Brevet FR3094578A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Dispositif de connexion de puissance pour batterie électrique et ensemble de connexion comprenant ce dispositif. Domaine technique 100011 L'invention concerne le domaine de la connectique pour batterie. Par exemple, l'invention concerne des dispositifs de connexion permettant de connecter entre elles des cellules de batteries et notamment des cellules de batterie pour véhicules automobiles électriques ou hybrides rechargeables. Etat de la technique [0002] Les batteries actuelles pour les véhicules automobiles électriques et hybrides re- chargeables sont composées de paquets de cellules. Les cellules au sein de ces paquets ou entre les paquets sont reliées à l'aide de barres de connexion conductrices de courant (« busbars » en anglais) vissées sur les cellules à l'aide d'un système de vis et d'écrous. Pour augmenter l'autonomie des véhicules, une solution consiste à augmenter le nombre de cellules interconnectées. Ceci conduit donc à une augmentation du nombre d'écrous à visser et a pour conséquences notamment d'augmenter le temps de montage, ainsi que le risque de voir une barre de connexion mal vissée, donc mal connectée (le nombre de tours de vis, le couple de vissage, etc. ne sont pas des paramètres aisément contrôlables). En outre, la technologie actuelle n'offre pas beaucoup de flexibilité en termes de tolérances. Par ailleurs, étant donné le prix élevé des batteries dans ce type de véhicule, les problèmes de qualité qui peuvent conduire à devoir changer de batterie, doivent être évités. [0003] L'invention vise à réduire, au moins partiellement, au moins l'un des inconvénients mentionnés ci-dessus. Résumé de l'invention [0004] A cette fin, il est proposé selon l'invention un dispositif de connexion de puissance pour batterie électrique. Ce dispositif comprend une barre de connexion, au moins une cage et au moins une pastille de contact. Chaque cage comprend elle-même deux parois (une première et une deuxième parois) essentiellement parallèles entre elles et en vis-à-vis. Chaque cage comporte également des moyens élastiques (par exemple, ces moyens élastiques comprennent une lame élastique s'écartant de l'une des parois et adaptée pour retenir et comprimer les uns sur les autres des éléments introduits dans la cage). La banc de connexion conductrice de courant comprend au moins une extrémité introduite dans une cage. Par exemple, au niveau de cette extrémité libre, la barre de connexion conductrice de courant est placée à côté de l'une des deux parois de cette 2 cage (la première paroi), et/ou contre cette paroi, en laissant un espace entre la barre de connexion et l'autre paroi (la deuxième paroi) de cette cage. Chaque pastille de contact est formée dans un métal électriquement conducteur. Chaque pastille de contact est solidaire de la barre de connexion conductrice de courant, au niveau de son extrémité introduite dans la cage. Chaque pastille de contact fait saillie, dans ledit espace, sur une surface de la barre de connexion conductrice de courant, en direction de l'autre paroi de la cage (la deuxième paroi). Les moyens élastiques sont adaptés pour serrer contre une pastille de contact, au moins une portion d'une languette introduite dans la cage entre cette pastille de contact et la deuxième paroi. [0005] Ainsi, une languette conductrice saillante sur une cellule de batterie peut être in- troduite dans une cage, dans l'espace situé entre une pastille de contact et la paroi qui lui fait face. Cette languette se trouve alors maintenue dans la cage et poussée par les moyens élastiques contre la pastille de contact. [0006] Une connexion électrique est ainsi réalisée entre la languette et la barre de connexion, par l'intermédiaire de la pastille de contact, et ceci sans avoir recours à un système de vis et d'écrou. [0007] En outre, une cage peut être constituée d'un premier matériau choisi pour ses propriétés mécaniques et sa rigidité en particulier. La barre de connexion et la pastille de contact peuvent être réalisées dans un deuxième matériau choisi pour ses propriétés de conduction électrique. [0008] Le dispositif de connexion selon l'invention comporte éventuellement l'une et/ou l'autre (les caractéristiques suivantes considérées chacune indépendamment l'une de l'autre ou en combinaison d'une ou plusieurs autres : [0009] - chaque pastille est formée dans un cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit (« IACS » ou « International Annealed Copper Standard » en anglais) ; [0010] - chaque pastille comporte une zone de contact recouverte d'une couche d'argent dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 10 micromètres, et plus préférentiellement entre 3 et 5 micromètres ; [0011] - chaque pastille présente une nervure torique s'étendant dans un plan essentiellement parallèle aux première et deuxième parois de la cage ; [0012] - la nervure torique a un diamètre supérieur à 3 millimètres, préférentiellement supérieur à 6 millimètres, par exemple approximativement égal à 8 millimètres ; [0013] - la barre de connexion est constituée de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit ; [0014] - la barre de connexion est formée de plusieurs lames empilées les unes sur les autres selon son épaisseur ; [0015] - la barre de connexion comporte au moins une portion flexible prolongeant son 3 extrémité introduite dans une cage, cette portion flexible comprenant au moins un coude ; [0016] - chaque pastille est introduite à force dans un ouverture ménagée dans la barre de connexion conductrice de courant ; [0017] - chaque cage est formée en acier inoxydable ; et [0018] - chaque cage est formée dans une tôle dont l'épaisseur est comprise entre 400 et 1200 micromètres, par exemple elle est supérieure ou égale à 800 micromètres. [0019] Selon un autre aspect, l'invention concerne un ensemble de connexion comprenant un dispositif de connexion tel que mentionné ci-dessus et une languette électriquement reliée à une cellule de batterie. La languette est introduite dans une cage entre sa pastille de contact et la paroi de cette cage opposée à celle contre laquelle est placée l'extrémité de la barre de connexion conductrice de courant, les moyens élastiques maintenant au moins une portion de la languette introduite dans cette cage, serrée contre la pastille de contact correspondante. [0020] Eventuellement, la languette introduite dans la cage est formée dans un cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. Brève description des dessins [0021] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : [0022] [fig.1] représente schématiquement en perspective deux cellules de batterie reliées entre elles par un exemple de dispositif dc connexion conforme à l'invention ; [0023] W8.21 représente schématiquement en perspective la barre de connexion conductrice de courant du dispositif de connexion représenté sur la figure 1, cette barre de connexion étant munie d'une cage, à chacune de ses extrémités longitudinales ; [0024] [fig.3] représente schématiquement en perspective une extrémité de la barre dc connexion de la figure 2 munit d'une cage ; [0025] [fig.4] représente schématiquement en perspective une cage telle que celle montée sur la barre de connexion des figures 2 et 3 ; [0026] W8.51 représente schématiquement en perspective et dc manière éclatée, une extrémité de la barre de connexion des figures 2 et 3, avec une pastille de contact destinée à être montée sur celle-ci ; [0027] [fig.6] représente schématiquement en perspective une pastille de contact de la figure 5; [0028] [fig.7] représente schématiquement en coupe la pastille de contact de la figure 6 ; et [0029] [fig.8] représente schématiquement en coupe en partie de l'ensemble de connexion de la figure 1 avec une languette introduite dans une cage. Description détaillée [0030] Un exemple de mode de réalisation d'un ensemble de connexion selon l'invention est représenté sur la figure 1. Selon cet exemple, l'ensemble de connexion relie électriquement deux pôles respectivement positif et négatif de deux cellules de batterie 2. L'ensemble de connexion 1 comporte un dispositif de connexion 1 et deux languettes 15 (voir une languette 15 sur la figure 8). Il comporte également différents éléments de boîtier 3 destinés notamment à lui conférer une protection conforme à la norme IP2X. En effet, à l'intérieur du boîtier 3 se trouvent une barre de connexion 4 conductrice de courant munie d'une cage 5 à chacune de ses extrémités longitudinales (voir figure 2 sur la figure 2, une seule cage 5 est représentée). L'une de ces extrémités est représentée avec plus de détails et sous un autre angle sur la figure 3. [0031] Chaque cage est formée par découpe et estampage à partir d'une tôle d'acier in- oxydable d'un millimètre d'épaisseur. Comme représenté sur la figure 4, elle présente une forme globale en « U » avec deux parois principales 6, 7 (correspondant aux branches du « U ») et une paroi de liaison 8 (correspondant au fond du « U »). Les deux parois principales 6, 7 sont essentiellement parallèles. La paroi de liaison 8 s'étend essentiellement dans un plan perpendiculaire aux parois principales 6, 7. La paroi de liaison 8 relie entre elles les deux parois principales 6,7. La cage 5 comporte un bord supérieur 9 et un bord inférieur 10 s'étendant chacun respectivement dans un plan essentiellement perpendiculaire aux parois principales 6, 7 et à la paroi de liaison 8. [0032] Une première paroi principale 6 comporte, à proximité des bords supérieur 9 et inférieur 10 de la cage 5, un crochet 11 revenant vers l'intérieur de la cage. Au niveau du bord inférieur 10, la cage 5 comporte également un ergot 12 s'étendant, à partir de la première paroi 6, vers l'intérieur de la cage 5. Alternativement, selon une variante non-représentée, la première paroi principale 6 comporte, sur un côté, un rebord s'étendant parallèlement à la paroi de liaison 8 et en face de celle-ci, et revient vers l'intérieur de la cage 5. [0033] Une deuxième paroi principale 7 comporte des moyens élastiques. Plus particu- lièrement, une lame élastique 13 rectangulaire ou carrée est découpée dans cette deuxième paroi 7 sur trois côtés et demeure retenue à la deuxième paroi 7 sur un quatrième côté 14 qui n'est pas découpé. Ce quatrième côté 14 est essentiellement parallèle au bord inférieur 10 de la cage 5 et est situé vers ce bord inférieur 10. La lame élastique 13 est courbée, à partir de ce quatrième côté 14 vers l'intérieur de la cage 5, puis recourbée à nouveau vers la deuxième paroi 7. Ainsi, une languette 15 introduite dans la cage 5 peut faire pression sur la lame élastique 13 de manière à l'aplatir vers la deuxième paroi 7 et/ou la repousser dans la découpe qui a été réalisée dans la deuxième paroi 7 pour former la lame élastique 13 (voir aussi la figure 8). [0034] La barre de connexion 4 est formée de plusieurs couches 16 disposées les unes sur les autres (voir la figure 3). Par exemple, elle est constituée de six couches 16. La technologie mise en oeuvre pour la réalisation de cette barre dc connexion est par exemple du type de celle décrite dans la demande de brevet européen déposé sous le numéro EP17207129. La largeur LB de la barre de connexion 4 est comprise entre 15 et 25 millimètres. Préférentiellement, elle a une largeur LB de 23 millimètres. L'épaisseur EB de la barre de connexion est de l'ordre de 3 millimètres. Chacune des couches 16 est composée de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. Ainsi, elle est adaptée pour conduire un courant de 400 Ampères sans générer un échauffement supérieur à 65°C. [0035] La barre de connexion 4 comporte une extrémité libre avec une portion dc connexion, correspondant à la portion de la barre de connexion 17 introduite dans la cage 5 (voir la figure 2). La barre de connexion 4 comporte également une portion flexible 18 prolongeant la portion de connexion 17, à l'extérieur de la cage 5. Cette portion flexible 18 comprend au moins un coude 19. Par exemple, la portion flexible 18 comporte un pli 19, à 180', en forme dc « U », de manière à cc qu'une portion droite 20 revienne vers la cage 5 (voir la figure 3). Cette portion droite est essentiellement parallèle à la première paroi 6, dans un plan plan passant à l'extérieur de la cage 5, et à l'opposé, par rapport à la première paroi 6, de celui dans lequel s'étend la deuxième paroi 7. [0036] A proximité du bord supérieur 9 de la cage 5, la portion droite 20 se poursuit par un autre pli 21 à environ 45° de la portion droite 20, en éloignement de la cage 5. Cette configuration de la barre de connexion 4 lui confère une certaine flexibilité d'accommoder des variations de positions des cellules 2 les unes par rapport aux autres. Ceci permet donc de s'assurer du bon positionnement d'une languette 15 de batterie dans la cage 5 et donc du bon contact électrique de cette languette 15 et la ban-e de connexion 4. Ceci quelles que soient les tolérances sur le positionnement des cellules 2 dans la batterie (des tolérances de quelques millimètres, par exemple de l'ordre de plus ou moins 2 millimètres, peuvent être compensées grâce à la flexibilité de la ban-e de connexion 4). [0037] La barre de connexion 4 comporte une ouverture 22 au niveau de sa portion de connexion 17 (voir la figure 5). Il s'agit d'un trou cylindrique avec un axe AS de symétrie cylindrique essentiellement perpendiculaire au plan de la portion de connexion 17. Ce trou traverse toutes les couches 16 constitutives de la barre de connexion 4. [0038] Une pastille de contact 23 est insérée dans l'ouverture 22. La pastille 23 a une forme cylindrique de révolution autour d'un axe de central (colinéaire avec l'axe AS de 6 symétrie de l'ouverture 22). Elle comporte une face avant 24, une face arrière 25 et une paroi externe cylindrique 26 s'étendant entre la face arrière 25 et la face avant 24 (voir les figures 6 et 7). La paroi cylindrique a une longueur LP suffisante pour être en contact avec chacune des couches 16 de la barre de connexion 4 de manière à ce que les lignes de courant se distribuent le plus uniformément possible entre la pastille de contact 23 et chacune des couches 16. Par exemple, la paroi cylindrique a une longueur LP de l'ordre de 3 millimètres (c'est-à-dire selon une direction parallèle à l'axe central AS). La face avant 24 est obturée par un disque dont l'épaisseur ED est de l'ordre de 2 millimètres (c'est-à-dire selon une direction parallèle à l'axe central AS). La face avant 24 comporte une nervure 27 torique s'étendant sur une distance DN de l'ordre de 1 millimètre, à partir de la face avant 24 selon une direction parallèle à l'axe central AS. Le sommet de la nervure est aplati ou arrondi. Par exemple, il est arrondi avec une courbure de l'ordre de 1,5 millimètres. [0039] La nervure 27 s'étend de manière circulaire autour de l'axe central AS sur une longueur LN supérieure ou égale à 24 millimètres par exemple. La nervure 27 a par exemple un diamètre de 8 millimètres. [0040] La pastille 23 est composée de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit (mais il faut noter qu'avec un alliage de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 50% selon la norme internationale du cuivre recuit, il serait possible d'obtenir aussi des résultats acceptables). Elle est recouverte, au moins au niveau de la nervure 27 d'une couche d'argent électrodéposée de 1,5 à 5 micromètres, et avantageusement supérieure à 3 micromètres. Ainsi, la résistance de contact entre la pastille 23 et une languette 15 introduite dans la cage 5 et pressée contre la pastille 23 avec une force normale de 60 newtons, est de l'ordre de 6 à 10 micro-ohms (pour l'exemple décrit, on cherche à obtenir une pression de Hertz de 100 à 200 MPa). [0041] La pastille 23 est insérée à force dans l'ouverture 22 réalisée dans la portion de connexion 17. Ainsi, la surface cylindrique externe de la pastille 23 est au contact de chacune des couches 16 constitutives de la barre de connexion 4. Les lignes de courant traversant la pastille 23 peuvent donc se répartir clans les différentes couches 16. La distribution circulaire des lignes de courant autour de la paroi externe cylindrique 26 est également un facteur influant positivement en réduisant la résistance de constriction. La technologie utilisée, comprenant l'insertion à force de la pastille 23 de manière ajustée dans l'ouverture 22, elle-même réalisée par perforation des couches 16 par poinçonnage, est une technologie relativement simple à mettre en oeuvre industriellement (en comparaison d'une soudure électrique ou par ultrasons), et permet en outre d'optimiser la distribution des lignes de courant dans la ban-e de connexion. Toutefois, alternativement, d'autres technologies (soudure d'une pastille, déformation 7 d'au moins l'une des couches 16 pour former en quelque sorte une pastille 23 venue de matière avec la barre de connexion 4, etc.) restent envisageables selon des variantes de l' invention. [0042] La portion de connexion 17, munit d'une pastille 23 est introduite dans la cage 5, par le bord supérieur 9. La barre de connexion 4 est maintenue dans la cage 5 grâce aux crochets 11 (coopérant éventuellement avec des encoches formées dans la barre de connexion 4) et à l'ergot 12, contre la première paroi 6. Les crochets 11 permettent d'agrafer la barre de connexion 4 dans la cage 5. [0043] On obtient alors le dispositif de connexion 1 dont une partie est représentée sur la figure 8. Dans la cage 5 de cc dispositif, un espace 28 est ménagé entre la barre de connexion 4 et la deuxième paroi 7. En outre, la pastille 23 fait saillie dans cet espace 28. Ainsi, lorsqu'une languette 15 est introduite dans cet espace 28, au niveau du bord inférieur 10 de la cage 5, elle interagit d'une part avec la lame élastique 13 et d'autre part avec la nervure 27 de la pastille 23 sur laquelle elle est pressée par la lame élastique 13. La lame élastique 13 est adaptée pour appliquer une force de 60 Newtons sur la languette 15. [0044] Comme indiqué ci-dessus la cage 5 est formée dans un une tôle d'acier inoxydable, tandis que la pastille 23 est formée dans du cuivre ayant un haut degré de pureté. L'acier inoxydable est mécaniquement plus rigide que le cuivre (relativement ductile) niais il est moins bon conducteur que du cuivre ayant un haut degré de pureté. Selon l'invention, on peut donc bénéficier d'une cage 5 rigide qui permet d'assurer une force de contact élevée, mais ne qui ne participe pas à la conduction électrique, et d'une bonne connexion électrique entre la pastille 23 et la languette 15 d'une part, et entre la pastille 23 et la barre de connexion 4, d'autre part. En outre, le dépôt d'une couche d'argent, qui améliore encore la conductivité au niveau du contact entre la nervure 27 et la languette 15, est limité à la pastille 23 de manière à limiter le coût de fabrication du dispositif selon l'invention, si une telle couche d'argent est utilisée. [0045] En outre, un autre découplage est réalisé entre des fonctions, d'une part, de la cage 5 qui maintient de manière rigide, l'une sur l'autre, la barre de connexion 4 et une languette 15, avec une force normale élevée, et d'autre part, de la barre de connexion 4 qui, avec sa portion flexible 18 permet d'accommoder les tolérances. [0046] La connexion électrique, au niveau de l'ensemble de connexion, entre le dispositif de connexion 1 et la languette 15 peut être encore améliorée si la languette 15 est constituée de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. Le courant circule alors dans cet ensemble de connexion à travers des éléments constitués de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif de connexion de puissance pour batterie électrique comprenant - au moins unc cage (5) comprenant une première (6) et une deuxième (7) parois en vis-à-vis, ainsi que des moyens élastiques (13), - unc barre de connexion (4) conductrice de courant comprenant au moins unc extrémité introduite dans une cage (5) en laissant un espace (28) entre la barre de connexion (4) et la deuxième paroi (7), caractérisé par le fait qu'il comprend en outre au moins une pastille (23) de contact formée dans un métal électriquement conducteur, solidaire de la barre de connexion (4), au niveau de son extrémité introduite dans la cage (5), cette pastille (23) faisant saillie sur une face de la barre de connexion (4), en direction de la deuxième paroi (7) de la cage (5), les moyens élastiques (13) étant adaptés pour serrer contre la pastille (23) de contact, au moins une portion d'une languette (15) introduite dans la cage (5) entre la pastille (23) de contact et la deuxième paroi (7). [Revendication 2] Dispositif de connexion selon la revendication 1, dans lequel la pastille (23) est formée dans un cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. [Revendication 3] Dispositif de connexion selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la pastille (23) comporte une zone de contact (27) recouverte d'une couche d'argent dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 10 micromètres et plus préférentiellement entre 3 et 5 micromètres. [Revendication 4] Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pastille (23) présente une nervure (27) torique s'étendant dans un plan essentiellement parallèle aux première (6) et deuxième (7) parois de la cage (5). [Revendication 5] Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la barre de connexion (4) est constituée de cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit. [Revendication 6] Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la barre de connexion (4) est formée de plusieurs lames (16) empilées les unes sur les autres selon son épaisseur. [Revendication 7] Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la barre de connexion (4) comporte au moins une portion flexible (18) prolongeant son extrémité introduite dans la cage (5), cette 9 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] portion flexible (18) comprenant au moins un coude (19, 21). Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pastille (23) est introduite à force dans l'ouverture (22) ménagée dans la barre de connexion (4). Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cage (5) est formée en acier inoxydable. Dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cage (5) est formée dans une tôle dont l'épaisseur est supérieure ou égale à 800 micromètres. Ensemble de connexion comprenant un dispositif de connexion selon l'une des revendications précédentes et une languette (15) introduite dans la cage (5) entre la pastille (23) et la paroi (7) de la cage (5) opposée à celle contre laquelle est placée l'extrémité de la barre de connexion (4). Ensemble de connexion selon la revendication précédente, dans lequel la languette (15) est formée dans un cuivre ayant un taux de pureté supérieur à 99% selon la norme internationale du cuivre recuit.