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"Batteries"
La présente invention est relative, d'une manière générale, à des batteries et plus particulièrement à des batteries comprenant un assemblage de piles électrochimiques.
On connaît en pratique des assemblages de piles électrochimiques interconnectées en série et disposées dans des coffrets appropriés. De tels assemblages utilisent, par exemple, des piles électrochimiques comportant des substances chimiquement actives qui réagissent entre elles pour créer un potentiel électrique entre des bornes positives et négatives. Un exemple d'une telle structure de pile est une structure de type métal/air qui, dans une forme de réalisation particulière, utilise du zinc et de l'air comme substances réactives.
Un exemple particulier d'une batterie opérant de manière efficace et utilisant un assemblage de piles de zinc/air est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.547. 438 délivré le 5 octobre 1985 à W. J. McArthur et col. La structure qui y est envisagée utilise un empilage de piles alignées, connectées en série, s'étendant en ligne suivant la dimension longitudinale d'un coffret ou d'une structure de boîtier en forme de parallélépipède rectangle. Le boîtier comprend plusieurs ouvertures prévues le long de chacune des ses parois latérales pour la ventilation de l'intérieur de ce boîtier, ces ouvertures étant de préférence recouvertes par une matière polymère poreuse pour permettre le passage de l'air vers l'intérieur du boîtier mais en empêchant l'entrée d'eau ou d'autres
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objets.
La structure d'ensemble utilise un nombre relativement limité de pièces constitutives, comparativement à des structures employées antérieurement, ces pièces constitutives étant assemblées de manière sûre et efficace dans un boîtier de dimensions traditionnelles, utilisant des bornes enfichables positive et négative, traditionnelles, disponibles extérieurement, pour créer le potentiel électrique global désiré, par exemple de 9, 0 volts, en vue d'une utilisation dans toute une variété de dispositifs commandés par batterie, tels que des radios à transistors, etc.
Bien que de telles structures de batteries se soient avérées intéressantes lors de l'utilisation du type de piles zinc/air disponibles au moment de leur conception, le boîtier particulier et l'assemblage des piles de ces structures antérieures ne permettent pas leur utilisation avec des piles de plus haute capacité et de dimensions plus grandes, sans augmentation des dimensions du boîtier. Toutefois, de tels boîtiers doivent être de dimensions normalisées puisqu'ils doivent pouvoir s'adapter dans les espaces de dimensions normalisées qui sont déjà prévus pour ces boîtiers dans les dispositifs traditionnels commandés par batterie, dans lesquels ces boîtiers doivent être utilisés.
En conséquence, il est désirable de prévoir une structure de batterie dans laquelle des piles plus grandes et de plus haute capacité pourront être reçues dans un tel logement de dimensions normalisées afin de former une batterie aisément utilisable dans les dispositifs commandés par batterie et ayant une plus longue durée de fonctionnement, sans augmentation du coût de fabrication et, de ce fait, du coût pour les acheteurs et les usagers. C'est ainsi que de telles batteries devraient être conçues pour donner un rapport milliampères-heure/dollar plus intéressant que celui dont on dispose dans le cas des batteries disponibles de piles de type
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zinc/air.
De telles piles de plus haute capacité sont plus grandes que celles précédemment disponibles du fait que, pour des configurations de piles cylindriques en bouton, les hauteurs des piles sont supérieures à celles des piles illustrées dans le brevet de McArthur et col. précédent.
Il est en outre désirable qu'une batterie utilisant les piles du type zinc/air reliées en série, de plus haute capacité, soit fabriquée en utilisant encore moins de pièces constitutives et des techniques d'assemblage plus faciles à utiliser et moins coûteuses que celles utilisées dans le cas des structures du brevet de McArthur et col. précédent, de manière à réduire encore le coût d'ensemble des pièces constitutives, ainsi que le coût et le temps nécessaires à leur fabrication. Une telle structure améliorée devrait conserver encore tous les avantages des structures de piles du type zinc/air sans introduction de désavantages quelconques de fonctionnement, de structure ou de fabrication.
Suivant l'invention, une batterie utilise une première série de piles qui sont disposées dans un boîtier en matière plastique suivant une configuration d'empilage en ligne, chaque pile se trouvant suivant une première orientation, et une seconde série de piles disposées chacune au voisinage de la première série de piles à-l'intérieur du boîtier, en présentant une seconde orientation qui est essentiellement perpendiculaire à la première orientation précitée. La première et la seconde série de piles comportent des pattes soudées de manière à être connectées électriquement en série.
L'opération de soudage des pattes se réalise de manière que toutes les piles soient formées suivant une configuration ou un agencement en ligne. La seconde série de piles de la configuration à pattes soudées est ensuite amenée à basculer de manière à obtenir les orientations
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perpendiculaires désirées précitées. Une plaquette de connexions de type classique, comportant des bornes enfichables bien connues pour les connexions à l'extérieur de la batterie comporte des pattes soudées à l'assemblage des piles"en empilage basculé".
La configuration"à empilage basculé"est aisément introduite dans le boîtier de manière que les piles soient logées de manière sûre dans des cavités de mise en place formées dans la surface intérieure de la base du boîtier et dans la surface intérieure du couvercle fixé à ce boîtier. Lorsqu'on utilise des piles du type zinc-air, le boîtier comporte des ouvertures qui sont de préférence formées à chaque extrémité pour permettre l'entrée d'air et son contact avec les piles en vue d'une interaction avec celles-ci pour l'établissement d'un potentiel électrique à chaque pile. Les pattes ou bandes formées à chaque extrémité du couvercle bloquent de façon efficace les ouvertures susdites de manière à permettre l'entrée d'air mais à empêcher l'entrée d'objets étrangers vers l'intérieur du boîtier.
En conséquence, un tel agencement de piles permet à un boîtier de dimensions normalisées de recevoir des piles d'une plus haute capacité et de plus grandes dimensions de telle manière que la structure d'ensemble utilise moins de pièces constitutives que dans le cas des structures de batteries antérieures. La structure suivant l'invention est facilement assemblée, les frais de fabrication de la batterie terminée étant ainsi réduits, de sorte que le coût accru des piles de plus haute capacité ne nécessite pas de frais globaux supérieurs de production par rapport à ceux qui sont nécessités dans le cas des batteries disponibles antérieurement utilisant des piles de plus faible capacité et moins coûteuses.
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L'invention sera encore décrite de façon détaillée ci-après avec référence aux dessins non limitatifs annexés.
La Figure 1 est une vue en perspective développée d'une forme de réalisation d'une batterie suivant l'invention.
La Figure 2 est une vue en perspective de l'intérieur du couvercle de la batterie de la Figure 1.
La Figure 3 présente une vue en coupe de la batterie de la Figure 1, cette vue étant prise suivant la ligne 3-3 de la Figure 4, les piles et la plaquette de connexions de l'assemblage de piles étant disposées dans le boîtier de cet assemblage.
La Figure 4 montre une vue en coupe prise suivant la ligne 4-4 de la Figure 3.
Les Figures 5-12 sont des vues qui illustrent des étapes successives réalisées au cours de la fabrication de l'assemblage des piles et de la plaquette de connexions, tel qu'illustré par la Figure 1.
Comme on peut le voir sur les Figures 1 à 4, une forme de réalisation particulière préférée d'une structure de batterie 10 suivant l'invention comprend une pièce constitutive 11 formant boîtier et une pièce constitutive 12 formant couvercle. Le boîtier est moulé en une matière plastique appropriée et il comporte une partie 13 formant paroi extérieure et une partie en retrait 14 formant paroi intérieure. La base interne du boîtier 11 comporte plusieurs échancrures courbes qui y sont formées pour créer des cavités concaves distinctes de mise en place, dans lesquelles un assemblage de plusieurs piles électrochimiques peut être logé, comme il en sera question par la suite.
Dans la forme de réalisation particulière décrite ici, par exemple, quatre cavités de mise en place 15, dont les surfaces courbes ont une première orientation, sont formées au voisinage d'une partie formant paroi latérale intérieure
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suivant la dimension longitudinale du boîtier, et deux cavités 16, dont les surfaces courbes se présentent suivant une seconde orientation, perpendiculaire à celle des cavités 15, sont formées au voisinage de la partie formant paroi latérale intérieure opposée, et ce comme illustré. Des parties des surfaces cylindriques de chacune des piles 29 de l'assemblage de piles 28 sont logées dans ces cavités de mise en place, lorsque l'assemblage de piles 28 est disposé à l'intérieur du boîtier 11, comme il en sera encore question par la suite.
Comme illustré par la Figure 2, la surface intérieure du couvercle 12 comporte des cavités courbes correspondantes 18 et 19 dans chacune desquelles des parties opposées des surfaces cylindriques des piles sont également logées lorsque le couvercle est fixé sur le boîtier après que l'assemblage de piles a été mis en place dans ce dernier. Lorsque les piles sont assemblées à leurs places à l'intérieur du boîtier 11 et du couvercle 12, elles sont maintenues de manière sûre entre les cavités de mise en place 15 et 16 du boîtier 11 et les cavités de mise en place 18 et 19 du couvercle 12.
Des éléments formant barrières 20 et 21 sont prévus respectivement entre les cavités 15 et entre les cavités 18 pour séparer les piles logées dans les cavités adjacentes. Un élément formant barrière 22 est prévu de manière à se présenter en projection intérieure depuis la paroi latérale intérieure du boîtier 11 entre les cavités 16, de manière à séparer l'une de l'autre les piles qui y sont logées de part et d'autre de cette barrière 22. Un autre élément formant barrière 23, ainsi que des éléments formant barrières 23A, parallèles au précédent, sont formés à la surface inférieure du boîtier 11, dans la zone centrale de celui-ci, le long de son axe de symétrie pour maintenir une séparation entre les piles logées dans les cavités 15 et les piles
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logées dans les cavités 16.
Une extrémité du boîtier 11 comporte une ouverture rectangulaire 24 formée dans la zone centrale de la partie supérieure de ce logement, et ce comme illustré. L'autre extrémité du logement 11 présente une grande ouverture rectangulaire prévue dans la partie 13 formant paroi extérieure, et une plus petite ouverture rectangulaire correspondante est prévue dans la partie formant paroi intérieure 14, et ce comme illustré par la Figure 1. Une fente 30 est formée entre les bords 25 de la paroi extérieure et les bords 26 de la paroi intérieure.
Comme illustré par les Figures 1 et 3, chacune des piles électrochimiques 29 que l'on utilise dans la forme de réalisation particulière de l'invention, telle que représentée à titre d'exemple, présente une forme essentiellement cylindrique et comprend une structure en forme de cuvette 31, conductrice de l'électricité, qui sert de cathode ou de borne négative, et une coiffe 32 conductrice de l'électricité et servant d'anode ou de borne positive. Dans la forme de réalisation particulière illustrée, quatre piles 29A, 29B, 29C et 29D sont entassées suivant un agencement en ligne, leurs surfaces planes étant adjacentes les unes des autres.
La structure de cathode 31 en forme de cuvette d'une pile 29A se trouvant à une extrémité de l'empilage est reliée électriquement à la coiffe d'anode 32 d'une pile adjacente 29B par l'intermédiaire d'une lamelle ou patte'métallique 33A, conductrice de l'électricité.
D'une manière similaire, la cathode de la pile 29B est connectée électriquement à l'anode de la pile 29C par une lamelle ou patte conductrice 33B, et la cathode de la pile 29C est connectée électriquement à l'anode de la pile 28D grâce à la lamelle ou patte conductrice 33C. En conséquence, les piles 29A, 29B, 29C et 29D sont connectées électriquement en série.
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Les piles 29E et 29F sont en fait"basculées"par rapport à l'agencement en ligne précité et elles sont disposées de manière que leurs surfaces planes soient essentiellement perpendiculaires à celles des piles 29A-29D, et ce comme illustré. La cathode en forme de cuvette de la pile 29D est connectée électriquement à la coiffe d'anode de la pile 29E par l'intermédiaire d'une lamelle ou patte 33D conductrice de l'électricité, et la cathode en forme de cuvette de la pile 29E est connectée électriquement à la coiffe d'anode de la pile 29F par une lamelle ou patte 33E conductrice de l'électricité.
De telles interconnexions assurent que toutes les piles 29A-29F sont connectées électriquement en série et forment un assemblage compact dans la configuration illustrée (que l'on désigne parfois par configuration "4-2" lorsqu'on utilise six piles de la manière présentée).
Une bande 34 d'une matière isolante du point de vue électrique est mise en place de manière fixe pardessus les points de contact existant sur les cathodes en forme de cuvette des piles 29A-29D pour assurer que les surfaces de ces piles soient isolées d'un contact électrique avec les surfaces des piles 29E et 29F. A titre de variante, l'élément formant barrière 23 du boîtier 11 peut être prolongé vers le haut depuis la surface inférieure du logement, et ce de manière à s'étendre en fait jusqu'à un niveau comparable à celui de l'élément formant barrière 22, afin d'assurer une isolation électrique totale des piles 29A-29D par rapport aux piles 29E et 29F, auquel cas la bande isolante 34 peut être omise.
Une plaquette de connexions 35, d'une forme essentiellement rectangulaire, comporte une borne positive enfichable 36 traditionnelle et bien connue, et une borne enfichable négative traditionnelle 37. Une telle plaquette de connexions est d'une structure bien
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connue et est d'un type qui est déjà facilement produit en série pour toute une variété de batteries traditionnelles. Les dimensions d'une telle plaquette peuvent être prévues de façon appropriée pour la structure décrite ici, et la plaquette et les bornes peuvent être fabriquées facilement et de façon non coûteuse en grandes quantités en vue de leur utilisation dans le cas présent.
Comme illustré par la Figure 3, l'extrémité intérieure 38 de la borne enfichable positive 36 est connectée électriquement à la surface de la cathode en cuvette de la pile 29F par l'intermédiaire d'une lamelle ou patte 33G, conductrice de l'électricité, tandis que l'extrémité intérieure 40 de la borne enfichable négative 37 est connectée électriquement à la coiffe d'anode de la pile 29A par une lamelle ou patte 33F, conductrice de l'électricité, dans les deux cas en utilisant des techniques appropriées de soudage de pattes. Une ouverture rectangulaire 42 est prévue dans la région centrale de la partie supérieure de la plaquette de connexions 35, et ce de la manière illustrée.
Durant l'assemblage, dès que l'assemblage des piles et de la plaquette de connexions a été fabri- qué, cette plaquette de connexions 35 est introduite dans la fente 30 et les parties inférieures des surfaces cylindriques des piles 29A-29F sont logées dans les cavités de mise en place concaves correspondantes 15 et 16 existant à la surface intérieure et inférieure du boîtier 11, comme illustré, par exemple, par la Figure 4 pour ce qui concerne les piles 29A-29D placées dans les cavités 15.
Le couvercle 12 est ensuite mis en place sur le boîtier 11 et fixé de façon appropriée à celuici, de manière à enfermer l'empilage des piles et la plaquette de connexions à l'intérieur du boîtier, de manière que les parties supérieures opposées des surfaces cylindriques des piles soient logées de manière sûre dans les cavités concaves correspondantes de mise en
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place 18 et 19 prévues dans la surface intérieure du couvercle 12. En conséquence, lorsqu'elles sont ainsi enfermées, les piles et la plaquette de connexions de l'assemblage sont maintenues de manière sûre en position verticale à l'intérieur du réceptacle formé par le boîtier et par le couvercle.
Les ouvertures rectangulaires 24 et 42 prévues respectivement dans le boîtier et dans la plaquette de connexions aux extrémités opposées du boîtier 11 permettent une pénétration d'air à l'intérieur du réceptacle en vue d'une interaction avec le zinc se trouvant dans les piles pour créer un potentiel électrique entre la coiffe d'anode et la structure de cathode en forme de cuvette de chaque pile, et ce d'une manière bien connue des spécialistes en ce domaine. Dans une forme de réalisation exemplative particulière, telle qu'illustrée, chacune des six piles à zinc/air crée un potentiel électrique effectif de 1,5 volt, de sorte que l'ensemble de ces piles produit un potentiel de 9, 0 volts entre les bornes enfichables d'anode et de cathode de la plaquette de connexions 35.
Afin d'empêcher l'entrée d'objets étrangers à l'intérieur du boîtier 11 par les ouvertures 24 et 42, des éléments formant pattes 39 et 39A sont prévus à chaque extrémité du couvercle 12, ces éléments formant pattes recouvrant de manière effective respectivement les ouvertures 42 et 24 lorsque l'ensemble de la batterie a été totalement assemblé, de sorte que l'air nécessaire au fonctionnement circule à travers un parcours relativement tortueux vers chacune des piles, tandis que d'autres objets ne peuvent pas pénétrer dans le boîtier et entrer en contact avec ces piles.
L'ensemble des piles"en empilage basculé", comprenant les piles 29A-29F et leurs interconnexions aux bornes de la plaquette de connexions 35 peut être fabriqué et assemblé relativement facilement en suivant
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les phases de fabrication dont il est question avec référence aux Figures 5-12. Comme illustré par les Figures 5 et 6, chaque pile comporte une lamelle ou patte 33, conductrice de l'électricité et soudée à la coiffe d'anode, et ce comme illustrée par les Figures 5 et 6 pour un exemple de pile 29. La patte de chaque pile est recourbée et connectée à son tour, par soudage à la surface de la structure de cathode en forme de cuvette d'une pile immédiatement adjacente, comme illustré par la Figure 7 pour les exemples de piles 29B et 29C.
Les six piles 29A-29F sont ainsi interconnectées et soudées de la même manière, sauf que la patte 33F qui doit être soudée à la coiffe d'anode de la pile 29A n'est pas, à ce stade, soudée à un composant quelconque, et qu'il n'y a pas de patte soudée à la structure en forme de cuvette de la pile 29F, et ce comme illustré par l'agencement en ligne complété de la Figure 8. Les soudures peuvent être faites de préférence simultanément ou bien elles peuvent être réalisées suivant une séquence choisie de façon appropriée d'après les désirs.
Les longueurs des soudures aux cathodes et aux anodes de chaque pile (telles qu'illustrées par les lignes en traits gras de la Figure 3, par exemple) sont telles que les piles et les pattes qui sont soudées peuvent être manipulées de façon appropriée durant le procédé d'assemblage, tel qu 1 illustré par les Figures 5- 12, de manière à permettre la formation de la configuration finale désirée des piles et leurs connexions à la plaquette de connexions 35.
Une bande 34, isolante du point de vue électrique, est fixée sur les zones soudées des structures de cathode des piles 29A-29D, et ce comme illustré par la Figure 9 et par la vue en bout agrandie de la Figure 10. Une patte 33G est soudée à la structure de cathode de la pile 29F, comme illustré par les Figures 11 et 12.
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La patte 33F est soudée à l'extrémité intérieure 40 de la borne de cathode 37 de la plaquette de connexions 35 de manière à connecter cette borne à la coiffe d'anode de la pile 29A, comme illustré par la Figure 11. Les piles 29E et 29F sont alors amenées à se déplacer depuis l'agencement en ligne des piles, tel qu'illustré par la Figure 9, et elles sont amenées à basculer pour être remises en place aux endroits illustrés par la Figure 12, les piles 29E et 29F étant ainsi orientées sensiblement perpendiculairement aux piles 29A-29D.
La structure de cathode en forme de cuvette de la pile 29F est ensuite connectée par soudage à l'extrémité intérieure 38 de la borne d'anode 36 de la plaquette de connexions 35 par une lamelle ou patte 33G conductrice de l'électricité, et ce comme représenté, la plaquette de connexions ayant été amenée à tourner de 900 pour une telle opération. L'ensemble formé par l'empilage des piles et la plaquette de connexions de la Figure 12 est alors prêt à être introduit dans le boîtier 11, le couvercle étant ensuite fixé et scellé sur le boîtier 10 pour former la structure finale de batterie.
De la sorte, la structure de batterie de l'invention, telle qu'illustrée par la forme de réalisation particulière représentée et décrite ci-dessus facilite l'utilisation de piles du type zinc/air d'une plus grande capacité et de dimensions relativement plus élevées. L'utilisation d'un boîtier et d'un couvercle en matière plastique, présentant la configuration précédente, réduit le nombre global de pièces constitutives nécessaires pour la structure d'ensemble, par rapport à celui qui est nécessité par les structures antérieures de batteries de ce type et, de la sorte, elle simplifie l'opération d'assemblage.
Ceci est particulièrement significatif lors d'une comparaison avec des structures de batteries du type mercure-oxyde similaires, utilisant
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des enveloppes métalliques relativement coûteuses, nécessitant une isolation supplémentaire et des techniques plus compliquées d'assemblage, ainsi que lors d'une comparaison avec les structures antérieures de batteries du type zinc-air, décrites dans le brevet de McArthur et col. mentionné ci-dessus.
De plus, en utilisant une plaquette de connexions bien connue, réalisée d'une manière traditonnelle, aisément disponible en tant que pièce constitutive effective obtenue sur le marché, la structure d'ensemble ainsi que le procédé d'assemblage permettent l'utilisation de techniques bien connues de soudage de pattes pour les contacts électriques nécessaires, et ne doivent pas avoir recours à des contacts à pression, tels qu'on en utilise dans les batteries antérieures. La configuration utilisée permet le soudage automatique des pattes de toutes les piles en série suivant un agencement en ligne, cet agencement pouvant ensuite être manipulé de façon efficace et automatique pour obtenir la configuration désirée de l'assemblage des piles"en empilage basculé".
La conception du boîtier, comportant les cavités de mise en place et présentant la fente qui y est formée, ainsi que celle du couvercle comportant les cavités correspondantes de mise en place, permettent une introduction aisée de l'assemblage de la plaquette de connexions et des piles à pattes soudées et assurent un montage positif et sûr à cet effet, tout en permettant un bon accès de l'air, et en assurant une isolation et des jeux suffisants pour éviter un court-circuitage des pièces constitutives.
L'utilisation des ouvertures 24 et 42 et des pattes 38 et 39 sur le couvercle assure un accès approprié de l'air suivant un parcours relativement tortueux vers les piles mais empêche l'entrée d'objets étrangers et leur contact direct avec les piles individuelles, en
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permettant ainsi l'élimination des éléments formant parois poreuses que l'on utilise dans la structure décrite dans le brevet de McArthur et col. mentionné précédemment.
L'utilisation de la structure suivant l'invention maintient les frais de fabrication à un niveau qui n'est pas supérieur à celui qui était nécessaire pour les structures précédentes de batteries, même lorsqu'on utilise les piles de plus grande capacité et de dimensions relativement plus élevées, tout en donnant en même temps, comme résultat, une batterie nettement améliorée.
Bien que la forme de réalisation particulière de l'invention, telle que décrite ci-dessus, constitue une forme de réalisation préférée, des modifications pourraient être envisagées par les spécialistes en ce domaine, tout en restant dans le cadre de l'invention.