Brevet FR3153188A1 — publié le 20250321

Ce boîtier pour batterie de stockage d’énergie électrique comporte un plateau (2) configuré pour que viennent s’y fixer des éléments de puissance (3) de la batterie, une cloche (5) coiffant le plateau (2), et des moyens de fixation mécanique de la cloche (5) sur le plateau (2), le plateau (2) comprenant des moyens de raccordement électrique de la batterie et des moyens de contrôle thermique (6) des éléments de puissance (3). Le plateau et la cloche constituent une structure de confinement de tout emballement thermique des éléments de puissance (3), ledit boîtier comprenant un système de gestion de la batterie (16) dont au moins une partie (16a) est montée à l’extérieur de la structure de confinement. Figure pour l’abrégé : [Fig 2] Boîtier pour batterie muni d’un système de gestion de la batterie La présente invention se rapporte au domaine du stockage de l’énergie électrique, en particulier dans le domaine de l’aéronautique. Plus précisément, l’invention se rapporte aux systèmes de suivi des conditions de fonctionnement et de la gestion des batteries, pour des applications dans lesquelles la réduction de la masse et de l’encombrement sont un enjeu important telles qu’une application 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 packs individuels comprenant chacun des modules constitués d’éléments de puissance et configurés en combinaison 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 tout en minimisant le poids des équipements électriques, il est intéressant d’élever la tension des batteries, par exemple à 800 V. Classiquement, les batteries sont disposées à l’intérieur d’un boîtier composé d’un bac recouvert par un capot. Le bac permet de maintenir en position les batteries installées et assure également la rigidité structurelle du bac. Une rigidité suffisante peut être obtenue en imposant une épaisseur minimale à la paroi du bac, mais cela s’accompagne d’une augmentation importante de la masse du boîtier. Dans une conception améliorée, l’épaisseur minimale du boîtier peut être réduite à l’aide de renforts localisés. Ces solutions s’accompagnent d’une augmentation de la masse du boîtier, que ce soit en augmentant l’épaisseur minimale du bac, ou en prévoyant des renforts. Par ailleurs, le capot permet de fermer le bac de manière étanche et intègre les connectiques de puissance électrique et de communication avec des systèmes de gestion du système électrique à des fins de diagnostic, de contrôle et/ou de régulation. L’intégration des connectiques de puissance et de communication peut s’accompagner d’une augmentation du risque de fuites de gaz en cas d’emballement thermique, ainsi que d’un affaiblissement de la résistance de la structure. En fonction des technologies, les batteries peuvent nécessiter un système de refroidissement pour assurer les performances, la durée de vie ainsi que la sécurité. En particulier, les batteries Lithium-Ion disposant d’une forte densité d’énergie par rapport à la masse nécessitent un suivi important de leurs conditions de fonctionnement, comme la tension ou la température, et un système de refroidissement pour les maintenir dans une plage de température réduite. Au-delà d'un seuil de température dit « d'emballement thermique », il peut y avoir amorçage de réactions chimiques internes exothermiques. Lorsque l'accumulateur n'est plus capable d'évacuer suffisamment de chaleur, la température de la cellule augmente jusqu'à sa destruction. Autrement dit, un emballement thermique se produit dans une batterie lorsque l'énergie dégagée par les réactions exothermiques qui surviennent à l'intérieur de celle-ci excède la capacité à dissiper cette énergie à l'extérieur de la batterie. Cet emballement peut être suivi d'une génération de gaz et d'explosion et/ou feu, qui risque de propager la réaction aux autres cellules électrochimiques de la batterie. Pour contenir le phénomène d’emballement thermique, les batteries d’aéronefs sont généralement enfermées dans une structure de confinement dédiée. Il est ainsi nécessaire de refroidir les batteries au travers de la structure de confinement mise en place. Classiquement, ce refroidissement est réalisé par un circuit de fluide monophasique de refroidissement installé à proximité des cellules et/ou par une ou plusieurs plaques froides installées dans la structure de confinement au moyen de connecteurs étanches. Cependant, la mise en place d’une zone froide à l’intérieur de la structure de confinement de la batterie présente plusieurs inconvénients. Ainsi, le taux d’intégration constitué par le rapport entre la masse totale de l’équipement et la masse des éléments de puissance électrique de l’équipement est diminué. Le risque de court-circuit de la batterie augmente à cause de la condensation qui peut avoir lieu. Par ailleurs, en cas d’emballement thermique, la proximité entre le circuit de refroidissement et les cellules de la batterie peut faire augmenter le risque d’endommagement du système de refroidissement, voire aggraver la réaction d’emballement thermique par une interaction explosive du fluide de refroidissement (eau) avec les composants chimiques (tel que le lithium) des cellules électriques. Le document FR 3 131 454 – A1 au nom de la Demanderesse divulgue un boîtier électrique pour batterie, dans lequel les moyens de contrôle thermique des éléments de puissance sont déportés à l’extérieur de la structure de confinement. Cependant, ce document ne traite pas des systèmes de gestion des batteries, aussi connus par l’acronyme BMS pour « Battery Management System » en anglais. Classiquement, un tel système de gestion est placé soit à l’intérieur de la structure de confinement, soit à l’extérieur de celle-ci dans un boîtier spécifique. Lorsque le BMS se trouve à l’intérieur de la structure de confinement, il n’est pas protégé contre l’emballement thermique. De plus, une telle configuration n’améliore pas le taux d’intégration des batteries. Lorsque le BMS se trouve à l’extérieur de la structure de confinement, il est disposé dans un boîtier supplémentaire qui lui est propre et qui ne bénéficie pas d’un refroidissement actif. Une telle configuration n’est pas optimale dans le bilan global de masse, compte tenu du poids supplémentaire apporté par le boîtier du BMS. L’invention a pour but de proposer un boîtier pour batterie intégrant un système de gestion de la batterie (ou BMS) qui améliore le bilan global de masse et qui bénéficie d’un refroidissement actif ainsi que d’une protection contre un éventuel emballement thermique. L’invention a pour objet un boîtier pour batterie de stockage d’énergie électrique, comportant un plateau configuré pour que viennent s’y fixer des éléments de puissance de la batterie, une cloche coiffant le plateau, et des moyens de fixation mécanique de la cloche sur le plateau, le plateau comprenant des moyens de raccordement électrique de la batterie et des moyens de contrôle thermique des éléments de puissance. Le plateau et la cloche constituent une structure de confinement de tout emballement thermique des éléments de puissance, le boîtier comprenant un système de gestion de la batterie dont au moins une partie est montée à l’extérieur de la structure de confinement. Un tel boîtier permet de garantir la protection d’au moins une partie du système de gestion de la batterie contre l’emballement thermique des éléments de puissance. De plus, une telle configuration améliore le taux d’intégration des batteries et le bilan global de masse. De préférence, la partie du système de gestion de la batterie montée à l’extérieur de la structure de confinement est en relation d’échange thermique avec les moyens de contrôle thermique des éléments de puissance. Un tel boîtier permet de mutualiser les moyens de contrôle thermique. Avantageusement, la relation d’échange thermique entre la partie du système de gestion et les moyens de contrôle thermique est réalisée à travers une couche de matériau conducteur thermiquement et isolant électriquement. La couche de matériau permet d’optimiser la relation d’échange thermique en garantissant une surface de contact maîtrisée et vise à réduire les risques de fuites de courant. Selon une caractéristique optionnelle, la partie du système de gestion montée en relation d’échange thermique avec les moyens de contrôle thermique à l’extérieur de la structure de confinement est fixée au plateau par des deuxièmes moyens de fixation chimique et/ou mécanique. Selon une autre caractéristique optionnelle, la batterie comprend une pluralité de modules, le système de gestion comportant pour chaque module de la batterie une unité de gestion de batterie maître, une pluralité d’unités de gestion de capteurs de batterie associées à l’unité de gestion maître et des capteurs de batterie associés chacun à un élément de puissance du module. De préférence, le boîtier comprend une unité de gestion de batterie de haut niveau configurée pour superviser une pluralité d’unités de gestion de batterie maîtres. De manière avantageuse, la partie du système de gestion montée à l’extérieur de la structure de confinement comprend les unités de gestion de batterie. Par exemple, la partie du système de gestion montée à l’extérieur de la structure de confinement comprend les unités de gestion de capteurs. Par exemple, les moyens de contrôle thermique des éléments de puissance comprennent un circuit de régulation de température des éléments de puissance. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un ensemble de batterie pour aéronef, comprenant un ensemble d’éléments de puissance et un boîtier tel que décrit ci-dessus, dans lequel sont montés les éléments de puissance de la batterie. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un aéronef comprenant au moins un ensemble de batterie tel 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 en perspective des principaux éléments constitutifs d’un boîtier conforme à un exemple de l’invention ; FIG. 2 est une vue en coupe longitudinale d’un boîtier conforme à un exemple de l’invention ; FIG. 3 illustre une vue éclatée d’un boîtier conforme à un exemple de l’invention ; et FIG. 4 montre le boîtier de la FIG. 3 , en position fermée. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté sur les figures 1 à 4 un exemple de réalisation d’un boîtier pour batterie conforme à un exemple de l’invention, désigné par la référence numérique générale 1. Le boîtier 1 est destiné à recevoir une batterie. Dans le mode de réalisation décrit, le boîtier est destiné à être embarqué à bord d’un aéronef. On notera toutefois que l’invention s’applique également, de manière générale, à d’autres domaines dans lesquelles des problématiques de gestion de masse et d’intégration se posent. Le boîtier est destiné à assurer le montage et la connectique des éléments de puissance de la batterie et à assurer la protection de la batterie. Il comporte un plateau 2 sur lequel viennent se fixer les éléments de puissance 3 de la batterie et une cloche 5. Le plateau 2 présente la rigidité structurelle nécessaire pour pouvoir accueillir par fixation les éléments de puissance 3 souhaités. Le plateau 2 est destiné à assurer une fonctionnalité de gestion de la température, et comprend à cet effet des moyens de contrôle thermique des éléments de puissance 3. Par exemple, les moyens de contrôle thermique comprennent un circuit de régulation 6 destiné à maintenir la température des éléments de puissance 3 autour d’une consigne de température de fonctionnement optimale ou dans une plage de température de fonctionnement optimale. Par exemple, le circuit de régulation peut comprendre des tuyaux, tels que 7, à l’intérieur desquels circule un fluide caloporteur. Le plateau 2 est avantageusement réalisé en matériau thermiquement conducteur, en l’espèce en matériau métallique. Le circuit de régulation 6 est installé en relation d’échange thermique sur la face externe 8 du plateau 2, c’est-à-dire sur la face opposée à la face interne 9 qui accueille les éléments de puissance 3. Il peut également être intégré au plateau 2. Le plateau 2 est refroidi ou réchauffé par le circuit de régulation 6 et peut en conséquence maintenir la température des éléments de puissance 3 dans une plage de température de fonctionnement optimale. Par exemple, une plage de température optimale de fonctionnement va de 40°C à 60°C. Par exemple, le circuit de régulation 6 comprend des tubes métalliques, tels que 10, soudés au plateau 2. Le plateau 2 est équipé de plusieurs éléments de fixation 11 qui permettent son installation à bord d’un aéronef. On notera toutefois que le plateau 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 5, celle-ci couvre l’ensemble des éléments situés à l’intérieur du boîtier 1 et représente une barrière physique qui sépare et protège l’intérieur du boîtier 1 et son environnement extérieur. La cloche 5 est notamment destinée à diminuer le risque de fuites de gaz. Dans l’éventualité d’un événement de type emballement thermique, la cloche 5 assure également une fonction de protection de l’environnement extérieur du boîtier 1 en limitant l’impact de cet événement sur l’environnement extérieur du boîtier 1. Elle assure en outre une fonction de guidage des gaz émis par la batterie lors de son fonctionnement. La cloche 5 comprend à cet effet une ouverture profilée 12 destinée à la gestion des gaz et prévue afin que les gaz émis soient guidés dans une direction souhaitée. Par exemple, l’ouverture profilée 12 est maintenue fermée par un capot 13 susceptible de se rompre en cas de surpression. Dans un mode de réalisation non représenté, l’ouverture profilée 12 peut être avantageusement placée sur le socle 2. La cloche 5 est réalisée dans un matériau à la fois léger, résistant et apte à assurer la fonctionnalité de protection en cas d’emballement thermique, par exemple dans un matériau composite à matrice céramique ou dans un matériau composite comprenant une couche de protection thermique interne. Ainsi, le plateau 2 et la cloche 5 constituent une structure de confinement de tout emballement thermique des éléments de puissance. Le boîtier comprend un système de gestion de la batterie 16 (connu classiquement sous l’appellation « BMS » pour Battery Management System) dont au moins une partie 16a est montée à l’extérieur de la structure de confinement. De préférence, ladite partie 16a du système de gestion de la batterie 16 est en relation d’échange thermique avec les moyens de contrôle thermique 6. Dans le cas où un circuit de régulation de température 6 est intégré au plateau 2, la relation d’échange thermique avec la partie 16a est réalisée à travers le plateau 2. De préférence, la relation d’échange thermique entre la partie 16a du système de gestion et les moyens de contrôle thermique 6 est réalisé à travers une couche 17 de matériau conducteur thermiquement et isolant électriquement. En variante, la relation d’échange thermique entre la partie 16a et les moyens de contrôle thermique 6 peut être réalisée sans la couche 17. Le système de gestion de la batterie 16 comprend pour chaque module de batterie une unité de gestion maître, une pluralité d’unités de gestion de capteurs de batterie associées à l’unité de gestion maître et des capteurs 18 de batterie associés chacun à un élément de puissance du module. Les capteurs 18 sont des capteurs de température, de tension et/ou d’intensité disposés à proximité des éléments de puissance et à l’intérieur de la structure de confinement. Le système de gestion de la batterie 16 comprend en outre une unité de gestion de batterie de haut niveau configurée pour superviser une pluralité d’unités de gestion de batterie maîtres. Chaque unité de gestion de capteurs comprend un module de mesure qui reçoit les mesures de température, de tension et/ou d’intensité issues des capteurs 18 et un module de mémoire non-volatile pour stocker des informations telles que des données d’identification du module, des données de surtension, des données de sous-tension, des données de surchauffe, ou le nombre de cycles de charge/décharge. Les mesures issues des capteurs 18 peuvent transiter par une connectique de communication 15 ( FIG. 3 ) reliée aux unités de gestion de capteurs. En variante, la connectique de communication peut comprendre des connecteurs de paroi aptes à gérer la surpression et la température en cas d’emballement thermique. Chaque unité de gestion de batterie maître détermine pour chaque élément de puissance 3 du module un état de charge de l’élément de puissance à partir des données fournies par les unités de gestion de capteurs associées. Chaque unité de gestion de batterie maître est apte à effectuer des opérations d’équilibrage de charge des éléments de puissance du module associé. De préférence, les unités de gestion de batterie maîtres et de haut niveau s’intègrent dans la partie 16a du système de gestion de la batterie 16 située à l’extérieur de la structure de confinement ci-dessus décrite. Les unités de gestion des capteurs peuvent également être disposées dans la partie 16a du système de gestion 16. En variante, il reste possible que les unités de gestion des capteurs soient placés au plus près des éléments de puissance 3, à l’intérieur de la structure de confinement. Les unités de gestion de batterie et les unités de gestion des capteurs disposées dans la partie 16a sont intégrées sur une carte électronique, de préférence fixée au plateau 2 par des deuxièmes moyens 19 de fixation chimique et/ou mécanique. Par exemple, les deuxièmes moyens 19 comprennent des colonnettes et des fixations de type vis ou boulons. En référence à la FIG. 3 , le plateau 2 comprend des moyens de raccordement électrique de la batterie, comportant une connectique de puissance 14 nécessaire pour alimenter en courant électrique les systèmes de l’aéronef, ainsi que des moyens de raccordement de moyens de communication, comportant une connectique de communication 15 avec le système de gestion de la batterie à des fins de diagnostic, de contrôle et/ou de régulation. Enfin, le boîtier est de préférence doté de premiers moyens de fixation mécanique de la cloche 5 sur le plateau 2, réalisés par exemple sous la forme de vis, boulons ou tout autre moyen de fixation approprié pour l’utilisation envisagée. Boîtier pour batterie de stockage d’énergie électrique, comportant un plateau (2) configuré pour que viennent s’y fixer des éléments de puissance (3) de la batterie, une cloche (5) coiffant le plateau (2), et des moyens de fixation mécanique de la cloche (5) sur le plateau (2), le plateau (2) comprenant des moyens de raccordement (14) électrique de la batterie et des moyens de contrôle thermique (6) des éléments de puissance (3), caractérisé en ce que le plateau et la cloche constituent une structure de confinement de tout emballement thermique des éléments de puissance, ledit boîtier comprenant un système de gestion de la batterie (16) dont au moins une partie (16a) est montée à l’extérieur de la structure de confinement. Boîtier selon la revendication 1, dans lequel ladite partie (16a) du système de gestion de la batterie (16) est en relation d’échange thermique avec les moyens de contrôle thermique (6) des éléments de puissance (3). Boîtier selon la revendication 2, dans lequel la relation d’échange thermique entre ladite partie (16a) du système de gestion et les moyens de contrôle thermique est réalisée à travers une couche (17) de matériau conducteur thermiquement et isolant électriquement. Boîtier selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la batterie comprend une pluralité de modules, le système de gestion (16) comportant pour chaque module de la batterie une unité de gestion de batterie maître, une pluralité d’unités de gestion de capteurs de batterie associées à l’unité de gestion maître et des capteurs (18) de batterie associés chacun à un élément de puissance (3) du module. Boîtier selon la revendication 4 comprenant une unité de gestion de batterie de haut niveau configurée pour superviser une pluralité d’unités de gestion de batterie maîtres. Boîtier selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ladite partie (16a) du système de gestion (16) montée à l’extérieur de la structure de confinement comprend les unités de gestion de batterie. Boîtier selon la revendication 6, dans lequel ladite partie (16a) du système de gestion (16) montée à l’extérieur de la structure de confinement comprend les unités de gestion de capteurs. Boîtier selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de contrôle thermique (6) des éléments de puissance (3) comprennent un circuit de régulation de température desdits éléments de puissance. Ensemble de batterie pour aéronef, comprenant un ensemble d’éléments de puissance (3) et un boîtier (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel sont montés les éléments de puissance (3) de la batterie. Aéronef comprenant au moins un ensemble de batterie selon la revendication 9.