EP4639660A1 - Batterie de véhicule avec système de rappel élastique - Google Patents

Batterie de véhicule avec système de rappel élastique

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Publication number
EP4639660A1
EP4639660A1 EP23833364.5A EP23833364A EP4639660A1 EP 4639660 A1 EP4639660 A1 EP 4639660A1 EP 23833364 A EP23833364 A EP 23833364A EP 4639660 A1 EP4639660 A1 EP 4639660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
elastic return
return system
arch
battery
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833364.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane Ruby
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ampere SAS filed Critical Ampere SAS
Publication of EP4639660A1 publication Critical patent/EP4639660A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481—Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/209—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for prismatic or rectangular cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical energy storage devices, and more particularly the means implemented to apply pressure forces to such devices, where appropriate to manage in parallel variations in volume of the cells which make up these devices.
  • the electrochemical cells of certain batteries require pressurization so that each of the electrochemical layers of the cells is well pressed against the neighboring layer(s), in order to obtain optimal performance, whether in terms of efficiency, lifespan or even operational safety.
  • This pressurization can result in very high pressures ranging from several bars to several tens of bars, which induces significant mechanical forces on the systems responsible for pressurization.
  • Electrochemical cells can also, over the course of their charge and discharge cycles or due to their aging, exhibit significant variations in volume, which must be taken into account when pressurizing.
  • Document FR3098353 provides a frame containing springs and a movable plate which bears against a stack of cells, these springs exerting a pressure force on the movable plate to compress the cells.
  • Such a system is, however, heavy and bulky, in particular due to the space required to accommodate the movable plate and the springs in the direction of stacking of the cells, and it therefore leads to a reduction in the efficiency of the battery.
  • Such a system thus limits, at equal volume, the space dedicated to the electrochemical cells which dictate the performance of the battery.
  • the present invention fits into this context by proposing a battery equipped with a system making it possible to apply pressure on the electrochemical cells on the one hand and to manage their variations in volume on the other hand, while presenting advantages of compactness and lightness so as to guarantee optimal energy density of the battery.
  • the main object of the present invention is thus a battery for a motor vehicle, comprising a plurality of electrochemical cells, a first plate and a second plate, the electrochemical cells being superimposed on each other in a stacking direction between the first plate and the second plate, the battery comprising at least one elastic return system connecting the first plate and the second plate.
  • the battery according to the invention is intended to equip a vehicle, for example a hybrid or electric automobile vehicle, with a view to powering its electric motor.
  • the battery includes electrochemical cells, which are units within which redox reactions take place allowing electrical energy to be obtained.
  • electrochemical cells are here arranged so as to be superimposed one above the other in a stacking direction which is substantially perpendicular to a plane in which they mainly extend.
  • the electrochemical cells thus form a stack which is delimited at each end by a plate, with respectively a first plate and a second plate.
  • Such plates are flat and are for example made of a metallic material.
  • the battery comprises an elastic return system which extends between the first plate on the one hand and the second plate on the other hand, this elastic return system being thus arranged along the stack of electrochemical cells.
  • the elastic return system helps bring the first plate closer to the second plate, pressing on this occasion on the electrochemical cells which are superimposed between the plates.
  • the result is that the elastic return system causes compression of the electrochemical cells, the elastic nature of the elastic return system also making it possible to adapt to a temporary or progressive increase in their volume, respectively during successive charges and discharges of the cells or due to their aging.
  • the elastic return system is here passive in that it self-regulates the compression of the electrochemical cells.
  • the battery comprises a first elastic return system and a second elastic return system arranged on either side of the stack of electrochemical cells.
  • the electrochemical cells have a substantially rectangular shape, the first elastic return system being arranged along a first side of the electrochemical cells and the second elastic return system being arranged along a second side of the electrochemical cells opposite the first side.
  • Electrochemical cells are pocket-type cells, also known as “pouch cells”. Such cells have a substantially parallelepiped shape, and they comprise a flexible film which constitutes an envelope for a stack of electrochemical layers.
  • the battery comprises two elastic return systems which are arranged along opposite sides in pairs of the stack of electrochemical cells. Such an arrangement of the elastic return systems makes it possible to distribute the pressure forces within the battery.
  • each of the first plate and the second plate has dimensions, measured in a longitudinal transverse plane perpendicular to the stacking direction, greater than the dimensions of an electrochemical cell so as to present a free peripheral portion, the elastic return system extending from the free peripheral portion.
  • the plates thus have dimensions greater than the electrochemical cells, so that they protrude on either side of the latter when the battery is seen in the stacking direction.
  • the free peripheral portion corresponds to a portion of the plates which is not covered by the electrochemical cells.
  • the elastic return system comprises at least one arch.
  • the at least one arch comprises a head connecting a first arm and a second arm, the first arm being in contact with the first plate and the second arm being in contact with the second plate.
  • Each of the arms extends at least partially along one of the plates, with the first arm in contact with the first plate and the second arm in contact with the second plate.
  • the positioning of the first arm and the second arm is here such that they are fixed in a corner of the plate which is respectively associated with them, with the first arm in contact with a corner of the first plate and the second arm in contact from a corner of the second plate.
  • the first and second arms can be further away from the corners of the plates, so as to apply a force closer to a central area of the plates. Deformation of the plates caused by this effort is thus reduced.
  • the elastic return system comprises a first arch and a second arch, the head of the first arch being arranged opposite the head of the second arch.
  • the elastic return system can be designed according to different embodiments, in some of which it takes the form of arches. These arches, including a first arch and a second arch which correspond to the at least one arch previously mentioned, have a shape similar to what has been described, with each arch which has a head of rounded shape which is extended by a first arm and a second arm. The arches are arranged opposite each other, such that the head of the first arch is closer to the head of the second arch than to the arms of the latter. Such opposition allows a homogeneous distribution of pressure on each electrochemical cell, particularly in the presence of two elastic return systems; the arms of each of the arches are thus in contact with the four corners of the plates, which makes it possible to distribute the forces over a surface of these plates.
  • the elastic return system may comprise, in addition to the first arch and the second arch, two additional arches which induce a reduction in the forces on each arch.
  • the first arch and the second arch are connected by a connecting portion extending along the first plate and/or the second plate.
  • the first arch and the second arch are connected by a connecting portion extending substantially equidistant from the first plate and the second plate.
  • the arches are made integral with each other by a connecting portion.
  • a connecting portion can, according to variants, connect the arms of the arches by extending along each of the plates, or even connect the heads of these arches.
  • the connecting portion extends along the plates, it makes it possible to distribute the forces generated by the fixing between a plate the arms of the arches over a greater distance and thus makes it possible to reduce the forces which would otherwise be concentrated on a point of fixation.
  • the connecting portion limits the lateral vibrations of these heads which are not fixed to the plates.
  • the connecting portion then makes it possible to stiffen the elastic return system, by limiting the movement of the heads and thus their contact with the electrochemical cells.
  • the arch(s) are formed by a helical spring.
  • each of the first plate and the second plate respectively comprises a first pin and a second pin
  • the elastic return system comprising a first curved portion and a second curved portion each connected to one of the first pins by a first pivot connection and to one of the second pins by a second pivot link, the curved portions being joined to one another at their central portion.
  • Each curved portion comprises a central portion and two end portions linked to the pins, the central portion being connected to the central portion of the other curved portion.
  • the pawns correspond to protruding parts of the plates, which extend mainly in a direction of elongation perpendicular to the direction of stacking.
  • the elastic return system takes a cross shape, each branch of this cross being connected to a pin of the first plate and to a pin of the second plate. The pivot connections make it possible to reduce the mechanical stress at the level of contact between the plates and the elastic return system.
  • the battery comprises a housing in which the electrochemical cells are arranged, at least one of the first or the second plate being formed by a wall of the housing.
  • the housing corresponds to a housing within which one or more stacks of electrochemical cells can be arranged.
  • either the first plate or the second plate is constituted by a wall of the housing; the stack of electrochemical cells is then directly in contact with the housing.
  • a bottom wall of this box can constitute the second plate.
  • the electrochemical cells can be integrated into the housing for reasons of protection or handling, without necessarily having a wall of this housing constitute one of the plates.
  • the elastic return system is made of a metallic material.
  • the elastic return system is made of an elastomeric material.
  • the elastic return system can alternatively be made of a composite material, or even of carbon fibers.
  • the elastic return system is secured to the first plate by an irreversible fixing means and to the second plate by a reversible fixing means.
  • irreversible fixing means is meant a means of securing the elastic return system to the first plate so that these elements form a single piece assembly, or one-piece assembly, which cannot be broken down without deterioration of the 'one of the elements.
  • reversible fixing means means a means of securing the elastic return system to the second plate so that this means can be removed without damaging one or the other of these parts.
  • the elastic return system and the first plate can thus be assembled by welding or by gluing while the elastic return system and the second plate are associated by screwing.
  • Such screwing makes it possible in particular to extend the elastic return system when it is secured to the second plate, for example by screwing the elastic return system while the second plate is maintained at a distance from the first plate which is greater than the maximum corresponding distance of the elastic return system at rest, so that this elastic return system is stressed in traction when the assembly is fixed and the elastic return effect tends to bring the plates closer to each other 'other and to compress the electrochemical cells arranged between these plates.
  • the elastic return system is secured to the first plate by a first reversible fixing means and to the second plate by a second reversible fixing means.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a battery as mentioned above.
  • the invention further relates to a method of assembling a battery as mentioned above, comprising a step of securing the elastic return system to the first plate, a step of arranging the electrochemical cells on top of each other. according to the direction of stacking on the first plate, a step of covering the stack of electrochemical cells by the second plate and a step of securing the elastic return system to the second plate, during which the elastic return system is stretched.
  • the elastic return system is for example secured to the first plate by the irreversible fixing means.
  • the electrochemical cells are then arranged on the first plate in the stacking direction, then they are covered by the second plate. It is notable that the height of the stack of cells, measured perpendicular to the plane in which the first plate extends, is then greater than the height of the elastic return system at rest.
  • the second plate is then secured to the elastic return system by the reversible fixing means, and in particular by a screwing action of an arm of the elastic return system on the second plate.
  • the screwing action generates traction on the elastic rest system, for example by holding the second plate in position when screwing. In other words, we ensure that the elastic return system stretches as the screwing progresses so that this elastic return system is stressed in traction and that the elastic return force tends to bring back the second plate towards the first plate and to compress the electrochemical cells interposed between these plates.
  • FIG. 1 illustrates, schematically, a perspective view of a battery according to the invention, with an elastic return system according to a first embodiment
  • FIG. 2 illustrates, schematically, a side view of the battery of Figure 1;
  • FIG. 3 illustrates, schematically, a side view of a battery similar to that of Figure 1 with an elastic return system according to a second embodiment
  • FIG. 4 illustrates, schematically, a side view of a battery similar to that of Figure 1 with an elastic return system according to a third embodiment
  • FIG. 5 illustrates, schematically, a side view of a battery similar to that of Figure 1 with an elastic return system according to a fourth embodiment
  • FIG. 6 illustrates, schematically, a side view of a battery similar to that of Figure 1 with an elastic return system according to a fifth embodiment.
  • the characteristics, variants and different embodiments of the invention can be associated with each other, in various combinations, to the extent that they are not incompatible or exclusive with respect to each other.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described subsequently in isolation from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage and/or to differentiate the invention. compared to the prior art.
  • a longitudinal direction corresponds to a main extension direction of an electrochemical cell of the battery, this longitudinal direction being parallel to a longitudinal axis L of a mark L, V, T illustrated in the figures.
  • a vertical direction corresponds to a direction of stacking of the electrochemical cells, this vertical direction being parallel to a vertical axis V of the reference L, V, T and this vertical axis V being perpendicular to the longitudinal axis L.
  • a transverse direction corresponds to a direction parallel to a transverse axis T of the reference L, V, T, this transverse axis T being perpendicular to the longitudinal axis L and to the vertical axis V, the electrochemical cells extending mainly in a longitudinal plane- transverse.
  • FIGS 1 to 6 thus illustrate, schematically, a battery 1 according to the invention, this battery 1 being represented according to a first embodiment in Figures 1 and 2, according to a second embodiment in Figure 3, according to a third mode embodiment in Figure 4, according to a fourth embodiment in Figure 5 and according to a fifth embodiment in Figure 6.
  • the characteristics which will be described in relation to one of these embodiments are intended to apply, mutatis mutandis, to all of the illustrated embodiments, as long as these characteristics are not incompatible.
  • the battery 1 is intended to equip a vehicle, in particular a hybrid or electric vehicle, in order to power a thermal engine of this vehicle.
  • the battery 1 thus comprises a plurality of electrochemical cells 2, which are pocket-type cells within which redox reactions necessary for the operation of the battery 1 take place.
  • These electrochemical cells 2 comprise electrochemical layers, among which at least one electrolyte, an anode and a cathode, these electrochemical layers being contained in a flexible envelope which is an outer membrane of the electrochemical cells 2.
  • the electrochemical cells 2 are superimposed on each other in a stacking direction which corresponds to a vertical direction V, such stacking direction being substantially perpendicular to a longitudinaltransverse plane in which mainly extend electrochemical cells 2.
  • Each electrochemical cell 2 here has a generally rectangular shape, so that it extends between a first side 4 which is a first longitudinal end 4 and a second side 6 which is a second longitudinal end 6, these longitudinal ends 4, 6 being opposed to each other and connected together by a first transverse end 8 and a second transverse end 10, which form two other sides of the electrochemical cells 2.
  • the stack of electrochemical cells 2 is delimited, according to the stacking direction, by plates 12, 14 of the battery 1, which here are substantially flat rigid plates.
  • the electrochemical cells 2 are more precisely superimposed between a first plate 12, which constitutes a base for the stack of the electrochemical cells 2, and a second plate 14, which forms a covering element for this stack.
  • the plates 12, 14 are substantially flat rectangular pieces, one face of which is in contact with the electrochemical cells 2 and an opposite face is at a distance from them.
  • These plates 12, 14 both have dimensions, measured in a longitudinal-transverse plane and which correspond to their respective lengths and widths, which are greater than the corresponding dimensions of the electrochemical cells 2.
  • the battery 1 comprises a housing within which the electrochemical cells 2 are housed.
  • at least one of the plates 12, 14 is formed by a wall of the housing.
  • either the first plate 12 or the second plate 14 is formed by a wall of the housing.
  • the battery 1 comprises an elastic return system 18 intended to compress the stack of electrochemical cells 2 on the one hand and to manage variations in volume of these electrochemical cells 2 on the other hand.
  • the battery 1 here has a first elastic return system 18 arranged along the first longitudinal end 4 of the electrochemical cells 2 and a second elastic return system 18 arranged along their second longitudinal end 6. It is thus understood that the first system elastic return system 18 and the second elastic return system 18 are arranged on opposite sides of the battery 1, so as to optimize a distribution of forces within the battery 1.
  • an elastic return system 18 arranged in a central position of the battery 1.
  • the elastic return system 18 connects the first plate 12 to the second plate 14, that is to say it extends between these two plates 12, 14 while being secured to them.
  • the elastic return system 18 extends between the free peripheral portion 16 of the first plate 12 and the free peripheral portion 16 of the second plate 14, from the faces of these plates 12 , 14 which are opposite the electrochemical cells 2.
  • the elastic return system 18 is secured to both the first plate 12 and the second plate 14. More precisely, the elastic return system 18 is secured to the first plate 12 by an irreversible fixing means 101, for example by a welding or glue bead, while this elastic return system 18 is secured to the second plate 14 by a reversible fixing means 102, for example by screwing, these fixing means being represented schematically in Figures 1 and 2.
  • the system of elastic return 18 and one of the first plate 12 and the second plate 14 can form a single-piece assembly, for example made by foundry or even cut from a block.
  • the elastic return system 18 is, depending on the embodiments, made of a metallic material, of a composite material, of carbon fibers, or of an elastomeric material, depending on the degrees of flexibility and compression desired for the return system elastic 18.
  • the elastic return system 18 comprises at least one arch.
  • the elastic return system 18 comprises for example at least a first arch 20 and a second arch 22, which are both arranged along the stack of electrochemical cells 2, along one of the longitudinal ends 4, 6, that is to say on the same side of the battery 1.
  • the first arch 20 and the second arch 22 respectively comprise a head 24 of rounded shape, this head 24 connecting a first arm 26 and a second arm 28.
  • These arms 26, 28 extend, at least partially, along the plates 12, 14; the first arm 26 is thus in contact with the first plate 12 while the second arm 28 is in contact with the second plate 14.
  • the head 24 of a given arch 20, 22 is arranged, in the stacking direction, between its arms 26, 28, substantially equidistant from the first plate 12 and the second plate 14.
  • the arches 20, 22 are arranged in opposition, so that their respective heads 24 are facing each other while their arms 26, 28 of a given arch 20, 22 are oriented in a direction opposite to the head 24 of the other arch 20, 22. It is understood that the arms 26, 28 of the arches 20, 22 extend, from the heads 24, in the direction of the junctions between one of the longitudinal ends 4, 6 and one of the transverse ends 8, 10, that is to say the corners of the plates 10, 12, while their heads 24 are arranged at a central portion of the longitudinal ends 4, 6.
  • the elastic return system is fixed irreversibly on the first plate 12 via the arms 26 and an irreversible fixing means 101 of the welding or gluing type.
  • the elastic return system is fixed, via the arms 28, reversibly on the second plate 14, with appropriate reversible fixing means 102, as shown schematically in Figures 1 and 2, it being understood that means Equivalent fixings can be implemented in the embodiments illustrated in the other figures.
  • the reversible fixing means 102 are formed by fixing screws which pass through a bore made in the second plate 12 and which engage in a threaded bore formed in the arms 28 of the arches 20, 22.
  • first arch 20 and the second arch 22 are also joined by a connecting portion 30, which is a part of the elastic return system 18 which links this first arch 20 and this second arch 22 one to the other.
  • the arches 20, 22 have a funnel shape, with a pinched portion between their head 24 and their arms 26, 28.
  • the arches 20, 22 here have a dimension of section, measured in a vertical and transverse sectional plane, which in the example illustrated and without this being limiting to the invention, can be between 15 to 20 millimeters.
  • the section dimension of the arches is a function of a desired compromise between flexibility of the elastic return system 18 and the compression force that it is capable of transmitting to compress the cells optimally. It should be noted that this section dimension value here is an example and that such a value may be different depending on the material used, the pressure to be applied, and/or the expected variations in cell volume.
  • first arch 20 and the second arch 22 are not connected to each other; we understand that there is no connecting portion between this first arch 20 and this second arch 22.
  • the elastic return system 18 comprises arches with simplified curvature, with a radius of curvature in the same direction from one arm to the other, but a number of arches more important than in the first embodiment.
  • the elastic return system comprises, in addition to the first arch 20 and the second arch 22, a third arch 32 and a fourth arch 34.
  • the first arch 20 is nested in the third arch 32 so that the head 24 of this first arch 20 is arranged between the arms 26, 28 of the third arch 32, and in the same way the second arch 22 is nested in the fourth arch 34 so that the head 24 of this second arch 22 is arranged between the arms 26 , 28 of the fourth arch 34.
  • the first arch 20 and third arch 32 are thus oriented in the same direction of the longitudinal direction L, the second arch 22 and fourth arch 34 being oriented in an opposite direction of this longitudinal direction L.
  • third arch 32 and the fourth arch 34 are also closer to each other than the first arch 20 and the second arch 22.
  • first arch 20, the second arch 22, the third arch 32 and the fourth arch 34 are connected to each other by two connecting portions 30 extending respectively along the first plate 12 and of the second plate 14.
  • These connecting portions 30 are strips of the elastic return system 18 which are substantially flat, forming an extra thickness along the plate 12, 14 which is respectively associated with them.
  • the contact surface between the elastic return system and the plates is thus increased, which is here substantially equal to the total longitudinal dimension of the plates, which has the effect of distributing the forces which can be collected in the areas where the elastic return system is attached to the plates.
  • a middle part of the connecting portions 30 can be equipped with a fixing means, for example with threaded bores to receive fixing screws, while none of the arms are facing this part. median.
  • the arches 20, 22 are U-shaped, in a curvature configuration substantially equivalent to that of the arches of the second embodiment.
  • the number of arches is less than in this second embodiment but with section dimensions, in a vertical and transverse plane, which are greater than in this second embodiment.
  • the first arch 20 and the second arch 22 are here connected by a connecting portion 30 which extends substantially equidistant from the first plate 12 and the second plate 14, this connecting portion 30 connecting more precisely the head 24 of the first arch 20 at the head 24 of the second arch 22, the elastic return system 18 then having a cross shape.
  • the first arch 20 and the second arch 22 are each formed by a helical spring.
  • the heads 24 of these arches 20, 22 are more particularly formed by one or more turns of these helical springs, the arms 26, 28 corresponding to straight segments which extend parallel to the first and second plates 12, 14. Due to the presence of turns, there is a transverse offset between the first arm 26 and the second arm 28, this transverse offset being more and more pronounced as the number of turns increases.
  • the elastic return system 18 does not have a connecting portion.
  • the elastic return system 18 here comprises two curved portions 36, 38, including a first curved portion 36 and a second curved portion 38.
  • the first curved portion 36 is connected to the first plate and has a convex part which tends to approach of the second plate 14, while the second curved portion 38 is connected to the second plate 14 and has a convex part which tends to approach the first plate 12.
  • These curved portions 36, 38 are joined to one another. another at the level of a central portion 39, which corresponds to a highest point of their concave shapes.
  • the curved portions 36, 38 are associated with the plates 12, 14 via pins 40, 42 projecting from the plates 12, 14.
  • Each of the first plate 12 and the second plate 14 more specifically comprises a first pin 40 and a second pin 42, which are respectively arranged in the vicinity of the junctions between the longitudinal end 4, 6 and the adjoining transverse ends 8, 10.
  • the first curved portion 36 is connected to the first pin 40 and the second pin 42 of the first plate 12, while the second curved portion 38 is connected to the first pin 40 and the second pin 42 of the second plate 14.
  • the curved portions 36 , 38 are more exactly connected to their respective pins 40, 42 via pivot connections, from the ends of the portions curved 36, 38 being wound around the pins 40, 42 so as to form these pivot connections.
  • Such an assembly method comprises a step of securing the elastic return system 18 to the first plate 12.
  • a joining step is, in the case of the first to the fourth embodiment, a joining by an irreversible fixing means 101 , in particular by bonding or welding.
  • the first plate 12 is for example a bottom wall of the battery case 1.
  • the connection corresponds to a winding of the elastic return system 18 around the pins 40, 42 of the first plate 12 so as to form pivot connections.
  • the assembly process subsequently comprises a step of arranging the electrochemical cells 2 covering the first plate 12, according to the stacking direction.
  • the electrochemical cells 2 can for this purpose be arranged one by one, or else a stack already formed of electrochemical cells 2 is deposited in a single operation on the first plate 12. It is understood that the electrochemical cells are deposited on the first plate 12 between the elastic return systems or around the elastic return system, depending on the number and arrangement of the elastic return systems on the first plate.
  • the assembly process continues with a covering step, during which the second plate 14 is placed on the stack of electrochemical cells 2.
  • the plate can come to rest on the elastic return system, if the latter is already constrained in traction and has a length greater than its empty length, or else be kept at a distance from the arms of the elastic return system on which this plate must be fixed.
  • the assembly process then comprises a second joining step, which aims to join the elastic return system 18 and the second plate 14, whether by a reversible fixing means 102, for example by screwing as is the case from the first to the fourth embodiment, or by winding the ends of the second curved portion 38 around the pins 40, 42 of the second plate 14 as is the case in the fifth embodiment.
  • the elastic return system 18 is stretched. It is understood in particular, for the first four embodiments, that the arms 26, 28 of a arch 20, 22 are deformed so as to be spaced apart from each other in the vertical direction V as the screwing progresses.
  • the second joining step can be facilitated by the use of a press, which presses on the stack of electrochemical cells 2 so as to reduce their volume.
  • the elastic return system 18 tends to return to its resting form, that is to say not separated, and on this occasion compresses the stack of electrochemical cells 2 by bringing it closer together. its arms 26, 28, which causes the first plate 12 and the second plate 14 to move towards each other.
  • the present invention thus provides a battery presenting a system capable of applying compressive forces to the electrochemical cells, while presenting the flexibility necessary for managing their volume variations.

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Abstract

La présente invention concerne une batterie (1) pour véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules électrochimiques (2), une première plaque (12) et une deuxième plaque (14), les cellules électrochimiques (2) étant superposées les unes aux autres selon une direction d'empilement entre la première plaque (12) et la deuxième plaque (14), la batterie (1) comprenant au moins un système de rappel élastique (18) reliant la première plaque (12) et la deuxième plaque (14).

Description

DESCRIPTION
Titre : Batterie de véhicule avec système de rappel élastique
La présente invention concerne le domaine des dispositifs de stockage d’énergie électrique, et plus particulièrement les moyens mis en œuvre pour appliquer des forces de pression sur de tels dispositifs, le cas échéant pour gérer en parallèle des variations de volume des cellules qui composent ces dispositifs.
Il est connu d’équiper des véhicules électriques ou hybrides de dispositifs de stockage d’énergie électrique permettant une alimentation électrique des différents éléments du véhicule, par exemple de ceux qui participent à sa propulsion. Ces dispositifs de stockage d’énergie électrique sont généralement composés de cellules électriques ou électrochimiques positionnées dans une batterie du véhicule.
Dans un contexte d’électrification grandissante des véhicules automobiles, il est connu d’avoir des dispositifs de stockage d’énergie électrique qui comportent une pluralité de cellules empilées dans un boîtier, et les technologies électrochimiques mises en œuvre pour la réalisation de ces cellules évoluent pour que chaque cellule soit toujours plus performante et compacte.
Dans ces nouvelles technologies, les cellules électrochimiques de certaines batteries, par exemple et sans que ces exemples soient limitatifs, les batteries à électrolytes solides connues sous l’appellation anglophone ASSB pour « all solid state batteries », ou encore celles dont les chimies comportent du silicium et qui sont généralement associées à des électrolytes liquides, nécessitent une mise sous pression pour que chacune des couches électrochimiques des cellules soit bien plaquée contre la ou les couches voisines, afin d’obtenir des performances optimales, que ce soit en termes de rendement, de durée de vie ou encore de sécurité de fonctionnement. Cette mise sous pression peut se traduire par des pressions très élevées allant de plusieurs bars à plusieurs dizaines de bars, ce qui induit des forces mécaniques conséquentes sur les systèmes responsables de la mise sous pression.
Les cellules électrochimiques peuvent par ailleurs, au fil de leurs cycles de charge et de décharge ou en raison de leur vieillissement, présenter des variations significations de volume, qui doivent être prises en compte lors de la mise sous pression. Il existe dans l’art antérieur des systèmes capables de mettre en œuvre, au sein de la batterie, une mise sous pression des cellules électrochimiques. Le document FR3098353 par exemple prévoit un bâti renfermant des ressorts et une plaque mobile qui vient en appui contre un empilement de cellules, ces ressorts exerçant une force de pression sur la plaque mobile pour comprimer les cellules. Un tel système est cependant lourd et encombrant, notamment du fait de la place nécessaire pour loger la plaque mobile et les ressorts dans la direction d’empilement des cellules, et il conduit de ce fait à réduire l’efficacité de la batterie. Un tel système limite ainsi, à volume égal, l’espace dédié aux cellules électrochimiques qui dictent la performance de la batterie.
La présente invention s’inscrit dans ce contexte en proposant une batterie équipée d’un système permettant d’appliquer une pression sur les cellules électrochimiques d’une part et de gérer leurs variations de volume d’autre part, tout en présentant des avantages de compacité et de légèreté de sorte à garantir une densité énergétique optimale de la batterie.
La présente invention a ainsi pour principal objet une batterie pour véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules électrochimiques, une première plaque et une deuxième plaque, les cellules électrochimiques étant superposées les unes aux autres selon une direction d’empilement entre la première plaque et la deuxième plaque, la batterie comprenant au moins un système de rappel élastique reliant la première plaque et la deuxième plaque.
La batterie selon l’invention est destinée à équiper un véhicule, par exemple un véhicule automobile hybride ou électrique, en vue de l’alimentation de son moteur électrique. La batterie comprend à cet effet des cellules électrochimiques, qui sont des unités au sein desquelles se déroulent des réactions d’oxydo-réduction permettant l’obtention d’énergie électrique. Ces cellules électrochimiques sont ici disposées de sorte à être superposées les unes au-dessus des autres selon une direction d’empilement qui est sensiblement perpendiculaire à un plan dans lequel elles s’étendent principalement. Les cellules électrochimiques forment ainsi un empilement qui est délimité à chaque extrémité par une plaque, avec respectivement une première plaque et une deuxième plaque. De telles plaques sont planes et sont par exemple réalisées en un matériau métallique.
La batterie comprend un système de rappel élastique qui s’étend entre la première plaque d’une part et la deuxième plaque d’autre part, ce système de rappel élastique étant ainsi disposé le long de l’empilement de cellules électrochimiques. Le système de rappel élastique participe à rapprocher la première plaque de la deuxième plaque, appuyant à cette occasion sur les cellules électrochimiques qui sont superposées entre les plaques. Il en résulte que le système de rappel élastique entraîne une compression des cellules électrochimiques, le caractère élastique du système de rappel élastique permettant par ailleurs de s’adapter à une augmentation temporaire ou progressive de leur volume, respectivement au cours des charges et décharges successives des cellules ou en raison de leur vieillissement. Le système de rappel élastique est ici passif en ce qu’il auto-régule la compression des cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la batterie comprend un premier système de rappel élastique et un deuxième système de rappel élastique disposés de part et d’autre de l’empilement de cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, les cellules électrochimiques ont une forme sensiblement rectangulaire, le premier système de rappel élastique étant disposé le long d’un premier côté des cellules électrochimiques et le deuxième système de rappel élastique étant disposé le long d’un deuxième côté des cellules électrochimiques opposé au premier côté.
Les cellules électrochimiques sont des cellules de type poche, aussi connues sous l’appellation de « pouch cells ». De telles cellules présentent une forme sensiblement parallélépipédique, et elles comprennent un film souple qui constitue une enveloppe pour un empilement de couches électrochimiques. La batterie comprend deux systèmes de rappel élastique qui sont disposés le long de côtés opposés deux à deux de l’empilement de cellules électrochimiques. Une telle disposition des systèmes de rappel élastique permet de répartir les efforts de pression au sein de la batterie.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, chacune de la première plaque et de la deuxième plaque présente des dimensions, mesurées dans un plan longitudinaltransversal perpendiculaire à la direction d’empilement, supérieures à des dimensions d’une cellule électrochimique de sorte à présenter une portion périphérique libre, le système de rappel élastique s’étendant à partir de la portion périphérique libre.
Les plaques ont ainsi des dimensions supérieures aux cellules électrochimiques, de sorte qu’elles dépassent de part et d’autre de celles-ci lorsque la batterie est vue dans la direction d’empilement. En d’autres termes, la portion périphérique libre correspond à une portion des plaques qui n’est pas recouverte par les cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique comprend au moins une arche.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’au moins une arche comprend une tête reliant un premier bras et un deuxième bras, le premier bras étant au contact de la première plaque et le deuxième bras étant au contact de la deuxième plaque.
Chacun des bras s’étend au moins partiellement le long de l’une des plaques, avec le premier bras au contact de la première plaque et le deuxième bras au contact de la deuxième plaque. Le positionnement du premier bras et du deuxième bras est ici tel que ceux-ci sont fixés dans un coin de la plaque qui leur est respectivement associée, avec le premier bras au contact d’un coin de la première plaque et le deuxième bras au contact d’un coin de la deuxième plaque. Dans d’autres modes de réalisation, les premier et deuxième bras peuvent être plus éloignés des coins des plaques, de sorte à appliquer un effort plus rapproché d’une zone centrale des plaques. Une déformation des plaques engendrée par cet effort est ainsi réduite.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique comprend une première arche et une deuxième arche, la tête de la première arche étant disposée en regard de la tête de la deuxième arche.
Le système de rappel élastique peut être conçu selon différents modes de réalisation, dans certains desquels il prend la forme d’arches. Ces arches, parmi lesquelles une première arche et une deuxième arche qui correspondent à l’au moins une arche précédemment évoquée, présentent une forme similaire à ce qui a été décrit, avec chaque arche qui présente une tête de forme arrondie qui est prolongée par un premier bras et un deuxième bras. Les arches sont disposées de façon opposée l’une par rapport à l’autre, de telle façon que la tête de la première arche est plus proche de la tête de la deuxième arche que des bras de celle-ci. Une telle opposition permet une répartition homogène de la pression sur chaque cellule électrochimique, notamment en présence de deux systèmes de rappel élastique ; les bras de chacune des arches sont ainsi au contact des quatre coins des plaques, ce qui permet de répartir les efforts sur une surface de ces plaques. Dans certains modes de réalisation, le système de rappel élastique peut comprendre, en sus de la première arche et de la deuxième arche, deux arches supplémentaires qui induisent une réduction des efforts sur chaque arche.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la première arche et la deuxième arche sont reliées par une portion de liaison s’étendant le long de la première plaque et/ ou de la deuxième plaque.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la première arche et la deuxième arche sont reliées par une portion de liaison s’étendant sensiblement à équidistance de la première plaque et de la deuxième plaque.
Dans certains modes de réalisation du système de rappel élastique, les arches sont rendues solidaires l’une de l’autre par une portion de liaison. Une telle portion de liaison peut, selon des variantes, relier les bras des arches en s’étendant le long de chacune des plaques, ou bien encore relier les têtes de ces arches. Lorsque la portion de liaison s’étend le long des plaques, elle permet de répartir les efforts générés par la fixation entre une plaque les bras des arches sur une plus grande distance et permet ainsi de réduire les efforts qui seraient autrement concentrés sur un point de fixation. Lorsqu’elle est disposée entre les têtes des arches, la portion de liaison limite les vibrations latérales de ces têtes qui ne sont pas fixées aux plaques. La portion de liaison permet alors de rigidifier le système de rappel élastique, en limitant le débattement des têtes et ainsi leur contact avec les cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la ou les arches sont formées par un ressort hélicoïdal.
Il s’agit ici d’un mode de réalisation particulier des arches, dans lequel la tête de l’au moins une arche correspond à au moins une spire d’un ressort hélicoïdal tandis que les bras de cette arche sont des segments droits du ressort hélicoïdal.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, chacune de la première plaque et de la deuxième plaque comprend respectivement un premier pion et un deuxième pion, le système de rappel élastique comprenant une première portion courbée et une deuxième portion courbée chacune reliée à l’un des premiers pions par une première liaison pivot et à l’un des deuxièmes pions par une deuxième liaison pivot, les portions courbées étant jointes l’une à l’autre au niveau de leur portion centrale. Chaque portion courbée comprend une portion centrale et deux portions d’extrémité liées aux pions, la portion centrale étant reliée à la portion centrale de l’autre portion courbée.
Les pions correspondent à des parties saillantes des plaques, qui s’étendent principalement selon une direction d’allongement perpendiculaire à la direction d’empilement. Dans ce mode de réalisation, le système de rappel élastique prend une forme en croix, chaque branche de cette croix étant reliée à un pion de la première plaque et à un pion de la deuxième plaque. Les liaisons pivot permettent de réduire la contrainte mécanique au niveau du contact entre les plaques et le système de rappel élastique.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la batterie comprend un boîtier dans lequel sont disposées les cellules électrochimiques, au moins l’une de la première ou de la deuxième plaque étant formée par une paroi du boîtier.
Le boîtier correspond à un logement au sein duquel peuvent être disposés un ou plusieurs empilements de cellules électrochimiques. Selon cette variante de réalisation, soit la première plaque, soit la deuxième plaque est constituée par une paroi du boîtier ; l’empilement de cellules électrochimiques est alors directement au contact du boîtier. A titre d’exemple, une paroi de fond de ce boîtier peut constituer la deuxième plaque. Une telle variante de réalisation permet de limiter le nombre de pièces utilisées pour la réalisation de la batterie, tout en constituant un gain de volume et de masse. Dans d’autres modes de réalisation, les cellules électrochimiques peuvent être intégrées dans le boîtier pour des raisons de protection ou de manutention, sans nécessairement qu’une paroi de ce boîtier constitue l’une des plaques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique est réalisé en un matériau métallique.
Selon une caractéristique alternative, le système de rappel élastique est réalisé en un matériau élastomère.
Il s’agit ici de deux variantes possibles de matériaux constituant le système de rappel élastique, de tels matériaux étant choisis en fonction de leur degré d’élasticité et de leur capacité de pression qui déterminent respectivement les capacités de déformation et de compression du système de rappel élastique. Un système de rappel élastique en un matériau élastomère est ainsi plus élastique qu’un système de rappel élastique réalisé en un matériau métallique, ce qui favorise la régulation des variations de volume au sein de la batterie. Inversement, le recours à un matériau métallique permet au système de rappel élastique de supporter de fortes pressions. Parmi ces matériaux métalliques, l’acier rend le système de rappel élastique plus rigide que l’aluminium par exemple.
Le système de rappel élastique peut alternativement être réalisé en un matériau composite, ou encore en fibres de carbone.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique est solidarisé à la première plaque par un moyen de fixation irréversible et à la deuxième plaque par un moyen de fixation réversible.
On entend par « moyen de fixation irréversible » un moyen de solidariser le système de rappel élastique à la première plaque de sorte que ces éléments forment un ensemble d’un seul tenant, ou ensemble monobloc, qui ne peut pas être décomposé sans détérioration de l’un des éléments. Inversement, on entend par « moyen de fixation réversible » un moyen de solidariser le système de rappel élastique à la deuxième plaque de sorte que ce moyen puisse être retiré sans endommager l’une ou l’autre de ces pièces. Le système de rappel élastique et la première plaque peuvent ainsi être assemblés par soudage ou par collage tandis que le système de rappel élastique et la deuxième plaque sont associés par vissage. Un tel vissage permet notamment d’étendre le système de rappel élastique lorsqu’il est solidarisé à la deuxième plaque, par exemple en vissant le système de rappel élastique alors que la deuxième plaque est maintenue à une distance de la première plaque qui est supérieure à la distance correspondante maximale du système de rappel élastique au repos, de sorte à ce que ce système de rappel élastique soit sollicité en traction lorsque l’ensemble est fixé et que l’effet de rappel élastique tende à rapprocher les plaques l’une de l’autre et à comprimer les cellules électrochimiques disposées entre ces plaques.
Dans certains modes de réalisation alternatifs, le système de rappel élastique est solidarisé à la première plaque par un premier moyen de fixation réversible et à la deuxième plaque par un deuxième moyen de fixation réversible.
L’invention concerne par ailleurs un véhicule automobile comprenant une batterie telle qu’évoquée précédemment. L’invention est en outre relative à un procédé d’assemblage d’une batterie telle qu’évoquée précédemment, comprenant une étape de solidarisation du système de rappel élastique à la première plaque, une étape de disposition des cellules électrochimiques les unes sur les autres selon la direction d’empilement sur la première plaque, une étape de recouvrement de l’empilement de cellules électrochimiques par la deuxième plaque et une étape de solidarisation du système de rappel élastique à la deuxième plaque, au cours de laquelle le système de rappel élastique est étiré.
Le système de rappel élastique est par exemple solidarisé à la première plaque par le moyen de fixation irréversible. Les cellules électrochimiques sont ensuite disposées sur la première plaque selon la direction d’empilement, puis elles sont recouvertes par la deuxième plaque. Il est notable que la hauteur de l’empilement des cellules, mesurée perpendiculairement au plan dans lequel s’étend la première plaque, est alors supérieure à la hauteur du système de rappel élastique au repos. La deuxième plaque est alors solidarisée au système de rappel élastique par le moyen de fixation réversible, et notamment par une action de vissage d’un bras du système de rappel élastique sur la deuxième plaque. L’action de vissage génère une traction du système élastique de repos, par exemple en maintenant en position lors du vissage la deuxième plaque. En d’autres termes, on s’assure que le système de rappel élastique s’étire au fur et à mesure du vissage pour que ce système de rappel élastique soit sollicité en traction et que la force de rappel élastique tende à ramener la deuxième plaque vers la première plaque et à comprimer les cellules électrochimiques interposées entre ces plaques.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés d’autre part, sur lesquels :
[Fig. 1] illustre, schématiquement, une vue en perspective d’une batterie selon l’invention, avec un système de rappel élastique selon un premier mode de réalisation ;
[Fig. 2] illustre, schématiquement, une vue latérale de la batterie de la figure 1 ;
[Fig. 3] illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la figure 1 avec un système de rappel élastique selon un deuxième mode de réalisation ;
[Fig. 4] illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la figure 1 avec un système de rappel élastique selon un troisième mode de réalisation ; [Fig. 5] illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la figure 1 avec un système de rappel élastique selon un quatrième mode de réalisation ;
[Fig. 6] illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la figure 1 avec un système de rappel élastique selon un cinquième mode de réalisation.
Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Dans la description détaillée qui va suivre, les dénominations « longitudinale », « transversale » et « verticale » se réfèrent à l’orientation de la batterie selon l’invention. Une direction longitudinale correspond à une direction d’extension principale d’une cellule électrochimique de la batterie, cette direction longitudinale étant parallèle à un axe longitudinal L d’un repère L, V, T illustré sur les figures. Une direction verticale correspond à une direction d’empilement des cellules électrochimiques, cette direction verticale étant parallèle à un axe vertical V du repère L, V, T et cet axe vertical V étant perpendiculaire à l’axe longitudinal L. Enfin, une direction transversale correspond à une direction parallèle à un axe transversal T du repère L, V, T, cet axe transversal T étant perpendiculaire à l’axe longitudinal L et à l’axe vertical V, les cellules électrochimiques s’étendant principalement dans un plan longitudinal-transversal.
Les figures 1 à 6 illustrent ainsi, schématiquement, une batterie 1 selon l’invention, cette batterie 1 étant représentée selon un premier mode de réalisation aux figures 1 et 2, selon un deuxième mode de réalisation à la figure 3, selon un troisième mode de réalisation à la figure 4, selon un quatrième mode de réalisation à la figure 5 et selon un cinquième mode de réalisation à la figure 6. Les caractéristiques qui vont être décrites en relation avec l’un de ces modes de réalisation ont vocation à s’appliquer, mutatis mutandis, à l’ensemble des modes de réalisation illustrés, dès lors que ces caractéristiques ne sont pas incompatibles. La batterie 1 est destinée à équiper un véhicule, notamment un véhicule hybride ou électrique, afin d’alimenter un moteur thermique de ce véhicule. La batterie 1 comporte ainsi une pluralité de cellules électrochimiques 2, qui sont des cellules de type poche au sein desquelles ont lieu des réactions d’oxydo-réduction nécessaires au fonctionnement de la batterie 1. Ces cellules électrochimiques 2 comprennent des couches électrochimiques, parmi lesquelles au moins un électrolyte, une anode et une cathode, ces couches électrochimiques étant contenues dans une enveloppe souple qui est une membrane extérieure des cellules électrochimiques 2.
Au sein de la batterie 1, les cellules électrochimiques 2 sont superposées les unes aux autres selon une direction d’empilement qui correspond à une direction verticale V, une telle direction d’empilement étant sensiblement perpendiculaire à un plan longitudinaltransversal dans lequel s’étendent principalement les cellules électrochimiques 2.
Chaque cellule électrochimique 2 présente ici une forme générale rectangulaire, de sorte qu’elle s’étend entre un premier côté 4 qui est une première extrémité longitudinale 4 et un deuxième côté 6 qui est une deuxième extrémité longitudinale 6, ces extrémités longitudinales 4, 6 étant opposées l’une à l’autre et reliées ensemble par une première extrémité transversale 8 et une deuxième extrémité transversale 10, qui forment deux autres côtés des cellules électrochimiques 2.
L’empilement des cellules électrochimiques 2 est délimité, selon la direction d’empilement, par des plaques 12, 14 de la batterie 1, qui sont ici des plaques rigides sensiblement planes. Les cellules électrochimiques 2 sont plus précisément superposées entre une première plaque 12, qui constitue un socle pour l’empilement des cellules électrochimiques 2, et une deuxième plaque 14, qui forme un élément de couverture pour cet empilement. Les plaques 12, 14 sont des pièces rectangulaires sensiblement planes, dont une face est au contact des cellules électrochimiques 2 et une face opposée est à distance de celles-ci. Ces plaques 12, 14 présentent toutes deux des dimensions, mesurées dans un plan longitudinal-transversal et qui correspondent à leurs longueurs et largeurs respectives, qui sont supérieures à des dimensions correspondantes des cellules électrochimiques 2. De la sorte, il existe une portion périphérique libre 16 pour chacune des plaques 12, 14, cette portion périphérique libre 16 correspondant à un pourtour des plaques 12, 14 non recouvert par les cellules électrochimiques 2. La baterie 1 comprend un boîtier au sein duquel sont logées les cellules électrochimiques 2. Dans certaines variantes de réalisation, non représentées ici, au moins l’une des plaques 12, 14 est formée par une paroi du boîtier. En d’autres termes, soit la première plaque 12, soit la deuxième plaque 14 est formée par une paroi du boîtier.
Selon l’invention, la batterie 1 comprend un système de rappel élastique 18 destiné à compresser l’empilement de cellules électrochimiques 2 d’une part et à gérer les variations de volume de ces cellules électrochimiques 2 d’autre part. La batterie 1 présente ici un premier système de rappel élastique 18 disposé le long de la première extrémité longitudinale 4 des cellules électrochimiques 2 et un deuxième système de rappel élastique 18 disposé le long de leur deuxième extrémité longitudinale 6. On comprend ainsi que le premier système de rappel élastique 18 et le deuxième système de rappel élastique 18 sont disposés sur des côtés opposés de la batterie 1, de sorte à optimiser une répartition des efforts au sein de la batterie 1. On pourrait également envisager, sans sortir du cadre de l’invention, un système de rappel élastique 18 disposé en une position centrale de la baterie 1.
L’un de ces premier et deuxième systèmes de rappel élastique 18 va maintenant être décrit en détail, les caractéristiques suivantes s’appliquant à chacun des deux systèmes de rappel élastique 18.
Le système de rappel élastique 18 relie la première plaque 12 à la deuxième plaque 14, c'est-à-dire qu’il s’étend entre ces deux plaques 12, 14 tout en étant solidarisé à elles. Dans l’exemple illustré à la figure 1, le système de rappel élastique 18 s’étend entre la portion périphérique libre 16 de la première plaque 12 et la portion périphérique libre 16 de la deuxième plaque 14, à partir des faces de ces plaques 12, 14 qui sont en regard des cellules électrochimiques 2.
Tel que cela a été évoqué ci-avant, le système de rappel élastique 18 est solidarisé à la fois à la première plaque 12 et à la deuxième plaque 14. Plus précisément, le système de rappel élastique 18 est solidarisé à la première plaque 12 par un moyen de fixation irréversible 101, par exemple par un cordon de soudage ou de colle, tandis que ce système de rappel élastique 18 est solidarisé à la deuxième plaque 14 par un moyen de fixation réversible 102, par exemple par vissage, ces moyens de fixation étant représentés schématiquement sur les figures 1 et 2. Alternativement, le système de rappel élastique 18 et l’une de la première plaque 12 et de la deuxième plaque 14 peuvent former un ensemble monobloc, par exemple réalisé par fonderie ou encore taillée dans un bloc.
Le système de rappel élastique 18 est, selon les modes de réalisation, réalisé en un matériau métallique, en un matériau composite, en fibres de carbone, ou en un matériau élastomère, suivant des degrés de souplesse et de compression souhaités pour le système de rappel élastique 18.
Une morphologie du système de rappel élastique 18 va maintenant être détaillée relativement à chacun des modes de réalisation. Pour chacun des premier, deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation, le système de rappel élastique 18 comprend au moins une arche. Le système de rappel élastique 18 comprend par exemple au moins une première arche 20 et une deuxième arche 22, qui sont toutes deux disposées le long de l’empilement de cellules électrochimiques 2, le long de l’une des extrémités longitudinales 4, 6, c'est-à-dire d’un même côté de la batterie 1. Plus spécifiquement, la première arche 20 et la deuxième arche 22 comprennent respectivement une tête 24 de forme arrondie, cette tête 24 reliant un premier bras 26 et un deuxième bras 28. Ces bras 26, 28 s’étendent, au moins partiellement, le long des plaques 12, 14 ; le premier bras 26 est ainsi au contact de la première plaque 12 tandis que le deuxième bras 28 est au contact de la deuxième plaque 14. La tête 24 d’une arche 20, 22 donnée est disposée, selon la direction d’empilement, entre ses bras 26, 28, sensiblement à équidistance de la première plaque 12 et de la deuxième plaque 14.
Au sein de la batterie 1, les arches 20, 22 sont disposées en opposition, de sorte que leurs têtes 24 respectives sont en regard l’une de l’autre tandis que leurs bras 26, 28 d’une arche 20, 22 donnée sont orientés selon un sens opposé à la tête 24 de l’autre arche 20, 22. On comprend que les bras 26, 28 des arches 20, 22 s’étendent, à partir des têtes 24, en direction des jonctions entre l’une des extrémités longitudinales 4, 6 et l’une des extrémités transversales 8, 10, c'est-à-dire des coins des plaques 10, 12, alors que leurs têtes 24 sont disposées au niveau d’une portion centrale des extrémités longitudinales 4, 6. On pourrait également envisager, sans sortir du cadre de l’invention et bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, des modes de réalisation dans lesquels à l’inverse les têtes 24 des arches 20, 22 sont disposées respectivement au niveau de côtés opposés, tandis que leurs bras 26, 28 sont disposés au niveau de la portion centrale des extrémités longitudinales 4, 6.
Tel que cela a été évoqué précédemment, le système de rappel élastique est fixé de manière irréversible sur la première plaque 12 via les bras 26 et un moyen de fixation irréversible 101 de type soudage ou collage. A contrario, le système de rappel élastique est fixé, via les bras 28, de manière réversible sur la deuxième plaque 14, avec des moyens de fixation réversibles 102 appropriés, tel que représentés schématiquement sur les figures 1 et 2, étant entendu que des moyens de fixation équivalents peuvent être mis en œuvre dans les modes de réalisation illustrés sur les autres figures. A titre d’exemple, les moyens de fixation réversibles 102 sont formés par des vis de fixation qui traversent un alésage réalisé dans la deuxième plaque 12 et qui viennent en prise dans un alésage taraudé formé dans les bras 28 des arches 20, 22.
Dans certains modes de réalisation, la première arche 20 et la deuxième arche 22 sont par ailleurs jointes par une portion de liaison 30, qui est une partie du système de rappel élastique 18 qui lie cette première arche 20 et cette deuxième arche 22 l’une à l’autre.
Dans le premier mode de réalisation, illustré aux figures 1 et 2, les arches 20, 22 présentent une forme en entonnoir, avec une portion pincée entre leur tête 24 et leurs bras 26, 28. Les arches 20, 22 présentent ici une dimension de section, mesurée dans un plan de coupe vertical et transversal, qui dans l’exemple illustré et sans que cela soit limitatif de l’invention, peut être comprise entre 15 à 20 millimètres. La dimension de section des arches est fonction d’un compromis souhaité entre une souplesse du système de rappel élastique 18 et la force de compression qu’il est apte à faire passer pour comprimer les cellules de façon optimale. Il convient de noter que cette valeur de dimension de section est ici un exemple et qu’une telle valeur peut être différente selon le matériau utilisé, la pression à appliquer, et/ou les variations prévues de volume des cellules.
Dans ce premier mode de réalisation, la première arche 20 et la deuxième arche 22 ne sont pas reliées l’une à l’autre ; on comprend qu’il n’y a pas de portion de liaison entre cette première arche 20 et cette deuxième arche 22.
Dans le deuxième mode de réalisation, représenté à la figure 3, le système de rappel élastique 18 comprend des arches à la courbure simplifiée, avec un rayon de courbure dans le même sens d’un bras à l’autre, mais un nombre d’arches plus important que dans le premier mode de réalisation. Le système de rappel élastique comprend, en sus de la première arche 20 et de la deuxième arche 22, une troisième arche 32 et une quatrième arche 34. La première arche 20 est imbriquée dans la troisième arche 32 de sorte que la tête 24 de cette première arche 20 soit disposée entre les bras 26, 28 de la troisième arche 32, et de la même façon la deuxième arche 22 est imbriquée dans la quatrième arche 34 de sorte que la tête 24 de cette deuxième arche 22 soit disposée entre les bras 26, 28 de la quatrième arche 34. Les première arche 20 et troisième arche 32 sont ainsi orientées selon un même sens de la direction longitudinale L, les deuxième arche 22 et quatrième arche 34 étant orientées selon un sens opposé de cette direction longitudinale L. La troisième arche 32 et la quatrième arche 34 sont en outre plus proches l’une de l’autre que la première arche 20 et la deuxième arche 22.
Sur ce deuxième mode de réalisation, la première arche 20, la deuxième arche 22, la troisième arche 32 et la quatrième arche 34 sont reliées les unes aux autres par deux portions de liaison 30 s’étendant respectivement le long de la première plaque 12 et de la deuxième plaque 14. Ces portions de liaison 30 sont des bandes du système de rappel élastique 18 qui sont sensiblement planes, formant une surépaisseur le long de la plaque 12, 14 qui leur est respectivement associée. Tel que cela a pu être évoqué, on augmente ainsi la surface de contact entre le système de rappel élastique et les plaques, qui est ici sensiblement égale à la dimension longitudinale totale des plaques, ce qui a pour effet de répartir les efforts qui peuvent être encaissés dans les zones de fixation du système de rappel élastique sur les plaques. A titre d’exemple une partie médiane des portions de liaison 30 peut être équipée d’un moyen de fixation, par exemple d’alésages taraudés pour recevoir des vis de fixation, alors qu’aucun des bras n’est en regard de cette partie médiane.
Dans le troisième mode de réalisation, visible à la figure 4, les arches 20, 22 sont en forme de U, dans une configuration de courbure sensiblement équivalente à celle des arches du deuxième mode de réalisation. Le nombre d’arches est moindre que dans ce deuxième mode de réalisation mais avec des dimensions de section, dans un plan vertical et transversal, qui sont plus importantes que dans ce deuxième mode de réalisation. La première arche 20 et la deuxième arche 22 sont ici reliées par une portion de liaison 30 qui s’étend sensiblement à équidistance de la première plaque 12 et de la deuxième plaque 14, cette portion de liaison 30 reliant plus précisément la tête 24 de la première arche 20 à la tête 24 de la deuxième arche 22, le système de rappel élastique 18 ayant alors une forme en croix. On comprend que l’on évite ainsi aux têtes, qui sont disposées à distance des zones de fixation sur les plaques rigides, de vibrer et débattre latéralement lorsque le véhicule est en roulage par exemple, en assurant une rigidité centrale du système de rappel élastique.
Dans le quatrième mode de réalisation, qui est illustré en figure 5, la première arche 20 et la deuxième arche 22 sont chacune formées par un ressort hélicoïdal. Les têtes 24 de ces arches 20, 22 sont plus particulièrement formées par une ou plusieurs spires de ces ressorts hélicoïdaux, les bras 26, 28 correspondant à des segments droits qui s’étendent parallèlement aux première et deuxième plaques 12, 14. En raison de la présence de spires, il existe un décalage transversal entre le premier bras 26 et le deuxième bras 28, ce décalage transversal étant de plus en plus prononcé au fur et à mesure que le nombre de spires augmente. Dans ce quatrième mode de réalisation, le système de rappel élastique 18 est dépourvu de portion de liaison.
A la sixième figure est représentée une batterie 1 avec un système de rappel élastique 18 selon un cinquième mode de réalisation. Le système de rappel élastique 18 comprend ici deux portions courbées 36, 38, parmi lesquelles une première portion courbée 36 et une deuxième portion courbée 38. La première portion courbée 36 est reliée à la première plaque et présente une partie bombée qui tend à se rapprocher de la deuxième plaque 14, alors que la deuxième portion courbée 38 est reliée à la deuxième plaque 14 et présente une partie bombée qui tend à se rapprocher de la première plaque 12. Ces portions courbées 36, 38 sont jointes l’une à l’autre au niveau d’une portion centrale 39, qui correspond à un point le plus haut de leurs formes concaves. Les portions courbées 36, 38 sont associées aux plaques 12, 14 par l’intermédiaire de pions 40, 42 faisant saillie des plaques 12, 14. Chacune de la première plaque 12 et de la deuxième plaque 14 comprend plus spécifiquement un premier pion 40 et un deuxième pion 42, qui sont respectivement disposés au voisinage des jonctions entre l’extrémité longitudinale 4, 6 et les extrémités transversales 8, 10 attenantes. La première portion courbée 36 est reliée au premier pion 40 et au deuxième pion 42 de la première plaque 12, alors que la deuxième portion courbée 38 est reliée au premier pion 40 et au deuxième pion 42 de la deuxième plaque 14. Les portions courbées 36, 38 sont plus exactement reliées à leurs pions 40, 42 respectifs par l’intermédiaire de liaisons pivot, des extrémités des portions courbées 36, 38 étant enroulées autour des pions 40, 42 de façon à former ces liaisons pivot.
Un procédé d’assemblage de la batterie 1 selon l’invention va maintenant être décrit. Un tel procédé d’assemblage comprend une étape de solidarisation du système de rappel élastique 18 à la première plaque 12. Une telle étape de solidarisation est, dans le cas du premier au quatrième mode de réalisation, une solidarisation par un moyen de fixation irréversible 101, notamment par collage ou soudage. La première plaque 12 est par exemple une paroi de fond du boîtier de la batterie 1. Au contraire, dans le cas du cinquième mode de réalisation, la solidarisation correspond à un enroulement du système de rappel élastique 18 autour des pions 40, 42 de la première plaque 12 de façon à former des liaisons pivot. Le procédé d’assemblage comprend par la suite une étape de disposition des cellules électrochimiques 2 en recouvrement de la première plaque 12, selon la direction d’empilement. Les cellules électrochimiques 2 peuvent à cet effet être disposées une par une, ou bien un empilement déjà formé de cellules électrochimiques 2 est déposé en une seule opération sur la première plaque 12. On comprend que les cellules électrochimiques sont déposées sur la première plaque 12 entre les systèmes de rappel élastique ou autour du système de rappel élastique, selon le nombre et la disposition des systèmes de rappel élastique sur la première plaque.
Le procédé d’assemblage se poursuit par une étape de recouvrement, lors de laquelle la deuxième plaque 14 est disposée sur l’empilement de cellules électrochimiques 2. La plaque peut venir reposer sur le système de rappel élastique, si celui-ci est déjà contraint en traction et présente une longueur supérieure à sa longueur à vide, ou bien être maintenue à distance des bras du système de rappel élastique sur lesquels cette plaque doit être fixée.
Le procédé d’assemblage comprend ensuite une seconde étape de solidarisation, qui vise à solidariser le système de rappel élastique 18 et la deuxième plaque 14, que ce soit par un moyen de fixation réversible 102, par exemple par vissage comme c’est le cas du premier au quatrième mode de réalisation, ou encore par enroulement des extrémités de la deuxième portion courbée 38 autour des pions 40, 42 de la deuxième plaque 14 comme c’est le cas dans le cinquième mode de réalisation. Au cours de cette seconde étape de solidarisation, le système de rappel élastique 18 est étiré. On comprend notamment, pour les quatre premiers modes de réalisation, que les bras 26, 28 d’une arche 20, 22 sont déformés de sorte à être écartés l’un de l’autre selon la direction verticale V au fur et à mesure du vissage. La seconde étape de solidarisation peut être facilitée par l’utilisation d’une presse, qui appuie sur l’empilement de cellules électrochimiques 2 de sorte à réduire leur volume. Une fois la solidarisation par le moyen de fixation réversible effectuée, le système de rappel élastique 18 tend à reprendre sa forme de repos, c'est-à-dire non écartée, et compresse à cette occasion l’empilement de cellules électrochimiques 2 en rapprochant ses bras 26, 28, ce qui entraîne le rapprochement de la première plaque 12 et la deuxième plaque 14 l’une vers l’autre. La présente invention propose ainsi une batterie présentant un système capable d’appliquer des forces de compression sur les cellules électrochimiques, tout en présentant une souplesse nécessaire à une gestion de leurs variations de volume.
La présente invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations décrits et illustrés ici et elle s’étend également à tout moyen et toute configuration équivalents ainsi qu’à toute combinaison techniquement opérante de tels moyens.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie (1) pour véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules électrochimiques (2), une première plaque (12) et une deuxième plaque (14), les cellules électrochimiques (2) étant superposées les unes aux autres selon une direction d’empilement entre la première plaque (12) et la deuxième plaque (14), la batterie (1) comprenant au moins un système de rappel élastique (18) reliant la première plaque (12) et la deuxième plaque (14).
2. Batterie (1) selon la revendication précédente, comprenant un premier système de rappel élastique (18) et un deuxième système de rappel élastique (18) disposés de part et d’autre de l’empilement de cellules électrochimiques (2).
3. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chacune de la première plaque (12) et de la deuxième plaque (14) présente des dimensions, mesurées dans un plan longitudinal-transversal perpendiculaire à la direction d’empilement, supérieures à des dimensions d’une cellule électrochimique de sorte à présenter une portion périphérique libre (16), le système de rappel élastique (18) s’étendant à partir de la portion périphérique libre (16).
4. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le système de rappel élastique (18) comprend au moins une arche (20, 22).
5. Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle l’au moins une arche (20, 22) comprend une tête (24) reliant un premier bras (26) et un deuxième bras (28), le premier bras (26) étant au contact de la première plaque (12) et le deuxième bras (28) étant au contact de la deuxième plaque (14).
6. Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle le système de rappel élastique (18) comprend une première arche (20) et une deuxième arche (22), la tête (24) de la première arche (20) étant disposée en regard de la tête (24) de la deuxième arche (22).
7. Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la première arche (20) et la deuxième arche (22) sont reliées par une portion de liaison (30) s’étendant le long de la première plaque (12) et/ ou de la deuxième plaque (14).
8. Batterie (1) selon la revendication 6, dans laquelle la première arche (20) et la deuxième arche (22) sont reliées par une portion de liaison (30) s’étendant sensiblement à équidistance de la première plaque (12) et de la deuxième plaque (14).
9. Batterie (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, en combinaison avec la revendication 4, dans laquelle l’au moins une arche (20, 22) est formée par un ressort hélicoïdal.
10. Procédé d’assemblage d’une batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une étape de solidarisation du système de rappel élastique (18) à la première plaque (12), une étape de disposition des cellules électrochimiques (2) les unes sur les autres selon la direction d’empilement sur la première plaque (12), une étape de recouvrement de l’empilement de cellules électrochimiques (2) par la deuxième plaque (14) et une étape de solidarisation du système de rappel élastique (18) à la deuxième plaque (14), au cours de laquelle le système de rappel élastique (18) est étiré.
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