Schéma de chargeur pour batterie Li-ion

Un chargeur de batterie lithium-ion doit contrôler précisément le courant et la tension de charge. Contrairement aux batteries au plomb ou Ni-MH, une cellule Li-ion ne doit jamais être chargée avec une alimentation directe non régulée. La méthode standard repose sur un cycle courant constant / tension constante, généralement abrégé CC/CV.

Principe de charge d’une cellule Li-ion

Une cellule Li-ion classique possède une tension nominale de 3,6 ou 3,7 V. Lorsqu’elle est complètement chargée, sa tension atteint généralement 4,2 V. Le chargeur fonctionne en deux phases principales.

Pendant la première phase, il fournit un courant constant à la batterie. Ce courant dépend de la capacité de la cellule et des recommandations du fabricant. Pour une batterie de 2 000 mAh, un courant compris entre 500 mA et 1 A est courant.

Lorsque la tension de la batterie approche 4,2 V, le chargeur passe en mode tension constante. La tension reste alors limitée à 4,2 V tandis que le courant diminue progressivement. La charge est considérée comme terminée lorsque le courant devient suffisamment faible.

Circuit de charge recommandé

Pour une batterie Li-ion composée d’une seule cellule, un circuit intégré spécialisé est préférable. Le TP4056 est couramment utilisé pour les applications alimentées en 5 V. Il intègre la régulation CC/CV, la limitation de tension, la détection de fin de charge et une protection thermique.

Le circuit comprend généralement :

• une entrée d’alimentation de 5 V ;
  
  
• le contrôleur de charge TP4056 ;
  
  
• une résistance de programmation du courant ;
  
  
• deux condensateurs de découplage ;
  
  
• des voyants d’état de charge ;
  
  
• une batterie Li-ion de 3,7 V ;
  
  
• un circuit de protection contre la surcharge et la décharge profonde.
  

Connexion des composants

L’alimentation de 5 V est raccordée à l’entrée VCC du contrôleur. La masse de l’alimentation, du circuit et de la batterie doit être commune.

Les bornes BAT et GND sont reliées respectivement aux pôles positif et négatif de la cellule. Un condensateur placé près de l’entrée stabilise l’alimentation, tandis qu’un second condensateur placé près de la sortie améliore la stabilité de la tension de charge.

La broche PROG permet de définir le courant maximal à l’aide d’une résistance. Sur un TP4056, la valeur du courant est approximativement déterminée par la relation suivante :

Icharge ≈ 1 200 / RPROG

Le courant est exprimé en ampères lorsque la résistance est exprimée en ohms. Une résistance de 1,2 kΩ correspond donc approximativement à un courant de charge de 1 A.

Pour une petite batterie, il est préférable de réduire ce courant. Une cellule de 500 mAh, par exemple, ne doit pas automatiquement être chargée à 1 A. Le courant choisi doit respecter la fiche technique de la batterie.

Indication de l’état de charge

Le TP4056 possède deux sorties destinées aux voyants lumineux. Une LED peut indiquer que la charge est en cours, tandis qu’une seconde signale que la batterie est complètement chargée.

Ces sorties sont généralement à collecteur ouvert. Chaque LED doit donc être utilisée avec une résistance de limitation, souvent comprise entre 1 kΩ et 2,2 kΩ selon la tension d’alimentation et la luminosité souhaitée.

Protection de la batterie

Le contrôleur de charge ne remplace pas toujours un véritable circuit de protection. Une batterie Li-ion doit être protégée contre :

• la surcharge ;
  
  
• la décharge profonde ;
  
  
• les courts-circuits ;
  
  
• les courants excessifs ;
  
  
• les températures anormales.
  
  

Il est recommandé d’utiliser une cellule déjà protégée ou un module intégrant un circuit de protection, par exemple une combinaison de composants de type DW01A et 8205A.

Une batterie gonflée, endommagée, perforée ou excessivement chaude ne doit jamais être rechargée.

Alimentation du chargeur

L’entrée doit fournir une tension stable proche de 5 V. Une alimentation USB régulée convient généralement. La source doit également pouvoir délivrer le courant demandé par le chargeur.

Le TP4056 fonctionne comme un régulateur linéaire. La différence entre la tension d’entrée et la tension de la batterie est dissipée sous forme de chaleur. La puissance dissipée peut être estimée par :

P = (Vin − Vbat) × Icharge

Avec une entrée de 5 V, une batterie à 3,7 V et un courant de 1 A, le circuit peut dissiper environ 1,3 W. Une bonne surface de cuivre autour du composant est donc nécessaire. Si le circuit chauffe trop, sa protection thermique réduira automatiquement le courant de charge.

Utilisation de la batterie pendant la charge

Il est déconseillé de brancher directement une charge électronique en parallèle sur la batterie lorsqu’un simple module TP4056 est utilisé. Le courant consommé par l’appareil peut perturber la détection de fin de charge.

Pour alimenter un appareil tout en rechargeant la batterie, il est préférable d’ajouter un circuit de gestion de puissance, souvent appelé power-path ou partage de charge. Ce circuit alimente prioritairement l’appareil depuis l’entrée USB et réserve le courant restant à la batterie.

Vérifications avant la première utilisation

Avant de connecter la batterie, il faut vérifier la polarité de chaque connexion et mesurer la tension de sortie. La batterie doit ensuite être chargée sous surveillance lors du premier essai.

La tension finale ne doit pas dépasser la valeur spécifiée par le fabricant, généralement 4,2 V pour une cellule Li-ion classique. Il faut également contrôler la température du contrôleur et de la batterie.

Ce montage convient uniquement à une batterie composée d’une seule cellule. Un pack de deux cellules ou davantage nécessite un chargeur adapté au nombre de cellules ainsi qu’un système de gestion de batterie, appelé BMS, chargé de surveiller et d’équilibrer chaque élément.

Foire aux questions

Cherry He

PDG

Un professionnel du secteur des batteries LiFePO4, spécialisé dans les solutions de stockage d’énergie et les systèmes de batteries lithium fer phosphate, avec une forte passion pour la technologie des batteries lithium et les solutions innovantes de stockage d’énergie.