Chargeurs et modélisme : une histoire sans fin

L'être humain, en tant que responsable du chargement, n'est pas fiable, surtout lorsqu'il doit effectuer des tâches routinières répétitives. Il se laisse trop facilement distraire. Surveiller un processus de charge et – surtout – y mettre fin à temps exige une présence inébranlable ; c’est une véritable déclaration de guerre à toute forme d’intelligence créative.

Les premières batteries réutilisables dans le modélisme étaient en plomb : lourdes comme la terre, mais encore relativement tolérantes aux erreurs, car elles s’ouvraient par le haut. Si on les avait oubliées sur le chargeur, il suffisait d’ajouter de l’eau distillée par la suite. Les choses se sont compliquées lorsque l’envie de les utiliser quelle que soit leur position a fait son apparition. Elles devaient désormais être étanches. Les batteries Rulag* figuraient parmi les premiers systèmes secondaires véritablement étanches aux gaz, raison pour laquelle elles étaient déjà commercialisées sous le nom de « batteries sèches ».

* Dr Rudolph Mohr, Société des lampes de
poche

Cette batterie a ensuite connu une carrière militaire tout à fait remarquable en tant que batterie de propulsion pour torpilles. Dans les années 1950, elle a également fait son apparition dans le secteur des loisirs (batterie de chauffage pour radios et appareils de communication portables, moteurs de modèles réduits).

Ce sont sans doute des modélistes qui ont mis au point le premier chargeur de batterie efficace, doté d'un système d'arrêt automatique. Ils ont tiré parti du fait que les cellules, enveloppées de plastique souple, gonflaient dès les premiers signes de surcharge.

Si seulement c'était encore aussi simple aujourd'hui ! Mais c'est sans doute ainsi qu'est né le chargeur automatique.

Les batteries au plomb (Pb) sont toujours considérées comme faciles d’entretien. Pendant longtemps, la limitation du courant de charge était plutôt secondaire, car la « capacité de charge » des batteries (exemple : batterie de démarrage automobile) dépassait de loin la puissance de sortie du chargeur. Cela a changé avec l’arrivée sur le marché de cellules au plomb « intelligentes ». Les batteries Pb scellées, de type gel ou à membrane, disposent certes déjà d’une protection électrochimique intégrée contre la surcharge. Ce mécanisme génère de l’oxygène au niveau du pôle positif, qui est ensuite réabsorbé du côté négatif. Cela ne fonctionne toutefois qu’avec des courants de charge inférieurs à 0,3 C, ce qui exclut donc toutes les options de charge rapide permettant de gagner du temps.

Jusqu’au début des années 1980, les batteries dites « DEAC », d’une capacité nominale de 250 à 500 mAh, constituaient la source d’alimentation standard des récepteurs. Ces batteries NiCd étaient considérées comme fiables et faciles d’entretien. Elles étaient généralement rechargées « pendant la nuit » avec des courants ne dépassant pas 0,1 °C. Comme il n’existait aucun critère permettant de déterminer avec une précision suffisante l’état de charge de ces piles boutons, la durée de charge dépendait des besoins de sommeil de l’utilisateur ou de son intuition quant au temps de charge nécessaire. Les amateurs attentifs étaient récompensés par une durée de vie plus longue (des batteries). Lorsque, à la fin des années 1970, les batteries NiCd à charge rapide, conçues pour être utilisées dans les outils électriques, ont commencé à supplanter progressivement les piles boutons, le monde de la recharge s’est accéléré. Les cellules NiCd dites « frittées » pouvaient désormais être rechargées via un câble résistif en 2 à 4 °C, soit en moins d’une heure. La question était toujours la même : quand est-ce suffisant ? La tension des cellules ne constituait pas un critère clair pour ce type de batterie, car son niveau était influencé par des facteurs tels que le courant de charge, la température, le prétraitement ainsi que le vieillissement. Les maniaques du contrôle détournaient le réveil de cuisine de maman pour signaler la fin du temps de charge calculé. Cela tournait généralement mal. Mais on apprend de ses erreurs ! En effet, les batteries NiCd chargées trop longtemps devenaient sensiblement chaudes, voire brûlantes dans les cas extrêmes. Le contrôle de la charge par simple contact de la main, toujours entaché de toutes les imperfections humaines, a rapidement pu être remplacé par des interrupteurs thermiques ou des sondes de température équipées d’un module de commutation. Le chargeur automatique était né – pour la deuxième fois déjà. Le problème : la sonde thermique devait être en contact direct avec la batterie.

Un autre casse-tête est apparu par la suite : avec la génération suivante de batteries NiMH, un léger échauffement se produisait dès le début du processus de charge, ce qui obligeait à fixer la température de coupure à un niveau relativement élevé, ce qui n’était pas vraiment bénéfique pour la « santé » de la batterie.

À peu près à la même époque, on s'est également rendu compte que l'évolution de la tension des batteries NiCd pouvait indiquer quand la batterie était pleine, car l'échauffement qui se produit en cas de surcharge entraînait une baisse de la tension de charge. Ce phénomène était relativement facile à analyser par des moyens électroniques. On a baptisé cette découverte « méthode Detla-Peak ».

Elle fonctionnait encore de manière assez fiable avec les batteries NiMH qui ont suivi. Le pic y étant moins prononcé, la sensibilité de mesure doit être légèrement supérieure. Cependant, ce type de détection de charge complète est toujours associé à une brève surcharge, ce que la nouvelle génération de cellules NiMH semblait beaucoup moins apprécier. Le processus de charge est plus respectueux de la batterie lorsque la charge s’arrête dès le point d’inflexion de la courbe de tension. Le terme « Inflex » s’est imposé pour désigner ce procédé en douceur, qui n’entraîne qu’une perte de capacité de quelques pour cent.

L’arrivée des cellules lithium-ion au début des années 2000 a marqué un tournant historique. Au début, l’incertitude régnait, car les nouvelles stars du monde des batteries étaient considérées comme capricieuses et n’hésitaient pas à le prouver entre les mains de modélistes inexpérimentés. Les extincteurs avaient le vent en poupe. Mais très vite, la communauté a appris à maîtriser cette technologie et à apprécier les performances exceptionnelles de cette nouvelle génération de batteries. D’abord jugées peu résistantes, les batteries ont vu leur coefficient C – qui allait bientôt devenir l’argument de vente décisif – exploser en l’espace de quelques années. L’aviation électrique a alors pris son essor, notamment grâce aux nouvelles technologies de motorisation. Mais dès qu’un problème est résolu, un autre surgit rapidement. Les besoins en énergie ont augmenté : le marché avait besoin de nouveaux chargeurs. Dès lors, ceux-ci ont commencé à affluer de plus en plus souvent d’Extrême-Orient, au grand dam des entreprises occidentales bien établies.

Les chargeurs fixes utilisaient autrefois un transformateur secteur classique. Cela convenait tant que les courants de charge restaient de l'ordre du milliampère. Avec la technologie de l'époque, fonctionnant à 50 hertz, la transformation de courants plus importants devenait encombrante, lourde et coûteuse. Aujourd’hui, ce sont les « alimentations à découpage » qui dominent le marché. Grâce à l’électronique de puissance moderne (principe de commutation : voir encadré), des puissances supérieures à un kilowatt peuvent être acheminées avec un faible taux de pertes à travers des boîtiers de taille pratique.

La batterie de démarrage de 12 V était connue comme source d’alimentation mobile. Avec 6 à 7 cellules NiCd, cela fonctionnait encore correctement. Une ampoule Bilux pour automobile disponible dans le commerce remplissait la fonction de limitation de courant du câble de résistance. Lorsque le nombre de cellules augmentait, il fallait diviser la batterie en petits packs. On a ensuite développé le convertisseur de tension continue afin de pouvoir charger « d’un seul coup » même des batteries comportant plus de 7 cellules. Ces appareils découpent la tension continue à haute fréquence afin de pouvoir la transférer vers un autre niveau de tension avec relativement peu de pertes, à l’aide d’inductances relativement faibles. Les convertisseurs qui génèrent des tensions plus élevées (par exemple 50 V) à partir de tensions plus faibles (par exemple 12 V) sont appelés convertisseurs élévateurs ou « step-up ». Si la tension doit être réduite, on utilise, selon le même principe, un convertisseur abaisseur ou « step-down ». Le plus souvent, on combine les deux systèmes afin de pouvoir charger des batteries de différentes tailles, comprenant par exemple de 1 à 12 cellules. Ces convertisseurs, qui fonctionnent d’ailleurs avec des rendements avoisinant les 90 %, permettent d’adapter de manière flexible les tensions d’entrée et de sortie en fonction des besoins. Cela vaut également pour la tension d’entrée d’alimentation. Celle-ci peut varier dans une large plage, et doit même le faire, car avec des puissances de charge de l’ordre du kilowatt, il n’est guère judicieux d’alimenter le convertisseur avec seulement 12 V. Avec des intensités de l'ordre des centaines d'ampères, les câbles d'alimentation se transforment rapidement en fils incandescents. Les fabricants recommandent donc d'utiliser des sources d'alimentation pouvant atteindre 48 V. Les blocs d'alimentation intégrés directement dans le boîtier de charge sont généralement moins puissants que les alimentations à découpage séparées.

La multifonctionnalité, c'est-à-dire la capacité à recharger tous les types de batteries courants (Pb, NiCd, NiMH, éventuellement NiZn, LiFe, Lilon, LiPo, LiHV), est aujourd'hui considérée comme indispensable pour les chargeurs de modèles réduits. En raison de la multitude de programmes de charge différents, ces appareils ne peuvent pas se passer totalement de l'intervention humaine. La tâche d'un chargeur véritablement automatique serait d'identifier la batterie connectée en fonction de son type (technologie des cellules), du nombre de cellules et de leur taille. Cela ne fonctionne pas encore pour le moment. À cet égard, le système électronique dépend des informations fournies par l’utilisateur. Dans certains cas, les chargeurs modernes osent toutefois déjà proposer des suggestions que l’utilisateur peut ensuite confirmer ou corriger. En contrepartie, l’appareil vérifie la plausibilité des informations saisies par l’utilisateur. C’est la limitation du courant de charge qui fonctionne le mieux. Elle s’effectue par la mesure de la résistance interne de la batterie connectée. La détection autonome du nombre de cellules n’est possible que dans une mesure limitée, car la tension de la batterie ne dépend pas uniquement du nombre de cellules, mais aussi de l’état de charge correspondant. Avec les batteries LiPo, cela fonctionne, lorsqu’aucun câble d’équilibrage n’est branché, jusqu’à environ quatre cellules. Les chargeurs universels, tels qu’ils sont couramment utilisés aujourd’hui dans le modélisme, ont besoin des données susmentionnées, mais déduisent ensuite, à partir des valeurs de tension de charge, de courant de charge et de durée de charge, toutes les informations nécessaires à la détermination de l’état de charge de la batterie connectée. Pour les cellules NiXX, une surveillance supplémentaire de la température serait tout à fait utile, mais on y renonce souvent en raison de la nécessité d’un capteur de température externe. Dans tous les cas, c’est un microprocesseur qui assure la mise en relation de ces paramètres. Sur la plupart des chargeurs, la commande s'effectue à l'aide des quatre boutons habituels. Il s'avère toutefois qu'une commande à un seul bouton (molette de défilement avec fonction clic) peut offrir des solutions plus pratiques.

L'écran facilite la navigation dans les menus et fournit des informations sur les processus en cours. En réalité, le système électronique ne contrôle que le courant de charge, en fonction des autres paramètres mesurés.

Pour les batteries LiXX sensibles à la tension, une surveillance individuelle des cellules s’impose, même si celles-ci se sont considérablement améliorées ces dernières années – c’est-à-dire qu’elles sont devenues plus homogènes –, complétée par un équilibreur qui compense autant que possible les différences existantes en fin de charge. Le dispositif d’équilibrage doit donc lui aussi être capable de fonctionner avec des courants adaptés. Pendant longtemps, un courant de 0,3 A a été considéré comme suffisant. L’augmentation des courants de charge réalisables, qui atteignent désormais des valeurs à deux chiffres en ampères, justifie un ajustement à 1 A par canal.

Depuis longtemps déjà, il ne suffit plus de dire « Une charge complète, s’il vous plaît ! » lors de la recharge. Un chargeur doit d’abord vérifier si la batterie connectée est en état de se charger (par exemple via le programme de précharge au lithium). Il arrive parfois que l’on souhaite décharger la batterie ou la mettre dans un état de charge adapté au stockage via un programme de stockage. Ce que l’on appelle

Les programmes d'entretien ou de reconditionnement datant de l'ère NiXX jouissent toujours d'une certaine popularité, même si, dans le meilleur des cas, ils ne sont que « inutiles » pour la plupart des batteries actuelles. Il convient également de considérer d’un œil critique les programmes dits de « restauration », dont la fonction est de « remettre sur pied » des batteries déjà endommagées. Certes, même avec les batteries au lithium, ce n’est pas une entreprise répréhensible ; toutefois, le mode d’emploi ne doit pas laisser entendre que de telles opérations pourraient être effectuées en toute sécurité sans surveillance humaine.

Le divertissement a toujours le vent en poupe. Des chargeurs qui parlent et chantent sont déjà parmi nous. Les écrans des chargeurs modernes sont devenus de véritables bavards. Ils affichent le courant et la durée de charge, la capacité chargée ou déchargée, toutes les valeurs des cellules, la tension, son évolution, la position au sein du réseau de cellules, ainsi que les valeurs extrêmes et les écarts. En tant qu’aéromodéliste, on apprécie également d’être informé de la résistance interne de ses batteries. En principe, un microprocesseur peut tout analyser, mettre en relation et afficher ces données, puis les enregistrer sur n’importe quel support de stockage pour une utilisation ultérieure. Les connexions Bluetooth vers un téléphone portable permettent de rester mobile pendant la recharge de la batterie. Ceux qui le souhaitent peuvent suivre et analyser le processus de recharge en temps réel ou ultérieurement sur leur PC. L’utilité de telles fonctionnalités fait parfois l’objet de débats. En revanche, le contrôle de la température du ventilateur intégré est incontestablement considéré comme un atout pour la tranquillité d’esprit. Aujourd’hui, personne ne s’oppose à la présence d’un port USB supplémentaire fournissant 5 V pour recharger, par exemple, un smartphone.

La présence d’un nombre suffisant d’emplacements de mémoire, dans lesquels les paramètres de charge des batteries les plus fréquemment utilisées peuvent être enregistrés et consultés à nouveau si nécessaire, peut être considérée comme un gage de confort et de sécurité. Cela évite ainsi de devoir les saisir à nouveau à chaque utilisation, ce qui est source d’erreurs (problème récurrent). Le système de puce BID (Batterie IDentifizierung), éprouvé et introduit à l’époque par Robbe, répondait à cet objectif. À partir des historiques de charge enregistrés, il est par exemple possible d’évaluer l’évolution des performances des batteries et de remonter à la source d’erreurs de traitement passées.

Si vous souhaitez charger plusieurs batteries en même temps, un chargeur multiple est la solution idéale, mais vous pouvez également utiliser, depuis peu, un « Para-Board » (carte de charge en parallèle). Dans ce dernier cas, la charge simultanée est bien sûr limitée aux batteries comportant le même nombre de cellules. Grâce à des résistances de découplage placées entre les différentes bornes des cellules, les courants d'équilibrage restent dans des limites raisonnables.

Les chargeurs pour modèles réduits forment une véritable société de classes. La « classe économique », la moins chère, regroupe les appareils capables de charger des batteries au lithium jusqu'à 3...4s maximum. Ils relèvent du secteur des débutants ou des jouets. Ceux qui souhaitent s’adonner sérieusement à l’aéromodélisme électrique seront mieux servis par la « classe économique ». Celle-ci prend en charge les LiPo jusqu’à 6s (soit 15 cellules NiXX ou 10 cellules Pb). La tension maximale que les convertisseurs de tension intégrés doivent générer à cet effet est d’environ 26 V. Dans cette plage de tension, les fabricants peuvent recourir à des composants semi-conducteurs bon marché (le principe est très similaire à celui des variateurs de vitesse). Les courants de charge indiqués atteignent déjà jusqu’à 20 A. Mais attention : ces valeurs sont données à titre indicatif. Un chargeur de 150 watts (W) ne fournit, avec le nombre maximal de cellules, plus que $150\text{ W}/26\text{ V} \approx 6\text{ A}$ . Les appareils capables de gérer des LiPo de 8 à 10s relèvent de la catégorie « Economy Plus ». Il vaut la peine de jeter un œil à la puissance proposée. Une puissance de 300 à 500 W est considérée comme appropriée.

La « Business Class » opte généralement pour la solution prévisible consistant à proposer des sorties de charge de 6 à 8 s en double. La tension de sortie reste ainsi inférieure à 35 V, ce qui n’entraîne pas encore une explosion des coûts des composants. L’inconvénient à noter est que les packs de batteries, s’ils comportent plus que le nombre de cellules mentionné, doivent être divisés lors de la charge.

Pour les chargeurs de «First Class», l’aspect financier doit d’abord être considéré comme secondaire. Cela se justifie tout à fait par les composants nécessaires ainsi que par la taille des charges. La tension maximale à la sortie de charge est ici limitée à 60 V CC par la directive européenne sur les basses tensions. Cela permet de charger à pleine capacité des batteries LiPo de 14s. Par conséquent, la puissance de charge de ces appareils doit alors être mesurée en kilowatts (kW).

Le Pulsar 3 (+) de pp-rc est un modèle représentatif de cette catégorie d’appareils. Cette « Rolex » parmi les chargeurs utilise en partie une technologie de charge modifiée, orientée vers des normes professionnelles. Pour les batteries NiXX, on a le choix entre la charge « Reflex » et la détection « Inflex » de charge complète, plus douce. Les batteries au lithium peuvent également être soumises à des impulsions « Reflex ». Grâce à la technologie de charge par impulsions, les batteries atteignent plus rapidement leur tension de fin de charge, ce qui a un effet tout à fait positif sur leur vieillissement. Cela nécessite toutefois un système de mesure interne très précis et auto-calibrant. Le système d’équilibrage ne fonctionne pas ici avec une valeur de courant fixe, mais de manière quasi analogique, ce qui permet d’équilibrer même les batteries présentant d’importantes différences de tension entre les cellules. Oui, et tout cela mériterait bien un prix réservé aux passionnés.