Brevet FR2912261A1 — publié le 20080808

DISPOSITIF DE FOURNITURE D'ENERGIE ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif de fourniture d'énergie électrique associé à sa gestion électronique, notamment destiné à être utilisé dans des véhicules automobiles de type électrique ou hybride. Les figures la et lb montrent un exemple de source d'énergie généralement utilisée, à l'heure actuelle, dans un véhicule électrique ou hybride. Ces sources d'énergie électrique sont des dispositifs (10) composés de plusieurs sous-ensembles de stockage (11, 11a, llb, 11c et 11d), encapsulés indépendamment les uns des autres dans des boîtiers séparés, et connectés entre eux par des faisceaux électriques (13). Ces sources d'énergie comprennent également un circuit de gestion (15), lui aussi intégré dans un boîtier distinct. Chaque sous-ensemble (11, 11a, llb, 11c, et 11d) est composé de plusieurs éléments 16 de stockage d'énergie, appelés éléments de base, ainsi que d'un circuit électronique (resp. 12, 12a, 12b, 12c et 12d) de gestion du sous-ensemble installé dans un boîtier indépendant, et de faisceaux électriques 17 permettant d'établir des liaisons entre les différents éléments de base et le boîtier de gestion du sous-ensemble. Les éléments de base sont, par exemple, des batteries de type R20, présentant une tension aux bornes de 1.5 volts. Bien que ces sources d'énergie soient relativement satisfaisantes en terme de performances électriques, elles présentent de nombreux inconvénients en terme de fabrication et d'intégration. En effet, il apparaît clairement, au vu de la description effectuée ci-dessus, que ces dispositifs nécessitent un grand nombre de boîtiers et de faisceaux électriques de connexion, ce qui augmente le temps, le coût et l'ergonomie de fabrication. La présente invention vise à fournir une solution permettant de remédier à l'un au moins de ces inconvénients, en proposant un dispositif de fourniture d'énergie ayant un niveau d'intégration relativement avancé. Un tel dispositif présente au moins un des avantages suivants : Permettre la réduction des coûts de boîtier et donc de la batterie, de 30 à 50% environ, - Permettre la réduction du nombre de faisceaux électriques pour réaliser les différentes interconnexions, - Permettre l'automatisation du processus de fabrication de la batterie, et Permettre une meilleure intégration du dispositif dans le véhicule. La présente invention concerne ainsi un dispositif de fourniture d'énergie électrique, notamment destiné à 30 l'alimentation d'un véhicule automobile, comprenant : - un élément de stockage d'énergie électrique, comprenant une superposition alternée de couches métalliques et de couches d'électrolyte, des couches externes de l'empilement étant des couches 35 métalliques, et 25 - des moyens de gestion de l'énergie. Ce dispositif est caractérisé en ce que les moyens de gestion de l'énergie sont apposés sur une des couches externes de l'élément de stockage. L'empilement de couches métalliques et de couches d'électrolyte forme une batterie d'accumulateurs présentant les mêmes caractéristiques de fonctionnement qu'une batterie classique de type batterie dipolaire Lithium-ion ou autres technologies. Ce dispositif de fourniture d'énergie peut être encapsulé dans un seul boîtier, puisque les moyens de gestion de l'énergie sont apposés sur l'empilement d'accumulateurs. Ces moyens de gestion de l'énergie sont utilisés pour gérer les contributions de ce dispositif dans l'alimentation d'un véhicule ou de tout autre système alimenté, mais également pour assurer la sécurité des utilisateurs lors du fonctionnement de la batterie d'accumulateurs. Bien qu'il soit similaire à des batteries existantes en terme de fonctionnement, il peut être utile d'adapter l'élément de stockage d'énergie afin qu'il puisse recevoir les moyens de gestion sans risque de dégradation de l'un ou l'autre des éléments. A cet effet, dans une réalisation, les couches métalliques externes ont une épaisseur supérieure ou égale à celle des autres couches métalliques de la superposition. Cette épaisseur est, par exemple, de l'ordre de quelques millimètres. Ainsi, les couches métalliques externes sont telles qu'elles permettent une dissipation de la chaleur qui peut être dégagée au cours du fonctionnement des moyens de gestion de l'énergie, notamment dans le cas où ces moyens comprennent des composants électroniques de type transistors MOS ou bipolaires, connus pour leur température élevée de fonctionnement. Les couches métalliques de l'empilement ont, dans une réalisation avantageuse, une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre. Les moyens de gestion de l'énergie électrique comprennent, dans une réalisation, un circuit électronique formé de composants électroniques, installés sur un circuit imprimé. Ce circuit est un circuit imprimé sur un film souple spécifique, par exemple de type film Kapton, sur lequel les composants électroniques sont soudés. Ce film est fixé, par exemple par collage, sur la couche externe de l'élément de stockage. L'utilisation d'un film de ce type présente plusieurs avantages, notamment celui de permettre une réduction du poids de l'ensemble du dispositif. En effet, le circuit électronique étant destiné à être apposé sur une couche rigide, correspondant à une des couches externes de l'élément de stockage de l'énergie, il peut être imprimé sur un support non rigide. Il est donc possible d'utiliser un film souple, moins lourd que les supports habituellement utilisés. Les films de type Kapton présentent également des caractéristiques techniques telles qu'ils permettent un refroidissement du circuit imprimé par dissipation de la chaleur. Un tel film permet également d'assurer l'isolation électrique entre le circuit imprimé et la couche externe de la batterie. Par ailleurs il est nécessaire, pour le bon fonctionnement du dispositif de fourniture d'énergie, que les moyens de gestion soient électriquement reliés à l'élément de stockage, via la couche externe sur laquelle ils sont apposés. Cette liaison peut être mise en oeuvre en utilisant différentes techniques connues. De manière avantageuse, cette liaison est effectuée par un élément métallique soudé, en utilisant une technique de soudage métal sur métal par rotation très rapide, ou par un élément métallique inséré dans la couche externe. L'élément métallique inséré est, par exemple, un clou enfoncé en force dans la couche métallique externe. Cette technique est, notamment, utilisée dans d'autres applications telles que les circuits de type substrat métallique isolé, ou SMI. Les moyens de gestion, notamment lorsqu'ils sont sous la forme d'un circuit électronique, peuvent comporter des éléments de puissance, par exemple des éléments pouvant atteindre des tensions de l'ordre de 300 volts et des intensités de l'ordre de 100 ampères. Dans ce cas, la couche externe sur laquelle ils sont apposés joue le rôle de dissipateur thermique, en permettant la dissipation de la chaleur générée lors du fonctionnement du dispositif. Les moyens de gestion de l'énergie apposés sur la face externe de l'élément de stockage, sont particulièrement soumis aux agressions externes telles que la poussière, l'humidité, ou encore les variations de température. Afin de prolonger la durée de vie de ce dispositif, d'assurer la sécurité et d'éviter les dégradations, il est donc utile de prévoir des moyens de protection contre ces agressions externes. Ainsi, dans une réalisation, les moyens de gestion sont protégés des agressions externes par le dépôt d'une substance protectrice isolante sur le circuit imprimé. Dans une autre variante, cette protection est effectuée par le collage d'un boîtier. Dans le cas où on utilise un boîtier, ce dernier est également utilisé pour supporter toute la connectique utile pour relier le dispositif de fourniture d'énergie aux autres éléments du système à alimenter, par exemple un véhicule automobile. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ces modes de réalisation, cette description étant effectuée à titre non limitatif à l'aide des figures sur lesquelles : - les figures la et lb, déjà décrites, montrent une batterie existant dans l'art antérieur, 35 - la figure 2 montre un élément de stockage utilisé dans un dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 montre la couche externe de l'élément de stockage ainsi que les moyens de gestion de l'énergie d'un dispositif conforme à l'invention, et - la figure 4 montre un boîtier encapsulant un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 illustre un élément de stockage d'énergie électrique utilisable dans un dispositif conforme à l'invention. Cet élément est constitué d'une superposition alternée de couches d'aluminium 24 et de couches d'électrolytes 22, formant un empilement assimilable à un mille-feuille. Les dimensions de cet élément de stockage dépendent des caractéristiques électriques souhaitées : la longueur et la largeur de cet élément sont fonction de l'intensité souhaitée, et l'épaisseur dépend du nombre de couches nécessaires pour obtenir la tension souhaitée. Le nombre de couches est généralement de l'ordre d'une centaine. Sur cette figure, il apparaît que les couches métalliques externes 20 sont plus épaisses que les autres couches d'aluminium 24. Dans une réalisation avantageuse, les couches externes ont une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres, et les autres couches ont une épaisseur inférieure à 0.1 millimètre. Un de ces couches est utilisée pour supporter les moyens de gestion de l'énergie électrique, par exemple un circuit électronique, ainsi qu'illustré sur la figure 3. Sur la couche d'aluminium 30 est collé un film polymère 32, par exemple de type Kapton, d'une épaisseur d'environ 40 micromètres. Ce film est choisi en fonction de ses propriétés électriques, thermiques, chimiques et mécaniques, qui en font un support parfaitement adapté aux circuits électroniques. Par exemple, les films choisis sont résistants aux très hautes températures, qui peuvent régulièrement être atteintes dans des dispositifs tel que celui proposé par l'invention. Sur ce film 32 sont imprimées des pistes conductrices formant un circuit imprimé 34. Des composants électroniques 36 sont soudés sur ce circuit imprimé 34 pour former un circuit électronique de gestion de l'alimentation. La liaison électrique entre le circuit électronique et la couche d'aluminium externe 30 est réalisée en utilisant un élément métallique 38. Dans certaines réalisations, afin de protéger le circuit électronique, on effectue, au moment de la fabrication du dispositif, une opération de potting , qui consiste à déposer sur le circuit électronique un matériau isolant, par exemple de type gomme de silicone, de manière à remplir tous les volumes vides du circuit électronique. Le principal avantage des dispositifs conformes à l'invention est qu'il est possible, ainsi qu'illustré sur la figure 4, d'encapsuler dans un seul et même boîtier 40, un élément de stockage d'énergie 42, et un circuit électronique 44 de gestion de l'énergie. Sur ce boîtier peuvent être fixés des éléments de connectique 46, permettant de relier le dispositif à l'ensemble du système à alimenter.25 REVENDICATIONS 1. Dispositif de fourniture d'énergie électrique, notamment destiné à l'alimentation d'un véhicule automobile, comprenant : un élément de stockage d'énergie électrique (42), comprenant une superposition alternée de couches métalliques (24) et de couches d'électrolyte (22), des couches externes (20) de l'empilement étant des couches métalliques, et des moyens (44) de gestion de l'énergie , caractérisé en ce que les moyens (44) de gestion de l'énergie sont apposés sur une des couches externes (20) de l'élément de stockage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches métalliques externes (20) ont une épaisseur supérieure ou égale à celle des autres couches métalliques (24) de la superposition, cette épaisseur étant de l'ordre de quelques millimètres. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (44) de gestion de l'énergie comprennent un circuit électronique formé de composants (36) installés sur un circuit (34) imprimé sur un film (32), ce film (32) étant fixé sur la couche externe (30) de l'élément de stockage (42). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une liaison entre les moyens de gestion de l'énergie et la couche externe (30) sur laquelle ils sont apposés est réalisée par un élément métallique (38) inséré dans la couche externe (30). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une liaison entre les moyens de gestion de l'énergie et la couche externe sur laquelle ils sont apposés est réalisée par un élément métallique soudé 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce les moyens de gestion del'énergie sont protégés des agressions externes par le dépôt d'une substance protectrice isolante sur le circuit imprimé. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce les moyens de gestion de l'énergie sont protégés des agressions externes par le collage d'un boîtier.