FR2998098A1 - Module de stockage d'energie electrique comportant un caloduc disposant de branches inserees entre les cellules - Google Patents

Abstract

Module de stockage d'énergie électrique comportant des cellules de stockage, et un dispositif de refroidissement de ces cellules comprenant un caloduc (1) disposant de capillaires recevant un fluide subissant un cycle d'évaporation et de condensation, caractérisé en ce que le caloduc (1) comporte une forme comprenant une plaque (2) recouvrant au moins en partie l'ensemble des cellules, et une succession de branches (4) insérées entre les cellules, cette plaque et ces branches comprenant un volume intérieur commun dans lequel circule le fluide.

Description

9 9 809 8 1 MODULE DE STOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE COMPORTANT UN CALODUC DISPOSANT DE BRANCHES INSEREES ENTRE LES CELLULES L'invention concerne un module de stockage d'énergie électrique comportant un dispositif de refroidissement, ainsi qu'un véhicule hybride ou électrique équipé d'un tel module de stockage d'énergie. Les véhicules hybrides ou électriques comportent généralement un module de stockage d'énergie électrique, contenant des cellules recevant cette énergie qui peuvent utiliser différentes technologies connues, comme des éléments électrochimiques ou des condensateurs. En fonction de la technologie, ces cellules peuvent nécessiter un système de refroidissement pour assurer notamment les performances, la durée de vie et la sécurité. En particulier les cellules au lithium-ion comportant une forte densité d'énergie par rapport à la masse, sont très instables thermiquement, leur température de fonctionnement constituant le principal facteur de vieillissement. Il est alors important pour réaliser un module compact, de disposer d'un système de refroidissement comprenant une grande capacité d'évacuation des calories, et qui assure une bonne homogénéité de cette température sur l'ensemble des cellules, afin de maintenir la température en tous points de chaque cellule dans une fourchette limitée à quelques degrés. On notera qu'une défaillance sur une seule des cellules, entraîne un endommagement de l'ensemble du module comportant généralement un coût assez élevé. Un type de système de refroidissement connu, présenté notamment par le document US-A1-2011/0206965, comporte une série de caloducs formant des plaques creuses contenant un fluide qui subit un cycle d'évaporation pour prélever des calories sur une source chaude, et de liquéfaction pour restituer ces calories à une source froide, chaque plaque étant insérée entre deux cellules, la partie supérieure de ces plaques dépassant hors des cellules recevant un échangeur thermique avec l'air ambiant. Un problème qui se pose avec ce type de système de refroidissement, est qu'il dispose d'un nombre important de caloducs qui ne sont pas reliés entre eux. On peut obtenir alors une différence de température entre ces caloducs, et donc entre l'ensemble des cellules qui ne comportent pas alors une bonne homogénéité thermique. De plus, les coûts pour un nombre important de caloducs sont relativement élevés. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un module de stockage d'énergie électrique comportant des cellules de stockage, et un dispositif de refroidissement de ces cellules comprenant un caloduc disposant de capillaires recevant un fluide subissant un cycle d'évaporation et de condensation, caractérisé en ce que le caloduc comporte une forme comprenant une plaque recouvrant au moins en partie l'ensemble des cellules, et une succession de branches insérées entre les cellules, cette plaque et ces branches comprenant un volume intérieur commun dans lequel circule le fluide. Un avantage du module de stockage d'énergie selon l'invention, est que le caloduc peut comporter des branches insérées entre toutes les cellules, qui reçoivent le même fluide circulant dans la plaque ainsi que dans l'ensemble des branches, ce qui permet de réaliser avec un caloduc un prélèvement important de calories sur les cellules, et d'assurer une bonne homogénéité thermique entre ces cellules grâce à la libre circulation du même fluide dans l'ensemble du module. Le module de stockage d'énergie selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le module comporte une succession de branches parallèles espacées régulièrement.

Selon un mode de réalisation, les branches comportent une section transversale droite, destinée à s'ajuster sur des cellules de forme prismatique. Selon un autre mode de réalisation, les branches comportent une section transversale courbe, destinée à s'ajuster sur des cellules de section sensiblement circulaire. En particulier, les branches peuvent entourer de manière ajustée des cellules disposées en quinconce. Les branches peuvent comporter suivant leur longueur, des découpes laissant entre elles des bandes qui s'ajustent en face de zones des cellules comprenant une faible conductivité thermique. Avantageusement, la plaque du caloduc comporte des zones de rapprochement réalisant un rapprochement des capillaires se trouvant du côté de la source chaude, avec ceux se trouvant du côté de la source froide.

En complément, la plaque peut comporter sur sa face extérieure opposée aux branches, une succession d'ailettes permettant des échanges thermiques avec l'air ambiant. Avantageusement, le caloduc comporte une coque supérieure et une coque inférieure, ces deux coques étant reliées par un cordon continu pour assurer une étanchéité du volume intérieur. Le module de stockage d'énergie électrique peut comporter deux caloducs disposés l'un en face de l'autre afin d'enserrer les cellules, les branches de ces caloducs étant tournées les unes vers les autres. En particulier, les cellules peuvent comporter une technologie du type lithium-ion. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride ou électrique comprenant des modules de stockage d'énergie pour alimenter une machine électrique de traction, qui comportent l'une quelconque des caractéristiques précédentes.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspectives d'un caloduc prévu pour un module de stockage d'énergie selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma en coupe présentant le principe de ce caloduc ; - la figure 3 est une vue de l'assemblage de deux caloducs de ce type, pour un module comportant des cellules de forme prismatique ; - la figure 4 est une vue de l'assemblage de deux caloducs selon une variante, pour un module comportant des cellules cylindriques ; et - la figure 5 est une vue de l'assemblage de deux caloducs suivant une autre version. La figure 1 présente un caloduc 1 comprenant une partie principale formant une plaque rectangulaire 2 recouvrant l'ensemble du module, comportant sur sa face inférieure une succession de branches parallèles 4 espacées régulièrement, en partant de chaque petit côté de cette plaque. Chaque branche qui est perpendiculaire à la plaque 2, comporte une section transversale constante parallélépipédique, et s'étend suivant la largeur de cette plaque.

Le dessus du caloduc 1 reçoit une série d'ailettes 6 assez rapprochées, disposées parallèlement au petit côté de la plaque, et recouvrant entièrement cette plaque, qui constitue un radiateur permettant des échanges thermiques avec l'air ambiant par convection naturelle, ou par convection forcée avec l'aide d'un pulseur d'air.

La figure 2 présente le caloduc 1 comportant une coque supérieure 12 comprenant la partie condensation, et une coque inférieure 14 comprenant la partie évaporation, ces deux coques étant reliées par un cordon de collage ou de soudure continu 10 qui fait le tour du caloduc pour assurer une étanchéité du volume intérieur 16.

Les deux coques supérieure 12 et inférieure 14 comportent sur l'ensemble de leurs surfaces internes, un réseau de capillaires 18, 20 reliées 2 99 809 8 5 entre eux, prévu pour la circulation du fluide, qui laisse un volume intérieur libre 16 se trouvant entre ces réseaux, prévu pour la circulation des gaz venant de la vaporisation du fluide. Les différents types de réseaux capillaires connus peuvent être utilisés. 5 On peut notamment utiliser un réseau de capillaires comportant des mèches tissées qui s'étendent le long des parois internes, des successions de rainures disposées le long des parois, qui peuvent recevoir une toile interne pour séparer ces rainures du volume intérieur 16 prévu pour la circulation des gaz, ou une poudre métallique frittée comprenant des grains agglomérés 10 comportant des espaces intermédiaire laissés libre. La coque supérieure 12 comporte sur sa surface interne plusieurs bossages 22 répartis régulièrement sur la plaque 2, recouverts aussi par le réseau de capillaires 20. Le volume intérieur 16 du caloduc 1 reçoit un fluide, qui peut être pur ou 15 constitué d'un mélange binaire, choisi pour comporter une très bonne mouillabilité du réseau de capillaires 18, 20. Le fluide est choisi aussi pour comporter dans les conditions de pression intérieure, une température d'évaporation correspondant sensiblement à celle que l'on veut maintenir sur les cellules, qui est généralement comprise entre 20 et 50°C, de manière à 20 établir à cette température un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur. Des exemples de fluides disponibles pour cette application sont de l'eau, de l'ammoniac, de l'acétone, du méthanol ou de l'éthanol. On réalise lors du remplissage du volume intérieur 16 par le fluide, une évacuation de 25 l'air présent avant la fermeture complète de ce volume. Les matériaux choisis pour réaliser les coques supérieure 12 et inférieure 14 doivent comporter notamment une résistance mécanique suffisante pour résister aux pressions, une tenue à la corrosion vis-à-vis du fluide, ainsi qu'une bonne conductivité thermique permettant d'assurer les 30 échanges thermiques entre d'une part le fluide et les gaz intérieurs, et d'autre part les cellules constituant la source chaude, et l'air ambiant se trouvant au-dessus des ailettes 6, constituant la source froide. Les espaces intermédiaires entre les branches 4 sont remplis par des cellules de stockage d'électricité non représentées, de manière à assurer le meilleur contact thermique entre ces cellules et la coque inférieure 14, les formes de ces branches ainsi que les distances entre elles, étant adaptées à la géométrie des cellules. En particulier, on peut remplir les interstices restant entre les cellules et la coque inférieure 14, par des mousses ou par des résines thermiquement conductrices afin d'assurer un contact thermique entre l'ensemble des surfaces, ainsi qu'un maintien et une rigidité des différents composants. Le fonctionnement du caloduc 1 est le suivant. Le fluide présent dans les capillaires 18 se trouvant sur la face interne de la coque inférieure 14, se vaporise au contact de la chaleur venant des cellules, et absorbe ainsi des 15 calories à la source chaude correspondant à la chaleur latente de vaporisation. Les gaz ainsi formés circulent grâce à la différence de pression dans le volume intérieur 16, et viennent au contact de la coque supérieure 12 refroidie par les ailettes 6, où ils se condensent en restituant la chaleur 20 latente à la source froide. Le liquide qui se forme et ensuite retourné par le réseau de capillaires 18, 20 vers la source froide, pour combler le déficit de liquide dans les capillaires de la coque inférieure 14. Les bossages internes 22 de la coque supérieure 12, permettent d'établir des rapprochements entre les capillaires 20 de cette coque 25 supérieure et ceux 18 de la coque inférieure 14, pour créer des ponts et faciliter le retour du fluide condensé vers ces derniers capillaires au contact de la source chaude. On obtient ainsi un système de conduction thermique passif très efficace, qui conduit pour un volume donné une quantité de chaleur bien plus 30 importante que celle transportée par une conduction directe avec un matériau conducteur restant dans la même phase.

Chaque module de stockage d'énergie peut comporter un seul caloduc 1 se trouvant sur une des faces principales de ce module. Toutefois la figure 3 présente pour un module de stockage, la disposition de deux caloducs identiques 1, mis en place l'un en face de l'autre afin d'enserrer des cellules 32, les branches 4 de ces caloducs étant tournées les unes vers les autres. On double ainsi le nombre de branches 4 qui permettent d'enserrer mieux les cellules 32 pour augmenter la capacité d'échange thermique, et on améliore le refroidissement avec l'air ambiant par la surface des ailettes 6 qui est deux fois plus grande.

Les branches 4 des deux caloducs 1 s'intercalent les unes entre les autres pour former des petits espaces parallélépipédiques identiques, dans lesquelles viennent s'ajuster les cellules 32 comprenant des formes complémentaires. De cette manière, les cellules 32 comportent leurs quatre faces principales qui sont entourés par des parois des caloducs 1.

On notera que chaque caloduc 1 s'étendant sur toute la longueur du module, et comportant un unique volume intérieur dans lequel le fluide peut librement circuler, on obtient une grande homogénéité de température sur l'ensemble de ce module. De plus, avec seulement deux caloducs 1 pour enserrer entièrement toutes les cellules 32, le système de refroidissement de ce module est économique. La figure 4 présente deux caloducs identiques 1 pour un module de stockage d'énergie, disposés de la même manière l'un en face de l'autre. Chaque caloduc 1 comporte des branches 4 de section transversale courbée, espacées par un pas égal à la largeur de deux cellules 32, chaque branche d'un des caloducs s'intercalant entre deux branches de l'autre caloduc. Chaque branche 4 comporte une section constante qui est cintrée pour décaler son extrémité d'un demi-pas. Les courbures des branches 4 sont réalisées de manière à ce que les branches des deux caloducs 1 restent sensiblement parallèles entre elles.

De cette manière, on réalise des espaces encadrés par une branche 4 de chaque caloduc 1, dans lesquels on peut insérer deux cellules cylindriques 32 de section circulaire, l'ensemble de ces cellules étant disposé en quinconce ce qui permet d'optimiser le remplissage du module.

De plus chaque branche 4 comporte suivant sa longueur, une succession de découpes qui s'étendent chacune sur toute la hauteur de la branche, afin de laisser entre ces découpes des bandes 30 comprenant une largeur constante un peu plus petite que celle des découpes. On ajuste chacune des bandes 30 des branches 4 sur des parties des cellules 32 constituées d'un empilage d'électrodes et de séparateurs, qui comportent la plus faible conductivité thermique afin d'optimiser le transfert des calories au niveau de ces parties. On notera que suivant la hauteur dans l'empilage de chaque cellule 32, on a des matériaux qui peuvent comporter une conductivité thermique dix fois plus faible que les autres.

On peut ainsi réduire la quantité de matière utilisée pour les caloducs 1, et diminuer leur poids. La figure 5 présente pour un module de stockage deux caloducs 1 similaires à ceux présentés figure 4, comportant deux fois plus de branches 4 espacées par un pas égal à la largeur d'une seule cellule 32. Les bandes 30 de chaque branche 4 d'un des caloducs sont décalées dans le sens de la longueur de la branche, de manière à venir au milieu d'un creux se trouvant entre deux bandes de l'autre caloduc. Les sections transversales des branches 4 des deux caloducs 1 sont similaires à celles présentées figures 4, mais la courbure des branches d'un des caloducs est inversée par rapport à la courbure de l'autre caloduc. On réalise ainsi une pénétration de l'extrémité de chaque bande 30 de l'un des caloducs 1, dans une des découpes de l'autre caloduc. De cette manière, on réalise des espaces encadrés par deux branches 4 d'un des caloducs 1, et aussi par deux branches de l'autre caloduc, dans lesquels on peut insérer une seule cellule cylindrique 32, ces cellules étant disposées en quinconce, ce qui permet d'optimiser les contacts ainsi que les échanges thermiques avec les deux caloducs. D'une manière générale, la forme des cellules ainsi que leurs dispositions peuvent être quelconques. On peut en particulier utiliser des cellules cylindriques alignées en carré suivant des lignes et des colonnes, ou en quinconce suivant des triangles, on peut aussi utiliser des cellules de forme prismatique, ou des cellules enfermées dans des sachets souples, avec à chaque fois une optimisation des échanges thermiques par les bras insérés entre ces cellules, comportant à l'intérieur la circulation du fluide.

Le module de stockage d'énergie électrique suivant l'invention, comporte avantageusement des accumulateurs au lithium-ion. On peut en particulier avec ce type de cellule, obtenir un gradient de température à l'intérieur du module qui est de l'ordre de 1 ou 2°C. le module de stockage peut aussi comporter tous types de cellules stockant l'énergie, nécessitant un refroidissement bien maîtrisé. L'invention s'applique en particulier aux véhicules hybrides, comportant des cellules de petite taille qui doivent pouvoir absorber ou restituer des puissances électriques élevées lors de profils de roulage critiques, comprenant des variations importantes des vitesses.20

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1 - Module de stockage d'énergie électrique comportant des cellules de stockage (32), et un dispositif de refroidissement de ces cellules comprenant un caloduc (1) disposant de capillaires (18, 20) recevant un fluide subissant un cycle d'évaporation et de condensation, caractérisé en ce que le caloduc (1) comporte une forme comprenant une plaque (2) recouvrant au moins en partie l'ensemble des cellules (32), et une succession de branches (4) insérées entre les cellules, cette plaque et ces branches comprenant un volume intérieur commun (16) dans lequel circule le fluide.
2. 2 - Module de stockage d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une succession de branches parallèles (4) espacées régulièrement.
3. 3 - Module de stockage d'énergie électrique selon la revendication 1 ou 15 2, caractérisé en ce que les branches (4) comportent une section transversale droite, destinée à s'ajuster sur des cellules de forme prismatique.
4. 4 - Module de stockage d'énergie électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les branches (4) comportent une section 20 transversale courbe, destinée à s'ajuster sur des cellules (32) de section sensiblement circulaire.
5. 5 - Module de stockage d'énergie électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les branches (4) entourent de manière ajustée des cellules (32) disposées en quinconce. 25
6. 6 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les branches (4) comportent suivant leur longueur, des découpes laissant entre elles des bandes (30) qui s'ajustent en face de zones des cellules (32) comprenant une faible conductivité thermique. 30
7. 7 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (2) du 2 99 809 8 11 caloduc (1) comporte des zones de rapprochement (22) réalisant un rapprochement des capillaires (18) se trouvant du côté de la source chaude, avec ceux (20) se trouvant du côté de la source froide.
8. 8 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque 5 des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (2) comporte sur sa face extérieure opposée aux branches (4), une succession d'ailettes (6) permettant des échanges thermiques avec l'air ambiant.
9. 9 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caloduc (1) 10 comporte une coque supérieure (12) et une coque inférieure (14), ces deux coques étant reliées par un cordon continu (10) pour assurer une étanchéité du volume intérieur (16).
10. 10 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux caloducs (1) disposés l'un en face de l'autre afin d'enserrer les cellules (32), les branches (4) de ces caloducs étant tournées les unes vers les autres.
11. 11 - Module de stockage d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules (32) comportent une technologie du type lithium-ion
12. 12 - Véhicule automobile hybride ou électrique comprenant des modules de stockage d'énergie pour alimenter une machine électrique de traction, caractérisé en ce que ces modules sont réalisés selon l'une quelconque des revendications précédentes.