Archive pour avril, 2012

Calibrer sa batterie Li-ion

Avant d’aborder le sujet de la calibration de la batterie il faut bien comprendre quelles sont les différentes méthodes utilisées pour évaluer le % de charge restante dans une batterie en cours d’utilisation ( SoC en anglais pour State of  Charge).

1°) Méthode d’évaluation à partir de la mesure de la tension de la batterie.

Cette méthode a été la première utilisée: il suffit de mettre en mémoire une courbe de correspondance entre la tension de la batterie et le % de charge et de tenir compte de sa résistance interne. On obtient, dans le cas du HTC Diamond les courbes suivantes en fonction du courant (constant) de décharge.  

Calibrer sa batterie Li-ion dans Smartphone D%C3%A9charge-batterie-courant

On peut en suite comparer le % de charge affiché et le % de charge calculé dans le cas où il est possible d’obtenir une valeur correcte du courant de décharge, ce qui est le cas sur la majorité des smartphones HTC.

Le graphique suivant rassemble les résultats obtenus sur 3 batteries différentes compatibles avec le HTC Diamond

analyse-batt-diff Calibration batterie smartphone dans Technique

La batterie de 900mAh est celle livrée d’origine avec le smartphone. HTC a plus tard proposé une batterie de 1340mAh pour améliorer l’autonomie. En parallèle des fabricants chinois ont proposé des modèles avec des capacités encore plus importantes.  Un modèle de 1900mAh a été analysé ici.

On constate une bonne corrélation entre le pourcentage de charge calculé et affiché sur la batterie d’origine. La batterie de 1340mAh , bien qu’elle soit étiquetée HTC présente une moins bonne corrélation , et concernant la batterie de haute capacité  il n’y a plus de corrélation……

Ce système d’évaluation du pourcentage de la capacité de charge restante montre ici ses limites.

Des améliorations ont été apportées par certains constructeurs pour obtenir une meilleure corrélation sur les batteries d’origine en intégrant dans l’algorithme de calcul d’autres paramètres physiques de la batterie. C’est le cas de Samsung sur le Galaxy S. L’analyse devient très compliquée avec les matériels Samsung parce qu’on ne dispose pas de mesure du courant dans la batterie. Une décharge à courant constant permet de se rendre compte que la courbe de décharge n’est pas totalement rectiligne ce qui traduit quelques écarts probables dans l’évaluation du pourcentage de capacité restante

 

Galaxy-S-decharge-%C3%A0-courant-constant1

Le Galaxy Nexus utilise aussi ce principe mais la linéarité en décharge à courant constant laisse sérieusement à désirer…..pour le moins…..

 

Galaxy-nexus-charge-corrig%C3%A9e

Le Galaxy S2 utilise ce même principe avec cette fois-ci une linéarité nettement améliorée , sauf au niveau des 100% de charge où la chute de tension confirme un début de décharge qui n’est pas pris en compte.

Decharge-galaxy-S2

 

 On constate aussi sur cet enregistrement le passage du smartphone en mode économie d’énergie vers 13% de charge résiduelle comme déjà signalé lors des premiers essais avec ce modèle.  

Reste à vérifier ce qu’il se passe si on installe dans ces téléphones d’autres batteries que celles fournies par Samsung….. Il y a de quoi se poser la question quand on constate que Maxim, le fournisseur des circuits intégrés qui gèrent ce système, vient de sortir une nouvelle gamme de circuits qui associent cette méthode et la méthode  du  »Coulomb counting » dans le but de proposer un système encore plus précis……Le Galaxy S3 est équipé de ce nouveau circuit Max 17047 qui ne nécessite pas de calibrage, d’après la notice du constructeur

 

2°) Methode dite de  » Coulomb counting »

Cette méthode consiste à mettre en mémoire, dans l’un des circuits intégrés placés dans la batterie, la valeur de la capacité initiale de la batterie. Le compteur  d’état de charge est initialisé à 100% quand la batterie est complètement chargée ou à 0% quand la batterie est   »vide », En suite ce compteur va être incrémenté ou décrémenté en fonction du courant qui circule dans la batterie et de la capacité initiale de la batterie

L’état de  charge complète est défini lorsque la tension de la batterie atteint 4,2V  ( à quelques dizaines de mV près , cela va dépendre de la précision des mesures) et que le courant de charge va descendre en dessous d’un certain seuil ( souvent compris entre 100mA et 50mA). L’état de décharge  complète de la batterie est défini vers 3,2V à 3,4V selon les fabricants de batteries et de smartphones.

Cela conduit à des courbes de décharges à courant constant parfaitement rectilignes. C’est ce qui était recherché…..

HTC-Desire-d%C3%A9charge-batterie-neuve

 

Il y a dans les circuits les plus sophistiqués des corrections qui prennent en compte la variation  de la capacité et des tensions limites en fonction de la température de la batterie et qui analysent le taux d’utilisation de la batterie pour en estimer la chute de capacité en fonction du vieillissement.

Il se trouve que toutes ces corrections ne sont pas suffisantes pour prendre en compte l’évolution réelle de chaque batterie. Bilan ,quand la batterie va atteindre sa tension limite inférieure de fonctionnement le compteur de charge résiduelle ne sera pas encore à zéro.  C’est ce qu’on constate sur l’enregistrement suivant où le % de charge passe brutalement à zéro quand le circuit de contrôle de la batterie détecte que la tension de batterie a atteint le seuil de décharge ( ici 3,4V)


Decharge-batterie-non-calibr%C3%A9e

 

Cette situation est particulièrement pénible parce qu’on n’est plus averti de l’approche de la fin de décharge de la batterie: le smartphone  s’arrête inopinément.

3°) Méthode basée sur la mesure de l’impédance interne de la batterie

 Il s’agit dune nouvelle méthode de mesure que propose Texas Instrument sur sa gamme de circuits intégrés  bq2750x.  D’après la fiche technique, l’initialisation des données à mettre en mémoire semble lourde et complexe. Je ne sais pas quels smartphones utilisent ce circuit

4°) Calibration

La première et la troisième méthode méthode d’estimation du % de charge ne sont pas ajustables par l’utilisateur. Il sera donc totalement inutile de chercher à calibrer les batteries correspondantes. 

C’est la méthode du  »Coulomb counting »qui a mis à la mode la calibration de la batterie. Comme on l’a vu, quand les batteries vieillissent différemment de ce qui a été programmé on peut se retrouver avec des arrêts imprévus du smartphone, ce qui est fort désagréable.

En fait, en théorie, il suffit d’aller corriger la valeur de la capacité initiale de la batterie dans la mémoire du circuit intégré installé dans  celle-ci pour que tout rentre dans l’ordre comme figuré sur la graphique suivant:

Batterie-calibartion-fr1

Attention il ne faut pas espérer que la procédure de calibration permette à la batterie de récupérer la  capacité qu’elle avait quand elle était neuve.  La perte de capacité de la batterie suite à  son utilisation est irrémédiable.  La calibration va seulement corriger l’affichage du % de charge restante en tenant compte de l’usure réelle de la batterie

Aucune version d’Android ne comporte  une méthode pour corriger ce problème, donc pas mal de développeurs ont essayé de proposer des solutions. Malheureusement peu d’entr’elles donnent satisfaction…. pourquoi?

D’abord les concepteurs de smartphones ne donnent pas accès à ces paramètres, pour des raisons de sécurité:  En effet les batteries Li-ion ont été à l’origine de suffisamment de problèmes d’incendie ou d’explosion par le passé, donc les fabricants ne  souhaitent pas que les  utilisateurs aillent changer les paramètres de fonctionnement des batteries. Il faut donc déplomber le téléphone ( on dit le  »rooter » en anglais) pour contourner ce blocage, ce qui peut avoir des conséquences sur le fonctionnement du téléphone lui-même

Ensuite il y  a de nombreux fournisseurs différents de circuits intégrés et de nombreuse versions de ces circuits. Le protocole d’accès à la valeur de la capacité de batterie qu’on souhaite actualiser est à chaque fois différent. Il faudrait donc disposer d’un logiciel adapté à chaque configuration…… Les développeurs qui ont essayé de trouver une solution pour un modèle de smartphone n’ont souvent pas cherché à déterminer sur quels autres modèles de smartphones leur application pouvait aussi fonctionner. Bilan le calibrage de la batterie est une épreuve délicate réservée à des experts et elle ne donne que rarement satisfaction.

Dernièrement un développeur a essayé de comprendre pourquoi le système de calibration des batteries du HTC Desire et du Nexus one ne fonctionnait pas. Il a mis en évidence un bug dans le programme interne du smartphone ( le Kernel) qu’il a essayé de corriger. De nouveau il faut  »rooter » le smartphone et changer ce  »Kernel’: opération délicate à la portée seulement d’ utilisateurs spécialisés.  Voir le lien http://forum.xda-developers.com/showpost.php?p=23355165&postcount=1 pour ceux que cela peut intéresser.

 

 

 

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