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Title:
METHOD FOR AVOIDING THE SPREAD OF A THERMAL EVENT IN AN ENCLOSURE CONTAINING SEVERAL MODULES OF ELECTROCHEMICAL ELEMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/064298
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for avoiding the spread of a thermal event in an enclosure containing several modules (1, 2, 3, 4) of electrochemical elements, said method comprising the following steps: - detecting one or more critical modules (1, 2, 3) situated in the enclosure, and affected by a thermal event (13), a module being critical when one or more parameters associated with the status of the module have reached or crossed a predetermined threshold, - spraying a coolant (12) onto, or into, the critical module or modules (1, 2, 3) for a determined duration and/or at a determined flow rate, one or more modules (4) not detected as being critical modules not receiving any coolant (12).

Inventors:
HELSCHGER, Gilles (BORDEAUX, BORDEAUX, FR)
LE GUERN, Christophe (BORDEAUX, BORDEAUX, FR)
LISKA, Jean-Louis (SAINT MEDARD EN JALLES, SAINT MEDARD EN JALLES, FR)
MORIN, Christophe (SAINT AUBIN DE MEDOC, SAINT AUBIN DE MEDOC, FR)
Application Number:
FR2019/052345
Publication Date:
April 08, 2021
Filing Date:
October 03, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SAFT (LEVALLOIS-PERRET, FR)
International Classes:
H01M10/42; H01M10/48; H01M10/613; H01M10/63; H01M10/6569; A62C3/00
Attorney, Agent or Firm:
HIRSCH & ASSOCIES (GROUPEMENT 161) (Paris, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé pour éviter la propagation d’un évènement thermique dans une enceinte comprenant plusieurs modules (1 , 2, 3, 4) d’éléments électrochimiques, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- détection d’un ou plusieurs modules critiques (1, 2, 3) disposés dans l’enceinte, affectés par un événement thermique (13), un module étant critique lorsqu’un ou plusieurs paramètres liés à l’état du module ont atteint ou dépassent un seuil prédéterminé,

- diffusion d’un agent de refroidissement (12) sur, ou dans, le ou les modules critiques (1, 2, 3), pendant une durée et/ou à un débit déterminés, un ou des modules (4) qui ne sont pas détectés comme des modules critiques ne recevant pas d’agent de refroidissement (12).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ou lesdits paramètres comprennent la température à l’intérieur du ou des modules, un ou plusieurs modules étant considérés critiques lorsque la température du ou des modules excède une valeur seuil prédéterminée Ts.

3. Procédé selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit ou lesdits paramètres comprennent la présence de fumée et/ou de gaz à l’intérieur du ou des modules, un ou plusieurs modules étant considérés critiques lorsque la concentration de fumée et/ou de gaz excède une valeur prédéterminée.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, en cas d’événement thermique initié par un ou des modules de l’enceinte, la durée et/ou le débit sont déterminés pour que la température du ou des modules critiques (2, 3) soit maintenue en dessous d’une température seuil Tmax, à l’exception du ou des modules (1) initiateur(s) de l’évènement thermique.

5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la durée déterminée est supérieure ou égale à 1 heure, de préférence supérieure ou égale à 2 heures et, de préférence, inférieure ou égale à 12 heures. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’agent de refroidissement (12) est un composé dont l’effet de refroidissement est principalement obtenu par la transition d’une phase liquide à une phase gazeuse, notamment un brouillard d’eau ou du dioxyde de carbone ou de l’azote.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque module (1, 2, 3, 4) comporte une enveloppe présentant une surface externe et la diffusion de l’agent de refroidissement (12) est effectuée sur ladite surface externe.

8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque module (1, 2, 3, 4) comporte une enveloppe délimitant un volume intérieur dans lequel sont logés des éléments électrochimiques, et la diffusion de l’agent de refroidissement (11) est effectuée par injection dans ledit volume intérieur.

9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’agent de refroidissement est stocké sous forme liquide dans un réservoir (6).

10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la détection d’un ou plusieurs modules critiques (1, 2, 3) est réalisée au moyen d’un ou plusieurs détecteurs (5) disposés dans, sur ou à proximité de chaque module (1, 2, 3, 4) de l’enceinte, le ou les détecteurs (5) étant un détecteur de seuil de température et/ou un capteur de température et/ou un détecteur de fumée ou de gaz.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que lorsque le détecteur (5) détecte un ou plusieurs modules critiques (1, 2, 3), la diffusion de l’agent de refroidissement (12) sur, ou dans, le ou les modules critiques (1, 2, 3) est déclenchée de manière immédiate ou retardée.

12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que lorsque le détecteur (5) détecte un ou plusieurs modules critiques (1, 2, 3), il envoie un signal à un dispositif central (10) qui commande la diffusion de l’agent de refroidissement (12) sur, ou dans, le ou les modules critiques (1, 2, 3).

13. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, ladite installation comprenant plusieurs modules (1, 2, 3, 4) d’éléments électrochimiques, chaque module (1, 2, 3, 4) étant équipé de moyens de détection (5) aptes à détecter si le module est un module critique affecté par un événement thermique (1), un module étant critique lorsqu’un ou plusieurs paramètres liés à l’état du module ont atteint ou dépassent un seuil prédéterminé, l’installation comprenant des moyens de diffusion (6 à 9), pendant une durée et/ou à un débit déterminés, d’un agent de refroidissement (12) sur, ou dans, le ou les modules critiques (1, 2, 3) détectés par les moyens de détection (5), un ou des modules (4) qui ne sont pas détectés comme critiques par les moyens de détection ne recevant pas d’agent de refroidissement (12).

14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de contrôle du débit de diffusion, l’agent de refroidissement (12) étant un brouillard d’eau, et les moyens de contrôle du débit de diffusion étant configurés pour que le débit déterminé par module critique soit compris entre 0,1 et 2 kg/h par kWh d’énergie électrique stockée dans le module critique.

15. Installation selon l’une quelconque des revendications 13 à 14, caractérisée en ce que les moyens de diffusion (6 à 9) comprennent un réservoir (6), un réseau (7, 8) de distribution, et une pluralité de dispositifs de diffusion (9) disposées sur, dans, ou à proximité respectivement de chaque module (1, 2, 3) de l’enceinte, l’agent de refroidissement (12) étant stocké dans le réservoir (6), le réservoir (6) étant connecté aux dispositifs de diffusion (9) par l’intermédiaire du réseau (7, 8) de distribution.

16. Installation selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce que les moyens de diffusion (6 à 9) comprennent un dispositif central (10) de commande de la diffusion de l’agent de refroidissement (12), configuré pour recevoir un signal (15), émis par les moyens de détection (5), et pour déclencher la diffusion de l’agent de refroidissement (12) sur, dans ou à proximité des modules critiques (2, 3) à réception d’un signal de détection d’un événement thermique (13).

Description:
Procédé pour éviter la propagation d’un événement thermique dans une enceinte comprenant plusieurs modules d’éléments électrochimiques

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne le domaine technique des procédés permettant d’éviter la propagation d’un événement thermique dans une enceinte comprenant plusieurs modules d’éléments électrochimiques.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un module batterie, encore désigné dans ce qui suit par le terme « module », est connu de l’état de la technique. Il comprend généralement plusieurs éléments électrochimiques, encore désignés dans ce qui suit par le terme « éléments », connectés électriquement entre eux, en série ou en parallèle, au moyen de barrettes métalliques. Ces barrettes métalliques présentent une section suffisante pour permettre la circulation de courants d’intensité élevée entre les éléments du module. Le module comprend également généralement un circuit électronique de contrôle et de gestion des éléments, destiné à mesurer leur état de charge et/ou leur état de santé, notamment au moyen de mesures de tension ou de courant prises individuellement élément par élément ou prises sur un groupe d’éléments. Le module peut aussi comprendre un dispositif de régulation de sa température.

Plusieurs modules batterie peuvent être connectés ensemble en série et/ou en parallèle et installés dans une baie, encore appelée « rack ». Les dimensions de la baie sont généralement normalisées. Une baie peut par exemple présenter une largeur normalisée à 48,26 cm (baie de 19 pouces). Cette baie constitue une unité de stockage électrochimique, encore appelée « Electrochemical Storage System Unit (ESSU) ». Plusieurs baies peuvent être connectées en parallèle afin d’augmenter la quantité d’énergie électrique. L’ensemble des baies peut être stocké dans une pièce d’un bâtiment ou dans un conteneur de transport. Le conteneur de transport peut être déplacé et installé à proximité de sources d’énergies renouvelables, telles que des cellules photovoltaïques ou des éoliennes. Il stocke l’électricité générée par ces sources d’énergie et la restitue sous la forme d’une alimentation en courant à des systèmes électriques ou électroniques. Le conteneur porte le nom de système de stockage électrochimique « Electrochemical Storage System ou Energy Storage System (ESS) ». Un élément d’un module d’une baie installée dans un système de stockage électrochimique peut connaître une anomalie de fonctionnement. Cette anomalie peut être causée par un court-circuit interne à l’élément, ou par une perturbation extérieure (choc, élévation de la température) ou encore par une défaillance du circuit électronique de contrôle et de gestion de l’élément. Cette anomalie peut provoquer son échauffement. Cet échauffement peut entraîner à son tour une augmentation du courant de charge qui favorise encore une augmentation de la température de l’élément. Si l’élément en anomalie de fonctionnement n’est pas suffisamment refroidi, il se retrouve en situation d’emballement thermique, c’est-à-dire que l’augmentation de température est entretenue par l’élément lui-même. L’augmentation incontrôlée de la température d’un élément entraîne la génération de gaz et leur expansion à l’intérieur du conteneur de l’élément. Cette expansion entraîne une augmentation de la pression interne dans l’élément, qui va provoquer l’ouverture d’un système de sécurité d’évacuation des gaz. En cas de libération de gaz chauds, dont la température peut atteindre 650°C, ces gaz viennent au contact des autres éléments logés dans le module. Il existe alors un risque que le phénomène d’emballement thermique se propage à l’ensemble des éléments du module, puis à l’ensemble des modules d’une baie, et enfin à l’ensemble des baies du système de stockage électrochimique. Si aucun moyen n’existe pour empêcher la propagation de l’emballement, le système de stockage électrochimique entier peut être détruit.

Un moyen de réduire le risque de propagation d’un emballement thermique d’un élément d’un module à un autre élément du module consiste à ménager un espace suffisant entre ces éléments ou à installer entre ces éléments un matériau jouant le rôle de barrière thermique. Cependant cette solution nécessite de prévoir un espace suffisant entre les éléments et conduit à la réalisation de modules volumineux. Elle pénalise donc la densité énergétique du module.

Un autre moyen consiste à utiliser un système d’extinction d’incendie (Fire Suppression System « FSS »). Un tel système projette un agent d’extinction du feu sur le ou les modules en situation d’emballement thermique. Il utilise généralement un agent de refroidissement qui est du dioxyde de carbone liquide ou de l’azote liquide.

Le document EP-A-1 168 479 décrit une batterie comprenant un coffre dans lequel sont logés huit éléments électrochimiques de type lithium-ion. Lorsqu’un élément s’échauffe et que sa température dépasse une valeur limite, un dispositif pyrotechnique se déclenche et commande l’ouverture d’un réservoir contenant un agent d’extinction. L’agent d’extinction est libéré dans le coffre dans le but de refroidir la batterie. Dans ce document, les éléments sont tous refroidis par l’agent d’extinction quel que soit leur éloignement de l’élément en situation d’emballement thermique.

Le document CN 106684499 décrit un procédé pour stopper un emballement thermique dans une batterie comprenant des éléments/modules lithium-ion. La batterie comprend un coffre dans lequel sont logés les éléments/modules. Un réservoir rempli d’un agent d’extinction du feu est disposé dans le coffre. Un tuyau est connecté à l’une de ses extrémités au réservoir. Le tuyau est muni d’une pluralité de buses régulièrement réparties sur la longueur du tuyau. Ces buses pulvérisent l’agent d’extinction au-dessus des éléments/modules.

Le procédé décrit dans ce document ne réalise pas un traitement différencié des modules selon qu’ils sont situés à proximité du module initiateur de l’emballement thermique ou qu’ils sont éloignés du module initiateur de l’emballement thermique. Un élément/module éloigné de l’élément/module initiateur de l’emballement thermique est aspergé d’agent d’extinction de la même manière que l’élément/module initiateur de l’emballement thermique. Par ailleurs, dans ce document l’élément/module en situation d’emballement thermique subit une aspersion d’agent d’extinction dans le but d’arrêter l’emballement thermique. Or, il s’avère que l’aspersion d’un agent d’extinction sur un élément/module de type lithium-ion déjà en situation d’emballement thermique est peu efficace, car une très grande quantité d’énergie est stockée dans un élément/module de type lithium-ion. La quantité d’énergie libérée sous forme de chaleur en cas d’ouverture du conteneur de l’élément/module est si considérable que le débit de l’agent d’extinction est généralement insuffisant pour neutraliser l’augmentation de température, cette énorme quantité d’énergie étant libérée brutalement sur un faible laps de temps. Si l’emballement thermique du module n’est pas maîtrisé, il se propage aux modules voisins et peut conduire à la destruction totale de la batterie.

De plus, les systèmes d’extinction de feu connus ne sont pas totalement efficaces car la propagation de l’emballement thermique n’est pas seulement due à la propagation des flammes d’un élément à un autre mais également due à la propagation de la chaleur par convection et par conduction d’un élément à un autre. La propagation de la chaleur par conduction s’explique par la présence des barrettes métalliques du circuit de puissance des éléments du module et aussi par la présence de circuits électroniques de gestion de l’état de charge et de l’état de santé des éléments du module. Ces composants métalliques favorisent la transmission de la chaleur d’un élément à un autre. De plus, les systèmes d’extinction d’incendie conventionnels sont généralement inefficaces en raison du fait qu’un emballement thermique survenant dans un module conduit à une surpression dans l’enveloppe du module, en raison de la libération des gaz. Cette surpression empêche l’agent d’extinction de pénétrer dans l’enveloppe du module et d’agir efficacement.

Il existe donc un besoin d’un procédé qui permette d’éviter, dans l’hypothèse de la survenue d’un emballement thermique ou de tout autre évènement générant une augmentation brusque de température dans un ou plusieurs modules d’une enceinte, que cet événement thermique ne se propage aux autres modules disposés dans cette enceinte.

Il existe également un besoin d’un procédé permettant d’éviter la propagation d’un événement thermique par conduction thermique entre les modules de l’enceinte.

Il existe également un besoin de limiter le risque de redémarrage d’un événement thermique pendant une durée longue, après avoir contenu/maitrisé un premier événement thermique.

RESUME DE L’INVENTION

Ainsi, l’invention a pour objet un nouveau procédé pour éviter la propagation d’un évènement thermique dans une enceinte comprenant plusieurs modules d’éléments électrochimiques, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : détection d’un ou plusieurs modules critiques disposés dans l’enceinte, affectés par un événement thermique, un module étant critique lorsqu’un ou plusieurs paramètres liés à l’état du module ont atteint ou dépassent un seuil prédéterminé, diffusion d’un agent de refroidissement sur, ou dans, le ou les modules critiques, pendant une durée et/ou à un débit déterminés, un ou des modules qui ne sont pas détectés comme des modules critiques ne recevant pas d’agent de refroidissement.

L’événement thermique peut avoir été initié par un ou des modules de l’enceinte ou peut avoir été initié dans un emplacement de l’enceinte non occupé par un ou des modules. L’événement thermique peut être un emballement thermique dans un ou plusieurs modules de l’enceinte, par exemple en raison de la survenue d’un court-circuit interne dans un élément d’un module. L’événement thermique peut aussi être le départ d’un feu dans l’enceinte, sans nécessairement que ce feu ait été causé par la survenue d’un emballement thermique d’un module. L’événement thermique peut aussi être une surchauffe d’un ou de plusieurs modules, laquelle surchauffe peut être causée par un dysfonctionnement du système de refroidissement des modules. La surchauffe peut aussi être causée par un dysfonctionnement du système de climatisation de l’enceinte ou par un dysfonctionnement du dispositif de charge des modules ayant entraîné une surcharge d’un ou des modules. Plus généralement, l’événement thermique peut être toute augmentation de température dans un emplacement de l’enceinte, qui a pour effet d’amener la température d’un ou de plusieurs modules au-delà de la valeur maximale de leur plage nominale de fonctionnement.

L’invention repose sur la découverte qu’il est possible d’empêcher la propagation d’un événement thermique en refroidissant le ou les modules susceptibles d’être affectés par un événement thermique survenu dans un ou plusieurs autres modules donnés de l’enceinte ou survenu dans un emplacement de l’enceinte non occupé par un ou des modules. En diffusant dans ou sur les modules susceptibles d’être affectés par l’événement thermique un agent de refroidissement, il est possible de maintenir la température de ces modules à une valeur inférieure à une valeur seuil au-delà de laquelle ils risqueraient à leur tour d’être sujet à un événement thermique. Ainsi, il est possible d’empêcher qu’un événement thermique qui s’est initialement produit dans un ou plusieurs modules donnés ou qui est survenu dans un emplacement de l’enceinte non occupé par un ou des modules, ne soit à l’origine du départ de nouveaux événements thermiques.

L’invention est basée sur la découverte qu’il est préférable de refroidir les modules voisins du ou des modules sujet(s) à événement thermique ou voisins de l’emplacement de l’enceinte dans lequel est survenu l’événement thermique, plutôt que de tenter d’éteindre l’incendie du module en situation d’événement thermique.

Le procédé selon l’invention résout le problème de la propagation de la chaleur par conduction thermique entre un ou plusieurs modules donnés.

Selon un mode de réalisation, ledit ou lesdits paramètres comprennent la température à l’intérieur du ou des modules, un ou plusieurs modules étant considérés critiques lorsque la température du ou des modules excède une valeur seuil prédéterminée Ts.

Selon un mode de réalisation, ledit ou lesdits paramètres comprennent la présence de fumée et/ou de gaz à l’intérieur du ou des modules, un ou plusieurs modules étant considérés critiques lorsque la concentration de fumée et/ou de gaz excède une valeur prédéterminée.

Selon un mode de réalisation, en cas d’événement thermique initié par un ou des modules de l’enceinte, la durée et/ou le débit sont déterminés pour que la température du ou des modules critiques soit maintenue en dessous d’une température seuil Tmax, à l’exception du ou des modules initiateur(s) de l’évènement thermique.

Selon un mode de réalisation, la durée déterminée est supérieure ou égale à 1 heure, de préférence supérieure ou égale à 2 heures et, de préférence, inférieure ou égale à 12 heures.

Selon un mode de réalisation, l’agent de refroidissement est un composé dont l’effet de refroidissement est principalement obtenu par la transition d’une phase liquide à une phase gazeuse, notamment un brouillard d’eau ou du dioxyde de carbone ou de l’azote.

Selon un mode de réalisation, chaque module comporte une enveloppe présentant une surface externe et la diffusion de l’agent de refroidissement est effectuée sur ladite surface externe.

Selon un mode de réalisation, chaque module comporte une enveloppe délimitant un volume intérieur dans lequel sont logés des éléments électrochimiques, et la diffusion de l’agent de refroidissement est effectuée par injection dans ledit volume intérieur.

Selon un mode de réalisation, l’agent de refroidissement est stocké sous forme liquide dans un réservoir.

Selon un mode de réalisation, la détection d’un ou plusieurs modules critiques est réalisée au moyen d’un ou plusieurs détecteurs disposés dans, sur ou à proximité de chaque module de l’enceinte, le ou les détecteurs étant un détecteur de seuil de température et/ou un capteur de température et/ou un détecteur de fumée ou de gaz.

Selon un mode de réalisation, lorsque le détecteur détecte un ou plusieurs modules critiques, la diffusion de l’agent de refroidissement sur, ou dans, le ou les modules critiques est déclenchée de manière immédiate ou retardée.

Selon un mode de réalisation, lorsque le détecteur détecte un ou plusieurs modules critiques, il envoie un signal à un dispositif central qui commande la diffusion de l’agent de refroidissement sur, ou dans, le ou les modules critiques.

L’invention a également pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-avant, ladite installation comprenant plusieurs modules d’éléments électrochimiques, chaque module étant équipé de moyens de détection aptes à détecter si le module est un module critique affecté par un événement thermique, un module étant critique lorsqu’un ou plusieurs paramètres liés à l’état du module ont atteint ou dépassent un seuil prédéterminé, l’installation comprenant des moyens de diffusion, pendant une durée et/ou à un débit déterminés, d’un agent de refroidissement sur, ou dans, le ou les modules critiques détectés par les moyens de détection, un ou des modules qui ne sont pas détectés comme critiques par les moyens de détection ne recevant pas d’agent de refroidissement.

Selon un mode de réalisation, l’installation comprend des moyens de contrôle du débit de diffusion, l’agent de refroidissement étant un brouillard d’eau, et les moyens de contrôle du débit de diffusion étant configurés pour que le débit déterminé par module critique soit compris entre 0,1 et 2 kg/h par kWh d’énergie électrique stockée dans le module critique.

Selon un mode de réalisation, les moyens de diffusion comprennent un réservoir, un réseau de distribution, et une pluralité de dispositifs de diffusion disposées sur, dans, ou à proximité respectivement de chaque module de l’enceinte, l’agent de refroidissement étant stocké dans le réservoir, le réservoir étant connecté aux dispositifs de diffusion par l’intermédiaire du réseau de distribution.

Selon un mode de réalisation, les moyens de diffusion comprennent un dispositif central de commande de la diffusion de l’agent de refroidissement, configuré pour recevoir un signal, émis par les moyens de détection, et pour déclencher la diffusion de l’agent de refroidissement sur, dans ou à proximité des modules critiques à réception d’un signal de détection d’un événement thermique.

FIGURES

La figure 1 est une représentation schématique de l’installation selon l’invention.

La figure 2 est une représentation schématique de la diffusion d’un agent de refroidissement (12) sur la surface externe d’un module critique (2).

La figure 3 est une représentation schématique de la diffusion d’un agent de refroidissement (12) dans un module critique et sur la surface externe du module critique (2)·

La figure 4 illustre schématiquement la structure de l’installation dans un exemple de fonctionnement actif du réseau de distribution.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION

Description du procédé :

Le procédé selon l’invention vise à éviter la propagation d’un évènement thermique dans une enceinte comprenant une pluralité de modules d’éléments électrochimiques. L’enceinte peut être une pièce d’un bâtiment ou un local dédié au stockage de baies de modules d’éléments électrochimiques. L’enceinte peut aussi être un conteneur de transport, un abri préfabriqué transportable en vue de l’utilisation des modules comme source d’alimentation de secours, par exemple pour des équipements électriques/électroniques dans le domaine des télécommunications. Le conteneur peut aussi être utilisé dans des systèmes de transport de personnes ou de marchandises, par voie ferroviaire par exemple. Le conteneur peut avoir des dimensions standardisées selon la norme ISO.

Il est procédé à la détection du ou des modules considérés comme critiques car recevant la chaleur, la fumée ou les gaz chauds émis depuis l’emplacement de l’événement thermique. Ces modules sont considérés comme critiques car susceptibles d’être affectés par l’événement thermique. Un module est considéré comme critique si un ou plusieurs paramètres lié(s) à son état atteignent ou dépassent un seuil prédéterminé. Le paramètre d’état peut être choisi parmi la température du module, la quantité de fumée ou la concentration de gaz présents autour du module.

La détection de l’état critique d’un module est effectuée à l’aide d’un ou de plusieurs moyens de détection choisis parmi des capteurs de température, des capteurs de fumée et des capteurs de gaz. Dans le cas de capteurs de température, un ou plusieurs capteurs de température peuvent être disposé(s) à la surface de chaque module ou dans chaque module. Un ou plusieurs capteurs de température peuvent de plus être disposé(s) à la surface des éléments du module afin de détecter encore plus précocement l’état critique du module. La valeur seuil de température T s au-delà de laquelle il est considéré qu’un module est dans un état critique est prédéterminée par un opérateur. Elle peut être fixée à 150 °C ou à 200 °C ou à 250 °C ou à 300 °C. Un ou plusieurs capteurs de température peuvent en outre être placés à différents endroits dans l’enceinte, de préférence le plus proche possible des modules.

La détection de l’état critique peut aussi être réalisée au moyen de capteurs de gaz ou de fumée. Un ou plusieurs capteurs sont placés de préférence à proximité des modules mais peuvent aussi être placés à divers endroits de l’enceinte, tel que le plafond. On peut par exemple choisir un capteur sensible à la présence de gaz issus de la combustion de constituants du module, par exemple de gaz issus de la combustion de l’électrolyte des éléments du module. La valeur seuil de concentration de gaz au-delà de laquelle on considère qu’un module est en situation d’évènement thermique peut être prédéterminée par un opérateur.

Les modules adjacents au(x) module(s) initiateur(s) de l’évènement thermique ou situés à proximité de l’emplacement de l’enceinte dans lequel l’évènement thermique s’est déclaré sont généralement considérés comme critiques. Dans une configuration dans laquelle les modules forment un empilement et sont installés dans une baie, plusieurs baies étant placées les unes à côté de l’autre, les modules critiques seront généralement :

- le ou les modules situés au-dessus du ou des module(s) initiateur(s) de l’événement thermique,

- le ou les modules situés au-dessous du ou des module(s) initiateur(s) de l’événement thermique,

- le ou les modules d’une baie qui se trouvent à la même hauteur que le ou les module(s) initiateur(s) de l’événement thermique, par exemple ceux qui sont situés sur une autre baie que celle dans laquelle se situe(nt) le ou les module(s) initiateur(s) de l’événement thermique,

- le ou les modules situés en diagonale par rapport au(x) module(s) initiateur(s) de l’événement thermique.

On diffuse un agent de refroidissement sur, ou dans, le ou les modules critiques, pendant une durée et/ou à un débit déterminé. La diffusion de l’agent de refroidissement peut s’effectuer par émission de gaz dirigée dans ou autour du ou des modules critiques. Elle peut aussi s’effectuer par aspersion d’un agent de refroidissement à l’état liquide. De préférence, l’effet de refroidissement est obtenu par passage d’un premier état physique de l’agent de refroidissement à un second état physique. Le flux de chaleur généré par l’événement thermique fait passer l’agent de refroidissement par exemple de l’état solide à l’état liquide ou de l’état liquide à l’état gazeux. On choisira donc de préférence un agent de refroidissement présentant une chaleur latente de changement d’état élevée. L’agent de refroidissement est de préférence choisi parmi l’eau, le dioxyde de carbone et de l’azote, ou tout autre agent de refroidissement connu par exemple NOVEC® ou stat-X® (https://statx.com/) .

Une des particularités du procédé selon l’invention est qu’il réalise une diffusion de l’agent de refroidissement avec un débit plus faible que dans les procédés conventionnels, sur une durée généralement plus longue. Ce mode de diffusion permet de créer une barrière froide autour ou dans les modules considérés comme critiques. Cette barrière froide empêche le flux de chaleur ou les fumées ou les gaz chauds générés par l’évènement thermique d’atteindre les modules critiques et de provoquer leur endommagement. La barrière froide permet de plus de refroidir les modules critiques et de maintenir leur température dans une plage dans laquelle ceux-ci ne peuvent pas à leur tour initier un événement thermique. La valeur maximale T max de cette plage de température est liée à la technologie des éléments constitutifs du module. Elle peut être fixée à 120°C ou à 100°C. Par exemple, l’agent de refroidissement peut être diffusé pendant une durée supérieure ou égale à 1 heure, de préférence supérieure ou égale à 2 heures. Il peut être diffusé pendant une durée inférieure ou égale à 12 heures ou inférieure ou égale à 5 heures. Selon un mode de réalisation, la température du ou des modules critiques est maintenue en dessous de la valeur maximale de leur plage nominale de fonctionnement fixée par le constructeur.

Le débit de l’agent de refroidissement et la durée de diffusion dépendent de la quantité de chaleur émise par les éléments électrochimiques du module initiateur de l’événement thermique ou émise par l’événement thermique survenu dans un emplacement de l’enceinte non occupé par un ou des modules et donc non initié par ce ou ces modules. Dans le cas d’un évènement thermique initié par un module, cette quantité de chaleur dépend de la technologie des éléments du module et de la taille du module. Typiquement, l’agent de refroidissement est un brouillard d’eau et le débit de diffusion par module critique est compris entre 0,1 et 2 kg/h par kWh d’énergie électrique stockée dans le module critique.

Il est à noter que dans le cas d’un événement thermique initié par un ou plusieurs modules, ces modules sont aussi considérés comme des modules critiques car la valeur de leur paramètre d’état est toujours supérieure au seuil prédéterminé Ts. Par conséquent, le ou les modules initiateurs de l’événement thermique peuvent aussi recevoir l’agent de refroidissement, bien que le débit ou la durée de diffusion de l’agent de refroidissement soient insuffisants pour mettre fin à l’événement thermique dont il(s) est (ou sont) à l’origine. Le procédé selon l’invention traite généralement de la même manière le ou les modules initiateurs de l’événement thermique et le ou les modules ayant atteint un état critique.

Dans un mode de réalisation préféré, le (ou les) modules initiateur(s) de l’emballement thermique ne reçoivent pas d’agent de refroidissement étant donné qu’il est souvent vain de tenter d’éteindre le feu d’un module en emballement thermique. Le procédé selon l’invention n’a donc pas pour objectif d’éteindre le feu dans le ou les modules initiateur(s) de l’événement thermique mais plutôt d’empêcher que les modules susceptibles d’être affectés par l’événement thermique ne subissent à leur tour l’événement thermique et ne le propagent.

Une autre particularité du procédé selon l’invention est qu’un ou plusieurs modules considérés comme non critiques, c’est-à-dire dont les paramètres liés à leur état sont inférieurs à un seuil prédéterminé, ne reçoivent pas d’agent de refroidissement. Le procédé selon l’invention effectue donc un traitement différencié des modules en fonction du risque qu’ils ont d’être affectés par l’évènement thermique. Généralement, ce risque diminue avec l’éloignement vis-à-vis soit du ou des modules initiateurs de l’évènement thermique, soit de l’emplacement de l’enceinte non occupé par des modules dans lequel l’événement thermique est survenu. Cette particularité a pour avantage de réduire la quantité d’agent de refroidissement utilisée par rapport aux quantités requises dans un procédé d’extinction conventionnel. Les procédés d’extinction conventionnels requièrent de disposer d’une grande quantité d’agent d’extinction, ce qui impose de recourir à des réservoirs de stockage de grande capacité, ce qui est coûteux.

Description de l’installation :

Il va maintenant être décrit l’installation spécialement conçue pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-avant. L’installation comprend plusieurs modules d’éléments électrochimiques (1, 2, 3, 4). Les modules sont disposés dans des bâtis modulaires, encore appelés baie ou « rack ». Généralement les modules sont empilés les uns sur les autres et fixés à des montants verticaux de la baie. Des connexions électriques connectent en série plusieurs modules d’une même baie afin d’augmenter la tension que peut délivrer une baie. Une baie constitue une unité de stockage électrochimique. Plusieurs baies sont disposées dans l’enceinte. Elles peuvent être connectées ensemble en parallèle afin d’augmenter la quantité d’électricité disponible. L’ensemble des baies de l’enceinte constitue un système de stockage électrochimique.

Chaque module est équipé d’un ou de plusieurs moyens de détection (5) d’un paramètre d’état. Le ou les moyens de détection peuvent être situés sur une surface externe d’une enveloppe du module ou dans le volume intérieur défini par l’enveloppe. Le moyen de détection peut être un capteur de température, un détecteur d’un composé chimique particulier, un détecteur de flamme ou de fumée ou tout autre type de détecteur adapté à la détection d’une anomalie dans le fonctionnement d’un module.

L’installation comprend des moyens de diffusion de l’agent de refroidissement. Ceux-ci incluent un réservoir (6) d’agent de refroidissement, un réseau de distribution de l’agent de refroidissement (7, 8) et des dispositifs de diffusion (9) de l’agent de refroidissement aux modules.

L’agent de refroidissement est stocké dans un réservoir (6). Il est acheminé aux modules grâce au réseau de distribution. Le réseau de distribution est constitué d’une canalisation (7) qui se subdivise en différentes branches (8). Une extrémité de la canalisation est reliée au réservoir d’agent de refroidissement. Chaque branche est munie à son extrémité d’un dispositif de diffusion (9) de l’agent de refroidissement. Le dispositif de diffusion peut être situé à proximité ou au contact d’un module. Il peut déboucher sur la surface extérieure du module ou déboucher à l’intérieur du volume défini par l’enveloppe du module.

Lorsque le ou les moyens de détection d’un module détectent le passage d’un module à un état critique, l’agent de refroidissement stocké dans le réservoir est libéré dans le réseau de distribution et acheminé sous pression vers le dispositif de diffusion associé au module critique.

Les branches de la canalisation peuvent fonctionner de manière active. Par exemple un ou des moyens de détection détectent le passage d’un module à l’état critique. Ils envoient un signal à un dispositif central de commande de la diffusion de l’agent de refroidissement. Le dispositif central de commande déclenche la diffusion de l’agent de refroidissement sur, dans ou à proximité du ou des modules critiques. Le dispositif central de commande peut par exemple commander l’ouverture d’une vanne située sur la canalisation.

Selon l’invention, la diffusion de l’agent de refroidissement ne se produit pas sur le ou les modules qui ne sont pas considérés comme critiques, il est donc possible d’utiliser un réservoir de plus faible contenance que pour une installation conventionnelle dans laquelle la diffusion de l’agent de refroidissement sur les modules se fait de manière indifférenciée. De plus, l’invention permet de préserver les modules considérés comme non-critiques d’un contact avec l’agent de refroidissement.

Lorsque le détecteur (5) détecte un ou plusieurs modules critiques (1, 2, 3), la diffusion de l’agent de refroidissement (12) sur, ou dans, le ou les modules critiques (1, 2, 3) est déclenchée de manière immédiate ou retardée. Il peut être défini un laps de temps de quelques minutes à 1 heure maximum pour déclencher la diffusion de l’agent de refroidissement, dans le but de limiter le volume d’agent de refroidissement utilisé. Une aspersion différée de l’agent de refroidissement peut être intéressante dans le cas où la vitesse de propagation de la chaleur d’un module à un autre est relativement lente.

La Figure 1 illustre sur un exemple l’installation selon invention. Elle représente une vue de côté d’une baie de modules reposant sur le sol d’une enceinte. La baie comprend deux montants verticaux parallèles et quatre plateaux horizontaux fixés aux deux montants verticaux. Chaque plateau horizontal sert de support à un module (1, 2, 3, 4). Les plateaux et les modules sont au nombre de quatre sur la figure 1 mais il est entendu que leur nombre n’est pas limité. L’agent de refroidissement est stocké dans un réservoir (6). Le réseau de distribution est constitué d’une canalisation (7) qui se subdivise en quatre branches (8). Une extrémité de la canalisation est reliée au réservoir d’agent de refroidissement. Chaque branche débouche sur une surface latérale d’un module. Dans l’exemple, le module (1) a initié un événement thermique (13). Il est considéré comme critique. Par suite de la propagation de la chaleur du module (1) aux modules voisins (2, 3), ceux-ci sont aussi considérés comme critiques. Le module (4) n’est pas considéré comme critique car sa température reste inférieure à la valeur seuil Ts en raison de son plus grand éloignement vis-à-vis du module (1) que les modules (2, 3). Un agent de refroidissement est injecté uniquement dans les modules critiques, c’est-à-dire les modules 1, 2 et 3.

La figure 2 est une représentation schématique de la diffusion d’un agent de refroidissement autour de la surface externe d’un module critique (2). Les extrémités des branches (8) du réseau de distribution (7) sont disposées à proximité des modules 2 et 4. Un espace a été ménagé lors de l’installation des modules dans la baie pour permettre la circulation de l’agent de refroidissement au-dessus du module, en dessous du module et autour de sa surface latérale. La circulation de l’agent de refroidissement (12) crée une barrière froide autour de la surface externe du module critique (2).

La figure 3 est une représentation schématique de la diffusion d’un agent de refroidissement à l’intérieur d’un module considéré comme critique (2) puis autour de son enveloppe. Les extrémités des branches (8) du réseau de distribution (7) sont intégrées aux modules 2 et 4. L’agent de refroidissement pénètre à l’intérieur du volume du module puis ressort par une ou plusieurs ouvertures pratiquées dans le module. En ressortant par ces ouvertures, l’agent de refroidissement (12) crée une barrière froide autour de l’enveloppe du module critique (2).

La figure 4 illustre schématiquement une configuration possible de l’installation dans le cas d’un fonctionnement actif du réseau de distribution. Un moyen de détection (5) de l’état critique du module (2) est disposé au contact de la surface interne de la paroi supérieure de l’enveloppe du module. Ce moyen de détection pourrait se situer à un autre endroit dans le volume défini par l’enveloppe du module. Il pourrait également être situé à l’extérieur du module ou à proximité du module ou sur une surface externe de la paroi de l’enveloppe du module. En cas de détection d’un état critique du module, le moyen de détection (5) envoie un signal (15) à un système de centralisation (10) qui commande par un signal (14) l’ouverture d’une vanne (11) disposée sur la canalisation du réseau de distribution (7). Ceci entraîne la circulation de l’agent de refroidissement (6) en direction de la branche (8) jusqu’au module critique (2). La branche est munie à son extrémité d’un dispositif de diffusion (9) de l’agent de refroidissement. Ce mode de réalisation permet de ne maintenir sous pression que le réservoir d’agent de refroidissement et non la canalisation du réseau de distribution. C’est l’ouverture de la vanne qui permet de mettre la canalisation du réseau de distribution sous pression.