DE L’ETAT DE SANTE EN TEMPS REEL

DOMAINE TECHNIQUE

La présente divulgation concerne les batteries rechargeables utilisées avec des dispositifs électroniques et dans des applications de mobilité et de micro-mobilité. Elle concerne en particulier un système de diagnostic santé de la batterie comprenant des capteurs de gaz intégré dans un système de management de l’énergie.

ART ANTERIEUR

[0001] Les batteries sont considérées comme la principale source d'énergie des véhicules électriques (VE), tels que les scooters électriques, les voitures électriques et les vélos électriques. Une surveillance attentive de l'état de santé (SoH) de chaque cellule est fortement recommandée pour éviter des incidents graves tel que l’explosion.

[0002] Les batteries contiennent un électrolyte liquide qui peut causer des explosions en cas de sur- échauffement ou en cas de fonctionnement dans des mauvaises conditions. Ces piles sont également exposées à des court-circuits si elles sont endommagées, ce qui peut conduire à une explosion en cas d’absence des précautions de sécurité.

[0003] La surveillance précise du SoH de la batterie est un facteur essentiel pour maintenir la sécurité des passagers/utilisateurs. La façon de manipuler ou d’utiliser les batteries, pendant la charge et la décharge peut être adaptée en fonction de leur indicateur SoH. Par exemple, si celles-ci sont dégradées (selon le SoH), le protocole de charge ultra-rapide peut être évité, et un autre mode peut être adopté (en fonction des types de dégradations) pour une récupération partielle de la batterie et une prolongation de sa durée de vie.

[0004] Les cellules sont exposées à différents types de conditions climatiques et de fonctionnement, cela entraîne une dégradation de la batterie au fil du temps.

[0005] De nos jours, les systèmes de diagnostic sont incapables de prévoir la détection précoce des défaillances de manière fiable. Les capteurs de surveillance des cellules utilisés dans les modules de batterie des VEs, tels que les capteurs de température et de tension, ne sont pas suffisants pour atteindre et maintenir un niveau de sécurité élevé. DESCRIPTION DE LTNVENTION

[0006] La présente divulgation vise à améliorer la sécurité et à prolonger la durée de vie de la batterie, tout en permettant une charge rapide et ultra-rapide. Elle propose une amélioration significative et plusieurs configurations de fonctionnement, qui peuvent être utilisées seules ou en combinaison, afin de renforcer la sécurité et maintenir les performances de la batterie. L’invention peut être utilisée dans le marché de l'automobile, de la logistique et dans tout autre marché des composants utilisant la batterie comme source d’énergie.

[0007] La présente divulgation concerne divers types de batteries ou cellules, utilisées dans différents véhicules et systèmes, tels que des engins électriques, des drones, des dispositifs de santé ou encore de traction minière ou autres. Ces batteries alimentent différents dispositifs et véhicules et fournissent des informations à l'utilisateur, concernant le SoH de chaque cellule en temps réel. Par exemple, les batteries peuvent être embarquées dans un scooter électrique. Le module de celles-ci affiche les données concernant le SoH sur l’interface homme-machine (smartphone, tablette, tableau de bord). Les données peuvent être affichées sous différentes formes : un résumé statistique ou un graphique en tranchée. La cellule peut être combinée, en un seul dispositif, avec un microcontrôleur, un microprocesseur, une antenne, une mémoire, un circuit intégré de protection, des circuits intégrés spécifiques aux applications (ASIC) et des capteurs. Ce dispositif peut être directement connecté au BMS ou au système électronique de l'utilisateur, afin de transmettre les données de la batterie vers le circuit d'affichage.

[0008] Dans tous les dessins, des numéros de référence similaires désignent le même objet ou acte, pour autant que le contexte n'indique pas le contraire. Les tailles et les positions relatives des objets dans les dessins ne sont pas nécessairement dessinées à l'échelle.

[0009] La figure 1 est une vue en coupe transversale de la structure du capuchon (cap structure) d'une batterie Li-ion 18650 commercialisée ;

[0010] La figure 2 est une vue en coupe transversale de la structure du capuchon d'une batterie Li-ion 18650 à sécurité renforcée et à autodiagnostic ;

[0011] La figure 3 est une vue de dessus du nouveau disque central intégré dans le capuchon de la batterie Li-ion 18650, où un dispositif multi-capteur et ses broches (pins) sont soudés ;

[0012] La figure 4 est une vue 3D du connecteur isolé du dispositif multi-capteur avec circuit de protection, utilisé pour la transmission de données et l'alimentation électrique ;

[0013] La figure 5 représente la réponse typique des couches minces de SnO ₂ dopées et non dopées en fonction de la température de fonctionnement à différents types de gaz. Les concentrations des gaz dans l'air sont de 0,5% CH ₄ , 0,8% H ₂ , 0,02% CO, 0,2% C ₃ H ₈ ; [0014] La figure 6 représente l'architecture de l'ASIC, connecté à un capteur de gaz à oxyde métallique (MOx) multi-pixels et à un capteur de pression ;

[0015] La figure 7 est une vue 3D du dispositif multi-capteur sans emballage ;

[0016] La figure 8 est une vue 3D de la batterie connectée au circuit de protection ;

[0017] La figure 9 est une vue de dessus du circuit de protection avec ses composants ;

[0018] La figure 10 représente les protocoles de charge que la station de charge peut adopter.

[0019] La figure 11 est un exemple d'utilisation des nouvelles batteries à sécurité renforcée et à autodiagnostic dans des applications d'électromobilité.

[0020] Dans la description qui suit, certains aspects seront détaillés afin de clarifier davantage l'invention divulguée. Il convient de noter que les structures et les méthodes bien connues de fabrication de dispositifs électroniques n'ont pas été mentionnées.

[0021] Les batteries en question comprennent une amélioration significative et plusieurs configurations de fonctionnement qui peuvent être utilisées individuellement ou en combinaison. L'amélioration comprend un dispositif multi-capteurs intégré dans la batterie décrite au moins dans les figures 2 et 3. Chaque mode de réalisation est détaillé ci-dessous.

[0022] La figure 1 montre la structure du capuchon (cap structure) d'une batterie Li-ion 18650 commerciale 100 avec des composants de protection ordinaire. En fonctionnement normal, le courant circule de la cathode 11 vers la languette (tab) 10 fixée à la feuille métallique (metallic foil) 9, au disque inférieur (bottom disk) 8, au disque supérieur (top disk) 6, au coefficient de température positif (PTC) 5, à la borne de contact (terminal contact) 4 et au bouton supérieur (button top) 1, respectivement. Le trajet du courant sera coupé en cas de fonctionnement anormal, si la pression de la batterie dépasse un seuil prédéfini. Au début, le contact entre le disque supérieur 6 et le disque inférieur 8 sera perdu naturellement en raison de la pression qui pousse le disque supérieur 6 vers le haut. Si la pression continue d'augmenter, le disque supérieur peut se détacher de la partie affaiblie (weakening part) 22 afin de laisser évacuer le gaz via le trou de ventilation (vent hole) 21. A ce stade, la batterie est considérée comme totalement endommagée, elle ne peut plus être utilisée pour un nouveau cycle. Il convient de mentionner que le PTC 5 peut également couper le courant lorsque la température dépasse 100°C. La résistance de la PTC évolue en fonction de la température de fonctionnement.

[0023] La figure 2 illustre la structure du capuchon de la batterie à sécurité renforcée et à autodiagnostic, dans laquelle un dispositif multi-capteurs 18 est intégré à l'intérieur de la cellule. Le dispositif ajouté et ses connecteurs sont imbriqués dans le disque central 19 en utilisant une technologie spécifique, comme le montre la figure 3. Une couche séparatrice gaz-liquide 20 a été ajoutée pour empêcher la solution électrolytique d'entrer en contact avec les capteurs et les circuits électroniques. Les données recueillies peuvent être transmises depuis le capuchon de la batterie, à l'aide d'un connecteur personnalisé 14, comme illustré sur la figure 4.

[0024] Le connecteur isolé 14 comprend quatre broches (pins), deux broches 23-24 servent à alimenter les dispositifs (ASIC et les capteurs), et deux autres 25-26 assurent la transmission des données en utilisant le protocole de communication I ² C. Ce dernier permet de s'assurer qu'aucun flux d'air n'entre et ne sort de la batterie (étanchéité assurée).

[0025] Le dispositif multi-capteurs comprend un capteur de gaz multi-pixels (trois couches sensibles de MOx en couche mince), un capteur de pression, un capteur de température et un capteur d'humidité. [0026] Les trois différentes couches sensibles de MOx en couche mince sont chauffées par un seul micro-élément chauffant, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie et l'encombrement par rapport à l'utilisation de trois capteurs de gaz séparés. Chaque couche sensible est chauffée à une température uniforme et différente afin de classifier les gaz détectés à l'aide d'une analyse non paramétrique, telle que les réseaux de neurones (RN), l'analyse de la fonction discriminante (DA) et l'analyse en composantes principales (PCA). Différents gaz peuvent être détectés en fonction du matériau utilisé pour la couche sensible et de la température de fonctionnement. Il convient toutefois de souligner que la couche sensible en MOx se caractérise par une sensibilité élevée (niveau ppb) et une réponse rapide (quelques secondes). En revanche, cette technologie souffre encore d'une faible sélectivité. Pour cela, un capteur de gaz multi-pixels associé à un algorithme sophistiqué a été adopté.

[0027] La figure 5 montre la réponse des trois couches sensibles MOx à couche mince : oxyde d’étain (IV) (SnO2), oxyde d’étain (IV) dopé au platine (Pt-SnO2) et oxyde d’étain (IV) dopé au palladium (Pd-SnO2) à différents gaz, à savoir l'hydrogène (H2), le propane (CsHs), le méthane (CH4) et le monoxyde de carbone (CO). La sensibilité envers chaque gaz change en fonction de la température de fonctionnement et du matériau utilisé pour la couche sensible. Dans cette invention divulguée, chaque couche sensible représente un pixel.

[0028] Les capteurs de gaz et de pression sont fabriqués en se basant sur la technologie des systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Les capteurs de température et d'humidité sont fabriqués en utilisant la technologie CMOS avec les circuits ASIC, comme le montre la figure 6.

Le dispositif MEMS 28 est collé à l'ASIC 27 et connecté aux circuits de détection et de commande à l'aide de fils de liaison 29, comme le montre la figure 7. Il convient de mentionner que la taille du dispositif, y compris le boîtier métallique, ne dépasse pas 2 mm* 1,5 mm*0,8 mm. [0029] Les spécifications du dispositif multi-capteur concernant l'alimentation et la température de fonctionnement sont respectivement de 2,5V à 4,2V et de -40°C jusqu'à 150°C. Le temps de réponse du capteur de gaz est inférieur à 5 secondes tandis que le courant de fonctionnement pour l’opération de chauffage est inférieur à 2 mA et la résistance de la couche sensible est comprise entre 1KQ et 1MQ. Concernant les spécifications du capteur d'humidité, de température et de pression, elles sont les suivantes :

- Précision de l'humidité : ±2%RH (20%RH à 80%RH)

- Précision de la température : ±0,5°C (10°C, 100°C)

- Précision de la pression : ±0,2% de la pleine échelle (FS)

Le dispositif multi-capteurs 18 a un courant de veille d'un maximum de 2pA avec une interface de communication I ² C. Un algorithme simplifié est partiellement embarqué sur la première couche de silicium 43 afin d’assurer la compensation de la dérive de la résistance des couches sensibles.

[0030] A l’aide du canal de transmission (câble) 31 et les broches (pins) 37, placées sur le dessus de la pile, les données collectées sont transmises au circuit de protection 33, celui-ci est alimenté par la cellule via le fil cathodique 30 et le fil anodique 32, comme le montre la figure 8. L’élément 34, qui représente la borne négative du circuit de protection, permet d’agir sur le courant pour couper le circuit si nécessaire (cas de surchauffe par exemple).

[0031] Le circuit de protection télécommandé 33, placé en contact avec la borne négative de la cellule, peut couper le courant à l'aide d'un circuit intégré de protection et de transistors de commutation. La communication entre la cellule et les nœuds BMS 38, afin de recevoir des ordres et transmettre des données, est assurée en utilisant la technologie sans fil Zigbee et l'unité MCU, comme le montre la figure 9.

[0032] Le SoH de la batterie dépend principalement du type des gaz libérés par la batterie et de leurs concentrations, de la pression et de la température de fonctionnement.

[0033] Les batteries laissent des traces sous forme de dégagement gazeux chaque fois qu'une dégradation se produit pendant la charge, la décharge ou l'inactivité. Les dégradations peuvent se produire dans différentes parties de la batterie : particule anodique, séparateur, particule cathodique, liant, le collecteur de courant cathodique, et le collecteur de courant anodique.

[0034] Une configuration pourrait être adoptée : le protocole de charge de la batterie peut être choisi en fonction de l'indicateur SoH. Par exemple, la charge d'une batterie peut démarrer par un protocole Boost-Charging puis il bascule au mode Pulse-Charging si l'indicateur SoH normalisé diminue en dessous d'un seuil prédéfini. Le courant d'entrée ne dépendra plus uniquement de l'état de charge (SoC) mais aussi du SoH. Il est à noter que l'indicateur SoH normalisé représente l'estimation globale du SoH du pack de batteries 42.

[0035] Dans un exemple concret, chaque batterie 400 communique sans fil avec son nœud BMS 38, tandis que les nœuds BMS 38 communiquent avec un BMS centralisé 39. Après avoir analysé les données, le BMS centralisé 39 demande à la station de charge 41 de continuer à charger la batterie avec le même protocole de charge ou de passer à un autre, en fonction de l'indicateur SoH normalisé. [0036] La station de charge 41 peut adopter plusieurs protocoles de charge, à savoir, courant constant - tension constante (CC-CV), puissance constante - tension constante (CP-CV), courant constant à étages multiples - tension constante (MCC-CV), Pulse-Charging, Boost-Charging et profil de courant variable (VCP), comme le montre la figure 10.

[0037] Dans l'exemple ci-dessus, chaque module de batterie 40 comprend 444 batteries, divisées en six blocs montés en parallèles de 74 cellules, tandis que le pack de batterie 42 contient 16 modules de batterie 38, ce qui fait un total de 7104 cellules dans un pack de batterie 42, comme le montre la figure 11.

[0038] La batterie à sécurité renforcée et à autodiagnostic permet d'identifier la cellule endommagée dans un pack, ce qui réduit considérablement le coût de réparation des véhicules électriques et prolonge leur durée de vie le maximum possible.

[0039] Une autre configuration pourrait être adoptée : l'ajout d'un bloc en parallèle de batteries supplémentaire dans chaque module 40. Cependant, le BMS utilisera automatiquement ces batteries supplémentaires lorsqu'un autre bloc a besoin de repos ou son indicateur SoH est inférieur à un seuil prédéfini.

[0040] Une configuration pourrait être adoptée : le dispositif multi-capteurs joue le rôle d’une alarme pour avertir les passagers au moins 10 minutes avant l’incident d’explosion ou d’arrêt du système.

[0041] Une configuration pourrait être adoptée : la communication entre le nœud BMS 38 et la cellule 400 pourrait se faire directement via câble.