Brevet FR2718886A1 — publié le 19951020

La présente invention concerne un système de raccordement électrique destiné à être utilisé dans des générateurs électrochimiques, éventuellement assemblés en batteries. Ce système est plus particulièrement adapté au raccordement électrique d'accumulateurs ou de batteries d'accumulateurs de type monoblocs. Le raccordement électrique d'un générateur électrochimique comporte principalement des liaisons entre les électrodes de même polarité et la borne de sortie de courant correspondante, directement ou par l'intermédiaire d'une connexion. Une telle liaison est habituellement réalisée par serrage (boulonnage, vissage, ou rivetage) ou15 bien par soudage (soudure électrique par point par exemple). Un assemblage par serrage, effectué par exemple par boulonnage à l'aide d'un écrou et de rondelles, l'étanchéité étant assurée par des joints si nécessaire, a l'inconvénient de maintenir le boulon sous tension ce qui fragilise l'assemblage en particulier vis à vis de la corrosion. L'assemblage par soudure pose le problème de la tolérance du positionnement d'une pièce par rapport à l'autre. La réalisation d'une soudure de bonne qualité au point de vue mécanique et électrique est toujours une opération délicate25 qui exige de plus une préparation soigneuse préalable des pièces à souder. Dans une batterie d'accumulateur il est nécessaire de relier électriquement les électrodes de chaque accumulateur aux électrodes de polarité opposée d'un accumulateur30 contigu. Cette liaison peut se faire directement ou indirectement par l'intermédiaire d'une ou plusieurs connexions. Une telle liaison est habituellement réalisée par serrage (boulonnage, vissage, ou rivetage) ou bien par emmanchement mécanique. on n'envisage pas de réaliser la35 liaison par soudure car l'obligation de souder à l'intérieur du conteneur dans le cas des liaisons entre connexions entraîne des risques de projections de calamine au cours de cette opération. Par exemple dans un concept de type monobloc o les éléments d'accumulateurs sont contenus dans les compartiments d'un seul conteneur, les électrodes des accumulateurs contigus sont reliées par des connexions inter-éléments. Cette liaison se situe alors dans une zone o la paroi électriquement isolante séparant deux10 accumulateurs est percée. L'utilisation d'un assemblage par serrage dans le cas d'une liaison entre les connexions inter-éléments de deux accumulateurs contigus a l'inconvénient de nécessiter d'une part une double étanchéité, et d'autre part une parfaite maîtrise du couple de serrage. Une grande précision dans la fabrication des pièces est indispensable pour ce mode de liaison. Dans une liaison par emmanchement mécanique, des problèmes de grippage peuvent survenir qui provoquent une détérioration des contacts électrique et présente des risques au point de20 vue de la sécurité de l'utilisateur. La présente invention concerne en particulier un système de raccordement électrique pour accumulateur qui est mécaniquement et électriquement fiable et dont la mise en oeuvre est plus facile que celle des systèmes connues.25 L'objet de la présente invention est un système de raccordement électrique pour des générateurs électrochimiques comportant des électrodes et des connexions assurant la continuité du passage du courant électrique des électrodes vers l'extérieur desdits générateurs, lesdites électrodes étant reliées auxdites connexions et lesdites connexions étant reliées entre elles au moyen d'une liaison de nature mécanique et électrique, caractérisé par le fait que ladite liaison se présente comme une déformation plastique des pièces à relier et qu'elle est située à une35 distance suffisante des bords desdites pièces pour que lesdits bords ne soient pas déformés, ladite déformation plastique consistant en un refoulement de la matière desdites pièces dans des directions parallèles et de même sens qui assure le blocage desdites pièces les unes par rapport aux autres, lesdites pièces participant seules à 5 ladite liaison et étant en contact intime dans toute la zone déformée. On entend par déformation plastique, une déformation dans un domaine se situant au-delà de la limite élastique du matériau. Les pièces à relier sont superposées sur une10 partie de leur surface et la liaison est réalisée dans cette zone de superposition. La liaison doit être située à une distance suffisante des bords de chacune des pièces à assembler car si l'un de ces bords participe à la liaison, sa déformation étant difficilement maîtrisable, elle s'en15 trouvera fragilisée. La déformation des pièces doit être de forme analogue pour chacune d'entre elles afin que la qualité mécanique et électrique de la liaison soit assurée par un contact intime entre toutes les pièces. L'excès de matière refoulé a pour rôle d'interdire tout mouvement20 relatif des pièces et d'assurer la solidité de leur liaison. On obtient de ce fait une liaison indémontable o les pièces se trouvent en butée l'une par rapport à l'autre. Seules participent à la liaison les pièces qui doivent être reliées, cette liaison ne nécessite pas de pièce supplémentaire ni d'apport de matière. Les pièces à relier restent identifiables individuellement dans la liaison. Selon un mode de réalisation, dans un générateur électrochimique la liaison relie lesdites électrodes d'une même polarité à une borne de sortie du courant. Selon un autre mode de réalisation, dans un générateur électrochimique la liaison relie lesdites électrodes d'une même polarité à une connexion liée à une borne de sortie du courant. Selon encore un mode de réalisation, dans une batteries la liaison relie dans un premier accumulateur lesdites électrodes d'une même polarité auxdites connexions, dans un deuxième accumulateur lesdites connexions aux électrodes de 'polarité opposée, et lesdites connexions du premier accumulateur auxdites connexions du deuxième accumulateur. C'est le cas en particulier d'une batterie5 d'accumulateurs monobloc o chaque accumulateur est logé dans une alvéole du conteneur de la batterie. Les accumulateurs sont reliés électriquement à l'accumulateur contigu à l'aide de connexions traversant la paroi commune. Selon une variante de réalisation, une contre-pièce au moins est superposée auxdites pièces. La contre-pièce peut être indépendante ou solidaire de l'une des pièces à assembler. L'utilisation d'une ou plusieurs contre-pièces est plus particulièrement indiquée dans le cas o les pièces à assembler ont une tenue mécanique insuffisante en regard des autres pièces (tôles très minces par exemple). Le procédé de réalisation du système de raccordement selon la présente invention permet d'obtenir une liaison à température ambiante au cours d'une opération unique, les pièces à relier étant mises en contact et placées entre un20 poinçon et une matrice au droit de leur zone de contact. Cette opération consiste à exercer une pression par l'intermédiaire dudit poinçon de manière à déformer et à refouler la matière desdites pièces. La présente invention a pour avantages de permettre la réalisation d'assemblage à partir de pièces fabriquées par des procédés peu précis, donc moins coûteux que ceux utilisés dans l'art antérieur, comme par exemple par emboutissage ou formage. Le positionnement relatif des pièces n'est pas critique et peut être obtenu par simple30 butée. Il est possible d'utiliser des pièces d'épaisseurs différentes et/ou constituées de matériaux différents (acier et cuivre par exemple). Pour une bonne qualité de la liaison il est néanmoins souhaitable de ne pas assembler des pièces dont l'épaisseur totale dépasse 6mm. On peut travailler à35 l'intérieur du conteneur de l'accumulateur car il n'existe aucun risque de projection. Enfin le contrôle de l'assemblage réalisé s'effectue immédiatement. Le système de raccordement selon la présente invention s'applique en particulier à une batterie d'accumulateurs nickel-cadmium de type monobloc utilisée pour la traction (chemin de fer ou automobile) et le secours (éclairage). Le concept monobloc permet un gain important en énergie volumique et massique particulièrement avantageux dans le cas d'un véhicule électrique. L'emploi de ce système de10 raccordement permet d'améliorer encore les caractéristiques du produit en termes de coût et de fiabilité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante et des exemples de modes de réalisation, donnés bien entendu15 à titre illustratif mais nullement limitatif, et dans le dessin annexé dans lequel: - la figure 1 montre une électrode d'accumulateur prismatique de type nickel-cadmium munie de sa tête de plaque,20 - la figure 2 représente en vue de dessus une batterie d'accumulateurs monobloc avant la réalisation des liaisons, - la figure 3 représente en vue perspective une borne de sortie du courant et une contre-pièce indépendante, - la figure 4 représente en vue perspective une borne de sortie du courant portant une contre-pièce solidaire du pied de borne, - la figure 5 représente en coupe partielle un système de raccordement électrique selon la présente invention au niveau de la liaison entre des électrodes et une borne de30 sortie du courant analogue à celle de la figure 3, - la figure 6 représente en vue perspective une connexion inter-éléments et une contre-pièce indépendante, - la figure 7 représente en vue perspective une connexion inter-éléments portant une contre-pièce qui lui est solidaire, la figure 8 représente une coupe selon la direction VIII-VIII de la figure 7 une liaison réalisée entre des électrodes et la connexion inter-éléments de la figure 7, - la figure 9 représente en coupe la partie IX de la figure 2 une fois réalisée la liaison entre deux connexions inter-éléments analogues à celle de la figure 7. La figure 1 représente un exemple d'électrode 1 utilisée dans les accumulateurs prismatiques rectangulaires au nickel- cadmium. L'électrode comporte une tête de plaque 210 qui n'a pas été recouverte de matière active 3. La tête de plaque 2 est constituée d'un feuillard d'acier nickelé d'épaisseur 0,lmm. L'épaisseur de la tête de plaque peut varier habituellement de 0,lmm à lmm selon les applications. Les têtes de plaques 2 permettent de relier directement les15 électrodes 1 d'une même polarité à la borne de sortie de courant correspondante, éventuellement par l'intermédiaire d'une pièce de connexion. Dans une batterie monobloc o sont assemblés plusieurs accumulateurs, les électrodes d'une même polarité de chaque accumulateur sont reliées aux électrodes de polarité inverse de l'accumulateur contigu par l'intermédiaire d'une connexion inter- éléments qui traverse la paroi commune aux deux accumulateurs. Une telle batterie avant la réalisation des liaisons est représentée sur la figure 2. On peut voir25 la batterie monobloc 21 composée d'accumulateurs 22 placés dans des compartiments délimités par des parois 23 et recouverts par un couvercle commun 24. Les têtes de plaques 25 des électrodes positives de chacun des accumulateurs 22 sont respectivement reliées aux têtes de30 plaques 27 des électrodes négatives de l'accumulateur adjacent. Les têtes de plaques positives 25 sont groupées et fixées à une connexion 29; de même pour les têtes de plaques négatives 27 fixées à une connexion 30. Les connexions 29 et 30 sont en contact l'une avec l'autre à travers un orifice ménagé dans la paroi 23 commune à deux compartiments. L'étanchéité entre les compartiments est assurée par des joints toriques 31. Les têtes de plaques 25 ou 27 des électrodes des accumulateurs 22 situés aux extrémités de la batterie 21 sont reliées électriquement aux bornes de sortie de courant respectivement positive 32 et négatives 33, le 5 plus souvent de forme analogue. Une borne de sortie de courant 30 est représentée sur la figure 3. Elle comporte une partie filetée 31 pour le raccordement électrique de la batterie, une base 32 permettant sa fixation sur le couvercle 24 de la10 batterie 21, et un pied de borne 33. Une contre-pièce 34 indépendante peut lui être associée. Une borne de sortie de courant 40 portant une contre-pièce 41 solidaire du pied de borne 42 est représentée sur la figure 4. Elle comporte une partie15 filetée 43 et une base 44. Le pied de borne 42 et sa contre-pièce 41 enserrent la tête de plaque 45 de l'électrode. La borne 40 et sa contre-pièce 41 peuvent être fabriquées d'une seule pièce, par exemple par matriçage. On peut voir en coupe sur la figure 5 la liaison entre les têtes de plaque 50 de quatre électrodes d'un générateur électrochimique et le pied 51 d'une borne 52 de sortie de courant analogue à celle représentée sur la figure 3 Cette liaison permet d'assurer la continuité électrique de l'intérieur vers l'extérieur du générateur électrochimique.25 La figure 5 illustre le cas o les têtes de plaques 50 se trouve placées à l'extérieur de la liaison, mais elles pourraient tout aussi bien se situer sur la partie interne de celle-ci. La liaison entre les électrodes et le pied de la borne peut par exemple être réalisé par un procédé consistant à écraser une partie de la zone de superposition des têtes de plaques 50 et du pied 51 de la borne entre un poinçon et une matrice, et à provoquer par pressage un refoulement de la matière des pièces à relier. La matière refoulée forme un35 bourrelet 53 qui rend solidaire les pièces 50 et 51 Ce procédé a l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre à froid ce qui éviter la détérioration éventuelle des composants voisins de la liaison. A titre d'exemple une telle liaison entre les têtes de plaques en acier nickelé de seize électrodes et un pied de borne en cuivre nickelé a été réalisée à l'aide d'un poinçon de diamètre extérieur 6mm et d'une matrice de diamètre intérieur 10mm. L'épaisseur du pied de borne est de 1,5mm et celle de chacune des têtes de plaques est de 0,lmm. L'opération a été effectuée sous une pression de 8 tonnes10 1 tonne appliquée brièvement. Sur une coupe on observe que les têtes de plaques et le pied de borne sont parfaitement discernables (on observe les plans de joint) et en contact intime dans toute la zone ayant subie la déformation. Une mesure de tension a été effectuée sous 200A entre les têtes15 de plaques et la borne. Si on effectue deux points de liaison entre ces pièces la tension mesurée est du même ordre de grandeur (30 à 35mV) que celle obtenue avec les systèmes d'assemblage classique comme le soudage. Afin d'obtenir une liaison plus solide on peut utiliser une contre-pièce d'acier nickelé ou de cuivre nickelé, comme représentée sur les figures 3 ou 4, qui se superpose aux pièces à relier. Les têtes de plaques se placeront alors de préférence entre la contre-pièce et le pied de la borne de sortie du courant.25 Pour éviter les problèmes de rotation des pièces l'une par rapport à l'autre dans le cas d'une liaison de symétrie cylindrique, on peut réaliser deux liaisons à proximité l'une de l'autre. Ces liaisons seront placées côte à côte et réalisés ou non dans le même sens.30 La figure 6 représente une vue en perspective d'une connexion inter-éléments 60 réalisée en tôle de cuivre ou d'acier nickelé. Elle comporte une partie plane 61 destinée à être reliée aux têtes de plaque des électrodes et une partie proéminente 62 destinée à être reliée à une autre connexion inter-éléments. La connexion 60 comporte en outre une barrette 63 permettant son positionnement correct dans parois. Une contre-pièce 64 peut être rapportée indépendamment de la connexion 60. A titre d'exemple une telle liaison entre les têtes de plaques en acier nickelé de seize électrodes et une connexion inter-éléments en cuivre nickelé a été réalisée à l'aide d'un poinçon de diamètre extérieur 6mm et d'une matrice de diamètre intérieur 10mm. L'épaisseur de la connexion est de 1,5mm et celle de chacune des têtes de plaques est de 0,lmm. L'opération a été effectuée sous une10 pression de 8 tonnes 1 tonne. Les têtes de plaques et la connexion inter-éléments restent sont parfaitement discernables et en contact intime dans toute la zone ayant subie la déformation. Une contre-pièce 70 liée à la connexion inter-éléments 71 est représentée sur la figure 7. Elle peut être obtenue par emboutissage et pliage. La connexion 71 comporte également une partie plane 72 destinée à être reliée aux têtes de plaque des électrodes et une partie proéminente 73 pour la liaison à une autre connexion. La20 tête de plaque 74 de l'électrode est entre la partie plane 72 et la contre-pièce 70. La figure 8 montre une coupe de la liaison entre la partie plane 72 d'épaisseur 1,5mm de la connexion 71, la contre-pièce 70 de même épaisseur et les têtes de plaque 7425 de deux électrodes. La liaison entre une connnexion inter-éléments et les têtes de plaques de seize électrodes a été réalisée à l'aide d'un poinçon de diamètre extérieur 5mm et d'une matrice de diamètre intérieur 8mm. L'opération a été effectuée sous une pression de 5 tonnes + 1 tonne. Sur une coupe on observe que les têtes de plaques, la partie plane et la contre-pièce sont parfaitement discernables et en contact intime dans toute la zone ayant subie la déformation. La réunion de deux connexions inter-éléments 71 et 90, chacune reliée aux électrodes de polarité différente de deux accumulateurs contigus, est montrée en coupe sur la accumulateurs contigus, est montrée en coupe sur la figure 9. La liaison est située sur les parties planes 72 et 91 respectives des deux connexions 71 et 90 d'épaisseur 1,5mm. La liaison a été réalisée & l'aide d'un poinçon de diamètre extérieur 5mm et d'une matrice de diamètre intérieur 8mm. L'opération a été effectuée sous une pression de 5 tonnes 1 tonne. L'épaisseur finale obtenue au centre de la liaison est de 0,8mm. Sur une coupe on observe que les deux connexions 71 et 90 sont parfaitement discernables et10 en contact intime dans toute la zone ayant subie la déformation. Une mesure de tension a été effectuée sous 200A entre les têtes de plaques des électrodes d'un accumulateur et celle de l'accumulateur contigu, les têtes de plaques étant15 reliées par deux connexions inter- éléments elles-même liées de la même manière. Si on effectue une double liaison de ces pièces entre elles, la tension mesurée est du même ordre de grandeur (16 à 17mV) que celle obtenue avec les systèmes d'assemblage classique comme le soudage associé au20 boulonnage. Le système de raccordement selon la présente invention peut comporter l'une des liaisons décrites et illustrées ci- dessus: liaison électrode-borne de sortie du courant, liaison électrode-connexion inter-éléments, ou liaison entre25 connexions, mais il peut également comporter deux, voire trois de ces liaisons. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à30 l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention appliquer le système de raccordement selon la présente invention à tout type de générateur ou de batterie quelle que soit sa forme géométrique ou le couple35 électrochimique mis en jeu. REVENDICATIONS 1./ Système de raccordement électrique pour des générateurs électrochimiques comportant des électrodes et des connexions assurant la continuité du passage du courant électrique des électrodes vers l'extérieur desdits générateurs, lesdites électrodes étant reliées auxdites connexions et lesdites connexions étant reliées entre elles au moyen d'une liaison de nature mécanique et électrique, caractérisé par le fait que ladite liaison se présente comme une déformation10 plastique des pièces à relier et qu'elle est située à une distance suffisante des bords desdites pièces pour que lesdits bords ne soient pas déformés, ladite déformation plastique consistant en un refoulement de la matière desdites pièces dans des directions parallèles et de même15 sens qui assure le blocage desdites pièces les unes par rapport aux autres, lesdites pièces participant seules à ladite liaison et étant en contact intime dans toute la zone déformée. 2./ Système selon la revendication 1, dans lequel ladite liaison relie lesdites électrodes d'une même polarité à une borne de sortie du courant. 3./ Système selon la revendication 1, dans lequel ladite liaison relie lesdites électrodes d'une même polarité à une connexion liée à une borne de sortie du courant. 4./ Système selon la revendication 1, dans lequel ladite liaison relie dans un premier générateur lesdites électrodes d'une même polarité auxdites connexions, dans un deuxième générateur lesdites connexions aux électrodes de polarité opposée, et lesdites connexions du premier générateur30 auxdites connexions du deuxième générateur. 5./ Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une contre-pièce au moins est superposées auxdites pièces. 6./ Procédé de réalisation du système selon l'une des revendications précédentes, par lequel ladite liaison est réalisée à température ambiante au cours d'une opération unique, les pièces à relier étant mises en contact et5 placées entre un poinçon et une matrice au droit de leur zone de contact, opération qui consiste à exercer une pression par l'intermédiaire dudit poinçon de manière à déformer et à refouler la matière desdites pièces. 7./ Application du système selon l'une des revendications précédente, à une batterie d'accumulateurs nickel-cadmium de type monobloc utilisée pour la traction et le secours.