TITRE : Pack batterie comprenant des moyens d'évacuation de gaz

Domaine Technique de l'invention

L’invention concerne un dispositif de stockage d'énergie ou pack batterie comprenant des cellules électrochimiques et des moyens d'évacuation de gaz formés à la suite d'un dysfonctionnement d'au moins une cellule électrochimique. L’invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un tel dispositif de stockage d'énergie.

Etat de la technique antérieure

Les véhicules électriques et les véhicules hybrides comprennent un dispositif de stockage d'énergie comprenant des cellules électrochimiques pour fournir de l'énergie électrique à un moteur électrique. Plusieurs cellules électrochimiques sont généralement assemblées en série ou en parallèle dans un module électrochimique. Les modules électrochimiques sont supportés par une structure et reliés entre eux par des conducteurs électriques, couramment dénommés "busbar". En fonctionnement, des différences de potentiel électrique importantes peuvent se former entre les différents conducteurs électriques. Les conducteurs électriques sont donc suffisamment espacés pour éviter la formation d'un arc électrique.

Par ailleurs, les cellules électrochimiques sont susceptibles de subir une défaillance comme par exemple un emballement thermique. Des gaz chargés de particules métalliques peuvent alors être libérés hors du module comprenant la cellule électrochimique défectueuse. La présence de ces gaz entre deux conducteurs électriques présentant une importante différence de potentiel peut conduire à la formation d'un arc électrique. Un tel arc électrique peut ensuite former des trous dans la structure du dispositif de stockage d'énergie, par exemple dans un capot du dispositif de stockage d'énergie. Ces trous peuvent alors former un lieu privilégié d’apport d’oxygène en provenance de l'extérieur. Les fortes températures à l'intérieur du dispositif de stockage d'énergie combinées à ces arcs électriques et un apport en oxygène peuvent ensuite conduire à l'apparition d'un feu.

On connaît grâce au document EP2654100 un dispositif de stockage d'énergie comprenant une conduite interne spécifique configurée pour guider des gaz vers l'extérieur. Un tel dispositif de stockage comprend de nombreux éléments assemblés ensemble. Il est complexe à fabriquer, lourd et volumineux.

Présentation de l'invention

Le but de l’invention est de fournir un dispositif de stockage d'énergie remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs de stockage d'énergie connus de l’art antérieur.

Plus précisément, un objet de l’invention est un dispositif de stockage d'énergie à la fois simple à fabriquer et permettant de réduire tout risque de formation d'arc électrique suite à la défaillance d'une cellule électrochimique.

Résumé de l'invention

L'invention se rapporte à un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble de modules électrochimiques et un carter enveloppant lesdits modules, le carter comprenant une structure à double paroi, chaque module comprenant des cellules électrochimiques et une enveloppe enveloppant lesdites cellules électrochimiques, l'enveloppe étant pourvue d'au moins une zone faible apte à laisser sortir des gaz contenus à l'intérieur du module, ladite structure comprenant une paroi interne, une paroi externe et au moins une chambre définie entre la paroi interne et la paroi externe, la paroi interne étant pourvue d'un ensemble d'ouvertures positionnées en vis-à-vis de l'au moins une zone faible de chaque module, la paroi externe étant pourvue d'au moins une ouverture d'évacuation.

Ladite structure peut être une structure extrudée de matière, notamment extrudée d'aluminium.

L'au moins une zone faible formée dans l'enveloppe de chaque module peut être une ouverture, notamment une ouverture circulaire.

Chaque ouverture des parois internes de ladite structure peut avoir une surface strictement supérieure à la surface de l'ouverture de l'enveloppe positionnée en vis-à-vis d'elle.

L'au moins une zone faible peut être agencée le long d'un premier côté de chaque module, et le dispositif de stockage d'énergie peut comprendre des conducteurs électriques reliant les modules entre eux, les conducteurs électriques étant agencés le long d'un deuxième côté de chaque module, sensiblement opposé au premier côté, notamment les conducteurs électriques étant agencés sensiblement vers le centre du dispositif de stockage d'énergie.

L'ensemble de modules électrochimiques peut comprendre deux rangées parallèles de modules électrochimiques, le dispositif de stockage d'énergie comprenant des conducteurs électriques agencés sensiblement au niveau d'une zone d'interface entre les deux rangées parallèles.

La distance définie entre chaque zone faible et l'ouverture de la paroi interne en vis-à-vis de celle-ci peut être inférieure ou égale à 50mm. Ladite au moins une chambre peut former au moins localement une chambre d'évacuation des gaz vers l'au moins une ouverture d'évacuation.

Le dispositif de stockage d'énergie peut comprendre au moins deux chambres distinctes et définies entre la paroi interne et la paroi externe de la structure, les au moins deux chambres formant au moins localement deux chambres d'évacuation des gaz distinctes vers au moins deux ouvertures d'évacuation distinctes.

Le dispositif de stockage d'énergie peut comprendre au moins une valve configurée pour s'ouvrir progressivement en cas de surpression dans ladite au moins une chambre, l'au moins une valve étant agencée au niveau de l'au moins une ouverture d'évacuation.

Le dispositif de stockage d'énergie peut comprendre des traverses séparant des modules électrochimiques adjacents, les traverses étant fixées à ladite structure.

L'invention se rapporte également à un véhicule automobile comprenant un dispositif de stockage d'énergie tel que défini précédemment.

Présentation des figures

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

[Fig. 1 ] La figure 1 est une vue schématique d'un véhicule automobile équipé d'un dispositif de stockage d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention. [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective isométrique d'une structure à double paroi du dispositif de stockage d'énergie.

[Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective d'un module électrochimique du dispositif de stockage d'énergie.

[Fig. 4] La figure 4 est une vue en coupe de la structure de la figure 2.

[Fig. 5] La figure 5 est une vue en coupe d'une valve du dispositif de stockage d'énergie.

Description détaillée

La figure 1 illustre schématiquement un véhicule 1 automobile selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être par exemple un véhicule électrique ou un véhicule hybride. Le véhicule 1 comprend un dispositif de stockage d'énergie 2 apte à stocker de l'énergie sous forme électrochimique pour alimenter en électricité un moteur électrique du véhicule.

Le dispositif de stockage d'énergie 2, que l'on pourrait également dénommer "pack batterie" ou par commodité "dispositif 2", comprend un ensemble de modules 3 électrochimiques et un carter enveloppant les modules 3. Le carter forme une enveloppe close entourant l'ensemble des modules 3. Chaque module 3 comprend des cellules électrochimiques, ou accumulateurs, et une enveloppe entourant ces cellules. Les cellules électrochimiques peuvent, par exemple, être du type lithium-ion ou de tout autre type de cellule capable de stocker de l'énergie sous forme électrochimique.

Selon le mode de réalisation présenté sur la figure 1 , le dispositif 2 comprend douze modules 3. En variante ce nombre pourrait être quelconque. Les modules 3 peuvent être agencés selon deux rangées comprenant un nombre égal de modules, soit deux rangées de six modules selon le mode de réalisation représenté. Les modules peuvent être positionnés les uns à côté des autres suivant un plan horizontal lorsque le véhicule 1 repose sur un sol horizontal.

Le carter, dans lequel sont contenus les modules 3, comprend une structure 4 à double parois. La structure 4 s'étend latéralement autour de l'ensemble des modules 3. Elle peut comprendre une forme polygonale, s'apparentant globalement à la forme d'un rectangle ou d'un trapèze. La structure 4 peut avoir principalement pour fonction de supporter l'ensemble des modules. Elle comprend donc une robustesse et une rigidité adaptée à supporter le poids des modules. En outre, la structure 4 constitue une protection latérale des différents modules.

En référence à la figure 2, le carter comprend également un capot inférieur

5 fixé à la structure 4 et un capot supérieur (non représenté). Le capot inférieur 5 peut s'étendre sensiblement horizontalement sous le véhicule et permet de protéger les modules 3 des agressions extérieures. Le dispositif 2 peut être fixé, via le carter, à une partie inférieure d'une caisse du véhicule, notamment par l'intermédiaire de sa structure 4.

Le dispositif 2 comprend également des traverses 6 séparant des modules électrochimiques adjacents. Les traverses 6 sont fixées à la structure 4 et participent au maintien des différents modules. Autrement dit, les traverses

6 forment des compartiments à l'intérieur desquels sont agencés les modules 3. Les traverses 6 peuvent s'étendre parallèlement les unes aux autres entre deux côtés opposés de la structure 4. Elles peuvent s'étendre parallèlement à un axe transversal du véhicule.

Les modules 3 sont reliés électriquement entre eux, par des conducteurs électriques 7, notamment des busbars. Les conducteurs électriques 7 peuvent par exemple se présenter sous la forme de plaques ou de barres métalliques et sont aptes à véhiculer des courants électriques de forte intensité. Les conducteurs métalliques relient électriquement deux modules adjacents. Ils sont agencés sensiblement vers le centre du dispositif de stockage c’est-à-dire sensiblement le long d'une ligne médiane X séparant le dispositif 2 en deux moitiés égales. Autrement dit, les conducteurs métalliques sont agencés sensiblement au niveau d'une zone d'interface Zx définie entre les deux rangées parallèles de modules. La ligne médiane X peut être sensiblement parallèle à un axe longitudinal du véhicule.

La figure 3 illustre un module 3 électrochimique selon un mode de réalisation de l'invention. Il comprend une enveloppe 31 de forme globalement parallélépipédique qui recouvre les cellules électrochimiques. Le module 3 peut par exemple avoir des dimensions de l'ordre de 200mm par 200mm par 400mm. L'enveloppe 31 peut former une protection étanche des cellules électrochimique du module 3. L'enveloppe 31 peut être par exemple un boîtier. Elle comprend un premier côté 32 faisant face à la structure 4. Le module 3 peut comprendre des moyens de fixation 33 sous forme d'ouvertures verticales destinées à coopérer avec des vis. Ainsi, le module 3 peut être fixé solidairement au capot inférieur 5, lui- même supporté par la structure 4 ou à tout autre élément structurel fixé à la structure 4.

L'enveloppe 31 comprend en outre deux zones faibles 34 agencées sur la première face 32. En variante le module pourrait avoir un nombre différent de zones faibles : par exemple une, trois, quatre ou cinq zones faibles, voire même encore davantage. Ces zones faibles pourraient éventuellement être positionnées sur différentes faces du module 3. Les zones faibles 34 sont aptes à laisser sortir des gaz contenus à l'intérieur du module électrochimique. Autrement dit, lorsqu'une ou plusieurs cellules électrochimiques contenue dans le module 3 produit un dégagement gazeux suite à un dysfonctionnement, du gaz peut ressortir de l'enveloppe 31 via ses zones faibles 34.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ces zones faibles 34 peuvent être de simples ouvertures pratiquées dans l'enveloppe, par exemple des ouvertures circulaires. Dans ce cas, l'enveloppe 31 n'est pas étanche et les ouvertures constituent les uniques ouvertures de l'enveloppe. Selon une autre variante de réalisation, les zones faibles pourraient être des zones de l'enveloppe plus fragiles et prêtes à rompre consécutivement à une élévation de pression à l'intérieur de l'enveloppe. Par exemple, les zones faibles pourraient être réalisées en amincissant localement l'enveloppe 31 ou en prédécoupant une ouverture sur une partie seulement de l'épaisseur de l'enveloppe. Dans ce cas, les enveloppes pourraient être étanches jusqu'à rupture des zones faibles 34.

Par ailleurs, le conducteur électrique 7 associé au module 3 peut être préférentiellement agencé le long d'un deuxième côté 35 de l'enveloppe 31 , opposé au premier côté 32. Ainsi le conducteur électrique 7 peut être éloigné des zones faibles suivant la plus grande des longueurs du module 3.

Un exemple de réalisation de la structure 4 est bien visible sur la figure 4. La structure 4 est une structure à double paroi. Elle comprend une paroi interne 41 , faisant face aux différents modules 3, une paroi externe 42 tournée vers l'extérieur du dispositif 2 et au moins une chambre définie entre la paroi interne 41 et la paroi externe 42. Plus particulièrement, selon le mode de réalisation illustré, la structure 4 comprend trois chambres 43A, 43B et 43C positionnées les unes au-dessus des autres. La paroi interne 41 est reliée à la paroi externe par quatre parois de raccordement 44. En variante le nombre de chambres pourrait être quelconque, par exemple une seule chambre ou deux chambres. Les différentes chambres peuvent être des volumes fermés et distincts les uns des autres.

La structure 4 peut être formée par un assemblage de différents segments profilés. Ces segments peuvent être avantageusement obtenus par un procédé d'extrusion de matière, notamment d'aluminium. La paroi interne 41 et la paroi externe 42 peuvent s'étendre verticalement sensiblement parallèlement l'une à l'autre. Les parois de raccordement 44 peuvent s'étendre sensiblement horizontalement. Ainsi, une section de la structure 4 telle que visible sur la figure 4 peut avoir une forme globalement rectangulaire. En variante la forme de cette section pourrait être différente: par exemple carrée, triangulaire ou trapézoïdale. Des équerres 8 peuvent être adossées à la paroi externe 42 pour la fixation du capot inférieur 5.

La paroi interne 41 de la structure 4 comprend un ensemble d'ouvertures 45 (représentées schématiquement sur les figures 1 et 2) positionnées en vis-à-vis des zones faibles 34 de chaque module. Par "en vis-à-vis", on comprend que les ouvertures sont positionnées en face des zones faibles 34 de chaque module, à faible distance et sans élément interposé. Avantageusement, les zones faibles 34 sont distantes de moins de 50mm des ouvertures 45, notamment moins de 40mm, de préférence moins de 30mm, voire même environ 20mm. Un espace entre les ouvertures 45 et les zones faibles 34 correspondantes peut néanmoins s'avérer nécessaire par exemple pour permettre un montage aisé des modules au sein de la structure, pour anticiper des variations dimensionnelles liées au tolérances de fabrication et/ou aux dilatations thermiques.

Les ouvertures 45 permettent donc de faire communiquer le volume dans lequel sont logés les modules 3 avec au moins une des chambre 43A, 43B, 43C. La paroi externe 42 est équipée d'au moins une ouverture d'évacuation 46. En l'espèce, deux ouvertures d'évacuation 46 sont agencées de part et d'autre de la ligne médiane X. Les ouvertures d'évacuation 46 ne sont pas positionnées en vis-à-vis des ouvertures 45 formées dans la paroi interne. Avantageusement, au moins l'une des chambres 43A, 43B, 43C forme au moins localement une chambre d'évacuation des gaz 47 depuis les ouvertures 45 vers les ouvertures d'évacuation 46. Cette chambre d’évacuation n'est pas un élément rapporté au dispositif 2 mais, au contraire, est intégré directement dans la structure 4 supportant les modules 3.

Selon une première variante de réalisation, l'ensemble des ouvertures 45 peuvent communiquer avec une même chambre 43A, 43B ou 43C. Selon une autre variante de réalisation, les différentes ouvertures 45 peuvent communiquer avec des chambres distinctes de la structure. Dans tous les cas, des ouvertures d'évacuation 46 sont bien sûr prévues pour chaque chambre susceptible de recevoir des gaz. On peut ainsi obtenir une gestion différenciée de différents flux de gaz et notamment limiter le risque qu'un gaz pénétrant à l'intérieur d'une chambre par une première ouverture 45 ressorte dans le volume contenant les modules par une deuxième ouverture 45.

Avantageusement, les ouvertures d'évacuation 46 peuvent être distantes des ouvertures 45 formées dans la paroi interne d'une distance strictement supérieure à la distance séparant les zones faibles 34 des ouvertures 45. Par exemple cette distance peut être d'au moins 60mm, de préférence au moins 70mm, voire au moins 80mm.

Le dispositif 2 comprend également des valves 9, agencées au niveau de chacune des ouvertures d'évacuation 46, et configurées pour s'ouvrir progressivement en cas de surpression dans la chambre avec laquelle elle communique. Ces valves, dont un exemple de réalisation est illustré à la figure 5, peuvent comprendre un élément élastique tel qu'un ressort. Elles peuvent être tarées de sorte à s'ouvrir progressivement lorsque la pression des gaz dans la chambre correspondante devient supérieure ou égale à un seuil donné. Lorsque ces valves sont fermées, le carter peut être hermétiquement clos, c’est-à-dire que des gaz ne peuvent pas s'échapper hors du carter tant que leur pression n'a pas atteint la pression d'ouverture des valves.

Avantageusement, les ouvertures constituant les zones faibles 34 présentent une surface strictement inférieure à la surface des ouvertures 45 et strictement inférieure à une surface de passage des valves 9. La surface de passage des valves 9 peut être comprise entre la surface des zones faibles 34 et la surface des ouvertures 45. Par exemple, une ouverture constituant une zone faibles 34 peut comprendre une surface comprise entre 300mm2 et 400mm2 inclus. Une ouverture 45 peut comprendre une surface comprise entre 500mm2 et 700mm2 inclus. L'ouverture de passage des valves 9 peut être comprise entre 400 et 500mm2 inclus.

Pour fabriquer le dispositif 2 tel que présenté précédemment, on peut fabriquer la structure 4 par assemblage de segments extrudés d'aluminium dans lesquels on prévoit les ouvertures 45 et 46. Ces ouvertures peuvent être réalisées par de simples perçages. Avantageusement, les dimensions proposées pour les ouvertures 45, 46 sont à la fois suffisamment petites pour peu affecter la rigidité de la structure 4 et suffisamment grandes pour évacuer efficacement des gaz. Les valves 9 peuvent être simplement emmanchées dans les ouvertures 46 correspondantes. Les modules 3 peuvent être positionnés à l'intérieur de la structure 4 entre les traverses 6. Les modules 3 sont ensuite fixés directement ou indirectement à la structure 4 de sorte que les zones faibles 34 prennent position en face des ouvertures 45. Lorsque le véhicule fonctionne, des courants électriques peuvent parcourir les conducteurs électriques 7. Des différences de potentiel importantes peuvent s'établir entre des conducteurs électriques voisins. Par exemple, cette différence de potentiel (illustrée par une flèche F1 sur la figure 1 ) peut attendre 400V. Les conducteurs électriques 7 sont néanmoins suffisamment espacés pour prévenir la formation d'un arc électrique en conditions normales de fonctionnement.

Si un module 3 électrochimique ou une cellule électrochimique contenue à l'intérieur d'un module devient défaillant, un gaz (illustré par la référence 10 sur la figure 1 ) peut se former dans le module. Le gaz fait augmenter la pression à l'intérieur de l'enveloppe 31 du module et finit par s'échapper hors du module 3 en passant par l'une des zones faibles 34. Comme cette zone faible est positionnée à faible distance d'une ouverture 35, le gaz se dirige naturellement à l'intérieur de l'une des chambres 43A, 43B, 43C. Avantageusement, la surface de l'ouverture 45 est strictement supérieure à la surface de la zone faible si bien que la totalité ou la quasi-totalité du flux de gaz peut passer de la cellule 3 à la chambre formée dans la structure 4. La pression de gaz augmente à l'intérieur de la chambre jusqu'à atteindre une valeur suffisante permettant l'ouverture de la valve 9. Le gaz s'échappe alors hors de la structure 4 en passant par la valve 9. Il s'établit alors un flux de gaz (schématisé par une flèche F2 sur la figure 1 ) depuis l'intérieur du dispositif vers l'extérieur. Ce flux de gaz crée un effet d'aspiration favorisant l'introduction du gaz dans l'ouverture 45. Le gaz ne se répartit donc pas autour des modules à l'intérieur du carter, et en particulier il ne parvient pas à proximité des conducteurs électriques 7. On réduit donc le risque de formation d'un arc électrique en cas de dégazage d'un des modules. Le positionnement des conducteurs électriques 7 du côté opposé des modules par rapport aux zones faibles 34 réduit encore ce risque. Par ailleurs, on évite également que des gaz chauds s'échappant d'un module échauffent des modules électrochimiques adjacents et ainsi conduisent à un emballement thermique en chaîne.

Avantageusement la présence d'une valve empêche l'air frais de rentrer à l'intérieur du dispositif 2 en suivant le parcours inverse des gaz. On évite ainsi d'apporter de l'oxygène à l'intérieur du dispositif, ce qui pourrait conduire à un feu.

Avantageusement les parois de la structure 4 possèdent une inertie thermique importante et permettent de refroidir les gaz en même temps qu'elles les évacuent. Ceci réduit le risque d’une auto-inflammation des gaz à la sortie de la valve.