Sécurité de l'utilisation des batteries au Lithium-ion

Il y a quelques années, des batteries lithium-ion batteries ont dégagé de la fumée dans un avion de ligne Dreamliner, produit phare de Boeing, contribuant bien mal à apaiser les craintes liées aux risques d'explosions imprévisible de ces sources d'alimentation. Mais lorsque leurs restrictions sont comprises, elles sont la meilleure solution pour alimenter une gamme étendue de produits électriques et électroniques.

Les batteries Li-ion ont été commercialisées pour la première fois au début des années 1990. Elles sont encore très utilisées dans les appareils électroniques de poche, grâce à leur très haute densité énergétique, qui est typiquement le double de la technologie NiCd antérieure. À capacité égale, les batteries Li-ion peuvent donc être beaucoup plus petites et plus légères. Leurs caractéristiques de décharge sont similaires aux batteries NiCd, mais chaque cellule a une tension beaucoup plus élevée, typiquement 3,6 V. Par conséquent, des batteries pour petits dispositifs, tels que téléphones portables, peuvent utiliser un pack batterie à cellule unique, alors qu'un pack batterie NiCd nécessiterait trois cellules 1,2 V en série.

Les batteries Li-ion se caractérisent par l'absence d'effet mémoire. Elles ne nécessitent pas d'amorçage lorsqu'elles sont neuves, ni de décharge périodique pour améliorer leur durée de vie. Elles ne se déchargent pour ainsi dire pas, ce qui est un avantage important par rapport aux batteries NiCd.

Par contre, les batteries Li-ion actuelles ont une durée de vie de deux à trois ans, qu'elles soient utilisées ou non. De bonnes conditions de stockage (température contrôlée, charge partielle) sont très utiles et de nouvelles combinaisons chimiques sont en cours de développement pour prolonger leur durée de vie. Les batteries Li-ion ont des exigences de chargement et de déchargement très spécifiques pour éviter la surchauffe et assurer la sécurité. Cependant, avec un contrôle rigoureux des courants et des tensions de charge, leur utilisation offre une sécurité totale.

En particulier, la surcharge peut endommager la cellule, ou la rendre dangereusement instable. De tels problèmes peuvent être aisément évités, avec le circuit de contrôle approprié pour réguler la tension et le courant.

 

Profil de chargement

Voyons de plus près le circuit de contrôle du chargement pour les batteries Li-ion. Le LM3658 de National Semiconductor (maintenant membre du groupe Texas Instrument) peut gérer en toute sécurité une batterie Li-ion à cellule unique alimentée par un adaptateur secteur ou une alimentation USB.

Les batteries Li-ion sont chargées en toute sécurité avec un courant constant régulé. Lorsque la tension finale est atteinte (normalement 4,2 V), le chargeur fournit assez de courant pour assurer la tension finale, pour prévenir la surcharge (voir le tableau de chargement LM3658 ci-dessous). Ce régime est appelé tension constante - courant constant (TC/CC). Un bon circuit de chargement assure la transition entre les phases de courant constant et de tension constante aussi harmonieusement que possible pour éviter de détériorer la batterie.

 

Figure 1 : Cycle de chargement du LM3658

 

Pour les batteries Li-ion, le courant de chargement idéal est égal à 1C, où C est le courant que la batterie peut fournir pendant une heure (ex. pour une batterie de 750 mAh, C est égal à 750 mA). Le LM3658 peut fournir des courants de chargement allant jusqu'à 1 000 mA. Tout chargement supérieur à 1C peut endommager la batterie. Il est possible de charger avec un courant plus bas, par exemple avec une source USB, mais le courant doit dans tous les cas rester constant. Dans ce cas, le circuit de chargement passe beaucoup plus de temps en phase de courant constant et la cellule est presque totalement chargée lorsque la phase de tension constante est atteinte.

Lorsque la batterie est complètement vide, un mode de pré-qualification applique un courant très faible de 50 mA pour empêcher la cellule de surchauffer jusqu'à ce que la batterie atteigne le niveau de tension maximal. Le régime TC/CC peut commencer.

Lorsque la batterie est chargée, un cycle de charge d'appoint débute et garantit que la batterie arrive à sa capacité totale sans surcharge. Une surcharge de plus de 1% peut provoquer une panne, mais une sous-charge de 1% réduit la capacité (une sous-charge de seulement 100 mV, w soit moins de 2,4% pour une batterie de 4,2 V représente une perte de capacité de 10%). Pendant ce mode, le chargement doit être rigoureusement contrôlé pour garantir que la batterie sera toujours chargée jusqu'à 1% de sa capacité.

Après la phase d'appoint, le chargement s'arrête et un mode de maintenance continue de contrôler la tension jusqu'à ce qu'elle descende au niveau suffisant pour déclencher le cycle de charge.

Plusieurs compteurs intégrés vérifient que tous les éléments du cycle de charge ne durent pas plus longtemps que nécessaire, puisque tout dépassement de limite peut constituer une erreur, et générer une surcharge dangereuse.

Sur le circuit imprimé, un détecteur de température assure la protection contre les températures supérieures à la gamme de sécurité spécifique du produit. Dans le pack batterie, un fusible externe est coupé lorsque la batterie est exposée à une très haute température théorique (par exemple 100 °C), et la batterie est ensuite inutilisable.

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