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WO2016050527A1 - Modular electric battery comprising a thermal regulation and protection device - Google Patents

Modular electric battery comprising a thermal regulation and protection device Download PDF

Info

Publication number
WO2016050527A1
WO2016050527A1 PCT/EP2015/071330 EP2015071330W WO2016050527A1 WO 2016050527 A1 WO2016050527 A1 WO 2016050527A1 EP 2015071330 W EP2015071330 W EP 2015071330W WO 2016050527 A1 WO2016050527 A1 WO 2016050527A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cells
plate
battery
thermal
battery according
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/071330
Other languages
French (fr)
Inventor
Rémy Mingant
Valerie Sauvant-Moynot
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
Publication of WO2016050527A1 publication Critical patent/WO2016050527A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6554Rods or plates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
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    • HELECTRICITY
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    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • HELECTRICITY
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    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
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    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6569Fluids undergoing a liquid-gas phase change or transition, e.g. evaporation or condensation
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    • H01M10/659Means for temperature control structurally associated with the cells by heat storage or buffering, e.g. heat capacity or liquid-solid phase changes or transition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • battery packs as reversible sources of energy and power in portable applications is common, and it is becoming more common in traction applications and stationary applications.
  • the battery packs are generally formed of modules connected together in series and / or in parallel depending on the intended application.
  • Each module integrates a plurality of elementary cells, which are electrochemical cells for storing and restoring electrical energy, connected in series and / or in parallel by appropriate connections to the current flow.
  • a modular electric battery architecture where compact modules of intermediate size individually constitute a source of energy and power, is conventionally used because it provides flexibility for the arrangement, use and maintenance of the modules.
  • Certain functions of the battery pack such as thermal regulation, mechanical protection and safety for the reversible storage of electrical energy must then be taken into account and ensured at the level of the battery module.
  • a battery module must be thermally regulated in particular because the charging and discharging of the cells cause temperature rises, in particular due to the internal resistance of the cells and that of the connectors connecting the cells.
  • a battery must operate in a limited temperature range, including Li-ion batteries, in order firstly to prevent any risk of thermal runaway of the cells, and secondly to limit the aging phenomena of the cells, that affect module performance and require increased maintenance.
  • “passive" safety systems can be integrated in the design of each element (separator capable of irreversibly cutting the flow of electrolyte between the electrodes, gas compartment and vent to prevent pressure rise, etc.) to reduce the risk of thermal runaway.
  • Specific electronics can also be integrated into the cell, with the same purpose.
  • the battery management system, or Battery Management System (BMS) in English terms must ensure the safe operation under normal use conditions and limit the risks in use abusive. Or the possibilities of mechanical damage to a pack are multiple, given the versatility of use, especially in a vehicle. If an external mechanical protection is commonly used, the BMS seems powerless to avoid a short circuit initiated on the connectors and the associated heat propagation via connectors.
  • Mechanical protection of the module is therefore also important to reduce the risk of damage by short circuit, induced for example during an impact that leads to the perforation of a cell or when an electrically conductive component comes into contact with the connectors. Taking into account the module-level thermal control and mechanical protection functions in a modular electric battery makes it possible to improve its safety.
  • phase change materials capable of storing latent heat, for the thermal management of the batteries.
  • a PCM can indeed store or return heat when it changes state, moving from solid to liquid state and vice versa.
  • Such a material is for example described in the patent application US 2013/0270476 A1 for the cooling of cylindrical lithium battery type.
  • the material described is a composite MCP based on polyethylene glycol, silica, and comprising a flame retardant graphite and polymer.
  • a battery cooling technique is described in the patent application US 2012/0107662 A1, using a multilayer composite matrix made of expanded graphite infiltrated with a PCM, in block form, comprising orifices into which cells are inserted. electrochemical.
  • the thermally conductive matrix at least partially enveloping the cells, provides thermal management of the modular battery by passive dissipation of heat towards the outside of the graphite block.
  • the patent application US 2014/0004394 also describes the use of MCP for battery thermal management, in particular for heating the battery during cold start, or for cooling.
  • the MCP described are for example a saline solution or a paraffin, implemented in a gel or in one or more containers of plastic or metal.
  • the gel or containers filled with MCP are placed around the battery or directly into the battery. They act thermally by contact with the battery, under the activation of an external event (draw) with regard to the heating of the battery by crystallization of the MCP.
  • the patent application WO 2012/136439 A1 describes a modular battery comprising a stack of cells, in which at least one cooling element is inserted between two adjacent prismatic cells in the stack.
  • the cooling element has a thermo-conductive section located between the cells and a cooling section that projects laterally out of the stack.
  • the heat collected and dissipated by the connectors is not drained to the outside, thus risking generating hot spots conducive to thermal runaway and temperature gradients within the cell conducive to aging.
  • the structure of the battery module appears protruding rather than compact, which is not desirable for the arrangement of the modules of a modular pack in a confined space.
  • US patent application 2012/0034499 A1 discloses a modular battery in which a thermal band, having high thermal and electrical conduction properties, is connected between the terminal of a first cell and the terminal of a second cell, and is connected to the wall of the battery case having a high thermal conductivity by a thermal bridge device characterized by its electrical insulation.
  • a thermal bridge device characterized by its electrical insulation.
  • Patent application EP 2 530 778 A1 describes another example of a modular battery in which an active dissipation of heat by an internal or external ventilation system to the battery, or by a system for the circulation of a fluid is performed. cooling.
  • the battery comprises a set of thermal insulating and electrical insulating inserts, attached to a heat sink base, slid between cylindrical cells parallel to their axes, which individually seal the cells at the side and bottom faces. These inserts capture the heat released by direct contact with the side faces of the cells and lead to the heat sink which is ventilated by a ventilation system internal or external to the battery, or which is in contact with a heat exchanger.
  • This type of battery, specific to cylindrical rechargeable batteries has the main disadvantage of being based on an active dissipation of heat, requiring energy.
  • the system has a complex structure, comprising various composite elements nested in each other.
  • the present invention aims in particular to provide a modular battery that can both be thermally controlled, without requiring a specific energy input outside the battery for this thermal regulation, so as to prevent any risk of thermal runaway cells and to limit cell aging phenomena, and in which the risks of damage to the battery by occurrence and short-circuit propagation that can be caused mechanically, particularly at the level of connectors, are limited.
  • a modular electric battery comprising:
  • each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to each other to form at least one first plate comprising at least one least a first face having electrical connection means between the cells,
  • thermo protection and regulation device comprising at least:
  • a joint of material both electrical insulator and thermal conductor a thermal collector comprising at least one pre-conditioned phase-change material
  • the seal being interposed between the electrical connection means of said first face and the thermal collector
  • a housing containing at least said set of cells.
  • the thermal collector further comprises a first plate of thermally conductive material, the first plate being interposed between the seal and the pre-conditioned phase-change material.
  • the battery comprises at least two trays of cells, arranged facing each other by a second face, opposite to the first face having connection means, each tray being provided with a protection and thermal regulation.
  • the battery comprises a second plate of cells similar to the first plate, and disposed facing the first plate by a second face opposite to the first face having connection means, and:
  • the housing comprises at least one thermally conductive wall
  • the thermal protection and regulation device furthermore comprises:
  • the battery may comprise at least one intermediate plate disposed between the first and second plates, the thermal protection and regulation device further comprising a third joint of both electrical insulating material and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face of the third plate and a third plate of thermally conductive material, the rod of thermally conductive material being further attached to the third plate of the intermediate plate.
  • the cells are of Li-ion type.
  • the pre-conditioned phase-change material comprises at least one paraffin.
  • the pre-conditioned phase-change material has a melting temperature Tf of between 0 ° C. and a given maximum allowed heating temperature for the cells, for example a melting temperature Tf of between approximately 0 ° C. and approximately 60 ° C.
  • the preconditioned phase change material is a gel, or a phase change material inserted in one or more containers, or a phase change material infiltrated into a porous matrix.
  • the plate or plates may be formed of one or more thermally conductive materials, preferably metal and / or or a composite material comprising thermally conductive fillers.
  • the seal may be in a discontinuous form and constituted by a set of lamellae, or in the form of a continuous carpet.
  • the seal is made of plastic.
  • the thermally conductive wall of the housing is made of metal, preferably aluminum, or of plastic or composite material preferably comprising one or more thermoplastic polymers of the polylactic acid, acrylonitrile-butadiene-styrene or nylon type.
  • the present invention also relates to an electric or hybrid vehicle comprising a battery according to the invention, as well as to a stationary storage system comprising a battery according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic cross section of a modular battery according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a schematic cross section of a modular battery according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a schematic cross section of a modular battery according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic top view of a modular battery according to the third embodiment of the invention illustrated in FIG. 3.
  • Figure 5 is a schematic cross section of a modular battery according to a variant of the third embodiment of the invention, comprising three trays of cells.
  • FIGS 6 and 7 show the thermal elevation in modular batteries according to the prior art.
  • FIGS 8 and 9 show the thermal elevation in a modular battery according to the first and second embodiments of the invention respectively.
  • the same references designate identical or similar elements.
  • the object of the invention is to propose a modular battery comprising a thermal regulation device by passive dissipation of the heat and mechanical protection of the battery, making it possible to improve the safety of use of the battery .
  • passive heat dissipation device is meant a device that does not require, for its operation, a system for consuming energy external to the battery, in particular electricity, as opposed to active heat dissipating devices such as electrical systems.
  • modular battery or modular electric battery or battery pack to designate an electric battery comprising at least one module formed of a housing and incorporating a plurality of elementary cells or elements, connected in series and / or in parallel by a suitable connection to the passage of the current.
  • the term connector and the term electrical connection means have the same meaning in the present description.
  • the plurality of cells of each module may be arranged in the form of cell trays as described below.
  • a modular battery can be composed of several modules connected together in series and / or in parallel depending on the intended application.
  • the present invention relates to rechargeable modular electric batteries, that is to say comprising electrically rechargeable cells which are unit electrochemical cells containing two electrodes placed in contact with an electrolyte. These cells are electrochemical accumulators of energy, that is to say rechargeable electrochemical generators. Such a cell operates spontaneously in the generator direction when its electrodes are brought into contact by an external electrical circuit, by conversion of the chemical energy contained in the active substances that compose it directly into electrical energy via oxidation reactions. -reduction (redox reactions). Since these redox reactions are reversible, the cell can accumulate electricity under load by connecting a power supply to its terminals creating a reverse current in the direction of discharge.
  • electrically rechargeable cells which are unit electrochemical cells containing two electrodes placed in contact with an electrolyte.
  • These cells are electrochemical accumulators of energy, that is to say rechargeable electrochemical generators.
  • Such a cell operates spontaneously in the generator direction when its electrodes are brought into contact by an external electrical circuit, by conversion of the chemical energy contained in the active substances
  • the present invention proposes a thermal regulation of a modular electric battery to absorb, and restore if necessary, the heat developed both by the cells and their connections.
  • said heat can be dissipated and effectively evacuated to the outside of the battery.
  • the thermal protection and regulation device according to the invention advantageously makes it possible to absorb or even drain towards the outside of the battery, the heat conducted and dissipated at the ends of the cells, developed by the cells themselves. as well as the associated connectors.
  • the thermal regulation of the battery according to the invention is thus optimal in that it is more efficient to recover the heat at the ends of the cells than at any other point, and it is also possible to recover the heat developed by the cells. connectors, as explained below.
  • the temperature of a cell can be calculated from an energy balance involving:
  • the value of the OCV and dU / dT depends on the state of charge (SoC) which is itself calculated according to the intensity.
  • R depends on the state of charge and the temperature.
  • the heat dissipation of the cells is anisotropic considering the electrical and thermal characteristics of the battery cells.
  • the internal composition of the electrochemical cells induces significantly greater electrical and thermal cell conduction characteristics in the axial direction (defined by the main axis of symmetry supporting the connections) than in the radial direction (plane perpendicular to the axial direction). defined above).
  • the measurements made by Drake et al., 2014 on Li-ion cylindrical cells SJ Drake et al, Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells, Journal of Power Sources, 252 ( 2014) 298-304).
  • the heat flux produced by the cells is substantially greater in the axial direction of the cells.
  • the modular electric battery according to the invention comprises:
  • each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to one another to form at least one plate comprising at least one first face comprising electrical connection means between cell
  • thermal protection and regulation device comprising at least one joint of both electrical insulating material and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face and a thermal collector comprising a phase change material (PCM) -conditioned in contact with the seal,
  • PCM phase change material
  • a housing containing at least the set of cells.
  • the thermal regulation of the modular battery is only passive, by absorption / return of calories by the MCP, and optionally heat dissipation and evacuation to the outside.
  • the complex systems of thermal regulation which can be cumbersome and energy consumers.
  • FIG. 1 A first embodiment of the battery according to the invention is illustrated in FIG. The battery is shown schematically in cross section. Only a part of the battery is represented.
  • a longitudinal direction X is defined according to the length of the battery, a transverse direction Y according to the width of the battery, the plane (XY) being defined as horizontal.
  • a vertical direction Z is also defined according to the height of the battery, perpendicular to the plane (XY), forming with the direction Y a vertical plane (YZ).
  • the modular battery 1000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 100.
  • the cells 100 are prismatic Li-ion cells whose positive and negative terminals are located on one and the same face of the cell.
  • the cells 100 are electrically combined in series and / or parallel, and are arranged to form one or two trays. All the cells thus connected develop a voltage and capacity adapted to applications for which a single cell is not sufficient, such as vehicle traction applications.
  • FIG. 1 represents an exemplary battery comprising a tray of cells 101.
  • a tray is defined as an arrangement on the same horizontal plane (XY) of several cells arranged next to each other and electrically connected.
  • the cells are arranged on the plate parallel to their main axis of symmetry, which passes through the face or faces of the cell carrying the terminals, in the vertical direction Z.
  • the plate is formed of one or more rows of cells 100, each row of cells extending in transverse direction Y.
  • the plate 101 has an upper face 101a opposite a lower face 101b.
  • the upper face 101 has the terminals of the prismatic cells 100.
  • the cells 100 of the plate may be in contact, as shown in Figure 1, or be separated from a space.
  • a flange (not shown) is optionally used to maintain, in a tray, the cells 100 at a fixed distance from each other.
  • each cell 100 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 100 by means of a connection 1 1 suitable for the current flow, for example a metallic connectors, such as a copper or nickel foil.
  • a connection 1 1 suitable for the current flow for example a metallic connectors, such as a copper or nickel foil.
  • all the cells, except in some cases those located on the periphery of the plate, are connected via their two terminals to two neighboring cells by a metal connector 1 10.
  • the cells aligned according to a row on the plate are for example connected in series: the connectors 1 10 shown connect a positive terminal to a negative terminal of two adjacent cells on the same row, the Connectors connecting the other terminals of these same cells are located in another plane than that of the section of Figure 1.
  • Each connector 1 10 is surmounted by a seal 120, preferably plane, electrical insulator and thermal conductor.
  • each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector.
  • the seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction.
  • the thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders.
  • the joints, electrical insulators preferably have resistivities greater than 10 6 Ohm / m.
  • the thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K.
  • the seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous carpet.
  • the seals 120 are placed between the connections 1 10 and a thermal collector
  • Each seal is thus interposed between the connectors 1 10 of the first face 101a of the plate and the thermal collector comprising at least one pre-conditioned phase change material 130 in contact with the seal.
  • These seals provide a thermal connection between the connectors 1 10 and the thermal collector 130 by substantial contact between their two faces.
  • the thermal collector comprises at least one pre-conditioned MCP.
  • the pre-conditioned MCP makes it possible to collect the heat from the connectors and cells 100 of the entire module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells.
  • MCP is a compound with a reversible transition between the solid and liquid phases around a certain temperature, accompanied by a rather high enthalpy of crystallization / melting.
  • MCP is characterized by a melting temperature Tf and a given melting enthalpy.
  • Tf melting temperature
  • the MCP melting is endothermic while the solidification is exothermic.
  • This heat produced for example during a charging / discharging current cycle, is conducted by the connections 1 10 to the joints 120 to the heat collector 130, and will heat conduction of the pre-conditioned MCP to its point of contact.
  • fusion The fusion accompanying the passage from the crystalline state to the liquid state being endothermic, it can absorb and store reversibly calories.
  • the overall heating of the modular battery is thus reduced, for example when applying a charge / discharge cycle in the battery.
  • the passage from the liquid state to the solid state makes it possible to produce a certain heat that will be transferred to the cells of the module by their connectors.
  • This heat resulting from the solidification of the preconditioned MCP during its solidification is conducted by the heat collector 130 to the joints 120 to connectors 1 10, and will heat conduction cells.
  • the solidification accompanying the passage from the liquid state to the solid state being exothermic, it makes it possible to maintain the temperature of the modular battery above ambient temperature throughout the solidification. The cooling of the modular battery is thus limited, for example during storage to limit the inconvenience of a cold start.
  • the melting temperature Tf is between 0 ° C. and a given maximum temperature for allowed heating for the cells, for example the maximum temperature of use of the cells specified by the manufacturer of the cells.
  • the melting temperature Tf is advantageously between about 0 ° C. and about 60 ° C., for example for the case of using lithium-ion batteries.
  • the melting temperature may also be between ambient temperature and the maximum cell use temperature specified by the cell manufacturer, for example about 20 ° C. and about 60 ° C. for the case of using lithium-ion batteries. ion.
  • the pre-conditioned MCP comprises at least one organic compound, such as paraffin. It may comprise a mixture of different paraffinic sections.
  • the preconditioned PCM may include additives for improving heat conduction, such as ceramic or metal fillers or metal oxides, and / or fire resistance improving additives known as retarders. of flames.
  • the MCP is preconditioned, that is, it has been put into a form to prevent any flow into the battery when it is in a molten state.
  • This conditioning prior to the implementation of the MCP in the battery can be carried out according to the techniques known to those skilled in the art, for example by formulation in a gel, or by insertion into one or more containers, or by infiltration into a porous matrix. Many of these techniques can be combined, for example by using a gel MCP placed in one or more containers.
  • the pre-conditioned MCP can thus be a chemical or physical gel, made from different polymers, for example from polystyrene-b-poly (ethylene-butylene) -b-polystyrene (SEBS) or silicones. Examples of such gels are for example described in patents FR2957348, FR2840314 and FR2820752.
  • the MCP can also be placed in one or more containers.
  • the container may be plastic, preferably including additives for improving thermal conductivity, such as metal fillers, metal oxides, or ceramic fillers.
  • the container or containers may be metal, for example aluminum.
  • the container or containers may also be of a metalloplastic nature, for example in the form of a sealed multilayer structure comprising at least one layer of plastic and at least one layer of metal. The latter form has the advantage of being light, flexible, easy to implement, for example by hot welding, and advantageously gives the MCP good thermal conduction through the presence of metal.
  • Pre-conditioned MCP can also be a porous matrix infiltrated with MCP.
  • the porous matrix may typically be an expanded graphite structure infiltrated with MCP, which provides both mechanical properties for the confinement of MCP while maintaining high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the pre-conditioned PCM is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 0.5 W / m / K.
  • the assembly formed by the cells 100, the connectors 1 10, the seals 120, and the collector comprising the pre-conditioned MCP 130, is included in a casing 140.
  • casing refers to the envelope delimiting the inside of the module. the outside of the battery module usually in contact with the air.
  • this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction.
  • the housing may also be made of plastic or composite material, for example comprising one or more thermoplastic polymers of the PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene) or nylon type.
  • the housing which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required.
  • the housing may comprise fins, outside the module, allowing to improve the dissipation and the evacuation of the heat outside the battery, for example in contact with air.
  • the modular battery according to the invention is advantageously designed to form a heat sink between the sources of heat production (cells and connectors) and the pre-conditioned MCP, the fusion of which will absorb some of the calories produced under load and in discharge, during a given mission.
  • the MCP can also absorb the heat produced during a short circuit at the connectors, even if the mechanical protection of the connectors provided by the housing and the joints reduces the risks of occurrence and short propagation. -circuit. This limits the development of hot spots conducive to the thermal runaway of the battery. It also limits the development of thermal gradients in cells conducive to aging thereof.
  • the present invention makes it possible, for example, to reduce or even eliminate the use of an active system of optional additional thermal regulation, such as an active ventilation system. This reduces energy consumption and saves on installation and maintenance costs.
  • the heat absorbed by the pre-conditioned MCP can be restored during its solidification, which advantageously keeps the battery for several hours under ambient thermal conditions favorable to its use, especially during storage of the battery, and for example, to maintain the battery under favorable thermal conditions for starting an electric or hybrid vehicle, ie above 0 ° C.
  • This may therefore be advantageous to avoid performance losses, for example associated with a cold start in the case of an application to vehicles, as it limits the aging of the battery associated with cold use. The battery life is prolonged.
  • the amount of pre-conditioned PCM is adjusted according to the expected benefits for a given application.
  • the cells are shown contiguous, in contact with each other, they could be spaced according to a variant of this first embodiment, for example by means of a flange, as mentioned above.
  • the description of this first embodiment has been made in relation to prismatic cells, having their two terminals on one and the same face.
  • a variant with cells of another shape, also having their two terminals on the same face, or alternatively comprising cells having a terminal at each end, as is conventionally the case for cylindrical batteries, for example Li-ion type, may be envisaged according to the present invention.
  • An advantage associated with a battery according to the invention comprising cells with their two terminals on one and the same face, such as prismatic cells, is that all the connectors connecting the cells to one another on the same plate are in contact with the heat seal, which makes it possible to avoid evacuating the heat of a connector that is not in contact with the thermal seal through the accumulator, and to avoid possible hot spots at the connectors that are not in contact with the seal.
  • FIG. 2 A second embodiment of the battery according to the invention is illustrated in FIG. 2.
  • the modular battery 1 100 according to this second embodiment is in all respects identical to that according to the first embodiment described above, in FIG. except that the thermal collector comprises, in addition to the pre-conditioned MCP 1030, a plate of thermally conductive material 1060 which is interposed between the seal 120 and the pre-conditioned MCP 1030.
  • the plate 1060 comprises one or more thermal conducting materials, preferably metallic materials, for example aluminum, or composite materials containing thermal conductive fillers, such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders.
  • the plate 1060 has a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K.
  • the plate 1060 makes it possible to improve the heat collection of the connectors and the cells 100 of the entire module, as well as an even more homogeneous distribution of the heat between the cells.
  • This embodiment therefore advantageously makes it possible to further reduce the risk associated with hot-spot development, in particular by improving the distribution of heat.
  • the two faces of the plate if they comprise connectors connecting at least a portion of the cells of a plate between them, may be provided with a joint / heat collector assembly as described for the first and second embodiments, illustrated in FIGS. Figures 1 and 2.
  • the modular battery according to the invention may comprise more than one plate.
  • a modular battery comprising two or three trays is for example well suited to traction applications in electric vehicles.
  • the number of platters is not limited and can be set according to the energy requirements of the intended application.
  • the two trays are arranged one above the other in the vertical direction Z.
  • Each tray is formed as described above.
  • Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery and having the terminals of the prismatic cells.
  • connection means 100 electrically connected by the connection means.
  • the two trays are arranged facing each other by their lower face.
  • Each tray may be provided with a thermal protection and regulation device comprising the seal / heat collector assembly as described for the first and second embodiments, illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the battery comprises at least two cell trays.
  • One of the two trays comprises a heat seal / collector assembly comprising a preconditioned PCM and a plate of thermally conductive material, as described for the second embodiment, while the second plate has on one of its faces an assembly formed by a seal and a plate of thermally conductive material in contact with a wall of the housing.
  • the two plates are connected by at least one rod of thermally conductive material providing a thermal bridge between the two plates.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a first battery example according to this third embodiment. Only a part of the battery is represented.
  • the modular battery 2000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 200.
  • the cells 200 are cylindrical Li-ion cells whose positive and negative terminals are located at both ends.
  • the cells 200 are combined electrically in series and / or parallel, and are arranged so as to form two plates 201 and 202.
  • the set of cells thus connected develop a voltage and a capacity adapted to applications for which a single cell is not sufficient. not, such as vehicle traction applications.
  • Each tray is defined and formed as described in connection with FIG. In the cross-section of FIG. 3, four cells 200 aligned in the Y direction are shown for each of the trays 201 and 202 to form a row.
  • the two plates 201 and 202 are arranged one above the other in the vertical direction Z.
  • Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery.
  • the plate 201 thus has an upper face 201a and a lower face 201b
  • the plate 202 has an upper face 202a and a lower face 202b, the two lower faces 201b and 202b facing each other within the module.
  • the upper faces 201a and 202a are turned towards the outside of the module, and comprise a set of connectors connecting the terminals of the cylindrical cells 200.
  • the cells 200 are spaced from each other.
  • the space between the cells of the same row can be used to allow passage to rods 250 connecting two collecting plates 230 and 231 described below.
  • the cells may be in contact.
  • a flange (not shown) is preferably used to maintain, in a tray, the cells 200 at a fixed distance from each other, as well as to maintain spacing between the trays.
  • each cell 200 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 200 by means of a connector (210, 21 1, 213) appropriate to the current flow, for example a metal connector, such as a copper foil or nickel.
  • the connectors 210 and 21 1 are located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 and connect two by two neighboring cells of the same row.
  • Connectors 212 also connect the cells of the two trays.
  • FIG. 1 An example of an electrical connection between the cells is given in FIG. 1
  • the cells aligned in a row for each plate are for example electrically connected two by two in series in the Y direction, by the connectors 210, 21 1 and 213, and the cells between the two plates 201 and 202 are for example electrically connected to each other. series according to the Z direction, by connectors 212.
  • Each connector (210, 21 1) located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 is surmounted by a seal (220, 221), preferably plane, electrical insulator and thermal conductor.
  • each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector.
  • the seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction.
  • the thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders.
  • the joints, electrical insulators preferably have resistivities greater than 10 6 Ohm / m.
  • the thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K.
  • the seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous carpet.
  • the seals (220, 221) are placed between the connectors (210, 21 1) and a collection plate (230, 231), in the direction Z. Each seal is thus interposed between the connectors (210, 21 1) of the first face (201a, 202a) trays and the plate of thermally conductive material (230, 231) in contact with the seal. These seals provide a thermal connection between the connectors (210, 21 1) and the heat collection plates (230, 231) by substantial contact between their two faces.
  • the two plates 230 and 231 have very good thermal conduction properties.
  • Each plate covers all the joints of a plate positioned on the connectors presented by the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202.
  • the module comprising two plates 201 and 202 is thus provided with two plates 230 and 231 disposed towards outside as shown in Figure 3.
  • the two plates 230 and 231 are interconnected by rods 250 also having very good thermal conduction properties. These rods are fixed at their ends to the plates 230 and 231 by any appropriate fastening means, for example by screwing or welding, so as to provide an effective thermal bridge.
  • the rods 250 are of cylindrical shape. However, the stems may have other forms, preferably compatible with the shape of the cells in particular to facilitate their insertion between them. Thus, if prismatic cells are used in this third embodiment, a parallelepipedal shape of the rods may be appropriate, and the rods may be elongated thin plates in the vertical direction Z.
  • the set of rods and plates also form a rigid structure enveloping the cells in the housing, which protects the battery deformations induced by external forces acting on the housing.
  • the two plates 230 and 231, as well as the rods 250, are made from one or more thermal conducting materials, preferably metal materials, for example aluminum, or from composite materials containing thermal conductive fillers. such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders.
  • the heat collectors and the rods have a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K.
  • the plate 231 of the plate 202 is interposed between the seal 221 and a preconditioned PCM 260, identical to that described for the first and second embodiments of the invention.
  • the set of plates, rods and the MCP makes it possible to collect the heat of the connectors and the cells 200 of the whole module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells, including between the cells of the different trays.
  • the assembly formed by the cells 200, the connectors (210,21 1), the joints (220,221), and the thermal collector, formed by the plates, the rods and the MCP, are included in a housing 240 so as to provide substantial contact between the collector plate 230 and a thermally conductive wall 242 of the housing 240.
  • the housing is identical to that described with reference to FIG. It further comprises the thermally conductive wall for dissipating and removing the heat conducted by the plate 230 to the outside of the battery.
  • this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction.
  • the housing may also be made of plastic or composite material, for example comprising one or more thermoplastic polymers of the PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene) or nylon type.
  • the thermal conduction of the wall of the housing in contact with the plate is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 10 W / m / K.
  • the housing which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required.
  • the thermally conductive wall 242 of the housing 240 is in contact with the thermally conductive plate 230 of the thermal collector, so as to develop a contact surface such that the collected heat is dissipated and discharged to the outside of the battery passively.
  • the rods 250 can be attached to the housing 240.
  • FIG 4 is a schematic view in longitudinal section (in a plane parallel to the XY plane) of the battery shown in Figure 3. Only a portion of the battery is shown.
  • the lower plate 201 in particular the upper face 201 has six rows r1 to r6 of cells 200, each row having 4 cells.
  • the connectors 210 electrically connect the cells 200, by example two by two on the same row, and all the cells in the X direction of two adjacent rows.
  • Connectors 210 are metal foils with holes to allow the passage of rods 250, with which contact is avoided.
  • the rods 250 are disposed between four adjacent cells of the tray.
  • the space between four adjacent cylindrical cells may indeed be larger than the space between two adjacent cells on the same row or in the Y direction, and allow easier insertion of the rods.
  • rods are possible, with preferably at least one rod, and more preferably a rod number between 2 and (n-1) x (m-1).
  • the stems can thus be distributed randomly or in a particular symmetry between the cells of the trays.
  • One or more rods may also be positioned at the periphery of the trays, between the walls of the housing and the perimeter formed by the cells. Thermal conduction between the collection plates is improved with increasing number of rods.
  • the battery may comprise more than two cell trays.
  • an additional collection plate having very good thermal conduction properties, and pierced with holes for passing the rods, is inserted in contact with an additional seal placed on one of the faces of the additional plate intermediate to the two trays.
  • the contact between the additional collection plates and the stems is ensured in the rules of the trade, by adjustment and welding or by using a thermal paste.
  • FIG. 5 schematically represents a variant with three trays of the second embodiment.
  • the battery 3000 comprises a third plate 302, which is an intermediate plate disposed between the first plate 201 and the second plate 202, along the Z axis, which is also the axis of symmetry of the cells 200. and the second plate have their upper surface 201a and 202a closer to the housing 240 than their lower face 201b and 202b.
  • This intermediate plate 302 is organized in the same way as the plates 201 and 202 from the point of view of the arrangement of the cells 200 and connectors 31 1 and 313 which connect the terminals of the cells of the tray, the connectors 31 1 being carried by a first face 302a of the intermediate plate 302 and the connectors being carried by a second face 302b of the intermediate plate.
  • Other connectors 312 and 314 make it possible to electrically connect the cells of the intermediate plate and those of the first plate 201 and the second plate 202.
  • the battery comprises, for the third plate 302, an additional gasket 322, preferably plane, of electrical insulating material and thermal conductor surmounting each connector of the first face or the second face of the third plate, for example the first face 302a as shown in Figure 5.
  • the additional seal 322 preferably covers most of the terminals connected by each connector.
  • the additional seal 322 has holes allowing the passage of the rods 250.
  • An additional collection plate 332 of thermally conductive material is disposed on said additional seal, and also has holes for the passage of the rods.
  • the contact between the additional plate 332 and the rods 250 is for example made by adjustment and welding, or by using a thermal paste, for example a grease comprising silver particles, or a thermal conductive silicone.
  • the cells have been described in this third embodiment, with reference to FIGS. 3, 4 and 5, as being of cylindrical shape but any other form, such as prismatic cells, of parallelepipedal shape, can be envisaged.
  • the battery can be introduced under the rocker, and thus be cooled at the level of said face of the housing by forced convection with the outside air, the speed of the air depending on the speed of the vehicle.
  • the modular battery according to the invention can be used for many applications.
  • the modular battery according to the invention can be integrated in an electric or hybrid vehicle, and used for traction of such a vehicle, providing more safety during the operation of the vehicle through optimized thermal regulation and effective mechanical protection of the battery limiting the occurrence and propagation of short circuit in the battery.
  • a Li-ion battery module consisting of a 26650-size, L-LFP / C cylindrical cell array with 3 Ah capacity connected in series / parallel is considered. by metal connectors (nickel bar bus with a thickness of 200 ⁇ ). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C.
  • the tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a tray is set at 2 mm. The whole is held by flanges.
  • the module comprises an insulating electrical and thermally conductive plastic seal in the form of a 4 mm thick mat disposed on the connectors, a metal collection plate surmounting the gasket, with a thickness of 6 mm, and an organic thermal collector, disposed on the metal plate, containing a phase change material to a thickness of 10 mm.
  • the phase change material is a paraffin having a melting temperature of 40 ° C and a latent heat of 200 kJ / kg.
  • the metallic and organic thermal collectors are in direct contact on their entire surface. The seal ensures the thermal connection between the connectors of the cells and the metal plate.
  • the set is placed in a waterproof plastic case 2 mm thick. A distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided in this case in order to position the electronic cards, among others.
  • a Li-ion battery module consisting of two superposed plateaus of 26650-format LFP / C Li-ion cells and 3Ah capacitors connected in series / parallel by metal connectors (a nickel bar bus with a thickness of 200) is considered. ⁇ ).
  • the maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C.
  • Each tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a plate is set at 2 mm. The distance between the trays is 9 mm. The whole is held by flanges.
  • the module is clamped between two flanges, and placed in a waterproof housing leaving a distance of 2 cm on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided in this case in order to be able to position the electronic cards in isolation from the connected cells.
  • the housing further comprises a bottom provided with aluminum fins.
  • the module comprises, on the face bearing the connectors of each tray, an insulating plastic electrical and thermally conductive in the form of 4 mm thick mat, arranged in contact with the connectors on the one hand, and a plate of metal heat collection with a thickness of 6 mm on the other hand.
  • the seal ensures the thermal connection between the connectors of the cells and the metal plates of the thermal collectors.
  • a pre-conditioned MCP is placed above the upper tray metal collection plate: a MCP plate bagged in a 1 cm thick welded metal-plastic bag and 15 x 20 cm 2 surface is placed on the top plate. metal collection of the upper plate.
  • the total mass is about 400 g.
  • the phase change material is a paraffin having a melting point of 40 ° C, a latent heat of 200 kJ / kg and a density of 0.8 g / cm 3 .
  • the metal collection plate of the lower plate is in direct contact with the underside of the sealed housing.
  • a first reference battery according to the state of the art comprises a module comprising a simple waterproof plastic case 2 mm thick.
  • the module features a cylindrical LFP / C Li-ion cell tray
  • the tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a tray is set at 2 mm. The whole is held by flanges.
  • Example 4 according to the prior art
  • a second reference battery according to the state of the art also comprises a module comprising a simple waterproof plastic case 2 mm thick.
  • the housing further comprises a bottom provided with aluminum fins.
  • the module comprises two superimposed trays of LFP / C cylindrical Li-ion cells of 26650 format and capacity 3 Ah connected in series / parallel by metal connectors (bus bar made of nickel with a thickness of 200 ⁇ ).
  • the maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C.
  • Each tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a plate is set at 2 mm. The distance between the trays is 9 mm. The whole is held by flanges.
  • the module is clamped between two flanges, and a distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided, in particular to position the electronic cards.
  • the entire module has an initial temperature of 20 ° C.
  • the external boundary conditions amount to imposing a thermal insulation on the upper face of the module, a heat exchange coefficient with the outside air on the housing of 10W / m 2 / K.
  • This module is electrically solicited according to a charge and discharge cycle, namely a recharge of 5 A for 10 minutes followed by a discharge of 5 A for 10 minutes.
  • the module undergoes 6 times this type of cycle corresponding to a duration of 2 hours in total.
  • FIG. 6 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycle in the first reference battery according to the prior art (example 3).
  • FIG. 7 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycle in the second reference battery according to the prior art (example 4).
  • a scale of temperature is given on the right by a variation of gray levels.
  • the abscissa represents a distance in meters in the direction Y and the ordinate represents a distance in meters in the direction Z (height of the battery).
  • FIG. 8 shows the result of the rise in temperature observed after the cycle defined in the example 1 of the modular battery according to the invention.
  • the temperature of the cells after the cycle remains homogeneous around 51 ° C., as indicated by the dotted lines on the temperature scale, ie 4 ° C. of difference with the reference cases according to the prior art.
  • the battery according to the invention as exemplified allows the continued use of the module for more than 2 hours (and until the total melting of the phase change material).
  • FIG. 9 shows the result of the rise in temperature observed after the cycle defined in the example 2 of the modular battery according to the invention.
  • a cell temperature varying between 51 ° C (bottom plate) and 52 ° C (top plate)
  • a use of the module during more than two hours (and until the total melting of the phase change material).
  • the battery according to the invention allows a lower overall heating compared to a battery according to the prior art as exemplified, which allows for example to increase the cycle time while remaining below a temperature setpoint. Max.

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Abstract

The invention pertains to an improved modular electric battery incorporating mechanical protection and thermal regulation functions. The battery comprises: o a set of rechargeable cells (100) connected together electrically, disposed so as to form at least one tray (101) comprising at least one first face (101a) comprising means of electrical connection (110) between cells, o a thermal regulation and protection device comprising at least: ■ a joint made of a material which is both electrically insulating and heat conducting (120) ; ■ a thermal collector comprising at least one pre-conditioned change of phase material (130) in contact with the joint; said joint being intercalated between the electrical connection means (110) of the first face and the thermal collector (130); o a casing (140) containing at least the set of cells.

Description

BATTERIE ELECTRIQUE MODULAIRE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE  MODULAR ELECTRICAL BATTERY COMPRISING A DEVICE
PROTECTION ET DE REGULATION THERMIQUE  PROTECTION AND THERMAL REGULATION
Domaine de l'invention Field of the invention
La présente invention concerne le domaine des batteries électriques modulaires The present invention relates to the field of modular electric batteries
(ou packs batteries), notamment la régulation thermique des batteries électriques modulaires rechargeables. (or battery packs), including the thermal regulation of rechargeable modular electric batteries.
Contexte général General context
L'utilisation de packs batteries comme sources réversibles d'énergie et de puissance dans les applications portables est courante, et elle se généralise dans les applications de traction et les applications stationnaires. Dans ces applications où des niveaux de puissance et/ou énergie élevés sont nécessaires, les packs batteries sont généralement formés de modules, connectés entre eux en série et/ou en parallèle suivant l'application visée. Chaque module intègre une pluralité de cellules élémentaires, qui sont des cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique, connectées en série et/ou en parallèle par une connectique appropriée au passage du courant. Une architecture de batterie électrique modulaire, où des modules compacts de taille intermédiaire constituent individuellement une source d'énergie et de puissance, est classiquement utilisée car elle apporte une flexibilité pour l'agencement, l'utilisation et la maintenance des modules.  The use of battery packs as reversible sources of energy and power in portable applications is common, and it is becoming more common in traction applications and stationary applications. In these applications where high power and / or energy levels are required, the battery packs are generally formed of modules connected together in series and / or in parallel depending on the intended application. Each module integrates a plurality of elementary cells, which are electrochemical cells for storing and restoring electrical energy, connected in series and / or in parallel by appropriate connections to the current flow. A modular electric battery architecture, where compact modules of intermediate size individually constitute a source of energy and power, is conventionally used because it provides flexibility for the arrangement, use and maintenance of the modules.
Certaines fonctions du pack batterie comme la régulation thermique, la protection mécanique et la sécurité pour le stockage réversible de l'énergie électrique doivent alors être prises en compte et assurées au niveau du module de batterie. Certain functions of the battery pack such as thermal regulation, mechanical protection and safety for the reversible storage of electrical energy must then be taken into account and ensured at the level of the battery module.
Actuellement, différentes technologies de batteries rechargeables, aussi appelées batteries secondaires, assurant le stockage réversible d'énergie électrique sous forme électrochimique, sont utilisées pour les applications associées à la traction électrique des véhicules ou aux énergies stationnaires. Parmi celles-ci, les batteries Li-ion sont largement étudiées. At present, various rechargeable battery technologies, also known as secondary batteries, for the reversible storage of electrical energy in electrochemical form, are used for applications associated with electric traction of vehicles or with stationary energies. Among these, Li-ion batteries are widely studied.
Un module de batterie doit être régulé thermiquement notamment car la charge et la décharge des cellules entraînent des élévations de température, en particulier dues à la résistance interne des cellules et à celle des connectiques reliant les cellules. Or, une batterie doit fonctionner dans une gamme de température limitée, notamment les batteries Li-ion, afin d'une part de prévenir tout risque d'emballement thermique des cellules, et d'autre part de limiter les phénomènes de vieillissement des cellules, qui affectent les performances du module et requièrent une maintenance accrue. A battery module must be thermally regulated in particular because the charging and discharging of the cells cause temperature rises, in particular due to the internal resistance of the cells and that of the connectors connecting the cells. However, a battery must operate in a limited temperature range, including Li-ion batteries, in order firstly to prevent any risk of thermal runaway of the cells, and secondly to limit the aging phenomena of the cells, that affect module performance and require increased maintenance.
Différents phénomènes indésirables peuvent intervenir si une ou plusieurs cellules d'un pack batterie se trouvent en dehors des plages de température et/ou de tension préconisées par le constructeur. Ces phénomènes peuvent être provoqués par un point chaud localement et/ou une surcharge, mais également par un endommagement mécanique sur les cellules, comme une perforation, ou un contact sur les connectiques provoquant un court-circuit. Various undesirable phenomena may occur if one or more cells of a battery pack are outside the ranges of temperature and / or voltage recommended by the manufacturer. These phenomena can be caused by a hot spot locally and / or overload, but also by mechanical damage to the cells, such as perforation, or contact on the connectors causing a short circuit.
Suivant la chimie de l'accumulateur, ces phénomènes vont pouvoir irréversiblement endommager les matériaux actifs, réduire la capacité de la cellule, rendre le système inopérant voire, provoquer un emballement thermique assorti de risques de feu et/ou de dégagements gazeux.  Depending on the chemistry of the accumulator, these phenomena will irreversibly damage the active materials, reduce the capacity of the cell, make the system inoperative or even cause a thermal runaway with fire risks and / or gassing.
Pour ce qui concerne les accumulateurs Li-ion, des systèmes de sécurité "passifs" peuvent être intégrés dans la conception de chaque élément (séparateur capable de couper irréversiblement la circulation de l'électrolyte entre les électrodes, compartiment à gaz et évent pour éviter la montée en pression, etc.) afin de réduire les risques d'emballement thermique. Une électronique spécifique peut également être intégrée dans la cellule, avec le même objectif. A l'échelle du module ou du pack, le système de gestion de la batterie, ou Battery Management System (BMS) en termes anglo-saxons, doit assurer le fonctionnement en toute sécurité en conditions d'usage normal et limiter les risques en usage abusif. Or les possibilités d'endommagement mécanique d'un pack sont multiples, eu égard aux versatilités des usages, notamment dans un véhicule. Si une protection mécanique externe est couramment utilisée, le BMS paraît impuissant à éviter un court-circuit initié sur les connectiques et la propagation de chaleur associée via les connectiques.  With regard to Li-ion batteries, "passive" safety systems can be integrated in the design of each element (separator capable of irreversibly cutting the flow of electrolyte between the electrodes, gas compartment and vent to prevent pressure rise, etc.) to reduce the risk of thermal runaway. Specific electronics can also be integrated into the cell, with the same purpose. At the level of the module or the pack, the battery management system, or Battery Management System (BMS) in English terms, must ensure the safe operation under normal use conditions and limit the risks in use abusive. Or the possibilities of mechanical damage to a pack are multiple, given the versatility of use, especially in a vehicle. If an external mechanical protection is commonly used, the BMS seems powerless to avoid a short circuit initiated on the connectors and the associated heat propagation via connectors.
Une protection mécanique du module est donc également importante pour réduire les risques d'endommagement par court-circuit, induits par exemple lors d'un choc qui conduit à la perforation d'une cellule ou lorsqu'un composant électriquement conducteur entre en contact avec les connectiques. La prise en compte des fonctions de régulation thermique et de protection mécanique à l'échelle du module dans une batterie électrique modulaire permet d'en améliorer la sécurité. Mechanical protection of the module is therefore also important to reduce the risk of damage by short circuit, induced for example during an impact that leads to the perforation of a cell or when an electrically conductive component comes into contact with the connectors. Taking into account the module-level thermal control and mechanical protection functions in a modular electric battery makes it possible to improve its safety.
De nombreuses techniques de refroidissement et diverses architectures de batteries modulaires existent. Many cooling techniques and various modular battery architectures exist.
Parmi elles, il est connu d'utiliser des matériaux à changement de phase (MCP), capables de stocker de la chaleur latente, pour la gestion thermique des batteries. Un MCP peut en effet emmagasiner ou restituer de la chaleur lorsqu'il change d'état, passant de l'état solide à l'état liquide et vice et versa. Un tel matériau est par exemple décrit dans la demande de brevet US 2013/0270476 A1 pour le refroidissement de batterie de type Li- ion cylindriques. Le matériau décrit est un MCP composite à base de polyéthylène glycol, de silice, et comportant un retardateur de flamme en graphite et polymère.  Among them, it is known to use phase change materials (PCM), capable of storing latent heat, for the thermal management of the batteries. A PCM can indeed store or return heat when it changes state, moving from solid to liquid state and vice versa. Such a material is for example described in the patent application US 2013/0270476 A1 for the cooling of cylindrical lithium battery type. The material described is a composite MCP based on polyethylene glycol, silica, and comprising a flame retardant graphite and polymer.
Une technique de refroidissement de batterie est décrite dans la demande de brevet US 2012/0107662 A1 , mettant en œuvre une matrice composite multicouches en graphite expansé infiltrée d'un MCP, sous forme de bloc, comprenant des orifices dans lesquels s'insèrent des cellules électrochimiques. La matrice thermiquement conductrice enveloppant au moins en partie les cellules, assure la gestion thermique de la batterie modulaire par dissipation passive de la chaleur vers l'extérieur du bloc de graphite.  A battery cooling technique is described in the patent application US 2012/0107662 A1, using a multilayer composite matrix made of expanded graphite infiltrated with a PCM, in block form, comprising orifices into which cells are inserted. electrochemical. The thermally conductive matrix at least partially enveloping the cells, provides thermal management of the modular battery by passive dissipation of heat towards the outside of the graphite block.
La demande de brevet US 2014/0004394 décrit également l'usage de MCP pour la gestion thermique de batterie, notamment pour chauffer la batterie lors du démarrage à froid, ou pour son refroidissement. Les MCP décrits sont par exemple une solution saline ou une paraffine, mis en œuvre dans un gel ou dans un ou plusieurs conteneurs en plastique ou en métal. Le gel ou les conteneurs remplis de MCP sont placés autour de la batterie ou encore directement dans la batterie. Ils agissent thermiquement par mise en contact avec la batterie, sous l'activation d'un événement extérieur (puise) pour ce qui est du réchauffement de la batterie par cristallisation du MCP.  The patent application US 2014/0004394 also describes the use of MCP for battery thermal management, in particular for heating the battery during cold start, or for cooling. The MCP described are for example a saline solution or a paraffin, implemented in a gel or in one or more containers of plastic or metal. The gel or containers filled with MCP are placed around the battery or directly into the battery. They act thermally by contact with the battery, under the activation of an external event (draw) with regard to the heating of the battery by crystallization of the MCP.
Cependant, aucun des dispositifs mentionnés ci-dessus n'apporte de solution quant au risque de développement de points chauds au niveau des connectiques des cellules électrochimiques, d'occurrence de court-circuit, et de propagation de la chaleur via les connectiques d'une cellule à l'autre en cas de court-circuit. D'autres systèmes de régulation thermique de batteries modulaires par dissipation active ou passive de la chaleur existent, qui ne font pas appel à l'utilisation de MCP. However, none of the devices mentioned above provides any solution as to the risk of developing hot spots at the level of the connections of the electrochemical cells, the occurrence of a short-circuit, and the propagation of heat via the connectors of a cell to another in case of short circuit. Other thermal regulation systems for modular batteries by active or passive heat dissipation exist, which do not use the use of MCP.
La demande de brevet US 2013/0089768 A1 décrit par exemple un pack batterie dans lequel des inserts conducteurs thermiques sont glissés entre des cellules cylindriques parallèlement à leurs axes, et sont fixés au boîtier du pack par une extrémité au moins. Ces inserts dissipent la chaleur captée par contact direct avec les faces latérales des cellules vers l'extérieur du pack batterie. Toutefois, la chaleur conduite et dissipée par les connectiques n'est pas drainée vers l'extérieur, au risque de générer des points chauds dans le module, et aucune précaution n'est prise quant au risque de propagation par les connectiques de la chaleur générée par un court-circuit d'une cellule à l'autre.  The patent application US 2013/0089768 A1 for example describes a battery pack in which thermal conductive inserts are slid between cylindrical cells parallel to their axes, and are attached to the package housing by at least one end. These inserts dissipate the heat captured by direct contact with the lateral faces of the cells towards the outside of the battery pack. However, the heat conducted and dissipated by the connectors is not drained to the outside, at the risk of generating hot spots in the module, and no precaution is taken as to the risk of propagation by the connectors of the heat generated. by a short circuit from one cell to another.
La demande de brevet WO 2012/136439 A1 décrit une batterie modulaire comprenant un empilement de cellules, dans laquelle au moins un élément de refroidissement est inséré entre deux cellules prismatiques adjacentes dans l'empilement. L'élément de refroidissement comporte une section thermo-conductrice située entre les cellules et une section de refroidissement qui ressort latéralement à l'extérieur de l'empilement. Cependant, la chaleur collectée et dissipée par les connectiques n'est pas drainée vers l'extérieur, risquant alors de générer des points chauds propices à l'emballement thermique et des gradients thermiques au sein de la cellule propices au vieillissement. De surcroît, la structure du module de batterie apparaît protubérante plutôt que compacte, ce qui n'est pas souhaitable pour l'agencement des modules d'un pack modulaire en milieu confiné.  The patent application WO 2012/136439 A1 describes a modular battery comprising a stack of cells, in which at least one cooling element is inserted between two adjacent prismatic cells in the stack. The cooling element has a thermo-conductive section located between the cells and a cooling section that projects laterally out of the stack. However, the heat collected and dissipated by the connectors is not drained to the outside, thus risking generating hot spots conducive to thermal runaway and temperature gradients within the cell conducive to aging. In addition, the structure of the battery module appears protruding rather than compact, which is not desirable for the arrangement of the modules of a modular pack in a confined space.
La demande de brevet US 2012/0034499 A1 décrit une batterie modulaire dans laquelle une bande thermique, possédant des propriétés de conduction thermique et électrique élevées, est connectée entre la borne d'une première cellule et la borne d'une seconde cellule, et est reliée à la paroi du boîtier de la batterie présentant une conductivité thermique élevée par un dispositif de pont thermique caractérisé par son isolation électrique. Cependant, aucune précaution n'est prise quant aux risques d'occurrence de court-circuit et de propagation de court-circuit au niveau des connectiques, notamment de propagation de la chaleur d'une cellule à l'autre.  US patent application 2012/0034499 A1 discloses a modular battery in which a thermal band, having high thermal and electrical conduction properties, is connected between the terminal of a first cell and the terminal of a second cell, and is connected to the wall of the battery case having a high thermal conductivity by a thermal bridge device characterized by its electrical insulation. However, no precaution is taken as to the risks of occurrence of short-circuit and short-circuit propagation at the level of connectors, including heat propagation from one cell to another.
La demande de brevet EP 2 530 778 A1 décrit un autre exemple de batterie modulaire dans laquelle est réalisée une dissipation active de la chaleur par un système de ventilation interne ou externe à la batterie, ou par un système de circulation d'un fluide de refroidissement. La batterie comporte un ensemble d'inserts conducteurs thermiques et isolants électriques, fixés à un socle dissipateur thermique, glissés entre des cellules cylindriques parallèlement à leurs axes, qui isolent de manière étanche les cellules individuellement au niveau des faces latérales et inférieures. Ces inserts captent la chaleur dégagée par contact direct avec les faces latérales des cellules et la conduisent vers le dissipateur thermique qui est ventilé par un système de ventilation interne ou externe à la batterie, ou qui est en contact avec un échangeur de chaleur. Ce type de batterie, spécifique aux batteries rechargeables cylindriques, a pour principal inconvénient de reposer sur une dissipation active de la chaleur, nécessitant de l'énergie. D'autre part le système présente une structure complexe, comportant divers éléments composites imbriqués les uns dans les autres. Patent application EP 2 530 778 A1 describes another example of a modular battery in which an active dissipation of heat by an internal or external ventilation system to the battery, or by a system for the circulation of a fluid is performed. cooling. The battery comprises a set of thermal insulating and electrical insulating inserts, attached to a heat sink base, slid between cylindrical cells parallel to their axes, which individually seal the cells at the side and bottom faces. These inserts capture the heat released by direct contact with the side faces of the cells and lead to the heat sink which is ventilated by a ventilation system internal or external to the battery, or which is in contact with a heat exchanger. This type of battery, specific to cylindrical rechargeable batteries, has the main disadvantage of being based on an active dissipation of heat, requiring energy. On the other hand the system has a complex structure, comprising various composite elements nested in each other.
Objectifs et résumé de l'invention Objectives and summary of the invention
La présente invention a pour objectif de surmonter au moins en partie les problèmes de l'art antérieur mentionnés ci-dessus, et vise généralement à fournir une batterie électrique modulaire améliorée en termes de sécurité par une intégration combinée de fonctions de régulation thermique et de protection mécanique de la batterie.  It is an object of the present invention to overcome at least in part the above-mentioned prior art problems, and generally aims at providing a safety enhanced modular electric battery by a combined integration of thermal regulation and protection functions. mechanical battery.
La présente invention vise en particulier à fournir une batterie modulaire qui peut à la fois être régulée thermiquement, sans nécessiter un apport d'énergie spécifique extérieur à la batterie pour cette régulation thermique, de manière à prévenir tout risque d'emballement thermique des cellules et à limiter les phénomènes de vieillissement des cellules, et dans laquelle les risques d'endommagement de la batterie par occurrence et propagation de court-circuit pouvant être provoqués mécaniquement, en particulier au niveau des connectiques, sont limités. The present invention aims in particular to provide a modular battery that can both be thermally controlled, without requiring a specific energy input outside the battery for this thermal regulation, so as to prevent any risk of thermal runaway cells and to limit cell aging phenomena, and in which the risks of damage to the battery by occurrence and short-circuit propagation that can be caused mechanically, particularly at the level of connectors, are limited.
La présente invention est bien adaptée à la traction de véhicules électriques, notamment des véhicules électriques dans lesquels les sollicitations des batteries sont très importantes et peuvent entraîner un emballement thermique lié à un usage « abusif », allant au-delà de l'usage normal, ou lié à un endommagement mécanique. Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, une batterie électrique modulaire comportant : The present invention is well suited to the traction of electric vehicles, especially electric vehicles in which the solicitations of the batteries are very important and may cause a thermal runaway linked to an "abusive" use, going beyond the normal use, or linked to mechanical damage. Thus, to achieve at least one of the aforementioned objectives, among others, the present invention proposes, in a first aspect, a modular electric battery comprising:
- un ensemble de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique connectées électriquement entre elles, chaque cellule comportant une borne positive et une borne négative, les cellules étant disposées les unes à côté des autres pour former au moins un premier plateau comprenant au moins une première face comportant des moyens de connexion électrique entre les cellules,  a set of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy electrically connected to each other, each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to each other to form at least one first plate comprising at least one least a first face having electrical connection means between the cells,
- un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins :  a thermal protection and regulation device comprising at least:
o un joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique ; o un collecteur thermique comprenant au moins un matériau à changement de phase pré-conditionné ;  o a joint of material both electrical insulator and thermal conductor; a thermal collector comprising at least one pre-conditioned phase-change material;
le joint étant intercalé entre les moyens de connexion électrique de ladite première face et le collecteur thermique,  the seal being interposed between the electrical connection means of said first face and the thermal collector,
- un boîtier contenant au moins ledit ensemble de cellules.  a housing containing at least said set of cells.
Selon un mode de réalisation, le collecteur thermique comprend en outre une première plaque en matériau thermiquement conducteur, la première plaque étant intercalée entre le joint et le matériau à changement de phase pré-conditionné.  According to one embodiment, the thermal collector further comprises a first plate of thermally conductive material, the first plate being interposed between the seal and the pre-conditioned phase-change material.
Selon un mode de réalisation, la batterie comprend au moins deux plateaux de cellules, disposés l'un face à l'autre par une deuxième face, opposée à la première face comportant des moyens de connexion, chaque plateau étant muni d'un dispositif de protection et de régulation thermique.  According to one embodiment, the battery comprises at least two trays of cells, arranged facing each other by a second face, opposite to the first face having connection means, each tray being provided with a protection and thermal regulation.
Selon un mode de réalisation, la batterie comprend un deuxième plateau de cellules similaire au premier plateau, et disposé face au premier plateau par une deuxième face opposée à la première face comportant des moyens de connexion, et :  According to one embodiment, the battery comprises a second plate of cells similar to the first plate, and disposed facing the first plate by a second face opposite to the first face having connection means, and:
- le boîtier comprend au moins une paroi thermiquement conductrice,  the housing comprises at least one thermally conductive wall,
- le dispositif de protection et de régulation thermique comprend en outre :  the thermal protection and regulation device furthermore comprises:
- un deuxième joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique intercalé entre les moyens de connexion électriques de la première face du deuxième plateau et une deuxième plaque en matériau thermiquement conducteur, ladite deuxième plaque étant au contact de la paroi thermiquement conductrice du boîtier, et  a second seal made of both electrical insulating material and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face of the second plate and a second plate made of thermally conductive material, said second plate being in contact with the thermally conductive wall of the housing; , and
- au moins une tige en matériau thermiquement conducteur fixée à ses deux extrémités aux première et deuxième plaques, la tige étant insérée entre les cellules. Selon ce mode de réalisation, la batterie peut comprendre au moins un plateau intermédiaire disposé entre les premier et deuxième plateaux, le dispositif de protection et de régulation thermique comprenant en outre un troisième joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique intercalé entre les moyens de connexion électrique de la première face du troisième plateau et une troisième plaque en matériau thermiquement conducteur, la tige en matériau thermiquement conducteur étant en outre fixée à la troisième plaque du plateau intermédiaire. at least one rod of thermally conductive material fixed at its two ends to the first and second plates, the rod being inserted between the cells. According to this embodiment, the battery may comprise at least one intermediate plate disposed between the first and second plates, the thermal protection and regulation device further comprising a third joint of both electrical insulating material and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face of the third plate and a third plate of thermally conductive material, the rod of thermally conductive material being further attached to the third plate of the intermediate plate.
De préférence, les cellules sont de type Li-ion.  Preferably, the cells are of Li-ion type.
Selon ce mode de réalisation, le matériau à changement de phase pré- conditionné comprend au moins une paraffine.  According to this embodiment, the pre-conditioned phase-change material comprises at least one paraffin.
Avantageusement, le matériau à changement de phase pré-conditionné a une température de fusion Tf comprise entre 0°C et une température maximale d'échauffement autorisé donnée pour les cellules, par exemple une température de fusion Tf comprise entre environ 0°C et environ 60°C.  Advantageously, the pre-conditioned phase-change material has a melting temperature Tf of between 0 ° C. and a given maximum allowed heating temperature for the cells, for example a melting temperature Tf of between approximately 0 ° C. and approximately 60 ° C.
Selon un mode de réalisation, le matériau à changement de phase préconditionné est un gel, ou un matériau à changement de phase inséré dans un ou plusieurs conteneurs, ou un matériau à changement de phase infiltré dans une matrice poreuse.  According to one embodiment, the preconditioned phase change material is a gel, or a phase change material inserted in one or more containers, or a phase change material infiltrated into a porous matrix.
Lorsque le collecteur thermique comprend au moins une plaque en matériau thermiquement conducteur intercalée entre le joint et le matériau à changement de phase pré-conditionné, la ou les plaques peuvent être formées d'un ou plusieurs matériaux thermiquement conducteur, de préférence du métal et/ou un matériau composite comprenant des charges thermiquement conductrices.  When the thermal collector comprises at least one plate of thermally conductive material interposed between the seal and the preconditioned phase change material, the plate or plates may be formed of one or more thermally conductive materials, preferably metal and / or or a composite material comprising thermally conductive fillers.
Le joint peut être sous une forme discontinue et constitué par un ensemble de lamelles, ou sous forme d'un tapis continu.  The seal may be in a discontinuous form and constituted by a set of lamellae, or in the form of a continuous carpet.
Avantageusement, le joint est en matière plastique.  Advantageously, the seal is made of plastic.
Selon un mode de réalisation, la paroi thermiquement conductrice du boîtier est en métal, de préférence en aluminium, ou en matériau plastique ou composite comprenant de préférence un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type acide polylactique, acrylonitrile-butadiène-styrène, ou nylon.  According to one embodiment, the thermally conductive wall of the housing is made of metal, preferably aluminum, or of plastic or composite material preferably comprising one or more thermoplastic polymers of the polylactic acid, acrylonitrile-butadiene-styrene or nylon type.
La présente invention porte également sur un véhicule électrique ou hybride comprenant une batterie selon l'invention, ainsi que sur un système de stockage stationnaire comprenant une batterie selon l'invention. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après. The present invention also relates to an electric or hybrid vehicle comprising a battery according to the invention, as well as to a stationary storage system comprising a battery according to the invention. Other objects and advantages of the invention will appear on reading the following description of particular embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples, the description being made with reference to the appended figures described herein. -after.
Brève description des figures Brief description of the figures
La figure 1 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon un premier mode de réalisation de l'invention.  Figure 1 is a schematic cross section of a modular battery according to a first embodiment of the invention.
La figure 2 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.  Figure 2 is a schematic cross section of a modular battery according to a second embodiment of the invention.
La figure 3 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention.  Figure 3 is a schematic cross section of a modular battery according to a third embodiment of the invention.
La figure 4 est une vue du dessus schématique d'une batterie modulaire selon le troisième mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 3.  FIG. 4 is a schematic top view of a modular battery according to the third embodiment of the invention illustrated in FIG. 3.
La figure 5 est une coupe transversale schématique d'une batterie modulaire selon une variante du troisième mode de réalisation de l'invention, comprenant trois plateaux de cellules.  Figure 5 is a schematic cross section of a modular battery according to a variant of the third embodiment of the invention, comprising three trays of cells.
Les figures 6 et 7 représentent l'élévation thermique dans des batteries modulaires selon l'art antérieur.  Figures 6 and 7 show the thermal elevation in modular batteries according to the prior art.
Les figures 8 et 9 représentent l'élévation thermique dans une batterie modulaire selon respectivement les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention. Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.  Figures 8 and 9 show the thermal elevation in a modular battery according to the first and second embodiments of the invention respectively. In the figures, the same references designate identical or similar elements.
Description de l'invention L'objet de l'invention est de proposer une batterie modulaire comportant un dispositif de régulation thermique par dissipation passive de la chaleur et de protection mécanique de la batterie, permettant d'améliorer la sécurité d'utilisation de la batterie. Par dispositif de dissipation passive de la chaleur, on entend un dispositif ne nécessitant pas, pour son fonctionnement, un système consommateur d'énergie extérieure à la batterie, notamment d'électricité, par opposition aux dispositifs de dissipation de chaleur actifs tels que des systèmes de ventilation d'air mettant en œuvre des ventilateurs ou des systèmes de circulation de fluide caloporteur avec pompe (échangeur de chaleur). DESCRIPTION OF THE INVENTION The object of the invention is to propose a modular battery comprising a thermal regulation device by passive dissipation of the heat and mechanical protection of the battery, making it possible to improve the safety of use of the battery . By passive heat dissipation device is meant a device that does not require, for its operation, a system for consuming energy external to the battery, in particular electricity, as opposed to active heat dissipating devices such as electrical systems. air ventilation system using ventilators or circulating heat transfer fluid systems with pump (heat exchanger).
Dans la présente description, on se référera indifféremment à l'expression batterie modulaire ou batterie électrique modulaire ou pack batterie, pour désigner une batterie électrique comportant au moins un module formé d'un boîtier et intégrant une pluralité de cellules élémentaires ou éléments, connectés en série et/ou en parallèle par une connectique appropriée au passage du courant. Le terme connectique et l'expression moyens de connexion électrique ont la même signification dans la présente description. La pluralité de cellules de chaque module peut être agencée sous forme de plateaux de cellules tels que décrits ci-après. Une batterie modulaire peut être composée de plusieurs modules connectés entre eux en série et/ou en parallèle suivant l'application visée. In the present description, reference will be made indifferently to the term modular battery or modular electric battery or battery pack, to designate an electric battery comprising at least one module formed of a housing and incorporating a plurality of elementary cells or elements, connected in series and / or in parallel by a suitable connection to the passage of the current. The term connector and the term electrical connection means have the same meaning in the present description. The plurality of cells of each module may be arranged in the form of cell trays as described below. A modular battery can be composed of several modules connected together in series and / or in parallel depending on the intended application.
Dans tout le présent exposé, sauf indication expresse contraire, un singulier doit être interprété comme un pluriel et réciproquement. Throughout this presentation, unless expressly stated otherwise, a singular must be interpreted as a plural and vice versa.
La présente invention concerne les batteries électriques modulaires rechargeables, c'est-à-dire comprenant des cellules rechargeables électriquement qui sont des cellules électrochimiques unitaires contenant deux électrodes mises au contact d'un électrolyte. Ces cellules sont des accumulateurs électrochimiques d'énergie, c'est-à- dire des générateurs électrochimiques rechargeables. Une telle cellule fonctionne spontanément dans le sens générateur lorsque ses électrodes sont mises en contact par un circuit électrique extérieur, par conversion de l'énergie chimique contenue dans les matières actives qui la composent directement en énergie électrique par l'intermédiaire de réactions d'oxydo-réduction (réactions redox). Ces réactions redox étant réversibles, la cellule peut accumuler de l'électricité en charge en branchant une alimentation électrique à ses bornes créant un courant inverse au sens de la décharge. The present invention relates to rechargeable modular electric batteries, that is to say comprising electrically rechargeable cells which are unit electrochemical cells containing two electrodes placed in contact with an electrolyte. These cells are electrochemical accumulators of energy, that is to say rechargeable electrochemical generators. Such a cell operates spontaneously in the generator direction when its electrodes are brought into contact by an external electrical circuit, by conversion of the chemical energy contained in the active substances that compose it directly into electrical energy via oxidation reactions. -reduction (redox reactions). Since these redox reactions are reversible, the cell can accumulate electricity under load by connecting a power supply to its terminals creating a reverse current in the direction of discharge.
La présente invention propose une régulation thermique d'une batterie électrique modulaire permettant d'absorber, et de restituer au besoin, la chaleur développée à la fois par les cellules et par leur connectique. En outre, ladite chaleur peut être dissipée et évacuée efficacement vers l'extérieur de la batterie. The present invention proposes a thermal regulation of a modular electric battery to absorb, and restore if necessary, the heat developed both by the cells and their connections. In addition, said heat can be dissipated and effectively evacuated to the outside of the battery.
En effet, le dispositif de protection et de régulation thermique selon l'invention permet avantageusement d'absorber, voire également de drainer vers l'extérieur de la batterie, la chaleur conduite et dissipée aux extrémités des cellules, développée par les cellules elles-mêmes ainsi que par les connectiques associées.  Indeed, the thermal protection and regulation device according to the invention advantageously makes it possible to absorb or even drain towards the outside of the battery, the heat conducted and dissipated at the ends of the cells, developed by the cells themselves. as well as the associated connectors.
La régulation thermique de la batterie selon l'invention est ainsi optimale en ce qu'il est plus efficace de récupérer la chaleur aux extrémités des cellules qu'en tout autre point, et qu'il est également possible de récupérer la chaleur développée par les connectiques, comme cela est expliqué ci-après.  The thermal regulation of the battery according to the invention is thus optimal in that it is more efficient to recover the heat at the ends of the cells than at any other point, and it is also possible to recover the heat developed by the cells. connectors, as explained below.
La température d'une cellule peut être calculée à partir d'un bilan d'énergie faisant intervenir : The temperature of a cell can be calculated from an energy balance involving:
- le flux de chaleur interne (pgen généré par l'activité de la cellule, associé aux pertes réversibles et irréversibles pour chaque réaction électrochimique, the internal heat flux (p gen generated by the activity of the cell, associated with the reversible and irreversible losses for each electrochemical reaction,
- le flux (ptra transféré vers le milieu ambiant à température Ta. the flow (p tra transferred to the ambient environment at temperature T a .
Le flux thermique net à travers un accumulateur, φ, peut être facilement calculé comme le bilan entre les flux internes et externes, i.e. φ = (pgen - q a- La quantité de chaleur stockée dans la batterie, obtenue par intégration du flux de chaleur dans le temps, permet alors de calculer la température de la batterie connaissant la relation (1 ) suivante: The net thermal flux through an accumulator, φ, can be easily calculated as the balance between the internal and external flows, ie φ = ( p gen - q a- The amount of heat stored in the battery, obtained by integrating the flow of heat in time, then allows to calculate the temperature of the battery knowing the following relation (1):
Mceii Cp - ^— ipgen (t)— iptra {t) Mceii Cp - ^ - ip gen (t) - iptra {t)
dt M \ où Cp est la capacité thermique spécifique moyenne de la cellule et Mcen sa masse. Le flux de chaleur généré par la partie active des cellules, noté (pgen s'écrit selon l'équation (2) suivante : dt M \ where Cp is the average specific heat capacity of the cell and the M n its mass. The heat flux generated by the active part of the cells, noted (p gen), is written according to the following equation (2):
dT dT
(2)  (2)
Avec : With:
R, la résistance de la cellule [Ω], OCV, open circuit voltage (la tension à vide de la batterie) [V], I, l'intensité du courant circulant dans la cellule [A], R, the resistance of the cell [Ω], OCV, open circuit voltage [V], I, the intensity of the current flowing in the cell [A],
T, la température de la cellule [K],  T, the temperature of the cell [K],
On distingue dans l'équation (2): We distinguish in equation (2):
une contribution ohmique reliée aux pertes par effet Joule φΜβε une contribution dite entropique :
Figure imgf000013_0001
an ohmic contribution related to losses by Joule effect φ Μβε a so-called entropic contribution:
Figure imgf000013_0001
La valeur de l'OCV et de dU / dT dépend de l'état de charge (SoC) qui est lui- même calculé en fonction de l'intensité. The value of the OCV and dU / dT depends on the state of charge (SoC) which is itself calculated according to the intensity.
La valeur de R dépend de l'état de charge et de la température.  The value of R depends on the state of charge and the temperature.
La dissipation thermique des cellules est anisotrope compte tenu des caractéristiques électriques et thermiques des cellules de batterie. En général, la composition interne des cellules électrochimiques induit des caractéristiques de conduction électrique et thermique de cellule significativement plus importantes dans le sens axial (défini par l'axe de symétrie principal supportant les connexions) que dans le sens radial (plan perpendiculaire au sens axial défini précédemment). On pourra citer à titre d'exemple les mesures réalisées par Drake et al., 2014 sur des cellules cylindriques Li-ion (S.J. Drake et al, Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells, Journal of Power Sources, 252 (2014) 298-304). En conséquence, le flux de chaleur produit par les cellules est sensiblement plus important dans le sens axial des cellules. The heat dissipation of the cells is anisotropic considering the electrical and thermal characteristics of the battery cells. In general, the internal composition of the electrochemical cells induces significantly greater electrical and thermal cell conduction characteristics in the axial direction (defined by the main axis of symmetry supporting the connections) than in the radial direction (plane perpendicular to the axial direction). defined above). As an example, the measurements made by Drake et al., 2014 on Li-ion cylindrical cells (SJ Drake et al, Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells, Journal of Power Sources, 252 ( 2014) 298-304). As a result, the heat flux produced by the cells is substantially greater in the axial direction of the cells.
Indépendamment de la dissipation thermique associée à la partie active des cellules, les connectiques en métal assurant la liaison électrique entre les cellules sont également le siège d'une dissipation thermique irréversible par effet Joules, selon l'équation (3) : connectique = RI2 Regardless of the heat dissipation associated with the active part of the cells, the metal connectors ensuring the electrical connection between the cells are also the seat of an irreversible heat dissipation by Joules effect, according to equation (3): connectors = RI 2
(3) Avec : (3) With:
R, la résistance de la connectique [Ω],  R, the resistance of the connection [Ω],
I, l'intensité du courant circulant dans la connectique [A]. En conséquence, réchauffement des batteries en usage nominal correspond à la somme des effets donnés dans les équations (1 ) et (3).  I, the intensity of the current flowing in the connection [A]. As a result, the nominal heating of the batteries corresponds to the sum of the effects given in equations (1) and (3).
La batterie électrique modulaire selon l'invention comporte : The modular electric battery according to the invention comprises:
- un ensemble de cellules connectées électriquement entre elles, chaque cellule comportant une borne positive et une borne négative, les cellules étant disposées les unes à côté des autres pour former au moins un plateau comprenant au moins une première face comportant des moyens de connexion électrique entre cellules,  a set of cells electrically connected to each other, each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to one another to form at least one plate comprising at least one first face comprising electrical connection means between cell
- un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins un joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique intercalé entre les moyens de connexion électrique de la première face et un collecteur thermique comprenant un matériau à changement de phase (MCP) pré-conditionné en contact avec le joint,  a thermal protection and regulation device comprising at least one joint of both electrical insulating material and thermal conductor interposed between the electrical connection means of the first face and a thermal collector comprising a phase change material (PCM) -conditioned in contact with the seal,
- un boîtier contenant au moins l'ensemble de cellules.  a housing containing at least the set of cells.
Selon l'invention, la régulation thermique de la batterie modulaire se fait uniquement de manière passive, par absorption/restitution des calories par le MCP, et éventuellement dissipation et évacuation de la chaleur à l'extérieur. Ainsi, il est notamment possible de s'affranchir de systèmes complexes de régulation thermique, pouvant être encombrants et consommateurs d'énergie. Un premier mode de réalisation de la batterie selon l'invention est illustré à la figure 1 . La batterie est représentée de manière schématique selon une coupe transversale. Seule une partie de la batterie est représentée. According to the invention, the thermal regulation of the modular battery is only passive, by absorption / return of calories by the MCP, and optionally heat dissipation and evacuation to the outside. Thus, it is possible to overcome the complex systems of thermal regulation, which can be cumbersome and energy consumers. A first embodiment of the battery according to the invention is illustrated in FIG. The battery is shown schematically in cross section. Only a part of the battery is represented.
Pour la suite de la description, on définit une direction longitudinale X selon la longueur de la batterie, une direction transversale Y selon la largeur de la batterie, le plan (XY) étant défini comme horizontal. On définit également une direction verticale Z selon la hauteur de la batterie, perpendiculaire au plan (XY), et formant avec la direction Y un plan vertical (YZ). La batterie modulaire 1000 comporte un module comprenant une pluralité de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique 100. For the remainder of the description, a longitudinal direction X is defined according to the length of the battery, a transverse direction Y according to the width of the battery, the plane (XY) being defined as horizontal. A vertical direction Z is also defined according to the height of the battery, perpendicular to the plane (XY), forming with the direction Y a vertical plane (YZ). The modular battery 1000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 100.
Les cellules 100 sont des cellules Li-ion prismatiques dont les bornes positive et négative sont situées sur une même face de la cellule. Les cellules 100 sont combinées électriquement en série et/ou parallèle, et sont arrangées de manière à former un ou deux plateaux. L'ensemble des cellules ainsi connectées développent une tension et une capacité adaptées à des applications pour lesquelles une cellule unique ne suffit pas, telles que des applications de traction de véhicules.  The cells 100 are prismatic Li-ion cells whose positive and negative terminals are located on one and the same face of the cell. The cells 100 are electrically combined in series and / or parallel, and are arranged to form one or two trays. All the cells thus connected develop a voltage and capacity adapted to applications for which a single cell is not sufficient, such as vehicle traction applications.
La figure 1 représente un exemple de batterie comprenant un plateau de cellules 101 . Un plateau est défini comme un arrangement sur un même plan horizontal (XY) de plusieurs cellules disposées les unes à côté des autres et connectées électriquement. Les cellules sont arrangées sur le plateau parallèlement à leur axe principal de symétrie, qui passe par la ou les faces de la cellule portant les bornes, selon la direction verticale Z. Le plateau est formé d'une ou plusieurs rangées de cellules 100, chaque rangée de cellules s'étendant selon la direction transversale Y.  FIG. 1 represents an exemplary battery comprising a tray of cells 101. A tray is defined as an arrangement on the same horizontal plane (XY) of several cells arranged next to each other and electrically connected. The cells are arranged on the plate parallel to their main axis of symmetry, which passes through the face or faces of the cell carrying the terminals, in the vertical direction Z. The plate is formed of one or more rows of cells 100, each row of cells extending in transverse direction Y.
Sur la coupe transversale de la figure 1 , sont représentées, pour le plateau 101 , six cellules 100 alignées selon la direction Y pour former une rangée. Le plateau 101 comporte une face supérieure 101 a opposée à une face inférieure 101 b. La face supérieure 101 a, comporte les bornes des cellules prismatiques 100.  In the cross-section of FIG. 1, there are shown, for the plate 101, six cells 100 aligned in the Y direction to form a row. The plate 101 has an upper face 101a opposite a lower face 101b. The upper face 101 has the terminals of the prismatic cells 100.
Les cellules 100 du plateau peuvent être en contact, tel que représenté à la figure 1 , ou être séparées d'un espace. Un flasque (non représenté) est éventuellement utilisé pour maintenir, au sein d'un plateau, les cellules 100 à une distance fixe les unes des autres. The cells 100 of the plate may be in contact, as shown in Figure 1, or be separated from a space. A flange (not shown) is optionally used to maintain, in a tray, the cells 100 at a fixed distance from each other.
Sur le plateau, chaque cellule 100 est connectée par l'intermédiaire d'au moins une de ses bornes à l'une des bornes d'une cellule 100 voisine au moyen d'une connectique 1 10 appropriée au passage du courant, par exemple une connectique métallique, tel qu'un clinquant de cuivre ou de nickel. Ainsi, toutes les cellules, sauf dans certains cas celles qui sont situées à la périphérie du plateau, sont connectées par l'intermédiaire de leur deux bornes à deux cellules voisines par une connectique métallique 1 10. Sur la figure 1 , les cellules alignées selon une rangée sur le plateau sont par exemple reliées en série : les connectiques 1 10 représentées relient une borne positive à une borne négative de deux cellules adjacentes sur une même rangée, les connectiques reliant les autres bornes de ces mêmes cellules se situent dans un autre plan que celui de la coupe de la figure 1 . On the plate, each cell 100 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 100 by means of a connection 1 1 suitable for the current flow, for example a metallic connectors, such as a copper or nickel foil. Thus, all the cells, except in some cases those located on the periphery of the plate, are connected via their two terminals to two neighboring cells by a metal connector 1 10. In Figure 1, the cells aligned according to a row on the plate are for example connected in series: the connectors 1 10 shown connect a positive terminal to a negative terminal of two adjacent cells on the same row, the Connectors connecting the other terminals of these same cells are located in another plane than that of the section of Figure 1.
Chaque connectique 1 10 est surmontée par un joint 120, de préférence plan, isolant électrique et conducteur thermique. De préférence, chaque joint recouvre la plus grande partie de la surface des bornes reliées par chaque connectique.  Each connector 1 10 is surmounted by a seal 120, preferably plane, electrical insulator and thermal conductor. Preferably, each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector.
Les joints sont fabriqués à base d'un matériau polymère, non conducteur électrique, incluant des charges conductrices thermiques de manière à préserver l'isolation électrique tout en assurant un certain niveau de conduction thermique. Les charges conductrices thermiques peuvent être du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les joints, isolants électriques, présentent de préférence des résistivités supérieures à 106 Ohm/m. La conductivité thermique des joints est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K. The seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction. The thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The joints, electrical insulators, preferably have resistivities greater than 10 6 Ohm / m. The thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K.
Les joints peuvent se présenter sous forme de lamelles (forme discontinue du joint) ou d'un tapis continu.  The seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous carpet.
Les joints 120 sont placés entre les connectiques 1 10 et un collecteur thermique The seals 120 are placed between the connections 1 10 and a thermal collector
130, selon la direction verticale Z. Chaque joint est ainsi intercalé entre les connectiques 1 10 de la première face 101 a du plateau et le collecteur thermique comprenant au moins un matériau à changement de phases pré-conditionné 130 en contact avec le joint. Ces joints assurent une liaison thermique entre les connectiques 1 10 et le collecteur thermique 130 par contact substantiel entre leurs deux faces. 130, in the vertical direction Z. Each seal is thus interposed between the connectors 1 10 of the first face 101a of the plate and the thermal collector comprising at least one pre-conditioned phase change material 130 in contact with the seal. These seals provide a thermal connection between the connectors 1 10 and the thermal collector 130 by substantial contact between their two faces.
Selon ce premier mode de réalisation, le collecteur thermique comprend au moins un MCP pré-conditionné. Le MCP pré-conditionné permet de collecter la chaleur des connectiques et des cellules 100 de tout le module. Une telle configuration permet également une répartition homogène de la chaleur entre les cellules.  According to this first embodiment, the thermal collector comprises at least one pre-conditioned MCP. The pre-conditioned MCP makes it possible to collect the heat from the connectors and cells 100 of the entire module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells.
Le MCP est un composé présentant une transition réversible entre les phases solide et liquide autour d'une certaine température, accompagnée d'une enthalpie de cristallisation/fusion plutôt élevée. Le MCP est caractérisé par une température de fusion Tf et une enthalpie de fusion données. La fusion du MCP est endothermique tandis que la solidification est exothermique. Ainsi, le passage de l'état solide à l'état liquide permet d'absorber la chaleur produite par les cellules du module et leurs connectiques. Cette chaleur, produite par exemple durant un cycle de charge/décharge en courant, est conduite par les connectiques 1 10 vers les joints 120 jusqu'au collecteur thermique 130, et va chauffer par conduction le MCP pré-conditionné jusqu'à son point de fusion. La fusion accompagnant le passage de l'état cristallin à l'état liquide étant endothermique, elle permet d'absorber et stocker réversiblement des calories. L'échauffement global de la batterie modulaire est donc ainsi réduit, par exemple lors de l'application d'un cycle de charge/décharge dans la batterie. MCP is a compound with a reversible transition between the solid and liquid phases around a certain temperature, accompanied by a rather high enthalpy of crystallization / melting. MCP is characterized by a melting temperature Tf and a given melting enthalpy. The MCP melting is endothermic while the solidification is exothermic. Thus, the passage from the solid state to the liquid state makes it possible to absorb the heat produced by the cells of the module and their connectors. This heat, produced for example during a charging / discharging current cycle, is conducted by the connections 1 10 to the joints 120 to the heat collector 130, and will heat conduction of the pre-conditioned MCP to its point of contact. fusion. The fusion accompanying the passage from the crystalline state to the liquid state being endothermic, it can absorb and store reversibly calories. The overall heating of the modular battery is thus reduced, for example when applying a charge / discharge cycle in the battery.
Inversement, le passage de l'état liquide à l'état solide permet de produire une certaine chaleur qui va être transférée aux cellules du module par leurs connectiques. Cette chaleur résultant de la solidification du MCP préconditionné lors de sa solidification, produite par exemple durant une phase de stockage, est conduite par le collecteur thermique 130 vers les joints 120 jusqu'aux connectiques 1 10, et va chauffer par conduction les cellules. La solidification accompagnant le passage de l'état liquide à l'état solide étant exothermique, elle permet de maintenir la température de la batterie modulaire au-dessus de la température ambiante tout au long de la solidification. Le refroidissement de la batterie modulaire est donc ainsi limité, par exemple lors du stockage pour limiter les désagréments d'un démarrage à froid.  Conversely, the passage from the liquid state to the solid state makes it possible to produce a certain heat that will be transferred to the cells of the module by their connectors. This heat resulting from the solidification of the preconditioned MCP during its solidification, produced for example during a storage phase, is conducted by the heat collector 130 to the joints 120 to connectors 1 10, and will heat conduction cells. The solidification accompanying the passage from the liquid state to the solid state being exothermic, it makes it possible to maintain the temperature of the modular battery above ambient temperature throughout the solidification. The cooling of the modular battery is thus limited, for example during storage to limit the inconvenience of a cold start.
Avantageusement, la température de fusion Tf est comprise entre 0°C et une température maximale d'échauffement autorisé donnée pour les cellules, par exemple la température maximale d'usage des cellules spécifiée par le constructeur des cellules. La température de fusion Tf est avantageusement comprise entre environ 0°C et environ 60°C, par exemple pour le cas d'utilisation de batteries Lithium-ion. LA température de fusion peut également être comprise entre la température ambiante et la température maximale d'usage des cellules spécifiée par le constructeur des cellules, soit par exemple environ 20°C et environ 60°C pour le cas d'utilisation de batteries Lithium-ion.  Advantageously, the melting temperature Tf is between 0 ° C. and a given maximum temperature for allowed heating for the cells, for example the maximum temperature of use of the cells specified by the manufacturer of the cells. The melting temperature Tf is advantageously between about 0 ° C. and about 60 ° C., for example for the case of using lithium-ion batteries. The melting temperature may also be between ambient temperature and the maximum cell use temperature specified by the cell manufacturer, for example about 20 ° C. and about 60 ° C. for the case of using lithium-ion batteries. ion.
De préférence, le MCP pré-conditionné comprend au moins un composé organique, tel qu'une paraffine. Il peut comprendre un mélange de différentes coupes paraff iniques. Le MCP pré-conditionné peut comprendre des additifs permettant d'améliorer la conduction thermique, tels que des charges céramiques ou métalliques ou des oxydes métalliques, et/ou des additifs permettant d'améliorer la résistance au feu connus sous le nom d'agents retardateurs de flammes.  Preferably, the pre-conditioned MCP comprises at least one organic compound, such as paraffin. It may comprise a mixture of different paraffinic sections. The preconditioned PCM may include additives for improving heat conduction, such as ceramic or metal fillers or metal oxides, and / or fire resistance improving additives known as retarders. of flames.
Le MCP est pré-conditionné, c'est-à-dire qu'il a été mis sous une forme permettant d'éviter tout écoulement dans la batterie lorsque celui-ci est dans un état fondu. Ce conditionnement préalable à la mise en œuvre du MCP dans la batterie peut être réalisé suivant les techniques connues par l'homme de l'art, par exemple par formulation dans un gel, ou par insertion dans un ou plusieurs conteneurs, ou par infiltration dans une matrice poreuse. Plusieurs de ces techniques peuvent être combinées, par exemple en utilisant un MCP sous forme de gel placé dans un ou plusieurs conteneurs. The MCP is preconditioned, that is, it has been put into a form to prevent any flow into the battery when it is in a molten state. This conditioning prior to the implementation of the MCP in the battery can be carried out according to the techniques known to those skilled in the art, for example by formulation in a gel, or by insertion into one or more containers, or by infiltration into a porous matrix. Many of these techniques can be combined, for example by using a gel MCP placed in one or more containers.
Le MCP pré-conditionné peut ainsi être un gel chimique ou physique, réalisé à base de différents polymères, par exemple à partir de polystyrène-b-poly(éthylène- butylène)-b-polystyrène (SEBS) ou de silicones. Des exemples de tels gels sont par exemple décrits dans les brevets FR2957348, FR2840314 et FR2820752.  The pre-conditioned MCP can thus be a chemical or physical gel, made from different polymers, for example from polystyrene-b-poly (ethylene-butylene) -b-polystyrene (SEBS) or silicones. Examples of such gels are for example described in patents FR2957348, FR2840314 and FR2820752.
Le MCP peut également être placé dans un ou plusieurs conteneurs. Le conteneur peut être en plastique, incluant de préférence des additifs permettant d'améliorer la conductivité thermique, tel que des charges métalliques, des oxydes métalliques, ou des charges céramiques. Alternativement, le ou les conteneurs peuvent être en métal, par exemple en aluminium. Le ou les conteneurs peuvent également être de nature métalloplastique, par exemple sous forme d'une structure multicouche étanche comprenant au moins une couche de plastique et au moins une couche de métal. Cette dernière forme présente l'avantage d'être légère, souple, facile à mettre en œuvre, par exemple par soudage à chaud, et confère avantageusement au MCP une bonne conduction thermique grâce à la présence de métal.  The MCP can also be placed in one or more containers. The container may be plastic, preferably including additives for improving thermal conductivity, such as metal fillers, metal oxides, or ceramic fillers. Alternatively, the container or containers may be metal, for example aluminum. The container or containers may also be of a metalloplastic nature, for example in the form of a sealed multilayer structure comprising at least one layer of plastic and at least one layer of metal. The latter form has the advantage of being light, flexible, easy to implement, for example by hot welding, and advantageously gives the MCP good thermal conduction through the presence of metal.
Le MCP pré-conditionné peut également être une matrice poreuse infiltrée de MCP. La matrice poreuse peut être typiquement une structure de graphite expansé infiltrée de MCP, ce qui confère à la fois des propriétés mécaniques pour le confinement du MCP tout préservant une conductivité thermique élevée.  Pre-conditioned MCP can also be a porous matrix infiltrated with MCP. The porous matrix may typically be an expanded graphite structure infiltrated with MCP, which provides both mechanical properties for the confinement of MCP while maintaining high thermal conductivity.
La conductivité thermique du MCP pré-conditionné est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 0,5 W/m/K.  The thermal conductivity of the pre-conditioned PCM is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 0.5 W / m / K.
L'ensemble formé par les cellules 100, les connectiques 1 10, les joints 120, et le collecteur comprenant le MCP pré-conditionné 130, est inclus dans un boîtier 140. On entend par boîtier l'enveloppe délimitant l'intérieur du module de l'extérieur du module de la batterie généralement au contact de l'air. De préférence, ce boîtier est en matériau métallique, par exemple en aluminium, de manière à assurer un cloisonnement étanche entre l'intérieur du boîtier et l'extérieur tout en favorisant la conduction thermique. Le boîtier peut être également en matière plastique ou composite, comprenant par exemple un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type PLA (Acide polylactique), ABS (Acrylonitrile-butadiène-styrène), ou nylon. Le boîtier, qui peut être également monté en plusieurs parties de natures différentes, est de préférence étanche, et équipé de passages étanches pour l'entrée et la sortie des connexions électriques du module selon les besoins. Le boîtier peut comprendre des ailettes, à l'extérieur du module, permettant d'améliorer la dissipation et l'évacuation de la chaleur à l'extérieur de la batterie, par exemple au contact d'air. The assembly formed by the cells 100, the connectors 1 10, the seals 120, and the collector comprising the pre-conditioned MCP 130, is included in a casing 140. The term "casing" refers to the envelope delimiting the inside of the module. the outside of the battery module usually in contact with the air. Preferably, this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction. The housing may also be made of plastic or composite material, for example comprising one or more thermoplastic polymers of the PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene) or nylon type. The housing, which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required. The housing may comprise fins, outside the module, allowing to improve the dissipation and the evacuation of the heat outside the battery, for example in contact with air.
Ainsi, la batterie modulaire selon l'invention est avantageusement conçue pour former un drain thermique entre les sources de production de chaleur (cellules et connectiques) et le MCP pré-conditionné, dont la fusion permettra d'absorber une partie des calories produites en charge et en décharge, pendant une mission donnée. En conséquence, le risque d'atteindre un seuil de température maximum sera réduit, et la mission pourra par exemple être prolongée. Par ailleurs, le MCP peut également absorber la chaleur produite lors d'un court-circuit au niveau des connectiques, quand bien même la protection mécanique des connectiques assurée par le boîtier et par les joints réduit les risques d'occurrence et de propagation de court-circuit. On limite ainsi le développement de points chauds propices à l'emballement thermique de la batterie. On limite également le développement de gradients thermiques dans les cellules propices au vieillissement de celles-ci.  Thus, the modular battery according to the invention is advantageously designed to form a heat sink between the sources of heat production (cells and connectors) and the pre-conditioned MCP, the fusion of which will absorb some of the calories produced under load and in discharge, during a given mission. As a result, the risk of reaching a maximum temperature threshold will be reduced, and the mission may for example be extended. In addition, the MCP can also absorb the heat produced during a short circuit at the connectors, even if the mechanical protection of the connectors provided by the housing and the joints reduces the risks of occurrence and short propagation. -circuit. This limits the development of hot spots conducive to the thermal runaway of the battery. It also limits the development of thermal gradients in cells conducive to aging thereof.
La présente invention permet par exemple, de réduire, voire de supprimer, le recours à un système actif de régulation thermique additionnel éventuel, tel qu'un système de ventilation actif. Cela permet de réduire la consommation en énergie et de réaliser des économies sur les coûts d'installation et de maintenance afférents.  The present invention makes it possible, for example, to reduce or even eliminate the use of an active system of optional additional thermal regulation, such as an active ventilation system. This reduces energy consumption and saves on installation and maintenance costs.
En outre, la chaleur absorbée par le MCP pré-conditionné peut être restituée lors de sa solidification, ce qui permet de maintenir avantageusement la batterie pendant plusieurs heures dans des conditions thermiques ambiantes favorables à son utilisation, notamment lors du stockage de la batterie, et par exemple maintenir la batterie dans des conditions thermiques favorables au démarrage d'un véhicule électrique ou hybride, i.e. au-dessus de 0°C. Cela peut donc être avantageux pour éviter les baisses de performance, par exemple associées à un démarrage à froid dans le cas d'une application aux véhicules, tout comme cela limite le vieillissement de la batterie associé à un usage à froid. La durée de vie de batterie s'en trouve prolongée.  In addition, the heat absorbed by the pre-conditioned MCP can be restored during its solidification, which advantageously keeps the battery for several hours under ambient thermal conditions favorable to its use, especially during storage of the battery, and for example, to maintain the battery under favorable thermal conditions for starting an electric or hybrid vehicle, ie above 0 ° C. This may therefore be advantageous to avoid performance losses, for example associated with a cold start in the case of an application to vehicles, as it limits the aging of the battery associated with cold use. The battery life is prolonged.
La quantité de MCP pré-conditionné est ajustée selon les bénéfices attendus pour une application donnée. The amount of pre-conditioned PCM is adjusted according to the expected benefits for a given application.
Bien que les cellules soient représentées jointives, en contact les unes avec les autres, celles-ci pourraient être espacées selon une variante de ce premier mode de réalisation, au moyen par exemple d'un flasque, comme mentionné plus haut. La description de ce premier mode de réalisation a été faite en relation avec des cellules prismatiques, comportant leurs deux bornes sur une même face. Cependant, une variante avec des cellules d'une autre forme, comportant également leurs deux bornes sur une même face, ou encore une variante comprenant des cellules comportant une borne à chaque extrémités, comme cela est classiquement le cas des batteries cylindriques, par exemple de type Li-ion, peuvent être envisagées selon la présente invention. Although the cells are shown contiguous, in contact with each other, they could be spaced according to a variant of this first embodiment, for example by means of a flange, as mentioned above. The description of this first embodiment has been made in relation to prismatic cells, having their two terminals on one and the same face. However, a variant with cells of another shape, also having their two terminals on the same face, or alternatively comprising cells having a terminal at each end, as is conventionally the case for cylindrical batteries, for example Li-ion type, may be envisaged according to the present invention.
Un avantage lié à une batterie selon l'invention comprenant des cellules avec leur deux bornes sur une même face, tel que des cellules prismatiques, est que toutes les connectiques reliant les cellules entre elles sur un même plateau sont en contact avec le joint thermique, ce qui permet d'éviter d'évacuer la chaleur d'une connectique non en contact avec le joint thermique à travers l'accumulateur, et d'éviter d'éventuels points chauds au niveau des connectiques non en contact avec le joint.  An advantage associated with a battery according to the invention comprising cells with their two terminals on one and the same face, such as prismatic cells, is that all the connectors connecting the cells to one another on the same plate are in contact with the heat seal, which makes it possible to avoid evacuating the heat of a connector that is not in contact with the thermal seal through the accumulator, and to avoid possible hot spots at the connectors that are not in contact with the seal.
Diverses configurations de connexion électrique, en série et/ou en parallèle, entre les cellules d'un même plateau sont possibles selon l'invention, sans modifier la disposition générale en sandwich du joint surmontant les connectiques, lui-même surmonté par le collecteur thermique. Various configurations of electrical connection, in series and / or in parallel, between the cells of the same plate are possible according to the invention, without modifying the general arrangement in sandwich of the joint surmounting the connectors, itself surmounted by the thermal collector .
Un deuxième mode de réalisation de la batterie selon l'invention est illustré à la figure 2. La batterie modulaire 1 100 selon ce deuxième mode de réalisation est en tout point identique à celle selon le premier mode de réalisation décrit plus haut, à l'exception du fait que le collecteur thermique comprend, en plus du MCP pré-conditionné 1030, une plaque en matériau thermiquement conducteur 1060 qui est intercalée entre le joint 120 et le MCP pré-conditionné 1030. A second embodiment of the battery according to the invention is illustrated in FIG. 2. The modular battery 1 100 according to this second embodiment is in all respects identical to that according to the first embodiment described above, in FIG. except that the thermal collector comprises, in addition to the pre-conditioned MCP 1030, a plate of thermally conductive material 1060 which is interposed between the seal 120 and the pre-conditioned MCP 1030.
La plaque 1060 comprend un ou plusieurs matériaux conducteurs thermiques, de préférence des matériaux métalliques, par exemple de l'aluminium, ou des matériaux composites contenant des charges conductrices thermiques, telles que du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. La plaque 1060 a une conductivité thermique de préférence supérieure à 10 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 100 W/m/K. La plaque 1060 permet d'améliorer la collecte de la chaleur des connectiques et des cellules 100 de tout le module, ainsi qu'une répartition encore plus homogène de la chaleur entre les cellules. The plate 1060 comprises one or more thermal conducting materials, preferably metallic materials, for example aluminum, or composite materials containing thermal conductive fillers, such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The plate 1060 has a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K. The plate 1060 makes it possible to improve the heat collection of the connectors and the cells 100 of the entire module, as well as an even more homogeneous distribution of the heat between the cells.
Ce mode de réalisation permet donc avantageusement de diminuer encore le risque lié au développement de point chaud grâce notamment à une meilleure répartition de la chaleur.  This embodiment therefore advantageously makes it possible to further reduce the risk associated with hot-spot development, in particular by improving the distribution of heat.
Les deux faces du plateau, si elles comportent des connectiques reliant au moins une partie des cellules d'un plateau entre elles, peuvent être munies d'un ensemble joint/collecteur thermique tel que décrit pour les premier et deuxième modes de réalisation, illustrés aux figures 1 et 2. The two faces of the plate, if they comprise connectors connecting at least a portion of the cells of a plate between them, may be provided with a joint / heat collector assembly as described for the first and second embodiments, illustrated in FIGS. Figures 1 and 2.
La batterie modulaire selon l'invention, telle que décrite en relation avec les figures 1 et 2, peut comprendre plus d'un plateau. Une batterie modulaire comportant deux ou trois plateaux est par exemple bien adaptée aux applications de traction dans des véhicules électriques. Cependant, le nombre de plateau n'est pas limité et peut être établi selon les besoins en énergie de l'application visée. The modular battery according to the invention, as described in relation with FIGS. 1 and 2, may comprise more than one plate. A modular battery comprising two or three trays is for example well suited to traction applications in electric vehicles. However, the number of platters is not limited and can be set according to the energy requirements of the intended application.
Dans le cas où la batterie modulaire comprend au moins deux plateaux de cellules, les deux plateaux sont disposés l'un au-dessus de l'autre selon la direction verticale Z. Chaque plateau est formé tel que décrit précédemment. Chaque plateau comporte une face supérieure opposée à une face inférieure, la face supérieure étant tournée vers l'extérieur de la batterie et comportant les bornes des cellules prismatiques In the case where the modular battery comprises at least two trays of cells, the two trays are arranged one above the other in the vertical direction Z. Each tray is formed as described above. Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery and having the terminals of the prismatic cells.
100 reliées électriquement par les moyens de connexion. Ainsi les deux plateaux sont disposés l'un face à l'autre par leur face inférieure. 100 electrically connected by the connection means. Thus the two trays are arranged facing each other by their lower face.
Chaque plateau peut être muni d'un dispositif de protection et de régulation thermique comportant l'ensemble joint/collecteur thermique tel que décrit pour les premier et deuxième modes de réalisation, illustrés aux figures 1 et 2.  Each tray may be provided with a thermal protection and regulation device comprising the seal / heat collector assembly as described for the first and second embodiments, illustrated in FIGS. 1 and 2.
Un flasque peut être utilisée pour maintenir un écartement entre les plateaux. Un troisième mode de réalisation de la batterie selon l'invention est à présent décrit ci-dessous en relation avec les figures 3, 4 et 5. Dans ce troisième mode de réalisation, la batterie comporte au moins deux plateaux de cellules. L'un des deux plateaux comporte un ensemble joint/collecteur thermique comprenant un MCP préconditionné ainsi qu'une plaque en matériau thermiquement conducteur, tel que décrit pour le deuxième mode de réalisation, alors que le deuxième plateau comporte sur une de ses faces un ensemble formé par un joint et une plaque en matériau thermiquement conducteur en contact avec une paroi du boîtier. Les deux plaques sont reliées par au moins une tige en matériau thermiquement conducteur assurant un pont thermique entre les deux plaques. A flange may be used to maintain spacing between the trays. A third embodiment of the battery according to the invention is now described below in relation to FIGS. 3, 4 and 5. In this third embodiment, the battery comprises at least two cell trays. One of the two trays comprises a heat seal / collector assembly comprising a preconditioned PCM and a plate of thermally conductive material, as described for the second embodiment, while the second plate has on one of its faces an assembly formed by a seal and a plate of thermally conductive material in contact with a wall of the housing. The two plates are connected by at least one rod of thermally conductive material providing a thermal bridge between the two plates.
La Figure 3 est une vue schématique selon une coupe transversale illustrant un premier exemple de batterie selon ce troisième mode de réalisation. Seule une partie de la batterie est représentée.  Figure 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a first battery example according to this third embodiment. Only a part of the battery is represented.
La batterie modulaire 2000 comporte un module comprenant une pluralité de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique 200. Les cellules 200 sont des cellules Li-ion cylindriques dont les bornes positive et négative sont situées aux deux extrémités. Les cellules 200 sont combinées électriquement en série et/ou parallèle, et sont arrangées de manière à former deux plateaux 201 et 202. L'ensemble des cellules ainsi connectées développent une tension et une capacité adaptées à des applications pour lesquelles une cellule unique ne suffit pas, telles que des applications de traction de véhicules.  The modular battery 2000 comprises a module comprising a plurality of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy 200. The cells 200 are cylindrical Li-ion cells whose positive and negative terminals are located at both ends. The cells 200 are combined electrically in series and / or parallel, and are arranged so as to form two plates 201 and 202. The set of cells thus connected develop a voltage and a capacity adapted to applications for which a single cell is not sufficient. not, such as vehicle traction applications.
Chaque plateau est défini et formé tel que décrit en relation avec la figure 1 . Sur la coupe transversale de la figure 3, sont représentées, pour chacun des plateaux 201 et 202, quatre cellules 200 alignées selon la direction Y pour former une rangée. Les deux plateaux 201 et 202 sont disposés l'un au-dessus de l'autre selon la direction verticale Z. Chaque plateau présente une face supérieure opposée à une face inférieure, la face supérieure étant tournée vers l'extérieur de la batterie. Le plateau 201 comporte ainsi une face supérieure 201 a et une face inférieure 201 b, et le plateau 202 comporte une face supérieure 202a et une face inférieure 202b, les deux faces inférieures 201 b et 202b étant en vis-à-vis au sein du module. Les faces supérieures 201 a et 202a, sont tournées vers l'extérieur du module, et comportent un ensemble de connectiques reliant les bornes des cellules cylindriques 200.  Each tray is defined and formed as described in connection with FIG. In the cross-section of FIG. 3, four cells 200 aligned in the Y direction are shown for each of the trays 201 and 202 to form a row. The two plates 201 and 202 are arranged one above the other in the vertical direction Z. Each plate has an upper face opposite to a lower face, the upper face being turned towards the outside of the battery. The plate 201 thus has an upper face 201a and a lower face 201b, and the plate 202 has an upper face 202a and a lower face 202b, the two lower faces 201b and 202b facing each other within the module. The upper faces 201a and 202a are turned towards the outside of the module, and comprise a set of connectors connecting the terminals of the cylindrical cells 200.
Selon ce mode de réalisation, les cellules 200 sont espacées les unes des autres. L'espace entre les cellules d'une même rangée peut être utilisé pour laisser le passage à des tiges 250 reliant deux plaques de collecte 230 et 231 décrites plus bas. Alternativement, les cellules peuvent être en contact. Un flasque (non représenté) est de préférence utilisé pour maintenir, au sein d'un plateau, les cellules 200 à une distance fixe les unes des autres, ainsi que pour maintenir un écartement entre les plateaux. Sur un plateau donné, chaque cellule 200 est connectée par l'intermédiaire d'au moins une de ses bornes à l'une des bornes d'une cellule 200 voisine au moyen d'une connectique (210, 21 1 , 213) appropriée au passage du courant, par exemple une connectique métallique, tel qu'un clinquant de cuivre ou de nickel. Les connectiques 210 et 21 1 sont situées sur les faces supérieures 201 a et 202a des plateaux 201 et 202 et relient deux par deux les cellules voisines d'une même rangée. Les connectiques 213, situées sur les faces inférieures 201 b et 202b des plateaux 201 et 202, relient également les cellules d'un même plateau entre elles. Des connectiques 212 permettent également de connecter les cellules des deux plateaux. According to this embodiment, the cells 200 are spaced from each other. The space between the cells of the same row can be used to allow passage to rods 250 connecting two collecting plates 230 and 231 described below. Alternatively, the cells may be in contact. A flange (not shown) is preferably used to maintain, in a tray, the cells 200 at a fixed distance from each other, as well as to maintain spacing between the trays. On a given plate, each cell 200 is connected via at least one of its terminals to one of the terminals of a neighboring cell 200 by means of a connector (210, 21 1, 213) appropriate to the current flow, for example a metal connector, such as a copper foil or nickel. The connectors 210 and 21 1 are located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 and connect two by two neighboring cells of the same row. The connectors 213, located on the lower faces 201b and 202b of the plates 201 and 202, also connect the cells of the same plate between them. Connectors 212 also connect the cells of the two trays.
Un exemple de connexion électrique entre les cellules est donné sur la figure 3. An example of an electrical connection between the cells is given in FIG.
Les cellules alignées selon une rangée pour chaque plateau sont par exemple reliées électriquement deux à deux en série selon la direction Y, par les connectiques 210, 21 1 et 213, et les cellules entre les deux plateaux 201 et 202 sont par exemple reliées électriquement en série selon la direction Z, par des connectiques 212. The cells aligned in a row for each plate are for example electrically connected two by two in series in the Y direction, by the connectors 210, 21 1 and 213, and the cells between the two plates 201 and 202 are for example electrically connected to each other. series according to the Z direction, by connectors 212.
Chaque connectique (210, 21 1 ) située sur les faces supérieures 201 a et 202a des plateaux 201 et 202 est surmontée par un joint (220, 221 ), de préférence plan, isolant électrique et conducteur thermique. De préférence, chaque joint recouvre la plus grande partie de la surface des bornes reliées par chaque connectique.  Each connector (210, 21 1) located on the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202 is surmounted by a seal (220, 221), preferably plane, electrical insulator and thermal conductor. Preferably, each seal covers most of the surface of the terminals connected by each connector.
Les joints sont fabriqués à base d'un matériau polymère, non conducteur électrique, incluant des charges conductrices thermiques de manière à préserver l'isolation électrique tout en assurant un certain niveau de conduction thermique. Les charges conductrices thermiques peuvent être du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les joints, isolants électriques, présentent de préférence des résistivités supérieures à 106 Ohm/m. La conductivité thermique des joints est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K. The seals are made of a non-conductive, electrically conductive polymeric material, including heat conductive fillers so as to preserve the electrical insulation while providing a certain level of thermal conduction. The thermal conductive fillers may be silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The joints, electrical insulators, preferably have resistivities greater than 10 6 Ohm / m. The thermal conductivity of the seals is preferably greater than 0.1 W / m / K.
Les joints peuvent se présenter sous forme de lamelles (forme discontinue du joint) ou d'un tapis continu.  The seals can be in the form of slats (discontinuous form of the seal) or a continuous carpet.
Les joints (220, 221 ) sont placés entre les connectiques (210, 21 1 ) et une plaque de collecte (230, 231 ), selon la direction Z. Chaque joint est ainsi intercalé entre les connectiques (210,21 1 ) de la première face (201 a, 202a) des plateaux et la plaque en matériau thermiquement conducteur (230, 231 ) en contact avec le joint. Ces joints assurent une liaison thermique entre les connectiques (210, 21 1 ) et les plaques de collecte de chaleur (230, 231 ) par contact substantiel entre leurs deux faces. Selon cet exemple du troisième mode de réalisation, les deux plaques 230 et 231 sont dotées de très bonnes propriétés de conduction thermique. Chaque plaque recouvre l'ensemble des joints d'un plateau positionnés sur les connectiques présentées par les faces supérieures 201 a et 202a des plateaux 201 et 202. Le module comportant deux plateaux 201 et 202 est donc doté de deux plaques 230 et 231 disposées vers l'extérieur comme illustré sur la figure 3. The seals (220, 221) are placed between the connectors (210, 21 1) and a collection plate (230, 231), in the direction Z. Each seal is thus interposed between the connectors (210, 21 1) of the first face (201a, 202a) trays and the plate of thermally conductive material (230, 231) in contact with the seal. These seals provide a thermal connection between the connectors (210, 21 1) and the heat collection plates (230, 231) by substantial contact between their two faces. According to this example of the third embodiment, the two plates 230 and 231 have very good thermal conduction properties. Each plate covers all the joints of a plate positioned on the connectors presented by the upper faces 201a and 202a of the plates 201 and 202. The module comprising two plates 201 and 202 is thus provided with two plates 230 and 231 disposed towards outside as shown in Figure 3.
Les deux plaques 230 et 231 sont reliées entre elles par des tiges 250 également dotées de très bonnes propriétés de conduction thermique. Ces tiges sont fixées par leurs extrémités aux plaques 230 et 231 par tout moyen de fixation appropriée, par exemple par vissage ou soudure, de manière à assurer un pont thermique efficace. Les tiges 250 sont de forme cylindrique. Toutefois, les tiges peuvent présenter d'autres formes, de préférence compatible avec la forme des cellules afin notamment de faciliter leur insertion entre celles-ci. Ainsi, si des cellules prismatiques sont utilisées dans ce troisième mode de réalisation, une forme parallélépipédique des tiges peut être appropriée, et les tiges peuvent être des plaques minces allongées selon la direction verticale Z.  The two plates 230 and 231 are interconnected by rods 250 also having very good thermal conduction properties. These rods are fixed at their ends to the plates 230 and 231 by any appropriate fastening means, for example by screwing or welding, so as to provide an effective thermal bridge. The rods 250 are of cylindrical shape. However, the stems may have other forms, preferably compatible with the shape of the cells in particular to facilitate their insertion between them. Thus, if prismatic cells are used in this third embodiment, a parallelepipedal shape of the rods may be appropriate, and the rods may be elongated thin plates in the vertical direction Z.
L'ensemble des tiges et des plaques forme également une structure rigide enveloppant les cellules dans le boîtier, qui permet de protéger la batterie de déformations induites par des forces externes s'exerçant sur le boîtier.  The set of rods and plates also form a rigid structure enveloping the cells in the housing, which protects the battery deformations induced by external forces acting on the housing.
Les deux plaques 230 et 231 , ainsi que les tiges 250, sont constituées à partir d'un ou plusieurs matériaux conducteurs thermiques, de préférence des matériaux métalliques, par exemple de l'aluminium, ou par des matériaux composites contenant des charges conductrices thermiques, telles que du carbure de silicium, des céramiques, des métaux, du graphite, par exemple sous formes de poudres. Les collecteurs thermiques et les tiges ont une conductivité thermique de préférence supérieure à 10 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 100 W/m/K.  The two plates 230 and 231, as well as the rods 250, are made from one or more thermal conducting materials, preferably metal materials, for example aluminum, or from composite materials containing thermal conductive fillers. such as silicon carbide, ceramics, metals, graphite, for example in the form of powders. The heat collectors and the rods have a thermal conductivity preferably greater than 10 W / m / K, and more preferably greater than 100 W / m / K.
La plaque 231 du plateau 202 est intercalée entre le joint 221 et un MCP préconditionné 260, identique à celui décrit pour les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention  The plate 231 of the plate 202 is interposed between the seal 221 and a preconditioned PCM 260, identical to that described for the first and second embodiments of the invention.
L'ensemble des plaques, des tiges et le MCP permet de collecter la chaleur des connectiques et des cellules 200 de tout le module. Une telle configuration permet également une répartition homogène de la chaleur entre les cellules, y compris entre les cellules des différents plateaux.  The set of plates, rods and the MCP makes it possible to collect the heat of the connectors and the cells 200 of the whole module. Such a configuration also allows a homogeneous distribution of heat between the cells, including between the cells of the different trays.
L'ensemble formé par les cellules 200, les connectiques (210,21 1 ), les joints (220,221 ), et le collecteur thermique, formé par les plaques, les tiges et le MCP, est inclus dans un boîtier 240 de manière à assurer un contact substantiel entre la plaque 230 du collecteur et une paroi thermiquement conductrice 242 du boîtier 240. The assembly formed by the cells 200, the connectors (210,21 1), the joints (220,221), and the thermal collector, formed by the plates, the rods and the MCP, are included in a housing 240 so as to provide substantial contact between the collector plate 230 and a thermally conductive wall 242 of the housing 240.
Le boîtier est identique à celui décrit en relation avec la figure 1 . Il comprend en outre la paroi thermiquement conductrice permettant de dissiper et évacuer la chaleur conduite par la plaque 230 vers l'extérieur de la batterie. De préférence, ce boîtier est en matériau métallique, par exemple en aluminium, de manière à assurer un cloisonnement étanche entre l'intérieur du boîtier et l'extérieur tout en favorisant la conduction thermique. Le boîtier peut être également en matière plastique ou composite, comprenant par exemple un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type PLA (Acide polylactique), ABS (Acrylonitrile-butadiène-styrène), ou nylon. La conduction thermique de la paroi du boîtier en contact avec la plaque est de préférence supérieure à 0,1 W/m/K, et plus préférentiellement supérieure à 10 W/m/K. Le boîtier, qui peut être également monté en plusieurs parties de natures différentes, est de préférence étanche, et équipé de passages étanches pour l'entrée et la sortie des connexions électriques du module selon les besoins.  The housing is identical to that described with reference to FIG. It further comprises the thermally conductive wall for dissipating and removing the heat conducted by the plate 230 to the outside of the battery. Preferably, this housing is made of metal material, for example aluminum, so as to ensure a sealed partition between the inside of the housing and the outside while promoting thermal conduction. The housing may also be made of plastic or composite material, for example comprising one or more thermoplastic polymers of the PLA (polylactic acid), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene) or nylon type. The thermal conduction of the wall of the housing in contact with the plate is preferably greater than 0.1 W / m / K, and more preferably greater than 10 W / m / K. The housing, which can also be mounted in several parts of different types, is preferably sealed, and equipped with sealed passages for the input and output of the electrical connections of the module as required.
La paroi thermiquement conductrice 242 du boîtier 240 est en contact avec la plaque thermiquement conductrice 230 du collecteur thermique, de manière à développer une surface de contact telle que la chaleur collectée est dissipée et évacuée vers l'extérieur de la batterie de manière passive. Les tiges 250 peuvent être fixées au boîtier 240.  The thermally conductive wall 242 of the housing 240 is in contact with the thermally conductive plate 230 of the thermal collector, so as to develop a contact surface such that the collected heat is dissipated and discharged to the outside of the battery passively. The rods 250 can be attached to the housing 240.
La régulation thermique de la batterie est ainsi assurée à la fois par le changement de phase du MCP pré-conditionné et par la dissipation et l'évacuation de la chaleur via les plaques, les tiges et le boîtier. La Figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale (selon un plan parallèle au plan XY) de la batterie illustrée à la figure 3. Seule une partie de la batterie est représentée.  The thermal regulation of the battery is thus ensured both by the phase change of the pre-conditioned MCP and by the dissipation and evacuation of the heat via the plates, the rods and the housing. Figure 4 is a schematic view in longitudinal section (in a plane parallel to the XY plane) of the battery shown in Figure 3. Only a portion of the battery is shown.
Cette coupe permet de mieux comprendre un exemple de configuration des cellules d'un plateau, des connectiques et de la disposition des tiges.  This section makes it possible to better understand an example of the configuration of the cells of a tray, the connectors and the arrangement of the rods.
Sur cette coupe ne sont pas représentés les joints, le collecteur thermique et le boîtier.  On this section are not shown the seals, the heat sink and the housing.
Sur la coupe de la figure 4 est visible le plateau inférieur 201 , en particulier la face supérieure 201 a, comportant six rangées r1 à r6 de cellules 200, chaque rangée comportant 4 cellules. Les connectiques 210 relient électriquement les cellules 200, par exemple deux à deux sur une même rangée, et toutes les cellules selon la direction X de deux rangées adjacentes. Les connectiques 210 sont des clinquants métalliques comportant des trous pour laisser le passage des tiges 250, avec lesquelles tout contact est évité. On the section of Figure 4 is visible the lower plate 201, in particular the upper face 201 has six rows r1 to r6 of cells 200, each row having 4 cells. The connectors 210 electrically connect the cells 200, by example two by two on the same row, and all the cells in the X direction of two adjacent rows. Connectors 210 are metal foils with holes to allow the passage of rods 250, with which contact is avoided.
Les tiges 250 sont disposées entre quatre cellules adjacentes du plateau. L'espace entre quatre cellules adjacentes cylindriques peut en effet être plus important que l'espace entre deux cellules adjacentes sur une même rangée ou selon la direction Y, et permettre une insertion plus aisée des tiges. Quinze tiges 250 sont ainsi disposées dans le module comprenant m= 6 rangées de n = 4 cellules par rangées, soit (n-1 ) x (m-1 ) tiges avec n le nombre de cellules par rangées et m le nombre de rangées, constituant un exemple de disposition des tiges. The rods 250 are disposed between four adjacent cells of the tray. The space between four adjacent cylindrical cells may indeed be larger than the space between two adjacent cells on the same row or in the Y direction, and allow easier insertion of the rods. Fifteen rods 250 are thus arranged in the module comprising m = 6 rows of n = 4 cells per row, ie (n-1) x (m-1) rods with n the number of cells per row and m the number of rows, constituting an example of arrangement of the rods.
D'autres dispositions des tiges sont possibles, avec de préférence au moins une tige, et plus préférentiellement un nombre de tige compris entre 2 et (n-1 ) x (m-1 ). Les tiges peuvent ainsi être distribuées, de manière aléatoire, ou selon une symétrie particulière, entre les cellules des plateaux. Une ou plusieurs tiges peuvent également être positionnées en périphérie des plateaux, entre les parois du boîtier et le périmètre formé par les cellules. La conduction thermique entre les plaques de collecte est améliorée avec un nombre croissant de tiges.  Other arrangements of the rods are possible, with preferably at least one rod, and more preferably a rod number between 2 and (n-1) x (m-1). The stems can thus be distributed randomly or in a particular symmetry between the cells of the trays. One or more rods may also be positioned at the periphery of the trays, between the walls of the housing and the perimeter formed by the cells. Thermal conduction between the collection plates is improved with increasing number of rods.
Selon le troisième mode de réalisation, la batterie peut comprendre plus de deux plateaux de cellules. Dans ce cas, pour chaque plateau additionnel, disposé entre les deux plateaux, une plaque de collecte supplémentaire dotée de très bonnes propriétés de conduction thermique, et percée de trous pour laisser passer les tiges, est insérée au contact d'un joint supplémentaire placé sur une des faces du plateau additionnel intermédiaire aux deux plateaux. Le contact entre les plaques de collecte supplémentaires et les tiges est assuré dans les règles du métier, par ajustement et soudure ou encore en utilisant une pâte thermique. According to the third embodiment, the battery may comprise more than two cell trays. In this case, for each additional plate, arranged between the two plates, an additional collection plate having very good thermal conduction properties, and pierced with holes for passing the rods, is inserted in contact with an additional seal placed on one of the faces of the additional plate intermediate to the two trays. The contact between the additional collection plates and the stems is ensured in the rules of the trade, by adjustment and welding or by using a thermal paste.
A titre d'exemple, la figure 5 représente schématiquement une variante à trois plateaux du deuxième mode réalisation.  By way of example, FIG. 5 schematically represents a variant with three trays of the second embodiment.
La description des éléments identiques entre la première et la deuxième variante du deuxième mode de réalisation, portant les mêmes références dans les figures 3, 4 et 5 n'est pas reprise ici. Selon cette variante, la batterie 3000 comporte un troisième plateau 302, qui est un plateau intermédiaire disposé entre le premier plateau 201 et le deuxième plateau 202, selon l'axe Z, qui est aussi l'axe de symétrie des cellules 200. Le premier et le deuxième plateau ont leur face supérieure 201 a et 202a plus proche du boîtier 240 que leur face inférieure 201 b et 202b. The description of the identical elements between the first and the second variant of the second embodiment, bearing the same references in FIGS. 3, 4 and 5, is not repeated here. According to this variant, the battery 3000 comprises a third plate 302, which is an intermediate plate disposed between the first plate 201 and the second plate 202, along the Z axis, which is also the axis of symmetry of the cells 200. and the second plate have their upper surface 201a and 202a closer to the housing 240 than their lower face 201b and 202b.
Ce plateau intermédiaire 302 est organisé de la même manière que les plateaux 201 et 202 du point de vue de l'arrangement des cellules 200 et des connectiques 31 1 et 313 qui relient les bornes des cellules du plateau, les connectiques 31 1 étant portées par une première face 302a du plateau intermédiaire 302 et les connectiques étant portées par une deuxième face 302b du plateau intermédiaire. D'autres connectiques 312 et 314 permettent de connecter électriquement les cellules du plateau intermédiaire et celles du premier plateau 201 et du deuxième plateau 202.  This intermediate plate 302 is organized in the same way as the plates 201 and 202 from the point of view of the arrangement of the cells 200 and connectors 31 1 and 313 which connect the terminals of the cells of the tray, the connectors 31 1 being carried by a first face 302a of the intermediate plate 302 and the connectors being carried by a second face 302b of the intermediate plate. Other connectors 312 and 314 make it possible to electrically connect the cells of the intermediate plate and those of the first plate 201 and the second plate 202.
Selon cette variante, la batterie comprend, pour le troisième plateau 302, un joint supplémentaire 322, de préférence plan, en matériau isolant électrique et conducteur thermique surmontant chaque connectique de la première face ou de la deuxième face du troisième plateau, par exemple la première face 302a tel que représenté dans la figure 5. Le joint supplémentaire 322 recouvre de préférence la plus grande partie des bornes reliées par chaque connectique. Le joint supplémentaire 322 comporte des trous permettant le passage des tiges 250.  According to this variant, the battery comprises, for the third plate 302, an additional gasket 322, preferably plane, of electrical insulating material and thermal conductor surmounting each connector of the first face or the second face of the third plate, for example the first face 302a as shown in Figure 5. The additional seal 322 preferably covers most of the terminals connected by each connector. The additional seal 322 has holes allowing the passage of the rods 250.
Une plaque de collecte supplémentaire 332 en matériau thermiquement conducteur, à l'instar des autres plaques de collecte 230 et 231 , est disposée sur ledit joint supplémentaire, et comporte également des trous pour le passage des tiges.  An additional collection plate 332 of thermally conductive material, like the other collection plates 230 and 231, is disposed on said additional seal, and also has holes for the passage of the rods.
Le contact entre la plaque supplémentaire 332 et les tiges 250 est par exemple réalisé par ajustement et soudure, ou encore par utilisation d'une pâte thermique, par exemple une graisse comprenant des particules d'argent, ou un silicone conducteur thermique.  The contact between the additional plate 332 and the rods 250 is for example made by adjustment and welding, or by using a thermal paste, for example a grease comprising silver particles, or a thermal conductive silicone.
Les cellules ont été décrites dans ce troisième mode de réalisation, en référence avec les figures 3, 4 et 5, comme étant de forme cylindrique mais toute autre forme, comme des cellules prismatiques, de forme parallélépipédique, peut être envisagée. The cells have been described in this third embodiment, with reference to FIGS. 3, 4 and 5, as being of cylindrical shape but any other form, such as prismatic cells, of parallelepipedal shape, can be envisaged.
Selon ce troisième mode de réalisation, il est donc avantageusement possible d'améliorer la régulation thermique par le MCP pré-conditionné avec une évacuation de la chaleur vers l'extérieur de la batterie par l'intermédiaire d'une seule face du boîtier. Un tel mode de réalisation permet également une flexibilité améliorée, et donc plus de simplicité, pour l'agencement de composants dans la batterie et pour son intégration dans le système qui la contient. Dans le cas de l'intégration dans un véhicule par exemple, la batterie peut être introduite sous le bas de caisse, et être ainsi refroidie au niveau de ladite face du boîtier par convection forcée avec l'air extérieur, la vitesse de l'air dépendant de la vitesse du véhicule. According to this third embodiment, it is therefore advantageously possible to improve the thermal regulation by the pre-conditioned MCP with an evacuation of the heat towards the outside of the battery via a single face of the housing. Such an embodiment also allows improved flexibility, and thus simplicity, for the arrangement of components in the battery and for its integration into the system that contains it. In the case of integration into a vehicle for example, the battery can be introduced under the rocker, and thus be cooled at the level of said face of the housing by forced convection with the outside air, the speed of the air depending on the speed of the vehicle.
L'usage de capteurs pour instrumenter l'intérieur du module, l'ajout d'éléments ou circuits dissipatifs à l'intérieur ou à l'extérieur du module, ou encore l'insertion de composants électroniques à l'intérieur du module de batterie selon l'invention peut être envisagé, sans sortir du cadre de la présente invention. The use of sensors to instrument the interior of the module, the addition of dissipative elements or circuits inside or outside the module, or the insertion of electronic components inside the battery module according to the invention can be envisaged without departing from the scope of the present invention.
La présente invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation et leurs variantes décrits ci-dessus et illustrés par les figures, qui peuvent être modifiés sans s'écarter des objectifs visés par l'invention, et qui peuvent être combinés entre eux. The present invention is not limited to the various embodiments and their variants described above and illustrated by the figures, which can be modified without departing from the objectives of the invention, and which can be combined with each other.
La batterie modulaire selon l'invention peut être utilisée pour de nombreuses applications. Avantageusement, la batterie modulaire selon l'invention peut être intégrée dans un véhicule électrique ou hybride, et utilisée pour la traction d'un tel véhicule, apportant plus de sécurité lors du fonctionnement du véhicule grâce à une régulation thermique optimisée et une protection mécanique efficace de la batterie limitant l'occurrence et la propagation de court-circuit dans la batterie. The modular battery according to the invention can be used for many applications. Advantageously, the modular battery according to the invention can be integrated in an electric or hybrid vehicle, and used for traction of such a vehicle, providing more safety during the operation of the vehicle through optimized thermal regulation and effective mechanical protection of the battery limiting the occurrence and propagation of short circuit in the battery.
Exemples Examples
Les exemples suivants permettent d'illustrer la régulation thermique de deux exemples de batterie selon l'invention en s'appuyant sur une simulation numérique, et de comparer la chaleur développée dans des batteries selon l'invention et dans des batteries sans dispositif de protection et de régulation thermique selon l'invention.  The following examples make it possible to illustrate the thermal regulation of two battery examples according to the invention based on a numerical simulation, and to compare the heat developed in batteries according to the invention and in batteries without protection device and thermal regulation according to the invention.
Batteries modulaires selon l'invention Modular batteries according to the invention
Exemple 1 de batterie selon l'invention  Example 1 of battery according to the invention
On considère un module de batterie Li-ion constitué d'un plateau de cellules Li- LFP/C cylindriques de format 26650 et de capacité 3 Ah connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 μηι). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56 °C. Le plateau comprend un alignement de 8 cellules constituant une rangée. La distance entre les cellules de la même rangée au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. L'ensemble est maintenu par des flasques. A Li-ion battery module consisting of a 26650-size, L-LFP / C cylindrical cell array with 3 Ah capacity connected in series / parallel is considered. by metal connectors (nickel bar bus with a thickness of 200 μηι). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. The tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a tray is set at 2 mm. The whole is held by flanges.
Le module comporte un joint plastique isolant électrique et thermiquement conducteur sous forme de tapis d'une épaisseur de 4 mm disposé sur les connectiques, une plaque de collecte métallique surmontant le joint, d'une épaisseur de 6 mm, et un collecteur thermique organique, disposé sur la plaque métallique, contenant un matériau à changement de phase sur une épaisseur de 10 mm. Le matériau à changement de phase est une paraffine dont la température de fusion est de 40 °C, et dont la chaleur latente est de 200 kJ/kg. Les collecteurs thermiques métalliques et organiques sont au contact direct sur l'ensemble de leur surface. Le joint assure la liaison thermique entre les connectiques des cellules et la plaque métallique. The module comprises an insulating electrical and thermally conductive plastic seal in the form of a 4 mm thick mat disposed on the connectors, a metal collection plate surmounting the gasket, with a thickness of 6 mm, and an organic thermal collector, disposed on the metal plate, containing a phase change material to a thickness of 10 mm. The phase change material is a paraffin having a melting temperature of 40 ° C and a latent heat of 200 kJ / kg. The metallic and organic thermal collectors are in direct contact on their entire surface. The seal ensures the thermal connection between the connectors of the cells and the metal plate.
L'ensemble est placé dans un boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 mm. Une distance de 2 cm est laissée sur chaque bord latéral du boîtier. Dans la partie supérieure, un espace de 1 cm environ est ménagé dans ce cas afin de pouvoir positionner les cartes électroniques, entre autres.  The set is placed in a waterproof plastic case 2 mm thick. A distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided in this case in order to position the electronic cards, among others.
Exemple 2 de batterie selon l'invention Example 2 of battery according to the invention
On considère un module de batterie Li-ion constitué de deux plateaux superposés de cellules Li-ion LFP/C cylindriques de format 26650 et de capacité 3Ah connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 μηι). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56°C. Chaque plateau comprend un alignement de 8 cellules constituant une rangée. La distance entre les cellules d'une même rangée au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. La distance entre les plateaux est de 9 mm. L'ensemble est maintenu par des flasques.  A Li-ion battery module consisting of two superposed plateaus of 26650-format LFP / C Li-ion cells and 3Ah capacitors connected in series / parallel by metal connectors (a nickel bar bus with a thickness of 200) is considered. μηι). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. Each tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a plate is set at 2 mm. The distance between the trays is 9 mm. The whole is held by flanges.
Le module est serré entre deux flasques, et posé dans un boîtier étanche en laissant une distance de 2 cm sur chaque bord latéral du boîtier. Dans la partie supérieure, un espace de 1 cm environ est ménagé dans ce cas afin de pouvoir notamment positionner les cartes électroniques de manière isolée par rapport aux cellules connectées. Le boîtier comprend en outre un fond muni d'ailettes en aluminium. The module is clamped between two flanges, and placed in a waterproof housing leaving a distance of 2 cm on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided in this case in order to be able to position the electronic cards in isolation from the connected cells. The housing further comprises a bottom provided with aluminum fins.
Le module comporte, sur la face portant les connectiques de chaque plateau, un joint plastique isolant électrique et thermiquement conducteur sous forme de tapis d'une épaisseur de 4 mm, disposé au contact des connectiques d'une part, et d'une plaque de collecte de chaleur métallique d'une épaisseur de 6 mm d'autre part. Le joint assure la liaison thermique entre les connectiques des cellules et les plaques métalliques des collecteurs thermiques. The module comprises, on the face bearing the connectors of each tray, an insulating plastic electrical and thermally conductive in the form of 4 mm thick mat, arranged in contact with the connectors on the one hand, and a plate of metal heat collection with a thickness of 6 mm on the other hand. The seal ensures the thermal connection between the connectors of the cells and the metal plates of the thermal collectors.
Un MCP préalablement conditionné est placé au-dessus de la plaque de collecte métallique du plateau supérieur : une plaque de MCP ensaché dans un sachet métalloplastique soudé de 1 cm d'épaisseur et de 15 x 20 cm2 de surface est posée sur la plaque de collecte métallique du plateau supérieur. La masse totale est de 400 g environ. Le matériau à changement de phases est une paraffine dont la température de fusion est de 40 °C, la chaleur latente est de 200 kJ/kg et la densité de 0,8 g/cm3. A pre-conditioned MCP is placed above the upper tray metal collection plate: a MCP plate bagged in a 1 cm thick welded metal-plastic bag and 15 x 20 cm 2 surface is placed on the top plate. metal collection of the upper plate. The total mass is about 400 g. The phase change material is a paraffin having a melting point of 40 ° C, a latent heat of 200 kJ / kg and a density of 0.8 g / cm 3 .
La plaque de collecte métallique du plateau inférieur est au contact direct avec la face inférieure du boîtier étanche.  The metal collection plate of the lower plate is in direct contact with the underside of the sealed housing.
Des tiges métalliques, au nombre de 7, et disposées entre les cellules des plateaux, relient les deux plaques de collecte métalliques. Cette configuration correspond au mode de réalisation décrit en relation avec la figure 3.  Metal rods, 7 in number, and arranged between the cells of the trays, connect the two metal collection plates. This configuration corresponds to the embodiment described with reference to FIG.
Batteries modulaires selon l'art antérieur Modular batteries according to prior art
Exemple 3 selon l'art antérieur  Example 3 according to the prior art
Une première batterie de référence selon l'état de l'art comporte un module comprenant un simple boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 mm.  A first reference battery according to the state of the art comprises a module comprising a simple waterproof plastic case 2 mm thick.
Le module comporte un plateau de cellules Li-ion LFP/C cylindriques de format The module features a cylindrical LFP / C Li-ion cell tray
26650 et de capacité 3 Ah connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 μηι). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56°C. Le plateau comprend un alignement de 8 cellules constituant une rangée. La distance entre les cellules de la même rangée au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. L'ensemble est maintenu par des flasques. 26650 and capacity 3 Ah connected in series / parallel by metal connectors (bus bar made of nickel with a thickness of 200 μηι). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. The tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a tray is set at 2 mm. The whole is held by flanges.
Une distance de 2 cm est laissée sur chaque bord latéral du boîtier. Dans la partie supérieure, un espace de 1 cm environ est ménagé dans ce cas afin de notamment pouvoir positionner les cartes électroniques. Exemple 4 selon l'art antérieur A distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided in this case in particular to position the electronic cards. Example 4 according to the prior art
Une deuxième batterie de référence selon l'état de l'art comporte également un module comprenant un simple boîtier étanche en matière plastique d'épaisseur 2 mm. Le boîtier comprend en outre un fond muni d'ailettes en aluminium.  A second reference battery according to the state of the art also comprises a module comprising a simple waterproof plastic case 2 mm thick. The housing further comprises a bottom provided with aluminum fins.
Le module comporte deux plateaux superposés de cellules Li-ion LFP/C cylindriques de format 26650 et de capacité 3 Ah connectées en série/parallèle par des connectiques métalliques (bus barre en nickel d'une épaisseur de 200 μηι). La température maximum des cellules spécifiée par le fabriquant est de 56°C. Chaque plateau comprend un alignement de 8 cellules constituant une rangée. La distance entre les cellules d'une même rangée au sein d'un plateau est fixée à 2 mm. La distance entre les plateaux est de 9 mm. L'ensemble est maintenu par des flasques.  The module comprises two superimposed trays of LFP / C cylindrical Li-ion cells of 26650 format and capacity 3 Ah connected in series / parallel by metal connectors (bus bar made of nickel with a thickness of 200 μηι). The maximum cell temperature specified by the manufacturer is 56 ° C. Each tray includes an array of 8 cells forming a row. The distance between the cells of the same row within a plate is set at 2 mm. The distance between the trays is 9 mm. The whole is held by flanges.
Le module est serré entre deux flasques, et une distance de 2 cm est laissée sur chaque bord latéral du boîtier. Dans la partie supérieure, un espace de 1 cm environ est ménagé, afin notamment de pouvoir positionner les cartes électroniques.  The module is clamped between two flanges, and a distance of 2 cm is left on each side edge of the housing. In the upper part, a space of about 1 cm is provided, in particular to position the electronic cards.
Conditions d'usage appliquées Terms of use applied
Ces conditions sont appliquées pour les quatre batteries testées par simulation. L'ensemble du module a une température initiale de 20 °C. Pour les exemples 2 et 4 : les conditions aux limites extérieures se résument à imposer une isolation thermique sur la face supérieure du module, un coefficient d'échange thermique avec l'air extérieur sur le boîtier de 10W/m2/K. These conditions are applied for the four batteries tested by simulation. The entire module has an initial temperature of 20 ° C. For examples 2 and 4: the external boundary conditions amount to imposing a thermal insulation on the upper face of the module, a heat exchange coefficient with the outside air on the housing of 10W / m 2 / K.
Pour les exemples 1 et 3 : il n'y a pas d'échange avec l'air, les cellules se trouvent dans un environnement adiabatique  For examples 1 and 3: there is no exchange with the air, the cells are in an adiabatic environment
Ce module est sollicité électriquement suivant un cycle de charge et décharge, à savoir une recharge de 5 A pendant 10 minutes suivie d'une décharge de 5 A pendant 10 minutes. Le module subit 6 fois ce type de cycle correspondant à une durée de 2 heures au total.  This module is electrically solicited according to a charge and discharge cycle, namely a recharge of 5 A for 10 minutes followed by a discharge of 5 A for 10 minutes. The module undergoes 6 times this type of cycle corresponding to a duration of 2 hours in total.
Les figures 6 à 9 montrent les résultats de simulation thermique des différents exemples de batteries. Les dimensions des modules sont données par les axes X et Y en millimètres. Seules les cellules, et le plaques de collecte métalliques le cas échéant, sont représentées sur les figures. La figure 6 présente le résultat de la montée en température observée après le cycle prédéfini dans la première batterie de référence selon l'art antérieur (exemple 3). Figures 6 to 9 show the results of thermal simulation of the different examples of batteries. The dimensions of the modules are given by the X and Y axes in millimeters. Only the cells, and the metal collection plates where appropriate, are shown in the figures. FIG. 6 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycle in the first reference battery according to the prior art (example 3).
La figure 7 présente le résultat de la montée en température observée après le cycle prédéfini dans la deuxième batterie de référence selon l'art antérieur (exemple 4).  FIG. 7 shows the result of the rise in temperature observed after the predefined cycle in the second reference battery according to the prior art (example 4).
Une échelle de la température est donnée à droite par une variation de niveaux de gris. Dans les figures, l'abscisse représente une distance en mètre selon la direction Y et l'ordonnée représente une distance en mètre selon la direction Z (hauteur de la batterie).  A scale of temperature is given on the right by a variation of gray levels. In the figures, the abscissa represents a distance in meters in the direction Y and the ordinate represents a distance in meters in the direction Z (height of the battery).
On constate que la température des cellules augmente jusqu'à 55 °C environ, tel qu'indiqué par les traits en pointillé sur l'échelle de température. Cette élévation de température est supérieure à la température maximum spécifiée pour les cellules Li-ion de ces exemples. Ainsi, les batteries selon l'art antérieur telles que décrites ne peuvent pas assurer les deux heures (ici seulement 5680 secondes pour l'exemple 3 et 4) d'usage prévues en toute sécurité.  It is found that the temperature of the cells increases to about 55 ° C, as indicated by the dashed lines on the temperature scale. This temperature rise is greater than the maximum temperature specified for the Li-ion cells of these examples. Thus, batteries according to the prior art as described can not ensure the two hours (here only 5680 seconds for example 3 and 4) of use provided safely.
La figure 8 présente le résultat de la montée en température observée après le cycle prédéfini dans l'exemple 1 de batterie modulaire selon l'invention. La température des cellules après cycle reste homogène autour de 51 °C, tel qu'indiqué par les traits en pointillé sur l'échelle de température, soit 4°C de différence avec les cas de référence selon l'art antérieur. Ainsi, la batterie selon l'invention tel qu'exemplifiée, permet de continuer l'utilisation du module pendant plus de 2 heures (et jusqu'à la fonte totale du matériau à changement de phase). FIG. 8 shows the result of the rise in temperature observed after the cycle defined in the example 1 of the modular battery according to the invention. The temperature of the cells after the cycle remains homogeneous around 51 ° C., as indicated by the dotted lines on the temperature scale, ie 4 ° C. of difference with the reference cases according to the prior art. Thus, the battery according to the invention as exemplified, allows the continued use of the module for more than 2 hours (and until the total melting of the phase change material).
La figure 9 présente le résultat de la montée en température observée après le cycle prédéfini dans l'exemple 2 de batterie modulaire selon l'invention. On observe une amélioration de la thermique de la batterie comparativement aux résultats illustrés à la figure 7, avec une température des cellules variant entre 51 °C (plateau du bas) et 52°C (plateau du haut), avec une utilisation du module pendant plus de deux heures (et jusqu'à la fonte totale du matériau à changement de phases). FIG. 9 shows the result of the rise in temperature observed after the cycle defined in the example 2 of the modular battery according to the invention. There is an improvement in the thermal of the battery compared to the results shown in Figure 7, with a cell temperature varying between 51 ° C (bottom plate) and 52 ° C (top plate), with a use of the module during more than two hours (and until the total melting of the phase change material).
Ainsi, la batterie selon l'invention permet un échauffement global moindre comparativement à une batterie selon l'art antérieur tel qu'exemplifié, ce qui permet par exemple d'accroître la durée de cycle tout en restant en dessous d'une consigne de température maximale.  Thus, the battery according to the invention allows a lower overall heating compared to a battery according to the prior art as exemplified, which allows for example to increase the cycle time while remaining below a temperature setpoint. Max.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Batterie électrique modulaire (1000, 1 100, 2000, 3000) comportant : 1. Modular electric battery (1000, 1 100, 2000, 3000) comprising:
- un ensemble de cellules électrochimiques de stockage et de restitution d'énergie électrique (100, 200) connectées électriquement entre elles, chaque cellule comportant une borne positive et une borne négative, les cellules étant disposées les unes à côté des autres pour former au moins un premier plateau (101 , 101 , 202) comprenant au moins une première face (101 a, 101 a, 202a) comportant des moyens de connexion électrique (1 10, 21 1 ) entre les cellules,  a set of electrochemical cells for storing and restoring electrical energy (100, 200) electrically connected to each other, each cell comprising a positive terminal and a negative terminal, the cells being arranged next to each other to form at least one a first plate (101, 101, 202) comprising at least a first face (101a, 101a, 202a) having electrical connection means (1 10, 21 1) between the cells,
- un dispositif de protection et de régulation thermique comprenant au moins : a thermal protection and regulation device comprising at least:
o un joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique (120, 221 ) ;  o a joint of both electrical insulating material and thermal conductor (120, 221);
o un collecteur thermique comprenant au moins un matériau à changement de phase pré-conditionné (130, 1030, 260) ;  a heat collector comprising at least one pre-conditioned phase change material (130, 1030, 260);
ledit joint (120, 221 ) étant intercalé entre lesdits moyens de connexion électrique said seal (120, 221) being interposed between said electrical connection means
(1 10, 21 1 ) de ladite première face et ledit collecteur thermique (130,1030,260),(1 10, 21 1) of said first face and said heat collector (130, 1030, 260),
- un boîtier (140, 240) contenant au moins ledit ensemble de cellules. a housing (140, 240) containing at least said set of cells.
2. Batterie selon la revendication 1 , dans laquelle le collecteur thermique comprend en outre une première plaque en matériau thermiquement conducteur (1060, 231 ), ladite première plaque étant intercalée entre ledit joint (120,221 ) et ledit matériau à changement de phase pré-conditionné (1030, 260). 2. Battery according to claim 1, wherein the thermal collector further comprises a first plate of thermally conductive material (1060, 231), said first plate being interposed between said seal (120.221) and said pre-conditioned phase-change material. (1030, 260).
3. Batterie selon la revendication 1 ou 2, comprenant au moins deux plateaux de cellules (101 , 201 , 202), disposés l'un face à l'autre par une deuxième face (101 b, 201 b,3. Battery according to claim 1 or 2, comprising at least two trays of cells (101, 201, 202) arranged opposite one another by a second face (101 b, 201 b,
202b), opposée à ladite première face comportant des moyens de connexion, chaque plateau étant muni d'un dispositif de protection et de régulation thermique. 202b), opposite said first face having connection means, each plate being provided with a device for protection and thermal regulation.
4. Batterie selon la revendication 2, comprenant un deuxième plateau de cellules (201 ) similaire au premier plateau (202), et disposé face au premier plateau (202) par une deuxième face (201 b) opposée à ladite première face (202a, 201 a) comportant des moyens de connexion, et dans laquelle : 4. Battery according to claim 2, comprising a second plate of cells (201) similar to the first plate (202), and disposed facing the first plate (202) by a second face (201b) opposite to said first face (202a, 201 a) having connection means, and wherein:
- le boîtier comprend au moins une paroi thermiquement conductrice (242),  the housing comprises at least one thermally conductive wall (242),
- le dispositif de protection et de régulation thermique comprend en outre : - un deuxième joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique (220) intercalé entre les moyens de connexion électriques (210) de la première face (201 a) du deuxième plateau (201 ) et une deuxième plaque en matériau thermiquement conducteur (230), ladite deuxième plaque (230) étant au contact de la paroi thermiquement conductrice (242) du boîtier (240), et the thermal protection and regulation device furthermore comprises: a second joint made of both electrical insulating material and thermal conductor (220) interposed between the electrical connection means (210) of the first face (201 a) of the second plate (201) and a second plate made of thermally conductive material ( 230), said second plate (230) being in contact with the thermally conductive wall (242) of the housing (240), and
- au moins une tige en matériau thermiquement conducteur (250) fixée à ses deux extrémités auxdites première et deuxième plaques (230,231 ), ladite tige étant insérée entre les cellules (200).  - At least one rod of thermally conductive material (250) fixed at both ends to said first and second plates (230,231), said rod being inserted between the cells (200).
5. Batterie selon la revendication 4, comprenant au moins un plateau intermédiaire (302) disposé entre lesdits premier et deuxième plateaux (202, 201 ), le dispositif de protection et de régulation thermique comprenant en outre un troisième joint en matériau à la fois isolant électrique et conducteur thermique (322) intercalé entre les moyens de connexion électrique (31 1 ) de la première face (302a) du troisième plateau (302) et une troisième plaque en matériau thermiquement conducteur (332), ladite au moins une tige en matériau thermiquement conducteur (250) étant en outre fixée à la troisième plaque (332) du plateau intermédiaire (302). 5. Battery according to claim 4, comprising at least one intermediate plate (302) disposed between said first and second plates (202, 201), the thermal protection and regulation device further comprising a third gasket at the same time insulating material. electrical and thermal conductor (322) interposed between the electrical connection means (31 1) of the first face (302a) of the third plate (302) and a third plate of thermally conductive material (332), said at least one rod made of material thermally conductive (250) being further attached to the third plate (332) of the intermediate plate (302).
6. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les cellules sont de type Li-ion. 6. Battery according to one of the preceding claims, wherein the cells are of the Li-ion type.
7. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau à changement de phase pré-conditionné comprend au moins une paraffine. 7. Battery according to one of the preceding claims, wherein said pre-conditioned phase change material comprises at least one paraffin.
8. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau à changement de phase pré-conditionné a une température de fusion Tf comprise entre 0°C et une température maximale d'échauffement autorisé donnée pour les cellules, par exemple une température de fusion Tf comprise entre environ 0°C et environ 60°C. 8. Battery according to one of the preceding claims, wherein said pre-conditioned phase change material has a melting temperature Tf between 0 ° C and a given maximum allowed temperature for heating cells, for example a temperature melting point Tf of from about 0 ° C to about 60 ° C.
9. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau à changement de phase pré-conditionné est un gel, ou un matériau à changement de phase inséré dans un ou plusieurs conteneurs, ou un matériau à changement de phase infiltré dans une matrice poreuse. 9. Battery according to one of the preceding claims, wherein said pre-conditioned phase change material is a gel, or a phase change material inserted in one or more containers, or a phase change material infiltrated into a container. porous matrix.
10. Batterie selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle ladite ou lesdites plaques sont formées d'un ou plusieurs matériaux thermiquement conducteur, de préférence du métal et/ou un matériau composite comprenant des charges thermiquement conductrices. 10. Battery according to one of claims 2 to 9, wherein said one or more plates are formed of one or more thermally conductive materials, preferably metal and / or a composite material comprising thermally conductive fillers.
1 1 . Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit joint est sous une forme discontinue et constitué par un ensemble de lamelles, ou sous forme d'un tapis continu. 1 1. Battery according to one of the preceding claims, wherein said seal is in a discontinuous form and consists of a set of lamellae, or in the form of a continuous belt.
12. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit joint est en matière plastique. 12. Battery according to one of the preceding claims, wherein said seal is plastic.
13. Batterie selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la paroi thermiquement conductrice du boîtier est en métal, de préférence en aluminium, ou en matériau plastique ou composite comprenant de préférence un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type acide polylactique, acrylonitrile-butadiène-styrène, ou nylon. 13. Battery according to one of the preceding claims, wherein the thermally conductive wall of the housing is made of metal, preferably aluminum, or plastic or composite material preferably comprising one or more thermoplastic polymers of polylactic acid, acrylonitrile-butadiene type. styrene, or nylon.
14. Véhicule électrique ou hybride comprenant une batterie selon l'une des revendications précédentes. 14. Electric or hybrid vehicle comprising a battery according to one of the preceding claims.
15. Système de stockage stationnaire comprenant une batterie selon l'une des revendications 10 à 13. Stationary storage system comprising a battery according to one of claims 10 to 13.
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