FR2957452A1 - Interrupteur electrique a actionnement pyrotechnique - Google Patents

Abstract

Selon l'invention, un générateur de gaz (15) à actionnement pyrotechnique est agencé pour émettre des gaz résultant de la combustion d'une charge, et le générateur est associé à une chambre à configuration variable (17) et une lame conductrice (19) cassable constitue une paroi de fond de cette chambre, la rupture de la lame sous l'action des gaz provoquant l'interruption du circuit électrique dont la lame fait partie.

Description

L'invention se rapporte à un interrupteur électrique à actionnement pyrotechnique formant par exemple coupe-circuit et utilisant de préférence un microgénérateur de gaz, connu en soi. Le domaine d'application privilégié est celui des véhicules électriques nécessitant l'incorporation de coupe-circuits électriques permettant d'assurer la sécurité du véhicule et de ses occupants en cas de dysfonctionnement de la batterie électrique et/ou du circuit électrique associé, par exemple lors d'un accident. L'invention vise donc principalement la protection des occupants d'une automobile électrique par la mise en sécurité des organes de la chaîne de traction. Cependant, un tel dispositif peut aussi être utilisé dans un autre domaine, aéronautique, spatial, maritime ou autre. Le développement des véhicules électriques conduit à utiliser des batteries électriques à grande capacité de stockage et à forte puissance, par exemple des batteries à base de lithium. La sécurité d'utilisation d'une telle batterie électrique est donc une préoccupation majeure. Mais la sécurité d'un véhicule électrique ne dépend pas seulement de la batterie électrique. Il faut aussi optimiser la sécurité de tous les maillons de la chaîne de traction et de leur raccordement à la batterie, qui doivent aussi résister aux chocs et aux vibrations inhérents à un véhicule routier et par conséquent être électriquement isolés rapidement en cas de court-circuit, suite à un accident ou à une défaillance du composant lui-même. Les principaux éléments de puissance à protéger électriquement sont donc, en premier lieu, les éléments de la batterie électrique, puis le groupe motopropulseur, le dispositif de récupération d'énergie cinétique (supercondensateurs), l'électronique de conversion de la tension continue en tension alternative, le système de pilotage de la puissance électrique fournie au moteur, etc... Il est donc indispensable de prévoir sur de tels véhicules des coupe-circuits électriques à actionnement rapide et fiable, permettant d'effectuer une mise en sécurité des composants défaillants. Cette mise en sécurité peut aussi être activée en cas d'anomalie de fonctionnement ou en cas d'accident majeur lorsqu'un ou plusieurs détecteurs ont émis un signal d'alarme et qu'un risque important existe pour les occupants (électrocution, intoxication, brûlure, ....).

Plusieurs dispositifs et coupe-circuits ont été proposés. On connaît par exemple du document EP 1 502 683, un coupe-circuit à actionnement pyrotechnique muni d'un piston creux, d'un générateur de gaz en regard du piston et d'un conducteur électrique à sectionner. Le piston creux à l'intérieur duquel les gaz de combustion s'accumulent sous pression lors du déclenchement pyrotechnique se déplace et pousse un autre élément muni d'une sorte de couteau venant sectionner le conducteur. Ce dispositif est complexe parce qu'il nécessite un grand nombre de composants de précision relativement coûteux à réaliser. De plus, l'assemblage de ces composants implique la maîtrise d'opérations de montage et d'emboîtement à faible tolérance mécanique, ce qui rend délicat la robotisation pour atteindre des cadences de production élevées. De plus, ce dispositif peut présenter une mauvaise étanchéité conduisant à des fuites de gaz au moment de l'établissement de la pression pyrotechnique, pouvant compromettre le bon fonctionnement du coupe-circuit. L'invention permet de surmonter toutes ces difficultés. Plus particulièrement, l'invention concerne un interrupteur électrique à actionnement pyrotechnique comprenant, dans un même boîtier, un générateur de gaz à déclenchement pyrotechnique et une chambre à configuration variable associée audit générateur de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lame conductrice constituant, avant ledit déclenchement pyrotechnique, une paroi de fond de ladite chambre, en ce que deux extrémités de ladite lame sont accessibles à l'extérieur du boîtier, en ce que cette paroi de fond comporte au moins une incision cassable pour séparer électriquement lesdites extrémités accessibles lorsque les gaz sont émis par ledit générateur de gaz, en ce qu'un espace de dégagement est défini de l'autre côté dudit générateur de gaz par rapport à ladite lame conductrice, permettant à une partie au moins partiellement rompue de ladite lame de s'y engager lors du déclenchement dudit générateur de gaz. Autrement dit, dans sa version la plus élémentaire, le générateur de gaz à actionnement pyrotechnique est directement en regard de la lame à sectionner qui forme une paroi d'une chambre dont le volume est appelé à varier lors du déclenchement, entraînant vers l'espace de dégagement au moins une partie de ladite paroi de fond constituée par la lame. Par exemple, le boîtier est obtenu par surmoulage plastique. Avantageusement, l'espace de dégagement défini de l'autre côté dudit générateur de gaz est muni de parois en dépouille négatives permettant le frottement de la partie rompue de ladite lame tout au long de sa course à l'intérieur dudit l'espace de dégagement. Le frottement de la partie rompue de la lame sur les bords en dépouille de l'espace de dégagement permet de conserver l'étanchéité de ladite chambre à configuration variable pendant tout le déplacement de la partie rompue de la lame. Les gaz de combustion dudit un générateur de gaz à déclenchement pyrotechnique restent ainsi confinés dans ladite chambre à configuration variable assurant sa pressurisation.

Le coupe-circuit ainsi obtenu est de faible masse et de faible encombrement et il est particulièrement bien adapté à une production en série, robotisée. Cette production robotisée peut être en effet organisée de façon très simple autour d'une presse à injecter réalisant ainsi par surmoulage plastique, le boîtier extérieur refermant le générateur de gaz et la lame. Selon un mode de réalisation avantageux, un élément mobile d'étanchéité est interposé entre le générateur de gaz et la lame conductrice. Par exemple, cet élément mobile d'étanchéité forme un bouchon coulissant interposé dans ladite chambre à configuration variable entre le générateur de gaz et ladite lame sectionnable, avant déclenchement pyrotechnique. Cet élément contribue à éviter que la rupture de la lame conduise à une fuite de gaz provoquant une dépressurisation. Une telle dépressurisation pourrait en effet induire l'extinction de la charge pyrotechnique dès les premiers instants de fonctionnement ou pourrait rendre insuffisante la pression appliquée à la lame, avec pour conséquence une rupture non franche et donc une coupure électrique partielle ou trop lente. Selon une variante, l'élément mobile d'étanchéité est un soufflet fermé dont une embouchure est raccordée à une sortie dudit générateur de gaz. Dans ce cas, le gaz reste confiné dans le soufflet après déclenchement pyrotechnique et provoque la dilatation de ce dernier, cette dilatation venant rompre ladite lame. Selon les variantes définies ci-dessus, on évite aussi que les résidus gazeux de combustion, qui peuvent être conducteurs, viennent en contact avec les extrémités cassées de la lame. On obtient ainsi une meilleure isolation électrique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, de plusieurs interrupteurs électriques à actionnement pyrotechnique conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faites en référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un premier mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe du même dispositif 15 assemblé ; - les figures 3A et 3B sont des vues schématiques simplifiées correspondant au mode de réalisation des figures 1 et 2, pour illustrer le fonctionnement ; - les figures 4A et 4B sont des vues analogues aux figures 3A, 20 3B, illustrant une variante du même mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention ; - les figures 6A et 6B sont des vues schématiques simplifiées correspondant au mode de réalisation de la figure 5, pour illustrer le 25 fonctionnement ; - les figures 7A et 7B sont des vues analogues aux figures 6A et 6B, illustrant une variante du même mode de réalisation ; - les figures 8A et 8B sont des vues analogues aux figures 6A et 6B, illustrant une variante du même mode de réalisation ; 30 - les figures 9A et 9B sont des vues analogues aux figures 6A et 6B, illustrant une variante du même mode de réalisation ; - les figures 10A et 10B sont des vues analogues aux figures 6A et 6B illustrant une variante du même mode de réalisation ; - les figures 11A et 11B sont des vues analogues aux figures 6A 35 et 6B illustrant un autre mode de réalisation ; - les figures 12A et 12B sont des vues analogues aux figures 11A et 11B illustrant une variante ; et - les figures 13A et 13B illustrent un troisième mode de réalisation, en coupe, avant et après déclenchement, respectivement.

En considérant plus particulièrement les figures 1, 2 et 3A, 3B, on a représenté un interrupteur électrique 11 formant rupteur, à actionnement pyrotechnique comprenant un boîtier 13 et un générateur de gaz 15 à déclenchement pyrotechnique installé dans ledit boîtier où se trouve définie une chambre 17 dont la configuration varie lorsque des gaz sont émis par ledit générateur de gaz. Dans l'exemple, comme on le verra plus loin, le volume de cette chambre augmente lorsque les gaz sous pression sont émis par le générateur de gaz 15. Une lame conductrice 19, rectangulaire, par exemple en cuivre, traverse le boîtier 13. Ses extrémités 20a, 20b font saillie à l'extérieur du boîtier et sont donc accessibles pour permettre un raccordement électrique de l'interrupteur, c'est-à-dire son insertion dans un circuit électrique à sécuriser. Selon une caractéristique importante de l'invention, dans la situation précédant le déclenchement pyrotechnique (c'est-à-dire avant l'allumage du générateur de gaz et l'émission de gaz sous pression, ici dans la chambre 17), une paroi 19a de la chambre 17 est constituée par la lame conductrice et plus particulièrement par la partie médiane de celle-ci. De plus, cette paroi 19a qui forme la paroi de fond de la chambre 17, opposée au générateur de gaz 15, comporte au moins une incision cassable 22 (ou toute autre pré-découpe) pour séparer électriquement lesdites extrémités accessibles 20a, 20b de la lame lorsque les gaz sont émis par le générateur de gaz, c'est-à-dire lorsque le volume de la chambre 17 augmente brusquement. De plus, un espace de dégagement 21 est défini de l'autre côté du générateur de gaz par rapport à la lame conductrice 19 formant la paroi de fond de la chambre 17 avant déclenchement. Une partie au moins partiellement rompue de la lame, c'est-à-dire ladite paroi de fond 19a peut ainsi s'engager dans l'espace de dégagement lors du déclenchement du générateur de gaz 15. Par exemple, un telle incision 22 cassable est conformée pour permettre un détachement complet d'une partie de ladite lame (en l'occurrence la paroi de fond 19a de la chambre 17) et son entraînement dans ledit espace de dégagement 21, sous l'action de ces gaz. Avantageusement, on a pratiqué dans la lame deux incisions 22 parallèles transversales situées au voisinage des limites de la chambre 17.

Les deux autres côtés de la lame (dans la direction longitudinale de celle-ci) se situent au voisinage des deux bords de l'ouverture de l'espace de dégagement 21. Sur les figures 1 et 2 qui illustrent une réalisation industrielle facilement automatisable, on voit que le générateur de gaz 15 est contenu dans un réceptacle 25 fermé, globalement cylindrique, dans lequel pénètrent deux broches électriques 26, pour la mise à feu de la charge. Ce réceptacle est prolongé par une embase rectangulaire 27 (ou carrée) définissant une ouverture rectangulaire bordée par deux nervures parallèles 28 entre lesquelles s'insèrent la lame 19. Le réceptacle 25 est engagé dans un manchon 29 comprenant une ouverture rectangulaire 30 et deux fentes 31 permettant le passage de la lame. Un godet fermé 33, assemblé au manchon 29 définit ledit espace de dégagement. Le réceptacle 25, le manchon 29 et le godet 33 peuvent être en matière plastique et assemblés comme représenté par soudage ou tout autre procédé. Ils défissent alors le boîtier 13. En outre, pour améliorer la fiabilité du dispositif, un godet ouvert 35 à section rectangulaire est inséré dans le godet fermé 33. Il comporte une margelle rectangulaire 36 reposant sur un épaulement 37 du godet fermé 33. La margelle 36 comporte une incision rectangulaire 39 située en regard du pourtour de la paroi de fond 19a définie dans la lame. Ainsi, la partie centrale du godet ouvert 35 est conçue pour se séparer de la partie extérieure de la margelle et accompagner la paroi 19a dans ledit espace de dégagement 21. Deux joints 41, 42 rectangulaires sont interposés entre la lame et l'ouverture correspondante du godet ouvert.

Ces joints se situent de part et d'autre de l'incision rectangulaire 39. Le fonctionnement du dispositif se déduit aisément de la comparaison des coupes schématiques simplifiées des figures 3A, 3B. Lors du déclenchement pyrotechnique, les gaz sous pression s'accumulent dans la chambre 17 et provoquent la rupture des deux incisions 22 de la lame 19, entraînant la paroi de fond 19a de la chambre 17, dans son ensemble, vers le fond de l'espace de dégagement 21. La liaison électrique entre les extrémités 20a, 20b de la lame est définitivement interrompue. Comme la section de l'espace de dégagement 21 diminue de l'ouverture vers le fond du godet, la paroi 19a rompue s'incruste dans ledit espace de dégagement et reste bloquée, ce qui empêche tout contact intermittent ultérieur entre les deux extrémités de la lame rompue. Après rupture de la margelle 36 l'étanchéité du côté de l'espace de dégagement 21 empêchant le gaz d'y pénétrer est assurée par le joint 42, la paroi de fond 19a et la portion la plus interne du godet 35 rompu qui frotte contre la paroi de l'espace 21. Dans les variantes et les modes de réalisation qui vont maintenant être décrits, les éléments de structure analogues portent les mêmes références numériques. Par exemple, il n'est pas nécessaire de détacher complètement la paroi de fond de la chambre 17. La lame peut comporter au moins une zone de pliage pour permettre à au moins une partie de ladite lame rompue de plier et de s'engager dans l'espace de dégagement. C'est ce qu'illustre les figures 4A et 4B. Selon cette variante, une seule incision cassable 22 transversale est prévue au milieu de la paroi de fond 19a.

Deux amincissements parallèles de la lame, situés de part et d'autre de l'incision près des bords de la chambre 17 et parallèlement à l'incision définissent deux zones de pliage 45. Ainsi, au moment du déclenchement pyrotechnique, la paroi de fond 19a se rompt en son milieu et les deux parties de ladite paroi plient et s'engagent dans l'espace de dégagement 21 en se déformant de façon permanente. La situation finale est illustrée à la figure 4B et la continuité électrique est interrompue entre les extrémités 20a, 20b. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation dans une représentation semblable à celle de la figure 2. On retrouve un mode de réalisation avec une lame 19 comprenant deux incisions cassables 22 parallèles, au voisinage de deux bords opposés de l'ouverture dudit espace de dégagement. Ce mode de réalisation est remarquable en ce qu'un élément mobile d'étanchéité est incorporé entre ledit générateur de gaz et la lame conductrice 19. Il forme ici un bouchon coulissant 50 susceptible de se déplacer dans ladite chambre à configuration variable. Ce bouchon coulissant est interposé entre le générateur de gaz et la lame, avant déclenchement pyrotechnique. Son coulissement étanche empêche les gaz d'atteindre la lame pendant et après le déclenchement. Le fonctionnement de ce mode de réalisation apparaît avec évidence en comparant les figures 6A et 6B. Avant déclenchement (figure 6A), l'élément mobile d'étanchéité remplit pratiquement tout l'espace entre le générateur de gaz et la lame. Il prend appui sur sensiblement la totalité de la partie de la lame constituant la paroi de fond 19a. Après déclenchement (figure 6B), les gaz émis par le générateur restent confinés dans la chambre à configuration variable 17.

Les figures 7A et 7B illustrent une variante de ce mode de réalisation selon laquelle une unique incision cassable 22 est définie au milieu de ladite paroi de fond 19a et deux zones de pliage 45 sont définies de part et d'autre de celle-ci, comme dans le mode de réalisation des figures 4A et 4B. Le fonctionnement est semblable à la différence près que l'incision 22 est cassée par le bouchon coulissant 50 déplacé sous l'effet de l'augmentation de pression dans la chambre. La variante des figures 8A et 8B est semblable au mode de réalisation des figures 6A et 6B à la différence près que le bouchon coulissant 50 est solidarisé à ladite paroi de fond 19a délimitée par les deux incisions cassables. Le fonctionnement est identique à celui des modes de réalisation des figures 6A et 5B. Dans le mode des figures 9A et 9B, le bouchon coulissant 50a présente un prolongement latéral 53 formant nervure, qui prend appui sur une partie de ladite paroi de fond 19a jouxtant une unique incision cassable 22 localisée près d'un bord transversal de cette paroi. Une zone de pliage 45 est définie parallèlement à l'incision cassable 22 au voisinage de l'autre extrémité de ladite paroi d'extrémité. Au moment du déclenchement pyrotechnique, l'incision 22 se rompt et le prolongement latéral du bouchon coulissant facilite le pliage comme le montre la figure 9B. Selon la variante des figures 10A et 10B, ladite paroi de fond comporte une seule incision cassable 22, en son milieu et deux zones de pliage 45 situées de part et d'autre de celle-ci près des extrémités de l'ouverture de l'espace de dégagement 21. En outre, le bouchon coulissant 50b est pourvu d'une nervure saillante 56 prenant appui, avant déclenchement, contre la paroi de fond 19a, parallèlement à ladite incision cassable. Après déclenchement, la situation est celle de la figure 10B, les gaz étant confinés dans la chambre, grâce au bouchon coulissant 50b. La variante des figures 11A et 11B est semblable à celle des figures 6A et 6B en ce qui concerne la structure de la lame 19. En revanche, l'élément mobile d'étanchéité 50c fait corps, avant déclenchement pyrotechnique, avec un étui 58 dudit générateur de gaz 15 et cet étui comporte latéralement une zone cassable 59 permettant, au moment du déclenchement pyrotechnique, la séparation de la partie inférieure de l'étui qui joue alors le même rôle que le bouchon coulissant décrit ci-dessus. La variante des figures 12A et 12B est semblable à celle des figures 9A et 9B pour ce qui concerne la structure de la lame 19 et la forme de l'élément mobile d'étanchéité mais celui-ci fait corps, avant déclenchement pyrotechnique avec l'étui 58 dudit générateur de gaz 15 et présente une zone cassable 59a permettant au bouchon coulissant de se détacher sous l'effet de la pression des gaz. Enfin, selon le mode de réalisation des figures 13A et 13B, ledit élément mobile d'étanchéité est un soufflet fermé 60 installé dans la chambre à configuration variable 17 et dont une embouchure est raccordée à une sortie dudit générateur de gaz. Avant déclenchement, la situation est illustrée à la figure 13A, le soufflet 60 étant rétracté sur lui-même. La structure de la lame est conforme à celle de la figure 5, par exemple. Après déclenchement (figure 13B), les gaz provoquent une élongation du soufflet 60 à l'intérieur de ladite chambre à configuration variable 17, ce qui provoque la rupture des deux incisions et le déplacement de ladite paroi de fond 19a à l'intérieur de l'espace de dégagement 21. Dans ce mode de réalisation, les gaz de combustion restent confinés à l'intérieur du soufflet 60. Il est clair que l'invention n'est pas limité aux seuls modes de réalisation décrits ci-dessus mais comprennent notamment toutes les combinaisons possibles entre les éléments de structure des différentes variantes, notamment la structure de la lame et celle de l'élément mobile d'étanchéité formant soit un bouchon coulissant, soit un soufflet fermé.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Interrupteur électrique à actionnement pyrotechnique comprenant, dans un même boîtier, un générateur de gaz (15) à déclenchement pyrotechnique et une chambre à configuration variable (17) associée audit générateur de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lame conductrice (19) constituant, avant ledit déclenchement pyrotechnique, une paroi de fond (19a) de ladite chambre (17), en ce que deux extrémités (20a, 20b) de ladite lame sont accessibles à l'extérieur du boîtier, en ce que cette paroi d'extrémité comporte au moins une incision cassable (22) pour séparer électriquement lesdites extrémités accessibles lorsque les gaz sont émis par ledit générateur de gaz et en ce qu'un espace de dégagement (21) est défini de l'autre côté dudit générateur de gaz par rapport à ladite lame conductrice, permettant à une partie au moins partiellement rompue de ladite lame de s'y engager lors du déclenchement dudit générateur de gaz.
2. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément mobile d'étanchéité (50, 60) est interposé entre ledit générateur de gaz (15) et ladite lame conductrice (19).
3. 3. Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément mobile d'étanchéité forme un bouchon coulissant (50) interposé dans ladite chambre à configuration variable, entre le générateur de gaz et ladite lame avant déclenchement pyrotechnique.
4. 4. Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément mobile d'étanchéité est un soufflet fermé (60) installé dans ladite chambre à configuration variable (17) dont une embouchure est raccordée à une sortie dudit générateur de gaz.
5. 5. Interrupteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite au moins une incision cassable (22) est conformée pour permettre un détachement complet d'une partie de ladite lame (19) et son entraînement dans ledit espace de dégagement (21) par ledit élément mobile d'étanchéité.
6. 6. Interrupteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite lame comporte au moins une zone de pliage (45) pour 35 permettre un pliage d'au moins une partie de ladite lame rompue et sonengagement dans ledit espace de dégagement (21) par ledit élément mobile d'étanchéité.
7. 7. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux zones de pliage (45) définies de part et d'autre de ladite 5 incision cassable (22).
8. 8. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une seule zone de pliage (45) et une seule incision cassable (22).
9. 9. Interrupteur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé 10 en ce que ledit élément mobile d'étanchéité comporte une nervure (53, 56) au voisinage de ladite incision cassable (22).
10. 10. Interrupteur selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ledit élément mobile d'étanchéité fait corps, avant déclenchement pyrotechnique, avec un étui (58) dudit générateur de gaz 15 et en ce que cet étui comporte une zone cassable (59).