Capacimètre pour batteries 8,4V

Évaluer le potentiel d’un accumulateur Ni-MH de type RC22.

Bien que dans le titre de ce chapitre on précise que l’on va évaluer la capacité des petits accumulateurs Nickel-Métaux Hybrides, ce n’est qu’une façon de « parler ». En réalité l’adaptateur associé au programme d’évaluation P05_Mesure_Capacite_Acc_Rechargeables.ino n’aura aucune conscience de la technologie utilisée dans l’élément en cours de mesurage. Rien n’empêche de brancher une pile rechargeable Ca_Ni pour en évaluer le potentiel. Ainsi désignés, ce sont les anciens accumulateurs Cadmium-Nickel qui ne sont plus autorisés à la vente pour des raisons de pollution résultant de la présence du Cadmium dans ces composants. C’est la raison pour laquelle l’industrie du « rechargeable » a du trouver un métal de remplacement, ou plus exactement les fameux Métaux Hybrides. Si l’écologie y gagne, pas le consommateur, car la durée de vie des nouveaux produits est inférieure. Par contre ils ne présentent pas l’effet de mémoire des modèles Ca_Ni. Notez au passage que le vocable de piles rechargeables trop souvent utilisé dans le commerce est contradictoire. Le mot pile désigne des ensembles chimiques pouvant fournir du courant électrique mais par définition non rechargeables. Il faudrait systématiquement désigner par accumulateurs les dispositifs réutilisables. Mais comme dans le langage populaire la batterie c’est ce gros truc sous le capot moteur de la voiture automobile, et que dans le baladeur on introduit des piles, pour ne pas risquer de créer des confusions, le mot pile rechargeable est admis dans le langage de tous les jours.

Quoi qu’il en soit, vous possédez de tels petits modules qui visiblement commencent à accuser les recharges. Faut-il en changer, ou est-il encore concevable de les conserver ?

C’est à chacun d’estimer à partir de quelle dégradation il devient raisonnable de rapporter dans les conteneurs dédiés ces détritus particuliers, et de les remplacer par le dernier cri de la technique pratiquement parfait et proposé dans les rayons à un tarif réputé cadeau. Personnellement, je considère que lorsque la capacité de l’élément évalué est descendue en dessous d’un quart de son potentiel initial, il est temps de le recycler. Mais sachez que je n’utilise ces accumulateurs rechargeables que sur des appareils de loisir. Pour tout ce qui exige de la sécurité de fonctionnement tel que les détecteurs de fumée par exemple, seules des piles de qualité de 9Vcc sont les bienvenues dans l’emplacement réservé.

MESURE DE LA CAPACITÉ D’UN ACCUMULATEUR. 

Que ce soit une grosse batterie au plomb pour démarrer le récalcitrant V8 de notre gros 4×4 urbain utilisé pour faire les courses au supermarché, ou la minuscule petite pile AAA que l’on va introduire dans la minuterie permettant de cuire correctement les oeufs durs à la cuisine, dans tous les cas la CAPACITÉ précise par définition le « courant total » que pourra fournir le dispositif en cours d’évaluation. Cette entité se mesure en Ampères Heures. (Ou les sous-multiples.)
Prenons un exemple : Sur son élément 8,4Vcc le fournisseur précise que son produit neuf présente une caractéristique de 110mAh. On en déduit que si l’appareil dans lequel il est inséré consomme en permanence 30mA, la durée de fonctionnement sera de 110 / 30 soit environ 3,7 heures avant d’avoir à effectuer une recharge. Par contre, si cette petite pile rechargeable est placée dans la vorace enceinte amplifiée de 25W musicaux qui gloutonne une moyenne de 425mA en fonction des décibels qui vont lézarder les murs, les boomers vont s’essouffler en à peine 110 / 425 = 0,26 heures.
La capacité d’une pile non rechargeable (Pléonasme !) ou d’un accumulateur rechargeable (Encore un pléonasme !) correspondent au courant que peut fournir cette source d’énergie directement associé au temps pendant lequel le consommateur en bénéficie. Cette notion est indépendante de la tension que l’on peut mesurer aux bornes du dispositif. La Fig.44 donne l’allure que présente le graphe de décharge d’un accumulateur. À pleine charge, la tension aux bornes présente une valeur très supérieure à celle de la tension nominale qui pour le type d’accumulateurs RC22 est de 8,4Vcc. Dès que cette source d’énergie est branchée sur une électronique quelconque, il y a consommation de courant. Sur une période relativement courte représentée en violet pastel sur la Fig.44 la tension baisse. Puis, durant une majorité du temps la différence de potentiel va se stabiliser à une valeur pratiquement constante qui par définition sera nommée la tension nominale. ATTENTION, dans ces explications on suppose que l’intensité de décharge reste dans des limites acceptables d’une part, et ne varie pas exagérément non

plus. La tension nominale (Zone bleu clair sur le graphe.) sera maintenue tant qu’il reste une réserve d’énergie notable dans les cellules de l’accumulateur. Puis, sur une période assez courte, on va constater qu’assez rapidement la tension aux bornes va s’effondrer. (Zone orange.)

On peut alors considérer que l’accumulateur est entièrement vidé et qu’il convient de le remettre en charge. Par exemple sur la Fig.44 on suppose que la pile alimente une carte Arduino UNO sur sa prise coaxiale pour courant continu externe. Sur cette carte le régulateur +5Vcc doit avoir au moins deux vols de différentiel pour assurer sa mission. L’ensemble sera donc en fin d’autonomie quand la tension mesurée aux bornes de l’accumulateur chutera à 5Vcc + 2Vcc = 7Vcc. L’avantage avec la présence d’un régulateur de tension sur l’ensemble branché, c’est que la consommation de courant sera constante depuis la zone violette jusqu’à la zone critique orange. Si vous connaissez la capacité de votre pile RC22 il devient élémentaire de prédire l’autonomie. Par exemple si la carte Arduino avec tout ce qui gravite autour pour votre application consomme 87mA, que la capacité évaluée est de 108mAh, l’autonomie probable sera de 108 / 87 = 1,24 heures. Vous pouvez en outre utiliser l’une quelconque des entrées analogiques pour mesurer la tension en amont du régulateur, et dès qu’elle descend en dessous de 8v par exemple, déclencher une alarme sonore sur un quelconque buzzer …

PRINCIPE DE LA MESURE DE LA CAPACITÉ D’UN ACCUMULATEUR.

Dérisoire de par sa complexité, le principe pour mesurer le potentiel restant dans un accumulateur consiste à commencer par le charger entièrement. Puis, on procède à une décharge raisonnable en mesurant en permanence le courant débité. Un peu comme un récipient qui se vide, on mesure le débit et le temps pendant lequel il y a décharge. On cumule en permanence chaque débit « unitaire ». On surveille la tension aux bornes de l’échantillon en cours d’évaluation.
Quand elle descend en dessous d’un seuil choisi par le programmeur, on stoppe le mesurage. Le total cumulé représente la capacité actuelle de l’échantillon compte tenu de son vieillissement.

Que signifie le vocable décharge raisonnable ?

Si vous décidez de tester la batterie au plomb de votre automobile qui fait au minimum 70Ah, avec un débit de 50mA la mesure va exiger 1400 heures ! Est-ce bien raisonnable ? Si vous faites débiter votre petite pile RC22 sur une résistance de 0,1Ω le courant théorique sera de 82 ampères, (Théorique, car la résistance interne de notre petite pile interdira un tel débit.) et elle sera déchargée en un millième de seconde sans compter que le connecteur HE14 du mini laboratoire aura fondu. Pas génial non plus cette manipulation. Une décharge sera considérée comme raisonnable si l’on soumet l’échantillon à un débit pour lequel il est conçu, et que le temps de mesure soit raisonnable, disons moins de 6h. Il semblerait évident que pour mesurer la tension aux bornes de l’accumulateur, nous utilisions l’entrée E faite pour ça. Mais la pile rechargeable fait bien plus de 5Vcc et la LED de protection en aval va entrer en action et fausser la mesure. Par ailleurs l’entrée de +50Vcc utilisée normalement manquerait de précision. On décide donc d’ajouter une résistance en série avec la pile pour créer un diviseur de tension. Comme le montre la Fig.45 en prenant une valeur de 100Ω on divise exactement par deux la tension si l’on se sert de l’entrée A5 pour mesurer U. La précision de la mesure sera optimale et le débit dans la pile avoisinera 42mA, un courant de décharge tout à fait acceptable. Pour les produits du commerce dont la capacité ne dépasse généralement pas les 150mAh et souvent nettement moins avec les technologies Nickel-Métaux Hybrides, on aboutit à des temps de mesure de l’ordre de quatre heures qui entrent largement dans le critère estimé raisonnable.

Le logiciel qui assure cette fonction.

Comme chaque fois que l’on désire ajouter une nouvelle fonction à notre appareil de mesure il faut développer une méthode, trouver des options et des protocoles « agréables à vivre », contourner ou résoudre toutes les difficultés tant matérielles qu’informatiques, le cheminement est chaque fois plus laborieux que la simplicité apparente de ce que l’on désire ajouter le laissait à penser. Transiter par un petit programme démonstrateur fait gagner un temps considérable, car d’une part les téléversements sont infiniment plus rapides que s’il faut charger le gros programme complet. D’autres parts l’analyse à l’écran d’un module de cent cinquante à deux cents lignes de code s’avère un tantinet plus aisée que les mille trois cents lignes du logiciel complet. Dans cette optique c’est le fichier P05_Mesure_Capacite_Acc_Rechargeables.ino qui nous sert de démonstrateur et dans lequel vous pourrez analyser en détail l’agencement, et parfois certaines finesses non décrites dans ce didacticiel. Particularité « écologique » de ce programme : Comme l’évaluation de la capacité des accumulateurs prend plusieurs heures s’ils ne sont pas trop dégradés, inutile de rester devant l’écran à ronger son frein. La LED verte clignote à une cadence de 0,5Hz durant le mesurage. Dès que le seuil de détection de la pleine décharge est détecté, elle se met à clignoter à une cadence rapide. Si l’on a validé la sortie B.F. vers le buzzer, nous sommes en outre avertis par un signal sonore bien particulier. Les informations relatives au test en cours sont visualisées en permanence et rafraichies exactement une fois par seconde. Inutile dans ces conditions de laisser le rétroéclairage. Pour les protocoles d’utilisation, la bouton FC- inverse l’état du rétroéclairage par une action de type bascule. (Une action courte ou longue provoque un effet identique.) FC+ permet de changer d’accumulateur, le logiciel efface les données et redemande de brancher une autre pile rechargeable en précisant sont type pour ne pas nous tromper, car on va voir qu’une fonction analogue permet de tester les accumulateurs de 1,2Vcc. ATTENTION à ne pas cliquer par erreur sur FC+ pour rallumer le rétroéclairage, car les diverses données relatives à la mesure en cours seraient perdues !

lcd.print(Tension_lue/500,1); est l’instruction qui après mesure sur A5 fait afficher la valeur de la tension aux bornes de l’échantillon. Uaccu = Umesuré / 1000 car Umesuré est en mV. Mais on doit multiplier par deux car les résistances de 100Ω constituent un diviseur par deux. En fin de compte, diviser par 1000 puis multiplier par deux revient à diviser par 500… ce qui est plus simple.

lcd.print(Tension_lue/(100* K100),1); affiche la valeur de l’intensité. I = Umesuré / R soit encore Umesuré / 100. Mais la valeur de la résistance ne fait pas exactement 100W on multiplie donc par le facteur de correction K100. (Vous pourrez le corriger à votre guise.)

Capacite = Capacite + ((Tension_lue/(100* K100)) / 3600); effectue le cumul des capacités de décharge effectuées une fois par seconde. Chaque décharge élémentaire faisant exactement une seconde, elle représente une heure / 3600. Hors la capacité utilise des milli ampère heures.

L’adaptateur pour le mesurage des RC22.

Contrairement à ce que laisse supposer le schéma de la Fig.45 le dispositif spécifique ne se branche pas sur les douilles pour fiches bananes, mais dérive directement du concept proposé dans le chapitre sur les options du correcteur HE14. Du reste sur la Fig.43 c’est précisément cet adaptateur qui est représenté. Comme les picots non utilisés ne servent pas de support, pour cet adaptateur il est totalement inutile de couper les broches comme visible sur le prototype. Au contraire, il vaudrait mieux les laisser, car plus il y a de broches en prise, plus le dispositif sera rigide et bien maintenu en place. La Fig.46 montre la réalisation pratique de ce petit adaptateur. Plusieurs autres suivront à notre demande…

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