Brevet FR2768558A1 — publié le 19990319

Batterie monobloc munie d'un dispositif de gestion thermique La présente invention concerne une batterie monobloc munie d'un dispositif de gestion de la température. Dans un concept de type monobloc, les éléments d'accumulateurs sont contenus dans les alvéoles d'un seul conteneur, généralement en matière plastique et de forme prismatique. Chaque élément est un faisceau électrochimique constitué par l'assemblage alternatif d'électrodes positives et négatives séparées les unes des autres par un séparateur. Une batterie monobloc comprenant un boîtier en matière plastique, munie d'un dispositif de refroidissement par un fluide en circulation est décrite dans la demande de brevet européen EP-O 596 778. Le dispositif de refroidissement comporte deux flasques soudés de manière étanche respectivement à deux parois opposées du boîtier, chacun des flasques définissant avec la paroi correspondante un compartiment de circulation présentant à sa partie supérieure un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour le fluide. Un tel dispositif nécessite deux raccordements par compartiment de circulation, l'un pour l'entrée l'autre pour la sortie du fluide. Dans le cas o plusieurs monoblocs sont associés, ces raccordements présentent des cheminements complexes et encombrants (intersection, longueur du raccord,...), et leur nombre diminue la fiabilité de l'étanchéité de l'ensemble du système de refroidissement. Un autre système de gestion thermique est décrit dans la demande de brevet européen EP-O 624 916. Les compartiments de circulation du liquide sont placés dans les cloisons de séparation des alvéoles du bac et reliés à une entrée et une sortie commune par des rampes longitudinales aménagées dans un couvercle rapporté. Ces rampes sont constituées par des canaux formés de plusieurs pièces jointives et chaque compartiment est individuellement relié à la rampe. Le nombre des raccordements prévu rend l'étanchéité de ce dispositif peu fiable. En outre la disposition des compartiments de circulation de liquide et la présence de deux rampes longitudinales conduisent à une augmentation notable du volume de la batterie et un encombrement de la surface disponible sur le couvercle. Pour compenser l'encombrement du système de refroidissement, le couvercle ne porte que deux bornes électriques nécessaires au raccordement à un circuit extérieur. Une telle disposition implique l'utilisation d'un dispositif de liaison électrique interne devant traverser d'une façon étanche la cloison de séparation de deux alvéoles contigues. Ces dispositifs ne sont pas suffisamment fiables électriquement et mécaniquement dans le cas d'une batterie étanche à électrolyte alcalin pour permettre sont utilisation dans un véhicule électrique. La présente invention a pour but de proposer une batterie monobloc munie d'un dispositif de gestion thermique dont l'encombrement est réduit et la fiabilité accrue. L'objet de la présente invention est une batterie monobloc étanche possédant un boîtier prismatique comprenant: - un bac constitué d'une pièce unique en matière plastique comportant deux parois latérales, deux parois longitudinales, une paroi transversale, et au moins une cloison verticale perpendiculaire auxdites parois longitudinales divisant ledit bac en alvéoles destinées à recevoir un faisceau électrochimique, - un moyen de fermeture dudit bac qui est une pièce fixée de manière étanche audit bac et auxdites cloisons du côté opposé à ladite paroi transversale, - deux flasques fixés de manière étanche sur chacune desdites parois longitudinales définissant avec ladite paroi un compartiment de circulation pour un fluide caloporteur, - deux tubulures situées sur ladite paroi transversale dudit bac et communiquant par des passages incorporés dans ladite paroi transversale, formant une entrée et une sortie pour ledit fluide communes auxdits compartiments, 2 5 - deux orifices par alvéole, débouchant à l'intérieur du boîtier, placés cote à côte sur ladite paroi transversale et regroupés dans une bande centrale parallèle auxdites parois longitudinales, destinés à recevoir des bornes électriques de sortie de courant, - un orifice débouchant par alvéole placé sur ladite paroi transversale selon une bande latérale parallèle à ladite bande centrale du coté opposé à ladite entrée et ladite 3 0 sortie de fluide, destiné à recevoir une soupape de sécurité pour l'échappement des gaz en cas de surpression. Le bac de la batterie selon l'invention est réalisé d'une seule pièce par moulage, y compris les cloisons séparant les alvéoles. Chaque paroi longitudinale porte un compartiment indépendant délimité par des flasques dans lequel circule un fluide. Les compartiments sont raccordés au niveau de l'entrée et de la sortie du fluide, la circulation du fluide dans chaque compartiment restant autonome. Le raccordement entre les compartiments d'un même monobloc est aménagé dans l'épaisseur de la paroi transversale, par exemple sous forme d'un tube creux. Cette disposition confère à la batterie monobloc selon la présente invention les principaux avantages suivants: l'absence de raccordements supprime totalement les risques de fuite du fluide caloporteur, et l'encombrement du dispositif est réduit. La batterie monobloc comporte une borne de polarité positive et une borne de polarité négative par alvéole recevant un élément d'accumulateur. Cela qui évite d'utiliser pour le raccordement électrique un dispositif interne nécessitant la traversée étanche de la cloison. Ainsi la batterie électriquement est rendue plus fiable en supprimant notamment les courants de fuite entre deux faisceaux électrochimiques contenus dans des alvéoles adjacentes. La disposition des bornes par couple formant une bande permet de minimiser la longueur des connexions nécessaires au raccordement électrique des éléments entre eux. Après l'introduction des faisceaux électrochimiques dans chacune des alvéoles et la mise en place dans les orifices qui leur sont destinés des bornes préalablement connectées au faisceau, le boîtier est fermé par une pièce qui constitue alors le fond de la batterie monobloc. La pièce de fermeture est fixée non seulement aux parois latérales et longitudinales du bac mais aussi à chaque cloison. De cette manière chaque alvéole est fermée de manière étanche. La pièce peut être fixée par exemple par collage ou 2 5 soudure. Chaque alvéole est munie d'une soupape de sécurité. Les soupapes sont mises en place après fixation de la pièce de fermeture et remplissage en électrolyte de chaque alvéole. Le remplissage s'effectue par les orifices destinés à accueillir les soupapes et avant la mise en place de celles-ci. 3 0 Selon une variante, ladite paroi transversale porte en outre au moins une cavité non débouchante destinée à recevoir un moyen de mesure de la température, ladite cavité étant située entre deux orifices destinés auxdites soupapes. Cette cavité ne doit pas déboucher dans une alvéole afin de préserver l'étanchéité de la batterie. Selon une autre variante, ladite paroi transversale porte en outre un logement non débouchant situé entre lesdites tubulures. Ce logement est destiné par exemple à contenir des connecteurs électriques pour le raccordement de la batterie vers un circuit extérieur, ou bien encore des composants électroniques de contrôle et de gestion de la batterie monobloc. Ces composants électroniques sont par exemple ceux décrit dans la demande de brevet européen EP-0 623 828. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, toutes les parties dudit boîtier (bac, flasques et fond) sont en matière plastique, et de préférence constituées du même matériau. On utilise par exemple un matériau thermoplastique comme le polyamide 6 (PA6), le polyamide 11 (PA11), le polyamide 12 (PA12), I'oxyde de polypropylène (PPO), la polysulfone (PSU), le polyéthersulfone (PES), le copolymère styrène/acrylonitrile (SAN), le terpolymère acrylonitrile/butadiène/styrène (ABS), le polypropylène (PP), un copolymère des précédents ou un alliage de polymères comme par exemple celui décrit dans la demande de brevet européen EP-0 736 916. L'industrialisation est facilitée par le choix de l'assemblage des pièces par soudure: soudure infrarouge, soudure par miroir chauffant (encore appelée thermosoudure), soudure par vibrations ou soudure par ultrasons si les matériaux s'y prêtent. Dans certains cas, cet assemblage peut également être obtenu par collage. 2 0 Les couples d'orifices destinés aux bomrnes électriques sont alignés pour former une bande placée au centre de la pièce transversale. Selon encore un mode particulier de réalisation de l'invention, la largeur de ladite bande centrale est de l'ordre de la moitié de la largeur de ladite paroi transversale. Les orifices destinés aux soupapes, et éventuellement la cavité non debouchante, sont alignés le long de la bande centrale sur I'un des cotés de la pièce transversale. Du côté opposé se trouve les tubulures encadrant éventuellement un logement. La longueur de la paroi transversale dépend du nombre d'éléments d'accumulateur, donc d'alvéoles, que comporte la batterie monobloc. La largeur de ladite paroi transversale est au moins égale à 70mm et au plus égale à 180mm. Pour une largeur inférieure de la paroi transversale, le volume occupé par les compartiments de circulation du fluide est trop pénalisant vis à vis de l'énergie massique de la batterie monobloc. Lorsque la largeur de la paroi transversale est supérieure, les compartiments de circulation se trouvent trop éloignés l'un de l'autre pour que le transfert de calories soit suffisamment efficace au centre des alvéoles. De préférence le volume enveloppe de ladite paroi transversale a une hauteur au plus égale à 40mm, de préférence encore inférieure à 30mm. L'encombrement global de la batterie monobloc selon la présente invention est donc très réduit par rapport aux batteries de l'art antérieur. De plus le montage de la batterie est optimisé par le choix de la position des entrées/sorties du fluide caloporteur. Selon un perfectionnement de l'invention, un capot, fixé de manière étanche sur ladite paroi transversale, recouvre lesdites bornes à l'exception de deux bomrnes de polarité opposées destinées à être reliées à des connexions externes. Avantageusement ledit capot est soudé de manière étanche autour de chaque couple de bornes de polarité opposée appartenant chacune à deux alvéoles différentes et reliées électriquement, ce qui permet de réduire le risque de fuite gazeuse. Le raccordement électrique des circuits de mesure des paramètres (température, tension, pression, etc...) de la batterie monobloc, soit à un circuit externe, soit à un autre monobloc voisin peut nécessiter le parcours de fils d'un coté à l'autre de la pièce transversale. Selon une variante, ledit capot porte des moyens pour maintenir en place des fils longitudinaux, lesdits moyens étant constitués par des pattes latérales dépassant dudit capot parallèlement à ladite paroi transversale. Selon une autre variante, ledit capot porte des moyens pour guider des fils transversaux constitués par des gouttières transversales ménagées à la surface du capot. Selon un autre perfectionnement de l'invention, ledit moyen de fermeture est une pièce en matière plastique de forme générale plane dont chaque portion de surface délimitée par la périphérie d'une alvéole présentent une concavité tournée vers l'extérieur de ladite batterie. Chaque alvéole d'une batterie étanche peut atteindre en fonctionnement une pression d'au moins 1 bar par rapport à la pression extérieure, la soupape ayant une pression de déclenchement généralement comprise entre 1 et 3 bars. Cette pression exerce notamment sur le fond du boîtier une force qui tend à le déformer. Afin que la déformation ne s'étende pas à l'extérieur du volume enveloppe de la batterie, on donne à la surface fermant chaque alvéole un profil destiné à compenser cette déformation. Selon encore un autre perfectionnement de l'invention, la batterie monobloc est maintenue par un châssis composé de deux plaques reliées par des tirants, les plaques étant placées au contact desdites parois latérales. Le châssis et les tirants sont habituellement métalliques. Le châssis confère une meilleure tenue mécanique au monobloc. Il peut également servir à assembler plusieurs monoblocs. De préférence lesdites plaques présente une concavité tournée vers l'extérieur de ladite batterie. Et de préférence encore lesdites parois latérales présentent une concavité tournée vers l'extérieur qui épouse la forme desdites plaques. La batterie monobloc selon la présente invention est notamment utilisée pour le démarrage et la traction de véhicules (chemin de fer, véhicule routier tel qu'une automobile ou un deux-roues, etc...) et le secours (éclairage, chemin de fer). Le concept monobloc permet un gain important en énergie volumique et massique particulièrement avantageux dans le cas d'un véhicule électrique. Il peut s'agir notamment d'une batterie d'accumulateurs au plomb, au nickel ou au lithium. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexe sur lequel: - la figure 1 représente une vue de dessous en perspective du boîtier d'une batterie monobloc selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus schématique du boîtier d'une batterie monobloc selon l'invention, - la figure 3 est une coupe schématique 111-111 de la batterie de la figure 2, - la figure 4 est analogue à la figure 2 pour une batterie monobloc selon l'invention, - la figure 5 représente une variante de la pièce de fermeture. La figure 1 représente le boîtier 1 d'une batterie monobloc nickel-métal hydrurable de capacité 120Ah et de tension 7,2V selon la présente invention. Le boîtier 1 prismatique est composé d'un bac 2 en polypropylène et d'un moyen de fermeture 3 constituant un fond. Le bac 2 comporte deux parois latérales 4, deux parois longitudinales 5 et une paroi transversale 6. Il est divisé en six alvéoles 7 par des cloisons 8. Chaque alvéole 7 est destinée à contenir un élément d'accumulateur, c'est à dire un faisceau électrochimique constitué par l'assemblage alternatif d'électrodes positives et négatives séparées les unes des autres par un séparateur. Le fond 3 est destiné à être thermosoudé sur le bac 2 une fois les éléments d'accumulateurs introduits dans leurs alvéoles respectives. Des flasques 9 sont soudées aux parois 5 pour former un compartiment de circulation pour le fluide caloporteur. L'épaisseur du compartiment de circulation avec le flasque est d'environ 2 à 4mm La paroi transversale 6 porte des tubulures 10 pour l'entrée et la sortie du fluide. Les orifices 11 destinés à accueillir les bornes sont disposées deux par deux les une à côté des autres formant une bande au centre de la paroi 6 comme le montre la figure 2. Les orifices 12 qui recevront les soupapes sont alignés le long de la bande centrale du côté opposé aux tubulures 10. On peut prévoir en outre une cavité 13 non debouchante dans laquelle peut être placé un dispositif destiné à la mesure de la température interne de la batterie monobloc. Pour limiter l'encombrement, la cavité 13 est située de préférence entre deux 2 0 orifices 12. On peur aussi aménager dans l'épaisseur de la paroi transversale 6 un logement 14 non débouchant placé entre les tubulures 10, destiné par exemple à contenir les composants électroniques de contrôle et de gestion de la batterie monobloc. La coupe schématique selon 111-111 est représentée sur la figure 3. Une flasque 9 est thermosoudée sur chaque paroi 5 délimitant un espace 20, 20' destiné à recevoir un fluide caloporteur en circulation afin de refroidir ou de réchauffer la batterie selon les circonstances. Un système analogue a été décrit dans la demande de brevet européen EP-O 596 778. Pour le refroidissement on peut utiliser par exemple de l'air ou un liquide Le liquide de refroidissement est par exemple un mélange d'eau et d'éthylène-glycol. Un passage 21 met en communication les compartiments 20, 20' avec une tubulure 10 commune, par exemple pour l'entrée du fluide. La figure 4 montre une vue de dessus de la batterie selon l'invention équipée des bornes et des soupapes après introduction des faisceaux électrochimiques dans les alvéoles et remplissage en électrolyte. On y voit les bomrnes de sortie du courant, alternativement positives 31 et négatives 32 à raison d'une borne de chaque polarité par alvéole, qui sont disposées deux par deux les une à côté des autres au centre de la paroi 6. On relie électriquement une borne positive 31 d'une première alvéole à une borne négative 32 d'une seconde alvéole voisine à l'aide d'une connexion 33 plane. Chaque alvéole est munie d'une soupape de sécurité 34 en cas de surpression. Dans un accumulateur étanche alcalin, la pression de déclenchement de la soupape est habituellement comprise entre 1 bar et 3 bars relatif, et le plus souvent de l'ordre de 2 bars. On recouvre d'un capot 35 les bornes 31, 32, à l'exception d'une borne positive 31' et d'une borne négative 32' situées de préférence près des extrémités de la paroi 6. Les bornes 31', 32' ne portent pas de connexion 33 et sont destinées à être reliées électriquement à un circuit extérieur. Le capot 35 est thermosoudé de manière étanche sur la paroi 6. La thermosoudure est effectuée de telle sorte que chaque couple de bornes 31, 32 reliées par une connexion 33 soit entouré d'un cordon continu fermé de thermosoudure 36. Afin de faciliter les opérations de manipulation de la batterie monobloc, des pattes latérales 37 se projettent du capot 35 parallèlement à la paroi 6. Les fils parcourant longitudinalement la batterie peuvent être placés dans l'espace se trouvant entre ces pattes et la paroi 6 afin d'être maintenus en place. Dans le même but on peut aménager une ou plusieurs gouttières 38 transversalement dans la face supérieure du capot 35 pour guider les fils dans cette direction. Dans le logement 14 est installée une boîte 39 contenant par exemple les composants électroniques. La hauteur de la boîte 39 doit être telle que, une fois installée dans le logement 14, son élévation au-dessus de la paroi 6 ne dépasse par la hauteur du volume enveloppe de la paroi transversale équipée. La batterie monobloc représentée a une longueur L de 250mm et une largeur I 3 0 de 120mm; sa hauteur totale H est de 200mm. La hauteur totale h du volume enveloppe de la paroi transversale équipée, y compris le capot, est de 25mm. La figure 5 montre une variante de l'invention selon laquelle le fond 3 du boîtier 1 présente six surfaces 40 correspondant aux six alvéoles 7 de la batterie. Les surfaces 40 sont délimitées par des zones planes 41 qui seront thermosoudées sur les parois du bac 4, 5 et les cloisons 8 correspondantes. Les surfaces 40 ont une forme arrondie dont la concavité est tournée vers l'extérieur de la batterie. Ainsi la légère déformation (de l'ordre du mm) induite par la surpression interne reste contenue dans le volume enveloppe de la batterie monobloc. La batterie monobloc peut être entourée d'un châssis métallique afin d'en renforcer la tenue mécanique et en faciliter la préhension. Le châssis est composé de deux plaques maintenues par deux tirants, les plaques étant placées à chaque extrémité de la batterie au contact des parois latérales. Les plaques ont une épaisseur comprise entre 1 et 20mm, et de préférence entre 4 et 15mm, selon la largeur du faisceau électrochimique. Afin d'éviter une augmentation trop importante du poids de la batterie monobloc, il est avantageux d'évider le coeur des plaques en veillant à conserver entre les deux faces des nervures nécessaires au maintien de la rigidité de la plaque. Les plaques et les tirants sont de préférence en métal pour une meilleure résistance mécanique, par exemple un alliage d'aluminium, un acier inoxydable, un acier protégé, un matériau composite. Avantageusement les plaques présentent une concavité tournée vers l'extérieur de la batterie et les parois latérales présentent également une concavité tournée vers l'extérieur qui épouse la forme des plaques. La deformation induite par le gonflement des faisceaux électrochimiques est comprise entre 5 et 20% de l'épaisseur des plaques, par exemple d'environ 1 mm pour des plaques d'épaisseur 9,5mm. Ainsi la déformation reste contenue dans le volume enveloppe de la batterie monobloc. REVENDICATIONS 1./ Batterie monobloc étanche possédant un boîtier prismatique (1) comprenant: - un bac (2) constitué d'une pièce unique en matière plastique comportant deux parois latérales (4), deux parois longitudinales (5), une paroi transversale (6), et au moins une cloison verticale (8) perpendiculaire auxdites parois longitudinales (5) divisant ledit bac (2) en alvéoles (7) destinées à recevoir un faisceau électrochimique, - un moyen de fermeture dudit bac qui est une pièce (3) fixée de manière étanche audit bac (2) et auxdites cloisons (8) du côté opposé à ladite paroi transversale (6), - deux flasques (9) fixés de manière étanche sur chacune desdites parois longitudinales (5) définissant avec ladite paroi (5) un compartiment de circulation (20) pour un fluide caloporteur, -deux tubulures(10) situées sur ladite paroi transversale(6) dudit bac(2) et communiquant par des passages (21) incorporés dans ladite paroi transversale (6), formant une entrée et une sortie pour ledit fluide communes auxdits compartiments (20), - deux orifices (11) par alvéole (7), débouchant à l'intérieur du boîtier, placés cote à côte sur ladite paroi transversale (6) et regroupés dans une bande centrale parallèle auxdites parois longitudinales (5), destinés à recevoir des bornes électriques de sortie de courant, - un orifice débouchant (12) par alvéole (7) placé sur ladite paroi transversale (6) selon une bande latérale parallèle à ladite bande centrale du coté opposé auxdites tubulures (10), destiné à recevoir une soupape de sécurité pour l'échappement des gaz en cas de surpression. 2. Batterie monobloc selon la revendication 1, dans laquelle ladite paroi transversale porte en outre au moins une cavité (13) non débouchante destinée à recevoir un moyen de mesure de la température, ladite cavité étant située entre deux orifices (12) destinés auxdites soupapes. 3./ Batterie monobloc selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ladite paroi transversale porte en outre un logement (14) non débouchant situé entre lesdites tubulures. 4./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle toutes les parties dudit boîtier sont en matière plastique. J Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la largeur de ladite bande centrale est de l'ordre de la moitié de la largeur de ladite paroi transversale. 6./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la largeur de ladite paroi transversale est au moins égale a 70mm et au plus égale à mm. 7./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le volume enveloppe de ladite paroi transversale a une hauteur au plus égale à 40mm. 8./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle un capot (35), fixé de manière étanche sur ladite paroi transversale, recouvre lesdites bornes (31, 32) à l'exception de deux bomrnes de polarité opposées (31', 32') destinées à être reliées à des connexions externes. 9./ Batterie monobloc selon la revendication 8, dans laquelle ledit capot est soudé de manière étanche autour de chaque couple de bomrnes de polarité opposée appartenant chacune à deux alvéoles différentes et reliées électriquement. 10./ Batterie monobloc selon l'une des revendications 8 et 9, dans laquelle ledit capot porte des moyens pour maintenir en place des fils longitudinaux, lesdits moyens étant constitués par des pattes latérales (37) dépassant dudit capot parallèlement à ladite paroi transversale. 11./ Batterie monobloc selon l'une des revendications 8 à 10, dans laquelle ledit capot porte des moyens pour guider des fils transversaux constitués par des gouttières transversales (38) ménagées à la surface du capot. 12./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit moyen de fermeture est une pièce en matière plastique de forme générale plane dont chaque portion de surface (40) délimitée par la périphérie d'une alvéole présentent une concavité toumee vers l'extérieur de ladite batterie. 13./ Batterie monobloc selon l'une des revendications précédentes, maintenue par un châssis composé de deux plaques, les plaques reliées par des tirants étant placées au contact desdites parois latérales. 14.1 Batterie monobloc selon la revendication 13, dans laquelle lesdites plaques présentent une concavité tournée vers l'extérieur de ladite batterie. 15./ Batterie monobloc selon la revendication 14, dans laquelle lesdites parois latérales présentent une concavité tournée vers l'extérieur qui épouse la forme desdites plaques.