Brevet FR3160061A1 — publié le 20250912

La présente invention concerne un dispositif (1) de stockage électrique comprenant deux cellules électrochimiques (3) de stockage électrique adjacentes, une plaque de refroidissement (5) des deux cellules électrochimiques (3), un circuit de refroidissement (6) des cellules électrochimiques par un liquide diélectrique (7), les cellules électrochimiques (3) et la plaque de refroidissement (5) étant partiellement immergées dans ce liquide diélectrique (7), caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) comporte un caloduc (9) comprenant un fluide de travail, une partie dite condenseur (9a) disposée dans la partie immergée des cellules électrochimiques (3) et une partie dite évaporateur (9b) disposée dans la partie émergée des cellules électrochimiques (3). Figure 1 DISPOSITIF DE STOCKAGE ELECTRIQUE COMPORTANT UNE PLAQUE DE REFROIDISSEMENT EQUIPEE D’UN CALODUC La présente invention concerne le refroidissement des cellules d’un dispositif de stockage électrique. Plus particulièrement, l’invention a pour objet un dispositif de stockage électrique comportant une plaque de refroidissement équipée d’un caloduc. Les véhicules, qu'ils soient totalement électriques ou combinant l'utilisation d'un moteur thermique et d'un moteur électrique, sont équipés de dispositifs de stockage électrique, comportant généralement plusieurs modules électriques. Ces modules électriques comprennent une pluralité de cellules électriques connectées entre elles. Ces modules électriques supportent mal de fonctionner en dehors d'une plage de température déterminée. Ainsi, il convient de les maintenir dans une plage de température donnée. Par exemple, le fonctionnement des batteries lithium-ion est optimal entre 0°C et 50°C. Une gestion thermique efficace est nécessaire afin de garantir le maintien des cellules dans cette plage de température quelles que soient les conditions atmosphériques et d’utilisation. Le cas d’usage le plus critique, celui qui dimensionne la capacité de refroidissement, est rencontré lors des évènements d’emballement thermique ou de recharge ultra rapide. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique nécessitant un besoin de refroidissement plus important. On connait encore du document JP5994345B2 un dispositif de contrôle de la température d’une batterie avec une plaque creuse de séparation disposée entre deux cellules électriques, cette plaque comprenant dans le volume creux un circuit de refroidissement. Cependant cette solution est complexe et coûteuse à mettre en œuvre. Pour le refroidissement des batteries il est connu par exemple du document FR3085547 d’immerger totalement les cellules électriques dans un fluide non conducteur autrement désigné fluide diélectrique. Cependant l’immersion totale des cellules électriques requiert une quantité importante de fluide diélectrique, ce qui pénalise le poids du système et son coût. Il est encore connu du document FR3125635 un dispositif de stockage à cellules électrochimiques partiellement immergées comprenant une tranche de séparation avec une conduite d’amenée du liquide diélectrique débouchant au niveau de la partie émergée des cellules électrochimiques. Cependant une telle solution peut s’avérer insuffisante pour refroidir la partie émergée des cellules électrochimiques. L’invention vise à résoudre les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système pour améliorer le refroidissement de la batterie. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un dispositif de stockage électrique comprenant : -deux cellules électrochimiques de stockage électrique adjacentes, -une plaque de refroidissement des deux cellules électrochimiques (3), - un circuit de refroidissement des cellules électrochimiques par un liquide diélectrique, -les cellules électrochimiques et la plaque de refroidissement étant partiellement immergées dans ce liquide diélectrique, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement comporte un caloduc comprenant un fluide de travail, une partie dite condenseur disposée dans la partie immergée des cellules électrochimiques et une partie dite évaporateur disposée dans la partie émergée des cellules électrochimiques. L’effet technique est de permettre une gestion efficace du refroidissement des cellules électrochimique, avec un agencement compact. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : Dans un mode de réalisation, le caloduc est un caloduc de type oscillant ou un caloduc capillaire. Dans un mode de réalisation, les cellules électrochimiques sont reliées électriquement entre elles au moyen de connecteurs électriques, la plaque de refroidissement comportant une partie supplémentaire dans laquelle s’étend le caloduc, cette partie supplémentaire recouvrant une partie de la cellule électrochimique où est placé la connexion électrique. Dans un mode de réalisation, la plaque de refroidissement comporte un premier dispositif d’échappement agencé pour libérer une partie du fluide de travail hors du caloduc lorsque ce fluide de travail atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée. Dans un mode de réalisation, le premier dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression. Dans un mode de réalisation, le caloduc comporte un premier port de remplissage en fluide travail, ce premier port de remplissage étant muni du premier dispositif d’échappement. Dans un mode de réalisation, la plaque de refroidissement comporte une réserve d’un gaz inerte et un deuxième dispositif d’échappement agencé pour libérer une partie du gaz inerte lorsque ce gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée. Dans un mode de réalisation, le deuxième dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression. Dans un mode de réalisation, la plaque de refroidissement comporte un deuxième port de remplissage de la réserve d’un gaz inerte, ledit deuxième port de remplissage étant muni du deuxième dispositif d’échappement. Dans un mode de réalisation, la plaque de refroidissement est prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : FIG. 1 : cette figure représente illustre de façon schématique un dispositif de stockage électrique conforme à l’invention. FIG. 2 : cette figure représente de façon schématique, un exemple de plaque de refroidissement conforme à l’invention. FIG. 3 : cette figure représente de façon schématique, un exemple de fabrication d’une plaque de refroidissement telle qu’illustrée à la FIG. 2 . FIG. 4 : cette figure représente de façon schématique, un détail d’un autre exemple de réalisation dispositif de stockage électrique conforme à l’invention. La FIG. 1 illustre de façon schématique un dispositif de stockage électrique 1. Ce dispositif de stockage électrique 1 peut équiper un véhicule automobile comprenant un moteur électrique pour sa traction. On comprendra par dispositif de stockage électrique 1, dans la suite de cette description, un ensemble comprenant au moins un module de batterie 2, chaque module de batterie 2 contenant des cellules électrochimiques 3, six dans l’exemple illustré. Lorsqu’il y a plusieurs modules, ils sont regroupés dans un bac ou carter 4 et forment alors un bloc batteries, ce bloc batteries étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries ». Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique 3, une cellule de stockage d’énergie électrique. Cette cellule électrochimique 3 est agencée pour générer du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni- Cd ou encore plomb. Les cellules électrochimiques 3 sont reliées électriquement entre elles au moyen de connecteurs électriques 3a. Le dispositif de stockage électrique 1 comporte plusieurs plaques de refroidissement 5. Les plaques de refroidissement 5 possèdent comme fonction de refroidir les cellules électrochimiques 3 afin de prévenir un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. De préférence, chaque plaque de refroidissement 5 est prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques 3 adjacentes, autrement dit les deux cellules électrochimiques 3 adjacentes sont en contact thermique avec une plaque de refroidissement 5. Cela permet de maintenir les cellules électrochimiques 3 sous contraintes afin d’éviter leur gonflement et homogénéiser la température dans les cellules électrochimiques 3. Cette configuration en sandwich est particulièrement adaptée pour les cellules électrochimiques dites prismatiques rectangulaires ou les cellules électrochimiques plates et flexibles en forme de poche (encore désignée « pouch » en anglais), la plaque de refroidissement étant intercalées entre deux cellules. Le dispositif de stockage électrique 1 comprend encore un circuit de refroidissement 6 des cellules électrochimiques 3 des modules de batterie 2 par un liquide de refroidissement diélectrique 7, c’est-à-dire un liquide qui n’est pas conducteur d’électricité. Un tel liquide est déjà utilisé comme isolant électrique dans les applications haute tension, par exemple, transformateurs, condensateurs. Le circuit de refroidissement 6 comprend une pompe 6a de circulation du liquide diélectrique 7 reliée par exemple au moyen d’une conduite à une entrée 4a de liquide diélectrique dans le carter 4 de batterie. Le carter 4 comprend également une sortie 4b de liquide diélectrique 7 reliée au moyen par exemple d’une conduite à une entrée de liquide diélectrique 7 d’un échangeur de chaleur 6b. L’échangeur de chaleur 4b comprend une sortie de liquide diélectrique 7 reliée par exemple au moyen d’une conduite à la pompe 6a de circulation. La pompe 6a est avantageusement à débit ou à pression variable pilotable en fonction des besoins en refroidissement. A cet effet, le dispositif comprend des moyens 8 de commande de la pompe 6a. Chaque plaque de refroidissement 5 comporte un caloduc 9. Le caloduc est un dispositif qui utilise un liquide en équilibre avec sa phase vapeur, que nous désignerons encore par fluide de travail, pour le transfert thermique. Ces systèmes diphasiques de type caloducs ont la particularité de dissiper la chaleur d'une source chaude vers une source froide par évaporation et circulation du fluide de travail dans un circuit fermé mû sans énergie mécanique extérieure. Les cellules électrochimiques 3 ainsi que la plaque de refroidissement 5 et son caloduc 9 sont partiellement immergées dans le liquide diélectrique 7. Le caloduc 9 est disposé dans la plaque de refroidissement 5 de sorte à présenter sa partie dite condenseur 9a dans la partie immergée de la plaque de refroidissement 5 et des cellules électrochimiques 3 et sa partie dite évaporateur 9b dans la partie émergée de la plaque de refroidissement 5 et des cellules électrochimiques 3. La source froide du caloduc 9 est assurée par le fluide diélectrique qui joue le rôle de refroidir partiellement la cellule et aussi la zone de condensation du caloduc 9. Dans un mode de réalisation avantageux, le caloduc 9 peut être un caloduc de type oscillant (encore désigné Pulsating Heat Pipe, PHP en anglais). Ce type de caloduc à la particularité de se présenter sous forme d'un serpentin de dimension capillaire. Ce dernier est partiellement rempli avec le fluide de qui se répartit en poches de vapeur et en bouchons liquides. La différence de pression entre deux poches de vapeur donne la force motrice pour le déplacement du fluide. L’épaisseur d’une plaque de refroidissement avec caloduc permet une épaisseur réduite inférieure aux épaisseurs des isolants thermique (exemple isolant Aérogels) standards utilisés entre les cellules électrochimiques. Le caloduc 9 peut également être un caloduc capillaire. En effet, avec un réseau capillaire adapté, le caloduc 9 peut fonctionner hors gravité et notamment avec la partie évaporateur 9b au-dessus de la partie condenseur 9a, la circulation du fluide de travail étant basée sur l'action des forces capillaires. La FIG. 2 illustre en vue de face un exemple de plaque de refroidissement 5 avec un caloduc 9 de type oscillant présentant un serpentin capillaire 9c. La plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un premier port de remplissage 9d du caloduc 9. On entend par partie supérieure la partie destinée à être dans la partie émergée de la plaque de refroidissement et des cellules électrochimiques. La plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un premier dispositif d’échappement 9e agencé pour libérer une partie du fluide de travail hors du caloduc 9 lorsque ce fluide de travail atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée. Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le premier dispositif d’échappement 9d débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3. Un tel premier dispositif d’échappement 9d peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique. Dans un exemple de réalisation non limitatif, le premier seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C. Lorsque le fluide de travail s’échappe du caloduc 9, ce fluide se vaporise sur la cellule électrochimique 3 adjacente de sorte à favoriser son refroidissement. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le premier dispositif d’échappement 9e est intégré au premier port de remplissage 9d. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le premier port de remplissage 9d et le premier dispositif d’échappement 9d peuvent être séparés l’un de l’autre. Dans cet exemple de réalisation illustré à la FIG. 2 , la plaque de refroidissement 5 comporte également une réserve d’un gaz inerte 10. De façon non limitative, le gaz inerte contenu peut être du dioxyde de carbone ou de l’azote. La plaque de refroidissement 5 comporte en outre, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième port de remplissage 10a de la réserve de gaz inerte 10. En outre, la plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième dispositif d’échappement 10b agencé pour libérer une partie du gaz inerte lorsque ce gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée. Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le deuxième dispositif d’échappement 10b débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3. Un tel deuxième dispositif d’échappement 10b peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique. Dans un exemple de réalisation non limitatif, le deuxième seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C. Lorsque le gaz inerte s’échappe de sa réserve 10, il est vaporisé sur la cellule électrochimique 3 adjacente de sorte à empêcher un emballement thermique de cette cellule électrochimique 3 et la propagation de l’emballement thermique aux autres cellules électrochimiques. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le deuxième dispositif d’échappement 10b est intégré au deuxième port de remplissage 10a. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le deuxième port de remplissage 10a et le deuxième dispositif d’échappement 10b peuvent être séparés l’un de l’autre. Ainsi, dans le caloduc 9, un premier port de remplissage 9d est fermé par un premier fusible thermique 9e qui permet de laisser le fluide de travail s’échapper lors d’un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. Cet échappement particulier permet de sécuriser le dispositif de stockage électrique 1 en abaissant la température des cellules électrochimiques 3. Ainsi, ces plaques de refroidissement 5 avec caloduc 9 intercalées entre les cellules électrochimiques 3 permettent une meilleure gestion de la thermique du dispositif de stockage électrique 1 en extrayant efficacement la chaleur des cellules électrochimiques 3 en fonctionnement normal et en défaut de fonctionnement lors d’un emballement thermique. Il convient en outre de noter que les plaques de refroidissement 5 sont posées sur un support de refroidissement 12. Dans un exemple de réalisation non limitatif, ce support de refroidissement 12 peut être formé par le fond du dispositif de stockage électrique 1 et être traversé par un conduit 13 permettant le passage du fluide diélectrique 7 ( FIG. 1 ). Par ailleurs, afin de compenser un éventuel gonflement des cellules électrochimiques 3 se produisant lors de la charge et décharge de celles-ci, chaque plaque de refroidissement 5 présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm, typiquement 2mm. Les plaques de refroidissement 5 permettent également d’assurer une précontrainte en compression de l’ensemble des cellules électrochimiques 3. Les plaques de refroidissement 5 peuvent être réalisé dans un matériau métallique ou plastique. Comme illustré en FIG. 3 , dans le cas d’un matériau métallique, le serpentin 9c du caloduc 9 peut être usiné dans une première paroi 5a et une deuxième paroi 5b peut être soudée à la première paroi 5a. Dans ce cas, la deuxième paroi 5b forme une partie de la paroi du serpentin 9c. Il convient de noter que le premier dispositif d’échappement 9e et le deuxième dispositif d’échappement 10b sont formés par un fusible thermique. Dans un mode de réalisation différent, le premier dispositif d’échappement 9e et le deuxième dispositif d’échappement 10b sont formés par une soupape de surpression qui réagit en fonction d’une surpression pour laisser passer le fluide de travail ou le gaz inerte. Dans un mode de réalisation encore différent, le premier dispositif d’échappement 9e est formé par un fusible thermique et le deuxième dispositif d’échappement 110b est formé par une soupape de surpression ou inversement. La FIG. 4 présente un détail d’un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère des précédents exemples de réalisation en ce que la plaque de refroidissement 5 présente une partie supplémentaire 5c dans laquelle s’étend le caloduc 9 et qui recouvre la cellule électrochimique 3 où est placé la connexion électrique 3a. Dans cet agencement, le caloduc 9 est à proximité de la connexion électrique 3a, ce qui permet de refroidir cette partie de la cellule électrochimique 3 qui est sollicité notamment lors des phases de charge et décharge Ce mode de réalisation améliore la gestion du refroidissement de la partie haute de la cellule électrochimique 3 et de sa connexion électrique 3a. Comme pour le précédent mode de réalisation, cette plaque de refroidissement 5 est munie du premier fusible 9e pour libérer le fluide de travail du caloduc 9 et du second fusible (non visible sur la FIG. 4 ) pour libérer un gaz inerte stocké dans une réserve (non visible sur la FIG. 4 ) au sein de la plaque de refroidissement 5 support du caloduc afin d’éviter une combustion. L’invention a pour avantage de permettre un refroidissement efficace des cellules électrochimiques via les plaques de refroidissement équipée de caloduc avec une très bonne distribution de température dans la batterie. La présence de la plaque de refroidissement entre les cellules permet de comprimer celles-ci et de les protéger contre le gonflement de celles-ci et ainsi prolonger la durée de vie des cellules. L’invention permet encore une protection contre l’emballement thermique et sa propagation grâce aux plaques de refroidissement contenant les caloducs et un gaz inerte. En plus de la gestion thermique, la sécurité est ainsi améliorée. Avec un refroidissement immersif partiel, la quantité de fluide diélectrique est diminuée par rapport à une immersion totale des cellules. La première conséquence est une diminution des coûts liés au fluide mais surtout une diminution de la consommation énergétique de la pompe. En effet le fluide ne circule que dans la partie basse (source froide), réduisant donc drastiquement les pertes de charge et proposant un refroidissement homogène pendant toutes les situations de vie de la batterie et tous les climats pour assurer une durabilité de la batterie. Dispositif (1) de stockage électrique comprenant : -deux cellules électrochimiques (3) de stockage électrique adjacentes, -une plaque de refroidissement (5) des deux cellules électrochimiques (3), - un circuit de refroidissement (6) des cellules électrochimiques par un liquide diélectrique (7), -les cellules électrochimiques (3) et la plaque de refroidissement (5) étant partiellement immergées dans ce liquide diélectrique (7), caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) comporte un caloduc (9) comprenant un fluide de travail, une partie dite condenseur (9a) disposée dans la partie immergée des cellules électrochimiques (3) et une partie dite évaporateur (9b) disposée dans la partie émergée des cellules électrochimiques (3). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le caloduc (9) est un caloduc de type oscillant ou un caloduc capillaire. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les cellules électrochimiques (3) sont reliées électriquement entre elles au moyen de connecteurs électriques (3a), la plaque de refroidissement (5) comportant une partie supplémentaire (5c) dans laquelle s’étend le caloduc (9), cette partie supplémentaire (5c) recouvrant une partie de la cellule électrochimique (3) où est placé la connexion électrique (3a). Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) comporte un premier dispositif d’échappement (9e) agencé pour libérer une partie du fluide de travail hors du caloduc (9) lorsque ce fluide de travail atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier dispositif d’échappement (9e) est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le caloduc (9) comporte un premier port de remplissage (9d) en fluide travail, ce premier port de remplissage (9d) étant muni du premier dispositif d’échappement (9e). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) comporte une réserve (10) d’un gaz inerte et un deuxième dispositif d’échappement (10b) agencé pour libérer une partie du gaz inerte lorsque ce gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième dispositif d’échappement (10b) est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) comporte un deuxième port de remplissage (10a) de la réserve (10) d’un gaz inerte, ledit deuxième port de remplissage (10a) étant muni du deuxième dispositif d’échappement (10b). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) est prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques (3).