Brevet FR3154238A1 — publié le 20250418

Cette batterie (1) de stockage d’énergie électrique comprend au moins un empilement (7) de cellules (6) électriques et un boîtier comportant un socle (3) sur lequel est fixé ledit empilement (7) de cellules de la batterie (1). La batterie (1) comprend au moins deux plaques (8) de compression disposées de part et d’autre de l’empilement, des moyens de fixation (10) des plaques (8) de compression au socle (3), au moins un tirant (12) apte à comprimer les plaques de compression (8) contre les cellules (6) de l’empilement (7), et au moins un dispositif élastique (15) de reprise de jeu de l’empilement dans une direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Figure pour l’abrégé : [Fig 3] Batterie comprenant au moins un empilement de cellules électriques et un dispositif élastique de reprise de jeu associé La présente invention concerne le stockage de l’énergie électrique, en particulier dans le domaine de l’aéronautique. Elle se rapporte de manière générale au stockage de l’énergie électrique, pour des applications dans lesquelles la masse est un enjeu important telles qu’une application en aéronautique. Techniques antérieures Classiquement, dans le domaine de l’aéronautique, le stockage de l’énergie électrique s’effectue au moyen de batteries Lithium-Ion à basse tension, typiquement une tension inférieure à 120V. Le terme batterie signifie un ensemble de modules individuels comprenant chacun des éléments de puissance agencés en série et/ou en parallèle afin d’atteindre la tension électrique et la capacité électrique voulues. Les aéronefs modernes présentent des besoins croissants en énergie électrique, ce qui nécessite de configurer les batteries en conséquence. En effet, le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. Diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible, pour réduire l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avion, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et enfin les biocarburants aéronautiques. Afin de fournir la puissance électrique demandée dans le réseau avion tout en minimisant le poids des équipements électriques, il est intéressant d’élever la tension des batteries, par exemple à 800 V. A l'intérieur des batteries à haute tension, les éléments de puissance ou cellules électriques de la batterie sont généralement regroupés en modules, qui contiennent chacun un certain nombre de cellules, y compris des dispositifs de fixation mécanique, de raccordement électrique et éventuellement de thermorégulation. Afin d’améliorer l’intégration de la batterie en termes de volume et de masse, il est usuel d’empiler les cellules au sein du module batterie le long d’un axe d’empilement. Cependant, en fonction de la chimie des cellules, il est nécessaire de tenir compte d’une possible variation significative de l’épaisseur des cellules selon l’axe d’empilement pendant un cycle de charge et de décharge, sous peine de risquer l’endommagement de la structure des cellules, voire de la structure qui les maintient. Classiquement, la prise en compte de ce risque de variation dimensionnelle passe par des couches de mousse intercalées entre les cellules, le long de l’axe d’empilement, qui autorisent un certain degré de déformation. Ainsi, les couches de mousse suivent le gonflement et le retrait des cellules tout en renvoyant une pression compatible avec la structure des cellules. Cependant, les caractéristiques mécaniques des mousses conduisent parfois à des augmentations de pression importantes qui nécessitent d’augmenter le nombre de couches de mousse, et qui donc affectent négativement le bilan de l’intégration en termes de volume et de masse. De plus, les caractéristiques mécaniques des mousses peuvent varier avec leur vieillissement ce qui peut conduire à des déformations rémanentes des mousses. Le but de l’invention est donc de proposer une batterie de stockage d’énergie électrique, notamment pour un aéronef, dont l’intégration en termes de volume et de masse est améliorée tout en prenant en compte la variation dimensionnelle des cellules électriques lors des cycles de charge et de décharge. En particulier, on cherche une structure de module de batterie qui permette une certaine variation de l’épaisseur des cellules le long de leur axe d’empilement sans risquer un endommagement ou une perte d’intégrité mécanique des cellules. L’invention a pour objet une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant au moins un empilement de cellules électriques et un boîtier comportant un socle sur lequel est fixé l’empilement de la batterie. La batterie comprend au moins deux plaques de compression disposées de part et d’autre dudit empilement, des moyens de fixation desdites plaques de compression au socle, au moins un tirant apte à comprimer les plaques de compression contre les cellules de l’empilement, et au moins un dispositif élastique de reprise de jeu de l’empilement dans une direction de variation dimensionnelle de l’empilement. De préférence, chaque dispositif élastique comprend au moins un ressort comprimé entre une paire de pièces de support sensiblement perpendiculaires à la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Un tel dispositif élastique permet d’absorber toute variation dimensionnelle de l’empilement par une variation de longueur du ressort comprimé. Avantageusement, chaque pièce de support comprend une première face et une deuxième face planes et opposées, la deuxième face étant munie d’un renfort destiné à loger une extrémité du au moins un ressort comprimé. Un tel renfort facilite l’installation et la tenue en place de ressorts sur la deuxième face tout en permettant d’accroître la rigidité des pièces de support. De préférence, au moins un dispositif élastique comprend au moins un ressort ondulé à fil plat. Un tel ressort favorise la compacité du dispositif élastique. Avantageusement, au moins un dispositif élastique comprend au moins un ressort ayant une direction axiale orientée selon la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Par exemple, au moins un dispositif élastique comprend des ressorts concentriques autour de la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Une telle configuration facilite l’obtention de la raideur nécessaire du dispositif élastique. De préférence, les pièces de support sont réalisées dans un matériau isolant électriquement. De telles pièces de support favorisent la sécurité électrique de l’environnement de la batterie notamment par rapport aux courants de fuite. Selon une caractéristique, des pièces de support adjacentes correspondant à des empilements adjacents comprennent chacune un premier crochet et un deuxième crochet, opposés l’un à l’autre et alignés selon une direction transversale, perpendiculaire aux axes longitudinaux des empilements adjacents, les crochets ayant des formes complémentaires de U autorisant un coulissement du premier crochet d’une première pièce de support à travers le deuxième crochet d’une deuxième pièce de support adjacente à la première et permettant le passage de tirants à travers lesdits crochets sans gêner la translation relative des pièces de support adjacentes dans la direction de variation dimensionnelle des empilements. Selon une autre caractéristique, le nombre de tirants est supérieur d’une unité au nombre d’empilements de cellules. Cette configuration permet d’avoir un nombre réduit de tirants et ainsi d’améliorer l’intégration en termes de masse et de volume. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un aéronef comprenant une batterie telle que décrit ci-dessus. 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 : FIG. 1 est une vue schématique en perspective d’une batterie de stockage d’énergie électrique selon un mode de réalisation de l’invention ; FIG. 2 est une vue en perspective de la batterie de la FIG. 1 , dans laquelle la cloche du boîtier a été ôtée ; FIG. 3 est une vue latérale de la batterie de la FIG. 2 ; et FIG. 4 est une vue en perspective d’une pièce de support selon un exemple de l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation d’une batterie de stockage d’énergie électrique conforme à l’invention, désignée par la référence numérique générale 1. La batterie 1 comprend un boîtier 2 comportant un socle 3. De préférence, le boîtier 2 comporte une cloche 4, coiffant le socle 3. Le boîtier 2 est destiné à assurer le montage, la connectique et la protection des éléments de puissance de la batterie 1, visibles sur la FIG. 2 sur laquelle la cloche n’a pas été représentée. Le boîtier 2 est doté de moyens de fixation mécanique de la cloche sur le socle, réalisés par exemple sous la forme de vis, boulons ou tout autre moyen de fixation approprié pour l’utilisation envisagée. Dans le mode de réalisation décrit, la batterie 1 est destinée à être embarquée à bord d’un aéronef, par exemple dans une turbomachine. La batterie 1 sert par exemple à délivrer sélectivement de l’énergie électrique à des fins de propulsion électrique. On notera toutefois que l’invention s’applique également, de manière générale, à d’autres domaines et environnements dans lesquels des problématiques de gestion de masse et d’intégration se posent (automobile, ferroviaire, etc.). Le socle 3 est par ailleurs équipé de plusieurs éléments de fixation 5 qui permettent son installation à bord d’un aéronef. On notera toutefois que le socle 3 peut être constitué, en variante, par un élément structurel de support de l’aéronef prévu pour l’intégration de la batterie. En ce qui concerne la cloche 4, celle-ci couvre l’ensemble des éléments situés à l’intérieur du boîtier 2 et représente une barrière physique qui sépare et protège l’intérieur du boîtier 2 et son environnement extérieur. Dans le cas où la cloche 4 est présente, cette cloche est notamment destinée à diminuer le risque de fuites de gaz. De préférence, un joint d’étanchéité est alors mis en œuvre entre le socle 3 et la cloche 4 pour contenir les gaz. Par ailleurs, dans l’éventualité d’un événement de type emballement thermique de la batterie 1, la cloche 4 assure une fonction de protection de l’environnement extérieur du boîtier 2 en limitant l’impact de cet événement sur l’environnement extérieur du boîtier 2. Les éléments de puissance de la batterie 1 comprennent des cellules électriques 6. Les cellules 6 sont préférentiellement de format à emballage souple, usuellement désignées par le terme anglo-saxon « pouch ». En variante, les cellules électriques peuvent être prismatiques ou encore cylindriques. Les cellules électriques 6 sont groupées en au moins un empilement 7. Autrement dit, les cellules d’un empilement sont disposées les unes à côté des autres le long d’un axe longitudinal X de l’empilement ( FIG. 3 ). De préférence, l’axe longitudinal X de l’empilement est parallèle au socle 3. L’axe longitudinal X est de préférence parallèle à la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. La batterie 1 comprend au moins deux plaques de compression 8 opposées, disposées de part et d’autre des empilements 7 de cellules 6. Les plaques de compression 8 sont ici placées à des positions latérales, aux extrémités de l’au moins un empilement 7. De préférence, on limite le nombre de plaques de compression à deux, soit une par côté, mais il reste possible de prévoir un nombre de plaques 8 plus grand. Les plaques de compression 8 ont une rigidité permettant de respecter des critères de déformation maximale admissible le long de l’axe longitudinal X de l’empilement, sous la pression maximale exercée par les cellules 6. Par exemple, la rigidité des plaques 8 est telle que la déformation maximale est inférieure à 0,1 mm. Afin de respecter les critères de déformation maximale tout en réduisant la masse, les plaques de compression 8 comportent des raidisseurs 8a. Les plaques de compression 8 sont de préférence sensiblement planes et s’étendent orthogonalement à l’axe longitudinal X de l’empilement de cellules. Les plaques de compression 8 sont reliées par leur partie inférieure 9 au socle 3 par des moyens de fixation 10. Dans le présent exemple, les plaques de compression 8 sont reliées l’une à l’autre par leur partie supérieure 11 par au moins un tirant, de préférence par des tirants 12. De préférence, les tirants 12 sont installés selon une direction parallèle aux axes longitudinaux X des empilements 7 et parallèle au socle 3. Avantageusement, le nombre de tirants 12 est réduit par rapport à des solutions utilisées classiquement dans lesquelles les tirants sont présents à la fois en partie inférieure et en partie supérieure des plaques de compression. Les tirants 12 sont ici de préférence uniquement disposés dans la partie supérieure 11 des plaques de compression 8. Ainsi, un unique empilement de cellules pourrait être maintenu par uniquement deux tirants. En variante, un seul tirant 12 pourrait être disposé uniquement dans la partie supérieure 11 des plaques de compression 8 pour diminuer encore plus le nombre de tirants. Il en résulte ici un nombre total de tirants 12 supérieur d’une unité au nombre d’empilements 7. Dans l’exemple illustré sur la FIG. 2 , quatre tirants 12 sont présents pour trois empilements 7, soit un de plus que le nombre d’empilements. Cette réduction du nombre de tirants permet une meilleure intégration en termes de masse et de volume. Le socle 3 est apte à assurer une fonctionnalité de gestion thermique et est associé à cet effet à des moyens de gestion thermique. Les moyens de gestion thermique peuvent notamment comprendre au moins un échangeur de chaleur 13, muni de tuyaux, à l’intérieur desquels circule un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est par exemple un liquide de refroidissement. L’échangeur de chaleur 13 présente par exemple une forme en serpentin. Le socle 3 est avantageusement réalisé en matériau thermiquement conducteur, notamment en matériau métallique. L’échangeur de chaleur 13 est par exemple intégré au socle 3, ce qui optimise le chemin thermique entre les cellules et le fluide, en réduisant les résistances thermiques liées aux passages entre composants. Alternativement, l’échangeur de chaleur peut être installé en relation d’échange thermique avec le socle 3, de préférence avec une face externe du socle 3, c’est-à-dire avec la face opposée à une face interne qui accueille les cellules 6. L’échangeur thermique 13 est alors par exemple collé contre une face du socle 3. Le socle 3 est en relation d’échange thermique avec les cellules électriques 6 et peut en conséquence amener et maintenir les cellules 6 à des températures de fonctionnement optimales. La batterie 1 comprend de préférence au moins une paroi intermédiaire 14 fixée au socle 3, orientée parallèlement aux cellules électriques 6 et disposée à l’intérieur de chaque empilement 7. La FIG. 1 illustre une unique paroi intermédiaire 14 disposée dans une zone centrale du socle 3, correspondant approximativement au milieu du socle 3. En variante, il reste possible de prévoir plusieurs parois intermédiaires, disposées à des intervalles réguliers de chaque empilement. De préférence, les parois intermédiaires 14 s’étendent sur la majeure partie de la largeur du socle 3. La présence de parois intermédiaires 14 participe à rigidifier les empilements 7 et a pour effet de limiter les déformations dans une direction normale au socle 3. La présence de parois intermédiaires 14 participe à la bonne tenue aux vibrations de la batterie 1. Cependant, il reste également possible de ne prévoir aucune paroi intermédiaire 14. La batterie 1 comprend au moins un dispositif élastique 15 ( FIG. 3 ) de reprise de jeu d’un empilement 7 dans une direction de variation dimensionnelle de l’empilement lors du chargement ou du déchargement électrique des cellules 6 de l’empilement 7. De préférence, au moins un dispositif élastique 15 est associé à chaque empilement 7 pour garantir un support élastique pour chaque empilement 7 dans la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Généralement, la direction de variation dimensionnelle d’un empilement est dans le sens de l’épaisseur des cellules 6 qui forment l’empilement, c’est-à-dire parallèle à l’axe longitudinal X. Ainsi, chaque dispositif élastique 15 supporte élastiquement l’empilement 7 auquel il est associé. Autrement dit, chaque dispositif élastique 15 se déforme élastiquement et fournit une force de compression élastique à un empilement associé, la force de compression s’exerçant de préférence sur toute l’amplitude de variation dimensionnelle de l’empilement. Etant dans un domaine élastique, aucune déformation rémanente du dispositif élastique n’est formée. Les mêmes références correspondent aux mêmes éléments d’une figure à l’autre. Sur l’exemple illustré sur la FIG. 3 , la batterie 1 comprend deux dispositifs de support élastique 15 disposés à l’intérieur de l’empilement 7. Il reste possible d’ajuster la position et le nombre des dispositifs 15, sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, lorsque la batterie 1 ne comprend pas de paroi intermédiaire 14, le dispositif 15 peut être prévu dans une zone centrale du socle 3, correspondant approximativement au milieu du socle 3. Il est à noter qu’une position médiane du dispositif 15 au sein d’un segment d’un empilement 7 dont les extrémités sont maintenues fixes présente l’avantage de minimiser les déplacements maximaux des composants internes de la batterie 1 induits par le chargement et le déchargement électrique des cellules 6. La valeur maximale des déplacements induits peut également être réduite en répartissant plusieurs dispositifs 15 associés à tout segment d’un empilement 7 dont les extrémités sont maintenues fixes. Dans un mode de réalisation non représenté, il est également possible d’ajouter des couches en mousse entre les cellules 6 d’un empilement 7. Ces couches de mousse assurent une fonction d’isolation thermique et présentent une élasticité apte à compenser les variations dimensionnelles des cellules 6 lors de leur fonctionnement, tout en renvoyant une pression compatible avec les limites admissibles des cellules 6. Le dispositif élastique 15 comprend au moins un ressort comprimé 16 entre une paire de pièces de support 17 sensiblement perpendiculaires à la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Les pièces de support 17 sont suffisamment rigides pour répartir la force de compression du ressort en une pression uniforme agissant sur les cellules de l’empilement. Les pièces de support peuvent être munies de renforts de manière à augmenter leur rigidité tout en optimisant leur masse. Tel qu’illustré sur la FIG. 4 , chaque pièce de support 17 comprend une première face 18 et une deuxième face 19 planes et opposées. La deuxième face 19 est munie d’un renfort 20 destiné à loger une extrémité du au moins un ressort comprimé 16. De préférence, les pièces de support 17 sont réalisées dans un matériau isolant électriquement. De préférence, le dispositif élastique 15 comprend au moins un ressort ondulé à fil plat, de manière à optimiser les dimensions du dispositif 15. En variante, d’autres systèmes de ressort peuvent être utilisés. Par exemple, il est possible d’utiliser un empilement de rondelles, tel qu’un empilement de rondelles Belleville. Bien entendu, il reste possible d’utiliser uniquement des ressorts hélicoïdaux à fil rond. De préférence, les ressorts 16 ont une direction axiale orientée selon la direction de variation dimensionnelle des empilements associés, de manière à optimiser la force d’appui. Dans un exemple non illustré, il est possible d’utiliser une pluralité de ressorts 16 concentriques autour de la direction de variation dimensionnelle de l’empilement de cellules, au sein d’un même dispositif élastique 15, par exemple deux ressorts concentriques, afin de faciliter l’obtention de la raideur nécessaire. En référence à la FIG. 3 , chaque cellule 6 comprend une première surface S1 externe et une deuxième surface S2 externe opposée à la première surface. Dans le mode de réalisation illustré sur la FIG. 3 , la première surface S1 externe de chaque cellule 6 est en contact avec un drain thermique 23. En variante, il reste possible que seules certaines cellules 6 d’un empilement donné soient en contact avec un drain thermique, voire que les cellules 6 ne soient en contact avec aucun drain. Le drain thermique 23 comprend de préférence au moins une couche de graphite et au moins une couche de colle. La couche de graphite du drain thermique 23 est placée en contact avec la surface S1 externe de la cellule 6 associée afin de maximiser la capacité de transfert thermique entre le drain et la cellule associée. Dans un mode de réalisation particulier, le drain thermique 23 comprend une couche métallique, par exemple constituée par de l’aluminium ou par du cuivre, associée à une couche de colle et une couche de graphite. Chaque drain thermique 23 comprend de préférence une partie principale 23a et un partie terminale 23b. La partie principale 23a est orientée selon une direction perpendiculaire à un axe longitudinal X de l’empilement qui est normal aux surfaces S1, S2 des cellules 6. Autrement dit, les parties principales 23a des drains thermiques 23 sont parallèles aux surfaces S1, S2. La partie principale 23a est en contact avec la surface S1 de la cellule 6 associée et la partie terminale 23b est pliée sous la cellule 6 associée de manière à constituer une surface de contact 23c du drain 23 avec le socle 3. Les moyens de fixation 10 des plaques de compression 8 comprennent de préférence des premiers éléments de fixation 24 et des deuxièmes éléments de fixation 25. Les premiers éléments de fixation 24 sont fixés sur le socle 3. Ils sont destinés à traverser des trous ménagés sur une embase 26 de chaque plaque de compression 8 et coopèrent avec les deuxièmes éléments de fixation 25 pour fixer les plaques de compression 8 au socle 3. Les premiers éléments de fixation 24 peuvent notamment être des goujons, des tiges filetées ou des boulons. Les deuxièmes éléments de fixation 25 peuvent être des écrous. Batterie (1) de stockage d’énergie électrique comprenant au moins un empilement (7) de cellules (6) électriques et un boîtier (2) comportant un socle (3) sur lequel est fixé ledit empilement (7) de la batterie (1), la batterie étant caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux plaques (8) de compression disposées de part et d’autre dudit empilement, des moyens de fixation (10) desdites plaques (8) de compression au socle (3), au moins un tirant (12) apte à comprimer les plaques de compression (8) contre les cellules (6) dudit empilement (7), et au moins un dispositif élastique (15) de reprise de jeu de l’empilement dans une direction de variation dimensionnelle dudit empilement. Batterie selon la revendication 1, dans laquelle chaque dispositif élastique (15) comprend au moins un ressort comprimé (16) entre une paire de pièces de support (17) sensiblement perpendiculaires à ladite direction de variation dimensionnelle dudit empilement. Batterie selon la revendication 2, dans laquelle chaque pièce de support (17) comprend une première face (18) et une deuxième face (19) planes et opposées, la deuxième face (19) étant munie d’un renfort (20) destiné à loger une extrémité du au moins un ressort comprimé (16). Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle au moins un dispositif élastique (15) comprend au moins un ressort ondulé à fil plat. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins un dispositif élastique (15) comprend au moins un ressort (16) ayant une direction axiale orientée selon ladite direction de variation dimensionnelle dudit empilement. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle au moins un dispositif élastique (15) comprend des ressorts (16) concentriques autour de la direction de variation dimensionnelle de l’empilement. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 6, dans laquelle les pièces de support (17) sont réalisées dans un matériau isolant électriquement. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes 2 à 7, dans laquelle des pièces de support (17) adjacentes correspondant à des empilements (7) adjacents comprennent chacune un premier crochet (21) et un deuxième crochet (22), opposés l’un à l’autre et alignés selon une direction transversale, perpendiculaire aux axes longitudinaux (X) des empilements (7) adjacents, lesdits crochets (21, 22) ayant des formes complémentaires de U autorisant un coulissement du premier crochet (21) d’une première pièce de support à travers le deuxième crochet (22) d’une deuxième pièce de support adjacente à la première et permettant le passage de tirants (12) à travers lesdits crochets (21, 22) sans gêner la translation relative des pièces de support adjacentes dans la direction de variation dimensionnelle desdits empilements. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 8, dans laquelle le nombre de tirants (12) est supérieur d’une unité au nombre d’empilements (7) de cellules. Aéronef comprenant une batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.