Titre : UTILISATION D'UNE COMPOSITION DE REFROIDISSEMENT POUR PROTEGER UNE BATTERIE Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des compositions pour refroidir et protéger contre la propagation de remballement thermique d’une batterie et en particulier d’une batterie lithium-ion. La batterie peut être mise en œuvre dans des applications mobiles ou stationnaires. En particulier, l’invention vise à refroidir un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, et plus particulièrement à refroidir la batterie et éventuellement l’électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride. Elle vise en particulier à proposer une composition de refroidissement compatible avec sa mise en œuvre au niveau d’une batterie et éventuellement de l’électronique de puissance.

Etat de la technique

Une batterie est un dispositif de production d’électricité dans lequel de l’énergie chimique est convertie en énergie électrique. L’énergie chimique est constituée par des composés électrochimiquement actifs déposés sur au moins une face d’électrodes disposées dans le générateur électrochimique. L’énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d’une décharge d’une cellule électrochimique.

Une batterie comprend plusieurs cellules électrochimiques. Une cellule électrochimique de type lithium -ion est fondée sur le principe de l’insertion réversible de lithium dans une structure hôte d’une manière électrochimiquement active.

Dans le domaine des cellules électrochimiques tel que les cellules lithium-ion, la température des cellules doit être gérée afin de maintenir la température à l’intérieur d’une plage adéquate de la cellule.

Les batteries lithium-ion sont généralement mises en œuvre à des températures allant de -40°C à +70°C. En cas d’emballement, certaines cellules peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 à 800°C.

Les batteries sont couramment utilisées dans des applications mobiles ou stationnaires.

Parmi les applications stationnaires, on peut citer les batteries de stockage, par exemple les batteries de stockage solaire. Parmi les applications mobiles, on peut citer les applications automobiles. L’évolution des normes internationales pour la réduction des émissions de C02, mais également pour la diminution de la consommation d’énergie, pousse les constructeurs automobiles à proposer des solutions alternatives aux moteurs à combustion.

L’une des solutions identifiées par les constructeurs automobiles consiste à remplacer les moteurs à combustion par des moteurs électriques. Les recherches pour la réduction des émissions de C02 ont donc mené au développement des véhicules électriques par un certain nombre de compagnies automobiles.

Par « véhicule électrique » au sens de la présente invention, on entend désigner un véhicule comprenant un moteur électrique comme unique moyen de propulsion alors qu’un véhicule hybride comprend un moteur à combustion et un moteur électrique comme moyens de propulsion combinés.

Par « système de propulsion » au sens de la présente invention, on entend désigner un système comprenant les pièces mécaniques nécessaires à la propulsion d’un véhicule électrique. Le système de propulsion englobe ainsi plus particulièrement un moteur électrique comprenant l’ensemble rotor-stator de l’électronique de puissance (dédié à la régulation de la vitesse), une transmission et une batterie. La batterie est elle-même généralement constituée d’un ensemble d’accumulateurs électriques, appelés cellules.

D’une manière générale, il est nécessaire de mettre en œuvre, dans les véhicules électriques ou hybrides, des compositions pour répondre aux contraintes de lubrification et/ou de refroidissement des différentes pièces du système de propulsion rappelées ci-dessus.

En particulier, les systèmes de propulsion électriques génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement via le moteur électrique, l’électronique de puissance et les batteries. La quantité de chaleur générée étant supérieure à la quantité de chaleur normalement dissipée à l’environnement, il est nécessaire d’assurer un refroidissement du moteur, de l’électronique de puissance et des batteries. De manière générale, le refroidissement s’effectue sur plusieurs parties du système de propulsion générant de la chaleur et/ou les parties dudit système sensibles à la chaleur, afin d’éviter d’atteindre des températures dangereuses, et notamment l’électronique de puissance et les batteries.

Traditionnellement, il est connu de refroidir les moteurs électriques par l’air ou par l’eau, éventuellement associée à du glycol. Cependant, avec l’apparition de moteurs de plus en plus petits et dont la puissance est de plus en plus grande, ces méthodes de refroidissement ne sont plus suffisantes. De plus, la chaleur que peut générer une batterie, notamment lors d’une charge rapide, ne peut être extraite par les méthodes classiquement utilisées sans atteindre des températures endommageant cette dernière (ie > 45°C) et limitant ainsi sa durée de vie.

Ainsi, des méthodes alternatives de refroidissement des systèmes de propulsion, en particulier des batteries, ont récemment été proposées.

A ce titre, la demande US 2014/0318746 décrit la mise en œuvre de matériaux de haute conductivité thermique au niveau des cellules constitutives d’une batterie pour véhicules électrique et/ou hybride et un matériau de faible conductivité thermique pour le boîtier externe.

Egalement, le document US 20120161472 fait état de la mise en œuvre de matériaux de faible conductivité thermique pour former la pack-batterie et l’isoler de l’extérieur. Ce document divulgue un fluide à base d’un mélange eau/glycol de très haute conductivité thermique.

Alternativement, des sociétés ont travaillé sur le développement de fluides pouvant être utilisés dans des systèmes de propulsion et présentant quant à eux de fortes conductivités thermiques, particulièrement utile pour améliorer le refroidissement au niveau d’une cellule de batterie et donc du système entier.

Ainsi, le document WO 2015/034340 décrit des compositions lubrifiantes pour applications automotrices présentant des conductivités thermiques comprises entre 152 et 180 mW.m lK ¹ .

Les inventeurs ont cherché à améliorer et à proposer une composition présentant à la fois des propriétés de refroidissement et de protection contre l’emballement thermique améliorées.

Résumé de l’invention

Plus précisément, la présente invention concerne l’utilisation d’une composition de refroidissement pour protéger une batterie contre l’emballement thermique, ladite composition de refroidissement comprenant au moins une huile de base et présentant une conductivité thermique inférieure ou égale à 125 mW.m fK ¹ .

De préférence, la batterie est une batterie lithium-ion. Selon un mode de réalisation, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention présente une conductivité thermique inférieure ou égale à 120 mW.m fK ¹ , de préférence inférieure ou égale à 115 mW.m-l.K-1.

Selon un mode de réalisation, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention comprend, par rapport au poids total de la composition de refroidissement, au moins 70% en poids d’huile(s) de base, de préférence de 70 à 99,9% en poids d’huile(s) de base, de préférence encore de 80 à 99% en poids d’huile(s) de base, plus préférentiellement de 85 à 98% en poids d’huile(s) de base.

De préférence, la composition de refroidissement est mise en œuvre dans un dispositif de refroidissement d’une batterie comprenant au moins une boucle de circulation dans laquelle circule la composition de refroidissement.

De préférence, la composition de refroidissement circule dans au moins un élément choisi parmi une pompe à huile, un échangeur fluide et un échangeur d’air.

De préférence, le dispositif de refroidissement comprend en outre au moins un réservoir de stockage de la composition de refroidissement.

L’invention concerne également un dispositif de refroidissement d’une batterie comprenant au moins une boucle de circulation dans laquelle circule la composition de refroidissement selon l’invention.

Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement selon l’invention, la composition de refroidissement circule dans au moins un élément choisi parmi une pompe à huile, un échangeur fluide et un échangeur d’air.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de refroidissement comprend en outre au moins un réservoir de stockage de la composition de refroidissement.

Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement selon l’invention, la batterie est une batterie lithium-ion.

L’invention concerne également l’utilisation de la composition de refroidissement selon l’invention, pour refroidir et pour protéger contre l’emballement thermique une batterie, de préférence une batterie lithium-ion.

Selon un mode de réalisation préféré, la batterie est mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence un véhicule électrique. Selon un mode de réalisation préféré de G utilisation selon l’invention, la composition de refroidissement est mise en œuvre dans un dispositif de refroidissement telle que défini dans l’invention.

Sauf indication contraire, les quantités dans un produit sont exprimées en poids, par rapport au poids total du produit.

Brève description des dessins

[Fig. 1] représente une vue schématique en perspective d’une cellule de batterie dans le cadre de la simulation de la partie expérimentale.

[Fig. 2] représente une vue en perspective d’une cellule de batterie et du support (S) dans le cadre de la simulation de la partie expérimentale.

[Fig. 3] représente une vue en perspective d’une boite (B) comprenant les cellules et le support (S) dans le cadre de la simulation de la partie expérimentale.

[Fig. 4] représente une vue du dessus d’une boite B dans le cadre de la simulation de la partie expérimentale.

[Fig. 5] représente une vue en perspective d’une boite et du dimensionnement (D) pour le calcul dans le cadre de la simulation de la partie expérimentale.

[Fig. 6] représente l’évolution de la température moyenne de la cellule en défaut dans le temps, pour deux fluides et deux durées d’application de la source de chaleur.

[Fig. 7] représente l’évolution de la température moyenne du fluide dans le temps, pour deux fluides et deux durées d’application de la source de chaleur.

[Fig. 8] représente l’évolution de la température moyenne de la cellule voisine dans le temps, pour deux fluides et deux durées d’application de la source de chaleur.

[Fig. 9] représente l’évolution de la température moyenne de la cellule en défaut dans le temps, pour deux fluides pour un espace de 4 mm entre deux cellules.

[Fig. 10] représente l’évolution de la température moyenne du fluide dans le temps, pour deux fluides pour un espace de 4 mm entre deux cellules.

[Fig. 11] représente l’évolution de la température moyenne de la cellule voisine dans le temps, pour deux fluides pour un espace de 4 mm entre deux cellules. Description détaillée

La présente invention concerne une composition pour refroidir et protéger contre G emballement thermique un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, ladite composition comprenant au moins une huile de base et présentant une conductivité thermique à 30°C inférieure ou égale à 125 mW.m fK ¹ .

De préférence, la composition de refroidissement présente une conductivité thermique à 30°C inférieure ou égale à 120 mW.m fK ¹ , de préférence inférieure ou égale à 115 mW.m fK ¹ , de préférence encore inférieure ou égale à 110 mW.m fK ¹ .

La conductivité thermique est mesurée par exemple selon la norme ASTM

D7896.

Huile (s) de base

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention comprend une ou plusieurs huiles de base, de préférence en une teneur totale d’au moins 70% en poids, de préférence allant de 70 à 99% en poids, de préférence encore de 80 à 98% en poids, préférentiellement de 85 à 95% en poids, par rapport au poids total de la composition de refroidissement.

Selon un mode de réalisation, la composition de refroidissement comprend 100% en poids d’huile(s) de base, par rapport au poids total de la composition de refroidissement.

Ces huiles de base peuvent être choisies parmi les huiles de base conventionnellement utilisées dans le domaine des huiles lubrifiantes, telles que les huiles minérales, synthétiques ou naturelles, animales ou végétales ou leurs mélanges.

Il peut s’agir d’un mélange de plusieurs huiles de base, par exemple un mélange de deux, trois, ou quatre huiles de base.

Les huiles de base des compositions de refroidissement considérées selon l’invention peuvent être en particulier des huiles d’origines minérales ou synthétiques appartenant aux groupes I à V selon les classes définies dans la classification API (ou leurs équivalents selon la classification ATIEL) et présentées dans le tableau 1 ci-dessous ou leurs mélanges. [Tableau 1]

Les huiles de base minérales incluent tous types d’huiles de base obtenues par distillation atmosphérique et sous vide du pétrole brut, suivies d’opérations de raffinage telles qu’ extraction au solvant, désalphatage, déparaffinage au solvant, hydrotraitement, hydrocraquage, hydroisomérisation et hydrofinition.

Des mélanges d’huiles synthétiques et minérales, pouvant être biosourcées, peuvent également être employés.

Il n’existe généralement aucune limitation quant à l’emploi d’huiles de base différentes pour réaliser les compositions mises en œuvre selon l’invention, si ce n’est qu’elles doivent avoir des propriétés, notamment en termes de viscosité, d’indice de viscosité, ou de résistance à l’oxydation, adaptées à une utilisation pour des systèmes de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride.

Les huiles de bases des compositions selon l’invention peuvent également être choisies parmi les huiles synthétiques, telles certains esters d’acides carboxyliques et d’alcools, les polyalphaoléfines (PAO), et les polyalkylène glycol (PAG) obtenus par polymérisation ou copolymérisation d’oxydes d’alkylène comprenant de 2 à 8 atomes de carbone, en particulier de 2 à 4 atomes de carbone.

Les PAO utilisées comme huiles de base sont par exemple obtenues à partir de monomères comprenant de 4 à 32 atomes de carbone, par exemple à partir d’octène ou de décène. La masse moléculaire moyenne en poids de la PAO peut varier assez largement. De manière préférée, la masse moléculaire moyenne en poids de la PAO est inférieure à 600 Da. La masse moléculaire moyenne en poids de la PAO peut également aller de 100 à 600 Da, de 150 à 600 Da, ou encore de 200 à 600 Da.

Selon un mode de réalisation préféré, l’huile ou les huiles de base de la composition selon l’invention sont choisies parmi les polyalphaoléfines (PAO), les polyalkylène glycol (PAG) et les esters d’acides carboxyliques et d’alcools, silicone, éther.

Additifs complémentaires

Des additifs complémentaires peuvent être mis en œuvre dans la composition de refroidissement de l’invention. Parmi ces additifs, on peut citer les antioxydants, les additifs anti-corrosion, les additifs anti -mousse et les abaisseurs de point d’écoulement.

Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention comprend au moins un additif antioxydant.

L’additif antioxydant permet généralement de retarder la dégradation de la composition en service. Cette dégradation peut notamment se traduire par la formation de dépôts, par la présence de boues ou par une augmentation de la viscosité de la composition.

Les additifs antioxydants agissent notamment comme inhibiteurs radicalaires ou destructeurs d’hydropéroxydes. Parmi les additifs antioxydants couramment employés, on peut citer les additifs antioxydants de type phénolique, les additifs antioxydants de type aminé, les additifs antioxydants phosphosoufrés. Certains de ces additifs antioxydants, par exemple les additifs antioxydants phosphosoufrés, peuvent être générateurs de cendres. Les additifs antioxydants phénoliques peuvent être exempt de cendres ou bien être sous forme de sels métalliques neutres ou basiques. Les additifs antioxydants peuvent notamment être choisis parmi les phénols stériquement encombrés, les esters de phénol stériquement encombrés et les phénols stériquement encombrés comprenant un pont thioéther, les diphénylamines, les diphénylamines substituées par au moins un groupement alkyle en CI CI 2, les N,N'-dialkyle-aryle-diamines et leurs mélanges.

De préférence selon l’invention, les phénols stériquement encombrés sont choisis parmi les composés comprenant un groupement phénol dont au moins un carbone vicinal du carbone portant la fonction alcool est substitué par au moins un groupement alkyle en Ci- Cio, de préférence un groupement alkyle en C _I -C _Ô , de préférence un groupement alkyle en C4, de préférence par le groupement tert-butyle. Les composés aminés sont une autre classe d’additifs antioxydants pouvant être utilisés, éventuellement en combinaison avec les additifs antioxydants phénoliques. Des exemples de composés aminés sont les amines aromatiques, par exemple les amines aromatiques de formule NR ⁴ R ⁵ R ⁶ dans laquelle R ⁴ représente un groupement aliphatique ou un groupement aromatique, éventuellement substitué, R ⁵ représente un groupement aromatique, éventuellement substitué, R ⁶ représente un atome d’hydrogène, un groupement alkyle, un groupement aryle ou un groupement de formule R ⁷ S(0) _z R ⁸ dans laquelle R ⁷ représente un groupement alkylène ou un groupement alkenylène, R ⁸ représente un groupement alkyle, un groupement alcényle ou un groupement aryle et z représente 0, 1 ou 2

Des alkyl phénols sulfurisés ou leurs sels de métaux alcalins et alcalino-terreux peuvent également être utilisés comme additifs antioxydants.

Une autre classe d’additifs antioxydants est celle des composés cuivrés, par exemples les thio- ou dithio-phosphates de cuivre, les sels de cuivre et d’acides carboxyliques, les dithiocarbamates, les sulphonates, les phénates, les acétylacétonates de cuivre. Les sels de cuivre I et II, les sels d’acide ou d’anhydride succiniques peuvent également être utilisés.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut contenir tous types d’additifs antioxydants connus de l’homme du métier.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,1 à 2 % en poids d’au moins un additif antioxydant, par rapport au poids total de la composition.

Selon un mode de réalisation particulier, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention est exempte d’additif antioxydant de type amine aromatique ou de type phénol stériquement encombré.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre au moins un additif anticorrosion.

L’additif anti-corrosion permet avantageusement de retarder ou empêcher la corrosion des pièces métalliques de la batterie.

Une composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 2 % massique ou de 0,01 à 5 % massique, préférentiellement de 0,1 à 1,5 % massique ou de 0,1 à 2 % massique d’agent anticorrosion, par rapport au poids total de la composition.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre en outre au moins un agent antimousse.

L’agent antimousse peut être choisi parmi les polyacrylates ou encore les cires.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 2 % massique ou de 0,01 à 5 % massique, préférentiellement de 0,1 à 1,5 % massique ou de 0,1 à 2 % massique d’agent antimousse, par rapport au poids total de la composition.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut également comprendre au moins un additif abaisseur du point d’écoulement, (dits encore agents « PPD » pour « Pour Point Depressant » en langue anglaise).

En ralentissant la formation de cristaux de paraffine, les additifs abaisseurs de point d’écoulement améliorent généralement le comportement à froid de la composition. Comme exemple d’additifs abaisseurs de point d’écoulement, on peut citer les polyméthacrylates d’alkyle, les polyacrylates, les polyarylamides, les polyalkylphénols, les polyalkylnaphtalènes, les polystyrènes alkylés.

Lorsque la composition de refroidissement est mise en œuvre dans un système de lubrification, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut également comprendre en outre tous types d’additifs adaptés à une utilisation dans un lubrifiant pour système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride et pourra être appelée composition lubrifiante.

De tels additifs, connus de l’homme du métier dans le domaine de la lubrification des systèmes de propulsion de véhicules électriques ou hybrides, peuvent être choisis parmi, les modificateurs de frottements, les détergents, les additifs anti usure, les additifs extrême- pression, les dispersants, et leurs mélanges.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut comprendre au moins un additif modificateur de frottement. L’additif modificateur de frottement peut être choisi parmi un composé apportant des éléments métalliques et un composé exempt de cendres. Parmi les composés apportant des éléments métalliques, on peut citer les complexes de métaux de transition tels que Mo, Sb, Sn, Fe, Cu, Zn dont les ligands peuvent être des composés hydrocarbonés comprenant des atomes d’oxygène, d’azote, de soufre ou de phosphore. Les additifs modificateurs de frottement exempt de cendres sont généralement d’origine organique et peuvent être choisis parmi les monoesters d’acides gras et de polyols, les amines alcoxylées, les amines grasses alcoxylées, les époxydes gras, les époxydes gras de borate ; les amines grasses ou les esters de glycérol d’acide gras. Selon l’invention, les composés gras comprennent au moins un groupement hydrocarboné comprenant de 10 à 24 atomes de carbone.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 2 % en poids ou de 0,01 à 5 % en poids, préférentiellement de 0,1 à 1,5 % en poids ou de 0,1 à 2 % en poids d’additif modificateur de frottement, par rapport au poids total de la composition.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut également comprendre au moins un additif détergent.

Les additifs détergents permettent généralement de réduire la formation de dépôts à la surface des pièces métalliques par dissolution des produits secondaires d’oxydation et de combustion.

Les additifs détergents utilisables dans une composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention sont généralement connus de l’homme de métier. Les additifs détergents peuvent être des composés anioniques comprenant une longue chaîne hydrocarbonée lipophile et une tête hydrophile. Le cation associé peut être un cation métallique d’un métal alcalin ou alcalino-terreux.

Les additifs détergents sont préférentiellement choisis parmi les sels de métaux alcalins ou de métaux alcalino-terreux d’acides carboxyliques, les sulfonates, les salicylates, les naphténates, ainsi que les sels de phénates. Les métaux alcalins et alcalino-terreux sont préférentiellement le calcium, le magnésium, le sodium ou le baryum.

Ces sels métalliques comprennent généralement le métal en quantité stœchiométrique ou bien en excès, donc en quantité supérieure à la quantité stœchiom étriqué. Il s’agit alors d’additifs détergents surbasés ; le métal en excès apportant le caractère surbasé à l’additif détergent est alors généralement sous la forme d’un sel métallique insoluble dans l’huile, par exemple un carbonate, un hydroxyde, un oxalate, un acétate, un glutamate, préférentiellement un carbonate.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut par exemple comprendre de 2 à 4 % en poids d’additif détergent, par rapport au poids total de la composition.

Egalement, la composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut comprendre au moins un agent dispersant.

L’agent dispersant peut être choisi parmi les bases de Mannich, les succinimides, par exemple de type polyisobutylène succinimide.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut par exemple comprendre de 0,2 à 10 % en poids d’agent(s) dispersant(s), par rapport au poids total de la composition.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut comprendre en outre au moins un agent anti-usure et/ou extrême-pression.

Il existe une grande variété d'additifs anti-usure. De manière préférée pour la composition lubrifiante selon l'invention, les additifs anti-usure sont choisis parmi des additifs phospho-soufrés comme les alkylthiophosphates métalliques, en particulier les alkylthiophosphates de zinc, et plus spécifiquement les dialkyldithiophosphates de zinc ou ZnDTP. Les composés préférés sont de formule Zn((SP(S)(OR ² )(OR ³ ))2, dans laquelle R ² et R ³ , identiques ou différents, représentent indépendamment un groupement alkyle, préférentiellement un groupement alkyle comportant de 1 à 18 atomes de carbone.

Les phosphates d'amines sont également des additifs anti-usure qui peuvent être employés dans une composition selon l'invention. Toutefois, le phosphore apporté par ces additifs peut agir comme poison des systèmes catalytiques des automobiles car ces additifs sont générateurs de cendres. On peut minimiser ces effets en substituant partiellement les phosphates d'amines par des additifs n'apportant pas de phosphore, tels que, par exemple, les polysulfures, notamment les oléfines soufrées. La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 15% en poids, de préférence de 0,1 à 10% en poids, préférentiellement de 1 à 5% en poids d’agent(s) anti-usure, par rapport au poids total de la composition.

La composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention peut également comprendre au moins un additif améliorant l’indice de viscosité (améliorant de VI). Comme exemple d’ améliorant de VI, on peut citer les polyméthacrylates, les polyisobutènes ou les esters d’acide gras. Lorsqu’ils sont présents, ces additifs peuvent représenter de 1 à 25% en poids, du poids total de la composition lubrifiante.

Avantageusement, une composition convenant à l’invention comprend au moins un additif additionnel choisi parmi les modificateurs de frottements, les modificateurs d’indice de viscosité, les détergents, les additifs extrême-pression, les dispersants, les antioxydants, les additifs anticorrosion, les abaisseurs du point d’écoulement, les agents anti mousse et leurs mélanges.

De préférence, la composition de refroidissement mise en œuvre dans l’invention comprend moins de 0,01% en poids de composé(s) halogénocarbonés, de préférence la omposition de refroidissement mise en œuvre dans l’invention est exempte de composé(s) halogénocarboné(s).

Ces additifs peuvent être introduits isolément et/ou sous la forme d’un mélange à l’image de ceux déjà disponibles à la vente pour les formulations de lubrifiants commerciaux pour moteurs de véhicules, de niveau de performance tels que définis par l’ ACEA (Association des Constructeurs Européens d’ Automobiles) et/ou l’API (American Petroleum Institute), bien connus de l’homme du métier.

En termes de formulation d’une telle composition, le ou les additifs complémentaires peuvent être additionnés à une huile ou mélange d’huiles de base. Avantageusement, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention présente une viscosité cinématique, mesurée à 40°C selon la norme ASTM D445 allant de 1,5 à 35 mm ² /s, en particulier de 2 à 25 mm ² /s voire de 2,5 à 10 mm ² /s.

Avantageusement, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention présente une viscosité cinématique, mesurée à 100°C selon la norme ASTM D445 allant de 0,5 à 7 mm ² /s, en particulier de 1 à 4 mm ² /s voire de 1,5 à 2,5 mm ² /s.

La composition de refroidissement selon l’invention permet de refroidir les cellules d’une batterie, en particulier une batterie lithium-ion. La batterie, en particulier lithium-ion peut être mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, en particulier d’un véhicule électrique.

La composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention permet de limiter voire de supprimer la propagation d’un emballement thermique lorsqu’elle est mise en œuvre dans une batterie, en particulier une batterie lithium-ion. Plus particulièrement, la batterie peut être mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, en particulier d’un véhicule électrique.

Ainsi, la composition selon l’invention peut être utilisée pour refroidir et/ou pour protéger contre la propagation d’un emballement thermique une batterie, en particulier une batterie lithium-ion. Plus particulièrement, la batterie peut être mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, en particulier d’un véhicule électrique.

Typiquement, la composition de refroidissement est mise en œuvre à des températures allant de -40°C à +70°C, de préférence à des températures allant de 0 à 30°C.

Selon l'invention, les caractéristiques particulières, avantageuses ou préférées de la composition selon l'invention, permettent de définir des utilisations selon l'invention qui sont également particulières, avantageuses ou préférées.

La composition de refroidissement selon l’invention pourra typiquement circuler dans une boucle de circulation d’un dispositif de refroidissement d’un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, en particulier d’un véhicule électrique.

Selon un mode de réalisation préférée, la composition de refroidissement selon l’invention sera utilisée pour refroidir et/ou pour protéger contre la propagation d’un emballement thermique la batterie du système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, en particulier d’un véhicule électrique.

Généralement, dans le cas d’une batterie comportant plusieurs cellules, un emballement thermique peut se caractériser par l’endommagement d’une cellule (la cellule sera alors dite « en défaut ») ce qui a pour conséquence une augmentation de sa température interne qui va produire des réactions exothermiques au sein de l’électrolyte, pouvant aller jusqu’à une éjection de gaz et une décharge de l’énergie de ses réactions chimiques sous forme de chaleur.

Cet emballement thermique d’une cellule isolée a souvent comme conséquence une propagation de cet emballement à la cellule voisine. En effet, une augmentation de la température d’une cellule, en atteignant une température d’au moins 90°C voire d’au moins 100°C voire d’au moins 120°C la fait partir également en emballement thermique

Typiquement, une cellule sera dite en défaut lorsque sa température va au-delà de 100°C, voire au-delà de 120°C. L’augmentation de chaleur peut parfois s’accompagner d’une éjection de gaz.

La composition de refroidissement selon l’invention peut ainsi être mise en œuvre dans une boucle de circulation d’un dispositif de refroidissement d’une batterie.

Les batteries de l’invention, de préférence de type lithium-ion, peuvent mises en œuvre à des températures allant de -40°C à +70°C, de préférence de 0 à 30°C.

En cas d’emballement, la cellule en défaut de la batterie peut atteindre des températures de l’ordre de 400 à 800°C.

La présente invention concerne également un dispositif de refroidissement d’une batterie, en particulier une batterie lithium-ion. Selon un mode de réalisation préférence, la batterie est mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride.

Le dispositif de refroidissement selon l’invention comprend au moins une boucle de circulation dans laquelle circule la composition de refroidissement selon l’invention.

Typiquement, le dispositif de refroidissement comprend au moins un élément choisi parmi une pompe à huile, un échangeur fluide (échangeur de chaleur entre deux fluides, aussi appelé « chiller ») et une pompe à chaleur. Ainsi, selon un mode de réalisation, la composition de refroidissement selon l’invention circule dans au moins un élément choisi parmi une pompe à huile, un chiller et un échangeur à air, de préférence, dans G ensemble des éléments choisis parmi une pompe à huile, un chiller, et un échangeur à air.

Au sens de la présente invention, la pompe à chaleur peut être considérée comme un système de chauffage ou comme un système de réfrigération.

Généralement, le dispositif de refroidissement comprend en outre un réservoir de stockage de la composition de refroidissement.

Le dispositif de refroidissement sera de préférence mis en œuvre à des température allant de -40°C à +70°C dans des conditions normales, voire de 0 à +30°C.

Le dispositif de refroidissement selon l’invention permettra de limiter voire d’éviter l’emballement thermique dans une batterie, telle qu’une batterie lithium -ion, qui pourra être mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence d’un véhicule électrique.

L’invention concerne également l’utilisation de la composition de refroidissement selon l’invention pour refroidir et/ou pour protéger contre l’emballement thermique une batterie, telle qu’une batterie lithium-ion, par exemple mise en œuvre dans un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence un véhicule électrique dans un dispositif de refroidissement selon l’invention.

L’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un procédé de refroidissement d’une batterie, de préférence lithium-ion, comprenant au moins une étape d’échange thermique entre la composition de refroidissement selon l’invention et au moins une pièce de ladite batterie. Typiquement, le procédé de refroidissement comprend au moins une étape dans laquelle une pièce de ladite batterie est refroidie grâce à l’étape d’échange thermique. De préférence, le procédé est mis en œuvre au moins dans la batterie d’un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence électrique.

Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le procédé de refroidissement d’une batterie, de préférence lithium-ion, ne met pas en œuvre de compos(é) halogénocarboné(s).

Plus spécifiquement, le procédé de refroidissement d’une batterie selon l’invention met en œuvre une unique composition de refroidissement, comprenant de préférence au moins 70% en poids d’huile(s) de base, de préférence de 70 à 100% en poids d’huile(s) de base, par rapport au poids total de la composition de refroidissement. L’invention concerne également un procédé de protection contre remballement thermique d’une batterie, telle qu’une batterie lithium-ion, comprenant au moins une étape d’échange thermique entre la composition de refroidissement selon l’invention et au moins une pièce de ladite batterie. De préférence, le procédé de protection contre l’emballement thermique est mis en œuvre dans la batterie d’un système de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence un véhicule électrique. Typiquement, le procédé de protection selon l’invention est mis en œuvre dans une batterie comportant plusieurs cellules et le procédé comprend au moins une étape d’emballement d’une cellule et une étape dans laquelle la température de la cellule voisine ne dépasse pas 120°C, de préférence ne dépasse pas 100°C voire ne dépasse pas 90°C.

De préférence, les procédés sont mis en œuvre dans le dispositif de refroidissement selon l’invention.

Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le procédé de protection contre l’emballement thermique d’une batterie, de préférence lithium-ion, ne met pas en œuvre de fluide(s) halogénocarboné(s).

Plus spécifiquement, le procédé de protection contre l’emballement thermique d’une batterie selon l’invention met en œuvre une unique composition de refroidissement, comprenant de préférence au moins 70% en poids d’huile(s) de base, de préférence de 70 à 100% en poids d’huile(s) de base, par rapport au poids total de la composition de refroidissement.

L’ensemble des caractéristiques et préférences décrites pour la composition de refroidissement selon l’invention ainsi que pour ses utilisations s’applique également à ce procédé.

L’invention va maintenant être décrite au moyen des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif de l’invention.

Exemples

Un emballement thermique dans une batterie de véhicule électrique a été simulée à l’aide du logiciel de simulation : COMSOL MULTIPHYSICS® 5.4, basé sur la méthode des éléments finis. La batterie modélisée comprend 5 cellules, chacune identique et de forme parallélépipède rectangle non déformable de dimension :

- Longueur L (dimension x) = 250mm,

- largeur 1 (dimension z) = 198mm et

- épaisseur e (dimension y) = 5mm.

La Fig. 1 représente une vue d’une cellule.

Les propriétés de ces cellules sont les suivantes :

- Masse volumique (densité): rho = 2700 kg/m ³

- Capacité calorifique massique: Cp = 900 J/(kg.K);

- Conductivité thermique anisotrope: kxx = kzz = 35 W/(m.K), kyy = 0.8 W/(m.K).

Une source de chaleur volumique est appliquée à la première cellule (celle subissant un emballement thermique). Cette source a été calculée pour faire monter la température de la cellule en défaut à environ 800°C (en partant d’une température de 30°C) en l’espace de 10s. Le calcul utilisé est le suivant : Q = rho*Cp*différence de température/durée de l’emballement. Cela donne une valeur de source de chaleur constante de 1,871 le8 W/m ³ . Cette valeur a été conservée dans le cas où l’emballement dure 15s, la cellule en défaut recevant donc dans ce cas plus d’énergie que dans le cas où l’emballement dure 10s (facteur 1,5).

Dans ces essais, l’effet de la conductivité thermique a été évalué. Ainsi, seul ce paramètre a été modifié d’un fluide (composition de refroidissement) à l’autre, en utilisant la loi de comportement :

- Pour le fluide ayant une conductivité thermique de 110 W/(m.K), on utilise: k = -0,21*T + 116,35

- Pour le fluide ayant une conductivité thermique de 140 W/(m.K), on utilise: k = -0,21*T + 146,35

Les propriétés du support des cellules ont été choisies pour représenter un copolyester :

- Masse volumique : rho = 1130 kg/m ³

- Capacité calorifique massique : Cp = 1600 J/(kg.K);

- Conductivité thermique isotrope : k = 0.19 W/(m.K). La Fig. 2 représente une vue du support (S).

La boite a les dimensions extérieures suivantes :

- L = 274 mm;

- 1 = 231 mm

- e = 64 mm.

La Fig. 3 représente une vue de la boite (B) renformant les cellules et le support.

Les parois de la boîte ont une épaisseur de 2mm.

Ses propriétés correspondent à de l’acier et sont les suivantes :

- Masse volumique : rho = 7850 kg/m ³

- Capacité calorifique massique : Cp = 475 J/(kg.K);

- Conductivité thermique isotrope : k = 44.5 W/(m.K).

La Fig. 4 représente une vue du dessus d’une boite comprenant :

- 5 cellules : Cl, C2, C3, C4 et C5

- 4 espacements remplis d’un fluide : Fl, F2, F3, F4, entre chaque cellule.

Pour les essais de simulation, c’est la cellule Cl qui a été mise en défaut (par application de la source de chaleur).

Afin de limiter la taille du problème à résoudre, la géométrie du modèle de simulation a été réduite à la partie gauche de la géométrie complète. Une condition de symétrie a été appliquée au niveau du plan de coupe. Cela signifie que la géométrie réellement simulée diffère de la géométrie complète. Ceci étant, la source de chaleur étant appliquée de manière volumique et la boite étant fermée (pas d’entrée ou de sortie de fluide), cette simplification n’a aucune influence qualitative sur les phénomènes simulés et les conclusions tirées de l’étude. Le plan de coupe est positionné à une distance de 111,375 mm de l’extrémité gauche de la boite le positionnant exactement au milieu de la seconde portion du support.

La Fig. 5 montre le dimensionnement (D) pour le calcul. Le volume de fluide mis en œuvre dans le domaine (D) est de 0,936 litres.

La modélisation physique se caractérise par les éléments suivants :

- Le couplage fort (i.e. l’écoulement influence les transferts thermiques via le terme d’advection et la thermique influence l’écoulement par la dépendance des propriétés de fluide à la température) entre les équations de Navier-Stokes décrivant l’écoulement et de l’équation de la chaleur représentant les transferts thermiques dans le fluide.

- L’équation de la chaleur dans l’ensemble des solides pour représenter les transferts thermiques dans les solides.

- Le fluide est considéré comme incompressible (seule l’influence de la thermique sur la masse volumique est prise en compte, il s’agit de l’approximation de Boussinesq).

- L’emballement thermique de la première cellule est modélisé par la source de chaleur décrite précédemment.

- le système fonctionne en circuit fermé, le fluide circule par l’unique effet de la modification de la masse volumique avec la température.

- le nombre de mailles utilisées pour la discrétisation du modèle est : 1377265 mailles pour le fluide, 2392214 mailles pour les cellules, 71127 mailles pour la boite, 1324894 mailles pour le support.

Dans le cadre de ces essais, une condition de non-glissement est appliquée pour le fluide sur chaque surface où celui-ci est en contact avec un solide (cellules ou boîte). La surface supérieure du domaine fluide est par contre une surface libre sur laquelle des vitesses tangentielles sont autorisées. D’un point de vue thermique, la surface libre du fluide ainsi que l’ensemble des surfaces extérieures de la boite (sauf la surface inférieure) échange de la chaleur avec l’air extérieur (qui est à 30°C) avec un coefficient d’échange h = 10 W/(m ² .K). La boite étant posée sur un support, on considère qu’il n’y a pas d’échange de chaleur entre le fluide et la partie basse de la boite.

Les Fig. 6, Fig. 7 et Fig. 8 représente, respectivement, la température moyenne de la cellule en défaut (Cl), la température moyenne du fluide, la température moyenne de la cellule voisine (C2), pour deux fluides qui se distinguent uniquement par la conductivité thermique, et pour deux durées différentes d’application de la source de chaleur, 10 secondes et 15 secondes. Pour les résultats illustrés sur ces 3 figures, les cellules sont séparées par un espace de 5 mm. La Fig. 6 montre qu’une durée de 15 secondes provoquera une augmentation plus importante de la température de la cellule en défaut, permettant de simuler un cas plus sévère d’emballement thermique. Comme le montrent les résultats de la Fig. 7, la température moyenne du fluide est plus faible dans le cas où la composition de refroidissement selon l’invention est mise en œuvre. Comme le montrent les résultats de la Fig. 8, la température moyenne de la cellule voisine est plus faible lorsque la composition de refroidissement selon l’invention est mise en œuvre. Ainsi, la composition de refroidissement selon l’invention permet, a minima de limiter, mais surtout d’empêcher la propagation de l’emballement thermique.

D’autres essais ont été mis en œuvre mais cette fois-ci avec un espace de 4 mm entre deux cellules et une durée de 15s. Un espacement plus faible entre deux cellules est plus propice à la propagation de l’emballement thermique. Les résultats sont illustrés sur les Fig. 9 (température moyenne de la cellule en défaut), Fig. 10 (température moyenne du fluide) et Fig. 11 (température moyenne de la cellule voisine).

Les résultats des Fig. 10 et Fig. 11 montrent l’effet de la composition de refroidissement selon l’invention pour refroidir et pour limiter et pour empêcher la propagation de l’emballement thermique, même dans des conditions plus sévères, à savoir 4mm d’espacement et un chauffage plus élevé de la cellule en défaut.