Electronique - Les circuits de charge de batterie

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Les circuits de charge de batterie
Modules incontournables des applications portables, les circuits de charge de batterie ont été happés par l'essor fantastique de celles-ci. Ce succès s'accompagne de nombreuses exigences nouvelles en termes d'optimisation de la charge et de contrôles de sécurité.

Hélène Trézéguet , Electronique Mensuel, le 15/06/2007 à 10h00

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	Sommaire du dossier
	Les circuits de charge de batterie
	Trouver le bon compromis entre coût et sécurité

Qu'il s'agisse de téléphones cellulaires, de lecteurs MP3, d'appareils photo numériques ou de consoles de jeux, les équipements alimentés par batteries sont de plus en plus nombreux dans notre quotidien. Ils ne se contentent pas d'être omniprésents, ils se doivent aussi d'être toujours plus riches en fonctions complexes de communications, d'affichage, de traitements vidéo, d'accès Internet, voire de réception HDTV. Autant de caractéristiques exigeantes en énergie dans des produits, sous le joug des lois des appareils grand public hautement concurrentiels, qu'il faut alimenter de manière fiable et durable.

Les batteries et leurs circuits de gestion ont dû et su évoluer rapidement pour répondre à ces cahiers des charges très contraignants en performances, tant sur la fourniture d'énergie proprement dite que sur la sécurité, la durée de vie, la taille et le poids du sous-système d'accumulateurs. Comme nous le rapportions dans nos colonnes, suite à une table ronde sur ce sujet ( Electronique n° 158, page 32), les composés chimiques des accumulateurs se sont modifiés et grandement perfectionnés ces dernières années, pour satisfaire les applications portables grand public qui font office de moteur d'innovations dans ce domaine. Ainsi la technologie lithiumion (Li-ion) et sa version lithium-polymère (Li-pol) ont largement pris le pas sur les composés traditionnels NiCd, et même les plus récents NiMH. Avant d'étudier les raisons de la suprématie des produits au lithium, précisons que les modèles Li-ion et Li-pol relèvent de la même technologie. La première fait appel à un électrolyte liquide ou en gelée et la seconde à un matériau solide. Plus petit et moins inflammable, le procédé Li-pol est cependant plus coûteux à la fabrication. Pour leurs autres caractéristiques, notamment celles intéressant leurs circuits de charge et de protection, les deux procédés font cause commune. Nous prendrons donc indifféremment l'appellation Li+ pour qualifier ces types de batteries.

Par rapport aux accumulateurs NiMH, les produits Li+ présentent une énergie volumique seulement supérieure de 10 à 30 %. Par contre, si on mesure la capacité sous forme d'énergie par masse unitaire, les modèles Li+ doublent la donne. Les batteries NiMH sont relativement lourdes et le poids est un paramètre important dans les équipements portatifs. Enfin, parmi les multiples atouts de la technologie Li+, citons : une faible autocharge, l'absence de cycle périodique et une tension de service de 4,2 V, donc suffisamment élevée pour qu'une seule cellule convienne à la réalisation d'une batterie.

Les produits NiCd ont une moins grande capacité que celles, plus récentes, du NiMH ou du Li+. Cependant, leur faible impédance les rend encore attrayantes pour des applications nécessitant un courant élevé pendant de courts moments. Ainsi, si elles sont peu utilisées dans les systèmes portables récents, elles trouvent néanmoins des adeptes dans les outils motorisés. Autre gros défaut : le Cadmium est un matériau polluant. Les accumulateurs NiMH sont essentiellement pénalisés par leur poids et par une autodécharge importante (environ deux fois plus élevée que celle des batteries NiCd, déjà considérée comme grande avec une perte de 1 % de leur capacité par jour), et donc ne conviennent pas aux applications embarquées devant garder un bon niveau d'énergie pendant de longues périodes. Les modèles NiCd et NiMH ont des scénarios de charge très similaires ce qui explique que les circuits chargeurs destinés aux uns conviennent aussi aux autres. Ces deux technologies correspondent souvent à des packs de batterie comprenant plusieurs cellules.

La suprématie des batteries Li+ - et le fait qu'elles imposent des consignes de charge et de protection totalement différentes de celles de leurs congénères NiCd/NiMH - a fortement accéléré l'offre en circuits toujours plus précis, intelligents et autonomes, dédiés à leur gestion.

Une autre tendance marquante de ces dernières années concerne la possibilité d'utiliser le port USB comme source d'énergie alternative de l'adaptateur mural. Deux versions sont possibles, différenciées par le courant maximum autorisé, 100 mA (low power USB) ou 500 mA (high power USB). Quel attrait de pouvoir recharger n'importe où son téléphone sur le port USB de son PC portable !

S'ils ne sont pas autonomes, les circuits chargeurs sont souvent dotés d'une interface avec un microcontrôleur qui pilote le scénario et fixe les diverses données de référence en courant et en tension. Enfin, une autre fonctionnalité possible des circuits de charge est de permettre l'alimentation directe de l'équipement portable, via la tension d'entrée du chargeur issue d'un adaptateur mural ou d'une prise USB.

Le piège des idées reçues
Le but est donc de charger une batterie jusqu'à sa pleine capacité conformément aux caractéristiques du couple chimique impliqué. Deux principaux styles de charge sont possibles : lente (une quinzaine d'heures avec un courant modéré comme C/10 avec C en A.h) ou rapide avec un courant plus important (1C à 2C) pendant une durée allant d'un quart d'heure à trois heures. Le procédé lent est très simple et ne demande qu'un dispositif de détection de fin de charge, qui peut être un temporisateur. Olivier Moreau, ingénieur d'applications senior chez ON Semiconductor, explique : « La charge trop rapide d'une batterie, en employant des intensités supérieures à sa capacité en courant, réduit son nombre de cycles de charge/décharge. Notons que des intensités très inférieures à sa capacité en courant seront également pénalisantes. »

La plus grande part du courant de charge est convertie en énergie chimique. Par contre, si ce courant attaque une cellule déjà « pleine » , celle-ci passe en mode surcharge avec de nombreuses conséquences pénalisantes, voire désastreuses : génération de gaz corrosifs, température excessive et/ou pression interne très forte. Les dégâts possibles sont pour le moins graves : diminution de la durée de vie et, à l'extrême, explosion de la batterie. Si une certaine latitude est permise sur la surcharge des éléments NiCd/NiMH, aucune tolérance n'est autorisée pour les accumulateurs Li+. Les dispositifs de fin de charge et de protection contre la surcharge sont donc particulièrement impératifs dans ces systèmes.

L'application d'un courant normal sur une cellule trop profondément déchargée peut également la dégrader. C'est pourquoi les circuits de charge commencent souvent par la comparaison de la tension de la batterie avec une valeur référence ; si la première est inférieure, un cycle de préchargement à courant modéré (une fraction du courant de charge nominal) est effectué jusqu'à l'obtention d'un niveau acceptable. Certains dispositifs isolent automatiquement la batterie (mode shutdown) en cas de sous-tension, surtension ou hausse excessive de la température. Au sujet de ce dernier paramètre, étant donné que la température va augmenter lorsque la batterie est proche de sa pleine capacité, son contrôle est un des moyens utilisés pour détecter la fin du cycle de charge.

Un autre piège pour le chargeur concerne sa consommation. Tout dépend de là où il se trouve. S'il est à l'extérieur de l'appareil portable (chargeur en berceau), la latitude est plus grande, mais s'il y est incorporé, la dissipation d'énergie doit être minimale et le choix de l'architecture sera fait en conséquence.

La charge du Li+ demande du doigté
Deux raisons pour commencer par décrire le processus de charge d'une batterie Li+ : d'une part, il s'agit de la technologie la plus utilisée aujourd'hui ; d'autre part, son procédé est le plus complexe avec tout un ensemble de détections précises et de protections impératives. Notons que si, par crainte d'une surtension par exemple, la charge est interrompue avant son terme, la pénalité est sévère. En effet, une cellule Li-ion chargée à 100 mV de sa valeur finale perd 10 % de sa capacité !

Une fois les vérifications de précharge éventuelle passées, la batterie Li+ est chargée suivant la méthode dite CCCV (constant-current, constant - voltage). Pendant la première étape, l'élément est alimenté à courant constant (typiquement 1C) et la stabilité de la valeur de ce courant est assurée par le contrôle de la tension aux bornes d'une résistance. La tension et la température sont également surveillées. Les références de tension et les résistances doivent être de bonne précision puisqu'il s'agit de détecter les 4,2 V à ± 50 mV. A ce moment-là, commence la deuxième étape qui consiste à charger à tension constante. Le courant dans la batterie chute de façon exponentielle et l'état de pleine charge est décrété quand il atteint le seuil de 0,03C (figure 1). Il est inutile d'essayer d'accélérer le temps de charge en augmentant la valeur du courant dans la partie CC : cela a très peu d'effet et le cycle le plus long est celui à tension constante (CV) que l'on appelle terminaison de charge. Suivant la topologie choisie par son concepteur, le chargeur pilote un étage de puissance soit linéaire, soit à découpage. Une charge d'entretien épisodique est effectuée quand la faible autodécharge amène la tension d'une cellule à 4,05 V typiquement.

Simple mais vigilant
Comme le montre la figure 2, une batterie NiMH ou NiCd est chargée à courant constant (de l'ordre de 1C) sous la surveillance de nombreux dispositifs de contrôle de tension, de température, associés souvent à un temporisateur. Comme pour le Li+, la topologie du circuit peut être linéaire ou à découpage. Les deux composés chimiques diffèrent cependant sur la détection de fin de charge. Dans le cas du NiCd, la tension aux bornes de ces batteries croît jusqu'à un maximum, puis commence à diminuer. Sa détection de fin de charge est donc basée sur la méthode classique, dite du « delta V négatif » (?V/?t < 0). Pour le NiMH, la fin de charge est plane, il suffit donc d'atteindre ?V/?t = 0. Parfois, la charge est poursuivie avec un courant plus faible pendant un temps limité, c'est le mode « top-off » .

Les batteries NiCd et NiMH souffrant d'un problème d'autodécharge, le chargeur passe ensuite dans un mode dit « trickle » pour entretenir la charge avec des impulsions de courant à intervalles réguliers.