Brevet FR3008236A1 — publié le 20150109

BATTERI E DE DEMARRAGE D'UN VEHI CULE AUTOMOBI LE L'invention se rapporte à une batterie de démarrage d'un véhicule automobile. Il existe actuellement une réglementation visant à supprimer l'utilisation du plomb dans les véhicules. Jusqu'à aujourd'hui, les batteries de démarrage au plomb ont bénéficié d'une exemption, mais celle-ci devrait être à nouveau discutée dans les années à venir. Il devient donc de plus en plus pressant et urgent de trouver de nouvelles technologies, techniquement et économiquement viables, pour remplacer les batteries au plomb. L'utilisation d'une combinaison de batteries dans un véhicule existe et a déjà fait l'objet de brevets. On peut, par exemple, citer le brevet DE102006048872, qui se rapporte à l'utilisation d'une batterie de démarrage au plomb et d'une batterie de fourniture de courant électrique au lithium/fer/phosphate, la gestion desdites batteries étant effectuée au moyen d'un interrupteur placé entre celles-ci en fonction de la phase d'utilisation du véhicule. Bien qu'un tel arrangement permette de réduire les dimensions de la batterie en plomb et donc de limiter les émissions de plomb dans l'atmosphère, il n'en demeure pas moins qu'il ne permet pas d'éliminer complètement la présence de plomb au sein dudit véhicule. Une autre solution consisterait à recourir à des batteries de type Lithium-ion. Or, ce type de batterie présente deux inconvénients majeurs par rapport à une utilisation dans un véhicule : elles doivent être surdimensionnées et donc être d'un coût très élevé, pour satisfaire aux exigences de démarrage à basses températures en raison d'une résistance interne élevée. En effet, à basses températures, bien que l'énergie soit suffisante pour alimenter des auxiliaires, le courant demandé lors du premier pic de démarrage, amène habituellement à fortement surdimensionner la batterie Lithium-ion à environ 40Ah, alors qu'une quinzaine d'ampères heure suffit pour le reste des exigences fonctionnelles d'une batterie de démarrage ou de servitude. elles ne peuvent pas être rechargées avec un chargeur externe lors d'une décharge conséquente, car le collecteur de l'électrode négative, qui est habituellement en cuivre se dissout. La batterie ne sera donc pas fonctionnelle en cas de recharge après une très forte décharge. Pour remplacer une batterie au plomb, des super capacités pourraient aussi être utilisées, car elles sont intrinsèquement très puissantes, mais du fait de leur faible densité d'énergie, il faudrait en mettre un grand nombre en parallèle, pour atteindre le niveau d'énergie demandé. Il en résulterait un surcoût et un encombrement importants. Une batterie de démarrage d'un véhicule selon l'invention, permet de résoudre complètement les problèmes de pollution liés au plomb, tout en 15 s'affranchissant des inconvénients relevés dans l'état de la technique. L'invention a pour objet une batterie de démarrage pour un véhicule. La principale caractéristique d'une batterie de démarrage selon l'invention, est qu'elle comprend au moins une cellule de type Lithium-ion mise en parallèle avec au moins une super capacité. Une telle batterie peut être 20 utilisée de façon générale sur des véhicules thermiques avec un alternateur/démarreur classique, sur des véhicules hybrides ou sur des plugins hybrides avec un alterno-démarreur. Il est également possible de l'utiliser sur des véhicules électriques. L'association d'une cellule de type Lithium-ion avec une super capacité, permet à la batterie d'assurer un démarrage à froid 25 du véhicule, qui est efficace et sûr, sans avoir à surdimensionner ladite batterie. De plus, une telle batterie de démarrage peut-être facilement rechargée au moyen d'un chargeur externe lors d'une décharge conséquente de ladite batterie. Il est rappelé que le fonctionnement d'une cellule de type Lithium-ion est basé sur un échange réversible d'un ion lithium entre une électrode positive réalisée le plus souvent dans un oxyde de métal de transition lithié, et une électrode négative en graphite. Selon un premier mode de réalisation préféré d'une batterie de démarrage selon l'invention, ladite batterie comprend au moins un couple constitué par une cellule de type Lithium-ion montée en parallèle avec une super capacité. Un tel couple représente ainsi un élément unitaire de ladite batterie pouvant être répétitif au sein de ladite batterie. Avantageusement, une batterie de démarrage selon l'invention comporte une pluralité de couples montés en série. De façon préférentielle, une batterie de démarrage selon l'invention comprend six couples constitués chacun d'une cellule de type Lithium-ion montée en parallèle avec une super capacité. En effet, il convient de réaliser une batterie de démarrage qui ne soit pas trop encombrante et donc de la dimensionner au plus juste, afin qu'elle puisse assurer la fonction de démarrage sans occuper un volume trop important. Préférentiellement, tous les couples sont identiques. Selon un deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie de démarrage selon l'invention, ladite batterie comprend une première branche constituée par au moins deux cellules de type Lithium-ion montées en série et une deuxième branche constituée par au moins deux super capacités montées en série, lesdites deux branches étant montées en parallèle. Pour cette configuration, la batterie ne comprend pas d'éléments unitaires. Elle n'implique que deux circuits montés en parallèle, l'un matérialisé par une succession de cellules de type Lithium-ion montées en série, et l'autre matérialisé par une succession de super capacités montées en série. Préférentiellement, une batterie de démarrage selon l'invention comprend le même nombre de cellules de type Lithium-ion que de super capacités. De façon avantageuse, une batterie de démarrage selon l'invention comprend six cellules de type Lithium-ion et six super capacités. Pour des 30 questions d'encombrement, il est souhaitable de dimensionner au plus juste la batterie afin qu'elle puisse assurer sa fonction sans prendre trop de place dans le véhicule. Avantageusement, chaque super capacité est constituée de deux électrodes poreuses en charbon actif et imprégnée d'électrolyte, lesdites électrodes étant séparées par une membrane isolante et poreuse. Il s'agit d'un mode de réalisation particulièrement adapté à une batterie de démarrage selon l'invention, mais ne constitue pas le seul exemple susceptible de satisfaire aux exigences d'une batterie de démarrage selon l'invention. De façon préférentielle, chaque cellule de type Lithium-ion est composée d'une électrode négative à base d'un oxyde de titane et d'une électrode positive à base d'un oxyde métallique lamellaire. Il s'agit d'un mode de réalisation particulièrement adapté à une batterie de démarrage selon l'invention, mais ne constitue pas le seul exemple susceptible de satisfaire aux exigences d'une batterie de démarrage selon l'invention. Préférentiellement, une batterie de démarrage selon l'invention comprend un interrupteur permettant de l'isoler du reste d'un circuit électrique du véhicule dans le cas d'une autodécharge d'au moins une super capacité. De façon avantageuse, une batterie de démarrage selon l'invention comprend une boucle de charge associée à un interrupteur, ledit interrupteur étant apte à déconnecter chaque super capacité pour la mettre en liaison avec ladite boucle. Autrement dit, l'interrupteur peut adopter une première position pour laquelle il ferme le circuit comportant les super capacités et permet à la batterie de démarrage d'être opérationnelle, et une deuxième position pour laquelle il ouvre ledit circuit et permet à la boucle de charge d'être en relation avec chacune dites super capacités pour les recharger. De cette manière, dans le cas d'une décharge complète d'au moins une super capacité, il demeure toujours possible de la recharger localement, indépendamment des caractéristiques du reste du circuit électrique du véhicule, sur lequel est connectée la batterie de démarrage. Une batterie de démarrage selon l'invention présente l'avantage de contribuer efficacement à la fonction de démarrage d'un véhicule, en éliminant tout risque de pollution par le plomb car elle n'en possède pas, tout en demeurant d'un encombrement réduit. Elle a de plus l'avantage d'être d'un coût limité car elle met en oeuvre un nombre restreint de cellules de type Lithium-ion et de super capacités. On donne ci-après, une description détaillée de deux modes de réalisation préférés d'une batterie de démarrage selon l'invention en se référant aux figures 1 à 5C. - La figure 1A est une vue schématique d'un premier mode de réalisation préféré d'une batterie de démarrage selon l'invention, - La figure 1B est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie de démarrage selon l'invention, La figure 2A est un schéma de principe général d'un premier mode de réalisation préféré d'un circuit électrique d'un véhicule automobile impliquant une batterie de démarrage selon l'invention, La figure 2B est un schéma de principe général d'un deuxième mode de réalisation préféré d'un circuit électrique d'un véhicule automobile impliquant une batterie de démarrage selon l'invention, La figure 2C est un schéma de principe général d'un troisième mode de réalisation préféré d'un circuit électrique d'un véhicule automobile impliquant une batterie de démarrage selon l'invention, La figure 3 est un diagramme illustrant un exemple de variation de courant électrique et de tension avec le temps lors d'un démarrage à -25°C impliquant une batterie de démarrage selon l'invention, La figure 4 est un diagramme illustrant un exemple de variation de courant électrique et de tension avec le temps lors d'un démarrage à 25°C impliquant une batterie de démarrage selon l'invention, Les figures 5A, 5B et 5C illustrent un couple composé d'une cellule de type Lithium-ion et d'une super capacité montées en parallèle, respectivement au cours d'une phase d'un premier appel de courant, d'une phase de relaxation et d'une phase d'un deuxième appel de courant. Une batterie de démarrage selon l'invention, peut être utilisée de façon générale sur des véhicules thermiques avec un alternateur/démarreur classique, sur des véhicules hybrides ou sur des plug-ins hybrides avec un alterno-démarreur. Il est également possible de l'utiliser sur des véhicules électriques. En se référant à la figure 1A, un premier mode de réalisation préféré d'une batterie 1 de démarrage selon l'invention, comprend une première branche 2 constituée par six cellules 3 identiques de type Lithium-ion et montées en série, et une deuxième branche 4 constituée par six super capacités 5 montées en série, ladite première et ladite deuxième branches 2,4 étant montées en parallèle au sein de ladite pile 1. En se référant à la figure 1 B, un deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie 10 de démarrage selon l'invention, comprend six couples 16 identiques montés en série, chacun desdits couples 16 étant composé d'une 20 cellule 13 de type Lithium-ion et d'une super capacité 15 montées en parallèle. Que ce soit pour le premier ou pour le deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie de démarrage 1,10 selon l'invention, chaque cellule 3,13 de type Lithium-ion doit être composée d'un couple électrochimique bien particulier, utilisant un oxyde de titane Li4Ti5012 (LTO) comme électrode 25 négative et un oxyde métallique lamellaire pour l'électrode positive, comme par exemple LiNixMnyCoz02 ou LiNi0.8Co0.15A10.0502, afin d'obtenir une tension similaire à celle des super capacités, située aux alentours de 2,2V au nominal et de 2,7V en tension max. L'obtention de cette tension similaire va faciliter leur mise en parallèle. Chaque super capacité 5,15 est préférentiellement constituée de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, lesdites électrodes étant séparées par une membrane isolante et poreuse pour assurer la conduction ionique. Un circuit électronique est utilisé pour permettre de rééquilibrer les cellules 3 en série, ledit circuit pouvant par exemple mettre en oeuvre un circuit d'équilibrage passif via des résistances, ou actif en transférant l'énergie d'une cellule 3 à une autre. Afin de limiter les surcoûts, il est préférable de recourir à une électronique simple, basée sur des comparateurs de tensions entre les cellules 3, et à un équilibrage dit « passif ». Le circuit électronique peut aussi surveiller les tensions des cellules, et transmettre un signal à un calculateur du véhicule dans le cas d'une défaillance d'une cellule. Ce circuit électronique peut également être utilisé comme outil de diagnostic. Pour le premier mode de réalisation préféré d'une batterie 1 de démarrage selon l'invention impliquant deux branches 2,4 distinctes, deux microcalculateurs devront être utilisés pour l'équilibrage et la surveillance des tensions. Pour le deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie 10 de démarrage selon l'invention impliquant une seule branche comprenant plusieurs couples 16 composés chacun d'une super capacité 15 et d'une cellule 13, un seul microcalculateur suffit pour faire l'équilibrage et la mesure des tensions. En se référant à la figure 2A, un premier mode de réalisation préféré d'un circuit électrique de véhicule, permet de connecter entre eux, un démarreur 20, un alternateur 21, des consommateurs 22 de courant tels que par exemple une climatisation ou une radio, et une batterie de démarrage 1 selon l'invention. Un interrupteur 23 placé entre la batterie de démarrage 1 et le démarreur 20 permet de connecter ou de déconnecter électriquement ces deux éléments 1,20. Ainsi, lorsque la batterie 1 est chargée en courant, l'interrupteur 23 peut fermer le circuit pour permettre à ladite batterie 1 d'activer le démarreur 20. Une fois que le démarrage a été effectif, l'interrupteur 23 peut ouvrir le circuit afin d'isoler électriquement le démarreur 20 de la batterie 20, et permettre à l'alternateur 21 de charger en courant la batterie 1 de démarrage. Quelle que soit la position de l'interrupteur 23, l'alternateur 21 alimente en courant les différents consommateurs 22 du véhicule. En se référant à la figure 2B, un deuxième mode de réalisation préféré d'un circuit électrique de véhicule se distingue du premier mode ci-avant décrit par le fait que la batterie 1 de démarrage selon l'invention, peut être équipée d'un interrupteur 24 pour isoler électriquement ladite batterie 1 du reste du circuit électrique, dans le cas par exemple d'une défaillance de l'alternateur 21. En se référant à la figure 2C, un troisième mode de réalisation préféré d'un circuit électrique de véhicule, se distingue du premier mode ci-avant décrit par le fait que la deuxième branche 4 de la batterie 1 de démarrage selon l'invention, qui est composée d'une succession de super capacités 5 montées en série, est munie d'un interrupteur 25 et d'une boucle 26 de charge. En effet, les super capacités 5 ont une plus forte tendance à s'autodécharger que les cellules 3 de type Lithium-ion. De ce fait, lorsque cette autodécharge devient critique et vide les cellules 3 de type Lithium-ion, il est souhaitable de l'interrompre en déconnectant les super capacités 5 au moyen de cet interrupteur 25, et d'activer la boucle de charge 26 pour recharger lesdites super capacités 5. Ainsi, lorsque l'interrupteur 25 ferme le circuit interne de la batterie 1, il permet à ladite batterie 1 de fonctionner normalement en engendrant une éventuelle décharge des super capacités 5. Lorsqu'il interrompt ce circuit interne, il active simultanément la boucle de charge 16 pour permettre auxdites super capacités 3 de se recharger. Pour le deuxième mode de réalisation préféré d'une batterie 10 de démarrage selon l'invention, les six couples 16 « super capacité 15/cellule 30 Lithium-ion 13 » peuvent être branchés en série pour atteindre une tension typique de batterie 10 de démarrage comprise entre 12V et 15V. Pour cette configuration et à titre d'exemple, la plage de tension des cellules Li-ion 13 varie entre un minimum de 1,5V et un maximum de 2,5V, avec une valeur nominale à 2,2 V. la plage de tension des super capacités 15 varie entre un minimum de OV et un maximum de 2,5 V, avec une valeur nominale à 2,2V. Pour le premier mode de réalisation préféré d'une batterie 1 de démarrage selon l'invention, impliquant une première branche 2 de six cellules 3 de type Lithium-ion montées en série et une deuxième branche 4 de six super capacités 5 montées en série, un exemple de mise en oeuvre pourrait impliquer: six cellules 3 de type Lithium-ion de 15 Ah ayant une résistance de 1 à 2 milli-ohm à température ambiante. La capacité d'une cellule 3 peut varier en fonction des besoins liés au type de véhicule considéré. six supers capacités 5 de 600F ayant une résistance voisine de 1 milli- ohm. - un circuit simple de rééquilibrage avec comparateur. Le rééquilibrage s'effectue de manière passive avec de petites résistances. Les cellules Li-ion 3,13 ou super capacités 5,15 peuvent par exemple 20 être cylindriques ou prismatiques et posséder une enveloppe rigide ou souple. En se référant à la figure 3, avec une batterie de démarrage 1,10 selon l'invention, le courant se partage entre les super capacités 5,15 et les cellules de type Lithium-ion 3,13 avec respectivement une répartition de 2/3, 1/3 à froid, au moment du fort pic de courant à environ 600A, correspondant au 25 démarrage du moteur. Les premières secondes avant l'apparition de ce pic, sont consacrées au préchauffage de la batterie 1,10. Pendant les oscillations de courant, correspondant aux compressions selon la rotation du moteur, on observe que la répartition de courant entre les cellules Lithium-ion 3,13 et les super capacités 5,15 tend à s'inverser, car lesdites super capacités 5,15 se 30 vident complètement. A la fin du profil, le courant des super capacités 5,15 est négatif, car les cellules Lithium-ion 3,13 les rechargent naturellement. On estime ce retour à l'équilibre entre 6 et 7 secondes. Il est à noter que la tension lors du pic à 600A, chute à environ 7V. On peut imaginer des stratégies permettant de recharger les super capacités 5,15 plus rapidement, en jouant par exemple sur le dimensionnement de leur capacité et de leur résistance interne, et/ou en demandant à l'alternateur 21 du circuit électrique de délivrer quelques ampères. Avec une batterie 1,10 de démarrage selon l'invention, le démarrage à 10 basse température répété est possible. En effet, en se référant à la figure 5A, lors du démarrage à froid c'est la super capacité 5,15 qui va être principalement utilisée, car les cellules Lithium-ion 3,13 à froid sont beaucoup plus résistives. La flèche 30 sur cette figure matérialise le sens du courant allant de la super capacité 5,15 vers la 15 cellule Lithium-ion 3,13 lors d'une tentative de démarrage. Ainsi, la super capacité 5,15 sera complètement déchargée après cette tentative. En se référant à la figure 5B, dès la fin de la première tentative de démarrage, la super capacité 5,15 va être naturellement rechargée par la cellule Li-ion 3,13 branchée en parallèle, la flèche 31 sur cette figure, 20 matérialisant le sens du courant fourni par la cellule Lithium-ion 3,13. En se référant à la figure 5C, une fois que la super capacité 5,15 aura été rechargée par la cellule Lithium-ion 3,13, le conducteur du véhicule pourra répéter l'opération de démarrage. Cette opération pourra être répétée autant de fois qu'il restera suffisamment d'énergie dans ladite cellule Li-ion 3,13. 25 En se référant à la figure 4, à une température de l'ordre de 20°C, les cellules Lithium ion 3,13 vont prendre plus de courant, car leur résistance interne devient plus petite que celle des super capacités 5,15. En effet, la sensibilité à la température des cellules 3,13 Li-ion est plus importante que celle des super capacités 5,15. Par exemple, de 25°C à -25°C, la résistance interne d'une cellule Lithium-ion 3,13 avec une électrode négative en oxyde de titane est multipliée par 4, alors que celle d'une super capacité 5,15 est multipliée par 1,5. L'intérêt d'une batterie 1,10 de démarrage selon l'invention, est de solliciter majoritairement les cellules Li-ion 3,13 à une température ambiante de l'ordre de 20 °C. Aux plus basses températures, les résistances des cellules Lithium-ion 3,13 sont plus importantes, et ce sont donc les super capacités 5,15 qui vont être le plus sollicitées en premier. Les principaux avantages liés à l'utilisation d'une batterie 1,10 de démarrage selon l'invention, sont les suivants : Pour le Stop & Start : l'une des problématiques aujourd'hui des batteries au plomb se situe lors des phases de redémarrage du moteur après les phases d'arrêt court du véhicule. En effet, la batterie au plomb voit sa tension fortement s'abaisser, ce qui a un effet sur la tension du réseau de bord. Par exemple, au moment du « start», la luminosité des phares diminue un court instant de l'ordre de quelques msec. Une batterie selon l'invention permet d'éviter cette baisse de tension du fait de sa résistance plus faible, voisine de 5 milli-ohm. une diminution de la masse de la batterie. On passe en effet d'une masse de 20kg pour une batterie au plomb à une masse de 7 kg pour une batterie selon l'invention. Il en résulte une réduction de la masse du véhicule et donc une réduction de l'émission de 002. une diminution du volume de la batterie. En effet, le volume d'une batterie au plomb est de 8,5L, alors qu'il n'est plus que de 5L pour une batterie selon l'invention. un gain économique. En effet, le coût d'une batterie de démarrage n'utilisant que la technologie « Lithium-ion » ou que la technologie « super capacité », serait environ le double de celui d'une batterie selon l'invention. possibilité d'une recharge par chargeur extérieur. La chimie « Lithium-ion » permet de pouvoir réutiliser la batterie sans danger même après une complète décharge. En effet, le collecteur utilisé pour une anode en oxyde de titane (LTO) est en aluminium. Il n'y a donc pas de risque de dissolution du cuivre lors d'une complète décharge jusqu'à OV, ni de risque de formation de dendrite de Cu lors d'une recharge qui peut créer un court-circuit interne. Cette technologie de batterie Li-ion à base de LTO à l'anode nous permet de lever le risque d'incident dans le cas où le client recharge sa batterie de démarrage via un chargeur. une fonction de récupération d'énergie et d'alimentation des auxiliaires peut aussi être ajoutée. En cas de défaillance de l'alternateur, lorsque par exemple la tension monte jusqu'à 18V, les cellules et les super capacités peuvent supporter cette surcharge sans problème de sécurité. En effet, pour une cellule Lithium-ion, il a été démontré qu'une surcharge jusqu'à 5,5V, soit 33V au niveau d'une batterie comportant 6 cellules, n'entraine pas de problème sécuritaire. Donc, même si 3 cellules sont défaillantes, il n'y a pas de risque sécuritaire. REVENDICATIONS1. Batterie (1,10) de démarrage pour un véhicule caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une cellule (3,13) de type Lithium-ion mise en parallèle avec au moins une super capacité (5,15). 2. Batterie de démarrage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un couple (16) constitué par une cellule (13) de type Lithium-ion montée en parallèle avec une super capacité (15). 3. Batterie de démarrage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de couples (16) montés en série. 4. Batterie de démarrage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une première branche (2) constituée par au moins deux cellules (3) de type Lithium-ion montées en série et une deuxième branche (4) constituée par au moins deux super capacités (5) montées en série, et en ce que lesdites deux branches (2,4) sont montées en parallèle. 5. Batterie de démarrage selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend le même nombre de cellules (13) de type Lithium-ion que de super capacités (15). 6. Batterie de démarrage selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend six cellules (13) de type Lithium-ion et six super capacités (15). 7. Batterie de démarrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque super capacité (5,15) est constituée de deux électrodes poreuses en charbon actif et imprégnée d'électrolyte, et en ce que lesdites électrodes sont séparées par une membrane isolante et poreuse. 8. Batterie de démarrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque cellule (3,13) de type Lithium-ion estcomposée d'une électrode négative à base d'un oxyde de titane et d'une électrode positive à base d'un oxyde métallique lamellaire. 9. Batterie de démarrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un interrupteur (24) permettant de l'isoler du reste d'un circuit électrique du véhicule, dans le cas d'une autodécharge d'au moins une super capacité (5,15). 10. Batterie de démarrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une boucle (26) de charge associée à un interrupteur (25), et en ce que ledit interrupteur (25) est apte à déconnecter chaque super capacité (5,15) pour la mettre en liaison avec ladite boucle (26).