Batteries pour les systèmes autonomes

Batteries pour les systèmes autonomes

Une des questions complexes qui nous revient régulièrement concerne l'utilisation de batteries rechargeables pour alimenter un système de mesure autonome. L'utilisation de batteries d'appoint pour téléphone portable fournit une solution facile à mettre oeuvre, mais les modèles appropriés pour ce genre d'utilisation ne courent pas les rues. Aujourd'hui, nous vous présentons deux alternatives utilisables pour des cas particuliers.

Les trois problèmes des batteries d'appoint


Les batteries d'appoint pour téléphone portable sont en général faites d'une cellule Lithium-Ion, à laquelle est ajoutée une électronique de charge en entrée, et une électronique qui rehausse le niveau à 5V en sortie:

Schéma simplifié du contenu d'une batterie d'appoint
Schéma simplifié du contenu d'une batterie d'appoint


Le premier problème est que l'électronique qui rehausse le niveau consomme un peu d'énergie, même sans charge connectée. Il y a donc en général un circuit qui la déconnecte dès que le courant consommé passe en dessous d'un seuil pour un temps donné, afin éviter l'auto-décharge. Malheureusement, le circuit risque bien de se déclancher lorsque notre système de capteurs passera en mode d'économie d'énergie, et il ne pourra donc jamais se rallumer.

Un deuxième problème peut exister selon la conception de la batterie d'appoint: certains modèles ne supportent pas d'être chargés en cours d'utilisation. Cela empêche donc les méthodes de recharge non prévisibles, par exemple selon l'ensoleillement, ainsi que leur utilisation comme alimentation de secours pour palier aux pannes de courant, puisqu'ils ne donnent peuvent pas fournir de courant lorsqu'ils sont alimentés.

Un troisième problème est lié aux transports: si le système de mesure doit être transporté par avion, ou tout autre moyen où le risque de feu n'est pas acceptable, il doit se conformer à un règlement très strict concernant le transport de batteries au Lithium. Selon les cas, cela peut disqualifier le système pour l'application.

Alternative 1: Les batteries Li-ion à deux cellules


Une solution pour éviter le premier problème consiste à utilise une batterie basée non pas sur une seule cellule Li-ion mais sur deux, et sans inclure d'électronique de rehaussement de niveau, donc sans mécanisme de coupure. C'est le cas des petites batteries "9V" de POOVER:

Batterie rechargeable POOVER
Batterie rechargeable POOVER


Bien que ces batteries utilisent la forme traditionnelle des piles 9V, il s'agit en réalité de batteries Li-ion. La tension de deux cellules Li-ion n'est pas exactement la même qu'une pile alcaline 9V, mais sachant que la tension d'une pile usuelle baisse au fur et à mesure de son utilisation, les appareils qui utilisent des piles 9V sont nécessairement capables de fonctionner avec des tensions inférieures, d'où l'idée d'utiliser la même forme.

Pour utiliser ces batteries avec un système de capteurs Yoctopuce, il faut bien entendu rajouter un composant qui ramène la tension à 5V au maximum, en ne consommant presque rien: le Mini-Battery-Supervisor. Nous l'avons testé avec un ensemble de modules qui passent en veille profonde pour économiser l'énergie (un YoctoHub-Wireless-g avec deux Yocto-Altimeter), et comme prévu, la batterie reste active pendant la veille profonde et permet donc le réveil du système.

Deuxième bon point pour ce produit, la sortie de la batterie reste active pendant la charge, qui se fait par le connecteur USB micro-B situé à sa base.

Le seul problème de ces petites batteries est qu'elles sont... petites. Pour un système avec une transmission radio et quelques capteurs, on ne pourra assurer plus de 180 minutes d'activité, soit une semaine d'autonomie en comptant un réveil d'une minute par heure. Et elles sont très intéressantes comme alimentation de secours pour un système qui doit rester toujours actif même en cas de panne de courant, car elles permettent de mesurer et transmettre des données même pendant des coupures d'électricité conséquentes.

Alternative 2: Les batteries NiMH à forte capacité


On trouve maintenant sur le marché des batteries NiMH au format D (les plus grosses piles cylindriques) avec une capacité nominale de 10'000mAh.

Batterie NiMH 10'000mAh
Batterie NiMH 10'000mAh


En combinant cinq de ces batteries en série, on obtient un système comparable en terme de capacité à une batterie Li-ion, auquel il suffit d'adjoindre un Mini-Battery-Supervisor pour stabiliser la tension à 5V pour pouvoir alimenter des modules Yoctopuce.

Batterie NiMH 6V 10Ah
Batterie NiMH 6V 10Ah


La réalisation de cet ensemble est assez aisée.

  1. Commencez par aligner les piles à plat, et collez-les ensemble avec de la colle à chaud pour qu'elles restent en position.
  2. A l'aide d'un fer à souder bien chaud, posez une grosse goutte d'étain à chaque extrémité des batteries. Au départ vous aurez l'impression que l'étain n'adhère pas à la surface de la pile, mais dès que la surface sera assez chaude, la goutte y tiendra sans problème.
  3. Utilisez par exemple des bouts de tresse à dessouder pour connecter les batteries en série: la goutte d'étain que vous avez précédemment déposée sur les batterie pénétrera dans la tresse, et assurera un bon contact. Attention lors de vos raccordement à ne pas faire de boucle (court-circuit) !
  4. Aux deux extrémités de la batterie, soudez des fils électriques rouge (+) et noir (-).
  5. Coiffez le tout avec une grosse gaine isolante thermo-rétractable, ou à défaut avec une bande adhésive résistante.

Attention, ne perdez pas de vue qu'une telle batterie est capable de stocker suffisamment d'énergie pour chauffer un fil électrique au point de causer un danger de feu en cas de court-circuit, donc soyez prudents.

Nous avons voulu vérifier si ces batteries étaient effectivement capable d'honorer la capacité annoncée, dans la mesure où elles représentent une alternative sans Lithium moins dangereuse pour le transport. Voici les courbes de consommation et de décharge pour notre petit système de test, toujours composé d'un Mini-Battery-Supervisor, d'un YoctoHub-Wireless-g et deux Yocto-Altimeter:

Courbe de décharge de notre pack de batteries
Courbe de décharge de notre pack de batteries


Durant ce test nous avons utilisé 7'500mAh, alors que la batterie n'était pas entièrement chargée au départ. C'est donc une solution parfaitement utilisable pour un système qui doit être entièrement autonome pour une longue durée d'utilisation, car les 36h de fonctionnement continus deviennent 90 jours de fonctionnement intermittent à raison de 1 minute par heure. Un test suivant à pleine charge nous a permis d'obtenir encore 10h de fonctionnement continu supplémentaire.

Il faut toutefois noter que la charge de 5 cellules NiMH en série de forte capacité requiert un chargeur relativement sophistiqué, et la charge est difficilement réalisable sans une source d'énergie stable. C'est donc une solution qui est surtout adaptée pour les systèmes fonctionnant entièrement sur batterie.

Conclusion


Ces deux alternatives aux batteries d'appoint USB permettent de couvrir certains scénarios. Mais nous espérons bien pouvoir vous fournir un jour une solution plus universelle pour l'alimentation en continu de systèmes autonomes...

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