FR3061405A1 - Systeme photovoltaique miniature et appareil mobile comprenant un tel systeme - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système photovoltaïque miniature (200) comportant au moins une cellule photovoltaïque (230) et une batterie (220) reliée électriquement à la cellule photovoltaïque. La batterie est reliée électriquement à la cellule photovoltaïque par l'intermédiaire d'un circuit imprimé (210). La cellule photovoltaïque (230) est montée sur une première face du circuit imprimé (210), tandis que la batterie (220) est disposée en regard d'une deuxième face opposée du circuit imprimé (210). Ce système photovoltaïque miniature trouve une application privilégiée dans les appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.
Description
@ Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.
| ©) Demande(s) d’extension : | ® Mandataire(s) : CABINET CAMUS LEBKIRI Société à responsabilité limitée. |
® SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE MINIATURE ET APPAREIL MOBILE COMPRENANT UN TEL SYSTEME.
FR 3 061 405 - A1 (57) L'invention concerne un système photovoltaïque miniature (200) comportant au moins une cellule photovoltaïque (230) et une batterie (220) reliée électriquement à la cellule photovoltaïque. La batterie est reliée électriquement à la cellule photovoltaïque par l'intermédiaire d'un circuit imprimé (210). La cellule photovoltaïque (230) est montée sur une première face du circuit imprimé (210), tandis que la batterie (220) est disposée en regard d'une deuxième face opposée du circuit imprimé (210). Ce système photovoltaïque miniature trouve une application privilégiée dans les appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.
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SYSTÈME PHOTOVOLTAÏQUE MINIATURE ET APPAREIL MOBILE COMPRENANT UN TEL SYSTÈME
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative aux systèmes photovoltaïques fonctionnant comme générateur de tension et concerne plus particulièrement un système photovoltaïque miniature. L’invention concerne également un appareil mobile équipé d’un système photovoltaïque miniature et un procédé de fabrication d’un tel système.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Un système photovoltaïque est un système autonome remplissant plusieurs fonctions telles que la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique, le stockage de l’énergie électrique et la gestion de l’énergie électrique. Il peut servir à alimenter en courant continu des dispositifs, tels qu’une lampe ou un actionneur, ou être relié à un réseau de distribution électrique.
La figure 1 représente de façon schématique un système photovoltaïque 100 selon l’art antérieur. Le système photovoltaïque 100 comporte les éléments suivants :
- un ou plusieurs panneaux photovoltaïques 110, ou panneaux solaires, intégrant des cellules photovoltaïques et réalisant la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique ;
- une ou plusieurs batteries 120 stockant l’énergie produite par le ou les panneaux photovoltaïques ;
- une unité de gestion 130 de l’énergie électrique produite ou stockée ; et éventuellement
- un onduleur 140 pour convertir la tension continue obtenue en sortie de la batterie 120 en une tension alternative correspondant à la tension de fonctionnement du réseau électrique
Ces éléments sont reliés entre eux par des câbles électriques 150 et peuvent être éloignés les uns des autres.
L’unité de gestion 130 remplit plusieurs fonctions, dont la régulation des charges et des décharges de la batterie 120. Ce régulateur peut notamment être amené à limiter le courant de charge ou de décharge et à interrompre la charge ou la décharge (afin d’éviter une surcharge ou décharge profonde). Il empêche également que la batterie 120 ne se décharge dans les cellules photovoltaïques du panneau 110 en l’absence d’ensoleillement. Il dispose de plusieurs entrées-sorties, dont une entrée couplée au panneau photovoltaïque 110, une première sortie en tension continue (typiquement 12 V ou 24 V) pour le circuit électrique 160 alimentant les divers dispositifs en courant continu et une deuxième sortie (également en tension continue) pour le raccordement de la batterie 120.
Des efforts de miniaturisation ont été réalisés afin de répandre l’utilisation de ces générateurs de tension photovoltaïques. Par exemple, les batteries, traditionnellement de type plomb-acide, ont été remplacées par des batteries plus compactes, à base de lithium notamment.
Le brevet FR2936111 décrit un système photovoltaïque dont le poids et l’encombrement sont réduits grâce à l’intégration de tous ses composants au sein d’un seul dispositif. Dans ce système photovoltaïque, destiné principalement à des habitations, une batterie au lithium a été assemblée au dos du panneau photovoltaïque par l’intermédiaire d’une structure de maintien mécanique. Un espace, aménagé autour de la structure de maintien et de largeur comprise entre 1 cm et 10 cm, sépare le panneau photovoltaïque de la batterie. Cet espace permet une circulation d’air dans le système, afin que la chaleur dégagée par le panneau ne compromette pas la durée de vie de la batterie. Le système photovoltaïque comporte par ailleurs une plaque de support en époxy, disposée à l’opposé du panneau photovoltaïque par rapport à la batterie et sur laquelle repose une carte électronique. La carte électronique implémente notamment la gestion de la charge et de la décharge de la batterie. Elle est vissée aux bornes de la batterie à travers la plaque de support.
Le système photovoltaïque du brevet FR2936111, bien que plus compact que le système photovoltaïque 100 de la figure 1, reste volumineux, en raison notamment de l’utilisation d’une structure de maintien. Par exemple, il ne peut être utilisé en tant que tel pour alimenter des dispositifs portatifs. L’élimination de la structure de maintien (et donc de l’espace séparant la batterie du panneau photovoltaïque) afin de réduire le poids et l’encombrement du système limiterait l’évacuation de la chaleur et conduirait à une élévation importante de la température.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
Il existe donc un besoin de prévoir un système photovoltaïque compact, dans lequel la température reste malgré tout maîtrisée afin d’éviter un dysfonctionnement du système ou un vieillissement prématuré des composants du système, tels que la batterie.
Selon un premier aspect de l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un système photovoltaïque comportant au moins une cellule photovoltaïque et une batterie reliée électriquement à la cellule photovoltaïque, dans lequel la batterie est reliée électriquement à ladite au moins une cellule photovoltaïque par l’intermédiaire d’un circuit imprimé et dans lequel :
- ladite au moins une cellule photovoltaïque est montée sur une première face du circuit imprimé ; et
- la batterie est disposée en regard d’une deuxième face opposée du circuit imprimé:
Le circuit imprimé de ce système photovoltaïque sert non seulement d’interface électrique entre la batterie et la (ou les) cellule(s) photovoltaïque(s), mais également de support pour tout ou partie des composants du système. En particulier, la cellule photovoltaïque est montée directement sur le circuit imprimé, de préférence par soudage ou brasage. On évite ainsi la superposition du circuit imprimé avec une plaque de protection, telle que celle utilisée dans les panneaux photovoltaïques, et un gain de place significatif est obtenu.
La disposition de la batterie et de la cellule photovoltaïque, de part et d’autre du circuit imprimé, permet d’optimiser simultanément la surface utile dédiée à la production d’énergie photovoltaïque et la surface utile dédiée au stockage de l’énergie électrique. En outre, cette disposition améliore l’isolation thermique entre la batterie et la cellule photovoltaïque.
De préférence, le système photo voltaïque comporte en outre un régulateur de charge et/ou de décharge de la batterie, relié électriquement à ladite au moins une cellule photovoltaïque et à la batterie par l’intermédiaire du circuit imprimé.
Dans un premier mode de réalisation du système, le régulateur est monté sur la deuxième face du circuit imprimé et ladite au moins une cellule photovoltaïque occupe entre 80 % et 100 % de la première face du circuit imprimé.
Dans un deuxième mode de réalisation, le régulateur est monté sur la première face du circuit imprimé et la batterie recouvre entre 80 % et 100 % de la deuxième face du circuit imprimé.
Le système selon le premier aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la batterie est séparée du circuit imprimé par une lame d’air d’épaisseur comprise entre 0,5 mm et 1 mm et le circuit imprimé mesure entre 1 mm et 4 mm d’épaisseur ;
- la batterie comporte une pluralité de cellules électrochimiques enfermées dans un caisson d’isolation thermique ;
- la batterie est une batterie au lithium, de préférence une batterie lithium-ferphosphate (LFP) ;
- ladite au moins une cellule photovoltaïque et la première face du circuit imprimé sont recouvertes d’un capot de protection transparent à un rayonnement solaire ou d’une couche de résine transparente au rayonnement solaire ; et
- le système comprend de préférence entre 1 et 70 cellules photovoltaïques à base de silicium connectées en série et/ou parallèles. Dans le cas d’une batterie comprenant une ou plusieurs cellules électrochimiques au lithium, le système comprend de préférence entre 10 et 12 cellules photovoltaïques connectées en série.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un appareil mobile, tel qu’un téléphone portable ou un ordinateur portable, comprenant un système photovoltaïque selon le premier aspect de l’invention.
Avantageusement, l’appareil mobile comprend une coque de boîtier et le système photovoltaïque fait intégralement partie de la coque de boîtier de l’appareil mobile.
Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un système photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes :
- prévoir un circuit imprimé présentant des première et deuxième faces opposées ;
- disposer au moins une cellule photovoltaïque sur la première face du circuit imprimé et connecter électriquement ladite au moins une cellule photovoltaïque au circuit imprimé ;
- disposer une batterie en regard de la deuxième face du circuit imprimé et connecter électriquement la batterie au circuit imprimé, le circuit imprimé reliant électriquement la batterie à ladite au moins une cellule photovoltaïque.
Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé, ladite au moins une cellule photovoltaïque est connectée par soudage ou brasage au circuit imprimé avant de connecter la batterie au circuit imprimé.
Dans un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, ladite au moins une cellule photovoltaïque est connectée au circuit imprimé au moyen d’une colle conductrice photodurcissable ou thermodurcissable à une température inférieure à 60 °C.
Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape de collage de la batterie sur une face intérieure d’un capot de protection avant de connecter la batterie au circuit imprimé.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1, précédemment décrite, représente un système photovoltaïque selon l’art antérieur ;
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d’un système photovoltaïque selon le premier aspect de l’invention ;
- la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d’un système photovoltaïque selon le premier aspect de l’invention ;
- la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d’un système photovoltaïque selon le premier aspect de l’invention ; et
- la figure 5 est une vue éclatée d’un exemple de système photovoltaïque selon le premier aspect de l’invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D’AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION
La figure 2 représente un système photovoltaïque miniature 200 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le système photovoltaïque 200 est construit autour d’un circuit imprimé 210. Un circuit imprimé (ou PCB de l'anglais « printed circuit board ») désigne un support, en général une plaque, permettant de maintenir et de relier électriquement plusieurs composants électroniques entre eux. On peut également parler de « carte électronique >>. Le circuit imprimé 210 comporte de façon classique des pistes conductrices 211, typiquement en métal, formées à la surface d’une ou plusieurs couches diélectriques 212 empilées les unes sur les autres. Les couches diélectriques 212 sont constituées d’un matériau électriquement et thermiquement isolant, par exemple une résine époxy mélangée à des fibres de verre. Les pistes métalliques communiquent d’un niveau à l’autre de l’empilement par des interconnexions verticales 213 appelées « via », également en métal.
Outre le circuit imprimé 210, le système photovoltaïque 200 comporte une batterie 220 et au moins une cellule photovoltaïque 230. La batterie 220 et la cellule photovoltaïque 230 sont reliées électriquement par l’intermédiaire du circuit imprimé 210, et plus particulièrement par les pistes et via du circuit imprimé 210. Du fait qu’il intègre une batterie, le système photovoltaïque 200 fonctionne en tant que générateur de tension photovoltaïque.
La batterie est avantageusement une batterie au lithium, par exemple une batterie lithium-fer-phosphate (LFP). Ce type de batterie présente de fortes densités d’énergie massique et volumique, ce qui la rend propice à la miniaturisation des systèmes photovoltaïques. La batterie 220 peut comporter une pluralité de cellules électrochimiques 221 (comprenant chacune une électrode négative, au moins un matériau actif et une électrode positive) connectées en série et/ou en parallèle (en série sur la figure 2). Les cellules électrochimiques 221 sont avantageusement enfermées dans un caisson d’isolation thermique 222, formé par exemple de polystyrène expansé (conductivité thermique de 0,03-0,04 W.m’1.K’1) ou de polyuréthane (0,02-0,04 W.m LK’1). Ce caisson 222 constitue le boîtier de la batterie 220 et protège les cellules électrochimiques 221 d’une élévation trop forte de la température. Typiquement, au-dessus de 60 °C, les cellules électrochimiques de la batterie LFP peuvent être détériorées. Enfin, deux conducteurs électriques 223 débouchent à l’extérieur du caisson 222 et forment les bornes positive et négative de la batterie 220.
Selon la technologie de cellule photovoltaïque et le type de batterie utilisés, le système 200 peut comporter plusieurs cellules photovoltaïques 230 connectées électriquement en série et/ou en parallèle, typiquement entre 1 et 70 cellules. L’ensemble des cellules photovoltaïques 230 du système doit en effet permettre d’atteindre une tension et un courant suffisants pour charger la batterie 220 lorsque les cellules sont exposées à un rayonnement électromagnétique, tel que le rayonnement solaire. Les cellules photovoltaïques 230 sont de préférence des cellules à base de silicium, monocristallin, polycristallin ou amorphe. Compte tenu de la tension au point maximum de fonctionnement des cellules photovoltaïques à base de silicium (~ 0,5 V) et de la tension requise pour charger la batterie au lithium (~ 4-5 V), le système photovoltaïque 200 comporte de préférence entre 10 et 12 cellules photovoltaïques 230 à base de silicium. Afin de simplifier la représentation du système 200, la figure 2 ne montre toutefois que trois de ces cellules photovoltaïques 230.
Les cellules photovoltaïques 230 sont disposées à plat sur une première face, dite face avant, du circuit imprimé 210. Au moins une partie des contacts électriques (ou métallisations) de chaque cellule est en contact direct avec une ou plusieurs pistes métalliques du circuit imprimé 210. L’autre partie des contacts électriques peut également reposer sur une ou plusieurs pistes métalliques (cas des cellules à contacts arrière interdigités par exemple) ou, comme cela est illustré sur la figure 2, y être reliée par des interconnexions 231 en forme de fil ou de ruban (cas des cellules à contacts en face avant et face arrière).
De préférence, les cellules photovoltaïques 230 sont brasées sur le circuit imprimé 210. Elles constituent alors des composants montés en surface (CMS). Alternativement, les cellules photovoltaïques 230 sont connectées aux pistes métalliques du circuit imprimé 210 par soudage ou par des points d’une colle conductrice électriquement, typiquement une résine chargée de particules métalliques.
La disposition des cellules photovoltaïques 230 en contact avec le circuit imprimé 210 permet au système photo voltaïque 200 d’être fortement intégré et par conséquent compact. Contrairement au système de l’art antérieur, le système photovoltaïque de la figure 2 ne consiste pas en la superposition d’une batterie au dos d’un panneau photovoltaïque. La plaque de protection (généralement en verre) et la couche d’encapsulation sur lesquelles reposent les cellules photovoltaïques du panneau ont ici été remplacées par le circuit imprimé 210. En outre, grâce à l’utilisation de ce circuit imprimé 210, la distance qui sépare les cellules photovoltaïques 230 des autres composants du système photovoltaïque 200 (en particulier de la batterie 220) est faible, ce qui réduit les pertes ohmiques.
La batterie 220 est disposée de l’autre côté du circuit imprimé 210 par rapport aux cellules photovoltaïques 230, en regard d’une deuxième face du circuit imprimé. Cette deuxième face, opposée à la première face, est désignée ci-après comme la « face arrière >> du circuit imprimé 210. La batterie 220 est par conséquent isolée thermiquement des cellules photovoltaïques 230 par le circuit imprimé 210. La batterie 220 s’étend longitudinalement en parallèle du circuit imprimé 210, dont les faces avant et arrière sont planes et parallèles. Elle est avantageusement connectée à des via ou des pistes métalliques du circuit imprimé 210 par le biais de ses conducteurs électriques 223.
De préférence, un espace 240 sépare la batterie 220 du circuit imprimé 210. Cet espace 240 contribue à renforcer l’isolation thermique de la batterie vis-à-vis de la chaleur dégagée par les cellules. L’espace 240 peut être constitué par une lame d’air ou être rempli d’un matériau (solide) isolant thermiquement, par exemple une mousse de polystyrène expansé, de polyuréthane, ou de polyisocyanurate.
La batterie est, dans ce premier mode de réalisation, fixée au dos d’un capot de protection arrière 250a qui vient se fixer au circuit imprimé 210. De la même façon, un capot de protection avant 250b recouvre les cellules photovoltaïques 230 et se fixe au circuit imprimé 210. Le capot avant 250b est, à la différence du capot arrière 250a, nécessairement transparent au rayonnement solaire, afin que les cellules photovoltaïques 230 puissent capter ce rayonnement.
L’espace éventuel entre le capot avant 250b et le circuit imprimé 210, l’espace éventuel entre la batterie 220 et les parois latérales du capot arrière 250a, ainsi que l’espace 240 entre la batterie et le circuit imprimé peuvent chacun être remplis d’un matériau d’encapsulation, choisi par exemple parmi les mousses précipitées.
Dans certains modes de réalisation, dont celui de la figure 1, le système photovoltaïque miniature 200 comprend en outre un régulateur 260 de charge et/ou de décharge de ίο la batterie 220. Le régulateur 260 peut remplir diverses fonctions, telles que empêcher la batterie 220 de se décharger dans les cellules photovoltaïques 230 en l’absence de rayonnement, limiter les courants de charge et de décharge de la batterie, interrompre la charge et la décharge et modifier la tension en sortie des cellules 230 pour l’adapter à la tension de charge nominale de la batterie 220. Cette électronique peut également implémenter des fonctions dites intelligentes, telles que le contrôle de l’état de charge et de l’état de santé de la batterie et le contrôle de la température de la batterie. Dans un mode de réalisation, le régulateur 260 est constitué d’une simple diode (fonction anti-retour).
Comme cela est illustré sur la figure 2, le capot avant 250b peut être traversé par des conducteurs 270, reliés au régulateur 260 par l’intermédiaire des pistes métalliques du circuit imprimé 210. Ces conducteurs 270 forment les bornes électriques (anode et cathode) du système photovoltaïque 200. Un connecteur, par exemple de type USB (« Universal Serial Bus >> en anglais), est avantageusement fixé à l’extrémité libre des conducteurs 270. Il permettra de brancher un dispositif que le système alimentera en énergie ou, au contraire, de brancher un chargeur de batterie.
Le régulateur de charge et de décharge 260 se présente de préférence sous la forme d’un ou plusieurs circuits intégrés, montés en surface sur le circuit imprimé 210. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le régulateur 260 repose sur la face avant du circuit imprimé 210, par exemple sur un bord du circuit imprimé à proximité des cellules photovoltaïques 230. Ainsi, la batterie 220 peut occuper toute la face arrière du circuit imprimé 210. De préférence, la batterie couvre entre 80 % et 100 % de la superficie de la face arrière. Cette première configuration du système photovoltaïque permet d’optimiser la surface utile dédiée au stockage de l’énergie électrique.
A l’inverse, dans un deuxième mode de réalisation du système représenté par la figure 3, le régulateur 260 est monté sur la face arrière du circuit imprimé 210. Les cellules photovoltaïques 230 occupent alors avantageusement entre 80 % et 100 % de la superficie de la face avant du circuit imprimé 210. Cette deuxième configuration du système photovoltaïque favorise la production d’énergie électrique.
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Plutôt que d’utiliser un capot avant transparent, la face avant du circuit imprimé 210 et les cellules photovoltaïques 230 peuvent être recouvertes entièrement d’une couche en un matériau d’encapsulation 300 (cf. Fig.3). Ce matériau d’encapsulation 300 est par exemple une résine uréthane
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation dans lequel tous les composants du système photovoltaïque, à l’exception des bornes 270, sont enrobés du matériau d’encapsulation 300. Dans une telle configuration, les bornes 270 du système photovoltaïque sont avantageusement disposées sur l’une des faces latérales du circuit imprimé 210. Les faces latérales du circuit imprimé 210 sont celles qui relient les faces avant et arrière.
La température de fonctionnement de la batterie 220, en charge et en décharge, est un paramètre qui conditionne ses performances et sa durée de vie. Lorsque la température de charge devient trop grande (par exemple au-dessus de 45 °C dans le cas d’une batterie LFP), le régulateur 260 peut réduire le courant de charge, voire interrompre la charge. Le système photovoltaïque miniature 200 est avantageusement conçu pour limiter les contraintes thermiques qui s’exercent sur la batterie, principalement lors de la charge (exposition au rayonnement solaire).
Des simulations (mises en œuvre grâce à un modèle de convection thermique) ont permis d’identifier plusieurs configurations de système qui respectent les contraintes de température imposées par les batteries au lithium. La figure 5 est une vue éclatée du système photovoltaïque miniature pris en considération pour ces simulations. Les conditions choisies pour conduire les simulations sont les suivantes :
- Le circuit imprimé 210 comporte une seule couche diélectrique formée d’un matériau électriquement isolant. Ce matériau isolant est composé de résine époxy et de fibres de verre (matériau de type FR4). Sa conductivité thermique est de 0,3 W.nr1 .K-1 dans le sens des fibres de verre et de 0,19 W.nr1 .K-1 dans le sens perpendiculaire aux fibres de verre.
- La batterie 220, à base de lithium (LFP), mesure 60 mm x 35 mm x 1,5 mm (longueur x largeur x épaisseur) et dissipe au maximum 500 mW. Elle est chargée avec une tension comprise entre 4 V et 5 V et un courant d’au maximum 1 A
- Les cellules photovoltaïques 230 en silicium sont au nombre de dix, connectées en série, et mesurent chacune 35 mm x 15 mm x 0,3 mm (longueur x largeur x épaisseur). Chaque cellule 230 dissipe environ 320 mW.
- Un régulateur de batterie 260 adapté à des tensions de l’ordre de 5 V et des courants inférieurs à 2 A est également pris en compte. Ce chargeur 260 est adjacent au circuit imprimé 210 et dissipe au maximum 100 mW.
- La batterie 220 est collée au fond d’un capot 250 en aluminium, de dimensions égales à 80 mm x 40 mm x 2,3 mm. Il existe par conséquent une bande d’air située à la périphérie de la batterie 220. Par ailleurs, une lame d’air 290 sépare la batterie 220 du circuit imprimé 210. Le coefficient de convection thermique avec cet air ambiant est égal à 20 W.m’1.K’1. La conductivité thermique du capot 250 en aluminium et la convection thermique à l’extérieur du capot sont respectivement de l’ordre de 200 W.m’1.K’1 et 20 W.m LK’1.
Les simulations ont permis d’étudier l’influence de différents paramètres, comme la température ambiante, l’épaisseur du circuit imprimé 210 et l’épaisseur de la lame d’air 290 entre la batterie 220 et le circuit imprimé 210, sur la température de la batterie. Parmi les différentes configurations de système simulées, l’épaisseur du circuit imprimé 210 à base d’époxy varie entre 1 mm et 4 mm et l’épaisseur de la lame d’air entre le circuit 210 et la batterie 220 varie entre 0,5 mm et 1 mm. La température ambiante varie quant à elle entre -10 °C et 40 °C.
Il résulte de ces simulations que, dans les conditions normales de fonctionnement (i.e. température ambiante comprise entre -10 °C et 40 °Q, toutes les configurations proposées respectent les contraintes de température de la batterie. Autrement dit, quelles que soient les valeurs d’épaisseurs de circuit imprimé et de la lame d’air retenues (dans les plages susmentionnées), la température de charge de la batterie ne dépasse 45 °C. Ce n’est qu’au-dessus d’une tempâature ambiante de 40 °C que le régulateur limitera le courant de charge afin que la température de la batterie ne dépasse pas 45 °C.
Le système photovoltaïque miniature des figures 2 à 4 trouve une application privilégiée dans les appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables. Il peut notamment remplacer la coque de boîtier arrière située au dos d’un téléphone ou d’un ordinateur portable (en tournant le capot de protection transparent 250b ou la couche de résine 300 vers l’extérieur du téléphone/ordinateur). Il peut également remplacer la coque de boîtier avant d’un ordinateur portable (située derrière l’écran). Dans tous ces cas, le système photovoltaïque miniature est avantageusement partie intégrante du boîtier de l’appareil mobile.
Grâce à l’énergie électrique produite par les cellules photovoltaïques, l’autonomie de l’appareil mobile peut être prolongée. En outre, la batterie de l’appareil sera plus facilement rechargeable puisqu’il suffira d’exposer les cellules photovoltaïques à un rayonnement électromagnétique. Le système photovoltaïque miniature peut venir en remplacement ou en supplément de la batterie existante. Enfin, le régulateur peut permettre d’alimenter l’appareil mobile directement avec l’énergie produite par les cellules photovoltaïques, c’est-à-dire sans qu’elle soit stockée au préalable dans la batterie.
Un procédé de fabrication du système photovoltaïque miniature va maintenant être décrit. Ce procédé de fabrication comporte une étape de connexion électrique, par collage, soudage ou brasage, des cellules photovoltaïques 230 sur une face du circuit imprimé 210 et une étape de connexion électrique de la batterie 220 à l’autre face du circuit imprimé 210.
Afin d’éviter que la batterie 220 ne soit soumise à une trop forte température, les cellules photovoltaïques 230 sont de préférence soudées ou brasées au circuit imprimé 210 avant de connecter la batterie 220 au circuit imprimé 210. En effet, le soudage et le brasage requièrent des températures élevées qui sont susceptibles d’endommager la batterie 220. Alternativement, les cellules photovoltaïques 230 peuvent être connectées au circuit imprimé 210 au moyen d’une colle conductrice photodurcissable, par exemple par exposition aux ultraviolets (UV), ou au moyen d’une colle thermodurcissable à une température inférieure à 60 °C. Dans ces deux derniers cas, la batterie peut déjà avoir été connectée au circuit imprimé, puisqu’il s’agit d’un procédé à basse température. Une colle conductrice comprend de préférence des particules conductrices (par exemple en métal) et un matériau polymérisable, dans lequel sont dispersées les particules conductrices. La colle commercialisée par la société « 3M » sous la référence « UV B-stage » est un exemple de colle photodurcissable par UV. Les résines époxy bi-composant sont un exemple de colle 5 thermodurcissable à une température inférieure à 60 °C. De préférence, la batterie 220 est connectée au circuit imprimé 210 grâce à la technique du soudage électrique par points.
Dans un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de fabrication, la batterie 220 îo est collée sur la face intérieure d’un capot de protection, tel que le capot 250 en aluminium (cf. Fig.5), puis ce capot est rapporté sur la face arrière du circuit imprimé 210 pour être collé ou assemblé au circuit imprimé. Le collage ou l’assemblage s’effectue de préférence à basse température (<60 °C).
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Système photovoltaïque (200) comportant au moins une cellule photovoltaïque (230) et une batterie (220) reliée électriquement à ladite au moins une cellule photovoltaïque, caractérisé en ce que la batterie est reliée électriquement à ladite au moins une cellule photovoltaïque par l’intermédiaire d’un circuit imprimé (210) et en ce que :- ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) est montée sur une première face du circuit imprimé (210) ; et- la batterie (220) est disposée en regard d’une deuxième face opposée du circuit imprimé (210).
- 2. Système (200) selon la revendication 1, comprenant en outre un régulateur (260) de charge et/ou de décharge de la batterie (220), relié électriquement à ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) et à la batterie (220) par l’intermédiaire du circuit imprimé (210).
- 3. Système (200) selon la revendication 2, dans lequel le régulateur (260) est monté sur la deuxième face du circuit imprimé (210) et dans lequel ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) occupe entre 80 % et 100 % de la première face du circuit imprimé.
- 4. Système (200) selon la revendication 2, dans lequel le régulateur (260) est monté sur la première face du circuit imprimé (210) et dans lequel la batterie (220) recouvre entre 80 % et 100 % de la deuxième face du circuit imprimé (210).
- 5. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la batterie (220) est séparée du circuit imprimé (210) par une lame d’air (290) d’épaisseur comprise entre 0,5 mm et 1 mm et dans lequel le circuit imprimé mesure entre 1 mm et 4 mm d’épaisseur.
- 6. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la batterie (220) comporte une pluralité de cellules électrochimiques (221) enfermées dans un caisson d’isolation thermique (222).
- 7. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la batterie (220) est une batterie au lithium, de préférence une batterie lithium-ferphosphate (LFP).
- 8. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) et la première face du circuit imprimé (210) sont recouvertes d’un capot de protection (250b) transparent à un rayonnement solaire ou d’une couche de résine (300) transparente au rayonnement solaire.
- 9. Appareil mobile, tel qu’un téléphone portable ou un ordinateur portable, comprenant un système photovoltaïque (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- 10. Appareil selon la revendication 9, comprenant une coque de boîtier et dans lequel le système photovoltaïque fait intégralement partie de la coque de boîtier de l’appareil mobile.
- 11. Procédé de fabrication d’un système photovoltaïque (200) comprenant les étapes suivantes :- prévoir un circuit imprimé (210) présentant des première et deuxième faces opposées ;- disposer au moins une cellule photovoltaïque (230) sur la première face du circuit imprimé (210) et connecter électriquement ladite au moins une cellule photovoltaïque au circuit imprimé ;- disposer une batterie (220) en regard de la deuxième face du circuit imprimé (210) et connecter électriquement la batterie au circuit imprimé, le circuit imprimé (210) reliant électriquement la batterie (220) à ladite au moins une cellule photovoltaïque (230).
- 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) est connectée par soudage ou brasage au circuit imprimé (210) avant de connecter la batterie (220) au circuit imprimé (210).
- 13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite au moins une cellule photovoltaïque (230) est connectée au circuit imprimé (210) au moyen d’une colle5 conductrice photodurcissable ou thermodurcissable à une température inférieure à60 °C.
- 14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant en outre une étape de collage de la batterie (220) sur une face intérieure d’un capot de îo protection (250) avant de connecter la batterie au circuit imprimé (210).^/^1001/2200
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