FR3122774A1 - Système à batterie modulaire échangeant des calories avec sa structure - Google Patents

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Abstract

Un système comprend une batterie (BV) comportant N modules (MS) de stockage d’énergie électrique produisant des calories et couplés entre eux par au moins une pièce de couplage (PC) conductrice électriquement, avec N ≥ 2, et une structure (SV) à laquelle est solidarisée la batterie (BV) et comprenant au moins un élément structurel creux (ES1-ES3) au contact d’au moins l’un des modules (MS). Au moins un élément structurel creux (ES1) contient au moins un matériau à changement de phase (MC) propre à stocker des calories qui sont évacuées vers lui par chaque module (MS) qui le contacte ou à transférer des calories qu’il stocke vers chaque module (MS) qui le contacte. Fig. 2

Description

SYSTÈME À BATTERIE MODULAIRE ÉCHANGEANT DES CALORIES AVEC SA STRUCTURE
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne les systèmes comprenant une structure à laquelle est solidarisée une batterie modulaire.
Etat de la technique
Certains systèmes, comme par exemple certains véhicules, éventuellement de type automobile, comprennent une batterie modulaire rechargeable destinée à alimenter en énergie électrique au moins un équipement (ou organe) électrique (ou électronique). Par exemple, dans un véhicule la batterie modulaire peut être destinée à alimenter en énergie électrique au moins une machine motrice électrique de son groupe motopropulseur (ou GMP).
Ce type de batterie comprend généralement au moins deux modules de stockage d’énergie électrique comprenant chacun au moins une cellule électrochimique de stockage d’énergie électrique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd ou encore plomb.
Dans les systèmes précités, la batterie est généralement volumineuse et donc installée sous ou dans la structure (définissant le châssis dans le cas d’un véhicule). Comme le sait l’homme de l’art, le fonctionnement de cette batterie est optimal lorsque sa température est comprise dans une plage de température qui est fonction de son type et éventuellement de son mode d’utilisation. A titre d’exemple, le fonctionnement d’une batterie lithium-ion est optimal entre 0°C et 40 °C.
Lorsque la température de la batterie est à l’extérieur de sa plage de température, cela peut l’empêcher de fournir une pleine puissance ou de se recharger à grande vitesse mais aussi la dégrader et donc réduire sa durée de vie. Il est donc nécessaire d’effectuer une régulation de la température de la batterie pour qu’elle fonctionne de façon optimale le plus longtemps possible. Cette régulation consiste le plus souvent à refroidir la batterie, en particulier lors d’une recharge ultra rapide (cas d’usage le plus critique qui dimensionne la capacité de refroidissement nécessaire). Mais cette régulation peut aussi consister à réchauffer la batterie, en particulier lorsque la température extérieure est très basse.
Dans de nombreux systèmes, la régulation thermique est assurée au moyen d’échangeur(s) de chaleur généralement dédié(s), intégré(s) dans et autour de la batterie, et dans le(s)quel(s) circule un fluide caloporteur (air, liquide, réfrigérant). Plus la puissance de charge est importante, plus la quantité de calories que doivent évacuer les échangeurs de chaleur précités doit être importante, et donc plus le dimensionnement de ces derniers doit être important et par conséquent plus ils sont lourds, encombrants, consommateurs d’énergie électrique et onéreux. En outre, plus on veut offrir d’autonomie à un système de type véhicule, à iso-poids, plus la capacité de stockage de sa batterie doit être importante, et donc plus le dimensionnement des échangeurs de chaleur doit être important et par conséquent plus ces derniers sont lourds, encombrants, consommateurs d’énergie électrique et onéreux.
On comprendra donc que dans certains, voire de nombreux, systèmes, la régulation thermique au moyen d’échangeur(s) de chaleur peut s’avérer insuffisante et donc elle peut aussi se faire de façon passive au moyen de caloducs, comme cela est notamment décrit dans le document brevet CN-A 110289460. Mais ces caloducs induisent une augmentation du poids, de l’encombrement et du coût et dans certains cas leur apport peut s’avérer encore insuffisant.
Par ailleurs, la régulation thermique au moyen d’échangeur(s) de chaleur peut s’avérer mal adaptée aux batteries qui sont installées dans la structure du châssis.
L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation lorsque la batterie est installée dans la structure du système.
Présentation de l’invention
Elle propose notamment à cet effet un système comprenant, d’une part, une batterie comportant N modules de stockage d’énergie électrique, produisant des calories et couplés entre eux par au moins une pièce de couplage conductrice électriquement, avec N ≥ 2, et, d’autre part, une structure à laquelle est solidarisée la batterie et comprenant au moins un élément structurel creux au contact d’au moins l’un des modules.
Ce système se caractérise par le fait qu’au moins un élément structurel creux contient au moins un matériau à changement de phase propre à stocker des calories évacuées vers lui par chaque module qui le contacte ou à transférer des calories qu’il stocke vers chaque module qui le contacte.
Grâce à cette intégration dans des éléments structurels creux de matériau(x) à changement de phase, ce(s) dernier(s) joue(nt) un rôle de « stockeur tampon de calories », et pas seulement d’interface de transfert de calories pour le refroidissement, ce qui permet d’éviter les pics de puissance thermique et donc de ne pas avoir besoin de sur-dimensionner les moyens de régulation thermique.
Le système selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- il peut comprendre un fluide caloporteur circulant dans au moins un élément structurel creux de manière à collecter et évacuer des calories venant d’être évacuées dans ce dernier ou à apporter des calories devant être transférées vers au moins un module ;
- en présence de la première option, il peut comprendre un échangeur de chaleur comportant un circuit dans lequel circule le fluide caloporteur et comprenant une partie logée dans l’élément structurel creux. Par exemple, cette partie du circuit peut être entourée du (de chaque) matériau à changement de phase ;
- il peut comprendre au moins un caloduc au contact d’au moins un élément structurel creux, contenant au moins un matériau à changement de phase, et d’au moins l’un des modules et/ou d’au moins une pièce de couplage, et propre à évacuer des calories présentes dans ces derniers vers cet élément structurel creux ;
- au moins un élément structurel creux peut contenir au moins deux matériaux à changement de phase ayant des températures de fusion différentes ;
- il peut comprendre au moins deux éléments structurels creux contenant des matériaux à changement de phase ayant des températures de fusion différentes ;
- il peut comprendre au moins une couche de transfert intercalée entre un module et un élément structurel creux contenant au moins un matériau à changement de phase et propre à assurer un transfert de calories entre ces module et élément structurel creux ;
- il peut constituer un véhicule (éventuellement de type automobile). Dans ce cas, les éléments structurels creux peuvent être choisis dans un groupe comprenant des traverses d’un châssis, des longerons d’un châssis, une pièce de fermeture supérieure d’un châssis, et des montants.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans un plan horizontal, un exemple de réalisation d’une batterie d’un système selon l’invention, installée dans la structure de châssis de ce dernier mais sans que les moyens de régulation thermique ne soient représentés,
illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans un plan vertical, un premier exemple de réalisation d’une batterie d’un système selon l’invention, installée dans la structure de châssis de ce dernier et associée à un premier exemple de réalisation des moyens de régulation thermique,
illustre schématiquement, dans une vue en coupe selon l’axe III-III, les batterie et structure de châssis de la , et
illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans un plan vertical, un second exemple de réalisation d’une batterie d’un système selon l’invention, installée dans la structure de châssis de ce dernier et associée à un second exemple de réalisation des moyens de régulation thermique.
Description détaillée de l’invention
L’invention a notamment pour but de proposer un système comprenant une structure SV dans laquelle est installée une batterie modulaire BV associée à des moyens de régulation thermique au moins passifs.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le système est un véhicule automobile. Il s’agit par exemple d’une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout type de système comprenant une structure à laquelle est solidarisée au moins une batterie modulaire. Ainsi, elle concerne les véhicules terrestres, maritimes (ou fluviaux), et aériens (ou spatiaux), ainsi que les systèmes à structure stationnaire (ou fixe), par exemple.
On a schématiquement illustré sur la , un exemple de réalisation d’une batterie modulaire BV installée dans une partie d’une structure SV d’un système selon l’invention. Ici le système est un véhicule automobile et donc la structure SV fait partie du châssis. Cette structure SV comprend des éléments structurels creux ESj. Dans l’exemple non limitatif illustré, la structure de châssis SV comprend un élément structurel creux ES1 (j = 1) définissant un longeron et de nombreux autres éléments structurels creux ES2 (j = 2) définissant des traverses solidarisées fixement au longeron ES1 et participant au support des modules MS de la batterie (modulaire) BV, généralement en coopération avec au moins une plaque de fermeture inférieure PI du châssis (voir figures 2 et 4).
On notera que la batterie BV d’un système, selon l’invention, comprend N modules MS dédiés au stockage d’énergie électrique (avec N ≥ 2), produisant des calories, couplés entre eux par au moins une pièce de couplage PC conductrice électriquement, et solidarisés fixement à la structure SV. On notera également que la structure SV d’un système, selon l’invention, comprend au moins un élément structurel creux ESj au contact (directement ou indirectement) d’au moins l’un des modules MS. Chaque pièce de couplage PC peut, par exemple, être un conducteur électrique rigide monobrin (ou « busbar »), comme illustré non limitativement sur les figures 2 et 4.
On considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la batterie (modulaire) BV est rechargeable et destinée à alimenter en énergie électrique au moins une machine motrice électrique du groupe motopropulseur (ou GMP) du véhicule. Par exemple, la batterie BV peut être de type basse tension (typiquement 400 V à titre illustratif). Mais elle pourrait être de type moyenne tension ou haute tension.
On notera que la batterie BV pourrait servir à d’autres équipements du véhicule que ceux faisant partie du GMP.
Dans l’exemple illustré non limitativement sur la , N est égal à quatorze. Mais N peut prendre n’importe quelle valeur supérieure ou égale à deux.
Par exemple, chaque module MS peut comprendre au moins une cellule électrochimique de stockage d’énergie électrique de type lithium-ion (ou Li-ion). Mais chaque cellule électrochimique pourrait être d’un autre type, comme par exemple Ni-Mh, Ni-Cd, ou plomb.
Selon l’invention, au moins un élément structurel creux ESj, faisant partie de la structure SV et au contact (directement ou indirectement) d’au moins un module MS, contient au moins un matériau à changement de phase MC propre à stocker des calories qui sont évacuées vers lui (ESj) par chaque module MS qui le contacte ou à transférer des calories qu’il stocke vers chaque module MS qui le contacte.
Ainsi, le matériau à changement de phase MC joue le rôle de « stockeur tampon de calories », et pas seulement de moyen de refroidissement, afin d’éviter les pics de puissance thermique, permettant ainsi de ne pas avoir besoin de sur-dimensionner les moyens de régulation thermique. De plus, l’intégration de matériau(x) à changement de phase MC dans les éléments structurels creux ESj qui sont au contact des modules MS permet très avantageusement de ne pas augmenter l’encombrement de la batterie BV, tout en tirant partie d’un important espace libre (non utilisé et fermé) dans ce qui constitue, dans la plupart des situations, une source froide. En d’autres termes, on peut désormais non seulement dissiper les calories produites par les modules MS vers les sources froides voisines qui constituent alors des drains dissipateurs de chaleur passifs, mais aussi constituer des réservoirs de calories passifs à proximité immédiate des modules MS pour réchauffer ces derniers (MS) en cas de besoin.
Tout élément structurel creux ESj faisant partie de la structure SV peut donc être utilisé pour stocker au moins un matériau à changement de phase MC, et notamment une traverse ES2 du châssis, un longeron ES1 du châssis, une pièce de fermeture supérieure ES3 (j = 3) du châssis, ou un montant (ou « pied ») arrière, central ou avant. Ainsi, dans le premier exemple illustré sur la , deux traverses ES2, un longeron ES1 et une pièce de fermeture supérieure ES3 du châssis contiennent au moins un matériau à changement de phase MC. Dans le second exemple illustré sur la , deux longerons ES1 et une traverse ES2 du châssis contiennent au moins un matériau à changement de phase MC (cela peut être aussi le cas de la pièce de fermeture supérieure ES3 du châssis).
A titre d’exemple, un matériau à changement de phase MC peut être une paraffine.
On notera que pour augmenter la capacité de régulation thermique du système (ici un véhicule), ce dernier peut comprendre un fluide caloporteur circulant dans au moins un élément structurel creux ESj de manière à collecter et évacuer des calories venant d’être évacuées dans ce dernier (ESj) ou à apporter des calories devant être transférées vers au moins un module MS.
Ce fluide caloporteur peut être liquide ou gazeux et peut faire partie d’un échangeur de chaleur dédié ou non dédié à la batterie ou d’une installation de chauffage et/ou refroidissement non dédiée à la batterie (comme par exemple celle qui est associée à un moteur thermique ou au traitement de l’air de l’habitacle). Par ailleurs, ce fluide caloporteur peut circuler soit directement dans l’espace interne qui est libre à l’intérieur d’au moins un élément structurel creux ESj, ce qui nécessite une étanchéification interne intégrale et préalable de ce dernier (ESj), soit, comme illustré non limitativement sur les figures 2 à 4, dans un circuit CF d’un échangeur de chaleur dont une partie est logée dans un élément structurel creux ESj. Dans cette dernière alternative, comme illustré non limitativement sur les figures 2 à 4, il est préférable que la partie du circuit CF soit entourée partiellement ou totalement du matériau à changement de phase MC que contient l’élément structurel creux ESj (ici un longeron ES1).
L’étanchéification interne précitée peut se faire par tout moyen connu de l’homme de l’art, et notamment par soudage ou pose d’un mastic ou d’un laquage.
On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 2 et 4, que le système (ici un véhicule) peut aussi comprendre au moins un caloduc CD au contact d’au moins un élément structurel creux ESj, contenant au moins un matériau à changement de phase MC, et d’au moins l’un des modules MS et/ou d’au moins une pièce de couplage PC. Ce (chaque) caloduc CD est agencé de manière à évacuer des calories présentes dans au moins l’un des modules MS qu’il contacte et/ou au moins une pièce de couplage PC qu’il contacte vers chaque élément structurel creux ESj qu’il contacte.
Il est rappelé qu’un caloduc CD est destiné à transporter des calories par transfert thermique par transition de phase d’un fluide interne. Il peut présenter une section en forme générale de I, L ou U, par exemple.
Dans le premier exemple illustré sur la , un premier caloduc CD ayant une section en forme générale de U est au contact de parties respectives de deux modules MS et d’un longeron ES1 contenant au moins un matériau à changement de phase MC, et un second caloduc CD ayant aussi une section en forme générale de U est au contact d’une pièce de couplage PC et d’une pièce de fermeture supérieure ES3 du châssis contenant au moins un matériau à changement de phase MC. Dans le second exemple illustré sur la , un premier caloduc CD ayant une section en forme générale de I est au contact d’une partie d’un module MS et d’un premier longeron ES1 contenant au moins un matériau à changement de phase MC, et un second caloduc CD ayant une section en forme générale de L, est au contact d’une pièce de couplage PC et d’un second longeron ES1 contenant au moins un matériau à changement de phase MC.
Un caloduc CD est particulièrement avantageux car il permet de servir d’interface de transfert de calories peu encombrante entre un module MS (ou une partie d’un module MS) ou une pièce de couplage PC et un élément structurel creux ESj contenant au moins un matériau à changement de phase MC et n’étant pas en contact direct avec ce module MS ou cette pièce de couplage PC. Ainsi, un module MS peut avoir une première partie en contact direct avec un élément structurel creux ESj contenant au moins un matériau à changement de phase MC et une seconde partie en contact direct avec un caloduc CD, lui-même en contact direct avec ce même élément structurel creux ESj (voir ) ou bien avec un autre élément structurel creux ESj (voir ).
On notera également qu’au moins un élément structurel creux ESj peut éventuellement contenir au moins deux matériaux à changement de phase MC ayant des températures de fusion différentes. On notera également qu’au moins deux éléments structurels creux ESj peuvent contenir respectivement des matériaux à changement de phase MC qui ont des températures de fusion différentes.
L’utilisation de plusieurs matériaux à changement de phase MC dans un ou plusieurs éléments structurels creux ESj permet de pré-conditionner la batterie pour différentes situations de vie, comme par exemple pour des conditions climatiques très froides (stockage de chaleur), ou des conditions climatiques très chaudes (stockage de froid) ou des recharges ultra rapides (stockage de froid) ou des roulages sur autoroute (stockage de froid). Ce pré-conditionnement permet de garantir la durée de vie de la batterie BV et la fourniture d’une pleine puissance dans des conditions de température optimales de la batterie BV, par anticipation.
On notera également, bien que cela n’apparaisse pas sur les figures, que le système (ici un véhicule) peut comprendre au moins une couche de transfert (ou « thermal pad »), intercalée entre un module MS et un élément structurel creux ESj contenant au moins un matériau à changement de phase MC, et propre à assurer un transfert de calories (homogène) entre ce module MS et cet élément structurel creux ESj. Cela permet d’améliorer encore plus le transfert de calories et donc la régulation thermique de la batterie BV.
L’invention offre plusieurs avantages parmi lesquels :
- l’utilisation du châssis comme source froide grâce à son espace interne « mort » jusqu’à présent inexploité, ce qui permet une réduction de la complexité de la batterie et de ses moyens de régulation thermique du fait de la réduction du nombre de pièces rapportées (et notamment la suppression des plaques de refroidissement et de leurs canalisations, et donc aussi une réduction des coûts, de l’encombrement et du poids,
- une réduction de la consommation d’énergie électrique (du fait de la réduction du nombre (voire l’absence) de pompes et de résistances chauffantes), et donc une augmentation non négligeable de l’autonomie du système (lorsqu’il s’agit d’un véhicule),
- une augmentation du taux de puissance thermique dissipé et une homogénéisation de la température à l’échelle de la cellule et entre cellules, du fait des échanges de calories aux endroits stratégiques que sont les faces externes des cellules et les pièces de couplage,
- la possibilité de stocker du chaud et/ou du froid grâce à plusieurs matériaux à changement de phase placés dans les éléments structurels creux de la structure, ce qui permet d’anticiper une utilisation de la batterie dans des conditions critiques de température (charge ultra rapide et conditions climatiques).

Claims (10)

  1. Système comprenant i) une batterie (BV) comportant N modules (MS) de stockage d’énergie électrique, produisant des calories et couplés entre eux par au moins une pièce de couplage (PC) conductrice électriquement, avec N ≥ 2, et ii) une structure (SV) à laquelle est solidarisée ladite batterie (BV) et comprenant au moins un élément structurel creux (ESj) au contact d’au moins l’un desdits modules (MS), caractérisé en ce qu’au moins un élément structurel creux (ESj) contient au moins un matériau à changement de phase (MC) propre à stocker des calories évacuées vers lui par chaque module (MS) qui le contacte ou à transférer des calories qu’il stocke vers chaque module (MS) qui le contacte.
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend un fluide caloporteur circulant dans au moins un élément structurel creux (ESj) de manière à collecter et évacuer des calories venant d’être évacuées dans ce dernier (ESj) ou à apporter des calories devant être transférées vers au moins un module (MS).
  3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend un échangeur de chaleur comportant un circuit (CF) dans lequel circule ledit fluide caloporteur et comprenant une partie logée dans ledit élément structurel creux (ESj).
  4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite partie du circuit (CF) est entourée dudit matériau à changement de phase (MC).
  5. Système selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un caloduc (CD) au contact d’au moins un élément structurel creux (ESj), contenant au moins un matériau à changement de phase (MC), et d’au moins l’un desdits modules (MS) et/ou d’au moins une pièce de couplage (PC), et propre à évacuer des calories présentes dans ces derniers (MS, PC) vers cet élément structurel creux (ESj).
  6. Système selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’au moins un élément structurel creux (ESj) contient au moins deux matériaux à changement de phase (MC) ayant des températures de fusion différentes.
  7. Système selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux éléments structurels creux (ESj) contenant des matériaux à changement de phase (MC) ayant des températures de fusion différentes.
  8. Système selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une couche de transfert intercalée entre un module (MS) et un élément structurel creux (ESj) contenant au moins un matériau à changement de phase (MC) et propre à assurer un transfert de calories entre ces module (MS) et élément structurel creux (ESj).
  9. Système selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il constitue un véhicule.
  10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits éléments structurels creux (ESj) sont choisis dans un groupe comprenant des traverses d’un châssis, des longerons d’un châssis, une pièce de fermeture supérieure d’un châssis, et des montants.
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