Brevet FR2895584A1 — publié le 20070629

La présente invention concerne une batterie, telle qu'une batterie Li-Ion, un équipement électrique alimenté par batterie et un procédé d'alimentation électrique par batterie utilisables notamment dans le domaine des appareils électriques portatifs. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il est connu qu'une batterie a une résistance in-terne d'autant plus importante que sa température est basse. Cette augmentation de la résistance interne dimi- nue les performances de la batterie au point que la batterie ne puisse plus alimenter suffisamment l'équipement auquel elle est reliée. Pour remédier à cet inconvénient, on a imaginé d'associer à la batterie un dispositif externe de chauf- fage par exemple comportant des produits réactifs dont l'association engendrerait une réaction exothermique au voisinage de la batterie. Un tel dispositif serait cependant relativement lourd et supposerait, d'une part, de disposer de produits réactifs en quantité suffisante pour réchauffer la batterie et, d'autre part, de renouveler ceux-ci lorsqu'ils sont épuisés. Il en résulterait des contraintes logistiques rédhibitoires pour certaines applications, notamment dans des lieux difficiles d'accès. On a également imaginé d'entourer le boîtier de la batterie avec une résistance et de faire débiter la batterie dans la résistance pour chauffer la batterie. L'ensemble batterie et résistance devrait alors être isolé thermiquement pour obtenir un chauffage efficace. Ceci augmenterait toutefois le volume et le poids de la batte- rie et s'avérerait relativement coûteux tout en ayant un rendement relativement faible, et la montée en température du cœur des éléments serait lente. OBJET DE L'INVENTION Il serait donc intéressant de disposer d'un moyen pour améliorer les performances d'une batterie à basse température. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé d'alimentation électrique au moyen d'une batterie comportant l'étape de mettre en court-circuit la batterie jusqu'à ce qu'elle présente une température supérieure à un seuil prédéterminé. La mise en court-circuit de la batterie provoque une brusque élévation de température au sein même de celle-ci. Le chauffage procuré est particulièrement efficace, puisqu'il intervient au coeur de la batterie, et n'entraîne qu'une consommation d'énergie relativement limitée. L'invention a également pour objet une batterie comprenant un organe de mise en court-circuit agencé pour être commandable entre un état de fonctionnement normal de la batterie et un état de court-circuit dans lequel la batterie est en court-circuit, l'organe de mise en courtcircuit étant relié à un détecteur de température de la batterie pour passer de l'état de court-circuit à l'état de fonctionnement normal pour une température de la batterie supérieure à un seuil prédéterminé. Ainsi, la batterie incorpore des moyens de chauffage sous la forme des moyens de sa mise en court- circuit. L'invention a en outre pour objet un équipement électrique comprenant un circuit d'alimentation comportant des éléments de raccordement à des bornes d'au moins une batterie et un organe de commutation disposé entre les éléments de raccordement et agencé pour être commandable entre un état de court-circuit dans lequel il connecte les éléments de raccordement l'un à l'autre et un état de déconnexion dans lequel il déconnecte les éléments de raccordement l'un de l'autre, l'organe de commu- tation étant relié à un détecteur de température de la 2 batterie pour passer de l'état de court-circuit à l'état de déconnexion pour une température de la batterie supérieure à un seuil prédéterminé. L'équipement incorpore alors les moyens permet-tant de mettre la batterie en court-circuit pour réchauffer celle-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif 10 de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une bat-15 terie conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique partielle d'une variante de réalisation de cette batterie, - la figure 3 est une vue schématique d'un équipement électrique conforme à l'invention. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, la batterie conforme à l'invention, généralement désignée en 1, est ici une batterie Li--Ion qui comprend, de façon connue en elle-même, une série d'électrodes 2 (deux électrodes seulement 25 sont symbolisées sur la figure 1), séparées par un électrolyte et reliées à des bornes 3 de connexion externe de la batterie 1. Conformément à l'invention, la batterie 1 comporte un organe de mise en court-circuit 4 relié aux 30 électrodes 2 et à un circuit de commande 5 lui-même relié à un détecteur de température 6 de la batterie 1. L'organe de mise en court-circuit 4 est par exemple un transistor de type MOSFET possédant un état de fonctionnement normal de la batterie 1 dans lequel l'or- 35 gane de mise en circuit 4 maintient les électrodes 2 dé- connectées l'une de l'autre et un état de court-circuit dans lequel l'organe de mise en court-circuit 4 relie les électrodes 2 l'une à l'autre pour mettre la batterie 1 en court-circuit. Le détecteur de température 6 est ici une thermistance. Le circuit de commande 5 est agencé pour commander l'organe de mise en court-circuit 4 pour passer de l'état de court-circuit à l'état de fonctionnement normal lorsque la température de la batterie 1 captée par le détecteur de température 6 est supérieure à un seuil prédéterminé. Ce seuil est déterminé pour que la température atteinte par la batterie 1 en court-circuit ne risque pas d'entraîner une détérioration de la batterie 1. Le cir- cuit de commande 5 comprend un organe 7 lui permettant d'être alimenté en électricité pendant que la batterie 1 est en court-circuit. L'organe 7 est ici une batterie additionnelle non rechargeable. La mise en court-circuit de la batterie 1 peut par exemple être commandée automatiquement par le circuit de commande 5 lorsque la température captée par le détecteur de température 6 est inférieure au seuil prédéterminé ou, par exemple, au moyen d'un commutateur disposé sur le boîtier de la batterie 1 et accessible à l'opérateur pour que celui-ci puisse, en fonction de la température ambiante, commander lui-même le réchauffage de la batte-rie 1. La mise en court-circuit de la batterie peut être réalisée avant ou après la connexion de la batterie à l'équipement qu'elle est destinée à alimenter. Dans la variante de la figure 2, le circuit de commande (non visible) est analogue à celui précédemment décrit, de même que l'organe de mise en court-circuit 4 qui est un transistor de type MOSFET à la grille 4.1 du- quel le circuit de commande 5 est relié par une diode 8 pour commander le passage de l'organe de mise en court-circuit 4 de son état de fonctionnement normal à son état de mise en court-circuit. Le détecteur de température 9 est un thermo- contact (ou thermostat) relié à la grille 4.1 et à la source 4.2 de l'organe de mise en court-circuit 4 agencé pour court-circuiter la jonction grille source lorsque la température interne de la batterie 1 dépasse le seuil prédéterminé. Quand le détecteur de température 9 court- circuite la grille 4.1 et la source 4.2 de l'organe de mise en court-circuit 4, celui-ci revient alors dans son état de fonctionnement normal. Lorsque la température in-terne redescend sous le seuil prédéterminé, le détecteur de température 9 coupe la liaison précédemment établie entre la grille et la source. Dans cette variante, il n'est pas nécessaire que le circuit de commande 5 dispose d'un organe d'alimentation 7 dédié pour l'alimenter lorsque la batterie 1 est en court-circuit. On notera en outre que le détecteur de température 9 empêche une mise en court-circuit accidentelle de la batterie 1 si la température interne de celle-ci est supérieure au seuil prédéterminé. En référence à la figure 3, l'équipement conforme à l'invention, généralement désigné en 10, comprend une unité électrique il reliée par un circuit d'alimentation 12 à une batterie 13. La batterie 13 est ici une batterie Li-Ion de type SMART, c'est-à-dire répondant aux spécifications du standard industriel SBS (de l'anglais "Smart Battery Sys- tems", systèmes de batterie intelligente) incorporant un processeur 14 susceptible de fournir des informations relatives à diverses caractéristiques de la batterie et notamment à son niveau de charge et à sa température in-terne. Le circuit d'alimentation 12 comporte lui-même un processeur schématisé en 15 relié au processeur 14 par des moyens de raccordement connus en eux-mêmes et non représentés sur la figure 2, de telle manière que le processeur 14 puisse transmettre au processeur 15 un signal représentatif de la température interne de la batterie 1. Le circuit d'alimentation 12 comprend en outre des conducteurs 16, 17 reliés à des bornes 18, 19 de la batterie 13. Entre les conducteurs 16, 17 est disposé un organe de commutation 20 actionnable entre un état de court-circuit dans lequel il connecte l'un à l'autre les conducteurs 16, 17 et un état de déconnexion dans lequel il déconnecte les conducteurs 16, 17 l'un de l'autre. Le circuit d'alimentation comprend une batterie non rechargeable, non représentée sur la figure, pour l'alimenter lorsque la batterie est en court-circuit. Le processeur 15 du circuit d'alimentation 12 est relié à l'organe de commutation 20 pour commander l'organe de commutation 20 pour passer de l'état de court-circuit à l'état de déconnexion lorsque la tempéra- ture est supérieure à un seuil prédéterminé. La mise en court-circuit de la batterie 1 peut par exemple être commandée automatiquement par le processeur 15 lorsque le signal de température transmis par le processeur 14 est inférieure au seuil prédéterminé ou, par exemple, au moyen d'un commutateur disposé sur le boîtier de la batterie 1 et accessible à l'opérateur pour que celui-ci puisse, en fonction de la température ambiante, commander lui-même le réchauffage de la batterie 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des va-riantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier, la mise en court-circuit peut être réalisée au moyen d'un circuit dédié relié à la bat- terie et à l'équipement à alimenter. L'organe de mise en court-circuit 1 peut comprendre un élément de sécurité passif, tel qu'un thermofusible ou un thermo-contact, supprimant le court-circuit de la batterie dès que la température dépasse le seuil prédéterminé en cas de défaillance du circuit de commande. L'organe de mise en court-circuit peut être différent de celui décrit et par exemple tout type de commutateur de puissance commandable à l'allumage comme à l'extinction (transistor bipolaire, IGBT, thyristor extingui- ble). En outre, l'organe 7 permettant l'alimentation du circuit de commande 5 lorsque la batterie est en court-circuit (premier mode de réalisation) peut être une batterie additionnelle rechargeable reliée aux électrodes 2 pour être rechargée par la batterie 1. La batterie additionnelle est alors reliée aux électrodes 2 par une diode de telle manière que, lorsque la batterie 1 est en court-circuit, la diode soit bloquée évitant ainsi que la batterie additionnelle soit court-circuitée et que, lorsque la batterie 1 n'est pas en court-circuit, la diode soit passante permettant que la batterie 1 recharge la batte-rie additionnelle. L'organe 7 peut également être un condensateur dimensionné pour alimenter le circuit de commande 5 lors- que la batterie 1 est en court-circuit. Si le condensateur est sous-dimensionné et ne suffit pas pour alimenter le circuit pendant toute la durée du court-circuit, il est possible de prévoir des mises en court-circuit successives de telle manière que le condensateur puisse se recharger entre les mises en court-circuit. Dans ce cas, les mises en court-circuit et ouverture peuvent se succéder à une fréquence pouvant être relativement lente (très inférieure au hertz) jusqu'à rapide (quelques Mégahertz) dans le but de réduire au minimum la valeur du condensa- teur additionnel (la fréquence n'étant limitée que par la performance des composants de puissance employés). Il est en outre possible de réchauffer la batte-rie ou de maintenir la température de la batterie pendant l'utilisation normale de l'équipement alimenté. En effet, par grand froid, il existe un risque que la dissipation d'énergie dans la batterie (égale au produit de la résistance interne de la batterie par le carré du courant consommé par l'équipement) soit trop faible pour maintenir la température de la batterie. Dans ce cas, la chute de tension (qui est égale au produit de la résistance in-terne et du courant consommé) devient trop forte pour autoriser le fonctionnement de l'équipement. Un réchauffage de la batterie devient donc nécessaire, mais une mise en court circuit de la batterie oblige à interrompre le fonctionnement de l'équipement si l'on ne dispose pas d'une autre source d'énergie. Dans cette variante, le court-circuit est appliqué avec un rapport cyclique temporel de fréquence élevée. Une diode de puissance est alors prévue entre la batterie et l'équipement pour per- mettre au condensateur d'entrée de l'équipement de conserver la tension de la batterie pendant la durée du court-circuit périodique. La diode de puissance peut être avantageusement remplacé par un transistor MOSFET commandé selon la méthode dite du redressement synchrone de fa- çon à s'affranchir de la tension de déchet de la diode et donc à améliorer le rendement. A titre d'exemple, pour un équipement consommant un ampère à une tension minimum de trois volts, la batterie à vide ayant une tension de 3,7 volts et une résistance à l'état réchauffé de 0,5 ohm, l'équipement fonctionne lorsque la température de la batterie est au moins voisine de la température correspondant à l'état réchauffé. Quand il fait froid, la batterie a besoin d'une dissipation interne de 2 watts pour se maintenir à l'état réchauffé. Or la consommation de l'équipement n'induit dans la batterie qu'une dissipation de 0,5 watts. La batterie va donc se refroidir et sa résistance interne augmenter. L'équipement s'arrêtera quand la tension sera descendue en dessous de 3 volts. On pour-rait attendre l'arrêt de l'équipement pour mettre la bat- terie en court-circuit, la puissance dégagée à l'intérieur de la batterie serait alors de 26 watts, soit treize fois plus qu'il n'en faut pour maintenir la batte-rie en température. On peut donc également appliquer le court-circuit selon un rapport cyclique de 1/13ème pour dissiper 2 watts à l'intérieur de la batterie et maintenir l'équipement en fonctionnement permanent (pour simplifier, la dissipation thermique provoquée par le courant consommé par l'équipement n'est pas prise en compte, le rapport cyclique de court-circuit étant en fait légè- rement inférieur à 1/13ème). La batterie sera courtcicuitée 1/13ème du temps et alimentera l'équipement 12/13ème du temps. Pour une fréquence de découpage de l'ordre de 300 KiloHertz, la période sera de 3,3 microsecondes et le temps de non alimentation de l'équipement sera de 0,26 microsecondes. Un condensateur de valeur relativement modeste peut alimenter l'équipement pendant cette durée et se recharger pendant les 12/13ème de temps restant. Il est possible de commander le ou les commuta- teurs de puissance par un circuit intégré à modulation de largeur d'impulsion (PWM de l'anglais "Pulse Width Modulation") comprenant classiquement une référence de tension, un amplificateur opérationnel, un générateur de dents de scie, un comparateur du signal d'erreur de l'am- pli opérationnel avec la tension en dents de scie. La sortie de ce comparateur est la commande de mise en conduction du transistor de court-circuit. En convertissant la température de la batterie (mesurée par exemple au moyen d'une thermistance ou d'un thermocouple) en une tension, le circuit à modulation de largeur de bande peut ajuster le rapport cyclique de court-circuit de façon à obtenir toujours la température de batterie souhaitée. Ce circuit, grâce à sa boucle d'asservissement à grand gain, commandera le court-circuit permanent tant que la tempé- rature de batterie n'aura pas atteint la valeur de consigne fixée à l'asservissement. Lorsque l'équipement sera mis en service à froid, le dispositif décrit ci-dessus établira de lui-même un court-circuit permanent sans alimenter l'équipement et passera au rapport cyclique cor- respondant à l'équilibre thermique pour faire apparaître la tension d'alimentation de l'équipement. Le circuit à modulation de largeur de bande peut être remplacé par tout autre circuit de commande et notamment un circuit de commande à commutation dite "douce", ou à quasi-résonance, ou à résonance, à variation de phase ou de fréquence, ou à combinaison d'une variation de phase, de fréquence et de rapport cyclique. Les circuits de commande peuvent être analogiques ou numériques. La diode de puissance et le condensateur utilisés ci-dessus peuvent être remplacés par un autre moyen de contention provisoire d'énergie comme une self associée à un commutateur de puissance. Il est d'ailleurs possible d'utiliser la self de puissance généralement présente dans le convertisseur ou le régulateur de puissance de l'équipement lorsque celui-ci en comporte un. Lorsque la batterie 1 comporte plusieurs éléments séparés ou accumulateurs en série ou en parallèle, le circuit de commande et de mise en court-circuit peut être agencé pour mettre en court-circuit certains de ces élé- ments et s'alimenter sur un ou plusieurs des autres éléments. Dans le cas d'un équipement comprenant au moins deux batteries auxquelles est relié un appareil compor- tant un circuit d'alimentation, le circuit d'alimentation peut être alimenté par une des batteries (compte tenu de sa faible consommation) tandis qu'il met l'autre en court-circuit. Une fois cette dernière batterie réchauffée, le circuit d'alimentation raccorde à celle-ci les composants fortement consommateurs d'électricité. REVENDICATIONS 1. Batterie (1) caractérisée en ce qu'elle comprend un organe de mise en court-circuit (4) agencé pour être commandable entre un état de fonctionnement normal de la batterie et un état de court-circuit dans lequel la batterie est en court-circuit, l'organe de mise en courtcircuit étant relié à un détecteur de température de la batterie pour passer de l'état de court-circuit à l'état de fonctionnement normal pour une température de la bat- terie supérieur à un seuil prédéterminé. 2. Equipement électrique (10) comprenant un circuit d'alimentation (12) comportant des éléments de raccordement (16, 17) à des bornes (18, 19) d'au moins une batterie (13) et un organe de commutation (20) disposé entre les éléments de raccordement et agencé pour être commandable entre un état de court-circuit dans lequel il connecte les éléments de raccordement l'un à l'autre et un état de déconnexion dans lequel il déconnecte les élé- ments de raccordement l'un de l'autre, l'organe de commutation étant relié à un détecteur de température (14) de la batterie pour passer de l'état de court-circuit à l'état de déconnexion pour une température de la batterie supérieure à un seuil prédéterminé. 3. Procédé d'alimentation électrique au moyen d'une batterie (1, 13), comportant l'étape de mettre en court-circuit la batterie jusqu'à ce qu'elle présente une température supérieure à un seuil prédéterminé.