FR3022402A1 - MODULAR ELECTRICAL BATTERY COMPRISING A THERMAL PROTECTION AND CONTROL DEVICE - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur une batterie électrique modulaire améliorée intégrant des fonctions de régulation thermique et de protection mécanique. La batterie comprend : ○ un ensemble de cellules rechargeables (100) connectées électriquement entre elles, disposées pour former au moins un plateau (101) comprenant au moins une première face (101a) comportant des moyens de connexion électrique (110) entre cellules, ○ un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins un joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique (120) intercalé entre les moyens de connexion électrique (110) de la première face et un collecteur thermique comprenant au moins une plaque en matériau thermiquement conducteur (130) en contact avec le joint, ○ un boîtier (140) contenant au moins l'ensemble de cellules et comportant au moins une paroi thermiquement conductrice (142) en contact avec la plaque.The invention relates to an improved modular electric battery incorporating thermal regulation and mechanical protection functions. The battery comprises: a set of rechargeable cells (100) electrically connected together, arranged to form at least one plate (101) comprising at least one first face (101a) having means for electrical connection (110) between cells, ○ a thermal protection and regulation device comprising at least one joint of both electrical insulating material and thermal conductor (120) interposed between the electrical connection means (110) of the first face and a thermal collector comprising at least one plate thermally conductive material (130) in contact with the seal, ○ a housing (140) containing at least the cell assembly and having at least one thermally conductive wall (142) in contact with the plate.
Description
i Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des batteries électriques modulaires (ou packs batteries), notamment la régulation thermique des batteries électriques modulaires rechargeables.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of modular electric batteries (or battery packs), in particular the thermal regulation of rechargeable modular electric batteries.
Contexte général L'utilisation de packs batteries comme sources réversibles d'énergie et de puissance dans les applications portables est courante, et elle se généralise dans les applications de traction et les applications stationnaires. Dans ces applications où de forts niveaux de tension et des capacités élevées sont nécessaires, les packs batteries sont généralement formés de modules, connectés entre eux en série et/ou en parallèle suivant l'application visée. Chaque module intègre une pluralité de cellules élémentaires, qui sont des cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique, connectées en série et/ou en parallèle par une connectique appropriée au passage du courant. Une architecture de batterie électrique modulaire, où des modules compacts de taille intermédiaire constituent individuellement une source d'énergie et de puissance, est classiquement utilisée car elle apporte une flexibilité pour l'agencement, l'utilisation et la maintenance des modules.Background The use of battery packs as reversible sources of power and power in portable applications is common, and is becoming more common in traction applications and stationary applications. In these applications where high voltage levels and high capacities are required, the battery packs are generally formed of modules, connected together in series and / or in parallel depending on the intended application. Each module integrates a plurality of elementary cells, which are electrochemical cells for storing and restoring electrical energy, connected in series and / or in parallel by appropriate connections to the current flow. A modular electric battery architecture, where compact modules of intermediate size individually constitute a source of energy and power, is conventionally used because it provides flexibility for the arrangement, use and maintenance of the modules.
Certaines fonctions du pack batterie comme la régulation thermique, la protection mécanique et la sécurité pour le stockage réversible de l'énergie électrique doivent alors être prises en compte et assurées au niveau du module de batterie. Actuellement, différentes technologies de batteries rechargeables, aussi appelées batteries secondaires, assurant le stockage réversible d'énergie électrique sous forme électrochimique, sont utilisées pour les applications associées à la traction électrique des véhicules ou aux énergies stationnaires. Parmi celles-ci, les batteries Li-ion sont largement étudiées. Un module de batterie doit être régulé thermiquement notamment car la charge et la décharge des cellules entrainent des élévations de température, en particulier dues à la résistance interne des cellules et à celle des connectiques reliant les cellules. Or, une batterie doit fonctionner dans une gamme de température limitée, notamment les batteries Li-ion, afin d'une part de prévenir tout risque d'emballement thermique des cellules, et d'autre part de limiter les phénomènes de vieillissement des cellules, qui affectent les performances du module et requièrent une maintenance accrue. Différents phénomènes indésirables peuvent intervenir si une ou plusieurs cellules d'un pack batterie se trouvent en dehors des plages de température et/ou de tension préconisées par le constructeur. Ces phénomènes peuvent être provoqués par un point chaud localement et/ou une surcharge, mais également par un endommagement mécanique sur les cellules, comme une perforation, ou un contact sur les connectiques provoquant un court-circuit.Certain functions of the battery pack such as thermal regulation, mechanical protection and safety for the reversible storage of electrical energy must then be taken into account and ensured at the level of the battery module. At present, various rechargeable battery technologies, also known as secondary batteries, for the reversible storage of electrical energy in electrochemical form, are used for applications associated with electric traction of vehicles or with stationary energies. Among these, Li-ion batteries are widely studied. A battery module must be thermally regulated in particular because the charging and discharging of the cells cause temperature rises, in particular due to the internal resistance of the cells and to that of the connectors connecting the cells. However, a battery must operate in a limited temperature range, including Li-ion batteries, in order firstly to prevent any risk of thermal runaway of the cells, and secondly to limit the aging phenomena of the cells, that affect module performance and require increased maintenance. Various undesirable phenomena may occur if one or more cells of a battery pack are outside the ranges of temperature and / or voltage recommended by the manufacturer. These phenomena can be caused by a hot spot locally and / or overload, but also by mechanical damage to the cells, such as perforation, or contact on the connectors causing a short circuit.
Suivant la chimie de l'accumulateur, ces phénomènes vont pouvoir irréversiblement endommager les matériaux actifs, réduire la capacité de cellule, rendre le système inopérant voire provoquer un emballement thermique assorti de risques de feu et/ou de dégagements gazeux. Pour ce qui concerne les accumulateurs Li-ion, des systèmes de sécurité "passifs" sont intégrés dans la conception de chaque élément (séparateur capable de couper irréversiblement la circulation de l'électrolyte entre les électrodes, compartiment à gaz et évent pour éviter la montée en pression, etc) afin de réduire les risques d'emballement thermique. Une électronique spécifique peut également être intégrée dans la cellule, avec le même objectif. A l'échelle du module ou du pack, le système de gestion de la batterie ou Battery Management System (BMS) en termes anglo-saxons doit assurer le fonctionnement en toute sécurité en conditions d'usage normal et limiter les risques en usage abusif. Or les possibilités d'endommagement mécanique d'un pack sont multiples, eu égard aux versatilités des usages, notamment dans un véhicule. Si une protection mécanique externe est couramment utilisée, le BMS paraît impuissant à éviter un court- circuit initié sur les connectiques et la propagation de chaleur associée via les connectiques. Une protection mécanique du module est donc également importante pour réduire les risques d'endommagement par court-circuit, induits par exemple lors d'un choc 30 qui conduit à la perforation d'une cellule ou lorsqu'un composant électriquement conducteur entre en contact avec les connectiques.Depending on the chemistry of the accumulator, these phenomena will irreversibly damage the active materials, reduce the cell capacity, render the system inoperative or even cause a thermal runaway with fire risks and / or gassing. For Li-ion batteries, "passive" safety systems are integrated in the design of each element (separator capable of irreversibly cutting the flow of electrolyte between the electrodes, gas compartment and vent to prevent the rise in pressure, etc.) to reduce the risk of thermal runaway. Specific electronics can also be integrated into the cell, with the same purpose. At the level of the module or the pack, the Battery Management System (BMS) in English terms must ensure safe operation under normal use and limit the risks of misuse. Or the possibilities of mechanical damage to a pack are multiple, given the versatility of use, especially in a vehicle. If external mechanical protection is commonly used, the BMS seems powerless to avoid a short circuit initiated on the connectors and the associated heat propagation via connectors. Mechanical protection of the module is therefore also important to reduce the risk of damage by short circuit, induced for example during a shock which leads to the perforation of a cell or when an electrically conductive component comes into contact with the connectors.
La prise en compte des fonctions de régulation thermique et de protection mécanique à l'échelle du module dans une batterie électrique modulaire permet d'en améliorer la sécurité.Taking into account the module-level thermal control and mechanical protection functions in a modular electric battery makes it possible to improve its safety.
De nombreuses techniques de refroidissement et diverses architectures de batteries modulaires existent. La demande de brevet US 2013/0089768 Al décrit par exemple un pack batterie dans lequel des inserts conducteurs thermiques sont glissés entre des cellules cylindriques parallèlement à leurs axes, et sont fixés au boîtier du pack par une extrémité au moins. Ces inserts dissipent la chaleur captée par contact direct avec les faces latérales des cellules vers l'extérieur de du pack batterie. Toutefois, la chaleur conduite et dissipée par les connectiques n'est pas drainée vers l'extérieur, au risque de générer des points chauds dans le module, et aucune précaution n'est prise quant au risque de propagation par les connectiques de la chaleur générée par un court-circuit d'une cellule à l'autre. La demande de brevet WO 2012/136439 Al décrit une batterie modulaire comprenant un empilement de cellules dans laquelle au moins un élément de refroidissement est inséré entre deux cellules prismatiques adjacentes dans l'empilement. L'élément de refroidissement comporte une section thermo-conductrice située entre les cellules et une section de refroidissement qui ressort latéralement à l'extérieur de l'empilement. Cependant, la chaleur collectée et dissipée par les connectiques n'est pas drainée vers l'extérieur, risquant alors de générer des points chauds propices à l'emballement thermique et des gradients thermiques au sein de la cellule propices au vieillissement. De surcroît, la structure du module de batterie apparaît protubérante plutôt que compacte, ce qui n'est pas souhaitable pour l'agencement des modules d'un pack modulaire en milieu confiné. La demande de brevet US 2012/0034499 Al décrit une batterie modulaire dans laquelle une bande thermique possédant des propriétés de conduction thermique et électrique élevées, est connectée entre la borne d'une première cellule et la borne d'une seconde cellule, et est reliée à la paroi du boîtier de la batterie présentant une conductivité thermique élevée par un dispositif de pont thermique caractérisé par son isolation électrique. Cependant, aucune précaution n'est prise quant aux risques d'occurrence de court-circuit et de propagation de court-circuit au niveau des connectiques, notamment de propagation de la chaleur d'une cellule à l'autre. La demande de brevet EP 2 530 778 Al décrit un autre exemple de batterie modulaire dans laquelle est réalisée une dissipation active de la chaleur par un système de ventilation interne ou externe à la batterie, ou par un système de circulation d'un fluide de refroidissement. La batterie comporte un ensemble d'inserts conducteurs thermiques et isolants électriques, fixés à un socle dissipateur thermique, glissés entre des cellules cylindriques parallèlement à leurs axes, qui isolent de manière étanche les cellules individuellement au niveau des faces latérales et inférieures. Ces inserts captent la chaleur dégagée par contact direct avec les faces latérales des cellules et la conduisent vers le dissipateur thermique qui est ventilé par un système de ventilation interne ou externe à la batterie, ou qui est en contact avec un échangeur de chaleur. Ce type de batterie, spécifique aux batteries rechargeables cylindriques, a pour principal inconvénient de reposer sur une dissipation active de la chaleur, nécessitant de l'énergie. D'autre part le système présente une structure complexe, comportant divers éléments composites imbriqués les uns dans les autres. Objectifs et résumé de l'invention La présente invention a pour objectif de surmonter au moins en partie les 20 problèmes de l'art antérieur mentionnés ci-dessus, et vise généralement à fournir une batterie électrique modulaire améliorée en termes de sécurité par une intégration combinée de fonctions de régulation thermique et de protection mécanique de la batterie. La présente invention vise en particulier à fournir une batterie modulaire qui peut 25 à la fois être régulée thermiquement, sans nécessiter un apport d'énergie spécifique pour cette régulation thermique, de manière à prévenir tout risque d'emballement thermique des cellules et à limiter les phénomènes de vieillissement des cellules, et dans laquelle les risques d'endommagement de la batterie par occurrence et propagation de court-circuit pouvant être provoqués mécaniquement, en particulier au niveau des 30 connectiques, sont limités. La présente invention est bien adaptée à la traction de véhicules électriques, notamment des véhicules électriques dans lesquels les sollicitations des batteries sont très importantes et peuvent entrainer un emballement thermique lié à une usage « abusif », allant au-delà de l'usage normal, ou lié à un endommagement mécanique. Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la 5 présente invention propose, selon un premier aspect, une batterie électrique modulaire comportant : - un ensemble de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique connectées électriquement entre elles, chaque cellule comportant une borne positive et une borne négative, les cellules étant disposées les unes à côté des 10 autres pour former au moins un plateau comprenant au moins une première face comportant des moyens de connexion électrique entre les cellules, - un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins un joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique intercalé entre lesdits moyens de connexion électrique de ladite première face et un collecteur thermique 15 comprenant au moins une plaque en matériau thermiquement conducteur en contact avec ledit joint, - un boîtier contenant au moins ledit ensemble de cellules et comportant au moins une paroi thermiquement conductrice en contact avec ladite plaque. Selon un mode de réalisation, la batterie comprend au moins deux plateaux de 20 cellules, disposés l'un face à l'autre par une deuxième face, opposée à ladite première face comportant des moyens de connexion. Selon un mode de réalisation, la batterie peut comprendre au moins une tige en matériau thermiquement conducteur fixée à ses deux extrémités auxdites plaques de chacun des deux plateaux, ladite tige étant insérée entre les cellules. 25 Le boîtier peut alors comporter une seule paroi thermiquement conductrice en contact avec une seule plaque du collecteur, de manière à développer une surface de contact telle que la chaleur de l'ensemble des cellules est dissipée et évacuée vers l'extérieur de la batterie de manière passive. Avantageusement, la batterie comporte au moins un plateau intermédiaire 30 disposé entre lesdits deux plateaux, et comportant un dispositif de protection et de régulation thermique similaire aux autres plateaux, ladite au moins une tige en matériau thermiquement conducteur étant en outre fixée à la plaque du plateau intermédiaire. Une pluralité de tiges peuvent être réparties entre les cellules, chaque tige étant de préférence disposée entre quatre cellules adjacentes situées sur deux rangées de cellules d'un même plateau, l'ensemble de tiges comprenant de préférence entre 2 et (n1) x (m-1) tiges, n étant le nombre de cellules par rangée d'un plateau et m étant le nombre de rangées du même plateau. Selon un mode de réalisation, les cellules sont de forme cylindrique, de 5 préférence ayant chacune leur borne positive et leur borne négative sur deux faces opposées de la cellule. Alternativement, les cellules électrochimiques sont des cellules prismatiques, ayant chacune leur borne positive et leur borne négative sur une même face de la cellule. De préférence, les cellules sont de type Li-ion. 10 Avantageusement, la plaque est formée d'un ou plusieurs matériaux thermiquement conducteur, de préférence en métal et/ou en matériau composite comprenant des charges thermiquement conductrices. Le joint peut être sous une forme discontinue et constitué par un ensemble de lamelles. 15 Le joint peut également être sous forme d'un tapis continu. Avantageusement, la paroi thermiquement conductrice du boîtier est en matériau plastique ou composite comprenant de préférence un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type acide polylactique, acrylonitrile-butadiène-styrène, ou nylon. La paroi thermiquement conductrice du boîtier peut également être en métal, de 20 préférence en aluminium. La présente invention porte également sur un véhicule électrique ou hybride comprenant une batterie selon l'invention. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la 25 description qui suit d'exemples de réalisations particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après. Brève description des figures 30 La figure 1 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.Many cooling techniques and various modular battery architectures exist. The patent application US 2013/0089768 A1 for example describes a battery pack in which thermal conductor inserts are slid between cylindrical cells parallel to their axes, and are fixed to the package housing by at least one end. These inserts dissipate the heat captured by direct contact with the lateral faces of the cells towards the outside of the battery pack. However, the heat conducted and dissipated by the connectors is not drained to the outside, at the risk of generating hot spots in the module, and no precaution is taken as to the risk of propagation by the connectors of the heat generated. by a short circuit from one cell to another. Patent application WO 2012/136439 A1 describes a modular battery comprising a stack of cells in which at least one cooling element is inserted between two adjacent prismatic cells in the stack. The cooling element has a thermo-conductive section located between the cells and a cooling section that projects laterally out of the stack. However, the heat collected and dissipated by the connectors is not drained to the outside, thus risking generating hot spots conducive to thermal runaway and temperature gradients within the cell conducive to aging. In addition, the structure of the battery module appears protruding rather than compact, which is not desirable for the arrangement of the modules of a modular pack in a confined space. US Patent Application 2012/0034499 A1 discloses a modular battery in which a thermal band having high thermal and electrical conduction properties, is connected between the terminal of a first cell and the terminal of a second cell, and is connected to the wall of the battery case having a high thermal conductivity by a thermal bridge device characterized by its electrical insulation. However, no precaution is taken as to the risks of occurrence of short-circuit and short-circuit propagation at the level of connectors, including heat propagation from one cell to another. Patent Application EP 2,530,778 A1 describes another example of a modular battery in which an active heat dissipation is carried out by a ventilation system internal to or external to the battery, or by a system for circulating a cooling fluid. . The battery comprises a set of thermal insulating and electrical insulating inserts, attached to a heat sink base, slid between cylindrical cells parallel to their axes, which individually seal the cells at the side and bottom faces. These inserts capture the heat released by direct contact with the side faces of the cells and lead to the heat sink which is ventilated by a ventilation system internal or external to the battery, or which is in contact with a heat exchanger. This type of battery, specific to cylindrical rechargeable batteries, has the main disadvantage of being based on an active dissipation of heat, requiring energy. On the other hand the system has a complex structure, comprising various composite elements nested in each other. OBJECTS AND SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to overcome at least in part the above-mentioned problems of the prior art, and generally aims at providing a modular safety battery improved in terms of security by combined integration. thermal control functions and mechanical protection of the battery. The present invention aims in particular to provide a modular battery which can both be thermally regulated without requiring a specific energy input for this thermal regulation, so as to prevent any risk of thermal runaway of the cells and to limit the cell aging phenomena, and in which the risks of damage to the battery by occurrence and short-circuit propagation that can be caused mechanically, particularly at the level of connectors, are limited. The present invention is well suited to the traction of electric vehicles, especially electric vehicles in which the solicitations of the batteries are very important and may cause a thermal runaway linked to an "abusive" use, going beyond the normal use, or linked to mechanical damage. Thus, to achieve at least one of the aforementioned objectives, among others, the present invention proposes, in a first aspect, a modular electric battery comprising: a set of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy electrically connected to each other, each cell having a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to one another to form at least one plate comprising at least a first face having electrical connection means between the cells; a thermal protection and regulation device comprising at least one joint of material both electrical insulator and thermal conductor interposed between said electrical connection means of said first face and a thermal collector comprising at least one plate of thermally conductive material in contact with said seal, a housing containing at least said set emble of cells and having at least one thermally conductive wall in contact with said plate. According to one embodiment, the battery comprises at least two trays of 20 cells, arranged opposite one another by a second face, opposite to said first face having connection means. According to one embodiment, the battery may comprise at least one rod of thermally conductive material attached at both ends to said plates of each of the two plates, said rod being inserted between the cells. The casing may then comprise a single thermally conductive wall in contact with a single plate of the collector, so as to develop a contact surface such that the heat of all the cells is dissipated and discharged to the outside of the battery. passive way. Advantageously, the battery comprises at least one intermediate plate 30 disposed between said two plates, and comprising a thermal protection and regulation device similar to the other plates, said at least one rod of thermally conductive material being furthermore fixed to the plate of the plate intermediate. A plurality of rods may be distributed between the cells, each rod preferably being disposed between four adjacent cells located in two rows of cells of a same tray, the set of rods preferably comprising between 2 and (n1) x (m -1) stems, where n is the number of cells per row of a plate and m is the number of rows of the same plate. According to one embodiment, the cells are cylindrical in shape, preferably each having their positive terminal and their negative terminal on two opposite sides of the cell. Alternatively, the electrochemical cells are prismatic cells, each having their positive terminal and their negative terminal on the same face of the cell. Preferably, the cells are of Li-ion type. Advantageously, the plate is formed of one or more thermally conductive materials, preferably metal and / or composite material comprising thermally conductive fillers. The seal may be in a discontinuous form and constituted by a set of lamellae. The seal may also be in the form of a continuous carpet. Advantageously, the thermally conductive wall of the housing is made of plastic or composite material preferably comprising one or more thermoplastic polymers of the polylactic acid, acrylonitrile-butadiene-styrene or nylon type. The thermally conductive wall of the housing may also be metal, preferably aluminum. The present invention also relates to an electric or hybrid vehicle comprising a battery according to the invention. Other objects and advantages of the invention will appear on reading the following description of examples of particular embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples, the description being made with reference to the appended figures described. below. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 is a schematic cross section of a modular battery according to a first embodiment of the invention. Figure 2 is a schematic cross section of a modular battery according to a second embodiment of the invention.
La figure 3 est une vue du dessus schématique d'une batterie modulaire selon le deuxième mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 2. La figure 4 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon une variante du deuxième mode de réalisation de l'invention, comprenant trois 5 plateaux de cellules. Les figures 5 et 6 représente l'élévation thermique dans des batteries modulaires selon l'art antérieur. La figure 7 représente l'élévation thermique dans une batterie modulaire selon l'invention. 10 Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues. Description de l'invention 15 L'objet de l'invention est de proposer une batterie modulaire comportant un dispositif de régulation thermique par dissipation passive de la chaleur et de protection mécanique de la batterie, permettant d'améliorer la sécurité d'utilisation de la batterie. 20 Par un dispositif de dissipation passive de la chaleur, on entend un dispositif ne nécessitant pas un système consommateur d'énergie, notamment d'électricité, pour son fonctionnement, par opposition aux dispositifs de dissipation de chaleur actifs tels que des systèmes de ventilation d'air mettant en oeuvre des ventilateurs ou des systèmes de circulation de fluide caloporteur avec pompe (échangeur de chaleur). 25 Dans la présente description, on se référera indifféremment à l'expression batterie modulaire ou batterie électrique modulaire ou pack batterie, pour désigner une batterie électrique comportant au moins un module formé d'un boîtier et intégrant une pluralité de cellules élémentaires ou éléments, connectés en série et/ou en parallèle par 30 une connectique appropriée au passage du courant. Le terme connectique et l'expression moyens de connexion électrique ont la même signification dans la présente description. La pluralité de cellules de chaque module peut être agencée sous forme de plateaux de cellules tels que décrits ci-après. Une batterie modulaire peut être composée de plusieurs modules connectés entre eux en série et/ou en parallèle suivant l'application visée.FIG. 3 is a schematic top view of a modular battery according to the second embodiment of the invention illustrated in FIG. 2. FIG. 4 is a schematic cross section of a modular battery according to a variant of the second embodiment of FIG. embodiment of the invention, comprising three trays of cells. Figures 5 and 6 shows the thermal elevation in modular batteries according to the prior art. Figure 7 shows the thermal elevation in a modular battery according to the invention. In the figures, the same references designate identical or similar elements. DESCRIPTION OF THE INVENTION The object of the invention is to propose a modular battery comprising a thermal regulation device by passive dissipation of the heat and mechanical protection of the battery, making it possible to improve the safety of use of the battery. drums. By a passive heat dissipation device, it is meant a device that does not require an energy consuming system, particularly electricity, for its operation, as opposed to active heat dissipating devices such as ventilation systems. air using ventilators or heat transfer fluid circulation systems with pump (heat exchanger). In the present description, reference will be made indifferently to the term modular battery or modular electric battery or battery pack, to designate an electric battery comprising at least one module formed of a housing and incorporating a plurality of elementary cells or elements, connected in series and / or in parallel with a suitable connection to the current flow. The term connector and the term electrical connection means have the same meaning in the present description. The plurality of cells of each module may be arranged in the form of cell trays as described below. A modular battery can be composed of several modules connected together in series and / or in parallel depending on the intended application.
Dans tout le présent exposé, sauf indication expresse contraire, un singulier doit être interprété comme un pluriel et réciproquement.Throughout this presentation, unless expressly stated otherwise, a singular must be interpreted as a plural and vice versa.
La présente invention concerne les batteries électriques modulaires rechargeables, c'est-à-dire comprenant des cellules rechargeables électriquement qui sont des cellules électrochimiques unitaires contenant deux électrodes plongeant dans un électrolyte. Ces cellules sont des accumulateurs électrochimiques d'énergie, c'est-à-dire des générateurs électrochimiques rechargeables. Une telle cellule fonctionne spontanément dans le sens générateur lorsque ses électrodes sont mises en contact par un circuit électrique extérieur, par conversion de l'énergie chimique contenue dans les matières actives qui la composent directement en énergie électrique par l'intermédiaire de réactions d'oxydo-réduction (réactions redox), et, ces réactions redox étant réversibles, peut accumuler de l'électricité en branchant une alimentation électrique à ses bornes créant un courant inverse au sens de la décharge. La présente invention propose une régulation thermique d'une batterie électrique modulaire permettant de dissiper de manière efficace et d'évacuer vers l'extérieur de la batterie la chaleur développée à la fois par les cellules et par leur connectique.The present invention relates to rechargeable modular electric batteries, that is to say comprising electrically rechargeable cells which are unitary electrochemical cells containing two electrodes immersed in an electrolyte. These cells are electrochemical energy accumulators, that is to say rechargeable electrochemical generators. Such a cell operates spontaneously in the generator direction when its electrodes are brought into contact by an external electrical circuit, by conversion of the chemical energy contained in the active substances that compose it directly into electrical energy via oxidation reactions. reduction (redox reactions), and these redox reactions being reversible, can accumulate electricity by connecting a power supply to its terminals creating a reverse current in the direction of discharge. The present invention provides a thermal regulation of a modular electric battery to efficiently dissipate and evacuate to the outside of the battery heat developed both by the cells and their connections.
En effet, le dispositif de protection et de régulation thermique selon l'invention permet avantageusement de drainer la chaleur conduite et dissipée aux extrémités des cellules, développée par les cellules elles-mêmes ainsi que par les connectiques associées. La régulation thermique de la batterie selon l'invention est ainsi optimale en ce 25 qu'il est plus efficace de récupérer la chaleur aux extrémités des cellules qu'en tout autre point, et qu'il est également possible de récupérer la chaleur développée par les connectiques, comme cela est expliqué ci-après. La température d'une cellule peut être calculée à partir d'un bilan d'énergie 30 faisant intervenir : - le flux de chaleur interne (pg' généré par l'activité de la cellule, associé aux pertes réversibles et irréversibles pour chaque réaction électrochimique, - le flux (ha transféré vers le milieu ambiant à température Ta.Indeed, the thermal protection and control device according to the invention advantageously allows draining the heat conducted and dissipated at the ends of the cells, developed by the cells themselves and by the associated connectors. The thermal regulation of the battery according to the invention is thus optimal in that it is more efficient to recover the heat at the ends of the cells than at any other point, and it is also possible to recover the heat developed by Connectors, as explained below. The temperature of a cell can be calculated from an energy balance 30 involving: the internal heat flux (pg 'generated by the activity of the cell, associated with the reversible and irreversible losses for each electrochemical reaction) the flow (ha transferred to the ambient environment at temperature Ta.
Le flux thermique net à travers un accumulateur, 9, peut être facilement calculé comme le bilan entre les flux internes et externes, i.e. 9 = 9gen 9tra- La quantité de chaleur stockée dans la batterie, obtenue par intégration du flux de chaleur dans le temps, 5 permet alors de calculer la température de la batterie connaissant la relation (1) suivante: .111 cell Cp dT (t) = (1,2 gen (t) (Ptra(t) (1) dt où Cp est la capacité thermique spécifique moyenne de la cellule et Mceli sa masse. Le flux de chaleur généré par la partie active des cellules, noté çe'gen s'écrit selon l'équation (2) suivante : 10 çoge,, = RI2 + I Avec : R, la résistance de la cellule [Q], OCV, open circuit voltage (la tension à vide de la batterie) [V], I, l'intensité du courant circulant dans la cellule [A], 15 T, la température de la cellule [K], On distingue dans l'équation (2): une contribution ohmique reliée aux pertes par effet Joule çe'fo.,- - RI 2, (aocv 20 entropie = une contribution dite entropique dU La valeur de l'OCV et de dT dépend de l'état de charge (SoC) qui est lui-même calculé en fonction de l'intensité. La valeur de R dépend de l'état de charge et de la température. /aocv (2) La dissipation thermique des cellules est anisotrope compte tenu des caractéristiques électriques et thermiques des cellules de batterie. En général, la composition interne des cellules électrochimiques induit des caractéristiques de conduction électrique et thermique de cellule significativement plus importantes dans le 5 sens axial (défini par l'axe de symétrie principal supportant les connexions) que dans le sens radial (plan perpendiculaire au sens axial défini précédemment). On pourra citer à titre d'exemple les mesures réalisées par Drake et al., 2014 sur des cellules cylindriques Li-ion (S.J. Drake et al, Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells, Journal of Power Sources, 252 (2014) 298-304). En conséquence, 10 le flux de chaleur produit par les cellules est sensiblement plus important dans le sens axial des cellules. Indépendamment de la dissipation thermique associée à la partie active des cellules, les connectiques en métal assurant la liaison électrique entre les cellules sont 15 également le siège d'une dissipation thermique irréversible par effet Joules, selon l'équation (3) : 2 (3) connectique - RI Avec : R, la résistance de la connectique [Q], I, l'intensité du courant circulant dans la connectique [A]. 20 En conséquence, l'échauffement des batteries en usage nominal correspond à la somme des effets donnés dans les équations (1) et (3). La batterie électrique modulaire selon l'invention comporte : 25 - un ensemble de cellules connectées électriquement entre elles, chaque cellule comportant une borne positive et une borne négative, les cellules étant disposées les unes à côté des autres pour former au moins un plateau comprenant au moins une première face comportant des moyens de connexion électrique entre cellules, - un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins un joint en 30 matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique intercalé entre les moyens de connexion électrique de la première face et un collecteur thermique comprenant au moins une plaque en matériau thermiquement conducteur en contact avec le joint, - un boîtier contenant au moins l'ensemble de cellules et comportant au moins une paroi thermiquement conductrice en contact avec ladite plaque.The net thermal flux through an accumulator, 9, can be easily calculated as the balance between the internal and external flows, ie 9 = 9gen 9tra- The amount of heat stored in the battery, obtained by integration of the heat flow over time , 5 then makes it possible to calculate the temperature of the battery knowing the following relation (1): ## EQU1 ## where Cp is the capacitance The mean heat density of the cell and Mceli its mass The heat flux generated by the active part of the cells, noted as "gen", is written according to the following equation (2): ## EQU1 ## , the resistance of the cell [Q], OCV, open circuit voltage (the empty battery voltage) [V], I, the intensity of the current flowing in the cell [A], 15 T, the temperature of the cell [K], One distinguishes in equation (2): an ohmic contribution related to the losses by Joule effect ç'fo., - - RI 2, (aocv 20 entropy = a contribution so called entropic dU The value of the OCV and dT depends on the state of charge (SoC) which is itself calculated according to the intensity. The value of R depends on the state of charge and the temperature. / aocv (2) The heat dissipation of the cells is anisotropic considering the electrical and thermal characteristics of the battery cells. In general, the internal composition of the electrochemical cells induces significantly greater electrical and thermal cell conduction characteristics in the axial direction (defined by the main axis of symmetry supporting the connections) than in the radial direction (plane perpendicular to the direction axial defined above). As an example, the measurements made by Drake et al., 2014 on Li-ion cylindrical cells (SJ Drake et al, Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells, Journal of Power Sources, 252 ( 2014) 298-304). As a result, the heat flux produced by the cells is substantially greater in the axial direction of the cells. Regardless of the heat dissipation associated with the active part of the cells, the metal connectors ensuring the electrical connection between the cells are also the seat of an irreversible heat dissipation by Joules effect, according to equation (3): 2 (3). ) connectivity - RI With: R, the resistance of the connection [Q], I, the intensity of the current circulating in the connection [A]. As a result, the heating of the batteries in nominal use corresponds to the sum of the effects given in equations (1) and (3). The modular electric battery according to the invention comprises: a set of cells electrically connected to each other, each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to one another to form at least one plate comprising at least one less a first face comprising means for electrical connection between cells, - a thermal protection and regulation device comprising at least one joint of material both electrical insulator and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face and a thermal collector comprising at least one plate of thermally conductive material in contact with the seal, - a housing containing at least the set of cells and having at least one thermally conductive wall in contact with said plate.
Selon l'invention, la dissipation de la chaleur et son évacuation à l'extérieur de la batterie modulaire se fait uniquement de manière passive. Ainsi, il est notamment possible de s'affranchir de systèmes complexes de régulation thermique, pouvant être encombrants et consommateurs d'énergie.According to the invention, the dissipation of heat and its evacuation outside the modular battery is only passive. Thus, it is possible to overcome the complex systems of thermal regulation, which can be cumbersome and energy consumers.
Un premier mode de réalisation de la batterie selon l'invention est illustré à la figure 1. La batterie est représentée de manière schématique selon une coupe transversale. Seule une partie de la batterie est représentée. Pour la suite de la description, on définit une direction longitudinale X selon la longueur de la batterie, une direction transversale Y selon la largeur de la batterie, le plan (XY) étant défini comme horizontal. On définit également une direction verticale Z selon la hauteur de la batterie, perpendiculaire au plan (XY), et formant avec la direction Y un plan vertical (YZ). La batterie modulaire 1000 comporte un module comprenant une pluralité de 20 cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique 100. Les cellules 100 sont des cellules Li-ion prismatiques dont les bornes positive et négative sont situées sur une même face de la cellule. Les cellules 100 sont combinées électriquement en série et/ou parallèle, et sont arrangées de manière à former un ou deux plateaux (101, 102). L'ensemble des cellules ainsi connectées développent une tension et 25 une capacité adaptées à des applications pour lesquelles une cellule unique ne suffit pas, telles que des applications de traction de véhicules. La figure 1 représente un exemple de batterie comprenant deux plateaux de cellules 101 et 102. Un plateau est défini comme un arrangement sur un même plan horizontal (XY) de plusieurs cellules disposées les unes à côté des autres et connectées 30 électriquement. Les cellules sont arrangées sur chaque plateau parallèlement à leur axe principal de symétrie, qui passe par la ou les faces de la cellule portant les bornes, selon la direction verticale Z. Chaque plateau est formé d'une ou plusieurs rangées de cellules 100, chaque rangée de cellules s'étendant selon la direction transversale Y.A first embodiment of the battery according to the invention is illustrated in Figure 1. The battery is shown schematically in a cross section. Only a part of the battery is represented. For the remainder of the description, a longitudinal direction X is defined according to the length of the battery, a transverse direction Y according to the width of the battery, the plane (XY) being defined as horizontal. A vertical direction Z is also defined according to the height of the battery, perpendicular to the plane (XY), forming with the direction Y a vertical plane (YZ). The modular battery 1000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 100. The cells 100 are prismatic Li-ion cells whose positive and negative terminals are situated on one and the same face of the cell. . The cells 100 are electrically combined in series and / or parallel, and are arranged to form one or two trays (101, 102). All of the cells thus connected develop a voltage and capacitance suitable for applications for which a single cell is not sufficient, such as vehicle traction applications. FIG. 1 shows an example of a battery comprising two cell trays 101 and 102. A tray is defined as an arrangement on the same horizontal plane (XY) of several cells arranged next to each other and electrically connected. The cells are arranged on each plate parallel to their main axis of symmetry, which passes through the face or faces of the cell carrying the terminals, in the vertical direction Z. Each plate is formed of one or more rows of cells 100, each row of cells extending in transverse direction Y.
Sur la coupe transversale de la figure 1, sont représentées, pour chacun des plateaux 101 et 102, six cellules 100 alignées selon la direction Y pour former une rangée. Les deux plateaux 101 et 102 sont disposés l'un au-dessus de l'autre selon la direction verticale Z. Chaque plateau comporte une face supérieure opposée à une face inférieure, la face supérieure étant tournée vers l'extérieur de la batterie. Le plateau 101 comporte ainsi une face supérieure 101a et une face inférieure 101b, et le plateau 102 comporte une face supérieure 102a et une face inférieure 102b, les deux faces inférieures 101b et 102b étant en vis-à-vis au sein du module. Les faces supérieures 101a et 102a, tournées vers l'extérieur du module, comportent les bornes des cellules prismatiques 100.In the cross-section of FIG. 1, six cells 100 aligned in the Y direction are shown for each of the trays 101 and 102 to form a row. The two plates 101 and 102 are arranged one above the other in the vertical direction Z. Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery. The plate 101 thus has an upper face 101a and a lower face 101b, and the plate 102 has an upper face 102a and a lower face 102b, the two lower faces 101b and 102b are vis-à-vis within the module. The upper faces 101a and 102a, facing towards the outside of the module, comprise the terminals of the prismatic cells 100.
Les cellules 100 de chaque plateau peuvent être en contact, tel que représenté à la figure 1, ou être séparées d'un espace. Un flasque (non représenté) est éventuellement utilisé pour maintenir, au sein d'un plateau, les cellules 100 à une distance fixe les unes des autres, ainsi que pour maintenir un écartement entre les plateaux.The cells 100 of each plate may be in contact, as shown in FIG. 1, or be separated from a space. A flange (not shown) is optionally used to maintain, in a tray, the cells 100 at a fixed distance from each other, as well as to maintain a spacing between the trays.
Sur un plateau donné, chaque cellule 100 est connectée par l'intermédiaire d'au moins une de ses bornes à l'une des bornes d'une cellule 100 voisine au moyen d'une connectique (110,111) appropriée au passage du courant, par exemple une connectique métallique, tel qu'un clinquant de cuivre ou de nickel. Ainsi, toutes les cellules, sauf dans certains cas celles qui sont situées à la périphérie du plateau, sont connectées par l'intermédiaire de leur deux bornes à deux cellules voisines par une connectique métallique (110, 111). Sur la figure 1, les cellules alignées selon une rangée pour chaque plateau sont par exemple reliées en série : les connectiques (110, 111) représentées relient une borne positive à une borne négative de deux cellules adjacentes sur une même rangée, les connectiques reliant les autres bornes de ces même cellules se situent dans un autre plan que celui de la coupe de la figure 1. Chaque connectique (110, 111) est surmontée par un joint (120,121), de préférence plan, isolant électrique et conducteur thermique. De préférence, chaque joint recouvre la plus grande partie de la surface des bornes reliées par chaque connectique. Les joints sont fabriqués à base d'un matériau polymère, non conducteur électrique, incluant des charges conductrices thermiques de manière à préserver l'isolation électrique tout en assurant un certain niveau de conduction thermique. Les charges conductrices thermiques peuvent être du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les joints, isolants électriques, présentent de préférence des résistivités supérieures à 106 Ohm/m. La conductivité thermique des joints est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K. Les joints peuvent se présenter sous forme de lamelles (forme discontinue du joint) ou d'un tapis continu.On a given plate, each cell 100 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 100 by means of a connection (110, 111) suitable for the passage of the current, through example a metal connector, such as a copper foil or nickel. Thus, all the cells, except in some cases those located on the periphery of the plate, are connected via their two terminals to two neighboring cells by a metal connector (110, 111). In FIG. 1, the cells aligned in a row for each plate are for example connected in series: the connectors (110, 111) shown connect a positive terminal to a negative terminal of two adjacent cells on the same row, the connectors connecting the other terminals of these same cells are located in another plane than that of the section of Figure 1. Each connector (110, 111) is surmounted by a seal (120, 121), preferably plane, electrical insulator and thermal conductor. Preferably, each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector. The seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction. The thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The joints, electrical insulators, preferably have resistivities greater than 106 Ohm / m. The thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K. The seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous carpet.
Les joints (120, 121) sont placés entre les connectiques (110,111) et un collecteur thermique (130, 131), selon la direction verticale Z. Chaque joint est ainsi intercalé entre les connectiques (110,111) de la première face (101a,102a) des plateaux et le collecteur thermique comprenant au moins une plaque en matériau thermiquement conducteur (130,230) en contact avec le joint. Ces joints assurent une liaison thermique entre les connectiques (110,111) et le collecteur thermique (130, 131) par contact substantiel entre leurs deux faces. Selon ce premier mode de réalisation, le collecteur thermique comprend une plaque dotée de très bonnes propriétés de conduction thermique et qui recouvre l'ensemble des joints (120,121) d'un plateau (101,102). Le module comportant deux plateaux 101 et 102 est donc doté de deux plaques de collecte 130 et 131 disposées vers l'extérieur comme illustré sur la figure 1. Ces plaques permettent de collecter la chaleur des connectiques et des cellules 100 de tout le module. Une telle configuration permet également une répartition homogène de la chaleur entre les cellules. Le collecteur thermique est formé par un ou plusieurs matériaux conducteurs thermiques, de préférence des matériaux métalliques, par exemple de l'aluminium, ou par des matériaux composites contenant des charges conductrices thermiques, telles que du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Le collecteur thermique a une conductivité thermique de préférence supérieure à 10 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 100 W/m/K.The joints (120, 121) are placed between the connectors (110, 111) and a heat collector (130, 131), in the vertical direction Z. Each seal is thus inserted between the connectors (110, 111) of the first face (101a, 102a). ) trays and the thermal collector comprising at least one plate of thermally conductive material (130,230) in contact with the seal. These seals provide a thermal connection between the connectors (110, 111) and the thermal collector (130, 131) by substantial contact between their two faces. According to this first embodiment, the thermal collector comprises a plate having very good thermal conduction properties and which covers all the joints (120, 121) of a plate (101, 102). The module comprising two trays 101 and 102 is thus provided with two collecting plates 130 and 131 arranged outwardly as shown in FIG. 1. These plates make it possible to collect the heat from the connectors and the cells 100 of the entire module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells. The thermal collector is formed by one or more thermal conducting materials, preferably metallic materials, for example aluminum, or by composite materials containing thermal conductive fillers, such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The thermal collector has a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K.
L'ensemble formé par les cellules 100, les connectiques (110,111), les joints (120,121), et les collecteurs comprenant les deux plaques 130 et 131, est inclus dans un boîtier 140, de manière à assurer un contact substantiel entre chacune des plaques 130 et 131 et une paroi thermiquement conductrice (142,141) du boîtier 140. On entend par boîtier l'enveloppe délimitant l'intérieur du module de l'extérieur du module de la batterie au contact de l'air. De préférence, ce boîtier est en matériau métallique, par exemple en aluminium, de manière à assurer un cloisonnement étanche entre l'intérieur du boîtier et l'extérieur tout en favorisant la conduction thermique. Le boîtier peut être également en matière plastique ou composite, comprenant par exemple un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type PLA (Acide polylactique), ABS (Acrylonitrile-butadiène-styrène), nylon. La conduction thermique de la paroi du boîtier en contact avec la plaque est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 10 W/m/K. Le boîtier, qui peut être également monté en plusieurs parties de natures différentes, est de préférence étanche, et équipé de passages étanches pour l'entrée et la sortie des connexions électriques du module selon les besoins. Le boîtier peut comprendre des ailettes, sur la face externe de la ou des parois thermiquement conductrices du boîtier à l'extérieur du module, permettant d'améliorer la dissipation et l'évacuation de la chaleur à l'extérieur de la batterie, par exemple au contact d'air. L'épaisseur de la paroi du boîtier en contact avec la plaque du collecteur est choisie, en fonction du matériau qui la compose, de manière à dissiper et évacuer la chaleur transmise par le collecteur thermique, et à présenter une conductivité thermique telle que préférentiellement définie ci-dessus. A titre d'exemple, une paroi thermiquement conductrice du boîtier en plastique adaptée a de préférence une épaisseur inférieure à 5 mm.The assembly formed by the cells 100, the connectors (110, 111), the seals (120, 121), and the collectors comprising the two plates 130 and 131, is included in a casing 140, so as to ensure a substantial contact between each of the plates. 130 and 131 and a thermally conductive wall (142, 141) of the housing 140. The term "housing" means the envelope delimiting the inside of the module from outside the module of the battery in contact with the air. Preferably, this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction. The casing may also be made of plastic or composite, comprising for example one or more thermoplastic polymers of PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene), nylon type. The thermal conduction of the wall of the housing in contact with the plate is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 10 W / m / K. The housing, which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required. The housing may comprise fins, on the outer face of the thermally conductive wall or walls of the housing outside the module, to improve the dissipation and evacuation of heat outside the battery, for example in contact with air. The thickness of the wall of the housing in contact with the collector plate is chosen, as a function of the material that composes it, so as to dissipate and evacuate the heat transmitted by the thermal collector, and to have a thermal conductivity such that it is preferentially defined above. By way of example, a thermally conductive wall of the adapted plastic housing preferably has a thickness of less than 5 mm.
Les parois thermiquement conductrices 142 et 141 du boîtier 140 sont respectivement en contact avec la plaque 130 et la plaque 131 des collecteurs thermiques, de manière à développer une surface de contact entre chaque plaque et chaque paroi thermiquement conductrice du boîtier telle que la chaleur de l'ensemble des cellules 100 est dissipée et évacuée vers l'extérieur de la batterie de manière passive.The thermally conductive walls 142 and 141 of the housing 140 are respectively in contact with the plate 130 and the plate 131 of the thermal collectors, so as to develop a contact surface between each plate and each thermally conductive wall of the housing such that the heat of the all cells 100 is dissipated and discharged to the outside of the battery passively.
Ainsi, la batterie modulaire selon l'invention est avantageusement conçue pour former un drain thermique entre les sources de production de chaleur (cellules et connectiques) et l'extérieur, ce qui permet d'évacuer efficacement, par conduction au travers de différents matériaux mis en contact, les calories produites en charge et en décharge, ou encore produites lors d'un court-circuit au niveau des connectiques. On limite ainsi le développement de points chauds propices à l'emballement thermique de la batterie. On limite également le développement de gradients thermiques dans les cellules propices au vieillissement de celles-ci. De surcroit, la protection mécanique des connectiques assurée par le boîtier et par les joints réduit les risques d'occurrence et de propagation de court-circuit.Thus, the modular battery according to the invention is advantageously designed to form a heat sink between the sources of heat production (cells and connectors) and the outside, which allows to effectively evacuate, by conduction through different materials put in contact, the calories produced in charge and discharge, or produced during a short circuit at the connectors. This limits the development of hot spots conducive to the thermal runaway of the battery. It also limits the development of thermal gradients in cells conducive to aging thereof. In addition, the mechanical protection of connectors provided by the housing and by the joints reduces the risk of occurrence and propagation of short circuit.
Bien que les cellules soient représentées jointives, en contact les unes avec les autres, celles-ci pourraient être espacées selon une variante de ce premier mode de réalisation, au moyen par exemple d'un flasque, comme mentionné plus haut.Although the cells are shown contiguous, in contact with each other, they could be spaced according to a variant of this first embodiment, for example by means of a flange, as mentioned above.
La description de ce premier mode de réalisation a été faite en relation avec des cellules prismatiques, comportant leur deux bornes sur une même face. Cependant, une variante avec des cellules d'une autre forme, comportant également leur deux bornes sur une même face, ou encore une variante comprenant des cellules comportant une borne à chaque extrémités, comme cela est classiquement le cas des batteries cylindriques, par exemple de type Li-ion, peuvent être envisagées selon la présente invention. Un avantage lié à une batterie selon l'invention comprenant des cellules avec leur deux bornes sur une même face, tel que des cellules prismatiques, est que toutes les connectiques reliant les cellules entre elles sur un même plateau sont en contact avec le joint thermique, ce qui permet d'éviter d'évacuer la chaleur d'une connectique non en contact avec le joint thermique à travers l'accumulateur, et d'éviter d'éventuels points chauds au niveau des connectiques non en contact avec le joint. Diverses configurations de connexion électrique, en série et/ou en parallèle, entre les cellules d'un même plateau sont possibles selon l'invention, sans modifier la disposition générale en sandwich du joint surmontant les connectiques, lui-même surmonté par la plaque du collecteur thermique qui est en contact substantiel et recouvert par une paroi thermiquement conductrice du boîtier.The description of this first embodiment has been made in relation to prismatic cells, having their two terminals on one and the same face. However, a variant with cells of another shape, also having their two terminals on the same face, or a variant comprising cells having a terminal at each end, as is conventionally the case of cylindrical batteries, for example of Li-ion type, may be envisaged according to the present invention. An advantage associated with a battery according to the invention comprising cells with their two terminals on one and the same face, such as prismatic cells, is that all the connectors connecting the cells to one another on the same plate are in contact with the heat seal, which makes it possible to avoid evacuating the heat of a connector that is not in contact with the thermal seal through the accumulator, and to avoid possible hot spots at the connectors that are not in contact with the seal. Various configurations of electrical connection, in series and / or in parallel, between the cells of the same plate are possible according to the invention, without modifying the general arrangement in sandwich of the joint surmounting the connectors, itself surmounted by the plate of the thermal collector which is in substantial contact and covered by a thermally conductive wall of the housing.
Un deuxième mode de réalisation de la batterie selon l'invention est à présent décrit ci-dessous en relation avec les figures 2, 3 et 4. Dans ce deuxième mode de réalisation, la batterie comporte au moins deux plateaux de cellules, et le dispositif de protection et de régulation thermique est similaire à celui du premier mode de réalisation, à l'exception qu'un pont thermique est assuré par au moins une tige en matériau thermiquement conducteur reliant les plaques des collecteurs, et que de préférence seule une plaque du collecteur associée à l'un des deux plateaux est en contact avec une paroi thermiquement conductrice du boîtier. La Figure 2 est une vue schématique en coupe transversale illustrant un premier exemple de batterie selon ce deuxième mode de réalisation. Seule une partie de la 30 batterie est représentée. La batterie modulaire 2000 comporte un module comprenant une pluralité de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique 200. Les cellules 200 sont des cellules Li-ion cylindriques dont les bornes positive et négative sont situées aux deux extrémités. Les cellules 200 sont combinées électriquement en série et/ou parallèle, et sont arrangées de manière à former deux plateaux 201 et 202. L'ensemble des cellules ainsi connectées développent une tension et une capacité adaptées à des applications pour lesquelles une cellule unique ne suffit pas, telles que des applications de traction de véhicules.A second embodiment of the battery according to the invention is now described below in relation with FIGS. 2, 3 and 4. In this second embodiment, the battery comprises at least two cell trays, and the device protection and thermal regulation is similar to that of the first embodiment, except that a thermal bridge is provided by at least one rod of thermally conductive material connecting the plates of the collectors, and that preferably only one plate of collector associated with one of the two trays is in contact with a thermally conductive wall of the housing. Figure 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a first example of battery according to this second embodiment. Only a portion of the battery is shown. The modular battery 2000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 200. The cells 200 are cylindrical Li-ion cells whose positive and negative terminals are located at both ends. The cells 200 are combined electrically in series and / or parallel, and are arranged so as to form two plates 201 and 202. The set of cells thus connected develop a voltage and a capacity adapted to applications for which a single cell is not sufficient. not, such as vehicle traction applications.
Chaque plateau est défini et formé tel que décrit en relation avec la figure 1. Sur la coupe transversale de la figure 2, sont représentées, pour chacun des plateaux 201 et 202, quatre cellules 200 alignées selon la direction Y pour former une rangée. Les deux plateaux 201 et 202 sont disposés l'un au-dessus de l'autre selon la direction verticale Z. Chaque plateau présente une face supérieure opposée à une face 10 inférieure, la face supérieure étant tournée vers l'extérieur de la batterie. Le plateau 201 comporte ainsi une face supérieure 201a et une face inférieure 201b, et le plateau 202 comporte une face supérieure 202a et une face inférieure 202b, les deux faces inférieures 201b et 202b étant en vis-à-vis au sein du module. Les faces supérieures 201a et 202a, sont tournées vers l'extérieur du module, et comportent un ensemble de connectiques 15 reliant les bornes des cellules cylindriques 200. Selon ce mode de réalisation, les cellules 200 sont espacées les unes des autres. L'espace entre les cellules d'une même rangée peut être utilisé pour laisser le passage à des tiges 250 reliant deux plaques de collecte 230 et 231 décrites plus bas. Alternativement, les cellules peuvent être en contact. Un flasque (non représenté) est de 20 préférence utilisée pour maintenir, au sein d'un plateau, les cellules 200 à une distance fixe les unes des autres, ainsi que pour maintenir un écartement entre les plateaux. Sur un plateau donné, chaque cellule 200 est connectée par l'intermédiaire d'au moins une de ses bornes à l'une des bornes d'une cellule 200 voisine au moyen d'une connectique (210,211,213) appropriée au passage du courant, par exemple une 25 connectique métallique, tel qu'un clinquant de cuivre ou de nickel. Les connectiques 210 et 211 sont situées sur les faces supérieures 201a et 202a des plateaux 201 et 202 et relient deux par deux les cellules voisines d'une même rangée. Les connectiques 213, situées sur les faces inférieures 201b et 202b des plateaux 201 et 202, relient également les cellules d'un même plateau entre elles. Des connectiques 212 permettent également 30 de connecter les cellules des deux plateaux. Un exemple de connexion électrique entre les cellules est donné sur la figure 2. Les cellules alignées selon une rangée pour chaque plateau sont par exemple reliées électriquement deux à deux en série selon la direction Y, par les connectiques 210, 211 et 213, et les cellules entre les deux plateaux 201 et 202 sont par exemple reliées électriquement en série selon la direction Z, par des connectiques 212. Chaque connectique (210, 211) située sur les faces supérieures 201a et 202a des plateaux 201 et 202 est surmontée par un joint (220,221), de préférence plan, isolant 5 électrique et conducteur thermique. De préférence, chaque joint recouvre la plus grande partie de la surface des bornes reliées par chaque connectique. Les joints sont fabriqués à base d'un matériau polymère, non conducteur électrique, incluant des charges conductrices thermiques de manière à préserver l'isolation électrique tout en assurant un certain niveau de conduction thermique. Les 10 charges conductrices thermiques peuvent être du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les joints, isolants électriques, présentent de préférence des résistivités supérieures à 106 Ohm/m. La conductivité thermique des joints est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K. Les joints peuvent se présenter sous forme de lamelles (forme discontinue du 15 joint) ou d'un tapis continu. Les joints (220, 221) sont placés entre les connectiques (210, 211) et une plaque de collecte (230, 231) d'un collecteur thermique, selon la direction Z. Chaque joint est ainsi intercalé entre les connectiques (210,211) de la première face (201a,202a) des plateaux et le collecteur thermique comprenant au moins une plaque en matériau 20 thermiquement conducteur (230,231) en contact avec le joint. Ces joints assurent une liaison thermique entre les connectiques (110,111) et le collecteur thermique (130, 131) par contact substantiel entre leurs deux faces. Ces joints assurent une liaison thermique entre les connectiques (210,211) et le collecteur thermique (230, 231) par contact substantiel entre leurs deux faces. 25 Selon cet exemple du deuxième mode de réalisation, les deux collecteurs thermiques comprennent deux plaques 230 et 231 dotées de très bonnes propriétés de conduction thermique. Chaque plaque recouvre l'ensemble des joints d'un plateau positionnés sur les connectiques présentées par les faces supérieures 201a et 202a des plateaux 201 et 202. Le module comportant deux plateaux 201 et 202 est donc doté de 30 deux plaques 230 et 231 disposées vers l'extérieur comme illustré sur la figure 2. Les deux plaques 230 et 231 sont reliées entre elles par des tiges 250 également dotées de très bonnes propriétés de conduction thermique. Ces tiges sont fixées par leurs extrémités aux plaques 230 et 231 par tout moyen de fixation appropriée, par exemple par vissage ou soudure, de manière à assurer un pont thermique efficace. Les tiges 250 sont de forme cylindrique. Toutefois, les tiges peuvent présenter d'autres formes, de préférence compatible avec la forme des cellules afin notamment de faciliter leur insertion entre celles-ci. Ainsi, si des cellules prismatiques sont utilisées dans ce deuxième mode de réalisation, une forme parallélépipédique des tiges peut être appropriée, et les tiges peuvent être des plaques minces allongées selon la direction verticale Z. L'ensemble des tiges et des collecteurs forme également une structure rigide enveloppant les cellules dans le boîtier, qui permet de protéger la batterie de déformations induites par des forces externes d'exerçant sur le boîtier. Les collecteurs thermiques, comprenant les deux plaques 230 et 231, ainsi que les tiges 250, sont constitués à partir d'un ou plusieurs matériaux conducteurs thermiques, de préférence des matériaux métalliques, par exemple de l'aluminium, ou par des matériaux composites contenant des charges conductrices thermiques, telles que du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les collecteurs thermiques et les tiges ont une conductivité thermique de préférence supérieure à 10 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 100 W/m/K. L'ensemble des plaques et des tiges permet de collecter la chaleur des connectiques et des cellules 200 de tout le module. Une telle configuration permet également une répartition homogène de la chaleur entre les cellules, y compris entre les cellules des différents plateaux.Each tray is defined and formed as described in connection with FIG. 1. On the cross-section of FIG. 2, four cells 200 aligned in the Y direction are shown for each of the trays 201 and 202 to form a row. The two plates 201 and 202 are arranged one above the other in the vertical direction Z. Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery. The plate 201 thus has an upper face 201a and a lower face 201b, and the plate 202 has an upper face 202a and a lower face 202b, the two lower faces 201b and 202b being vis-à-vis within the module. The upper faces 201a and 202a are turned towards the outside of the module, and comprise a set of connectors 15 connecting the terminals of the cylindrical cells 200. According to this embodiment, the cells 200 are spaced apart from each other. The space between the cells of the same row can be used to allow passage to rods 250 connecting two collecting plates 230 and 231 described below. Alternatively, the cells may be in contact. A flange (not shown) is preferably used to maintain, within a tray, the cells 200 at a fixed distance from each other, as well as to maintain spacing between the trays. On a given plate, each cell 200 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 200 by means of a connection (210, 211, 1113) suitable for the passage of current through for example a metal connector, such as a foil of copper or nickel. The connectors 210 and 211 are located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 and connect two by two neighboring cells of the same row. The connectors 213, located on the lower faces 201b and 202b of the plates 201 and 202, also connect the cells of the same plate between them. Connectors 212 also allow 30 to connect the cells of the two trays. An example of an electrical connection between the cells is given in FIG. 2. The cells aligned in a row for each plate are, for example, connected electrically in pairs in series along the Y direction, by the connectors 210, 211 and 213, and the The cells between the two plates 201 and 202 are for example electrically connected in series in the Z direction by connectors 212. Each connector (210, 211) located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 is surmounted by a joint (220,221), preferably plane, electrical insulator and thermal conductor. Preferably, each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector. The seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction. The thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The joints, electrical insulators, preferably have resistivities greater than 106 Ohm / m. The thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K. The seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous mat. The seals (220, 221) are placed between the connectors (210, 211) and a collection plate (230, 231) of a thermal collector, in the direction Z. Each seal is thus interposed between the connectors (210, 211) of the first face (201a, 202a) of the trays and the thermal collector comprising at least one plate of thermally conductive material (230,231) in contact with the seal. These seals provide a thermal connection between the connectors (110, 111) and the thermal collector (130, 131) by substantial contact between their two faces. These seals provide a thermal connection between the connectors (210, 211) and the thermal collector (230, 231) by substantial contact between their two faces. According to this example of the second embodiment, the two thermal collectors comprise two plates 230 and 231 having very good thermal conduction properties. Each plate covers all the joints of a plate positioned on the connectors presented by the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202. The module comprising two plates 201 and 202 is therefore provided with two plates 230 and 231 disposed towards the outside as illustrated in Figure 2. The two plates 230 and 231 are interconnected by rods 250 also have very good thermal conduction properties. These rods are fixed at their ends to the plates 230 and 231 by any appropriate fastening means, for example by screwing or welding, so as to provide an effective thermal bridge. The rods 250 are of cylindrical shape. However, the stems may have other forms, preferably compatible with the shape of the cells in particular to facilitate their insertion between them. Thus, if prismatic cells are used in this second embodiment, a parallelepipedal shape of the rods may be appropriate, and the rods may be thin plates elongate in the vertical direction Z. The set of rods and collectors also forms a rigid structure enveloping the cells in the housing, which protects the battery from deformations induced by external forces exerting on the housing. The thermal collectors, comprising the two plates 230 and 231, as well as the rods 250, consist of one or more thermal conducting materials, preferably metallic materials, for example aluminum, or composite materials containing thermal conductive fillers, such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The heat collectors and the rods have a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K. The set of plates and rods makes it possible to collect the heat of the connectors and the cells 200 of the whole module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells, including between the cells of the different trays.
L'ensemble formé par les cellules 200, les connectiques (210,211), les joints (220,221), et le collecteur thermique est inclus dans un boîtier 240 de manière à assurer un contact substantiel entre au moins une plaque du collecteur et une paroi thermiquement conductrice du boîtier 240, en l'occurrence la plaque de collecte 230 et la paroi thermiquement conductrice 242 du boîtier selon la figure 2.The assembly formed by the cells 200, connectors (210,211), seals (220,221), and the thermal collector is included in a housing 240 so as to ensure a substantial contact between at least one collector plate and a thermally conductive wall. of the housing 240, in this case the collection plate 230 and the thermally conductive wall 242 of the housing according to FIG.
Le boîtier est identique à celui décrit en relation avec la figure 1, à l'exception du fait qu'une seule paroi thermiquement conductrice est nécessaire pour dissiper et évacuer la chaleur vers l'extérieur. De préférence, ce boîtier est en matériau métallique, par exemple en aluminium, de manière à assurer un cloisonnement étanche entre l'intérieur du boîtier et l'extérieur tout en favorisant la conduction thermique. Le boîtier peut être également en matière plastique ou composite, comprenant par exemple un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type PLA (Acide polylactique), ABS (Acrylonitrilebutadiène-styrène), nylon. La conduction thermique de la paroi du boîtier en contact avec la plaque est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 10 W/m/K. Le boîtier, qui peut être également monté en plusieurs parties de natures différentes, est de préférence étanche, et équipé de passages étanches pour l'entrée et la sortie des connexions électriques du module selon les besoins. La paroi thermiquement conductrice 242 du boîtier 240 est en contact avec la plaque thermiquement conductrice 230 du collecteur thermique, de manière à développer une surface de contact telle que la chaleur de l'ensemble des cellules 200 est dissipée et évacuée vers l'extérieur de la batterie de manière passive. Les tiges 250 peuvent être fixées au boîtier 240. La Figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale (selon un plan 10 parallèle au plan XY) de la batterie illustrée à la figure 2. Seule une partie de la batterie est représentée. Cette coupe permet de mieux comprendre un exemple de configuration des cellules d'un plateau, des connectiques et de la disposition des tiges. Sur cette coupe ne sont pas représentés les joints, le collecteur thermique et le 15 boîtier. Sur la coupe de la figure 3 est visible le plateau inférieur 201, en particulier la face supérieure 201a, comportant six rangées r1 à r6 de cellules 200, chaque rangée comportant 4 cellules. Les connectiques 210 relient électriquement les cellules 200, par exemple deux à deux sur une même rangée, et toutes les cellules selon la direction X de 20 deux rangées adjacentes. Les connectiques 210 sont des clinquants métalliques comportant de trous pour laisser le passage des tiges 250, avec lesquelles tout contact est évité. Les tiges 250 sont disposées entre quatre cellules adjacentes du plateau. 25 L'espace entre quatre cellules adjacentes cylindriques peut en effet être plus important que l'espace entre deux cellules adjacentes sur une même rangée ou selon la direction Y, et permettre une insertion plus aisée des tiges. Quinze tiges 250 sont ainsi disposées dans le module comprenant m= 6 rangées de n = 4 cellules par rangées, soit (n-1) x (m-1) tiges avec n le nombre de cellules par rangées et m le nombre de rangées, constituant un 30 exemple de disposition des tiges. D'autres dispositions des tiges sont possibles, avec de préférence au moins une tige, et plus préférentiellement un nombre de tige compris entre 2 et (n-1) x (m-1). Les tiges peuvent ainsi être distribuées, de manière aléatoire, ou selon une symétrie particulière, entre les cellules des plateaux. Une ou plusieurs tiges peuvent également être positionnées en périphérie des plateaux, entre les parois du boîtier et le périmètre formé par les cellules. La conduction thermique entre les plaques de collecte est améliorée avec un nombre croissant de tiges.The housing is identical to that described in connection with Figure 1, except that only one thermally conductive wall is required to dissipate and discharge heat to the outside. Preferably, this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction. The housing may also be made of plastic or composite, comprising for example one or more thermoplastic polymers of the PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrilebutadiene-styrene), nylon type. The thermal conduction of the wall of the housing in contact with the plate is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 10 W / m / K. The housing, which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required. The thermally conductive wall 242 of the housing 240 is in contact with the thermally conductive plate 230 of the thermal collector, so as to develop a contact surface such that the heat of all the cells 200 is dissipated and discharged to the outside of the battery passively. The rods 250 may be attached to the housing 240. Figure 3 is a schematic longitudinal sectional view (in a plane parallel to the XY plane) of the battery shown in Figure 2. Only a portion of the battery is shown. This section makes it possible to better understand an example of the configuration of the cells of a tray, the connectors and the arrangement of the rods. On this section are not shown the seals, the heat sink and the housing. On the section of Figure 3 is visible the lower plate 201, in particular the upper face 201a, having six rows r1 to r6 of cells 200, each row having 4 cells. The connectors 210 electrically connect the cells 200, for example two by two on the same row, and all the cells in the X direction of two adjacent rows. The connectors 210 are metal foils with holes to allow the passage of the rods 250, with which any contact is avoided. The rods 250 are disposed between four adjacent cells of the tray. The space between four adjacent cylindrical cells may indeed be larger than the space between two adjacent cells on the same row or in the Y direction, and allow easier insertion of the stems. Fifteen rods 250 are thus arranged in the module comprising m = 6 rows of n = 4 cells per row, ie (n-1) x (m-1) rods with n the number of cells per row and m the number of rows, constituting an example of arrangement of the rods. Other arrangements of the rods are possible, with preferably at least one rod, and more preferably a rod number between 2 and (n-1) x (m-1). The stems can thus be distributed randomly or in a particular symmetry between the cells of the trays. One or more rods may also be positioned at the periphery of the trays, between the walls of the housing and the perimeter formed by the cells. Thermal conduction between the collection plates is improved with increasing number of rods.
Selon le deuxième mode de réalisation, la batterie peut comprendre plus de deux plateaux de cellules. Dans ce cas, pour chaque plateau additionnel, disposé entre les deux plateaux, une plaque de collecte supplémentaire dotée de très bonnes propriétés de conduction thermique, et percée de trous pour laisser passer les tiges, est insérée au contact d'un joint supplémentaire placé sur une des faces du plateau additionnel intermédiaire aux deux plateaux. Le contact entre les plaques de collecte supplémentaires et les tiges est assuré dans les règles du métier, par ajustement et soudure ou encore en utilisant une pâte thermique. A titre d'exemple, la figure 4 représente schématiquement une variante à trois plateaux du deuxième mode réalisation.According to the second embodiment, the battery may comprise more than two trays of cells. In this case, for each additional plate, arranged between the two plates, an additional collection plate having very good thermal conduction properties, and pierced with holes for passing the rods, is inserted in contact with an additional seal placed on one of the faces of the additional plate intermediate to the two trays. The contact between the additional collection plates and the stems is ensured in the rules of the trade, by adjustment and welding or by using a thermal paste. By way of example, FIG. 4 schematically represents a variant with three trays of the second embodiment.
La description des éléments identiques entre la première et la deuxième variantes du deuxième mode de réalisation, portant les mêmes références dans les figures 2,3 et 4 ne sont pas repris ici. Selon cette variante, la batterie 3000 comporte un troisième plateau 302, qui est un plateau intermédiaire disposé entre le premier plateau 201 et le deuxième plateau 202, selon l'axe Z, qui est aussi l'axe de symétrie des cellules 200. Le premier et le deuxième plateau ont leur face supérieure 201a et 202a plus proche du boîtier 240 que leur face inférieure 201b et 202b. Ce plateau intermédiaire 302 est organisé de la même manière que les plateaux 201 et 202 du point de vue de l'arrangement des cellules 200 et des connectiques 311 et 313 qui relient les bornes des cellules du plateau, les connectiques 311 étant portées par une première face 302a du plateau intermédiaire 302 et les connectiques étant portées par une deuxième face 302b du plateau intermédiaire. D'autres connectiques 312 et 314 permettent de connecter électriquement les cellules du plateau intermédiaire et celles du premier plateau 201 et du deuxième plateau 202.The description of the identical elements between the first and second variants of the second embodiment, bearing the same references in FIGS. 2, 3 and 4 are not repeated here. According to this variant, the battery 3000 comprises a third plate 302, which is an intermediate plate disposed between the first plate 201 and the second plate 202, along the Z axis, which is also the axis of symmetry of the cells 200. and the second plate have their upper face 201a and 202a closer to the housing 240 than their lower face 201b and 202b. This intermediate plate 302 is organized in the same way as the plates 201 and 202 from the point of view of the arrangement of the cells 200 and connectors 311 and 313 which connect the terminals of the cells of the tray, the connectors 311 being carried by a first face 302a of the intermediate plate 302 and the connectors being carried by a second face 302b of the intermediate plate. Other connectors 312 and 314 make it possible to electrically connect the cells of the intermediate plate and those of the first plate 201 and the second plate 202.
Selon cette variante, le troisième plateau comporte un dispositif de protection et de régulation thermique similaire aux deux autres plateaux. La batterie comprend donc, pour le troisième plateau 302, un joint supplémentaire 322, de préférence plan, en matériau isolant électrique et conducteur thermique surmontant chaque connectique de la première face ou de la deuxième face du troisième plateau, par exemple la première face 302a tel que représenté dans la figure 4. Le joint supplémentaire 322 recouvre de préférence la plus grande partie des bornes reliées par chaque connectique. Le joint supplémentaire 322 comporte des trous permettant le passage des tiges 250. Une plaque de collecte supplémentaire 332 en matériau thermiquement 5 conducteur, à l'instar des autres plaques de collecte 230 et 231, est disposée sur ledit joint supplémentaire, et comporte également des trous pour le passage des tiges. Le contact entre la plaque supplémentaire 332 et les tiges 250 est par exemple réalisé par ajustement et soudure, ou encore par utilisation d'une pâte thermique, par exemple une graisse comprenant des particules d'argent, ou un silicone conducteur 10 thermique. Les cellules ont été décrites dans ce deuxième mode de réalisation, en référence avec les figures 2 et 3, comme étant de forme cylindrique mais toute autre forme, comme des cellules prismatiques, de forme parallélépipédique, peut être envisagée. 15 Selon ce deuxième mode de réalisation, il est avantageusement possible d'évacuer la chaleur vers l'extérieur par l'intermédiaire d'une seule face du boîtier, permettant ainsi plus de flexibilité, et donc de simplicité, pour l'agencement de composants dans la batterie et pour son intégration dans le système qui la contient. Dans 20 le cas de l'intégration dans un véhicule par exemple, la batterie peut être introduite sous le bas de caisse, et être ainsi refroidie au niveau de ladite face du boîtier par convection forcée avec l'air extérieur, la vitesse de l'air dépendant de la vitesse du véhicule. L'usage de capteurs pour instrumenter l'intérieur du module, l'ajout d'éléments ou 25 circuits dissipatifs à l'intérieur ou à l'extérieur du module, ou encore l'insertion de composants électroniques à l'intérieur du module de batterie selon l'invention peut être envisagé, sans sortir du cadre de la présente invention. La présente invention n'est pas limitée aux différents mode de réalisation et leur 30 variantes décrits ci-dessus et illustrés par les figures, qui peuvent être modifiés sans s'écarter des objectifs visés par l'invention, et qui peuvent être combinés entre eux. La batterie modulaire selon l'invention peut être utilisées pour de nombreuses applications. Avantageusement, la batterie modulaire selon l'invention peut être intégrée dans un véhicule électrique ou hybride, et utilisée pour la traction d'un tel véhicule, apportant plus de sécurité lors du fonctionnement du véhicule grâce à une régulation thermique optimisée et une protection mécanique efficace de la batterie limitant l'occurrence et la propagation de court-circuit dans la batterie.According to this variant, the third plate comprises a protection and thermal regulation device similar to the other two plates. The battery therefore comprises, for the third plate 302, an additional seal 322, preferably plane, of electrical insulating material and thermal conductor surmounting each connector of the first face or the second face of the third plate, for example the first face 302a such The additional seal 322 preferably covers most of the terminals connected by each connector. The additional seal 322 has holes allowing the passage of the rods 250. An additional collection plate 332 of thermally conductive material, like the other collection plates 230 and 231, is disposed on said additional seal, and also comprises holes for the passage of the stems. The contact between the additional plate 332 and the rods 250 is for example made by adjustment and welding, or by use of a thermal paste, for example a grease comprising silver particles, or a thermal conductive silicone. The cells have been described in this second embodiment, with reference to FIGS. 2 and 3, as having a cylindrical shape, but any other form, such as prismatic cells, of parallelepipedal shape, can be envisaged. According to this second embodiment, it is advantageously possible to evacuate the heat towards the outside via a single face of the housing, thus allowing more flexibility, and therefore simplicity, for the arrangement of components. in the battery and for its integration into the system that contains it. In the case of integration into a vehicle for example, the battery can be introduced under the sill, and thus be cooled at the level of said face of the housing by forced convection with the outside air, the speed of the air depending on the speed of the vehicle. The use of sensors to instrument the inside of the module, the addition of dissipative elements or circuits inside or outside the module, or the insertion of electronic components inside the module of the module. battery according to the invention can be envisaged, without departing from the scope of the present invention. The present invention is not limited to the various embodiments and variants thereof described above and illustrated by the figures, which can be modified without departing from the objects of the invention, and which can be combined with one another. . The modular battery according to the invention can be used for many applications. Advantageously, the modular battery according to the invention can be integrated in an electric or hybrid vehicle, and used for traction of such a vehicle, providing more safety during the operation of the vehicle through optimized thermal regulation and effective mechanical protection of the battery limiting the occurrence and propagation of short circuit in the battery.
Exemples Les exemples suivants permettent d'illustrer la régulation thermique d'un exemple de batterie selon l'invention en s'appuyant sur une simulation numérique, et de comparer la chaleur développée dans une batterie selon l'invention et dans des batteries 10 sans dispositif de protection et de régulation thermique selon l'invention. Batterie modulaire selon l'invention On considère un module de batterie Li-ion constitué de deux plateaux superposés de cellules Li-ion LFP/C cylindriques de format 26650 et de capacité 3Ah 15 connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 lm). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56°C. Chaque plateau comprend au moins un alignement de 8 cellules constituant une rangée. La distance entre les cellules d'une même rangée au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. La distance entre les rangées au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. La 20 distance entre les plateaux est de 9 mm. L'ensemble est maintenu par des flasques. Le module comporte des joints plastiques isolants électriques et thermiquement conducteurs individuels d'une épaisseur de 4 mm et de deux plaques de collecte métalliques formant deux collecteurs thermiques, d'une épaisseur de 6 mm. Les joints 25 individuels assurent la liaison entre les connectiques des cellules et les plaques métalliques des collecteurs thermiques. Ces dernières sont au contact direct avec les faces supérieures et inférieures du boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 MM. 30 Batteries modulaires selon l'art antérieur Une première batterie de référence selon l'état de l'art comporte un module comprenant un simple boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 mm.Examples The following examples make it possible to illustrate the thermal regulation of an example of a battery according to the invention based on a numerical simulation, and to compare the heat developed in a battery according to the invention and in batteries without a device. protection and thermal regulation according to the invention. MODULAR BATTERY OF THE INVENTION A Li-ion battery module consisting of two superposed plateaus of 26650-size LFP / C cylindrical cells of capacitance 3Ah connected in series / parallel by metallic connectors (busbar nickel of a thickness of 200 lm). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. Each plate comprises at least one alignment of 8 cells constituting a row. The distance between the cells of the same row within a plate is set at 2 mm. The distance between the rows within a tray is set at 2 mm. The distance between the trays is 9 mm. The whole is held by flanges. The module comprises 4 mm thick individual electrical and thermally conductive insulating plastic joints and two metal collector plates forming two thermal collectors, 6 mm thick. The individual seals provide the connection between the connectors of the cells and the metal plates of the thermal collectors. The latter are in direct contact with the upper and lower faces of the waterproof plastic case 2 MM thick. Modular batteries according to the prior art A first reference battery according to the state of the art comprises a module comprising a simple waterproof plastic case of thickness 2 mm.
Une deuxième batterie de référence selon l'état de l'art comporte également un module comprenant un simple boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 mm. Le boîtier comprend en outre un fond muni d'ailettes en aluminium. Dans les deux cas, le module comporte deux plateaux superposés de cellules Li- ion LFP/C cylindriques de format 26650 et de capacité 3Ah connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 lm). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56°C. Chaque plateau comprend au moins un alignement de 8 cellules constituant une rangée. Le module est serré entre deux flasques, et une distance de 2 cm est laissée sur 10 chaque bord latéral du boîtier. Dans la partie supérieure, un espace de 1 cm environ est ménagé, afin notamment de pouvoir positionner les cartes électroniques. Conditions d'usage appliquées 15 Ces conditions sont appliquées pour les trois batteries testées par simuation. L'ensemble du module a une température initiale de 20 °C. L'air intérieur est ventilé par convection naturelle entre les cellules et les plateaux du module. Le coefficient d'échange thermique est fixé à 5 W/m2/K. La ventilation extérieure est réalisée sur les 6 faces du boîtier par convection forcée d'air, avec un 20 coefficient d'échange thermique de 100 W/m2/K. Ce module est sollicité électriquement suivant un cyclage de charge et décharge, à savoir une recharge de SA pendant 10 minutes suivie d'une décharge de SA pendant 10 minutes. Le module subit 6 fois ce type de cyclage correspondant à une durée de 2 heures au total. 25 Les valeurs de conductivité thermique à 20°C des matériaux et composants considérés sont résumées dans le tableau ci-dessous. composant air Aluminium Joint Ni paraffine plastique Cellule axial Cellule radial thermique Lambda W/m.K 0,026 237 2 50 0,2 0,2 14 1,4 La figure 5 présente le résultat de la montée en température observée après le 30 cyclage prédéfini dans la première batterie de référence selon l'art antérieur.A second reference battery according to the state of the art also comprises a module comprising a simple waterproof plastic case 2 mm thick. The housing further comprises a bottom provided with aluminum fins. In both cases, the module comprises two superimposed trays of 26650-size LFP / C cylindrical Li-ion cells with 3Ah capacity connected in series / parallel by metal connectors (200 nm thick nickel bar bus). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. Each plate comprises at least one alignment of 8 cells constituting a row. The module is clamped between two flanges, and a distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided, in particular to position the electronic cards. These conditions are applied for the three batteries tested by simulation. The entire module has an initial temperature of 20 ° C. The indoor air is ventilated by natural convection between the cells and the trays of the module. The heat exchange coefficient is set at 5 W / m2 / K. The external ventilation is performed on the 6 faces of the housing by forced convection of air, with a heat exchange coefficient of 100 W / m2 / K. This module is electrically solicited according to a charging and discharging cycle, namely a recharge of SA for 10 minutes followed by an SA discharge for 10 minutes. The module undergoes 6 times this type of cycling corresponding to a duration of 2 hours in total. The thermal conductivity values at 20 ° C of the materials and components considered are summarized in the table below. air component Aluminum Seal Neither plastic paraffin Axial cell Thermal radial cell Lambda W / mK 0.026 237 2 50 0.2 0.2 14 1.4 Figure 5 shows the result of the rise in temperature observed after the cycling predefined in the first reference battery according to the prior art.
La figure 6 présente le résultat de la montée en température observée après le cyclage prédéfini dans la deuxième batterie de référence selon l'art antérieur. Une échelle de la température est donnée à droite par une variation de niveaux de gris. Dans les figures, l'abscisse représente une distance en mètre selon la direction Y 5 et l'ordonnée représente une distance en mètre selon la direction Z (hauteur de la batterie). On constate que la température des cellules augmente jusqu'à 70 °C environ, avec ou sans ailettes, tel qu'indiqué par les traits en pointillé sur l'échelle de température. Cette élévation de température est supérieure à la température maximum spécifiée pour 10 les cellules Li-ion de ces exemples. Ainsi, les batteries selon l'art antérieur telles que décrites ne peuvent pas assurer les deux heures d'usage prévues en toute sécurité. La figure 7 présente le résultat de la montée en température observée après le cyclage prédéfini dans l'exemple de batterie modulaire selon l'invention. La température 15 des cellules après cyclage reste homogène autour de 36 °C, tel qu'indiqué par les traits en pointillé sur l'échelle de température, soit 34 °C de différence avec les cas de référence selon l'art antérieur. Ainsi, la batterie selon l'invention tel qu'exemplifiée, permet de continuer l'utilisation du module pendant plus de 2 heures. 20FIG. 6 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycling in the second reference battery according to the prior art. A scale of temperature is given on the right by a variation of gray levels. In the figures, the abscissa represents a distance in meters in the direction Y 5 and the ordinate represents a distance in meters in the direction Z (height of the battery). It is found that the temperature of the cells increases to about 70 ° C, with or without fins, as indicated by the dashed lines on the temperature scale. This temperature rise is greater than the maximum temperature specified for the Li-ion cells of these examples. Thus, batteries according to the prior art as described can not ensure the two hours of use provided safely. FIG. 7 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycling in the example of modular battery according to the invention. The temperature of the cells after cycling remains homogeneous around 36 ° C, as indicated by the dashed lines on the temperature scale, 34 ° C difference with reference cases according to the prior art. Thus, the battery according to the invention as exemplified, allows to continue the use of the module for more than 2 hours. 20
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