Brevet FR2940858A1 — publié le 20100709

Dispositif de stockage d'énergie, notamment pour équiper un véhicule automobile L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie électrique, notamment pour équiper un véhicule automobile. De manière connue, un tel dispositif de stockage d'énergie est par exemple agencé pour être chargé lors d'une phase de freinage récupératif et déchargé 10 lors de phases de démarrage et d'accélération du véhicule. On connaît par la demande de brevet EP 1 058 332 une pluralité de batteries rechargeables assemblées en série à l'aide de pièces interposées entre deux batteries voisines. Parmi ces pièces figurent une plaque ajourée conductrice et un anneau isolant. Cet assemblage est relativement complexe à réaliser, 15 nécessitant plusieurs opérations, et relativement encombrant, notamment dans le sens axial, du fait de la pluralité de pièces intermédiaires placées entre les batteries. L'invention vise notamment à remédier aux inconvénients précités. L'invention a ainsi pour objet un dispositif de stockage d'énergie, notamment 20 pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux cellules de stockage d'énergie, chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique, le dispositif étant caractérisé par le fait que - soit les bornes de raccordement électrique des deux cellules sont soudées l'une à l'autre, 25 - soit les bornes de raccordement électrique des deux cellules sont reliées électriquement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une entretoise interposée entre les deux bornes et soudée à ces deux bornes, les cellules étant notamment disposées de manière coaxiale. 30 Grâce à l'invention, le fait de souder directement les bornes des cellules de stockage d'énergie permet de réduire le nombre d'opérations, contrairement par exemple à l'assemblage décrit dans la demande de brevet EP 1 058 332 qui utilise plusieurs pièces intermédiaires et nécessite de multiples opérations. Le cas échéant, une seule opération de soudure peut suffire pour réaliser la connexion entre les deux cellules. En outre, l'absence de pièce intermédiaire entre les cellules peut permettre de réduire la résistance électrique dans la jonction entre ces cellules. La soudure est avantageusement réalisée sans apport de matière, ce qui permet de simplifier l'opération. De préférence, la cellule de stockage d'énergie comporte un super- condensateur comprenant dans un espace intérieur une structure électrochimique, et la borne de raccordement électrique fait partie d'une paroi délimitant l'espace intérieur de la cellule. Avantageusement la cellule de stockage d'énergie comporte un corps ayant, d'une part, à une extrémité axiale un fond et, d'autre part, étant fermé à l'autre extrémité par un couvercle, notamment serti ou soudé sur le corps, et la borne de raccordement électrique est formée sur l'un du fond du corps et le couvercle. Dans la présente invention, la borne de raccordement électrique est nécessaire au fonctionnement de la cellule de stockage d'énergie. Sans cette borne, la cellule est inutilisable. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, les deux bornes de raccordement électrique sont soudées par soudure laser. Avantageusement la trace de soudure, ou cordon de soudure, sur la jonction des deux bornes s'étend sur tout le pourtour des bornes. La soudure est, si on le souhaite, réalisée radialement sur une paroi cylindrique de la borne de raccordement électrique de la cellule, et la trace de soudure peut pénétrer, sans risque de dommage de la cellule, davantage dans l'épaisseur de cette borne. Ceci est avantageux par rapport au cas où la soudure serait réalisée dans une direction axiale car une trop grande pénétration du laser peut provoquer une perforation de la cellule, et donc une destruction de celle-ci. La trace de soudure sur la jonction des deux bornes se termine de préférence à une extrémité circonférentielle par une portion en forme généralement triangulaire, ou en forme de pointe. Pour obtenir cette forme de la trace de soudure, la puissance du laser utilisé, en fin de soudure, est réduite progressivement, de manière à générer un évanouissement de ce laser. Ceci permet d'éviter le risque de créer une amorce de rupture, telle un trou, au niveau de la jonction des bornes soudées dans le cas où le laser est arrêté instantanément et la trace de soudure s'interrompt brutalement. Le cas échéant, la trace de soudure sur la jonction des deux bornes s'étend sur une profondeur des bornes d'au moins 1 mm, notamment d'environ 2mm. De préférence, les bornes soudées sont réalisées dans des matériaux compatibles pour une soudure laser, notamment les bornes étant réalisées en aluminium de grades différents. Par exemple, le couvercle de la cellule peut être réalisé en aluminium 6000 et le corps de la cellule en aluminium 1000, ces aluminiums étant compatibles pour la soudure laser. Dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention utilisant une entretoise, cette entretoise peut présenter une forme en coupelle. L'entretoise est par exemple posée sur l'une des bornes à relier. Si on le souhaite, l'entretoise s'étend sur une superficie sensiblement égale à celle de l'extrémité de la borne associée. En variante, l'entretoise est agencée pour coiffer la borne associée, notamment en recouvrant cette borne sur son extrémité et sur une paroi latérale. L'entretoise utilisée entre les bornes de raccordement électrique permet, le cas échéant, une soudure efficace lorsque les bornes respectives sont en matériaux qui ne sont pas compatibles pour une soudure efficace directement entre elles. Cette entretoise est alors réalisée en matériau compatible pour une soudure avec les deux bornes associées. Par exemple, le couvercle de la cellule de stockage d'énergie peut être réalisé en aluminium 6000, l'entretoise en aluminium 1000, et le corps de la cellule en aluminium 6000, ces aluminiums étant compatibles pour la soudure laser. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, chaque cellule de stockage d'énergie comporte deux bornes de raccordement électrique. Le cas échéant, le dispositif comporte au moins deux groupes chacun d'une pluralité de cellules de stockage d'énergie dont les bornes de raccordement sont soudées entre elles, et l'une des cellules d'un groupe est reliée électriquement à l'une des cellules de l'autre groupe par l'intermédiaire d'un connecteur tel qu'une barre conductrice ou busbar L'invention a encore pour objet un procédé pour fabriquer un dispositif de stockage d'énergie électrique, notamment pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux cellules de stockage d'énergie, chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique, comportant l'étape suivante : - souder les bornes de raccordement électrique des deux cellules l'une à l'autre. Si on le souhaite, préalablement à l'opération de soudage, les deux cellules sont disposées l'une par rapport à l'autre en maintenant les bornes en regard l'une de l'autre grâce à un élément de centrage coopérant avec ces bornes. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, lors de l'opération de soudage, les deux cellules sont entraînées en rotation. En variante, c'est la source du laser de soudure qui est entraînée en rotation. La force pour mettre en rotation les cellules est exercée par exemple sur des corps cylindriques des cellules, notamment à l'aide de molettes en appui sur ces corps. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la puissance du laser servant à la soudure est modulée en fonction du temps. Notamment la puissance décroît progressivement en fin de soudure, de manière à créer un évanouissement du laser. L'invention a encore pour objet un procédé pour fabriquer un dispositif de stockage d'énergie électrique, notamment pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux cellules de stockage d'énergie, chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique, le procédé comportant l'étape suivante : - souder les bornes de raccordement électrique des deux cellules à une entretoise disposée entre ces bornes. L'invention concerne également un outillage pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, comportant un élément de centrage pouvant coopérer avec les deux bornes de raccordement électrique à souder ensemble, pour centrer l'une des bornes par rapport à l'autre, cet élément de centrage comportant notamment une fente triangulaire pour recevoir les deux bornes. L'outillage peut comporter au moins une molette rotative pour s'appuyer sur un corps d'une cellule de stockage d'énergie pour la faire tourner. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 illustre, schématiquement et partiellement, une étape de soudure de deux cellules de stockage d'énergie, - la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, suivant l'axe X, une cellule de la figure 1, - la figure 3 illustre, schématiquement et partiellement, en coupe, la jonction entre deux bornes soudées par le procédé de la figure 1, - la figure 4 représente, schématiquement et partiellement, de côté, la jonction entre deux bornes soudées par le procédé de la figure 1, - la figure 5 est une vue en coupe, schématique et partielle, d'une cellule de stockage d'énergie, - la figure 6 est une courbe illustrant la variation, en fonction du temps, de la puissance d'un laser de soudure pour le procédé de la figure 1, et - les figures 7 à 9 représentent, schématiquement et partiellement, en coupe, deux autres exemples de mise en oeuvre de l'invention. On a représenté sur la figure 1 deux cellules de stockage d'énergie 2 pour un dispositif de stockage d'énergie 1 d'un système micro-hybride à alternodémarreur pour véhicule automobile. Le cas échéant, le système micro-hybride comprend un système de freinage récupératif. Le dispositif 1 peut par exemple comporter, en tout, six cellules de stockage d'énergie 2, dont deux seulement sont représentées sur la figure 1. Bien entendu, le dispositif 1 peut comporter un nombre de cellules différent de six, étant par exemple égal à deux ou dix. Chaque cellule 2 est formée par un super-condensateur ou EDLC en anglais (electrochemical double layer capacitator). Comme illustré sur la figure 5, chaque cellule 2 comprend : un corps 5 d'axe longitudinal X réalisé en aluminium de grade 1000 présentant une paroi latérale cylindrique 6 et un fond 7, une borne de raccordement 8 étant formée sur le fond 7, - un couvercle 9, réalisé en aluminium de grade 6000, serti sur le corps 5 et délimitant avec celui-ci un espace intérieur 10, une borne de raccordement 11 étant formée sur ce couvercle 9, - une structure électrochimique 12 disposée dans l'espace intérieur 10, - des platines 13 et 14, ou collecteurs, faisant interface entre la structure électrochimique 12 et respectivement le couvercle 9 et le fond 7. Ces platines 13 et 14 sont soudées sur la structure électrochimique 12. La platine 13, respectivement 14, est emmanchée sur le couvercle 9, respectivement le fond 7. Si on le souhaite, les platines 13 et 14 peuvent être omises et la structure 12 est soudée directement sur le couvercle 9 et le fond 7. Le couvercle 9 fait partie intégrante de la cellule 2, à savoir ce couvercle ne peut pas être retiré sous peine de détruire la cellule 2. Dans l'exemple décrit, les deux bornes de raccordement électrique 8 et 11 des deux cellules 2 voisines sont soudées par soudure laser à l'aide d'une source laser 20. La trace 21 de soudure, ou cordon de soudure, sur la jonction 22 des deux bornes 8 et 11 s'étend sur tout le pourtour de ces bornes (voir figure 4). La soudure est réalisée radialement sur une paroi cylindrique 25 des bornes 8 et 11 de raccordement électrique, et la trace 21 de soudure pénètre, sans risque de dommage de la cellule, davantage dans l'épaisseur de ces bornes. La trace 21 de soudure sur la jonction 22 des deux bornes se termine à une extrémité circonférentielle par une portion 26 en forme généralement triangulaire, ou en forme de pointe (voir figure 4). La portion 26 peut présenter un état de surface brillant. Cette forme caractéristique de la portion 26 est la conséquence de l'évanouissement du laser en fin de cycle de soudure. Cet évanouissement correspond à la réduction progressive de la puissance de la source laser utilisée pour la soudure. La courbe de la figure 6 montre l'évolution de la puissance du laser en fonction du temps lors d'une opération de soudure. L'évanouissement du laser permet de terminer la soudure progressivement, évitant ainsi tout risque de création de trou ou cratère dans la soudure pouvant apparaître lors d'une extinction brutale et instantanée du laser et en conséquence générer une faiblesse mécanique. L'évanouissement du laser correspond à la phase E, entre les instants t2 et t3, de la courbe de la figure 6. Comme visible sur la figure 3, la trace de soudure 21 sur la jonction 22 des deux bornes 8 et 11 s'étend sur une profondeur e d'au moins 1 mm, notamment d'environ 2.5 mm, pour un diamètre d des bornes compris environ entre 14 mm etl6mm. Les bornes soudées sont réalisées dans des matériaux compatibles pour une soudure laser, notamment les bornes étant réalisées en aluminium de grades différents. Préalablement à l'opération de soudage, les deux cellules 2 sont disposées l'une par rapport à l'autre en maintenant les bornes 8 et 11 en regard l'une de l'autre grâce à un élément de centrage 30 coopérant avec ces bornes (voir figure 2). Cet élément de centrage 30, appartenant à un outillage 33, comporte une fente triangulaire 31 pour recevoir les deux bornes 8 et 11. Cette forme triangulaire permet de limiter les frottements lors de la rotation. En variante, la fente peut présenter un pourtour en arc de cercle. L'outillage 33 peut en outre comporter une pluralité de molettes motrices rotatives 34 pour s'appuyer sur les corps cylindriques 6 des cellules de stockage d'énergie 2 pour les faire tourner (voir figure 2). D'autres molettes 35 sont prévues pour empêcher la cellule 2 de sortir de la fente 31. Ainsi, lors de l'opération de soudure, la source laser 20 peut être immobile, et la rotation des cellules 2 permet d'obtenir la soudure souhaitée. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention illustré sur les figures 7 et 8, les bornes de raccordement électrique 8 et 11 des deux cellules 2 sont reliées électriquement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une entretoise 40 interposée entre les deux bornes et soudée à ces deux bornes. L'entretoise 40 présente une forme en coupelle. Cette entretoise 40 est soudée `par transparence' sur la borne 8 ou 11 (voir figure 7). Puis cette entretoise 40 est soudée `bord à bord' sur l'autre borne 8 ou 11 (voir figure 8). Dans l'exemple des figures 7 et 8, les bornes 8 et 11 présentent le même diamètre. L'entretoise 40 s'étend sur une superficie sensiblement égale à celle de l'extrémité de la borne associée 11 L'entretoise 40 permet, le cas échéant, une soudure efficace lorsque les bornes respectives sont en matériaux qui ne sont pas compatibles pour une soudure efficace directement entre elles. Cette entretoise 40 est alors réalisée en un matériau compatible pour une soudure avec les deux bornes associées 8 et 11 Comme illustré sur la figure 8, l'entretoise 40 comprend un fond 41 soudé sur la borne 11 par une soudure axiale par un faisceau laser parallèle à l'axe X. L'entretoise 40 est soudée sur l'autre borne 8 par une soudure radiale par un faisceau perpendiculaire à l'axe X. En variante, comme illustré sur la figure 9, l'entretoise 40 est agencée pour coiffer la borne 11 associée, recouvrant cette borne sur son extrémité et sur une paroi latérale 25. Dans cet exemple, la borne 8 présente un diamètre supérieur à celui de la borne 11 (par exemple 16 mm et 14 mm respectivement), alors que dans l'exemple des figures 7 et 8, les bornes 8 et 11 présentent des diamètres identiques, par exemple de 14 mm. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits. Par exemple, les cellules 2 peuvent comporter une batterie Li-On (Lithium-Ion), Ni-Mh (Nickel- Métal hydrure) ou au Plomb.20 Revendications1. Dispositif de stockage d'énergie (1), notamment pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux cellules de stockage d'énergie (2), chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique (8 ; 11), caractérisé par le fait que - soit les bornes de raccordement électrique des deux cellules sont soudées l'une à l'autre, - soit les bornes de raccordement électrique des deux cellules sont reliées électriquement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une entretoise (40) interposée entre les deux bornes et soudée à ces deux bornes. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la cellule de stockage d'énergie (2) comporte un super-condensateur comprenant dans un espace intérieur (10) une structure électrochimique (12), et la borne de 20 raccordement électrique (8 ; 11) fait partie d'une paroi délimitant l'espace intérieur de la cellule. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les deux bornes de raccordement électrique (8 ; 11) sont soudées par 25 soudure laser. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la trace de soudure (21) sur la jonction (22) des deux bornes (8 ; 11) se termine à une extrémité circonférentielle par une portion (26) 30 en forme généralement triangulaire. 10 15 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les bornes (8 ; 11) soudées sont réalisées dans des matériaux compatibles pour une soudure laser, notamment les bornes étant réalisées en aluminium de grades différents. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'entretoise (40) présente une forme en coupelle. 7. Procédé pour fabriquer un dispositif de stockage d'énergie électrique (1), 10 notamment pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux cellules de stockage d'énergie (2), chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique, le procédé comportant l'étape suivante : - souder les bornes de raccordement électrique (8 ; 11) des deux cellules l'une à l'autre. 15 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que, préalablement à l'opération de soudage, les deux cellules sont disposées l'une par rapport à l'autre en maintenant les bornes en regard l'une de l'autre grâce à un élément de centrage (30) coopérant avec ces bornes. 9. Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé par le fait que, lors de l'opération de soudage, les deux cellules sont entraînées en rotation. 25 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que la puissance du laser servant à la soudure est modulée en fonction du temps, notamment la puissance décroissant progressivement en fin de soudure. 11. Procédé pour fabriquer un dispositif de stockage d'énergie électrique (1), 30 notamment pour équiper un véhicule automobile, comportant au moins deux 20cellules de stockage d'énergie (2), chaque cellule comportant au moins une borne de raccordement électrique, le procédé comportant l'étape suivante : - souder les bornes de raccordement électrique des deux cellules à une entretoise (40) disposée entre ces bornes. 12.Outillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, comportant un élément de centrage pouvant coopérer avec les deux bornes de raccordement électrique à souder ensemble, pour centrer l'une des bornes par rapport à l'autre, cet élément de centrage comportant notamment une fente triangulaire (31) pour recevoir les deux bornes.