EP4420185A1 - Module de batterie presentant des pieces intercalaires, batterie et vehicule associes - Google Patents

Module de batterie presentant des pieces intercalaires, batterie et vehicule associes

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EP4420185A1
EP4420185A1 EP22797408.6A EP22797408A EP4420185A1 EP 4420185 A1 EP4420185 A1 EP 4420185A1 EP 22797408 A EP22797408 A EP 22797408A EP 4420185 A1 EP4420185 A1 EP 4420185A1
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EP
European Patent Office
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stack
dielectric liquid
battery module
electrochemical cell
circulation
Prior art date
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Pending
Application number
EP22797408.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Chauris
Mathieu GALVAING
Guillaume TATRIE
Maximilien Perquia
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Stellantis Auto SAS
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Stellantis Auto SAS
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Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Stellantis Auto SAS filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module comprising:
  • a housing defining an interior volume
  • Such a module is intended to be used in particular in electrical power supply applications in the automotive, space, and/or energy storage fields. Such a module is particularly suitable for high electrical power applications.
  • the ecological transition requires having batteries in which the electrical powers involved are increasingly high, both when supplying a current and a voltage to a consuming system, or when recharging the battery module. battery.
  • a battery module of the aforementioned type generally undergoes significant overheating which requires efficient evacuation of the calories produced by the Joule effect.
  • the battery module comprises cells, in particular lithium-ion cells, consisting of flexible envelopes (called pockets or pouches, "pouch” in English) or rigid envelopes of prismatic format, these tend to inflate, especially when recharging the battery module. It is therefore necessary to ensure adequate mechanical strength of the battery module and electrochemical cells during use.
  • US 2016/0164061 proposes a solution in which electrochemical cells are stacked on top of each other with the interposition, between each pair of adjacent cells, of a heat dissipation plate.
  • the plate has lateral fins, which protrude transversely from the stack. It transfers the heat produced in the cells to the fins by thermal conduction. In addition, the fins are traversed by a duct in which a cooling liquid circulates. Thus, the calories present in the fins are transferred outside the battery module via the coolant.
  • Such a battery module does not, however, give complete satisfaction.
  • the module fitted with the dissipation plates is heavy and bulky, in particular due to the presence of the fins, which is a major drawback for on-board applications such as in the automobile, space or aeronautical sector.
  • An object of the invention is therefore to provide a battery module in which the calories generated during the delivery of electrical power, or during the recharging of the module, are evacuated very efficiently, the module remaining compact and mechanically integrating , and adaptable to various connectors.
  • the subject of the invention is a battery module of the aforementioned type, characterized in that the dielectric liquid fills the interior volume, the stack being completely immersed in the dielectric liquid, the or each intermediate piece defining at least one open channel for the circulation of the dielectric liquid, the open channel for the circulation of the dielectric liquid opening at the periphery of the stack to allow the circulation of the dielectric liquid in the stack and opening facing a main face of at least one electrochemical cell applied to the spacer, to bring the main face of the electrochemical cell into contact with the dielectric liquid.
  • the battery module according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination(s):
  • the at least one intermediate piece defines a plurality of open channels for the circulation of the dielectric liquid separated from each other;
  • the or each intermediate piece defines at least a first open channel for circulation of the dielectric liquid opening towards a first main face of a first electrochemical cell adjacent to the intermediate piece, and closed towards a second main face of a second cell electrochemical adjacent to the part spacer, located opposite the first electrochemical cell with respect to the spacer, the spacer comprising at least one second open channel for circulation of the dielectric liquid opening towards the second main face of the second electrochemical cell, and closed towards the first main face of the first electrochemical cell;
  • a bottom of the first open channel for the circulation of the dielectric liquid is applied to the second main face of the second electrochemical cell, a bottom of the second open channel for the circulation of the dielectric liquid being applied to the first main face of the first electrochemical cell;
  • the area of the cross section of each open channel for circulation of the dielectric liquid is less than 2 mm 2 , and in particular between 0.5 mm 2 and 2 mm 2 ;
  • the housing defines an inlet for supplying dielectric liquid into the interior volume and an outlet for discharging dielectric liquid outside the interior volume, the supply inlet and the evacuation outlet being intended to be connected to a circuit for cooling the dielectric liquid advantageously comprising a pump;
  • the holding mechanism comprises two end plates, arranged on either side of the stack, and at least one tie rod connecting the two end plates;
  • At least one of the end plates has an internal face intended to be placed facing an electrochemical cell of the stack, the internal face being curved before the stack is clamped using the tie rod and flattening out on a main face of an electrochemical cell after clamping the stack using the tie rod;
  • the housing comprises a side access opening and an opposite internal face located opposite the side access opening, the holding mechanism comprising at least one hatch for closing the side access opening capable of compressing the stack between the hatch and the opposite face;
  • each electrochemical cell defines at least one electrical connection tab projecting relative to the stack, the electrical connection tabs being immersed in the dielectric liquid;
  • the battery module comprises at least one connection system and/or at least one electronic system for managing the battery module connected to each electrical connection tab, the connection system and/or the electronic management system being immersed in the dielectric liquid;
  • each electrochemical cell comprises a pocket, in particular is a pocket-sized lithium ion electrochemical cell or in which each electrochemical cell comprises an element of prismatic shape, the dielectric liquid present in the or each open channel for circulation of the dielectric liquid being in contact with the pocket or the prismatic element.
  • the invention also relates to a battery comprising at least one battery module as defined above, in particular several battery modules as defined above.
  • the battery advantageously comprises a circuit for cooling the dielectric liquid, connected to the battery module, supplying the or each open channel for circulation of the dielectric liquid.
  • the invention also relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, space vehicle or an aircraft, comprising a battery as defined above.
  • the invention also relates to a method for generating electrical power from a battery module or for recharging a battery module, comprising the following steps:
  • Figure 1 is an exploded perspective view of a first battery module according to the invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of a stack of the battery module of Figure 1, comprising two electrochemical cells, separated by a spacer defining open channels;
  • Figure 3 is a sectional view, taken along a longitudinal axial plane, of a detail of the stack contained in the module of Figure 1;
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the stack contained in the battery module of Figure 1;
  • Figure 5 is a view taken in section along a horizontal plane of the end flanges of the stack of Figure 4, (a) before tightening the clamping mechanism and (b) after tightening the mechanism maintenance;
  • Figure 6 is a view illustrating a spacer of a second battery module according to the invention, and next to the spacer, the schematic representation of the flow of liquid flowing through the spacer;
  • Figure 7 is a view similar to Figure 6, for a third battery module according to the invention.
  • Figure 8 is a view similar to Figure 6 for a fourth battery module according to the invention.
  • Figure 9 is a schematic side view of a fifth battery module according to the invention.
  • a first battery module 10 according to the invention is illustrated schematically in FIGS. 1 to 5.
  • the battery module 10 is intended to be integrated into a battery system (not shown) comprising one or more identical battery modules 10.
  • the battery module 10 comprises a casing 12, defining an interior volume 14. It further comprises a stack 16 received in the interior volume 14, the stack 16 comprising a plurality of electrochemical cells 18, spacers 20 separating each pair of adjacent electrochemical cells 18, and a mechanism 22 for holding the electrochemical cells 18 and the spacers 20.
  • the battery module 10 further comprises a connection system 24 intended to connect the electrochemical cells 18 to terminals 26 and an electronic system 28 for managing the battery, the connection system 24 and the electronic management system 28 also being arranged in the interior volume 14.
  • the interior volume 14 of the box 12 is also filled with a dielectric liquid 30, in which the stack 16, the connection system 24, the terminals 26, and the electronic management system 28 are immersed.
  • the battery module 10 is connected to a cooling circuit 32 ensuring the circulation of the dielectric liquid in the interior volume 14 and the evacuation of the calories which it contains, outside the battery module 10.
  • the housing 12 has a bottom 40, and side walls 42 projecting from the bottom 40.
  • the case 12 comprises four side walls 42 perpendicular in pairs defining between them and with the bottom 40, the interior volume 14.
  • the side walls 42 further define an upper opening 44 for access to the interior volume 14.
  • the box 12 further comprises a lid 46 capable of closing the access opening 44 in a removable manner in order to allow the loading of the stack 16 in the interior volume 14 and its possible unloading.
  • the housing 12 further delimits an inlet 48 for supplying dielectric liquid into the interior volume 14 and an outlet 50 for discharging the dielectric liquid from the interior volume 14.
  • the supply inlet 48 and the outlet of the evacuation 50 are each connected to the cooling circuit 32.
  • the supply inlet 48 is located near the bottom 40, on a side wall 42.
  • the evacuation outlet 50 is located near the access opening 44, on a side wall 42 opposite that where the supply inlet 48 is located.
  • the stack 16 extends along an axis A-A' parallel to the bottom 40 of the interior volume 14 of the box 12 when the stack 16 is received in the interior volume 14.
  • the stack 16 comprises more than five electrochemical cells 18, preferably between 5 and 20 electrochemical cells 18 stacked against each other with the interposition of an intermediate piece 20 between each pair of adjacent electrochemical cells 18.
  • each electrochemical cell 18 comprises an outer casing or pocket 60 containing a plurality of electrodes (not shown) of opposite polarities, placed in the pocket 60 and separated from one another by an internal separator (not shown).
  • the flexible envelope or pocket 60 is advantageously formed after welding the edges of two multi-layer films, each multi-layer film comprising a metal layer, generally aluminum, sandwiched between two layers of plastic material.
  • the envelope thus formed is filled with electrodes of opposite polarities separated by an internal separator, with an electrolyte, then is closed in a sealed manner.
  • the pocket 60 is advantageously deformable to the touch.
  • the electrochemical cell 18 comprises an envelope of prismatic format which contains the electrodes of opposite polarities.
  • the prismatic element is non-deformable to the touch.
  • the electrochemical cell 18 is a lithium-ion electrochemical cell.
  • Each electrochemical cell 18 further comprises at least one tab 62 for electrical connection to the electrodes of positive polarity, and at least one tab 64 for electrical connection to the electrodes of negative polarity.
  • the electrochemical cell 18 further comprises a support frame 68 defining electrical connection plates 70 located between the pocket 60 and the tabs 62, 64.
  • Frame 68 further includes side uprights defining side edges 72A, 72B of electrochemical cell 18.
  • Each flexible outer pocket 60 has a first main face 74, and a second main face 76 located opposite the face 74.
  • the main faces 74, 76 extend perpendicular to the axis A-A, and perpendicular to the bottom 40 of the housing 12, when the stack 16 is received in the interior volume.
  • the main faces 74, 76 extend as far as the side edges 72A, 72B of the electrochemical cell 18. They extend between a lower edge 72C of the electrochemical cell 18 and the stiffening plates 70 under the tabs 62, 64.
  • Each spacer 20 is interposed between a pair of adjacent electrochemical cells 18.
  • Each spacer 20 comprises in this example a lower region 80 provided with open channels 82A, 82B and, between the channels 82A, 82B, areas 83A, 83B of support of the spacer 20 on a respective face 74, 76 of an electrochemical cell 18.
  • Each spacer 20 here further comprises an upper region 84 for separating the tongues 62, 64 of the successive cells 18.
  • Each spacer 20 also advantageously comprises side tabs 86, projecting laterally on either side of the spacer 20, beyond the side edges 72A, 72B of the electrochemical cells 18 for guiding the holding mechanism 22.
  • the spacers 20 are preferably made of plastic, for example of polyamide (in particular PA66, PA12, PA12GF30).
  • each channel 82A, 82B and the support zones 83A, 83B are defined by a plurality of adjacent hollow ribs.
  • Each hollow rib internally delimits an open channel 82A opening towards a first main face 74 of a first electrochemical battery cell 18.
  • the adjacent ribs delimit between them second channels 82B opening opposite a second face 76 of a second electrochemical cell 18 adjacent to the first electrochemical cell 18.
  • each channel 82A opening opposite a first main face 74 is delimited laterally (here horizontally upwards and downwards) by two side walls 90C, 90D which are common with channels 82B adjacent.
  • Each channel 82A is further delimited by a bottom 92A which defines a support zone 83A on the second main face 76.
  • the bottom 92A of the channel 82A connects the side partitions 90C, 90D.
  • each channel 82B opening opposite a second main face 76 is delimited laterally (here horizontally upwards and downwards) by two side partitions 90C, 90D which are common with adjacent channels 82A.
  • Each channel 82B is further delimited by a bottom 92B which defines a support zone 83B on the first main face 74.
  • the bottom 92B of the channel 82B connects the side partitions 90C, 90D.
  • Each channel 82A, 82B opens respectively opposite a respective face 74, 76 of a respective cell 18 through a longitudinal opening 87A, 87B extending over the entire length of the channel 82A, 82B.
  • each channel 82A, 82B further opens at its ends by at least a first side opening 88C and a second side opening 88D which open in this example into opposite side faces of the stack 16 , on either side of the axis A-A'.
  • Each longitudinal opening 87A, 87B of a channel 82A, 82B is located opposite the respective bottom 92A, 92B of the channel 82A, 82B facing a respective main face 74, 76 of an electrochemical cell 18.
  • the channels 82A, 82B are all separate. Thus, no channel 82A, 82B opens into another channel 82A, 82B, or communicates with another channel 82A, 82B.
  • the channels 82A, 82B thus define separate paths for the circulation of the dielectric liquid.
  • the channels 82A, 82B are all parallel to each other, and parallel to the bottom 40 of the housing 12. Other examples of configuration of the channels 82A, 82B will be described below.
  • Each channel 82A, 82B preferably has a cross section intended for the circulation of the dielectric liquid 30, with an area greater than 0.5 mm 2 , and preferably less than 5 mm 2 .
  • This section is in particular between 1 mm 2 and 2 mm 2 .
  • each channel 82A, 82B, taken along the axis A-A' between the bottom 92A, 92B and the longitudinal opening 87A, 87B is preferably between 0.5 and 2 times the thickness of the bottom 92A, 92B.
  • the number of channels 82A, 82B on each face of the insert 20 is for example greater than 5, in particular greater than 10. It depends on the size of the electrochemical cell 18.
  • the side partitions 90C, 90D have a thickness generally between 0.5 mm and 1 mm.
  • the thickness of the spacer 20, taken along the axis A-A', remains less than the thickness of each adjacent electrochemical cell 18.
  • the ratio of the total area of the support zones 83A, 83B to the total area of the longitudinal openings 87A, 87B of the channels 82A, 82B on each face 74, 76 is generally between 20% and 80%, especially between 40% and 60%. This guarantees both a large exposure of the main faces 74, 76 to direct contact with the dielectric liquid 30 and a structural robustness of the spacer 20 to oppose deformation, in particular the swelling of the electrochemical cells 18.
  • Upper region 84 is devoid of channels 82A, 82B. It extends opposite the connection tongues 62, 64, and the stiffening plates 70.
  • each channel 82A, 82B taken linearly between the side openings 88C, 88D is greater than its width, in particular 10 times its width, the width being taken at the level of the longitudinal opening 87A, 87B,
  • the holding mechanism 22 comprises two end plates 100A, 100B arranged on either side of the stack 16 of electrochemical cells 18 and spacers 20.
  • the holding mechanism 22 further comprises tie rods 102, intended to grip the stack 16 of electrochemical cells 18 and spacers 20 between the end plates 100A, 100B.
  • the flanges 100A, 100B are arranged facing two electrochemical cells 18 located at the axial ends of the stack 16 of electrochemical cells 18 and spacers 20 along the axis A-A.
  • Each flange 100A, 100B has an inner face 104 intended to be placed opposite a main face 74, 76 of an electrochemical cell 18A, 18B and an outer face 106, intended to cooperate with the tie rods 102. It further comprises guide lugs 108 of the tie rods 102, which project laterally with respect to the outer face 106.
  • each end flange 100A, 100B defines open channels 82A, 82B intended to open opposite the main face 74, 76 opposite which the flange 100A, 100B is place.
  • the channels 82A, 82B each have a structure identical to those described above for each spacer 20.
  • each end flange 100A, 100B has at rest an inner contour curved towards the main face 74, 76, before installing the tie rods 102.
  • the flanges 100A, 100B are deformable, so that in section in the horizontal plane parallel to the bottom 40 of the case 12, the inner face 104 is flat and bears against the main face 74, 76 of the electrochemical cell 18A, 18B. This ensures uniform contact between each end plate 100A, 100B and the electrochemical cell 18A, 18B opposite which it is placed.
  • each flange 100A, 100B is provided with horizontal locking grooves 110, in which each tie rod 102 is inserted.
  • each tie rod 102 here comprises a first stirrup 112A intended to be placed on one side of the stack 16, facing the first flange 100A, and a second stirrup 112B intended to be placed on the other side of the stack 16, facing the second flange 100B.
  • the stirrups 112A, 112B each have a C shape with free ends 114A, 114B. They are provided with a means of fixing the ends 114A, 114B together, for example a screw mechanism which makes it possible to adjust the distance between the flanges 100A, 100B, and therefore the grip of the stack 16.
  • the tie rods 102 are straight and not U-shaped.
  • connection system 24 is intended to electrically connect the tabs 62, 64 to the terminals 26, through the electronic management system 28, when the latter is present.
  • the connection system 24 and the electronic management system 28 are placed above the stack 16 under the cover 46, in the interior volume 14.
  • the connection system 24 includes electrical connections. In the example represented in FIG. 1, it comprises an insulating part which covers the electrical connections and incorporates a connection part for measuring the individual voltages of each electrochemical cell.
  • the electronic management system 28 comprises electronic components intended to control the voltage and/or the current delivered by the battery module 10 during its discharge, and the voltage and/or the current received by the battery module 10 during its discharge. recharge.
  • the entire stack 16, including the electrochemical cells 18, the intermediate pieces 20 and the holding mechanism 22 is immersed in the dielectric liquid 30.
  • the connection system 24 and the electronic management system 28 are also advantageously completely immersed in the dielectric liquid 30.
  • the dielectric liquid 30 in particular fills the channels 82A, 82B located between the electrochemical cells 18, and comes into direct contact with the main faces 74, 76 of the electrochemical cells 18 through the longitudinal openings 87A, 87B.
  • the dielectric liquid 30 is circulated in the interior volume 14 via a pump of the cooling circuit 32.
  • Dielectric liquid 30 intended to be heated is conveyed into the interior volume 14 through the supply inlet 48, to circulate from bottom to top and laterally from the supply inlet 48 towards the evacuation outlet 50 through channels 82A, 82B.
  • the dielectric liquid 30 thus enters each channel 82A, 82B through a first end opening 88C, sweeps a main face 74, 76 along the longitudinal opening 87A, 87B where it heats up, and comes out of the stack 16 through a second end opening 88D, before joining the evacuation outlet 50.
  • the dielectric liquid 30 advantageously has a resistivity greater than 50 G ⁇ and a breakdown voltage greater than 40 kV for an air gap of 2.5 mm, preferably between 45 kV and 55 kV for an air gap of 2.5 mm.
  • the dielectric liquid 30 also has a density of less than 1, for example between 0.7 and 0.9, and a low viscosity, for example less than 3.3 mPa.s at 25° C., as measured by the Standard ASTM D7042.
  • Mounting the battery module 10 is particularly simple to perform.
  • the electrochemical cells 18 and the spacers 20 are provided, and are mounted alternately against each other, each spacer 20 being inserted between two adjacent electrochemical cells 18. Then, end plates 100A, 100B are placed at the ends of the stack 16. The stirrups 112A, 112B are then inserted into the grooves 110 in contact with the outer face 106 of each end flange 100A, 100B.
  • stirrups 112A, 112B are inserted into the lugs 86, 108 on either side of the spacers 20 and the flanges 100A, 100B.
  • connection system 24 and the electronic management system 28 are then mounted on the stack 16.
  • the stack 16 is introduced into the interior volume 14 of the box 12 through the upper opening 44.
  • the cover 46 is then put in place to close the upper opening 44.
  • the interior volume 14 of the battery module 10 is then filled with cooling liquid 30 and is connected to the cooling circuit 32.
  • a current and a voltage are delivered by the terminals 26 of the battery module 10.
  • a current and a voltage are applied to terminals 26 of battery module 10.
  • the heat generated in the electrochemical cells 18 is evacuated by the circulation of the dielectric liquid 30 from the supply inlet 48, in the interior volume 14 around the stack 16, through the first end openings 88C of the channels 82A, 82B then along the channels 82A, 82B in contact with the main faces 74, 76 of the electrochemical cells 18.
  • the dielectric liquid 30 then heats up by convection, and is evacuated through the second end openings 88D, then through the liquid evacuation outlet before being cooled in the circuit 32.
  • the shape of the channels 82A, 82B delimited by the spacers 20 ensures an appropriate flow of dielectric liquid 30 in contact with the faces 74, 76 of the electrochemical cells 18, while allowing the spacers 20 to maintain excellent mechanical contact with the electrochemical cells 18 .
  • the presence of support zones 83A, 83B prevents swelling of the electrochemical cells 18 and maintains the integrity of the stack 16, even if the power delivered is high, and/or during a recharge.
  • the reduced dimensions of the channels 82A, 82B compared to the volume present outside the channels 82A, 82B further ensures an effect of acceleration of the flow of dielectric liquid 30 within the channels 82A, 82B, which increases the heat exchanged at the channels 82A, 82B and therefore the cooling capacity within the battery module 10.
  • the circulation of a dielectric liquid 30 as defined above further guarantees that the battery module 10 is reliable and safe, while offering high performance in terms of cooling. This performance is due in particular to the direct convection from the electrochemical cells 18 to the dielectric liquid 30.
  • the dielectric liquid 30 filling the entire interior volume 14, it cools the various tongues 62 and 64 of connections of each electrochemical cell 18 and the electronic management system 28 which are immersed.
  • the stack 16 being completely immersed in the interior volume 14, it is not necessary to provide a dielectric liquid storage capacity 30, the interior volume 14 constituting this storage capacity.
  • the gain in mass and volume compared to a conventional battery module can therefore be of the order of 30% to 50%, in particular when the spacers 20 are made of plastic.
  • the configuration of the channels 82A, 82B can be modified to adapt to various positions of the supply inlets 48 and the evacuation outlets 50.
  • liquid supply inlet 48 is located at the bottom of the housing 12.
  • the liquid discharge outlet 50 is located in the cover 46.
  • the channels 82A, 82B extend vertically, perpendicular to the axis A-A' and to the bottom 40.
  • the first openings 88C open in an underside of the stack 16, while the second openings 88D open into an upper face of the stack 16.
  • the intermediate pieces 20 of FIG. 6 also differ from those of FIG. 2 in that the upper region 84 is also provided with channels 82A, 82B.
  • the liquid supply inlet 48 and the liquid discharge outlet 50 are located on the same side wall 42, on the same side of the housing 12.
  • the first openings 88C and the openings 88D open into the same side face of the stack 16.
  • Each channel then has a II shape with a half-turn opposite the openings 88C, 88D.
  • the channels 82A, 82B further adopt a nested configuration with an outermost channel 82A, 82B having the most distant openings 88C, 88D and a shape of II of width maximum.
  • the outermost channel 82A, 82B contains all of the channels 82A, 82B having a U-shape of smaller width, each channel 82A, 82B having a U-shape of smaller width being nested in a channel 82A, 82B having a U-shape of greater width.
  • each channel 82A, 82B all open into a lower face of the stack 16.
  • Each channel 82A, 82B also has a U-shape, the channels 82A, 82B advantageously being in a pull-out configuration, as described above.
  • the housing 12 is provided with an upper wall 42A fixed relative to the side walls 42.
  • the side walls 42 define a side access opening 44 to the interior volume in a side face of the housing 12.
  • the holding mechanism 22 has no tie rod 102.
  • the first flange 100A is formed by the inner face of a side wall 42.
  • the second flange 100B is formed by a hatch 120, suitable for closing the opening of access 44, by compressing the electrochemical cells 18 and the spacers 20 against each other to keep them supported on the flange 100A.
  • This variant further reduces the number of parts needed to make the stack 16, increases the compactness, while retaining the advantageous properties described above.

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Abstract

Ce module comprend un empilement comportant : * une pluralité de cellules électrochimiques (18); * au moins une pièce intercalaire (20) interposée entre chaque paire de cellules (18) adjacentes; * un mécanisme de maintien de l'empilement enserrant les cellules (18) et les pièces intercalaires (20) les unes contre les autres; Le module comporte au moins un liquide diélectrique de refroidissement de l'empilement. La pièce intercalaire (20) définit au moins un canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique. Le canal (82A, 82B) s'ouvre à la périphérie de l'empilement pour permettre la circulation du liquide diélectrique dans l'empilement et s'ouvre en regard d'une face principale (74, 76) d'au moins une cellule (18) appliquée sur la pièce intercalaire (20), pour mettre en contact la face principale (74, 76) avec le liquide diélectrique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : MODULE DE BATTERIE PRESENTANT DES PIECES INTERCALAIRES, BATTERIE ET VEHICULE ASSOCIES
La présente invention concerne un module de batterie comprenant :
- un boîtier définissant un volume intérieur ;
- un empilement comportant ;
* une pluralité de cellules électrochimiques empilées dans le volume intérieur ;
* au moins une pièce intercalaire interposée entre chaque paire de cellules électrochimiques adjacentes ;
* un mécanisme de maintien de l’empilement propre à enserrer les cellules électrochimiques et les pièces intercalaires les unes contre les autres ; l’empilement étant contenu dans le volume intérieur ;
- au moins un liquide diélectrique de refroidissement de l’empilement.
Un tel module est destiné à être utilisé notamment dans des applications de fourniture de puissance électrique dans le domaine automobile, spatial, ou/et pour du stockage d’énergie. Un tel module est particulièrement adapté aux applications de hautes puissances électriques.
La transition écologique impose de disposer de batteries dans lesquelles les puissances électriques impliquées sont de plus en plus élevées, à la fois lors de la fourniture d’un courant et d’une tension à un système consommateur, ou lors de la recharge du module de batterie.
Dans ce cadre, un module de batterie du type précité subit généralement des échauffements importants qui nécessitent une évacuation efficace des calories produites par effet Joule.
De plus, lorsque le module de batterie comporte des cellules, notamment des cellules lithium-ion, constituées d’enveloppes souples (dénommées poches ou pochettes, « pouch » en anglais) ou d’enveloppes rigides de format prismatique, celles-ci ont tendance à gonfler, notamment lors de la recharge du module de batterie. Il est donc nécessaire d’assurer une tenue mécanique adéquate du module de batterie et des cellules électrochimiques lors de son utilisation.
Pour résoudre les problèmes précités, US 2016/0164061 propose une solution dans laquelle des cellules électrochimiques sont empilées les unes sur les autres avec l’interposition, entre chaque paire de cellules adjacentes, d’une plaque de dissipation de la chaleur.
La plaque présente des ailettes latérales, qui dépassent transversalement de l’empilement. Elle transfère par conduction thermique la chaleur produite dans les cellules vers les ailettes. En outre, les ailettes sont traversées par un conduit dans lequel circule un liquide de refroidissement. Ainsi, les calories présentes dans les ailettes sont transférées à l’extérieur du module de batterie via le liquide de refroidissement.
Un tel module de batterie ne donne cependant pas entière satisfaction.
En premier lieu, l’échange thermique par conduction ne permet qu’une évacuation limitée des calories, ce qui peut causer des problèmes dans certaines applications haute puissance.
Par ailleurs, le module muni des plaques de dissipation est lourd et encombrant, notamment du fait de la présence des ailettes, ce qui est un inconvénient majeur pour des applications embarquées comme dans le secteur automobile, spatial ou aéronautique.
Un but de l’invention est donc de fournir un module de batterie dans lequel les calories générées lors de la délivrance d’une puissance électrique, ou lors du rechargement du module, sont évacuées de manière très efficace, le module restant compact et intègre mécaniquement, et adaptable à diverses connectiques.
À cet effet, l’invention a pour objet un module de batterie du type précité, caractérisé en ce que le liquide diélectrique remplit le volume intérieur, l’empilement étant totalement immergé dans le liquide diélectrique, la ou chaque pièce intercalaire définissant au moins un canal ouvert de circulation du liquide diélectrique, le canal ouvert de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant à la périphérie de l’empilement pour permettre la circulation du liquide diélectrique dans l’empilement et s’ouvrant en regard d’une face principale d’au moins une cellule électrochimique appliquée sur la pièce intercalaire, pour mettre en contact la face principale de la cellule électrochimique avec le liquide diélectrique.
Le module de batterie selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- l’au moins une pièce intercalaire définit une pluralité de canaux ouverts de circulation du liquide diélectrique séparés les uns des autres ;
- la ou chaque pièce intercalaire définit au moins un premier canal ouvert de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant vers une première face principale d’une première cellule électrochimique adjacente à la pièce intercalaire, et fermé vers une deuxième face principale d’une deuxième cellule électrochimique adjacente à la pièce intercalaire, située à l’opposé de la première cellule électrochimique par rapport à la pièce intercalaire, la pièce intercalaire comportant au moins un deuxième canal ouvert de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant vers la deuxième face principale de la deuxième cellule électrochimique, et fermé vers la première face principale de la première cellule électrochimique ;
- un fond du premier canal ouvert de circulation du liquide diélectrique est appliqué sur la deuxième face principale de la deuxième cellule électrochimique, un fond du deuxième canal ouvert de circulation du liquide diélectrique étant appliqué sur la première face principale de la première cellule électrochimique ;
- le canal ouvert de circulation du liquide diélectrique débouche à la périphérie de l’empilement par au moins deux ouvertures distinctes ;
- les deux ouvertures distinctes débouchent dans deux faces distinctes de l’empilement, avantageusement dans deux faces opposées ou adjacentes de l’empilement, ou les deux ouvertures distinctes débouchent dans la même face de l’empilement ;
- l’aire de la section transversale de chaque canal ouvert de circulation du liquide diélectrique est inférieure à 2 mm2, et notamment comprise entre 0.5 mm2 et 2 mm2 ;
- le boîtier définit une entrée d’amenée de liquide diélectrique dans le volume intérieur et une sortie d’évacuation de liquide diélectrique à l’extérieur du volume intérieur, l’entrée d’amenée et la sortie d’évacuation étant destinées à être raccordées à un circuit de refroidissement du liquide diélectrique comportant avantageusement une pompe ;
- le mécanisme de maintien comporte deux flasques d’extrémités, disposés de part et d’autre de l’empilement, et au moins un tirant raccordant les deux flasques d’extrémités ;
- au moins un des flasques d’extrémités comporte une face interne destinée à être placée en regard d’une cellule électrochimique de l’empilement, la face interne étant incurvée avant enserrement de l’empilement à l’aide du tirant et s’aplanissant sur une face principale d’une cellule électrochimique après enserrement de l’empilement à l’aide du tirant ;
- le boîtier comporte une ouverture latérale d’accès et une face interne opposée située en regard de l’ouverture latérale d’accès, le mécanisme de maintien comportant au moins une trappe de fermeture de l’ouverture latérale d’accès propre à comprimer l’empilement entre la trappe et la face opposée ;
- chaque cellule électrochimique définit au moins une languette de connexion électrique faisant saillie par rapport à l’empilement, les languettes de connexion électrique étant immergées dans le liquide diélectrique ;
- le module de batterie comporte au moins un système de raccordement et/ou au moins un système électronique de gestion du module de batterie raccordés à chaque languette de connexion électrique, le système de raccordement et/ou le système électronique de gestion étant immergés dans le liquide diélectrique ;
- chaque cellule électrochimique comporte une poche, notamment est une cellule électrochimique lithium ion de format pochette ou dans lequel chaque cellule électrochimique comporte un élément de forme prismatique, le liquide diélectrique présent dans le ou chaque canal ouvert de circulation du liquide diélectrique étant au contact de la poche ou de l’élément prismatique.
L’invention a également pour objet une batterie comprenant au moins un module de batterie tel que défini plus haut, notamment plusieurs modules de batterie tels que définis plus haut.
La batterie comporte avantageusement un circuit de refroidissement du liquide diélectrique, raccordé au module de batterie, alimentant le ou chaque canal ouvert de circulation du liquide diélectrique.
L’invention a aussi pour objet un véhicule, notamment un véhicule automobile, spatial ou un aéronef, comportant une batterie telle que définie ci-dessus.
L’invention a également pour objet un procédé de génération de puissance électrique à partir d’un module de batterie ou de recharge d’un module de batterie, comportant les étapes suivantes :
- fourniture d’un module de batterie tel que défini plus haut ;
- génération de puissance électrique à partir des cellules électrochimiques du module de batterie, ou recharge des cellules électrochimiques à partir d’une puissance électrique extérieure ;
- lors de la génération de puissance électrique ou de la recharge, mise en circulation du liquide diélectrique à travers le ou chaque canal ouvert de circulation du liquide diélectrique pour évacuer par convection sur au moins une face principale des calories produites par les cellules électrochimiques.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- [Fig 1] La figure 1 est une vue en perspective éclatée d’un premier module de batterie selon l’invention ;
- [Fig 2] La figure 2 est une vue en perspective éclatée d’un empilement du module de batterie de la figure 1 , comprenant deux cellules électrochimiques, séparées par une pièce intercalaire définissant des canaux ouverts ;
- [Fig 3] La figure 3 est une vue en coupe, prise suivant un plan axial longitudinal, d’un détail de l’empilement contenu dans le module de la figure 1 ; - [Fig 4] La figure 4 est une vue en perspective éclatée de l’empilement contenu dans le module de batterie de la figure 1 ;
- [Fig 5] La figure 5 est une vue prise en coupe suivant un plan horizontal des flasques d’extrémités de l’empilement de la figure 4, (a) avant serrage du mécanisme de serrage et (b) après serrage du mécanisme de maintien ;
- [Fig 6] La figure 6 est une vue illustrant une pièce intercalaire d’un deuxième module de batterie selon l’invention, et à côté de la pièce intercalaire, la représentation schématique du flux de liquide circulant à travers la pièce intercalaire ;
- [Fig 7] La figure 7 est une vue analogue à la figure 6, pour un troisième module de batterie selon l’invention ;
- [Fig 8] La figure 8 est une vue analogue à la figure 6 pour un quatrième module de batterie selon l’invention ;
- [Fig 9] La figure 9 est une vue schématique de côté d’un cinquième module de batterie selon l’invention.
Un premier module de batterie 10 selon l’invention est illustré schématiquement sur les figures 1 à 5. Le module de batterie 10 est destiné à être intégré dans un système de batterie (non représenté) comportant un ou plusieurs modules de batterie 10 identiques.
Le module de batterie 10 comporte un boîtier 12, définissant un volume intérieur 14. Il comporte en outre un empilement 16 reçu dans le volume intérieur 14, l’empilement 16 comprenant une pluralité de cellules électrochimiques 18, des pièces intercalaires 20 séparant chaque paire de cellules électrochimiques 18 adjacentes, et un mécanisme de maintien 22 des cellules électrochimiques 18 et des pièces intercalaires 20.
Le module de batterie 10 comporte en outre un système de raccordement 24 destiné à raccorder les cellules électrochimiques 18 à des bornes 26 et un système électronique 28 de gestion de la batterie, le système de raccordement 24 et le système électronique de gestion 28 étant aussi disposés dans le volume intérieur 14.
Le volume intérieur 14 du boîtier 12 est en outre rempli d’un liquide diélectrique 30, dans lequel sont plongés l’empilement 16, le système de raccordement 24, les bornes 26, et le système électronique de gestion 28.
Le module de batterie 10 est raccordé à un circuit de refroidissement 32 assurant la mise en circulation du liquide diélectrique dans le volume intérieur 14 et l’évacuation des calories qu’il contient, à l’extérieur du module de batterie 10.
En référence à la figure 1 , le boîtier 12 comporte un fond 40, et des parois latérales 42 faisant saillie par rapport au fond 40.
Dans cet exemple, le boîtier 12 comporte quatre parois latérales 42 perpendiculaires deux à deux définissant entre elles et avec le fond 40, le volume intérieur 14. Les parois latérales 42 définissent en outre une ouverture supérieure 44 d’accès au volume intérieur 14.
Le boîtier 12 comporte en outre un couvercle 46 propre à obturer l’ouverture d’accès 44 de manière amovible afin de permettre le chargement de l’empilement 16 dans le volume intérieur 14 et son déchargement éventuel.
Le boîtier 12 délimite en outre une entrée 48 d’amenée de liquide diélectrique dans le volume d’intérieur 14 et une sortie 50 d’évacuation du liquide diélectrique hors du volume intérieur 14. L’entrée d’amenée 48 et la sortie d’évacuation 50 sont raccordées chacune au circuit de refroidissement 32.
Dans l’exemple représenté sur la figure 1 , l’entrée d’amenée 48 est située au voisinage du fond 40, sur une paroi latérale 42. La sortie d’évacuation 50 est située au voisinage de l’ouverture d’accès 44, sur une paroi latérale 42 opposée à celle où se trouve l’entrée d’amenée 48.
Dans cet exemple, l’empilement 16 s’étend suivant un axe A-A’ parallèle au fond 40 du volume intérieur 14 du boîtier 12 lorsque l’empilement 16 est reçu dans le volume intérieur 14.
L’empilement 16 comporte plus de cinq cellules électrochimiques 18, de préférence entre 5 et 20 cellules électrochimiques 18 empilées les unes contre les autres avec interposition d’une pièce intercalaire 20 entre chaque paire de cellules électrochimiques 18 adjacentes.
Dans cet exemple, chaque cellule électrochimique 18 comporte une enveloppe extérieure ou poche 60 contenant une pluralité d’électrodes (non représentées) de polarités opposées, disposées dans la poche 60 et séparées entre elles par un séparateur interne (non représenté).
L’enveloppe ou poche 60 souple est avantageusement constituée après soudure des bords de deux films multi-couches, chaque film multi-couches comprenant une couche métallique, généralement en aluminium, prise en sandwich entre deux couches de matière plastique. L'enveloppe ainsi constituée est remplie des électrodes de polarités opposées séparées par un séparateur interne, d'un électrolyte, puis est fermée de manière étanche.
La poche 60 est avantageusement déformable au toucher.
En variante, la cellule électrochimique 18 comporte une enveloppe de format prismatique qui contient les électrodes de polarités opposées. L’élément prismatique est indéformable au toucher.
Dans un exemple non limitatif, la cellule électrochimique 18 est une cellule électrochimique lithium-ion. Chaque cellule électrochimique 18 comporte en outre au moins une languette 62 de connexion électrique aux électrodes de polarité positive, et au moins une languette 64 de connexion électrique aux électrodes de polarité négative. Dans l’exemple représenté sur la figure 2, la cellule électrochimique 18 comporte en outre un cadre de support 68 définissant des plaques 70 de connexion électrique situées entre la poche 60 et les languettes 62, 64.
Le cadre 68 comporte en outre des montant latéraux définissant des bords latéraux 72A, 72B de la cellule électrochimique 18.
Chaque poche extérieure souple 60 présente une première face principale 74, et une deuxième face principale 76 située à l’opposé de la face 74. Les faces principales 74, 76 s’étendent perpendiculairement à l’axe A-A, et perpendiculairement au fond 40 du boîtier 12, lorsque l’empilement 16 est reçu dans le volume intérieur.
Les faces principales 74, 76 s’étendent jusqu’aux bords latéraux 72A, 72B de la cellule électrochimique 18. Elles s’étendent entre un bord inférieur 72C de la cellule électrochimique 18 et les plaques de rigidification 70 sous les languettes 62, 64.
Chaque pièce intercalaire 20 est interposée entre une paire de cellules électrochimiques 18 adjacentes. Chaque pièce intercalaire 20 comprend dans cet exemple une région inférieure 80 munie de canaux ouverts 82A, 82B et, entre les canaux 82A, 82B, des zones 83A, 83B d’appui de la pièce intercalaire 20 sur une face 74, 76 respective d’une cellule électrochimique 18.
Chaque pièce intercalaire 20 comporte ici en outre une région supérieure 84 de séparation des languettes 62, 64 des cellules successives 18.
Chaque pièce intercalaire 20 comprend en outre avantageusement des pattes latérales 86, faisant saillie latéralement de part et d’autre de la pièce intercalaire 20, au- delà des bord latéraux 72A, 72B des cellules électrochimiques 18 pour le guidage du mécanisme de maintien 22.
Les pièces intercalaires 20 sont de préférence réalisées en plastique, par exemple en polyamide (notamment PA66, PA12, PA12GF30).
Dans l’exemple représenté sur les figures 2 et 3, les canaux 82A, 82B et les zones d’appui 83A, 83B sont définis par une pluralité de nervures creuses adjacentes. Chaque nervure creuse délimite intérieurement un canal ouvert 82A s’ouvrant vers une première face principale 74 d’une première cellule électrochimique 18 de batterie. Les nervures adjacentes délimitent entre elles des deuxièmes canaux 82B s’ouvrant en regard d’une deuxième face 76 d’une deuxième cellule électrochimique 18 adjacente à la première cellule électrochimique 18. En référence à la figure 3, chaque canal 82A s’ouvrant en regard d’une première face principale 74 est délimité latéralement (ici horizontalement vers le haut et vers le bas) par deux cloisons latérales 90C, 90D qui sont communes avec des canaux 82B adjacents.
Chaque canal 82A est en outre délimité par un fond 92A qui définit une zone d’appui 83A sur la deuxième face principale 76. Dans cet exemple, le fond 92A du canal 82A raccorde les cloisons latérales 90C, 90D.
De même, chaque canal 82B s’ouvrant en regard d’une deuxième face principale 76 est délimité latéralement (ici horizontalement vers le haut et vers le bas) par deux cloisons latérales 90C, 90D qui sont communes avec des canaux 82A adjacents.
Chaque canal 82B est en outre délimité par un fond 92B qui définit une zone d’appui 83B sur la première face principale 74. Dans cet exemple, le fond 92B du canal 82B raccorde les cloisons latérales 90C, 90D.
Chaque canal 82A, 82B s’ouvre respectivement en regard d’une face respective 74, 76 d’une cellule respective 18 par une ouverture longitudinale 87A, 87B s’étendant sur toute la longueur du canal 82A, 82B.
Comme visible sur la figure 2, chaque canal 82A, 82B s’ouvre en outre à ses extrémités par au moins une première ouverture latérale 88C et par une deuxième ouverture latérale 88D qui débouchent dans cet exemple dans des faces latérales opposées de l’empilement 16, de part et d’autre de l’axe A-A’.
Chaque ouverture longitudinale 87A, 87B d’un canal 82A, 82B est située à l’opposé du fond respectif 92A, 92B du canal 82A, 82B en regard d’une face principale 74, 76 respective d’une cellule électrochimique 18.
Avantageusement, les canaux 82A, 82B sont tous disjoints. Ainsi, aucun canal 82A, 82B ne débouche dans un autre canal 82A, 82B, ou ne communique avec un autre canal 82A, 82B. Les canaux 82A, 82B définissent ainsi des chemins séparés pour la circulation du liquide diélectrique.
Dans cet exemple, les canaux 82A, 82B sont tous parallèles les uns aux autres, et parallèles au fond 40 du boîtier 12. D’autres exemples de configuration des canaux 82A, 82B seront décrites plus bas
Chaque canal 82A, 82B présente de préférence une section transversale destinée à la circulation du liquide diélectrique 30, d’aire supérieure à 0,5 mm2, et de préférence inférieure à 5 mm2. Cette section est notamment comprise entre 1 mm2 et 2 mm2.
La profondeur de chaque canal 82A, 82B, prise le long de l’axe A-A’ entre le fond 92A, 92B et l’ouverture longitudinale 87A, 87B est de préférence comprise entre 0,5 et 2 fois l’épaisseur du fond 92A, 92B. Le nombre de canaux 82A, 82B sur chaque face de la pièce intercalaire 20 est par exemple supérieur à 5, notamment supérieur à 10. Il dépend de la taille de la cellule électrochimique 18.
Les cloisons latérales 90C, 90D présentent une épaisseur généralement comprise entre 0,5 mm et 1 mm.
L’épaisseur de la pièce intercalaire 20, prise le long de l’axe A-A’, reste inférieure à l’épaisseur de chaque cellule électrochimique 18 adjacente.
De préférence, le rapport de l’aire totale des zones d’appui 83A, 83B à l’aire totale des ouvertures longitudinales 87A, 87B des canaux 82A, 82B sur chaque face 74, 76 est généralement compris entre 20% et 80%, notamment entre 40% et 60%. Ceci garantit à la fois une large exposition des faces principales 74, 76 au contact direct avec le liquide diélectrique 30 et une robustesse structurelle de la pièce intercalaire 20 à s’opposer à la déformation, notamment au gonflement des cellules électrochimiques 18.
La région supérieure 84 est dépourvue de canaux 82A, 82B. Elle s’étend en regard des languettes de connexion 62, 64, et des plaques de rigidification 70.
La longueur de chaque canal 82A, 82B prise linéairement entre les ouvertures latérales 88C, 88D est supérieure à sa largeur, notamment à 10 fois sa largeur, la largeur étant prise au niveau de l’ouverture longitudinale 87A, 87B,
En référence aux figures 4 et 5, le mécanisme de maintien 22 comporte deux flasques d’extrémités 100A, 100B disposées de part et d’autre de l’empilement 16 de cellules électrochimiques 18 et de pièces intercalaires 20.
Le mécanisme de maintien 22 comporte en outre des tirants 102, destinés à enserrer l’empilement 16 de cellules électrochimiques 18 et de pièces intercalaires 20 entre les flasques d’extrémités 100A, 100B.
Les flasques 100A, 100B sont disposés en regard de deux cellules électrochimiques 18 situées aux extrémités axiales de l’empilement 16 de cellules électrochimiques 18 et de pièces intercalaires 20 le long de l’axe A-A.
Chaque flasque 100A, 100B présente une face intérieure 104 destinée à être placée en regard d’une face principale 74, 76 d’une cellule électrochimique 18A, 18B et une face extérieure 106, destinée à coopérer avec les tirants 102. Il comporte en outre des pattes de guidage 108 des tirants 102, qui font saillie latéralement par rapport à la face extérieure 106.
Comme illustré par la figure 4, la face intérieure 104 de chaque flasque d’extrémité 100A, 100B définit des canaux 82A, 82B ouverts destinés à s’ouvrir en regard de la face principale 74, 76 en regard duquel le flasque 100A, 100B est placé. Les canaux 82A, 82B présentent chacun une structure identique à ceux décrit plus haut pour chaque pièce intercalaire 20.
Comme illustré par la figure 5(a), en coupe dans un plan horizontal parallèle au fond 40 du boîtier 12, la face intérieure 104 de chaque flasque d’extrémité 100A, 100B présente au repos un contour intérieur incurvé vers la face principale 74, 76, avant la mise en place des tirants 102.
Une fois les tirants 102 montés pour enserrer les cellules électrochimiques 18 et les pièces intercalaires 20 interposées entre les flasques 100A, 100B, les flasques 100A, 100B sont déformables, pour qu’en section dans le plan horizontal parallèle au fond 40 du boîtier 12, la face intérieure 104 soit plate et s’applique contre la face principale 74, 76 de la cellule électrochimique 18A, 18B. Ceci assure un contact homogène entre chaque flasque d’extrémité 100A, 100B et la cellule électrochimique 18A, 18B en regard duquel il est placé.
Pour assurer une telle déformation, les flasques 100A, 100B sont réalisés de préférence en plastique, notamment en polysulfure de phénylène (PPS), ou en variante, en métal, notamment en aluminium.
La face extérieure 106 de chaque flasque 100A, 100B est munie de rainures 110 de blocage horizontales, dans lesquelles chaque tirant 102 est inséré.
Comme illustré par la figure 4, chaque tirant 102 comporte ici un premier étrier 112A destiné à être placé d’un côté de l’empilement 16, en regard du premier flasque 100A, et un deuxième étrier 112B destiné à être placé d’un autre côté de l’empilement 16, en regard du deuxième flasque 100B.
Les étriers 112A, 112B présentent chacun une forme de C avec des extrémités libres 114A, 114B. Ils sont munis d’un moyen de fixation des extrémités 114A, 114B entre elles, par exemple un mécanisme à vis qui permet de régler la distance entre les flasques 100A, 100B, et donc l’enserrement de l’empilement 16.
En variante (non représentée), les tirants 102 sont droits et non en forme de U.
En référence à la figure 1 , le système de raccordement 24 est destinée à raccorder électriquement les languettes 62, 64 aux bornes 26, à travers le système électronique de gestion 28, lorsque ce dernier est présent. Le système de raccordement 24 et le système électronique de gestion 28, sont placés au-dessus de l’empilement 16 sous le couvercle 46, dans le volume intérieur 14.
Le système de raccordement 24 comporte des connexions électriques. Dans l’exemple représenté sur la figure 1 , il comporte une pièce isolante qui chapeaute les connexions électriques et intègre une partie connectique pour la mesure des tensions individuelles de chaque cellule électrochimique. Le système électronique de gestion 28 comporte des composants électroniques destinés à contrôler la tension et/ou le courant délivrés par le module de batterie 10 lors de sa décharge, et la tension et/ou le courant reçus par le module de batterie 10 lors de sa recharge.
La totalité de l’empilement 16, incluant les cellules électrochimiques 18, les pièces intercalaires 20 et le mécanisme de maintien 22 est plongée dans le liquide diélectrique 30. Le système de raccordement 24 et le système électronique de gestion 28 sont également avantageusement totalement plongés dans le liquide diélectrique 30.
Le liquide diélectrique 30 remplit en particulier les canaux 82A, 82B situés entre les cellules électrochimiques 18, et entre en contact direct avec les faces principales 74, 76 des cellules électrochimiques 18 à travers les ouvertures longitudinales 87A, 87B.
Ainsi, un échange thermique par convection se produit directement au niveau de chaque face principale 74, 76 de chaque cellule électrochimique 18, entre le liquide diélectrique 30 et la cellule électrochimique 18, permettant l’évacuation très efficace des calories engendrées dans la cellule électrochimique 18.
De préférence, le liquide diélectrique 30 est mis en circulation dans le volume intérieur 14 par l’intermédiaire d’une pompe du circuit de refroidissement 32.
Du liquide diélectrique 30 destiné à être réchauffé est convoyé dans le volume intérieur 14 à travers l’entrée d’amenée 48, pour circuler de bas en haut et latéralement depuis l’entrée d’amenée 48 vers la sortie d’évacuation 50 à travers les canaux 82A, 82B.
Le liquide diélectrique 30 entre ainsi dans chaque canal 82A, 82B par une première ouverture d’extrémité 88C, balaye une face principale 74, 76 le long de l’ouverture longitudinale 87A, 87B où il se réchauffe, et ressort hors de l’empilement 16 par une deuxième ouverture d’extrémité 88D, avant de rejoindre la sortie d’évacuation 50.
Le liquide diélectrique 30 présente avantageusement une résistivité supérieure à 50 GQ et une tension de rupture supérieure à 40 kV pour un entrefer de 2,5 mm, de préférence comprise entre 45 kV et 55 kV pour un entrefer de 2,5 mm.
Le liquide diélectrique 30 présente en outre une densité inférieure à 1 , par exemple comprise entre 0,7 et 0,9, et une viscosité faible par exemple inférieure à 3,3 mPa.s à 25°C, tel que mesuré par la Norme ASTM D7042.
Le montage du module de batterie 10 est particulièrement simple à réaliser.
Les cellules électrochimiques 18 et les pièces intercalaires 20 sont fournies, et sont montées en alternance les unes contre les autres, chaque pièce intercalaire 20 étant insérée entre deux cellules électrochimiques 18 adjacentes. Puis, des flasques d’extrémités 100A, 100B sont placés aux extrémités de l’empilement 16. Les étriers 112A, 112B sont alors insérés dans les rainures 110 au contact de la face extérieure 106 de chaque flasque d’extrémité 100A, 100B.
Les étriers 112A, 112B sont insérés dans les pattes 86, 108 de part et d’autre des pièces intercalaires 20 et des flasques 100A, 100B.
Les extrémités libres 114A, 114B des étriers 112 sont alors jointes les unes avec les autres, et un serrage est appliqué pour que les tirants 102 maintiennent l’empilement 16 en compression.
Le système de raccordement 24 et le système électronique de gestion 28 sont alors montés sur l’empilement 16.
Puis, l’empilement 16 est introduit dans le volume intérieur 14 du boîtier 12 à travers l’ouverture supérieure 44. Le couvercle 46 est alors mis en place pour fermer l’ouverture supérieure 44.
Le volume intérieur 14 du module de batterie 10 est ensuite rempli de liquide de refroidissement 30 et est raccordé au circuit de refroidissement 32.
En fonctionnement, lors d’une phase de décharge du module de batterie 10, un courant et une tension sont délivrés par les bornes 26 du module de batterie 10. Au contraire, lors d’une phase de recharge, un courant et une tension sont appliqués aux bornes 26 du module de batterie 10.
La chaleur engendrée dans les cellules électrochimiques 18 est évacuée par la mise en circulation du liquide diélectrique 30 depuis l’entrée d’amenée 48, dans le volume intérieur 14 autour de l’empilement 16, à travers les premières ouvertures d’extrémité 88C des canaux 82A, 82B puis le long des canaux 82A, 82B en contact avec les faces principales 74, 76 des cellules électrochimiques 18.
Le liquide diélectrique 30 se réchauffe alors par convection, et est évacué à travers les deuxièmes ouvertures d’extrémité 88D, puis à travers la sortie d’évacuation de liquide avant d’être refroidi dans le circuit 32.
La forme des canaux 82A, 82B délimités par les pièces intercalaires 20 assure un écoulement approprié de liquide diélectrique 30 au contact des faces 74, 76 des cellules électrochimiques 18, tout en laissant les pièces intercalaires 20 conserver un excellent contact mécanique avec les cellules électrochimiques 18.
La présence des zones d’appui 83A, 83B empêche le gonflement des cellules électrochimiques 18 et maintient l’intégrité de l’empilement 16, même si la puissance délivrée est élevée, ou/et lors d’une recharge. Les dimensions réduites des canaux 82A, 82B par rapport au volume présent à l’extérieur des canaux 82A, 82B assure en outre un effet d’accélération du flux de liquide diélectrique 30 au sein des canaux 82A, 82B, ce qui augmente la chaleur échangée au niveau des canaux 82A, 82B et donc la capacité de refroidissement au sein du module de batterie 10.
La circulation d’un liquide diélectrique 30 tel que défini plus haut garantit en outre que le module de batterie 10 est fiable et sûr, tout en offrant une performance élevée en terme de refroidissement. Cette performance est due en particulier à la convection directe depuis les cellules électrochimiques 18 vers le liquide diélectrique 30.
En outre, le liquide diélectrique 30 remplissant la totalité du volume intérieur 14, il refroidit les différentes languettes 62 et 64 de connexions de chaque cellule électrochimique 18 et le système électronique de gestion 28 qui sont immergés.
Les propriétés avantageuses énoncées ci-dessus en terme de refroidissement, de robustesse mécanique, de fiabilité et de sécurité sont obtenues tout en conservant une compacité maximale du module de batterie 10, en particulier par rapport à des solutions existantes.
Ceci est le cas par rapport à des échangeurs classiques, qui sont interposés entre des cellules électrochimiques, mais dans lesquels l’échange thermique entre le liquide de refroidissement et la paroi des cellules s’effectue uniquement par conduction thermique sans contact.
En outre, l’empilement 16 étant totalement immergé dans le volume intérieur 14, il n’est pas nécessaire de fournir une capacité de stockage de liquide diélectrique 30, le volume intérieur 14 constituant cette capacité de stockage.
Le gain de masse et de volume par rapport à un module de batterie classique peut donc être de l’ordre de 30% à 50%, notamment lorsque les pièces intercalaires 20 sont réalisés en plastique.
De plus, la configuration des canaux 82A, 82B est modifiable pour s’adapter à diverses postions des entrées d’amenées 48 et des sorties d’évacuation 50.
Dans l’exemple de la figure 6, l’entrée d’amenée de liquide 48 est située au fond du boîtier 12. La sortie d’évacuation de liquide 50 est située dans le couvercle 46.
Dans ce cas, les canaux 82A, 82B s’étendent verticalement, perpendiculairement à l’axe A-A’ et au fond 40. Les premières ouvertures 88C s’ouvrent dans une face inférieure de l’empilement 16, alors que les deuxièmes ouvertures 88D débouchent dans une face supérieure de l’empilement 16. Les pièces intercalaires 20 de la figure 6 différent en outre de ceux de la figure 2 en ce que la région supérieure 84 est également munie de canaux 82A, 82B.
Dans la variante représentée sur la figure 7, l’entrée d’amenée de liquide 48 et la sortie d’évacuation de liquide 50 sont situées sur la même paroi 42 latérale, du même côté du boîtier 12. Dans ce cas, les premières ouvertures 88C et les ouvertures 88D débouchent dans la même face latérale de l’empilement 16. Chaque canal présente alors une forme de II avec un demi-tour à l’opposé des ouvertures 88C, 88D.
Dans l’exemple représenté sur la figure 7, les canaux 82A, 82B adoptent en outre une configuration en gigogne avec un canal 82A, 82B le plus à l’extérieur présentant des ouvertures 88C, 88D les plus éloignées et une forme de II de largeur maximale. Le canal 82A, 82B le plus à l’extérieur contient l’ensemble des canaux 82A, 82B ayant une forme de U de largeur inférieure, chaque canal 82A, 82B ayant une forme de U de largeur inférieure étant imbriqué dans un canal 82A, 82B ayant une forme de U de largeur supérieure.
La variante de la figure 8 diffère de celle de la figure 7 en ce que l’entrée d’amenée 48 et la sortie d’évacuation 50 débouchent dans le fond 40.
Les ouvertures d’extrémités 88C, 88D de chaque canal 82A, 82B débouchent toutes dans une face inférieure de l’empilement 16.
Chaque canal 82A, 82B présente également une forme de U, les canaux 82A, 82B étant avantageusement dans une configuration gigogne, comme décrit précédemment.
Dans une autre variante représentée sur la figure 9, le boîtier 12 est muni d’une paroi supérieure 42A fixe par rapport aux parois latérales 42.
Les parois latérales 42 définissent une ouverture latérale d’accès 44 au volume intérieur dans une face latérale du boîtier 12.
Dans cet exemple, le mécanisme de maintien 22 est dépourvu de tirant 102. Le premier flasque 100A est formé par la face intérieure d’une paroi latérale 42. Le deuxième flasque 100B est formé par une trappe 120, propre à fermer l’ouverture d’accès 44, en comprimant les cellules électrochimiques 18 et les pièces intercalaires 20 les uns contre les autres pour les maintenir en appui sur le flasque 100A.
Cette variante réduit encore le nombre de pièces nécessaires pour réaliser l’empilement 16, augmente la compacité, tout en conservant les propriétés avantageuses décrites plus haut.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module de batterie (10) comprenant :
- un boîtier (12) définissant un volume intérieur (14) ;
- un empilement (16) comportant :
* une pluralité de cellules électrochimiques (18) empilées dans le volume intérieur (14) ;
* au moins une pièce intercalaire (20) interposée entre chaque paire de cellules électrochimiques (18) adjacentes ;
* un mécanisme de maintien (22) de l’empilement (16) propre à enserrer les cellules électrochimiques (18) et les pièces intercalaires (20) les unes contre les autres ; l’empilement (16) étant contenu dans le volume intérieur (14) ;
- au moins un liquide diélectrique (30) de refroidissement de l’empilement (16), caractérisé en ce que le liquide diélectrique (30) remplit le volume intérieur (14), l’empilement (16) étant totalement immergé dans le liquide diélectrique (30), la ou chaque pièce intercalaire (20) définissant au moins un canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique, le canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant à la périphérie de l’empilement (16) pour permettre la circulation du liquide diélectrique (30) dans l’empilement (16) et s’ouvrant en regard d’une face principale (74, 76) d’au moins une cellule électrochimique (18) appliquée sur la pièce intercalaire (20), pour mettre en contact la face principale (74, 76) de la cellule électrochimique (18) avec le liquide diélectrique (30).
2. Module de batterie (10) selon la revendication 1 , dans lequel l’au moins une pièce intercalaire (20) définit une pluralité de canaux ouverts (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique séparés les uns des autres.
3. Module de batterie (10) selon la revendication 2, dans lequel la ou chaque pièce intercalaire (20) définit au moins un premier canal ouvert (82A) de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant vers une première face principale (74) d’une première cellule électrochimique (18) adjacente à la pièce intercalaire (20), et fermé vers une deuxième face principale (76) d’une deuxième cellule électrochimique (18) adjacente à la pièce intercalaire (20), située à l’opposé de la première cellule électrochimique (18) par rapport à la pièce intercalaire (20), la pièce intercalaire (20) comportant au moins un deuxième canal ouvert (82B) de circulation du liquide diélectrique s’ouvrant vers la deuxième face principale (76) de la deuxième cellule électrochimique (18), et fermé vers la première face principale (74) de la première cellule électrochimique (18).
4. Module de batterie (10) selon la revendication 3, dans lequel un fond (92A) du premier canal ouvert (82A) de circulation du liquide diélectrique est appliqué sur la deuxième face principale (76) de la deuxième cellule électrochimique (18), un fond (92B) du deuxième canal ouvert (82B) de circulation du liquide diélectrique étant appliqué sur la première face principale (74) de la première cellule électrochimique (18).
5. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique débouche à la périphérie de l’empilement (16) par au moins deux ouvertures distinctes (88C, 88D).
6. Module de batterie (10) selon la revendication 5, dans lequel les deux ouvertures distinctes (88C, 88D) débouchent dans deux faces distinctes de l’empilement (16), avantageusement dans deux faces opposées ou adjacentes de l’empilement (16), ou dans lequel les deux ouvertures distinctes (88C, 88D) débouchent dans la même face de l’empilement (16).
7. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’aire de la section transversale de chaque canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique est inférieure à 2 mm2, et notamment comprise entre 0.5 mm2 et 2 mm2.
8. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le boîtier (12) définit une entrée (48) d’amenée de liquide diélectrique (30) dans le volume intérieur (14) et une sortie (50) d’évacuation de liquide diélectrique (30) à l’extérieur du volume intérieur (14), l’entrée d’amenée (48) et la sortie d’évacuation (50) étant destinées à être raccordées à un circuit de refroidissement (32) du liquide diélectrique (30) comportant avantageusement une pompe.
9. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mécanisme de maintien (22) comporte deux flasques d’extrémités (100A, 100B), disposés de part et d’autre de l’empilement (16), et au moins un tirant (102) raccordant les deux flasques d’extrémités (100A, 100B).
10. Module de batterie (10) selon la revendication 9, dans lequel au moins un des flasques d’extrémités (100A, 100B) comporte une face interne (104) destinée à être placée en regard d’une cellule électrochimique (18) de l’empilement (16), la face interne (104) étant incurvée avant enserrement de l’empilement (16) à l’aide du tirant (102) et s’aplanissant sur une face principale (74, 76) d’une cellule électrochimique (18) après enserrement de l’empilement (16) à l’aide du tirant (102).
11. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le boîtier (12) comporte une ouverture latérale d’accès (44) et une face interne opposée située en regard de l’ouverture latérale d’accès (44), le mécanisme de maintien (22) comportant au moins une trappe (120) de fermeture de l’ouverture latérale d’accès (44) propre à comprimer l’empilement (16) entre la trappe (120) et la face opposée.
12. Module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque cellule électrochimique (18) définit au moins une languette de connexion électrique (62, 64) faisant saillie par rapport é l’empilement (16), les languettes de connexion électrique (62, 64) étant immergées dans le liquide diélectrique (30).
13. Module de batterie (10) selon la revendication 12, comportant au moins un système de raccordement (24) et/ou au moins un système électronique de gestion (28) du module de batterie (10) raccordés à chaque languette de connexion électrique (62, 64), le système de raccordement (24) et/ou le système électronique de gestion (28) étant immergés dans le liquide diélectrique (30).
14. Module de batterie (10) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque cellule électrochimique (18) comporte une poche (60), notamment est une cellule électrochimique lithium ion de format pochette ou dans lequel chaque cellule électrochimique comporte un élément de forme prismatique, le liquide diélectrique présent dans le ou chaque canal ouvert (82A, 82B) de circulation du liquide diélectrique étant au contact de la poche (60) ou de l’élément prismatique.
15. Batterie, comportant au moins un module de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
16. Véhicule, notamment véhicule automobile, spatial ou aéronef, comportant au moins une batterie selon la revendication 15.
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