Titre de l'invention : Pack de batterie avec circuit de refroidissement

[0001] La présente invention concerne un pack de batterie destiné à recevoir au moins un module de batterie comprenant une pluralité de cellules interconnectées et équipé d’un circuit de refroidissement permettant de faire circuler dans le pack un fluide de refroidissement.

[0002] Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, aux batteries Lithium- ion (Li-ion) destinées à alimenter la chaîne de traction des véhicules électriques ou hybrides.

[0003] De par leur tension élevée et leur forte densité d’énergie, les batteries Li-ion sont particulièrement adaptées pour alimenter la chaîne de traction d’un véhicule électrique ou hybride. Dans une telle batterie, une cellule Li-ion est un composant élémentaire, qui renferme une certaine quantité d’électrolyte, à travers lequel peuvent migrer des ions de lithium entre une cathode et une anode, afin de stocker ou de délivrer de l'énergie électrique. Dans une batterie Li-ion, une pluralité de cellules Li-ion sont d’abord assemblées et connectées en série et/ou en parallèle pour former un module, puis une pluralité de modules sont assemblés et connectés en série et/ou en parallèle pour former un « pack » selon la terminologie anglo-saxonne. Ainsi, un pack de batterie comporte en général plusieurs modules connectés entre eux, eux-mêmes constitués de plusieurs cellules connectées entre elles et une structure de support de ses différents éléments.

[0004] Dans le cas d’une défaillance d’une ou plusieurs cellules dans un pack de la batterie, un phénomène d’emballement thermique peut se déclencher à l’intérieur des cellules. En l’absence de dispositifs de sécurité comme ceux mis en oeuvre par la demanderesse, ce phénomène d’emballement thermique peut s’étendre à tout le pack et entraîner un incendie dès lors que les cellules franchissent un seuil de température. S’agissant d’un feu d’origine chimique, il est très difficile à éteindre, surtout si l’on considère qu’il est confiné dans l’enceinte quasiment close hermétiquement formé par le pack. [0005] Le document de brevet CN106110537 fait connaître un dispositif de protection contre les risques d’incendie en cas d’emballement thermique d’une batterie Li-ion. La batterie est équipée d’un capteur de température ainsi que d’un circuit d’alimentation en eau et d’un circuit d’alimentation en azote liquide, permettant de faire circuler dans le pack de batterie de l’eau, respectivement de l’azote liquide. Lorsque la température détectée dépasse un certain seuil, on active l’un ou l’autre des deux circuits d’alimentation en eau et en azote liquide de façon à effectuer un refroidissement de la batterie lors d’une phase initiale d’emballement thermique d’une cellule de la batterie et le cas échéant, l’extinction d’incendie lorsque la batterie est en feu. En particulier, lorsque la température est comprise entre un seuil bas et un seuil haut de température, le circuit d’alimentation en azote liquide est activé entraînant la pulvérisation d’azote liquide par le haut sur les éléments de la batterie et lorsque la température devient supérieure au seuil haut, la pulvérisation d’azote liquide est stoppée, tandis que le circuit d’alimentation en eau est activé entraînant la pulvérisation d’un brouillard d’eau par le haut sur les éléments de la batterie.

[0006] Ce dispositif est relativement complexe à mettre en oeuvre puisqu’il nécessite d’équiper la batterie avec deux circuits de refroidissement différents, respectivement le circuit d’alimentation en azote liquide et le circuit d’alimentation en eau, au détriment en outre de l’encombrement et du coût. De surcroit, la simple action de la pulvérisation par le haut d’azote liquide ou d’eau sur les cellules des modules de la batterie peut s’avérer insuffisante pour prévenir un incendie en cas d’élévation excessive de température, ou assurer son extinction complète.

[0007] Aussi, un but de l’invention est de proposer un pack de batterie exempt de l’une au moins des limitations précédemment évoquées.

[0008] A cet effet, l’invention a pour objet un pack de batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride constitué d’un carter supérieur et d’un carter inférieur délimitant une enceinte interne dans laquelle est logé au moins un module de batterie comprenant une pluralité de cellules électrochimiques interconnectées, le pack étant équipé d’un circuit de refroidissement permettant de faire circuler dans le pack un fluide de refroidissement destiné à être projeté sur ledit au moins un module par l’intermédiaire de buses de projection, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement est adapté pour assurer une circulation du fluide de refroidissement en circuit fermé à l’intérieur du pack, avec une pompe agencée dans l’enceinte interne apte à faire recirculer, à destination des buses de projection, le fluide de refroidissement projeté sur ledit au moins un module et collecté dans un double fond ménagé sous une paroi de fond du carter inférieur par l’intermédiaire d’orifices d’évacuation pratiqués dans la paroi de fond du carter inférieur.

[0009] Grâce à cet agencement avec d’une part, des orifices d’évacuation pratiqués dans la paroi de fond du carter inférieur, permettant de collecter dans un double fond du carter inférieur le fluide de refroidissement descendant le long des cellules dudit au moins un module et, d’autre part, la pompe permettant de mettre ce fluide collecté en recirculation vers les buses de projection, le fluide de refroidissement est en circulation en circuit fermé à l’intérieur du pack. Le pack est ainsi particulièrement compact et moins encombrant.

[0010] Avantageusement, un élément obturateur thermofusible est placé à l’intérieur de chaque orifice d’évacuation, apte à fondre de sorte à permettre d’obturer ledit au moins orifice d’évacuation lorsqu’un seuil de température déterminé est atteint, empêchant l’évacuation vers le double fond du carter inférieur du fluide de refroidissement projeté sur ledit au moins un module, de manière à permettre d’immerger les cellules dudit au moins un module.

[0011] Grâce à cet agencement, chaque orifice d’évacuation vers le double fond peut être obturé en cas d’élévation excessive de température. Le seuil de température est adapté pour entraîner la fusion des éléments obturateurs thermofusibles lors du déclenchement d’un phénomène d’emballement thermique à l’intérieur des cellules, celles-ci pouvant alors s’enflammer à l’intérieur du pack. Cela permet de faire monter le niveau de fluide de refroidissement qui continu d’être projeté sur les cellules dans ledit au moins un module, jusqu’à noyer les cellules. Cela permet de stopper efficacement la diffusion de l’incendie des cellules.

[0012] Avantageusement, les buses de projection sont agencées sur une paroi interne du carter supérieur, ledit carter supérieur comprenant une paroi externe écartée de ladite paroi interne de façon à former une cavité interne dans ledit carter supérieur, la pompe étant reliée aux buses de projection par l’intermédiaire d’un conduit débouchant dans ladite cavité interne pour y injecter ledit fluide de refroidissement..

[0013] Avantageusement, un trou de passage débouchant dans le double fond du carter inférieur est formé dans la paroi de fond du carter inférieur pour le passage du fluide de refroidissement, la pompe comportant un bec d’aspiration engagé à travers ledit trou de passage et plongeant dans le double fond.

[0014] Avantageusement, la pluralité de cellules est juxtaposée dans un volume de réception de chaque module avec au moins un espace intercalaire entre deux cellules élémentaires dudit au moins module, de manière à permettre le passage du fluide de refroidissement entre deux cellules dudit au moins un module.

[0015] Avantageusement, l’espace intercalaire est constitué d’une plaque intercalaire s’étendant entre deux cellules, dont les faces opposées sont rainurées pour créer des canaux de passage du fluide le long des cellules

[0016] L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant une chaîne de traction électrique, caractérisé en ce qu’il comprend un pack de batterie tel que décrit ci-dessus.

[0017] D'autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[0018] [Fig. 1] est une vue en coupe verticale d’un pack de batterie selon un exemple de réalisation conforme à l’invention ;

[0019] [Fig. 2] est une vue en perspective d’un module du pack de batterie illustré à la figurel ;

[0020] [Fig. 3] est une vue de détail en coupe en perspective en vue éclatée d’une partie inférieure du pack de batterie illustré à la figurel ;

[0021] [Fig. 4] est une vue de détail en coupe en perspective en vue non éclatée de la partie inférieure du pack de batterie illustré à la figurel ;

[0022] [Fig. 5] est une vue de détail en coupe en perspective de la partie inférieure du pack de batterie avec deux orifices d’évacuation ménagés au fond du carter inférieur, représentés respectivement en configuration bouchée et non bouchée. [0023] La figure 1 est une vue en coupe de côté d’un pack 1 de batterie de traction d’un véhicule automobile de type électrique ou hybride, équipé d’au moins une chaîne de traction électrique. Le pack 1 est essentiellement constitué par un carter inférieur 2, par exemple en aluminium, fermé par un carter supérieur 3, en aluminium également. Les carter inférieur 2 et supérieur 3 délimitent une enceinte interne dans laquelle est disposé au moins un et préférentiellement plusieurs modules 4 de cellules électrochimiques 5 interconnectées, de type Li-ion. Selon l’exemple, le pack 1 enferme deux modules 4 de dix cellules électrochimiques 5 interconnectées, préférentiellement de forme parallélépipédique. Pour chacun des modules 4, les cellules 5 sont maintenus parallèlement les unes aux autres et à distance respectivement des unes des autres par des plaques intercalaires 6, dont le rôle est de permettre le passage d’un fluide de refroidissement projeté par le haut des modules entre les cellules. La figure 2 montre une vue de détail en perspective d’un module 4, et à l’intérieur les plaques intercalaires 6, régulièrement espacées et parallèles entre elles, entre lesquelles vont venir s’insérer les cellules telles que représentés sur la figure 1. Le module 4 est constitué d’une enveloppe de section droite sensiblement carrée, avec une ouverture supérieure 41 , opposée à une ouverture inférieure 42. A l’intérieur de l’enveloppe 4, chacune des plaques intercalaires 6 s’étend sensiblement sur toute la hauteur de l’enveloppe 4 et présente deux surfaces opposées 61 , 62. Les deux surfaces opposées 61 , 62 des plaques 6 sont rainurées. Elles présentent ainsi des rainures 63 qui s’étendent qui s’étendent sur toute la hauteur des plaques 6 entre les ouvertures supérieure et inférieure de l’enveloppe du module 4.

[0024] En référence à nouveau à la figure 1 , le carter supérieur 3 présente une cavité interne 33 formé de deux parois opposées, respectivement une paroi externe 31 et une paroi interne 32, écartées l’une de l’autre, s’étendant à l’aplomb des deux modules 4 de cellules 5 logés dans le pack de batterie 1 . La paroi interne 32 est pourvue d’une pluralité de buses de projection 30 venant en regard de l’ouverture supérieure 41 des modules et des cellules qui y sont disposées. Les buses de projection 30 sont prévues pour permettre de projeter un fluide de refroidissement injecté dans la cavité interne 33 du carter supérieur 3, comme il sera décrit plus en détail par la suite, sur les modules 4 de batterie agencés dans l’enceinte interne du pack sous le carter supérieur 3 de celui-ci. Le fluide de refroidissement est un fluide diélectrique, autrement dit, il n’est pas porteur de charge, de manière à ne pas court-circuiter les cellules. Le fluide caloporteur est par exemple un polyéthylène glycol ou bien une huile minérale.

[0025] Le fluide de refroidissement ainsi projeté par les buses de projection 30 sur la partie supérieure des modules 4 de batterie s’écoule entre les cellules 5 et les plaques intercalaires 6 des modules de la batterie, le long des rainures, jusqu’au fond 20 du carter inférieur 2. Ce faisant, un échange thermique intervient entre les cellules et le fluide de refroidissement, de manière à pouvoir évacuer l’énergie thermique dégagée par les cellules.

[0026] Comme on le voit mieux sur les figures 3 et 4, illustrant une vue de détail en perspective de la partie inférieure du pack 1 , respectivement en vue éclatée et non éclatée, il est prévu que le fluide de refroidissement réchauffé s’écoule ensuite par gravité à travers d’orifices d’évacuation 21 ménagés dans une paroi de fond 20 du carter inférieur 2, comprenant préférentiellement au moins un orifice d’évacuation ménagé en regard de l’ouverture inférieure 42 de chacun des modules 4 disposés dans le pack. Le fluide de refroidissement réchauffé, collecté par les orifices d’évacuation 21 s’achemine par ces orifices 21 dans un double fond 23 du carter inférieur 2 formé d’une paroi inférieure 22 du carter inférieur 2 opposée à la paroi de fond 20 du carter inférieur 2, les deux parois inférieure 22 et de fond 20 du carter inférieure étant écartées l’une de l’autre. Le double fond 23 du carter inférieur s’étend ainsi sous la paroi de fond 20 du carter inférieur 2, en regard de l’ouverture inférieure des modules.

[0027] Le double fond 23 du carter inférieur 2 et la cavité interne 33 du carter supérieur 3 sont reliées entre elles par l’intermédiaire d’une pompe 7, située dans l’enceinte du pack de batterie 1 , à côté des modules 4. Pour ce faire, la paroi interne 32 du carter supérieur 3 présente, sensiblement au droit de la pompe 7, un orifice 34, débouchant dans la cavité interne 33 du carter supérieur 3. Cet orifice 34 est surmonté d’un embout emmanché dans un conduit d’amenée 8, s’étendant jusqu’à la pompe 7.

[0028] Par ailleurs, la paroi de fond 20 du carter inférieur 2 présente au niveau de la pompe 7, un trou de passage 26 débouchant dans le double fond 23 du carter inférieur 2. La pompe 7 présente un bec d’aspiration 71 engagé à travers le trou de passage 26 et plongeant dans le double fond 23 du carter inférieur 2.

[0029] la mise en route de la pompe 7 provoque donc la circulation du fluide de refroidissement en circuit fermé à l’intérieur du pack 1 comme suit. Le fluide de refroidissement est tout d’abord puisé à l’intérieur du double fond 23 du carter inférieur à travers le trou de passage 26. On considère alors le fluide de refroidissement comme étant froid au niveau trou de passage 26. Il est donc aspiré par le bec d’aspiration 71 de la pompe 7 pour être refoulé sous pression à travers le conduit d’amenée 8 selon la flèche F. Le fluide de refroidissement s’écoule alors sous pression dans la cavité interne 33 du carter supérieur 3. Ensuite, il est injecté sous pression à travers les buses de projection 30 de façon à former un brouillard de pulvérisation P au-dessus des modules 4. Le fluide de refroidissement s’écoule alors par gravité le long des cellules 5 dans les canaux de passage formés par les rainures 63 des plaques intercalaires 6, disposées entre les cellules 5, selon les flèches T. Au contact des cellules 5, le fluide de refroidissement emmagasine de l’énergie thermique produite par celles-ci, puis il s’achemine toujours par gravité sur la paroi de fond 20 du carter inférieur 2, pour s’écouler ensuite à travers les orifices d’évacuation 21 à l’intérieur du double fond 23 du carter inférieur 2. Le fluide de refroidissement ainsi réchauffé tend alors à perdre l’énergie thermique qu’il a accumulée au contact des cellules, à la paroi inférieure 22 laquelle est par exemple à l’air ambiant. L’écartement entre la paroi inférieure 22 et la paroi de fond 20 étant faible au regard de leur surface, le fluide de refroidissement est sous forme d’une couche mince à travers le double fond 23 du carter inférieur et partant, son refroidissement est rapide. Par conséquent, lorsque le fluide de refroidissement est à nouveau aspiré à travers le trou de passage 26, il est considéré comme étant froid pour entamer un autre cycle de refroidissement des cellules 5.

[0030] Cependant en cas d’emballement thermique d’une cellule dans un ou plusieurs modules de la batterie, les cellules de la batterie peuvent s’enflammer à l’intérieur du pack, dès lors qu’elles franchissent un seuil de température. Le cycle de refroidissement des cellules de la batterie qui vient d’être décrit peut s’avérer être insuffisant à prévenir ou à contenir la diffusion de cet incendie.

[0031 ] Aussi, les orifices d’évacuation 21 sont équipés chacun d’un élément obturateur thermofusible 24, incorporé à l’intérieur de l’orifice et destiné à permettre d’obturer lesdits orifices d’évacuation en cas d’élévation excessive de température et ainsi permettre de noyer les modules. Les éléments obturateur thermofusible 24 se présentent sous la forme d’une pastille en matériau thermofusible, placée à l’intérieur de chaque orifice d’évacuation 21 et comportant un alésage central 25 pour permettre le passage du fluide de refroidissement vers le double fond 23 du carter inférieur 2, chaque pastille présentant une aptitude à fondre pour boucher l’orifice d’évacuation 21 lorsqu’une température prédéterminée est atteinte.

[0032] A titre d’exemple et comme on le voit mieux sur la figure 5, chaque orifice d’évacuation 21 ménagé dans la paroi de fond 20 du carter inférieur 2 est délimité par une face périphérique intérieure 210 sensiblement tronconique, convergente de haut en bas, entre une ouverture supérieure 211 du côté de l’enceinte interne et une ouverture inférieure 212 du côté du double fond 23 du carter inférieur 2. Les pastilles thermofusibles 24 sont incorporées à l’intérieur des orifices d’évacuation 21 de telle sorte à venir épouser leur face périphérique intérieure 210, tandis que l’alésage central 25 des pastilles permet de ménager un passage pour le fluide de refroidissement entre les ouvertures supérieure 211 et inférieure 212 des orifices d’évacuation 21 . Ainsi, en fondant lorsqu’une température prédéterminée est atteinte, le matériau thermofusible de la pastille 24 coule dans le double fond 23 et vient s’agglomérer au contact de la paroi interne 22 au droit de l’ouverture inférieure 212 de l’orifice d’évacuation 21 , jusqu’à former un bouchon venant boucher ladite ouverture. L’orifice d’évacuation 21 située à gauche sur la figure 5 est illustré dans cette configuration bouchée. La pastille thermofusible 24 associée à chaque orifice d’évacuation 21 permet ainsi de venir obturer le passage de fluide ménagé sous un module vers le double fond 23 du carter inférieur 2, lorsqu’une température prédéterminée est atteinte, empêchant l’évacuation du fluide de refroidissement dans le double fond 23 du carter inférieur 2. [0033] La fusion d’une pastille thermofusible 24 associée à un orifice d’évacuation 21 disposé sous un module 4 de la batterie entraîne le remplissage du module par le fluide de refroidissement, celui-ci continuant d’asperger les cellules par le haut, ce qui permet de noyer, au moins partiellement, les cellules au sein du module. Cette disposition est particulièrement efficace pour stopper la diffusion d’un incendie en cas de déclenchement d’un phénomène d’emballement thermique à l’intérieur des cellules.