Brevet FR2718291A1 — publié le 19951006

L'invention concerne une batterie ayant plusieurs accumulateurs électriques, et plus particulièrement une telle batterie présentant une stabilité mécanique améliorée à l'encontre des vibrations. Des accumulateurs rechargeables ou batteries sont des dispositifs électrochimiques destinés à emmagasiner et retenir une charge électrique et à distribuer ensuite cette charge sous forme d'énergie utilisable. Un exemple commun de l'accumulateur rechargeable est la pile à nickelcadmium utilisée dans divers appareils électroniques portatifs tels que des caméras et des appareils radio. Un autre type d'accumulateur ayant une plus grande capacité d'emmagasinage pour son poids est la pile à nickel-hydrogène. La pile à nickel-hydrogène est utilisée en astronautique, par exemple dans des satellites, pour emmagasiner de l'énergie générée par des piles solaires lorsque le vaisseau spatial est éclairé par le soleil, et déchargée pour fournir de l'énergie lorsque le vaisseau spatial est dans l'obscurité. Une batterie de ce type comporte plusieurs accumulateurs électrochimiques individuels. Chacun des accumulateurs utilise une électrode positive en nickel, une électrode négative et un électrolyte en tant qu'élément fondamental d'emmagasinage d'énergie. Par exemple, la batterie à nickel-hydrogène comprend une série d'accumula- teurs actifs, chaque accumulateur ayant une électrode positive en nickel/oxyde de nickel (appelée "électrode au nickel"), une électrode négative à l'hydrogène, un séparateur entre les électrodes, et un électrolyte tel qu'une solution d'hydroxyde de potassium. Un empilage des accumulateurs est conditionné dans une cuve sous pression qui contient l'empi- lage, l'électrolyte, l'hydrogène gazeux demandé et consommé pendant le cycle de charge/décharge de l'accumulateur, et des écrans à gaz entre les accumulateurs pour permettre à l'hydrogène gazeux de s'écouler vers les électrodes et à partir de celles-ci. La configuration empilée d'accumulateurs est soumise à des charges ou des chocs extérieurs pendant le lancement d'un vaisseau spatial contenant la batterie. L'empilage possède une fréquence propre de vibration qui peut être excitée par ces charges. Si les vibrations sont suffi- samment importantes, la batterie peut être endommagée et rendue partiellement ou totalement inopérante. Diverses approches de la conception ont été utilisées, lesquelles pourraient minimiser la possibilité de détérioration d'une batterie. La batterie peut être renforcée pour résister aux charges, mais un tel renfort augmente le poids de la batterie, ce qui réduit sa capacité d'emmagasi- nage spécifique. Dans une autre approche, l'empilage de la batterie a été divisé en deux moitiés, et les deux demi-15 empilages ont été supportés séparément par un support central à l'intérieur du conteneur de la batterie. Cependant, on a à présent constaté que cette conception suggérée présentait des inconvénients, car les deux demi- empilages sont en couplage dynamique et sont supportés en porte à faux, en sorte qu'ils peuvent vibrer aisément. La dissipation de l'énergie thermi- que est également inefficace dans cette approche. On a besoin d'une batterie de conception perfec- tionnée pour résister aux détériorations dues aux vibrations. La présente invention satisfait ce besoin et procure en outre des avantages qui y sont liés. L'invention procure une batterie configurée pour minimiser les détériorations dues aux vibrations. Dans cette approche, on peut augmenter la capacité de la batterie sans accroître notablement le poids. Une batterie typique à nickel-hydrogène utilisant la présente conception possède une capacité de 160-250 Ah (ampèreheures), à comparer avec une batterie classique de dimensions et de poids similaires, ayant une capacité de 110-160 Ah. L'approche de l'invention est totalement compatible avec d'autres perfectionnements de batteries. Conformément à l'invention, une batterie comporte un conteneur de batterie ayant une paroi de batterie. Une embase est fixée à l'intérieur de la paroi de la batterie. Un premier support souple s'étend depuis un premier côté de5 l'embase, et un second support souple s'étend depuis un second côté de l'embase. Un premier empilage d'accumulateurs électrochimiques est supporté par le premier support, et un second empilage d'accumulateurs électrochimiques est supporté par un second support. Cette conception réalise un découplage efficace entre les mouvements vibratoires des deux empilages d'accumulateurs, augmentant la fréquence de vibration de chacun des empilages à une valeur supérieure à celle rencon- trée dans des situations habituelles résultant de charges aérodynamiques imposées au véhicule portant la batterie. Selon un autre aspect, chacun des empilages d'accumulateurs comporte un moyen à accumulateurs pour emmagasiner électrolytiquement de l'énergie, au moins une partie du moyen à accumulateurs s'étendant jusqu'à la paroi de la batterie pour établir un contact mécanique avec elle. Le contact entre le moyen à accumulateurs et la paroi de la batterie amortit davantage les vibrations qui pourraient autrement endommager l'empilage d'accumulateurs. Dans l'approche préférée, chacun des empilages d'accumulateurs comporte plusieurs accumulateurs électrolyti- ques individuels. Chaque accumulateur comprend une anode annulaire, une cathode annulaire et un séparateur annulaire contenant un électrolyte entre l'anode et la cathode. Un écran annulaire à gaz est placé entre chacun des accumula- teurs individuels, et c'est l'écran à gaz qui présente un diamètre tel qu'il est en contact avec la paroi de la batterie. Chaque empilage d'accumulateurs est supporté par un noyau de support en porte à faux passant par les centres des accumulateurs individuels à partir du support. Chaque empilage comporte en outre des moyens pour retenir les accumulateurs individuels sur le noyau de support, et des moyens pour établir un contact électrique avec les accumula- teurs. La présente invention procure une batterie qui est particulièrement résistante aux détériorations dues à des vibrations et à des chocs, sans augmentation substantielle du poids de la batterie. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels:10 la figure 1 est une vue schématique en coupe de côté d'une batterie selon l'invention; et la figure 2 est une vue schématique à échelle agrandie d'un détail de la figure 1, suivant globalement la ligne 2-2, illustrant la construction d'un accumulateur individuel et l'agencement de l'écran à gaz. La présente invention est avantageusement utilisée conjointement avec une batterie à gaz sous pression- métal, telle qu'une batterie 20 à nickel-hydrogène illustrée sur les figures 1 et 2. La batterie 20 comprend un conteneur 22 de batterie ayant une paroi 24 de batterie à extrémités bombées 26. Dans la version préférée, la paroi 24 de la batterie est cylindrique, l'axe 28 du conteneur coincidant avec celui du cylindre. Pour la batterie à gaz sous pression- métal, le conteneur 22 est une cuve résistant à la pression, formée d'une matière telle que l'alliage à base de nickel du type "Inconel 718", qui peut supporter des pressions internes de l'ordre de 7000 kPa, sans détérioration par fragilisation par l'hydrogène ou corrosion par l'électrolyte. Une embase 30 est fixée à l'intérieur de la paroi 24 de la batterie, dans un emplacement situé entre les extrémités du conteneur 22. L'embase est avantageusement fixée à l'intérieur de la paroi 24 de la batterie en étant soudée à égale distance des extrémités du conteneur 22, mesurée le long de l'axe 28 du conteneur. L'embase 30 est un anneau supporté à la soudure entre deux moitiés du conteneur 22 qui sont jointes l'une à l'autre pendant la fabrication de la batterie 20. Un premier anneau soudé 32 et un second anneau soudé 34 sont fixés aux côtés opposés de l'embase 30. Le premier anneau soudé 32 s'étend vers la gauche sur la figure 1 et le second anneau soudé 34 s'étend vers la droite sur la figure 1. Chaque anneau soudé est une structure nervurée à symétrie cylindrique ayant une résistance structurale mais aussi un degré de souplesse. Les charges des empilages individuels des accumulateurs sont transmises par les anneaux soudés souples et l'embase à la paroi 24 de la batterie. La structure souple des anneaux soudés et leur mode de support réalisent un découplage efficace des vibrations entre les empilages fixés des accumulateurs. Un empilage d'accumulateurs électrolytiques, ses supports et ses connexions électriques sont fixés à chacun des anneaux soudés 32 et 34. Un premier empilage 36 d'accumu- lateurs s'étend vers la gauche sur la figure 1 depuis le premier anneau soudé 32, et un second empilage 38 d'accumula- teurs s'étend vers la droite sur la figure 1 depuis le second anneau soudé 34. Les empilages d'accumulateurs 36 et 38 sont par ailleurs d'une construction identique, et la description suivante s'applique aux deux empilages d'accumulateurs 36 et 38. Chacun des empilages d'accumulateurs 36, 38 comprend plusieurs accumulateurs individuels 40. Chacun des accumulateurs 40 est formé d'un agencement d'éléments annulaires supporté sur un noyau 42 de support qui est fixé à l'anneau soudé 32, 34. Une plaque annulaire extrême de compression est positionnée à chaque extrémité de chacun des empilages d'accumulateurs 36 et 38. Une plaque extrême intérieure 44 de compression est adjacente à l'anneau soudé respectif 32, 34, et une plaque extrême extérieure 46 de compression est éloignée de l'anneau soudé respectif 32, 34. Chaque empilage d'accumulateurs 36, 38 est placé sous une compression longitudinale de, par exemple, environ kPa, par un serrage des plaques 44, 46 de compression contre chaque extrémité des empilages d'accumulateurs 36, 38. Le serrage des plaques 44, 46 de compression est avantageuse- ment réalisé par la compression individuelle des empilages d'accumulateurs 36, 38, puis par le serrage d'un écrou sur des filets du noyau 32 de support. Un jeu 48 de rondelles Belleville est ainsi comprimé contre la plaque extérieure 46 de compression afin de retenir l'empilage d'accumulateurs 36, 38 de compression sur le noyau 42 de support. La connexion électrique sur les accumulateurs 40 est réalisée au moyen d'un jeu classique 50 de conducteurs électriques s'étendant depuis l'extérieur de la batterie 20 jusqu'à chacun des empilages d'accumulateurs 36, 38. Chaque jeu 50 de conducteurs utilise une traversée hermétique 52 dans l'extrémité bombée respective 26 du conteneur 22 de la batterie. Les jeux 50 de conducteurs comprennent plusieurs conducteurs individuels qui sont connectés aux électrodes des accumulateurs 40 d'une manière déterminée pour chaque accumulateur 40 afin de fournir la tension et le courant demandés pour une application choisie. Il n'est pas néces- saire que les deux empilages d'accumulateurs 36 et 38 soient connectés électriquement exactement de la même manière. Dans cette conception, chacun des empilages d'accumulateurs 36 et 38 est supporté par son anneau soudé respectif 32 ou 34. Les supports séparés par anneaux soudés servent à isoler les unes des autres les vibrations présentes dans les deux empilages d'accumulateurs. Le but est de raccourcir les empilages d'accumulateurs, afin que chaque empilage d'accumulateurs 36, 38 possède une fréquence de vibration supérieure à celle d'un empilage d'accumulateurs plus long, d'une capacité d'accumulation similaire. Cette fréquence de vibration plus élevée réduit le risque de détérioration de l'empilage d'accumulateurs sous l'effet de charges appliquées extérieurement telles que des vibrations et des chocs se produisant pendant le lancement d'un vaisseau spatial. Pour amortir davantage toutes vibrations, les accumulateurs 40 sont structurés de la manière montrée sur la figure 2. Chaque accumulateur 40 comporte une anode 60, une cathode 62 et un séparateur 64 contenant un électrolyte. Le séparateur 64 sépare physiquement les électrodes 60 et 62, et fournit aussi le milieu électrolytique à travers lequel des transferts d'ions et d'électrons ont lieu. Diverses constructions des électrodes et des séparateurs d'accumulateurs à nickel-hydrogène sont décrites dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4 820 597, N 4 283 844, N 4 262 061, N 4 250 235, N 4 000 350 et N 3 669 744. Dans la conception préférée, l'anode ou électrode en nickel est formée par imprégnation d'oxyde de nickel dans un substrat fritté poreux, et le processus complet sera décrit en détail ci-dessous. La cathode 62, sur un côté d'un mélange fritté de noir de platine et de polytétrafluor- éthylène et, sur l'autre côté, d'une couche poreuse de polytétrafluoréthylène 66. ces couches sont appliquées sur un substrat de nickel sous la forme d'une feuille gravée chimiquement ou d'une toile tissée, pour former la cathode 62. De nombreux types différents de séparateurs 64 ont été utilisés, comprenant, par exemple, de l'amiante, du Nylon et une étoffe d'oxyde de zirconium et d'oxyde d'yttrium. L'électrolyte, habituellement une solution aqueuse à 26-31 % d'hydroxyde de potassium, est imprégné dans le séparateur 64 dans cet accumulateur du type pour aéronautique. En formant les empilages d'accumulateurs 36 et 38 à partir de ces accumulateurs 40, on place un écran 68 à gaz, en monofilaments de polypropylène, entre chaque accumulateur 40. L'écran 68 à gaz permet à l'hydrogène dégagé à la cathode 62 pendant une charge normale, et à l'oxygène libéré à l'anode 60 pendant une surcharge, de diffuser vers l'élec- trode opposée pour se combiner et former de l'eau. Une partie d'au moins certains des accumulateurs individuels 40 et des écrans 68 à gaz s'étend jusqu'en contact avec l'intérieur de la paroi adjacente 24 de la batterie. Dans le cas préféré, l'écran 68 à gaz est formé de façon à avoir un diamètre suffisamment grand pour être en contact mécanique avec la paroi 24 de la batterie. L'écran 68 à gaz est choisi préférentiellement à un élément de l'accumu- lateur 40 pour être en contact avec la paroi 24 de la batterie, de manière qu'aucun isolant ne soit nécessaire (dans le cas de l'anode et de la cathode), et qu'il n'y ait aucun risque de fuite de l'électrolyte (dans le cas du séparateur). L'extension de l'écran 68 à gaz jusqu'au contact avec l'intérieur de la paroi 24 de la batterie améliore son comportement en augmentant la surface exposée de l'écran à gaz à travers laquelle du gaz peut diffuser lorsque cela est nécessaire, et en délimitant un trajet de diffusion de gaz dans un volume 70 entre l'extérieur de l'accumulateur 40 et la paroi 24. Le contact mécanique entre l'écran 68 à gaz et l'intérieur de la paroi 24 de la batterie n'est pas prévu pour supporter une partie substantielle du poids des empila- ges d'accumulateurs 36 et 38. La fonction principale de support est remplie par les noyaux 42 de support. Par contre, le contact mécanique entre le bout de l'écran à gaz et la batterie sert à amortir des vibrations mécaniques qui peuvent être introduites dans les empilages d'accumulateurs 36 et 38. Ce contact réduit davantage la sensibilité des empilages d'accumulateurs 36 et 38 à une détérioration mécanique due à des chocs et des vibrations d'origine extérieure. Il est connu, dans le passé, que des écrans à gaz utilisés dans des batteries nickel-hydrogène soient en contact avec les parois du conteneur, mais non en association avec la présente approche pour supporter les empilages d'accumulateurs. A titre illustratif, une batterie 20 selon la présente invention, dont le conteneur 22 a pour dimensions extérieures un diamètre de 11,43 cm et une longueur de 44,45 cm, contient deux empilages d'accumulateurs 36 et 38, chacun des empilages d'accumulateurs ayant une capacité d'environ 125 Ah (ampèreheures). La capacité d'accumulation électrique résultante de la batterie est d'environ 250 Ah. La batterie 20 peut être chargée et déchargée sur des milliers de cycles sans dommage physique apparent des constituants, pourvu que la charge et la décharge soient réalisées convena- blement. On réalise la charge en faisant passer un courant continu par les jeux de conducteurs 50 à travers chaque accumulateur 40 afin que des électrons circulent de la cathode 62 vers l'anode 60. De l'énergie électrique est ainsi accumulée dans chaque jeu de plaques sous la forme de corps réactionnels chimiques, laquelle énergie est destinée à être ensuite déchargée pour produire un courant utilisable. Un accumulateur nickel-hydrogène du type décrit précédemment peut être complètement chargé par un réseau de piles solai- res, à une capacité de, par exemple, environ 250 ampère- heures, en utilisant un courant d'environ 25 ampères sous 1,55 volt, pendant une période de charge d'environ 16 heures à partir d'un état déchargé. La tension et le temps de la charge varient suivant la puissance pouvant être fournie par la pile solaire et le cycle imposé par l'orbite du vaisseau spatial. La batterie 20 résiste également à des chocs et des vibrations d'origine extérieure du fait qu'elle possède une fréquence propre de vibration supérieure à celle des batteries classiques de capacité comparable. Pour tester ce point, on a construit deux batteries ayant une capacité d'accumulation de 200 ampèreheures. L'une possédait une configuration classique à un seul empilage et l'autre la configuration à empilage double selon la présente invention. Les fréquences propres de vibration des deux batteries ont été mesurées. La batterie classique avait une fréquence propre de vibration d'environ 210 hertz et la batterie de la présente invention avait une fréquence propre de vibration5 d'environ 290 hertz. La batterie de la présente invention résiste mieux aux détériorations par les vibrations durant le lancement d'un vaisseau spatial, qu'une batterie classique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la batterie décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. la REVENDICATIONS 1. Batterie, caractérisée en ce qu'elle comporte un conteneur (22) de batterie comprenant une paroi (24) de batterie ayant des extrémités opposées (26) de batterie, et5 des moyens (30, 42) de support d'empilages destinés à supporter une structure interne à l'intérieur de la paroi de la batterie, les moyens de support d'empilage étant supportés par la paroi de la batterie en un emplacement situé entre les extrémités (26) de la batterie, et comprenant des moyens pour réaliser un découplage en vibration des charges imposées aux moyens de support d'empilages; un premier empilage (36) d'accumulateurs supporté à partir d'un premier côté des moyens de support d'empilages et s'étendant dans un premier sens à partir de ces moyens de support; et un second empilage (38) d'accumulateurs supporté à partir d'un second côté des moyens de support d'empilages et s'étendant dans un second sens, opposé au premier sens, à partir de ces moyens de support, chacun des premier et second empilages d'accumu- lateurs comprenant des moyens à accumulateurs (40) pour accumuler électrolytiquement de l'énergie, au moins une certaine partie des moyens à accumulateurs s'étendant jusqu'à la paroi de la batterie pour former un contact mécanique avec elle, des moyens (32, 34) étant destinés à supporter les moyens à accumulateurs à partir du support d'empilages et des moyens (50) étant destinés à établir un contact électrique avec les moyens à accumulateurs. 2. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les moyens de support d'empilages sont suppor- tés par la paroi de la batterie en un emplacement situé sensiblement à mi-distance entre les extrémités (26) de la paroi de la batterie, le long de l'axe (28) du conteneur. 3. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les moyens à accumulateurs comprennent plu- sieurs accumulateurs électrochimiques individuels (40). 4. Batterie selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que chaque accumulateur comprend une anode annu- laire (60), une cathode annulaire (62) et un séparateur annulaire (64) contenant un électrolyte entre l'anode et la cathode. 5. Batterie selon la revendication 3, caractéri- sée en ce qu'elle comporte en outre un élément intermédiaire entre chacun des accumulateurs, l'élément intermédiaire étant un écran annulaire (68) à gaz ayant une dimension telle qu'il est en contact avec la paroi de la batterie. 6. Batterie selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que les moyens destinés à supporter les moyens à accumulateurs comprennent un noyau (42) de support passant dans une ouverture centrale annulaire de chacun des accumula- teurs individuels, et des moyens (44, 46, 48) pour retenir les accumulateurs individuels sur le noyau de support. 7. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la paroi de la batterie est cylindrique, à extrémités bombées (26). 8. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les moyens à accumulateurs comprennent un accumulateur à nickel-hydrogène. 9. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les moyens pour le découplage en vibration comprennent un support souple (32, 34) pour chacun des empilages d'accumulateurs, chaque empilage d'accumulateurs étant supporté par son propre support souple. 10. Batterie selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que chaque support souple comprend une structure nervurée. 11. Batterie selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que chaque support souple est à symétrie cylindri- que. 12. Batterie selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les moyens de support d'empilages comprennent une embase (30) fixée à l'intérieur de la paroi de la batterie, un premier anneau soudé souple (32) s'étendant jusqu'au premier côté de l'embase, le premier empilage (36) d'accumulateurs étant supporté par le premier anneau soudé, 5 et un second anneau soudé souple (34) s'étendant jusqu'au second côté de l'embase, le second empilage (38) d'accumula- teur étant supporté par le second anneau soudé. 13. Batterie selon la revendication 12, caracté- risée en ce que chaque anneau soudé comprend une structure nervurée à symétrie cylindrique.