FR3038453A1 - Cellule d'accumulateur prismatique et batterie d'accumulateurs - Google Patents

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Guenter Schlemmer
Alexander Klonczynski
Timo Kegel
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Cellule d'accumulateur (2) prismatique ayant un boîtier parallélépipédique (4) logeant des électrodes (10), reliées à des bornes de branchement (18). Le boîtier (4) a une zone de couvercle (24) recevant les connecteurs de branchement (18) et une zone munie d'une enveloppe isolante (26). La cellule (2) comporte au moins une broche de contact (28) métallique, reliée électriquement à l'une des deux électrodes (10) et traversant l'enveloppe isolante (26).

Description

Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte à une cellule d’accumulateur prismatique ayant un boîtier parallélépipédique logeant des électrodes, les électrodes permettant l’échange d’énergie entre la cellule d’accumulateur prismatique et les bornes de branchement reliées électriquement, le boîtier ayant une zone de couvercle recevant les connecteurs de branchement et au moins une zone munie d’une enveloppe isolante. L’invention se rapporte également à une batterie d’accumulateurs comportant un ensemble de telles cellules d’accumulateur.
Etat de la technique
Selon la description suivante, les expressions batterie et cellule de batterie sont utilisées pour désigner les accumulateurs ou cellules d’accumulateur comme dans le langage courant. Une cellule électrochimique sera appelée en abrégé ci-après « cellule de batterie » ou plus simplement « cellule ». Une batterie réunit de manière caractéristique plusieurs cellules de préférence dans l’espace et par une liaison ou branchement, par exemple en série ou en parallèle pour obtenir des modules et fournir la puissance requise. Plusieurs modules constituant une batterie.
Les systèmes de batteries de puissance tels que par exemple ceux des véhicules hybrides, véhicules électriques ou pour le stockage stationnaire relient les différentes cellules de batterie par un branchement en série ou en parallèle pour obtenir la puissance totale souhaitée.
La liaison est souvent réalisée en juxtaposant les cellules et en les reliant à l’aide de pièces de connexion métalliques, rigides, c’est-à-dire des connecteurs de cellules pour assurer leur branchement électrique.
Pour la régulation et pour surveiller le fonctionnement d’un système de batteries de puissance, il faut des informations telles que la tension des cellules, la température des cellules, la tension des modules et la température des modules. Ces informations sont fournies à des appareils de commande appropriés en branchant des capteurs avec câblage électrique aux connecteurs de cellules. Le branchement des lignes de mesure et des capteurs sur tous les connecteurs de cellules se fait de préférence en général par des connexions, des liaisons brasées ou serties.
Un tel concept est par exemple appliqué selon le document DE 10 2012 213 673 Al. Ce document décrit un module de batterie composé d’un ensemble de cellules et d’un ensemble de connecteurs de cellules ; le connecteur de cellules relie électriquement des pôles de branchement des cellules. Pour mesurer la tension et/ou la température, les connecteurs de cellules ont des contacts de connexion pour être reliés aux différentes lignes de mesure.
Selon le document CN 204118200 U on connaît une cellule polymère lithium-ion, de forme cylindrique. L’extrémité supérieure et l’extrémité inférieure du corps de base de la cellule comportent les bornes positives et négatives de la cellule. L’un des deux pôles passe sur l’autre face par une liaison par un fil métallique et une pièce en plastique est prévue pour recevoir un connecteur.
Exposé et avantages de l’invention
La présente invention a pour objet une cellule d’accumulateur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu’elle comporte au moins une broche de contact métallique reliée électriquement à l’une des deux électrodes et traversant l’enveloppe isolante.
En d’autres termes, l’invention a pour objet une cellule d’accumulateur prismatique ayant un boîtier parallélépipédique logeant des électrodes. Les électrodes permettent l’échange d’énergie avec la cellule d’accumulateur et les bornes de branchement. Le boîtier 1 a un couvercle avec les bornes de branchement et au moins une zone avec une enveloppe isolante. Il comporte une broche de contact métallique pour être relié électriquement aux deux électrodes en traversant l’enveloppe isolante.
De façon avantageuse, la cellule d’accumulateur, prismatique, selon l’invention comporte au moins des lignes de mesure et des capteurs qui ne sont pas reliés par le connecteur de cellules mais par une broche de contact métallique. En plus des bornes de branchement, les broches de contact métalliques sont reliées directement à l’une des deux électrodes, ce qui constitue un contact solide et de grande qualité.
La broche de contact métallique selon l’invention traverse la paroi du boîtier, mais peut également se terminer sous le couvercle. L’enveloppe isolante est, par exemple, en matière plastique, mais d’autres solutions techniques sont envisageables qui assurent une isolation suffisante par rapport aux bornes de branchement de la batterie et /ou par rapport au connecteur des cellules.
Selon un développement préférentiel, la broche de contact métallique est logée dans le boîtier de connecteur. Le dispositif de connecteur permet de réaliser une liaison électrique particulièrement simple et robuste avec un faisceau de câbles. Le faisceau de câbles représente un câble ainsi que d’autres dispositifs tel que le connecteur complémentaire pour le branchement électrique entre plusieurs cellules d’accumulateur, prismatiques formant une batterie d’accumulateurs.
Selon un développement, la broche de contact métallique est une pièce emboutie. Cette réalisation sous forme de pièce emboutie constitue une solution particulièrement économique et solide pour fournir des informations concernant la température et/ou la tension des cellules d’accumulateur prismatiques, par exemple la température ou la tension.
Selon un développement préférentiel, les bornes de branchement pour l’échange d’énergie avec la cellule d’accumulateur sont excentrées dans la zone du couvercle et de façon particulièrement préférentielle, elles sont excentrées de manière opposée. La disposition excentrée opposée des bornes de branchement réduit le risque de court-circuit par la liaison de l’écart entre les deux bornes de branchement.
En revanche, la broche de contact est de préférence au milieu de la zone de couvercle du boîtier. Cela réduit avantageusement la complexité du faisceau de câble, en particulier, cela réduit la longueur du faisceau de câbles et simplifie le montage du faisceau de câbles. La topologie des bornes de branchement excentrées avec une broche de contact, centrale, simplifie le montage du faisceau de câbles tout en séparant, de manière protégée, les bornes de branchement de la batterie. La cellule d’accumulateur, prismatique, peut comporter une ou plusieurs broches de contact métallique comme cela est indiqué ci-dessus. Dans le cas où la cellule d’accumulateur prismatique comporte par exemple deux broches de contact métalliques, celles-ci sont reliées de préférence électriquement à l’une des deux électrodes en traversant l’enveloppe isolante. Une broche de contact métallique est reliée électriquement à la première des deux électrodes et la seconde broche de contact métallique est reliée électriquement à la seconde des deux électrodes. Cela permet d’avoir des informations concernant la différence de tension entre les deux électrodes ainsi que la température en plusieurs endroits différents de la batterie. D’une manière particulièrement préférentielle, l’ensemble des cellules d’accumulateur, prismatiques selon l’invention est assemblé en une batterie d’accumulateurs. Ainsi, l’invention s’applique également à une batterie d’accumulateurs composée d’un ensemble de cellules d’accumulateur, de forme prismatique, réalisées comme décrit ci-dessus. Les cellules d’accumulateur sont branchées électriquement en parallèle et/ou en série par des connecteurs de cellules pour fournir la puissance nécessaire. Les connecteurs de cellules sont reliés électriquement aux bornes de branchement des cellules d’accumulateur et permettent d’échanger de l’énergie avec les cellules d’accumulateur et l’extérieur, par exemple un moteur électrique.
Selon un développement préférentiel, les broches de contact métalliques sont reliés aux lignes de mesure d’un système de gestion de batterie (BMS) qui mesure le courant des batteries et la tension des différentes cellules, des différents modules ou de l’ensemble de la batterie ainsi que les températures respectives pour en déduire, par exemple, l’état de charge des cellules (l’état de charge est en général appelé état « SOC »), l’état d’endommagement des cellules de batterie (état de santé « SOH ») ainsi que la puissance possible pour la batterie. En cas de surcharge, lorsqu’on quitte la fenêtre SOC ou en cas de dépassement de température, les cellules sont par exemple protégées par la coupure du système ou par l’émission d’une indication de coupure.
Les broches de contact métalliques se fixent aux lignes de mesure du système de batterie par sertissage ou brasage. En variante, les broches de contact métalliques sont reliées à la ligne de mesure du système de gestion de batterie par des connexions. On peut également relier certains contacts métalliques par sertissage ou brasage à la ligne de mesure du système de gestion de batterie et les autres broches de contact métalliques par des connexions reliées à la ligne de mesure du système de gestion de batterie.
Avantages de l’invention
Les broches de contact métalliques qui sont reliés électriquement à l’une des deux électrodes d’une cellule d’accumulateur et l’enveloppe isolante de la zone de couvercle du boîtier parallélépipédique permettent un branchement électrique solide de la cellule d’accumulateur pour fournir les données de mesure. On peut également réduire la complexité et la longueur du faisceau de câbles, ce qui simplifie le montage.
Dans le cas d’une prise sur les deux pôles de la cellule, on couvre l’ensemble des fonctions du système de gestion de batterie par les broches de contact métalliques.
Dessins
La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l’aide d’exemples de réalisation de cellules d’accumulateur représentées dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments portent les mêmes références dans les différentes figures.
Ainsi : la figure 1 est une vue éclatée d’une partie d’une batterie d’accumulateurs selon l’état de la technique, la figure 2 est une vue en coupe d’une partie d’une cellule d’accumulateur, prismatique selon un mode de réalisation de l’invention, et la figure 3 est une vue de dessus de deux cellules d’accumulateur, prismatiques reliées, correspondant à un mode de réalisation de l’invention.
Description de modes de réalisation
La figure 1 est une vue éclatée de parties d’une batterie d’accumulateurs selon l’état de la technique. Les cellules d’accumulateur de la batterie ne sont pas représentées. La figure 1 montre un faisceau de câbles 100 avec des points de contact 102 pour des bornes de cellules non représentées. La figure 1 montre également un connecteur de cellules 104 qui branche les cellules suivant un montage en série et/ou en parallèle. La figure 1 montre en outre un couvercle en matière plastique 106 recevant le connecteur de cellules 104 et le faisceau de câbles 100. Le couvercle en matière plastique 106 chevauche et assemble un ensemble de cellules d’accumulateur, prismatiques juxtaposées, en chevauchant leur côté supérieur.
Le faisceau de câbles 100 est en contact avec les cellules d’accumulateur par le connecteur de cellules 104. Ainsi pour chaque cellule on a deux points de contact 102 avec le connecteur 104 de sorte que le faisceau de câbles 100 a pratiquement une forme de U comme représenté ou encore une structure d’arbre avec un cordon central d’où partent chaque fois deux branches vers les connecteurs de cellules 104 (non représentés).
La figure 2 montre la partie supérieure d’une cellule d’accumulateur 2 de forme prismatique correspondant à un mode de réalisation de l’invention. Il s’agit d’une vue en coupe de côté. La cellule d’accumulateur 2 de forme prismatique se compose d’un boîtier rigide 4, contrairement, par exemple à des cellules en forme de poche. Le boîtier rigide 4 a pratiquement une forme parallélépipédique avec des parois latérales 8 et un couvercle 6 ; le boîtier est en principe en aluminium.
Le couvercle 6, dans le cas de cellules d’accumulateur lithium-ion a, de manière caractéristique, un orifice de remplissage pour l’électrolyte liquide, ce qui n’est pas représenté. Le couvercle 6 comporte des dispositifs tels que des membranes fractionnables ou autres dispositifs de sécurité ; ces moyens ne sont pas non plus représentés.
Le boîtier parallélépipédique 4 loge des électrodes 10, qui, de manière caractéristique, sont des anodes et des cathodes correspondant à l’électrode positive ou négative de chaque cellule d’accumulateur 2, prismatique. Les électrodes 10 permettent l’échange d’énergie entre la cellule d’accumulateur 2, prismatique et les contacts 12, qui, dans l’exemple de réalisation comportent des segments d’électrodes de contact 14, orientés verticalement ainsi que des segments de liaison horizontaux se terminant par les bornes de branchement 18 en saillie sur le côté supérieur. Les électrodes 10 permettent ainsi l’échange d’énergie avec la cellule d’accumulateur 2 prismatique, en étant reliées électriquement aux bornes 18. Les bornes 18 de cet exemple de réalisation comportent des segments de soudage 22 pour les connecteurs de cellules 20, permettant de relier plusieurs telles cellules d’accumulateur 2 de forme prismatique.
Selon certaines formes de réalisation, les bornes 18 dépassent du couvercle 6 et sont branchées seulement au-dessus du couvercle 6 avec le connecteur de cellules 20. Le branchement se fait par exemple par soudage, mais aussi par sertissage ou brasage.
Dans le mode de réalisation représenté, la zone de couvercle 24 comporte en outre une enveloppe isolante 26. La zone de couvercle 24 correspond, par exemple, à la zone de la cellule d’accumulateur 2, prismatique, au-dessus des électrodes 10. L’enveloppe isolante 26 est par exemple en matière plastique. L’une des deux bornes de branchement 18 porte une broche de contact métallique 28 qui est par exemple soudée ou brasée ou sertie. Dans l’exemple de réalisation représenté, la broche de contact métallique 28 se trouve entre le connecteur de cellule 20 et la borne de branchement 18. Dans d’autres modes de réalisation, on a le contact entre la broche de contact métallique 28 sur l’électrode 10 correspondante, également dans la zone des segments de pattes 16 ou dans la zone du segment d’électrodes de contact 14. La broche de contact 28 métallique de l’exemple de réalisation représenté est une pièce emboutie, dont la fabrication est économique ; cette broche dépasse du couvercle 6. Dans d’autres formes de réalisation, la broche de contact métallique 28 se termine sous le couvercle 6. L’enveloppe isolante 26 est, par exemple, fabriquée par injection. La broche de contact métallique 28 est ainsi enrobée par l’enveloppe isolante 26 pour l’isoler par rapport aux autres éléments métalliques de la cellule d’accumulateur 2 prismatique et par rapport aux électrolytes.
Dans le mode de réalisation présenté, la broche de contact métallique 28 se trouve dans un boîtier de connecteur 30. Le boîtier de connecteur 30 peut également être une pièce injectée que l’on installe à postériori dans l’enveloppe isolante 26, par exemple par vissage ou serrage ou encore selon d’autres formes de réalisation. Cette enveloppe est en une seule pièce avec l’enveloppe isolante 26. Le boîtier de connecteur 30 reçoit un connecteur complémentaire approprié du faisceau de câbles (cette solution n’est pas détaillée).
La figure 3 est une vue de dessus de deux cellules d’accumulateur 2, prismatique, juxtaposées correspondant à un mode de réalisation de l’invention. Les cellules d’accumulateur 2, prismatiques, de forme cubique ont une courte paroi latérale 8a et une longue paroi latérale 8b.
Les cellules d’accumulateur 2 de forme prismatique se rejoignent l’une l’autre par leurs parois latérales longues 8b. Par exemple, les cellules d’accumulateur, prismatiques 2 sont branchées en série par le connecteur de cellules 20. Le connecteur de cellules 20 peut en principe être de forme quelconque ; dans le mode de réalisation représenté, le connecteur chevauche sensiblement suivant une forme de méandres plusieurs cellules d’accumulateur 2 prismatique d’un paquet d’accumulateurs. Dans le mode de réalisation représenté, la cellule d’accumulateur 2, prismatique, comporte également en vue de dessus, un boîtier de connecteur 30 au milieu du couvercle 6. Dans ce mode de réalisation les cellules d’accumulateur 2, prismatiques ont chacune deux broches de contact métalliques 28. Chaque broche de contact métallique 28 est reliée à une électrode correspondante 10 de sorte que l’on a des informations de tension aux deux électrodes 10. Le boîtier de connecteur 30 peut avoir des éléments de liaison par la forme qui permettent une orientation non équivoque pour le branchement des broches de contact métalliques 28 avec un connecteur complémentaire correspondant (ce connecteur n’est pas représenté). Les broches de contact métalliques 28 peuvent être symétriques par rapport au centre 32 du couvercle 6 de la cellule prismatique d’accumulateur 2.
De même, les bornes de branchement 18 (non représentées ici mais apparaissant selon la position du connecteur de cellules 20 à la figure 1) sont également excentrées par rapport au centre 32 du couvercle 6 et notamment de façon excentrée dans des directions opposées. L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus. Bien plus, les revendications donnent des indications pour un grand nombre de variantes possibles dans le cadre de la définition générale de la présente invention.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 2 Cellule d’accumulateurs prismatique 4 Boîtier 6 Couvercle 8 Paroi latérale 10 Electrode 12 Connecteur 14 Segment d’électrode de contacts 18 Borne de branchement 20 Connecteur de cellules 22 Segment de soudage 24 Zone de couvercle 26 Enveloppe isolante 28 Broche de contact 30 Boîtier de connecteur 32 Milieu du couvercle 100 Faisceau de câbles 102 Point de contact 104 Connecteur de cellules 106 Couvercle en matière plastique

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS 1°) Cellule d’accumulateur (2) prismatique ayant un boîtier parallélépipédique (4) logeant des électrodes (10), - les électrodes (10) permettant l’échange d’énergie entre la cellule d’accumulateur (2) prismatique et les bornes de branchement (18) reliées électriquement, - le boîtier (4) ayant une zone de couvercle (24) recevant les connecteurs de branchement (18) et au moins une zone munie d’une enveloppe isolante (26), cellule d’accumulateur prismatique (2), caractérisée en ce qu’ elle comporte au moins une broche de contact (28), métallique, reliée électriquement à l’une des deux électrodes (10) et traversant l’enveloppe isolante (26).
  2. 2°) Cellule d’accumulateur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la broche de contact (28) métallique est dans un boîtier de connecteur (30).
  3. 3°) Cellule d’accumulateur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la broche de contact métallique (28) est une pièce emboutie.
  4. 4°) Cellule d’accumulateur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les connecteurs de branchement (18) pour l’échange d’énergie avec les cellules d’accumulateur (2) sont excentrées dans la zone de couvercle (24), en étant de préférence excentrées de manière opposée l’une par rapport à l’autre.
  5. 5°) Cellule d’accumulateur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la broche de contact métallique (28) se trouve dans la zone de couvercle (24) du boîtier (4).
  6. 6°) Cellule d’accumulateur (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cellule d’accumulateur (2) comporte deux telles broches de contact métallique (28) qui sont reliées électriquement à l’une des deux électrodes (10) et qui traversent l’enveloppe isolante (26).
  7. 7°) Batterie d’accumulateurs comportant un ensemble de cellules d’accumulateurs prismatiques (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les cellules d’accumulateur (2) sont branchées électriquement en parallèle et/ou en série par des connecteurs de cellules (20), ces connecteurs (20) étant reliés électriquement aux bornes de branchement (18) des cellules d’accumulateur (2).
  8. 8°) Batterie d’accumulateurs comportant un ensemble de cellules d’accumulateurs prismatiques (2) selon la revendication 7, caractérisée en ce que les broches de contact métalliques (28) sont reliées aux lignes de mesure d’un système de gestion de batterie.
  9. 9°) Batterie d’accumulateurs comportant un ensemble de cellules d’accumulateurs prismatiques (2) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les broches de contact métalliques (28) sont reliées par sertissage ou brasage aux lignes de mesure du système de gestion de batterie.
  10. 10°) Batterie d’accumulateurs comportant un ensemble de cellules d’accumulateurs prismatiques (2) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les broches de contact métalliques (28) sont reliées aux lignes de mesure du système de gestion de batterie par des liaisons par connecteur.
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