FR3116157A1 - Dispositif de stockage electrochimique a gestion thermique amelioree - Google Patents

Dispositif de stockage electrochimique a gestion thermique amelioree Download PDF

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Abstract

Dispositif de stockage électrochimique comportant plusieurs cellules électrochimiques, un système de gestion thermique des cellules comprenant des moyens de régulation thermique des cellules, et un module de gestion thermique comprenant un objet de mesure disposé parmi les cellules, un premier capteur (10) mesurant la température (T1) d’une cellule électrochimique de mesure, un deuxième capteur (12) mesurant la température (T2) de l’objet de mesure (O), des moyens de chauffage (12) de l’objet de mesure (O), l’objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique proches de celles des cellules électrochimiques, ledit module comparant les températures (T1, T2) et commandant les moyens de chauffage (12) de sorte que la température de l’objet de mesure soit celle de la cellule de mesure, mesurant la puissance requise pour maintenir la température de l’objet de mesure (O) à la température de la cellule de mesure (C), et déterminant la puissance thermique que la cellule de mesure échange avec son environnement. Figure pour l’abrégé : 1

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE A GESTION THERMIQUE AMELIOREE
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un dispositif de gestion thermique temps réel d’un système de stockage électrochimique.
Les dispositifs de stockage électrochimique tels que ceux dans les batteries de véhicule automobile comportent une pluralité de cellules disposées les unes à côté des autres formant un pack batterie. Chaque cellule a ses propres connexions électriques. Par exemple, les cellules sont des cellules Li-ion. Chaque cellule comporte une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur assurant la conduction ionique mais garantissant une isolation électrique entre les deux électrodes, un électrolyte rendant possible la conductivité ionique entre les deux électrodes et une enceinte ou enveloppe étanche enfermant les éléments ci-dessus et permettant la connexion électrique vers l’extérieur.
Chaque cellule, lors de son utilisation, est le siège de pertes thermiques internes qui contribuent à l’échauffer et à chauffer les autres cellules. Des moyens pour évacuer la chaleur dégagée par les cellules sont alors mis en œuvre. Généralement une circulation d’un fluide autour des cellules, par exemple l’air, de l’huile est prévue par exemple par convection naturelle ou convection forcée ou via un matériau solide conducteur thermique ou un matériau à changement de phase.
La gestion thermique d’un pack batterie est importante pour garantir des conditions d’utilisation conformes aux préconisations du fabricant de cellules, et pour maîtriser l’impact de la température sur la durée de vie des cellules et leurs performances.
Afin de pouvoir assurer une bonne gestion thermique du pack batterie, les fabricants de pack batterie peuvent utiliser :
- des capteurs de température mesurant la température au sein du pack batterie positionnés sur des cellules du pack ou dans leur environnement direct. Or les capteurs de température mesurent une température locale. Pour garantir l’absence d’apparition d’un point chaud local, le réseau de capteurs de température devrait être relativement dense. De plus ces capteurs de température mesurent la température de surface de la cellule qui est corrélée mais non égale à la température interne de la cellule dans l’environnement thermique du pack batterie. En effet, les échanges thermiques avec le fluide caloporteur génèrent des gradients thermiques au sein de la cellule pouvant être significatifs compte tenu de la relativement faible conductivité radiale des cellules batteries,
- des capteurs en charge de vérifier que le fluide caloporteur circule effectivement. On peut mettre en œuvre des capteurs directs, par exemple un capteur de débit ou de surpression du fluide caloporteur, et/ou des capteurs indirects, par exemple des capteurs de tension/courant ou de vitesse en charge de donner un indicateur quant au bon fonctionnement de la pompe ou du ventilateur.
Or les capteurs directs peuvent être relativement coûteux pour un pack batterie dédié à une production de masse. De plus ces capteurs donnent une information corrélée aux échanges thermiques mais ne permettent pas de quantifier directement les échanges thermiques réels entre une cellule batterie et le fluide caloporteur. Si par exemple, à cause du vieillissement, de l’usure des composants ou des conditions environnementales (température), la capacité d’échange thermique du fluide caloporteur ou le coefficient d’échanges thermique entre les cellules et le fluide varient, l’information des capteurs directs ne permet pas de connaitre précisément la capacité de refroidissement instantanée du système de gestion thermique. Les modèles généraux qui permettent d’évaluer les échanges thermiques entre une paroi et un fluide peuvent être entachés d’une incertitude importante en fonction des conditions d’utilisation, des conditions environnementales et des géométries mises en jeu.
Les capteurs indirects ne permettent pas non plus de quantifier les échanges thermiques réels entre les cellules électrochimiques et l’environnement thermique. De plus ces capteurs sont inefficients dans le cas de certains défauts. Par exemple un manque de fluide caloporteur, par exemple induit par une fuite, réduit les performances du système de refroidissement mais n’est pas détectable par les capteurs indirects chargés de vérifier que l’actionneur de recirculation, tel qu’une pompe ou un ventilateur, fonctionnent correctement. Le nombre de capteurs doit donc être multiplié de manière à tenir compte de l’ensemble des risques de défaillances du système de refroidissement.
Le document JP2018129130 décrit un dispositif d’estimation de la température interne d’une cellule électrochimique en mesurant la température à la surface de la cellule, la température ambiante et en modélisant le comportement thermique de la cellule par une résistance thermique et en tenant compte de la résistance thermique du fluide caloporteur, qui peut être estimé à partir des caractéristiques du fluide caloporteur, par exemple sa vitesse. Le dispositif ne prévoit pas de détecter une défaillance du système de refroidissement.
C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir un dispositif de stockage électrochimique présentant une gestion thermique améliorée.
Le but mentionné ci-dessus est atteint par un dispositif de stockage électrochimique comportant au moins une cellule électrochimique, des moyens de connexion électrique de la au moins une cellule électrochimique, des moyens pour extraire ou apporter de la chaleur aux cellules, au moins un objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique avec l’environnement proches ou égales de celles de la au moins une cellule électrochimique ou au moins transposables à celles de la au moins une cellule électrochimique, un capteur de température pour connaître la température à la surface de l’objet de mesure, un capteur température pour connaître la température à la surface d’une cellule électrochimique, et des moyens pour chauffer l’objet de mesure.
Dans un exemple avantageux, le dispositif de stockage électrochimique comporte des moyens de mesure de la puissance requise pour que la température à la surface de l’objet de mesure atteigne et se maintienne à celle de la cellule électrochimique.
Dans un exemple de réalisation, les moyens pour extraire ou apporter de la chaleur aux cellules utilisent un fluide caloporteur permettant de gérer la température des cellules.
Selon une caractéristique additionnelle, des moyens pour chauffer certaines cellules électrochimiques peuvent être mis en œuvre, par exemple pour une calibration régulière du capteur.
La puissance injectée dans l’objet de mesure pour que sa température de surface se maintienne à celle de la surface de la cellule électrochimique permet de déterminer la puissance échangée avec l’extérieur, par exemple avec un fluide caloporteur, par la cellule électrochimique en cours de fonctionnement, i.e. le flux thermique évacuée par la cellule électrochimique.
La connaissance du flux de chaleur évacué par la cellule électrochimique permet d’acquérir une connaissance d’un état du fonctionnement des moyens de refroidissement. En effet, elle permet de savoir si l’extraction de chaleur est efficace, et/ou de détecter tout dysfonctionnement, qui peut être soit un sous-refroidissement soit un sur-refroidissement.
La connaissance de ce flux évacué permet, à partir d’un modèle thermique interne de la cellule électrochimique se basant sur la capacité calorifique et la conductivité thermique normale ou parallèle aux électrodes, d’estimer la température à cœur de la cellule électrochimique. La gestion thermique peut être ainsi adaptée pour modifier celle-ci et se rapprocher des conditions d’utilisation prescrites par le fabricant de cellule.
L’invention permet un pilotage amélioré de la gestion thermique du pack batterie via une mesure en temps réel des échanges thermiques de la ou des cellules avec son ou leur environnement et une mesure de la température de surface d’au moins une cellule électrochimique, qui permettent via un modèle thermique d’évaluer un champ de température au sein des cellules électrochimiques.
En d’autres termes, au sein d’un pack batterie on mesure le flux thermique en temps réel grâce à un dispositif différentiel en utilisant un élément qui n’est pas une cellule électrochimique, mais dont le comportement thermique permet de connaître celui des cellules électrochimiques fonctionnelles, et on réalise un capteur de température virtuel interne des cellules électrochimiques robuste permettant une gestion optimale du pack batterie conformément aux préconisations du fabricant de cellules électrochimiques durant ses différentes phases de fonctionnement, telles que le démarrage, le roulage dans le cas d’un pack batterie d’un véhicule électrique, la recharge, et en fonction des différentes conditions environnementales, telles que la température ambiante…
L’invention ne modifie pas l’architecture interne du pack batterie, l’objet de mesure forme par exemple une cellule factice qui peut remplacer une cellule réelle. Compte tenu du nombre important de cellules au sein d’un pack batterie, la suppression d’une cellule électrochimique a un impact réduit sur la perte de densité d’énergie obtenue. La perte de densité d’énergie est d’autant plus réduite que les cellules sont nombreuses et de petites dimensions.
Dans un exemple avantageux, l’objet de mesure est formé par une enveloppe d’une cellule électrochimique et comporte des moyens de chauffage de type à effet Joule sur sa surface, par exemple formés par un conducteur électrique, par exemple imprimé sur sa surface.
L’un des objets de la présente demandes est un dispositif de stockage électrochimique comportant une ou plusieurs cellules électrochimiques destinées à stocker de l’électricité et à fournir de l’électricité, reliées à un circuit électrique de connexion, un système de gestion thermique comprenant des moyens de régulation thermique de la ou des cellules électrochimiques assurant l’extraction de chaleur de la ou des cellules électrochimiques ou l’apport de chaleur à la ou aux cellules électrochimiques, et un module de gestion thermique comprenant au moins un objet de mesure disposé parmi la ou les cellules électrochimiques, un premier capteur apte à mesurer la température en surface d’au moins une cellule électrochimique, dite cellule de mesure, un deuxième capteur apte à mesurer la température en surface de l’objet de mesure, des moyens de chauffage de l’objet de mesure, ledit objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique avec son environnement telles qu’elles permettent de simuler les échanges thermiques de la ou des autres cellules électrochimiques, ledit objet de mesure et ladite cellule de mesure formant un ensemble de mesure, ledit module de gestion thermique étant configuré pour comparer les températures des premier et deuxième capteurs et commander les moyens de chauffage de sorte que la température en surface de l’objet de mesure soit celle de la cellule de mesure.
Dans un exemple de réalisation, le module de gestion thermique est de plus configuré pour déterminer la puissance thermique que la cellule de mesure échange avec son environnement, dite puissance thermique échangée, sur la base de la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure.
Le module de gestion thermique peut être de plus configuré pour assurer par le biais des moyens de régulation thermique un apport de chaleur en surface de la ou des cellules électrochimiques, correspondant à une consigne en température de surface ou en puissance de chauffage de celle-ci ou celles-ci.
Dans un exemple, la ou les cellules électrochimiques comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte, et l’objet de mesure a la forme, les dimensions et est constitué extérieurement du matériau du contenant de la ou des cellules électrochimiques, de sorte à occuper la place d’une cellule électrochimique dans le dispositif de stockage électrochimique.
Dans un autre exemple, la ou les cellules électrochimique comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte et l’objet de mesure présente des dimensions différentes et/ou un matériau extérieur différent à celles du contenant, et le module de gestion thermique comporte un modèle permettant de déterminer la puissance thermique échangée sur la base des paramètre comprenant la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure.
De préférence, les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage à effet Joule portés par l’objet de mesure.
Le module de gestion thermique peut comporter plusieurs ensembles de mesure répartis dans le dispositif de stockage électrochimique.
Selon une caractéristique additionnelle, le module de gestion thermique est configuré pour comparer la valeur de la puissance thermique échangée avec des plages de puissance thermiques échangées déterminées préalablement et générer un message en cas de variation desdites valeurs au-delà d’un seuil donné.
Selon une caractéristique additionnelle, le module de gestion thermique est configuré pour déterminer la température interne de la cellule de mesure à partir de la température en surface de la cellule de mesure, de la détermination de la puissance thermique échangée et des propriétés thermiques de la cellule de mesure.
Avantageusement, le module de gestion thermique est configuré pour commander les moyens de régulation thermique sur la base de la température interne déterminée.
Les moyens de régulation thermique peuvent être configurés pour assurer une circulation de fluide caloporteur autour de la au moins une cellule électrochimique, et le module de gestion thermique peut commander la variation du débit de fluide caloporteur entre les cellules.
Le dispositif de stockage électrochimique peut comporter un élément chauffant est installé sur la cellule de mesure pour améliorer les fonctionnalités et la précision du dispositif de détermination des échanges thermiques entre la cellule de mesure et son environnement.
Un autre objet de la présente demande est un procédé de gestion thermique d’un dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications précédentes comportant :
-la mesure de la température en surface de la cellule de mesure,
-la mesure de la température en surface de l’objet de mesure,
-l’envoi d’une consigne aux moyens de chauffage de l’objet de mesure.
Le procédé peut avantageusement comporter :
-la mesure de la puissance requise pour maintenir l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure,
-la détermination de la puissance thermique échangée par la cellule de mesure avec son environnement.
Le procédé peut comporter la détermination de la température interne de la cellule de mesure à partir de la puissance thermique échangée, de la température en surface de la cellule de mesure, des propriétés thermiques de la cellule de mesure et d’un modèle thermique de la cellule de mesure.
Le procédé peut également comporter la comparaison de la valeur de la puissance thermique échangée avec les valeurs précédemment déterminée et émission d’un signal si la comparaison fait apparaître une variation au-delà d’un seuil donné.
Le procédé de gestion thermique peut avantageusement comporter la comparaison de la valeur de la température interne de la cellule de mesure avec la température interne de fonctionnement préconisée et envoie d’un ordre au moyens de gestion thermique de sorte à réduire ou augmenter les échanges thermiques de sorte que la température interne se rapproche de la température interne de fonctionnement préconisée.
La détermination de la puissance thermique échangée peut être effectuée périodiquement.
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
est une représentation schématique d’un exemple d’un pack batterie selon l’invention,
est un schéma représentant un exemple de fonctionnement du module de gestion thermique
est une représentation schématique d’un autre exemple d’un pack batterie selon l’invention,
est une représentation schématique d’un autre exemple d’un pack batterie selon l’invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la , on peut voir une représentation schématique d’un exemple de réalisation de l’invention.
Dans cet exemple, le pack batterie comporte une pluralité de cellules électrochimiques 2 disposées les unes à côté des autres dans un boîtier 4. Dans l’exemple représenté les cellules sont de forme cylindrique de révolution et les cellules sont disposées à la verticale. En variante, les cellules peuvent être empilées et disposées à l’horizontale. En outre elles présentent une forme extérieure, qui permet de ménager entre les cellules des canaux de circulation d’un fluide caloporteur, tel que l’air, l’eau ou l’huile sans que cela soit limitatif.
Chaque cellule électrochimique comporte une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur assurant la conduction ionique mais garantissant une isolation électrique entre les deux électrodes, un électrolyte rendant possible la conductivité ionique entre les deux électrodes et un contenant ou enveloppe étanche 5 enfermant les éléments ci-dessus et permettant la connexion électrique vers l’extérieur. Le contenant 5 est réalisé en un matériau bon conducteur thermique, par exemple en matériau métallique, permettant d’assurer de bons échanges thermiques entre l’intérieur de la cellule et l’environnement extérieur. En variante, le séparateur et l’électrolyte sont formé par le même composant.
Le pack batterie comporte également un circuit électrique reliant les bornes des cellules à l’extérieur du pack (non représenté).
Les cellules électrochimiques sont par exemple et de manière non limitative des cellules Li-ion.
Dans cet exemple, le pack batterie comporte également un système de gestion thermique STH comprenant un module de gestion thermique MTH et des moyens 6 de régulation thermique assurant la circulation d’un fluide caloporteur dans le boîtier. Les moyens de régulation 6 comportent par exemple une entrée d’alimentation 6.1 en fluide formé dans une paroi du boîtier et une sortie d’évacuation 6.2 du fluide formé également dans une paroi du boîtier. La circulation du fluide peut être obtenue par convection naturelle ou par convection forcée. Dans le cas de la convection forcée, les moyens de régulation comportent, soit un ventilateur dans le cas de circulation d’air, soit une pompe dans le cas de circulation d’eau ou d’huile. Le fluide caloporteur circule entre les cellules électrochimiques et évacue la chaleur dégagée par les cellules lors de leur fonctionnement, ou apporte de la chaleur, par exemple dans le cas d’un démarrage à froid.
Nous verrons par la suite qu’un pack batterie sans moyens de régulation thermique actif ne sort pas du cadre de la présente invention.
Le module de gestion thermique MTH comporte au moins un objet de mesure O, qui est disposé parmi l’ensemble des cellules et à la place d’une cellule électrochimique. Dans l’exemple représenté, l’objet de mesure O présente une forme extérieure identique ou similaire à celle des cellules électrochimiques.
L’objet de mesure O n’est pas une cellule électrochimique et ne génère pas d’électricité.
L’objet de mesure présente des propriétés d’échange thermique avec son environnement telles qu’elles permettent de simuler ou d’imiter le comportement thermique des autres cellules électrochimiques. De manière avantageuse, l’objet de mesure présente avantageusement des propriétés d’échange thermique avec son environnement identiques ou sensiblement identiques à celles des cellules électrochimiques. Ainsi le comportement thermique de l’objet de mesure est directement transposable à celui des cellules électrochimiques. Comme cela sera décrit ci-dessous, l’objet peut avoir des propriétés thermiques différentes des cellules électrochimiques, mais celles-ci sont néanmoins choisies de sorte à pouvoir utiliser le comportement thermique de l’objet de mesure pour reproduire celui des cellules électrochimiques.
Dans la présente demande, l’environnement d’une cellule est défini comme comportant les autres cellules et le fluide caloporteur et tout élément avec lequel la cellule est susceptible d’échanger de la chaleur.
Dans la présente demande, les propriétés thermiques de la cellule sont définies par son modèle thermique interne qui tient compte de sa capacité calorifique, de sa conductivité thermiques normale aux électrodes et de sa conductivité thermique le long des électrodes, et par ses surfaces d’échange thermique avec l’extérieur. L’extérieur comprend l’environnement pour les échanges conducto-convectifs avec le fluide environnant et les connexions électriques et les maintiens mécaniques pour les échanges thermiques conductifs.
L’objet de mesure O est, quant à lui, défini par son modèle thermique interne connu qui prend en compte sa capacité calorifique et sa conductivité thermique relativement élevée et ses parois externes
La conductivité thermique de l’objet est telle qu’elle garantit une homogénéité en température au moins égale à celle de l’enveloppe externe des cellules électrochimiques, elle est typiquement comprise entre 20 et 200 W.m-1.K-1
Les parois externes sont choisies de sorte à garantir les mêmes échanges avec l’environnement. Les parois externes peuvent alors avoir la même surface que celle de l’enveloppe externe d’une cellule, et un état de surface comparable, ou une surface dont le ratio de surface est connu. On entend par « ratio de surface connu » un coefficient de proportionnalité connu entre des échanges de chaleur de l’objet de mesure O intégré au sein du pack batterie placé et à même température qu’une cellule, et les échanges de chaleur d’une cellule électrochimique voisine à la même température. Le ratio de surface prend en compte la surface de parois d’échange et leur état de surface.
De manière préférée et non limitative, l’objet de mesure O a la même forme et les mêmes dimensions que celles des cellules électrochimiques du pack. Ainsi il est aisé de réaliser un objet de mesure ayant des propriétés d’échange thermique avec son environnement identiques ou sensiblement identiques à celles des cellules électrochimiques. De manière préférée, l’objet de mesure est formé par le contenant 5 d’une cellule électrochimique. D’autres formes et dimensions peuvent être choisies en fonction des packs batterie.
L’objet de mesure O comporte également des moyens de chauffage 8, par exemple les moyens de chauffage comportent un élément chauffant conducteur électrique qui génère de la chaleur par effet Joule. Les moyens de chauffage sont destinés à permettre que la température de surface de l’objet O soit égale à la température des cellules électrochimiques. Plusieurs modes de réalisation pour les moyens de chauffage sont envisageables. Dans un mode de réalisation, un élément chauffant peut-être imprimé à la surface de l’objet O. Dans le cas où l’objet O est constitué du contenant 5 d’une cellule électrochimique, l’impression peut être réalisée sur le film plastique qui recouvre en général les cellules électrochimiques. Dans un autre mode de réalisation, dans le cas où l’objet O est constitué du contenant 5 dont le matériau présente une conductivité thermique relativement élevée et une capacité calorifique relativement faible, l’élément chauffant est intégré à l’intérieur du contenant 5 de sorte à présenter un bon contact thermique avec la surface du contenant, par exemple il s’agit d’un fil chauffant. Généralement l’épaisseur du contenant est de l’ordre de grandeur de la centaine de micromètres et le matériau est métallique, ce qui permet une telle intégration.
Le matériau de l’objet de mesure présente une conductivité thermique relativement élevée, typiquement elle est comprise entre 20 et 200 W.m-1.K-1 pour garantir une bonne uniformité du champ de température en surface de l’objet O.
De préférence, le matériau de l’objet de mesure présente une capacité calorifique relativement faible, ce qui permet de réaliser un capteur virtuel performant, principalement en termes de dynamique. La valeur choisie typique pour la capacité calorifique de l’objet O sera celle du contenant 5 de la cellule batterie utilisée dans le pack batterie voire inférieure à celle-ci.
Le module de gestion thermique comporte également un premier capteur de température 10 mesurant la température T1 à la surface d’une cellule électrochimique C proche de l’objet de mesure, cette cellule sera désignée « cellule de mesure », et un deuxième capteur de température 12 mesurant la température T2 à la surface extérieure de l’objet de mesure O.
De préférence, la cellule de mesure C est directement voisine de l’objet de mesure O. Ainsi l’objet de mesure O et la cellule de mesure C voient le même environnement ou quasiment le même environnement. Si le pack batterie est réalisé suivant un motif structuré, l’ensemble du pack est dans un état thermique sensiblement homogène, l’objet de mesure peut être éloigné de la cellule de mesure.
Dans le cas d’un pack batterie utilisant des cellules de même format et donc caractérisé par un même motif d’intégration, on peut généralement distinguer deux groupes de cellules ayant des états thermiques proches. Un groupe comporte les cellules au cœur du pack batterie, i.e. les cellules entourées par des cellules de même type, et un groupe qui comporte des cellules en périphérie du pack batterie et pour lesquelles une partie de leur environnement direct est constitué de l’enveloppe externe du pack batterie. De manière avantageuse, le module comporte deux objets de mesure O. L’un des objets de mesure O est localisé dans la zone « cœur du pack batterie » et l’autre objet de mesure est localisé dans la zone « périphérie du pack batterie ». Les deux cellules électrochimiques équipées d’un capteur de températures 10 sont respectivement l’une quelconque des cellules de la zone « cœur du pack batterie » et l’une quelconque des cellules de la zone « périphérie du pack batterie ».
Dans cette application, on peut envisager d’utiliser un seul objet de mesure disposé en périphérie ou à cœur, l’information fournie est pertinente pour la connaissance de l’état thermique des cellules, mais l’information sera moins précise que lorsque deux objets de mesure sont mis en œuvre.
Le module de gestion thermique est alors configuré pour :
- collecter les températures T1, T2 fournies par les capteurs de température 10, 12,
- commander les moyens de chauffage 8,
- déterminer le flux de chaleur extrait par les moyens de circulation du fluide caloporteur,
- déterminer l’état du pack batterie et commander des mesures correctives.
Le module de gestion thermique est de préférence un microcalculateur monté sur le pack batterie ou intégré au système qu’il alimente. Ses fonctions peuvent être intégrées au sein de l’unité de contrôle du système pack batterie (nommé BMS (Batterie Management System en terminologie anglo-saxonne)). Les informations fournies par le module de gestion peuvent être partagées avec l’unité de contrôle pour suivre et améliorer la connaissance de l’état du pack batterie.
Le fonctionnement du module de gestion thermique va maintenant être décrit. Sur la , on peut voir représenté schématiquement le fonctionnement du module de gestion thermique.
Tout d’abord, la température T1 en surface de la cellule de mesure est mesurée par le capteur 10, et la température T2 de l’objet de mesure est mesurée par le capteur 12. Le module de gestion thermique calcule la différence T1 – T2 et l’utilise comme consigne de puissance pour la commande des moyens de chauffage 8, ceux-ci sont commandés afin que la valeur de T2 suive et converge vers celle de T1.
De préférence, la différence (T1 – T2) est amplifiée par exemple au moyen d’un correcteur proportionnel 14. La consigne de puissance interne de l’objet de mesure est désignée π.
En régime permanent, i.e. lorsque T1 et T2 sont égaux et constants, la puissance π requise pour que la valeur de la température T2 de l’objet de mesure soit maintenue à celle de la température T1 de la cellule électrochimique surveillée, désignée cellule de mesure, est directement proportionnelle à la puissance thermique extraite de la cellule électrochimique vers l’environnement ou égale à la puissance thermique extraite de la cellule électrochimique vers l’environnement, si l’objet de mesure O choisi est un contenant de cellule électrochimique, et est extraite principalement par le fluide caloporteur :
[Math 1]

Avec k est le coefficient à appliquer si l’objet O n’est pas un contenant de cellule électrochimique et possède un coefficient d’échange différent.
En régime transitoire, les caractéristiques thermiques de l’objet de mesure O étant connues, il est aussi possible de déterminer la puissance instantanée évacuée Pout dans l’environnement par l’objet de mesure et la cellule électrochimique.
[Math 2]

avec Cp_O la capacité thermique de l’objet de mesure O.
Tcontenant est la température moyenne du contenant de l’objet. Du fait de la sa bonne conductivité thermique, Tcontenant est uniforme et est connue grâce aux mesures T1, T2. k×π est connu puisqu’il s’agit de la consigne de puissance interne.
Le dispositif permet d’évaluer la puissance Pout extraite instantanément de la cellule électrochimique.
En outre, grâce à la connaissance des grandeurs Pout et T1 d’une part, et à partir d’un modèle thermique de la cellule de mesure préétablie prenant en compte des propriétés thermiques des matériaux constituant la cellule et leur géométrie d’autre part, il est possible de déterminer la température interne maximale Tint de la cellule de mesure, la température moyenne Tm de la cellule et le gradient thermique Gth au sein des électrodes de la cellule, et de mettre en place un système de gestion thermique S comme par exemple illustré dans le documentXinran (William) Tao , "Design, Modeling and Control of a Thermal Management System for Hybrid Electric Vehicles" (2016). All Dissertations. 1631.Le capteur virtuel selon l’invention permet de rendre ce type d’estimateur beaucoup plus précis et robuste.
Dans un mode de fonctionnement, on considère que la puissance extraite et la température interne déterminée de la cellule de mesure sont également celles des autres cellules. Dans un autre mode de fonctionnement, le module de gestion thermique détermine les valeurs de puissance Pout et la température interne de chaque cellule à partir des valeurs de Pout et de la température interne Tint de la cellule de mesure, en appliquant une correction pour tenir compte de l’emplacement des autres cellules, par exemple pour tenir compte du fait que la cellule de mesure est au centre du pack ou sur un bord du pack, et de la distance entre les autres cellules et l’objet de mesure O. Un modèle de correction peut être appliqué.
Dans un autre exemple représenté sur la , on met en œuvre plusieurs objet de mesures O1, O2, O3 et plusieurs cellules de mesure C, C2, C3 associées répartis dans le pack batterie à des emplacements permettant de caractériser différents comportements thermiques. Les modèles thermiques utilisés peuvent être différents en fonction de l’emplacement des cellules de mesure.
Les cellules au sein d’un pack batterie peuvent être regroupées en sous–groupes connectés électriquement en parallèle. L’invention peut prévoir de créer un capteur virtuel au sein de chaque sous-groupe. Chaque sous-groupe comporte un objet de mesure et une cellule de mesure. De préférence, un seul module de gestion thermique collecte les températures en surface des objets de mesures et des cellules de mesure et détermine la puissance Pout et éventuellement la température interne des cellules de mesure. Les modèles thermiques mis en œuvre peuvent différer d’un sous-groupe à l’autre. La mise en œuvre de plusieurs capteurs virtuels permet d’avoir une cartographie des échanges thermiques au sein du pack batterie.
Ainsi grâce au système de gestion thermique, il est possible d’évaluer en temps réel et de manière précise la puissance extraite par le fluide caloporteur, ce qui permet de suivre, en temps réel, l’état de fonctionnement des moyens de régulation thermique, permettant de savoir s’ils fonctionnent correctement et/ou si par exemple la qualité du fluide caloporteur est encore suffisante. Suivant les valeurs de puissance extraite Pout déterminées, le système de gestion peut alors générer différents messages.
Par exemple, en cas de chute rapide de la valeur de la puissance extraite Pout, le système de gestion génère une alerte de dysfonctionnement majeur.
Par exemple, en cas de diminution de la puissance extraite sur une période plus ou moins longue, le système de gestion génère une simple préconisation de révision sur le système de refroidissement qui peut avoir perdu de son efficacité.
Cette alerte ou préconisation est émise avant que les conditions d’utilisations anormales du pack batterie n’aient potentiellement réduit les performances du pack batterie.
L’évaluation de la température interne de la cellule de mesure donne au système de commande du pack batterie des indications en temps réel permettant une utilisation du pack batterie de manière optimale, en tenant compte par exemple des conditions d’utilisation préconisées pour optimiser les performances électriques et la durée de vie des cellules électrochimiques. Par exemple, lorsque la température interne déterminée sort de la plage de température interne préconisée, le système de gestion thermique commande les moyens de régulation thermique pour modifier l’extraction de chaleur. La quantité de chaleur extraite est réduite lorsque la température est trop basse, et la quantité de chaleur extraite est augmentée lorsque la température interne est trop élevée. Pour cela, le débit de circulation du fluide caloporteur peut être modulé.
Dans un autre exemple de réalisation, le pack batterie ne comporte pas de moyens de régulation thermique qui assurent la circulation d’un fluide caloporteur dans le boîtier. Par exemple dans certains véhicules électriques le refroidissement est obtenu par la circulation d’air autour du pack, et qui dépend notamment de la température ambiante de l’air et de de la vitesse du véhicule. Les informations obtenues grâce au module selon l’invention permettent d’avoir une meilleure connaissance sur l’état interne du pack batterie et d’entreprendre des mesures pour limiter l’échauffement du pack batterie au-delà d’une température donnée par exemple en bridant le pack batterie, par exemple en limitant la puissance disponible.
L’invention proposée permet également d’améliorer la gestion thermique du véhicule électrique et d’augmenter sa durée de vie lorsque le pack batterie est utilisé dans des conditions spécifiques. Par exemple, dans le cas où un véhicule électrique stocké à température relativement froide, par exemple à la température ambiante en hiver la nuit, au démarrage du véhicule ou alors pour la recharge électrique du véhicule, le temps nécessaire pour que la température du cœur des cellules batterie soit dans la plage spécifiée par le fournisseur de cellules peut être difficile à évaluer de manière précise a priori.
Deux stratégies au démarrage peuvent par exemple être appliquées, soit le confort d’utilisation du pack batterie est privilégié en permettant à l’utilisateur d’extraire ou de recharger la batterie avec la puissance souhaitée, au détriment d’un impact sur la durée de vie, soit la durée de vie du véhicule est privilégiée en bridant la puissance fournie/reçue par le pack batterie, au détriment du confort d’utilisation. La qualité de l’information « Température minimale au cœur de la cellule » permet d’optimiser le choix entre ces deux stratégies. Ainsi grâce à l’invention qui améliore la précision et la robustesse de l’estimateur de température interne grâce à une évaluation temps réel des échanges de chaleur avec le fluide caloporteur, la gestion thermique peut être optimisée.
La détermination de la puissance Pout et éventuellement celle de la température interne de la cellule de mesure peuvent être réalisées en continue ou de manière discrète, par exemple périodiquement.
Dans un autre exemple représenté sur la , l’objet de mesure O n’a pas les mêmes dimensions et/ou la même forme que celles des cellules électrochimiques. Ceci peut être le cas lorsque les cellules sont de très grandes dimensions illustré par l’exemple suivant.
Soit un pack batterie automobile constitué de cellules de dimensions unitaires représentative 600mm×300mm×100mm, 100 mm étant l’épaisseur de la cellule. Au lieu d’utiliser un objet de mesure ayant ces dimensions, on peut utiliser un objet de mesure de dimension 600mm×300mm×zmm avec z très inférieure à 100 mm. En mettant en œuvre un objet présentant les deux premières dimensions des cellules électrochimiques et une épaisseur réduite, l’intégration de cet objet peut être significativement plus simple, a un impact sensiblement limité sur la densité volumique d’énergie du pack batterie, tout en restant très efficace pour évaluer en temps réel les échanges thermiques avec le fluide caloporteur. En effet, le fait d’utiliser un objet de mesure avec une épaisseur réduite a peu d’effet sur les échanges thermiques puisque ceux-ci sont déjà réduits à travers les surfaces délimitées en partie par l’épaisseur dans la cellule électrochimique comparativement aux surfaces délimitées par les deux autres dimensions et/ou une calibration peut être mise en place compenser cet effet. Le module de gestion thermique comporte également une cellule de mesure C associée à l’objet de mesure, des capteurs de température 10 et 12 mesurant les températures T1 et T2 et des moyens de chauffage 8 de l’objet de mesure. Le module de gestion thermique traite les mesures de température et détermine la puissance échangée Pout.
De préférence, lorsque l’objet de mesure est de dimensions et/ou de forme différente de celle des cellules électrochimiques, l’objet de mesure est tel que les échanges thermiques réalisés avec l’environnement sont transposables par rapport aux échanges entre une cellule et son environnement. De plus, de manière à garantir de bonnes performances dynamiques de l’estimateur Pout en régime transitoire, la capacité calorifique par unité de surface de l’objet de mesure O est avantageusement choisie de faible valeur. Typiquement une capacité calorifique par unité de surface d’échange de l’ordre de grandeur de celui de la capacité calorifique du contenant d’une cellule électrochimique garantit de bonnes performances dynamiques du capteur virtuel. Dans l’exemple précédent dans lequel la cellule présente les dimensions extérieures : 600mm×300mm×100mm, l’objet de mesure étant un dispositif de dimensions 600mm×300mm×zmm, celui-ci pourrait par exemple être constitué de plaques d’acier nickelé, l’acier nickelé étant généralement utilisé pour réaliser les contenants de batteries lithium, d’épaisseur inférieure à 1mm et recouvert éventuellement d’un fin film plastique qui est utilisé pour certaines cellules batteries lithium. Dans le cas d’une conception où le refroidissement des cellules batterie est réalisé uniquement sur les larges surfaces (600mm×300mm) un facteur correctif k =1 est alors utilisé pour l’évaluation de la puissance transmise au fluide caloporteur.
Dans certains modes de réalisation, le pack batterie peut avantageusement être équipé de une ou plusieurs cellules électrochimiques équipées chacune d’un capteur de l température T1 et d’un élément de chauffage surfacique tel que celui prévu sur l’objet de mesure 0. Cet élément de chauffage surfacique forme des moyens de régulation thermique.
Dans le cas où l’objet de mesure serait de dimensions ou d’état de surface différent de ceux des cellules électrochimiques, ou dans le cas où l’environnement de la cellule électrochimique serait différent de celui de l’objet de mesure O, par exemple dans le cas d’une conception fortement contraintes géométriquement induite par un objectif d’optimisation de densité volumique du pack batterie, le facteur k peut être difficile à évaluer a priori, voire même être dépendant du point de fonctionnement. Dans ce cas, une phase de calibration spécifique peut être réalisée lors de la fabrication du module, voire pendant les phases de maintenance du pack batterie. Pour réaliser cette phase de calibration, un élément chauffant surfacique est préalablement installé sur la cellule électrochimique de mesure. L’élément chauffant est par exemple réalisé par impression de l’élément chauffant sur l’isolant de la cellule avant intégration de celle-ci.
Les opérations suivantes sont par exemple ensuite réalisées pour réaliser la calibration pour chaque point de fonctionnement identifié :
1 - Les moyens de circulation de fluide caloporteur sont activés.
2 - Le capteur virtuel est activé. La valeur de la puissance évacuée au sein du fluide caloporteur est alors disponible.
3 - Une consigne de puissance de référence P1ref est appliquée sur l’élément chauffant surfacique de la cellule électrochimique.
4 - Une fois l’information issue du capteur virtuel stabilisée, la grandeur πref est enregistrée.
5 - Le facteur k est alors, au point de fonctionnement choisi, égal au ratio P1ref/ πref.
Alternativement, un tel chauffage des cellules électrochimiques peut permettre un maintien en température de celles-ci durant des phases d’arrêt temporaires du véhicule, en réduisant voire compensant les déperditions thermiques externes de celles-ci. Ceci peut se faire par exemple en exploitant une chaleur présente dans un autre organe du véhicule, qui est moins impacté par une baisse de température, par exemple le moteur thermique d’un véhicule hybride ou l’électronique de puissance.
On peut mettre en œuvre une électronique analogique associé à un comparateur et un chauffage proportionnel assurant le chauffage de la ou des cellules électrochimiques.
La présente invention peut s’appliquer aux packs batterie embarqués, tels que ceux mis en œuvre dans les véhicules à hydrides ou tout électrique ou dans toute application stationnaire requérant la présence d’un stockage électrochimique incluant un système de gestion thermique actif.
Le capteur virtuel temps réel proposé permet de prévenir un endommagement des packs batterie en cas de sous-refroidissement, d’optimiser la gestion thermique des packs batterie et également de suivre leur vieillissement, notamment du fluide caloporteur ou des actionneurs du système de gestion thermique.

Claims (18)

  1. Dispositif de stockage électrochimique comportant une ou plusieurs cellules électrochimiques (C) destinées à stocker de l’électricité et à fournir de l’électricité, reliées à un circuit électrique de connexion, un système de gestion thermique comprenant des moyens de régulation thermique de la ou des cellules électrochimiques assurant l’extraction de chaleur de la ou des cellules électrochimiques ou l’apport de chaleur à la ou aux cellules électrochimiques, et un module de gestion thermique comprenant au moins un objet de mesure (O) disposé parmi la ou les cellules électrochimiques, un premier capteur (10) apte à mesurer la température (T1) en surface d’au moins une cellule électrochimique, dite cellule de mesure, un deuxième capteur (12) apte à mesurer la température (T2) en surface de l’objet de mesure (O), des moyens de chauffage (8) de l’objet de mesure (O), ledit objet de mesure (O) présentant des propriétés d’échange thermique avec son environnement telles qu’elles permettent de simuler les échanges thermiques de la ou des autres cellules électrochimiques, ledit objet de mesure (O) et ladite cellule de mesure (C) formant un ensemble de mesure, ledit module de gestion thermique étant configuré pour comparer les températures (T1, T2) des premier (10) et deuxième (12) capteurs et commander les moyens de chauffage (8) de sorte que la température (T1) en surface de l’objet de mesure (O) soit celle (T2) de la cellule de mesure (C).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le module de gestion thermique est de plus configuré pour déterminer la puissance thermique que la cellule de mesure (C) échange avec son environnement, dite puissance thermique échangée (Pout), sur la base de la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure (O) à la température (T1) de la cellule de mesure (C).
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit module de gestion thermique est de plus configuré pour assurer par le biais des moyens de régulation thermique un apport de chaleur en surface de la ou des cellules électrochimiques, correspondant à une consigne en température de surface ou en puissance de chauffage de celle-ci ou celles-ci.
  4. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la ou les cellules électrochimiques comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte, et dans lequel l’objet de mesure a la forme, les dimensions et est constitué extérieurement du matériau du contenant de la ou des cellules électrochimiques, de sorte à occuper la place d’une cellule électrochimique dans le dispositif de stockage électrochimique.
  5. 5. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la ou les cellules électrochimique comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte et l’objet de mesure présente des dimensions différentes et/ou un matériau extérieur différent à celles du contenant, et dans lequel le module de gestion thermique comporte un modèle permettant de déterminer la puissance thermique échangée (Pout) sur la base des paramètre comprenant la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure (O) à la température de la cellule de mesure (C).
  6. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage (12) à effet Joule portés par l’objet de mesure (O).
  7. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le module de gestion thermique comporte plusieurs ensembles de mesure répartis dans le dispositif de stockage électrochimique.
  8. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 7 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel le module de gestion thermique est configuré pour comparer la valeur de la puissance thermique échangée (Pout) avec des plages de puissance thermiques échangées (Pout) déterminées préalablement et générer un message en cas de variation desdites valeurs au-delà d’un seuil donné.
  9. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le module de gestion thermique est configuré pour déterminer une température interne de la cellule de mesure à partir de la température (T1) en surface de la cellule de mesure, de la détermination de la puissance thermique échangée et des propriétés thermiques de la cellule de mesure.
  10. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le module de gestion thermique est configuré pour commander les moyens de régulation thermique sur la base de la température interne déterminée.
  11. Dispositif de stockage électrochimique selon la revendication 10, dans lequel les moyens de régulation thermique sont configurés pour assurer une circulation de fluide caloporteur autour de la au moins une cellule électrochimique, et dans lequel le module de gestion thermique commande la variation du débit de fluide caloporteur entre les cellules.
  12. Dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications 1 à 11, comportant un élément chauffant est installé sur la cellule de mesure (C) pour améliorer les fonctionnalités et la précision du dispositif de détermination des échanges thermiques entre la cellule de mesure (C) et son environnement.
  13. Procédé de gestion thermique d’un dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications précédentes comportant :
    -la mesure de la température (T1) en surface de la cellule de mesure (C),
    -la mesure de la température (T2) en surface de l’objet de mesure (O),
    -l’envoi d’une consigne aux moyens de chauffage (12) de l’objet de mesure (O).
  14. Procédé de gestion thermique selon la revendication précédente, comportant :
    -la mesure de la puissance requise pour maintenir l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure,
    -la détermination de la puissance thermique échangée (Pout) par la cellule de mesure (C) avec son environnement.
  15. Procédé de gestion thermique selon la revendication 14, comportant la détermination d’une température interne de la cellule de mesure (C) à partir de la puissance thermique échangée (Pout), de la température en surface de la cellule de mesure, des propriétés thermiques de la cellule de mesure et d’un modèle thermique de la cellule de mesure.
  16. Procédé de gestion thermique selon la revendication 14 ou 15, comportant :
    - la comparaison de la valeur de la puissance thermique échangée (Pout) avec les valeurs précédemment déterminée et émission d’un signal si la comparaison fait apparaître une variation au-delà d’un seuil donné.
  17. Procédé de gestion thermique selon l’une des revendications 13 à 16 en combinaison avec la revendication 15, comportant la comparaison de la valeur de la température interne de la cellule de mesure avec la température interne de fonctionnement préconisée et envoie d’un ordre au moyens de gestion thermique de sorte à réduire ou augmenter les échanges thermiques de sorte que la température interne se rapproche de la température interne de fonctionnement préconisée.
  18. Procédé de gestion thermique selon l’une des revendications 14 à 17, dans lequel la détermination de la puissance thermique échangée (Pout) est effectuée périodiquement.
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XINRAN (WILLIAM) TAO: "Design, Modeling and Control of a Thermal Management System for Hybrid Electric Vehicles", ALL DISSERTATIONS, 2016, pages 1631

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