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Jul 02, 2023

Les dépôts de brevets fournissent des indices sur l'avenir des batteries de véhicules électriques

Nous sommes dans les étapes préliminaires d'une transition historique de l'interne

Nous en sommes aux étapes préliminaires d'une transition historique des véhicules à moteur à combustion interne (ICE) vers les véhicules électriques à batterie (BEV). La transition sera coûteuse et difficile à bien des égards. L'innovation devrait faciliter cette transition. Les demandes de brevet récemment déposées peuvent fournir des indices sur la direction de l'innovation BEV.

COMMENTAIRE

La plupart des demandes de brevet américaines sont publiées par l'Office américain des brevets et des marques (USPTO) peu de temps après leur dépôt. Cet article se concentre uniquement sur les demandes de brevet de l'USPTO, qui reflètent également l'innovation BEV ainsi que les brevets déposés dans d'autres offices de brevets à travers le monde.

Un brevet américain accorde à son titulaire le droit d'empêcher les autres de fabriquer, d'utiliser, de vendre ou d'importer aux États-Unis des produits couverts par le brevet. Un brevet peut être revendiqué contre un produit concurrent, que le produit ait été créé sans connaissance du brevet ou non. Un brevet peut être extrêmement précieux et il peut être exploité par son propriétaire par le biais de litiges, de licences à des tiers ou d'autres moyens.

Les BEV sont entièrement alimentés à l'électricité. Un groupe motopropulseur BEV comprend généralement un onduleur de traction connecté électriquement entre une batterie rechargeable et un moteur électrique. La batterie fournit une alimentation en courant continu. Le moteur électrique a besoin de courant alternatif pour fonctionner. L'onduleur de traction convertit le courant continu de la batterie en courant alternatif pour le moteur électrique. L'onduleur de traction contrôle également la vitesse et le couple du moteur électrique.

Les batteries sont le composant le plus important et le plus cher du groupe motopropulseur BEV. Les batteries sont caractérisées par de nombreux facteurs, notamment le coût, le temps de recharge, la densité d'énergie, la densité de puissance, la sécurité et la durée de vie. Des batteries plus petites et plus légères réduisent le coût et le poids des BEV. Cependant, les batteries plus petites n'ont pas la capacité nécessaire pour apaiser l'anxiété du conducteur.

Actuellement, les batteries lithium-ion sont préférées pour les BEV. En 2022, de nombreux communiqués de presse ont annoncé des projets de création de nouvelles usines aux États-Unis pour la fabrication de batteries lithium-ion. Ces annonces ont augmenté peu après l'adoption de la loi américaine sur la réduction de l'inflation, qui met l'accent sur les batteries BEV d'origine nationale.

Les batteries lithium-ion sont constituées d'un électrolyte, d'une anode et d'une cathode. L'électrolyte est l'endroit où les ions sont échangés entre l'anode et la cathode pendant que la batterie est chargée ou déchargée. Plusieurs matériaux différents peuvent être utilisés pour l'électrolyte et les électrodes (c'est-à-dire l'anode et la cathode), chacun avec ses propres avantages et inconvénients. Ceux-ci inclus:

La base de données de l'USPTO indique qu'un total de 4 301 demandes de brevets américains ont été déposées, qui concernent les batteries lithium-ion. Un certain nombre de ces demandes de brevet peuvent concerner des aspects périphériques des batteries lithium-ion, notamment des méthodes de recyclage, de surveillance, etc. Cependant, la plupart des 4 301 brevets concernent la composition, la structure et les méthodes de fabrication des batteries lithium-ion.

Près de 40 % des 4 301 demandes de brevet ont été déposées au cours des cinq dernières années, ce qui suggère que l'innovation dans la technologie des batteries lithium-ion se poursuit à un rythme rapide. Cela suggère également que les batteries lithium-ion joueront un rôle important dans les BEV dans un avenir prévisible. Le graphique ci-dessous présente une répartition géographique par pays demandeur des demandes de brevet relatives aux batteries lithium-ion qui ont été déposées aux États-Unis au cours des cinq dernières années. Il semble que le Japon ait joué un rôle de premier plan dans le développement des batteries lithium-ion depuis 2017.

Malgré l'importance de la technologie des batteries lithium-ion, l'USPTO constate une augmentation du rythme auquel les demandes de brevets américains portant sur des technologies de batteries alternatives sont déposées, telles que les batteries à semi-conducteurs. Contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries à semi-conducteurs utilisent des électrolytes à semi-conducteurs pour transférer les ions lithium entre l'anode et la cathode. Les électrolytes à l'état solide fournissent aux batteries des densités d'énergie plus élevées, une durée de vie plus longue et une meilleure sécurité. Cependant, le prix et la complexité de la fabrication de batteries à semi-conducteurs à grande échelle suscitent certaines inquiétudes.

La base de données de l'USPTO indique qu'un total de 1 302 demandes de brevet américain liées aux batteries à semi-conducteurs ont été déposées, dont près de 74 % au cours des cinq dernières années. Le graphique ci-dessous présente une répartition par pays demandeur des demandes de brevets sur les batteries à semi-conducteurs au cours des cinq dernières années. Encore une fois, le Japon mène la charge dans le développement des batteries à semi-conducteurs.

L'onduleur de traction est un autre composant important et coûteux du groupe motopropulseur BEV. Les onduleurs de traction, comme indiqué ci-dessus, convertissent le courant continu en courant alternatif pour le fonctionnement d'un moteur électrique. Un onduleur de traction comprend généralement trois phases ou jambes, dont chacune comprend un interrupteur côté haut connecté à un interrupteur côté bas, dont la combinaison est connectée en série entre les bornes positive et négative d'une batterie. Les interrupteurs conduisent le courant lorsqu'ils sont allumés. Les commutateurs reçoivent des signaux d'activation d'un microprocesseur ou d'un dispositif similaire. Grâce à l'activation coordonnée des commutateurs côté haut et côté bas, le courant circule dans les enroulements du stator à chaque phase pour créer un champ magnétique rotatif qui interagit avec un rotor. Le rotor crée à son tour un couple sur un arbre d'entraînement.

Les commutateurs affectent considérablement le coût, la taille, le poids, la densité de puissance et l'efficacité d'un onduleur de traction. Les transistors bipolaires à grille isolée au silicium (IGBT) sont actuellement le commutateur préféré utilisé dans les onduleurs de traction. Les IGBT au silicium sont bon marché et abondants, ce qui en fait l'alternative préférée pour une utilisation dans les onduleurs de traction. Pour les faibles vitesses de commutation, les IGBT au silicium offrent également un bon rendement. Cependant, les onduleurs de traction sont désormais conçus pour fonctionner à des vitesses de commutation plus élevées, là où les IGBT au silicium sont moins efficaces. Ceci, à son tour, réduit l'efficacité globale des onduleurs de traction dans lesquels des IGBT au silicium sont utilisés. Un système de gestion thermique plus important peut également être nécessaire pour refroidir les IGBT au silicium fonctionnant à des vitesses de commutation plus élevées, ce qui à son tour augmente le coût, le poids et la taille de l'onduleur de traction.

La base de données de l'USPTO indique un total de 586 demandes de brevets américains liés aux IGBT, dont 31 % ont été déposées au cours des cinq dernières années. Le tableau ci-dessous présente une répartition par pays demandeur des dernières demandes de brevet IGBT déposées. La Chine et les États-Unis semblent être les principaux innovateurs au cours des cinq dernières années.

À ce jour, les transistors à effet de champ (MOSFET) en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN) sont devenus les technologies alternatives préférées aux IGBT en silicium. Ces dispositifs à semi-conducteurs peuvent fonctionner à des vitesses de commutation plus élevées (même à des tensions élevées) avec des pertes de commutation plus faibles, ce qui signifie moins de génération de chaleur, réduisant ainsi les exigences, la taille et le coût des systèmes de gestion thermique.

La base de données de l'USPTO indique qu'un total de 1 412 demandes de brevets américains ont été déposées concernant les transistors SiC. Près de 35 % de ces demandes de brevet ont été déposées au cours des cinq dernières années. Alors que les États-Unis et la Chine ouvrent la voie en matière d'innovation liée aux IGBT, les entreprises japonaises semblent se concentrer davantage sur les transistors SiC, ayant déposé 59 % des demandes de brevets connexes au cours des cinq dernières années.

D'autre part, les entreprises américaines semblent avoir concentré davantage leurs efforts sur la technologie des transistors GaN. La base de données de l'USPTO indique qu'un total de 1 043 demandes de brevets américains ont été déposées concernant les transistors GaN, mais seulement 17 % d'entre elles ont été déposées au cours des cinq dernières années. Cela suggère que les transistors SiC peuvent être préférés aux transistors GaN pour être utilisés comme alternatives aux IGBT dans les onduleurs de traction. Comme le montre le graphique ci-dessous, les déposants américains peuvent penser le contraire puisque les déposants américains ont déposé plus de la moitié des demandes de brevets américains portant sur des transistors GaN au cours des cinq dernières années.

En résumé, un nombre substantiel de demandes de brevet ont été récemment déposées aux États-Unis qui concernent l'innovation du groupe motopropulseur BEV. Alors que les batteries lithium-ion semblent être la batterie de choix pour les BEV à court terme, le nombre relativement élevé de demandes de brevet récemment déposées suggère que les batteries à semi-conducteurs peuvent être une alternative viable. Les IGBT au silicium sont actuellement le transistor de puissance de choix pour une utilisation dans les onduleurs de traction. Cependant, le nombre relativement élevé de demandes de brevet récemment déposées suggère fortement que les MOSFET SiC et GaN gagnent sur les IGBT.

—Sam Campbell,Christophe Kent, etEric Stephensonsont membres de l'équipe énergétique de Womble Bond Dickinson.

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