Réussissez à choisir les circuits de recharge par liaison filaire
On doit au scientifique français Gaston Plante la première batterie électrique rechargeable plomb-acide (1859). De Thomas Edison jusqu’au véhicule électrique, l’essentiel du processus de stockage d’énergie dans la batterie au plomb-acide n’a pas changé, seuls les matériaux utilisés dans sa production ont changé. Les vieux contenants en ébonite (matériau moins résistant aux chocs) des batteries ont été remplacés par des contenants en polypropylène.
Quelques idées préconçues sur nos batteries :
Elles sont sensibles à la température.
OUI ! Et c’est pour cette raison qu’on supervise toujours une batterie :
soit en externe de celle-ci,
soit dans un conditionnement — d’où l’observation de plus de 2 connexions, incluant le power, le GND et une ou deux connexions reliant à une résistance thermique : un capteur de type résistance CTN ou CTP (Coefficient de Température Négatif ou Positif).
Il faut vider sa batterie avant de la recharger ou assurer une charge complète
Avant OUI ! Pour les batteries NiCd, qui ne sont plus autorisées ce jour, mais à présent avec les batteries Lithium-Ion (Li-ion), ou Lithium–Polymère (Lipo), les composants qui assurent l’interface entre la source d’énergie et la batterie vont gérer le cycle de charge en tension, en courant en fonction de l’état énergétique de la batterie. Néanmoins, abandonné plusieurs mois, un objet doté d’une batterie pourra présenter un problème pour le recharger.
Focalisons-nous sur comment recharger « classiquement » une batterie LiPo 3.7V à partir d’une source de tension continue. Deux solutions de recharge s’opposent, avec fil et sans fil par induction, cette dernière interrogeant naturellement sur son rendement.
Recharge vers un lien USB
Considérons la recharge par une connexion USB, où par exemple on va connecter l’objet à recharger au port USB de son ordinateur, qui peut délivrer 5V sous une intensité maximale de 0.5A.
Analysons le schéma électronique ci-après, où l'on identifie :
Le port USB d’entrée muni d’un connecteur mini-USB,
Le composant fabriqué par Microchip de référence MCP7383 qui va assurer l’interfaçage avec la batterie.
Les éléments passifs sont calculés en s’appuyant sur la note d’application du datasheet.
Ici, le choix présenté est d'assurer une recharge avec une intensité de 555mA, soit une valeur légèrement supérieure à C/2 vis-à-vis de la batterie (capacité de charge C=1050mA), pour éviter de la recharger trop vite et dénaturer les propriétés physico-chimique internes par une élévation de température. Pour les besoins pédagogiques, on notera la présence du cavalier (JP1) qui, combiné au connecteur CON2, offre la possibilité à l'utilisateur de sélectionner une résistance (composant traversant) de consigne de courant de charge. La réalisation matérielle est présentée sur la figure ci-après.
Réalisez le montage d’une recharge par induction
Le concept de transmettre sans fil de l'énergie d'un point (source) à un autre point (charge électrique), sans l’utilisation d’un câble ou tout autre type de conducteur, a été démontré pour la première fois dans la dernière décennie du 19ème siècle par Nikola Tesla.
Recharger une batterie sans contact électrique direct, c’est-à-dire sans connecteur, peut devenir un impératif :
pour proposer un service où la recharge s’effectue en posant l’objet sur une station, qui va transmettre l’énergie sans fil,
pour des systèmes totalement enrobés dans une coque où aucun contact externe n’est toléré (téléphones portables, dispositifs médicaux implantables...).
Un système de recharge inductive est composé de deux parties principales :
un émetteur (station de base),
un récepteur (dispositif mobile).
Le transfert d’énergie s'effectue par induction magnétique lorsque les deux bobines d’émission et de réception sont proches l’une de l’autre. Le coefficient de couplage k entre les deux bobines constitue un paramètre essentiel qui définit l'efficacité de l'ensemble du système. Il doit être le plus élevé possible, pour assurer la meilleure liaison possible entre la station de base et l'appareil mobile et donc un meilleur transfert d'énergie.
Au niveau du récepteur, la recharge par induction est un processus qui associe, au niveau de l’objet autonome à recharger, trois sous fonctions assurées par :
la bobine, qui va « récupérer » l’énergie transmise, sur le principe d’un couplage inductif dans son mode standard ou bien résonnant ;
la batterie, qui va « recevoir l’énergie » pour se recharger ;
le composant assurant la recharge, qui doit être compatible, d’une part, avec la batterie et la vitesse de recharge et, d’autre part, avec le protocole de transmission de l’énergie sans fil.
La notion même de protocole appelle l’impératif de normalisation et standardisation de protocoles de recharge sans fil porté par le consortium AirFuel Alliance, qui associe le WPC (Wireless Power Consortium), le PMA (Power Matters Alliance) et l’A4WP (Alliance For Wireless Power.
Le tableau suivant présente quatre types de chargeurs et leurs caractéristiques.
Pourquoi un protocole ?
Pour des raisons de sécurité, un protocole d’échange de données valide et confirme l’échange d’énergie, afin d’éviter par exemple un transfert de puissance comme le fait une plaque de cuisson à induction. Différentes informations peuvent être échangées, comme la présence d'un récepteur compatible Qi, la présence d’un objet métallique ou la fin de charge. Le récepteur modifie son impédance en commutant une résistance ou un condensateur, pour moduler le courant ou la tension dans la bobine émettrice et transmettre les différents messages sous la forme des bits définis par un codage biphase différentiel avec une période de 0,5 ms.
L’octet de données envoyé par le récepteur est constitué de 11 bits : un bit de début, qui est égal à 0, suivi de 8 bits réservés aux données, en commençant par le bit de faible poids. Le dixième bit est celui de la parité et se met à 1 si la donnée contient un nombre pair de bits à 1. Le dernier bit définit la fin de l’octet et prend la valeur 1.
La communication du récepteur vers l’émetteur se fait à travers des paquets constitués de quatre parties essentielles :
Exemple de mise en œuvre du circuit intégré dédié compatible WPC-Qi 1.1
L’analyse de la schématique électronique ci-après permet d’identifier :
la bobine magnétique de recharge sans fil et son connecteur électronique,
le composant fabriqué par Texas Instrument, de référence BQ51050B3, qui va assurer l’interfaçage entre la bobine et la batterie Lipo.
Concernant la valeur des éléments passifs, ces derniers sont calculés en s’appuyant sur les documentations techniques du datasheet et de l’application note du fabriquant.
La réalisation matérielle est présentée sur la figure ci-après. On retrouve le chargeur BQ51050B, la bobine, la batterie Lipo, ainsi qu’une station de recharge du commerce WPC Qi.
Regardez la vidéo suivante pour découvrir le fonctionnement du chargeur et l’utilisation d’une sonde de courant pour réaliser les tests fonctionnels :
Pour illustrer un second test fonctionnel, un courant de charge a été fixé à 32 mA, valeur légèrement supérieure à la capacité d'une batterie de 30 mAh. Avec cette valeur, le temps estimé pour la recharge d’une batterie totalement vide est d’environ une heure. Pour les tests, une bobine du commerce (référence WR-483250-15M2-G) est utilisée pour la récupération d’énergie. La bobine présentée sur la figure ci-dessous possède une inductance de 10,5 µH et une résistance de 0,2 Ω pour une surface de 48,5 × 32,5 mm2.
Pour le courant de charge, le datasheet du composant « BQ51050B » indique une ondulation de 10% et un seuil de fin de charge ajustable à des valeurs différentes. Sur les figures ci-dessous, on observe la mesure du courant de charge et une situation de fin de charge de la batterie.
Maîtriser et optimiser la fonction « alimentation » d’une carte électronique est une étape cruciale de la conception d’une carte électronique.
Trois éléments sont à prendre en considération :
Garantir une stabilité de la tension de polarisation de la carte et donc la robustesse aux appels en courant des composants,
Choisir sa source d’énergie embarquée, capable de fournir une capacité (en mAh) compatible avec le cahier des charges de durée d’autonomie du produit sans recharge ou sans changement de piles, sans oublier de prendre en compte les appels en courant que la source d’énergie doit garantir et qui vont être nettement supérieurs au courant moyen consommé. A titre d’exemple, une pile bouton de 100mAh aura-t-elle la capacité de ne pas s’effondrer en tension lors de l’émission d’une trame radio ou d’un flash d’une LED ?
Adapter la fem de la source embarquée aux multiples valeurs des alimentations des composants de la carte électronique qui pourront lui être inférieures ou supérieures.
