Brevet FR2973948A1 — publié le 20121012

DISPOSITIF MODULAIRE DE CADRE CONDUCTEUR DE PUISSANCE POUR BATTERIE DE VEHICULE AUTOMOBILE, PROCEDE DE MONTAGE DE CE DISPOSITIF ET BATTERIE DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif modulaire de cadre conducteur de puissance pour cellule en sachet souple, un procédé de montage de ce dispositif et une batterie de véhicule automobile comprenant un tel dispositif. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un dispositif pour batterie de véhicule automobile. Le domaine technique de la présente invention concerne toutes les sources d'énergie à stockage électrochimique composées de plusieurs cellules connectées en série ou en parallèle ou série/parallèle. Elle s'applique, en particulier, à une batterie électrique qui est notamment destinée à la traction de véhicule automobile électrique ou hybride c'est-à-dire comprenant un moteur électrique d'entraînement des roues motrices combiné avec un moteur thermique d'entraînement de ces roues ou éventuellement d'autres roues motrices. Etat de l'art Une batterie d'accumulateurs, généralement appelée une « batterie », est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur de courant continu de la capacité et de la tension désirée. Ces accumulateurs sont également appelés « éléments » de la batterie ou « cellules ». Pour garantir les niveaux de puissance et d'énergie requis pour les applications considérées, il est nécessaire d'utiliser des batteries comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique. C'est dans ces cellules qu'ont lieu les réactions électrochimiques réversibles qui permettent de produire du courant (batterie en décharge) ou de stocker l'énergie (batterie en charge). Cependant, les charges et décharges répétées de la batterie peuvent causer une production de chaleur. Lorsque cette production de chaleur n'est pas contrôlée, la durée de vie des éléments peut être diminuée. Cela peut également donner lieu, dans des conditions extrêmes, à des risques d'emballement thermique pour certaines compositions chimiques d'éléments, ce qui peut conduire à la détérioration de la batterie. Ainsi, pour optimiser les performances et la durée de vie des batteries, des systèmes de conditionnement thermique des éléments sont intégrés dans les batteries. Les éléments générateurs comprennent classiquement au moins une cellule électrochimique, par exemple de type Lithium - ion ou Lithium - polymère, qui est formée d'un empilement de couches électro-actives agissant successivement comme cathodes et anodes et isolés par un séparateur, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. Ces cellules électrochimiques sont généralement conditionnées dans des conteneurs rigides et hermétiques afin de les protéger des agressions extérieures. En particulier, ces conteneurs peuvent être fabriqués à partir de tôles embouties en profondeur pour former des godets qui, après introduction d'un enroulement de couches empilées, peuvent être refermés par soudage d'un couvercle. Ce type de conditionnement présente certains inconvénients parmi lesquels des coûts de fabrication élevés ainsi que la nécessité d'isoler électriquement au moins une des électrodes du godet métallique et d'ajouter des soupapes de sécurité permettant de relâcher la pression en cas de surcharge ou de surchauffe d'un élément. Pour résoudre ces inconvénients, une solution couramment employée consiste à former un élément générateur en conditionnant un empilement plan de couches électro-actives dans une enveloppe étanche et souple. En outre, ce type d'éléments générateurs présente typiquement une géométrie prismatique qui permet d'augmenter les surfaces d'échanges avec le liquide de conditionnement thermique. Toutefois, avec une telle enveloppe, on affaiblit de façon importante la résistance mécanique des éléments, ce qui va à l'encontre des contraintes en vigueur dans l'industrie automobile, notamment relativement aux collisions (« crashs »). En outre, l'empilement est alors susceptible de se déformer, notamment avec déplacement des couches les unes par rapport aux autres. En particulier, une telle déformation peut être induite par l'évolution du volume des matériaux actifs servant d'anodes ou de cathodes en fonction de son taux d'insertion en ion lithium. Il résulte de ces déplacements des variations des résistances de contact entre les couches. Ces variations peuvent produire des échauffements supplémentaires et conduire à des vieillissements prématurés, à une limitation des énergies disponibles ainsi qu'à des risques de déclenchement d'emballement thermique. Une des solutions de l'art antérieur pour répondre au problème de la fragilité de ce type de cellules de batterie est un système d'exosquelette pour la cellule en sachet souple comprenant un cadre rigide venant s'assembler sur ladite cellule. L'inconvénient des systèmes connus de cadres pour cellules en sachet est qu'il requiert l'utilisation d'outils spécifiques pour leur assemblage ce qui engendre des difficultés de montage. En outre, ces systèmes nécessitent un temps de manipulation important. Exposé de l'invention L'invention a pour but de résoudre tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif modulaire de cadre conducteur de puissance pour batterie de véhicule automobile, ladite batterie étant du type comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique formés d'au moins une cellule électrochimique qui est conditionnée dans une enveloppe étanche souple, ledit dispositif comprenant : - au moins une cellule en sachet souple, ladite cellule comprenant deux bornes de contact électrique, et - un cadre conducteur de puissance comprenant au moins deux éléments, entre lesquels s'insère la cellule en sachet souple, et ses bornes de contact, dispositif dans lequel chaque élément du cadre de puissance comprend un moyen de conduction de puissance électrique, ledit moyen de conduction de puissance électrique ayant une surface conductrice en contact des bornes, les autres surfaces étant isolantes. En d'autres termes, le dispositif selon l'invention est un cadre multifonctions composé d'au moins deux éléments, également nommés « éléments mâle » et « éléments femelle », qui intègrent directement, grâce à un moyen de conduction, la liaison de puissance électrique entre les cellules. Ces deux éléments permettent, après leur assemblage, de renforcer, de maintenir et de protéger la faible structure mécanique d'une cellule souple en sachet. Dans la suite de la description on utilise indifféremment les termes « dispositif » ou « module » pour se référer au dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention permet avantageusement un montage facilité et rapide. De plus, il permet de sécuriser l'utilisation des cellules en sachet souple. Le dispositif selon l'invention permet de réaliser un montage en série et/ou en parallèle des cellules pour former un système complet. Dans les deux cas il s'agit d'assembler les modules du dispositif selon l'invention en utilisant le même cadre simplement en adaptant son positionnement selon le type de montage souhaité. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est qu'il est modulable c'est-à-dire qu'il permet d'ajouter librement des éléments électrochimiques. De ce fait, le système est évolutif ce qui permet un gain de temps lors du développement d'une batterie pour plusieurs applications. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisations 30 avantageux exposés ci-après lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison opérante. Selon des caractéristiques particulières, la cellule en sachet souple comprend deux bornes de contact électrique situées sur des côtés opposés de la cellule. La séparation des bornes de puissance d'une part et d'autre du module permet avantageusement d'assurer la sécurité d'utilisation du dispositif. Selon des caractéristiques particulières, la cellule en sachet souple comprend deux bornes de contact électrique situées sur un même côté de la cellule. Selon des caractéristiques particulières, les moyens de conduction du courant sont des barres omnibus. En d'autres termes, les barres omnibus sont intégrées de façon à faire le contact électrique avec les bornes de la cellule souple après l'assemblage. Les barres omnibus sont isolées sur leurs faces supérieure et inferieure et accessibles sur les faces intérieures aux bornes électriques de la cellule afin d'assurer la liaison électrique de puissance. L'intégration des barres omnibus directement dans le cadre, permet un gain de temps pour le montage final. Selon des caractéristiques particulières, les éléments du cadre sont symétriques et comprennent une ouverture centrale. L'ouverture centrale de chacun des éléments du cadre accueille la cellule. La partie laminée et bien plate de la cellule peut venir en appui sur le cadre. Dans une variante de réalisation, cette ouverture prend la forme d'une partie creuse qui accueille la partie la plus épaisse de la cellule. Dans une autre variante de réalisation, la partie creuse de l'un des éléments du cadre a une paroi opaque et la partie creuse de l'autre élément du cadre est totalement creuse. Ceci permet avantageusement d'éviter un ajout de matière inutile. Un autre aspect de l'invention vise un procédé de montage d'un dispositif objet de l'invention comprenant : - une étape d'insertion de la cellule en sachet souple entre les éléments du cadre, une étape d'assemblage des éléments du cadre avec la cellule en sachet souple, et une étape de montage du dispositif avec d'autres dispositifs afin de constituer un élément générateur d'énergie électrique d'une batterie. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape d'assemblage, les éléments du dispositif sont vissés. L'assemblage de ces modules est aisé du fait qu'il ne nécessite pas d'outillage spécifique. Un simple vissage des deux parties du cadre dans les endroits isolés et prévus à cet effet est suffisant. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape d'assemblage, les éléments du dispositif sont soudés au laser. L'assemblage des éléments par soudure au laser permet avantageusement d'assurer un meilleur contact électrique. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de montage du dispositif avec d'autres dispositifs, les dispositifs sont montés en série. Selon des caractéristiques particulières, qu'au cours de l'étape de montage du dispositif avec d'autres dispositifs, le montage en série des dispositifs comprend l'assemblage alternativement d'un dispositif et d'une membrane isolante, ladite membrane isolante étant apte à laisser passer le courant à un endroit prédéterminé. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de montage du dispositif avec d'autres dispositifs, les dispositifs sont montés en en parallèle. Un autre aspect de l'invention vise une batterie de véhicule automobile qui comprend au moins un dispositif objet de la présente invention. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de cette batterie de véhicule étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. Présentation des ficiures D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - La Figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, - La Figure 2 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes d'un mode de réalisation particulier du procédé de montage d'un dispositif objet de l'invention, - La Figure 3 est un schéma d'une architecture de montage en série du dispositif objet de l'invention et - La Figure 4 est un schéma d'une architecture de montage en parallèle du dispositif objet de l'invention. Description détaillée de l'invention On note que les figures ne sont pas à l'échelle. En relation avec les figures, on décrit ci-dessous un mode de réalisation d'un dispositif 111 modulaire de cadre conducteur de puissance pour batterie de véhicule automobile. La batterie est plus particulièrement destinée à alimenter un moteur électrique de traction d'un véhicule automobile, qu'il s'agisse d'un véhicule électrique ou de type hybride électrique - thermique. Une batterie électrique comprend une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique formés d'au moins une cellule 100 électrochimique qui est conditionnée dans une enveloppe 126 étanche souple. Les cellules 100 électrochimiques peuvent être, par exemple, de type Lithium - ion ou Lithium - polymère. Une cellule 100 électrochimique présente une géométrie prismatique et comprend un empilement plan de couches électro actives isolées par un séparateur, agissant successivement comme cathodes et anodes, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. Par ailleurs, deux bornes 120, 122 s'étendent au-delà de l'enveloppe 126 pour permettre la connexion électrique de ladite cellule 100. On note que ces deux bornes 120, 122 de contact peuvent être situées sur des côtés opposés de la cellule 100 ou sur le même côté. Par la suite nous allons décrire un exemple de réalisation de l'invention dans lequel les bornes 120, 122 de contact sont situées sur deux côtés opposés de la cellule 100. L'enveloppe 126 comprend deux feuilles dont les bords supérieurs, latéraux et inférieurs sont thermo-soudés l'un sur l'autre. En particulier, les feuilles sont formées par un film multicouche qui est disposé autour de l'empilement de couches électro actives, lesdites feuilles venant envelopper ledit empilement, notamment en réalisant le vide à l'intérieur de l'enveloppe préalablement au thermo-soudage. Par ailleurs, le film est optimisé pour résister aux agressions d'électrolytes et de solvants, le thermo-soudage étant agencé pour résister aux agressions de l'air et de l'humidité afin d'assurer la longévité de la cellule 100 électrochimique. En effet, les chimies des cellules Lithium - ion ou Lithium - polymère sont sensibles à l'eau et l'air qui conduisent à des oxydations prématurées et se traduisant par une augmentation des résistances internes et de la pression à l'intérieur de l'enveloppe. Les cellules 100 souples en sachet présentent une faiblesse structurelle due aux propriétés recherchées. Notamment, ces cellules 100 peuvent subir une expansion en cas d'échauffement. De ce fait les cellules en sachet souple doivent être maintenues et protégées afin de pouvoir être utilisées en sécurité. Le dispositif 111 objet de l'invention permet d'assurer le conditionnement mécanique des cellules 100 en sachet souple. En effet, le cadre du dispositif 111 forme un corps structurel. Par structurel, on entend que le cadre assure la tenue mécanique des éléments générateurs, notamment relativement aux contraintes de crashs tests en vigueur dans l'industrie automobile mais également relativement aux autres formes de sollicitations mécaniques que la batterie a à subir dans une automobile. En référence à la figure 1, le dispositif 111 modulaire de cadre objet de l'invention est composé de deux éléments 101 et 102, respectivement mâle et femelle. Chacun de ces deux éléments 101, 102 comportent une ouverture 105 centrale symétrique. Ces deux parties permettent, après l'assemblage, de renforcer, de maintenir et de protéger la faible structure mécanique d'une cellule 100 souple en sachet. L'architecture proposée est composée de deux parties qui intègrent directement la liaison de puissance électrique entre les cellules. La sécurité est assurée grâce à la séparation des bornes 120, 122 de puissance sur des côtés opposés de la cellule 100. Des blocs des barres omnibus 130 sont intégrés dans le cadre composé des éléments 101 et 102. Ces blocs de barres omnibus 130 sont isolés sur les faces supérieures 144 et inferieures 142 et accessibles sur les faces 140 intérieures afin d'assurer la liaison électrique de puissance. Grâce au cadre multifonctions, on diminue le temps de montage. De 10 plus, le montage est facilité aux endroits délicats où la puissance est disponible et les risques électriques sont grands. La figure 2 illustre par un logigramme les étapes du procédé de montage d'un dispositif objet de l'invention. Dans une première étape 21, la cellule en sachet souple est insérée 15 entre les éléments 101, 102 mâle et femelle du cadre. Plus précisément, elle s'insère au niveau de l'ouverture 105 centrale de chacun des deux éléments 101, 102. Ensuite dans une étape 22, les éléments du cadre sont assemblés avec la cellule en sachet souple de manière à former un dispositif 111. 20 On note que dans la suite de la description on utilise indifféremment les termes « dispositif » et « module » L'assemblage de ce module ne nécessite pas d'outillage spécifique. Les deux parties du cadre peuvent être assemblées par vissage dans les endroits isolés du cadre prévus à cet effet. 25 Dans une variante de réalisation de l'invention, les deux parties du cadre sont assemblées par soudure au laser. La soudure au laser permet d'assurer un meilleur contact électrique. Dans une troisième étape 23, le module 111 formé est monté entre avec d'autres modules 111 afin de constituer un élément générateur d'énergie 30 électrique d'une batterie. En effet, les cellules 111 maintenues par leurs cadres respectifs doivent être assemblées pour former un système complet. Le dispositif objet de l'invention a une architecture qui permet un montage modulable. C'est-à-dire qu'il permet, en utilisant les même éléments d'assembler sans difficulté les cellules 100 en série et/ou en parallèle. Comme le montre les figures 3 et 4, ceci peut être fait simplement, en utilisant les mêmes éléments, notamment le même cadre 101, 102, que l'on retourne en fonction du type de montage souhaité. Par exemple, comme illustré en figure 3, un montage 340 en série peut être réalisé en alternant successivement des modules 111 avec les deux bornes 120, 122 électriques positionnées dans un sens puis dans le sens contraire alternativement, et une membrane isolante 330 permettant la liaison en puissance à l'endroit où cela est souhaité. La figure 3 montre de manière schématique un tel montage en série. Un autre exemple est illustré par la figure 4 qui représente un montage 360 en parallèle. Ce type de montage est effectué en assemblant les modules 111 placés tous dans le même sens, c'est-à-dire avec leurs bornes 120, 122 électriques positionnées dans le même sens. Le dispositif objet de la présente invention permet d'ajouter librement des éléments électrochimiques. Sa capacité à évoluer est particulièrement avantageuse lors du développement de batterie pour plusieurs applications.20 REVENDICATIONS1 - Dispositif (111) modulaire de cadre conducteur de puissance pour batterie de véhicule automobile, ladite batterie étant du type comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique formés d'au moins une cellule (100) électrochimique qui est conditionnée dans une enveloppe (126) étanche souple, ledit dispositif (111) comprenant : - au moins une cellule (100) en sachet souple, ladite cellule (100) comprenant deux bornes (120, 122) de contact électrique, et - un cadre conducteur de puissance comprenant au moins deux éléments (101, 102), entre lesquels s'insère la cellule (100) en sachet souple, et ses bornes (120, 122) de contact, ledit dispositif étant caractérisé en ce que chaque élément (101, 102) du cadre de puissance comprend un moyen (130) de conduction de puissance électrique, ledit moyen (130) de conduction de puissance électrique ayant une surface (140) conductrice en contact des bornes (120, 122), les autres surfaces (144, 142) étant isolantes. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cellule (100) en sachet souple comprend deux bornes (120, 122) de contact électrique situées sur des côtés opposés de la cellule (100). 3 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cellule (100) en sachet souple comprend deux bornes (120, 122) de contact électrique situées sur un même côté de la cellule (100). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens (130) de conduction du courant sont des barres omnibus. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments 30 (101, 102) du cadre sont symétriques et comprennent une ouverture (105) centrale.25 6 - Procédé de montage d'un dispositif (111) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (21) d'insertion de la cellule (100) en sachet souple entre les éléments (101, 102) du cadre, - une étape (22) d'assemblage des éléments (101, 102) du cadre avec la cellule (100) en sachet souple, et une étape (23) de montage en série et/ou en parallèle du dispositif (111) formé avec d'autres dispositifs (111) afin de constituer un élément générateur d'énergie électrique d'une batterie. 7 - Procédé selon la revendication 6, dans lequel, au cours de l'étape (23) de montage, les modules (111) sont montés en série, ledit montage comprenant l'assemblage alternativement d'un dispositif (111) et d'une membrane (330) isolante, ladite membrane (330) isolante étant apte à laisser passer le courant à un endroit prédéterminé. 8 - Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel, dans l'étape (23) de montage du dispositif (111) avec d'autres dispositifs (111), les dispositifs (111) sont montés en série, le montage en série des dispositifs (111) comprenant l'assemblage en alternance d'un dispositif (111) et d'une membrane isolante, ladite membrane isolante étant apte à laisser passer le courant à un endroit prédéterminé. 9 - Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel, au cours de l'étape (23) de montage du dispositif (111) avec d'autres dispositifs(111), les dispositifs (111) sont montés en parallèle. 10 - Batterie de véhicule automobile qui comprend au moins un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5.