Brevet FR2718290A1 — publié le 19951006

" Batterie d'accumulateur à plusieurs éléments, étanche aux gaz, comportant un dispositif de protection contre la pression " L'invention concerne une batterie d'accumulateur avec une pluralité d'éléments fermés normalement de façon étanche aux gaz, qui comporte respectivement un dispositif de protection contre la pression réagissant en cas de dé- passement d'une pression interne prédéterminée. Dans des éléments d'accumulateur étanches au gaz il se produit, dans le cas d'une surcharge ou d'une charge par des courants élevés, ainsi qu'également après une in- version de polarité de pressions internes de gaz élevées qui pourraient finalement aboutir à un éclatement de tels éléments. Pour maîtriser les surpressions et les risques qui s'y rattachent, on aménage, dans le cas de petits accu- mulateurs, des points faibles appelés points prévus pour la rupture, tandis qu'on utilise pour des accumulateurs plus grands des soupapes de décharge de pression ou des plaques de rupture. Un domaine d'application préférentiel de l'invention réside dans le cas d'éléments prismatiques nickel/hydrure, notamment dans des modules de batteries qui sont composés de tels éléments et ont été développés entre autres comme source d'entraînement pour des véhicules routiers électriques. Les éléments prismatiques nickel/hydrure ont, par rapport aux éléments ronds, l'avantage d'une meilleure éco- nomie de place, mais laissent toutefois souvent à désirer en ce qui concerne la stabilité de forme nécessaire lors de l'apparition de pressions élevées de gaz dans des condi- tions de fonctionnement extrêmes. Il est dans ce cas parti- culièrement important d'empêcher des déformations du boîtier de l'élément grâce à une purge de gaz en temps utile ou grâce à l'éclatement d'une plaque de rupture. Le gonflement va la plupart du temps de pair avec d'autres perturbations sur l'élément, telles que par exem- ple l'échauffement, l'écart de tension vers le bas en dé- bit, vers le haut lors de la charge, etc..., de sorte que dans le cas d'une détérioration déjà largement avancée, et notamment lorsque les phénomènes mentionnés ci-dessus en service ont été mésestimés avec l'élément continuant à se dessécher, une situation dangereuse est atteinte. L'élément peut alors se remplir d'un mélange gazeux inflammable, s'échauffer du fait d'une quantité d'électrolyte réduite, ou bien un court-circuit peut se produire du fait de la dé- faillance du séparateur, court-circuit qui déclenche un al- lumage avec explosion et détruit ainsi la batterie. En règle générale, cela est empêché par le dispo- sitif mentionné de protection contre la pression, bien que pour ceci il existe également des défauts en ce que par exemple la soupape assure la fermeture à nouveau de l'élé- ment et donc une prolongation de la durée de fonctionne- ment, mais ne délivre pas un signal clair qui indique un endommagement de l'élément. Souvent la résistance à l'écoulement de la sou- pape ouverte est également si grande que la section trans- versale d'ouverture ne suffit pas pour éliminer la surpression. Lors d'une surcharge plus violente avec 10 x à 20 x I5 et une tension non limitée, l'accroissement de pression dans l'élément est si rapide que le gaz produit ne peut plus s'écouler suffisamment vite par la soupape de surpression et qu'on arrive à un éclatement du bac de l'élément. Dans ce cas, s'offre le remplacement de la sou- pape par une plaque de rupture de construction plus simple, plus légère et aussi plus économique. Car tandis que la soupape, même dans le cas d'un fonctionnement correct, n'empêche pas une détérioration insidieuse de l'élément du fait du dégagement du gaz, dans le cas d'une plaque de rup- ture rompue le dommage est si net qu'on est amené à changer l'élément aussitôt que possible. Dans les deux cas, c'est-à-dire lors de l'utili- sation d'une soupape comme également lors de la mise en oeuvre d'une plaque de rupture, il est important qu'une perte de gaz soit indiquée. Par le modèle d'utilité allemand 6751613 on con- naît déjà un dispositif de protection contre la pression accessible au contrôle visuel direct, dans lequel, au- dessus d'une membrane d'éclatement proprement dite qui peut être détruite au moyen d'une aiguille d'éclatement, une membrane visible et en conséquence susceptible de pouvoir être bien observée, protège de l'atmosphère extérieure. Cette membrane visible a cependant une pression d'éclate- ment qui est inférieure à la pression correspondante de la membrane d'éclatement. Si, en conséquence celle-ci est dé- truite, cela a immédiatement pour conséquence également la sollicitation et la destruction de la membrane visible. Une réaction immédiate à cet événement évident suppose la proximité et l'attention constante d'une personne de main- tenance. L'invention a en conséquence pour but d'indiquer une batterie susceptible d'être surveillée d'une façon sim- ple par des dispositifs intégrés de protection contre la pression. Ce but est atteint selon l'invention par une bat- terie d'accumulateur dans laquelle les dispositifs de pro- tection contre la pression éprouvent, lorsqu'ils réagissent, une modification mécanique de forme d'un de leurs composants et sont couplés ensemble à un dispositif de surveillance qui réagit à la modification de forme par des moyens optiques ou électriques. On a trouvé que des modifications mécaniques de forme des dispositifs de protection contre la pression, à l'instant o ils réagissent, par exemple lors du déchire- ment d'une membrane de rupture ou bien lors du déplacement d'un poussoir de soupape, sont tout à fait aptes à mettre fin à un couplage, subsistant jusqu'alors, entre les dispo- sitifs de protection contre la pression et un dispositif de surveillance, tandis que ce dispositif de surveillance in- dique ce découplage par un signal optique ou électrique. De façon particulièrement avantageuse la modifi- cation de forme peut être utilisée pour interrompre une liaison électriquement conductrice ou bien pour dérégler le trajet d'un faisceau lumineux, qui, de façon analogue à un barrage photoélectrique, s'étend le long des dispositifs de protection contre la pression disposés en une rangée. L'in- terruption d'une telle "section de signalisation" déclenche alors dans le dispositif de surveillance un signal électri- que ou optique de dérangement. La réaction des dispositifs de protection contre la pression est également alors signa- lée à l'exploitant de la batterie, lorsque la batterie se trouve hors de vue, par exemple dans un local de batterie fermé. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le dispositif de protection contre la pression est cons- titué par une plaque de rupture se rompant pour une pres- sion interne prédéfinie, et par une tablette de couvercle susceptible de pivoter, qui en se rabattant vers le haut dérègle le trajet d'un faisceau lumineux, - le dispositif de protection contre la pression est cons- titué par un boîtier en forme de cage dans lequel est en- fermée une bille qui, pour une pression interne prédéfinie, est susceptible d'être déplacée, contre la résistance d'une lèvre d'étanchéité, d'une partie de la cage vers une autre partie, se situant sur le trajet d'un faisceau lumineux, o la bille dérègle le trajet de la lumière. - le dispositif de protection contre la pression est cons- titué par une plaque de rupture sur laquelle est rappor- tée une couche de laque électriquement conductrice, dont la destruction lors de la rupture de la plaque sous l'ac- tion d'une pression interne prédéfinie est susceptible d'être détectée par le dispositif de surveillance. - le dispositif de protection contre la pression est cons- titué par une plaque de rupture sur laquelle est rappor- tée une couche de laque électriquement conductrice, dont la destruction lors de la rupture de la plaque sous l'ac- tion d'une pression interne prédéfinie est susceptible d'être détectée par le dispositif de surveillance. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de plusieurs modes de réa- lisation représentés sur les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 montre un clapet de soupape ne se fermant pas à nouveau selon l'invention; - la figure 2 montre une soupape à bille ne se fermant pas à nouveau selon l'invention; - la figure 3 montre une plaque de rupture selon l'invention; - la figure 4 montre une soupape de surpression selon l'invention; - la figure 5 montre une autre soupape de sur- pression selon l'invention; - la figure 6 montre une soupape de surpression en combinaison avec une sécurité par rupture selon l'inven- tion; - la figure 7 montre une autre forme de réalisa- tion du dispositif de protection contre la pression selon la figure 6; et - la figure 8 montre un détecteur d'interruption selon l'invention. Selon la figure 1 l'ouverture d'un couvercle d'élément 2 formé par un tube 1 est hermétiquement fermée par une plaque de rupture 3 qui, au moyen d'un écrou de pression 4 et d'un joint d'étanchéité annulaire 5, est pressée contre un logement 6. Directement sur le bord du tube est placé un couvercle 7 qui a une articulation 8 et qui est fixé dans sa position de fermeture normale au moyen d'un bord d'encliquetage 9. Un faisceau lumineux 10 passe au-dessus du dispositif. Si la plaque de rupture se rompt lorsqu'une pression interne prédéfinie est atteinte, le couvercle pivote immédiatement vers le haut et dérègle le trajet du faisceau lumineux. L'agencement d'une pluralité d'éléments en série sur lesquels s'étend le faisceau lumineux, est particuliè- rement avantageux. Un tel trajet lumineux peut être sur- veillé par un détecteur unique. Le dispositif représenté sur la figure 2 délivre également une indication optique de dérangement. Dans un logement 11 au-dessus de l'ouverture du couvercle d'élément 2, une bille 12 est pressée au moyen d'un ressort 13 contre une lèvre d'étanchéité 14 et est ainsi maintenue en posi- tion de fermeture. Lors du dépassement d'une pression in- terne prédéfinie, la bille dont le diamètre est plus grand que celui de la lèvre d'étanchéité annulaire, est pressée à travers cette lèvre dans une cage 15, tandis qu'un faisceau lumineux 10 traversant la cage 2 subit une interruption. Dans cet état la soupape à bille reste ouverte. Selon la figure 3 une ouverture d'élément dans le couvercle 2 de l'élément est fermée par une plaque de rup- ture 3, avec le support vissable 16 et sa pièce antagoniste 17. La plaque de rupture est de préférence soudée par laser au support et comporte sur sa face supérieure un revêtement muni d'une laque conductrice 18. Des fils conducteurs 19 relient la couche de laque aux plaques de rupture d'élé- ments voisins ou bien au dispositif de surveillance. L'in- terruption de la ligne de conductibilité par rupture d'une plaque, qui se rompt de préférence le long d'une zone de rupture A-A, produit par le dispositif de surveillance un signal électrique qui réclame le remplacement immédiat de l'élément endommagé. Lors de l'utilisation d'une soupape se refermant automatiquement, l'indication est parfois problématique du fait de la modification de forme réduite. Mais comme dans ce cas l'élément peut ne pas être remplacé immédiatement, il suffit d'une indication optique qui à l'occasion de la maintenance de la batterie attire l'attention. La réalisation technique d'une telle indication est possible selon la figure 4 à l'aide d'une laque de sé- curité qui se rompt lors du déplacement du piston de sou- pape. La soupape 20 est dans ce cas maintenue par un logement 21 sur le couvercle d'élément 2. Une fente annulaire s'étendant sur la périphérie entre la tête de soupape 22 et le boîtier de soupape 23 est pontée par une laque de sécurité 24. Une rupture de la zone de scellement de la laque indique que la soupape a fonc- tionné. En variante à la laque de scellement, une mem- brane 25 tendue sur la tête de soupape selon la figure 5 peut assumer la fonction d'indication: si elle se gonfle et se soulève cela indique que du gaz est sorti à travers la soupape. Une autre forme de réalisation avantageuse du dispositif de protection contre la pression selon l'inven- tion peut enfin être constituée par une combinaison de pla- que de rupture et de soupape. Cette combinaison peut être à nouveau reliée aux indications d'état mentionnées. Selon la figure 6 une pièce annulaire 26 en ma- tière synthétique est fixée sur le couvercle 2 d'une cel- lule prismatique nickel/hydrure, par exemple par l'intermédiaire d'un filetage dans la protection contre la torsion 27 placée au-dessous du couvercle. Ce tube porte à son extrémité supérieure la soupape de surpression 20. Il comporte au-dessus de son pied, avec des aplatissements 28 et le logement pour l'anneau d'étanchéité 29, une rainure sur la totalité ou sur une partie de la périphérie, rai- nure qui joue le rôle de zone affaiblie pour permettre une rupture vers le haut lorsqu'une pression limite supérieure est atteinte. Tant que cette pression critique (par exemple 4 bars soit 4.105 Pa) n'est pas atteinte, la soupape de surpression fonctionne pour la pression de travail prédéfi- nie. L'important dans cet agencement est le fonction- nement parallèle de la soupape et du dispositif de rup- ture: tant que seule une faible quantité de gaz peut s'échapper de l'élément, la soupape fonctionne et maintient encore cet élément prêt à fonctionner. Ce n'est que lors- que, du fait d'une action erronée massive ou d'une dé- faillance grave, la pression augmente rapidement de sorte qu'une grande quantité de gaz peut s'échapper de l'élément, que la zone de rupture réagit et libère une section trans- versale importante. Comme une surveillance par indication à distance peut être difficile en raison de la course très faible des soupapes, il est en règle générale plus avantageux que l'annonce directe du fonctionnement défectueux de la batte- rie à l'utilisateur soit déclenchée par la plaque de rup- ture. Pour cette raison l'indication à distance mécanique, électrique ou optique, doit être liée à la position du tube, par exemple en prédéfinissant la direction dans laquelle le tube, y compris la soupape, se déplacent lors- que la zone affaiblie se rompt. Selon la figure 7 la direc- tion dans laquelle la partie du tube s'incline sur le côté, est prédéfinie par une articulation 8. Par exemple un fais- ceau lumineux 10 passant sur tous les éléments s'interrompt alors, ce qui par l'intermédiaire d'un barrage photoélec- trique annonce les dégâts à l'utilisateur. Comme autre exemple d'un dispositif de protection contre la pression selon l'invention, il y a lieu de men- tionner le détecteur d'interruption représenté sur la fi- gure 8. Il comprend, dans un boîtier 32 monté sur le couvercle 2 de l'élément et hermétiquement fermé par rap- port à l'espace interne de l'élément par une membrane 31, un ressort de contact 33 avec un support 34 ainsi qu'un ressort de précontrainte 36 fixé à la vis 35. La référence 37 désigne un trou d'aération. Par les fils conducteurs 19 plusieurs détecteurs d'interruption de ce type peuvent être reliés à un circuit de mesure de résistance. Lors du dépassement d'une valeur de pression critique, qui peut être sélectionnée à l'avance par réglage du ressort de précontrainte, le circuit de me- sure de résistance est interrompu et donc l'appareil de me- sure indique que le fonctionnement de la batterie doit être arrêté. D'une façon particulièrement avantageuse, le dé- tecteur d'interruption décrit ci-dessus peut être réalisé pour une soupape (non représentée). Dans ce cas, le ressort de contact 33 au lieu de reposer sur la membrane 31 qui est supprimée, repose sur la surface d'une tête de soupape du type représenté sur les figures 4 et 5, qui est guidée dans le tube du couvercle 2. Le jeu de déplacement de la tête de soupape lors de fluctuations de pression dans l'élément se transmet alors par ouverture et fermeture du circuit de me- sure. Il R E V E N D I CATIONS 1) Batterie d'accumulateur avec une pluralité d'éléments fermés normalement étanches aux gaz, qui com- porte respectivement un dispositif de protection contre la pression réagissant lors du dépassement d'une pression in- terne prédéterminée, batterie d'accumulateur caractérisée en ce que les dispositifs de protection contre la pression éprouvent, lorsqu'ils réagissent, une modification mécani- que de forme d'un de leurs composants et en ce qu'ils sont couplés ensemble à un dispositif de surveillance qui réagit à la modification de forme par des moyens optiques ou élec- triques. 2) Batterie d'accumulateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les dispositifs de protection contre la pression sont couplés au moyen d'un faisceau lu- mineux ou bien d'une liaison électriquement conductrice, et en ce que, du fait des interruptions provoquées par la mo- dification mécanique de forme dans le dispositif de sur- veillance, un signal de dérangement est susceptible d'être déclenché. 3) Batterie d'accumulateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression est constitué par une plaque de rupture (3) se rompant pour une pression interne prédéfinie, et par une tablette de couvercle (7) susceptible de pivoter, qui en se rabattant vers le haut dérègle le trajet d'un faisceau lu- mineux (10). 4) Batterie d'accumulateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression est constitué par un boîtier en forme de cage (11, 15) dans lequel est enfermée une bille (12) qui, pour une pression interne prédéfinie, est susceptible d'être déplacée, contre la résistance d'une lèvre d'étan- chéité (14), d'une partie (11) de la cage vers une autre partie (15), se situant sur le trajet d'un faisceau lumi- neux (10), o la bille dérègle le trajet de la lumière. ) Batterie d'accumulateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression est constitué par une plaque de rupture (3) sur laquelle est rapportée une couche de laque (18) élec- triquement conductrice, dont la destruction lors de la rup- ture de la plaque sous l'action d'une pression interne prédéfinie est susceptible d'être détectée par le disposi- tif de surveillance. 6) Batterie d'accumulateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression est constitué par une soupape de surpres- sion (20) se refermant automatiquement, et comportant, à l'état d'origine, un scellement par une laque de protection (24), ce scellement se rompant lors du premier déplacement relatif du piston de la soupape par rapport au boîtier de la soupape. 7) Batterie d'accumulateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression est constitué par une soupape de surpres- sion (20) se refermant automatiquement, sur la tête de soupape (22) de laquelle est tendue une membrane (25) qui se gonfle lorsque du gaz sort de la soupape. 8) Batterie d'accumulateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de protection con- tre la pression comprend une pièce en matière synthétique (26) de forme tubulaire, fixée sur le couvercle de la bat- terie et dont la partie supérieure reçoit une soupape de surpression (20), pièce qui comporte au-dessous de celle-ci une gorge périphérique (30) constituant une zone affaiblie de la paroi et qui réagit-pour une pression limite dépas- sant la limite de fonctionnement de la soupape de surpres- sion et libère par sa rupture une grande section transversale. 9) Batterie d'accumulateur selon la revendication 8, caractérisée en ce que la direction d'inclinaison du tronçon de tube se séparant lors de la rupture de la gorge, tronçon contenant la soupape de surpression, est suscepti- ble d'être prédéfinie par une articulation (8), de manière à fermer le chemin d'un faisceau lumineux (10).