Le type de batterie de choix pour la plupart des produits électroniques fonctionnant sur batteries est la batterie li-ion. Découvrez ce qu’il faut pour les charger correctement.
Li-ion est la batterie la plus couramment utilisée dans les produits électroniques grand public. Parmi les autres types utilisés précédemment, les batteries NiCad utilisées dans les équipements électroniques ont été interdites dans l’UE, de sorte que la demande globale pour ces types a chuté.
Les batteries NiMH sont toujours utilisées, mais leur faible densité d’énergie et leur rapport coût/bénéfice les rendent peu attrayantes.
Fonctionnement et construction des batteries Li-ion
Les batteries Li-ion sont considérées comme des batteries secondaires, ce qui signifie qu’elles sont rechargeables. Le type le plus courant consiste en une anode constituée d’une couche de graphite revêtue sur un substrat de cuivre, ou collecteur de courant, et d’une cathode en revêtement d’oxyde de lithium-cobalt sur un substrat d’aluminium.
Le séparateur est généralement un film mince de polyéthylène ou de polypropylène qui sépare électriquement les deux électrodes, mais permet le transport des ions lithium à travers celle-ci. Cette disposition est illustrée à la figure 1.
Divers autres types de matériaux d’anode et de cathode sont également utilisés, les cathodes les plus courantes prêtent généralement leurs noms à la description du type de la batterie.
Ainsi, les cellules cathodiques à oxyde de cobalt et de lithium sont appelées cellules LCO. Les types d’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt sont appelés types NMC, et les cellules à cathodes de phosphate de fer au lithium sont appelées cellules LFP.
Figure 1 – Principaux composants d’une cellule li-ion typique
Dans une cellule li-ion réelle, ces couches sont généralement étroitement enroulées ensemble, et l’électrolyte, lorsqu’il est liquide, suffit à peine à mouiller les électrodes, et il n’y a pas de liquide qui ballote à l’intérieur.
Cette disposition est illustrée à la figure 2, qui représente la construction interne réelle d’une cellule prismatique ou rectangulaire en boîtier métallique. D’autres types de boîtiers populaires sont cylindriques et en poche (communément appelés cellules polymères).
Les pattes métalliques attachées à chaque collecteur de courant ne sont pas représentées sur cette figure. Ces pattes sont les connexions électriques à la batterie, essentiellement les bornes de la batterie.
Figure 2 – Construction interne typique d’une cellule li-ion prismatique
La charge d’une cellule li-ion implique l’utilisation d’une source d’énergie externe pour conduire des ions li chargés positivement de la cathode à l’électrode d’anode. Ainsi, la cathode devient chargée négativement et l’anode chargée positivement.
Extérieurement, la charge implique un mouvement des électrons du côté de l’anode vers la source de charge, et le même nombre d’électrons étant poussés dans la cathode. C’est la direction opposée à l’écoulement interne des ions li.
Pendant la décharge, une charge externe est connectée aux bornes de la batterie. Les ions Li qui ont été stockés dans l’anode reviennent à la cathode. Extérieurement, cela implique un mouvement des électrons de la cathode vers l’anode. Ainsi, un courant électrique traverse la charge.
Brièvement, ce qui se passe à l’intérieur de la cellule pendant la charge, par exemple, c’est que du côté de la cathode, l’oxyde de lithium-cobalt abandonne une partie de ses ions lithium, devenant un composé avec moins de lithium qui est encore chimiquement stable.
Du côté de l’anode, ces ions lithium s’intègrent, ou s’intercalent, dans les espaces interstitiels du réseau moléculaire du graphite.
Plusieurs problèmes doivent être pris en compte lors de la charge et de la décharge. En interne, les ions li doivent traverser plusieurs interfaces pendant la charge et la décharge. Par exemple, pendant la charge, les ions li doivent se transporter de la majeure partie de la cathode à l’interface cathode-électrolyte.
De là, il doit se déplacer à travers l’électrolyte, à travers le séparateur jusqu’à l’interface entre l’électrolyte et l’anode. Enfin, il doit diffuser à partir de cette interface vers la masse du matériau anodique.
Le taux de transport de charge à travers chacun de ces différents milieux est régi par sa mobilité ionique. Ceci, à son tour, est affecté par des facteurs tels que la température et la concentration d’ions.
Cela signifie en pratique que des précautions doivent être prises lors de la charge et de la décharge pour s’assurer que ces limitations ne sont pas dépassées.
Considérations relatives à la charge des batteries Li-ion
La charge des batteries li-ion nécessite un algorithme de charge spécial. Ceci est effectué en plusieurs étapes décrites ci-dessous:
Charge de ruissellement (Pré-charge)
Si le niveau de charge de la batterie est très faible, elle est chargée à un taux de courant constant réduit qui est typiquement d’environ 1/10 du taux de charge à plein débit décrit ci-dessous.
Pendant ce temps, la tension de la batterie augmente, et lorsqu’elle a atteint un seuil donné, le taux de charge est augmenté jusqu’au taux de charge complet.
Notez que certains chargeurs décomposent cette phase de charge d’écoulement en deux: la pré-charge et la charge d’écoulement, en fonction de la tension initiale de la batterie.
Charge à plein débit
Si la tension de la batterie est initialement suffisamment élevée ou si la batterie s’est chargée jusqu’à ce point, l’étape de charge à plein débit est lancée.
Il s’agit également d’une étape de charge à courant constant, et pendant cette étape, la tension de la batterie continue d’augmenter lentement.
Charge conique
Lorsque la tension de la batterie a atteint sa tension de charge maximale, l’étape de charge conique commence. A cette étape, la tension de charge est maintenue constante.
Ceci est important car les batteries li-ion tomberont en panne de manière catastrophique si elles sont autorisées à se charger à une tension supérieure à leur tension maximale. Si cette tension de charge est maintenue constante à cette valeur maximale, le courant de charge diminuera lentement.
Coupure/arrêt
Lorsque le courant de charge a diminué à une valeur suffisamment basse, le chargeur se déconnecte de la batterie. Cette valeur est typiquement 1/10, ou 1/20, du courant de charge à plein débit.
Il est important de ne pas laisser flotter les batteries li-ion car cela réduira les performances et la fiabilité de la batterie à long terme.
Alors que la section précédente décrit les différentes étapes de charge, des valeurs de seuil spécifiques pour les différentes étapes n’ont pas été fournies. En commençant par la tension, chaque type de batterie li-ion a sa propre tension de borne de charge complète.
Pour les types LCO et NCM les plus courants, c’est 4,20V. Il y en a aussi avec 4,35 V et 4,45V.
Pour les types LFP, il est de 3,65V. Le seuil de charge d’écoulement à charge complète est d’environ 3,0 et 2,6 pour les types LCO / NMC et LFP respectivement.
Un chargeur conçu pour charger un type de batterie li-ion, tel que LCO, ne peut pas être utilisé pour charger un autre type, tel qu’une batterie LFP.
Notez cependant qu’il existe des chargeurs qui peuvent être configurés pour charger plusieurs types. Ceux-ci nécessitent généralement des valeurs de composants différentes dans la conception du chargeur pour s’adapter à chaque type de batteries.
En ce qui concerne le courant de charge, un peu d’explication est nécessaire. La capacité de la batterie Li-ion est traditionnellement indiquée comme mAh, ou Milliampères-Heure, ou Ah. Cette unité, en soi, n’est pas réellement une unité de capacité de stockage d’énergie. Pour atteindre une capacité énergétique réelle, la tension de la batterie doit être prise en compte.
La figure 3 montre une courbe de décharge typique pour une batterie li-ion de type LCO. Puisque la tension de décharge a une pente, la tension moyenne de la batterie de toute la courbe de décharge est considérée comme la tension de la batterie.
Cette valeur est généralement de 3,7 à 3,85 V pour les types LCO et de 2,6V pour les types LFP. En multipliant la valeur mAh avec la tension moyenne de la batterie, on obtient alors le MWh, ou capacité de stockage d’énergie, d’une batterie donnée.
Le courant de charge de la batterie est donné en termes de taux C, où 1C est numériquement le même que la capacité de la batterie en mA. Ainsi, une batterie de 1000mAh a une valeur C de 1000mA. Pour diverses raisons, le taux de charge maximal autorisé pour une batterie li-ion est généralement compris entre 0,5 C et 1C pour les types LCO et 3C ou plus pour les types LFP.
Une batterie peut, bien sûr, être constituée d’au moins une cellule, mais peut être constituée de plusieurs cellules dans une combinaison de groupes de cellules connectées en série et connectées en parallèle.
Le scénario donné précédemment s’applique aux batteries à une seule cellule. Dans les cas où la batterie est composée de plusieurs cellules, la tension de charge et le courant de charge doivent être mis à l’échelle pour correspondre.
Ainsi, la tension de charge est multipliée par le nombre de cellules connectées en série, ou groupe de cellules, et, de même, le courant de charge est multiplié par le nombre de cellules connectées en parallèle dans chaque groupe connecté en série.
Figure 3 – Courbe de décharge typique d’une batterie de type LCO
Un facteur supplémentaire très important à prendre en compte lors de la charge des batteries li-ion est la température. Les batteries Li-ion ne peuvent pas être chargées à basse ou haute température.
À basse température, les ions li se déplacent lentement. Cela peut amener les ions li à se regrouper à la surface de l’anode où ils finiront par se transformer en lithium métal. Parce que cette formation de lithium métallique prend la forme de dendrites, elle peut percer le séparateur, provoquant des courts-circuits internes.
Sur l’extrémité haute de la plage de température, le problème est la génération de chaleur excessive. La charge de la batterie n’est pas efficace à 100% et de la chaleur est générée pendant la charge. Si la température interne du noyau devient trop élevée, l’électrolyte peut se décomposer partiellement et se transformer en sous-produits gazeux. Cela entraîne une réduction permanente de la capacité de la batterie ainsi qu’un gonflement.
La plage de température typique pour charger les batteries li-ion est de 0 ° C à 45 ° C pour les batteries de haute qualité, ou d’environ 8 ° C à 45 ° C pour les batteries moins chères. Certaines batteries permettent également de charger à des températures plus élevées, jusqu’à environ 60 ° C, mais à des taux de charge réduits.
Toutes ces considérations sont généralement remplies par des puces de chargeur dédiées, et il est fortement recommandé d’utiliser de telles puces quelle que soit la source de charge réelle.
Chargeurs Li-ion
Les chargeurs Li-ion se répartissent généralement en deux catégories principales: les chargeurs linéaires et les chargeurs à commutation. Les deux types peuvent répondre aux exigences précédemment énoncées concernant la charge correcte des batteries li-ion. Cependant, ils ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients.
L’avantage d’un chargeur linéaire est sa relative simplicité. Cependant, son principal inconvénient est son inefficacité. Par exemple, si la tension d’alimentation est de 5V, la tension de la batterie est de 3V et le courant de charge est de 1A, le chargeur linéaire dissipera 2W.
Si ce chargeur est intégré dans un produit, c’est beaucoup de chaleur qui devra être dissipée. C’est pourquoi les chargeurs linéaires sont principalement utilisés dans les cas où le courant de charge maximal est d’environ 1A.
Pour les grosses batteries, les chargeurs de commutation sont préférés. Ils peuvent avoir des niveaux d’efficacité allant jusqu’à 90% dans certains cas. Les inconvénients sont son coût plus élevé et les exigences immobilières du circuit un peu plus importantes en raison de l’utilisation d’inducteurs dans sa conception.
Prise en compte de la source de charge
Différentes applications peuvent faire appel à différentes sources de charge. Par exemple, il peut s’agir d’un adaptateur secteur droit fournissant une sortie CC ou d’une batterie externe. Il peut également s’agir d’un port USB à partir d’un ordinateur de bureau ou d’appareils similaires. Cela pourrait également provenir d’un assemblage de panneaux solaires.
En raison des capacités d’alimentation de ces différentes sources, il convient d’envisager davantage la conception du circuit de chargeur de batterie proprement dit, en plus de simplement choisir un chargeur linéaire ou un chargeur à commutation.
Le cas le plus simple est celui où la source de charge délivre une sortie CC régulée telle qu’un adaptateur secteur ou une batterie externe. La seule exigence est de choisir un courant de charge qui ne dépasse pas le taux de charge maximum de la batterie ou la capacité de distribution d’énergie de la source.
Le chargement d’une source USB nécessite un peu plus d’attention. Si le port USB est de type USB 2.0, il suivra la norme de charge de la batterie USB 1.2 ou BC 1.2.
Cela nécessite que toute charge, dans ce cas le chargeur de batterie, ne prenne pas plus de 100 mA à moins que la charge n’ait été énumérée avec la source. Dans ce cas, il est permis de prendre 500mA à 5V.
Si le port USB est USB 3.1, il peut suivre USB BC1.2, ou un circuit de contrôleur actif peut être incorporé dans la conception pour négocier plus de puissance après le protocole USB Power Delivery, ou USB PD.
Les cellules solaires en tant que source de charge présentent un autre ensemble de défis. Une tension-courant de cellule solaire, ou VI, est quelque peu similaire à celle d’une diode ordinaire. Une diode régulière ne conduira aucun courant appréciable en dessous de sa valeur de tension directe minimale, puis peut passer un courant beaucoup plus important avec seulement une légère augmentation de la tension directe.
Une cellule solaire, en revanche, peut fournir du courant jusqu’à un certain maximum à une tension relativement plate. Au-delà de cette valeur de courant, la tension chute fortement.
Ainsi, un chargeur solaire doit avoir un circuit de gestion de l’alimentation qui module le courant tiré de la cellule solaire afin de ne pas faire baisser la tension de sortie.
Heureusement, il existe des puces telles que la TI BQ2407x, la BQ24295 et d’autres, qui peuvent accueillir l’une des sources ci-dessus.
Il est fortement recommandé de passer du temps à rechercher une puce de charge appropriée plutôt que de concevoir un chargeur de batterie à partir de zéro.
Enfin, n’oubliez pas de télécharger votre PDF gratuit: Guide Ultime pour Développer et Vendre votre Nouveau Produit Matériel Électronique. Vous recevrez également ma newsletter hebdomadaire où je partage du contenu premium non disponible sur mon blog.