Pourquoi votre appareil à batterie s’éteint et se rallume avant d’être vraiment à plat

Par Nick Kowalski

Avez-vous déjà remarqué qu’un appareil à batterie s’éteint, se rallume, puis s’éteint de nouveau quand sa batterie faiblit ? C’est un comportement typique des appareils à batterie bon marché, et ce n’est pas un défaut de l’appareil lui-même. C’est le circuit de protection de la batterie qui réagit à un phénomène appelé la polarisation de la cellule.

Dans cet article, nous expliquons ce qu’est la polarisation de la cellule, pourquoi elle provoque ces coupures intermittentes avec les modules de batterie au lithium conventionnels, et comment nous avons conçu Battery Pal pour l’éviter.

Pourquoi mon appareil s’éteint-il et se rallume-t-il quand la batterie est faible ?

La grande majorité des modules de batterie au lithium utilisent des circuits de protection à seuil fixe comme le DW01 ou le BQ2970x. Ces puces déconnectent la cellule quand sa tension descend sous un seuil de sous-tension fixé en usine. Le hic, c’est qu’en raison de la polarisation de la cellule et de la chute ohmique (IR drop), la tension que mesure le circuit de protection n’est jamais la vraie tension de la cellule. Avec un module conventionnel à seuil fixe, on se retrouve donc presque toujours dans l’un de deux cas :

Cas 1 : La vraie tension en circuit ouvert (OCV) de la cellule est encore bien au-dessus du seuil de coupure, mais sous charge la tension s’affaisse sous le seuil de protection et la sortie se coupe. Une fois la charge retirée, la cellule remonte vers sa tension en circuit ouvert, le circuit de protection relâche, l’appareil se rallume, la tension s’affaisse de nouveau… et l’appareil s’éteint et se rallume en boucle alors qu’il reste encore de l’énergie utilisable dans la cellule.

Cas 2 : La tension en circuit ouvert de la cellule est déjà très basse quand la protection finit par se déclencher, parce que le seuil de coupure a été placé assez bas pour éviter le cas 1 sous forte charge. À faible charge, la tension ne s’affaisse presque pas, et la cellule se décharge donc beaucoup plus profondément qu’elle ne le devrait, ce qui réduit sa durée de vie en cycles.

Deux icônes de batterie côte à côte, légendées en anglais. Le cas 1 contient encore de la charge, avec une tension en circuit ouvert supérieure à 3,0 V et de la capacité restante. Le cas 2 est vide, avec une tension en circuit ouvert de 2,8 V, en décharge profonde.

Aucun de ces deux résultats n’est idéal, et un seul seuil fixe ne peut pas éviter les deux. Pour comprendre pourquoi, il faut regarder ce qui se passe du point de vue du circuit de protection.

Polarisation de la cellule et sous-tension

La tension mesurée aux bornes d’une cellule au lithium ne correspond à sa vraie tension (OCV) que lorsqu’aucun courant ne circule et que la cellule a eu le temps d’atteindre l’équilibre. Dès qu’une charge est branchée, la tension mesurée descend sous cette valeur. Le graphique ci-dessous montre ce que cela donne sur une cellule presque vide, avec un circuit de protection à seuil fixe typique :

1. La charge démarre : La tension chute instantanément à cause de la résistance interne, puis continue de s’affaisser tant que l’appel de 3 A se poursuit. Cet écart lent et croissant entre la tension mesurée et la vraie tension de la cellule, c’est la polarisation.

2. La protection se déclenche : La tension mesurée atteint 2,5 V et le circuit de protection coupe la sortie, même si la vraie tension de la cellule est encore supérieure à 3,0 V.

3. La cellule récupère : Sans courant, la tension remonte d’un coup, puis grimpe lentement vers la vraie tension de la cellule. Dès qu’elle dépasse 3,0 V, la protection relâche et la charge se remet en marche.

4. Elle se déclenche de nouveau, plus vite : La cellule n’a jamais eu le temps de se relaxer complètement, elle retombe donc à 2,5 V en quelques secondes. Cette fois, elle se stabilise juste sous 3,0 V, et la sortie reste coupée pour de bon.

Graphique, légendé en anglais, de la tension de la cellule et du courant de charge dans le temps : la tension chute instantanément, puis s’affaisse lentement sous un seuil de protection fixe tant qu’une charge de 3 A est active, et remonte lentement vers la tension en circuit ouvert une fois la charge coupée
Exemple illustratif : les courbes sont exagérées pour les besoins de la démonstration. La « tension de la cellule » (Cell Voltage) est celle que voit le circuit de protection.

Vu de l’extérieur, votre appareil s’est simplement éteint et rallumé avant de mourir, et il s’est coupé une première fois alors que la cellule avait encore de l’énergie utilisable.

Comment Battery Pal évite ce problème

Battery Pal utilise le BQ27Z746 de Texas Instruments. En plus d’être une jauge de batterie de précision 16 bits qui donne un pourcentage de charge exact, c’est aussi un circuit de protection programmable par I²C, avec des seuils réglables de surtension et de sous-tension, de surintensité et de température.

Cela permet d’éviter complètement les deux cas décrits plus haut :

  • Seuil de sous-tension réglable : Réglez le seuil de coupure en sous-tension à n’importe quelle valeur jusqu’à 2,0 V selon la charge prévue et la longueur du câblage, pour que les fortes charges ne le déclenchent pas trop tôt et que les faibles charges ne déchargent pas trop la cellule.
  • Verrouillage en sous-tension : Configurez la protection pour qu’elle coupe la sortie dès que votre seuil est atteint et la garde coupée jusqu’au branchement d’un chargeur, peu importe jusqu’où la tension en circuit ouvert remonte.

Devrai-je écrire mon propre micrologiciel ?

Non ! Chaque Battery Pal sera livré préconfiguré pour une cellule au lithium standard de 3,0–4,2 V et fonctionne sans que vous ayez à téléverser de micrologiciel. Pour modifier les réglages et voir l’état de la puce en direct, vous pourrez utiliser notre application Web, actuellement en développement.

Jetez un coup d’œil à notre page de prélancement ici !