Dans cette page, nous allons nous pencher sur la décharge à faibles courants d'une batterie Lithium-Ion-Polymère (LiPo) utilisée dans des balises transmettant les données de capteurs à un système central. L'objectif, bien qu'ambitieux, est de prolonger la durée entre deux recharges à un an.

Nous nous concentrerons sur la batterie LiPo 18650, bien que les principes évoqués soient applicables à d'autres modèles. La batterie 18650 est couramment utilisée, y compris en grandes quantités dans les voitures électriques. Le terme « 18650 » indique simplement ses dimensions : 18 mm de diamètre pour 65 mm de longueur.

Pour qu'une balise autonome fonctionnant sur batterie puisse gérer efficacement son énergie, elle doit transmettre son état au système central, afin de déclencher une recharge au moment opportun. La simple mesure de la tension n'est pas suffisante, car elle varie en fonction des caractéristiques de la batterie et de la consommation de la balise. Il est beaucoup plus pertinent de transmettre le pourcentage de capacité restante, ce qui permet d'estimer le nombre de jours restants avant l'épuisement de la batterie.

Caractéristiques de décharge d’une LiPo

Nous considérerons ici une batterie 18650 de qualité, récente, avec une capacité réelle d’environ 2000 mAh. Théoriquement, cela signifie qu’elle devrait fournir 2 ampères pendant une heure. Cependant, en pratique, la situation est plus complexe, car la tension de la batterie diminue constamment, passant de 4,2 V à pleine charge à environ 3,2 V au seuil de décharge complète.
Soyez prudent avec les copies de mauvaise qualité, souvent fabriquées en Chine, qui affichent des capacités exagérées de dizaines de fois ou plus. Certaines de ces batteries peuvent ne pas atteindre 500 mAh, et présentent une résistance interne élevée. Même en choisissant une marque réputée, il est difficile de garantir la qualité, car les contrefaçons sont très répandues.

Pour tester vos propres batteries, il est recommandé d’utiliser un déchargeur comme celui décrit ici : Déchargeur de batteries

Les courbes fournies par les fabricants montrent le comportement des batteries à différents courants, mais elles se limitent généralement à un courant minimal de C/10, ce qui correspond à une décharge en 10 heures. Pour notre application, qui exige une décharge sur 365*24 heures, soit environ C/7000, il est crucial de prendre en compte l’autodécharge significative sur de telles durées.

L'expérience et l'analyse des mesures recueillies ont montré que les valeurs présentées dans la courbe Excel sont réalistes pour des périodes de décharge prolongées. Un autre chapitre détaillera la manière d'obtenir ces mesures avec un minimum de bruit.

La modélisation de la décharge est complexe, nécessitant un polynôme de sixième ordre avec un nombre significatif de décimales pour garantir une précision adéquate. Cette équation permet de générer des tables précalculées, qui peuvent ensuite être intégrées dans les programmes de gestion des balises, comme illustré par les exemples disponibles dans le répertoire "slow_discharge".

Modélisation décharge

Ces tables permettent de déduire la capacité restante à partir de la tension (utile pour vérifier la cohérence des tables) et, surtout, de déterminer le pourcentage de capacité restante en fonction de la tension mesurée. La feuille Excel contenant ces données est incluse dans les fichiers fournis.

Ces informations seront exploitées dans la page suivante dédiée à la balise ESP32 , qui expliquera comment mesurer la tension de la batterie avec une précision maximale et une consommation d'énergie minimale, en dépit des limitations du convertisseur analogique-numérique de l'ESP32.

Table décharge

  Méthode pratique pour obtenir la courbe Excel

Pour déterminer la courbe de décharge, prenons comme référence une tension de 3,66 V, correspondant à 50 % de la capacité. Une résistance de 3,66 kΩ générerait un courant de 1 mA, ce qui entraînerait une décharge en 2000 heures, soit environ 83 jours. Ce résultat est représentatif d'une décharge sur une période d'un an, bien que celle-ci serait difficilement réalisable en pratique en raison du temps requis.

Une approche plus pragmatique consiste à utiliser une résistance d’environ 330 ohms, ce qui permet une décharge en 200 heures, soit environ 8 jours. Bien que cette méthode soit plus rapide, elle fournit des résultats très proches d'une décharge à long terme. La valeur précise de la résistance n’a pas d'importance tant que le résultat est exprimé en pourcentage du temps total. Toutefois, il est essentiel de connaître précisément la résistance pour calculer l'intégrale courant-temps, qui déterminera la capacité réelle de la batterie.

  Ambiguïté sémantique

Nous parlons de mesure à courant constant, mais atteindre un courant constant à faible tension est difficile. Pour les tests, nous déchargeons la batterie à l’aide d’une simple résistance : à 4,4 V, le courant sera de 4,4/330 ≈ 13,3 mA, tandis qu’à 3,2 V, il ne sera que de 3,2/330 ≈ 9,7 mA.

Bien que ce ne soit pas une décharge à courant constant au sens strict, cette méthode reste pertinente pour caractériser l'autonomie, c'est-à-dire pour estimer le pourcentage de temps de vie restant. En effet, l'ESP32 se comporte de manière similaire à une résistance, consommant davantage à des tensions plus élevées.

Une période de mesure d’environ 10 minutes donnera 1200 points sur 8 jours, ce qui est idéal pour extraire une courbe de tendance à partir des données enregistrées sur la µSD.

  Solution beaucoup plus rigoureuse :
Lors de la décharge, la tension de la batterie diminue considérablement. Si la batterie alimente un convertisseur élévateur (ou "pompe de charge") qui maintient une tension de sortie constante, le courant d'entrée augmentera proportionnellement à la baisse de la tension de la batterie.
Ainsi, pour obtenir une mesure plus réaliste de la capacité, il est préférable de décharger à puissance constante via un convertisseur branché en sortie sur une résistance.
Le rendement d’un convertisseur dépend de la tension d’entrée et du courant de sortie. Il est simple d’établir au préalable les tables de rendement avec une alimentation variable. Il faut s’attendre à mieux de 90% sur la plage utile.
La puissance fournie par le batterie sera celle dissipée par la résistance, divisée par le rendement (environ 10% en plus).

Remarque :

Sur une période de mesure d'une semaine, l'autodécharge de la batterie a un impact négligeable. Cependant, si l'on extrapole ces résultats sur une année entière, l'autodécharge devient un facteur significatif, réduisant l'autonomie globale. Par exemple, un courant de décharge de 10 mA sur une semaine ne se traduira pas nécessairement par une autonomie de 200 µA sur 50 semaines. En réalité, ce sera moins, car l'autodécharge d'une batterie 18650 de qualité se situe autour de 10 µA.

Pour une estimation plus précise, il serait idéal d'enregistrer la tension de la batterie sans charge, afin de corriger l'impact de l'autodécharge. Cependant, comme le disait Woody Allen : « L'éternité, c'est long, surtout vers la fin. » Cette méthode requiert donc beaucoup de patience, ce qui n'est pas toujours pratique dans le cadre de tests prolongés.