Brevet FR3021168A1 — publié le 20151120

B13261 - 13-T0-0846 1 GESTION DE MICRO BATTERIE Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques ainsi que des batteries qui les alimentent. La présente description concerne plus particulièrement la gestion des cycles de charge et de décharge d'une micro-batterie. État de l'art antérieur Les technologies récentes de réalisation de batteries d'alimentation pour circuits électroniques font désormais appel à des batteries dites tout solide (par opposition à des batteries à électrolyte liquide). Parmi ces batteries, la présente description concerne plus particulièrement des batteries dites à forte capacité (high cap) et plus précisément des batteries dont l'électrolyte est de type LiPON avec des élec- trodes respectivement de type LiCo02 et en lithium métallique. On cherche généralement à améliorer la durée de vie des batteries en termes de cyclage, c'est-à-dire de nombre de cycles de charge et de décharge que la batterie est susceptible de supporter avant d'atteindre une capacité de charge insuf- fisante. On fixe généralement un seuil critique ou de garantie dans la capacité de charge des batteries. B13261 - 13-T0-0846 2 On a déjà proposé de nombreuses techniques visant, par exemple, à réguler une température de fonctionnement d'une micro-batterie pour en améliorer la durée de vie. Les techniques actuelles demeurent insatisfaisantes. Résumé Un mode de réalisation vise à palier tout ou partie des inconvénients et techniques de gestion de charge et de décharge de micro-batterie. Un autre mode de réalisation vise plus particu10 lièrement à proposer une solution spécialement adaptée aux micro-batteries de type tout solide et, plus particulièrement, de type à électrolyte LiPON. Un autre mode de réalisation vise une solution particulièrement aisée à mettre en oeuvre. 15 Ainsi, un mode réalisation prévoit un procédé de ges- tion de charge d'une batterie, dans lequel une tension de fin de charge de la batterie augmente au fur et à mesure des cycles de charge auxquels celle-ci est soumise. Selon un mode de réalisation : 20 un premier groupe de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie à une première valeur ; un dernier groupe de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie à une dernière valeur, supérieure à la première. 25 Selon un mode de réalisation, au moins un groupe intermédiaire de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie à une valeur intermédiaire entre la première valeur et la dernière valeur. Selon un mode de réalisation, le passage d'un groupe 30 de cycles de charge au suivant est effectué lorsque la capacité de charge de la batterie atteint un seuil. Selon un mode de réalisation, la dernière valeur de tension correspond à la tension maximale de la batterie. Selon un mode de réalisation, la dernière phase 35 s'effectue sous un état de charge de 100 %. B13261 - 13-T0-0846 3 Selon un mode de réalisation, la première phase s'effectue sous un état de charge de 50 %. Un mode réalisation prévoit également un contrôleur de charge d'une batterie comportant des éléments de mesure de la 5 quantité de charge de la batterie et de la tension aux bornes de celles-ci, et étant adapté à la mise en oeuvre du procédé ci- dessus. Un mode réalisation prévoit également un système comportant : 10 au moins un circuit électronique ; au moins une batterie d'alimentation du circuit ; et un contrôleur selon la revendication. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 15 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple de système électronique incluant 20 une batterie ; la figure 2 est un graphe illustrant des exemples de variation de capacité de charge en fonction de la température de la batterie ; la figure 3 est un graphe illustrant des exemples de 25 variation de capacité de charge en fonction de l'état de charge de la batterie ; les figures 4A et 4B illustrent un mode de mise en oeuvre du procédé de gestion de charge d'une micro-batterie ; et la figure 5 est un schéma bloc d'un mode de mise en 30 oeuvre du procédé de gestion de charge d'une micro-batterie. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de 35 réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront B13261 - 13-T0-0846 4 détaillés. En particulier, l'exploitation faite par un circuit électronique de l'énergie qu'il tire d'une batterie n'a pas été détaillée, les =des de réalisation décrits étant compatibles avec l'exploitation usuelle de l'énergie stockée dans une batterie. De plus, les mécanismes de charge de la batterie en eux même n'ont pas non plus été détaillés, les modes de réalisation décrits étant là encore compatibles avec les circuits de charge usuels. Sauf précision contraire, les expressions « approximativement », « sensiblement » et, « de l'ordre de », 10 signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La figure 1 est une représentation schématique, sous forme de blocs, d'un exemple de système incluant un circuit électronique associé à une micro-batterie. Dans cet exemple, on suppose un circuit 1 destiné à 15 être alimenté par une micro-batterie 2. Le circuit 1 contient un (ou sert de) circuit de commande et de gestion 15 (CTRL) de la batterie. En particulier, le circuit 15 gère les cycles de charge et de décharge de la micro-batterie. Dans l'exemple représenté en figure 1, un chargeur 3 est susceptible d'être 20 raccordé au circuit électronique 1 et/ou à la micro-batterie 2 pour la recharger. Ce chargeur 3 peut être lui-même une batterie ou une source d'énergie autonome (panneau photovoltaïque par exemple) ou être raccordé au réseau de distribution électrique (connecteur 4). 25 De nombreuses études ont déjà été menées sur d'éventuelles solutions pour augmenter la durée de vie des micro-batteries en fonction de leurs cycles de charge et de décharge. La solution proposée ici part d'une nouvelle analyse 30 combinant la prise en compte de la profondeur de décharge (DoD - Depth of Discharge) et de l'état de charge (SoC - State of Charge). L'état de charge est un pourcentage représentant la charge de la batterie en utilisation. 100 % correspond à une 35 batterie pleine. 0 % correspond à une batterie vide. En fait, B13261 - 13-T0-0846 l'état de charge peut être mis en corrélation avec la tension disponible aux bornes de la batterie en utilisation. Une batterie est donnée pour une plage de tensions de fonctionnement allant d'une tension limite ULow où elle n'est plus capable de 5 fournir l'énergie requise à l'application et une tension maximale UiviAx (par exemple, respectivement 3,6 et 4,2 volts). Un état de charge de 100 % correspond à une tension d'utilisation maximale. Un état de charge de 0 % correspond à la tension limite (et pas à 0 volt). L'état de charge s'évalue généralement 10 à la fin d'un cycle de charge et représente le niveau de charge disponible pour le cycle de décharge suivant. La profondeur de décharge représente l'inverse de l'état de charge, c'est-à-dire qu'une profondeur de décharge de 100 % correspond à une décharge complète de la batterie qui 15 atteint alors sa tension limite ULow. La capacité de charge représente la quantité maximale de charges Q accumulée par la batterie lors d'un cycle de charge. Initialement (quand elle est neuve), la batterie à une capacité de charge nominale Q0 et cette capacité de charge Q 20 diminue avec le vieillissement de la batterie. Les inventeurs ont constaté un lien d'une part entre la température et la capacité de charge, plus précisément entre la température et la perte en capacité de charge, et un lien entre l'état de charge et cette perte en capacité de charge. 25 Par ailleurs, les solutions usuelles se focalisent sur la durée de vie et vise à accroître la durée de vie en nombre de cycles. Les inventeurs ont ici constaté qu'il était possible, à partir d'une durée de vie acceptable, d'accroître la température de fonctionnement de la batterie, c'est-à-dire d'autoriser des 30 conditions de fonctionnement dans des plages de températures plus importantes que celles habituellement prévues, ce qui constitue un avantage important en terme d'utilisation des circuits électroniques. La figure 2 est un graphe illustrant la variation AQ 35 de la capacité de charge Q d'une batterie par rapport à une B13261 - 13-T0-0846 6 charge nominale (ou initiale) Q0, en fonction du nombre nb de cycles de charge et de décharge. Cette figure représente en fait la perte relative AQ/Q0 de capacité de charge de la batterie pour trois températures de fonctionnement, respectivement de 45°C, de 60°C et de 80°C. Dans ces graphes, on suppose que la charge s'effectue, à chaque cycle de charge, jusqu'à l'état de charge SoC maximal (SoC = 100 %). Comme il ressort de cette figure, la perte relative AQ/Q0 en capacité de charge est plus importante et intervient plus rapidement sous une température de fonctionnement élevée. La perte en capacité de charge se traduit en pratique, pour un courant donné consommé par le système alimenté par la batterie, par une diminution de la durée pendant laquelle ce système peut être alimenté. La figure 3 illustre un graphe similaire représentant la perte relative AQ/Q0 de capacité de charge d'une batterie en fonction du nombre nb de cycles, mais pour une même température de fonctionnement (60°C) et quatre états de charge (SoC) différents à la fin du cycle de charge (100 %, 75 %, 50 % et 25 %). Il en ressort que, plus l'état de charge (SoC) est élevé, plus la perte relative de capacité est rapide. Les inventeurs prévoient de tirer profit de ces phénomènes pour optimiser la gestion de la charge d'une batterie de type solide. En fait, on prévoit d'adapter l'état de charge (SoC) en fonction du vieillissement de la batterie. Plus préci- sément, pendant une première phase de la vie de la batterie, on prévoit de la charger à chaque cycle que jusqu'à un état charge inférieur à 100 % (par exemple de 50 %). Puis, lorsque son vieillissement est tel que sa capacité de charge Q atteint un seuil TH, on augmente l'état de charge SoC pendant une phase suivante en termes de nombre de cycles de charge et de décharge. Dans cette deuxième phase, le vieillissement se trouve accéléré par rapport à la première phase du fait que la batterie est chargé jusqu'à un état de charge supérieur (donc une tension supérieure). Dès qu'avec ce nouvel état de charge, on atteint une capacité de charge Q, inférieure au seuil TH, on passe à une B13261 - 13-T0-0846 7 phase suivante pour laquelle on augmente de nouveau l'état de charge, et ainsi de suite jusqu'à atteindre un état de charge de 100 % qui constitue alors la dernière phase de vie de la batterie. En effet, lorsque sous cet état de charge, la capacité de charge Q descend en-dessous de la valeur limite, c'est que la batterie a atteint sa fin de vie. Les figures 4A et 4B sont des chronogrammes illustrant un mode de mise en oeuvre de ce procédé de gestion de charge. La figure 4A illustre l'allure de la capacité de charge Q en micro- ampère heure (gA.h) en fonction du nombre nb de cycles. La figure 4B illustre l'allure de la tension correspondante aux bornes de la batterie. Les figures 4A et 4B illustrent, à titre de comparaison, un exemple de fonctionnement usuel (allure 11 en figure 4A et zone 13 en figure 4B). Dans un tel fonctionnement usuel, à chaque cycle de charge de la batterie, la charge est effectuée de façon à atteindre 100 % de son état de charge, c'est-à-dire sa tension maximale UmAx (dans l'exemple représenté de 4,2 V). La charge de la batterie démarre donc à sa capacité de charge nominale QO et décroît au fur et à mesure du vieillissement. La diminution de la capacité de charge atteint, après un nombre nO de cycles, un seuil limite TH qui correspond à la valeur minimale de quantité de charge requise par l'application alimentée par la batterie pour fonctionner normalement. A partir du cycle nO, la batterie est dans l'incapacité de dépasser ce niveau de quantité de charge et l'énergie fournie par la batterie va continuer à diminuer et n'est plus suffisante pour l'application envisagée. Elle est donc en fin de vie. Selon le mode de réalisation proposé, on commence une première phase A de cycles de charge (allure 12A en figure 4A, zone 14A en figure 4B) où la batterie est chargée jusqu'à un état de charge, par exemple de 50 % (par exemple 3,9 V en figure 4B). La charge de la batterie ne s'effectue donc pas jusqu'à sa capacité maximale QO mais initialement à une capacité QA infé- rieure à la capacité maximale QQ. Comme il ressort des figures B13261 - 13-T0-0846 8 4A et 4B, le fait que la perte de capacité de charge soit moindre pour un moindre état de charge (figure 3) engendre un ralentissement du vieillissement de la batterie. Ainsi, dans l'exemple représenté, le nombre nA de cycles à partir duquel la capacité de charge atteint la limite TH est supérieur au nombre de cycles nO. Quand ce seuil est atteint, on débute la deuxième phase B (allure 12B en figure 4A, zone 14B en figure 4B) dans laquelle l'état de charge est augmenté par exemple à 75 % (correspondant par exemple à 4,1 V). Cela permet d'augmenter la capacité de charge jusqu'au niveau QA (les courbes de la figure 3 ne se croisent pas). Le vieillissement de la batterie est plus rapide que pendant la première phase, c'est-à-dire que la valeur limite TH est atteinte après un nombre de cycles nB tel que la différence entre les nombres nB et nA est inférieure au nombre nA. Ce fonctionnement se poursuit pour des phases suivantes (dans l'exemple une troisième phase C, allure 12C en figure 4A, zone 14C en figure 4B) jusqu'à ce que la capacité Q 20 atteint la valeur limite TH avec un état de charge de 100 (par exemple 4,2 V) au bout d'un nombre de cycles nC. On considère alors que la batterie est en fin de vie. Comme l'illustrent les figures 4A et 4B, le nombre de cycles nC est supérieur au nombre de cycles nO de la situation 25 classique. Alors que l'on considérait qu'il fallait minimiser le nombre de cycles de charge pour optimiser la durée de vie de la batterie, on s'aperçoit ici que si l'on ne vise pas un état de charge de 100 % au début de la vie de la batterie, une augmen- 30 tation du nombre de cycle n'est pas préjudiciable. Par ailleurs, augmenter l'état de charge au fur et à mesure du vieillissement compense la perte en capacité de charge. B13261 - 13-T0-0846 9 Selon la batterie utilisée et ses conditions d'utilisation, la mise en oeuvre du procédé ci-dessus peut parvenir à deux résultats. Un premier résultat est d'allonger la durée de vie de 5 la batterie en considérant par exemple des conditions de fonctionnement sous des températures similaires au cas classique. On peut également considérer que, si les conditions d'utilisation en température sont plus contraignantes, les 10 durées des périodes A, B, C, etc. vont être plus courtes en termes de nombre de cycles (voir la figure 2) et le vieillissement s'en trouvera accéléré. Toutefois, le nombre de cycles restera supérieur au nombre de cycles qui aurait été atteint avec une batterie dans des conditions habituelles de charge, 15 c'est-à-dire avec des cycles de charge à 100 % de l'état de charge. Ainsi, si l'on considère que la batterie dispose d'une durée de vie suffisante en termes de nombre de cycles, on peut autoriser des conditions de fonctionnement plus contraignantes en température. 20 La figure 5 est un schéma bloc illustrant un mode de mise en oeuvre du procédé de gestion de charge. Cette mise en oeuvre requiert que le circuit de commande 15 (figure 1) soit équipé d'un dispositif de mesure de la capacité de charge Q de la batterie, ainsi que, pour limiter la charge à un certain 25 niveau de tension à chaque cycle, d'éléments de mesure de la tension U aux bornes de la batterie et d'éléments limiteurs de tension. De tels dispositifs sont en eux-mêmes usuels. Dans l'exemple de la figure 5, on considère un état initial dans lequel on fixe la tension de charge Ui à une 30 première valeur UA (bloc 21, Ui = UA, SoCA) correspondant à un état de charge SoCA. On entame alors l'utilisation de la batterie avec des cycles de charge 22 (CHARGE) et de décharge 23 (DISCHARGE). A chaque cycle de décharge, le circuit 15 mesure la capacité de 35 charge Q (bloc 24, MEAS Q). L'étape suivante consiste à comparer B13261 - 13-T0-0846 10 cette valeur par rapport à la valeur limite (bloc 25, Q > TH ?). Tant que la capacité de charge reste supérieure à ce seuil TH (sortie Y du bloc 25), la tension de charge limite U reste au même niveau (bloc 26, U = Ui, avec i représentant la phase - A pour la première phase). Dès qu'à la fin d'un cycle de décharge, la capacité de charge atteint le seuil TH (en variante devient inférieure au seuil TH), on détermine (bloc 27, QT) la capacité de charge totale restante dans la batterie. Si (sortie N du bloc 28, QT > TH ?) la capacité totale restante est inférieure au seuil TH, cela signifie que la batterie est en fin de vie. On arrête alors la surveillance (bloc 31, STOP) et, par exemple, le circuit 1 est averti que la batterie est en fin de vie (bloc 32, EoL). Si la capacité de charge n'est pas épuisée (sortie Y du bloc 28), on fixe une nouvelle valeur pour la tension limite Ui (bloc 29), ce qui correspond à fixer un nouvel état de charge SoCi. De préférence, on vérifie alors (bloc 30, Ui UivIAX ?) que le nouveau niveau de charge est inférieur (ou égal) au niveau maximal UiviAx correspondant à un état de charge de 100 %. Dans la négative, cela signifie que la batterie est en fin de vie et on arrête (bloc 31) la surveillance. Dans l'affirmative (sortie Y du bloc 30), le limiteur de tension est paramétré à la nouvelle valeur Ui (bloc 26). En variante, plutôt que de tester la capacité de charge totale restante de la batterie (blocs 27 et 28), on détermine si l'on a atteint la dernière phase en vérifiant, par exemple, si la tension Ui du limiteur de tension est égale à U. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'il est possible d'optimiser la gestion des cycles de charge et de décharge de la batterie, soit pour accroître sa durée de vie, soit pour lui permettre de fonctionner dans des conditions de température plus contraignantes. Ce choix dépend de l'application. A partir d'une estimation des nombres de B13261 - 13-T0-0846 11 cycles de charge et de recharge possibles au sein d'une batterie, le fabricant peut donc adapter la plage de températures de fonctionnement recommandée de sa batterie en fonction d'une durée de vie qu'il est en mesure de garantir. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des différentes plages de variation de la tension Ui constituant la limite de charge de chaque phase dépend de l'application et pourra varier d'une batterie à une autre. Typiquement, ces valeurs seront bien entendu comprises dans la plage de tensions de fonctionnement nécessaire à l'application, c'est-à-dire entre deux valeurs ULow et Ujux qui doivent être garanties pour que l'application alimentée par la batterie puisse fonctionner. Par ailleurs, la granularité en termes de nombre de phases i et le choix de la capacité de charge (DA de départ dépend de l'application, en particulier de la fréquence des cycles de charge souhaitée. En variante, la capacité de charge initiale de chaque phase pourra varier (par exemple diminuer), ce qui augmente encore la durée de vie, mais au prix de cycles de charge plus rapprochés. En outre, bien que l'on ait fait plus particulièrement référence à des batteries tout solide de type LiPON, les modes de réalisation décrits s'appliquent plus généralement à toute batterie ou micro-batterie ayant un comportement similaire. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de charge d'une batterie (2), dans lequel : un premier groupe (A) de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie (2) à une première valeur 5 (UA) ; un dernier groupe de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie (2) à une dernière valeur (UMAX), supérieure à la première. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au 10 moins un groupe (B) intermédiaire de cycles de charge est effectué en portant la tension de la batterie (2) à une valeur intermédiaire (UB) entre la première valeur (UA) et la dernière valeur (UmAx). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le 15 passage d'un groupe de cycles de charge au suivant est effectué lorsque la capacité de charge (Q) de la batterie (2) atteint un seuil (TH). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la dernière valeur de tension (UmA)() correspond 20 à la tension maximale de la batterie (2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la dernière phase s'effectue sous un état de charge de 100 %. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 5, dans lequel la première phase s'effectue sous un état de charge de 50 %. 7. Contrôleur (15) de charge d'une batterie (2) comportant des éléments de mesure de la quantité de charge (Q) de la batterie et de la tension (U) aux bornes de celles-ci, et 30 étant adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Système comportant : au moins un circuit électronique (1)3261 - 13-T0-0846 13 au moins une batterie (2) d'alimentation du circuit ; et un contrôleur (15) selon la revendication 7.