Brevet FR2672713A1 — publié le 19920814

COMPOSANT D'ALIMENTATION DU TYPE CATRTE DE CRÉDIT La présente invention concerne le domaine des dispositifs de stockage d'énergie électrique, et plus particulièrement du stockage de l'énergie électrique destinée à des systèmes comprenant des circuits intègres mictrélectroniques. Actuellement, les principales sources d'alimentation d'énergie électrique des circuits microélectroniques (de la puce au système électronique complet remplissant une fonction bien définie) sont essentiellement au nombre de trois. Premièrement, le secteur 110 ou 220 volts à partir duquel, apres abaissement de la tension par transformateur, redressement, filtrage et régulation ou utilisation de techniques à découpage, une tension continue (habituellement de 5 à 15 V) est délivrée au circuit microélectronique. Deuxièmement, la pile, source autonome d'alimentation des despositifs électroniques. Troisièmement, la batterie rechargeable dont la forme la plus ancienne est l'accumulateur au plomb et la plus courante actuellement dans le domaine de l'alimentetion des circuits électroniques la batterie au cadmium nickel. L'alimentation par secteur présente bien sûr l'avantage de fournir une énergie quasiment inépuisable (pour autant que le réseau alternatif 110 ou 220 V est convenablement appro"isionné) mais présente par contre des inconvénients majeurs parmi lesquels l'encombrement, le poids, le bruit, les parasites et l'absence d'autonomie. La pile présente carme inconvénient une durée de vie limitée, une fiabilité plutot mauvaise en milieu hostile et un coût élevé. On tend donc à s'orienter de plus en plus vers la batterie rechargeable. Autoname carme la pile, ce type de batterie résout le problème de la durée de vie du fait de la possibilité d'un certain nombre de recharges, variable suivant la nature électrochimique de la source d'énergie. Le problème de fiabilité reste néanmoins important.De plus, les circuits de recharge des batteries rechargeables sont généralement relativement complexes, et générateurs de bruit électromagnétique et, s'ils sont rroetés de fanon interne au système que l'on veut alimenter, ils sont encombrants et occupent une surface importante sur une carte de circuit imprimé prévue dans le système. Un objet de la présente invention est de prévoir un système de batterie muni de tous ses éléments de recharge et de test se présentant sous la forme d'un composant autoname. Un objet plus particulier de la présente invention est de réalise un tel carant autonome se présentant sous le format actuellement standardisé d'une carte de crédit (carte mince rectangulaire d'une dimension de l'ordre de 5 x 8 cm). Pour atteindra ces objets, la présente invention prévoit un composant électrctique portable autonyme en format carte de crédit comprenant un accumulateur constitué d'une association de feuilles ou couches planes dont la surface est sensiblement égale à celle de la carte de crédit, au moins un circuit de charge, et des indicateurs d'état pilotés par un microcontrôleur. De préférence, l'aocmulateur est choisi pour présenter des caractéristiques d'autoéoba inférieures à 5% de sa capacité nominale par an. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est prévu des moyens pour mesurer à des intervalles de temps brefs et réguliers le courant dans l'accumulateur et des moyens pour calculer, mémoriser et sommer les variations de charge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les indicateurs d'état comprennent un indicateur de nombre résiduel de recharges possibles associé à des moyens pour sommer les variations de charge pendant les phases de décharge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les indicateurs d'état comprennent un indicateur de taux de charge associé à des moyens pour sommer les variations de charge pendant les phases de charge et de décharge Selon un mode de réalisation de la présente invention, les indicateurs d'état comprennent un indicateur de cmsooation instantanée associé à des moyens pour mesurer la variation de tension à des intervalles de temps réguliers. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'une des faces externes du composant comporte un réseau de cellules solaires. Cette face externe, ou l'autre, comporte une plage d'électrodes de recharge et d'utilisation au format standard des cartes de crédit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce composant comporte, au-dessus de l'association de feuilles constituant l'accumulateur, au moins une carte de circuit impri mé, une au moins de ces cartes étant munie d'wertures dans lesquelles sont logés certains au moins des éléments de circuit électronique nécessaires au fonctionnement du composant et la carte supérieure étant munie d'ouvertures dans lesquelles sont logés les indicateurs d'état dont les faces apparentes sont tournoies vers l'extérieur. Ces objets, caractéristique a et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure l illustre les divers éléments inoorporés dans un composant autonome selon la présente invention; la figure 2.1 représente schématique une cellule de batterie selon la présente invention vue de dessus, la figure 2.2 représente la même cellule vue en coupe; la figure 3 représente schématiquement et en coupe l'agencement des éléments d'une strUotuIe constituant un mode de réalisation de la présente invention; et la figure 4.1 représente une vue de dessus schématique de la structure de la figure 3 ; la figure 4.2 représente une vue de dessous schematique de la structure de la figure 3 ; L'alimentation par batterie selon la présente invention comprend pour sa recharge et sa surveillance un ensemble d'éléments du type de ceux illustrés en figure 1. Dans cette figure, on a représenté un accumulateur 1, un circuit de recharge 2, un connecteur 3 comprenant des bornes de charge 3-1 et des bornes d'utilisation 3-2, une cellule solaire 4, constituant un autre moyen de charge, et un rnicrccontrôleur 5 associé à des circuits d'affichage 6 pour fournir diverses informations sur l'état de 1'accumulateur 1. Comme on l'a exposé précédemment, l'ensemble de ces éléments se trouve généralement dispersé sous forme de divers ccnrposants montés en divers emplacements d'un système, éventuel- lement sur une même carte de circuit imprimé. Le but de la présente invention est d'une part de rassembler ces composants sous forme d'un objet portable unique ayant le format d'une carte de crédit, d'autre part de prévoir des modes spécifiques de test et d'affichage de l'état de l'accu- mulateur 1. Dans ce but, la présente invention prévoit d'utiliser comme source d'énergie un accumulateur présentant des carextéris- tiques négligeables d'autodécharge formé à partir de feuilles ou couanes. Un exemple non limitatif d'un tel aoeumulateur est illustre en figures 2.1 et 2.2. Il comprend sur une anode métal- ligue 11 servant de collecteur de courant, un ensemble 12 carpre- nant une couche d'anode composite à base de lithium 13, un élec trolyte polymère 14, et une cathode 15 constituée d'un matériau composite plastique. Classiquement, chacune des couches 11, 13, 14 et 15 a une épaisseur de l'ordre de 50 pm. Ainsi, l'épaisseur d'ensemble d'une cellule telle que celle de la figure 2.2 peut être de l'ordre de 0,2 rtrn. La présente invention prévoit d'utiliser un tel ensem- ble de couches sur sensiblement toute la surface disponible dans une structure de type carte de crédit, ayant classiquement des dimensions de 8,6 x 5,4 cm soit environ 40 cons. Avec une telle cellule, on a une capacité nominale d'un milliampère-heure par cm2 (mAh/cm') et une tension nominale de 3 V. Cette cellule présente l'avantage de pouvoir supporter de l'ordre de 1000 cycles de recharge avec décharge profonde au lieu de seulement 500 cycles pour des accumulateurs au nickel cadmium.En outre, le taux de décharge est inférieur à 0,01 % par an à 250C au lieu de 25 g par mois pour le nickel cadmium. De plus, ce dispositif peut fonctionner dans une plage de température de -20 à +1500C. Ainsi, dans un film rectangulaire de 8 x 5 an d'une épaisseur de 0,2 mm, on obtient une tension de 3 volts et une capacité nominale de 40 mAh. ir obtenir une tension de 6 volts, on peut former un bloc en associant deux cellules élémentaires en série. Cinq blocs en parallèle fourniront un potentiel de 6 volts avec une capacité nominale de 200 mAh. Ainsi, la présente invention prévoit un accumulateur sous un format de carte de crédit à stcccture à électrodes planes du type de celle des figures 2.1 et 2.2. Un exemple d'un tel assemblage est illustré en figure 3. On a représenté les plaques d'accumulateur 11 et 12 de la figure 2, la plaque 11 étant en deordênent par rapport à la plaque 12 pour pouvoir prendre un contact d'anode sur sa face supérieure. Il est clair qu'on pourra également utiliser un empilement de cellules. Ces couches sont formées ou assemblées sur un support 20 constitué d'un film de matière plastique formant la face inférieure de la cellule, film lui-même évidé pour laisser la place à une plage d'électrodes de recharge et d'utilisation, 33, au standard géométrique des cartes de crédit du marché. Une première carte de circuit imprimé 21 est destinée notamment à établir le contact avec l'anode 11. Une deuxième plaque de circuit imprimé 22 et une troisième plaque de circuit imprimé 23 sont également représentées. La plaque de circuit imprimé 22 est illustrée comme comprenant des ouvertures 24 à 26. Dans ces otwertures, pourront être placés des circuits intégrés ou autres composante électroniques, par exemple un circuit intégré comprenant tous les compo sants nécessaires à la recharge de l'accumulateur à partir du secteur (tel que le circuit intégré connu sous l'appellation commeciale MAX 610 disponible auprès de la société b%XIM), le microcontrôleur 5 de la figure 1, etc. Les surfaces du circuit imprimé 22 comprennent les moyens nécessaires à la liaison, entre les divers composants et les électrodes de l'accumulateur 11, 12. Dans la plaque de circuit imprimé 23 sont insérés, dans une première ouverture de grande dimension 28, des cellules solaires et dans diverses o ouvertures 29 à 32 (voir la figure 4) des dispositifs d'affichage. L'ensemble peut être recouvert d'un film transparent en matière plastique 35. L'ouverture 29 laisse apparaître deux voyants, témoins de cellule solaire et de circuit de recharge. Les apertures 30 à 32 laissent apparaître par exemple des affichages à cristaux liquides, respectivement de taux de charge, de consommation instantanée et de capital vie résiduel comme cela sera détaillé ci-après. En effet, un aspect de la présente invention est de prèsoir la visualisation d'informations d'état pour fournir un accumulateur réellement autonome et fiable fournissant en permanence des indications sur son état. Pour la mesure du taux de charge, il a été constaté qu'une simple mesure de la tension aux bornes de l'accumulateur fournit une mesure très peu fidèle de l'état de charge de cet accumulateur. En effet, la courbe de décharge/recharge est très peu linéaire dans la plage de tension utile. Ainsi, on prévoit de faire fonctionner le microcontrôleur de façon à effectuer des mesures du courant I traversant la batterie à des intervalles de temps réguliers #t. At est choisi suffisamment petit pour qu'on puisse considérer que le courant est constant pendant un intervalle de temps At.Alors, la variation de charge Q dans la batterie est =I#t, I étant négatif en cas de deoharge et positif en cas de recharge. Conoaissant la charge maximale Qmax de la batterie, on somme ces variations de charge dans un registre et, à tout instant, on calcule l'état de charge P =100(1 Lorsque la batterie atteint la décharge profonde, #=Qmax #=0% Lorsque la batterie est complètement reehergée, ###Q#=0 n = 100 %, et on remet le registre à zéro. Cette opération simple est facilement réalisée par un microcontrôleur associé à des mémoires et à des moyens de remise à zéro de ces mémoires. La mesure de la consommation instantanée est faite de façon analogue en mesurant à chaque intervalle de temps At la valeur de la tension aux bornes de l'accumulateur et en calculant la différence AV par rapport à la tension mesurée lors de l'intervalle de temps préoedent. La valeur #V/#t donne un débit de batterie ou consommation instantanée. Enfin, selon un aspect de la présente invention, il est prévu de mesurer le capital vie résiduel de la batterie. En effet, une batterie peut subir un flore déterminé de décharges et de recharges. Elle a une durée de vie de N cycles complets et une capacité égale à NxQmax. Mais en fait, la mesure est plus complexe étant donné qu'il arrive que l'on recharge la batterie alors qu'elle n'est pas encore complètement déchargée.On se sert donc de la mesure de la variation de charge (oQ = I#t) mentionnee pour la mesure du taux de charge. on mémorise dans un registre la charge totale délivrée par la batterie depuis sa mise en route, Q#=##Q#, avec #Q#=I#t pendant les seules périodes de décharge. Le capital vie résiduel s'exprime alors par On peut prévoir que l'affichage disposé dans l'ouver- ture 32 susmentionnée fournisse une indication sur le capital vie résiduel de la batterie. La carte selon l'invention comprend un connecteur du type classiquement utilisé avec les cartes de crédit (connecteur 33 des figures 3 et 4.2) et pourra facilement s'adapter à des appareils munis s'ouvertures propres à recevoir des cartes de crédit. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, tant en ce qui concerne le choix que la disposition de ses compo- sants. Notamment, l'homme de l'art saura choisir et programmer un microcomtrôleur muni de mayens de mémoire et de cammanda d'affichage pour satisfaire les fonctions énoncées ci-dessus, par exemple le microcontrôleur upD75328 GC commercialisé par la société dite Nippan Electric Corp. En outre, la disposition décrite en relation avec la figure 3 ne constitue qu'un exemple de réalisation possible de l'invention, l'homme de l'art pourra prévoir des moyens autres qu'un empilement de trois cartes de circuits imprimes pour associer, selon un format de carte de crédit, divers camposants de charge et de mesure à un accumulateur constitué d'une acsociation de feuilles ou coches planes. REVENDICATIONS 1.Composant électronique portable autonome en format carte de crédit, carextérisé en ce qu'il comprend un accumulateur (1) constitué d'une association de feuilles ou ouches planes (11, 12) dont la surface est sensiblement égale à celle de la carte de crédit, au moins un circuit de charge (2, 4), et des indicateurs d'état (6) pilotés par un microcontroleur. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accumulateur présente des caractéristiques d'autodé- charge inférieures à 5% de sa capacité annale par an. 3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des mayens pour mesurer à des intervalles de temps brefs et réguliers (At) le courant positif ou négatif (I) dans l'accumulateur et des mayens pour calculer, mémoriser et sommer les variations de charge ( = I#t) 4. Composant selon la revendication 3, caractérise en ce que les indicateurs d'état comprennent un indicateur de nombre résiduel de recharges possibles associé à des moyens pour les variations de charge pendant les phases de décorne. 5. Closant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les indicateurs d'état comprennent un indicateur de taux de charge associé à des mayens pour sommer les variations de charge pendant les phases de charge et de décharge. 6. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les indicateurs d'état comprennent un indicateur de consommation instantanée associé à des moyens pour mesurer la variation de tension (#V) à des intervalles de temps réguliers (At). 7. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une de ses faces externes comporte un réseau de cellules solaires. 8. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une de ses faces externes ccmpmte une plage d'électrodes de recharge et d'utilisation aux formes géométriques du standard des cartes de crédit. 9. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, au-dessus de l'associatioin de feuilles (11, 12) constituant 1'accumulateur, au moins une carte de circuit imprimé (21, 22, 23), une au moins de ces cartes étant munie d'ouvertures (24, 25, 26) dans lesquelles sont logés certains au moins des élégants de circuit électronique nécessaires au fonc tioenement du composant et la carte supérieure (23) étant munie d'ouvertures (29-32) dans lesquelles sont logés les indicateurs d'état dont les faces apparentes sont tournées vers l'extérieur. 10. Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte sur l'une de ses faces apparentes un réseau de cellules solaires.