Brevet FR2770933A1 — publié le 19990514

REGIME DE FONCTIONNEMENT PROLONGEANT LA DUREE DE VIE D'UNE PlUP La présente invention concerne, d'une manière générale, le fonctionnement de piles et, plus particulièrement, la manière de recharger des piles, telles que celles utilisées dans des engins spatiaux. Le but de l'invention consiste à prolonger la durée de vie en service des piles, notamment celles qui sont utilisées10 pour la propulsion d'engins spatiaux géosynchrones destinés à des missions de longue durée, ou bien dans d'autres cas lorsqu'il existe un niveau élevé de prévisibilité quant au fonctionnement d'une pile. Les piles aux ions de lithium, qui sont souhaitables pour la propulsion de nombreux systèmes spatiaux, se rechargent, de manière type, à des tensions comprises entre 3,0 et 4,5 volts. La tension de la pile augmente au fur et à mesure que l'état de la charge de la pile est augmenté. Donc, plus la charge emmagasinée dans la pile20 est élevée et plus la tension de recharge de celle-ci est élevée. Des tensions élevées risquent de provoquer des réactions parasites au niveau des électrodes, positive et négative. Les électrodes positives types pour piles aux ions de lithium sont faites en des oxydes métalliques,25 tels que du CoO2, du NiO2 et du MnO2. Lorsque la tension de ces oxydes métalliques est augmentée, leur stabilité thermodynamique diminue en fonction de la décomposition en oxygène, par exemple MxOy -* Mx.Oy-2 + 02 (1) En outre, la recharge de l'électrode positive à des tensions plus élevées augmente sa capacité d'agent oxydant. L'électrolyte, en contact avec l'électrode35 positive, est par conséquent davantage susceptible d'être 2 oxydé, de façon destructive, par l'électrode positive. Un exemple drune telle réaction dans des piles aqueuses, c'est l'électrolyse de l'eau au niveau d'une électrode en nickel au cours de la recharge. Dans l'exemple de l'eau,5 la réaction est réversible et on ne pense pas qu'elle affecte fortement la durée de vie de la pile. Mais dans une pile non aqueuse, faisant appel à des électrolytes organiques, une réaction similaire d'oxydation est irréversible et elle réduira la durée de vie de la pile.10 De manière similaire, au cours de la recharge de l'électrode négative, celle-ci devient un agent réducteur d'autant plus fort que son état de charge augmente. Etant donné qu'elle est également en contact avec l'électrolyte non-aqueux, la tendance de l'électrolyte, en contact avec15 l'électrode négative, à une réduction irréversible, augmente également. Ce problème est encore aggravé dans une pile aux ions de lithium, dans laquelle l'électrode négative en carbone-lithium ou en graphite-lithium peut approcher de la tension du lithium métal au fur et à20 mesure que l'état de charge augmente. Dans ce cas, au cours de la recharge, le lithium risque de se déposer sur la surface de l'électrode à base de carbone qui, à son tour, entraînera une réaction directe et irréversible entre le lithium métal et l'électrolyte non aqueux.25 C'est donc en partant de ces faits établis que la présente invention a été conçue et, à présent, mise en pratique. La présente invention concerne, par conséquent, un procédé d'utilisation d'une pile, par exemple dans un engin spatial géosynchrone, de manière à maximiser sa durée de vie en service. Selon ce procédé, les besoins en énergie sont déterminés, plus précisément ceux auxquels la pile doit satisfaire pour une pluralité d'événements incrémentaux sur une période prédéterminée de35 fonctionnement, par exemple lorsque l'engin spatial se 3 trouve dans la zone d'ombre de la terre. Ensuite, la pile est maintenue à un état de charge suffisant pour satisfaire à la somme (i) des besoins en énergie de la pile pour chacun de la pluralité d'événements5 incrémentaux, et (ii) d'une réserve d'énergie pour la pile, dans le cas d'un défaut de fonctionnement de l'engin spatial. La capacité de charge de la pile est, de préférence, réglée par paliers en fonction de ses besoins prédéterminés en énergie. Grâce à la mise en oeuvre de10 l'invention, la pile est maintenue à un état de pleine charge pour une durée inférieure à approximativement la moitié de la période prédéterminée de fonctionnement ci- dessus mentionnée, ce qui permet d'améliorer la durée de vie en service de la pile.15 Les pratiques selon la technique antérieure demandent, de manière type, une recharge complète des piles après utilisation. Or, la présente invention part du principe que, par exemple, dans le cas d'une utilisation géosynchrone, la capacité de décharge future20 requise est connue. En rechargeant pour répondre à une future demande de décharge, les réactions parasites à la recharge sont réduites. L'invention prolonge la durée de vie de la pile quant aux cycles d'accumulation et de restitution d'énergie, en minimisant l'exposition des25 éléments de la pile à des tensions élevées de charge, étant donné qu'il est généralement vrai que les réactions destructives sont favorisées par un fonctionnement de la pile à une tension élevée. Un premier aspect de l'invention consiste donc à proposer un procédé d'utilisation de piles de manière à en prolonger la durée de vie en service. Un autre aspect de l'invention consiste à proposer un tel procédé d'utilisation de piles, dans lequel il existe un degré élevé de prévisibilité quant à leur35 fonctionnement. Encore un autre aspect de la présente invention consiste encore à proposer un tel procédé d'utilisation de piles, destinées à des applications dans des engins spatiaux.5 Selon un autre aspect de l'invention, on propose un procédé d'utilisation de piles, servant à la propulsion d'engins spatiaux géosynchrones destinés à des missions de longue durée. Selon encore un autre aspect de la présente invention, on propose un procédé d'utilisation de piles, permettant d'augmenter la durée de vie en service de piles aux ions de lithium, par exemple, lors d'une utilisation à géosynchronisme, en maintenant la pile dans un état de charge partielle, et non pas de pleine charge,15 pendant les périodes de solstices lorsque sa fonction d'accumulation d'énergie n'est pas systématiquement requise, l'état réel de la charge de la pile étant déterminé par les exigences en matière de réserve d'énergie, dans le cas d'une défaillance du système de20 commande d'orientation de l'engin spatial. Un autre aspect de la présente invention consiste à proposer un procédé d'utilisation de piles, permettant d'augmenter la durée de vie des piles dans le cas o les besoins futurs d'emmagasinage d'énergie sont connus,25 simplement en chargeant la pile jusqu'à la capacité qu'elle devra avoir dans le cycle suivant de décharge. Selon encore un autre aspect de la présente invention, on propose un procédé d'utilisation de piles qui implique de ne recharger une pile d'engin spatial30 géosynchrone que de la valeur requise pour supporter la décharge lors de l'éclipse suivante, plus une réserve en cas de défaillance de la chaîne de pilotage. D'autres aspects, particularités et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description détaillée, qui va suivre, en liaison avec les dessins annexés. Il doit être bien compris que la description d'ensemble, qui vient d'être faite, ainsi que la description détaillée ci-après sont fournies uniquement à titre d'exemples et d'explications et qu'elles ne5 sauraient nullement limiter l'invention. Les dessins annexés, qui sont incorporés dans la présente invention et en constituent une partie, représentent un seul des modes de réalisation de l'invention et, en association avec la description, ils servent à expliquer les10 principes de l'invention en termes généraux. Des références identiques désignent des éléments identiques dans toute la description et sur les dessins, sur lesquels: la figure 1 est un graphique montrant d'état de la charge et la grandeur des besoins pour le fonctionnement, pendant une éclipse, de la pile selon la présente invention; et la figure 2 est un graphique montrant, en fonction du temps, les capacités théoriques de piles ayant différentes tensions de charge, respectivement, par rapport à des capacités initiales. Comme on l'a dit ci-dessus, on part du principe que le nombre de cycles et la durée de vie en service d'une pile, par exemple une pile aux ions de lithium, sera25 amélioré si l'on réduit l'état de la charge de celle-ci. Toutefois, cela réduit la conservation d'énergie de la pile et, d'une manière générale, cela constituerait une solution inacceptable. L'utilisation dans un engin spatial géosynchrone est une application dans laquelle30 (a) la pile ne doit fournir la capacité totale que pendant une fraction limitée de ses cycles de marche, et (b) on connaît la fréquence des cycles de marche et la capacité requise pour chaque pile. Ainsi que le montre la figure 1, une saison type d'éclipses comprend 44 cycles de décharge ou de marche , représentant, de manière type, entre; 40 % et; 80 % de la profondeur de décharge (DOD) de la pile. Ces cycles de décharge ou de marche se produisent deux fois par an, au moment des équinoxes de printemps et d'automne. Au5 cours de ces périodes d'équinoxe, les panneaux solaires générateurs d'énergie de l'engin spatial sont dans la zone d'ombre de la terre sur une base journalière. Par conséquent, c'est la pile qui fournit la puissance nécessaire à l'engin spatial lorsque l'énergie solaire10 principale n'est pas disponible. Il s'agit là littéralement d'une prévisibilité céleste de l'occurrence et de l'étendue de la décharge de la pile. Cette prévisibilité offre une possibilité de réglage de l'état de la charge de la pile sur la base de l'accumulation d'énergie requise en fonction de la décharge suivante. Cela est indiqué, à la figure 1, par la ligne 22 montrant l'état de la charge (SOC), la capacité de charge de la pile étant augmentée en paliers au fur et à mesure qu'augmente l'accumulation nécessaire20 d'énergie. Dans la pratique, avec une pile aux ions de lithium, cette opération serait exécutée au moyen d'un appareil de surveillance de charge de pile. Au cours de périodes de non-emploi, la pile serait maintenue à un état de charge25 suffisant pour constituer une réserve d'énergie de secours, dont l'engin spatial pourrait avoir besoin en cas d'imprévu. De telles réserves sont requises dans le cas d'un défaut de fonctionnement du système de commande d'orientation de l'engin spatial, les panneaux solaires30 n'étant alors pas pointés vers le soleil. En ce qui concerne des engins spatiaux évolués de grande puissance, ce besoin en réserve d'énergie de secours est nettement moindre que la capacité maximale d'accumulation d'énergie de la pile, du fait que les charges critiques non utiles35 de l'engin spatial n'augmentent pas de manière linéaire 7 en fonction de la taille de la charge utile, et que la charge'utile de l'engin spatial est délestée dans le cas o se produirait une perte de la commande d'orientation. Au cours des périodes d'utilisation (par exemple, fonctionnement pendant les périodes d'éclipse), l'état de charge de la pile est augmenté, comme le montre la figure 1, pour répondre aux besoins d'accumulation d'énergie en prévision de la décharge imminente. Le diagramme, fourni à titre d'exemple à la figure 1, assure qu'une capacité constante de réserve soit présente en permanence dans la pile pour pouvoir faire face, par exemple, à une défaillance du système de commande d'orientation. Toutefois, au lieu de prévoir une capacité de réserve excessive, au cours de périodes de faible décharge, une15 pile exploitée selon la présente invention bénéficie d'une prolongation de sa durée de vie en service, du fait qu'elle n'est pas complètement rechargée. Le résultat net de l'invention est que, dans un engin spatial prévu pour 20 ans, dont une pile doit supporter plus de 1.700 cycles de décharge, moins de la moitié des cycles correspondra à un état de pleine charge. Ce fait, associé à une conservation d'une charge partielle, impose sensiblement moins de sollicitations à la pile et prolonge la durée de vie de la pile, étant25 donné que celle-ci n'est pas soumise à un emploi excessif. La figure 2 montre un scénario type de la technique antérieur qui décrit, en fonction du temps, les capacités théoriques de piles de tensions différentes, chargées30 respectivement à des capacités initiales différentes. La pile de 4,1 V a été chargée initialement à 83 % de la capacité mais elle conserve approximativement 50 % de capacité après 200 cycles de fonctionnement. La pile de 4,2 V a été chargée initialement à approximativement 90 % de la capacité mais elle ne conserve qu'approximativement 43 % de capacité après 200 cycles de fonctionnement. La pile de 4,3 V aa été chargée initialement à approximativement 100 % de la capacité mais elle ne conserve qu'approximativement 36 % de capacité après 2005 cycles de fonctionnement. Si l'on avait besoin d'une tension de sortie de 4,3 V mais que l'on cherche à maximiser la capacité de la charge après de nombreux cycles, il serait normalement nécessaire d'augmenter d'environ 30 % la taille de la pile, pour assurer une10 conservation d'approximativement 50 % de la capacité après 200 cycles. Selon une autre possibilité, on pourrait devoir accepter une tension de sortie de 4,1 V pour assurer une conservation d'approximativement 50 % de la capacité après 200 cycles. Par contre, la présente15 invention propose de fabriquer une pile de 4,3 V, de 15 % plus grosse, mais de ne procéder à la charge que jusqu'à la capacité réellement requise pour satisfaire à la somme des besoins en énergie de la pile pour chacun d'une pluralité d'événements incrémentaux au cours du cycle de20 décharge et, en même temps, pour garantir une réserve d'énergie pour la pile. Ainsi, en rechargeant la pile à une tension plus élevée, uniquement lorsque cela est nécessaire, on peut obtenir une capacité résultante plus élevée après une utilisation prolongée, que cela n'est possible dans le cas d'une recharge effectuée toujours à la tension maximale. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en liaison avec un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera aisément compris, par les30 personnes expérimentées dans cette technique, que l'on peut procéder à des modifications dans la forme et dans des détails, sans pour autant sortir du champ d'application de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'utilisation d'une pile, de manière à maximiser sa durée de vie en service, le procédé comprenant les étapes de (a) détermination des besoins en énergie auxquels la pile doit satisfaire pour une pluralité d'événements incrémentaux sur une période prédéterminée de fonctionnement; et (b) pendant des périodes d'emploi, maintien de la pile à un état de charge suffisant pour satisfaire au moins aux besoins en énergie de la pile pour chacun de la pluralité d'événements incrémentaux. 2. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) maintien de la pile à un état de charge au moins suffisant pour satisfaire à la somme (i) des besoins en énergie de la pile pour chacun de la pluralité d'événements incrémentaux, et (ii) d'une réserve d'énergie pour la pile. 3. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) réglage de la capacité de charge de la pile, par paliers, en fonction des besoins prédéterminés en énergie de la pile. 4. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 3, dans lequel l'étape (c) comprend l'étape de: (d) maintien de la pile à un état de pleine charge pour une durée inférieure à approximativement la moitié de la période prédéterminée de fonctionnement selon l'étape (a). 5. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) au cours de périodes de non-emploi, lorsque l'engin spatial est exposé au soleil, maintien d'une réserve d'énergie pour la pile en prévision d'un défaut de fonctionnement de l'engin spatial. 6. Procédé d'utilisation d'une pile, dont le fonctionnement projeté est prévisible, de manière à en prolonger la durée de vie en service, lequel procédé comprend les étapes de: (a) détermination des besoins en énergie auxquels la pile doit satisfaire pour une pluralité d'événements incrémentaux sur une période prédéterminée de fonctionnement, lorsque l'engin spatial se trouve dans la zone d'ombre de la terre; et (b) pendant des périodes d'emploi, lorsque l'engin spatial est exposé au soleil, maintien de la pile à un état de charge suffisant pour satisfaire au moins aux besoins en énergie de la pile pour chacun de la pluralité d'événements incrémentaux. 7. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 6, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) maintien de la pile à un état de charge au moins suffisant pour satisfaire à la somme (i) des besoins en énergie de la pile pour chacun de la pluralité d'événements incrémentaux, et (ii) d'une réserve d'énergie pour la pile, dans le cas d'un défaut de fonctionnement de l'engin spatial. Il 8. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 6, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) réglage de la capacité de charge de la pile, par paliers, en fonction des besoins prédéterminés en énergie de la pile. 9. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 6, dans lequel l'étape (c) comprend l'étape de: (d) maintien de la pile à un état de pleine charge pour une durée inférieure à approximativement la moitié de la période prédéterminée de fonctionnement selon l'étape (a). 10. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 6, dans lequel l'étape (b) comprend l'étape de: (c) au cours de périodes de non-emploi, lorsque l'engin spatial est exposé au soleil, maintien d'une réserve minimale d'énergie pour la pile en prévision d'un défaut de fonctionnement de l'engin spatial. 11. Procédé d'utilisation d'une pile selon la revendication 6, dans lequel la pile est prévue pour une utilisation dans un engin spatial géosynchrone.