Batteries : Durée de vie

 

Batteries : Durée de vie

Dans cet article nous allons parler des effets du vieillissement des batteries, en particulier de la résistance interne.

On sait tous que la capacité d'une batterie diminue avec l'âge, et surtout le nombre de recharges qu'on lui fait subir. Mais une autre caractéristique est modifiée : sa résistance interne.

Toute batterie a une résistance interne. Cette résistance série impacte directement ses performances. Lors de la recharge ou de la décharge elle va empêcher le courant de circuler librement.

Comment mesurer cette résistance ?

1. Expérience

Faisons une expérience : chargeons deux batteries de vapoteuse 21700 4000mAH, la première achetée il y a deux ans, l'autre achetée très récemment.

Le chargeur IMAX B6 est réglé comme suit :

• courant de charge : 1.5A
• batterie 1S : tension de fin de charge 4.2V

Comme tout chargeur LITHIUM ou LIPO qui se respecte, l'IMAX B6 commence par recharger la batterie à courant constant, ici 1.5A, jusqu'à ce que la tension atteigne 4.2V. Ensuite il continue la recharge à tension constante jusqu'à ce que le courant descende à 10% du courant nominal, donc 150mA.

Lorsque je recharge la batterie neuve, la tension en fin de charge est bien de 4.2V et reste à cette valeur même plusieurs jours après.

Lorsque je recharge la batterie usagée, la tension en fin de charge est de 4.18V et baisse légèrement pendant les heures suivantes, jusqu'à 4.10V.

On peut en déduire deux choses :

• la batterie usagée possède une résistance interne plus forte
• la batterie usagée a tendance à fuir

Quelle est la valeur de cette résistance ? C'est facile à calculer :

R = (4.2V - 4.18V) / 150mA = 0.133Ω

Cette valeur très loin d'être négligeable. Ce sont des batteries capables de délivrer 20A sur des charges de valeurs très basses, de l'ordre de 0.2Ω à 0.5Ω. On voit bien que si l'on cherche à débiter 20A dans une charge de 0.2Ω, le tiers de l'énergie va être gaspillé dans la résistance interne de la batterie.

2. Durée de vie

La durée de vie d'une batterie est donnée en nombre de cycles de recharge. Les plus courantes supportent 300 à 500 recharges. Les plus durables, comme les LiFePO4, supportent jusqu'à 7000 cycles.

Avant de décider quelle batterie utiliser dans un montage il vaut mieux examiner de près les conditions d'utilisation :

• courant nécessaire
• fréquence des recharges

Il faut aussi tenir compte de la température. La plage de fonctionnement optimale d'une batterie LITHIUM se situe entre 15°C et 35°C. Une température élevée ou très basse réduit les performances. Il faut également éviter de recharger une batterie LITHIUM si la température est négative.

Bien souvent, lorsque les conditions climatiques sont défavorables, on adopte des batteries au plomb, à électrolyte gélifié de préférence.

3. Surveillance

Afin d'éviter les problèmes une batterie doit être surveillée. Dans un article récent je parlais d'un détecteur de fumée BOSCH capable d'émettre un bip en cas de batterie trop faible.

Avec nos montages DIY on peut faire exactement la même chose. A l'aide de quelques lignes de code on peut faire des mesures automatiques régulières de la tension, afin d'en déduire la capacité restante.

On peut également surveiller le comportement du montage afin de signaler les anomalies (blocage moteur inattendu, contact de fin de course, etc.). L'organe de signalisation doit être adapté au cas envisagé :

• LED émettant un ou des FLASHs
• buzzer
• mail
• SMS
• serveur domotique
• etc.

L'organe de signalisation doit également être accessible. Il ne servirait à rien de faire clignoter une LED si l'on n'est pas présent sur place pour constater qu'elle est allumée !

Tous mes équipements domotique alimentés par batterie sont capables d'envoyer régulièrement la capacité restante de celle-ci à un serveur DOMOTICZ, mais également l'état de fonctionnement de leurs organes principaux (l'état de la porte de mon poulailler par exemple).

Mon dispositif de surveillance est basé sur un ESP8266, un afficheur TFT et un buzzer :

Un afficheur TFT pour DOMOTICZ ou JEEDOM (version ESP8266)

4. Conclusion

L'expérience citée ci dessus est un cas extrême. Peu de montages sont appelés à consommer des courant aussi élevés. Cela donne tout de même une bonne idée de l'état d'une batterie au bout de quelques années de fonctionnement dans des conditions sévères. 

Si l'on avait affaire à un montage destiné à piloter un moteur, la résistance interne pourrait limiter le courant délivré au moteur, et empêcher celui-ci de tourner à la vitesse prévue. En fonction de la charge mécanique, le moteur pourrait aussi ne pas avoir suffisamment d'énergie pour pouvoir manœuvrer celle-ci, et se bloquer.

Il faut donc être vigilent, et ne pas chercher à prolonger l'utilisation de batteries délivrant des courants importants. Il vaut mieux les changer régulièrement, et réutiliser les batteries usagées dans des montages moins gourmands.

La surveillance est également un point important. On ne peut pas laisser indéfiniment un montage alimenté par batterie vivre sa vie sans s'en occuper.

Cordialement

Henri

Batteries : Recharge et décharge

 

Batteries : Recharge et décharge

Je suis utilisateur de batteries NI-MH depuis plus de dix ans, sur différents appareils :

• souris
• clavier
• détecteurs de fumée
• lampe torche
• éclairage de vélo
• capteurs de température
• etc.

Ces batteries sont en général bien acceptées par les appareils prévus pour fonctionner avec des piles 1.5V.

Certains appareils rechargeables récents utilisent des batteries LITHIUM-ION, 18650 en général, comme certaines lampes torches par exemple.

1. Batteries NI-MH à faible auto-décharge

Depuis quelques années, il existe sur le marché des batteries NI-MH à faible auto-décharge. Leur emballage peut porter l’indication "Déjà chargées" ou "Pré-chargées". Elles peuvent être stockées durant une longue période après recharge, ce qui est un atout de taille si l'on en possède un petit stock.

2. Décharge

Certains appareils sont capables de signaler que la ou les piles arrivent en fin de vie, comme mes détecteurs de fumée Bosch qui émettent un bip à intervalle régulier dans ce cas, ce qui semble assez normal, étant donné qu'il s'agit d'un élément de sécurité.

D'autres appareils se contentent de ne plus fonctionner. Dans ce cas, il peut arriver que la tension des batteries descendent un peu trop bas, si l'on oublie de les recharger à temps (la limite étant de 0.9V). Cette situation est assez ingérable, et je ne vois pas comment je pourrais résoudre ce problème sans faire une mesure régulière.

Suite à une décharge profonde il arrive de temps en temps qu'une batterie soit impossible à recharger.

3. Recharge

J'utilise pour la recharge un Voltcraft IPC-1L :

Ce chargeur a un gros avantage : il ne se contente pas d'allumer une LED indiquant que le recharge est en cours. Il affiche clairement le courant de charge pour chaque batterie. Il indique également "NULL" si une batterie HS est insérée.

On trouve bien sûr d'autres modèles, d'autres marques, SkyRc par exemple. Ces chargeurs évolués ont un coût : entre 30€ et 50€.

Jusqu'à présent j'utilisais deux bacs (AA et AAA) pour les batteries sortant du chargeur, mais cela pose un problème de gestion. Il faut ranger les batteries par ordre chronologique de recharge.

Récemment j'ai trouvé un distributeur : 

Avec ce bidule capable de stocker 10 piles AA et 10 piles AAA, acheté à pas cher sur Amazon, AliExpress ou Temu, les batteries rechargées le plus récemment se retrouvent nécessairement en haut de la pile. Cela évite de laisser en stock une batterie rechargée pendant trop longtemps.

4. Incidents

Malgré une gestion rigoureuse il peut arriver qu'une batterie arrive en fin de vie, même après avoir été rechargée avec succès.

Récemment j'ai été obligé de changer les deux batteries d'un téléphone DECT qui ne s'allumait plus. Cet appareil embarque deux batteries NI-MH qu'il est capable de recharger lui-même.

Après remplacement des batteries le téléphone démarre, mais redémarre au bout de quelques secondes, et ceci sans arrêt, probablement suite à un appel de courant plus important (ouverture de la ligne ?).

Le DECT est il mort ? Je décide de remplacer à nouveau les batteries, et le démarrage se passe bien. Il s'avère que la tension mesurée sur une des deux batteries précédentes est de ZÉRO volts ! Elle est donc morte après avoir été rechargée et placée dans le bac prévu à cet effet.

Le téléphone est donc capable de démarrer avec une seule batterie en état, ce qui est remarquable, mais ne peut poursuivre son démarrage.

Une des deux batteries est donc entrée en décharge profonde après avoir été rechargée. Cette décharge profonde peut être provoquée par exemple par un léger courant de fuite de la batterie, sur une période relativement longue.

Méfiance donc :

Ce n'est pas parce qu'un appareil ne démarre pas après remplacement de ses batteries qu'il est HS.

Ce n'est pas parce que l'on prend une batterie dans le stock de batteries rechargées qu'elle est forcément en état.

Avant de l'insérer dans un appareil, il vaut mieux la tester. Il existe un grand nombre de testeurs de piles dans le commerce. Ces petits appareils sont prévus pour tester des piles 1.5V mais donnent tout de même une bonne indication de l'état de charge d'une batterie 1.2V.

4. Conclusion

On peut tirer quelques leçons évidentes :

• utiliser un chargeur haut de gamme
• ranger les batteries par ordre de recharge
• tester les batteries avant utilisation
• ne pas stocker un nombre important de batteries chargées, surtout si elles ne sont pas à faible auto-décharge

On peut ajouter à cela un petit détail pratique : coller sur chaque batterie une étiquette indiquant la date d'achat, ce que je fais sur mes grosses batteries LITHIUM ION 21700, soumises à des courant de décharge importants, et qui ont donc une durée de vie limitée.

Cordialement

Henri

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

 

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

Cet article fait suite à celui-ci : Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Le but de ce nouvel article est de parler de l'importance de l'ondulation en sortie.

1. Pourquoi un convertisseur STEPDOWN ?

Alimenter un microcontrôleur à l'aide d'un module convertisseur à découpage a un avantage évident : le rendement est nettement supérieur à celui d'un régulateur linéaire.

Si l'on prend l'exemple suivant :

• alimentation générale 12V
• alimentation d'un ARDUINO sous 5V
• besoin en courant 100mA

Le convertisseur à découpage a un rendement d'environ 90%.

La puissance dissipée en pure perte calorique (10%) par le convertisseur est de :

P = 5V * 0.1A * 10% = 0.05W

Si l'on adoptait un régulateur linéaire le rendement serait directement proportionnel à la différence de tension entre entrée et sortie :

P = (12V - 5V) * 0.1A = 0.7W

La différence est juste énorme.

2. L'ondulation

L'ondulation en sortie d'un régulateur linéaire est très faible, de l'ordre de 0.003% pour un LM1117, c'est à dire 5V * 0.003% = 0.15mV

Celle-ci est sans commune mesure avec celle d'un convertisseur à découpage. Elle dépend en outre de la charge. Voici une capture d'écran montrant l'ondulation d'un LM2596 débitant 100mA sous 5V :

L'ondulation atteint 150mV crête à crête, à une fréquence de 55KHz.

Mais est ce bien important ? L'ondulation en sortie d'un convertisseur à découpage peut elle avoir une influence sur le comportement d'un microcontrôleur ?

Je dirais que non tant qu'on se limite à une utilisation purement numérique.

Par contre dans le cas où l'on désire faire des mesures analogiques en utilisant le 5V comme tension de référence, l'ondulation impactera directement les mesures. Il en ira de même si l'on alimente un capteur analogique avec ce 5V pollué.

La précision risque d'en souffrir. La tension de sortie du LM2596, ainsi que la tension de référence va donc varier de +/-75mV.

Si la valeur lue est de 2.5V, l'ADC renverra une valeur d'environ 500 :

min = 2.5V * 1023 / (5 + 0.075) = 504

min = 2.5V * 1023 / (5 - 0.075) = 519

Si l'on effectue une mesure en continu, la valeur lue sur l'entrée de l'ADC va donc osciller entre ces deux valeurs, ce qui représente une erreur de 3%.

Il est un peu dommage de sacrifier la précision d'un ADC capable de mesurer une tension avec une résolution de 1/1024 points, c'est à dire +/- 5mV.

3. Amélioration

Dans l'article précédent, on avait vu que l'on pouvait réduire l'ondulation en sortie d'un module LM2596 à une valeur très faible (10mV) en ajoutant une cellule LC (self + condensateur).

Pourrait on obtenir le même résultat avec un simple condensateur ?

Il y a peu de chances, en effet le module LM2596 possède déjà un condensateur de sortie de 220µF.

En ajoutant un condensateur de 220µF supplémentaire, cette fois-ci au plus près de la charge, l'ondulation est de 75mV. Avec 1000µF elle descend à 50mV.

On voit bien que l'on est très loin des 0.15mV d'un régulateur linéaire.

Dans certains cas, on pourra difficilement se contenter de cette imprécision, dans d'autres cas, elle sera peu gênante. Tout dépend de l'application.

Suivant les besoins on pourra donc réduire l'ondulation en adoptant une solution adaptée :

• l'ondulation n'est pas gênante : rien du tout
• l'ondulation est légèrement gênante : un condensateur
• l'ondulation est gênante : une cellule LC
• l'ondulation est très gênante : voir plus loin

4. Solution alternative

Il existe des solutions alternatives pour effectuer des mesures précises tout en conservant un régulateur à découpage.

4.1. Utiliser un régulateur linéaire

On peut parfaitement utiliser le régulateur linéaire d'une carte UNO ou NANO en alimentant à l'aide d'un régulateur à découpage par la broche VIN ou le JACK entre 6.5V et 12V, par contre tout va dépendre de la tension appliquée sur VIN, et du courant nécessaire. Plus la tension sur VIN sera importante, et plus le courant demandé sera important, plus le régulateur chauffera.

Voir ici :

ARDUINO : l'alimentation (VCC, VIN, etc.)

Paragraphe 3.3.3. Puissance maximale

4.2. Utiliser la sortie 3.3V comme tension de référence

Avec un ARDUINO UNO ou NANO on peut relier la sortie 3.3V à l'entrée VREF. Ensuite dans le code on écrira :

analogReference(EXTERNAL);

En procédant de la sorte on ne pourra pas mesurer de tensions supérieures à 3.3V, ou alors il faudra installer un pont diviseur entre la tension à mesurer et l'entrée analogique.

Remarque : une carte ARDUINO PRO MINI ne possède pas de broche VREF.

4.3. Utiliser une référence de tension

J'ai déjà parlé de ces composants ici :

La référence de tension MAX6225, MAX6241 & MAX6250

Ici aussi on reliera la sortie de la référence à l'entrée VREF et on ajoutera la même ligne dans le code.

5. Conclusion

Quand on alimente un microcontrôleur à l'aide d'un convertisseur à découpage on pense rarement à ce problème d'ondulation. J'espère que cet article vous aura éclairé.

Cordialement

Henri

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : suite

 

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : suite

Cet article fait suite à celui-ci : Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Dans ce nouvel article, je propose de tester le comportement de deux convertisseurs STEPUP en fonction de leur tension d'entrée. En effet dans le cadre d'une utilisation avec une batterie LITHIUM-ION ou LIPO il serait intéressant de vérifier qu'à 3V ils soient encore capable de fournir une tension correcte.

1. Le XR2981

Le XR2981 est un modèle 5V.

Voici les résultats :

Tension d'entrée	Tension de sortie à vide	Tension de sortie charge 100Ω : 50mA	Tension de sortie charge 10Ω : 500mA
4.2V	5.18V	5.13V	5.12V
3.7V	5.18V	5.13V	5.12V
3.3V	5.18V	5.13V	3.3V
3V	5.18V	5.13V	2.5V
2.7V	2.6V	2.4V	2.2V

Le XR2981 tient bien la charge entre 4.2V et 3V, par contre sa tension de sortie s'écroule en dessous de 3.7V si le courant débité est important.

Le résultat à 2.7V ne nous intéresse pas vraiment, étant donné qu'il est déconseillé de laisser une batterie LITHIUM se décharger en dessous de 3V.

2. Le MT3608

Le MT3608 est réglé sur 12V.

Voici les résultats :

Tension d'entrée	Tension de sortie à vide	Tension de sortie charge 220Ω : 54mA	Tension de sortie charge 22Ω : 540mA
4.2V	12V	12V	11.5V
3.7V	12V	12V	10V
3.3V	12V	12V	9.2V
3V	12V	12V	5.9V
2.7V	12V	12V	5.1V

Le MT3608 tient bien la charge entre 4.2V et 2.7V, par contre, comme le XR2981, sa tension de sortie s'écroule si le courant débité est important. Il n'y a qu'à pleine charge (4.2V) qu'il parvient à fournir presque 12V.

A 3.7V il fournit tout de même 10V, ce qui peut être acceptable pour alimenter un moteur de quelques watts. Par contre si le moteur se bloque, celui-ci risque de demander plus de 1A, courant que le convertisseur sera peut être incapable de fournir.

3. Conclusion

Ces convertisseurs, malgré leur courant de sortie annoncé (2A) ne tiennent pas vraiment leurs promesses, sauf si l'on se contente d'alimenter un circuit ayant une consommation faible.

Si l'on désire pleinement tirer parti de la capacité d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO, avec ces convertisseurs, on pourra difficilement alimenter autre chose qu'un µcontrôleur et quelques capteurs, ou un petit moteur 12V.

Par contre en alimentation solaire, si la batterie est correctement rechargée tous les jours, on pourra débiter un courant plus important, à condition de ne pas laisser la tension de la batterie descendre en dessous de 3.7V.

A titre indicatif, lorsque la tension d'une batterie descend en dessous de 3.7V, il reste environ 20% de capacité, ce qui permet tout de même de profiter d'une bonne partie de la capacité de celle-ci.

Cordialement

Henri

Chargeur de batteries IMAX B6

 

Chargeur de batteries IMAX B6

Je suis depuis des années un utilisateur régulier de batteries NIMH, LITHIUM-ION et LIPO. Je suis donc équipé de divers chargeurs :

Voici celui que j'utilise pour les batteries NIMH :

Voltcraft IPC-1L

Et ceux que j'utilise pour les batteries LITHIUM-ION :

XTAR MC2

XTAR MC1 Plus

TP4056

En l'état actuel des choses, la recharge de mes batteries pose plus ou moins de problèmes :

1. Batteries NIMH

Grâce à l'excellent Voltcraft IPC-1L, chargeur 4 batteries à recharge indépendante, tout se passe bien.

Le seul problème qui se pose est la décharge profonde dans les appareils qui les utilisent. Dans certains cas la décharge profonde peut être fatale pour la batterie, mais dans l'ensemble le chargeur s'en sort bien.

Certains appareils gèrent bien la décharge et sont pourvus d'un circuit avertisseur. Exemple : détecteur de fumée Bosch. Avec d'autres ce n'est pas le cas, malheureusement.

2. Petites batteries LITHIUM-ION ou LIPO

J'utilise de petites batteries LITHIUM-ION ou LIPO dans mes montages à basse consommation. Leur capacité ne dépasse pas 1000mAH.

La batterie est intégrée au montage, ainsi qu'un chargeur TP4056. Lorsque j'ai besoin de recharger une batterie, j'ai juste besoin de brancher un bloc secteur USB 5V sur le TP4056.

Un article a déjà été écrit pas mes soins sur le sujet.

3. Grosses batteries LITHIUM-ION ou LIPO

J'utilise également des batteries 18650 ou 21700 d'une capacité allant de 2500mAH à 4000mAh.

Pour ce genre de cas, jusqu'à présent j'utilisais des chargeur XTAR MC1 ou MC2, alimentés pas un câble µUSB.

Cette conception ne me paraît pas vraiment adaptée. En effet, un câble µUSB n'est pas fait pour laisser passer un courant très important. Or ces chargeurs ont besoin de 1A.

Cela pose un premier problème : la recharge d'une 21700 4000mAH dure très longtemps.

Deuxième problème : le câble µUSB peut souffrir. Voici ce qui est arrivé à un de mes câbles :

On voit nettement qu'une surchauffe a eu lieu. On peut assez facilement imaginer que cette surchauffe aurait pu déclencher un incendie.

Le pire est que ces chargeurs sont tous construits de la même manière, et certains acceptent jusqu'à 4 batteries dont la taille peut atteindre 26700. Comme ils ne peuvent délivrer que 2A, autant dire que la recharge risque de durer pas mal de temps ! Sans compter qu'un connecteur µUSB n'est pas adapté à un courant aussi important.

4. Le chargeur IMAX B6

4.1. Caractéristiques du chargeur

Le IMAX B6 est un chargeur de modélisme adapté à la recharge de diverses batteries :

• NICD et NIMH : de1 à 14 éléments en série
• LIPO ou LITHIUM-ION : de 1 à 6 éléments en série

Le courant de charge peut aller de 0.1 à 5 A.

Pour ce qui est des batteries NIMH, qui doivent être rechargées à C/10, il ne pourra recharger des batteries de capacité inférieure à 1000mAH, à moins d'opter pour une recharge rapide (C/3) au prix d'une réduction de la durée de vie de la batterie.

Comme déjà dit dans d'autres articles, la recharge de batteries LIPO ou LITHIUM-ION doit se faire au maximum à C/2. Le IMAX B6 peut donc charger sans problème des batteries allant de 200mAH à 10000mAH, et même plus si l'on accepte une recharge plus lente.

Afin d'éviter les problèmes liés aux chargeurs USB, j'ai récemment adapté mon chargeur IMAX B6 à la recharge des batteries 18650 et 21700 :

N'ayant pas de support de batterie 21700 sous la main, j'en ai bricolé un à l'aide d'une plaquette de stratifié et de deux petites plaques de cuivre.

Ce genre de support se trouve facilement dans le commerce :

Le câble pourvu de pinces crocodile est celui livré avec le chargeur. Le chargeur lui-même est alimenté  sous 12V par mon alimentation de labo et deux câbles de mesure à fiches bananes.

Pour ceux qui ne possèdent pas d'alimentation, le chargeur peut être livré avec un bloc secteur 15V 6A. Mais on peut aussi opter pour un bloc secteur quelconque, pourvu qu'il puisse fournir 10V et 1A au minimum. Le maximum est de 20V.

Pour ceux qui désireraient réaliser eux-même leur câble d'alimentation, ou modifier un bloc secteur ne possédant pas le bon connecteur, vous aurez besoin d'un JACK 2.5x5.5 (le pôle + est au centre):

4.2. Réglage du chargeur

Ce chargeur possède un écran LCD et quatre boutons. On trouve facilement des tutoriels permettant d'apprendre à s'en servir.

En résumé, les réglages principaux sont les suivants : 

• type de batterie
• nombre de cellules
• courant de charge

Une fois ces paramètres réglés, il suffit d'appuyer sur le bouton Start pendant plus de 2 secondes pour démarrer la recharge. Le chargeur affiche les paramètres de recharge et il faut alors valider en appuyant une nouvelle fois sur le bouton Start.

4.3. Déroulement de la recharge

La recharge s'opère dans un premier temps à courant constant, puis, lorsque la tension nominale est atteinte, le courant décroit.

Ici, pour une batterie 21700 de 4000mAH, j'ai réglé le chargeur comme suit :

• batterie LIPO
• 1S (1 cellule)
• 1.5A

Le LCD affiche les informations suivantes :

• Li1S : batterie LITHIUM 1 cellule
• 1.4A : courant de charge
• 4.2V : tension de charge
• CHG : charge en cours
• 081:55 : la recharge est en cours depuis 81:55 minutes
• 02029 : 2029 mAH ont été injectés dans la batterie

On voit donc qu'à cet instant le chargeur est dans la phase de recharge à tension constante (4.2V) et courant décroissant (1.4A).

Le chargeur, d'après ce que j'ai pu observer, arrête la recharge lorsque le courant a une valeur dix fois inférieure au courant programmé, donc 0.15A.

Ce chargeur a donc un comportement tout à fait classique, et respecte les règles généralement en vigueur en matière de recharge de batteries LITHIUM.

4.4. Recharge de batteries en série

La recharge de batteries 2S, 3S ou plus est une opération courante en modélisme, mais elle requiert quelques précautions. Pour que la recharge de plusieurs éléments en série se passe bien, l'équilibrage est essentiel.

L'équilibrage permet de régler le courant de recharge de chaque cellule, mais cet équilibrage n'est possible que si les différentes cellules sont dans un état de recharge assez proche. Il sera impossible  pour le chargeur d'équilibrer la recharge de deux batteries dont l'état est trop différent, par exemple 50% et 80%.

4.4.1. Packs de batteries

Lorsqu'on a affaire à une batterie sous forme de pack, le problème est simple :

Sur cette image on voit deux connecteurs :

• rouge : connecteur de recharge
• blanc : connecteur d'équilibrage

Le connecteur rouge peut être branché sur un des adaptateurs livrés avec le chargeur :

Le connecteur blanc peut être branché sur le côté du chargeur :

On voit ici 5 connecteurs JST XH blancs correspondant aux différentes possibilités de branchement pour des batteries allant de 2S à 6S.

4.4.2. Batteries en série

Si l'on a réalisé un montage maison de batteries en série, il faudra réaliser soi-même le câble d'équilibrage à l'aide de connecteurs JST XH. Pour information, il existe des câbles prêts à l'emploi :

Pour le montage des batteries entre elles il est essentiel de respecter les consignes suivantes :

• relier en série uniquement des batteries de même type, même capacité
• relier en série uniquement des batteries dans le même état d'usure
• relier en série uniquement des batteries dans le même état de charge

5. Conclusion

Le chargeur IMAX B6 est un appareil peu onéreux, environ 2O€, mais d'une qualité irréprochable. Il existe certainement des modèles équivalents et aussi performants dans d'autre marques. Celui-ci est le seul en ma possession.

Côté fiabilité, le mien a été acquis il y a 6 ans et fonctionne encore parfaitement bien.

Certains modèles plus récents prennent en charge également la recharge de batteries LI-FE.

Cordialement

Henri

Recharger une batterie avec un TP4056

 

Recharger une batterie avec un TP4056

Le TP4056 ou TC4056 est un circuit de recharge de batterie LITHIUM-ION ou LIPO que j'ai déjà utilisé dans quelques projets décrits sur ce blog.

Cet article regroupe les connaissances que j'ai de ce circuit et apporte quelques précisions indispensables.

1. Les batteries LITHIUM

Qu'il s'agisse de batteries LITHIUM-ION ou LIPO, ces batteries ont des caractéristiques communes : 

• tension minimale : 2.4V
• tension maximale 4.2V
• courant de charge : C/2

La limite basse de 2.4V est une limite en dessous de laquelle la batterie ne doit pas être déchargée, sous peine de l'endommager de manière irréversible. Pour des raisons pratiques, on adopte en général une limite basse de 3V, ce qui laisse une marge de sécurité.

Le courant de charge, pour ce genre de batterie, ne peut dépasser une certaine valeur, C/2, où C représente la capacité de la batterie en mAH. Une batterie de 2000mAH devra donc être rechargée avec un courant de 1A au maximum.

Ne vous laissez pas berner par les marchands asiatiques, AliExpress ou autres, qui annoncent des capacités de batterie 18650 avoisinant les 10000mAH. Rien n'est plus faux.

Un test que j'ai fait il y a quelques années sur une ULTRAFIRE 6000mAH a démontré que sa capacité était de 990mAH !

Les meilleures batteries 18650 de marque disponibles actuellement (Samsung, SONY, Panasonic, MJXO) ont des capacités de 3500mAH au maximum.

2. Le TP4056

Ce circuit disponible sous forme de cartes complètes, est capable de recharger une seule batterie 3.7V, ou plusieurs en parallèle. Les cartes sont en général équipées d'un connecteur d'entrée tu type µUSB, miniUSB ou USBC.

Il faut bien connaître les limitations de ce circuit, et pour cela la lecture de la datasheet est indispensable :

• tension d'entrée maximale : 8V
• courant de charge maximal : 1.2A

Lorsqu'une batterie LITHIUM est rechargée, sa tension atteint rapidement 4.2V, mais cela ne veut pas dire qu'elle soit correctement rechargée. Le TP4056 est un chargeur qui opère en deux phases :

• courant constant jusqu'à 4.2V
• tension constante et courant décroissant jusqu'à ce que le courant atteigne 10% du courant programmé

Qu'est ce que le courant programmé ? c'est le courant de charge utilisé lors de la première phase, c'est donc le courant maximal. Celui ci peut être modifié en remplaçant une résistance nommée RPROG :

Pour cela, nul besoin de disposer d'un jeu de résistances CMS, on peut parfaitement s'en sortir à l'aide d'une résistance 1/4W dont on plie les pattes :

Le remplacement de cette résistance est indispensable pour toute batterie dont la capacité est inférieure à 2000mAH.

3. Les cartes TP4056

Il y a deux types de cartes équipées de TP4056 :

• avec protection
• sans protection

Voici un modèle sans protection :

Les bornes de sortie de la carte, BAT+ et BAT-, reçoivent les fils de la batterie, mais aussi les fils alimentant la charge (le circuit à alimenter).

Le modèle avec protection limite le courant de décharge et permet d'éviter entre autres les court-circuits et la décharge profonde :

La batterie est reliée aux bornes B+ et B-, le circuit à alimenter est relié à OUT+ et OUT-.

Contrairement à certaines idées reçues la sortie OUT+ ne fournit pas une tension de 5V ! Elle fournit la tension de la batterie, rien de plus.

Il suffit de jeter un œil au schéma :

OUT+ et B+ sont reliées. En fonctionnement normal, B- et OUT- sont également reliées grâce à un MOSFET. Lorsque le courant consommé par le circuit à alimenter est trop important, typiquement 3A, le DW01A coupe la sortie OUT- à l'aide du MOSFET. La sortie est également coupée si la tension de la batterie descend en dessous de 2.4V

Un article plus détaillé sur le sujet : LetMeKnow

Ces cartes sont équipées de deux LEDs :

• rouge pour indiquer que la recharge est en cours
• bleue pour indiquer que la recharge est terminée

Le courant consommé par ces LEDs est pris sur l'entrée USB, et non pas sur la batterie. Bien entendu, si l'on débranche le cordon USB, les LEDs sont éteintes.

4. TP4056 et panneau solaire

Je l'ai déjà expliqué ici : Alimentation par batterie + panneaux solaires

Voir le paragraphe 3.4.1. Panneau solaire 5V ou 6V et suivant

Il est tout à fait possible d'utiliser un panneau 12V classique comme source d'énergie pour un TP4056, par contre il faudra abaisser la tension du panneau à l'aide d'un convertisseur step-down, afin de na pas dépasser 8V sur son entrée. 5V reste une valeur idéale.

5. TP4056 à demeure dans un montage

Peut-on laisser un TP4056 à demeure dans un montage alimenté sur batterie ? Ne va t-il pas trop consommer de courant ?

Il va consommer typiquement 2.6µA, 6µA au maximum, c'est à dire à peu près la même chose qu'un ATMEGA328 en mode sommeil profond.

Il faut savoir qu'une batterie se décharge d'elle-même. Ce courant de fuite s'appelle courant d'auto-décharge, et dépasse largement les 2.6µA du TP4056. Tout dépend évidemment de la qualité de la batterie.

On peut donc sans problème laisser un TP4056 branché en permanence sur une batterie, et la recharger par le connecteur USB en cas de besoin.

6. Peut-on recharger et consommer en même temps ?

Il faut rappeler que la recharge est stoppée par le TP4056 lorsque le courant de charge descend en dessous de 10% du courant programmé, donc 100mA pour un courant de charge de 1A. Si le montage consomme un courant supérieur à ces 10%, le TP4056 sera incapable de stopper la recharge, et la batterie subira des dommages à plus ou moins long terme.

Cette manière de faire ne convient donc qu'aux montages dits "basse consommation".

Par exemple, un montage à base d'ESP8266 ou ESP32 sur batterie ne pourra pas être rechargé par un TP4056, car il consomme environ 100mA. On devra soit couper l'alimentation du microcontrôleur, ou le faire passer en mode deep-sleep pendant la recharge.

Mes montages basse consommation ont une autonomie d'environ 20 mois avec une batterie de 650mAH. Leur consommation n'excède pas 20µA à 60µA permanents. Dans ce cas, il n'y a aucun problème pour recharger la batterie tout en laissant le microcontrôleur fonctionner.

7. Conclusion

Grâce à sa large diffusion, le TP4056 est un circuit très bon marché, quelques dizaines de centimes pour une carte complète. Ce prix très faible ne doit pas être un motif pour le sous-estimer.

A titre de comparaison, une carte Adafruit coûte dix fois plus cher, et n'apporte rien de plus.

Cordialement

Henri

Un Power-Bank DIY

 

Un Power-Bank DIY

 

Dans le but d'alimenter un piège photographique, j'avais le choix entre plusieurs options :

• 8 piles 1.5V AA
  
• alimentation secteur
• batterie 12V

L'alimentation à l'aide de 8 piles AA est une solution que je n'apprécie pas d'un point de vue écologique, et les remplacer par 8 batteries NI-MH est coûteux. En outre l'appareil ne dispose pas de chargeur intégré. Il faut démonter les batteries pour les recharger, ce qui est plutôt fastidieux.

Utiliser une alimentation secteur est une solution intéressante, mais le déplacement de l'appareil implique de débrancher l'alimentation. L'appareil perd l'heure et la date à chaque fois.

j'ai donc décidé de fabriquer un POWER-BANK 12V, rechargeable par USB.

Ce POWER-BANK a les caractéristiques suivantes :

• batterie LIPO 10000 mAH récupérée dans une tablette en panne
• chargeur USB TP4056 1A
  
• convertisseur STEP-UP FP6293 : 2.6A maxi
  
• sortie JACK 5.5x2.1
  

Pourquoi fabriquer un POWER-BANK ? Quel avantage par rapport à un POWER-BANK du commerce ?

Le premier avantage est que l'on peut choisir la tension de sortie : 12V par exemple.

Il existe des cartes qui regroupent les fonctions recharge et élévation de tension :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/01/cartes-dalimentation-batterie.html

Le comportement n'est pas toujours celui que l'on attend, et aucune ne fournit une tension de 12V.

Si l'on cherche à construire un POWER-BANK 5V deux cartes me paraissent intéressantes :

• la carte double USB et LCD BQ-U5 (courant de charge 2A)
  
• la carte double USB et LCD H913-A (courant de charge 1A)

Mais ces deux cartes ont l'inconvénient de couper automatiquement leur sortie lorsque le courant de sortie est en dessous de 200mA pour la première, 50mA pour la seconde.

Ce ne sera pas le cas du POWER-BANK que je compte construire. C'est indispensable, car un piège photographique consomme très peu lorsqu'il est en veille.

Autre avantage : le convertisseur STEP-UP FP6293 dispose d'une sortie très peu bruitée, ce qui peut être intéressant pour certains appareils.

1. Schéma

Le schéma est très simple :

La batterie LIPO est rechargée par un chargeur USB TP4056. La tension d'une batterie LIPO varie entre 3V (batterie presque vide) et 4.2V (pleine charge). Elle est élevée à 12V par un convertisseur STEP-UP à découpage FP6293 :

FP6293 12V

Ce module existe en différentes versions (5V, 6V, 9V et 12V). On peut donc fabriquer un POWER-BANK adapté à ses propres besoins.

On le trouve facilement sur AliExpress.

Il est même possible de fabriquer un POWER-BANK délivrant plusieurs tensions. Il suffit d'utiliser plusieurs convertisseurs.

On peut choisir un autre convertisseur STEP-UP en fonction de ses besoins. Le choix est vaste. Si les tensions classiques 5V, 6V, 9V ou 12V ne conviennent pas, il existe des modèles réglables :

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

3. Montage

Le montage est facile.

La batterie est fixée à l'aide de ruban adhésif double face. Les composants sont soudés sur une plaquette à pastilles, elle même fixée à l'aide de colonnettes plastique collées au fond du boîtier à la colle cyanoacrylate.

Le câblage est réalisé sous la plaquette à l'aide de fil rigide 0.5mm².

Le connecteur de la batterie est un JST XH 2 points. On peut utiliser n'importe quel autre connecteur capable de supporter quelques ampères.

Le câble de sortie est soudé directement sur les broches du FP6293, mais on pourrait tout aussi bien ajouter un connecteur en façade (USB-A, JACK, etc.).

Le FP6293 est précis : je mesure 12.02V en sortie.

Le temps de charge dépendra bien évidemment de la capacité de la batterie : avec une LIPO de 10000mAH, la recharge prendra 10H.

3. Photo

Voici une image de la réalisation :

La batterie est en cours de recharge. La LED rouge du TP4056 est allumée. La LED bleue s'allumera en fin de charge.

Le boîtier est un KRADEX Z-78. Il faudra percer un petit trou en face des LEDs du TP4056 pour qu'elles soient visibles lorsque le boîtier est fermé.

4. Conclusion

Voici un petit montage simple qui va me rendre de grands services. On pourrait également alimenter toute sorte de montages mobiles (ARDUINO, ESP8266, ESP32) à l'aide de cet appareil, à condition d'en fabriquer un modèle 5V.

 

Cordialement

Henri

ARDUINO et pile 9V

 

ARDUINO et pile 9V

 

On voit trop souvent sur Internet ce genre de schéma : une carte ARDUINO alimentée par une pile 9V, y compris accompagnée d'un moteur !

Cette hérésie provient probablement de Fritzing, logiciel avec lequel on peut dessiner des circuits, et qui propose la pile 9V comme alimentation standard.

1. La pile 9V

Une pile 9V a une capacité d'environ 500mAH. De plus elle est incapable de débiter un courant suffisamment important pour alimenter un montage de ce genre.

Même Duracell ne donne aucune courbe de décharge au delà de 250mA pour ses piles alcalines 9V :

Si la pile débite seulement 50mA, ce qui est à peine plus que la consommation d'une carte ARDUINO UNO, la tension atteindra 6.5V au bout de 10 heures. Or 6.5V est la tension minimale dont a besoin une UNO sur sa prise JACK pour pouvoir fonctionner !

De là à piloter un moteur, même miniature, il y a un gouffre !

Le multimètre est la seule application que je lui réserve, et encore, c'est par obligation.

2. La batterie 9V NIMH

Ceux qui pensent qu'une batterie 9V a une capacité supérieure se trompent. Elle est de 200mAH pour les meilleures d'entre elles, et elle pourra débiter au maximum 1C, c'est à dire 200mA.

3. Quelle solution ?

Il y a des tas de solutions, mais il faut déjà se poser la question de l'autonomie désirée, et surtout choisir une carte ayant une consommation la plus faible possible.

Pour information, voici un article qui résume les consommations des différentes cartes : https://riton-duino.blogspot.com/2018/12/consommation-dune-carte-arduino.html

3.1. La UNO ou NANO

Une carte UNO ou NANO consomme environ 30mA, et 12mA en veille.

L'autonomie nécessaire pour une journée sera de :

C = 0.030 * 24 = 900mAH

En mode sommeil elle sera de :

C = 0.012 * 24 = 290mAH

On constate assez vite que la batterie devra être énorme si l'on désire avoir une autonomie importante.

3.1.1. Alimentation en 5V

Ce mode d'alimentation peut être mis en œuvre de deux manières :

• connecteur USB
• broche VCC ou 5V
  

La batterie 5V n'existe pas. Tout ce que l'on peut proposer dans le commerce est basé sur une batterie LITHIUM-ION 3.7V, suivie d'un régulateur élévateur de tension, comme un POWER-BANK par exemple.

On trouve des POWER-BANK de capacités diverses. On pourra alimenter l'ARDUINO directement à l'aide d'un cordon USB.

On peut aussi fabriquer son propre POWER-BANK à l'aide d'une carte spécialisée :

Cartes d'alimentation par batterie

3.1.2. Alimentation > 6.5V

Ce mode d'alimentation peut être mis en œuvre de deux manières :

• connecteur JACK sur une UNO ou MEGA
  
• broche VIN
  

Il est possible d'utiliser toute pile ou batterie ayant une tension comprise entre 6.5V et 15V :

• batterie 12V
• 2 batteries LITHIUM-ION en série
• batterie LIPO 7.4V
  
• 6 batteries NI-MH en série
• 5 piles 1.5V en série
  

Par exemple deux batteries LITHIUM-ION 18650 de 2500mAH pourront alimenter une UNO pendant :

T = 2500mAH / 30mA = 83 heures en mode éveil permanent

T = 2500mAH / 12mA = 200 heures en mode veille

Ce n'est pas fabuleux mais cela peut convenir à une utilisation occasionnelle (robot, voiture, jouet, éclairage portatif, etc.).

A noter : brancher plusieurs batteries en série ne modifie en rien leur capacité. Autrement dit 2 batteries de 3.7V 2500mAH en série sont équivalentes à une batterie de 7.4V 2500mAH.

3.1.3. Alimentation secteur

L'alimentation secteur est souvent la meilleure alternative si le montage a une consommation importante. Un bloc secteur 5V USB est parfaitement adapté.

3.2. La PRO MINI 3.3V

La carte PRO MINI 8MHz 3.3V a de multiples avantages :

• elle peut fonctionner entre 2.7V et 6V, alimentée par sa broche VCC
• elle consomme 5mA en mode éveil permanent
• elle consomme 1.5mA en mode veille
• elle consomme 1.5µA en mode veille si on la bricole un peu (voir ICI)
  

Il est possible d'utiliser toute pile ou batterie ayant une tension de 3.6V ou 3.7V, ou même 4.5V :

• 1 batterie LITHIUM-ION
• 1 batterie LIPO 3.7V
  
• 3 batteries NI-MH en série
• 3 piles 1.5V en série
  

Par exemple une batterie LITHIUM-ION 18650 de 2500mAH pourra alimenter une PRO MINI 3.3V pendant :

T = 2500mAH / 5mA = 500 heures en mode éveil permanent

T = 2500mAH / 1.5mA = 1600 heures en mode veille

T = 2500mAH / 1.5µA = 1600000 heures en mode veille pour une carte bricolée

Ce chiffre de 1600000 heures est théorique. Le courant d'auto-décharge de la batterie limitera cette durée à environ 1 an, 1,5 an pour les meilleures.

4. Conclusion

Pour conclure je vous renvoie à la lecture d'un certain nombre d'articles :

Consommation d'une carte ARDUINO, ESP8266 ou ESP32

ARDUINO : l'alimentation (VCC, VIN, etc.)

ARDUINO : PRO MINI 5V ou 3.3V

ARDUINO PRO MINI & basse consommation

Alimenter un ARDUINO sur Pile ou Batterie

ESP8266 et ESP32 sur batterie

Alimentation par batterie + panneaux solaires

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Cartes d'alimentation par batterie

Un thermomètre MYSENSORS sur batterie

Un thermomètre / hygromètre MYSENSORS sur batterie

Détecteur de mouvement MYSENSORS sur batterie

Porte Motorisée de Poulailler

Cordialement

Henri

Alimentation par batterie + panneaux solaires

 

Alimentation par batterie + panneaux solaires

 

Dans un article précédent j'ai présenté une porte de poulailler automatisée, alimentée par une batterie :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html

Dans celui-ci je vais exposer uniquement la partie alimentation solaire, en tentant d'expliquer une méthode de mise en œuvre.

Il ne s'agit pas ici d'étudier un montage à très basse consommation (quelques µA ou dizaines de µA) que l'on peut recharger tous les 6, 12 ou 18 mois à l'aide d'un chargeur ou par remplacement de la batterie, bien que cela soit possible, à condition que le montage soit à l'extérieur.
C'est uniquement une question de budget. Vaut-il mieux alimenter en solaire ou changer une batterie régulièrement ?

Il s'agit plutôt d'alimenter un montage ayant une consommation journalière relativement élevée, cette consommation étant due souvent à l'utilisation d'un organe mécanique (moteur, pompe, actionneur, gâche électrique) dont on ne peut réduire la consommation car toute action mécanique nécessite de la force, et donc de l'énergie.

1. Tension d'alimentation

Tout montage a besoin d'une tension d'alimentation principale, celle qui va alimenter le microcontrôleur, généralement sous 3.3V ou 5V.

On peut avoir également besoin d'une tension supplémentaire pour alimenter un moteur, un vérin, un actionneur ou un module quelconque en 5V, 6V, 12V ou autre.

La première idée qui vient à l'esprit est d'utiliser une batterie 6V ou 12V adaptée au moteur, vérin, ou actionneur, et d'abaisser cette tension à 3.3V ou 5V pour alimenter le microcontrôleur, à l'aide d'un régulateur linéaire de bonne qualité.
En choisissant cette solution un problème se pose lors du choix du chargeur. En effet les chargeurs du commerce sont généralement prévus pour de grosses batteries 12V ou 24V, ce qui élève fortement le budget.
Certaines solutions bon marché existent toutefois : voir en fin de document.

Nous allons donc partir du principe que l'on peut parfaitement alimenter un montage à l'aide d'une seule batterie LITHIUM-ION 3.7V (ou de plusieurs en parallèle), et recharger celle-ci avec un petit chargeur automatique très bon marché : le TP4056.

La démarche sera la même si l'on a décidé d'utiliser une batterie 6V ou 12V au plomb, mis à part qu'il faudra utiliser un chargeur dédié. Cette solution sera de toutes façons beaucoup plus chère et encombrante. La batterie plomb est la seule toutefois à pouvoir fonctionner à très basse température. Une batterie LITHIUM-ION verra sa capacité diminuer de moitié à -20°C. De plus il faudra éviter de la recharger si sa température est inférieure à 0°C.

Remarque : 3V est la limite basse pour une batterie LITHIUM-ION. En dessous de cette tension, la durée de vie de la batterie sera réduite. Il convient donc de calculer son chargeur de façon précise.

1.1. Alimentation 3.3V

L'étude d'une solution d'alimentation par batterie et recharge solaire ne se fait pas sans avoir une connaissance parfaite de la carte ARDUINO, ESP8266 ou ESP32 :

• quel régulateur 3.3V équipe la carte ?
• quelle est sa consommation en veille ?
  

1.1.1. Composants

Certains circuits ne supporteraient pas une tension batterie de 3.7V, c'est le cas du module radio NRF24L01 par exemple.

Dans ce cas il conviendra de prévoir un régulateur linéaire 3.3V. Ce régulateur pourra également alimenter le microcontrôleur, une carte ARDUINO PRO MINI 8MHz par exemple, un ESP8266, ou un ESP32.

1.1.2. Arduino

Un ARDUINO PRO MINI 8MHz 3.3V, si l'on désire un régulateur plus performant que celui implanté sur la carte, peut se contenter d'un régulateur HT7533-1 (100mA).

1.1.3. ESP8266 et ESP32 (module nu)

ESP-WROOM32

Le module ESP8266 ou ESP32 nu est la solution basse consommation idéale :

• 5µA pour un ESP32 en veille
• 20µA pour un ESP8266 en veille

Pour un ESP8266, ou un ESP32 il faudra prévoir un régulateur 500mA, un ME6211 ou un RT9013 par exemple. Ces deux régulateurs ont une consommation propre de 40µA et 25µA.

Ces deux régulateurs ont une tension de déchet (drop-out) de 120mV et 170mV, la tension de la batterie pourra donc chuter jusqu'à 3.2V sans problème, il restera encore au moins 3V en sortie. Attention toutefois à la connexion au WIFI, qui va consommer au moins 400mA et faire chuter encore plus la tension de la batterie.

3V est la limite de fonctionnement d'un ESP8266. Un ESP32 sera capable de fonctionner jusqu'à 2.2V, un ARDUINO PRO MINI 8MHz jusqu'à 2.7V. 

Mais dans tous les cas, 3V est la limite basse pour une batterie LITHIUM-ION.

1.1.4. ESP8266 et ESP32 (cartes)

Une carte consomme en général plus qu'un module nu. Il faudra connaître sa consommation en veille afin de faire un bilan de consommation. Quelques exemples :

Consommation d'une carte ARDUINO, ESP8266 ou ESP32

Une carte ESP8266 ou ESP32 est forcément équipée d'un régulateur 3.3V :

ESP8266 WEMOS D1 MINI

Le schéma de cette carte montre un régulateur ME6211 placé entre la broche 5V et la broche 3.3V. Comme vu précédemment, un ME6211 a une tension de déchet de 120mV, et pourra donc être alimenté directement à l'aide d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO, et ceci par la broche 5V.

ESP32 DevKit-C

Le schéma de l'ESP32 DevKit-C montre qu'elle est équipée d'un régulateur AMS1117. Un AMS1117 a une tension de déchet trop importante (1.1V) pour être alimenté à l'aide d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO.

Mais on peut très bien l'alimenter par sa broche 3.3V à l'aide d'un régulateur ME6211 et d'une batterie, quitte à retirer l'AMS1117 pour qu'il ne consomme pas de courant sur la batterie.

Pour ces deux cartes, on n'aura donc plus qu'à ajouter un chargeur en parallèle sur la batterie (voir plus loin).

Certaines cartes sont également équipées d'un connecteur pour batterie LITHIUM-ION ou LIPO, comme la LOLIN D32 :

 

Le schéma de la LOLIN D32 montre deux choses :

• un régulateur ME6211
• un chargeur de batterie TP4054
  

Le TP4054 est connecté entre le 5V USB (VBUS) et la batterie. On pourra parfaitement connecter un panneau solaire entre les broches VBUS et GND. Attention à la tension à vide du panneau solaire qui ne devra pas dépasser 9V en plein soleil.

1.2. Alimentation 5V

Si le microcontrôleur ou tout autre module (un servomoteur par exemple) doit être alimenté sous 5V, on peut parfaitement élever la tension de la batterie avec un convertisseur STEP-UP, un XR2981 par exemple :

Il consommera très peu sur la batterie, 120µA, et pourra éventuellement fournir un courant de 2A.

1.3. Alimentation 12V ou autre

Si l'on doit piloter un moteur 12V ou plus, il faut d'abord se poser la question du circuit de pilotage.

La partie logique d'un L293D ou un L298 devra être alimentée sous 5V et consommera un courant non négligeable sur la batterie, une dizaine de mA.
Mon projet utilise un L293D pour des raisons de disponibilité immédiate, mais deux MOSFETs sont nécessaires pour couper ses alimentations. Cela fait ajouter un peu d'électronique :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html

Si l'on préfère utiliser un microcontrôleur 3.3V, il est préférable également de choisir un autre circuit de pilotage, un TB6612FNG (15V, 1.2A) ou un VNH7070BAS (38V, 15A). Ces deux circuits accepteront d'être commandés avec une tension de 3V et possèdent une broche de standby, ce qui permettra de réduire fortement leur consommation au repos (1µA).

En bref il faut fouiller chez les revendeurs de composants électroniques pour dénicher le pilote adapté à son microcontrôleur, et de préférence choisir un composant moderne, permettant d'économiser l'énergie.

A partir de la tension de la batterie, il sera possible de fabriquer une tension de 12V ou autre avec un convertisseur STEP-UP, un MT1308 par exemple :

Il consommera 170µA sur la batterie, et pourra fournir un courant de 2A.

1.4. Batterie au plomb

Si l'on a opté pour une alimentation par batterie au plomb, il est nécessaire d'éclaircir un point.

Beaucoup d'amateurs pensent qu'il suffit d'appliquer à la batterie une tension de 14V pour la recharger, et qu'en fin de charge, comme la tension de la batterie va atteindre cette tension de 14V, le courant de charge va s'annuler.

C'est vrai en partie. A une température de 25° cela va fonctionner, mais la tension de fin de charge varie en fonction de la température. Pour du 12v / 6 éléments :

• 14.6V à -10°C
• 13.6V à +25°C
• 13.2V à +40°C

L'utilisation  d'un chargeur régulé en température est absolument nécessaire.

Je vous renvoie à cet article :

https://ni-cd.net/wpnicd/index.php/la-charge-des-batteries-au-plomb/

2. Bilan de consommation

Après avoir fait ses choix techniques la première chose à faire est un bilan de consommation électrique.

Il faut tout d'abord connaître les limites de l'utilisation du système. Si par exemple un moteur doit être actionné, le temps de rotation du moteur doit être connu, et le nombre de fois où ce moteur doit être actionné dans la journée également. Connaissant la consommation du moteur, il est facile d'en déduire l'énergie qu'il consommera dans une journée.

Le premier problème est de savoir quel sera le courant consommé pour un couple donné. Il est rare que la datasheet d'un moteur ou d'une pompe soit suffisamment précise. En général seul le courant maximal et le couple maximal sont précisés. Il faut souvent réaliser un essai, charger mécaniquement le moteur et mesurer le courant. Pour une pompe il faudra aussi se rapprocher au maximum des conditions réelles (hauteur de liquide à relever par exemple).

Pour une gâche électrique ou un actionneur ce sera plus facile.

2.1. Exemple

Prenons comme exemple imaginaire un moteur 12V qui doit tourner en moyenne 10 fois par jour pendant 2 minutes (donc 20 minutes en tout). Il consomme 100mA. Il est contrôlé par un ESP8266 et un pilote TB6612FNG. Un capteur de luminosité BH1750 est présent, car les actions sont réalisées uniquement pendant le jour.

Un ME6211 permet d'alimenter l'ESP8266 et le BH1750.

L'ESP8266 est en mode veille, sauf pendant les périodes de rotation du moteur.

Il est à noter que le TB6612FNG et le BH1750 sont choisis pour leur aptitude à fonctionner sous 3.3V et leur faible consommation.

On pourrait facilement adapter cette méthode de calcul pour n'importe quel montage, mais il faut retenir une chose : on doit absolument connaître les caractéristiques du matériel utilisé, et pour cela il faut aller à la pêche au renseignements (datasheets, WEB, etc.).

L'exemple choisi est volontairement complexe, afin d'attirer l'attention du lecteur sur les différents types de consommation :

• consommation permanente
• microcontrôleur en mode veille
  
• convertisseur
• etc.
  
• consommation intermittente 
• moteur, pompe
• microcontrôleur en mode éveillé
• connexion WIFI
• etc.
  

Toutes ces consommations se calculent en mAH (milliampère heure) par jour et s'ajoutent au final.

2.2.1. Consommation permanente

La consommation permanente de l'électronique sera la suivante :

• ME6211 : 40µA
  
• convertisseur MT1308 : 170µA
  
• ESP8266 type NodeMCU en mode veille : 100µA
• TB6612FNG : 1µA
• BH1750 : 190µA
  

Soit un total de 500µA, donc 0.5mA. Cette consommation est permanente, donc il faut la multiplier par 24H, ce qui donne 12mAH.

2.2.2. Consommation intermittente

La consommation journalière (20 minutes) du moteur sera de :

C = 100mA / 60 * 20 = 33mAH

En admettant que l'ESP8266 reste éveillé pendant que le moteur tourne il consommera environ 70mA pendant également 20 minutes :

C = 70mA / 60 * 20 = 23mAH

On peut également ajouter un petit peu d'énergie pour la phase de connexion au WIFI (400mA). Une durée de 10 secondes est un maximum, et comme il y a 10 réveils par jour, il faut multiplier par 10 :

C  = 400mA / 3600 * 10 * 10 = 11mAH

Si l'on utilise un ESP8266 c'est qu'il y a des données à transmettre ou recevoir. Pendant les phases de communications l'ESP8266 consommera environ 200mA. Admettons que nous communiquons pendant 2 secondes après chaque mouvement du moteur :

C  = 200mA / 3600 * 2 * 10 = 1mAH

2.2.3. Consommation totale

Nous obtenons un total de :

12mAH + 33mAH + 23mAH + 11mAH + 1mAH= 80mAH

Cela veut dire que la batterie devra fournir cette énergie quotidiennement et le panneau solaire également.

Il serait bien entendu inenvisageable d'alimenter ce montage à l'aide d'une batterie rechargée manuellement, sachant qu'une batterie de 2500mAH aura une autonomie de :

2500mAH / 80mAH = 31 heures

Notre bilan de consommation est terminé. Il va falloir s'occuper maintenant de la partie alimentation.

3. Choix de la batterie et du panneau solaire

3.1. Courant maximal

Une batterie ne se choisit pas simplement par rapport à sa capacité. Il faut tenir compte du courant qu'elle est capable de fournir.

Dans l'exemple précédent la consommation maximale instantanée est de 400mA (connexion au WIFI). La batterie devra donc être capable de fournir ce courant sans chute de tension excessive. Si l'on a besoin d'un courant très important on il existe des batteries pouvant fournir 20A ou 30A (MXJO par exemple).

A moins d'avoir des contraintes d'encombrement importantes, la batterie 18650 reste un bon choix, car elle a le meilleur rapport capacité / prix. Sinon, une 16340 ou une petite LIPO feront l'affaire.

Pour augmenter le courant disponible et la capacité, on peut accoupler plusieurs batteries 18650 en parallèle, à condition qu'elles soient du même type, même âge, et qu'elles soient correctement chargées au départ. 

Pour les projets à base d'ESP8266 ou ESP32 une batterie LIFEPO4 (3.6V à pleine charge) est idéale.

3.2. Capacité

Comment calculer la capacité nécessaire ?

Plusieurs facteurs sont à prendre en compte :

• la quantité d'énergie nécessaire
  
• la météo de la région dans laquelle le système est installé
• l'exposition par rapport au soleil
  

Par temps couvert un panneau solaire fournira un peu d'énergie, environ 1% à 2% de son maximum. Cela peut être suffisant pour la recharge, ou pas.

Par exemple un panneau de 12V / 1W en plein soleil peut avoir un courant de court-circuit de 250mA, et par temps couvert ce courant tombe à 4mA.

Dans notre exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. En été et en plein soleil cette recharge serait effectuée en :

T = 80mAH / 250mA = 0.32 heures soit un peu plus de 19 minutes

Dans notre exemple précédent la consommation permanente est de 500µA, ce qui veut dire que 4mA sont amplement suffisants pour recharger la batterie, sauf quand le moteur tournera, mais cela va prendre du temps. Nous avons calculé que nous avons besoin de 80mAH par jour :

T = 80mAH / 4mA = 20 heures

On voit tout de suite que la recharge sera insuffisante par temps couvert, car le soleil se sera couché bien avant l'heure prévue. Si l'on considère que, l'hiver, on aura 8 heures de luminosité par jour, la recharge fournira seulement 4mA x 8 = 32mAH, soit 40% des besoins.

La solution peut être d'adopter un panneau fournissant 2.5 à 3 fois plus d'énergie, ainsi on n'aura même pas à se préoccuper de la météo. Cette solution est envisageable pour une installation de faible puissance (quelques watts), car pour un panneau de taille supérieure le prix sera prohibitif.

Une exposition au sud aura de meilleures chances de provoquer une recharge plus rapide de la batterie, par temps ensoleillé.

Par contre par temps couvert l'exposition a peu d'importance. Le courant sera le même, que le panneau soit bien exposé ou pas.

Si l'on tient compte de la météo et de l'exposition, une marge plus ou moins importante de capacité batterie est nécessaire. Dans certaines régions il est possible d'avoir plusieurs jours de temps couvert consécutifs.

Dans tous les cas il faut avoir quelques informations en main :

La consommation journalière du montage en mAH, ce que nous avons donc calculé dans l'exemple précédent.

La quantité d'énergie que peut fournir le panneau par temps couvert et en hiver. Si l'on veut estimer cette quantité d'énergie avant d'acheter le panneau, on peut faire une approximation en prenant 1% du courant de court circuit, et multiplier par le nombre d'heures d'ensoleillement par jour en hiver (environ 8H).
Il est bien entendu déconseillé d'acheter un panneau dont on ne connaît pas le courant de court-circuit.

La quantité d'énergie que peut fournir le panneau au soleil et en hiver. Il est assez proche du courant de court-circuit pour un panneau 12V, plus faible pour un panneau 5V ou 6V.
Cette donnée est essentielle. En effet si l'énergie fournie quotidiennement en plein soleil est inférieure à l'énergie consommée par le montage, il faudra envisager l'achat d'un panneau fournissant plus d'énergie, ou de réduire la consommation du montage.

Le nombre de jours de temps couvert consécutifs. Cette information va directement conditionner le choix de la capacité de la batterie.

Dans l'exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. Avec un petit panneau de 1W capable de fournir 32mAH par temps couvert, on a un déficit de :

D = 80mAH - 32mAH = 48mAH

Une semaine de temps couvert, donc d'autonomie complète, conduira au choix d'une batterie de 48mAH x 7 jours = 340mAH.

Attention tout de même. Il faut tenir compte du fait que lorsque la batterie sera presque vide, sa tension va chuter à 3V et elle ne sera peut-être plus capable de fournir un courant suffisamment important pour notre montage. Lorsque l'on regarde la courbe de décharge d'une batterie LITHIUM-ION, on voit que la tension chute fortement à partir de 25% de capacité restante. Il vaut mieux donc adopter une batterie ayant 25% de capacité de plus, soit 420mAH.

Enfin, le nombre d'heures d'ensoleillement annuel dans la région où le système est installé peut aider à faire ses choix :

https://www.meteopassion.com/ensoleillement-annuel.php

3.3. Climats extrêmes

Si l'on considère que les périodes de temps couvert peuvent durer plus d'une semaine, il suffit de refaire le calcul.

Si le montage est destiné à fonctionner dans une région très froide, il vaut mieux doubler la capacité (une batterie LITHIUM-ION verra sa capacité diminuer de moitié à -20°C). Dans certains cas extrêmes, la seule solution sera d'adopter une batterie au plomb.

REMARQUE IMPORTANTE : il est déconseillé de recharger une batterie LITHIUM-ION lorsque sa température descend en dessous de 0°C. Le chargeur devra donc être coupé. On peut le faire simplement avec un MOSFET (voir schéma plus bas).

Seule la température de la batterie est concernée, pas celle du panneau. Si la batterie est située dans un local hors gel, cette précaution est inutile.

3.4. Le chargeur TP4056

Cette carte TP4056 à 0.50€ est idéale. Elle est capable de fournir 1A :

Elle est équipée de deux LEDs :

• rouge quand la charge est en cours
• bleue quand la charge est terminée
  

Quand le panneau ne fournit plus de courant, les deux LEDs sont éteintes.

On peut brancher un chargeur USB (il existe des modèles mini ou µUSB) ou alors utiliser les deux pastilles marquées IN+ et IN- pour y brancher un panneau solaire 5V ou 6V. Si la tension du panneau est supérieure il faudra l'abaisser (voir plus loin).

Elle accepte jusqu'à 8V sur son entrée. Elle a une consommation très faible (typiquement 2.5µA) sur la batterie lorsque son entrée est débranchée ou que le panneau ne fournit pas d'énergie.

Une batterie 16340 ayant une capacité de 650mAH ou une petite LIPO ne supportera pas un courant de 1A. On ne devra pas dépasser un courant de C/2, c'est à dire 325mA pour une batterie de 650mAH. Si le panneau est trop puissant, on peut diminuer le courant de charge si nécessaire en remplaçant une résistance : 

Mais on peut bien évidemment diminuer ce courant en adoptant un panneau bien dimensionné, qui ne pourra jamais fournir un courant supérieur à C/2, ce qui est plus rationnel.

3.4.1. Panneau solaire 5V ou 6V

Il existe des panneaux 5V ou 6V. Un panneau de ce type pourra être utilisé directement.

Il est par contre impératif de mesurer sa tension à vide en plein soleil afin de vérifier qu'elle ne dépasse pas 8V. 

3.4.2. Panneau solaire 12V ou plus 

Un essai de charge d'une batterie 18650 avec un TP4056 et un petit panneau de 12V / 4W m'a permis de constater qu'en début de charge la tension du panneau est de 3.7V pour un courant de 300mA. C'est parfaitement normal, la tension chute fortement en sortie de panneau si le courant demandé est important.

Par contre, en fin de charge, le TP4056 coupera le courant et la tension du panneau risque d'augmenter fortement, jusqu'à atteindre sa tension à vide (12V, 20V suivant le cas), ce qui serait destructeur pour le TP4056.

Il est indispensable d'abaisser la tension à moins de 8V pour que le TP4056 ne soit pas endommagé. Un convertisseur à découpage MP1584 5V effectuera ce travail :

Un LM2596 ferait également l'affaire :

Pour des raisons de fiabilité je préfère les régulateurs à tension de sortie fixe.

L'utilisation d'un régulateur linéaire (LM7805, LM317) est déconseillée, car le courant fourni par le panneau sera égal au courant de charge. Imaginons un panneau capable de fournir 1A sous 12V. La dissipation sera élevée :

P = (12V - 5V) * 1A = 7W

Il est dommage de gaspiller 7W alors que l'on a besoin de 5W pour la charge. Le rendement se situerait aux alentours de 40%.

De plus pour dissiper une pareille puissance il faudra un dissipateur assez conséquent, probablement un modèle en dessous de 5°C/W :

Dissipateur 42x38x25

Avec un régulateur à découpage le courant consommé sur le panneau sera plus faible :

I = 1A / (12V/5V) = 0.41A

Et la dissipation sera plus faible également (exemple avec un convertisseur ayant 90% de rendement) :

P = 5V * 1A * 10% = 0.5W

Lorsque l'on utilise un régulateur réglable il faut de préférence choisir un modèle à potentiomètre étanche comme sur le LM2596 ci-dessus.

Ces régulateurs à potentiomètres miniatures sont à proscrire :

MP1584 réglable

Schéma du chargeur

Ce chargeur, couplé avec un panneau solaire 12V / 4W est capable de fournir 450mA en début de charge. Il sera donc capable de charger une batterie de 2500mAH en 5H30.

Schéma du chargeur avec MOSFET de coupure du panneau

Comme je le disais plus haut : il est déconseillé de recharger une batterie LITHIUM-ION lorsque sa température descend en dessous de 0°C. Le chargeur devra donc être coupé.

La broche ENABLE commande un transistor 2N3904 qui permet de rendre passant un MOSFET canal P (AOI403) et ainsi d'autoriser la recharge de la batterie.

Ce MOSFET a deux utilités :

• couper le panneau dans le cas où l'on désirerait mesurer sa tension (VPANEL)
  
• couper le panneau si la température descend en dessous de 0°C

La broche ENABLE peut être directement commandée par une sortie du microcontrôleur. On appliquera un niveau haut pour autoriser la charge, un niveau bas pour la couper.

Il faudra bien entendu ajouter un capteur de température au montage.

3.5. Le chargeur TP5000

Pour les projets à base d'ESP8266 ou ESP32 un TP5000 pourra charger une batterie LIFEPO4 si l'on a fait ce choix.

On trouve deux types de cartes :

• cartes dédiées LIFEPO4 
• cartes LITHIUM-ION ou LIFEPO4

Un pont de soudure permet en général de faire le choix. Voir ici :

https://lygte-info.dk/review/Review%20Charger%20TP5000%204.2-3.6V%20module%20UK.html

3.6. Autres chargeurs

Il existe d'autres solutions si l'on a besoin d'un courant de recharge plus important, celle-ci par exemple :

Ce chargeur 3A est disponible ici pour 7€ :

https://fr.aliexpress.com/item/32287069409.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27426c375ZQrSJ

Il est capable de gérer divers types de batterie (NIMH, Plomb, LI-ION, LIFEPO4) et plusieurs configurations sont possibles :

• 1 à 3 batteries LITHIUM-ION en série
• 1 à 4 batteries LIFEPO4 en série
• 1 batterie 12V plomb
  

Il existe certainement d'autre modèles, et pour les puissances plus importantes il est toujours possible de s'orienter vers les solutions d'alimentation solaire domestique, en sachant toutefois que ce sont des solutions fonctionnant à partir de batteries 12V ou 24V, et le budget ne sera pas le même.

4. Mesures

Voici mon projet de porte de poulailler :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html 

Les données de recharge de la batterie LITHIUM-ION sont remontées vers un serveur DOMOTICZ grâce à un module radio NRF24L01.

Voici un relevé datant du 15 décembre par beau temps :

Le graphique du haut représente la tension du panneau. A 10H50 elle augmente à 16V. Cela veut dire que la batterie est pleine, le TP4056 a coupé la charge. Le panneau ne débite plus de courant.

Le graphique du bas montre la puissance débitée, 0.3W entre 10H40 et 10H50. Avant 10H40 elle est inférieure à 0.1W, mais la recharge se fait quand même, à faible courant, panneau à l'ombre.

Aujourd'hui 17 décembre, par temps très couvert, la recharge n'est toujours pas terminée et il est 16 heures !

Aujourd'hui 18 décembre, une brève apparition du soleil entre 12H50 et 12H55 et donc une petite pointe de puissance de 0.3W a permis d'atteindre la pleine charge. Il ne manquait donc pas grand chose.

5. Conclusion

J'espère avoir un peu débroussaillé le sujet pour ceux qui souhaiteraient débuter dans ce domaine.

6. Liens utiles

ARDUINO : l'alimentation (VCC, VIN, etc.)

Consommation d'une carte ARDUINO, ESP8266 ou ESP32

Alimenter un ARDUINO sur Pile ou Batterie

ESP8266 et ESP32 sur batterie

ARDUINO PRO MINI & basse consommation

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Les régulateurs LDO

Cordialement

Henri