FR3040210A1 - MODULAR ASSEMBLY FOR STORER OR BATTERY - Google Patents
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Abstract
Est concerné un ensemble modulaire comprenant plusieurs modules adjacents réunis entre eux par des moyens (6) de circulation d'un flux et qui contiennent chacun au moins un volume où sont présents un fluide (9) frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l'action de moyens de circulation et des éléments (13) de stockage et de restitution d'une énergie thermique. Au moins une première couche (15) comprenant au moins un matériau MCP est disposée en périphérie de certains au moins des modules, y compris sur un côté où deux modules adjacents se font face et où au moins une partie d'au moins une seconde couche (23) comprenant un matériau thermiquement isolant est également intercalée.Is concerned a modular assembly comprising several adjacent modules joined together by means (6) for circulating a flow and which each contain at least one volume where there is present a fluid (9) refrigerant or coolant circulating in said volumes under l action of circulation means and elements (13) for storing and restoring a thermal energy. At least one first layer (15) comprising at least one MCP material is disposed at the periphery of at least some of the modules, including on one side where two adjacent modules face each other and where at least a portion of at least one second layer (23) comprising a thermally insulating material is also interposed.
Description
ENSEMBLE MODULAIRE POUR STOCKEUR OU BATTERIEMODULAR ASSEMBLY FOR STORER OR BATTERY
La présente invention concerne un ensemble modulaire comprenant plusieurs modules réunis fonctionnellement entre eux par des moyens de circulation d’un flux (électrique, de fluide...etc). Un module individuel est également concerné.The present invention relates to a modular assembly comprising a plurality of modules that are functionally interconnected by means for circulating a flow (electrical, fluid, etc.). An individual module is also concerned.
Un tel ensemble peut notamment définir ou renfermer une batterie d’accumulateurs ou une unité de stockage et de restitution d’une énergie thermique apportée par un fluide, tel de l’huile d’un moteur, notamment.Such an assembly may in particular define or contain a storage battery or a storage unit and the return of thermal energy provided by a fluid, such as oil from an engine, in particular.
Un problème de gestion des flux thermiques se pose tant module par module que sur de tels ensembles, lorsqu’on prévoit qu’ils contiennent chacun au moins un volume où est présent l’un au moins parmi : - un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler dans lesdits volumes sous l’action de moyens de circulation, - des éléments de stockage et de restitution d’une énergie thermique, - au moins un élément à maintenir à une certaine température, et/ou - au moins un élément dégageant de la chaleur.A thermal flow management problem arises both module by module as on such sets, when it is expected that they each contain at least one volume where is present at least one of: - a refrigerant or coolant circulating in said volumes under the action of circulation means, - elements for storing and restoring a thermal energy, - at least one element to be maintained at a certain temperature, and / or - at least one element giving off heat .
On peut imaginer qu’un élément à maintenir à une certaine température et/ou un élément dégageant de la chaleur puisse être constitué par un électrolyte, une anode et/ou une cathode d’un accumulateur électrique d’un bloc batterie de véhicule.It is conceivable that an element to be maintained at a certain temperature and / or a heat generating element may consist of an electrolyte, anode and / or a cathode of an electric accumulator of a vehicle battery unit.
Quant au fluide frigorigène ou caloporteur et aux éléments de stockage et de restitution d’une énergie thermique, ils peuvent en particulier se trouver dans une unité de stockage et de restitution telle que précitée, les seconds en tant qu’éléments de régulation thermique du premier.As for the refrigerant or coolant and storage elements and a thermal energy, they can in particular be in a storage unit and restitution as mentioned above, the latter as elements of thermal regulation of the first .
Or, par exemple dans le domaine automobile ou aéronautique, la tendance actuelle à intégrer dans les véhicules (voitures, avions...) des systèmes devant assurer une augmentation de la performance (turbo, super-capacités, ...) alourdit et tend à augmenter le besoin en capacité des systèmes de gestion des flux. Ceci est vrai, pour les flux électriques dans les véhicules électriques ou hybrides et pour les flux de fluide, par exemple dans les unités de conditionnement de température d’air de ces mêmes véhicules, ou dans certains échangeurs.However, for example in the automotive or aeronautics field, the current trend to integrate in vehicles (cars, airplanes ...) systems to ensure an increase in performance (turbo, super-capacity, ...) weighs down and tends to increase the capacity requirements of flow management systems. This is true for electric flows in electric or hybrid vehicles and for fluid flows, for example in the air temperature conditioning units of these same vehicles, or in certain exchangers.
Par ailleurs, l'industrie est invitée à accélérer la mise sur le marché de nouvelles technologies pouvant réduire les émissions de polluants, lisser d’éventuelles augmentations ponctuelles de charges ou de gradients thermiques par rapport à un fonctionnement nominal dimensionnant, ou encore proposer des solutions pour décaler dans le temps la restitution d’une énergie disponible à un autre moment, ou favoriser le fonctionnement opérationnel d’un élément dans sa gamme optimale de températures de fonctionnement (cas par exemple d’une batterie d’accumulateurs). C’est dans ce contexte qu’est ici notamment proposé un ensemble comme précité, comprenant plusieurs modules : - réunis fonctionnellement entre eux par des moyens de circulation d’un flux, - et où au moins un(e première couche de) matériau à changement de phase thermique, dit MCP, sera disposé en périphérie de certains au moins desdits volumes, y compris sur un côté où deux modules adjacents se font face et où au moins une partie d’au moins (une seconde couche comprenant) un matériau thermiquement isolant sera également intercalée.In addition, the industry is invited to accelerate the placing on the market of new technologies that can reduce pollutant emissions, smooth any occasional increases in thermal loads or gradients in relation to nominal sizing operations, or propose solutions. to shift in time the return of an available energy at another time, or to promote the operational operation of an element in its optimum operating temperature range (for example a battery of accumulators). It is in this context that here is proposed in particular a set as mentioned above, comprising several modules: - functionally combined with each other by means of circulation of a flow, - and where at least one (first layer of) material to thermal phase change, so-called MCP, will be disposed at the periphery of at least some of said volumes, including on one side where two adjacent modules face each other and where at least a portion of at least one (a second layer comprising) thermally material insulation will also be inserted.
Une telle solution modulaire va permettre de limiter le volume, voire le poids global, de l’ensemble. En outre la performance thermique des matériaux MCP est reconnue. Par ailleurs le complexe local MCP/isolant thermique permettra d’associer une isolation thermique entre modules et une capacité : - d’effet retardateur quant à une variation de température non souhaité (effet des matériaux MCP), - et/ou de lissage des variations de température du fluide et/ou des éléments présents dans le volume interne du module considéré (via le matériau MCP). A toute fin, il est précisé qu’un matériau à changement de phase - ou MCP- désigne tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. Le stockage thermique peut s’opérer par utilisation de sa Chaleur Sensible (CS) : le matériau peut céder ou stoker de l'énergie en voyant varier sa propre température, sans pour autant changer d'état, et/ou de sa Chaleur Latente (CL) : le matériau peut alors stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température et une pression sensiblement constante, celle du changement d'état. On peut citer les paraffines, alcools gras, sels hydratés...Such a modular solution will make it possible to limit the volume, indeed the overall weight, of the assembly. In addition the thermal performance of MCP materials is recognized. In addition, the local complex MCP / thermal insulation will allow to associate a thermal insulation between modules and a capacity: - of retarding effect as to an undesired temperature variation (effect of the MCP materials), - and / or smoothing of the variations of fluid temperature and / or elements present in the internal volume of the module in question (via the MCP material). For all purposes, it is specified that a phase change material - or MCP - refers to any material capable of changing physical state within a restricted temperature range. The thermal storage can take place by the use of its Sensitive Heat (CS): the material can yield or store energy by seeing to vary its own temperature, without changing of state, and / or its Latent Heat ( CL): the material can then store or transfer energy by simple change of state, while maintaining a temperature and a substantially constant pressure, that of the change of state. We can mention paraffins, fatty alcohols, hydrated salts ...
Le matériau thermiquement isolant de la seconde couche présentera une conductivité thermique plus faible que le matériau MCP.The thermally insulating material of the second layer will have a lower thermal conductivity than the MCP material.
Le matériau thermiquement isolant de la seconde couche, qui ne sera donc pas un matériau MCP, sera un isolant tel qu’une laine de verre, un isolant poreux, une mousse de polyuréthane ou de polyisocyanurate, ou encore plus favorablement un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.The thermally insulating material of the second layer, which will therefore not be a MCP material, will be an insulator such as a glass wool, a porous insulator, a polyurethane or polyisocyanurate foam, or even more favorably a porous heat-insulating material. disposed in a vacuum chamber, to define at least one vacuum insulating panel, PIV.
En effet, avec un PIV, la performance de la gestion thermique à assurer sera encore améliorée, voire le volume d’ensemble diminué par rapport à un autre isolant.Indeed, with a PIV, the performance of the thermal management to be assured will be further improved, or the overall volume decreased compared to another insulator.
Aussi est-il conseillé que le matériau thermiquement isolant de la seconde couche comprenne un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV. « Poreux » désignera un matériau possédant des interstices permettant le passage de l’air. Les matériaux poreux, à cellules ouvertes, incluent donc les mousses mais également les matériaux fibreux (tels que la laine de verre ou de roche). Les interstices de passage que l’on peut qualifier de pores ont des tailles inférieures à 1 ou 2mm de façon à pouvoir garantir une bonne isolation thermique, et de préférence à 1 micron, et préférentiellement encore à 10'9m (structure nanoporeuse), pour des questions en particulier de tenue au vieillissement et donc de possible dépression moins forte dans l’enveloppe PIV.It is therefore recommended that the thermally insulating material of the second layer comprise a porous heat-insulating material disposed in a vacuum chamber, to define at least one vacuum insulating panel, PIV. "Porous" means a material having gaps for the passage of air. Open cell porous materials therefore include foams but also fibrous materials (such as glass wool or rock wool). The passage interstices that may be described as pores have sizes less than 1 or 2 mm so as to ensure good thermal insulation, and preferably at 1 micron, and preferably still at 10'9 m (nanoporous structure), for particular issues of resistance to aging and therefore possible less severe depression in the PIV envelope.
Par « PIV », on entend une structure sous vide d’air partiel (pression interne comprise entre 10 et 104 Pa) contenant au moins un matériau isolant thermique a priori poreux (tailles de pores inférieures à 10microns)By "PIV" is meant a vacuum partial air structure (internal pressure of between 10 and 104 Pa) containing at least one a priori porous thermal insulating material (pore sizes less than 10 microns).
Typiquement, les panneaux PIV (panneau isolant sous vide ; VIP en anglais) sont des isolants thermiques où des noyaux en matériau poreux, par exemple en gel de silice ou poudre d’acide silicique (Si02), sont pressés en plaque et entourés chacun, sous vide d’air partiel, d’une feuille enveloppante étanche aux gaz, par exemple en matière plastique et/ou ou aluminium laminé. Le vide obtenu, d’une pression résiduelle typiquement inférieure à 1 mbar (102Pa), permet typiquement d’abaisser la conductivité thermique à moins de 0,01/0,020 W/m-K environ dans les conditions d’utilisation. On obtient ainsi une efficacité d’isolation 3 à 10 fois supérieure à celle de matériaux isolants plus classiques.Typically, the PIV panels (vacuum insulating panel; VIP in English) are thermal insulators where cores of porous material, for example silica gel or silicic acid powder (SiO 2), are pressed in a plate and each surrounded, partial air vacuum, a gas-tight wrapping foil, for example plastic and / or laminated aluminum. The resulting vacuum, of a residual pressure typically less than 1 mbar (102Pa), typically lowers the thermal conductivity to less than about 0.01 / 0.020 W / m-K under the conditions of use. An insulation efficiency 3 to 10 times higher than that of more conventional insulating materials is thus obtained.
Or, dans au moins certaines applications ou situations de fonctionnement à anticiper, il pourra être nécessaire d’atteindre une efficacité d’isolation thermique via ladite « seconde couche » en particulier notablement supérieure à celle des matériaux isolants plus classiques, tels certains polymères techniques comme la résine polyester PET RYNITE® ou l’élastomère polyester thermoplastique HYTREL® de chez Dupont de Nemours ®.However, in at least some applications or operating situations to be anticipated, it may be necessary to achieve a thermal insulation efficiency via said "second layer" in particular significantly higher than that of more conventional insulating materials, such as certain technical polymers such as RYNITE® PET polyester resin or HYTREL® thermoplastic polyester elastomer from Dupont de Nemours ®.
Typiquement, une conductivité thermique λ inférieure à 0.008/0,01 W/m.K est ici attendue, de préférence.Typically, a thermal conductivity λ less than 0.008 / 0.01 W / m.K is hereby expected, preferably.
Concernant ces panneaux PIV et matériaux MCP, il a en outre été noté qu’ils ne semblent pas répondre jusqu’à présent aux attentes du marché. Notamment, leurs mises en œuvre sur le terrain est un problème, en particulier leur conditionnement.With regard to these PIV panels and MCP materials, it was further noted that they do not seem to meet the expectations of the market so far. In particular, their implementation in the field is a problem, especially their conditioning.
Aussi ce choix de barrière active MCP/PIV est-il ici jugé pertinent.Also this choice of active barrier MCP / PIV is here considered relevant.
Dans certaines applications ou situations de fonctionnement à anticiper, il pourra par ailleurs être nécessaire d’évacuer ou d’amener de l’énergie thermique contenue dans les volumes précités des modules concernés, ou encore de limiter un transfert thermique vers les objets à réguler thermiquement (éléments de batterie).In certain applications or operating situations to be anticipated, it may also be necessary to evacuate or bring thermal energy contained in the aforementioned volumes of the modules concerned, or to limit heat transfer to objects to be thermally regulated. (battery elements).
Il est alors conseillé qu’une partie de la périphérie de certains au moins des modules soit dépourvue au moins de la seconde couche: - là où un module est en contact physique avec un moyen de transfert d’énergie thermique par convection et/ou conduction, - et/ou là où le volume d’un module présente une ouverture, pour y laisser accès.It is then advisable for a part of the periphery of at least some of the modules to be devoid of at least the second layer: where a module is in physical contact with a thermal energy transfer means by convection and / or conduction , and / or where the volume of a module has an opening, to allow access.
Il en résultera qu’à l’endroit d’une zone localisée d’un module donné, un transfert thermique pourra transiter par la(les) couche(s) MCP ou par la seule paroi extérieure non isolante (typiquement en polymère ou métal) du module limitant périphériquement ledit volume à cet endroit.It follows that at a given localized area of a given module, a thermal transfer can pass through the layer (s) MCP or by the single non-insulating outer wall (typically polymer or metal) of the module peripherally limiting said volume at this location.
Ceci pourra s’appliquer en particulier si un module donné définit un accumulateur électrique d’un bloc batterie de véhicule, où au moins un électrolyte, une anode et une cathode disposés dans ledit volume définissent tout ou partie dudit élément à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur, l’enveloppe laissant passer des moyens de branchement électrique reliés aux anode et cathode.This may apply in particular if a given module defines an electric accumulator of a vehicle battery unit, where at least one electrolyte, anode and a cathode disposed in said volume define all or part of said element to be maintained at a certain temperature. and / or said element generating heat, the envelope passing electrical connection means connected to the anode and cathode.
En effet, il faut être alors particulièrement vigilant au contrôle thermique pour éviter que la cellule surchauffe.Indeed, it must be particularly careful to thermal control to prevent the cell overheating.
En liaison avec ce point, et pour favoriser une fabrication en grande série, il est d’ailleurs proposé: - que les première et seconde couches soient regroupées dans au moins une poche qui entourera ledit volume, - et que le matériau thermiquement isolant de la seconde couche comprenne un matériau poreux disposé dans une enceinte sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV.In connection with this point, and to promote mass production, it is proposed: - that the first and second layers are grouped in at least one pocket that surround said volume, - and that the thermally insulating material of the second layer comprises a porous material disposed in a vacuum chamber, to define at least one vacuum insulating panel, PIV.
La feuille ou le film plastique, voire métallique ou à complexe métal/plastique de la poche et/ou de l’enceinte favorisera le transfert thermique précité recherché, tout en assurant un procédé de fabrication performant. En effet, étant donné qu’un panneau PIV peut typiquement être réalisé avec un film thermosoudable à couche métallique (par exemple en aluminium) donc thermiquement bonne conductrice, il sera alors aisé d’utiliser cette couche pour ledit de transfert thermique ; idem dans le cas d’une paroi métallique un peu plus épaisse (1/1 Omm par exemple) donc plus rigide.The sheet or plastic film, or even metal or metal / plastic complex of the pocket and / or the enclosure will promote the aforementioned heat transfer sought, while ensuring a high-performance manufacturing process. Indeed, since a PIV panel can typically be made with a heat-sealable film metal layer (eg aluminum) so thermally good conductor, it will then be easy to use this layer for said heat transfer; ditto in the case of a metal wall a little thicker (1/1 Omm for example) so more rigid.
Précisément, il pourra même être favorable que les première et seconde couches soient réparties dans deux poches qui pourront être conformables ou déformables et scellées ensemble autour dudit volume, créant ainsi une enveloppe fermant le volume.Precisely, it may even be favorable for the first and second layers to be distributed in two pockets that may be conformable or deformable and sealed together around said volume, thereby creating an envelope closing the volume.
Une partie de la périphérie de soudage pourra alors servir de zone de transfert thermique.Part of the welding periphery can then serve as a heat transfer zone.
En termes de mise en œuvre des première et seconde couches précitées, et outre le cas où le conditionnement en poche PIV fera que la réalisation de la barrière active MCP/PIV ainsi conditionnée constituera d’elle-même la paroi du volume interne du module considéré, deux autres réalisations sont privilégiées, par soucis de performance énergétique, de capacité de fabrication en grande série (domaine automobile typiquement), de fiabilité et de coûts réduits, à savoir : a) - chaque module présentera au moins une paroi périphérique qui fermera le volume, sauf possiblement à l’endroit d’une ouverture laissant accès audit volume, - et les première et/ou seconde couches, qui sera/seront structurellement distincte(s) de ladite paroi périphérique, sera/seront disposée(s) autour de cette paroi périphérique, avec la seconde couche à l’extérieur de la première, là où existera une présence des première et seconde couches, b) ou bien chaque module présentera au moins une paroi périphérique : - qui fermera le volume, sauf possiblement à l’endroit d’une ouverture laissant accès audit volume, - et qui incorporera le support en matériau moulable et les première et seconde couches.In terms of implementation of the aforementioned first and second layers, and in addition to the case where the PIV bag packaging will make that the realization of the active MCP / PIV barrier thus conditioned will itself constitute the wall of the internal volume of the module considered , two other embodiments are preferred, for the sake of energy performance, large-scale manufacturing capacity (automotive field typically), reliability and reduced costs, namely: a) - each module will have at least one peripheral wall that will close the volume, except possibly at the location of an opening allowing access to said volume, - and the first and / or second layers, which will be structurally distinct from said peripheral wall, will be arranged around this peripheral wall, with the second layer outside the first, where there will be a presence of the first and second layers, b) or each module near has entered at least one peripheral wall: - which will close the volume, except possibly at the place of an opening allowing access to said volume, - and which will incorporate the moldable material support and the first and second layers.
En liaison avec ce qui a déjà été indiqué, deux applications (parmi d’autres non exclues) ont été en particulier prises en compte, du fait des besoins exprimés par le marché, comme développé ci-avant.In connection with what has already been indicated, two applications (among others not excluded) have been particularly taken into account, because of the needs expressed by the market, as developed above.
Il s’agit : - du cas où les modules seront ou renfermeront des accumulateurs électriques d’un bloc batterie pour un véhicule, où au moins un électrolyte, une anode et une cathode disposés dans ledit volume définiront tout ou partie de l’élément précité à maintenir à une certaine température et/ou dudit élément dégageant de la chaleur ; - et du cas où : - les modules adjacents sont ceux d’une unité de stockage et de restitution d’une énergie thermique, -- les volumes contiennent lesdits éléments de stockage et de restitution de cette énergie thermique, - au moins un premier passage traversant une paroi d’au moins un des modules laisse entrer et sortir ledit fluide frigorigène ou caloporteur, -- et des seconds passages établis entre certains au moins un desdits modules laissent passer le fluide frigorigène ou caloporteur entre les volumes.These are: - the case where the modules are or will contain electric accumulators of a battery pack for a vehicle, where at least one electrolyte, anode and a cathode disposed in said volume will define all or part of the aforementioned element maintaining at a certain temperature and / or said heat generating element; and in the case where: the adjacent modules are those of a unit for storing and restoring a thermal energy; the volumes contain said storage and retrieval elements of this thermal energy; at least one first pass; passing through a wall of at least one of the modules allows said refrigerant or heat transfer fluid to enter and exit, and second passages established between at least one of said modules pass the refrigerant or heat transfer fluid between the volumes.
Ces deux cas sont intéressants en ce qu’ils sont fondés sur une solution commune, bien que concernant des contextes profondément différents : - dans un bloc batterie ou un accumulateur électrique de véhicule, la performance électrique dans le temps dépend en effet notablement des conditions intérieures de température, dans le bloc, qui doit être contenue dans une gamme optimale de 25 à 35°C environ ; sinon le rendement chute, - dans une unité de stockage et de restitution d’énergie thermique, il faut emmagasiner cette énergie (typiquement au bout d’environ 6-10 minutes) dans l’unité à un moment, la conserver un certain temps (typiquement plusieurs heures, par exemple 12 à 15 heures), puis la restituer (typiquement moins de 2/3 minutes, par exemple à un moteur lors d’une phase de démarrage à froid), tout ceci via un fluide frigorigène ou caloporteur entrant et/ou sortant.These two cases are interesting in that they are based on a common solution, although concerning deeply different contexts: - in a battery pack or an electric vehicle battery, electrical performance over time depends in fact significantly on the internal conditions temperature, in the block, which must be contained in an optimum range of about 25 to 35 ° C; otherwise the yield drops, - in a unit of storage and of restitution of thermal energy, it is necessary to store this energy (typically after about 6-10 minutes) in the unit at a moment, to preserve it a certain time ( typically several hours, for example 12 to 15 hours), then restore it (typically less than 2/3 minutes, for example to a motor during a cold start phase), all this via an incoming refrigerant or coolant and / or outgoing.
Si nécessaire, l’invention sera encore mieux comprise et d’autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d’unité de type stockeur-échangeur d’énergie thermique, en vue éclaté ; - la figure 2 montre deux modules de l’unité de la figure 1 superposés, avec une barrière active 15/23 intégrée ; - les figures 3 à 7 montrent des réalisations de cellules de batterie disposées en ligne latérale ; - la figure 8 schématisent deux poches prêtes à être interassemblées (voir flèches) pour constituer une cellule ou module de batterie de type poche (pouch); - les figures 9,10 schématisent deux résultats de l’assemblage de la figure 8; - la figure 11 schématise une alternative de la figure 10, avec du MCP uniquement côté intérieur (INT) état fermé d’un panneau articulable à isolation continue ; - les figures 12,15 schématisent, refermées sur elle-mêmes, deux bandes à structure MCP/PIV (la couche MCP n’a pas été figurée ; elle double intérieurement la couche poreuse 23), et - les figures 13,14 schématisent, en vue locale (à prolonger de part et d’autre dans le cas d’un panneau articulable) deux structures possibles de poches isolantes (19 ci-après), - la figure 16 est un schéma de solution alternative de la figure 2,. - et les figures 17, 18 sont des schémas de dessus et avec arrachements des modes de réalisation qui peuvent être ceux des figures 3 à 6.If necessary, the invention will be better understood and other characteristics, details and advantages thereof will become apparent upon reading the following description, given by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings, in which: which: - Figure 1 is a unit diagram of type storage-heat exchanger, in exploded view; FIG. 2 shows two modules of the unit of FIG. 1 superimposed, with an integrated active barrier 15/23; FIGS. 3 to 7 show embodiments of battery cells arranged in a lateral line; - Figure 8 schematize two pockets ready to be interassembled (see arrows) to form a cell or pocket type battery module (pouch); FIGS. 9 and 10 schematize two results of the assembly of FIG. 8; FIG. 11 schematizes an alternative of FIG. 10, with MCP only inside (INT) closed state of an articulated panel with continuous insulation; FIGS 12, 15 schematize, closed on itself, two strips with MCP / PIV structure (the MCP layer has not been shown, it doubles the porous layer 23), and - FIGS. in a local view (to extend on both sides in the case of an articulable panel) two possible structures of insulating pockets (19 hereinafter), - Figure 16 is an alternative solution diagram of Figure 2,. and FIGS. 17, 18 are top and cutaway diagrams of the embodiments which may be those of FIGS. 3 to 6.
Comme mentionné ci-avant, l’invention propose une réalisation modulaire dont on va pouvoir ajuster le volume, voire la masse, et dont la performance thermique assurée par l’association locale MCP/isolant thermique permettra d’obtenir tant une isolation thermique entre modules que (via le matériau MCP) une capacité de lissage des variations de température d’éléments présents dans le volume interne du module considéré (cas d’une application batterie) et/ou une capacité à retarder une variation de température d’un fluide présent dans le volume (cas d’une application stockeur/échangeur) ou de l’objet à réguler thermiquement (cas batterie).As mentioned above, the invention proposes a modular embodiment which we can adjust the volume, or even the mass, and whose thermal performance provided by the local association MCP / thermal insulation will achieve both a thermal insulation between modules that (via the MCP material) a smoothing ability of the temperature variations of elements present in the internal volume of the module in question (case of a battery application) and / or an ability to delay a temperature variation of a present fluid in the volume (in the case of a storer / exchanger application) or the object to be thermally regulated (battery case).
Ainsi, voit-on sur les figures annexées et à titre non limitatif, trois ensembles modulaires 1, 10, 100 respectivement: stockeur/échangeur figures 1,2 et deux solutions de batteries d’accumulateurs, respectivement figures 3-10 et 11,12, respectivement.Thus, it can be seen in the appended figures and without limitation, three modular assemblies 1, 10, 100 respectively: storage / exchanger Figures 1, 2 and two solutions of storage batteries, respectively Figures 3-10 and 11, 12 , respectively.
Chacun comprend plusieurs modules 3 comportant chacun un volume intérieur 7 limité extérieurement par une paroi périphérique 5. A noter toutefois que, si un assemblage modulaire est conseillé, c’est ici la structuration thermique individuelle de chaque « module » qui prime. Chaque module est donc à considérer en tant que tel, comme un tout thermiquement indépendant.Each comprises several modules 3 each having an interior volume 7 limited externally by a peripheral wall 5. However, note that, if a modular assembly is recommended, it is here the individual thermal structuring of each "module" that prevails. Each module is therefore to be considered as such, as a thermally independent whole.
Les modules 3 sont réunis fonctionnellement entre eux par des moyens 6 de circulation d’un flux 9: - flux d’un fluide frigorigène ou caloporteur pouvant circuler, dans un circuit extérieur 110 et dans lesdits volumes, sous l’action de moyens 11 de circulation, - et/ou flux d’énergie électrique dès lors que les moyens 6 (tels que des câbles) assurent alors une connexion électrique, typiquement en série ou en parallèle, entre les éléments modulaires 3 (formant ou renfermant chacun un accumulateur électrique) du bloc batterie, afin d'obtenir une tension électrique destinée à un véhicule. Seules les figures 3-4 schématisent ces connexions électriques, pour éviter de surcharger les autres figures 5-11 concernées, - et/ou encore fluide, par un moyen 44 d’échange ; voir ci-après dans l’application « batterie » (figures 3-12) ; Ce moyen d’échange 44 assurera alors la fonction de moyens de circulation d’un flux entre les modules.The modules 3 are functionally interconnected by means 6 for circulating a flow 9: - flow of a refrigerant or heat transfer fluid that can circulate, in an external circuit 110 and in said volumes, under the action of means 11 of circulation, and / or flow of electrical energy when the means 6 (such as cables) then provide an electrical connection, typically in series or in parallel, between the modular elements 3 (each forming or enclosing an electric accumulator) battery pack, in order to obtain a voltage for a vehicle. Only Figures 3-4 schematize these electrical connections, to avoid overloading the other Figures 5-11 concerned, and / or still fluid, by means 44 exchange; see below in the "battery" application (Figures 3-12); This exchange means 44 will then act as a flow means of a flow between the modules.
Figures 3,4,10 (les autres figures 5-9,11 ne le figurant pas par souci d’allègement de détails), on voit schématisé au moins un électrolyte 16, ainsi qu’une anode 14 et une cathode 17 disposés dans le volume 7 de chacun des accumulateur électriques 3, ceci définissant un ou plusieurs éléments à maintenir à une certaine température et/ou dégageant de la chaleur, dès lors qu’en fonctionnement tout ou partie des anode, cathode et l’électrolyte 16 vont chauffés au sein de ces accumulateurs. Sur ces figures, on distingue aussi en 140,170 les bornes polarisées de ces anode et cathode qui assurent la connexion avec les moyens 6, localement à travers la paroi 5.Figures 3,4,10 (the other figures 5-9,11 do not appear for the sake of detail relief), we see schematically at least one electrolyte 16, and anode 14 and a cathode 17 arranged in the volume 7 of each of the electric accumulator 3, this defining one or more elements to maintain at a certain temperature and / or generating heat, when in operation all or part of the anode, cathode and the electrolyte 16 will be heated to within these accumulators. In these figures, the polarized terminals of these anode and cathode which connect to the means 6, locally through the wall 5, are also distinguished at 140,170.
Dans l’exemple figure 1, les modules 3 deux à deux adjacents de l’ensemble 1 sont ceux d’une unité de stockage et de restitution (ultérieure) d’une énergie thermique. Les volumes 7 contiennent chacun des éléments 13 de stockage et de restitution (ultérieure) de cette énergie thermique transportée par le flux 9 du fluide en circulation, lequel, frigorigène ou caloporteur, est a priori liquide (eau, huile en particulier), mais pourrait être gazeux, tel de l’air à conditionner.In the example in FIG. 1, the adjacent two-to-two modules 3 of the set 1 are those of a unit for storing and restoring (later) a thermal energy. The volumes 7 each contain elements 13 for storing and restoring (subsequently) this thermal energy transported by the flow 9 of the circulating fluid, which, refrigerant or coolant, is a priori liquid (water, oil in particular), but could to be gaseous, like air to be conditioned.
Des premiers passages 33,35 traversent, à des extrémités opposées de l’unité 1, des couvercles 32 recouvrant, en les fermant si nécessaire, les deux modules d’extrémité de ce qui est ici formé en une pile, afin de laisser entrer et sortir le fluide qui va donc circuler entre les modules. Cette circulation peut être en série ou en parallèle.First passages 33,35 pass through, at opposite ends of the unit 1, covers 32 covering, closing them if necessary, the two end modules of what is here formed in a stack, to let in and take out the fluid that will flow between the modules. This circulation can be in series or in parallel.
Extérieurement, le couvercle 32 côté ouverture 31 (voir ci-après) peut être doublé par une poche unique 34 à constitution PIV. Et une plaque 36 de protection mécanique peut fermer le tout, suivant l’axe 27, comme illustré. Un manchon ou fourreau 38 de protection mécanique ouvert aux deux extrémités, par exemple en plastique dur, enveloppe en outre les modules 3 et les pièces 32,34,36.Externally, the cover 32 opening side 31 (see below) can be doubled by a single pocket 34 PIV constitution. And a plate 36 of mechanical protection can close the whole, along the axis 27, as illustrated. A sleeve or sleeve 38 of mechanical protection open at both ends, for example hard plastic, further envelopes the modules 3 and 32,34,36 parts.
Pour laisser passer le flux de fluide 9, entre les volumes, des seconds passages 30 sont établis entre ici tous les modules deux à deux, dans des parois 29 transversales à l’empilement. Chaque paroi 29 définit ici le fond du module considéré, en complément de la paroi périphérique 5. A l’opposé de leur fond 29, les modules sont ouverts, en 31, pour permettre de placer dans chaque volume 7 ainsi défini des éléments 13 de stockage et de restitution de l’énergie thermique qui aura donc été apportée par le fluide 9. Les éléments 13 seront favorablement des billes en matériau partiellement (par exemple en complément d’un polymère) ou totalement MCP, pour le rendement thermique et une bonne capacité à être aisément disposées en nombre dans leur volume d’accueil.To allow the flow of fluid 9 to pass between the volumes, second passages 30 are established between all the modules in pairs, in walls 29 transverse to the stack. Each wall 29 defines here the bottom of the module considered, in addition to the peripheral wall 5. Opposite their bottom 29, the modules are open, at 31, to allow placing in each volume 7 thus defined elements 13 of storage and restitution of the thermal energy that will have been provided by the fluid 9. The elements 13 will favorably bead material partially (for example in addition to a polymer) or totally MCP, for thermal efficiency and good ability to be easily arranged in number in their volume of reception.
En tant que constitution des éléments 13 (ou matériau 15 ci-après) on pourra par exemple prévoir une composition de caoutchouc telle que décrite dans EP2690137 ou dans EP2690141, à savoir dans le second cas une composition réticulée à base d'au moins un élastomère silicone « RTV » vulcanisé à température ambiante et comprenant au moins un matériau à changement de phase (MCP), ledit au moins un élastomère silicone présentant une viscosité mesurée à 23°C selon la norme ISO 3219 qui est inférieure ou égale à 5000 mPa.s.As constitution of the elements 13 (or material 15 below) may for example provide a rubber composition as described in EP2690137 or in EP2690141, namely in the second case a crosslinked composition based on at least one elastomer "RTV" silicone vulcanized at room temperature and comprising at least one phase change material (PCM), said at least one silicone elastomer having a viscosity measured at 23 ° C according to ISO 3219 which is less than or equal to 5000 mPa. s.
Dans cette composition, la matrice élastomère pourra être majoritairement constituée (i.e. selon une quantité supérieure à 50 pce, de préférence supérieure à 75 pce) d'un ou de plusieurs élastomères silicones « RTV ». Ainsi, cette composition pourra avoir sa matrice élastomère comprenant un ou plusieurs élastomères silicones selon une quantité totale supérieure à 50 pce et optionnellement un ou plusieurs autres élastomères (i.e. autres que des silicones « RTV ») selon une quantité totale inférieure à 50 pce. Le matériau à changement de phase (MCP) thermique est constitué de n-hexadécane, d'eicosane ou d'un sel de lithium. En alternative, le matériau MCP pourrait être à base d’acide gras, de paraffine, ou de sel eutectique ou hydraté.In this composition, the elastomer matrix may be predominantly constituted (i.e. in an amount greater than 50 phr, preferably greater than 75 phr) of one or more silicone elastomers "RTV". Thus, this composition may have its elastomer matrix comprising one or more silicone elastomers in a total amount greater than 50 phr and optionally one or more other elastomers (i.e. other than "RTV" silicones) in a total quantity of less than 50 phr. The thermal phase change material (MCP) consists of n-hexadecane, eicosane or a lithium salt. Alternatively, the MCP material could be based on fatty acid, paraffin, or eutectic or hydrated salt.
De fait, le choix de ce matériau et son conditionnement, en particulier sa dispersion au sein d’une matrice polymère, dépendra de l’application prévue et des résultats attendus.In fact, the choice of this material and its packaging, in particular its dispersion within a polymer matrix, will depend on the intended application and the expected results.
Des moyens 40 de fixation, qui peuvent être des tirants, fixent mécaniquement ensemble les modules, suivant ici un axe d’empilement 27.Fixing means 40, which may be tie rods, mechanically fix the modules together, in this case a stacking axis 27.
Pour protéger de la chaleur ou du froid extérieur (EXT) au moins une première couche 15 comprenant au moins un matériau MCP est disposée autour de chaque volume 7, y compris sur un côté où deux modules adjacents se font face et où au moins une partie d’au moins une seconde couche 23 comprenant un matériau thermiquement isolant est également intercalée, comme schématisé dans les figures « en situation » 2-6 et 9.To protect from heat or cold outside (EXT) at least a first layer 15 comprising at least one MCP material is disposed around each volume 7, including on one side where two adjacent modules face each other and where at least a portion at least one second layer 23 comprising a thermally insulating material is also interposed, as shown schematically in the figures "in situation" 2-6 and 9.
Pour favoriser au mieux cette isolation « active » dès lors qu’un matériau MCP y est inclus, le matériau thermiquement isolant de la seconde couche 23 comprend dans les versions préférées illustrées un matériau thermiquement isolant poreux disposé dans une enceinte 37 sous vide, pour définir au moins un panneau isolant sous vide, PIV. A priori la seconde couche 23 sera, là où les deux couches MCP/PIV existent, disposée autour de la première couche 15, donc entre elle et l’extérieur (EXT) ; étant toutefois précisé que l’on pourrait interposer la seconde couche 23 entre deux couches MCP 15a, 15b. Dans ce cas : - a) si l’extérieur (EXT) est la cellule 52 voisine, les deux couches MCP 15a, 15b pourront être les mêmes, - b) si l’extérieur (EXT) est l’environnement autour d’un bloc batterie complet, au-delà de la périphérie latérale et de sa paroi 55, comme par exemple en zones 111 figure 4, alors les températures de changement de phase seront de différentes, la température de changement d’état augmentant à mesure qu’on va vers l’intérieur (INT). A noter que chaque « couche » 15a, 15b pourra être formée de plusieurs sous-couches accolées de moindre épaisseur ayant chacune sa température de changement d’état dans le cas b), pour une évolution progressive de ces températures.To best promote this "active" insulation when a PCM material is included therein, the thermally insulating material of the second layer 23 comprises, in the preferred versions illustrated, a porous heat-insulating material disposed in a vacuum chamber 37, to define at least one vacuum insulating panel, PIV. A priori the second layer 23 will be, where the two layers MCP / PIV exist, disposed around the first layer 15, so between it and the outside (EXT); it being specified, however, that the second layer 23 could be interposed between two MCP layers 15a, 15b. In this case: - a) if the outside (EXT) is the neighboring cell 52, the two MCP layers 15a, 15b may be the same, - b) if the outside (EXT) is the environment around a complete battery pack, beyond the lateral periphery and its wall 55, as for example in areas 111 Figure 4, then the phase change temperatures will be different, the change of state temperature increasing as one go inward (INT). Note that each "layer" 15a, 15b may be formed of several adjacent sub-layers of lesser thickness each having its change of state temperature in case b), for a gradual evolution of these temperatures.
Ainsi, on pourra s’arranger pour qu’une température extérieure excessivement froide ou chaude n’interfère que peu avec celle dans le(s) volume(s) 7, la première couche 15 (ou celle interne 15a) étant, dans l’application batterie, définie pour lisser en périphérie les variations internes de température dans ce(s) volume(s) et au sein du fluide et pour retarder la propagation vers les modules de chaleur ou de froid excessif (typiquement moins de 25°C ou plus de 35°C).Thus, it can be arranged that an excessively cold or hot external temperature interferes only slightly with that in the volume (s) 7, the first layer 15 (or the internal one 15a) being, in the Battery application, defined to smooth out the internal temperature variations in this (these) volume (s) and within the fluid and to delay the propagation to excessive heat or cold modules (typically less than 25 ° C or more) 35 ° C).
Afin d’optimiser cette démarche, il est conseillé que la barrière thermique active formée par les couches MCP/isolant thermique comprennent donc au moins un panneau PIV formé par une poche 19 où sera a priori intégrée la seconde couche 23. On trouvera alors, pour constituer le/chaque panneau PIV 19 un matériau isolant thermique poreux, qui pourra donc constituer la seconde couche 23, ce matériau étant contenu dans l’enveloppe 37 formant une enceinte étanche audit matériau et à l’air. Une fois un vide d’air établi dans l’enveloppe, la poche malgré tout légèrement conformable ou déformable formant le panneau PIV sera constituée.In order to optimize this approach, it is recommended that the active thermal barrier formed by the MCP / thermal insulation layers therefore comprise at least one PIV panel formed by a pocket 19 where the second layer 23 will be integrated. constituting the / each panel PIV 19 a porous thermal insulating material, which can therefore be the second layer 23, this material being contained in the casing 37 forming a sealed enclosure to said material and air. Once an air gap established in the envelope, the pocket nevertheless slightly conformable or deformable forming the PIV panel will be constituted.
Concernant le matériau isolant thermique poreux contenu donc dans l’enveloppe 37, on notera qu’il se composera favorablement d’un matériau poreux (par exemple à nanostructure, tel poudre de silice ou aérogel, tel un aérogel de silice) confiné dans une feuille ou un film flexible 49 ou 51 qui ne laissera passer ni les vapeurs d’eau ni les gaz. Le PIV obtenu sera vidé de son air pour obtenir par exemple une pression de quelques millibars, puis pourra être scellé. Typiquement, la conductivité thermique λ d’un tel PIV sera de 0.004/0,008 W/m.K. L'utilisation de panneaux isolants sous vide devrait permettre d'atteindre une résistance thermique R = 5 m2.K/W avec seulement 35 mm d'isolant. Des exemples, pouvant ici s’appliquer, de panneau PIV et de matériau super-isolant sont fournis dans PCT/FR2014/050267 et dans WO2014060906 (matériau poreux), respectivement. Une possible composition du matériau 23 est la suivante : 80-85 % de dioxyde de silice (Si02), 15-20 % de carbure de silicium (SiC) et possiblement 5 % d’autres produits (liant/charges). Une épaisseur de 0.4 à 3 cm est possible. A cette étape de la présentation de l’invention, il a été compris qu’un élément important de celle-ci concerne la conception modulaire d’une structure de gestion thermique (thermal management en Anglais) ayant comme finalité la maîtrise de la température dans un volume interne que cette structure entoure, soit de façon structurellement dissociée, comme un sac isotherme entoure un contenu, soit de façon structurellement intégrée : les matériaux de la barrière thermique 15,23 font alors partie intégrante de la structure. Ce qui doit être aussi bien saisi est la volonté de rendre autonome la gestion thermique de chaque module ou chaque volume interne. En effet, il s’est avéré que ceci : - doit permettre de répondre plus finement aux besoins des clients, en permettant notamment de réduire le nombre de modules pour un même objectif, avec des gains de poids et d’encombrement à la clé ; - autorise des montages où les modules « adjacents » ne seront pas nécessairement strictement accolés bien que très proches (moins de 3/4cms d’écart au maximum), comme par exemple figures 4 ou 6 où un espace 42 existe entre deux modules à barrière thermique 15,23 intégrée (figure 4) ou à barrière thermique 15,23 extérieure, rapportée (figure 6). En effet, le fait d’avoir prévu une structure modulaire, avec cette barrière ici MCP/PIV entre deux tels modules 3 ou volumes 7 adjacents, dans l’alignement latéral retenu, permet dans au moins une direction (ici le long d’une face latérale) de réserver cet espace 42 pour y faire circuler de manière naturelle ou forcée un fluide qui pourrait par exemple faciliter un transfert thermique si, comme conseillé dans le cas d’une « application batterie » comme figures 4 et 6, une face autre que les faces latérales de la paroi 5, ici le fond 29, est non seulement dépourvue desdites couches 15/23 de la barrière thermique mais doublée (ici par-dessous) par un moyen 44 d’échange par convection (flèches H sur différentes figures), naturelle ou forcée, telle une plaque thermiquement conductrice, par exemple métallique, ou au moins un conduit dans lequel circulerait un fluide d’échange, tel de l’eau, pour évacuer la chaleur apportée par la ou les couches 15 en MCP venant à son contact, comme illustré ; - permet de rationnaliser, à coût réduit, une fabrication en grande série, dans plusieurs applications, dès lors qu’en prévoyant la barrière thermique 15,23 entre deux modules, on pourra : -- utiliser une unique bande 50 de poches PIV dans le cadre du mode de réalisation à barrière thermique intégré détaillé ci-après qui peut permettre de fabriquer des modules à paroi latérale 5 et fond 29 ainsi pourvus, comme figures 2,3, -- se dispenser d’au moins une poche 34 à constitution PIV en extrémité de pile figure 1 ; - permet aisément l’utilisation des bandes 50 évoquées ci-dessus, ces bandes, comme celles des figures 12,15, pouvant être placées latéralement (axe 51) autour du corps d’une cellule de batterie 52, comme on peut les imaginer, chacune refermées sur elles-mêmes, en voyant les figures 4,6,7, pour doubler chacune leur paroi latérale 5 avec la barrière thermique 15,23 que chaque bande intégrera alors ; - et permet de concevoir des modules indépendants multi-fonctions, comme les cellules 100 de type poche (battery pouch Cell en anglais) des figures 10,11.As regards the porous thermal insulating material thus contained in the envelope 37, it will be noted that it will advantageously be composed of a porous material (for example with a nanostructure, such as silica powder or airgel, such as a silica airgel) confined in a sheet or a flexible film 49 or 51 which will not let through the water vapor or gas. The obtained PIV will be emptied of its air to obtain for example a pressure of a few millibars, then can be sealed. Typically, the thermal conductivity λ of such a PIV will be 0.004 / 0.008 W / m.K. The use of insulating panels under vacuum should achieve a thermal resistance R = 5 m2.K / W with only 35 mm of insulation. Examples, applicable herein, of PIV panel and super-insulating material are provided in PCT / FR2014 / 050267 and WO2014060906 (porous material), respectively. A possible composition of the material 23 is as follows: 80-85% of silica dioxide (SiO 2), 15-20% of silicon carbide (SiC) and possibly 5% of other products (binder / fillers). A thickness of 0.4 to 3 cm is possible. At this stage of the presentation of the invention, it has been understood that an important element of it relates to the modular design of a thermal management structure (thermal management in English) having as its purpose the control of the temperature in an internal volume that this structure surrounds, either structurally dissociated, as an isothermal bag surrounds a content, or structurally integrated: the materials of the thermal barrier 15,23 are then an integral part of the structure. What must be grasped is the desire to make the thermal management of each module or each internal volume autonomous. Indeed, it turned out that this: - must allow to respond more precisely to the needs of customers, including allowing to reduce the number of modules for the same goal, with weight and weight savings to the key; - Permits assemblies where the "adjacent" modules will not necessarily be strictly contiguous although very close (less than 3 / 4cms of difference at most), as for example Figures 4 or 6 where a space 42 exists between two barrier modules integrated thermal 15,23 (Figure 4) or external thermal barrier 15,23, reported (Figure 6). Indeed, the fact of having provided a modular structure, with this barrier here MCP / PIV between two such modules 3 or adjacent volumes 7, in the retained lateral alignment, allows in at least one direction (here along a lateral face) to reserve this space 42 to circulate in a natural or forced way a fluid which could for example facilitate a heat transfer if, as recommended in the case of a "battery application" as FIGS. 4 and 6, a face other that the side faces of the wall 5, here the bottom 29, is not only devoid of said layers 15/23 of the thermal barrier but doubled (here below) by a means 44 of convection exchange (arrows H in different figures ), natural or forced, such as a thermally conductive plate, for example metal, or at least one conduit in which an exchange fluid, such as water, would circulate to evacuate the heat provided by the layer or layers 15 in PCM coming into contact with him, as illustrated; allows to rationalize, at reduced cost, a mass production, in several applications, since by providing the thermal barrier 15,23 between two modules, it will be possible: to use a single band 50 of PIV bags in the part of the integrated thermal barrier embodiment detailed below which can make it possible to manufacture modules with sidewall 5 and bottom 29 thus provided, as FIGS. 2, 3 - dispense with at least one pocket 34 with a PIV constitution at the end of stack figure 1; makes it easy to use the strips 50 mentioned above, these strips, such as those of FIGS. 12, 15, being able to be placed laterally (axis 51) around the body of a battery cell 52, as can be imagined, each closed on themselves, seeing Figures 4,6,7, to each double their side wall 5 with the thermal barrier 15,23 that each band will then integrate; and makes it possible to design independent multi-function modules, such as the cells 100 of the pocket-type (battery pouch Cell) of FIGS. 10, 11.
De ce qui précède, il ressort que la partie d’isolation thermique formée par la barrière 15/23 de préférence à constitution PIV pourra être structurellement dissociée tant des volumes 7 que de la paroi périphérique 5 de chaque module (cas des cellules 52 précitées). Dans ce dernier cas cette partie 15/23 entourera la paroi. Figures 4,6,7, on a schématisé une barrière MCP/PIV indépendante, issue d’une bande 50 articulée en plusieurs endroits du fait que les feuilles ou films 49 flexibles (ou parties d’une même feuille ou film unique) qui forme(nt) l’enveloppe 37 sont : - soit en contact direct en zones 21 intermédiaires entre deux poches 19 thermiquement isolantes successives chacune à couches MCP 15 / matériau poreux 23 intégrées au sein de l’espace global sous vide créé, comme en figure 12 ou 15 ; - soit remplies sur quelques mm d’épaisseur d’une structure déformable 79 pouvant être formée par un support conformable ou déformable en maillage polymère de quelques mm d’épaisseur imprégné d’un aérogel 81, par exemple de silice, ou son pyrolat (aérogel pyrolysé, étant précisé que cette alternative de pyrolat s’applique à chaque cas de la présente description où un matériau poreux thermiquement isolant est concerné), comme en figure 12.From the foregoing, it emerges that the thermal insulation portion formed by the barrier 15/23, preferably having a PIV constitution, can be structurally dissociated from both the volumes 7 and the peripheral wall 5 of each module (in the case of the cells 52 mentioned above). . In the latter case this part 15/23 will surround the wall. FIGS. 4, 6, 7 are diagrammatically an independent MCP / PIV barrier, resulting from a band 50 articulated in several places because the flexible sheets or films (or parts of the same sheet or single film) which form (nt) the envelope 37 are: - either in direct contact in intermediate zones 21 between two successive heat-insulating pockets 19 each with MCP 15 / porous material layers 23 integrated within the global vacuum space created, as in FIG. 12 or 15; - is filled over a few mm thick of a deformable structure 79 may be formed by a conformable or deformable support in a polymer mesh of a few mm thick impregnated with an airgel 81, for example silica, or its pyrolate (airgel pyrolyzed, it being specified that this pyrolate alternative applies to each case of the present description in which a thermally insulating porous material is concerned), as in FIG. 12.
Figures 8,13,14 on voit, parmi d’autres, différentes manières de réaliser une bande 50, voir individuellement une poche 19 à matériaux 15/23 et constitution PIV qui la compose favorablement.Figures 8,13,14 we see, among others, different ways of making a band 50, see individually a pocket 19 15/23 material and constitution PIV which composes favorably.
Dans les deux réalisations privilégiées proposées, chaque poche 19 comprend au moins une enveloppe extérieure 37 fermée qui contient les premier et second éléments 15/23 et est constituée d’au moins une feuille 49 conformable ou déformable étanche au matériau MCP, avec : -- a) soit ladite feuille 49 qui est scellable (thermiquement/chimiquement, tels en 49a,49b, autour de la poche) et étanche au matériau poreux 23 et à l’air (voire aussi à l’eau), de sorte qu’un vide d’air régnant dans l’enveloppe 37, un dit panneau isolant sous vide (PIV) est ainsi défini, comme montré figures 7,13 ; - b) soit le second élément isolant thermique 23 contenu à l’intérieur d’une seconde enveloppe fermée 51 à feuille flexible 53 scellable (comme ci-avant) et étanche au matériau poreux et à l’air, de sorte qu’un vide d’air régnant dans la seconde enveloppe, un dit panneau isolant sous vide (PIV) est ainsi défini, comme montré figures 8,14. A noter que deux couches 15 (15a, 15b) contenant un ou plusieurs matériaux MCP pourraient (comme figure 7) être disposées de part et d’autre de la couche de matériau poreux 23.In the two preferred embodiments proposed, each pocket 19 comprises at least one closed external envelope 37 which contains the first and second elements 15/23 and consists of at least one conformable or deformable sheet 49 tight to the MCP material, with: a) either said sheet 49 which is sealable (thermally / chemically, such as at 49a, 49b, around the pocket) and impervious to the porous material 23 and to the air (or even to water), so that a vacuum of air prevailing in the envelope 37, a said vacuum insulating panel (PIV) is thus defined, as shown in Figures 7,13; b) is the second thermal insulating element 23 contained inside a second sealed envelope 51 53 sealable flexible envelope (as above) and impervious to the porous material and air, so that a vacuum of air prevailing in the second envelope, a said vacuum insulating panel (PIV) is thus defined, as shown in Figures 8,14. Note that two layers (15a, 15b) containing one or more MCP materials could (as in FIG. 7) be disposed on either side of the layer of porous material 23.
La ou les feuilles ou film(s) 49 et 53 pourront typiquement être réalisés sous la forme d’un film multicouche comportant des films polymère (PE et PET) et de l’aluminium sous forme par exemple laminée (feuille d’épaisseur de l’ordre d’une dizaine de micromètre) ou métallisée (dépôt sous vide d’un film de quelques dizaines de nanomètre). La métallisation peut être effectuée sur une face ou sur les deux faces d’un film PE et plusieurs films PE métallisés peuvent être complexés pour former un film unique. Exemple de conception du film: - Scellement intérieur PE, environ 40 pm - Métallisation sous vide Al, env. 0.04 pm - Couche extérieure PET, environ 60 pm.The sheet (s) or film (s) 49 and 53 may typically be made in the form of a multilayer film comprising polymer films (PE and PET) and aluminum in the form of, for example, laminated (foil of thickness order of ten micrometers) or metallized (vacuum deposition of a film of a few tens of nanometers). The metallization can be carried out on one or both sides of a PE film and several metallized PE films can be complexed to form a single film. Example of the design of the film: - Internal PE sealing, approx. 40 μm - Vacuum metallization Al, approx. 0.04 pm - PET outer layer, about 60 μm.
Comme déjà noté, en comparant les figures 2 et 3-7, on aura remarqué que les modules 3, s’ils sont formés à chaque fois, sur un ensemble modulaire complet, en pile ou ligne, sont superposés par leurs ouverture 31 et fond 29, figure 2, tandis qu’ils sont latéralement en ligne, côte à côte par une partie de leur paroi périphérique 5 figures 3-7.As already noted, comparing FIGS. 2 and 3-7, it will be noted that the modules 3, if they are formed each time, on a complete modular assembly, stack or line, are superimposed by their openings 31 and bottom 29, FIG. 2, while they are laterally in line, side by side by a portion of their peripheral wall 5 FIGS. 3-7.
Dans l’application « modules superposés» pour le stockeur-échangeur 1 (voir figure 2), c’est donc non seulement la paroi périphérique 5 mais aussi le fond 29 qui sont pourvus de la double barrière 15/23, avec par exemple au moins une bande 50, pliée dans les angles, utilisée pour trois côtés (voir coupe figure 2 où le schéma, grossier, ne montre pas la bande), deux poches 19 simples pour les 4° et 5° côtés, le dernier côté étant ouvert (ouverture 31). Par contre, figures 3-4, la bande 50 pourra disposée à l’horizontale au niveau de la seule paroi latérale 5. Et toutes ces structures, ici à constitution PIV, seront favorablement noyées avec un support 55. Ce support sera favorablement monobloc. Il pourra être en matière plastique, métallique (inox, aluminium) ou composite, en particulier. Une fabrication moulée sera préférée.In the application "superimposed modules" for the storage-exchanger 1 (see Figure 2), it is therefore not only the peripheral wall 5 but also the bottom 29 which are provided with the double barrier 15/23, for example with minus one strip 50, folded in the corners, used for three sides (see section 2 where the diagram, coarse, does not show the strip), two single pockets 19 for the 4th and 5th sides, the last side being open (opening 31). By cons, Figures 3-4, the band 50 may be arranged horizontally at the single side wall 5. And all these structures, here constitution PIV, will be favorably embedded with a support 55. This support will be favorably monobloc. It may be plastic, metal (stainless steel, aluminum) or composite, in particular. Molded fabrication will be preferred.
La référence à une paroi latérale périphérique 5 en matériau moulable couvre tant les résines thermoplastiques chargées de fibres et injectées que les résines thermodurcissables imprégnant un mat, tel un tissé ou un non tissé.The reference to a peripheral side wall 5 of moldable material covers both fiber-filled and injected thermoplastic resins and thermosetting resins impregnating a mat, such as a woven or a nonwoven.
Figure 3, le fond 29 intègre aussi une barrière MCP/PIV 15/23. Il peut s’agir d’au moins une poche 19 ou de deux poches à plat, côte à côte entre lesquels passeraient le ou les canaux de passage des raccordements électriques des bornes 140,170. Sur cette figure, on a supposé qu’une cellule électrique 52 (entièrement close et contenant donc les éléments 15,16,17) a été placée, dans chaque espace central 56 délimité par la face intérieure des parois 5 et 29, par l’ouverture 31 opposée au fond transversal 29. Figure 4, on a au contraire schématisé le cas où l’intérieur creux délimité par la face intérieure des parois 5 et 29 est directement le volume 7. Dans ce cas, les éléments 15,16,17 placés là y sont maintenus par un couvercle 57 qui ferme l’ouverture 31. Les situations peuvent être interverties entre les deux figures.Figure 3, the bottom 29 also incorporates a gate MCP / PIV 15/23. It may be at least one pocket 19 or two flat pockets, side by side between which pass or passage channels electrical connections terminals 140,170. In this figure, it has been assumed that an electric cell 52 (completely closed and therefore containing the elements 15, 16, 17) has been placed, in each central space 56 delimited by the inner face of the walls 5 and 29, by the opening 31 opposed to the transverse bottom 29. Figure 4 is instead schematically the case where the hollow interior defined by the inner face of the walls 5 and 29 is directly the volume 7. In this case, the elements 15,16,17 placed there are held by a cover 57 which closes the opening 31. The situations can be interchanged between the two figures.
Figure 5, et avec plus de détails figure 7, une particularité réside dans la paroi PIV 23 qui est commune aux deux cellules 52 adjacentes.Figure 5, and in more detail Figure 7, a feature lies in the PIV wall 23 which is common to the two adjacent cells 52.
Ainsi, entre deux cellules 52 adjacentes, on trouve au moins une poche sous vide à trois couches : une couche isolante poreuse 23 entre deux couches MCP, a priori identiques. L’épaisseur de la couche 23 peut être double des versions à couches dédiées des autres variantes. Comme figures 5,6, un manchon 38 mécaniquement protecteur peut entourer le lot des cellules et leurs barrières thermiques individuelles 15/23.Thus, between two adjacent cells 52, there is at least one vacuum bag with three layers: a porous insulating layer 23 between two layers MCP, a priori identical. The thickness of the layer 23 may be twice that of the dedicated layer versions of the other variants. As FIGS. 5, 6, a mechanically protective sleeve 38 may surround the batch of cells and their individual thermal barriers 15/23.
Les figures 8-11 schématisent une autre manière de réaliser une cellule de batterie d’accumulateurs, en l’espèce une cellule « pouch » (poche) figures 10-11, alors qu’il peut s’agir de cellules prismatiques figure 9 et sur les figures précédentes.FIGS. 8-11 diagrammatically show another way of producing a battery cell, in this case a "pouch" cell (pocket) FIGS. 10-11, while it may be prismatic cells FIG. in the previous figures.
Figure 8, deux poches allongées 19 formées chacune d’une enveloppe 37 sont schématisées, face à face. Chacune présente deux extrémités 49a,49b de films extérieurs 49 soudées ensemble. Ce sont ces deux couples d’extrémités 49a,49b que l’on va pouvoir réunir et souder par couple, comme montré figures 9-11 pour constituer un espace central fermé correspondant soit (figure 9) à l’espace 56 déjà présent dans la solution de la figure 3 soit directement au volume interne 7 (figures 10-11), dès lors que la paroi 49 sera alors choisie pour résister à l’électrolyte et aux échanges liées à la production électrique dans le volume, en étant si nécessaire pour cela doubler par une paroi ad-hoc. Figures 10,11, on notera l’aspect cintré vers l’extérieur (EXT) des enveloppe scellées 37/51 à feuilles flexibles, étant précisé qu’une telle forme peut résulter d’un raccourcissement, sur chaque enveloppe, de la longueur L1 de la feuille interne par rapport à la longueur L2 de la feuille externe, ceci créant une tension mécanique à l’endroit des scellements d’extrémités qui cintre l’enveloppe.Figure 8, two elongate pockets 19 each formed of a casing 37 are schematized, face to face. Each has two ends 49a, 49b of outer films 49 welded together. It is these two pairs of ends 49a, 49b that we will be able to join together and solder by torque, as shown in FIGS. 9-11 to constitute a closed central space corresponding to either (FIG. 9) to the space 56 already present in the solution of Figure 3 is directly to the internal volume 7 (Figures 10-11), since the wall 49 will then be chosen to resist the electrolyte and exchanges related to the electrical production in the volume, being so necessary to it doubles with an ad-hoc wall. Figures 10,11, note the bent outward appearance (EXT) sealed envelopes 37/51 flexible sheets, being specified that such a shape can result from a shortening, on each envelope, the length L1 of the inner sheet with respect to the length L2 of the outer sheet, this creating a mechanical tension at the location of the end seals which hinge the envelope.
Figure 12 ou 15, on pourra encore remarquer en 89a,89b, des moyens de maintien sur elle-même de la bande 50, une fois pliée sur elle-même. On peut imaginer une solution par clip, par bande auto-agrippante, type Velcro (TM), ou autre. C’est dans chaque cas, comme on l’aura compris, dans l’espace central INT que sera disposé le module 3, qu’il s’agisse de l’un de ceux du stockeur-échangeur ou d’une cellule 52.12 or 15, it will also be noted at 89a, 89b, holding means on itself of the band 50, once folded on itself. One can imagine a solution clip, Velcro (TM), Velcro, or other type. It is in each case, as will be understood, in the central space INT that will be placed the module 3, whether it is one of those of the storage-exchanger or a cell 52.
Dans le mode de réalisation de la figure 15, les pliures pourront donc s’opérer à l’endroit des zones 21 d’articulation, où deux feuilles 49 sont en contact direct l’une avec l’autre et qui sont intercalées chacune entre une poche 19 et une zone intermédiaire 59 thermiquement isolante extérieurement convexe contenant au moins un matériau poreux 23.In the embodiment of FIG. 15, the folds can therefore take place at the location of the hinge zones 21, where two sheets 49 are in direct contact with each other and which are each interposed between a pocket 19 and an outer thermally insulating intermediate zone 59 containing at least one porous material 23.
Il est à noter que l’on pourra intercaler au moins une couche MCP entre le fond 29 et le moyen 44 d’échange par convection, le fond 29 pouvant intégrer cette ou ces couches.It should be noted that it is possible to insert at least one MCP layer between the bottom 29 and the convective exchange means 44, the bottom 29 being able to integrate this or these layers.
La figure 16 permet de montrer une alternative à la solution de la figure 2 : les fonds 29 peuvent donc ne pas comprendre de couches 15 ni 23. Le même matériau que celui de la paroi 5 peut être utilisé, pour une constitution monobloc.Figure 16 shows an alternative to the solution of Figure 2: the funds 29 may not include layers 15 and 23. The same material as that of the wall 5 can be used for a one-piece constitution.
Quant à la figure 17, elle montre en vue de dessus un cas où le moyen 44 de transfert d’énergie thermique agit en particulier par conduction, via des conduits 48 de circulation d’un fluide qui, via la plaque 50 de transfert d’énergie thermique (métal typiquement) qui double une face 58 des blocs 3 réunis (ici plusieurs cellules 52 adjacentes), assure l’évacuation de l’énergie thermique apportée à cette plaque par les couches MCP 15.As regards FIG. 17, it shows in plan view a case where the means 44 for transferring thermal energy acts in particular by conduction, via conduits 48 for the circulation of a fluid which, via the transfer plate 50 of thermal energy (metal typically) which doubles a face 58 of the combined blocks 3 (here several adjacent cells 52), ensures the evacuation of the thermal energy supplied to this plate by the MCP layers 15.
On notera qu’une telle couche MCP 15 entoure latéralement (sur les quatre faces latérales autres que la face 58 et son opposé ; voir figure) l’ensemble des blocs 3/52 réunis et est elle-même doublée extérieurement par un isolant thermique poreux 23.It will be noted that such a MCP layer 15 laterally surrounds (on the four lateral faces other than the face 58 and its opposite, see figure) all the blocks 3/52 joined and is itself lined externally by a porous thermal insulation 23.
La figure 18 schématise une alternative où le moyen 44 de transfert d’énergie thermique, ici par convection, s’étend tout autour d’une couche MCP 15 qui entoure latéralement (sur les quatre faces latérales autres que les faces ici inférieure et supérieure; voir figure) l’ensemble des blocs 3/52 réunis.FIG. 18 schematizes an alternative where the heat transfer means 44, here by convection, extends all around an MCP 15 which surrounds laterally (on the four lateral faces other than the lower and upper faces here; see figure) all the blocks 3/52 together.
Le moyen 44 de transfert par convection peut être une plaque porteuse extérieurement d’ailettes 46.The means 44 for convection transfer may be an externally carrying plate of fins 46.
On a encore figuré en 38 figure 17 le manchon, ou plus généralement l’enveloppe en une ou plusieurs pièces, qui sert de paroi mécaniquement protectrice, voire de moyen latéral de maintien (voir solution figure 1 ) aux éléments qu’elles entourent ; blocs 3, couches 15/23... Dans la solution de la figure 18, la plaque périphérique porteuse extérieurement des ailettes 46 pourra jouer ce rôle, notamment si l’on réunit les plaques entre elles pour former une paroi continue.FIG. 17 also shows the sleeve, or more generally the envelope in one or more parts, which serves as a mechanically protective wall, or even a lateral holding means (see solution in FIG. 1) to the elements they surround; blocks 3, layers 15/23 ... In the solution of FIG. 18, the outer peripheral carrying plate of fins 46 may play this role, especially if the plates are joined together to form a continuous wall.
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