FR3141805A1 - Battery provided with a discharge during thermal runaway and corresponding control method. - Google Patents
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Abstract
Batterie (1) comprenant des cellules électrochimiques (2), comprenant un capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie (1), une mémoire comprenant un seuil de température, un moyen de comparaison de la mesure de température au seuil de température, un consommateur d’énergie (3) et un interrupteur (4) commandé reliant les cellules au consommateur d’énergie (3), l’interrupteur (4) étant commandé passant lorsque la mesure du capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans les cellules électrochimiques (2) est consommée par le consommateur d’énergie (3). Figure pour l’abrégé : Fig 1Battery (1) comprising electrochemical cells (2), comprising a temperature sensor configured to measure the temperature in the battery (1), a memory comprising a temperature threshold, means for comparing the temperature measurement to the temperature threshold , an energy consumer (3) and a controlled switch (4) connecting the cells to the energy consumer (3), the switch (4) being controlled switching on when the temperature sensor measurement is above the temperature threshold stored, so that the energy included in the electrochemical cells (2) is consumed by the energy consumer (3). Figure for abstract: Fig 1
Description
L’invention a pour domaine technique la gestion de batteries, et plus particulièrement, une telle gestion lors d’un emballement thermique.The technical field of the invention is battery management, and more particularly, such management during thermal runaway.
Une batterie comprend généralement plusieurs cellules électrochimiques, chaque cellule pouvant être l’objet d’un emballement thermique. Ce phénomène d’emballement est particulièrement prévalent pour les cellules de type Li-ion et peut être déclenché par trois types d’initiations :A battery generally includes several electrochemical cells, each cell being subject to thermal runaway. This runaway phenomenon is particularly prevalent for Li-ion type cells and can be triggered by three types of initiations:
- thermique via une augmentation température,- thermal via an increase in temperature,
- électrique via un court-circuit ou une surtension, ou- electrical via a short circuit or overvoltage, or
- mécanique via une déformation ou une perforation.- mechanical via deformation or perforation.
En marge de ces initiations, un emballement peut également résulter d’un défaut interne de la cellule.Alongside these initiations, a runaway can also result from an internal cell defect.
L’emballement thermique, notamment pour la technologie Li-ion, peut induire des flammes, des dégazages, des explosions et des projections de matière au sein de la batterie.Thermal runaway, particularly for Li-ion technology, can cause flames, degassing, explosions and material projections within the battery.
Actuellement, des solutions techniques de limitation de la propagation de l’emballement sont mises en place. Ces solutions sont basées sur l’utilisation de barrières physiques telles que des matériaux résistants aux hautes températures ou encore résistants au feu. La demande de brevet FR 3095895 au nom de la demanderesse illustre une telle solution.Currently, technical solutions to limit the spread of the runaway are being put in place. These solutions are based on the use of physical barriers such as materials resistant to high temperatures or even fire resistant. Patent application FR 3095895 in the name of the applicant illustrates such a solution.
Il existe un besoin pour une batterie munie d’un dispositif de limitation de l’emballement thermique à proprement parler.There is a need for a battery equipped with a device to limit thermal runaway itself.
L‘invention a pour objet une batterie comprenant des cellules électrochimiques, ainsi qu’un capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie, une mémoire comprenant un seuil de température d’emballement thermique, un moyen de comparaison de la mesure de température au seuil de température d’emballement thermique, un consommateur d’énergie et un interrupteur commandé reliant les cellules électrochimiques au consommateur d’énergie, l’interrupteur étant commandé passant lorsque la mesure du capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans les cellules électrochimiques est consommée par le consommateur d’énergie.The subject of the invention is a battery comprising electrochemical cells, as well as a temperature sensor configured to measure the temperature in the battery, a memory comprising a thermal runaway temperature threshold, a means of comparing the temperature measurement at the thermal runaway temperature threshold, an energy consumer and a controlled switch connecting the electrochemical cells to the energy consumer, the switch being controlled passing when the measurement of the temperature sensor is greater than the stored temperature threshold, so that the energy included in the electrochemical cells is consumed by the energy consumer.
Un consommateur d’énergie peut être choisi parmi une résistance, un système de chauffage, un système d’équilibrage de charge, l’énergie consommée étant dissipée sous forme de chaleur par effet Joules.An energy consumer can be chosen from a resistance, a heating system, a load balancing system, the energy consumed being dissipated in the form of heat by the Joules effect.
Alternativement, un consommateur d’énergie peut être une ultracapacité, l’énergie consommée étant stockée dans l’ultracapacité.Alternatively, an energy consumer may be an ultracapacitor, with the energy consumed being stored in the ultracapacitor.
Un consommateur d’énergie peut être disposé au plus près des cellules électrochimiques.An energy consumer can be placed as close as possible to the electrochemical cells.
Un consommateur d’énergie peut être disposé dans une partie de la batterie distincte de la partie comprenant les cellules électrochimiques.An energy consumer can be placed in a part of the battery distinct from the part comprising the electrochemical cells.
La batterie peut comprendre un habillage extérieur, un consommateur d’énergie étant disposé sur l’extérieur de l’habillage, les cellules électrochimiques étant disposées à l’intérieur de l’habillage.The battery may comprise an exterior covering, an energy consumer being arranged on the outside of the covering, the electrochemical cells being arranged inside the covering.
La batterie peut comprendre un habillage extérieur, un consommateur d’énergie étant disposé à distance de l’habillage, les cellules électrochimiques étant disposées à l’intérieur de l’habillage.The battery may comprise an exterior covering, an energy consumer being arranged at a distance from the covering, the electrochemical cells being arranged inside the covering.
Le capteur de température peut être configuré pour mesurer la température dans la batterie au voisinage d’un premier groupe de cellules, la batterie comprenant un deuxième capteur de température configuré pour mesurer la température dans la batterie au voisinage d’un deuxième groupe de cellules, un deuxième moyen de comparaison de la mesure de température du deuxième capteur au seuil de température, un deuxième consommateur d’énergie et un deuxième interrupteur commandé reliant les cellules au deuxième consommateur d’énergie, le deuxième interrupteur étant commandé passant lorsque la mesure du deuxième capteur de température est supérieure au seuil de température mémorisé, de sorte que l’énergie comprise dans le deuxième groupe de cellules électrochimiques est consommée par le deuxième consommateur d’énergie, la commande du deuxième interrupteur étant indépendante de la commande du premier interrupteur de sorte à pourvoir décharger des groupes de cellules en fonction de la localisation de l’emballement thermique dans la batterie.The temperature sensor can be configured to measure the temperature in the battery in the vicinity of a first group of cells, the battery comprising a second temperature sensor configured to measure the temperature in the battery in the vicinity of a second group of cells, a second means for comparing the temperature measurement of the second sensor to the temperature threshold, a second energy consumer and a second controlled switch connecting the cells to the second energy consumer, the second switch being controlled passing when the measurement of the second temperature sensor is greater than the stored temperature threshold, so that the energy included in the second group of electrochemical cells is consumed by the second energy consumer, the control of the second switch being independent of the control of the first switch so to be able to discharge groups of cells according to the location of the thermal runaway in the battery.
Un autre objet de l’invention est un aéronef muni d’une batterie telle que décrite ci-dessus.Another object of the invention is an aircraft equipped with a battery as described above.
L’invention a également pour objet un procédé de commande d’une batterie telle que décrite ci-dessus, dans lequel on détermine la température dans la batterie, on compare la température à un seuil de température d’emballement thermique, et on commande la consommation de l’énergie stockée dans les cellules électrochimiques de la batterie lorsque la mesure de température est supérieure au seuil de température d’emballement thermique de sorte à réduire la réactivité des cellules.The invention also relates to a method for controlling a battery as described above, in which the temperature in the battery is determined, the temperature is compared to a thermal runaway temperature threshold, and the temperature is controlled. consumption of the energy stored in the electrochemical cells of the battery when the temperature measurement is higher than the thermal runaway temperature threshold so as to reduce the reactivity of the cells.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the appended drawings in which:
- la figure
- la figure
- les figures
Les solutions de limitation de la propagation de l’emballement thermique mettant en jeu des barrières physiques (type matériaux résistants aux flammes) ne permettent pas de réduire la réactivité de l’emballement mais juste sa propagation. Or, il est nécessaire, en plus de diminuer la vitesse de propagation de l’emballement thermique, de permettre d’en diminuer la réactivité.Solutions for limiting the propagation of thermal runaway using physical barriers (such as flame-resistant materials) do not make it possible to reduce the reactivity of the runaway but only its propagation. However, it is necessary, in addition to reducing the speed of propagation of thermal runaway, to reduce its reactivity.
Une réduction de la réactivité des cellules permet de réduire non seulement l’ampleur et l’intensité de l’emballement thermique mais également de diminuer les contraintes imposées sur les solutions de confinement physique de l’emballement thermique puisque la violence de la réaction est amoindrie. Ainsi, des gains en masse et volume sont attendus au niveau des barrières de protection à mettre en place.A reduction in the reactivity of the cells makes it possible to reduce not only the extent and intensity of the thermal runaway but also to reduce the constraints imposed on the solutions for physical confinement of the thermal runaway since the violence of the reaction is reduced. . Thus, gains in mass and volume are expected in terms of the protective barriers to be put in place.
L’état de charge est un facteur de réactivité des cellules lors d’un emballement thermique. En effet, des expériences montrent que la masse de matière perdue est plus faible lorsque les cellules sont déchargées par rapport à la masse perdue lorsque les cellules sont chargées.The state of charge is a factor in the reactivity of cells during thermal runaway. Indeed, experiments show that the mass of material lost is lower when the cells are unloaded compared to the mass lost when the cells are loaded.
La batterie selon l’invention utilise des moyens de consommation de l’énergie stockée dans les cellules pour les décharger et réduire leur réactivité vis-à-vis de l’emballement thermique. Une telle réduction de la réactivité a pour avantage de limiter la propagation de l’emballement thermique dans la batterie. Les cellules de la batterie, adjacentes aux cellules objet d’emballement thermique ont ainsi un état de charge faible voire nul et sont moins propices à l’emballement thermique. La propagation de l’emballement thermique est ainsi réduite.The battery according to the invention uses means of consuming the energy stored in the cells to discharge them and reduce their reactivity to thermal runaway. Such a reduction in reactivity has the advantage of limiting the propagation of thermal runaway in the battery. The battery cells, adjacent to the cells subject to thermal runaway, therefore have a low or even zero state of charge and are less conducive to thermal runaway. The propagation of thermal runaway is thus reduced.
Cela se traduit par un procédé de commande au cours duquel on détecte qu’un emballement thermique a lieu dans la batterie à travers une mesure de température. On commande alors un interrupteur commandé afin de fermer le circuit électrique entre les cellules connectées et les consommateurs d’énergie. Pour réaliser cela, la batterie comprend avantageusement un moyen de commande électronique comprenant une mémoire et un moyen de comparaison d’une valeur mémorisée dans la mémoire à une mesure d’un capteur de température. La mémoire comprend une valeur de seuil de température à partir de laquelle la consommation de l’énergie des cellules doit être déclenchée.This results in a control process during which it is detected that a thermal runaway is taking place in the battery through a temperature measurement. We then order a controlled switch in order to close the electrical circuit between the connected cells and the energy consumers. To achieve this, the battery advantageously comprises electronic control means comprising a memory and means for comparing a value stored in the memory to a measurement from a temperature sensor. The memory includes a temperature threshold value from which the energy consumption of the cells must be triggered.
Tout ou partie des cellules situées autour d’au moins une cellule objet d’un emballement thermique sont ainsi déchargées. C’est notamment le cas, si plusieurs moyens de décharge sont prévus et connectés à différents ensembles de cellules au sein d’une même batterie.All or part of the cells located around at least one cell subject to thermal runaway are thus discharged. This is particularly the case if several discharge means are provided and connected to different sets of cells within the same battery.
La
On comprendra qu’en faisant circuler un courant entre une ou des cellules à décharger et une résistance, l’état de charge des cellules connectées est réduit par effet Joules. Il en est de même avec un système de chauffage.It will be understood that by circulating a current between one or more cells to be discharged and a resistance, the state of charge of the connected cells is reduced by the Joules effect. It is the same with a heating system.
Comme exemples de consommateurs d’énergie 3, on peut citer des résistances dédiées, un système de chauffage, un système d’équilibrage de charge ou des ultracapacités.Examples of energy consumers 3 include dedicated resistors, a heating system, a load balancing system or ultracapacitors.
Un système d’équilibrage de charge (« load balancing » en langue anglaise) permet de déplacer la charge d’au moins une cellule à décharger vers au moins une autre cellule.A load balancing system makes it possible to move the load from at least one cell to be discharged to at least one other cell.
Lors d’un emballement thermique, un tel système d’équilibrage de charge peut également être détourné de sa fonction primaire afin de transformer l’énergie consommée en chaleur par effet Joules comme dans le cas d’une résistance ou d’un système de chauffage. La carte électronique d’équilibrage consomme alors l’énergie des cellules à l’aide des composants électroniques qu’elle comprend permettant normalement d’effectuer l’équilibrage des cellules. Une telle commutation est normalement déclenchée par la comparaison de la mesure d’une valeur de tension ou d’état de charge SOC (acronyme anglophone pour « State of Charge ») d’une des cellules de la batterie à une valeur de seuil mémorisée. Lorsque la valeur mesurée est inférieure à la valeur de seuil, un transfert d’énergie entre cellules est réalisé. La commutation de l’énergie des cellules vers les composants électroniques du système d’équilibrage de charge est également déclenchée par la comparaison de la mesure de la température d’au moins une des cellules connectées au système d’équilibrage de charge à une valeur de seuil mémorisée. Lorsque la valeur mesurée est supérieure à un seuil, l’énergie des cellules est déchargée dans les propres composants électroniques du système d’équilibrage de charge afin de la dissiper par effet Joules.During a thermal runaway, such a load balancing system can also be diverted from its primary function in order to transform the energy consumed into heat by Joules effect as in the case of a resistance or a heating system . The electronic balancing card then consumes the energy of the cells using the electronic components that it includes, normally allowing the cells to be balanced. Such switching is normally triggered by comparing the measurement of a voltage or state of charge value SOC (English acronym for “State of Charge”) of one of the battery cells to a stored threshold value. When the measured value is lower than the threshold value, an energy transfer between cells is carried out. The switching of energy from the cells to the electronic components of the load balancing system is also triggered by comparing the temperature measurement of at least one of the cells connected to the load balancing system to a value of memorized threshold. When the measured value is greater than a threshold, the energy from the cells is discharged into the charge balancing system's own electronic components in order to dissipate it by the Joules effect.
Enfin, une ultracapacité permet d’emmagasiner très rapidement une grande quantité d’énergie de sorte que plusieurs cellules peuvent voir leur état de charge significativement réduit en un temps réduit.Finally, ultracapacity allows a large quantity of energy to be stored very quickly so that several cells can see their state of charge significantly reduced in a short time.
La
Les consommateurs d’énergie peuvent être disposés dans la batterie, dans le même environnement que les cellules, comme dans les modes de réalisation illustrés par les figures 1 et 2. Dans d’autres modes de mise en œuvre, le consommateur d’énergie 3 n’est pas disposé au plus proche des cellules Les consommateurs d’énergie peuvent également être disposés dans la batterie mais dans un environnement différent que celui dans lequel les cellules se trouvent. La
Les consommateurs d’énergie peuvent être disposés hors de la batterie, mais au plus proche de celle-ci. La
Enfin, les consommateurs d’énergie peuvent être disposés hors de la batterie, à distance. La
Les consommateurs d’énergie disposés de façon interne à la batterie présentent l’avantage de modérer l’augmentation de masse de la batterie du fait de leur ajout, en limitant notamment les connecteurs requis. Selon les consommateurs d’énergie choisis, l’augmentation de masse est davantage modérée du fait de leur présence en dehors de la mise en œuvre de l’invention.Energy consumers placed internally in the battery have the advantage of moderating the increase in mass of the battery due to their addition, in particular by limiting the connectors required. Depending on the energy consumers chosen, the increase in mass is more moderate due to their presence outside the implementation of the invention.
De tels modes de réalisation présentent l’avantage de libérer une partie de l’énergie des cellules avant leur emballement thermique en se servant des composants déjà présents dans la batterie. La masse de la batterie n’est par conséquent pas impactée.Such embodiments have the advantage of releasing part of the energy of the cells before their thermal runaway by using components already present in the battery. The mass of the battery is therefore not impacted.
De tels modes de réalisation présentent par contre l’inconvénient de libérer la chaleur produite par le consommateur d’énergie à l’intérieur de la batterie ce qui pourrait avoir comme effet de propager l’emballement par une voie indirecte, sur des cellules néanmoins déchargées et donc beaucoup moins réactives.Such embodiments, however, have the disadvantage of releasing the heat produced by the energy consumer inside the battery, which could have the effect of propagating the runaway indirectly, on cells that are nevertheless discharged. and therefore much less reactive.
Les consommateurs d’énergie peuvent également être disposés de façon externe. Un tel mode de réalisation présente l’avantage de libérer l’énergie des cellules sous forme de chaleur à l’extérieur du boitier au détriment de la masse (du fait de l’ajout des consommateurs d’énergie et des éléments de connections correspondant). La chaleur libérée ne peut alors pas contribuer à la propagation ou à l’initiation de l’emballement thermique.Energy consumers can also be arranged externally. Such an embodiment has the advantage of releasing the energy of the cells in the form of heat outside the housing to the detriment of the mass (due to the addition of energy consumers and corresponding connection elements) . The heat released cannot then contribute to the propagation or initiation of thermal runaway.
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