance. La illustre un tel mode de réalisation, le consommateur d’énergie 3 étant disposé à distance de la batterie 1. Les consommateurs d’énergie disposés de façon interne à la batterie présentent l’avantage de modérer l’augmentation de masse de la batterie du fait de leur ajout, en limitant notamment les connecteurs requis. Selon les consommateurs d’énergie choisis, l’augmentation de masse est davantage modérée du fait de leur présence en dehors de la mise en œuvre de l’invention. De tels modes de réalisation présentent l’avantage de libérer une partie de l’énergie des cellules avant leur emballement thermique en se servant des composants déjà présents dans la batterie. La masse de la batterie n’est par conséquent pas impactée. De tels modes de réalisation présentent par contre l’inconvénient de libérer la chaleur produite par le consommateur d’énergie à l’intérieur de la batterie ce qui pourrait avoir comme effet de propager l’emballement par une voie indirecte, sur des cellules néanmoins déchargées et donc beaucoup moins réactives. Les consommateurs d’énergie peuvent également être disposés de façon externe. Un tel mode de réalisation présente l’avantage de libérer l’énergie des cellules sous forme de chaleur à l’extérieur du boitier au détriment de la masse (du fait de l’ajout des consommateurs d’énergie et des éléments de connections correspondant). La chaleur libérée ne peut alors pas contribuer à la propagation ou à l’initiation de l’emballement thermique. Batterie (1) comprenant des cellules électrochimiques (2), caractérisée par le fait qu’elle comprend un capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie (1), une mémoire comprenant un seuil de température d’emballement thermique, un moyen de comparaison de la mesure de température au seuil de température d’emballement thermique, un consommateur d’énergie (3) et un interrupteur (4) commandé reliant les cellules électrochimiques (2) au consommateur d’énergie (3), l’interrupteur (4) étant commandé passant lorsque la mesure du capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans les cellules électrochimiques (2) est consommée par le consommateur d’énergie (3). Batterie (1) selon la revendication 1, dans laquelle un consommateur d’énergie (3) est choisi parmi une résistance, un système de chauffage, un système d’équilibrage de charge, l’énergie consommée étant dissipée sous forme de chaleur par effet Joules. Batterie (1) selon la revendication 1, dans laquelle un consommateur d’énergie (3) est une ultracapacité, l’énergie consommée étant stockée dans l’ultracapacité. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle un consommateur d’énergie (3) est disposé au plus près des cellules électrochimiques (2). Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle un consommateur d’énergie (3) est disposé dans une partie de la batterie (1) distincte de la partie comprenant les cellules électrochimiques (2). Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la batterie (1) comprend un habillage extérieur, un consommateur d’énergie (3) étant disposé sur l’extérieur de l’habillage, les cellules électrochimiques (2) étant disposées à l’intérieur de l’habillage. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la batterie (1) comprend un habillage extérieur, un consommateur d’énergie (3) étant disposé à distance de l’habillage, les cellules électrochimiques (2) étant disposées à l’intérieur de l’habillage. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur de température est configuré pour mesurer la température dans la batterie (1) au voisinage d’un premier groupe de cellules, la batterie (1) comprenant un deuxième capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie (1) au voisinage d’un deuxième groupe de cellules, un deuxième moyen de comparaison de la mesure de température du deuxième capteur au seuil de température, un deuxième consommateur d’énergie (3) et un deuxième interrupteur (4) commandé reliant les cellules au deuxième consommateur d’énergie (3), le deuxième interrupteur (4) étant commandé passant lorsque la mesure du deuxième capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans le deuxième groupe de cellules électrochimiques (2) est consommée par le deuxième consommateur d’énergie (3), la commande du deuxième interrupteur (4) étant indépendante de la commande du premier interrupteur (4) de sorte à pouvoir décharger des groupes de cellules en fonction de la localisation de l’emballement thermique dans la batterie (1). Aéronef muni d’une batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de commande d’une batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel on détermine la température dans la batterie (1), on compare la température à un seuil de température d’emballement thermique, et on commande la consommation de l’énergie stockée dans les cellules électrochimiques (2) de la batterie (1) lorsque la mesure de température est supérieure au seuil de température d’emballement thermique de sorte à réduire la réactivité des cellules.