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    Systèmes embarqués : Batterie au lithium fer phosphate vs Lithium-ion

    Zachariah Peterson
    |  May 26, 2017

    Avez-vous entendu parler de cette (relativement) nouvelle application de rencontre, appelée Tinder ? En tant que célibataire ouvert aux rencontres, j'ai décidé de me lancer. Le principe est simple : un coup de pouce vers la droite si la photo et la rapide biographie qui vous sont présentées vous plaisent et un coup de pouce vers la gauche si ce n'est pas le cas. Si deux personnes effectuent un balayage vers la droite sur leurs profils respectifs, la conversation peut s'engager. Je n'ai pas mis longtemps à comprendre ; j'aurais toutefois dû lire un peu plus attentivement les profils au lieu de me concentrer exclusivement sur les photos. Les discussions avec mes « matchs » ont rapidement étouffé toute étincelle que j'avais pu ressentir en découvrant leur photo. C'est d'ailleurs un sentiment que l'on ressent parfois face à un système embarqué, en particulier si celui-ci connaît des problèmes de batterie. Vous pouvez passer un temps considérable à concevoir le circuit imprimé parfait, mais si la batterie se dégrade ensuite trop vite ou connaît des défaillances liées à un problème de température, votre dur labeur n'aura servi à rien. Si vous manquez vraiment de chance, il est même possible que votre batterie provoque une étincelle dans votre circuit. Alors, bien sûr, ce n'est sans doute pas moi qui vous présenterai la femme de vos rêves, mais je peux toutefois vous aider à choisir la bonne batterie pour votre carte. Les deux options les plus répandues pour les systèmes embarqués sont les batteries lithium-ion (Li-Ion) et les batteries au lithium fer phosphate (Li-phosphate ou LiFePO4). Ces deux types de batteries présentent des caractéristiques de charge et de décharge très différentes. Dans certaines situations, toutes deux pourront convenir, mais dans la plupart des cas, vous constaterez que l'une est meilleure que l'autre. Lisez la suite de cet article pour découvrir quelle batterie est la plus adaptée à votre application.

    Li-Ion

    « Aimer » peut prendre différentes significations en français. Par exemple, je peux dire que j'aime mon iPhone, mais aussi que j'aime ma petite amie. Pourtant, on peut espérer que ces deux types d'amour n'ont pas tout à fait la même importance à mes yeux. Dans le même esprit, les personnes qui vous parlent d'une batterie « Li-Ion » peuvent en réalité faire référence à différents types de batteries Li-Ion. Ici, il sera question du type le plus fréquemment utilisé, la batterie au dioxyde de cobalt et de lithium (LiCoO2). Ces batteries comportent une anode à base de graphite. Commençons donc par examiner le profil de la batterie Li-Ion.

    • Tensions : 3,6 V (nominale), variant de 3,0 V à 4,2 V.

    • Densité d'énergie : 150 à 200 Wh/kg

    • Taux de charge : 0,7 C à 1 C, un chargement supérieur à 1 C endommagera la batterie

    • Taux de décharge : 1 C. Si vous n'avez encore jamais entendu parler du taux « C », notez que cela signifie qu'une batterie dont la capacité est de 2400 mAh peut se décharger à un courant allant jusqu'à 2,4 A sans être endommagée.

    • Cycle de vie : 500 à 1 000 cycles. Le cycle de vie peut considérablement varier en fonction de la température de fonctionnement et de la profondeur de décharge.

    • Emballement thermique : 150 °C, c'est ce qui peut entraîner une explosion de la batterie Li-Ion.

    • Plage de températures de charge : 0 à 40 °C

    • Plage de températures de décharge : -25 à 60 °C

    Tinder on phone

    Découvrons maintenant quel profil vous correspond : Li-Ion ou Li-phosphate. Crédit éditorial : Happy Zoe / Shutterstock.com

    Li-phosphate

    Vous aurez peut-être décidé de « swiper » à droite à la lecture du profil de notre batterie Li-Ion, mais nous allons quand même donner sa chance à la batterie Li-phosphate. Son anode est également composée de carbone, et c'est l'une des quelques caractéristiques qu'elle partage avec la batterie Li-Ion.

    • Tensions : 3,2 V ou 3,3 V (nominale), variant de 2,5 V à 3,65 V.

    • Densité d'énergie : 90 à 120 Wh/kg

    • Taux de charge : 1 C

    • Taux de décharge : 1 à 25 C, parfois avec un courant de décharge bref maximal de 40 A.

    • Cycle de vie : 1 000 à 10 000 cycles, très sensible à la température.

    • Emballement thermique : 270 °C

    • Plage de températures de charge : 0 à 45 °C

    • Plage de températures de décharge : -20 à 60 °C

    Comparaison

    Une fois que vous avez swipé à droite ou à gauche sur tous les profils que vous a proposés Tinder, vous avez la possibilité d'envoyer un message à vos matchs. Ce sera pour vous l'occasion d'en savoir un peu plus sur ces personnes, voire de les comparer. Si cela ne me semble pas être la méthode idéale pour rencontrer la bonne personne, une comparaison objective peut faire des merveilles quand il en vient au choix de vos batteries. Nous allons donc maintenant comparer les performances des batteries Li-Ion et Li-phosphate en termes de sécurité, de décharge et de capacité de charge.

    Comme vous avez pu le constater, les batteries Li-Ion possèdent une densité d'énergie très élevée, ce qui fait d'elles le compagnon idéal des appareils portables gourmands en énergie, tels que les téléphones et les ordinateurs portables. Il arrive parfois que des personnes très séduisantes soient aussi un peu instables, et cela semble aussi valable pour les batteries. La haute densité énergétique de la batterie Li-Ion la rend ainsi plus vulnérable à des événements tels que les explosions. De même, il vous sera difficile d'anticiper ses nombreux modes de défaillance. L'un de ces modes est ainsi lié à une charge et une décharge rapides, entraînant un emballement thermique. Dans des dispositifs tels que les appareils portables, les cycles sont aussi impactés par la manière dont l'utilisateur décharge et recharge son appareil. Le sort de votre batterie est donc placé entre les mains d'un utilisateur final qui n'a aucune connaissance en la matière. Bien sûr, ces défaillances ne sont pas fréquentes, mais il vaut mieux prévenir que guérir. La batterie Li-phosphate est un peu plus calme que la Li-Ion. Elle possède une densité d'énergie plus faible et une chimie plus stable, ce qui signifie qu'elle ne risque pas de s'embraser, même en cas de dysfonctionnement. Globalement, les batteries Li-phosphate présentent donc bien moins de risques que les batteries Li-Ion.

    Il est également important d'examiner les caractéristiques de décharge de ces deux batteries. La décharge de tension de la batterie Li-Ion est acceptable, mais elle n'est pas idéale. Une bonne courbe de décharge de tension doit être plate, ce qui signifie que la tension ne se dégrade pas lorsque la capacité de charge de la batterie décroît. La batterie Li-phosphate présente, quant à elle, une courbe de décharge de tension optimale, avec les bonnes températures. Le courant de décharge a aussi un rôle à jouer pour les applications à moteur électrique. Le faible taux de courant de décharge de la Li-Ion, de 1 C, fait pale figure comparé à celui de la Li-phosphate, qui peut atteindre 25 C. Encore une manche remportée par la batterie Li-phosphate.

    Certaines personnes aiment discuter avec plusieurs matchs en même temps. Je n'ai tout simplement pas les capacités mentales et émotionnelles nécessaires à cela. Car il faut toujours tenir compte de ses capacités, en amour comme en matière de batteries. Même si la batterie Li-phosphate l'emporte en termes de sécurité et de décharge, c'est la batterie Li-Ion qui est capable d'emmagasiner le plus de puissance. Or, lorsque l'on conçoit des appareils portables, la taille compte. Les batteries Li-Ion peuvent stocker jusqu'à deux fois plus d'énergie par kilogramme que les batteries Li-phosphate. Si vous devez respecter des limites d'espace strictes, cela fait toute la différence. Et voici le premier match de la batterie Li-Ion.

    Défaillance majeure dans une batterie Li-Ion.

    Défaillance majeure dans une batterie Li-Ion.

    Applications

    Il y a tellement d'informations à prendre en considération sur Tinder que je demande parfois à mes amis de m'aider à « swiper ». Aujourd'hui, c'est à mon tour de vous donner quelques conseils pour vous aider à choisir la batterie la plus adaptée à votre application.

    Si vous êtes une personne stable qui recherche la sécurité et la fiabilité, je vous conseille la batterie Li-phosphate. Elle est particulièrement indiquée pour des applications comme les véhicules électriques ou les instruments médicaux, qui ne peuvent se permettre aucune défaillance majeure. Le taux de décharge élevé des batteries Li-phosphate présente aussi des avantages pour les moteurs électriques.

    Vous êtes plutôt du genre aventurier et vous avez le goût du risque ? Si vos appareils vous ressemblent, il leur faudra une batterie Li-Ion. Les dispositifs tels que les téléphones portables, les ordinateurs et les appareils photo ont toujours besoin d'énergie. Ils ont en général une durée de vie d'environ deux ans, que la batterie Li-Ion peut égaler voire surpasser.

    Maintenant que vous avez fait plus ample connaissance avec ces batteries, il est temps de passer à la conception. Vous trouverez, dans mes articles, des conseils qui vous aideront lors de cette étape cruciale, mais je ne pourrai malheureusement pas être à vos côtés lorsque vous travaillerez. Par chance, des programmes comme CircuitStudio® existent. CircuitStudio vous donnera ainsi accès à de nombreux outils avancés qui vous aideront à concevoir le circuit imprimé idéal.

    Vous avez d'autres questions concernant les batteries ? Contactez un expert Altium.

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    Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies. Zachariah works with other companies in the PCB industry providing design and research services. He is a member of IEEE Photonics Society and the American Physical Society.

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