Technologie des batteries pour appareils électroniques portables

Introduction

Aujourd'hui, la technologie des batteries dans les appareils électroniques portables comprend divers aspects tels que les algorithmes de détection de puissance, les algorithmes de charge de batterie et les techniques de charge de batterie. Les batteries rechargeables sont de plusieurs types, notamment les batteries nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion et lithium polymère. Bien que chacun de ces types de batteries ait ses caractéristiques, les batteries lithium-ion et lithium polymère sont devenues le choix idéal pour les petits appareils à longue durée de vie comme les ordinateurs portables et les lecteurs multimédia portables à disque dur (PMP) en raison de leur densité énergétique et de leurs caractéristiques de sécurité. Pour les ingénieurs travaillant avec l'électronique portable, il est essentiel de sélectionner et d'appliquer correctement la technologie des batteries, et cet article abordera et analysera ces aspects à l'aide d'exemples pratiques.

1. Algorithmes de charge de batterie : charge lente, rapide et à tension constante

Selon les besoins énergétiques de l'application finale, un pack de batteries peut contenir jusqu'à quatre cellules lithium-ion ou lithium-polymère, configurées de différentes manières et alimentées par un adaptateur principal : adaptateur direct, interface USB ou chargeur de voiture. Malgré les différences dans le nombre de cellules, leur configuration ou le type d'adaptateur secteur, ces packs de batteries partagent les mêmes caractéristiques de charge et, par conséquent, les algorithmes de charge sont similaires. L'algorithme de charge optimal pour les batteries lithium-ion et lithium-polymère peut être divisé en trois étapes : charge d'entretien, charge rapide et charge à tension constante.

Charge d'entretien : Utilisé pour les cellules profondément déchargées. Lorsque la tension de la cellule descend en dessous d'environ 2,8 V, un courant constant de 0,1 C est appliqué pour charger la cellule.

Charge rapide : une fois que la tension de la cellule dépasse le seuil de charge d'entretien, le courant de charge est augmenté pour une charge rapide. Le courant de charge rapide doit être inférieur à 1,0 C.

Charge à tension constante : pendant la charge rapide, une fois que la tension de la cellule atteint 4,2 V, la phase de tension constante commence. La charge est arrêtée lorsque le courant de charge minimum descend en dessous d'environ 0,07 C, ou qu'une minuterie déclenche l'interruption.

Les chargeurs de batterie avancés sont généralement dotés de fonctions de sécurité supplémentaires. Par exemple, si la température de la batterie dépasse la plage spécifiée (généralement de 0 °C à 45 °C), le processus de charge s'interrompt. Les solutions modernes de charge de batteries lithium-ion et lithium-polymère intègrent ou incluent des composants externes pour suivre ces caractéristiques de charge, garantissant ainsi une meilleure efficacité et une meilleure sécurité.

2. Solutions de charge de batteries lithium-ion/polymère

La solution de charge pour les batteries lithium-ion/polymère varie en fonction du nombre de cellules, de leur configuration et du type d'alimentation. Il existe trois principales solutions de charge : la solution linéaire, la solution à commutation Buck (abaisseur) et la solution à commutation SEPIC (élévateur et abaisseur).

2.1 Solution linéaire

Lorsque la tension d'entrée est légèrement supérieure à la tension en circuit ouvert d'une cellule complètement chargée, la solution linéaire est la meilleure option. Elle est particulièrement efficace lorsque le courant de charge rapide de 1,0 C n'est pas beaucoup plus élevé que 1 A. Par exemple, un lecteur MP3 utilise généralement une seule cellule d'une capacité comprise entre 700 et 1 500 mAh et une tension en circuit ouvert de 4,2 V. Ces appareils utilisent généralement un adaptateur CA/CC ou une interface USB avec une sortie régulée de 5 V. Dans de tels cas, un chargeur linéaire est la solution la plus efficace et la plus simple.

Exemple d'application : Chargeur Li+ à double entrée MAX8677A : Le MAX8677A est un chargeur linéaire adaptateur USB/AC à double entrée avec un sélecteur d'alimentation intelligent intégré, adapté aux appareils portables alimentés par une batterie Li+ à cellule unique. Le chargeur bascule entre les entrées d'alimentation et charge la batterie de manière optimale. Il comprend également une limitation de courant, une régulation thermique, une protection contre les surtensions, etc., garantissant une charge sûre et efficace des appareils tels que les smartphones, les PDA, les appareils photo et les GPS.

2.2 Solution de commutation Buck (abaisseur)

Dans les cas où le courant de charge de 1,0 C dépasse 1 A ou lorsque la tension d'entrée est bien supérieure à la tension en circuit ouvert de la batterie, une solution Buck (abaisseur de tension) est un meilleur choix. Par exemple, les lecteurs multimédia portables dotés d'une seule cellule lithium-ion et d'une large plage de tension d'entrée (9 V à 16 V) bénéficieront de cette solution, car elle est plus efficace que la charge linéaire lorsqu'il existe une différence de tension importante entre la tension d'entrée et la tension de la batterie.

2.3 Solution de commutation SEPIC (Step-up et Step-down)

Pour les appareils dotés de trois cellules lithium-ion/polymère ou plus connectées en série, où la tension d'entrée n'est pas toujours supérieure à la tension de la batterie, la solution SEPIC est idéale. Par exemple, les ordinateurs portables utilisent généralement une batterie lithium-ion à 3 cellules avec une tension en circuit ouvert entièrement chargée de 12,6 V. Le convertisseur SEPIC peut gérer les deux scénarios : lorsque la tension de sortie est supérieure ou inférieure à la tension de la batterie.

3. Algorithme de détection de puissance

De nombreux produits portables s'appuient sur la mesure de la tension pour estimer la capacité restante de la batterie, mais la précision de cette méthode peut être considérablement affectée par le taux de décharge, la température et le vieillissement de la batterie. Pour obtenir une estimation plus précise de la capacité de la batterie, des wattmètres sont utilisés pour mesurer la charge ajoutée ou consommée par la batterie, fournissant des estimations plus précises sur une large gamme de niveaux de puissance d'application.

3.1 Exemple d'application de l'algorithme de détection de puissance : application portable complète à batterie simple/double Conception de pack de batteries

Un bon wattmètre pour la détection de batterie doit au moins mesurer la tension, la température et le courant de la batterie. Un microprocesseur et un ensemble d'algorithmes de détection de puissance bien testés sont essentiels. Par exemple, les wattmètres bq2650x et bq27x00 sont équipés de convertisseurs analogique-numérique (ADC) pour mesurer la tension, la température et le courant, et intègrent les algorithmes de détection de puissance de TI pour compenser l'autodécharge, le vieillissement, la température et le taux de décharge. Ces wattmètres fournissent des informations sur la capacité restante de la batterie, et la série bq27x00 fournit même une estimation du temps de fonctionnement jusqu'à ce que la batterie soit vide.

3.2 Exemple d'application de l'algorithme de détection de puissance : nouveau circuit intégré pour compteurs d'énergie à usage général

Plusieurs fabricants proposent une large gamme de circuits intégrés de mesure de puissance, permettant aux utilisateurs de sélectionner le dispositif le plus adapté pour optimiser la rentabilité du produit. Par exemple, le DS2762 de Dallas Semiconductor est un circuit intégré de mesure de puissance à faible coût et hautement intégré adapté aux téléphones portables, aux PDA et à d'autres appareils portables similaires. Il combine la détection de puissance avec une protection contre les surtensions, les sous-tensions et les surintensités. Le DS2762 offre également un chemin de charge de récupération limitant le courant lorsque la tension de la batterie descend en dessous de 3 V, offrant ainsi une gestion efficace de l'alimentation.

4. Conclusion

L'application appropriée de la technologie des batteries aux appareils électroniques portables est essentielle pour sélectionner les batteries lithium-ion ou lithium-polymère et leurs chargeurs. Le choix doit être fait en fonction des exigences spécifiques de l'appareil électronique portable.