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Caractéristiques de décharge lente
d'une batterie LiPo 18650

Introduction
Caractéristiques de décharge d’une LiPo
Obtention de la courbe Excel
Enregistrement de la décharge
Conclusion

Maj :16/05/24

Abstract :
This page shows comportment of a Lipo battery at very low curents, for applications on a beacon working during one year between two charges.
This modelisation permit to calculate instant capacity remaining in percent of total autonomy.
These datas are exploited in this next page : balise ESP32 bezier

Résumé :
Cette page présente le comportement d'une batterie Lipo à très faibles courants, pour des applications sur une balise fonctionnant pendant un an entre deux charges.
Cette modélisation permet de calculer la capacité instantanée restante en pourcentage de l'autonomie totale.

Ces données seront exploitées dans cette page suivante : balise ESP32 bezier

bezier  Introduction

Dans cette page nous allons nous intéresser à la décharge à faibles courants d'une batterie Lithium-Ion-Polymère, pour une utilisation sur des balises transmettant à un système central les données de capteurs.
Le but visé, sinon réaliste est de tenir un an entre deux charges.

Nous traiterons de la batterie LiPo  18650 mais cela est transposable sur d'autres modèles.
Cette batterie se trouve partout, y compris en grandes quantités dans les voitures électriques.
<18650> signifie simplement qu'elle a 18 mm de diamètre et 65 mm de long.

Une balise autonome sur accumulateur doit indiquer au système central son état afin de pouvoir déclencher une recharge au bon moment. La simple tension n’est pas une bonne valeur car elle dépend des caractéristiques de l’accumulateur et de la consommation de la balise, il est  beaucoup plus intéressant d’envoyer le pourcentage de capacité restant, donc le nombre de jours restants avant épuisement.


Quelques 18650

bezier Caractéristiques de décharge d’une LiPo

Nous considérerons une " bonne " 18650, récente, de capacité vraie d’environ 2000 mAh, ce qui signifie qu’elle est sensée fournir 2 Ampères pendant une heure, mais en réalité, c’est plus compliqué, car la tension décroit en permanence de 4.2 V à pleine charge au coude de décharge complète vers 3.2V.
Attention aux mauvaises copies chinoises, parfois marquées avec des valeurs délirantes et qui peuvent en réalité ne pas tenir 500 mAh, et ce avec une forte résistance interne. On ne peut même pas être certain de la qualité en commandant une marque réputée car les contrefaçons sont très répandues.

Pour tester vos propres batteries, utilisez un déchargeur comme celui décrit ici : Déchargeur de batteries arduino

Les courbes constructeur suivantes mous montrent le comportement aux différents courants, mais se limitent à un courant minimal de C/10, c'est à dire une décharge en 10 heures.
Pour notre application ce sera plutôt de 365*24 heures soit C/7000 !
Il faut alors tenir compte de l'autodécharge importante sur ces durées.


Courbes décharge 18650
(données constructeur)

L'expérience et la compilation de mesures a montré que les valeurs suivantes portées dans cette courbe Excel sont réalistes pour de longues durées ; un autre chapitre montrera comment les relever avec le minimum de bruit.

La modélisation est complexe car elle demande un polynôme du sixième ordre avec un nombre de décimales considérable.
Cette équation permet de générer des tables précalculées pour les intégrer  dans les programmes d'exploitation des balises comme le montrent les exemples joints dans la directorie "slow_discharge".

Modélisation décharge

Il est possible ainsi de déduire la tension de la capacité restante (surtout pour vérifier la cohérence des tables), et, le plus utile, de connaitre le pourcentage de capacité restante en fonction de la tension.  (la feuille Excel est dans les fichiers)

Ces données seront exploitées dans la page suivante balise ESP32 bezier  qui montrera comment lire au mieux la tension batterie, c’est à dire avec la précision maximale et l’énergie minimale, malgré les problèmes du médiocre convertisseur analogique->numérique de l’ESP32.


Table décharge

bezier  Méthode pratique d’obtention de la courbe Excel

Sous 3.66 V (capacité 50%), une résistance de 3.66 k donnerait un courant de 1 mA, soit une décharge espérée en 2000 heures, soit 83 jours ; cela donnera un résultat proche d’une décharge sur un an qui demande trop de patience.
On se contentera d’une résistance de 330 ohms environ, décharge en 200 heures soit 8 jours donnant un résultat aussi très voisin. La valeur de la résistance n’est pas importante car le résultat sera un pourcentage du temps total, mais sa valeur exacte devra être connue pour calculer l’intégrale courant temps qui donnera la capacité réelle de la batterie.

   Ambigüité sémantique

Nous parlons de mesure à courant constant, mais cela n'est pas simple à réaliser pour de petits courants à faible tension. Nous déchargeons la batterie pour les tests avec une simple résistance :
à 4.4 V le courant sera 4.4/330 = 13.3 mA , mais à 3.2 V il ne sera que de 3.2/330 = 9.7 mA.

Nous ne sommes donc pas dans la stricte définition du courant constant ; nous cherchons à caractériser l'autonomie, c'est à dire donner un pourcentage du temps de vie restant, c'est donc bien la bonne solution, car l'ESP32 se comporte sensiblement comme une résistance et consommera plus à forte tension.
Une période d’environ 10 minutes donnera 1200 points sur 8 jours, ce qui est parfait pour extraire la courbe de tendance de notre fichier enregistré sur la µSD.

 Remarque :

Sur une mesure d'une semaine, l'autodécharge compte peu, mais si l'on extrapole sur un an, cela deviendra important et réduira l'autonomie.
10 mA sur une semaine, ne voudra pas dire qu'elle tiendra à 200 µA sur 50 semaines, ce sera moins, car l’autodécharge d’une bonne 18650 est de l'ordre de 10 µA.
Si l'on est patient, il faudrait enregistrer cette tension sans charge pour compenser, mais comme le disait Woody Allen : «L'éternité, c'est long, surtout vers la fin».


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bezier  Enregistrement de la décharge


 Slow_record.ino (à  joindre) Ce programme est destiné à réaliser des enregistrements sur de très longues durées,  par exemple pour la décharge batterie.
Il est testé sur ESP32, mais tout autre CPU conviendrait.
Pour être conforme à la réalité, la batterie est branchée sur le régulateur MCP1700 330e lui même chargé par une résistance. Pour un premier test, Nous simulerons un courant de 10 mA (pour une durée estimée de 200 h soit 8 jours). Résistance R=V/I = 3.3/0.01 = 330 Ohms. Un deuxième test sur près de 3 mois se fera à 1 mA
Nous mesurerons simultanément la tension batterie et la tension en sortie du régulateur pour tracer aussi les pertes du régulateur.


 Spécifications hardware :
 Le matériel devant tourner pendant des semaines sans plantage, l’alimentation doit être secourue par une batterie.
 Un petit afficheur oled en I2C (voirexemple sur Déchargeur de batteries arduino) montre la situation en cours durée en cours du test, la tension…
 Pour éviter le médiocre CAN de l’ESP32, Un excellent convertisseur analogique ADS1115 en I2C lit la tension fortement filtrée (voir Filtrage par
pondération temporelle
) sur 16 bits (0..64k) de la 18650 simplement chargée par une résistance suivant le courant voulu.

 Spécifications firmware :
 La période est paramétrable (défaut 10  minutes).
 Lors d’un reset, un nouveau fichier d’enregistrement s’ouvre dans la µSD, il sera fermé à la tension minimale paramétrable (défaut 3 V) qui enclenchera un signal sonore permanent.
 Un relai optionnel peut couper la charge en tension basse pour éviter de trop écrouler la batterie si le système est sans surveillance.
 Un bouton appuyé au reset lance le menu de réglage, qui demande diverses tensions très précises via une alimentation de laboratoire et un voltmètre étalonné, pour un alignement parfait du CNA.  Chaque appui valide la tension de référence  (de 4.2 V à 3 V par pas de 0.1 V).
 
Le fichier enregistré sur la µSD sera ensuite traité sous Excel pour affiner la courbe déjà présentée, car elle sera légèrement différente suivant la qualité de chaque LiPo et le courant de décharge.

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bezier  Conclusion

Cette petite page est destinée à alléger la suivante balise ESP32 bezier beaucoup plus lourde qui exploitera ces données pour envoyer l'autonomie restante à la base de données, la tension absolue n'étant pas significative.


 Addendum

Programmes inclus dans la directorie <__lipo_Beacon> :
 Beacon_sleep.ino : Simple program to test ESP32 current deep sleep mode
 VoltToPercent.ino : Percent capacity calculation for a good 18650 at low dicharge current  from remaining voltage 
 PercentToVolt.ino : Remaining voltage for a good 18650 at low discharge current from percent capacity (only to verify table accuracy)
 Slow_record.ino : (à  joindre) Master record programe to extract discharge curve of a specific LiPo

 dec_pourcent.xlsx : Master record of decreasing voltage  from time
 tendance.xlsx : Optimised curve of 18650 percent capacity from voltage

 Beacon_switches.ino : Very fast basic program to test availaible dip switches configurators from GPIO readings (bad solution)
 Beacon_sleep.ino : Basic program to test the sleep mode current of the ESP32 beacon with a microAmperemeter. First use, ESP32 alone without FTDI
 Beacon_RTC_init.ino : Simple test of time server and DS3231 RTC  for the very first checks of ESP32 beacon.

Tous les détails et logiciels sont dans cette page à jour au : 220511

eclate
 

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