Couverture ElectroniqueS n°127

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. 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.Simple mais vigilantComme 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.

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