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La charge rapide, c’est quoi?

Ces derniers temps  on assiste à une course à la charge de batterie la plus rapide avec des promesses toujours plus extraordinaires. Que peut-on en attendre réellement?

1°) La charge traditionnelle normale avec le chargeur 5V 

J’ai plusieurs fois abordé dans mes précédents articles divers aspects de la charge des batteries avec des chargeurs de 5V de tension de sortie. Je vais me cantonner à analyser ce qui agit sur  la vitesse de charge des smartphones en prenant pour exemple l’un de mes smartphones : le Nexus 5. Cela permettra de mieux comprendre la méthode qui a été adoptée pour développer la  »charge rapide » à la mode  actuellement.

       A) Influence du cordon USB 

Sur la figure suivante j’ai rassemblé trois cas de vitesses de charge différentes où j’ai utilisé le même chargeur Samsung EP-TA10 avec mon Nexus 5 mais trois cordons micro-USB d’apparences identiques……

 

Nexus 5 charge  cordon
J’obtiens des résultats de temps de charge sensiblement différents. A quoi cela peut être dû?

Pour mieux comprendre ce qu’il se passe j’ai pris l’un des cordons et j’ai mesuré les tensions délivrées par le chargeur directement à sa sortie ( sur le connecteur USB A) et au bout du  cordon ( sur le connecteur  micro-USB) en fonction du courant fourni par le chargeur.

Pertes en ligne

En fait on constate que les pertes dans le cordon ( y compris ses connecteurs) réduisent  rapidement la tension fournie au smartphone. Il faut se rappeler que la tension nécessaire pour charger une batterie est de 4.2V , si on ajoute la chute de tension dans le circuit interne au smartphone assurant la gestion de la charge et la la sécurité de la batterie on arrive à la tension minimale à l’entrée du smartphone de 4.75V  spécifiée par la norme USB .

Il faut donc utiliser un cordon en bon état pour conserver une bonne vitesse de charge. Même un cordon performant à l’état neuf  va perdre de son efficacité  à l’usage : en effet les connecteurs s’usent et se dégradent inexorablement suite aux opérations d’insertions-désinsertions , ce qui augmente progressivement les pertes globales  du cordon.

La simulation de perte (en vert sur le graphique) correspond à un cordon qui aurait une résistance totale de 310 mOhm, ce qui assez classique.

           B) Influence du chargeur.

Même avec un cordon neuf et très performant on constate que la vitesse de charge varie sensiblement suivant le chargeur utilisé. ( voir figure ci-après)

Nexus 5 Chargeurs

L’analyse des courbes tension-courant des chargeurs montre que plus le chargeur est capable fournir une tension élevée pour un courant donné, plus la vitesse de charge sera rapide. On ne peut pas utiliser n’importe quelle tension pour charger sa batterie, il faut que la tension à l’entrée du smartphone reste dans la limite de la norme USB , à savoir 5.25V ( sauf si le smartphone a été conçu pour supporter plus, ce qu’on verra dans la suite de cet article).

Caracteristiques chargeurs

Les concepteurs de chargeurs ( exemple du Samsung EP-TA10) ont anticipé les pertes dans les cordons pour concevoir des chargeurs délivrant des tensions légèrement supérieures à la limite de 5.25V, mais cette option est quand même très vite limitée.

2°) La charge rapide

On vient de se constater que pour charger un smartphone ou une tablette le plus rapidement possible il faut disposer d’un cordon le moins résistif possible  et d’un chargeur avec une tension de sortie plus élevée que 5V. Ce constat n’est pas nouveau , il se pose systématiquement dès qu’on veut transporter de l’énergie électrique avec un minimum de perte, d’où les lignes très haute tension ( plusieurs centaine de kV) de  Enedis, les batteries de voitures électriques de 300V à 500V réalisées par assemblage de petites batteries Li-Ion de 3.7V, les panneaux solaires jusqu’à 1000V par assemblages de cellules de 0.5V.

L’augmentation de la tension d’alimentation des smartphones n’a été possible que grâce à la miniaturisation et à l’amélioration de l’efficacité des convertisseurs de tension. En effet la tension de charge de la batterie Li-Ion reste limitée à 4.2V

L’enregistrement suivant confirme le fonctionnement du convertisseur sur la tablette Sony Xperia Z3 compact: la tension du chargeur s’est bloquée à 9.1V , le courant de sortie du chargeur est de 1300mA  quand le courant de charge batterie interne à la tablette se situe autour de 2000mA

Charge QC2

La réduction du niveau de courant dans le câble de connexion Chargeur -Tablette permet de réduire les pertes et l’augmentation de la tension permet d’augmenter la puissance transmise. 

Les communications entre le chargeur et le smartphone ou la tablette permettent aux deux éléments de se coordonner et de choisir la configuration de charge adaptée. Si le smartphone ne transmet pas les informations attendues ou si le cordon  met en court-circuit les deux fils de données ( cordon de charge seulement) , alors le chargeur rapide règle sa tension de sortie en 5V, ce qui permet d’utiliser ces chargeurs avec les anciens smartphones sans soucis.

Réciproquement les smartphones compatibles  »charge rapide » peuvent très bien être chargés avec les chargeurs 5V sans problème.

Faute de normalisation de nombreux constructeurs ont lancé leur version de charge rapide: Qualcomm a lancé plusieurs versions de « Quick-Charge », Samsung n’est pas resté en reste avec son  « Adaptative fast Charge »,   etc….  Certaines sont annoncées compatibles entr’elles , d’autre pas.. cela devient très compliqué.

Il faut prendre garde et ne pas hésiter à vérifier la compatibilité en surveillant les courants de charge. Ainsi le charge de la tablette Sony Xperia Z3 compact compatible Quick-Charge 2.0 avec le chargeur Samsung EP-TA20 au standard Adaptative fast Charge, soit disant compatibles , n’est pas une réussite….. 

Compatibilité charge rapide

 Cette instabilité dans le courant de charge n’est pas particulièrement saine , ni pour la batterie de la tablette , ni pour le chargeur lui-même.

La première version de la charge rapide définie par Qualcomm : Quick-Charge 2.0 ( notée QC 2.0) prévoit que le chargeur peut sélectionner 3 tensions de sorties différentes : 5V, 9V ou 12V.

La deuxième version Quick-Charge 3.0 (QC 3.0) prévoit que la tension du chargeur peut être ajustée par pas de 0.2V pour optimiser le rendement  global du système de charge.

Cela donne les résultats suivants pour un Sony XPeria XZ2 et son chargeur UCH 12Charge XZ2 avec chargeur UCH 12

On constate effectivement que la tension du chargeur est variable, elle revient à 5V rapidement. C’est en fait le courant qui est régulé  et suit une séquence de paliers prédéfinie.  On passe d’un chargeur à tension tension constante pendant tout le cycle de charge dans le protocole QC 2.0 à une séquence de courant de charge préprogrammée associée à une tension variable dans le protocole QC 3.0.

La question qui se pose in fine est: A-t’on de cette manière réduit le temps de charge du smartphone ou de la tablette?

Charge Xperia 1 2 3

Les durées de charge complète pour ce Sony Xperia XZ2 compact sont très similaires  entre les trois trois protocoles de charges  5V ,QC2.0 ou QC3.0. 

On constate un résultat similaire sur le DOOGEE S60

S60 charge

L’apport des protocoles de charges rapides est loin d’être flagrant contrairement aux annonces tapageuses des constructeurs et reprises sans réelles vérifications par de nombreux journalistes…..

Qualcomm compare les états de charge atteints au bout de 30mn

QC pub Qualcomm

Voyons ce qu’on a enregistré sur notre Sony  Xperia XZ2 compact  

 

% charge  Xperia

On est loin du compte :

Charge conventionnelle 33% en 30mn

Charge QC2.0 et Charge QC3.0  44% en 30mn

En fait charger la batterie du Sony Xperia XZ2 compact de 2870mAh à 71% en 30mn signifie qu’il faudrait injecter un courant de 4000 mA dans la batterie!!!  La société Sony qui a beaucoup travaillé sur la technologie des batteries Li-Ion avant de vendre cette division récemment à un fabricant japonnais de composants électroniques passifs peu connu mais très sérieux, a programmé le courant maximum de charge à 2100mA. Ce n’est pas par hasard, à mon avis, c’est pour assurer une longévité correcte à ses batteries, quitte à ne pas satisfaire les inconditionnels de la charge rapide. 

 

Sur le S60 aussi le courant de charge est limité à 2100mA, mais ici la batterie est de 5580mAh…. Adieu la charge rapide…….

 

3°) Conclusions

Les nouveaux protocoles de charge dite rapide offrent potentiellement la possibilité  d’accélérer la vitesse de charge des batteries, mais pour l’instant la technologie des batteries à notre disposition ne peuvent pas l’exploiter sauf à réduire drastiquement la durée de vie de ces batteries. En conséquence ce sont les constructeurs qui plafonnent les courants de charge des batteries et l’utilisateur ne peut que s’y conformer quoiqu’il utilise comme chargeur: normal  »rapide » ou  »ultra rapide ».

Si on veut réduire le courant de charge de la batterie, il faut utiliser des chargeurs limités en courant à 1000mA ou 1500mA….. comme le Sony EP880. On n’en trouve plus beaucoup maintenant, l’autre solution est d’utiliser un cordon de charge plus long : 2m par exemple.

Qualcomm annonce un nouveau protocole QC4.0 et même QC4.0+. Ce dernier est associé au nouveau connecteur USB C apte à supporter un courant maximal de 5A et une tension de 20V , ce qui permettra de l’utiliser pour la charge de batteries de PC portables. Apple l’utilise déjà sur certains MacBook.  A ces niveaux d’énergie transportées , il convient d’améliorer la sécurité du câble et de ses connecteurs, c’est pour cela qu’un capteur de température sera intégré à l’embase du connecteur USB C. 

Ce protocole QC4.0+ est compatible avec la nouvelle norme USB PD, ce qui évitera peut-être la prolifération de solutions propriétaires plus ou moins compatibles entr’elles. 

 

 

 

 

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