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FR3108208A1 - Bloc batterie securise pour eviter une production d'hydrogene en cas d'intrusion de liquide a base d'eau - Google Patents

Bloc batterie securise pour eviter une production d'hydrogene en cas d'intrusion de liquide a base d'eau Download PDF

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FR3108208A1
FR3108208A1 FR2002340A FR2002340A FR3108208A1 FR 3108208 A1 FR3108208 A1 FR 3108208A1 FR 2002340 A FR2002340 A FR 2002340A FR 2002340 A FR2002340 A FR 2002340A FR 3108208 A1 FR3108208 A1 FR 3108208A1
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FR
France
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battery pack
electrical switch
controlled
electrical
motor vehicle
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FR2002340A
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English (en)
Inventor
Eric Mizwicki
Alexis Riera
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Stellantis Auto Sas Fr
Original Assignee
PSA Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA filed Critical PSA Automobiles SA
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Abstract

L'invention porte sur un bloc batterie (10) notamment pour véhicule automobile, ledit bloc batterie (10) comportant un ensemble (11') de modules de puissance (11) connectés électriquement entre eux et à des bornes de sorties (B+, B-) par l'intermédiaire de pistes électriquement conductrices (12), chaque module de puissance (11) comprenant plusieurs cellules électrochimiques (14), - ledit bloc batterie (10) comportant en outre au moins un interrupteur électrique piloté (18), ledit interrupteur électrique piloté (18) étant conformé pour ouvrir une piste électriquement conductrice (12). Figure 3

Description

BLOC BATTERIE SECURISE POUR EVITER UNE PRODUCTION D'HYDROGENE EN CAS D'INTRUSION DE LIQUIDE A BASE D'EAU
La présente invention porte sur un bloc batterie sécurisé pour éviter une production d'hydrogène en cas d'intrusion de liquide à base d'eau. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec des blocs batteries utilisés pour assurer notamment une alimentation d'un moteur électrique de traction d'un véhicule automobile.
L'invention pourra ainsi être mise en œuvre avec des blocs batteries embarqués dans les véhicules automobiles de type électrique ou hybride, c’est-à-dire un véhicule utilisant une source d'énergie électrique et une autre source d'énergie, notamment une source d'énergie thermique, hydrogène, ou pneumatique.
Les figures 1 et 2 montrent un bloc batterie 10 (dit "pack batteries" en anglais) comprenant un ensemble 11' de modules de puissance 11, un boîtier de connexion électrique 15 et un module de commande 20 assurant une gestion de l'énergie électrique stockée par les modules de puissance 11 ainsi qu'une gestion des composants du boîtier de connexion électrique 15.
Les modules de puissance 11 sont connectés électriquement entre eux et à des bornes de sortie B+, B- via des pistes électriquement conductrices 12 (dites "busbars" en anglais). Chaque module de puissance 11 est constitué de plusieurs cellules électrochimiques 14. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-Ion), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), ou encore au plomb.
L'ensemble 11' des modules de puissance 11 est relié électriquement à des équipements électriques haute tension 13 par l'intermédiaire du boîtier de connexion électrique 15 (dit "junction box" en anglais). Le boîtier de connexion électrique 15 comporte au moins un fusible de protection électrique 16 ainsi que des relais 17 aptes à sélectivement autoriser ou bloquer un échange énergétique entre le bloc batterie 10 et les équipements électriques 13.
Les équipements électriques haute tension 13 sont constitués notamment par un ou plusieurs moteurs électriques de traction, un ou plusieurs convertisseurs continu-continu permettant d'interconnecter le réseau électrique haute tension alimenté par le bloc batterie 10 avec un réseau électrique basse tension (non représenté) sur lequel sont connectés des consommateurs électriques du véhicule automobile, tel qu'un système d'éclairage, une interface homme-machine de type tablette tactile par exemple, des actionneurs de vitres ou de sièges, un calculateur moteur, voire même un démarreur dans le cas d'un véhicule hybride embarquant un moteur thermique. Tout autre équipement électrique nécessitant l’utilisation de l’énergie du bloc batterie 10 pourra être connecté au boîtier de connexion électrique 15.
Un moteur électrique de traction prélève de l'énergie électrique au bloc batterie 10 pour assurer une traction du véhicule automobile. Un moteur électrique de type réversible pourra également fonctionner en mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif. Dans ce cas, le moteur électrique pourra fournir de l'énergie électrique pour assurer un rechargement des modules de puissance 11. Les échanges énergétiques avec le bloc batterie 10 se produisent ainsi dans les deux sens.
Comme cela est représenté sur la figure 2, lorsqu’un liquide 19 à base d'eau s’accumule dans le bloc batterie 10, il est susceptible d'établir un contact électrique entre les bornes positive B+ et négative B- de l’ensemble 11' des modules de puissance 11 au niveau de l’entrée du boîtier de connexion électrique 15.
Ce liquide 19 peut notamment être constitué par le liquide de refroidissement du bloc batterie 10 lorsque le circuit de refroidissement du bloc batterie est défaillant, ou de l’eau provenant de l’extérieur s'introduisant à l'intérieur du système du fait d'une mauvaise étanchéité du bloc batterie 10, ou de l’eau provenant de l’extérieur via des pastilles de respiration du bloc batterie 10.
La présence de liquide 19 à base d'eau parcouru par le courant généré par le bloc batterie 10 engendre la production d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse. Cela pose un problème sécuritaire dans la mesure où l'hydrogène est un gaz hautement inflammable en présence d'oxygène.
L’invention vise à résoudre efficacement ce problème sécuritaire en proposant un bloc batterie notamment pour véhicule automobile, ledit bloc batterie comportant un ensemble de modules de puissance connectés électriquement entre eux et à des bornes de sorties par l'intermédiaire de pistes électriquement conductrices, chaque module de puissance comprenant plusieurs cellules électrochimiques,
- ledit bloc batterie comportant en outre au moins un interrupteur électrique piloté, ledit interrupteur électrique piloté étant conformé pour ouvrir une piste électriquement conductrice.
L'invention permet ainsi, grâce à la présence de l'interrupteur électrique piloté, de supprimer la différence de potentiel aux bornes du bloc batterie et du boîtier de connexion électrique lorsque le véhicule est endormi. Ainsi, même en cas de présence de liquide non détectée, la production d’hydrogène et d'oxygène ne sera pas possible aux bornes du bloc batterie du fait de l'ouverture du circuit électrique du bloc batterie. On sécurise ainsi le véhicule automobile vis-à-vis des risques d'explosion en cas de défaillance d'étanchéité.
Selon une réalisation de l'invention, ledit bloc batterie comporte un bac recevant les modules de puissance, ledit bac ayant un fond correspondant à une face inférieure et une face supérieure opposée au fond.
Selon une réalisation de l'invention, l'interrupteur électrique piloté est situé à une hauteur mesurée par rapport au fond du bac supérieure à une hauteur de liquide qui serait atteinte si un volume de liquide prédéterminé était vidé à l'intérieur d'un volume interne du bac.
Selon une réalisation de l'invention, l'interrupteur électrique piloté est disposé sur la face supérieure du bac.
Selon une réalisation de l'invention, l'interrupteur électrique piloté est un contacteur électromécanique.
Selon une réalisation de l'invention, l'interrupteur électrique piloté prend la forme d'un transistor ou d'un thyristor réalisés dans un matériau semi-conducteur.
Selon une réalisation de l'invention, l'interrupteur électrique piloté est étanche à un liquide.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant un bloc batterie tel que précédemment défini.
Selon une réalisation de l'invention, ledit véhicule automobile comporte:
- des équipements électriques,
- le bloc batterie comportant en outre un boîtier de connexion électrique connecté électriquement aux bornes de sortie de l'ensemble de modules de puissance,
- ledit boîtier de connexion électrique comportant au moins un fusible de protection électrique destiné à protéger les équipements électriques ainsi que des relais aptes à sélectivement autoriser ou bloquer un échange énergétique entre le bloc batterie et les équipements électriques.
Selon une réalisation de l'invention, le bloc batterie comporte un module de commande configuré pour piloter, suite à une demande de mise en veille du véhicule automobile, une ouverture des relais du boîtier de connexion électrique ainsi qu'une ouverture de l'interrupteur électrique piloté.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un bloc batterie selon l'état de la technique connecté à des équipements électriques haute tension;
La figure 2, déjà décrite, est une représentation schématique en perspective illustrant la problématique de production d'hydrogène et d'oxygène suite à l'introduction de liquide à base d'eau à l'intérieur du bloc batterie;
La figure 3 est une représentation schématique d'un bloc batterie selon l'invention connecté à des équipements électriques haute tension;
La figure 4 est une représentation schématique en perspective illustrant la sécurisation du bloc batterie selon l'invention à l'aide d'un interrupteur électrique piloté évitant la production d'hydrogène et d'oxygène suite à l'introduction de liquide à base d'eau à l'intérieur du bloc batterie;
La figure 5 est une représentation schématique en perspective d'une variante de réalisation d'un bloc batterie selon l'invention muni de plusieurs moyens d'ouverture pour sa sécurisation.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre.
Les figures 3 et 4 montrent un bloc batterie 10 (dit "pack batteries" en anglais) comprenant un ensemble 11' de modules de puissance 11, un boîtier de connexion électrique 15 et un module de commande 20 assurant une gestion de l'énergie électrique stockée par les modules de puissance 11 ainsi qu'une gestion des composants du boîtier de connexion électrique 15.
Les modules de puissance 11 sont connectés électriquement entre eux et à des bornes de sortie B+, B- par l'intermédiaire de pistes électriquement conductrices 12. En l'occurrence, les modules de puissance 11 sont connectés électriquement en série les uns par rapport aux autres. Ainsi, la borne positive d'un module de puissance 11 est connectée, via une piste conductrice 12, à une borne négative d'un module de puissance 11 adjacent, lequel présente sa borne positive connectée, via une piste conductrice 12, à une borne négative d'un autre module de puissance 11 adjacent et ainsi de suite. En variante, un ou plusieurs groupes de modules de puissance 11 pourront être connectés électriquement en parallèle par rapport à un ou plusieurs autres groupes de modules de puissance 11.
Les pistes conductrices 12 sont réalisées dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en cuivre. Les pistes conductrices 12 pourront présenter une section ronde ou rectangulaire. Le cas échéant, un matériau isolant pourra être surmoulé sur les pistes conductrices 12.
Chaque module de puissance 11 comprend plusieurs cellules électrochimiques 14. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-Ion), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), ou encore au plomb. Les modules de puissance 11 sont de préférence des modules identiques. Toutefois, en variante, les modules de puissance 11 pourraient être de chimie différente.
Le bloc batterie 10 délivre de préférence une tension égale ou supérieure à 48 Volts. Plus généralement, la tension du bloc batterie 10 pourrait être comprise entre 12V et 1000V.
L’ensemble 11' des modules de puissance 11 est relié électriquement à des équipements électriques haute tension 13 par l'intermédiaire d'un boîtier de connexion électrique 15 (dit "junction box" en anglais). A cet effet, l'ensemble 11' comporte des bornes de sortie, à savoir une borne de sortie positive B+ et une borne de sortie négative B-, auxquelles est connecté électriquement le boîtier de connexion électrique 15. Le boîtier de connexion électrique 15 comporte au moins un fusible de protection électrique 16 destiné à protéger les équipements électriques haute tension ainsi que des relais 17 aptes à sélectivement autoriser ou bloquer un échange énergétique entre le bloc batterie 10 et les équipements électriques haute tension 13.
Les équipements électriques haute tension 13 sont constitués notamment par un ou plusieurs moteurs électriques de traction, un ou plusieurs convertisseurs continu-continu permettant d'interconnecter le réseau électrique haute tension alimenté par le bloc batterie 10 avec un réseau électrique basse tension sur lequel sont connectés des consommateurs électriques du véhicule automobile, tel qu'un système d'éclairage, une interface homme-machine de type tablette tactile par exemple, des actionneurs de vitres ou de sièges, un calculateur moteur, voire même un démarreur dans le cas d'un véhicule hybride. Tout autre équipement nécessitant l’utilisation de l’énergie du bloc batterie 10 pourra être connecté au boîtier de connexion électrique 15.
Un moteur électrique prélève de l'énergie électrique au bloc batterie 10 pour assurer une traction du véhicule automobile. Un moteur électrique de type réversible pourra également fonctionner en mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif. Dans ce cas, le moteur électrique pourra fournir de l'énergie électrique pour assurer un rechargement du bloc batterie 10. Les échanges énergétiques avec le bloc batterie 10 se produisent ainsi dans les deux sens.
Le bloc batterie 10 comporte en outre au moins un interrupteur électrique piloté 18. L'interrupteur électrique piloté 18 est conformé pour ouvrir une piste électriquement conductrice 12.
En l'occurrence, un interrupteur électrique piloté 18 est connecté électriquement en série entre deux modules de puissance 11. L'interrupteur électrique piloté 18 pourra ainsi être disposé entre une portion d'une piste conductrice 12 reliée à une borne positive d'un module de puissance 11 et une autre portion de la piste conductrice 12 reliée à une borne négative d'un module de puissance 11 adjacent.
L'interrupteur électrique piloté 18 pourra prendre un état fermé autorisant le passage du courant d'un module de puissance 11 à un autre et un état ouvert dans lequel l'interrupteur électrique piloté 18 empêche le passage du courant afin d'éviter la création d'hydrogène en cas de montée de liquide 19 établissant un court-circuit entre les bornes de sortie B+, B- du bloc batterie 10.
En variante, l'interrupteur électrique piloté 18 est disposé sur une piste électriquement conductrice reliée à une borne de sortie B+ ou B-.
L'interrupteur électrique piloté 18 est de préférence un contacteur électromécanique. Cela permet de fournir une isolation galvanique en situation d’ouverture. En variante, l'interrupteur électrique piloté 18 prend la forme d'un transistor ou d'un thyristor réalisés dans un matériau semi-conducteur. De préférence, l'interrupteur électrique piloté 18 est étanche à un liquide.
Alternativement, l'interrupteur électrique piloté 18 pourra être disposé sur une piste conductrice 12 s'étendant entre une borne de sortie B+, B- du bloc batterie 10 et un module de puissance 11 relié électriquement à cette borne de sortie. L'interrupteur électrique piloté 18 pourra ainsi être disposé sur la piste conductrice 12 s'étendant entre la borne positive B+ du bloc batterie 10 et un module de puissance 11 relié directement à cette borne positive B+ via cette piste conductrice. L'interrupteur électrique piloté 18 pourra également être disposé sur la piste conductrice 12 s'étendant entre la borne négative B- du bloc batterie 10 et un module de puissance 11 relié directement à cette borne négative B- via cette piste conductrice.
Dans l'exemple représenté, le bloc batterie 10 comporte un bac 21 recevant les modules de puissance 11, tel que montré sur la figure 4. Le bac 21 pourra par exemple présenter une forme parallélépipédique. Le bac 21 a un fond 21.1 correspondant à une face inférieure et une face supérieure 21.2 opposée au fond 21.1. Le cas échéant la face supérieure pourra être recouverte par un couvercle (non représenté).
L'interrupteur électrique piloté 18 est situé à un endroit à l'abri d'une éventuelle montée de liquide 19 à l'intérieur du bac 21 du bloc batterie 10. Ainsi, l'interrupteur électrique piloté 18 est situé à une hauteur L1 mesurée par rapport à un fond du bac 21 supérieure à une hauteur L0 de liquide (mesurée également par rapport au fond du bac 21) qui serait atteinte si un volume de liquide prédéterminé correspondant notamment à la totalité du liquide contenu dans un circuit de refroidissement du bloc batterie 10 était vidé à l'intérieur d'un volume interne du bac 21. Un tel volume de liquide prédéterminé dépend des caractéristiques du circuit de refroidissement utilisé. Ce volume de liquide prédéterminé est généralement compris entre 5 litres et 10 litres.
De préférence, l'interrupteur électrique piloté 18 est disposé sur la face supérieure 21.2 du bac 21. En variante, l'interrupteur électrique piloté 18 est disposé sur une face latérale du bac 21 à une hauteur L1 supérieure à la hauteur L0.
Par ailleurs, le module de commande 20 est apte à assurer notamment une commande de l'interrupteur électrique piloté 18 et des relais 17 du boîtier de connexion électrique 15.
Ainsi, lorsque le véhicule automobile est en fonctionnement, c’est-à-dire dans une phase de rechargement du bloc batterie 10 ou dans une phase de roulage, le module de commande 20 commande les relais 17 de façon à autoriser le transfert d'énergie électrique entre le bloc batterie 10 et les équipements électriques 13 via le boîtier de connexion électrique 15. L'interrupteur électrique piloté 18 est alors à l'état fermé.
Lorsqu’il est demandé au véhicule automobile de se mettre en veille, c’est-à-dire d’interrompre les échanges énergétiques avec le bloc batterie 10, le module de commande 20 commande une ouverture des relais 17 du boîtier de connexion électrique 15 ainsi qu'une ouverture de l'interrupteur électrique piloté 18.
Dans cette situation, le niveau de liquide 19 peut atteindre une hauteur mettant en contact électrique les entrées du boîtier de connexion électrique 15 sans risque de création d’hydrogène et d'oxygène à ses bornes du fait de l’ouverture de l'interrupteur électrique piloté 18 permettant de ne plus avoir de tension en entrée du boîtier de connexion électrique 15.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, on prévoit deux moyens d'ouverture 18 connectés électriquement en série dans le circuit des modules de puissance 11. Bien entendu, il est possible d'intégrer plus de deux moyens d'ouverture 18.

Claims (10)

  1. Bloc batterie (10) notamment pour véhicule automobile, ledit bloc batterie (10) comportant un ensemble (11') de modules de puissance (11) connectés électriquement entre eux et à des bornes de sorties (B+, B-) par l'intermédiaire de pistes électriquement conductrices (12), chaque module de puissance (11) comprenant plusieurs cellules électrochimiques (14),
    caractérisé en ce que ledit bloc batterie (10) comporte en outre au moins un interrupteur électrique piloté (18), ledit interrupteur électrique piloté (18) étant conformé pour ouvrir une piste électriquement conductrice (12).
  2. Bloc batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un bac (21) recevant les modules de puissance (11), ledit bac (21) ayant un fond (21.1) correspondant à une face inférieure et une face supérieure (21.2) opposée au fond (21.1).
  3. Bloc batterie selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'interrupteur électrique piloté (18) est situé à une hauteur (L1) mesurée par rapport au fond du bac (21) supérieure à une hauteur (L0) de liquide qui serait atteinte si un volume de liquide prédéterminé était vidé à l'intérieur d'un volume interne du bac (10).
  4. Bloc batterie selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'interrupteur électrique piloté (18) est disposé sur la face supérieure (21.2) du bac (21).
  5. Bloc batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'interrupteur électrique piloté (18) est un contacteur électromécanique.
  6. Bloc batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'interrupteur électrique piloté (18) prend la forme d'un transistor ou d'un thyristor réalisés dans un matériau semi-conducteur.
  7. Bloc batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'interrupteur électrique piloté (18) est étanche à un liquide.
  8. Véhicule automobile comportant un bloc batterie tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  9. Véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte:
    - des équipements électriques (13),
    - le bloc batterie (10) comportant en outre un boîtier de connexion électrique (15) connecté électriquement aux bornes de sortie (B+, B-) de l'ensemble (11') de modules de puissance (11),
    - ledit boîtier de connexion électrique (15) comportant au moins un fusible de protection électrique (16) destiné à protéger les équipements électriques (13) ainsi que des relais (17) aptes à sélectivement autoriser ou bloquer un échange énergétique entre le bloc batterie (10) et les équipements électriques (13).
  10. Véhicule automobile selon la revendication 9, caractérisé en ce que le bloc batterie (10) comporte un module de commande (20) configuré pour piloter, suite à une demande de mise en veille du véhicule automobile, une ouverture des relais (17) du boîtier de connexion électrique (15) ainsi qu'une ouverture de l'interrupteur électrique piloté (18).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0477252A1 (fr) * 1989-06-12 1992-04-01 Globe Union Inc Systeme a deux batteries commutables.
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