Savoir quand s'arrêter : trouver le pic qui signale la pleine charge

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, déposé le **10 septembre 1991**, accordé le **23 mars 1993**, expiré. La figure de cette page est sa propre feuille 1 : FIG. 1 est la courbe tension-temps avec le pic marqué, et FIG. 2 est le schéma fonctionnel — FAST CHARGE et SLOW CHARGE blocs, le réseau RC menant à un comparateur, et, en bas, **TH** et **TIMER**. Écrivez les trois terminaisons avant de construire quoi que ce soit, car l'agencement est l'invention, et non l'une d'elles prise isolément : 1. **−ΔV**, détecté par un condensateur chargé à travers une résistance depuis la borne de la batterie. Le condensateur est en retard. Lorsqu'il *dépasse* la tension de la batterie, la batterie a dû atteindre son maximum. Pas de différentiateur, pas de problème de bruit. 2. **Une minuterie**, d'environ dix-huit minutes en charge rapide. Si le signal de tension n'arrive jamais, la charge se termine quand même. 3. **Un thermostat**, réglé entre **40 °C et 60 °C**, directement sur les cellules. Si elles chauffent pour quelque raison que ce soit, la charge se termine. Puis notez ce qui se passe après la fin de la charge : le circuit ne s'éteint pas, il passe à une **charge lente** qui compense l'autodécharge sans surcharger. Un chargeur qui s'arrête simplement vous laisse avec une batterie à plat dès jeudi. Les sources pour celui-ci sont fiables et le chiffre est vérifié. Lorsqu'un échelon ultérieur indique qu'un nombre n'a pas pu être déterminé, c'est une affirmation sur cet échelon, et non une habitude.

Vous ne pouvez pas raisonnablement concevoir un détecteur pour un signal que vous n'avez jamais vu. Enregistrez d'abord le signal. Placez une cellule NiMH déchargée dans un support. Réglez l'alimentation de laboratoire en courant constant à **1C** — 2 A pour une cellule de 2 000 mAh — avec une limite de tension à 1,8 V afin qu'une mauvaise connexion ne puisse pas produire de surprise. Fixez le thermocouple sur le boîtier avec du ruban adhésif. Enregistrez la tension aux bornes à **quatre chiffres** et la température du boîtier chaque minute. Quatre chiffres ne relèvent pas du pointillisme : tout le signal que vous recherchez est d'environ 10 mV, donc un multimètre à trois chiffres affichant 1,48 V ne peut pas le voir du tout. Attendez-vous, sur environ une heure : - une hausse rapide dans les premières minutes pendant que la cellule se polarise ; - un milieu long et à montée lente ; - un **pic**, puis une chute de l'ordre de 5 à 15 mV pour une cellule unique ; - une **température qui grimpe fortement** à partir à peu près du même moment. Arrêtez-vous au pic, ou à 45 °C, selon ce qui survient en premier. Notez dans votre journal où se situait le pic et de combien de millivolts a été la chute. C'est le nombre que votre circuit doit être capable de résoudre, et dans un bloc de douze cellules il est douze fois plus grand, ce qui explique pourquoi la détection de −ΔV fonctionne bien mieux sur un bloc que sur une cellule unique.

Construisez maintenant le détecteur de Pacholok sur la plaque d'essai. Il comporte quatre parties. 1. **Le RC.** Une résistance du borne de la batterie vers un condensateur relié à la masse. Choisissez R et C de sorte que R×C soit la constante de temps choisie à l'étape 4 — 470 kΩ avec 470 µF donnent environ 220 secondes, soit près de quatre minutes. Utilisez un condensateur à film ou un électrolytique à faible fuite ; un condensateur qui fuit est une seconde résistance que vous n'avez pas prévue, et elle maintiendra la copie vers le bas en permanence. 2. **Le comparateur.** Un LM393, la tension de la batterie sur une entrée et le condensateur sur l'autre. Sa sortie bascule dès que le condensateur l'emporte. 3. **Un peu d'hystérésis.** Une résistance de forte valeur reliant la sortie à l'entrée non inverseuse, un mégaohm environ, afin que la sortie bascule franchement au lieu de vibrer autour du seuil. Sans elle, vous déclencherez à répétition sur le bruit de l'ordre du millivolt. 4. **L'interrupteur.** La sortie du comparateur pilote la grille du MOSFET compatible logique, qui laisse passer le courant de charge. La compatibilité logique est importante : un MOSFET ordinaire ne se saturera pas complètement avec une grille à 5 V et dissipera la différence sous forme de chaleur. Testez d'abord sans batterie. Placez le générateur de fonctions sur l'entrée avec une triangle très lente — quelques minutes par cycle, un ou deux volts crête à crête — et vérifiez que la sortie bascule peu après chaque sommet et non avant. Un générateur de signaux que vous pouvez inverser à volonté est un bien meilleur test qu'une pile qui ne se retourne qu'une fois par heure. Placez ensuite la courbe de votre pile enregistrée devant lui, pour de bon. Observez la tension du condensateur sur une voie de l'oscilloscope et la pile sur l'autre ; le croisement est visible et c'est tout l'objet du circuit.

Un détecteur −ΔV seul est un circuit qui peut défaillir silencieusement, et le mode de défaillance est une charge qui ne se termine jamais. Ajoutez les deux autres. **Le thermostat.** Utilisez la thermistance propre au pack si vous disposez de la broche TH de l'étage 3, ou une CTN de 10 kΩ NTC collée sur l'élément. Placez-la dans un pont diviseur avec une résistance fixe et envoyez le point milieu dans la seconde moitié du LM393 ; réglez la référence avec le potentiomètre pour que le comparateur bascule à environ **45 °C**. Étalonnez-le, ne le supposez pas : chauffez la thermistance avec le pistolet à air chaud au réglage le plus bas tout en surveillant le thermomètre infrarouge, et ajustez jusqu'à ce que le seuil tombe où vous le voulez. Câblez la sortie de ce comparateur de façon qu'elle puisse couper la grille du MOSFET **quoi que dise** la moitié −ΔV. **La minuterie.** Le 555 en mode monostable avec une longue constante RC vous donne les dix-huit minutes de Pacholok. Calculez R et C pour votre propre régime de charge plutôt que de copier les siens : dix-huit minutes conviennent au régime utilisé par son chargeur, et une minuterie réglée pour le mauvais régime est pire que rien, car elle interrompra chaque bonne charge. Testez maintenant chacune **seule**. Déconnectez la moitié −ΔV et prouvez que le thermostat arrête la charge. Déconnectez le thermostat et prouvez que la minuterie le fait. Une redondance que vous n'avez jamais testée individuellement n'est pas une redondance, c'est trois circuits et un espoir. Enfin, ajoutez le chemin de charge lente : une résistance qui maintient un courant d'appoint après la fin de charge, à environ C/40. Mesurez-le avec le multimètre et comparez-le à l'autodécharge propre à l'élément.

**Attribution.** US 5,196,780, David R. Pacholok, déposé le 10 septembre 1991, accordé le 23 mars 1993, expiré. Le dessin de cette page est celui du brevet lui-même. **Pourquoi 1991 et non 1961.** L'effet −ΔV était compris bien avant ce brevet ; les fabricants de cellules le décrivaient dans des notes d'application depuis des années. Ce qui manquait, c'était un moyen de détecter une *chute* de quelques millivolts sur un signal superposé à plus d'un volt, à un coût suffisamment bas pour l'intégrer à un chargeur grand public, sans microcontrôleur. L'astuce du retard RC répond à la partie « à un coût suffisamment bas », et c'est une solution véritablement élégante : elle remplace un différenciateur, qui amplifie le bruit, par un retard, qui le supprime. **Ce que cela a changé pour les bricoleurs.** Avant la terminaison fiable, le taux de charge sûr était C/10 pendant la nuit, car le cycle de recombinaison pouvait absorber ce courant indéfiniment. Après cela, la charge rapide est devenue courante, et un chargeur rapide est ce qui rend possible un flux de travail à deux batteries : une dans l'outil, une sur le chargeur, sans attente. La batterie du palier 3 et le chargeur de ce palier n'ont de sens qu'ensemble. **Limites honnêtes.** −ΔV est un signal propre à la chimie nickel et il n'existe pas dans le lithium-ion, dont la tension ne fait jamais que monter ; les cellules au lithium se terminent par une phase à courant constant puis tension constante, puis sur un courant décroissant, une méthode entièrement différente. −ΔV devient aussi plus difficile à détecter à mesure que la batterie vieillit, car le pic s'aplatit, et il est quasiment inutilisable sur une cellule seule pour la raison donnée à l'étape 2. Enfin, tout le système repose sur l'hypothèse que les cellules d'une batterie atteignent la pleine charge ensemble, ce qui, comme le montre le palier 7, n'est pas le cas.