Brevet FR2790148A1 — publié le 20000825

SYSTEME DE BATTERIE FLEXIBLE. La présente invention concerne le domaine du stockage de l'énergie électrique en vue de sa restitution à des organes consommateurs d'énergie, tels qu'un moteur de traction de véhicule à propulsion électrique ou hybride, des composants électroniques portables tels qu'un micro-ordinateur ou un téléphone ou tout autre élément consommateur que l'on souhaite alimenter avec une batterie. Les batteries de traction pour véhicules électriques et hybrides sont actuellement produites à un coût élevé. Les batteries développées pour les constructeurs d'automobiles sont spécifiques pour chacun d'entre eux et pour chaque application, ce qui se traduit par un prix de revient élevé de la cellule élémentaire de la batterie. Toute batterie doit répondre à des spécifications en termes d'énergie massique et de puissance massique. La mise en série ou la mise en parallèle des éléments d'une batterie de traction pour véhicules électriques ou hybrides est habituellement choisie selon l'énergie, la puissance et la tension souhaitées. Dissocier la source d'énergie et la source de puissance a souvent été une voie de recherche en vue d'optimiser le système en puissance, en énergie et en durée de vie. La mise en série d'une batterie plomb- acide (source d'énergie) et d'un supercondensateur (source de puissance) a été étudiée pour une application aux véhicules électriques, dans le but de réduire la demande de puissance adressée à la batterie. Toutefois, ce type de montage présente deux inconvénients principaux: - la durée pendant laquelle on obient une diminution de la puissance moyenne pour la source d'énergie est très courte, - le supercondensateur nécessite la présence d'un système de recharge à l'arrêt du véhicule. Pour pallier ces problèmes, on peut imaginer le branchement en parallèle d'une batterie au plomb avec un supercondensateur. L'énergie nécessaire à la traction du véhicule est fournie par l'accumulateur au plomb et les appels de puissance sont satisfaits par le supercondensateur. La répartition du courant de traction entre ces deux éléments est gérée par des composants électroniques, eux-mêmes commandés par une unité de gestion de la batterie. Ce système nécessite aussi une électronique de puissance qui peut piloter soit la batterie, soit le supercondensateur dans le but de diminuer la puissance moyenne pour la source d'énergie, ce qui entraînerait une amélioration de la durée de vie de l'ensemble. Mais le gain en durée de vie, qui se traduit par un gain en coût, est partiellement compromis par le cofit de l'électronique associée et par l'importance de la mise en place d'une stratégie de gestion de commande. Par ailleurs, les supercondensateurs ne permettent pas de répondre à une forte demande en puissance pendant une durée compatible avec celle d'une accélération du véhicule, de l'ordre de 10 secondes, du fait de la décroissance rapide de la tension observée aux bornes du supercondensateur. La présente invention a pour objet de proposer un système de batterie flexible qui peut être adapté et optimisé selon les besoins de l'utilisateur, en utilisant des éléments source d'énergie ou source de puissance de technologie identique. Le système de stockage d'énergie, selon l'invention, comprend au moins deux générateurs électrochimiques aptes à stocker l'énergie sous forme chimique et à la libérer sous forme d'énergie électrique. Le système de stockage d'énergie comprend au moins deux branches disposées en parallèle, chaque branche comprenant au moins un générateur électrochimique, les branches étant de tensions nominales égales et de rapports puissance sur énergie différents. Avantageusement, les branches sont connectées mutuellement directement sans électronique associée. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système peut comprendre un moyen pour isoler électriquement chaque branche des autres branches. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système consiste en une branche de rapport puissance sur énergie faible et une pluralité de branches de rapport puissance sur énergie élevé. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système consiste en une pluralité de branches de rapport puissance sur énergie faible et une branche de rapport puissance sur énergie élevé. Avantageusement, les différents rapports puissance sur énergie des branches sont au minimal de deux. Autrement dit, le système possède deux ou plusieurs groupes de branches, de rapports puissance sur énergie différents. Avantageusement, les générateurs électrochimiques d'une branche sont identiques. La présente invention a également pour objet un système de transport tel qu'un véhicule électrique, un chariot téléguidé ou un satellite, un système électronique tel qu'un jouet, un téléphone mobile ou un microordinateur portable et un système stationnaire tel qu'un organe de sauvegarde électrique ou une machine médicale, équipés d'un système tel que décrit ci-dessus. En d'autres termes, le système selon l'invention consiste à mettre en parallèle au moins deux branches de générateurs de technologie identique qui présentent un rapport puissance/énergie différent pour chacun d'eux. L'un des générateurs est considéré comme étant la source d'énergie et l'autre la source de puissance. L'utilisation de la même technologie pour la mise en parallèle des branches énergie et puissance, est intéressante pour au moins trois raisons: - le système permet de répondre à une demande en puissance moyenne correspondant à l'accélération d'un véhicule, tout en s'affranchissant de la présence de l'électronique de puissance pour des applications de traction. - les branches énergie et puissance possèdent la même tension de fonctionnement. - le système de batterie est facilement modulable selon les besoins de l'utilisateur en encombrement, en énergie, en puissance et en durée de vie. Un couplage batterie d'énergie/batterie de puissance permet de répondre à des appels de puissance d'une durée de 20 secondes environ, par exemple avec un courant de 80 Ampères. La répartition du courant s'équilibre spontanément, c'est-à-dire sans électronique de commande, entre la source d'énergie et la source de puissance. A titre de comparaison, une simulation d'un couplage batterie- supercondensateur montre que le système ne peut répondre à des appels de puissance que d'une durée inférieure à 0,5 seconde et pendant laquelle il n'existe pas d'équilibre entre les sources d'énergie et de puissance. En effet, le courant de la source de puissance diminue extrêmement rapidement. L'une des deux sources d'énergie et de puissance fonctionne au détriment de l'autre. Au contraire, selon l'invention, les deux générateurs d'énergie et de puissance, de technologie identique, évoluant dans la même gamme de tension, la courbe d'évolution du courant est analogue pour la source d'énergie et la source de puissance. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de la mise en parallèle de deux branches de batterie selon l'invention; et - les figures 2 et 3 illustrent des variantes de la figure 1. La répartition du courant entre les deux branches parallèles de générateurs d'énergie et de puissance lors d'un cycle de charge/décharge caractéristique d'une accélération, d'un roulage à vitesse stabilisée, d'un freinage récupératif et d'un arrêt du véhicule, est montrée sur le tableau ci- dessous. Le générateur d'énergie a une capacité de 50 Ah (rapport puissance/énergie faible), tandis que le générateur de puissance a une capacité égale à 5 Ah (rapport puissance/énergie élevé). Séquences Générateur Générateur de Facteur d'énergie (50 Ah) puissance (5 Ah) Puiss/En Accélération % I - 58,5 - 41,5 (10 sec.) %APdd - 0,3 - 1,8 6 Vitesse stabilisée % I - 74 - 26 (20 sec.) %APdd - 0,2 - 0,6 3 Freinage récupératif % I + 46,4 + 53,6 faible %APdd + 0,06 + 0,7 11 1 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Freinage récupératif % I + 31,6 + 68,4 fort %APdd + 0,02 + 0,5 25 Arrêt véhicule % I 50 50 %APdd - 0,04 + 0,4 10 Bilan charge/décharge %APdd - 0,4 - 0,8 2 Pour des appels de courants importants occasionnés lors d'une accélération, c'est la source de puissance qui intervient majoritairement avec une variation de la profondeur de décharge APdd six fois plus élevée que celle de la source d'énergie. Cette variation n'est que trois fois plus élevée pour des appels de courants plus faibles caractéristiques d'une vitesse stabilisée. Lors du freinage récupératif, les deux générateurs se rechargent mais la variation de la profondeur de décharge est, là encore, plus importante pour la source de puissance. Le facteur obtenu pour la variation APdd entre la source de puissance et la source d'énergie est d'autant plus élevé que le freinage est fort. L'arrêt du véhicule engendre un auto-équilibrage de la répartition des courants puisqu'un courant identique, en valeur absolue, traverse chacune des deux branches en parallèle. Ainsi, la source d'énergie se décharge et la source de puissance se recharge. Un bilan de la variation de la profondeur de décharge peut être effectué depuis l'accélération jusqu'à l'arrêt du véhicule. Il indique que la source de puissance intervient globalement deux fois plus que la source d'énergie. En ce qui concerne la durée de vie du système batterie, elle est directement liée à l'évolution de chacun des éléments. D'une part, les appels de courant occasionnés lors des cycles de charge/décharge comme décrits ci-dessus, entraînent une dispersion en tension qui augmente en fonction de la profondeur de décharge de la batterie. La mise en parallèle des éléments d'énergie et de puissance contribue à diminuer le courant sur chacune des branches et donc à réduire la dispersion en tension des éléments en fin de décharge. Un tel système permet de mieux gérer la courbe de décharge et d'optimiser la capacité de la batterie, c'est-à-dire le cofit de la batterie. D'autre part, le système utilise des éléments de puissance qui fonctionnent exclusivement pour générer la puissance, et des éléments d'énergie pour générer l'énergie. Le profil de décharge est donc parfaitement adapté à la conception de la batterie, ce qui entraîne une amélioration de sa durée de vie. Dans l'objectif de réduire les coûts de production des batteries, il est intéressant d'utiliser des éléments standards. On peut imaginer deux types d'éléments: l'un spécifique d'une demande élevée en énergie (rapport puissance/énergie faible) et l'autre spécifique d'une demande élevée en puissance (rapport P/E important). La solution proposée permet, grâce à la mise en parallèle d'un ou plusieurs des éléments types cités ci- dessus, d'obtenir un système de générateurs possédant un rapport P/E intermédiaire capable de répondre à une demande moyenne en énergie et en puissance. A titre d'exemple illustré sur la figure 1, nous pouvons brancher en parallèle un élément énergétique noté E 1, de rapport P/E égal à 2, avec un élément de puissance noté P1, de rapport P/E égal à 20. Le système batterie ainsi obtenu est schématisé ci-dessous. Il présente un rapport moyen compris entre 2 et 20, calculé à partir des caractéristiques décrites dans le tableau suivant. Elément E1 P1 E1 + P1 Masse élément (kg) 1 0,5 1,5 Energie massique (Wh/kg) 100 50 83 Puissance massique (W/kg) 200 1000 467 Energie (Wh) 1 O0 25 125 Puissance (W) 200 500 700 Rapport P/E (W/Wh) 2 20 5,6 EXEMPLE D'APPLICATION Pour un même rapport P/E égal à 5,6, il est possible d'embarquer une énergie beaucoup plus importante en ajoutant des éléments E1 et Pi. Ainsi, pour un système batterie comportant une branche de 40 éléments d'énergie El en parallèle avec une branche comportant 40 éléments de puissance Pl, l'énergie embarquée s'élève à (40x100 Wh) + (40x25 Wh) = kWh et la puissance à (40x200 W) + (40x500 W) = 28 kW (soit P/E = 28/5 = 5,6) pour une masse égale à (40xl kg) + (40x0,5 kg) = 60 kg. La masse du système batterie ainsi constitué est nettement inférieure à celle que l'on obtient avec un système composé uniquement d'éléments El ou P1. En effet, si l'on considère une batterie comportant des éléments optimisés pour l'énergie El, il est nécessaire, pour obtenir une puissance de 28 kW, d'embarquer une masse égale à 28 kW/200 W/kg, soit 140 kg. Une batterie composée d'éléments optimisés pour la puissance P1 présente, pour obtenir une énergie de 5 kWh, une masse de 5 kWh/50 Wh/kg, soit 100 kg. Il faut noter que, dans chaque branche d'énergie ou de puissance, le nombre d'éléments E 1 en série doit être égal au nombre d'éléments P 1 en série puisque ces éléments, de technologie identique, présentent la même plage de fonctionnement. Sur ce principe, il est possible d'optimiser, selon les besoins, soit la demande en énergie, soit la demande en puissance en ajoutant des éléments. De façon générale, si l'on considère x le nombre de branches comportant des éléments spécifiques d'une forte demande en énergie (P/E = 2) et y est le nombre de branches des éléments spécifiques d'une forte demande en puissance (P/E = 20): - plus x est élevé et plus le rapport P/E du système batterie est proche de 2; - plus y est élevé et plus le rapport P/E du système batterie est proche de 20. Sur la figure 2, on voit que l'on a disposé deux éléments P1 et un élément El, ce qui permet d'obtenir un rapport P/E = 8. A l'inverse, sur la figure 3, on a disposé deux éléments El et un élément Pl, d'o un rapport P/E = 4. A partir d'éléments modulaires de même tension nominale et de rapport P/E différent, on forme un système de batterie à plusieurs branches parallèles, chaque branche comprenant un ou plusieurs éléments de base. Les éléments de base d'une branche sont disposés en série et sont de type identique. Au moins une branche possède des éléments de type différent de ceux des autres branches. On peut concevoir un système pourvu de branches présentant trois ou quatre rapport P/E différents. On bénéficie ainsi d'une grande flexibilité pour la construction du système. On utilise de façon satisfaisante les caractéristiques de puissance ou d'énergie des éléments, ce qui contribue à améliorer la durée de vie, la fiabilité et le coût du système. On diminue la dispersion en tension en fin de décharge de la batterie, d'o une optimisation de la demande en capacité et une augmentation de la durée de vie de la batterie. Le rapport P/E est modulable selon les besoins à partir de seulement deux éléments de base. L'état de charge entre les branches en parallèle s'équilibre sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une électronique de commande. L'utilisateur peut modifier la répartition des éléments de base en fonction de ses besoins. En cas de panne d'un seul élément d'une branche, le fonctionnement des organes consommateurs d'énergie reste possible sur les seules autres branches, ce qui se traduit également par une augmentation de la sécurité pour l'utilisateur. L'invention s'applique dans tous les domaines utilisant les couples électrochimiques: batteries de portables, batteries stationnaires, batteries de traction, etc. REVENDICATIONS 1. Système de stockage d'énergie comprenant au moins deux générateurs électrochimiques aptes à stocker l'énergie sous forme chimique et à la libérer sous forme d'énergie électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux branches disposées en parallèle, chaque branche comprenant au moins un générateur électrochimique, les branches étant de tensions nominales égales et de rapports puissance sur énergie différents. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les branches sont connectées mutuellement directement sans électronique associée. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il consiste en une ou plusieurs branches de rapport puissance sur énergie faible et une ou plusieurs branches de rapport puissance sur énergie élevé. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les différents rapports puissance sur énergie des branches sont au nombre minimal de deux. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les générateurs électrochimiques d'une branche sont identiques. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il puisse comprendre un moyen pour isoler électriquement chaque branche des autres branches. 7. Systèmes de transport, comme par exemple un véhicule électrique, équipés d'un système selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Systèmes électroniques, comme par exemple un téléphone mobile, un jouet ou un micro-ordinateur portable, équipés d'un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 9. Systèmes stationnaires, comme par exemple un organe de sauvegarde électrique, une machine médicale, équipés d'un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.