Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
MODULE DE BATTERIE ULTRA PERFORMANT AVEC GESTION ACTIVE ET
DYNAMIQUE DE PRESSION ET DE TEMPÉRATURE D'OPÉRATION
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention porte sur un système et une méthode de gestion active et dynamique
de
pression et de température d'opération de cellules d'un ou plusieurs modules
de
batterie.
CONTEXTE
Les valeurs de pression et de température d'opération de cellules Li-Ion ne
peuvent
pas servir de références pour une exploitation optimale de cellules d'une
batterie de
nouvelle génération, incluant une batterie tout solide. Selon les
connaissances
actuelles, une gestion précise, active et dynamique des valeurs de pression et
de
température d'opération de batteries est susceptible d'être critique pour:
- minimiser / éliminer l'apparition de porosités dynamiques ou "voids" lors
de
décharge rapide (phase de "stripping"), qui favorisent par la suite la
formation de
dendrites lors d'une charge rapide;
- augmenter la vitesse de charge tout en limitant / éliminant le processus de
formation et de propagation de dendrites lors du "plating";
- augmenter la durée de vie de la batterie (maintien de la capacité,
minimisation de
lithium "mort" ou inactif);
- limiter le taux d'augmentation de l'impédance des cellules de la batterie
au fil des
cycles;
- écrouir les zones / pointes de dendrites (augmentation de la diffusion /
transport du
lithium ou autre métal constituant l'anode);
- garantir un maintien de la qualité des contacts aux interfaces cathode-
électrolyte-
anode des cellules;
- 1 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
- minimiser / éliminer un dommage fait aux cellules en cas de sollicitation
extraordinaire;
- exploiter au maximum le potentiel des batteries nouvelles générations.
Connue dans l'art, la demande WO 2019/017994 (Hettrich) propose une gestion
active et passive de pression d'une batterie et un module de batterie dans
lequel un
fluide maintient une pression isostatique sur au moins une cellule
électrochimique
dans le module.
La demande US 2020/0259232 (Ge et al.) propose une batterie stable à haute
performance sur demande, dans laquelle une cellule de batterie comporte un
élément
chauffant comme une résistance pour hausser la température de la batterie et
améliorer ses performances.
La demande US 2016/0380315 (Weicker et al.) propose des systèmes de batterie
ayant des ensembles de cellules de batterie contrôlés de manière indépendante,
basés sur des modules de batterie spécialisés et complémentaires, par exemple
un
module spécialisé en puissance et un module spécialisé en énergie. La
spécificité
des modules peut être liée à l'utilisation de chimies différentes d'un module
à l'autre.
La demande US 2014/0227568 (Hermann) propose des systèmes de batterie avec
gestion thermique sélective incluant des modules de batterie travaillant en
collaboration de sorte qu'un module chauffe l'autre au besoin.
La demande US 2013/0330577 (Kristofek et al.) propose un contrôle dynamique de
pression dans un ensemble de batterie par le biais d'un fluide qui peut
également
servir à gérer la température. Le fluide n'est pas en contact direct avec les
cellules de
batterie mais plutôt contenu dans des pochettes qui sont en contact avec les
cellules
et permettent de les refroidir et d'appliquer une pression sur ces cellules.
- 2 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
La demande US 2021/0167414 (Torres Martinez) propose une batterie
électrochimique pressurisée et un procédé de fabrication correspondant. Un
système
de gestion dynamique de la pression et de la température est réalisé au moyen
d'un
fluide jouant les deux rôles, de manière similaire ce qui est proposé dans la
demande
US 2013/0330577.
La demande DE 102019211729 (Jahnke et al.) propose un module de batterie de
véhicule comportant un système de gestion dynamique de pression. Des
mécanismes appliquant une pression sur des cellules d'une batterie peuvent
être
.. passifs ou actifs au moyen de ressorts, de piézoélectriques ou de petites
pochettes
remplies de fluide.
La demande DE 102018203050 (Hoffmann) propose un système de gestion
dynamique de pression d'une batterie basé sur un fluide injecté dans des
pochettes
appliquées contre des cellules de la batterie.
Aucun des systèmes proposés dans l'art n'est capable de gérer activement et
dynamiquement des variations de pression et de température importantes au
niveau
de cellules d'une batterie avec un temps de réponse quasi instantané en
fonction de
conditions d'opération ou de sollicitation données, afin d'exploiter les
caractéristiques
de performance possible d'une telle batterie.
SOMMAIRE
Un objet de la présente invention est de proposer un système de gestion de
pression
et de température d'opération de cellules d'un ou plusieurs modules de
batterie, qui
permet d'exploiter les caractéristiques de performance possible d'une telle
batterie.
Selon un aspect de la présente invention, il est proposé un système de gestion
de
pression et de température d'opération d'une batterie, le système comprenant:
- 3 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
au moins un module de batterie ayant une chambre logeant des cellules de la
batterie, et au moins un circuit embarqué connecté aux cellules et configuré
pour
piloter leur opération et surveiller leur état de charge, la chambre ayant des
entrée et
sortie fluidiques opposées pour recevoir et évacuer un fluide caloporteur
appliqué à
toutes les cellules;
une unité fluidique ayant un réservoir de retour en communication avec la
sortie fluidique de chaque module de batterie, un réservoir refroidissant pour
contenir
une quantité du fluide caloporteur pompé du réservoir de retour à une
température
froide prédéfinie, un réservoir chauffant pour contenir une quantité du fluide
caloporteur pompé du réservoir de retour à une température chaude prédéfinie,
et un
dispositif de régulation de température et de pression ayant des entrées en
communication avec les réservoirs refroidissant et chauffant et au moins une
sortie
en communication avec l'entrée fluidique de chaque module de batterie de
manière à
transmettre le fluide caloporteur à une température et une pression par
mélange et
débit contrôlés du fluide caloporteur provenant des réservoirs refroidissant
et
chauffant;
des capteurs de température et de pression du fluide caloporteur circulant
entre l'unité fluidique et l'au moins un module de batterie;
au moins un contrôleur ayant des entrées pour recevoir des signaux de
consigne de température et de pression du fluide caloporteur dans l'au moins
un
module de batterie, des entrées pour recevoir des signaux de mesure de
température
et de pression produits par les capteurs de température et de pression, et des
sorties
pour produire des signaux contrôlant le mélange et le débit du fluide
caloporteur
transmis par l'unité fluidique selon les signaux de consigne et les signaux de
mesure
de température et de pression; et
un BMS connecté à l'au moins un contrôleur et à l'au moins un circuit
embarqué, le BMS étant configuré pour produire les signaux de consigne de
température et de pression du fluide caloporteur et une consigne de
sollicitation
destinés à l'au moins un module de batterie en fonction d'une demande en
énergie et
- 4 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
en puissance reçue en entrée et l'état de charge fourni par l'au moins un
circuit
embarqué.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une méthode de gestion de
pression et de température d'opération d'une batterie, la méthode comprenant
les
étapes de:
loger des cellules de la batterie dans une chambre définie par au moins un
module de batterie, la chambre ayant des entrée et sortie fluidiques opposées
pour
recevoir et évacuer un fluide caloporteur appliqué à toutes les cellules;
surveiller un état de charge des cellules dans l'au moins un module de
batterie;
recueillir le fluide caloporteur évacué par la sortie fluidique de chaque
module
de batterie dans un réservoir de retour;
refroidir et chauffer séparément des quantités du fluide caloporteur pompé du
réservoir de retour dans des réservoirs refroidissant et chauffant à des
températures
.. froide et chaude prédéfinies;
acheminer le fluide caloporteur à l'entrée fluidique de l'au moins un module
de
batterie à des température et pression régulées par mélange et débit contrôlés
du
fluide caloporteur provenant des réservoirs refroidissant et chauffant;
prendre des mesures de température et de pression du fluide caloporteur
acheminé vers et évacué par l'au moins un module de batterie;
contrôler le mélange et le débit du fluide caloporteur acheminé à l'au moins
un
module de batterie selon les mesures et des consignes de température et de
pression; et
ajuster les consignes de température et de pression du fluide caloporteur et
.. une consigne de sollicitation destinés à l'au moins un module de batterie
en fonction
d'une demande en énergie et en puissance et l'état de charge des cellules dans
l'au
moins un module de batterie.
De manière non limitative, la présente invention propose un système de gestion
de
pression et de température d'opération de cellules d'un ou plusieurs modules
de
- 5 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
batterie, qui permettent à la fois ou séparément: d'atteindre une valeur
précise de
pression appliquée sur les cellules en fonction de conditions de sollicitation
de la
batterie; d'appliquer une pression uniforme sur les cellules de la batterie;
d'appliquer
des valeurs importantes de pression, allant par exemple jusqu'à 2 000 psi; de
faire
varier très rapidement une valeur de pression appliquée sur les cellules en
fonction
de changements de conditions de sollicitation ou d'opération; de permettre une
variation de volume des cellules en cycle de charge et de décharge;
d'atteindre une
valeur précise de température des cellules en fonction de conditions de
sollicitation
ou d'opération de la batterie; de varier très rapidement une valeur de
température des
cellules en fonction de changements de conditions de sollicitation ou
d'opération;
d'appliquer des valeurs et des variations importantes de température, par
exemple de
0 à 80 C; d'obtenir une température uniforme sur chacune des cellules, sur
toute leur
superficie; d'ajuster des stratégies de régulation de pression et de
température en
fonction d'un état de santé de la batterie et de spécificités liées à une
utilisation de la
batterie au moyen d'algorithmes variés et/ou évolutifs; dans le cas d'une
utilisation de
la batterie dans un véhicule, de minimiser un transfert de vibrations du
véhicule aux
cellules de la batterie afin de préserver une intégrité des contacts
électriques; de
minimiser une consommation d'énergie dédiée à un refroidissement ou un
réchauffement d'un fluide caloporteur et à une application d'une pression
importante;
d'intégrer de façon rentable les différents ensembles du système dans une
carrosserie d'un véhicule; et de neutraliser des réactions chimiques en cas de
cellules
défectueuses ou d'accident.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera
donnée ci-
après en référence avec les dessins suivants:
Figure 1 est un diagramme schématique illustrant un système de gestion de
pression
et de température d'opération d'une batterie selon une réalisation de
l'invention.
- 6 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
Figure 2 est un diagramme schématique illustrant un arrangement de régulation
de
pression et de température selon une réalisation de l'invention.
Figure 3 est un organigramme illustrant un processus de commande et de
contrôle du
système selon une réalisation de l'invention.
Figure 4 est un organigramme illustrant des paramètres de gestion de pression
et de
température et d'opération d'un module de batterie selon une réalisation de
l'invention.
Figures 5A, 5B, 5C et 5D sont des graphiques illustrant des exemples de
protocoles
de gestion de pression et de température implémentés dans le système selon une
réalisation de l'invention.
Figure 6 est un diagramme schématique explosé d'un module de batterie avec des
cellules de type bouton selon une réalisation de l'invention.
Figures 7A et 7B sont des vues partielles en perspective d'une structure
interne d'un
module de batterie selon une réalisation de l'invention.
Figures 8A, 8B, 8C et 8D sont des diagrammes schématiques d'arrangements
possibles de plusieurs modules de batterie selon une réalisation de
l'invention.
Figures 9A et 9D sont des diagrammes schématiques explosés d'un module de
batterie avec des cellules de type prismatique selon une réalisation de
l'invention.
- 7 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
Dans le cadre de cette divulgation, une batterie est formée de cellules qui
sont
composées de deux électrodes - un pôle positif (ou cathode) et un pôle négatif
(ou
anode) - séparés par un milieu faisant office de conducteur ionique, appelé
électrolyte. Les cellules peuvent être de différentes architectures, formats
et
dimensions. Les anodes, cathodes et électrolytes peuvent être constitués de
différents matériaux. L'électrolyte peut être liquide, solide, hybride
(polymère,
céramique, liquide, etc.).
Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "quasi
instantané" ou
"instantané" signifie un laps de temps ou un temps de réponse d'environ 15 s
ou
moins, sauf si le contexte implique une interprétation différente.
.. En référence à la Figure 1, un système de gestion de pression et de
température
d'opération d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention est
illustré. Le
système comprend au moins un module de batterie 2. Dans le cas illustré et
pour la
suite de la divulgation, pour fins de simplification uniquement, il sera fait
référence à
un système comprenant trois modules de batterie 2. Il doit être compris que le
nombre de modules de batterie dans le système peut être différent d'un seul ou
de
trois, par exemple deux ou plus de trois si voulu. L'invention présente une
solution au
problème d'exploiter de manière optimale une batterie en gérant des pressions
et
températures d'opération des cellules qu'elle comporte de manière active,
dynamique, précise et quasi instantanée par l'entremise d'un fluide
caloporteur
circulant dans le système selon des modes de contrôle qui seront décrits ci-
après.
Dans la Figure 1, les lignes en pointillées représentent des lignes de
circulation du
fluide caloporteur alors que les lignes pleines représentent des lignes de
communication de signaux.
- 8 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
En référence à la Figure 6, chaque module de batterie 2 a une chambre 4
logeant
des cellules 6 de la batterie, et au moins un circuit embarqué 8 connecté aux
cellules
6 et configuré pour piloter leur opération et surveiller leur état de charge.
Le ou les
circuits embarqués 8 peuvent inclure des unités de puissance, des dissipateurs
d'énergie, des limiteurs de courants et un chargeur intelligent (non
illustrés),
permettant de générer les conditions pertinentes de pression, de température
et de
densité de courant pour obtenir les performances optimales des modules de
batterie
2. La chambre 4 a des entrée et sortie fluidiques 10, 12 (illustrées e.g. à la
Figure 2)
opposées pour recevoir et évacuer un fluide caloporteur appliqué à toutes les
cellules
6. De préférence, le fluide caloporteur est un liquide, avantageusement une
huile, et
plus avantageusement une huile minérale permettant de neutraliser des
réactions
chimiques potentielles dans l'éventualité d'une cellule défectueuse ou
endommagée.
Dans la suite de la divulgation, le terme "hydraulique" pourra être utilisé au
lieu de
"fluidique" en lien avec une huile servant de fluide caloporteur, sans limiter
le fluide
caloporteur à une huile et des dispositifs de régulation de pression et de
température
d'huile uniquement.
En référence à nouveau à la Figure 1, le système comporte une unité fluidique
14
ayant un réservoir de retour 16 en communication avec la sortie fluidique 12
(illustrée
e.g. à la Figure 2) de chaque module de batterie 2, un réservoir refroidissant
18 pour
contenir une quantité du fluide caloporteur pompé du réservoir de retour 16 à
une
température froide prédéfinie, un réservoir chauffant 20 pour contenir une
quantité du
fluide caloporteur pompé du réservoir de retour 16 à une température chaude
prédéfinie, et un dispositif de régulation de température et de pression 22,
24 ayant
des entrées 26 en communication avec les réservoirs refroidissant et chauffant
18, 20
et au moins une sortie 28 en communication avec l'entrée fluidique 10 de
chaque
module de batterie 2 de manière à transmettre le fluide caloporteur à une
température et une pression souhaitée par mélange et débit contrôlés du fluide
caloporteur provenant des réservoirs refroidissant et chauffant 18, 20. Selon
un mode
de réalisation, la température chaude prédéfinie est de 100 C alors que la
- 9 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
température froide prédéfinie est de -30 C, de sorte que le fluide caloporteur
fourni
aux modules de batterie 2 par l'unité fluidique 14 peut avoir une température
variant
quasi instantanément de -30 C à 100 C pour leur gestion dynamique. D'autres
valeurs de température froide et chaude peuvent convenir selon les chimies des
modules de batterie 2 utilisés et leurs plages de température d'opération, par
exemple et de préférence d'au plus 0 C et 80 C.
En référence à la Figure 2, le système comprend des capteurs de température 31
(T1,
T2, T3) et de pression 33 (P1, P2, P3) du fluide caloporteur circulant entre
l'unité
fluidique 14 et les modules de batterie 2. Selon un mode de réalisation de
l'invention,
le système comprend des contrôleurs 34, 36, 38 (ci-après aussi référés par
contrôleurs #1, #2, #3) ayant des entrées 40, 42, 44 pour recevoir des signaux
de
consigne de température et de pression du fluide caloporteur dans les modules
de
batterie 2, des entrées 46, 48 pour recevoir des signaux de mesure de
température
T1, T2, T3 et de pression P1, P2, P3 produits par les capteurs de température
31 et de
pression 33, des sorties 50 pour produire des signaux contrôlant le mélange et
le
débit du fluide caloporteur transmis par l'unité fluidique 14 selon les
signaux de
consigne et les signaux de mesure de température et de pression. Les fonctions
des
contrôleurs 34, 36, 38 peuvent être réalisées par un seul contrôleur si voulu.
D'autres
.. types de capteurs permettant de surveiller, mesurer, informer, asservir,
ajuster, et
évoluer peuvent être ajoutés dans le système, par exemple des capteurs de
mesure
de courant, de mesure de tension, d'analyse de gaz dissous dans l'huile ou
autre
fluide caloporteur utilisé (non illustrés).
En référence à nouveau à la Figure 1, le système comprend un BMS 52 connecté
aux contrôleurs 34, 36, 38 (illustrés e.g. à la Figure 2) et aux circuits
embarqués 8
(illustré e.g. à la Figure 6) des modules de batterie 2. Le BMS 52 est
configuré pour
produire les signaux de consigne de température et de pression du fluide
caloporteur
et une ou des consignes de sollicitation 54 destinés aux modules de batterie 2
en
- 10 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
fonction d'une demande en énergie et en puissance reçue en entrée 56 et l'état
de
charge fourni par les circuits embarqués 8.
Le BMS 52 peut être configuré pour stocker et exécuter des algorithmes de
commande de paramètres d'opération des modules de batterie 2 en fonction de
conditions de sollicitation, de l'état de charge et d'un état de santé des
modules de
batterie 2, et en fonction d'une température ambiante et d'une vocation
préétablie
d'un module de batterie parmi les modules de batterie 2. Les conditions de
sollicitation, l'état de charge et l'état de santé peuvent être transmis au
BMS 52 via un
contrôleur 88 de consignes de sollicitation des modules de batterie et des
états de
charge et de santé fournis par un module de surveillance 90 traitant les
signaux
produits par les circuits embarqués 8 (illustré e.g. à la Figure 6) des
modules de
batterie 2. La vocation préétablie d'un module de batterie 2 peut être
programmée
dans le BMS 52 de sorte que le BMS 52 génère les signaux de commande et de
contrôle appropriés pour gérer dynamiquement et activement sa pression, sa
température, sa sollicitation et ses états selon sa vocation via le contrôleur
88 et le
circuit 54 en communication avec les circuits embarqués 8 des modules de
batterie 2,
ainsi que via les contrôleurs de contrôle de pression 36 et de contrôle de
température
34, 38. La vocation d'un module de batterie 2 peut, par exemple, consister à
le faire
opérer d'une façon différente que celle pour laquelle ses cellules 6 ont été
normalement conçues. Les paramètres d'opération incluent la pression et la
température du fluide caloporteur circulant dans les modules de batterie 2, et
peuvent
inclure aussi une puissance admise par chaque module de batterie 2. Les
conditions
de sollicitations peuvent être, par exemple, une charge rapide, un appel de
puissance, par exemple une accélération, un tirage de charge, un freinage
brusque
dans le cas d'un véhicule électrique.
Le système peut être équipé d'un échangeur de chaleur 92 avec les réservoirs
16,
18, 20 de l'unité fluidique 14 et des dispositifs périphériques (non
illustrés) générant
une énergie thermique, comme un dispositif de chauffage, un climatiseur, un
moteur-
- 11 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
frein, un chargeur intelligent, pour une minimisation de la consommation
d'énergie
pour réchauffer / refroidir le fluide caloporteur.
En référence à nouveau à la Figure 2, selon un mode de réalisation, l'unité
fluidique
14 est dotée d'une pompe 94 et d'un accumulateur 100 permettant d'ajuster et
gérer
dynamiquement la pression à appliquer aux modules de batterie 2 à une valeur
souhaitée. La pompe 94 a une entrée 96 communiquant avec le réservoir de
retour
16 et une sortie 98 pour transmettre une quantité du fluide caloporteur pompée
du
réservoir de retour 16. L'accumulateur 100 a une entrée 102 communiquant avec
la
sortie 98 de la pompe 94 et une sortie 104 communiquant avec les réservoirs
refroidissant et chauffant 18, 20. L'accumulateur 100 produit un signal
d'asservissement 106 contrôlant la pompe 94 selon une mesure de pression
fournie
par un capteur de pression 103 (PO) à la sortie 104 de l'accumulateur 100 de
manière
qu'une pression du fluide caloporteur dans les réservoirs refroidissant et
chauffant 18,
20 soit légèrement plus élevée que la consigne de pression 44. Un clapet de
surpression 108 est de préférence ajouté en parallèle à la pompe 94.
En référence à nouveau à la Figure 6, chaque module de batterie 2 peut être
formé
d'un élément tubulaire 58 et des éléments d'extrémité 60, 62 fermant l'élément
tubulaire 58 pour définir la chambre 4 qui s'apparente à un réservoir. Une
structure 64
de support et d'espacement des cellules 6 dans une direction axiale de
l'élément
cylindrique 58 peut avantageusement assurer un espacement approprié des
cellules
6 pour permettre leur variation de volume lors de cycles de charge-décharge et
minimiser une transmission de vibrations mécaniques aux cellules 6 immergées
dans
le fluide caloporteur. Un arrangement distributeur 66 du fluide caloporteur
est en
communication avec l'entrée fluidique 10 et a des ouvertures 68 (illustrées
e.g. à la
Figure 7B) alignées sur des espaces entre les cellules 6. Un arrangement 70 de
connexions électriques connecte les cellules 6 et le ou les circuits embarqués
8
ensemble. L'élément tubulaire 58 peut être de forme cylindrique comme illustré
dans
.. la Figure 6, convenant particulièrement bien à des cellules 6 de type
bouton comme
- 12 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
également illustré dans la Figure. Les éléments d'extrémités 60, 62 peuvent
avantageusement être en forme de coupole faisant saillie à des bouts opposés
de
l'élément tubulaire 58 et définissant des espaces intérieurs logeant le ou les
circuits
embarqués 8. Dans le cas où il y a deux circuits embarqués 8 (un seul étant
visible
dans la Figure 6), les circuits embarqués 8 peuvent être respectivement logés
dans
les éléments d'extrémité 60, 62 et isolés du réservoir ou chambre 4 par des
rondelles
d'étanchéité 110, 112. L'élément tubulaire sous forme cylindrique peut
également être
utilisé avec des arrangements de cellules 6 de type prismatique comme illustré
à la
Figure 9B. La structure 64 de support et d'espacement des cellules 6,
l'arrangement
distributeur 66 et l'arrangement 70 de connexions électriques (comme illustrés
à la
Figure 6) sont alors modifiés en conséquence, par exemple par des éléments
appropriés (non illustrés) disposés entre des empilements successifs des
cellules 6 et
aux bouts opposés de l'élément tubulaire 58. L'élément tubulaire 58 peut avoir
une
forme parallélépipédique comme illustré à la Figure 9B pouvant avantageusement
convenir à des cellules 6 de type prismatique, ou une autre forme comme une
forme
oblongue si voulu. De même, d'autres formes qu'une coupole peuvent être
utilisées
pour les éléments d'extrémités 60, 62 si voulu. Les éléments d'extrémités 60,
62 et
les bouts opposés de l'élément tubulaire 58 peuvent avantageusement présenter
des
brides 59 d'assemblage par boulons (non illustrés) permettant de démonter le
module
de batterie 2 au besoin. D'autres genres de raccord et d'assemblage peuvent
être
utilisés si voulu.
En référence aux Figures 7A et 7B, selon un mode de réalisation, la structure
64 de
support et d'espacement comprend des barres 72 allongées ayant des surfaces
externes épousant sensiblement une surface interne de l'élément cylindrique 58
(illustré e.g. à la Figure 6), et des surfaces internes présentant des
encoches 74
transversales réparties dans la direction axiale de l'élément cylindrique 58
et dans
lesquelles s'engagent des rebords périphériques 76 des cellules 6.
L'arrangement
distributeur 66 peut comprendre des conduits 78 s'étendant dans les barres 72
et en
communication avec l'entrée fluidique 10 (illustrée e.g. à la Figure 6), les
ouvertures
- 13 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
68 de l'arrangement distributeur 66 étant ménagées dans les surfaces internes
des
barres 72 de manière que le fluide caloporteur applique une pression
isostatique
(uniforme) sur les cellules 6 immergées dans et directement en contact avec le
fluide
caloporteur. L'arrangement 70 de connexions électriques peut être formé de
séries
supérieure et inférieure de plaquettes 80, 82 connectées électriquement les
unes aux
autres et en contact avec des bornes des cellules 6. La série supérieure de
plaquettes 80 peut s'étendre entre les barres 72. La configuration décrite ci-
dessus
d'un module de batterie 2 permet une circulation optimale du fluide
caloporteur
(variation rapide de la température, température uniforme des cellules).
En référence à nouveau à la Figure 2, le fluide caloporteur circule entre
l'unité
fluidique 14 et les modules de batterie 2 à travers un circuit de canalisation
(illustré
par les lignes noires épaisses) doté d'organes de régulation de débit du
fluide
caloporteur, contrôlés par les contrôleurs 34, 36, 38 de manière à ajuster une
température et une pression du fluide caloporteur circulant dans le circuit de
canalisation. Les organes de régulation de débit peuvent avantageusement être,
pour
chaque module de batterie 2, un distributeur D1, D2, D3 du fluide caloporteur
acheminé au module de batterie 2, et un limiteur de pression proportionnel L1,
L2, L3
du fluide caloporteur évacué par le module de batterie 2.
Selon un mode de réalisation, le contrôleur 34 (#1) sert de contrôleur de
gestion de
température du fluide caloporteur dans le système en général en contrôlant des
organes de régulation de débit formés par exemple par des distributeurs D4 et
D5 sur
des lignes fluidiques 30, 32 associées aux réservoirs refroidissant et
chauffant 18, 20
selon le signal de consigne de température reçu à l'entrée 40. Le contrôleur
34 peut
avoir une entrée 84 pour recevoir et tenir compte d'un signal d'ajustement de
température provenant d'un capteur de température 35 (To) indicatif de la
température du fluide caloporteur transmis par l'unité fluidique 14. Le
contrôleur 36
(#2) sert de contrôleur de gestion de pression du fluide caloporteur acheminé
à et
évacué par les modules de batterie 2 en contrôlant les distributeurs D1, D2,
D3 et les
- 14 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
limiteurs de pression proportionnel L1, L2, L3 selon le signal de consigne de
pression
44 et les signaux de mesure de pression (P1, P2, P3) fournis par les capteurs
33. Le
contrôleur 36 est ainsi chargé de réguler la pression du fluide caloporteur
dans les
modules de batterie 2. Le contrôleur 36 peut avoir une entrée 86 pour recevoir
et tenir
compte d'un signal provenant d'un capteur de pression 37 (Pu) indicatif de la
pression
d'ensemble du fluide caloporteur transmis par l'unité fluidique 14. Le
contrôleur 38
(#3) sert de contrôleur de gestion de température du fluide caloporteur
circulant
spécifiquement dans les modules de batterie 2 en contrôlant les distributeurs
D1, D2,
D3 acheminant le fluide caloporteur aux modules de batterie 2 selon le signal
de
consigne de température 42 au niveau des cellules 6 des modules de batterie 2
et les
signaux de mesure de température (T1, T2, T3) fournis par les capteurs de
température 31. Le contrôleur 38 fournit aussi la consigne de température au
contrôleur 34 qui gère l'unité fluidique 14.
En référence aux Figures 8A, 8B, 8C et 8D, les modules de batterie 2 peuvent
être
organisés de manière à former un arrangement indépendant, complémentaire ou
combiné selon que leurs entrées et sorties fluidiques 10, 12 sont jumelées ou
séparées et selon une chimie de leurs cellules. Par exemple, chaque module de
batterie 2 peut être opéré en pression et en température de manière
indépendante
comme illustré à la Figure 8A. Les modules de batterie 2 peuvent être opérés à
une
pression commune mais à des températures différentes comme illustré à la
Figure
8B. Certains modules de batterie 2 peuvent être opérés à une pression commune
différente de la pression d'un autre module de batterie 2, et à des
températures
différentes pour chaque module de batterie 2 comme illustré à la Figure 8C.
Certains
modules de batterie 2 peuvent être opérés à des pression et température
communes
différentes de la pression et la température d'opération d'un autre module de
batterie
2, comme illustré à la Figure 8D. La conception des modules de batterie 2 peut
être
choisie en fonction de certaines conditions d'opération, par exemple une
recharge
extrêmement rapide, une forte accélération ou une importante charge utile à
tirer
dans le cas d'un véhicule électrique (non illustré), un remisage, une
température
- 15 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
extérieure extrême, et en fonction d'une utilisation pour laquelle ils sont
destinés, par
exemple, auto, camion, autobus, avion, train, bateau, stockage d'énergie.
Autant de
modules de batterie 2 que voulu peuvent être utilisés, en complémentarité ou
non,
avec des capacités et dimensions variables, jumelés ou non. Les valeurs de
pression
et de température des modules de batterie 2 peuvent être régulées en temps
réel ou
être fixes. Un des modules de batterie 2 peut être destiné à jouer un rôle
spécial (i.e.
sa vocation), par exemple à opérer à pression fixe et notamment à une pression
très
élevée pour prendre en charge des conditions d'opération extrêmes comme une
recharge extrêmement rapide ou être sollicité en priorité lors d'une forte
accélération
dans le cas d'un véhicule électrique, quitte à devoir remplacer le module de
batterie 2
après un certain temps (e.g. prématurément). Un tel module de batterie 2 peut
être
assimilé à un module de batterie sacrifice pour une performance accrue. Dans
un
mode de réalisation de l'invention, le système peut inclure des modules de
batterie 2
dont la régulation de pression est réalisée uniquement par variation de la
température
du fluide caloporteur, notamment si une valeur de pression accrue est
nécessaire
pour des valeurs de température accrues, en utilisant l'effet du coefficient
de dilation
thermique du fluide caloporteur.
En référence à nouveau à la Figure 1, en somme, selon un mode de réalisation
de
l'invention, le système inclut au moins un module de batterie 2 (ou plusieurs
travaillant en collaboration) avec des conditions d'opération variables (rôle
variable)
ou fixes (rôle dédié), dont la gestion active et dynamique de la température
d'opération et de la pression appliquée sur les cellules 6 (illustrées e.g. à
la Figure 6)
est réalisée via un liquide (ou un fluide) sous pression dans lequel sont
immergées
les cellules 6. Les différents systèmes mécaniques, hydrauliques, électriques
et
logiques décrits ci-dessus sont asservis par des processeurs (non illustrés,
mais
pouvant être intégrés dans le BMS 56 ou les contrôleurs 34, 36, 38) contrôlés
par des
algorithmes évolutifs et coordonnés via un logiciel maître implémenté dans le
BMS
56. Le BMS 56 peut exécuter un algorithme de gestion de charge intelligente
incluant
une stratégie de gestion efficace et optimale des systèmes énergivores
(régulation de
- 16 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
pression et de température) pendant une charge rapide ou lors d'un freinage
brusque.
Les algorithmes évolutifs peuvent être basés sur une implémentation
d'intelligence
artificielle. La gestion active et dynamique de la température d'opération et
de la
pression appliquée sur les cellules 6 permet l'exploitation optimale des
cellules d'une
batterie. Le réservoir cylindrique formé par les éléments 58, 60, 62
(illustrés e.g. à la
Figure 6) du module de batterie 2 permet d'appliquer une pression isostatique
variable et de valeur importante (e.g. jusqu'à 2 000 psi) sur les cellules 6,
tout en
étant compact et facile à intégrer à un véhicule (non illustré).
Selon un mode de réalisation de l'invention, une méthode de gestion de
pression et
de température d'opération d'une batterie consiste à loger des cellules 6 de
la batterie
dans une chambre 4 définie par au moins un module de batterie 2, la chambre 4
ayant des entrée et sortie fluidiques 10, 12 opposées pour recevoir et évacuer
un
fluide caloporteur appliqué à toutes les cellules 6. La méthode implique aussi
de
surveiller un état de charge des cellules 6 dans chaque module de batterie 2,
de
recueillir le fluide caloporteur évacué par la sortie fluidique 12 de chaque
module de
batterie 2 dans un réservoir de retour 16, de refroidir et chauffer séparément
des
quantités du fluide caloporteur pompé du réservoir de retour 16 dans des
réservoirs
refroidissant et chauffant 18, 20 à des températures froide et chaude
prédéfinies, et
d'acheminer le fluide caloporteur à l'entrée fluidique 10 de chaque module de
batterie
2 à des température et pression régulées par mélange et débit contrôlés du
fluide
caloporteur provenant des réservoirs refroidissant et chauffant 18, 20. La
méthode
implique de plus de prendre des mesures de température et de pression du
fluide
caloporteur acheminé vers et évacué par chaque module de batterie 2, de
contrôler le
mélange et le débit du fluide caloporteur acheminé à chaque module de batterie
2
selon les mesures et des consignes de température et de pression, et d'ajuster
les
consignes de température et de pression du fluide caloporteur et une consigne
de
sollicitation destinés à chaque module de batterie 2 en fonction d'une demande
en
énergie et en puissance et l'état de charge des cellules 6 dans chaque module
de
batterie 2. Selon un mode de réalisation, le débit du fluide caloporteur
acheminé à
- 17 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
chaque module de batterie 2 est maintenu tant que les mesures de pression et
de
température sont différentes des consignes de pression et de température. La
méthode peut impliquer d'exécuter un processus évolutif de commande de
paramètres d'opération de chaque module de batterie 2 en fonction de
conditions de
sollicitation, de l'état de charge et d'un état de santé de chaque module de
batterie 2
et en fonction d'une température ambiante et d'une vocation préétablie d'un
module
de batterie 2 parmi tous les modules de batterie 2 utilisés.
Dans la description qui suit, le fluide caloporteur sera considéré être de
l'huile. Il doit
être néanmoins compris qu'un autre fluide approprié à l'invention peut être
utilisé
avec une plage de températures différente si voulu.
En référence à la Figure 3, selon un mode de réalisation, la valeur de la
consigne de
température de l'huile (mélange) 114 est basée sur la valeur de consigne de
température d'opération (e.g. de -30 C à 100 C ou autre plage de température
préférée) des cellules 6 (illustrées e.g. à la Figure 6), tenant compte des
pertes
thermiques, de l'inertie thermique, du volume d'huile en jeu, d'un délai
acceptable
pour atteindre une nouvelle valeur de température d'opération et des
considérations
liées aux matériaux (e.g. transitions thermiques admissibles). La stratégie
pour
atteindre rapidement la valeur de consigne de température de l'huile peut être
basée
sur des algorithmes développés en laboratoire sur le mélange (débits) chaud-
froid
nécessaire 116, 118, 120, 122. Une priorisation par le BMS 52 peut être faite
sur
l'ordonnancement de la réalisation des consignes si des températures
d'opération
différentes sont exigées d'un module de batterie 2 à l'autre. Un
dimensionnement des
composants du système (réservoirs 16, 18, 20, pompe 94, accumulateur 100,
module
de batterie 2 illustrés e.g. à la Figure 2) est préférablement optimisé afin
de
maximiser la vitesse pour faire varier la température des cellules 6. En ce
qui
concerne la régulation de pression, l'huile peut d'abord être amenée à la
bonne
température, et la consigne de pression 124 peut être réalisée simultanément
pour
tous les modules de batterie 2, même en cas de consignes différentes d'un
module
- 18 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
de batterie 2 à l'autre. Le contrôleur #2 36 peut opérer les limiteurs de
pression L1, L2,
L3 et les servovalves D1, D2, D3 des modules de batterie 2 (illustrés e.g. à
la Figure 2)
pour réguler leur pression 126, 128. Une interaction des processus
d'ajustement de
température et de pression de l'huile peut impliquer de maintenir le débit
d'huile tant
que les deux consignes (température et pression) ne sont pas atteintes.
L'atteinte de
la consigne en pression peut tenir aussi compte de l'effet de deux autres
facteurs sur
la valeur de pression, à savoir la température de l'huile et le volume
variable des
cellules (état de charge) 130. Un module de batterie 2 est considéré
compatible aux
exigences lorsque les consignes de température et de pression sont atteintes
132,
.. sinon la température du module de batterie 2 est rectifiée à nouveau 116.
En référence à nouveau à la Figure 2, lorsque que le BMS 52 (illustré e.g. à
la Figure
1) envoie des consignes de régulation de pression et de température
d'opération pour
ajuster adéquatement les conditions d'exploitation des cellules 6 (illustrées
e.g. à la
Figure 6) en fonction des conditions de sollicitation de ces dernières, des
consignes
de valeurs limites de pression sont envoyées aux limiteurs de pression L1, L2,
L3 via
le contrôleur #2 36 afin de bâtir les pressions d'opération visées P1, P2, P3
dans les
modules de batterie 2 (#1, #2 et #3). Si la nouvelle consigne de pression pour
un
module de batterie 2 donné est plus élevée que la pression mesurée dans le
module
de batterie 2, le distributeur D1, D2, ou D3 associé au module de batterie 2
(#1, #2 ou
#3), via le contrôleur 36 (#2), autorise l'admission d'huile permettant
d'atteindre cette
nouvelle valeur de pression. La nouvelle valeur de pression est atteinte
instantanément. La pression PA dans l'accumulateur 100 permet de bâtir une
pression Po dans les réservoirs d'huile froide et chaude 18, 20. Lorsque le
mélange
d'huile est réalisé, une pression Po' est bâtie en amont des distributeurs D1,
D2, D3.
Pour permettre de bâtir instantanément une pression désirée dans les modules
de
batterie 2, en tout temps P
= Amin > P0> PO' > P1, P2, P3. Par exemple, si la pression
maximale des modules est fixée à 1 000 psi, la pression minimale acceptable
dans
l'accumulateur 100 pourra être de 1 500 psi. Lorsque la valeur de PAmin
passera sous
le seuil de 1 500 psi, la pompe 94 démarrera et injectera de l'huile dans
- 19 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
l'accumulateur 100 jusqu'au moment d'atteindre la valeur de P
= Amax (2 500 psi par
exemple). Lorsque qu'une consigne de température d'opération T1, T2, T3 de
cellules
6 est envoyée par le BMS 52, le contrôleur 34 (#1) gère les distributeurs de
ligne
d'huile froide et chaude D4, D5 selon des algorithmes de gestion de débits de
façon à
générer un mélange d'huile à température To. Pour augmenter la valeur de
température d'opération des cellules 6, alors To > T1, T2, T3. A l'inverse,
pour diminuer
la valeur de température d'opération des cellules, alors To < T1, T2, T3. La
différence
de valeurs entre la température du mélange d'huile To et la température
d'opération
T1, T2, T3 des cellules 6 dépend de la vitesse pour atteindre la nouvelle
température
d'opération, compte tenu de l'inertie thermique du système dans son ensemble
et des
limites de transition thermique permises par les matériaux constituant les
cellules 6.
Même si la valeur de pression d'opération P1, P2, P3 est atteinte pour un
module de
batterie 2 donné, le contrôleur 38 (#3) permet l'admission d'huile à To via le
distributeur D1, D2, D3 associé au module de batterie 2 tant que la valeur de
température d'opération visée T1, T2, T3 du module de batterie 2 n'est pas
atteinte.
En référence à la Figure 4, il est illustré un exemple de gestion haut-niveau
que le
système selon l'invention peut implémenter selon différents paramètres de
gestion de
pression et de température et d'opération d'un module de batterie 2. Un
événement
134 comme un appel de puissance, un freinage rapide ou une charge rapide est
signalé au BMS 52 (illustré e.g. à la Figure 1). Comme illustré par le bloc
136, le BMS
52 effectue une analyse des paramètres système versus des exigences
d'exploitation. A cet effet, le BMS 52 peut considérer certaines conditions
comme un
état de charge (SOC), un état de santé (SOH), des pression et température des
cellules 6 (illustrées e.g. à la Figure 6), leur historique de vie
(calendrier) et un
nombre de cycles vécus par les cellules 6 d'un module de batterie 2 comme
illustré
par le bloc 138. De même, le BMS 52 peut considérer différents paramètres
comme
une température ambiante, une durée de charge prévue, une puissance de charge
prévue, des dispositifs périphériques en fonction, une morphologie de terrain
à
parcourir, une habitude de conduite, une sélection de mode de conduite, une
- 20 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
condition de trafic, des options de recharge sur un parcours, comme illustré
par le
bloc 140. Une vérification 142 est ensuite effectuée pour déterminer si un
module de
batterie 2 est compatible avec les exigences par rapport aux paramètres
système. Si
tel est le cas, des consignes de puissance sont transmises aux modules de
batterie 2
compatibles, comme illustré par le bloc 144. Autrement, le BMS 52 transmet des
consignes aux mécanismes de régulation comme illustré par le bloc 146. Une
régulation en température 148, une régulation en pression 150 et une gestion
de
densité de courant 152 sont réalisées, de sorte qu'un module de batterie 2 est
éventuellement compatible 154. Une gestion de surplus de puissance 156 peut
être
réalisée pour un chauffage ou refroidissement de l'huile 158, pour exploiter
un
module de batterie 2 comme module sacrifice au détriment de ses paramètres
d'opération nominaux 160, ou pour une dissipation de puissance 162 si voulu.
En référence aux Figures 5A, 5B, 5C et 5D, des exemples de protocoles de
gestion
de pression et de température implémentés dans le système selon un mode de
réalisation de l'invention sont illustrés sous formes graphiques. La Figure 5A
montre
un protocole possible de régulation de pression des cellules 6 d'un module de
batterie
2 (illustrés e.g. à la Figure 6) en fonction d'une vitesse de charge ou de
décharge
préconisée. La Figure 5B montre un protocole possible de régulation de
pression des
cellules 6 d'un module de batterie 2 en fonction de son état de charge (SOC).
La
Figure 5C montre un protocole possible de régulation de température
d'opération par
rapport à une vitesse de charge ou de décharge préconisée. La Figure 5D montre
un
protocole possible de régulation de pression d'opération par rapport au nombre
de
cycles de charge et décharge vécu par un module de batterie 2.
En référence à nouveau à la Figure 1, certaines considérations relativement au
système selon l'invention peuvent être pertinentes. En outre, la valeur de la
pression
d'huile dans un réservoir sous pression aura tendance à varier en fonction des
facteurs suivants: la valeur de consigne de pression dictée à l'unité
fluidique 14 par le
BMS 52, la variation de la température de l'huile, la variation du volume des
cellules
-21 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
6. L'algorithme de commande de la régulation de pression pourra inclure des
intrants
coordonnés liés à ces facteurs, sur la base d'un modèle intégrant une
interaction des
consignes de pression et de température, ainsi qu'un retour d'information sur
l'état de
charge des cellules 6, donc leur volume à un moment précis. Le BMS 52 peut
coordonner et diriger une sollicitation des différents modules de batterie 2
en fonction
d'une demande en énergie et en puissance. Une gestion de proximité de chacun
des
modules de batterie 2 peut être faite à bord de chaque module de batterie 2
par un
BMS embarqué ou un BMS - module implémenté par les circuits embarqués 8. Une
surveillance de l'huile, impliquant par exemple une surveillance d'éléments
chimiques
.. ou de gaz dissous, peut permettre d'identifier des symptômes de
détérioration des
composants constituant un module de batterie 2. Une huile minérale utilisée
comme
fluide caloporteur peut permettre de neutraliser des réactions chimiques
potentielles
dans l'éventualité d'une cellule 6 défectueuse ou endommagée. Une
implémentation
d'algorithmes évolutifs e.g. d'intelligence artificielle dans le BMS 52 peut
représenter
un aspect stratégique de l'exploitation du système selon l'invention. De tels
algorithmes peuvent être responsables de la gestion des paramètres d'opération
des
modules de batterie 2 (courant, pression, température). Une programmation
(e.g. en
industrie) des algorithmes initiaux dans le BMS 52 peut être faite en fonction
de
l'utilisation des modules de batterie 2 (e.g. auto, autobus, camion, avion,
bateau,
stockage, etc.). Une modification de tels algorithmes peut se faire au fil du
temps,
selon différents facteurs comme un type de conduite (e.g. accélération,
freinage, tire
de charge), une morphologie de terrain, des températures extérieures, des
schémas
de charge, des schémas d'utilisation (fréquence, durée). Des algorithmes
évolutifs
peuvent mener à une décision de sursolliciter un module de batterie 2 en cas
de
.. conditions d'utilisation extrêmes (e.g. module sacrifice). Ils peuvent
aussi mener à un
schéma de charge particulier (en fonction de la demande en électricité /
tarif, de la
diminution des performances des modules de batterie 2, d'une présence
suspectée
de zone d'initiation de dendrite), incluant une procédure de réparation des
dommages
dendritiques ("self-healing") en combinant stratégiquement des valeurs de
- 22 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
température-pression-courant et des schémas de courant de charge connus pour
leurs effets bénéfiques sur l'état de la batterie.
Bien que des réalisations de l'invention aient été illustrées dans les dessins
ci-joints
et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans
l'art que
des modifications peuvent être apportées à ces réalisations sans s'écarter de
l'invention.
- 23 -
Date Reçue/Date Received 2021-11-10
