Pour veiller à la bonne santé d'une batterie lithium, rien de mieux que de mesurer les coulombs ! Tous les détails ici !

Avant, les ingénieurs se posaient la question suivante : « Combien d'ordinateurs portables faut-il ? ». Aujourd'hui, ils se demandent plutôt : « Combien de tablettes faut-il ? ». Le nouveau modèle que je possède est une tablette RCA Android Marshmallow convertible de 12 pouces, dotée d'un clavier amovible. Grâce à son apparence qui rappelle celle d'un ordinateur portable mince classique, je peux l'utiliser dans les réunions pour saisir des notes personnelles importantes, comme « restructurer le marketing pour se concentrer davantage sur les solutions » ou « manger plus de poulet ». Il arrive que je doive faire une présentation pour le reste de l'équipe. Dans ces cas, je détache l'écran du clavier et j'explique mes données visuelles. Bien sûr, personne n'écoute ce que je dis (comme mes parents) et on me demande plutôt « qu'est-ce que c'est ? ». Malheureusement, ils ne font pas référence à mes remarquables talents de persuasion sur PowerPoint, mais souhaitent en savoir plus sur ma tablette.

Nous discutons alors de ma tablette, puis je leur montre un extrait des « Aventures de Buckaroo Banzaï à travers la 8^e dimension » avant de prendre ma pause déjeuner. Plus tard, lorsque l'écran de la tablette est noir, j'appuie sur le bouton d'alimentation pour la sortir du mode veille, tout en retenant mon souffle et en espérant qu'elle n'est pas bloquée. Cela s'appelle le « Sleep of Death » (littéralement, le sommeil de la mort) d'Android, ou SOD (j'imagine que s'il existe un acronyme, c'est qu'il s'agit d'un phénomène réel). Pas de problème, je sais comment y remédier : le lendemain, je charge la tablette à 100 %, je la laisse se décharger jusqu'à 2 % avec l'écran allumé pendant la lecture d'un film (« Buckaroo »), puis je la charge à 100 % sans interruption. Je fais cette opération deux fois par an, et la tablette ne plante plus et devient plus stable. Reste une question : comment ça marche ?

J'ai récemment écrit pour Digi-Key une série de trois articles (qui à mon sens est digne d'être primée) sur la conception de dispositifs corporels. Dans la 2e partie relative à la protection et la recharge des batteries pour une durée de vie étendue, j'ai étudié les batteries lithium-ion et les indicateurs de charge de batterie. Contrairement à ce que de nombreux internautes croient, le processeur principal d'une tablette ou d'un dispositif corporel ne surveille pas le niveau ni l'intégrité de la batterie. C'est une puce distincte qui s'en charge. La plupart des dispositifs portables alimentés par batterie utilisent des batteries lithium-ion, et bon nombre d'entre eux sont équipés de puces de gestion de batterie de Maxim Integrated. Même si vous pensez que votre dispositif portable est éteint, la puce de gestion de batterie reste active et surveille constamment l'état de la batterie lithium-ion.

La mesure du niveau de batterie lithium-ion rechargeable n'est pas qu'une simple question de pourcentage de tension maximale. Si une batterie lithium de 3,7 V est à 3,1 V, cela ne veut pas dire que la batterie est à 84 %, car dans de nombreux cas, une cellule lithium-ion est considérée comme morte à 3,0 V. Mais elle n'est pas non plus à 14 %. Alors comment peut-on réellement connaître la capacité disponible d'une batterie lithium-ion ?

Il faut mesurer les coulombs. Une puce de gestion de batterie mesure en fait les coulombs qui entrent dans la batterie et qui en sortent. La mesure des coulombs permet de surveiller le flux de courant total et la tension au fil du temps à l'entrée et à la sortie d'une batterie pour déterminer la capacité disponible de la batterie.

Prenons un exemple simple : si une batterie entièrement chargée fournit 200 milliampères (mA) pendant 48 heures jusqu'à être épuisée, sa capacité équivaut alors à 200 mA x 48 heures = 9,6 ampères-heure (Ah). En réalité, la mesure des coulombs est plus complexe. C'est la raison pour laquelle elle nécessite une puce dédiée dotée de l'intelligence nécessaire pour effectuer les calculs. Le MAX17303X+ de Maxim Integrated est une puce de ce type. Dans le circuit d'application indiqué à la Figure 1, le courant qui entre dans la batterie lithium-ion et qui en sort est mesuré au niveau de la résistance de détection, en bas.

Figure 1 : La puce de gestion de batterie lithium-ion MAX17303X+ de Maxim Integrated communique facilement avec un microcontrôleur et surveille le courant qui entre dans la batterie et qui en sort. (Source de l'image : Maxim Integrated).

La puce MAX17303X+ est programmable et communique avec un microcontrôleur à l'aide d'une interface série I²C. Elle possède un processeur interne pour les calculs liés à la batterie avec une mémoire RAM et une mémoire non volatile. La puce surveille le courant et la tension qui entrent dans la batterie lors de la charge et qui en sortent lors de la décharge. La société propose une amélioration de la mesure des coulombs grâce à ModelGauge m5, son propre algorithme d'indicateur de charge de batterie.

La mémoire non volatile stocke les valeurs maximale et minimale de tension, de courant et de température de la batterie, ainsi que les informations recueillies concernant l'état de la batterie qui doivent être conservées en cas de perte d'alimentation de la batterie. Ce point est important, car de nombreuses batteries lithium-ion contiennent des circuits de protection qui empêchent une décharge profonde en désactivant la batterie en cas de tensions très faibles jusqu'à ce qu'elle soit rechargée.

L'aspect le plus important pour les clients est que la puce MAX17303X+ permet une surveillance précise de l'état de la batterie pour l'indicateur de charge de batterie. L'état de charge (SOC, state of charge) est calculé en tant que pourcentage de la capacité disponible de la batterie à un moment donné (en Ah) par rapport à la capacité maximale mesurée de la batterie. L'état de santé (SOH, state of health) est la capacité maximale disponible de la batterie (en Ah) par rapport à sa capacité maximale à l'état neuf.

Cependant, quel que soit le niveau d'intelligence de la puce de gestion de batterie, les erreurs sont inévitables. Pour garantir la précision de l'indicateur de charge, il faut donc l'étalonner. L'étalonnage consiste à décharger la batterie de 100 % à un niveau presque vide. Cela permet à la puce MAX17303X+ de comprendre avec précision le comportement de décharge. La batterie est ensuite chargée à 100 %, ce qui permet à la puce d'étudier sa capacité de charge. Une fois cette opération réalisée, l'indicateur de charge de batterie est étalonné.

J'ai donc pris ma tablette RCA et étalonné la batterie, en m'aidant encore une fois du film Buckaroo Banzaï pour garder l'écran allumé jusqu'à atteindre un niveau de batterie de 2 %, afin d'éviter le sommeil de la mort, alias SOD. J'ai ensuite chargé la tablette à 100 %, puis je l'ai éteinte pendant cinq minutes. Cela donne à la puce de gestion de batterie le temps de mesurer la tension de la batterie entièrement chargée, avec une charge minimale. Après cela, la tablette n'a plus planté. Mais ce n'est pas tout : elle est également devenue plus réactive.

Quel est le secret ?

Pourquoi l'étalonnage de l'indicateur de charge de batterie a-t-il permis de remédier au plantage de la tablette ? Ma théorie est la suivante : lorsque j'appuie sur le bouton pour faire sortir la tablette du mode veille, le microcontrôleur hôte lit d'abord l'état de la batterie à partir de la puce de gestion de batterie utilisée. Je pense que le micrologiciel du microcontrôleur hôte lit des données inattendues (c'est-à-dire, non codées à cet effet) et qu'il ne possède malheureusement pas de gestionnaire d'exceptions pour ce problème, ce qui entraîne le plantage de la tablette. La même chose se produit lorsque la tablette est active et qu'elle surveille régulièrement les données de la puce de gestion de batterie.

Cela soulève la question suivante : « Pourquoi ne pas étalonner la batterie tout le temps ? » Parce que les batteries lithium-ion subissent des dommages irréparables lors des décharges profondes. Deux ou trois étalonnages par an sont donc suffisants. Cela s'applique à tous les dispositifs équipés d'une batterie lithium-ion rechargeable, notamment aux dispositifs corporels et aux points d'extrémité Internet des objets (IoT).

En résumé, l'étalonnage de la batterie peut améliorer la stabilité d'un système lithium-ion. Ce processus est certainement nécessaire pour avoir un indicateur de charge de batterie précis, et absolument indispensable si on veut atteindre la 8^e dimension.