WO2024100341A1 - Circuit caloporteur de cellules de batterie intégré au socle de ladite batterie et procédé de fabrication associé - Google Patents

Circuit caloporteur de cellules de batterie intégré au socle de ladite batterie et procédé de fabrication associé Download PDF

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Frédéric Pinard
Kevin KAPPLER
Sébastien THOMASSIER
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Safran Electrical and Power SAS
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • TITLE Battery cell heat transfer circuit integrated into the base of said battery and associated manufacturing process.
  • the technical field of the invention is the protection of multiple-cell batteries, and more particularly, the protection of such batteries against thermal runaway.
  • the electrochemical cells of a battery are generally assembled inside a casing, in contact with a heat transfer circuit, in which a heat transfer liquid circulates.
  • Such a covering generally comprises a tray or base and a bell cooperating with the base in order to delimit a closed volume inside which the battery cells are arranged.
  • the heat transfer circuit is in contact with the base and is in the form of a set of welded tubes, generally connected in parallel. When connected in this way, the flow of heat transfer liquid is approximately equal through each tube. On the other hand, such a configuration has the effect of creating a thermal gradient between the input and output of the circuit.
  • not all cells can be cooled in parallel.
  • the heat transfer circuit then includes tubes connected in parallel and tubes connected in series. Combined with the temperature gradient of the parallel zones, this has the effect of not subjecting all the cells to a heat transfer liquid at the same temperature. Some cells then have a higher temperature than the other cells. The same is true when a large number of cells are cooled by a parallel circuit, the cells near the inlet of the heat transfer circuit have a lower temperature than those near the outlet.
  • the heat transfer circuit is generally independent of the base so as to facilitate manufacturing, control and maintenance.
  • This thermal interface is generally produced in the form of a thermal pad, which has an impact on the mass and cost of the assembly.
  • the subject of the invention is a battery support comprising a base and a heat transfer circuit, the heat transfer circuit comprising a first conduit and a second conduit, a first end of the first conduit allowing the admission of a heat transfer liquid, a first end of the second conduit allowing the outlet of said heat transfer liquid, the first conduit and the second conduit being connected together by their second end.
  • the first conduit and the second conduit are delimited on the one hand by the base and on the other hand by a set of walls, the first conduit and the second conduit sharing a common wall.
  • the section of the walls of the heat transfer circuit can have an E shape.
  • the section of the walls of the heat transfer circuit can have a W shape.
  • the invention also relates to a battery comprising at least one cell arranged on a battery support as described above, the cells being arranged on one side of the base, the heat transfer circuit being arranged on the other side of the base so as to extend opposite each cell.
  • the heat transfer liquid can be chosen from a refrigerant, brine, or a gas, in particular air.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a battery support as described above, comprising the following steps:
  • An object of the invention is a method of manufacturing a battery support as described above, in which the heat transfer circuit is produced by additive manufacturing directly on the base.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of a heat transfer circuit
  • FIG. 1 illustrates a sectional view of the heat transfer circuit
  • FIG. 3 illustrates a sectional view of the heat transfer circuit section
  • FIG. 4 illustrates a tool for holding the heat transfer circuit on the base during welding
  • FIG. 5 illustrates the main stages of a process for manufacturing a heat transfer circuit according to the first embodiment
  • FIG. 6 illustrates a sectional view of the section of the heat transfer circuit according to a second embodiment
  • FIG. 7 illustrates the second embodiment of a heat transfer circuit
  • a battery casing according to the invention comprises a bell and a base to the surface of which the heat transfer circuit is welded.
  • Figure [Fig 1] illustrates the base 1 and the heat transfer circuit 2.
  • the heat transfer circuit comprises a first conduit 2a in which the liquid admitted into the circuit circulates and a second conduit 2b in which the liquid leaving the heat transfer circuit 2 circulates.
  • the admission of the heat transfer liquid into the first conduit 2a is done through its first end .
  • the exit of the heat transfer liquid from the second conduit 2b is also done through its first end.
  • the heat transfer liquid is chosen from a refrigerant liquid, brine, or even a gas such as air.
  • the two conduits are connected together by their second end.
  • Figure [Fig 2] illustrates a sectional view along a plane passing through a central axis of each conduit.
  • the inventors had the idea of removing the wall of the heat transfer circuit 2 in contact with the base. It is thus possible to save on the wall of the heat transfer circuit at the interface with the base 1.
  • the mass of the assembly is thus reduced as is the thermal inertia of the assembly, facilitating heat transfer .
  • Figure [Fig 3] illustrates a sectional view normal to the axes of each conduit.
  • the section plane A-A' of Figure [Fig 2] is illustrated, as is the base 1, the first conduit 2a and the second conduit 2b.
  • the heat transfer circuit 2 comprises an open face and an E shape.
  • the conduits 2a, 2b are thus only capable of receiving the heat transfer liquid once secured to the base 1.
  • the E shape of the heat transfer circuit corresponds to the needs in terms of thermal management of the cells, particularly in terms of heat transfer. Knowing the heat capacity of the heat transfer liquid used, and the quantity of thermal energy to be dissipated, we can determine the necessary flow rate of heat transfer liquid. Knowing the capacity of the on-board circulation pumps, we can determine the necessary section of the heat transfer circuit pipes.
  • the section of the heat transfer circuit can be modified, particularly in terms of aspect ratio, to take into account the structural constraints of the conduits. In particular, we can adapt the height of the coil according to the resistance in bending or torsion.
  • the first conduit in which the admitted liquid circulates and the second conduit in which the outgoing liquid circulates are both in contact with the same components, in particular with the same cells.
  • this has the advantage of homogenization of the temperature between the heat transfer liquid admitted and the heat transfer liquid leaving so that the temperature gradient is reduced.
  • the removal of the wall of the conduits in contact with the base makes it possible to avoid a double interface due to the contact of the wall of the led with the base. Thermal inertia is reduced which further reduces the temperature gradient.
  • the heat transfer circuit is designed so as to be in contact with the electrical connectors of the battery.
  • the E-section of the heat transfer circuit highlights the limited accessibility of the central wall of the heat transfer circuit 2 during welding on the base 1.
  • the heat transfer circuit is welded to the base by laser welding.
  • Such welding is carried out by transparency, so that the limited accessibility of the central wall is not problematic. It also has the advantage of not requiring the addition of metal, and therefore the addition of mass.
  • one of the main constraints of laser welding lies in the distance between the parts to be welded, in this case between the walls and the base. This distance must be less than 0.2 mm with current techniques.
  • FIG 4 illustrates this holding tool 3, which comprises a metal plate 4 provided with a first set 5 of blind tapped holes arranged opposite the base 1 and a second set 6 of through-tapped holes arranged au- above the heat transfer circuit 2.
  • a set of holes 7 is made in the base 1, facing the first set 5 of blind tapped holes.
  • the tool and the base are then joined together via spacers 8 adjusted to the height of the heat transfer circuit 2 and screws 9.
  • sets of threaded rod and nut pairs are substituted for screws 9.
  • the second set of holes 6 is provided with other screws 10, the screwing of which makes it possible to apply pressure on the heat transfer circuit 2.
  • This pressure makes it possible to reduce the distance between the walls of the heat transfer circuit 2 and the base 1, below of the limit distance for laser welding.
  • the manufacturing process is illustrated in Figure [Fig 5]. It comprises a first step 101 during which the heat transfer circuit 2 is placed on the base 1. The holding tool 3 is then fixed to the base 1 so that it extends above the heat transfer circuit 2, the screw 10 being in contact with the heat transfer circuit 2. The pressure on the heat transfer circuit 2 is then adjusted by adjusting the screwing of the screws 10 so as to reduce the distance between the walls of the heat transfer circuit 2 and the base 1.
  • each tapped hole 7 made in the base 1 and allowing the holding tool to be fixed is then provided with a shouldered washer or a metal pad which is also welded by laser welding.
  • the choice of the arrangement and the number of holes of the first set 5 depends, among other things, on the length of the heat transfer circuit 2, its shape and the deformation of the base 1.
  • titanium which is a material with very good mechanical strength.
  • the production of the heat transfer circuit in titanium is particularly interesting due to the mechanical constraints it undergoes during cooling or heating of the battery cells, and due to the stiffness imparted by the heat transfer circuit 2 to the base 1.
  • titanium has a lower mass than stainless steel.
  • the heat transfer circuit is produced by additive manufacturing directly on the base.
  • the E shape is replaced by a W shape in which each conduit 2a, 2b has a triangle shape.
  • Figure [Fig 6] illustrates the W shape of the heat transfer circuit 2 while figure [Fig 7] is a bird's eye view of the heat transfer circuit 2 formed on the base 1 by additive manufacturing.

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Abstract

Support de batterie comprenant un socle (1) et un circuit caloporteur (2), le circuit caloporteur (2) comprenant un premier conduit et un deuxième conduit, une première extrémité du premier conduit permettant l'admission d'un liquide caloporteur, une première extrémité du deuxième conduit permettant la sortie dudit liquide caloporteur, le premier conduit et le deuxième conduit étant connectés ensemble par leur deuxième extrémité, le premier conduit et le deuxième conduit étant délimités d'une part par le socle (1) et d'autre part par un ensemble de parois, le premier conduit et le deuxième conduit partageant une paroi commune. La section des parois du circuit caloporteur (2) présente une forme en W, et le circuit caloporteur est réalisé par une fabrication additive.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Circuit caloporteur de cellules de batterie intégré au socle de ladite batterie et procédé de fabrication associé.
Domaine technique
L’ invention a pour domaine technique la protection de batteries à cellules multiples, et plus particulièrement, la protection de telles batteries contre l’ emballement thermique.
Techniques antérieures
Les cellules électrochimiques d’une batterie sont généralement assemblées à l’ intérieur d’un habillage (« casing » en langue anglaise), en contact avec un circuit caloporteur, dans lequel circule un liquide caloporteur.
Un tel habillage comprend généralement un plateau ou socle et une cloche coopérant avec le socle afin de délimiter un volume fermé à l’ intérieur duquel sont disposées les cellules de la batterie.
Le circuit caloporteur est au contact du socle et se présente sous la forme d’un ensemble de tubes soudés, généralement connectés en parallèle. Lorsqu’ils sont connectés ainsi, le débit de liquide caloporteur est sensiblement égal à travers chaque tube. Par contre, une telle configuration a pour effet de créer un gradient thermique entre l’ entrée et la sortie du circuit.
Dans certaines configurations, toutes les cellules ne peuvent être refroidies en parallèle. Le circuit caloporteur comprend alors des tubes connectés en parallèle et des tubes connectés en série. Combiné au gradient de température des zones en parallèle, cela a pour effet de ne pas soumettre toutes les cellules à un liquide caloporteur à la même température. Certaines cellules présentent alors une température plus élevée que les autres cellules. Il en est de même lorsqu’un grand nombre de cellules sont refroidies par un circuit en parallèle, les cellules près de l’entrée du circuit caloporteur présentent une température inférieure à celles près de la sortie.
Cette situation est préjudiciable car la température d’une cellule a un impact direct sur sa durée de vie, et plus particulièrement sur le vieillissement de la cellule. Dans une batterie comprenant plusieurs cellules, un vieillissement différentié des cellules est problématique car il peut engendrer une défaillance prématurée des cellules ayant vu les températures les plus élevées. De telles défaillances nécessitent des opérations de maintenance spécifiques.
Par ailleurs, le circuit caloporteur est généralement indépendant du socle de sorte à en faciliter la fabrication, le contrôle et la maintenance.
Cela a pour inconvénient d’ augmenter la masse de l’ ensemble, d’ augmenter le nombre de pièces à gérer et de requérir l’utilisation d’une interface thermique entre le socle et le circuit caloporteur afin de compenser le jeu mécanique entre les deux pièces et de favoriser les échanges thermiques. Cette interface thermique est généralement réalisée sous la forme d’un coussin thermique (« thermal pad » en langue anglaise), qui a un impact sur la masse et le cout de l’ ensemble.
Il existe un besoin de réduction de la masse d’une batterie et de son système caloporteur, notamment dans une perspective d’ application aéronautique.
Il existe également un besoin de réduction du gradient de température entre les différentes cellules.
Exposé de l’invention
L’ invention a pour objet un support de batterie comprenant un socle et un circuit caloporteur, le circuit caloporteur comprenant un premier conduit et un deuxième conduit, une première extrémité du premier conduit permettant l’ admission d’un liquide caloporteur, une première extrémité du deuxième conduit permettant la sortie dudit liquide caloporteur, le premier conduit et le deuxième conduit étant connectés ensemble par leur deuxième extrémité. Le premier conduit et le deuxième conduit sont délimités d’une part par le socle et d’ autre part par un ensemble de parois, le premier conduit et le deuxième conduit partageant une paroi commune.
La section des parois du circuit caloporteur peut présenter une forme en E. La section des parois du circuit caloporteur peut présenter une forme en W.
L’ invention a également pour objet une batterie comprenant au moins une cellule disposée sur un support de batterie tel que décrit ci- dessus, les cellules étant disposées d’un côté du socle, le circuit caloporteur étant disposé de l’ autre côté du socle de sorte s’ étendre en regard de chaque cellule.
Le liquide caloporteur peut être choisi parmi un réfrigérant, de l’ eau glycolée, ou un gaz, notamment de l’ air.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un support de batterie tel que décrit ci-dessus, comprenant les étapes suivantes :
- on fabrique un socle et un circuit caloporteur,
- on dispose le circuit caloporteur sur le socle,
- on fixe ensuite un outil de maintien au socle de sorte qu’ il s’ étende au-dessus du circuit caloporteur,
- on ajuste alors la pression exercée par l’ outil de maintien sur le circuit caloporteur de sorte à réduire la distance entre les parois du circuit caloporteur et le socle,
- on réalise la soudure laser des parois du circuit caloporteur et du socle,
- on retire l’ outil de maintien,
- on referme les trous éventuellement ménagés dans le socle pour fixer l’ outil de maintien en disposant et en soudant pour chacun d’ eux une rondelle épaulée ou une pastille métallique.
Un objet de l’ invention est un procédé de fabrication d’un support de batterie tel que décrit plus haut, dans lequel le circuit caloporteur est réalisé par fabrication additive directement sur le socle.
Brève description des dessins
D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure [Fig 1 ] illustre un premier mode de réalisation d’un circuit caloporteur,
- la figure [Fig 2] illustre une vue en coupe du circuit caloporteur,
- la figure [Fig 3] illustre une vue en coupe de la section du circuit caloporteur,
- la figure [Fig 4] illustre un outil de maintien du circuit caloporteur sur le socle lors de la soudure,
- la figure [Fig 5] illustre les principales étapes d’un procédé de fabrication d’un circuit caloporteur selon le premier mode de réalisation,
- la figure [Fig 6] illustre une vue en coupe de la section du circuit caloporteur selon un deuxième mode de réalisation, et
- la figure [Fig 7] illustre le deuxième mode de réalisation d’un circuit caloporteur,
Description détaillée
Un habillage de batterie selon l’invention comprend une cloche et un socle à la surface duquel le circuit caloporteur est soudé. La figure [Fig 1 ] illustre le socle 1 et le circuit caloporteur 2.
Le circuit caloporteur comprend un premier conduit 2a dans lequel circule le liquide admis dans le circuit et un deuxième conduit 2b dans lequel circule le liquide sortant du circuit caloporteur 2. L’ admission du liquide caloporteur dans le premier conduit 2a se fait par sa première extrémité. La sortie du liquide caloporteur du deuxième conduit 2b se fait également par sa première extrémité. Le liquide caloporteur est choisi parmi un liquide réfrigérant, de l’ eau glycolée, ou même un gaz tel que de l’ air.
Les deux conduits sont connectés ensemble par leur deuxième extrémité.
Afin d’homogénéiser les températures entre les cellules de batterie, les inventeurs ont eu l’ idée de faire partager une paroi aux deux conduits. La figure [Fig 2] illustre une vue en coupe selon un plan passant par un axe central de chaque conduit. Afin de réduire la masse de l’habillage de la batterie et d’ augmenter l’efficacité de transfert, les inventeurs ont eu l’idée de supprimer la paroi du circuit caloporteur 2 au contact du socle. Il est ainsi possible de faire l’ économie de la paroi du circuit caloporteur à l’ interface avec le socle 1. La masse de l’ ensemble est ainsi réduite de même que l’ inertie thermique de l’ ensemble, facilitant les transferts de chaleur. La figure [Fig 3] illustre une vue en coupe normale aux axes de chaque conduit. Le plan de coupe A-A’ de la figure [Fig 2] est illustré, de même que le socle 1 , le premier conduit 2a et le deuxième conduit 2b.
Il ressort de cette suppression que le circuit caloporteur 2 comprend une face ouverte et une forme en E. Les conduits 2a, 2b ne sont ainsi aptes à recevoir le liquide caloporteur qu’une fois solidarisés au socle 1 .
On note que la forme en E du circuit caloporteur correspond aux besoins en termes de gestion thermique des cellules, notamment en termes de transfert de chaleur. Connaissant la capacité calorifique du liquide caloporteur employé, et la quantité d’ énergie thermique à dissiper, on peut déterminer le débit nécessaire de liquide caloporteur. Connaissant la capacité des pompes de circulation embarquées, on peut déterminer la section nécessaire des conduits du circuit caloporteur. La section du circuit caloporteur peut être modifiée, notamment en termes de rapport de forme, pour tenir compte des contraintes structurelles des conduits. On pourra notamment adapter la hauteur du serpentin en fonction des tenues en flexion ou en torsion.
Il ressort des considérations ci-dessus que le premier conduit dans lequel circule le liquide admis et le deuxième conduit dans lequel circule le liquide sortant sont tous deux en contact avec les mêmes composants, notamment avec les mêmes cellules. Combiné à la paroi commune, cela présente l’ avantage d’une homogénéisation de la température entre le liquide caloporteur admis et le liquide caloporteur sortant de sorte que le gradient de température est réduit. De plus, la suppression de la paroi des conduits au contact du socle permet d’ éviter une double interface du fait de la mise en contact de la paroi des conduits avec le socle. L’inertie thermique est réduite ce qui réduit encore plus le gradient de température.
Dans un mode de réalisation particulier, le circuit caloporteur est conçu de sorte à être en contact avec les connecteurs électriques de la batterie.
Un procédé de fabrication du circuit caloporteur décrit ci-dessus va maintenant être décrit.
La coupe en E du circuit caloporteur, illustrée sur la figure [Fig 3] , met en évidence l’ accessibilité limitée de la paroi centrale du circuit caloporteur 2 lors de la soudure sur le socle 1.
Dans un premier mode de réalisation, on soude le circuit caloporteur sur le socle par soudure laser. Une telle soudure est réalisée par transparence, de sorte que l’ accessibilité limitée de la paroi centrale n’ est pas problématique. Elle présente également l’ avantage de ne pas nécessiter d’ apport de métal, et donc d’ aj out de masse.
Par contre, une des principales contraintes de la soudure laser réside dans la distance entre les pièces à souder, en l’ occurrence entre les parois et le socle. Cette distance doit être inférieure à 0,2 mm avec les techniques actuelles.
Afin d’ assurer que cette contrainte est respectée entre les parois du circuit caloporteur et le socle, un outil de maintien a été développé. La figure [Fig 4] illustre cet outil de maintien 3 , qui comprend une plaque métallique 4 munie d’un premier ensemble 5 de trous taraudés borgnes disposés en regard du socle 1 et d’un deuxième ensemble 6 de trous taraudés débouchant disposés au-dessus du circuit caloporteur 2.
Un ensemble de trous 7 est réalisé dans le socle 1 , en regard du premier ensemble 5 de trous taraudés borgnes. L’ outil et le socle sont ensuite solidarisés par l’ intermédiaire d’ entretoises 8 ajustées à la hauteur du circuit caloporteur 2 et de vis 9. Alternativement, des ensembles de paires tige filetée et écrou sont substitués aux vis 9.
Le deuxième ensemble de trous 6 est muni d’ autres vis 10, dont le vissage permet d’ appliquer une pression sur le circuit caloporteur 2. Cette pression permet de réduire la distance entre les parois du circuit caloporteur 2 et le socle 1 , en dessous de la distance limite pour la soudure laser. Le procédé de fabrication est illustré par la figure [Fig 5] . Il comprend une première étape 101 au cours de laquelle on dispose le circuit caloporteur 2 sur le socle 1. On fixe ensuite l’ outil de maintien 3 au socle 1 de sorte qu’ il s’étende au-dessus du circuit caloporteur 2, les vis 10 étant en contact avec le circuit caloporteur 2. On ajuste alors la pression sur le circuit caloporteur 2 en ajustant le vissage des vis 10 de sorte à réduire la distance entre les parois du circuit caloporteur 2 et le socle 1 .
Au cours d’une deuxième étape 102, on réalise la soudure laser. Au cours d’une troisième étape 103, on retire l’ outil de maintien. Au cours d’une quatrième étape 104, chaque trou taraudé 7 ménagé dans le socle 1 et permettant de fixer l’ outil de maintien est alors muni d’une rondelle épaulée ou d’une pastille métallique qui est également soudée par soudure laser.
Le choix de la disposition et du nombre de trous du premier ensemble 5 dépend entre autres de la longueur du circuit caloporteur 2, de sa forme et la déformation du socle 1.
Il est à noter que la soudure laser permet de souder des pièces en titane, qui est un matériau de très bonne tenue mécanique. La réalisation du circuit caloporteur en titane est particulièrement intéressante de par les contraintes mécaniques subies par celui-ci lors du refroidissement ou du chauffage des cellules de batterie, et de par la raideur conférée par le circuit caloporteur 2 au socle 1. Enfin, à dimensionnement égal, le titane présente une masse inférieure à l’ acier inoxydable.
Dans un autre mode de mise en œuvre du procédé de fabrication, le circuit caloporteur est réalisé par fabrication additive directement sur le socle. Afin de tenir compte des contraintes propres à une telle fabrication additive, la forme en E est remplacée par une forme en W dans laquelle chaque conduit 2a, 2b présente une forme en triangle. La figure [Fig 6] illustre la forme en W du circuit caloporteur 2 tandis que la figure [Fig 7] est une vue plongeante sur le circuit caloporteur 2 formé sur le socle 1 par fabrication additive.
La description ci-dessus illustre le refroidissement de cellules de batterie. Néanmoins, il est connu que le réchauffement de telles cellules peut également être bénéfique, notamment dans le cadre d’une recharge à basse température. Un tel mode de réalisation est également compris dans la portée de l’ invention dans la mesure où il ne diffère que par un apport de chaleur réalisé par l’ intermédiaire de la circulation d’un liquide caloporteur chauffé à la place du retrait de chaleur réalisé par l’ intermédiaire de la circulation d’un liquide caloporteur refroidi décrit ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Support de batterie comprenant un socle ( 1 ) et un circuit caloporteur (2), le circuit caloporteur (2) comprenant un premier conduit (2a) et un deuxième conduit (2b), une première extrémité du premier conduit (2a) permettant l’ admission d’un liquide caloporteur, une première extrémité du deuxième conduit (2b) permettant la sortie dudit liquide caloporteur, le premier conduit (2a) et le deuxième conduit (2b) étant connectés ensemble par leur deuxième extrémité, le support de batterie étant caractérisé par le fait que le premier conduit (2a) et le deuxième conduit (2b) sont délimités d’une part par le socle ( 1 ) et d’ autre part par un ensemble de parois, le premier conduit (2a) et le deuxième conduit (2b) partageant une paroi commune, la section des parois du circuit caloporteur (2) présente une forme en W, le circuit caloporteur étant réalisé par fabrication additive.
2. Batterie comprenant au moins une cellule disposée sur un support de batterie tel que revendiqué dans la revendication 1 , les cellules étant disposées d’un côté du socle ( 1 ), le circuit caloporteur (2) étant disposé de l’ autre côté du socle ( 1 ) de sorte s’ étendre en regard de chaque cellule.
3. Batterie selon la revendication 2, dans laquelle le liquide caloporteur est choisi parmi un réfrigérant, de l’eau glycolée, ou un gaz, notamment de l’ air.
4. Procédé de fabrication d’un support de batterie tel que revendiqué dans la revendication 1 , au cours duquel le circuit caloporteur est réalisé par fabrication additive directement sur le socle.
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