Bien que les technologies lithium-ion et autres technologies largement utilisées aient considérablement augmenté la densité énergétique des batteries et rendu possible la fabrication de ce type de produits, elles nécessitent un entretien bien plus rigoureux que les technologies plus anciennes afin d'optimiser l'intervalle entre les charges et la durée de vie du produit. Il ne suffit plus de brancher une source d'alimentation aux bornes et de la débrancher une fois la tension interne suffisante atteinte.
Défis liés à la technologie des batteries :
Les batteries lithium-ion, en particulier, sont sensibles à des facteurs tels que la surcharge. Celle-ci endommage non seulement les cellules, mais peut également s’avérer dangereuse. La surcharge augmente la pression interne des cellules et peut provoquer un emballement thermique, susceptible d’entraîner un incendie. C’est pourquoi tous les régulateurs de charge disponibles sur le marché intègrent une protection contre la surcharge.
Maintenir une autonomie et une charge maximales exige une maîtrise parfaite du processus de charge, du début à la fin. Les MAX77960B et MAX77961B, conçus par Maxim Integrated, illustrent comment y parvenir dans les systèmes portables. Ce dispositif charge la batterie en trois phases successives : précharge, courant constant et tension constante. La phase de précharge prépare la batterie à la charge complète, une étape cruciale pour éviter tout dommage si les cellules sont presque entièrement déchargées. Ce processus consiste à fournir un faible courant initialement. Le chargeur utilise des mesures et une minuterie de sécurité pour vérifier la bonne exécution de cette phase et, en cas d'échec, signale une erreur au microcontrôleur principal.
Les deux autres modes nécessitent un compromis. La charge à courant constant est la méthode la plus rapide, mais elle risque d'endommager la batterie car elle implique des niveaux de courant plus élevés pouvant entraîner une surchauffe. C'est pourquoi les régulateurs de charge de batterie intègrent des capteurs de température afin de limiter la puissance si la batterie devient trop chaude. Généralement, lorsque la batterie est presque complètement chargée, le régulateur de charge bascule en mode tension constante. Cela évite la surchauffe et contribue à prolonger la durée de vie de la batterie, mais ralentit considérablement le processus de charge.
Un meilleur contrôle de la charge offre d'autres avantages. Il permet d'optimiser la taille et le poids du système, tant de la batterie elle-même que du circuit d'alimentation. Certains contrôleurs de charge sont hautement intégrés. Par exemple, le MC34674 de NXP Semiconductors est un chargeur entièrement intégré pour batteries lithium-ion et lithium-polymère monocellulaires, optimisé pour les applications mobiles. Il ne nécessite qu'une LED externe pour indiquer l'état de charge, deux condensateurs de découplage et un circuit de thermistance avec un connecteur pour la mesure de la température de la batterie.
Chargeurs et conversion de tension pour l'alimentation :
Le même besoin d'intégration poussée avec un minimum de composants passifs s'applique aux convertisseurs CC/CC utilisés pour conditionner et alimenter les différents dispositifs du système, en fonction de leurs exigences spécifiques en tension et en courant. Le grand nombre de rails d'alimentation nécessaires, même dans des appareils portables relativement petits (de 1 V pour un système sur puce numérique (SoC) à 12 V ou plus pour les E/S analogiques), rend les solutions compactes encore plus précieuses. En utilisant moins de composants passifs externes et en réduisant les pertes de conversion, les circuits de charge et de régulation peuvent être plus petits et fonctionner sans dissipateurs thermiques encombrants sur les transistors de puissance, permettant ainsi des conceptions de systèmes compactes et efficaces. Les MAX77960B et MAX77961B contribuent à améliorer la densité en agissant à la fois comme convertisseurs abaisseurs et chargeurs : ils alimentent le système portable lorsque la tension d'alimentation de la batterie est supérieure à la tension de sortie souhaitée.
Qu’elles soient rechargeables ou non, les batteries subissent une diminution de tension à mesure que leurs cellules se déchargent. Si cette tension descend en dessous de la plage de fonctionnement du convertisseur, la charge restante est gaspillée, réduisant ainsi l’autonomie de la batterie. L’utilisation d’un convertisseur DC/DC avec modes abaisseur et élévateur permet d’extraire la charge maximale possible.
Figure 1. Caractéristiques du courant de décharge : ce graphique illustre la tension de sortie en fonction du temps lors de la décharge de la batterie. Source : https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf
La prise en charge des modes d'arrêt à faible consommation est essentielle pour les objets connectés (IoT), tels que les capteurs environnementaux et les dispositifs portables conçus pour surveiller la santé et le bien-être. Ces appareils fonctionnent en veille prolongée et s'activent brièvement avant de se remettre en veille. Avec des cycles de fonctionnement aussi courts, une faible consommation au repos est cruciale pour l'ensemble du système, y compris pour les circuits de gestion de l'alimentation. Le convertisseur buck-boost MAX710ESE+ développé par Maxim, par exemple, permet d'utiliser exclusivement le régulateur linéaire pendant ces modes de veille afin de limiter la consommation de courant et d'éviter la décharge de la batterie lors d'inactivités prolongées.
Surveillance et gestion des batteries :
Dans de nombreuses applications, il est essentiel de connaître le niveau de charge restant et de surveiller le courant circulant dans chaque cellule d'une batterie. La combinaison de ces deux éléments est cruciale pour les systèmes automobiles : les conducteurs ne souhaitent pas s'éloigner d'une borne de recharge si l'estimation est erronée ou si un déséquilibre entraîne une tension insuffisante due à la décharge excessive de plusieurs cellules. Dans tous les systèmes, une estimation précise de la charge permet d'optimiser le temps de charge et la gestion de la capacité. Certains systèmes exploitent ces mesures pour ralentir la charge et prolonger la durée de vie de la batterie en comparant la charge actuelle à l'utilisation prévue. Des produits dédiés à la gestion et à la surveillance des batteries sont souvent disponibles.
Le Renesas ISL94202 est conçu pour les batteries contenant jusqu'à huit cellules et assure un contrôle autonome du pack sans nécessiter de microcontrôleur de supervision. Il gère automatiquement l'équilibrage des cellules au sein du pack et intègre plusieurs protections contre les surintensités et autres problèmes. Le TLE9012AQU d'Infineon Technologies, quant à lui, remplit quatre fonctions principales : la mesure de la tension et de la température des cellules, l'équilibrage des cellules et la communication isolée avec un contrôleur de batterie central. Cette combinaison de fonctions le rend particulièrement adapté aux grands systèmes automobiles et de communication nécessitant plusieurs packs de batteries en parallèle. Pour garantir la précision des mesures d'état des cellules, un convertisseur analogique-numérique (CAN) 16 bits surveille chaque cellule.
Les véhicules modernes peuvent intégrer plusieurs sous-systèmes de batteries pour alimenter leurs différents composants, de la transmission au système d'infodivertissement. De nombreux constructeurs envisagent désormais de supprimer la batterie basse tension alimentant les circuits auxiliaires et d'utiliser la batterie de transmission haute tension pour alimenter également les équipements de l'habitacle. Ceci requiert non seulement des convertisseurs CC/CC optimisés pour une réduction de consommation maximale, mais aussi des systèmes de gestion de batteries capables de gérer une topologie d'alimentation complexe. La gamme de circuits intégrés de gestion et de support de batteries de NXP, tels que le MC33771C, est conçue pour répondre à un large éventail d'exigences. Ces dispositifs prennent en charge la communication en guirlande isolée pour transmettre les informations à un microcontrôleur central et peuvent mesurer le courant de manière synchrone sur les différents packs de batteries.
À l'autre extrémité du spectre, et pour accompagner l'essor des capteurs de l'Internet des objets (IoT), la récupération d'énergie s'impose comme une méthode essentielle pour alimenter les appareils portables et ceux fonctionnant sur batterie. Grâce à elle, les capteurs de sécurité et autres dispositifs basse consommation peuvent fonctionner pendant de nombreuses années sans remplacement de batterie ni raccordement au réseau électrique.
Une configuration courante consiste à associer une pile jetable, comme une pile bouton au lithium, à un dispositif rechargeable, tel qu'un supercondensateur ou une petite batterie lithium-ion. Les technologies de récupération d'énergie ne fournissent pas toujours une charge efficace, et les sources fonctionnent souvent à haute impédance. Par conséquent, une conception de circuit soignée est nécessaire pour minimiser les pertes. Le MAX20361 de Maxim offre aux concepteurs une solution intégrée capable de capter l'énergie des cellules solaires et de fournir une charge utile aux circuits en aval. Le convertisseur élévateur intégré peut fonctionner à partir de tensions d'entrée aussi basses que 225 mV.
l'intégration
dans les systèmes. L'assistance à la conception fournie par des ingénieurs expérimentés chez des distributeurs comme Farnell garantit aux équipes de bénéficier des meilleurs conseils quant aux composants les plus adaptés à chaque application.
Auteur : Cliff Ortmeyer, responsable mondial du marketing technique chez Farnell
