Brevet FR3061814A1 — publié le 20180713

Dispositif de stockage d'énergie électrique apte à se recharger sous une première tension et à restituer son énergie sous une deuxième tension Le domaine de l'invention est celui des circuits de gestion de stockage de l'énergie. Les éléments de stockage peuvent par exemple être des 5 capacités, des super-capacités, des batteries, des microbatteries. Les microbatteries sont définies comme étant des générateurs électrochimiques tout solides, formés par un empilement actif de couches minces qui constituent les électrodes (positive et négative) séparées par un électrolyte. Le circuit de gestion assure les fonctions de charge et de 10 décharge des microbatteries, respectivement afin de stocker l'énergie disponible et de la délivrer pour une ou plusieurs applications considérées. Avec l'essor des loT (« internet of things ») et des WSN (« wireless sensor networks »), on assiste à une demande accrue pour des microsystèmes autonomes, qui embarquent à cet effet des composants de 15 récupération et de stockage d'énergie. Dans ce contexte, l'interface entre la partie récupération et stockage de l'énergie relève d'une importance primordiale. En effet, dans le cas des microsystèmes autonomes, et en particulier ceux qui mettent en oeuvre la récupération de l'énergie ambiante (solaire indoor/outdoor, thermique, vibratoire ou encore électromagnétique), il 20 est souvent question de sources d'énergies très hétérogènes en termes de spécifications électriques. Par exemple, la puissance disponible ainsi que la tension varie de manière considérable en fonction du type de source. D'autre part, les systèmes de stockage d'énergie disposent également de spécifications électriques qui varient en fonction des composants utilisés. 25 L'interface entre les deux parties citées est souvent constituée d'un ensemble qui inclut un circuit de gestion d'énergie qui a pour fonction de transférer l'énergie récupérée vers les points de stockage, et transmettre l'énergie stockée vers les points d'applications avec le maximum d'efficacité. Le Tableau 1 ci-dessous répertorie un certain nombre de sources 30 et leur spécificités. 3061814 2 Source Principe de Tension typique Puissance typique conversion Solaire Micro panneau photovoltaïque 0,5 V par celllule Jusqu'à 15mW/cellule Mécanique Disposiif 10V AC Des dizaines de mV piézoélectrique Circuit ouvert Mécanique Dispositif magnétique Quelques Volts Plage moyenne RF Rectenna Les circuits de gestion dédiée : Le document US 8,664,920 B2 (2014) décrit un circuit de gestion d'énergie dédié pour une source d'énergie de type photovoltaïque (PV). L'architecture du circuit prend en compte les spécifications de la source 20 donnée ainsi que la plage de variation possible, ce qui permet d'avoir un 3061814 3 rendement optimisé du transfert de l'énergie récupérée vers les unités de stockage. Cette approche présente l'inconvénient d'être peu versatile dans la mesure où l'efficacité décroit de manière significative si les spécifications de la source d'énergie sont modifiées, par exemple d'une récupération PV à une 5 récupération vibratoire (passage entre autre de quelques centaines de mV à quelques volts). Par conséquent, plusieurs circuits de gestion dédiés sont nécessaires pour pouvoir récupérer de manière efficace plusieurs types d'énergie, ou alors utiliser des circuits de gestion configurables. 10 Les circuits configurables : Le document US 7,268,517 B2 (2007) décrit une architecture d'un circuit de gestion d'énergie configurable qui présente les éléments suivants : - un système matriciel de batteries ; - des micro-interrupteurs de contrôle charge/décharge ; 15 - une unité de contrôle (Energy input et SOC pour « State Of Charge ») des batteries. Le circuit de gestion permet en l'occurrence de pouvoir récupérer de l'énergie depuis différentes sources (solaire, électromagnétique, mécanique, acoustique etc...) et de présenter une versatilité par comparaison aux systèmes dédiés. Néanmoins, plusieurs inconvénients caractérisent le circuit décrit, notamment l'alimentation en énergie de la partie contrôle et configuration, ce qui limite l'efficacité globale du système proposé. Dans le cas des circuits configurables, il a été décrit un état de l'art proche de la présente demande de brevet dans l'article intitulé « Switch array system for thin film lithium microbatteries » paru dans le Journal of Power Sources 136 (2004) 401-407, un système matriciel de charge et de décharge de microbatteries mettant en oeuvre un système de micro- interrupteurs (microswitch). L'inconvénient de cette solution (par rapport à la solution de la présente invention) est l'utilisation d'un système externe de contrôle qui a pour fonction de permettre à l'utilisateur de commander les connexions (série/parallèle) des différentes microbatteries en fonction de l'entrée et de la sortie. Cette partie nécessite une alimentation électrique pour son fonctionnement, soit par une source externe, soit par le biais d'une 3061814 4 partie de l'énergie stockée par le système, diminuant ainsi le rendement énergétique global de l'ensemble et surtout qui nécessite qu'au moins un des éléments de stockage présente une tension suffisante pour fonctionner 3.3V). 5 Il a également déjà été proposé des solutions de type « pompe à chaleur » à base de capacités commutées telles que la référence MAX684 de chez Maxim. La figure la illustre le fonctionnement du circuit pompe charge : la 10 capacité Cx est chargée dans un premier temps sous l'entrée IN puis mise en série avec l'entrée IN et connectée à la sortie. On a alors en sortie OUT environ 2 fois la tension d'entrée IN. Le fonctionnement peut être de type boucle ouverte : il y a basculement à haute fréquence entre les modes série et parallèle. La référence MAX684 par exemple permet de paramétrer la 15 fréquence entre 50 kHz et 2 MHz. Le fonctionnement peut aussi être de type boucle fermée, comme illustré en figure 1 b : la tension de sortie est régulée sur une tension de consigne via un ajustement automatique de la fréquence de commutation (courant de sortie qui augmente avec la fréquence). 20 On note que dans ces deux cas, le pilotage n'est pas lié à l'état de charge de l'élément de stockage Cx. A chaque commutation, on considère que le temps de transfert de l'énergie est quasiment nul au regard de période des basculements série/parallèle. Ceci est normal puisque l'on considère que la source placée en entrée n'est pas vraiment limitée en courant au regard 25 de la charge à injecter dans l'élément de stockage et que l'élément de stockage est de type capacitif et qu'il n'est lui-même pas vraiment limité en courant. Enfin, l'élément de stockage Cx n'est pas un élément de stockage de forte valeur et n'a pas pour but d'assurer l'autonomie du système. En effet, la nécessité de commuter à plus de 50kHz signifie que la capacité de 30 stockage Cx n'assure qu'une autonomie de 20ps au plus, ce qui est assez loin des besoins de stockage d'un dispositif autonome par exemple à récupération d'énergie pour lequel on vise au moins la seconde, voir l'heure ou la journée. Dans le cadre de la présente invention, on recherche notamment 35 à élaborer des éléments de stockage supérieurs à 10 pAh, idéalement 3061814 5 supérieurs à 100 ou 1000 pAh, ce qui nécessite de contrôler leur état, surtout s'ils sont rechargés avec une source de relativement haute impédance (>10 0) comme on peut le rencontrer en récupération d'énergie. On peut alors envisager deux conditions de basculement : 5 - une première qui n'autorise la mise en série que si les éléments de stockage sont bien rechargés jusqu'à la tension souhaitée et - une seconde qui n'autorise le passage en mode parallèle que si les éléments de stockage se sont déchargés jusqu'à une deuxième tension souhaitée. lo Il est à noter qu'il s'agit de la tension des éléments de stockage et non de la tension de la source ou de celle de sortie. Si en utilisant plusieurs blocs de commutation on propose de réguler le courant ou l'impédance d'entrée, cela se fait en respectant à minima les deux conditions précédentes. 15 Contrairement aux pompes de charges du commerce qui visent essentiellement à fournir une tension de sortie en considérant la puissance d'entrée quasiment infinie, le Demandeur a recherché une solution ; - pouvant intégrer une source de puissance limitée qui va mettre un certain temps à recharger l'élément de stockage, l'élément 20 de stockage pouvant servir notamment de tampon énergétique entre une source d'entrée de puissance modérée et potentiellement intermittente et des besoins en puissance en sortie qui peuvent être différés et avec des pics beaucoup plus élevés ; 25 - et ayant pour objectif de permettre la recharge d'éléments de stockage en s'affranchissant d'un gestionnaire de charge externe. Pour cela, la présente invention repose sur l'idée qu'une source basse tension (typiquement par exemple inférieure à 2V) peut être 30 directement (éventuellement par l'intermédiaire d'interrupteurs) connectée à des éléments de stockage adaptés à être rechargés sous ce niveau de tension. La gestion de fin de charge se traduit non plus simplement par un dispositif de coupure de la recharge, mais par un basculement dans un mode série qui met à disposition l'énergie sous un niveau de tension exploitable 35 par un circuit électronique. 3061814 6 Le Demandeur propose ainsi un dispositif de stockage d'énergie avec un circuit de gestion d'énergie particulièrement adapté pour stocker de l'énergie issue d'une source d'énergie basse tension (par exemple inférieure 2V) et pour la restituer sous une tension plus élevée (par exemple 3V). 5 Un cas d'application concerne des systèmes de récupération d'énergie plutôt basse puissance ( 100mV et > 100 ps). Typiquement tous les transistors autres que T1, T6 et T7 peuvent présenter une tension seuil Vgsth préférentiellement inférieure à 0,5 V. 3061814 19 Un exemple de fonctionnement de l'ensemble est détaillé ci-après : La tension d'entrée Vin est connectée à une source de tension de 2V suivie d'une résistance de 10 kO. 5 Dans cet exemple, les seuils sont de 2 V pour le transistor T1 et de 4.95 V pour les transistors T6 et T7. Les autres transistors commutent à 1 V. Au démarrage, toutes les unités de stockage Cl, C2, C3, C4 et C5, sont déchargées. 10 Lorsque la tension d'entrée Vin commence à monter, elle recharge, au travers de son impédance de sortie R5, la première capacité Cl. Quand la tension aux bornes de la première capacité atteint 1V, les transistors de mise en parallèle : T2, T3, T4, T5, T12, T14, T15, T16 15 commencent à se fermer. Les capacités sont donc progressivement placées en parallèle (les transistors passent progressivement de ohmique à pleinement passant). Pendant cette phase d'équilibrage de tension entre les 5 éléments de stockage, la tension de la première cellule reste sensiblement constante autour de 1V, tension que l'on retrouve au niveau de Vbloc. 20 Une fois que tous les transistors de mise en parallèle sont bien fermés, la tension d'ensemble Vuoc recommence à monter via la recharge par la source de toutes les capacités en placées parallèles. Lorsque la tension de la première cellule (et donc aussi des autres cellules placées en parallèle) se rapproche de 1.6V, les transistors T1 et T13 25 se ferment, T13 reportant le résultat de la comparaison des tensions pour que le transistor T1 commande les autres transistors, ce qui conduit à l'ouverture des transistors T14, T15, T16, T2, T3, T4, T5, T12 de mise en parallèle et à la fermeture des transistors T8, T9, T10, T11 de mise en série. Les capacités sont alors en série et délivrent leur énergie à la 30 sortie V0 via la diode Dl. A la mise en série, la tension atteint 8V, soit 5*1.6V, puis descend progressivement avec la consommation de la charge placée en sortie. Le transistor T6 permet de verrouiller le mode série, même si T1 s'ouvre suite à une décharge de Cl. 3061814 20 Lorsque Vuoc atteint 5.2V, les transistors T6 et T7 s'ouvrent. Via R4 et la capacité d'entrée de Ti, le transistor Ti reste forcé à l'ouverture un petit laps de temps. (Il est à noter qu'une capacité physique pourrait éventuellement compléter la valeur de la capacité d'entré de Ti). Durant ce 5 petit laps de temps, la résistance R2 commande la mise en parallèle des éléments de stockage et donc leur mise en équipotentiel. Une fois le laps de temps écoulé, le transistor Ti est à nouveau piloté par la tension de la cellule batterie Cl, et finalement par la tension de toutes les capacités placées en parallèle. 10 A la mise en parallèle, la tension Vbioc vaut environ 5.2V/5=1.04V Les capacités se rechargent par Vin via son impédance de sortie R5. Lorsque la tension des capacités atteint 1.6V, le système rebascule en mode série et un nouveau cycle redémarre. 15 Le fonctionnement est complètement autonome, ne nécessitant pas d'une source de tension externe pour alimenter un automate de commande et les commandes des transistors. Il n'y a pas de base de temps qui cadence une fréquence de commutation. Le basculement d'un mode à l'autre est complètement 20 asynchrone et se définit via des niveaux d'état de charge des éléments de stockage et non par rapport à une régulation de tension de sortie. La vitesse de charge dépend de la capacité de la source à recharger rapidement les éléments de stockage d'un premier niveau vers un second niveau et la vitesse de décharge dépend du courant tiré par 25 l'application pour passer du deuxième niveau de charge vers le premier niveau de charge. En série avec la résistance R5, il est possible de disposer d'un composant monodirectionnel en courant, tel qu'une diode ou un limiteur de courant. Le limiteur de courant peut notamment servir à protéger les 30 éléments de stockage en cas de pics de courant de la source. L'aspect unidirectionnel en courant peut permettre d'éviter que les éléments de stockage d'énergie se déchargent dans la source quand celle-ci ne fournit pas d'énergie ou encore que si plusieurs blocs sont placés en parallèle, qu'un des blocs ne se décharge dans un bloc déchargé. 3061814 21 La figure 6 illustre le chronogramme tension d'entrée VIN, tension de sortie Vour et tension du bloc VBIoc, donnant les tensions en Volts en fonction du temps (exprimé en en secondes), pour l'exemple de bloc illustré en figure 5 et obtenu par simulation sous SPICE (Simulation Program with 5 Integrated Circuit Emphasis), logiciel de simulation généraliste de circuits électroniques analogiques et comportant des exemples de composants du commerce. Les composants du commerce utilisés pour la simulation sont les 10 suivants : - le transistor T1 : un composant BUK9219-55A ; - les transistors T2, T3, T4, T5 : des composants IRLM6244 ; - les transistors T6, T7 : des composants IPB011NO4N ; - les transistors T8, T9, T10, T11, T12, T13, T14, T15, T16 : des 15 composants : Si4913DY ; - la diode D1 : un composant 1 N4148 ; - les résistances R1, R2, R4 ont des valeurs de 10 MO ; - la résistance R3 a une valeur de 5 MO ; - la résistance R5 a une valeur de 10 kû . 20 Les capacités des éléments Cl, C2, C3, C4, C5 ont des valeurs de 1 mF . La capacité Ca a une valeur de 10 pF. Selon des variantes de l'invention, la première unité de stockage du bloc peut être d'une capacité supérieure aux autres éléments de stockage de sorte à ce qu'elle puisse stocker toute la puissance provenant de la 25 source lorsque le bloc est en mode série et/ou parallèle, voire même être une hybridation de plusieurs technologies de stockage (batterie/capacité/super capacité...).. Chaque unité de stockage peut être elle-même constituée de plusieurs unités de stockage élémentaires 30 La première unité de stockage peut également, par exemple, faire apparaitre un point milieu pour faciliter la collecte d'énergie en provenance d'une source d'énergie dont le potentiel évolue alternativement, tel que décrit sur la figure 7 qui montre une unité de stockage composée de deux unités de stockage élémentaires Cl et C1' et faisant apparaitre un point milieu pour 35 l'entrée. 3061814 22 Le dispositif de stockage de la présente invention peut être particulièrement intéressant pour des systèmes de récupération d'énergie basse tension : photovoltaïque, thermoélectrique, pile à combustible, biopiles, électromagnétique..., pour des capteurs communicants, objet nomade. 5 Concernant un capteur communicant, il peut par exemple s'agir d'un capteur de température, de pression, d'humidité, d'accélération qui effectue de temps en temps des mesures et transmet sans-fil son information à un récepteur (afficheur, box internet, cloud via par exemple un réseau de type Sigfox ou Lora...). 10 Concernant un objet nomade, il s'agit plus d'objet que l'on transporte, qui ne reste pas à demeure, une montre connectée, des cardiomètres, capteurs de sueur, stimulateurs cardiaques... 15 REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d'énergie comprenant au moins un bloc, ledit bloc étant connecté à une tension d'entrée Vin et délivrant une tension V0 supérieure à Vin et comportant : - n unités de stockage d'énergie avec n 2 ; - un circuit de gestion de charge et de décharge relié électriquement aux n unités de stockage et permettant de connecter alternativement l'ensemble des unités de stockage d'énergie d'un même bloc entre elles, en mode parallèle ou en mode série ; - les unités de stockage d'énergie présentant respectivement une tension de fin de charge Vfjn de charge et une tension de fin de décharge Vfjn de décharge - ledit bloc présentant une tension de bloc Vaoc définie entre le potentiel bas de la première unité de stockage d'énergie et le potentiel haut de la nième unité de stockage d'énergie, dans lequel ledit circuit de gestion de charge et de décharge comporte : - des premiers moyens pour déclencher le basculement du mode parallèle au mode série, par le dépassement d'une première tension de seuil (Vseuill) au niveau d'une des unités de stockage d'énergie, ladite première tension de seuil correspondant à une tension de fin de charge cible de ladite unité de stockage ; - des seconds moyens pour déclencher le basculement du mode série au mode parallèle par le passage de la tension VBIoc en dessous d'une deuxième tension de seuil (Vseuil2), ladite seconde tension de seuil correspondant à une tension égale à la somme des n tensions de fin de décharge des n unités de stockage d'énergie. 2. Dispositif selon la revendication 1, comportant en outre un comparateur relié électriquement aux bornes d'une des unités de stockage 35 ou aux bornes du bloc dans lequel la détection du passage par la première 3061814 24 tension de seuil ou par la deuxième tension de seuil s'effectue au moyen d'une tension de référence et dudit comparateur. 3. Dispositif selon la revendication 1, comportant en outre un 5 interrupteur commandable relié électriquement aux bornes d'une des unités de stockage ou aux bornes du bloc dans lequel la détection du passage par la première tension de seuil ou par la deuxième tension de seuil s'effectue au moyen d'une tension de seuil de basculement dudit interrupteur commandable électroniquement (transistor, relais, micro switch). 10 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit boc comportant n unités de stockage avec n entier supérieur ou égal à 2, le potentiel bas de la ième unité de stockage (i allant de 2 à n) est connecté au potentiel haut de la (i-1)ième unité de stockage au 15 moyen d'un premier interrupteur et au potentiel bas de la première unité de stockage au moyen d'un second interrupteur et le potentiel haut de la (i1)ième unité de stockage est connecté au potentiel haut de la nième unité de stockage via un troisième interrupteur. 20 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le deuxième et le troisième interrupteurs sont par défaut passant pour permettre la mise en parallèle des unités de stockage, par exemple constitués de transistors par défaut fermés ou de relais ou micro-switches fermés lorsque leur tension de commande est faible ou nulle. 25 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 dans lequel les tensions minimales de commande des deuxième et troisième interrupteurs sont inférieures à la première tension de seuil, avantageusement au moins 2 fois inférieure. 30 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la recharge des unités de stockage s'effectue par une entrée Vin connectée au potentiel haut de la première unité de stockage, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un composant unidirectionnel en courant (diode, limiteur de courant). 3061814 25 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la décharge des unités de stockage s'effectue essentiellement par une sortie Vaut connectée au potentiel haut 5 de la nième unité de stockage par l'intermédiaire d'un composant unidirectionnel en courant, par exemple une diode ou un régulateur de tension adapté. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans 10 lequel au moins un bloc comporte un composant unidirectionnel en courant (K4) pour éviter le retour de courant de Vaut vers les unités de stockage lorsque celles-ci sont en mode parallèle. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs blocs commutables ayant avantageusement la même tension Vin d'entrée et la même tension Vaut de sortie. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il 20 comporte au moins trois blocs, pour disposer d'au moins un bloc en mode charge, d'au moins un bloc en mode décharge et d'au moins un bloc en mode de transition dans lequel les premiers moyens et les seconds moyens sont en cours de basculement. 25 12. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel au moins un bloc comporte un composant unidirectionnel en courant, ce bloc étant en mode parallèle de charge, au moins un autre bloc monté en parallèle maintenant une tension de sortie VouT en mode décharge. 30 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le retour en position parallèle de certains blocs est conditionné par un algorithme de recherche du maximum d'extraction d'énergie de la source d'énergie disposé sur l'entrée Vin (MPPT : Maximum Power Point Tracking). 35 14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, comprenant des moyens pour maintenir en mode série au moins un des blocs. 3061814 26 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les unités de stockage sont des microbatteries. 5 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les unités de stockage sont des microbatteries dont les électrodes d'insertion peuvent être choisies parmi Si, Ge, Sn, Bi, Sb et des alliages composés des éléments cités, LiCoO2, LiTiOS, V205, et dont l'électrolyte peut être choisi parmi les matériaux suivants : LiPON, LiPOx, 10 LLTO, LATP, LiSP, LiSON, LiBON, LiLaZrO. 17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16 dont les microbatteries comportent au moins deux électrodes de même composition et même épaisseur, par exemple une microbatterie de type 15 substrat/Ti/Si Lix/Li PON/Si Lix.