Brevet FR2543367A1 — publié le 19840928

Batterie de piles à signal de fin de vie formée d'éléments connectés en série De nombreux équipements électriques pour signalisation, téléphone, alarme, sont alimentés par des générateurs primaires constitués d'un groupage en série de piles électrochimiques. Dans les applications de sécurité, il est nécessaire d'avoir un moyen de prévoir l'approche de la fin de décharge du générateur afin de pouvoir procéder à son remplacement à temps. Avec les piles électrochimiques à tension de décharge décroissante en fonction du temps, cas des couples Zinc/Bioxyde de manganèse en milieu salin ou à tension de décharge présentant deux paliers, cas des couples Lithium/Chromate d'argent, le suivi de la tension en cours de fonctionnement permet facilement de prévoir l'approche de la fin de décharge du générateur. Il n'en va pas de même avec les piles électrochimiques à tension de décharge constante en fonction du temps, cas du couple Zinc/air alcalin, dvautant plus que, dans un montage série, l'épuisement d'un élément entraîne une chute de tension très supérieure à la tension nominale de cet élément (phénomène d'inversion) et donc une chute encore plus brutale de la tension de l'ensemble. La présente invention a pour but une batterie de piles qui soit formée d'un groupage en série d'éléments ou de blocs d'éléments en paral le le et qui présente, même dans le cas d'éléments à tension de décharge constante, une tension globale de décharge à deux paliers, un premier palier correspondant à la tension nominale de fonctionnement normale de la batterie et un deuxième palier à l'approche de la fin de décharge de la batterie correspondant à une tension inférieure à la tension nominale mais encore suffisante pour l'utilisation. Elle a pour objet une batterie de piles à signal de fin de vie formée de N éléments ou blocs d'éléments en parallèle connectés en série et répartis en deux groupes, N étant déterminé par la tension nominale désirée, un premier groupe rassemblant un petit nombre n d'éléments ou de blocs d'une capacité CA qui correspond à la durée de vie minimale souhaitée pour la batterie dans le cadre de son utilisation et engendrant une tension faible mais facilement détectable dont la disparition constitue le signal de fin de vie de la batterie, et un deuxième groupe de N-n éléments ou de blocs d'une capacité CB supérieure à celle CA des éléments ou blocs précédents, engendrant une tension inférieure à la tension nominale de la batterie d'une amplitude encore suffisante pour l'utilisation, la différence de capacité COB CL étant déterminée en fonction de la durée souhaitée du signal de fin de vie. Une ou plusieurs diodes sont montées en parallèle, dans le sens non traversant, sur le premier groupe de blocs d'éléments afin de court-circuiter la résistance élevée qu'ils présentent lorsqu'ils sont déchargés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des revendications jointes et de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel - la figure 1 est un ensemble de diagrammes illustrant les formes des tensions de décharge en cours de fonctionnement d'éléments de piles de même capacité réalisées avec différents couples électrochimiques, - la figure 2 représente le schéma électrique d'une batterie de piles selon l'invention - et la figure 3 est un diagramme illustrant la forme de la tension de décharge en cours de fonctionnement d'une batterie selon l'invention formée de piles utilisant le couple zinc/air alcalin. Les diagrammes de la figure 1 illustrent les variations des tensions de décharge en cours de fonctionnement d'éléments de piles de même capacité réalisées avec différents couples électrochimiques, en a un couple Zinc/Bio#yde de manganèse, en b un couple Lithium/Chromate d'argent et en c un couple Zinc/air alcalin. Il est clair, qu'avec un couple Zinc/Bioxyde de manganèse où la tension de fonctionnement décroit régulièrement au cours du temps ou avec un couple Lithium/Chromate d'argent où la tension de fonctionnement passe par deux paliers successifs avant de chuter brutalement, il est facile de prévoir l'approche de fin de décharge par la détection de franchissement d'un seuil par la tension de fonctionnement.Il n'en va pas de même avec un couple tel que Zinc/air alcalin où la tension de fonctionnement reste pratiquement constante pendant toute la décharge avant de s'effondrer brutalement. Pour permettre néanmoins de prévoir l'approche de fin de décharge dans le cas d'une batterie formée par la mise en série de piles à tension de décharge constante on recrée au niveau de la batterie une tension de décharge àvdeux paliers par la combinaison d'éléments de piles de capacités différentes. Cette batterie comporte, comme représentée à la figure 2, N éléments de piles à tension de décharge constante connectés en série et répartis on deux groupes 10 et 20, l'un 10 rassemblant un petit nombre n éléments en série d'une capacité CA qui correspond à la durée souhaitée pour le premier palier de décharge et engendrant une tension égale à la différence de tension souhaitée entre les deux paliers de décharge, et l'autre 20 rassemblant les N-n éléments restants d'une capacité CB supérieure à celle CA des éléments du premier groupe.Une diode de contournement 30 est montée en parallèle, dans le sens bloqué, sur le groupe 10 des éléments de piles de moindre capacité CA La figure 3 illustre la variation de la tension de décharge de la batterie précédente au cours de son fonctionnement. Cette tension commence par rester pratiquement constante tant que la batterie n'a pas délivré une capacité CA. Arrivée à ce stade, elle chute brutalement d'une quantité A U en raison de l'épuisement du groupe 10 des éléments de pile de moindre capacité. Elle se maintient ensuite, sensiblement au nouveau niveau atteint, jusqu'à ce que la batterie ait délivré une capacité CB après quoi, le deuxième groupe 20 d'éléments de piles s'épuise à son tour provoquant une chute brutale de la tension délivrée. Lorsque le groupe 10 de n éléments de piles de moindre capacité est épuisé, il présente une résistance interne considérable qui est shuntée par la diode de contournement 30. Cette diode 30 limite la chute de tension t U entre les deux paliers de décharge à #U:nU + A UA étant la tension aux#bornes de chaque élément du groupe 10 et g V la chute de tension dans la diode 30 lorsqu'elle est saturée. Cette dernière peut être remplacée par une série de diodes montées chacune en parallèle sur chaque élément de moindre capacité. La chute de tensinon & V est alors à multiplier par le nombre de diodes. Là où les diodes peuvent être mises en place lors du groupage des piles ou lors de la fabrication dans le cas d'une batterie. Les capacités CA et CB peuvent être obtenues selon leur valeur, à partir d'un seul élément ou d'un bloc de plusieurs éléments en parallèle. Le choix de la capacité CA est dicté par le courant d'utilisation et la durée souhaitée du premier palier de décharge, celui de la capacité CB par le courant d'utilisation et la durée globale souhaitée des premier et deuxième paliers de décharge, celui du nombre N-n d'éléments de piles ou de blocs d'éléments de pilesen parallèle de capacité CB du groupe 20 de manière à obtenir#avec ces seuls éléments de piles un niveau de tension encore compatible avec l'utilisation et celui du nombre n d'éléments de piles ou de blocs d'éléments de piles en parallèle de capacité CA par l'amplitude hU de la chute de tension souhaitée entre les deux paliers de décharge, cette amplitude devant être suffisante pour que le passage du premier au deuxième palier de décharge soit facilement détecté. Dans la pratique il faut également, prendre en considération des contraintes à la fois économiques et volumiques qui n'autorisent pas une fixation arbitraire des quantités de matières actives telles que les durées souhaitées pour les deux paliers de décharge soient effectivement obtenues. En outre, les capacités théoriques introduites, calculables électrochimiquement avec précision ne sont restituées qu'avec un coefficient de rendement inférieure à un et une dispersion naturelle répondant à une loi de probabilité gaussienne.Le choix des capacités CA et CB des deux groupes d'éléments de piles s'effectue en optimisant les risques au niveau choisi dans le cadre de cette loi de probabilité à partir des relations i T1 = CA - k16 A i T2 = (cob 2 k26 B) - (CA + k3 6 ) T2 : (CB k G ) 3 A dans lesquelles i est le courant moyen d'utilisation, T1 est la durée du premier palier de décharge de la batterie, T2 est la durée du deuxième palier de décharge de la batterie, 6 A A et 6 B les écarts types respectifs des capacités pratiques obtenues pour les deux familles d'éléments, k1, k2 et k3 sont des coefficients correspondant au niveau des probabilités désirées. Par exemple, dans le cas où l'on désire une batterie de 6 éléments de pile Zinc/air alcalin pouvant débiter un courant de 130 mA avec une tension située dans une plage de 7,5 volts à 5 volts compatible avec l'utilisation et ayant un premier palier de décharge d'une durée supérieure à 1000 heures et un deuxième palier de décharge d'une durée supérieure à 25 heures, le premier groupe d'éléments 10 se réduira à un seul shunté par une diode La chute de tension entre les deux paliers de décharge constituant le signal de fin de vie sera celle d'un élément (1,2 volts) augmentée de la tension de saturation de la diode (0X25 volt). Pendant le premier palier la batterie fournira environ 7,2 volts et pendant le deuxième 5,7 volts. L'analyse statistique des résultats expérimentaux permet de vérifier le caractère gaussien de la loi de probabilité et d'estimer les écarts types respectifs à : 6 6 A = 6 Ah B : '1,7 Ah En prenant pour objectif une probabilité de respect des seuils minimaux pour T1 et T2 de l'ordre de 0,99 on aboutit aux valeurs 3 pour le coefficient k1 et 1,5 pour les coefficients k2 et k3. L'application de ces diverses valeurs aux deux relations précédentes permet d'obtenir pour la capacité CA la valeur de 150 Ah et pour la capacité C B la valeur de 170 Ah. Bien entendu, on peut, sans sortir du cadre de l'invention -modi- fier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Batterie de piles à signal de fin de vie formée de N blocs d'éléments de piles en parallèle connectés en série pour l'obtention de la tension nomimale désirée, chaque bloc pouvant se réduire à un seul élément, caractérisée en ce que lesdits N blocs sont répartis en deux groupes, un premier groupe (10) rassemblant un nombre n de blocs d'une capacité CA qui correspond à la durée de vie minimale souhaitée pour la batterie dans le cadre de son utilisation et engendrant une tension dont la disparition constitue le signal de fin de vie, et un deuxième groupe (20) de N-n blocs d'une capacité CB supérieure à celle CA des blocs du groupe précédent (10) engendrant une tension d'amplitude à elle seule suffisante pour l'utilisation, la différence des capacités CB-CA étant déterminée en fonction de la durée du signal de fin de vie. 2/ Batterie de piles selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une diode (30) est connectée en parallèle dans le sens non traversant, sur le premier groupe (10). 3/ Batterie de piles selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une diode est connectée en parallèle, dans le sens non traversant, sur chaque bloc du premier groupe (10). 4/ Batterie de piles selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ses piles sont du type Zinc/air alcalin.