Brevet FR3095898A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : Procédé et système de caractérisation mécanique du godet d'une batterie Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un procédé et à un système de caractérisation mécanique du godet d'une batterie. La solution de l'invention sera notamment adaptée pour la caractérisation mécanique du godet d'une batterie au lithium de type 18650. Etat de la technique [0002] La batterie secondaire au lithium la plus couramment utilisée est mieux connue sous la référence 18650. Une telle batterie est par exemple décrite dans le brevet US8323825B2. [0003] Elle comporte un conteneur, appelé godet, de forme cylindrique, dans lequel est placé un rouleau, également appelé bobinot, rassemblant les deux électrodes. Un électrolyte est ensuite injecté dans ledit godet. Le godet est obturé à son extrémité inférieure par une plaque de fermeture et à son extrémité supérieure par un capuchon apposé de manière hermétique. [0004] Une telle batterie au lithium est étanche et dispose généralement de dispositifs de protection portés par son capuchon afin d'empêcher son explosion dans des cas d'utilisations abusives (en température ou en charge). Ces dispositifs de protection sont notamment les suivants : Un dispositif d'interruption de courant (CiD - Pour "Current Interrupt Device ) qui interrompt le courant en cas de surpression dans le godet, sans effet sur cette pression ; Un évent de surpression réalisé généralement sous la forme d'un disque de rupture qui permet de relâcher les gaz, afin d'empêcher une explosion ; Enfin le godet lui-même est généralement fragilisé afin de s'ouvrir dans des conditions optimales pour prévenir une explosion trop violente ; [0005] Aujourd'hui, il n'existe pas de solutions qui permettent de caractériser de manière simple la fiabilité de ces dispositifs de protection. Les systèmes employés sont souvent encombrants et pas forcément fiables. [0006] Le but de l'invention est donc de proposer à la fois un procédé et un système permettant de caractériser certaines propriétés mécaniques d'une batterie au lithium telle que décrite ci-dessus, notamment la résistance à la pression de son dispositif d'interruption de courant et la résistance à la pression de son évent. Le système employé est simple à mettre en oeuvre, fiable et permet d'obtenir une bonne reproductibilité dans les tests. 2 Exposé de l'invention [0007] Ce but est atteint par un procédé de caractérisation mécanique du godet d'une batterie qui comporte deux bornes électriques, ledit godet définissant un volume interne cylindrique et comportant une première extrémité destinée à être préalablement découpée pour accéder audit volume interne et une deuxième extrémité portant un évent de surpression et un dispositif d'interruption de courant qui est connecté entre ses deux bornes électriques, ledit procédé comportant les étapes suivantes : Connexion hermétique de moyens d'injection d'un fluide non compressible au volume interne dudit godet, Injection du fluide dans le volume interne dudit godet à une pression croissante grâce à dcs moyens dc réglage dc pression du fluide injecté, Mesure de la pression du fluide injecté dans le volume interne du godet lors de l'injection de fluide à pression croissante. Mesure de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption dc courant lors de l'injection de fluide à pression croissante, Acquisition dc la pression de fluide mesurée et de la tension électrique mesurée. [0008] Selon une particularité, le procédé comporte unc étape de détermination d'une première valeur de pression correspondant à la pression d'ouverture du dispositif interrupteur dc courant, ladite première valeur de pression étant déterminée en détectant une augmentation brusque de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant. [0009] Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de détermination d'une deuxième valeur de pression correspondant à la pression de rupture de l'évent, ladite deuxième valeur de pression étant déterminée en détectant une chute brusque de la pression dc fluide injecté dans le godet. [0010] L'invention concerne également un système de caractérisation mécanique du godet d'une batterie comprenant dcux bornes électriques, ledit godet définissant un volume interne cylindrique et comportant une première extrémité destinée à être préalablement découpée pour accéder audit volume interne et une deuxième extrémité portant un évent de surpression et un dispositif d'interruption de courant (151) qui est connecté entre ses deux bornes électriques, ledit système comportant : Des moyens d'injection d'un fluide non compressible dans ledit godet, destinés à être connectés de manière hermétique audit volume interne du godet par son extrémité préalablement découpée, Des moyens de réglage de la pression du fluide à injecter dans le volume interne du godet, 3 Des moyens de mesure de la pression du fluide injecté clans le volume interne du godet, Des moyens de mesure de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant, Des moyens d'acquisition et de traitement de la pression mesurée et de la tension mesurée. [0011] Selon une particularité, les moyens de mesure de la tension électrique comportent un ressort en V destiné à être inséré dans le volume interne du godet et agencé pour assurer une continuité électrique entre les deux bornes électriques. [0012] Selon une autre particularité, les moyens d'injection du fluide comportent une pompe reliée à un réservoir de fluide à injecter. [0013] Selon une autre particularité, les moyens d'injection du fluide comportent des moyens de connexion mécanique destinés à être agencés sur le godet. [0014] Selon une autre particularité, les moyens d'acquisition et de traitement comportent un module de traitement configure pour déterminer une première valeur de pression correspondant à la pression d'ouverture du dispositif interrupteur de courant, ladite première valeur de pression tant déterminée en détectant une augmentation brusque de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant. [0015] Selon une autre particularité, le module de traitement est configure pour déterminer une deuxième valeur de pression correspondant à la pression de rupture de l'évent, ladite deuxième valeur de pression étant déterminée en détectant une chute brusque de la pression de fluide injecté dans le godet. [0016] L'invention concerne enfin l'utilisation du système tel que défini ci-dessus, pour ca- ractériser mécaniquement le godet d'une batterie au lithium dont le godet est de forme cylindrique. La batterie au lithium peut notamment être de type 18650. Brève description des figures [0017] D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détailléc qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : [0018[ [fig.1] La figure 1 rcprésentc de manière schématique une batterie au lithium de type 18650; [0019] [fig.2A] [0020] [fig.213] Les figures 2A et 2B représentent respectivement, vus en perspective, un dispositif interrupteur de courant et un évent employés dans une batterie au lithium telle que représentée sur la figure 1; [0021] [fig.3] La figure 3 représente de manière schématique le système de caractérisation mécanique conforme à l'invention ; [0022] [fig.4] La figure 4 illustre les principales étapes qui peuvent être mises en oeuvre lors d'un test de caractérisation technique d'une batterie en employant le système de l'invention ; [0023] [fig.5] La figure 5 représente un diagramme de résultats obtenu grâce au système de caractérisation mécanique de l'invention ; Ce diagramme montre une première courbe de variation de la pression de fluide à l'intérieur du godet en fonction du temps et une deuxième courbe de variation de la tension aux bornes du dispositif d'interruption de courant de la batterie en fonction du temps ; [0024] Description détaillée d'au moins un mode de réalisation [0025] Dans la suite de la description, les termes "haut", "bas", "inférieur", "supérieur", "au- dessus", "au-dessous" sont à comprendre en se référant à l'axe (X) vertical représenté sur la figure 1. [0026] Le système de caractérisation mécanique d'une batterie conforme à l'invention est destiné à déterminer lors d'un unique test, la résistance à la pression du dispositif d'interruption de courant (appelé classiquement CiD) d'une batterie, et notamment d'une batterie secondaire, et la résistance à la pression de son évent. [0027] Le système est notamment adapté pour tester toutes batteries qui comportent ces deux éléments. [0028] Le système est décrit ci-dessous pour une batterie secondaire qui présente un godet de forme cylindrique mais il faut comprendre que, avec de légères modifications, celui-ci pourra être adapté pour tester tous types de batteries, pouvant notamment présenter un godet de formes différentes. [0029] Le système de l'invention est notamment parfait pour caractériser mécaniquement les éléments de protection (dispositif de protection CiD-Févent) d'une batterie secondaire au lithium plus connue sous la référence batterie 18650. [0030] En référence à la figure 1, une batterie secondaire au lithium classique de type 18650 présente une forme cylindrique à base circulaire. Une telle batterie est décrite dans le brevet US8323825B2 cité ci-dessus. [0031] Une telle batterie 1 au lithium comporte principalement un conteneur, appelé géné- ralement godet 10, de forme cylindrique. Ce godet 10 définit un volume interne 11 dans lequel sont placés les deux électrodes 12 (représentées par un unique ensemble sur la figure 1). Les deux électrodes 12 sont réalisées de part et d'autre d'une plaque isolante souple enroulée pour former un ensemble cylindrique venant se loger dans le godet 10. Un électrolyte est ensuite injecté dans le volume interne 11 du godet. Un insert central 16 peut être inséré axialemcnt dans le godet 10. La batterie comporte deux pattes de connexion 13, 14 reliées chacune à une électrode distincte. Sur sa partie supérieure, le godet 10 est refermé de manière hermétique par un capuchon 15. Ce capuchon 15 porte un empilement situé à l'intérieur du godet 10 et formé d'un évent 150, d'un dispositif interrupteur de courant 151, éventuellement d'une thermistance 152 de type CTP (a coefficient de température positif), et d'un capot 153 externe formant une première borne électrique de connexion de la batterie. [0032] Le dispositif interrupteur de courant 151 est actionné par l'évent 150 lorsque la pression des gaz présents à l'intérieur du godet 10 devient trop importante. Dans cette situation de pression excessive, l'évent 150 se déforme jusqu'à venir rompre le dispositif interrupteur de courant 151 situé au-dessus, entraînant alors l'interruption du courant électrique fourni. Si la pression des gaz présents à l'intérieur du godet continue d'augmenter, l'évent 150 peut se déformer jusqu'à sa rupture, de manière à permettre une libération des gaz vers l'extérieur. [0033] En référence à la figure 2A, de manière non limitative, le dispositif d'interruption de courant 151 peut se présenter sous la forme d'un anneau 154 coaxial avec l'axe (X), comprenant un pont 155 diamétral par lequel circule le courant électrique. Ce pont 155 est susceptible de rompre lorsque la pression dans le godet dépasse un certain seuil interrompant alors le courant électrique dans la batterie. [0034] Comme représenté sur la figure 2B, de manière non limitative, l'évent peut se présenter sous la forme d'un disque 156 coaxial avec l'axe (X) et comportant un profil bombé 157 formant une concavité vers l'intérieur de la batterie. Sous l'effet de la pression, ce profil bombé se déforme pour former un profil convexe vers l'extérieur, et lorsque la pression dépasse un certain seuil, l'évent se rompt sous l'effet de la pression des gaz. L'évent peut comporter une saignée 158 annulaire formant une amorce de rupture. [0035] Partant de cette architecture, le système 2 de l'invention, schématisé sur la figure 3, vise à caractériser mécaniquement le dispositif interrupteur de courant 151 et l'évent 150. Par caractériser mécaniquement, on entend que le système conforme à l'invention permet de déterminer une première valeur seuil de pression à partir de laquelle le dispositif interrupteur de courant 151 est activé et une deuxième valeur seuil de pression à partir de laquelle l'évent 150 se rompt. [0036] Le système 2 de caractérisation conforme à l'invention est utilisable à condition de préparer préalablement la batterie destinée à être testée. Avant sa préparation, pour des raisons de sécurité, il faudra s'assurer que la batterie est à OV. [0037] La préparation de la batterie 1 comporte ensuite plusieurs étapes. [0038] Une première étape consiste à couper transversalement l'extrémité inférieure du godet 10 (extrémité opposée à celle du capuchon 15) sur une longueur donnée (environ 6 lcm) afin d'accéder à son volume interne 11 et à vider son volume interne 11 des deux électrodes 12. La découpe sera effectuée au plus près de l'extrémité inférieure du godet 10. [0039] Une deuxième étape consiste à loger dans le volume interne du godet 10 un élément de connexion électrique permettant d'assurer une continuité électrique entre la borne positive formée par le capot 153 et la borne négative formée par la structure du godet 10 lui-même. Comme les deux électrodes ont été retirées, il est en effet nécessaire de conserver une continuité électrique entre les deux électrodes. Cet élément de connexion est avantageusement un ressort 3 en forme dc V venant s'insérer par sa pointe dans le volume interne 11 du godet 10 découpé. La pointe vient contacter la borne positive à travers le dispositif interrupteur de courant tandis que les deux branches libres du ressort viennent contacter par leur extrémité respective la paroi interne du godet 10. [0040] Deux clinquants de connexion électrique (non représentés) peuvent être prévues pour facilement se raccorder à la fois sur la borne positive (au niveau du capot 153) et sur la borne négative (la paroi du godet 10) de la batterie. [0041] Le godet 10 ainsi préparé est amené à être connecté sur le système 2 de l'invention. [0042] Le système 2 comporte des moyens d'injection d'un fluide 4 à l'intérieur du godet. Le fluide choisi devra être incompressible. A titre d'exemple, il peut s'agir d'eau ou d'huile. Le fluide choisi est placé dans une cuve 40 et une pompe 5 est chargée de le prélever pour l'injecter dans le volume interne 11 du godet 10. La pompe 5 peut être de tous types. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une pompe de calibration. [0043] Le système comporte des moyens 20 de connexion mécanique pour relier de manière hermétique le volume interne du godet 10 aux moyens d'injection de fluide 4. Ces moyens 20 de connexion peuvent comporter un ensemble de bagues assemblées entre elles pour assurer la liaison hermétique et permettre l'injection du fluide 4 dans un volume étanche, incluant le volume interne 11 du godet 10. [0044] Le système comporte des moyens 50 de réglage de la pression de fluide 4 injecté dans le volume interne du godet. [0045] Le système comporte des moyens de mesure de la pression de fluide injecté dans le godet. Ces moyens de mesure de pression comportent un capteur de pression 21. Le capteur de pression peut être positionné sur le circuit d'injection [0046] Le système comporte des moyens de mesure de la tension électrique entre les deux bornes électriques. Ces moyens de mesure de tension comportent un capteur de tension électrique 22. [0047] Le système comporte des moyens d'acquisition et de traitement UC des données de mesure de la pression de fluide injecté dans le volume interne 11 du godet 10, qui sont obtenues par le capteur de pression 21, et des données de mesure de la tension 7 électrique qui sont obtenues par le capteur de tension électrique 22. Ces moyens d'acquisition et de traitement UC peuvent comporter un ordinateur ou un automate programmable auquel sont connectés les capteurs. Ces moyens d'acquisition et de traitement comportent un module de traitement des données recueillies, destiné à générer des résultats R sous la forme de courbes de variation de la pression de fluide mesurée en fonction du temps et de variation de la tension électrique mesurée en fonction du temps. Le module de traitement peut également être configure pour déterminer automatiquement la valeur Vpl de pression d'ouverture du dispositif d'interruption de courant 151 et la valeur Vp2 de pression de rupture de l'évent 150. [0048] Partant de ces caractéristiques, en référence à la figure 4, le fonctionnement du système 2 quit les étapes suivantes : [0049] Etape El : Il s'agit de l'étape générale de préparation de la batterie à tester. Comme indiqué ci-dessus, la préparation consiste à : Découper le godet 10 de la batterie, Vider le godet 10 des électrodes 12 et de l'électrolyte ; Y insérer le ressort 3 de connexion électrique, pour assurer la continuité électrique ; Y apposer les deux clinquants de connexion électrique pour permettre la connexion d'un générateur G de tension ; Le générateur de tension est réglé pour appliquer une tension de 1V environ entre ses deux bornes ; [0050] Etape E2: Il s'agit d'une étape d'installation de la batterie 1 préparée sur le système de l'invention. Cette étape consiste à: Raccorder mécaniquement le godet 10 aux moyens d'injection de fluide jusqu'à obtenir une connexion hermétique entre le volume interne 11 du godet et les moyens d'injection ; Connecter le générateur G de tension aux deux clinquants de connexion pour y faire passer un courant, ce courant étant choisi faible ; Tant que le dispositif d'interruption de courant 151 est en état, la tension électrique entre les deux bornes électriques est nulle ; Connecter le capteur de pression 21 et le capteur de tension électrique aux moyens d'acquisition et de traitement UC ; Eventuellement évacuer les bulles d'air présentes dans le godet 10, générées suite à la connexion hermétique avec les moyens de connexion mécanique ; [0051] Etape E3 : il s'agit de l'étape de test proprement dite. Cette étape de test consiste à: Injecter le fluide 4 dans le godet par action de la pompe 5 ; Faire monter progressivement la pression de fluide injecté dans le godet à l'aide des moyens 50 de réglage de la pression associés à la pompe 5 ; La montée en pression doit être réalisée par paliers successifs (par exemple de 0.5 8 bar) à partir d'un certain niveau de pression pour s'assurer de bien capturer la pression d'ouverture du dispositif d'interruption de courant 151 et la pression de rupture de l'évent 150; Au-delà d'une première valeur de pression Vpl, le dispositif interrupteur de courant 151 se rompt, cette rupture étant détectée par une montée brusque de la tension électrique ; La tension de rupture peut alors être corrélée à la première valeur de pression Vpl mesurée ; Au-delà d'une deuxième valeur de pression Vp2 (en théorie supérieure à la première valeur Vpl ), l'évent 150 se rompt à son tour, cette rupture étant détectée par une chute brusque de la pression de fluide 4 injecté ; La deuxième valeur Vp2 correspond ainsi à la pression de rupture de l'évent ; [0052] Etape E4: Il s'agit de l'étape d'interprétation des résultats. La figure 5 montre un diagramme présentant deux courbes, une courbe Cl de variation de la pression du fluide injecté dans le godet en fonction du temps et une courbe C2 de variation de la tension électrique aux bornes de la batterie en fonction du temps. À partir de ce diagramme, on peut donc déterminer la première valeur de pression Vpl à laquelle le dispositif d'interruption de courant 151 s'ouvre et la deuxième valeur de pression Vp2 à laquelle l'évent 150 se rompt. [0053] Par augmentation "brusque" de la tension (figure 5), on entend un passage de OV à 1V en moins de 0,5s, et idéalement de l'ordre du 10ième de seconde, pour une montée en pression continue de 50mbar/s (idéalement inférieure à 20mbar/s). [0054] De même, par chute "brusque" de la pression de fluide injectée, on entend un passage de la valeur de pression Vp2 à la valeur de la pression ambiante en moins de 0,5s, et idéalement de l'ordre du 10ième de seconde, pour une montée en pression continue de 50mbar/s (idéalement inférieure à 20mbar/s). [0055] On comprend de ce qui précède que la solution de l'invention présente de nombreux avantages : Elle permet de déterminer efficacement le comportement mécanique du godet 10 d'une batterie au lithium telle que par exemple une batterie 18650 ; Elle est facile à mettre en oeuvre et permet de déterminer à la fois la valeur de pression Vpl d'ouverture du dispositif d'interruption de courant 151 de la batterie et la valeur de pression Vp2 de rupture de son évent 150 ; Elle est parfaitement reproductible, permettant ainsi de comparer entre eux les tests réalisés sur plusieurs batteries ; Elle ne nécessite pas le recours à un outillage très spécifique ; Elle peut être mise en oeuvre par une seule personne ; 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSProcédé de caractérisation mécanique du godet (10) d'une batterie qui comporte deux bornes électriques, ledit godet (10) définissant un volume interne (11) cylindrique et comportant une première extrémité destinée à être préalablement découpée pour accéder audit volume interne et une deuxième extrémité portant un évent (150) de surpression et un dispositif d'interruption dc courant (151) qui est connecté entre ses deux bornes électriques, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Connexion hermétique de moyens d'injection d'un fluide (4) non compressible au volume interne (11) dudit godet (10), - Injection du fluide (4) dans le volume interne dudit godet (10) à une pression croissante grâce à des moyens (50) de réglage de pression du fluide injecté, - Mesure de la pression du fluide injecté dans le volume interne (11) du godet lors de l'injection de fluide à pression croissante, - Mesure de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant lors de l'injection de fluide à pression croissante, - Acquisition de la pression de fluide mesurée et de la tension électrique mesurée. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination d'une première valeur de pression (Vpl) correspondant à la pression d'ouverture du dispositif interrupteur de courant (151), ladite première valeur de pression (Vpl) étant déterminée en détectant une augmentation brusque de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant (151). Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination d'une deuxième valeur de pression (Vp2) correspondant à la pression de rupture de l'évent (150), ladite deuxième valeur de pression (Vp2) étant déterminée en détectant, une chute brusque de la pression de fluide injecté dans le godet (10). Système de caractérisation mécanique du godet, (10) d'une batterie comprenant deux bornes électriques, ledit godet (10) définissant un volume interne (11) cylindrique et comportant une première extrémité destinée à être préalablement, découpée pour accéder audit, volume interne et une deuxième extrémité portant un évent (150) de surpression et un dispositif d'interruption de courant (151) qui est, connecté entre ses 10 deux bornes électriques, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte : - Des moyens (5) d'injection d'un fluide non compressible dans ledit godet (10), destinés à être connectés de manière hermétique audit volume interne (11) du godet par son extrémité préalablement découpée, - Des moyens (50) de réglage de la pression du fluide à injecter dans le volume interne du godet, - Des moyens de mesure de la pression du fluide (4) injecté dans le volume interne (11) du godet, - Des moyens de mesure de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant (151), - Des moyens d'acquisition et de traitement (UC) de la pression mesurée et de la tension mesurée. [Revendication 5] Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la tension électrique comportent un ressort (3) en V destiné à être inséré dans le volume interne (11) du godet et agencé pour assurer une continuité électrique entre les deux bornes électriques. [Revendication 6] Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'injection du fluide comportent une pompe (5) reliée à un réservoir (40) de fluide à injecter. [Revendication 7] Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'injection du fluide comportent des moyens (20) de connexion mécanique destinés à être agencés sur le godet (10). [Revendication 8] Système selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition et de traitement (UC) comportent un module de traitement configuré pour déterminer une première valeur de pression (Vpl) correspondant à la pression d'ouverture du dispositif interrupteur de courant (151), ladite première valeur de pression (Vpl) étant déterminée en détectant une augmentation brusque de la tension électrique aux bornes du dispositif d'interruption de courant (151). [Revendication 9] Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le module de traitement est configuré pour déterminer une deuxième valeur de pression (Vp2) correspondant à la pression de rupture de l'évent (150), ladite deuxième valeur de pression (Vp2) étant déterminée en détectant une chute brusque de la pression de fluide injecté dans le godet (10). [Revendication 10] Utilisation du système tel que défini dans l'une des revendications 4 à 9, pour caractériser mécaniquement le godet (10) d'une batterie au lithium dont le godet est de forme cylindrique. 11 [Revendication 11] Utilisation selon la revendication 10, caractérisé en ce que la batterie au lithium est de type 18650.