FR3156594A1 - Ensemble comprenant un élément électrochimique et une pompe électrohydrodynamique, module de batterie, batterie et procédé associés - Google Patents

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Abstract

Ensemble comprenant un élément électrochimique et une pompe électrohydrodynamique, module de batterie, batterie et procédé associés L’ensemble comporte un élément électrochimique (22) comprenant un conteneur (50) contenant au moins une cathode, au moins une anode et au moins un séparateur interne interposé entre chaque anode et chaque cathode. Le conteneur (50) présente une surface externe (26) destinée à être immergée dans un fluide de refroidissement de l’élément électrochimique (22). L’ensemble comporte au moins une pompe électrohydrodynamique (24) plate, rapportée sur la surface externe (26) du conteneur (50). La pompe électrohydrodynamique (24) est configurée pour engendrer un déplacement local du fluide de refroidissement en contact avec la ou chaque pompe électrohydrodynamique (24) appliquée sur la surface externe (26) de l’élément électrochimique (22). Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Ensemble comprenant un élément électrochimique et une pompe électrohydrodynamique, module de batterie, batterie et procédé associés
La présente invention concerne un ensemble, comprenant un élément électrochimique comprenant un conteneur contenant au moins une cathode, au moins une anode et au moins un séparateur interne interposé entre chaque anode et chaque cathode, le conteneur présentant une surface externe destinée à être immergée dans un fluide de refroidissement de l’élément électrochimique.
Un tel ensemble est destiné à être inclus dans un module de batterie utilisé notamment dans des applications de fourniture de puissance électrique dans les domaines automobile, ferroviaire, aéronautique, spatial, ou/et pour du stockage d’énergie. Le module de batterie incluant plusieurs ensembles électrochimiques est particulièrement adapté aux applications de hautes puissances électriques.
La transition écologique impose de disposer de batteries dans lesquelles les puissances électriques impliquées sont de plus en plus élevées, à la fois lors de la fourniture d’un courant et d’une tension à un système consommateur, ou lors de la recharge du module de batterie.
Dans ce cadre, le module de batterie subit généralement des échauffements importants qui nécessitent une évacuation efficace des calories produites par effet Joule.
Pour refroidir efficacement la batterie, il est connu d’immerger au moins partiellement les éléments de batterie du module dans un liquide diélectrique qui est mis en circulation pour passer autour des éléments de batterie et collecter la chaleur qu’ils dégagent.
WO2020002254 décrit un module de batterie du type précité, dans lequel un fluide de refroidissement est mis en circulation par une pompe électrohydrodynamique. Les éléments électrochimiques sont espacés les uns des autres et délimitent de larges volumes intermédiaires. Une ou plusieurs pompes électrohydrodynamiques sous forme de grilles sont disposés dans les volumes intermédiaires entre les éléments électrochimiques, à l’écart de ceux-ci.
Un tel module de batterie ne donne pas entière satisfaction. En effet, la disposition d’un large volume intermédiaire entre les éléments électrochimiques limite le volume disponible pour stocker de l’énergie électrique dans le module de batterie. Celui-ci n’est donc pas très compact.
De plus, l’entrainement du fluide de refroidissement est significatif au niveau des pompes électrohydrodynamiques, mais s’atténue à l’écart de celles-ci, notamment à la surface des éléments électrochimiques. Des échauffements localisés des éléments électrochimiques sont donc toujours susceptibles de se produire, malgré la présence et la circulation du fluide de refroidissement.
Un but de l’invention est donc de disposer d’un ensemble qui offre une disposition particulièrement compacte dans un module de batterie, afin d’augmenter la densité d’énergie stockée par le module de batterie, tout en garantissant un refroidissement très efficace et peu consommateur en énergie des éléments électrochimiques présents dans le module de batterie.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble du type précité, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une pompe électrohydrodynamique plate, rapportée sur la surface externe du conteneur, la ou chaque pompe électrohydrodynamique étant configurée pour engendrer un déplacement local du fluide de refroidissement en contact avec la ou chaque pompe électrohydrodynamique appliquée sur la surface externe de l’élément électrochimique.
L’ensemble selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la pompe électrohydrodynamique comporte au moins une paire d’électrodes d’une première polarité définissant entre elles un espace intermédiaire le long de la surface externe, la pompe électrohydrodynamique comportant, pour la ou chaque paire d’électrodes de première polarité, une électrode d’une deuxième polarité opposée à la première polarité, interposée dans l’espace intermédiaire entre les électrodes de première polarité ;
- les électrodes de première polarité forment des doigts parallèles, l’électrode de deuxième polarité formant un doigt opposé disposé parallèle et à l’écart des doigts parallèles, l’aire de chaque doigt étant différente de l’aire du doigt opposé ;
- la pompe électrohydrodynamique présente un substrat portant les électrodes de première et de deuxième polarités, le substrat étant rapporté sur la surface externe ;
- le substrat est une plaque d’aire supérieure à l’aire des électrodes de première et de deuxième polarités ou le substrat est une bande souple de contour correspondant au contour des électrodes de première et de deuxième polarités ;
- il comprend un système de séparation, le système de séparation définissant au moins un canal de circulation de fluide de refroidissement présentant un axe de circulation de fluide de refroidissement ;
- le système de séparation comprend une pluralité de cales en saillie appliquées sur les électrodes de première et de deuxième polarités ;
- la ou chaque paire d’électrodes de première polarité et la ou chaque électrode de deuxième polarité délimitent localement le ou chaque canal de circulation en s’étendant transversalement par rapport à l’axe de circulation de fluide ;
- le système de séparation définit une pluralité de canaux parallèles de circulation de fluide de refroidissement, la pompe électrohydrodynamique comprenant une pluralité d’électrodes de première polarité successives et une pluralité d’électrodes de deuxième polarité successives interposées entre les électrodes de première polarité, les électrodes de première polarité et les électrodes de deuxième polarité s’étendant transversalement aux canaux parallèles, à des positions successives le long de l’axe de circulation ;
- le conteneur est un conteneur prismatique, un conteneur cylindrique ou est une poche.
L’invention concerne également un module de batterie comprenant un boitier et une pluralité d’ensembles électrochimiques disposés dans le boitier, la pluralité d’ensembles électrochimiques comprenant au moins un premier ensemble tel que défini plus haut.
Le module de batterie selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la pluralité d’ensembles électrochimiques forme un empilement, au moins un deuxième ensemble de l’empilement étant placé adjacent et en regard du premier ensemble en définissant un canal intermédiaire de circulation de fluide de refroidissement, le canal intermédiaire étant délimité d’un côté au moins en partie par la pompe électrohydrodynamique du premier ensemble et étant délimité d’un autre côté au moins en partie par une région découverte d’une surface externe de l’élément électrochimique du deuxième ensemble ;
- le deuxième ensemble est tel que défini plus haut,la surface externe de l’élément électrochimique du deuxième ensemble présentant du côté en regard du premier ensemble, la région découverte et d’un côté opposé, au moins une pompe électrohydrodynamique placée en regard d’une région découverte d’une surface externe d’un élément électrochimique d’un troisième ensemble de l’empilement ;
- il comporte un transformateur, raccordé électriquement en amont à au moins un élément électrochimique d’un ensemble de la pluralité d’ensembles électrochimiques et raccordé en aval à la ou à chaque pompe électrohydrodynamique pour alimenter électriquement la ou chaque pompe électrohydrodynamique, avantageusement avec une tension supérieure à 500 V, notamment comprise entre 500 V et 3000 V ;
- il comprend une première rangée de bornes ou de languettes de connexion raccordées aux anodes des éléments électrochimiques et une deuxième rangée de bornes ou de languettes de connexion raccordées aux cathodes des éléments électrochimiques, le transformateur étant disposé entre les rangées de bornes ou de languettes de connexion.
L’invention concerne également une batterie comprenant au moins un module de batterie tel que défini plus haut et un système de refroidissement, raccordé au boitier du module de batterie.
La batterie selon l’invention peut comprendre la caractéristique suivante :
- le système de refroidissement comprend un circuit de refroidissement, raccordé au boitier du module de batterie, le circuit de refroidissement comprenant au moins un échangeur de chaleur, un conduit de collecte de fluide de refroidissement à refroidir raccordant le boitier à l’échangeur de chaleur et un conduit de fourniture de fluide de refroidissement refroidi raccordant l’échangeur de chaleur au boitier.
L’invention concerne également un procédé de refroidissement d’un module de batterie, comprenant les étapes suivantes :
  • amenée de fluide de refroidissement, notamment d’un liquide diélectrique, dans le boitier d’un module de batterie tel que défini plus haut ;
  • mise en contact du fluide de refroidissement avec la pompe électrohydrodynamique d’au moins un ensemble contenu dans le module de batterie ;
  • alimentation électrique de la pompe électrohydrodynamique ;
  • mise en circulation du fluide de refroidissement par la pompe électrohydrodynamique le long de la pompe électrohydrodynamique appliquée sur la surface externe de l’élément électrochimique de l’ensemble.
L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
-FIG. 1LaFIG. 1est une vue schématique en coupe partielle d’une première batterie comprenant un module de batterie selon l’invention ;
-FIG. 2LaFIG. 2est une vue (a) de face (b) de côté (c) arrière d’une pompe électrohydrodynamique appliquée sur une surface externe d’un élément électrochimique dans un ensemble selon l’invention ;
-FIG. 3LaFIG. 3est une vue schématique de dessus d’un empilement d’ensembles électrochimiques selon l’invention, dans un module de batterie ;
-FIG. 4LaFIG. 4est une vue schématique décrivant le principe de fonctionnement d’une pompe électrohydrodynamique sur la surface externe d’un élément de batterie dans un ensemble selon l’invention ;
-FIG. 5LaFIG. 5est une vue en élévation d’un module de batterie comprenant un empilement de plusieurs ensembles électrochimiques et un transformateur pour alimenter électriquement les pompes électrohydrodynamiques rapportées sur des éléments électrochimiques du module de batterie ;
-FIG. 6LaFIG. 6est une vue d’une variante d’ensemble selon l’invention comprenant un élément électrochimique prismatique ; et
-FIG. 7LaFIG. 7est une vue d’une autre variante d’ensemble selon l’invention comprenant un élément électrochimique cylindrique.
Une première batterie 10 selon l’invention est illustrée schématiquement sur laFIG. 1. La batterie 10 comporte au moins un module de batterie 12, et un circuit 14 de circulation de fluide de refroidissement pour refroidir le module de batterie 12.
Le module de batterie 12 comporte un boitier 16, délimitant un volume intérieur 18. Il comporte en outre un empilement 20, reçu dans le volume intérieur 18, comprenant une pluralité d’éléments électrochimiques 22. Au moins une partie des éléments électrochimiques 22, de préférence tous les éléments électrochimiques 22 sont munis d’une pompe électrohydrodynamique 24 sur leur surface externe 26 et forment ainsi des éléments électrochimiques selon l’invention.
Dans cet exemple, le module de batterie 12 comprend en outre un transformateur 44 (voirFIG. 5) pour l’alimentation de chaque pompe électrohydrodynamique 24 par les éléments électrochimiques 22.
Toujours en référence à laFIG. 5, le module de batterie 12 comporte en outre un système de raccordement électrique 46 des éléments électrochimiques 22 pour les relier à des bornes électriques (non représentées) du module de batterie 12, et avantageusement, un système électronique de gestion 48, interposé sur le système de raccordement électrique 46 entre les éléments électrochimiques 22 et les bornes du module de batterie 12.
Dans l’exemple de laFIG. 1, le boitier 16 comporte un fond 28, des parois latérales 30, et un capot 32 qui définissent entre eux le volume intérieur 18.
Le boitier 16 définit une entrée 34 d’amenée d’un fluide de refroidissement destiné à être réchauffé par échange thermique avec les éléments électrochimiques 22, et une sortie 36 d’évacuation du fluide de refroidissement réchauffé. Le fluide de refroidissement est de préférence un liquide diélectrique.
Le liquide diélectrique présente avantageusement une résistivité supérieure à 50 GΩ et une tension de claquage supérieure 40 kV pour un entrefer de 2,5 mm, de préférence comprise entre 45 kV et 55 kV pour un entrefer de 2,5 mm.
Le liquide diélectrique présente en outre une densité avantageusement inférieure à 1, par exemple comprise entre 0,7 et 0,9 et une viscosité faible, par exemple inférieure à 3,3 mPa.s à 25 °C, telle que mesurée par la norme ASTM D7042.
Dans cet exemple, l’empilement 20 s’étend suivant un axe A-A′ parallèle au fond 28 du volume intérieur 18 du boitier 16 lorsqu’il est reçu dans le volume intérieur 18. L’axe A-A’ est ici horizontal.
L’empilement 20 comprend en particulier plus de deux ensembles électrochimiques, de préférence entre 2 et 20 ensembles électrochimiques empilés. Dans cet exemple, chaque ensemble de l’empilement 20 comprend un élément électrochimique 22 (parfois désigné par le terme « cellule électrochimique ») et une pompe électrohydrodynamique 24 sur sa surface externe 26
Comme visible sur laFIG. 3, l’empilement 20 comporte en outre un système 40 de séparation des éléments électrochimiques 22 d’ensembles électrochimiques adjacents, définissant des canaux 42 de circulation de fluide de refroidissement entre chaque paire d’ensembles électrochimiques adjacents, et un système (non représenté) de maintien mécanique de l’empilement 20, propre à maintenir empilés sous forme d’un seul bloc les ensembles électrochimiques et le système de séparation 40.
En référence aux figures 1 et 3, chaque élément électrochimique 22 comporte un conteneur 50, définissant la surface externe 26, et, dans le volume interne défini par le conteneur 50, une alternance d’anodes, de séparateurs internes, et de cathodes (non représentés).
Comme visible sur laFIG. 5, l’élément électrochimique 22 comporte en outre au moins une languette 52 de connexion des anodes, et au moins une languette opposée 54 de connexion des cathodes.
Dans l’exemple représenté sur les figures 1 à 5, le conteneur 50 est formé par une poche (« pouch » en anglais), avantageusement déformable au toucher. Dans les variantes de laFIG. 6et de laFIG. 7, qui seront décrites ultérieurement, le conteneur 50 est de format respectivement prismatique ou cylindrique et est généralement indéformable au toucher.
La poche est formée par exemple de deux films multicouches soudées entre eux par leurs bords. Chaque film multicouche comprend une couche métallique, généralement en aluminium, prise en sandwich entre deux couches de matière plastique.
Le conteneur 50 ainsi constitué reçoit des anodes et des cathodes séparées chacune par un séparateur interne, un électrolyte, et est fermée de manière étanche.
L’élément électrochimique 22 est par exemple de type lithium-ion.
Dans l’exemple représenté sur les figures 1 à 5, le conteneur 50 présente une forme généralement prismatique. La surface externe 26 présente ainsi une face principale avant 56, sur laquelle est montée la pompe électrohydrodynamique 24, et une face principale arrière 58 définissant au moins une région découverte 60, destinée à être balayée par du fluide de refroidissement en circulation. Les faces principales 56, 58 sont raccordées latéralement entre elles à leurs périphéries.
Chaque languette 52, 54 fait saillie hors du conteneur 50, de part et d’autre du conteneur 50 par rapport à un plan axial médian. Ainsi, toutes les languettes 52 raccordées aux anodes font saillies du même côté du conteneur 50, et toutes les languettes opposées 54 raccordées aux cathodes font saillie d’un autre côté du conteneur 50.
Les languettes 52, 54 sont connectées au système de raccordement électrique 46, par exemple par soudure.
Selon l’invention, au moins une partie des éléments électrochimiques 22 de l’empilement 20, de préférence chaque élément électrochimique 22 de l’empilement 20, est muni, sur sa face principale avant 56, d’une pompe électrohydrodynamique 24 plane appliquée sur la face principale 56 en étant fixée à celle-ci.
La pompe électrohydrodynamique 24 est plane, en ce qu’elle présente une épaisseur inférieure à l’épaisseur de chaque élément électrochimique 22, prise le long de l’axe A-A′ entre la face principale avant 56 et la face principale arrière 58.
L’épaisseur de chaque pompe électrohydrodynamique 24 est par exemple inférieure à 2 mm.
Dans l’exemple représenté sur laFIG. 2, la pompe électrohydrodynamique 24 comporte un substrat 70, et une alternance d’électrodes d’une première polarité 72 et d’électrodes d’une deuxième polarité 74 formées sur le substrat 70. Chaque électrode de deuxième polarité 74 est interposée entre une paire 76 d’électrodes de première polarité 72.
La pompe électrohydrodynamique 24 comporte en outre un chemin commun 78 d’alimentation électrique des électrodes de première polarité 72, et un chemin commun 80 d’alimentation des électrodes de deuxième polarité 74.
Le substrat 70 présente ici un contour identique ou homothétique à celui de la face principale avant 56 sur laquelle il est fixé.
Son aire est comprise par exemple entre 50% et 100% de l’aire de la face principale avant 56, prise perpendiculairement à l’axe A-A′.
Dans l’exemple de laFIG. 2, le substrat 70 présente en outre une aire supérieure à l’aire occupée par les électrodes 72, 74 et par les chemins d’alimentation 78, 80 sur le substrat.
En variante (non représentée), le substrat 70 présente une forme identique ou homothétique à celle des électrodes 72, 74 et des chemins d’alimentation 78, 80.
Le substrat 70 est par exemple formé d’une plaque en matériau isolant électriquement, notamment en matériau plastique. La plaque est par exemple formée de polymère fluoré, notamment de polytétrafluoroéthylène, ou encore de céramique.
Un matériau isolant électriquement présente généralement une résistivité supérieure à 1015ohm.m mesurée selon la Norme NF EN 62631-1.
Le substrat 70 possède généralement une faible permittivité électrique, notamment inférieure à 5, mesurée selon la Norme IEC 62631-2-1:2018. Ceci évite les phénomènes de claquage électrique à la surface du matériau.
Dans ce cas, l'épaisseur du substrat 70 est avantageusement inférieure à 2 mm.
En variante, le substrat 70 est constitué d’une bande déformable au toucher, notamment de type « Flex ». Il comprend une couche mince d’un polymère flexible au toucher, notamment un polyimide, comme du Kapton®, sur lequel sont déposées les électrodes 72, 74.
Dans ce cas, l'épaisseur du substrat 70 est avantageusement inférieure à 0,5 mm.
Comme illustré par laFIG. 2, les électrodes 72, 74, et les chemins d’alimentation 78, 80 sont disposés sur une première face 81A du substrat 70, une deuxième face 81B du substrat 70 restant dépourvue d’électrodes 72, 74 et de chemins d’alimentation 78, 80.
La deuxième face 81B du substrat est fixée sur la face principale avant 56 de l’élément électrochimique 22.
En variante, la pompe électrohydrodynamique 24 est dépourvue de substrat. Les électrodes 72, 74 et les chemins d’alimentation 78, 80 sont appliqués directement sur la surface externe 26, qui est alors isolante électriquement.
Les électrodes 72, 74, et les chemins d’alimentation 78, 80 sont formés d’une couche métallique, par exemple contenant du cuivre ou de l’aluminium ou/et des alliages de ces métaux. La couche métallique est d’épaisseur généralement inférieure à 500 micromètres
Dans l’exemple représenté sur les figures 1 à 5, les électrodes de première polarité 72 s’étendent perpendiculairement à un axe d’élévation B-B′ du substrat 70 et de la face principale avant 56 de l’élément électrochimique 22, suivant la largeur de l’élément électrochimique 22, sensiblement horizontalement sur laFIG. 2.
Les électrodes de première polarité 72 sont formées par des doigts 82 faisant saillie parallèlement les uns aux autres. Chaque doigt 82 s’étend à partir du chemin d’alimentation 78 des électrodes de première polarité 72 vers le chemin d’alimentation 80 des électrodes de deuxième polarité 74, jusqu’à une extrémité libre disposée en regard et à l’écart du chemin d’alimentation 80 des électrodes de deuxième polarité 74.
Les doigts parallèles 82 adjacents délimitent entre eux un espace intermédiaire 84 dans lequel est reçue une électrode de deuxième polarité 74.
Chaque électrode de deuxième polarité 74 s’étend également perpendiculairement à l’axe d’élévation B-B′, parallèlement aux électrodes de première polarité 72.
Les électrodes de deuxième polarité 74 sont également formées par des doigts opposés 86 faisant saillie parallèlement les uns aux autres, chaque doigt opposé 86 étant interposé entre deux doigts 82 dans l’espace intermédiaire 84.
Chaque doigt opposé 86 s’étend à partir du chemin d’alimentation 80 des électrodes de deuxième polarité 74 vers le chemin d’alimentation 78 des électrodes de première polarité 72, jusqu’à une extrémité libre disposée en regard et à l’écart du chemin d’alimentation 78 des électrodes de première polarité 72.
Le long de l’axe d’élévation B-B’, la hauteur des électrodes de première polarité 72 (correspondant ici à la largeur des doigts 82) est différente de la hauteur des électrodes de deuxième polarité 74 (correspondant à la largeur des doigts opposés 86).
Par exemple, les électrodes de deuxième polarité 74 présentent une hauteur inférieure à celle des électrodes de première polarité 72, notamment inférieure à 50% de la hauteur des électrodes de première polarité 72, les hauteurs étant prises parallèlement à l’axe d’élévation B-B’.
L’étendue transversale des électrodes 72, 74, prise perpendiculairement à l’axe d’élévation B-B′ entre le chemin d’alimentation 78, 80 à partir duquel elles font saillie et leur extrémité libre est supérieure à 50%, notamment supérieure à 60% de la largeur du substrat 70 et/ou de la largeur de la face principale avant 56, prise perpendiculairement à l’axe d’élévation B-B′.
Les chemins 78, 80 s’étendent respectivement le long des bords latéraux du substrat 70, au voisinage des bords latéraux de la face principale avant 56. Ils s’étendent généralement parallèlement à l’axe d’élévation B-B′. Ils présentent une extrémité supérieure 88, 90 respective de connexion à une borne respective du transformateur 44.
En référence à laFIG. 4, sous l’effet d’une mise sous tension des points de connexion 88, 90, notamment par application d’une tension électrique supérieure à 500 V entre ces points 88, 90, un champ électrique est créé entre chaque électrode de première polarité 72, et l’électrode de deuxième polarité 74 adjacente le long de l’axe B-B’. Ce champ électrique engendre un phénomène de dissociation des molécules du liquide diélectrique en anions et en cations.
Du fait des surfaces différentes des électrodes 72, 74 le long de l’axe B-B’, les anions et les cations s’accumulent en quantités différentes sur les électrodes 72, 74 respectives et un flux F de liquide est engendré suivant l’axe d’élévation B-B’ pour compenser le déséquilibre des charges.
Dans un mode de réalisation avantageux, représenté sur laFIG. 5, chaque pompe électrohydrodynamique 24 est alimentée électriquement par un ou plusieurs éléments électrochimiques 22 du module de batterie 12.
Dans ce cas, le transformateur 44 est raccordé en amont aux languettes 52, 54 d’au moins un élément électrochimique 22, de préférence de plusieurs éléments électrochimiques 22 du module de batterie 12.
Le transformateur 44 est raccordé en aval aux points de connexion 88, 90 sur chaque pompe électrohydrodynamique 24.
Le transformateur 44 est configuré pour augmenter la tension électrique reçue entre les languettes 52, 54 des éléments électrochimiques 22 et pour fournir une tension électrique entre les points de connexion 88, 90 qui soit supérieure à 500 V, et notamment comprise entre 500V et 3000 V.
Dans l’exemple illustré dans laFIG. 5, les languettes 52 raccordées aux anodes sont disposées d’un premier côté des éléments électrochimiques 22 de l’empilement 20, et les languettes opposées 54 raccordées aux cathodes sont disposées d’un autre côté des éléments électrochimiques 22 de l’empilement 20.
Les languettes 52, 54 délimitent entre elles un espace intermédiaire 92 dans lequel est disposé le transformateur 44. Ceci optimise l’espace disponible au sein du module de batterie 12.
En référence à laFIG. 3, le système de séparation 40 comporte une pluralité de cales 100, appliquées sur la pompe électrohydrodynamique 24 d’un ensemble pour s’interposer entre la pompe électrodynamique 24 de l’ensemble et une face principale arrière 58 d’un élément électrochimique 22 d’un ensemble adjacent à l’ensemble portant la pompe électrohydrodynamique 24.
Dans l’exemple représenté sur laFIG. 3, chaque ensemble est muni d’une pluralité de cales 100 parallèles, fixées sur la pompe électrohydrodynamique 24.
Chaque cale 100 est réalisée en un matériau rigide, non compressible, par exemple en polymère fluoré, notamment en polytétrafluoroéthylène, ou encore en céramique.
Chaque cale 100 est réalisée en un matériau isolant électriquement qui présente généralement une résistivité supérieure à 1015ohm.m mesurée selon la Norme NF EN 62631-1.
Chaque cale 100 possède généralement une faible permittivité électrique, notamment inférieure à 5, mesurée selon la Norme IEC 62631-2-1:2018. Ceci évite les phénomènes de claquage électrique à la surface du matériau.
Chaque cale 100 présente en outre une rigidité en compression lui permettant de subir un effort de compression au sein de l’empilement 20 sans déformation significative.
Le Module d’Young du matériau formant chaque cale 100 est notamment supérieur à 2000 MPa, tel que mesuré par la Norme NF EN 12390-13.
Les cales 100 s’étendent parallèlement à l’axe d’élévation B-B′, à l’écart les unes des autres.
L’espacement entre deux cales 100 adjacentes est généralement inférieur à la largeur d’une cale 100, pris perpendiculairement à l’axe d’élévation B-B′. Par exemple, l’espacement entre deux cales 100 est inférieur à 5 mm, notamment inférieur à 3 mm.
L’épaisseur de chaque cale 100, prise le long de l’axe d’empilement A-A′ est généralement inférieure ou égale à l’épaisseur d’un élément électrochimique 22. Cette épaisseur est généralement inférieure à 2 mm et est comprise entre 0,5 mm et 1 mm.
Comme illustré par l’agrandissement représenté à droite sur laFIG. 3, chaque paire de cales 100 adjacentes définit entre elles un canal 42 de circulation de fluide de refroidissement.
Le canal 42 est délimité latéralement par les bords latéraux opposés en regard des deux cales 100 adjacentes. Il est délimité également entre d’un côté, la pompe électrohydrodynamique 24 de l’ensemble, notamment en partie par les électrodes 72, 74 de la pompe électrodynamique 24, et d’un autre côté, une région découverte 60 de la face principale arrière 58 d’un élément électrochimique 22 d’un ensemble adjacent à l’ensemble portant la pompe électrohydrodynamique 24.
Comme représenté sur laFIG. 4, les électrodes 72, 74 s’étendent successivement perpendiculairement à l’axe du canal 42, avec une alternance d’électrodes de première polarité 72 et de deuxième polarité 74.
Ainsi, chaque canal 42 est délimité sur toute sa hauteur le long de l’axe B-B′ par une succession d’électrodes de première polarité 72 et d’électrodes de deuxième polarité 74.
Le système de maintien (non représenté) présente par exemple un ou plusieurs tirants et des plaques terminales permettant de maintenir l’empilement 20 d’ensembles éléctrochimiques empilés les uns contre les autres en succession par l’intermédiaire des cales 100.
Ainsi, dans l’empilement 20 maintenu mécaniquement par le système de maintien, chaque élément électrochimique 22 d’un ensemble présente, fixé sur sa face principale avant 56, une pompe électrohydrodynamique 24, sur laquelle sont fixées des cales 100, lesquelles sont en contact avec la face principale arrière 58 d’un élément électrochimique 22 d’un ensemble adjacent ou d’une plaque terminale.
L’élément électrochimique 22 de l’ensemble reçoit en appui, sur sa face principale arrière 58, les cales 100 d’un élément électrochimique 22 d’un autre ensemble adjacent ou/et d’une plaque terminale.
Chaque paire d’ensembles électrochimiques en regard définit, entre les cales 100, la pompe électrohydrodynamique 24, et la région découverte 60, une pluralité de canaux 42 de circulation de fluide de refroidissement s’étendant ici parallèlement à l’axe d’élévation B-B′.
En référence à laFIG. 5, le système de raccordement électrique 46 raccorde d’une part, les languettes 52 et d’autre part, les languettes 54 au système électronique de gestion 48. Le système électronique de gestion 48 est lui-même raccordé aux bornes (non représentées) du module de batterie 12.
Le système électronique de gestion 48 comporte des composants électroniques destinés à contrôler la tension et/ou le courant délivré par chaque élément électrochimique 22 du module de batterie 12 lors de sa décharge, et la tension ou/et le courant reçu par chaque élément électrochimique 22 du module de batterie 12 lors de sa recharge.
En référence à laFIG. 1, le circuit de circulation 14 de fluide de refroidissement comporte un échangeur thermique 110, disposé hors du boitier 16 du module de batterie 12, un conduit de collecte 112 de fluide de refroidissement à refroidir raccordant la sortie 36 à une entrée de l’échangeur thermique 110, et un conduit 114 de fourniture de fluide de refroidissement refroidi vers le boitier 16, raccordant une sortie de l’échangeur thermique 110 à l’entrée 34 du boitier 16.
L’assemblage du module de batterie 12 va maintenant être décrit.
Initialement, chaque ensemble est assemblé en fixant, sur un élément électrochimique 22, une pompe électrohydrodynamique 24 sur la face principale avant 56 du conteneur 50 de l’élément électrochimique 22.
Puis, les cales 100 du système de séparation 40 sont fixées sur la pompe électrohydrodynamique 24 en créant des interstices destinés à la formation des canaux 42.
Ensuite, les ensembles électrochimiques, chacun comprenant un élément électrochimique 22 et une pompe électrohydrodynamique 24 assemblée sur l’élément électrochimique 22 sont empilés les uns sur les autres, avec interposition des cales 100.
Les canaux de circulation 42 de fluide de refroidissement sont alors fermés d’un côté par la pompe électrohydrodynamique 24 portée par un élément électrochimique 22 d’un ensemble et d’un autre côté par la région découverte 60 de la face principale arrière 58 d’un élément électrochimique 22 d’un ensemble adjacent.
Le système de maintien est alors mis en place pour maintenir mécaniquement l’empilement 20 qui est alors déplaçable d’un seul tenant.
L’empilement 20 est ensuite inséré dans le volume interne 18 du boitier 16. Il est alors immergé dans du fluide de refroidissement, en particulier dans du liquide diélectrique. Le boitier 16 est refermé et est connecté au circuit de circulation de fluide 14.
L’utilisation de la batterie 10 va maintenant être décrite. Lors de l’utilisation, une puissance électrique est délivrée par les éléments électrochimiques 22 aux bornes du ou de chaque module de batterie 12, lors de la décharge, ou est délivrée aux éléments électrochimiques 22 à travers les bornes du ou de chaque module de batterie 12 lors de la charge.
Lors de la décharge ou de la recharge, du fluide de refroidissement est acheminé à travers le circuit de circulation 14, afin de fournir du fluide de refroidissement refroidi dans le volume intérieur 18 à travers l’entrée d’amenée 34.
Le fluide de refroidissement est entrainé à travers les canaux 42 situés entre les éléments électrochimiques 22.
A cet effet, chaque pompe électrohydrodynamique 24 est activée. Les points de connexion 88, 90 sont alimentés par le transformateur 44 pour appliquer entre ces points une tension électrique supérieure à 500 V.
Cette tension électrique s’applique entre chaque électrode de première polarité 72 et chaque électrode de deuxième polarité 74 adjacente.
Elle engendre une séparation de molécules du liquide diélectrique en anions et en cations. Les cations s’accumulent sur les électrodes de polarité négative, alors que les anions s’accumulent sur les électrodes de polarité positive.
Compte tenu de la différence d’aire entre les électrodes 72, 74, il existe un déséquilibre entre les charges accumulées sur chaque électrode 72, 74, ce déséquilibre engendrant un pompage de fluide.
Une turbulence locale est créée dans chaque canal 42 le long de la pompe électrodynamique 24 suivant l’axe d’élévation B-B′. Cette turbulence est créée au voisinage d'une paire d'électrodes 72, 74 où se produit le pompage. Le pompage génère localement de la turbulence dans l'écoulement qui a pour effet d'améliorer les transferts thermiques, en particulier sur la région découverte 60 sur chaque face principale arrière 58 délimitant un canal 42.
En conséquence, l’échange thermique au niveau de la région découverte 60 est amélioré, provoquant une évacuation plus efficace de la chaleur émise dans l’élément électrochimique 22, notamment par convection thermique entre la région découverte 60 et le fluide de refroidissement présent dans le canal 42.
Le fluide de refroidissement réchauffé issu des canaux 42 est alors collecté à la sortie 36 pour être convoyé jusqu’à l’échangeur thermique 110 via la conduite de collecte 112.
Ainsi, l’utilisation de pompes électrohydrodynamiques plates 24 appliquées sur la surface externe 26 du conteneur 50 augmente significativement l’échange thermique entre le fluide de refroidissement et les éléments électrochimiques 22, offrant un refroidissement très efficace de ces éléments électrochimiques 22. Il permet également soit de s'affranchir, soit de minimiser le besoin d'une pompe externe sur le circuit de circulation 14.
Cette efficacité de refroidissement est obtenue en conservant une architecture très compacte du module de batterie 12, puisque les éléments électrochimiques 22 sont empilés les uns sur les autres, la pompe électrohydrodynamique 24 occupant un espace minimal dans le volume intérieur 18 du boitier 16.
Un effet bénéfique est obtenu par une évacuation améliorée de la chaleur dans les éléments électrochimiques 22, ce qui permet de les rapprocher afin d’augmenter la densité d’énergie présente dans la batterie 10 en limitant, voire supprimant le risque d’échauffement au sein du ou de chaque module de batterie 12.
Une consommation électrique très faible (par exemple inférieure à 1 mW par pompe éléctrohydrodynamique 24) est nécessaire pour obtenir ce refroidissement efficace, puisque les pompes électrohydrodynamiques 24 sont faiblement consommatrices.
La puissance électrique nécessaire au fonctionnement des pompes électrohydrodynamiques 24 est avantageusement fournie directement par les éléments électrochimiques 22 du module de batterie 12, notamment en prévoyant un transformateur 44 qui peut être intégré de manière compacte dans le module de batterie 12.
Ainsi, le module de batterie 12 présente de meilleures performances de refroidissement, en comparaison avec un refroidissement à l’air.
La consommation électrique du système de refroidissement est faible, notamment comparée à un système de refroidissement à l’air et l’émission de bruit est très réduite. Les éléments électrochimiques 22 sont mieux protégés, puisqu’aucune oxydation des conteneurs extérieurs 50 ne se produit résultant de la circulation d’un flux d’air.
Le refroidissement est intégré dans le module de batterie 12, ce qui simplifie la circuiterie et augmente la fiabilité. De plus, l’utilisation de pompes électrohydrodynamiques 24 sans composants mobiles garantit une grande fiabilité et une maintenance réduite, tout en offrant une compacité très élevée.
Dans une variante (non représentée), le système de séparation 40 n’est pas formé par des cales 100, mais par un autre dispositif définissant au moins un canal ouvert de circulation du liquide diélectrique. Le dispositif est isolant électriquement et présente une résistance mécanique à la compression dans l’empilement 20.
Dans une autre variante, représentée schématiquement sur laFIG. 6, l’élément électrochimique 22 est un élément prismatique. Il comporte un conteneur 50 rigide au toucher, sur laquelle est fixée la pompe électrohydrodynamique 24 pour former un ensemble selon l’invention.
Dans cet exemple, les électrodes de première polarité 72 et les électrodes de deuxième polarité 74 sont montées parallèlement les unes aux autres et parallèles à l’axe d’élévation B-B′.
Au contraire, les cales 100 sont montées perpendiculaires à l’axe B-B′. Les canaux 42 s’étendent ainsi perpendiculairement à l’axe d’élévation B-B’, horizontalement sur laFIG. 6.
Le fonctionnement du module de batterie 12 comprenant des ensembles électrochimiques tels que représentés sur laFIG. 6est par ailleurs analogue à celui du module de batterie 12 décrit précédemment sur les figures 1 à 5.
Dans une autre variante, représentée sur laFIG. 7, l’élément électrochimique 22 est de forme cylindrique. La pompe électrodynamique 24 est enroulée autour de la surface externe 26 cylindrique du conteneur 50 pour former un ensemble selon l’invention.
La présence de la pompe électrohydrodynamique 24 autour de l’élément électrochimique 22 cylindrique améliore l’échange thermique au niveau de la surface externe 26, augmentant le refroidissement fourni par le fluide de refroidissement.

Claims (18)

  1. Ensemble, comportant un élément électrochimique (22) comprenant un conteneur (50) contenant au moins une cathode, au moins une anode et au moins un séparateur interne interposé entre chaque anode et chaque cathode,
    le conteneur (50) présentant une surface externe (26) destinée à être immergée dans un fluide de refroidissement de l’élément électrochimique (22) ;
    caractérisé en ce que l’ensemble comporte au moins une pompe électrohydrodynamique (24) plate, rapportée sur la surface externe (26) du conteneur (50), la ou chaque pompe électrohydrodynamique (24) étant configurée pour engendrer un déplacement local du fluide de refroidissement en contact avec la ou chaque pompe électrohydrodynamique (24) appliquée sur la surface externe (26) de l’élément électrochimique (22).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la pompe électrohydrodynamique (24) comporte au moins une paire (76) d’électrodes d’une première polarité (72) définissant entre elles un espace intermédiaire (84) le long de la surface externe (26), la pompe électrohydrodynamique (24) comportant, pour la ou chaque paire (76) d’électrodes de première polarité (72), une électrode d’une deuxième polarité (74) opposée à la première polarité, interposée dans l’espace intermédiaire (84) entre les électrodes de première polarité (72).
  3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel les électrodes de première polarité (72) forment des doigts (82) parallèles, l’électrode de deuxième polarité (74) formant un doigt opposé (86) disposé parallèle et à l’écart des doigts parallèles (82), l’aire de chaque doigt (82) étant différente de l’aire du doigt opposé (86).
  4. Ensemble selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la pompe électrohydrodynamique (24) présente un substrat (70) portant les électrodes (72, 74) de première et de deuxième polarités, le substrat (70) étant rapporté sur la surface externe (26).
  5. Ensemble selon la revendication 4, dans lequel le substrat (70) est une plaque d’aire supérieure à l’aire des électrodes (72, 74) de première et de deuxième polarités ou dans lequel le substrat (70) est une bande souple de contour correspondant au contour des électrodes (72, 74) de première et de deuxième polarités.
  6. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, comprenant un système de séparation (40), le système de séparation (40) définissant au moins un canal (42) de circulation de fluide de refroidissement présentant un axe de circulation de fluide de refroidissement.
  7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel le système de séparation (40) comprend une pluralité de cales (100) en saillie appliquées sur les électrodes (72, 74) de première et de deuxième polarités.
  8. Ensemble selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la ou chaque paire d’électrodes de première polarité (72) et la ou chaque électrode de deuxième polarité (74) délimitent localement le ou chaque canal de circulation (42) en s’étendant transversalement par rapport à l’axe de circulation de fluide
  9. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le système de séparation (40) définit une pluralité de canaux parallèles (42) de circulation de fluide de refroidissement, la pompe électrohydrodynamique (24) comprenant une pluralité d’électrodes de première polarité (72) successives et une pluralité d’électrodes de deuxième polarité (74) successives interposées entre les électrodes de première polarité (72), les électrodes de première polarité (72) et les électrodes de deuxième polarité (74) s’étendant transversalement aux canaux parallèles (42), à des positions successives le long de l’axe de circulation.
  10. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conteneur (50) est un conteneur prismatique, un conteneur cylindrique ou est une poche.
  11. Module de batterie (12), comprenant un boitier (16) et une pluralité d’ensembles électrochimiques disposés dans le boitier (16), la pluralité d’ensembles électrochimiques comprenant au moins un premier ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  12. Module de batterie (12) selon la revendication 11, dans lequel la pluralité d’ensembles électrochimiques forme un empilement (20), au moins un deuxième ensemble de l’empilement (20) étant placé adjacent et en regard du premier ensemble en définissant un canal intermédiaire (42) de circulation de fluide de refroidissement, le canal intermédiaire (42) étant délimité d’un côté au moins en partie par la pompe électrohydrodynamique (24) du premier ensemble et étant délimité d’un autre côté au moins en partie par une région découverte (60) d’une surface externe (26) de l’élément électrochimique (22) du deuxième ensemble.
  13. Module de batterie (12) selon la revendication 12, dans lequel le deuxième ensemble est selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, la surface externe (26) de l’élément électrochimique (22) du deuxième ensemble présentant du côté en regard du premier ensemble, la région découverte (60) et d’un côté opposé, au moins une pompe électrohydrodynamique (24) placée en regard d’une région découverte (60) d’une surface externe (26) d’un élément électrochimique (22) d’un troisième ensemble de l’empilement (20).
  14. Module de batterie (12) selon l’une quelconque des revendications 12 à 13, comportant un transformateur (44), raccordé électriquement en amont à au moins un élément électrochimique (22) d’un ensemble de la pluralité d’ensembles électrochimiques et raccordé en aval à la ou à chaque pompe électrohydrodynamique (24) pour alimenter électriquement la ou chaque pompe électrohydrodynamique (24), avantageusement avec une tension supérieure à 500 V, notamment comprise entre 500 V et 3000 V.
  15. Module selon la revendication 14, dans lequel l’empilement (20) comprend une première rangée de bornes ou de languettes de connexion (52) raccordées aux anodes des éléments électrochimiques (22) et une deuxième rangée de bornes ou de languettes de connexion (54) raccordées aux cathodes des éléments électrochimiques (22), le transformateur (44) étant disposé entre les rangées de bornes ou de languettes de connexion (52, 54).
  16. Batterie (10) comprenant au moins un module de batterie (12) selon l’une quelconque des revendications 11 à 15 et un système de refroidissement, raccordé au boitier (16) du module de batterie (12).
  17. Batterie (10) selon la revendication 16, dans lequel le système de refroidissement comprend un circuit de refroidissement (14), raccordé au boitier (16) du module de batterie (12), le circuit de refroidissement (14) comprenant au moins un échangeur de chaleur (110), un conduit (112) de collecte de fluide de refroidissement à refroidir raccordant le boitier (16) à l’échangeur de chaleur (110) et un conduit (114) de fourniture de fluide de refroidissement refroidi raccordant l’échangeur de chaleur (110) au boitier (16).
  18. Procédé de refroidissement d’un module de batterie (12), comprenant les étapes suivantes :
    • amenée de fluide de refroidissement, notamment d’un liquide diélectrique, dans le boitier (16) d’un module de batterie (12) selon l’une quelconque des revendications 11 à 15 ;
    • mise en contact du fluide de refroidissement avec la pompe électrohydrodynamique (24) d’au moins un ensemble contenu dans le module de batterie (12) ;
    • alimentation électrique de la pompe électrohydrodynamique (24) ;
    • mise en circulation du fluide de refroidissement par la pompe électrohydrodynamique (24) le long de la pompe électrohydrodynamique (24) appliquée sur la surface externe (26) de l’élément électrochimique (22) de l’ensemble.
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