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Les composants se spécialisent

- Désormais, les processus de recharge tiennent précisément compte des particularités électrochimiques de chaque famille d'accumulateurs.

Les batteries sont partout et se montrent de plus en plus performantes en matière d'énergie massique. Mais, pour qu'elles offrent le plus longtemps possible ces performances à leurs utilisateurs, elles doivent être traitées avec égard. Une recharge un peu brutale ou trop longue, et la sanction tombe : capacité en berne, espérance de vie (nombre de cycles) anéantie...

Heureusement, grâce à l'intégration de capteurs divers et variés, les circuits de recharge, véritables gardiens du temple électrochimique, ont fortement renforcé leur vigilance ces dernières années. Du fait de la multiplication des familles d'accumulateurs, ils se sont aussi, pour la plupart, largement spécialisés.

1. LE NICKEL- CADMIUM

Premiers accumulateurs "haute performance" à être apparus sur un marché jusque-là dominé par les bonnes vieilles batteries plomb-acide, les packs nickel-cadmium (NiCd) ont aussi été les premiers à bénéficier de puces "dédiées" à leur recharge. Ce changement correspond grosso modo à l'apparition des premiers équipements portables équipés de batteries légères (les NiCd étaient considérées comme telles avant l'apparition du lithium...), capables d'être rechargées en quelques heures.

Auparavant en effet, la recharge d'une batterie NiCd était tout simplement réalisée en appliquant pendant 14 à 16 heures un courant constant égal au dixième de sa capacité nominale (C/10). Il ne fallait pas être pressé mais on s'en accommodait, tant la gestion de ce processus était simple : un redresseur, un transistor, quelques résistances ainsi qu'un temporisateur, et le tour était joué.

L'impatience des utilisateurs, donc, a tout changé. Si la recharge "à l'ancienne" reste bien sûr valable, la recharge "nouvelle" brille par sa rapidité et par sa sûreté.

Comment procède un circuit spécialisé ? Avant toute chose, ce dernier vérifie l'état de la batterie par une mesure précise de sa tension. Du résultat de cette opération, rendue possible par la présence d'une référence de tension interne, dépend la suite des événements. Si la décharge s'avère faible, alors le circuit opte pour une recharge lente. Si en revanche il est fortement déchargé, il entame au contraire un processus de recharge accélérée.

Certains chargeurs, il faut le noter, commencent par décharger complètement l'accumulateur avant de le recharger. Cette stratégie présente le double avantage de systématiser l'opération en intensité et en durée, et de juguler le très controversé "effet mémoire". Ce dernier, observé sur des batteries NiCd trop souvent rechargées avant d'avoir été vidées à 100 %, réduirait la capacité utile de la batterie en modifiant la structure de son électrolyte.

Selon les cas, l'intensité nécessaire à la remise en état de l'élément transite soit directement par la puce, soit à travers un transistor externe. Par ailleurs, le courant appliqué peut être soit continu, ce qui augmente la dissipation de la puce, soit découpé ou encore pulsé.

L'opération la plus délicate, c'est en fait la détermination du moment optimal pour interrompre la recharge. Trop tôt, c'est priver l'utilisateur d'une partie de son autonomie. Trop tard, le résultat est le même, car la batterie risque de ne pas supporter la surcharge. Un véritable problème, d'autant qu'on ne connaît pas avec précision (sauf à utiliser des circuits de mesure et de gestion spécifiques) le taux de décharge initial, et que la tension correspondant à une recharge complète, qui devrait normalement faire foi, varie selon les conditions de température et d'usure.

La solution ? C'est repérer la quasi imperceptible chute de tension (10 à 20 mV) que ne manque jamais d'afficher une batterie NiCd une fois qu'elle est pleinement rassasiée. L'apparition de ce phénomène, connu sous le nom de delta V négatif, est donc le signal généralement retenu par le circuit pour tout arrêter.

2. LE NICKEL-MÉTAL-HYDRURE

Dans le cas des accumulateurs nickel-métal-hydrure (NiMH), dont la structure est proche de celle des NiCd, la méthode décrite plus haut, qui reste applicable en dépit d'un delta V négatif inférieur à 10 mV, réclame une bien meilleure précision. C'est pourquoi il est aussi efficace de détecter l'arrivée du plateau en tension (avant la baisse), ou même de calculer la dérivée seconde de la tension par rapport au temps.

Autre solution : mesurer les variations de température, cette dernière augmentant de façon significative lorsque l'on s'approche de la recharge à taux plein. Un procédé d'autant plus intéressant qu'il convient aussi bien au NiCd qu'au NiMH, et qu'il s'appuie sur des capteurs de température qui sont de toute façon requis par le circuit pour éviter toute surchauffe en fin de processus (lorsque le courant apporté ne se transforme plus en charge électrique, mais en chaleur).

Une fois l'élévation de température constatée, le circuit glisse alors en mode faible intensité (de l'ordre de C/30), de façon à peaufiner la recharge avant de se limiter, éventuellement, à une simple charge d'entretien destinée à compenser l'autodécharge de la batterie.

Qu'il s'agisse de tension ou de température, l'interprétation des écarts réclame la mémorisation de certaines données et une petite dose de calculs. Certains circuits les effectuent eux-mêmes ; d'autres s'appuient sur un microcontrôleur ; d'autres encore exploitent des données envoyées par des batteries dites intelligentes au moyen de l'interface SMBus (System Management Bus).

3. LE LITHIUM

Les batteries dotées du plus fort QI sont incontestablement celles de la famille lithium, déclinées en lithium-ion (Li-ion) et, plus récemment, en lithium-polymère. Car, en contrepartie d'une plus forte énergie massique que leurs concurrentes, d'une autodécharge moindre et d'une tension nominale plus élevée (grâce à laquelle le système alimenté peut souvent se contenter d'un seul élément, au lieu de deux ou trois mis en série pour les autres technologies), les batteries au lithium se révèlent beaucoup plus fragiles et, par conséquent, plus dépendantes de l'électronique.

Cette fragilité se retrouve tout d'abord dans les limites de tension à ne jamais transgresser : 4,3 à 4,4 volts en charge, 0,9 volt en décharge. Au-delà, dans un sens comme dans l'autre, le coma profond est garanti. Dans le cas du lithium, l'un des rôles essentiels d'un circuit de recharge est donc de garantir que ces limites ne seront jamais franchies.

Quant à la charge proprement dite, elle est le plus souvent de type CCCV (Constant Current Constant Voltage) et se décompose en deux phases. La première consiste à appliquer un courant constant (1 C par exemple) le temps nécessaire pour que la tension atteigne la valeur de 4,1 ou 4,2 volts, selon les modèles. À l'issue de cette première étape, l'accumulateur est en principe chargé aux trois quarts. Démarre alors la seconde phase du processus, à tension constante mais à courant variable. Ce dernier, en effet, chute de façon exponentielle avec le temps, jusqu'à un seuil (généralement 0,03 C) à partir duquel on considère que la batterie est pleinement chargée. Il est à noter que même si elle ne représente qu'un quart de l'apport énergétique global, cette seconde étape est nettement plus longue que la première.

Dernière famille arrivée sur le marché, le lithium est aussi celle qui suscite le développement du plus grand nombre de produits. Citons le Max1811, de Maxim, qui peut être alimenté directement par un bus USB et ne réclame pratiquement aucun composant additionnel ; le SC803, de Semtech, qui offre un mode précharge à courant limité, un démarrage progressif, un transistor de puissance (1,5 A) et une diode de blocage inverse, tout cela dans un boîtier de 4 x 4 mm ; ou encore le BqTiny II de Texas Instruments, encore plus petit (3 x 3 mm) et cependant lui aussi doté d'un transistor de puissance (1 A) et d'un très efficace ensemble de protections.

4. LE PLOMB

Des protections, les robustes batteries au plomb (à électrolyte stabilisé ou gélifié, pour les plus modernes) n'en ont guère besoin. Pour autant, elles sont loin de bouder les méthodes de charge rapide mises au point pour leurs consoeurs. Elles s'accommodent même particulièrement bien du procédé CCCV, à ceci près que la tension de fin de charge n'est plus de 4,2 volts mais de seulement 2,2 à 2,3 volts. Et si elle reste handicapée par sa masse, on ne peut enlever à la batterie au plomb le fait d'être la plus apte de toutes à la recharge rapide, pratiquement sans aucun risque.

LES RÈGLES D'UTILISATION

- Sur la durée, une batterie se stocke déchargée pour le NiCd, chargée pour le NiMH, à demi chargée (de façon à alimenter l'électronique embarquée) pour le lithium et, enfin, chargée pour le plomb à électrolyte stabilisé. Placer une batterie au frais (au réfrigérateur par exemple) permet de limiter l'autodécharge. En revanche, il faut que sa température remonte à une vingtaine de degrés avant de l'utiliser ou de la recharger, et attendre si possible une heure avant de remettre en service une batterie qui vient d'être rechargée. Bien entretenu, un accumulateur, quelle que soit sa technologie, peut tolérer au moins 500 cycles de charge/décharge.

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