EP4252306A1 - Dispositif d'inertage d'une batterie, bloc d'alimentation, système et procédé d'inertage associés - Google Patents

Dispositif d'inertage d'une batterie, bloc d'alimentation, système et procédé d'inertage associés

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Publication number
EP4252306A1
EP4252306A1 EP21820532.6A EP21820532A EP4252306A1 EP 4252306 A1 EP4252306 A1 EP 4252306A1 EP 21820532 A EP21820532 A EP 21820532A EP 4252306 A1 EP4252306 A1 EP 4252306A1
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EP
European Patent Office
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battery
terminal
connector
inerting
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
EP21820532.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Pasquier
Hélène TRICOT
Damien Rochard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Filing date
Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Publication of EP4252306A1 publication Critical patent/EP4252306A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a device for inerting a battery.
  • the present invention also relates to a power supply unit and a system comprising such an inerting device.
  • the invention also relates to a corresponding inerting process.
  • a satellite is a device placed in orbit around a planet, the Earth here, by a rocket or a space shuttle. Such a satellite is sometimes referred to as an artificial satellite.
  • the satellites used in the field of telecommunications are usually called “communications satellites” and are generally placed in geostationary orbit.
  • Satellites are also used for other applications such as Earth observation or geolocation. Such satellites are sometimes called “observation satellites”.
  • satellites have a limited lifespan (typically about fifteen years for geostationary telecommunications satellites), in particular linked to the depletion of the propellants which allow a satellite to maintain its orbit on a nominal trajectory and to orient his instruments.
  • a known technique for this is to bring such a satellite back to Earth via a well-chosen trajectory which will burn through the layers of the atmosphere (another technique being to put it in a so-called “trash” orbit).
  • the description describes a device for inerting a battery comprising a first terminal and a second terminal, the first terminal and the second terminal having opposite polarity, the inerting device comprising a connection circuit, the circuit connection connecting the battery to at least one charging circuit, the connection circuit comprising a first connector, a second connector and a switching unit, the switching unit being capable of switching between a first position in which the first connector is connected to the first terminal and a second position in which the first connector is connected to the second terminal.
  • the inerting device has one or more of the following characteristics, taken separately or in all technically possible combinations:
  • the tilting unit is also able to connect the second connector to the second terminal in the first position and to connect the second connector to the first terminal in the second position.
  • the tilting unit is also capable of tilting into a third position in which the battery is short-circuited or open-circuited.
  • connection circuit is configured to supply the same load circuit.
  • the tilting unit comprises at least one two-position switch.
  • the tilting unit is a set of two two-position switches.
  • each contactor is connected to a respective connector.
  • each contactor is connected to a respective terminal.
  • the description also describes a power supply comprising a battery and a device for inerting the battery, the inerting device being as previously described.
  • the battery is a battery comprising lithium.
  • the description also relates to a system comprising a charging circuit and a power supply unit as previously described.
  • the system has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations: - the charging circuit is a solar panel.
  • the load circuit is the control and power distribution circuit.
  • the present description also proposes a method for inerting a battery comprising a first terminal and a second terminal, the first terminal and the second terminal having opposite polarity, the method being implemented by an inerting device comprising a circuit connection, the connection circuit connecting the battery to at least one charging circuit, the connection circuit comprising a first connector, a second connector and a switching unit, the method comprising a step of switching between a first position in which the first connector is connected to the first terminal and a second position in which the first connector is connected to the second terminal.
  • the method has one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible combinations:
  • the second connector is connected to the second terminal, in the second position, the second connector is connected to the first terminal and the method comprises a step of discharging the battery by the charging circuit in the second position .
  • FIG. 1 is a schematic view of an example of a satellite comprising an inerting device and a battery
  • FIG. 2 is a representation of a graph illustrating the variation of the voltage of a battery according to the percentage of depth of discharge of the battery
  • FIG. 3 is a schematic view of an example of an inerting device in a first position
  • FIG. 4 is a schematic view of the inerting device of Figure 3 in a second position
  • FIG. 5 is a schematic view of the inerting device of Figure 3 in yet a first intermediate position
  • - Figure 6 is a schematic view of the inerting device of Figure 3 in yet another second intermediate position
  • - Figure 7 is a schematic view of the inerting device of Figure 3 in yet a third intermediate position
  • FIG. 8 is a schematic view of another example of an inerting device in a first position
  • FIG. 9 is a schematic view of yet another example of an inerting device in an intermediate position variant.
  • a satellite 10 is shown in Figure 1.
  • the satellite 10 comprises a payload which groups the instruments necessary to fulfill the mission as well as a platform which supports the payload and which provides it with the resources which the payload needs for its operation.
  • FIG. 1 Only part of the platform is illustrated in FIG. 1 for the sake of simplification.
  • the satellite 10 comprises a photovoltaic panel 12, a control and power distribution circuit 13 and a power supply 14.
  • a photovoltaic panel 12 is a device converting part of the solar radiation into electricity.
  • the photovoltaic panel 12 is connected to the control and power distribution circuit 13.
  • PCDU Such a circuit is more often referred to as the PCDU, the abbreviation referring to the English name of “Power and Control Distribution Unit”.
  • control and power distribution circuit 13 is called PCDU 13.
  • the power supply 14 comprises a battery 16 and an inerting device 18.
  • the photovoltaic panel 12 and the power supply unit 14 make it possible to supply the satellite 10 in all circumstances.
  • the photovoltaic panel 12 is capable of powering the power supply unit 14 (and therefore the battery 16) and the payload of the satellite 10.
  • the battery 16 is capable of supplying the satellite 10 by taking over from the photovoltaic panel 12 or supporting him respectively.
  • a battery 16 is a generic term designating a set of electrochemical accumulators 20, called cells, interconnected (in series and/or in parallel) so as to create an electric generator of the desired voltage, power and capacity C.
  • a battery 16 converts the electrical energy accumulated during the charging phase into chemical energy.
  • the chemical energy is constituted by electrochemically active compounds arranged in the element. Electrical energy is returned by converting chemical energy into electrical energy during the discharge phase.
  • the electrodes arranged in a container, are electrically connected to current output terminals which provide electrical continuity between the electrodes and an electrical consumer with which the element is associated.
  • the battery 16 is formed of one or more modules electrically connected in series or in parallel.
  • each module is formed of one or more branches electrically connected in series or in parallel where each branch is formed of one or more electrochemical elements electrically connected in series (in the case of "one" electrochemical element, this can be unique or be itself the result of several accumulators electrically connected in parallel)
  • Battery 16 includes a first terminal 21 and a second terminal 22.
  • the first terminal 21 is a positive terminal and the second terminal 22 is a negative terminal.
  • the battery 16 is a lithium-ion battery.
  • the battery 16 has the particularity that the Li-ion electrochemical elements which constitute it comprise a negative electrode collector comprising copper.
  • the battery 16 has the discharge curve represented in FIG. 2. This curve corresponds to a discharge at C/2 at 20° C., knowing that the following remarks are valid for different values of discharge current (discharge rate) and different temperatures.
  • the first phase corresponds to the classic discharge.
  • the second phase is an overdischarge phase linked to the fact that the cathode of the battery 16 has an excess of lithium.
  • DoD The boundary between the first phase and the second phase is usually called DoD.
  • DoD refers to the English name of "Depth of Discharge” literally meaning "depth of discharge”.
  • the third phase is a reversal phase.
  • the third phase is so called because the voltage of the battery 16 becomes negative and the third phase ends with the forging of the short circuit.
  • the fourth phase corresponds to a totally passivated state. In the fourth phase, the battery 16 exhibits a purely resistive behavior as a result of the forging of the internal short circuit by the copper dendrites.
  • the inerting device 18 is a battery inerting device 16.
  • Inerting consists of eliminating the risk of accidental phenomena (explosion, pollution, etc.) caused by one or more poorly confined reactive products.
  • inerting consists in removing "irreversibly" the electrochemical active character of the elements making up the battery 16, that is to say in removing its stored energy and its ability to resume charging.
  • the inerting device 18 ensures the passivation of the battery 16.
  • the inerting device 18 comprises a connection circuit 24 which includes a first connector 26, a second connector 28 and a switching unit 30.
  • connection circuit 24 connects the battery 16 to the photovoltaic panel 12 (according to the embodiment of FIG. 1).
  • the first connector 26 and the second connector 28 are the outputs of the connection circuit 30 which are intended to be connected to the photovoltaic panel 12 (according to the embodiment of FIG. 1).
  • the tilting unit 30 comprises a set of two contactors C1 and C2 with two positions.
  • a contactor is a controlled device capable of establishing or interrupting the flow of current.
  • Each contactor C1 and C2 has one pole and two terminals.
  • SPDT Single Pole Double Throw
  • one pole, two outputs in fact: 1 common pole and 2 other terminals in order to achieve 2 positions electrical contact
  • each contactor C1 and C2 is an MBB type contactor.
  • MBB refers to the English name of "Make Before Break” which literally means “to do before cutting”. In concrete terms, this means that the new connection is made before cutting the old one, which makes it possible to avoid situations of no power supply.
  • the pole of the first contactor C1 is called the first pole P1; the terminals of the first contactor C1 are respectively called first terminal T1 and second terminal T2.
  • the pole of the second contactor C2 is called second pole P2 and the terminals of the second contactor C2 are called respectively third terminal T3 and fourth terminal T4.
  • the tilting unit 30 can assume five positions which are respectively visible in figures 3 to 7.
  • the first pole P1 is connected to the first connector 26 of the connection circuit 24, the first terminal T 1 is connected to the positive terminal 21 of the battery 16 and the second terminal T2 is connected to the negative terminal 22 battery 16.
  • the second pole P2 is connected to the second connector 28 of the connection circuit 24
  • the third terminal T3 is connected to the negative terminal 22 of the battery 16
  • the fourth terminal T4 is connected to the positive terminal 21 of battery 16.
  • the first pole P1 is connected to the first terminal T1.
  • the second pole P2 is connected to the third terminal T3.
  • either the battery 16 is powered by the photovoltaic panel 12, or the battery 16 is able to deliver while discharging the energy stored via the PCDU 13.
  • the first pole P1 is connected to the second terminal T2.
  • the second pole P2 is connected to the fourth terminal T4.
  • the photovoltaic panel 12 when the photovoltaic panel 12 is illuminated, the photovoltaic panel delivers a current to the connection circuit 24 which for it is a charging current, but which in fact leads, with the reversed polarities of the battery 16, to a forced battery discharge 16.
  • the first pole P1 In the third position corresponding to FIG. 5, the first pole P1 is still connected to the first terminal T1 and is just connected to the second terminal T2.
  • first connector 26 is connected to the positive terminal 21 and to the negative terminal 22 of the battery 16.
  • the second pole P2 is always connected to the third terminal T3.
  • the third position thus corresponds to an intermediate position between the first position and the second position in which the battery 16 is short-circuited and the photovoltaic panel 12 is short-circuited.
  • intermediate position refers to the fact that the position is temporary and is not intended to last, unlike the first position and the second position.
  • the first pole P1 is connected to the second terminal T2.
  • the second pole P2 is always connected to the third terminal T3.
  • the fourth position thus corresponds to an intermediate position between the first position and the second position in which the battery 16 is in open circuit and the photovoltaic panel 12 is in short circuit.
  • the first pole P1 is connected to the second terminal T2.
  • the second pole P2 is still connected to the third terminal T3 and is just connected to the fourth terminal T4.
  • the fifth position thus corresponds to an intermediate position between the first position and the second position in which the battery 16 is short-circuited and the photovoltaic panel 12 is short-circuited.
  • the tilting unit 30 is thus capable of tilting between several positions, a first position in which the battery 16 is connected in a first direction, a second position in which the battery 16 is connected in a second opposite direction at the first and a plurality of intermediate positions in which the battery 16 is either short-circuited or open-circuited.
  • the tilting unit 30 When the satellite 10 is in operation during its nominal lifetime, the tilting unit 30 is in the first position.
  • the battery 16 supplies the equipment of the satellite 10 with electricity, and in particular the payload.
  • This operation lasts as long as the lifetime of the satellite 10 is less than its nominal lifetime.
  • the battery must be inerted and the following inerting process takes place.
  • the tilting unit 30 tilts from the first position to the intermediate positions.
  • the tilting unit 30 successively tilts into the third position, the fourth position and the fifth position.
  • the battery 16 is thus successively short-circuited, open-circuited and short-circuited while the photovoltaic panel is short-circuited.
  • the triggering of the rocker of the rocker unit 30 is preferably done when the battery 16 is discharged (end of the first phase) or as discharged as possible in order to operate in the shortest possible time (therefore with the objective of inerting in one cycle in the case of use of irreversible contactors C1 and C2) during the period when the panel is illuminated and delivers a current (of load vis-à-vis it).
  • the tilting unit 30 tilts from the fifth position to the second position.
  • the photovoltaic panel 12 delivers current to the battery 16 whose polarities have been reversed via its terminals 21 and 22.
  • the current delivered to the battery 16 is in such a direction that it performs a forced discharge.
  • a discharge rate of less than half the capacity ( ⁇ 0.5C) of battery 16 is chosen, the capacity of a battery being the energy capacity of a battery to deliver a certain current for a certain time.
  • the current output corresponds to a rate of 0.3 C.
  • the battery 16 loses its electrochemical or active character. Battery 16 behaves electrically like a resistor.
  • the battery 16 is thus completely passivated and this in several respects: it is all the accumulators 20 which are passivated and not only a part, and the passivation is irreversible, which implies in particular that it is not possible the battery 16 returns to a charged state.
  • the inerting device 18 thus performs a passivation process for a battery 16 by reversing its terminals 21 and 22 vis-à-vis the charging circuit 12.
  • the inerting process only involves the use of a tilting unit 30.
  • the inerting device 18 operates in a secure manner in the sense that the electrical continuity is maintained and that the pressure and temperature conditions remain permanently controlled so that each accumulator 20 remains in “nominal nominal” operating conditions. below limits” (no leakage, no circuit breaker operation).
  • the inerting device 18 also makes it possible to obtain inerting in a relatively short time. For example, it is possible to obtain inerting in less than 23 hours, which is compatible with the requirements of the space domain in geostationary orbit at a current regime of C/10.
  • the inerting device 18 is adaptable to the electrical characteristics of the battery 16, in particular its voltage and its capacity.
  • the sequencing mode is different since the changeover consists in first switching the second contactor C2 instead of the first contactor C1.
  • the first pole P1 is still connected to the first terminal T1.
  • the second pole P2 is still connected to the third terminal T3 and is just connected to the fourth terminal T4.
  • the second pole P2 is connected to the fourth terminal T4.
  • the first pole P1 is still connected to the first terminal T1 and is just connected to the second terminal T2.
  • first connector 26 is connected to the positive terminal 21 and to the negative terminal 22 of the battery 16.
  • the second pole P2 is connected to the fourth terminal T4.
  • connection unit 30 has a connection of the contactors C1 and C2 which differs from that of Figures 3 to 7.
  • the first pole P1 is connected to the positive terminal 21 of the battery 16
  • the second pole P2 is connected to the negative terminal 22 of the battery 16
  • the first terminal T1 and the fourth terminal T4 are connected to the first connector 26 and the second terminal T2 and the third terminal T3 are connected to the second connector 28.
  • the switching unit 30 comprises other switches, such as a rotator, a relay or even a single-pole contactor and a terminal.
  • a contactor is more often referred to as SPST which refers to the English name of "Single Pole Simple Throw” literally meaning "One pole, one exit”.
  • SPST contactors unitarily make a respective contact between a pole and a terminal.
  • reversible or irreversible contactors can be used.
  • the choice between these types of contactor can be guided by various considerations such as the need for reliability (fear of an untimely command, untimely tripping), the need to proceed in several cycles to obtain a depth of discharge guaranteeing the inerted state and the possibility of going through short-circuit phases or not.
  • BBM BBM type contactors
  • the abbreviation "BBM” refers to the English name of "Break Before Make” which literally means “to cut before making”.
  • BBM BBM type contactors
  • the second pole P2 is no longer connected to the third terminal T3.
  • the position of FIG. 9 thus corresponds to an intermediate position between the first position and the second position in which the battery 16 is in open circuit and the photovoltaic panel 12 is in open circuit (but in closed circuit with the payload).
  • the inerting device 18 can also be used in other contexts.
  • the load circuit 12 is a PCDU 13.
  • the inerting device 18 can operate with any charging circuit 12 capable of operating for both polarities of the battery 16.
  • the system 10 is a satellite but any other system is possible.
  • system 10 could be a waste recovery system.
  • the inerting device 18 makes it possible to avoid any risk of the battery 16 exploding.
  • the inerting device 18 is capable of ensuring the inerting of any type of battery exhibiting behavior similar to that described in FIG. 2 for the battery 16 (namely what is akin to "internal electrolysis 20” accumulators leading to metal deposition and short-circuiting by a simple “forced inversion”).
  • an electrochemical element also referred to by the term "element” in what follows, comprises an electrochemical bundle consisting of alternating cathodes and anodes framing a separator impregnated with electrolyte.
  • Each cathode and anode consists of a metallic current collector supporting on at least one of its faces at least one active material and generally a binder and an electronically conductive material such as carbon.
  • the active material of the cathode can vary according to the case considered.
  • the active ingredient is a compound of formula Li x Mni-y- z M'yM" z PC>4 (LMP), where M' and M" are different from each other and are selected from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo, with £0.8 x £ ,2; £0 and £0.6; £0.0 z£0.2.
  • LMP Li x Mni-y- z M'yM" z PC>4
  • the active material has the formula UMni- y Fe y P0 4 , and advantageously LiMnPCL.
  • the active ingredient is a compound of formula Li x Mni- y - z M' y M" z P0 4 (LMP), where M' and M" are different from each other and are chosen from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo, with £0.8 x £1.2; £0 and £0.6; £0.0 z£0.2.
  • LMP Li x Mni- y - z M' y M" z P0 4
  • the compound of the active material has the formula U x M 2 -xyzw M' y M" z M'" w 0 2 , where 1 £ x £ 1.15; M denotes Ni; M' denotes Mn; M" denotes Co and M'" is selected from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Sr, Ce, Ga and Ta or a mixture thereof; 2-xyzw>0;y>0;z>0; w30.
  • the compound has the formula LiNh /3 Mni /3 Coi /3 C> 2.
  • the compound has the formula Li x M 2 -xyz - w M'yM" z M'" w 0 2 , where 1 £ x £ 1.15; M denotes Ni; M' denotes Co; M" denotes Al and M'" is selected from the group consisting of B, Mg, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Sr, Ce, Ga and Ta or a mixture thereof; 2-xyzw>0;y>0;z>0; w30.
  • Another particular case corresponds to the case where the compound is chosen from LiNi0 2 , UCo0 2 , LiMn0 2 , Ni, Co and Mn which may be substituted by one or more of the elements chosen from the group comprising Mg, Mn (except for LiMn0 2 ), Al, B, Ti, V, Si, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr.
  • the active material is a compound of formula Li x Mn 2.y. z M' y M" z C>4 (LMO), where M' and M" are selected from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu , Zn, Y, Zr, Nb and Mo;. M' and M" being different from each other, and 1 £ x £ 1.4; 0 £ y £ 0.6; 0 £ z £ 0.2.
  • the active ingredient has the formula LiMn 2 C>4.
  • Another exemplary compound has the formula Li x Mn 2 -y- z NiyM" z 0 4 (LMO), where M" is selected from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr , Fe, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo; and 1£x£1.4; 0£y£0.6; 0£z£0.2.
  • An example of this compound is LiMn 2-y Ni y 0 4 where 0£y£0.6, such as LiMni.5Nio.504.
  • the active material is a compound of formula Li x Fei- y M y P0 4 , where M is chosen from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo; and £0.8 x £1.2; £0 and £0.6.
  • the compound of the active material has the formula LiFeP04.
  • the active material is a compound of formula xLi 2 MnC>3; (1-x)LiM0 2 where M is selected from Ni, Co and Mn and x £ 1.
  • the compound of the active material is Li 2 MnC>3.
  • the active material is a compound which is a lithium vanadium fluorophosphate of formula Lh +x VPCLF where 0 £ x £ 0.15, or one of its derivatives of formula Lii +x Vi. y M y P04F z where 0 £ x £ 0.15, 0 ⁇ y £ 0.5, 0.8 £ z £ 1.2 and M is selected from the group consisting of Ti, Al, Y, Cr, Cu, Mg, Mn, Fe, Co, Ni, and Zr.
  • Examples of preferred derivatives are LiY x Vi. x PC>4F (0 ⁇ x £ 0.5), LiCr x Vi. x PC>4F (0 ⁇ x £ 0.5), LiCo x Vi- x P0 4 F (0 ⁇ x £ 0.5), LiMn x Vi. x P0 4 F (0 ⁇ x £ 0.5), LiTi x Vi. x P0 4 F (0 ⁇ x £ 0.5), LiFe x Vi- x P0 4 F (0 ⁇ x £ 0.5).
  • the active material is a mixture of two or more of the aforementioned compounds.
  • the anode active material may also vary depending on the case considered.
  • the anode active material is a material capable of inserting lithium into its structure.
  • the anode active material can be chosen from lithium compounds, carbonaceous materials such as graphite, coke, carbon black and glassy carbon.
  • the anode active material can also be based on tin, silicon, compounds based on carbon and silicon, compounds based on carbon and tin or compounds based on carbon, tin and silicon .
  • the anode active material can also be lithium metal or based on a lithium alloy.
  • the anodic active material can also be a lithiated titanium oxide such as LUTisO4 or a niobium titanium oxide such as Ti11b2C>7.
  • the binder can also vary depending on the embodiment chosen.
  • the binder can thus be chosen from the following compounds, taken alone or as a mixture: polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers, polytetrafluoroethylene (PTFE) and its copolymers, polyacrylonitrile (PAN), poly(methyl)- or ( butyl)methacrylate, polyvinyl chloride (PVC), poly(vinyl formal), polyester, block polyetheramides, polymers of acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, itaconic acid, sulfonic acid , elastomers and cellulosic compounds.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PAN polyacrylonitrile
  • PVC poly(methyl)- or ( butyl)methacrylate
  • PVC polyvinyl chloride
  • PV formal poly(vinyl formal)
  • polyester block polyetheramides, polymers of acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, it
  • the electronically conductive material which is generally chosen from graphite, carbon black, acetylene black, soot, graphene, carbon nanotubes or a mixture thereof. It is generally used at a rate of 7% or less with respect to the sum of the masses of the mixture of anodic active material, of the binder and of the electronic conductive material.
  • the material of the separator can be chosen from the following materials: a polyolefin, for example polypropylene PP, polyethylene PE, a polyester, glass fibers bonded together by a polymer, polyimide, polyamide, polyaramide, polyamideimide and cellulose.
  • a polyolefin for example polypropylene PP, polyethylene PE, a polyester, glass fibers bonded together by a polymer, polyimide, polyamide, polyaramide, polyamideimide and cellulose.
  • the inerting device 18 comprises the connection circuit 24, the connection circuit 24 connecting the battery 16 to the charging circuit 12, the connection circuit 24 comprising the first connector 26, the second connector 28 and the switching unit 30, the switching unit 30 being capable of switching between a first position in which the first connector 26 is connected to a terminal 21 or 22 of the battery 16 and a second position in which the first connector 26 is connected to the other terminal 21 or 22 of battery 16.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'inertage (18) d'une batterie (16) comprenant une première borne (21, 22) et une deuxième borne (21, 22), la première borne (21, 22) et la deuxième borne (21, 22) présentant une polarité opposée, le dispositif d'inertage (18) comprenant un circuit de raccordement (24), le circuit de raccordement (24) connectant la batterie (16) à au moins un circuit de charge (12), le circuit de raccordement (24) comprenant un premier connecteur (26), un deuxième connecteur (28) et une unité de basculement (30), l'unité de basculement (30) étant propre à basculer entre une première position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la première borne (21, 22) et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la deuxième borne (21, 22).

Description

Dispositif d’inertage d’une batterie, bloc d’alimentation, système et procédé d’inertage associés
La présente invention concerne un dispositif d’inertage d’une batterie. La présente invention se rapporte également à un bloc d’alimentation et un système comportant un tel dispositif d’inertage. L’invention concerne aussi un procédé d’inertage correspondant.
Le développement des télécommunications implique l’utilisation d’un nombre croissant de satellites pour transmettre des informations d'un point à l'autre de la Terre, notamment les communications téléphoniques, la transmission de données, les communications par satellite ou les programmes télévisés.
Un satellite est un engin placé en orbite autour d’une planète, la Terre ici, par une fusée ou une navette spatiale. Un tel satellite est parfois dénommé satellite artificiel. Les satellites utilisés dans le domaine des télécommunications sont usuellement appelés « satellites de télécommunications » et sont généralement placés en orbite géostationnaire.
Les satellites sont aussi utilisés pour d’autres applications comme l’observation de la Terre ou la géolocalisation. De tels satellites sont parfois appelés « satellites d’observation ».
Cela conduit à l’existence de flottes de satellites positionnés en orbite basse.
Or, les satellites ont une durée de vie limitée (typiquement une quinzaine d'années pour les satellites de télécommunications géostationnaires), notamment lié à l'épuisement des ergols qui permettent à un satellite de maintenir son orbite sur une trajectoire nominale et d'orienter ses instruments.
Lorsque cette durée de vie s’achève (de façon nominale ou prématurée du fait par exemple d’un incident) et pour éviter les collisions dans l’espace en raison de sa perte de manœuvrabilité, il est souhaitable de pouvoir éliminer le satellite devenu obsolète.
Une technique connue pour cela est de faire revenir sur Terre via une trajectoire bien choisie un tel satellite qui en traversant les couches de l’atmosphère brûlera (une autre technique étant de le mettre sur une orbite dite « poubelle »).
Toutefois, il convient d’assurer la sécurité de ce retour et notamment d’éviter tout risque d’explosion, en particulier lors de la traversée de l’atmosphère. En effet, limiter les débris évoluant autour de la Terre est souhaitable puisqu’ils représentent un danger pour les futurs lancements et objets déjà lancés. Ce risque existe en particulier pour la batterie qui contient des produits inflammables, qui est potentiellement chargée (via les panneaux solaires encore opérants) et qu’il convient de passiver au mieux. Plus généralement, un tel problème se pose pour toute la filière de récupération des déchets électroniques dans laquelle il convient de s’assurer que la batterie ne fait courir aucun risque d’explosion.
Il existe donc un besoin pour un dispositif d’inertage d’une batterie présentant une bonne efficacité et une mise en œuvre aisée pour être compatible avec les normes du domaine spatial.
A cet effet, la description décrit un dispositif d’inertage d’une batterie comprenant une première borne et une deuxième borne, la première borne et la deuxième borne présentant une polarité opposée, le dispositif d’inertage comprenant un circuit de raccordement, le circuit de raccordement connectant la batterie à au moins un circuit de charge, le circuit de raccordement comprenant un premier connecteur, un deuxième connecteur et une unité de basculement, l’unité de basculement étant propre à basculer entre une première position dans laquelle le premier connecteur est connecté à la première borne et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur est connecté à la deuxième borne.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif d’inertage présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’unité de basculement est également propre à connecter le deuxième connecteur à la deuxième borne dans la première position et à connecter le deuxième connecteur à la première borne dans la deuxième position.
- l’unité de basculement est également propre à basculer dans une troisième position dans laquelle la batterie est en court-circuit ou en circuit ouvert.
- le circuit de raccordement est configuré pour alimenter le même circuit de charge.
- l’unité de basculement comporte au moins un contacteur à deux positions.
- l’unité de basculement est un ensemble de deux contacteurs à deux positions.
- chaque contacteur est relié à un connecteur respectif.
- chaque contacteur est relié à une borne respective.
La description décrit aussi un bloc d’alimentation comportant une batterie et un dispositif d’inertage de la batterie, le dispositif d’inertage étant tel que précédemment décrit.
Selon un mode de réalisation particulier, la batterie est une batterie comprenant du lithium.
La description concerne aussi un système comportant un circuit de charge et un bloc d’alimentation tel que précédemment décrit.
Selon des modes de réalisation particuliers, le système présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le circuit de charge est un panneau solaire.
- le circuit de charge est le circuit de distribution du contrôle et de la puissance.
La présente description propose également un procédé d’inertage d’une batterie comprenant une première borne et une deuxième borne, la première borne et la deuxième borne présentant une polarité opposée, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif d’inertage comprenant un circuit de raccordement, le circuit de raccordement connectant la batterie à au moins un circuit de charge, le circuit de raccordement comprenant un premier connecteur, un deuxième connecteur et une unité de basculement, le procédé comprenant une étape de basculement entre une première position dans laquelle le premier connecteur est connecté à la première borne et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur est connecté à la deuxième borne.
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- dans la première position, le deuxième connecteur est connecté à la deuxième borne, dans la deuxième position, le deuxième connecteur est connecté à la première borne et le procédé comporte une étape de décharge de la batterie par le circuit de charge dans la deuxième position.
- lors de l’étape de décharge, la batterie est successivement en phase de décharge, en phase de surdécharge, en phase d’inversion puis dans un état totalement passivé. Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d’un exemple de satellite comprenant un dispositif d’inertage et une batterie,
- la figure 2 est une représentation d’un graphe illustrant la variation de la tension d’une batterie en fonction du pourcentage de profondeur de décharge de la batterie,
- la figure 3 est une vue schématique d’un exemple de dispositif d’inertage dans une première position,
- la figure 4 est une vue schématique du dispositif d’inertage de la figure 3 dans une deuxième position,
- la figure 5 est une vue schématique du dispositif d’inertage de la figure 3 dans encore une première position intermédiaire,
- la figure 6 est une vue schématique du dispositif d’inertage de la figure 3 dans encore une deuxième position intermédiaire, - la figure 7 est une vue schématique du dispositif d’inertage de la figure 3 dans encore une troisième position intermédiaire,
- la figure 8 est une vue schématique d’un autre exemple de dispositif d’inertage dans une première position, et
- la figure 9 est une vue schématique d’encore un autre exemple de dispositif d’inertage dans une variante de position intermédiaire.
Un satellite 10 est illustré à la figure 1.
Le satellite 10 comprend une charge utile qui regroupe les instruments nécessaires pour remplir la mission ainsi qu’une plate-forme qui supporte la charge utile et qui lui fournit les ressources dont la charge utile a besoin pour son fonctionnement.
Seule une partie de la plate-forme est illustrée sur la figure 1 par soucis de simplification.
Le satellite 10 comprend un panneau photovoltaïque 12, un circuit de distribution du contrôle et de la puissance 13 et un bloc d’alimentation 14.
Un panneau photovoltaïque 12 est un dispositif convertissant une partie du rayonnement solaire en électricité.
Le panneau photovoltaïque 12 est relié au circuit de distribution du contrôle et de la puissance 13.
Un tel circuit est plus souvent désigné sous l’appellation PCDU, l’abréviation renvoyant à la dénomination anglaise de « Power and Control Distribution Unit».
Dans la suite, le circuit de distribution du contrôle et de la puissance 13 est appelé PCDU 13.
Dans le cas de la figure 1 , le bloc d’alimentation 14 comporte une batterie 16 et un dispositif d’inertage 18.
Le panneau photovoltaïque 12 et le bloc d’alimentation 14 permettent d’alimenter le satellite 10 dans toutes les circonstances.
Plus spécifiquement, lorsque le satellite 10 reçoit de la lumière solaire, le panneau photovoltaïque 12 est propre à alimenter le bloc d’alimentation 14 (et donc la batterie 16) et la charge utile du satellite 10.
Lorsque le panneau photovoltaïque 12 n’est plus exposé à la lumière ou que la pénombre est telle que le panneau photovoltaïque 12 ne suffit pas pour alimenter tout le satellite, la batterie 16 est propre à alimenter le satellite 10 en prenant le relai du panneau photovoltaïque 12 ou en le secondant respectivement.
Une batterie 16 est un terme générique désignant un ensemble d’accumulateurs électrochimiques 20, appelés éléments, reliés entre eux (en série et/ou en parallèle) de façon à créer un générateur électrique de tension, de puissance et de capacité C désirée. Une batterie 16 convertit l’énergie électrique accumulée pendant la phase de charge en énergie chimique. L'énergie chimique est constituée par des composés électro- chimiquement actifs disposés dans l'élément. L'énergie électrique est restituée par conversion de l’énergie chimique en énergie électrique pendant la phase de décharge.
Les électrodes, disposées dans un contenant, sont connectées électriquement à des bornes de sortie de courant qui assurent une continuité électrique entre les électrodes et un consommateur électrique auquel l'élément est associé.
Selon la configuration d’interconnexion(s) « série/parallèle » retenue (simple ou multiple) des éléments électrochimiques, la batterie 16 est formée d’un ou plusieurs modules électriquement connectés en série ou en parallèle. Selon les cas, chaque module est formé d’une ou plusieurs branches électriquement connectées en série ou en parallèle où chaque branche est formée d’un ou de plusieurs éléments électrochimiques électriquement connectés en série (dans le cas « d’un » élément électrochimique, celui-ci peut être unique ou être lui-même la résultante de plusieurs accumulateurs électriquement connectés en parallèle)
La batterie 16 comprend une première borne 21 et une deuxième borne 22.
Dans l’exemple décrit, la première borne 21 est une borne positive et la deuxième borne 22 est une borne négative.
Selon l’exemple décrit, la batterie 16 est une batterie lithium-ion.
En outre, la batterie 16 a pour particularité que les éléments électrochimiques Li-ion qui la constituent comportent un collecteur d’électrode négative comprenant du cuivre.
Dans la suite, il est exploité le comportement d’une telle batterie 16 en décharge.
La batterie 16 présente la courbe de décharge représentée sur la figure 2. Cette courbe correspond à une décharge à C/2 à 20° C, sachant que les remarques qui suivent sont valables pour différentes valeurs de courant de décharge (régime de décharge) et différentes températures.
Dans cette courbe, quatre phases sont présentes et sont maintenant décrites.
La première phase correspondant à la décharge classique.
La deuxième phase est une phase de surdécharge liée au fait que la cathode de la batterie 16 présente un excès de lithium.
La limite entre la première phase et la deuxième phase est généralement appelée DoD. L’appellation « DoD » renvoie à la dénomination anglaise de « Depth of Discharge » signifiant littéralement « profondeur de décharge ».
La troisième phase est une phase d’inversion. La troisième phase est dénommée ainsi du fait que la tension de la batterie 16 devient négative et que la troisième phase se finit par le forgeage du court-circuit. La quatrième phase correspond à un état totalement passivé. Dans la quatrième phase, la batterie 16 présente un comportement purement résistif à la suite du forgeage du court-circuit interne par les dendrites de cuivre.
Le dispositif d’inertage 18 est un dispositif d’inertage de la batterie 16.
L'inertage consiste à supprimer le risque de phénomène accidentel (explosion, pollution, etc.) causé par un ou plusieurs produits réactifs mal confinés.
Pratiquement, l'inertage consiste à retirer « irréversiblement » le caractère actif électrochimique des éléments composant la batterie 16, c’est-à-dire à retirer son énergie stockée et sa capabilité à reprendre la charge.
En l’espèce, le dispositif d’inertage 18 assure la passivation de la batterie 16.
Le dispositif d’inertage 18 comporte un circuit de raccordement 24 qui comprend un premier connecteur 26, un deuxième connecteur 28 et une unité de basculement 30.
Le circuit de raccordement 24 relie la batterie 16 au panneau photovoltaïque 12 (selon le mode de réalisation de la figure 1).
Le premier connecteur 26 et le deuxième connecteur 28 sont les sorties du circuit de raccordement 30 qui sont destinées à être raccordées au panneau photovoltaïque 12 (selon le mode de réalisation de la figure 1).
L’unité de basculement 30 comporte un ensemble de deux contacteurs C1 et C2 à deux positions.
Un contacteur est un appareil commandé propre à établir ou interrompre le passage du courant.
Chaque contacteur C1 et C2 comporte un pôle et deux terminaux.
Un tel contacteur est plus souvent désigné sous l’appellation SPDT qui renvoie à la dénomination anglaise de « Single Pôle Double Throw» signifiant littéralement « un pôle, deux sorties » (en fait : 1 pôle commun et 2 autres terminaux afin de réaliser 2 positions de contact électrique).
Dans l’exemple proposé, chaque contacteur C1 et C2 est un contacteur de type MBB. L’abréviation « MBB » renvoie à la dénomination anglaise de « Make Before Break » qui signifie littéralement « faire avant de couper ». Concrètement, cela signifie que la nouvelle connexion est réalisée avant de couper l’ancienne, ce qui permet d’éviter des situations de non-alimentation.
Dans la suite, pour clarifier le propos, le pôle du premier contacteur C1 est appelé premier pôle P1 ; les terminaux du premier contacteur C1 sont appelés respectivement premier terminal T1 et deuxième terminal T2. Similairement, le pôle du deuxième contacteur C2 est appelé deuxième pôle P2 et les terminaux du deuxième contacteur C2 sont appelés respectivement troisième terminal T3 et quatrième terminal T4.
Dans l’exemple décrit, l’unité de basculement 30 peut prendre cinq positions qui sont respectivement visibles sur les figures 3 à 7.
Avant de décrire les spécificités de chacune des positions, il convient d’abord de noter les éléments communs aux cinq positions.
Concernant le premier contacteur C1, le premier pôle P1 est relié au premier connecteur 26 du circuit de raccordement 24, le premier terminal T 1 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16 et le deuxième terminal T2 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
Pour le deuxième contacteur C2, le deuxième pôle P2 est relié au deuxième connecteur 28 du circuit de raccordement 24, le troisième terminal T3 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16 et le quatrième terminal T4 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Dans la première position correspondant à la figure 3, le premier pôle P1 est relié au premier terminal T1.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est relié au troisième terminal T3.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
Dans une telle position, soit la batterie 16 est alimentée par le panneau photovoltaïque 12, soit la batterie 16 est apte à délivrer en se déchargeant l’énergie stockée via le PCDU 13.
Dans la deuxième position correspondant à la figure 4, le premier pôle P1 est relié au deuxième terminal T2.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est relié au quatrième terminal T4.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Dans une telle position, lorsque le panneau photovoltaïque 12 est éclairé, le panneau photovoltaïque délivre un courant au circuit de raccordement 24 qui pour lui est un courant de charge, mais qui en fait conduit, avec les polarités inversées de la batterie 16, à une décharge forcée de la batterie 16. Dans la troisième position correspondant à la figure 5, le premier pôle P1 est encore relié au premier terminal T1 et est juste relié au deuxième terminal T2.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne positive 21 et à la borne négative 22 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est toujours relié au troisième terminal T3.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16 et au premier connecteur 26.
La troisième position correspond ainsi à une position intermédiaire entre la première position et la deuxième position dans laquelle la batterie 16 est en court-circuit et le panneau photovoltaïque 12 est en court-circuit.
Le terme de « position intermédiaire » renvoie au fait que la position est ponctuelle et n’est pas destinée à durer au contraire de la première position et de la deuxième position.
Dans la quatrième position correspondant à la figure 6, le premier pôle P1 est relié au deuxième terminal T2.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est toujours relié au troisième terminal T3.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
La quatrième position correspond ainsi à une position intermédiaire entre la première position et la deuxième position dans laquelle la batterie 16 est en circuit ouvert et le panneau photovoltaïque 12 est en court-circuit.
Dans la cinquième position correspondant à la figure 7, le premier pôle P1 est relié au deuxième terminal T2.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est encore relié au troisième terminal T3 et est juste relié au quatrième terminal T4.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne négative 22 et à la borne positive 21 de la batterie 16.
La cinquième position correspond ainsi à une position intermédiaire entre la première position et la deuxième position dans laquelle la batterie 16 est en court-circuit et le panneau photovoltaïque 12 est en court-circuit.
L’unité de basculement 30 est ainsi propre à basculer entre plusieurs positions, une première position dans laquelle la batterie 16 est branchée dans un premier sens, une deuxième position dans laquelle la batterie 16 est branchée dans un deuxième sens opposé au premier et une pluralité de positions intermédiaires dans lesquelles la batterie 16 est soit en court-circuit soit en circuit ouvert.
Le passage de la première position à la deuxième position revient ainsi à une inversion des bornes 21 et 22 de la batterie 16.
Le fonctionnement du satellite 10 est maintenant décrit.
Lorsque le satellite 10 est en fonctionnement durant sa durée de vie nominale, l’unité de basculement 30 est dans la première position.
Cela signifie que le panneau photovoltaïque 12 vient charger la batterie 16 lorsque le panneau photovoltaïque 12 reçoit du rayonnement solaire.
Lorsque le panneau photovoltaïque 12 n’envoie plus d’énergie, la batterie 16 vient alimenter les équipements du satellite 10 en électricité, et notamment la charge utile.
Ce fonctionnement dure tant que la durée de vie du satellite 10 est inférieure à sa durée de vie nominale.
Une fois que cette durée de vie est terminée, le satellite 10 doit retourner sur Terre dans notre exemple.
Pour cela, il faut inerter la batterie et le procédé d’inertage suivant se met en place.
L’unité de basculement 30 bascule de la première position aux positions intermédiaires.
Dans l’exemple de séquencement proposé, l’unité de basculement 30 bascule successivement dans la troisième position, la quatrième position et la cinquième position.
La batterie 16 est ainsi successivement en court-circuit, en circuit ouvert et en court- circuit tandis que le panneau photovoltaïque est en court-circuit.
Le déclenchement de la bascule de l’unité de basculement 30 se fait de préférence lorsque la batterie 16 est déchargée (fin de la première phase) ou le plus déchargée possible pour opérer dans un temps le plus court possible (donc avec comme objectif d’inerter en un cycle dans le cas d’utilisation de contacteurs C1 et C2 irréversibles) pendant la période où le panneau est éclairé et délivre un courant (de charge vis-à-vis de lui).
Les basculements entre les positions intermédiaires sont les plus rapides possible pour limiter les durées d’exposition à des courts-circuits.
Puis, l’unité de basculement 30 bascule de la cinquième position à la deuxième position.
Dans la deuxième position, le panneau photovoltaïque 12 délivre du courant dans la batterie 16 dont les polarités ont été inversées via ses bornes 21 et 22.
Le courant délivré à la batterie 16 est dans un sens tel qu’il effectue une décharge forcée. Pour éviter un emballement thermique de la batterie 16, il est choisi un régime de décharge inférieur à la moitié de la capacité (< 0,5C) de la batterie 16, la capacité d’une batterie étant la capacité énergétique d’une batterie à délivrer un certain courant pendant un certain temps.
De préférence, pour assurer une sécurité encore meilleure, si la valeur du courant est modifiable et si la durée pour opérer l’inertage n’est pas critique, le courant débité correspond à un régime de 0,3 C.
Cela conduit la batterie 16 à passer de la fin de la première phase (car il est possible que la batterie 16 ne soit pas déchargée jusqu’à 100% DoD lorsque le basculement de la première position à la troisième position a lieu) à la deuxième phase, puis de la deuxième phase à la troisième phase, puis de la troisième phase à la quatrième phase sur la courbe représentée à la figure 2.
Dans la quatrième phase, la batterie 16 perd son caractère électrochimique ou actif. La batterie 16 se comporte du point de vue électrique comme une résistance.
La batterie 16 est ainsi passivée de manière complète et ce à plusieurs titres : ce sont l’ensemble des accumulateurs 20 qui sont passivés et pas seulement une partie, et la passivation est irréversible, ce qui implique notamment qu’il n’est pas possible que la batterie 16 revienne à un état chargé.
Le dispositif d’inertage 18 réalise ainsi un procédé de passivation d’une batterie 16 par inversion de ses bornes 21 et 22 vis-à-vis du circuit de charge 12.
Cela permet d’obtenir un procédé d’inertage de mise en œuvre aisée.
En effet, aucune modification de la position du satellite 10 ou rotation du panneau solaire 12 n’est requise.
Le procédé d’inertage implique uniquement l’utilisation d’une unité de basculement 30.
En outre, le dispositif d’inertage 18 opère de manière sécurisée en ce sens que la continuité électrique est maintenue et que les conditions de pression et de température restent maîtrisées en permanence pour que chaque accumulateur 20 reste dans des conditions de fonctionnement « nominales en-deçà des limites » (pas de fuite, pas de fonctionnement de coupe-circuit).
Le dispositif d’inertage 18 permet, en outre, d’obtenir un inertage en un temps relativement réduit. Par exemple, il est possible d’obtenir un inertage en moins de 23 heures, ce qui est compatible avec les exigences du domaine spatial en orbite géostationnaire à un régime de courant de C/10.
De plus, le dispositif d’inertage 18 est adaptable aux caractéristiques électriques de la batterie 16, notamment à sa tension et à sa capacité.
D’autres modes de réalisations du dispositif d’inertage 18 sont envisageables. Par exemple, selon un autre mode de réalisation, le mode de séquencement est différent puisque le basculement consiste à faire commuter d’abord le deuxième contacteur C2 au lieu du premier contacteur C1.
Les positions intermédiaires des figures 5 à 7 sont alors différentes.
Dans la troisième position modifiée, le premier pôle P1 est toujours relié au premier terminal T1.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est encore relié au troisième terminal T3 et est juste relié au quatrième terminal T4.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne négative 22 et à la borne positive 21 de la batterie 16.
Dans la quatrième position modifiée, le premier pôle P1 est toujours relié au premier terminal T1.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est relié au quatrième terminal T4.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Dans la cinquième position modifiée, le premier pôle P1 est encore relié au premier terminal T1 et est juste relié au deuxième terminal T2.
Cela implique que le premier connecteur 26 est relié à la borne positive 21 et à la borne négative 22 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 est relié au quatrième terminal T4.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Selon un autre mode de réalisation correspondant à la figure 8, l’unité de branchement 30 présente un branchement des contacteurs C1 et C2 qui diffère de celui des figures 3 à 7.
Dans cette configuration, le premier pôle P1 est relié à la borne positive 21 de la batterie 16, le deuxième pôle P2 est relié à la borne négative 22 de la batterie 16, le premier terminal T1 et le quatrième terminal T4 sont reliés au premier connecteur 26 et le deuxième terminal T2 et le troisième terminal T3 sont reliés au deuxième connecteur 28.
Selon une autre variante ou en complément, l’unité de basculement 30 comporte d’autres commutateurs, tels un rotacteur, un relais ou encore un contacteur à un pôle et un terminal. Un tel contacteur est plus souvent désigné sous l’appellation SPST qui renvoie à la dénomination anglaise de « Single Pôle Simple Throw » signifiant littéralement « Un pôle, une sortie ». Dans le dernier cas, les contacteurs SPST réalisent unitairement un contact respectif entre un pôle et un terminal.
Selon le cas d’espèce, il est possible d’utiliser des contacteurs réversibles ou irréversibles. Le choix entre ces types de contacteur peut être guidé par différentes considérations comme le besoin en fiabilité (peur d’une commande intempestive, d’un déclenchement intempestif), le besoin de procéder en plusieurs cycles pour arriver à obtenir une profondeur de décharge garantissant l’état inerté et la possibilité de passer ou non par des phases de court-circuit.
En variante, il est utilisé des contacteurs de type BBM. L’abréviation « BBM » renvoie à la dénomination anglaise de « Break Before Make » qui signifie littéralement « couper avant de faire ». Une telle variante est notamment avantageuse dans le cas où la charge utile est alimentée par le panneau photovoltaïque 12 éclairé lors de la procédure d’inertage. En effet, le séquencement de basculement entre la première position et la deuxième position est moins contraint puisqu’il n’y aurait plus de besoin de garantir la continuité de l’alimentation de la charge utile par la batterie et donc autoriserait de ne plus passer par les phases intermédiaires de court-circuit ponctuel entre la batterie 16 et le panneau photovoltaïque 12. L’unité de basculement 30 peut alors fonctionner en utilisant comme position intermédiaire la position présentée à la figure 9.
Dans la position de la figure 9, le premier pôle P1 n’est plus relié au premier terminal T1.
Cela implique que le premier connecteur 26 n’est plus relié à la borne positive 21 de la batterie 16.
Par ailleurs, le deuxième pôle P2 n’est plus relié au troisième terminal T3.
Cela implique que le deuxième connecteur 28 n’est plus relié à la borne négative 22 de la batterie 16.
La position de la figure 9 correspond ainsi à une position intermédiaire entre la première position et la deuxième position dans laquelle la batterie 16 est en circuit ouvert et le panneau photovoltaïque 12 est en circuit ouvert (mais en circuit fermé avec la charge utile).
Le dispositif d’inertage 18 est également utilisable dans d’autres contextes.
Ainsi, selon un exemple, le circuit de charge 12 est un PCDU 13.
De manière générale, le dispositif d’inertage 18 peut fonctionner avec tout circuit de charge 12 capable de fonctionner pour les deux polarités de la batterie 16.
Dans certaines applications, il peut être envisagé d’utiliser plusieurs circuits de charge 12. De plus, pour l’exemple décrit, le système 10 est un satellite mais tout autre système est envisageable.
A titre d’illustration, le système 10 pourrait être un système de valorisation de déchets.
Dans un tel cas, le dispositif d’inertage 18 permet d’éviter tout risque d’explosion de la batterie 16.
En outre, le dispositif d’inertage 18 est capable d’assurer l’inertage de tout type de batterie présentant un comportement similaire à celui décrit dans la figure 2 pour la batterie 16 (à savoir ce qui s’apparente à une « électrolyse interne des accumulateurs 20 » conduisant à un dépôt de métal et une mise en court-circuit par une simple «inversion forcée »).
Notamment, il est à noter que beaucoup de matériaux sont envisageables pour la batterie 16.
Pour rappel, un élément électrochimique, encore désigné par le terme « élément » dans ce qui suit, comprend un faisceau électrochimique constitué d’une alternance de cathodes et d’anodes encadrant un séparateur imprégné d'électrolyte. Chaque cathode et anode est constituée d'un collecteur de courant métallique supportant sur au moins une de ses faces au moins une matière active et généralement un liant et un matériau conducteur électronique tel que le carbone.
Ainsi, le matériau actif de la cathode peut varier selon le cas considéré.
En particulier, selon un premier exemple, la matière active est un composé de formule LixMni-y-zM'yM"zPC>4 (LMP), où M' et M" sont différents l’un de l’autre et sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo, avec 0,8 £ x £ 1 ,2 ; 0 £ y £ 0,6 ; 0,0 £ z £ 0,2.
Selon un cas particulier, la matière active a pour formule UMni-yFeyP04, et avantageusement LiMnPCL.
Selon un deuxième exemple, la matière active est un composé de formule LixMni-y- zM'yM"zP04 (LMP), où M' et M" sont différents l’un de l’autre et sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo, avec 0,8 £ x £ 1 ,2 ; 0 £ y £ 0,6 ; 0,0 £ z £ 0,2.
Selon un cas particulier du deuxième exemple, le composé de la matière active a pour formule UxM2-x-y-z-wM'yM"zM'"w02, où 1 £ x £ 1,15 ; M désigne Ni ; M' désigne Mn ; M" désigne Co et M'" est choisi dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Sr, Ce, Ga et Ta ou un mélange de ceux-ci ; 2-x-y-z-w>0 ; y>0 ; z>0 ; w³0.
Selon un autre cas particulier, le composé a pour formule LiNh/3Mni/3Coi/3C>2. Selon encore un autre cas particulier, le composé a pour formule LixM2-x-y-z- wM'yM"zM'"w02, où 1 £ x £ 1,15 ; M désigne Ni ; M' désigne Co ; M" désigne Al et M'" est choisi dans le groupe consistant en B, Mg, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Sr, Ce, Ga et Ta ou un mélange de ceux-ci ; 2-x-y-z-w>0 ; y>0 ; z>0 ; w³0. De préférence, x=1 ; 0,6£2-x-y-z£0,85 ; 0,10£y£0,25 ; 0,05£z£0,15 et w=0.
Un autre cas particulier correspond au cas où le composé est choisi parmi LiNi02, UCo02, LiMn02, Ni, Co et Mn pouvant être substitués par l’un ou par plusieurs des éléments choisis dans le groupe comprenant Mg, Mn (sauf pour LiMn02), Al, B, Ti, V, Si, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr.
Selon un troisième exemple, la matière active est un composé de formule LixMn2.y. zM'yM"zC>4 (LMO), où M' et M" sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo;. M' et M" étant différents l’un de l’autre, et 1 £ x £ 1 ,4 ; 0 £ y £ 0,6 ; 0 £ z £ 0,2.
Selon un cas particulier, la matière active a pour formule LiMn2C>4. Un autre exemple de composé a pour formule LixMn2-y-zNiyM"z04 (LMO), où M" est choisi dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo; et 1£x£1,4 ; 0£y£0,6 ; 0£z£0,2. Un exemple de ce composé est LiMn2-yNiy04 où 0£y£0,6, tel que LiMni,5Nio,504.
Selon un quatrième exemple, la matière active est un composé de formule LixFei- yMyP04, où M est choisi dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo; et 0,8 £ x £ 1 ,2 ; 0 £ y £ 0,6.
Dans un cas particulier du quatrième exemple, le composé de la matière active a pour formule LiFeP04.
Selon un cinquième exemple, la matière active est un composé de formule xLi2MnC>3; (1-x)LiM02 où M est choisi parmi Ni, Co et Mn et x £ 1.
Dans un cas particulier de cet exemple, le composé de la matière active est Li2MnC>3.
Selon un sixième exemple, la matière active est un composé qui est un fluorophosphate de lithium et de vanadium de formule Lh+xVPCLF où 0 £ x £ 0,15, ou un de ses dérivés de formule Lii+xVi.yMyP04Fz où 0 £ x £ 0,15, 0 < y £ 0,5, 0,8 £ z £ 1,2 et M est choisi dans le groupe consistant en Ti, Al, Y, Cr, Cu, Mg, Mn, Fe, Co, Ni, et Zr.
Des exemples de dérivés préférés sont LiYxVi.xPC>4F (0 < x £ 0,5), LiCrxVi.xPC>4F (0 <x £ 0,5), LiCoxVi-xP04F (0 < x £ 0,5), LiMnxVi.xP04F (0 < x £ 0,5), LiTixVi.xP04F (0 < x £ 0,5), LiFexVi-xP04F (0 < x £ 0,5).
Selon un septième exemple, la matière active est un mélange de deux ou plus des composés précités.
La matériau active anodique peut également varier selon le cas considéré. Ainsi, la matière active anodique est un matériau capable d’insérer du lithium dans sa structure. La matière active anodique peut être choisie parmi des composés du lithium, des matériaux carbonés comme le graphite, le coke, le noir de carbone et le carbone vitreux. La matière active anodique peut aussi être à base d’étain, de silicium, de composés à base de carbone et de silicium, de composés à base de carbone et d’étain ou de composés à base de carbone, d’étain et de silicium. La matière active anodique peut aussi être du lithium métal ou à base d’un alliage de lithium. La matière active anodique peut aussi être un oxyde de titane lithié tel que LUTisO^ ou un oxyde de titane de de niobium tel que Til\lb2C>7.
Similairement, le liant peut également varier selon le mode de réalisation choisi.
Le liant peut ainsi être choisi parmi les composés suivants, pris seuls ou en mélange : le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et ses copolymères, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et ses copolymères, le polyacrylonitrile (PAN), poly(méthyl)- ou (butyl)méthacrylate, le polychlorure de vinyle (PVC), le poly(vinyl formai), un polyester, les polyétheramides séquencés, les polymères d'acide acrylique, l’acide méthacrylique, un acrylamide, l’acide itaconique, l’acide sulfonique, les élastomères et les composés cellulosiques.
Il en va de même pour le matériau conducteur électronique qui est généralement choisi parmi le graphite, le noir de carbone, le noir d'acétylène, la suie, le graphène, les nanotubes de carbones ou un mélange de ceux-ci. Il est utilisé généralement à raison de 7% ou moins par rapport à la somme des masses du mélange de matière active anodique, du liant et du matériau conducteur électronique.
Enfin, le matériau du séparateur peut être choisi parmi les matériaux suivants : une polyoléfine, par exemple le polypropylène PP, le polyéthylène PE, un polyester, des fibres de verre liées entre elles par un polymère, le polyimide, le polyamide, le polyaramide, le polyamideimide et la cellulose.
Les modes de réalisation précédents peuvent être combinés pour former de nouveaux modes de réalisations.
Dans chacun de ces modes de réalisations, le dispositif d’inertage 18 comprend le circuit de raccordement 24, le circuit de raccordement 24 connectant la batterie 16 au circuit de charge 12, le circuit de raccordement 24 comprenant le premier connecteur 26, le deuxième connecteur 28 et l’unité de basculement 30, l’unité de basculement 30 étant propre à basculer entre une première position dans laquelle le premier connecteur 26 est connecté à une borne 21 ou 22 de la batterie 16 et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur 26 est connecté à l’autre borne 21 ou 22 de la batterie 16.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d’inertage (18) d’une batterie (16) comprenant une première borne (21 , 22) et une deuxième borne (21 , 22), la première borne (21 , 22) et la deuxième borne (21 , 22) présentant une polarité opposée, le dispositif d’inertage (18) comprenant un circuit de raccordement (24), le circuit de raccordement (24) connectant la batterie (16) à au moins un circuit de charge (12), le circuit de raccordement (24) comprenant un premier connecteur (26), un deuxième connecteur (28) et une unité de basculement (30), l’unité de basculement (30) étant propre à basculer entre une première position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la première borne (21, 22) et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la deuxième borne (21, 22).
2. Dispositif d’inertage selon la revendication 1 , dans lequel l’unité de basculement (30) est également propre à connecter le deuxième connecteur (28) à la deuxième borne (21 , 22) dans la première position et à connecter le deuxième connecteur (28) à la première borne (21 , 22) dans la deuxième position.
3. Dispositif d’inertage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’unité de basculement (30) est également propre à basculer dans une troisième position dans laquelle la batterie (16) est en court-circuit ou en circuit ouvert.
4. Dispositif d’inertage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de raccordement (24) est configuré pour alimenter le même circuit de charge (12).
5. Dispositif d’inertage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’unité de basculement (30) comporte au moins un contacteur (C1 , C2) à deux positions.
6. Dispositif d’inertage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’unité de basculement (30) est un ensemble de deux contacteurs (C1, C2) à deux positions.
7. Dispositif d’inertage selon la revendication 6, dans lequel chaque contacteur (C1, C2) est relié à un connecteur (26, 28) respectif.
8. Dispositif d’inertage selon la revendication 6, dans lequel chaque contacteur (C1, C2) est relié à une borne (21, 22) respective.
9. Bloc d’alimentation (14) comportant une batterie (16) et un dispositif d’inertage (18) de la batterie (16), le dispositif d’inertage (18) est selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Bloc d’alimentation selon la revendication 9, dans lequel la batterie (16) est une batterie comprenant du lithium.
11. Système (10) comportant un circuit de charge (12) et un bloc d’alimentation (14) selon la revendication 9 ou 10.
12. Système selon la revendication 9, dans lequel le circuit de charge (12) est un panneau solaire (12) ou le circuit de distribution du contrôle et de la puissance (13).
13. Procédé d’inertage d’une batterie (16) comprenant une première borne (21 , 22) et une deuxième borne (21, 22), la première borne (21 , 22) et la deuxième borne (21 , 22) présentant une polarité opposée, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif d’inertage (18) comprenant un circuit de raccordement (24), le circuit de raccordement (24) connectant la batterie (16) à au moins un circuit de charge (12), le circuit de raccordement (24) comprenant un premier connecteur (26), un deuxième connecteur (28) et une unité de basculement (30), le procédé comprenant une étape de basculement entre une première position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la première borne (21, 22) et une deuxième position dans laquelle le premier connecteur (26) est connecté à la deuxième borne (21, 22).
14. Procédé d’inertage selon la revendication 13, dans lequel, dans la première position, le deuxième connecteur (28) est connecté à la deuxième borne (21, 22), dans la deuxième position, le deuxième connecteur (28) est connecté à la première borne (21, 22) et le procédé comporte une étape de décharge de la batterie (16) par le circuit de charge (12) dans la deuxième position.
15. Procédé d’inertage selon la revendication 14, dans lequel lors de l’étape de décharge, la batterie (16) est successivement en phase de décharge, en phase de surdécharge, en phase d’inversion puis dans un état totalement passivé.
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