Brevet FR3081260A1 — publié le 20191122

B16796 - 17-T0-0733 1 PROCEDE DE RECHARGE D'UNE BATTERIE ELECTRIQUE Domaine La présente demande concerne un procédé de recharge d'une batterie électrique et en particulier d'une batterie en couches minces ou microbatterie. Exposé de l'art antérieur On désigne classiquement par les termes batterie en couches minces ou microbatterie, un dispositif comprenant un empilement de couches formant un élément actif de batterie, cet empilement comportant notamment une couche d'électrolyte entre une électrode négative (anode) et une électrode positive (cathode). L'épaisseur totale d'une microbatterie est typiquement de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de pin, pour une surface allant de quelques mm2 à quelques cm2, ce qui permet de loger la batterie dans des espaces très restreints et permet de plus de réaliser des batteries plus ou moins flexibles. On s'intéresse ici plus particulièrement aux microbatteries à électrolyte solide, et notamment aux microbatteries à électrolyte solide de type lithium-ion. Une microbatterie à électrolyte solide de type lithium-ion comprend un empilement d'une électrode positive ou cathode, par exemple en dioxyde de cobalt et de lithium (LiCo02), d'une couche d'électrolyte solide, par exemple en phosphate de lithium nitruré B16796 - 17-T0-0733 2 (LiPON), et d'une électrode négative ou anode, par exemple en lithium, l'ensemble étant revêtu d'une couche d'encapsulation laissant accessible uniquement une borne positive et une borne négative de la batterie. 5 Lors de phases de décharge de la batterie, un courant circule de la borne positive vers la borne négative de la batterie, à travers une charge à alimenter. Lors de phases de recharge de la batterie, un chargeur applique à la batterie un courant circulant de la borne négative vers la borne positive de la 10 batterie (à travers le chargeur). Il serait souhaitable de pouvoir diminuer le temps nécessaire à la recharge d'une telle batterie. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de 15 recharge d'une batterie électrique, comprenant une alternance de phases de recharge à courant constant et de phases de recharge à tension constante. Selon un mode de réalisation, les phases de recharge à courant constant et les phases de recharge à tension constante 20 ont des durées prédéterminées. Selon un mode de réalisation, la durée de chaque phase de recharge à courant constant est fixée avant le début de ladite phase, en fonction d'une valeur de courant mesuré dans la batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante précédente. Selon un mode de réalisation, l'intensité du courant de recharge appliqué à la batterie à chaque phase de recharge à courant constant est fixée avant le début de ladite phase, en fonction d'une valeur de courant mesuré dans la batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante précédente. Selon un mode de réalisation, la quantité de charges injectée dans la batterie à chaque phase de recharge à courant constant est une fonction décroissante du courant mesuré dans la batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante précédente. B16796 - 17-T0-0733 3 Selon un mode de réalisation, les phases de recharge à tension constante ont toutes sensiblement la même durée. Selon un mode de réalisation, la recharge est interrompue lorsque le courant mesuré dans la batterie à l'issue 5 d'une phase de recharge à tension constante atteint un seuil bas prédéterminé. Selon un mode de réalisation, chaque phase de recharge à courant constant est séparée de la phase de recharge à tension constante suivante par une phase de repos. 10 Un autre mode de réalisation prévoit un système comportant une batterie électrique et, connecté à la batterie, un dispositif de recharge configuré pour mettre en oeuvre un procédé de recharge tel que défini ci-dessus. Selon un mode de réalisation, la batterie est une 15 microbatterie à électrolyte solide de type lithium-ion. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation 20 avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est un chronogramme illustrant un exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique ; la figure 2 est un chronogramme illustrant un autre exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique ; 25 la figure 3 est un chronogramme illustrant un exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique selon un mode de réalisation ; la figure 4 est un ordinogramme illustrant un exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique selon un mode 30 de réalisation ; et la figure 5 est un schéma simplifié d'un système comportant une batterie électrique et un dispositif adapté à mettre en oeuvre un procédé de recharge de la batterie selon un mode de réalisation. B16796 - 17-T0-0733 4 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, 5 seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation d'un dispositif électronique de gestion de charge adapté à mettre en oeuvre les procédés de recharge proposés n'a pas été détaillée, la réalisation d'un tel 10 dispositif étant à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles de la présente description. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. 15 La figure 1 est un chronogramme illustrant un exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique. Dans cet exemple, la batterie rechargée est une microbatterie à électrolyte solide de type lithium-ion, de capacité Ctot de l'ordre de 0,0170 mA.h et de tension nominale UNom (à l'état chargé) de l'ordre de 20 4,2 V. La figure 1 comprend plus particulièrement : une courbe 101 représentant l'évolution, en fonction du temps t (en abscisse, en minutes), du courant de recharge I (en ordonnée à gauche, en mA) appliqué à la batterie ; une courbe 103 représentant l'évolution, en fonction du 25 temps t, de la tension U (en ordonnée à droite, en V) aux bornes de la batterie ; et une courbe 105 représentant l'évolution, en fonction du temps t, de l'état de charge SOC (en ordonnée à droite, en pourcents) de la batterie, à savoir le rapport entre la quantité 30 de charges contenues dans la batterie et la capacité maximale de stockage de charges Ctot de la batterie. Le procédé de la figure 1 est un procédé de type CC-CV, c'est-à-dire qu'il comprend une phase initiale de recharge à courant constant (CC), suivie d'une phase de recharge à tension 35 constante (CV). Dans l'exemple représenté, à un instant tO de B16796 - 17-T0-0733 5 début de la recharge, la batterie est dans un état de décharge complète. La tension de la batterie à l'état déchargé est par exemple de l'ordre de 3 V (non visible sur la figure 1). L'instant tO correspond au début de la phase de recharge 5 à courant constant CC. A partir de l'instant tO, un dispositif électronique de recharge (non détaillé) applique à la batterie un courant de recharge 'cc sensiblement constant, de l'ordre de 0,015 mA dans cet exemple. Sous l'effet du courant 'cc, la batterie se recharge et la tension U à ses bornes augmente de façon continue. 10 Pendant la phase de recharge CC, le dispositif de recharge surveille l'évolution de la tension U aux bornes de la batterie. A un instant tl postérieur à l'instant tO, de l'ordre de tO + 32 mn dans cet exemple, la tension U de la batterie atteint la tension nominale de pleine charge UNom de la batterie. L'instant tl marque 15 la fin de la phase de recharge à courant constant CC et le début de la phase de recharge à tension constante CV. A partir de l'instant tl, le dispositif de recharge applique à la batterie une tension de recharge Ucv sensiblement constante, égale à la tension nominale de pleine charge UNom de 20 la batterie. Sous l'effet de cette tension, la batterie continue de se charger et le courant de recharge traversant la batterie diminue de façon continue. Pendant la phase de recharge CV, le dispositif de recharge surveille l'évolution du courant de recharge I circulant dans la batterie. A un instant t2 postérieur 25 à l'instant tl, de l'ordre de tO + 142 mn dans cet exemple, le courant I traversant la batterie atteint un seuil bas 'TH prédéterminé, de l'ordre de 0,001 mA dans cet exemple, en dessous duquel la batterie est considérée comme pleinement chargée. L'instant t2 marque la fin de la phase de recharge de la batterie. 30 La figure 2 est un chronogramme illustrant un autre exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique. Dans cet exemple, la batterie rechargée est identique à celle de l'exemple de la figure 1. La figure 2 comprend plus particulièrement : B16796 - 17-T0-0733 6 une courbe 201 représentant l'évolution, en fonction du temps t (en abscisse, en minutes), du courant de recharge I (en ordonnée à gauche, en mA) appliqué à la batterie ; une courbe 203 représentant l'évolution, en fonction du 5 temps t, de la tension U (en ordonnée à droite, en V) aux bornes de la batterie ; et une courbe 205 représentant l'évolution, en fonction du temps t, de l'état de charge SOC (en ordonnée à droite, en pourcents) de la batterie. 10 Le procédé de la figure 2 est un procédé de type CV, c'est-à-dire qu'il comprend une unique phase de recharge à tension constante (CV). Dans l'exemple représenté, à un instant tO de début de la recharge, la batterie est dans un état de décharge complète. La tension de la batterie à l'état déchargé est par 15 exemple de l'ordre de 3 V. A partir de l'instant tO, un dispositif électronique de recharge (non détaillé) applique à la batterie une tension de recharge Ucv sensiblement constante, égale à la tension nominale de pleine charge UNom de la batterie. Sous l'effet de cette 20 tension, la batterie se recharge. Le courant de recharge traversant la batterie diminue de façon continue au fur et à mesure que la batterie se charge. Pendant la phase de recharge CV, le dispositif de recharge surveille l'évolution du courant de recharge I circulant dans la batterie. A un instant tl postérieur 25 à l'instant tO, de l'ordre de tO + 136 mn dans cet exemple, le courant de recharge I traversant la batterie atteint un seuil bas 'TH prédéterminé, de l'ordre de 0,001 mA dans cet exemple, en dessous duquel la batterie est considérée comme pleinement chargée. L'instant tl marque la fin de la phase de recharge de la 30 batterie. Un inconvénient des procédés de recharge décrits en relation avec les figures 1 et 2 est qu'ils sont relativement lents. Le temps nécessaire à la recharge complète de la batterie est d'environ 2h22 dans l'exemple de la figure 1, et d'environ 2h16 dans l'exemple de la figure 2. B16796 - 17-T0-0733 7 La figure 3 est un chronogramme illustrant un exemple d'un procédé de recharge d'une batterie électrique selon un mode de réalisation. Dans cet exemple, la batterie rechargée est identique à celle des exemples des figures 1 et 2. La figure 3 5 comprend plus particulièrement : une courbe 301 représentant l'évolution, en fonction du temps t (en abscisse, en minutes), du courant de recharge I (en ordonnée à gauche, en m1) appliqué à la batterie ; une courbe 303 représentant l'évolution, en fonction du 10 temps t, de la tension U (en ordonnée à droite, en V) aux bornes de la batterie ; et une courbe 305 représentant l'évolution, en fonction du temps t, de l'état de charge SOC (en ordonnée à droite, en pourcents) de la batterie. 15 Le procédé de recharge de la figure 3 peut être mis en oeuvre par un dispositif électronique de recharge, non détaillé, adapté à contrôler la tension et le courant appliqués à la batterie, et à mesurer la tension aux bornes de la batterie et le courant circulant dans la batterie. 20 Le procédé de la figure 3 comprend une alternance de phases de recharge à courant constant ou sensiblement constant et de phases de recharge à tension constante ou sensiblement constante. Dans cet exemple, les phases de recharge à courant constant et les phases de recharge à tension constante ont des 25 durées prédéterminées, c'est-à-dire que la durée de chaque phase de recharge à courant constant est fixée avant le début de ladite phase, et que la durée de chaque phase de recharge à tension constante est fixée avant le début de ladite phase. Dans l'exemple représenté, à un instant tO de début de 30 la recharge, la batterie est dans un état de décharge complète. La tension de la batterie à l'état déchargé est par exemple de l'ordre de 3 V (non visible sur la figure 3). A partir de l'instant tO, une première phase de recharge à courant constant est mise en oeuvre. Pendant cette phase, de B16796 - 17-T0-0733 8 durée prédéterminée Tcci, le dispositif de recharge applique à la batterie un courant de recharge constant Icci. A un instant tl = t° TCC1, marquant la fin de la première phase de recharge à courant constant, le dispositif de 5 recharge interrompt le courant de recharge, et la batterie est laissée au repos (sous un courant nul) pendant une brève période, de l'ordre de quelques secondes, jusqu'à un instant t2. A partir de l'instant t2, une première phase de recharge à tension constante est mise en oeuvre. Pendant cette phase, de 10 durée prédéterminée Tcv de l'ordre de quelques secondes, le dispositif de recharge applique à la batterie une tension de recharge Ucv sensiblement constante, sensiblement égale à la tension nominale de pleine charge UNom de la batterie dans cet exemple. 15 A un instant t3 = t2 + Tcv, le dispositif de recharge mesure le courant de recharge Icv traversant la batterie. L'instant t3 marque la fin de la première phase de recharge à tension constante et le début d'une deuxième phase de recharge à courant constant de durée prédéterminée. 20 La durée de la deuxième phase de recharge à courant constant et la valeur du courant de recharge appliqué pendant la deuxième phase de recharge à courant constant sont choisis par le dispositif de recharge en fonction de la valeur du courant de recharge Icv mesuré à la fin de la première phase de recharge à 25 tension constante. Les étapes décrites précédemment (recharge à courant constant / repos / recharge à tension constante) sont répétées, dans cet ordre, jusqu'à ce que le courant de recharge Icv mesuré à la fin de la phase de recharge à tension constante passe sous 30 un seuil bas 'TH prédéterminé, de l'ordre de 0,001 mA dans cet exemple, en dessous duquel la batterie est considérée comme pleinement chargée. A chaque itération de la suite d'étapes susmentionnée, la durée de la phase de recharge à courant constant et la valeur 35 du courant de recharge appliqué pendant la phase de recharge à B16796 - 17-T0-0733 9 courant constant sont choisis par le dispositif de recharge en fonction de la valeur du courant Icv mesuré à la fin de la phase de recharge à tension constante précédente, de façon à réduire la quantité de charges injectée dans la batterie à chaque phase de 5 recharge à courant constant, au fur et à mesure que le courant Icv diminue. Dans l'exemple représenté, les caractéristiques de chaque phase de recharge à courant constant, à savoir la durée et l'intensité du courant de recharge appliqué, sont choisies parmi 10 N configurations CF', CFN, où N est un entier supérieur ou égal à 1 et de préférence supérieur ou égal à 2, égal à 4 dans l'exemple représenté. Chaque configuration CFi, avec i entier allant de 1 à N, correspond à une durée spécifique Tcci de la phase de recharge à courant constant et à une intensité spécifique 15 Icci du courant appliqué pendant ladite phase, telles que la quantité de charges injectée dans la batterie pendant la phase de recharge à courant constant soit d'autant plus faible que l'indice i de la configuration est élevé, c'est-à-dire telles que Tcci* ICC1 TCC2*ICC2 TCCN*ICCN- 20 Dans l'exemple représenté, la durée de chaque phase de recharge à courant constant est d'autant plus courte que l'indice i est élevé (Ti > Tcc2 > > TccN), et l'intensité du courant appliqué pendant la phase de recharge à courant constant est d'autant plus faible que l'indice i est élevé (Icci > Icc2 > 25 >'CCN)- Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. Pour sélectionner les caractéristiques de chaque phase de recharge à courant constant parmi les N configurations CF', CFN, le courant Icv mesuré à la fin de la phase de recharge à 30 tension constante précédente est comparé à un jeu de N seuils de courant Si, ... SN prédéterminés, avec Si > S2 > > SN, et SN = 'TH (seuil en dessous duquel la batterie est considérée comme pleinement chargée). B16796 - 17-T0-0733 10 Si le courant Icv est supérieur au seuil Si, le dispositif de recharge applique à la batterie une phase de recharge à courant constant de type CF1. Pour i allant de 2 à N, si le courant Icv est compris 5 entre le seuil Si_i et le seuil Si, le dispositif de recharge applique à la batterie une phase de recharge à courant constant de type CFi. Si le courant Icv est inférieur au seuil SN, la batterie est considérée comme pleinement chargée et le dispositif 10 interrompt le courant de recharge. La figure 4 est un ordinogramme illustrant plus en détail, sous forme de blocs, un exemple de mise en oeuvre du procédé de recharge de la figure 3. Lors d'une étape 401 (START), le dispositif de recharge 15 de la batterie est commandé pour mettre en oeuvre le procédé de recharge de la batterie. A ce stade, l'état de charge SOC de la batterie peut être inconnu. Lors d'une étape 403 (OCV REVENDICATIONS1. Procédé de recharge d'une batterie électrique, comprenant une alternance de phases de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) et de phases de recharge à tension constante (405). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les phases de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) et les phases de recharge à tension constante (405) ont des durées (Tcci, TCV) prédéterminées. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel 10 la durée (Tcci) de chaque phase de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) est fixée avant le début de ladite phase, en fonction d'une valeur de courant (Icv) mesuré dans la batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante (405) précédente. 15 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'intensité (Icci) du courant de recharge appliqué à la batterie à chaque phase de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) est fixée avant le début de ladite phase, en fonction d'une valeur de courant (Icv) mesuré dans la 20 batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante (405) précédente. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la quantité de charges injectée dans la batterie à chaque phase de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) 25 est une fonction décroissante du courant (Icv) mesuré dans la batterie à l'issue de la phase de recharge à tension constante (405) précédente. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les phases de recharge à tension constante (405) 30 ont toutes sensiblement la même durée (Tcv). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la recharge est interrompue lorsque le courant ('CV) mesuré dans la batterie à l'issue d'une phase de recharge à tension constante (405) atteint un seuil bas (ITH) prédéterminé. B16796 - 17-T0-0733 16 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque phase de recharge à courant constant (413, 417, 421, 423) est séparée de la phase de recharge à tension constante (405) suivante par une phase de repos (425). 5 9. Système comportant une batterie électrique (501) et, connecté à la batterie, un dispositif de recharge (503) configuré pour mettre en oeuvre un procédé de recharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Système selon la revendication 9, dans lequel la 10 batterie (501) est une microbatterie à électrolyte solide de type lithium-ion.