Brevet FR2743452A1 — publié le 19970711

Dispositif de sécurité Dour générateur électrochimiaue La présente invention concerne un dispositif de sécurité pour générateur électrochimique destiné à entrer en action lorsqu'il se produit une anomalie dans le fonctionnement du générateur. Les générateurs électrochimiques, notamment les piles, les accumulateurs ou les supercondensateurs, peuvent être associés en batterie par un montage en série ou en parallèle. En cas de dysfonctionnement du générateur électrochimique provoquant une montée en pression, les dispositifs de sécurité connus permettent d'interrompre le passage du courant à la sortie du générateur sans intervention de l'utilisateur. Il s'agit généralement de dispositifs placés à l'intérieur du générateur qui se déforment en cas d'augmentation de la pression et provoquent la rupture mécanique du circuit électrique. Ces dispositifs ont pour inconvénient d'interrompre le fonctionnement de l'accumulateur alors qu'il se trouve dans un état critique. En effet une montée en pression se produit le plus fréquemment lorsque le générateur est chargé, comme par exemple lors de la surcharge d'un accumulateur. Dans cet état, le générateur ne peut être manipulé sans risque, notamment s'il s'avère nécessaire de procéder à son expertise. Lorsque le dysfonctionnement a une autre cause, l'utilisateur ignore l'état de charge dans lequel se trouve le générateur et ne peut donc pas évaluer le risque qu'il présente. A l'extérieur du générateur, on place habituellement des dispositifs permettant d'interrompre le courant, comme des composants fusibles, ou de le limiter à une valeur très faible. Dans ce dernier cas, il s'agit par exemple d'un composant dont la résistance varie de manière réversible avec la température (composant à propriétés PTC : Positive Thermal Coefficient). Cette catégorie de dispositifs présente l'inconvénient de ne fonctionner qu'en cas d'élévation notable de sa propre température, mais ils sont inopérants lorsqu'il se produit une augmentation de pression. En outre les dispositifs connus, en agissant sur un seul générateur, provoquent la rupture du circuit électrique reliant entre eux les éléments d'une batterie. Ainsi la batterie est mise hors d'état de fonctionner par le fait d'un seul élément défectueux. Les utilisateurs de batteries de générateurs électrochimiques ont donc besoin d'un dispositif de sécurité qui leur assure une meilleure sécurité lors d'une élévation de pression interne du générateur électrochimique. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de sécurité destiné à mettre un générateur électrochimique dans un état ne présentant aucun danger pour l'utilisateur. L'invention a aussi pour but, lorsqu'il se produit une anomalie dans le fonctionnement de l'un des éléments d'une batterie, de mettre le générateur électrochimique qui en est la cause dans un état ne présentant aucun danger sans perturber le fonctionnement de la batterie dans les conditions nominales d'utilisation. L'objet de la présente invention est un dispositif de sécurité pour un générateur électrochimique étanche susceptible d'échanger du courant électrique avec une application comportant un conteneur dont une partie est apte à se déformer sous l'effet d'une augmentation de pression interne, ledit conteneur portant une sortie de courant de polarité positive et une sortie de courant de polarité négative, caractérisé par le fait que, sous l'effet de ladite déformation, ledit dispositif est capable de créer une liaison électrique irréversible entre ladite polarité positive et ladite polarité négative par l'intermédiaire d'un limiteur de courant et d'assurer le passage de la majeure partie dudit courant électrique dans ladite liaison. Un générateur électrochimique présente des risques pour l'utilisateur lorsqu'il fonctionne, étant relié à une application, et qu'une anomalie se produit. Par exemple, une élévation de la pression interne d'un accumulateur se produit le plus fréquemment au cours de la charge lors d'une surcharge: l'application est dans ce cas un chargeur. A la différence des dispositifs existants, le dispositif de sécurité selon l'invention n'interrompt pas le passage du courant à la sortie du générateur, mais dévie le courant afin d'isoler le générateur du circuit d'alimentation électrique de l'application. Le circuit de déviation crée ainsi un court-circuit entre les deux sorties de courant du générateur.Le plus fréquemment, ce circuit plus court est notablement moins résistif que l'application de telle sorte que la presque totalité du courant traverse le dispositif au lieu d'aller vers l'application. Dans le cas contraire, le dispositif peut inclure un moyen interdisant le passage du courant vers l'application, moyen qui n'est pas opérationnel en utilisation normale. Le passage d'un courant de court-circuit provoque une élévation importante et rapide de la température. Pour que la mise en court-circuit n'ait pas les conséquences néfastes habituelles, le circuit de déviation comprend un limiteur de courant qui permet de limiter l'échauffement en maintenant le courant à une valeur réduite. Le générateur se décharge ainsi lentement sur lui-même.Lorsqu'il est complètement déchargé, il ne présente plus aucun risque pour l'utilisateur et peut alors être stocké ou manipulé sans précautions particulières. Selon un mode de réalisation avantageux, ledit limiteur possède une résistance électrique variable. De préférence, on utilisera un limiteur dont la résistance augmente sous l'effet d'une élévation de température comme un limiteur comprenant un matériau à propriétés PTC (Positive Thermal Coefficient). L'emploi d'un matériau PTC a pour avantage de permettre au générateur de se décharger sur lui-même à un courant le plus élevé possible sans que la température dépasse la valeur maximale admissible. Lorsque le générateur complètement chargé est brusquement court-circuité, le courant est maintenu à une valeur très faible. Puis lorsqu'on atteint la fin de la décharge, un courant plus élevé est autorisé sans dommages. Le courant est ainsi optimisé pendant toute la décharge. La durée de la décharge, donc la période où subsiste un risque pour l'utilisateur, est ainsi minimisée. Selon une forme d'exécution, l'une au moins desdites sorties est reliée électriquement au circuit d'alimentation de ladite application par l'intermédiaire dudit limiteur de courant. Ainsi, lorque les deux sorties de courant du générateur sont en court-circuit en incluant le limiteur, la majeure partie du courant sortant du limiteur se dirige automatiquement vers le circuit de déviation dont la résistance électrique est inférieure à celle de 1 'application. Selon une autre forme d'exécution, ledit dispositif est relié électriquement de manière permanente à l'une desdites sorties de courant. Lorsqu'il se produit une déformation du conteneur du générateur sous l'effet de la pression, le dispositif est amené au contact de l'autre sortie de courant pour créer un court-circuit entre les deux sorties. Selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention, le dispositif comporte une lame flexible en matériau conducteur qui est reliée électriquement à une première desdites sorties de courant par l'intermédiaire dudit limiteur et qui est séparée de la deuxième desdites sorties de courant par une distance suffisamment faible pour être parcourue irréversiblement par ladite lame sous l'effet de la déformation dudit conteneur afin de se trouver au contact électrique de ladite deuxième sortie. Le dispositif de sécurité selon la présente invention a comme avantage de permettre la poursuite du fonctionnement d'une batterie lorsque l'un des éléments qui la composent est défectueux. Le circuit de déviation du courant sert alors de moyen de fermer le circuit d'alimentation de l'application en en excluant l'élément défecteux. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un générateur électrochimique reliée à une application et muni du dispositif de sécurité selon l'invention, - la figure 2 est un schéma d'une batterie reliée à une application comportant trois éléments, chacun muni du dispositif de sécurité selon l'invention, - la figure 3 représente une vue de dessus d'un générateur électrochimique muni d'une première variante du dispositif de sécurité selon l'invention, - la figure 4 est une coupe verticale longitudinale selon III-III du générateur électrochimique de la figure 3, - la figure 5 représente une coupe verticale longitudinale d'un générateur électrochimique muni d'une deuxième variante du dispositif de sécurité selon 1 'invention, - la figure 6 est une variante de réalisation du dispositif de la figure 5. Un générateur électrochimique 1 muni du dispositif de sécurité 2 selon l'invention et relié à une application 3 est représenté sur la figure 1. L'application 3, par exemple un chargeur, est reliée aux bornes positive 4 et négative 5 de sortie de courant du générateur 1. Dans la portion de circuit 6 reliant l'une des bornes 5 de sortie du courant au dispositif 2 est disposé un moyen 7 destiné à limiter l'intensité du courant en cas de surchauffe dans le circuit dû au passage d'un courant trop élevé. Lorsqu'un dysfonctionnement ou une surcharge provoque une élévation de la pression interne, celle-ci active le dispositif de sécurité 2. Les bornes 4 et 5 de sortie de courant sont ainsi mises en court-circuit et le générateur 1 n'est plus alimenté par le chargeur 3. Le courant de court-circuit qui tend à augmenter rapidement en est empêché par le limiteur de courant 7 qui laisse subsister un faible courant de fuite. Le courant réduit qui circule entre le limiteur 7 et la borne négative 5 du générateur 1 d'une part et la borne de sortie positive 4 du générateur 1 d'autre part, traverse le dispositif 2 car ce trajet est moins résistif que celui reliant le générateur 1 à l'application 3. Le générateur 1 se décharge alors lentement. Une fois déchargé il peut être manipulé sans risque. Une batterie 10 est composée de trois générateurs électrochimiques 11, 11' et lin, chacun étant muni d'un dispositif de sécurité 12 selon l'invention. La batterie 10 est reliée à une application 13, comme représenté sur la figure 2. L'application 13 est connectée aux bornes positive 14 et négative 15 de sortie de courant de la batterie. Les éléments 11, 11' et 11" sont assemblés en série par les portions de circuit 16, 16' respectivement entre leur borne positive 14', 14" et la borne négative 15', 15" du générateur adjacent. Un limiteur de courant 17 est placé dans le circuit de chaque générateur entre l'une des bornes de sortie du courant et le dispositif de sécurité 12. Par exemple, lorsqu'une montée en pression se produit à l'intérieur du générateur 11, le dispositif de sécurité 12 entre en action pour relier électriquement la borne positive 14" et la borne négative 15' du même élément par l'intermédiaire du limiteur 17. La batterie a ainsi perdu de manière définitive l'un de ses éléments. Mais une fois l'élément 11 déchargé, le passage du courant électrique n'est pas interrompu entre les générateurs 11' et 11" grâce au dispositif de sécurité 12 de l'élément 11 qui met en relation les portions de circuit électrique 16 et 16'. La batterie 10, qui ne comporte plus que deux éléments opérationnels 11' et 11", peut néanmoins continuer à assurer sans danger l'alimentation de l'application 13. Les figures 3 et 4 montre une première variante d'un dispositif de sécurité selon la présente invention pour un générateur électrochimique 20 rechargeable de forme prismatique comportant un bac 21 et un couvercle 22 reliés à la polarité négative du générateur. Le couvercle 22 porte la borne positive 23 de sortie du courant. Le dispositif de sécurité est constitué d'une lame 24 placée sur le couvercle 22. La lame 24 est en matériau conducteur et ses dimensions sont d'environ 40mm de longueur, smm de largeur et 0,8mm d'épaisseur. Une première extrémité 25 de la lame 24 est reliée au pôle négatif du générateur par l'intermédiaire d'un composant PTC 26, et constitue ainsi la borne négative de sortie du courant pour l'utilisateur.La partie centrale 27 de la lame 24 repose sur la partie centrale du couvercle 22 dont elle est isolée électriquement par une couche 28 de matériau isolant. La partie centrale du couvercle 22 porte l'orifice 29 de remplissage en électrolyte du générateur 20. Cet orifice, après l'opération de remplissage est hermétiquement fermé par une bille 30 soudée. La deuxième extrémité 31 de la lame 24 est placée à proximité de la borne positive 23 sans être en contact électrique avec elle. Un trou circulaire 32 de 3mm de diamètre est ménagé dans l'extrémité 31 de la lame 24. La borne 23 est introduite dans le trou 32 et elle est électriquement isolée des bord du trou 32 par un joint isolant 33. L'extrémité 31 repose sur la pièce 34 qui isole électriquement la borne 23 du couvercle 22.Une pièce isolante élastique 37 entourant la borne 23 et placée par-dessus la lame 24 au niveau du trou 32, maintient en place la lame 24 lorsque le dispositif de sécurité n'est pas activé. La borne 23 est surmontée d'une pièce conductrice 35 avec laquelle la borne 23 est en contact électrique. La pièce 35 est distante d'une faible longueur x de la lame 24. Le couvercle 22 porte également un opercule de sécurité 36 susceptible de s'ouvrir sous l'effet d'une surpression de grande amplitude survenant brusquement, évitant l'explosion du générateur. Les dispositifs de sécurité ont pour rôle d'intervenir avant que les conditions pour l'ouverture de l'opercule soient réunies. Lorqu'il se produit une élévation de la pression interne, la partie centrale du couvercle 22 subit la déformation de plus forte amplitude et donc exerce la force la plus importante sur la partie centrale 27 de la lame 24 provoquant son soulèvement. L'extrémité 31 de la lame 24 se trouve à son tour soulevée et exerce une pression sur la pièce élastique 37. Si la surpression interne est suffisamment importante pour amener l'extrémité 31 de la lame 24 à parcourir une distance égale à la longueur X, le contact électrique s'établit entre la borne positive 23 et la lame 24 de polarité négative, par l'intermédiaire de la pièce conductrice 35, et met ainsi le générateur 20 en court-circuit. Le fort courant de court-circuit qui aurait tendance à s'installer en est empêché par le composant PTC 26 qu'il doit traverser. La résistance importante atteinte par le composant PTC 26 sous l'effet de la température maintient le courant à une faible valeur permettant au générateur 20 de se décharger lentement. A titre d'exemple, on réalise un générateur électrochimique analogue à celui représenté sur les figures 3 et 4 comportant le dispositif de sécurité selon la présente invention. Ce générateur est soumis à un régime de charge I permettant d'effectuer la charge en une heure. Dans des conditions normales, la tension de ce générateur est inférieure à 4 Volts, sa pression interne est inférieure à 3 bars et sa température ne dépasse pas 60'C. Si la tension atteint 5 Volts et la pression 7 bars, la température étant de l'ordre de 60'C, le couvercle se déformera et, en agissant sur la lame 24, provoque la mise en contact électrique des sorties de courant positive et négative par l'intermédiaire du composant PTC 26.Le courant résiduel que laisse passer le composant 26 vaut 0,6A, soit environ I/7, régime suffisamment lent pour limiter l'échauffement. Ce courant correspond au rapport de la puissance nécessaire au maintien de l'état limitant du PTC et de la tension du générateur, soit 3 Watts / 5 Volts. Le générateur se décharge jusqu'à une tension de OV et peut ensuite être manipulé puisque l'opercule ne s'est pas ouvert. La figure 5 montre une deuxième variante d'un dispositif de sécurité selon la présente invention pour un générateur électrochimique 50 rechargeable de forme prismatique comportant un bac 51 et un couvercle 52 reliés à la polarité négative du générateur. Au centre du couvercle 52 est placée la borne 53 de sortie du courant de polarité positive isolée du couvercle par une pièce 54. Un opercule de sécurité 55 situé sur le couvercle 52 est susceptible de s'ouvrir sous l'effet d'une surpression brutale. Le couvercle 52 porte également un orifice 56 de remplissage en électrolyte du générateur 50. Cet orifice, après l'opération de remplissage est hermétiquement fermé par une bille soudée 57. Sur le couvercle est placée une cale 58 en matériau isolant dans laquelle une ouverture 59 permet à l'utilisateur de se raccorder à la polarité négative du générateur constituée par le couvercle 52.La cale est maintenue à sa place par une gaine isolante 60 qui entoure le générateur. Le dispositif de sécurité est constitué d'une lame 61 supportée par la cale 58. La lame 61 est en matériau conducteur et ses dimensions sont d'environ 23mm de longueur, 12mm de largeur et 0,lmm d'épaisseur. L'une des extrémités 64 de la lame 61 est engagée dans une ouverture 65 pratiquée dans la cale 58 et l'autre extrémité 66 est fixée sur la cale 58; la lame 61 est ainsi maintenue en place. La partie centrale 62 de la lame 61 porte une pointe 63 distante d'une faible longueur x de l'opercule de sécurité 55 mais sans être en contact avec lui. L'extrémité 66 de la lame 61 est électriquement reliée au pôle positif du générateur 50 par l'intermédiaire d'un fusible 67 et d'un composant PTC 68 montés en parallèle, et constitue ainsi la borne positive de sortie du courant pour l'utilisateur.En fonctionnement normale la circulation du courant se fait par le fusible, le composant PTC ayant une résistance plus élevée et n'acceptant pas de courant supérieur à 200mA. L'ensemble des deux composants PTC et fusible peut être disposé dans le circuit électrique indépendamment du générateur. Préférentiellement cet ensemble est placé sur la lame 61 à laquelle il est électriquement raccordé au moyen des connexions 70 et 71 assurant la mise en parallèle des deux composants. La connexion 71 est en outre électriquement reliée à la borne 53. Cette variante, représentée sur la figure 6, a l'avantage de permettre un gain volumique et une plus grande compacité, notamment pour l'assemblage en batterie des générateurs. Lorqu'il se produit une élévation de la pression interne, la courbure de l'opercule de sécurité 55 s'inverse: de concave, il devient convexe. Si la surpression interne est suffisamment importante pour amener la partie centrale de l'opercule 55 à parcourir une distance égale à la longueur X, le contact électrique s'établit entre l'opercule 55 de polarité négative et la pointe 62 portée par la lame 61 de polarité positive. Ainsi le générateur 50 est mis en court-circuit. Le court-circuit provoque la fusion du fusible 67. Puis le fort courant de court-circuit qui pourrait s'installer en est empêché par le composant PTC 68 qu'il doit traverser. La résistance importante atteinte par le composant PTC 68 sous l'effet de la température maintient le courant à une faible valeur permettant au générateur 50 de se décharger lentement. A titre d'exemple, on réalise un générateur électrochimique analogue à celui représenté sur la figure 5 comportant le dispositif de sécurité selon la présente invention. Ce générateur est soumis à un régime de charge I permettant d'effectuer la charge en une heure. Dans des conditions normales, la tension de ce générateur est inférieure à 4 Volts, sa pression interne est inférieure à 3 bars et sa température ne dépasse pas 60'C. Si la tension atteint 5 Volts et la pression 7 bars, la température étant de l'ordre de 60'C, l'opercule 55 se déformera et provoquera la mise en contact électrique des sorties de courant positive et négative par l'intermédiaire du composant PTC 68. Le courant résiduel que laisse passer le composant PTC 68 vaut 55mA, soit environ I/70, régime suffisamment lent pour limiter l'échauffement. Le générateur se décharge jusqu'à une tension de OV et peut ensuite être manipulé puisque l'opercule ne s'est pas ouvert. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à 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 remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1./ Dispositif de sécurité pour un générateur électrochimique étanche susceptible d'échanger du courant électrique avec une application comportant un conteneur dont une partie est apte à se déformer sous l'effet d'une augmentation de pression interne, ledit conteneur portant une sortie de courant de polarité positive et une sortie de courant de polarité négative, caractérisé par le fait que, sous l'effet de ladite déformation, ledit dispositif est capable de créer une liaison électrique irréversible entre ladite polarité positive et ladite polarité négative par l'intermédiaire d'un limiteur de courant et d'assurer le passage de la majeure partie dudit courant électrique dans ladite liaison. 2./ Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit limiteur possède une résistance électrique variable. 3./ Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite résistance augmente sous l'effet d'une élévation de température. 4./ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'une au moins desdites sorties est reliée électriquement au circuit d'alimentation de ladite application par l'intermédiaire dudit limiteur de courant. 5./ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est relié électriquement de manière permanente à l'une seulement desdites sorties de courant. 6./ Dispositif selon la revendication 5, comportant une lame flexible en matériau conducteur qui est reliée électriquement à une première desdites sorties de courant par l'intermédiaire dudit limiteur et qui est séparée de la deuxième desdites sorties de courant par une distance suffisamment faible pour être parcourue irréversiblement par ladite lame sous l'effet de la déformation dudit conteneur afin de se trouver au contact électrique de ladite deuxième sortie.