FR3146025A1 - Plaque de refroidissement de cellules d’un dispositif de stockage electrique - Google Patents
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Abstract
Un aspect de l’invention concerne une plaque de refroidissement 5 de cellules électrochimiques 3 d’un dispositif de stockage électrique 1, la plaque de refroidissement 5 étant agencée pour être prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques 3 du dispositif de stockage électrique 1, la plaque de refroidissement 5 comportant :
Un circuit de refroidissement 6 de type caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique, et Un premier dispositif d’échappement 8 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsqu’il atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée.
Figure 2
Description
La présente invention concerne le refroidissement des cellules d’un dispositif de stockage électrique. Plus particulièrement, un aspect de l’invention se rapporte à une plaque de refroidissement de cellules d’un dispositif de stockage électrique. Un autre aspect de l’invention se rapporte à dispositif de stockage électrique comportant une telle plaque de refroidissement de cellules.
Les véhicules, qu'ils soient totalement électriques ou combinant l'utilisation d'un moteur thermique et d'un moteur électrique, sont équipes de dispositifs de stockage électrique, comportant généralement plusieurs modules électriques. Ces modules électriques comprennent une pluralité de cellules électriques connectées entre elles.
Ces modules électriques supportent mal de fonctionner en dehors d'une plage de température déterminée. Ainsi, il convient de les maintenir dans une plage de température donnée. Par exemple, le fonctionnement des batteries lithium-ion est optimal entre 0°C et 50°C. Une gestion thermique efficace est nécessaire afin de garantir le maintien des cellules dans cette plage de température quelles que soient les conditions atmosphériques et d’utilisation.
Le cas d’usage le plus critique, celui qui dimensionne la capacité de refroidissement, est rencontré lors des évènements d’emballement thermique ou de recharge ultra rapide. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique nécessitant un besoin de refroidissement plus important.
Parmi les solutions proposées pour ralentir et protéger contre l’emballement thermique, des matériaux isolants d’interface pour isoler les cellules contre la propagation de ce phénomène peuvent être prévus.
On connait encore du document JP-B2-5994345 un séparateur de cellules incluant une canalisation pour le passage d’un liquide de refroidissement. Cette canalisation comporte une partie dont l’épaisseur est volontairement mince afin de pouvoir se rompue lors d’une augmentation de la pression du liquide de refroidissement.
Lorsque la canalisation vient à se rompre, le module doit être remplacé. Cette solution est donc particulièrement onéreuse.
Le but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une plaque de refroidissement de cellules d’un dispositif de stockage électrique qui soit peu couteux.
Dans ce contexte, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à une plaque de refroidissement de cellules électrochimiques d’un dispositif de stockage électrique, la plaque de refroidissement étant agencée pour être prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques du dispositif de stockage électrique, la plaque de refroidissement comportant un circuit de refroidissement des deux cellules électrochimiques.
La plaque de refroidissement selon cet aspect de l’invention est remarquable en ce que le circuit de refroidissement est un caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique et en ce que la plaque de refroidissement comporte un premier dispositif d’échappement construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsque le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée.
Ainsi, par exemple, dès lors que le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée, par exemple de 130°C, le premier dispositif d’échappement laisse échapper une partie du fluide de refroidissement diphasique en phase vapeur de sorte à refroidir la cellule sur laquelle est projeté le fluide de refroidissement diphasique en phase vapeur.
Le dispositif d’échappement peut être formé par un fusible thermique utilisant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement. En cas d’utilisation de ce fusible thermique, il est facile de le remplacer à moindre coût.
Dans une réalisation différente, le dispositif d’échappement peut être formé par une soupape de surpression qui réagit en fonction de la pression pour laisser passer le fluide de refroidissement. Une telle soupape de surpression peut être utilisée de nombreuse fois soit nécessiter un quelconque remplacement.
En outre, l’utilisation d’un caloduc oscillant comme circuit de refroidissement permet de ne pas utiliser de pompe pour la circulation du fluide de refroidissement.
En effet, le caloduc oscillant comporte un fluide caloporteur diphasique qui forme naturellement une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Les écarts de température présents dans le caloduc oscillant génèrent des fluctuations de pression qui agissent comme un système de pompage permettant de faire circuler le liquide de refroidissement.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon cet aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un premier port de remplissage du circuit de refroidissement, le premier port de remplissage étant muni du premier dispositif d’échappement.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte une réserve d’un gaz inerte et un deuxième dispositif d’échappement construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du gaz inerte lorsque le gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un deuxième port de remplissage de la réserve d’un gaz inerte, le deuxième port de remplissage étant muni du deuxième dispositif d’échappement.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le deuxième dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le premier dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm.
Un autre aspect de l’invention se rapporte à un dispositif de stockage électrique comportant deux cellules électrochimiques adjacentes, le dispositif de stockage électrique étant remarquable en ce qu’il comporte une plaque de refroidissement de cellules électrochimiques selon l’un quelconque des aspects de l’invention précités, la plaque de refroidissement étant prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le premier dispositif d’échappement débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement de cellules électrochimiques est posée sur un support de refroidissement de la plaque de refroidissement.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
La illustre de façon schématique un dispositif de stockage électrique 1. Ce dispositif de stockage électrique 1 peut équiper un véhicule automobile comprenant un moteur électrique pour sa traction.
On comprendra par dispositif de stockage électrique 1, dans la suite de cette description, un ensemble comprenant au moins un module de batterie 2 (deux dans l’exemple illustré), chaque module de batterie 2 contenant des cellules électrochimiques 3, huit dans l’exemple illustré.
Les modules 2 sont regroupés dans un bac ou carter 4.
Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique 3, une cellule de stockage d’énergie électrique. Cette cellule électrochimique 3 est agencée pour générer du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni- Cd ou encore plomb.
Le dispositif de stockage électrique 1 comporte plusieurs plaques de refroidissement 5. Les plaques de refroidissement 5 possèdent comme fonction de prévenir un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. Chaque plaque de refroidissement 5 est prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques 3 adjacentes, autrement dit les cellules électrochimiques 3 sont en contact thermique avec une plaque de refroidissement 5.
Comme illustré à la , chaque plaque de refroidissement 5 comporte un circuit de refroidissement 6 formé par un caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique. Le circuit de refroidissement 6 possède comme particularité de se présenter sous forme d'un serpentin de dimension capillaire. Ce dernier est partiellement rempli avec un fluide de refroidissement diphasique qui se répartit en poches de vapeur et en bouchons de liquide. La différence de pression entre deux poches de vapeur donne la force motrice pour le déplacement du fluide
La plaque de refroidissement 5 comporte en outre, au niveau de sa partie supérieure, un premier port de remplissage 7 du circuit de refroidissement 6.
En outre, la plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un premier dispositif d’échappement 8 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsque le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée.
Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le premier dispositif d’échappement 8 débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3.
Un tel premier dispositif d’échappement 8 peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le premier seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C.
Lors de son évaporation, le fluide de refroidissement diphasique est vaporisé sur la cellule électrochimiques 3 adjacente de sorte à favoriser son refroidissement.
Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le premier dispositif d’échappement 8 est intégré au premier port de remplissage 7. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le premier port de remplissage 7 et le premier dispositif d’échappement 8 peuvent être séparés l’un de l’autre.
Dans cet exemple de réalisation, la plaque de refroidissement 5 comporte également une réserve d’un gaz inerte 9. De façon non limitative, le gaz inerte contenu peut être du dioxyde de carbone ou de l’azote.
La plaque de refroidissement 5 comporte en outre, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième port de remplissage 10 de la réserve d’un gaz inerte 9.
En outre, la plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième dispositif d’échappement 11 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du gaz inerte lorsque le gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée.
Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le deuxième dispositif d’échappement 11 débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3.
Un tel deuxième dispositif d’échappement 11 peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le deuxième seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C.
Lors de son évaporation, le gaz inerte est vaporisé sur la cellule électrochimique 3 adjacente de sorte à empêcher un emballement thermique de cette cellule électrochimique 3.
Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le deuxième dispositif d’échappement 11 est intégré au deuxième port de remplissage 10. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le deuxième port de remplissage 10 et le deuxième dispositif d’échappement 11 peuvent être séparés l’un de l’autre.
Il convient en outre de noter que les plaques de refroidissement 5 sont posées sur un support de refroidissement 12. Dans un exemple de réalisation non limitatif, ce support de refroidissement 12 peut être formé par le fond du dispositif de stockage électrique 1 et être traversé par un conduit 13 contenant un fluide de refroidissement dont la circulation est réalisée au moyen d’une pompe 14 et/ou comporter des ailettes de refroidissement.
Par ailleurs, afin de compenser un éventuel gonflement des cellules électrochimiques 3 se produisant lors de la charge et décharge de celles-ci, chaque plaque de refroidissement 5 présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm, typiquement 2mm.
Les plaques de refroidissement 5 permettent également d’assurer une précontrainte en compression de l’ensemble des cellules électrochimiques 3.
Les plaques de refroidissement 5 peuvent être réalisé dans un matériau métallique ou plastique.
Dans le cas d’un matériau métallique, le circuit de refroidissement 6 peut être usiné dans une première paroi 15 et une deuxième paroi 16 peut être soudée à ladite première paroi 15. Dans ce cas, la deuxième paroi 16 forme une partie de la paroi du circuit de refroidissement 6.
Les différents aspects de l’invention susmentionnés présentent de nombreux avantages.
Effectivement, dans le circuit de refroidissement 6, un premier port de remplissage 7 est fermé par un premier fusible thermique 8 qui permet de laisser le fluide de refroidissement diphasique s’échapper lors d’un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. Cet échappement particulier permet de sécuriser le dispositif de stockage électrique 1 en abaissant la température des cellules électrochimiques.
En outre, chaque plaque de refroidissement 5 comporte une réserve d’un gaz inerte 9 qui est muni d’un deuxième port de remplissage 10 fermé par un deuxième fusible thermique 11. Ce deuxième fusible thermique 11 permet de laisser le gaz inerte s’échapper lors d’un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1 pour empêcher sa propagation.
Il convient de noter que le premier dispositif d’échappement 8 et le deuxième dispositif d’échappement 11 sont formés par un fusible thermique. Dans un mode de réalisation différent, le premier dispositif d’échappement 8 et le deuxième dispositif d’échappement 11 sont formés par une soupape de surpression qui réagit en fonction d’une surpression pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.
Dans un mode de réalisation encore différent, le premier dispositif d’échappement 8 est formé par un fusible thermique et le deuxième dispositif d’échappement 11 est formé par une soupape de surpression ou inversement.
Claims (10)
- Plaque de refroidissement (5) de cellules électrochimiques (3) d’un dispositif de stockage électrique (1), ladite plaque de refroidissement (5) étant agencée pour être prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques (3) dudit dispositif de stockage électrique (1), ladite plaque de refroidissement (5) comportant un circuit de refroidissement (6) desdites deux cellules électrochimiques (3), ladite plaque de refroidissement (5) étant caractérisée en ce que ledit circuit de refroidissement (6) est un caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique et en ce que ladite plaque de refroidissement (5) comporte un premier dispositif d’échappement (8) construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie dudit fluide de refroidissement diphasique lorsque ledit fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée.
- Plaque de refroidissement (5) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte un premier port de remplissage (7) dudit circuit de refroidissement (6), ledit premier port de remplissage (7) étant muni du premier dispositif d’échappement (8).
- Plaque de refroidissement (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte une réserve d’un gaz inerte (9) et un deuxième dispositif d’échappement (11) construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie dudit gaz inerte lorsque ledit gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée.
- Plaque de refroidissement (5) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte un deuxième port de remplissage (10) de la réserve d’un gaz inerte (9), ledit deuxième port de remplissage (10) étant muni du deuxième dispositif d’échappement (11).
- Plaque de refroidissement (5) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le deuxième dispositif d’échappement (11) est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.
- Plaque de refroidissement (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier dispositif d’échappement (8) est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.
- Plaque de refroidissement (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm.
- Dispositif de stockage électrique (1) comportant deux cellules électrochimiques (3) adjacentes, ledit dispositif de stockage électrique (1) étant caractérisé en ce qu’il comporte une plaque de refroidissement (5) de cellules
électrochimiques (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ladite plaque de refroidissement (5) étant prise en sandwich entre lesdites deux cellules électrochimiques (3). - Dispositif de stockage électrique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier dispositif d’échappement (8) débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimique (3).
- Dispositif de stockage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la plaque de refroidissement (5) de cellules électrochimiques est posée sur un support de refroidissement (12) de ladite plaque de refroidissement (5).
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