Christian Couderc

Ce projet est destiné à mesurer l'état réel d'un parc de petits d'accumulateurs. Le but final est de tester avec soin chaque accumulateur en donnant pour chacun sa capacité réelle du moment grâce à un protocole de tests automatiques. La réalisation est faite maintenant avec un Arduino.
Il ne s'agit en aucune manière de réinventer un chargeur d'accumulateurs, des produits spécialisés comme ceux de Maxim ou Linear Technology le font à la perfection, mais de créer un dispositif pour donner un chiffre individuel afin de classer les accumulateurs par leur capacité vraie, donc harmoniser les blocs et éliminer les accumulateurs en fin de vie.
Terminologie :
Les très anciens Cadnium Nickel sont abandonnés.
Pour les anciens matériels, batteries NiMh "Nickel Metal Hydrure ", en français, "Nickel-hydride batteries " en anglais.
Maintenant il s’agit de nombreuses variantes à base de Lithium, les technologies changent vite.

Dénominations pour les NiMh : "R6 " ou "AA size " ou "LR6 " ou "LR 06 " ou "HR 6 " ou "Mignon " (Allemand).

Caractéristiques des R6 : Tension 1.2 V, diamètre 14.5 mm, longueur 50.5 mm, poids 25 g.

Ce chapitre ne concernait au départ que les NiMh mais reste vrai pout les Lithium qui adoptent une multitude de formes et capacités suivant les appareils.

La première caractéristique d'un accumulateur est sa capacité énergétique indiquée par le constructeur en mA*h, des milliampères multipliés par des heures.
C'est en réalité une charge électrique capable de restituer une énergie.
Cette grandeur s'exprime habituellement en Coulombs qui sont des ampères par des secondes.
1 C = 1 A * 1 s = 1000 ma * 1/3600 heure = 0.28 mAh
Dans ce cas particulier, pour caractériser les accumulateurs, nous parlerons toujours de mAh car c'est l'habitude, bien que le S.I. (Système International mesures) soit obligatoire, et il faudrait parler en Coulombs.
Pour préciser encore la terminologie, le terme de "capacité " employé dans cette page n'a évidemment rien à voir avec celle d'un condensateur, ce n'est qu'une particularité de langage.

Les capacités des R6 NiMh évoluent très vite. Modèles disponibles :
En 1996 capacité 800 mAh (c'était déjà mieux que les CdNi).
En 2000 capacité 1100 mAh
En 2001 capacité 1500 mAh
En 2002 capacité 2000 mAh
En 2004 capacité 2300 mAh...

Nous considérerons un accumulateur moyen. Au bout de quelques centaines de cycles, il a perdu beaucoup trop de sa capacité initiale et sera considéré comme en fin de vie. Si l'accumulateur a été maltraité (surcharge, échauffement, décharge poussée, chocs...), sa vie sera très raccourcie.

Le moment de l'arrêt est calculé quand l'accumulateur est totalement vidé. Cela n'a pas grande importance au vu de la courbe de décharge. La tension se stabilise très vite à 1.2 V, puis décroît régulièrement jusqu'au coude vers 1.1 V et ensuite tombe très vite. Il faut arrêter la décharge à 1 V.
Cette technologie ne présente pas d'effet mémoire sensible.
Les anciens Cadmium Nickel aux multiples inconvénients disparaissent totalement, en particulier pour des questions de performances médiocres et de pollution en fabrication et en élimination.

Beaucoup de chinois sur marquent considérablement leurs produits, l’étiquette n’est pas une indication fiable.

La tension de fonctionnement en charge d'un NiMh est plus faible que celle d'une pile alcaline, mais contrairement à ce qu'essaye de faire croire la publicité, la capacité est plus grande. L'économie sera donc considérable pour les gros consommateurs de piles. Cela est moins sensible avec les petits éléments "AAA size " ou R03 ou LR03, ils sont beaucoup moins performants et certains appareils ne les acceptent pas à cause de leur tension de service trop basse qui correspond à une pile en fin de vie. La capacité d'un AAA est moins de la moitié de celle d'un AA, mais avec un courant de service beaucoup plus faible (grande résistance interne). La tension de service d'une pile est entre 1.5 et 1.3 volts. Il ne faudra donc pas s'étonner si les piles ne peuvent pas toujours être remplacées. Dans les appareils bien conçus (fonctionnant au plancher de la tension), un accumulateur NiMh durera plus longtemps dans un lapin à tambour qu'une quelconque pile. Le surcoût sera compensé dès la deuxième utilisation. Pour les appareils exigeant une tension élevée, il faut renoncer aux NiMh et se tourner alors vers les piles rechargeables de 1.5 V, d'une technologie très différente (voir le chapitre).

Il est intéressant d'avoir une idée de l'ordre de grandeur de l'énergie massique de nos énormes batteries au plomb.
Cette énergie s'exprime traditionnellement en "W*h*kg ". Il serait plus rigoureux de se conformer au SI (Système International) et d'utiliser les Joules, mais l'usage est établi. Les Watts sont le produit de la tension par le courant P=V*I.

Prenons une batterie plomb classique :
Tension 12 V, capacité 135 Ah, masse (poids) 48 kgf
L'énergie massique est de V * C / P soit : 12 * 135 / 48 = 35 Wh/kg environ. C'est la valeur admise pour les batteries moyennes au plomb.

A titre d'amusement comparons l'énergie massique d'une batterie NiMh de type R6 :
Tension 1.4 V, capacité 1.5 A.h, masse 25 grammes
Énergie massique 1.5 * 1.2 / 0.025 = 72 Wh/kg

Énergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kg
Énergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kg
Énergie massique des lithium-Ion = 110 Wh/kg

Pour information, Pile à combustible = 120 Wh/kg
Ce qui est extrêmement loin (facteur 430 !) de l'essence ou du fuel (environ) = 15.000 Wh/kg
et (facteur 1000 !) de l'hydrogène = 34.000 Wh/kg

Ces valeurs sont très étonnantes et montrent que les meuilleures batteries NiMh ont à peine le double de capacité des antiques batteries au plomb (qui égalent celle des anciennes CdNi), mais c'est déjà très bien !
Les nouvelles technologies (Lithium et autres) ont des performances bien meilleures, mais malheureusement le rendement énergétique des carburants fossiles est tellement plus grand, que les voitures et bateaux électriques mettront beaucoup de temps pour s’imposer.
Aucune batterie miracle ne se profile à l’horizon, il y a toujours des améliorations mais elles sont très lentes.

Ce type d'accumulateurs NiMh à des propriétés simples qu'il faut connaître pour une bonne exploitation.

Il faut un certain "rodage ", la capacité indiquée ne sera atteinte qu'au bout de quelques cycles de charges / décharges en utilisation normale.

Il n'y a aucun effet mémoire, il est donc strictement inutile d'utiliser les modes de décharge des chargeurs hérités des vieilles technologies des défunts CdNi.

Il y a une autodécharge significative. La charge de complément sur le chargeur intelligent (surtout pas un chargeur lent !), avant utilisation, est utile.

Il est toujours souhaitable de charger en deux fois. Première charge normale à la fin de laquelle l'accu sera très chaud et enlevé du chargeur.
Deuxième petite charge de complément, en attendant au moins quelques heures pour laisser refroidir et stabiliser. Ces quelques minutes de bonus se font au dernier moment et permettent de récupérer les 20 % finaux.

Le dispositif se compose d'une petite carte à microcontrôleur, quelques boutons, un afficheur des extensions port et un convertisseur analogique numérique multiplexé. Une mémoire externe en I2C sert à accumuler les résultats.
Cette carte est reliée à 8 petits modules identiques comportant chacun :
Un support de pile R6, une commande de charge à C/3, une commande de décharge à un courant de C (débrayée automatiquement à 1 V), deux leds.
Attention, ici C ne représente pas des Coulombs, mais le courant en une heure à la capacité nominale. Ce n'est pas très heureux, mais c'est la notation habituelle.
Exemple : Capacité = 1100 mAh, C = 1.1 A.
L'appareil fonctionne en autonome mais peut aussi communiquer par USB (Wi-Fi et Bluetooth avec un ESP32) via un menu sur PC ou smartphone, pour mémoriser les courbes et les enregistrer dans une feuille Excel. Cela permet d'archiver les valeurs et de suivre la dégradation d'un même élément en empilant les courbes successives à quelques centaines de cycles d'intervalle sur une même feuille.
Il n'y a aucun risque de confusion, la nouvelle courbe est toujours inférieure à la précédente !

Une nouvelle batterie est insérée sur un des 8 supports, elle est immédiatement détectée par le système qui émet un bip, et fait clignoter les leds correspondantes au support.
Sur l'afficheur LCD, l'affichage de la tension alterne avec la demande de confirmation du début de cycle et le message "nouvel accu détecté ".
Si le bouton "entrée " (enter, OK) est activé, le cycle commence, si le bouton "échappement " (escape) est activé, les autres menus sont accessibles. Ils seront détaillés au chapitre suivant.

Le cycle de test complet se compose de plusieurs phases. Chaque phase est décrite sur l'afficheur, en choisissant un des 8 canaux, et par une séquence particulière sur les leds.

L'accumulateur est mis en charge avec courant fixe de 300 mA. Cette valeur voisine de C/3 évite l'échauffement et n'impose pas un contrôle thermique. Avec C/10 la charge durerait 14 h. Une variante, à impulsions de courant fort, fonctionne tout aussi bien. Il semble que la méthode qui rajoute une petite impulsion de courant négatif après celle de charge, soit parfaite pour la chimie de la charge.

La fin de charge est détectée (cela peut prendre 4 ou 6 heures si l'accumulateur est vide).

Il est mis en repos pendant une heure pour stabilisation chimique et thermique.

Le cycle de décharge commence au courant fixe de 1 A. Cette valeur s'est avérée idéale pour caractériser la dynamique de toutes les variétés de R6 NiMh et donne une base de comparaison fiable.
La tension est enregistrée en continu dans la mémoire.

Le coude de remontée de la tension en fin de charge est détecté environ au bout d'une heure (cela dépend évidemment énormément de l'état de l'accumulateur), l'enregistrement est terminé sur cette voie, et la courbe compressée et mémorisée pour exploitation.

La batterie est remise en charge, toujours en courant fixe C/3.

La fin de charge étant atteinte, un courant impulsionnel, d'environ C/20 soit 50 mA, la maintient chargée sans aucun risque un temps infini. C'est la phase finale de charge d'entretien, qui permet de disposer d'un accumulateur toujours chargé à bloc. La led verte est allumée en continu.

Il ne faut évidemment pas être pressé, après le lancement d'un cycle, il faut une douzaine d'heures avant que l'accumulateur ne soit à nouveau disponible. Cela ne pose aucun problème de les laisser en place en permanence pour avoir toujours 8 accumulateurs disponibles en permanence avec la pleine charge.

Il ne faut pas oublier que l'auto décharge est très importante. Il faut charger l'accumulateur avant de l'employer et ne pas l'oublier dans un fond de tiroir sous peine de dégradation irréversible.

Lors de l'introduction d'un nouvel accumulateur, nous avons vu qu'il était détecté avec émission d'un "bip " sonore. Il y a alors plusieurs actions possibles.
Un bouton doit être activé avant une minute, sinon l'accumulateur suivant serait refusé par un bip d'erreur continu.

Si le bouton "entrée " (enter, OK) est activé, le cycle complet de qualification décrit commence, l'ancienne table est effacée et la nouvelle table de données est créée pour cet élément.

Si le bouton "échappement " (escape) est activé, les autres menus sont accessibles.
Parmi ces divers menus, un mode permet d'effectuer le cycle sans charge. Ce mode a pour intérêt de mesurer avec précision l'autodécharge. Vous serez stupéfaits de voir le peu de capacité restante après quelques mois de stockage.
Un autre mode fonctionne en simple chargeur rapide, comme sur un chargeur ordinaire, sans perte des données du cycle précédemment enregistré.

Un autre mode, activé aussi par défaut si aucune touche n'a été appuyée au bout d'une minute, enclenche le mode de simple charge d'entretien.

Ce projet ne présente pas une grande difficulté. La carte basique comporte un port série, la sortie I2C pour le clavier afficheur, les quatre extensions de port (PCF 8574), le convertisseur 10 bits à 8 entrées multiplexées, le buzzer.
La seule partie spécifique est celle des 8 modules identiques associés à chaque support de pile.
Ces platines individuelles contiennent:

Un mosfet de charge en courant d'environ 0.3 A (peu critique), commandé par un des 8 bits du port "charge ", au travers d'une simple résistance de puissance. L'alimentation est séparée de celle de la logique

Un mosfet de décharge en courant d'exactement 1 A, commandé par un des 8 bits du port "décharge ". Cette partie est le seul point d'électronique délicat, elle conditionne la précision des mesures. Par sécurité la décharge se coupera automatiquement à 1 V. Il faudra bien soigner cet élément.
Les leds rouge et verte sont commandées par un des 8 bits des deux ports "led R " et "led V ".

Le soft est simple, il se contente d'un cycle de traitement des 8 ports.
Après initialisation, pour chacun des 8 modules :

Début de la boucle, lecture de la tension.
Suivant la phase en cours, décision de gestion des 4 bits des ports (charge, décharge leds).
L'affichage est rafraîchi sur le LCD et le clavier est palpé.
Toutes les secondes la charge est enregistrée.
En cas d'appel par le terminal, un échange de données est effectué.
Relance de la boucle.
Le programme ne fait rien de plus.

Pour chaque élément nous avons quatre commandes logiques qu'il faut traduire en analogique. Dans tous les cas, par sécurité en cas de court-circuit, une résistance de 10 kOhms sera insérée dans la commande (en tension, consommation nulle).

Commençons par les deux commandes très simples. Chaque led est pilotée par un petit transistor Mosfet, un BS170 ou tout autre modèle à moins d'un Euro la douzaine.
Une résistance de quelques centaines d'ohms, en série dans le + 5 V logique fournit un courant d'une dizaine de mA. Le transistor étant placé côté masse, la commutation au point froid ne posera aucune difficulté.

La commande de utilise un Mosfet doit tenir 1 A. J'utilise en masse des Buz 11 qui sont très surdimensionnés (ils tiennent 50 A !) mais qui se trouvent facilement en récupération et à vil prix. Tout autre Mos de puissance convient.
La difficulté est de maintenir automatiquement un courant de 1A avec une tension totale d'entrée de seulement 1 V, sans passer par un montage complexe de comparateurs et de shunt étalon. Par simplicité, il sera évidemment monté côté froid. De plus, en cas de plantage, la décharge doit être automatiquement coupée en dessous de 1 V, même si l'ordre persiste. Je reviendrai ultérieurement sur cette partie, la plus complexe du projet, qui demande un développement assez long.

La commande de charge est, elle aussi, délicate car il faut commander la commutation par le point chaud. Si l'on veut se contenter de simple Buz 11 de récupération, il faut polariser la gate avec une tension supérieure à l'alimentation de puissance, cela pose un problème car la commande est une tension logique. Les optocoupleurs sont évidemment refusés pour minimiser le coût du projet. Il faudra aussi développer les astuces mises en œuvre dans cette partie. Il existe évidemment des commutateurs travaillant au point chaud (applications pour l'automobile), mais ils sont moins disponibles. Les relais sont évidemment exclus, ils posent trop de problèmes.

Le principe du projet a été exposé, mais dans sa réalisation pratique, de nombreuses simplifications peuvent être introduites !
Nous avons évoqué le groupement par deux modules sur chaque platine ce qui réduit beaucoup le câblage.
Autre amélioration pour la charge. Le schéma basique est le suivant :

Ce montage a pour inconvénient de nécessiter 8 résistances de puissance (P=VI = 3 * 0.3 = 1 watt).
Il existe une solution plus astucieuse. Au lieu de charger chaque élément en courant continu à 0.3 A, utiliser une charge 8 fois plus forte pendant 1/8 du temps. C'est la variante à charge par impulsions :

Les 8 impulsions de commande sont décalées, et ce montage ne demande qu'une seule résistance de puissance d'une dizaine de watts, plus facile à installer sur le coffret faisant office de radiateur.
Il est ainsi possible de régler un courant moyen quelconque (par exemple le faible courant d'entretien) en jouant finement sur le rapport cyclique. Cette méthode est très souple et l'accumulateur accepte sans problème le régime d'impulsions courtes.

Autre amélioration visant à remplacer les ports I2C PCF 8574, qui sont gaspillés en ne les utilisant qu'en sorties, par des produits moins chers. Utiliser simplement des registres à décalages 8 bits, entrée série et sorties parallèles latchées, évidemment un par platine double.. Le dernier des 8 bits de chaque registre sert de donnée en entrée du suivant. L'initialisation consiste à injecter 64 coups d'horloge en poussant des zéros.

Il existe de nombreux modèles possibles, comme le 74c164, ou en fouillant les fonds de tiroirs, deux 4 bits comme le 74c95 ou tout autre modèle récupéré en vielle CMOS.
Les transitions sont très rapides pendant les 64 coups d'horloge et les faux niveaux sont sans effet, le temps de transit étant négligeable devant le temps stable. Pour répondre aux angoissés qui pourraient s'inquiéter que pendant les quelques microsecondes de transitions il puisse y avoir simultanément commande de charge et de décharge, ce n'est pas grave…

Cette méthode a un autre avantage, la tension de l'accumulateur sera lue en fin de l'impulsion de charge, puis une autre fois à la fin de la période de repos. Ces deux mesures permettent de calculer des paramètres sur la dynamique et la chimie de l'accumulateur. La dégradation se voit sur ce seul critère.

Nous allons maintenant évoquer les chargeurs du commerce. Leur utilisation permet de simplifier le projet, car alors seule la décharge sera traitée, les recharges étant faites à l'extérieur.

Les batteries R6 NiMh ont des performances cotrectes. En l'an 3000, tous les sabres de Jedis seront équipés d'une pile rechargeable R6 d'une capacité d'un milliard d'Ampère*heures (Georges Lucas a déjà acheté tous les prototypes). Pour le moment nous nous contentons de capacités autour de 1.5 Ah, ce qui représente déjà un excellent rendement énergétique !

J'ai expérimenté une grande variété de chargeurs vendus dans le commerce pour les accumulateurs NiMh.
Ils peuvent être classés en trois catégories principales.

Ils représentent le plus gros de la production. La majorité des modèles présente un danger réel pour les accumulateurs par surcharge non contrôlée. Ce sont des produits à proscrire qui font perdre tout l'intérêt des accumulateurs performants. Il est impossible de les lister, c'est malheureusement la majorité.

La technique Cadmium Nickel est la plus ancienne. Ces matériels ne sont utilisés encore que pour l'outillage électroportatif car ils sont assez robustes et moins chers en production. Leur faible énergie massique et leurs problèmes de recyclage (toxicité des métaux) entraînent une disparition totale à court terme.

C'est malheureusement impossible. Il est assez miraculeux que le format R6 soit normalisé et donc universel, mais il ne faut pas s'attendre à une augmentation importante de la capacité, nous sommes au bout de la technologie NiMh vers les 2200 mAh réels.

Cela est très supérieur aux piles alcalines qui font une publicité délirante sur leur soit disant "longue " durée de vie ! Après une seule recharge, l'investissement en NiMh est amorti.
En commandant aux US les éléments R6 de 2.2 Ah s'achètent à moins de $2 pièce, par 12 ou 24, port compris.

La technologie NiMh ne peut être remplacée pas autre chose, car aucune des autres solutions ne fournit des cellules entre 1.3 et 1.5 V avec des énergies de cet ordre.
Le Li-Ion par exemple est à 3.6 V. Le marché anarchique rend totalement impossible une future normalisation.
Il ne faut donc pas espérer de futurs blocs universels de 3.6 ou 7.2 V, chaque constructeur aura un modèle différent pour chaque nouveau produit pour protéger son marché, c'est stupide, mais c'est ainsi.

Les NiMh ont une tension de service plus faible que les alcalines. Dans les matériels mal conçus, il y a détection de tension basse à 1.2 V, ce qui correspond à la tension de service des NiMh et l’appareil se met rapidement en sécurité.
Les matériels plus évolués ont une pompe de charge qui accepte de travailler à 1.0 V par élément et les NiMh sont alors supérieurs aux meilleures alcalines.
Sur un produit médiocre, les NiMh ne seront donc pas exploitables, il est tentant de se tourner vers les piles rechargeables qui ont une tension de service idéale de 1.5 V.
L’usage montre que ces piles sont très peu intéressantes. Elles sont à réserver à des matériels particuliers car elles ont de graves inconvénients.

La résistance interne est forte, elles sont donc à bannir pour les appareils à courants forts.
Les capacités et le nombre de recharges possibles s’écroulent si on les laisse trop se décharger. En tirant la moitié de la capacité, le pile se dégradera beaucoup, c’est irréversible.
Les piles rechargeables sont dont à réserver à des appareils demandant une tension élevée, consommant peu et souvent rechargées.
Elles s'avèrent onéreuses à l'usage.

Il faut donc ne pas les oublier ce qui est une contrainte forte, si l’appareil qui les utilise signale « batterie basse », elles sont perdues.

N'hésitez pas à vous lancer dans ce petit projet, c'est une bonne application de la carte microcontrôleur pour un débutant. Tout le programme est séquentiel, facile à comprendre et les durées des routines ne sont pas critiques. Il peut être développé en C ou en assembleur sur une carte quelconque.
Les électroniciens apprécieront les multiples petites astuces mises en pratique dans la partie analogique des modules, à la différence de la partie microcontrôleur qui très classique et sans aucune originalité.
L'utilisation du qualificateur est très pratique si vous avez un parc de nombreux accumulateurs R6 en service dans tous les appareils de la maison et les jouets des enfants

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Dernière retouche le 27 Juin 2019 à 13 h