Batteries de smartphone (applications, diagnostic)

25/10/2016
Publication 3EI 3EI 2016-86
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-86:17526
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Batteries de smartphone (applications, diagnostic)

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Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 44 Batteries de smartphone (applications, diagnostic) A.SIVERT1 , B.VACOSSIN1 , F.BETIN1 , N.DAMAY2 (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Laboratoire d’Electromécanique, 60203 Compiègne 1. Introduction Pour utiliser des appareils nomades, faut-il comprendre comment fonctionnent les batteries et quelles en sont les limites ? Evidement que non, mais quelques connaissances permettent de mieux comprendre la gestion de l’autonomie des smartphones. A la lecture du sujet « consommation énergétique d’un smartphone » dans Wikipédia [1], ainsi qu’aux vues de nombreux articles scientifiques [2], la consommation des smartphones semble représenter un enjeu crucial et un argument de vente important [3]. Or, tous les smartphones mesurent la tension, le courant, la capacité énergique de la batterie et la consommation de chaque application. Par conséquent, il est possible de les caractériser électriquement et de réaliser un diagnostic à l’aide de tests adaptés. En effet, le nombre de cycles, la résistance interne et la capacité énergétique de la batterie peuvent varier du simple au double en fonction de la chimie et du constructeur pour un même packaging. En 2016, la batterie est encore considérée comme un accessoire par tous les fabricants de smartphones et n’est garantie que 6 mois alors que le reste de l’appareil est garanti 2 ans. L’autonomie d’un smartphone va dépendre de son utilisation mais aussi de l’état de santé de sa batterie qui se dégrade plus ou moins vite. Mais comment tester et connaitre l’état santé de la batterie ? De nombreuses applications prétendent tester la batterie et re-calibrer la mesure de l’état de charge en pourcentage, mais elles ne dévoilent pas leur méthode. Cet article présente une partie du travail demandé aux étudiants sous la forme de questions corrigées qui peuvent être téléchargés via un lien [4]. A quel niveau d’études correspondent ces questions et quels sont les prérequis attendus des étudiants ? 2. Prérequis et niveau d’études L’étude présentée est proposée aux étudiants de deuxième année de DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle (GEII), qui connaissent juste le modèle électrique d’une batterie (Thévenin) sans connaitre le vocabulaire ni les problématiques qui y sont associés. L’objectif est de leur faire découvrir la problématique proposée avec leur propre smartphone ou avec une tablette sous OS Android. Chaque compte- rendu sera donc différent évitant ainsi la recopie de résultats. Le retour d’expérience obtenu depuis 2 ans montre que les étudiants pensent faire l’étude en moins d’une heure mais, en réalité, qu'ils y passent environ cinq heures (bien que les réponses avec des exemples de copie d’écran du smartphone sont déjà données). On montre aussi que 80% d’étudiants découvrent les applications les plus énergivores de leur smartphone et que 75% d'entre eux comprennent pourquoi il y a des différences de temps de charge. Malgré ces résultats, les connaissances de beaucoup d’étudiants doivent être consolidés au cours d'une correction d'une heure effectuée pendant une séance de Travaux Dirigés d'un module traitant des énergies renouvelables. Dans tous les cas les batteries sont étudiées en tant que moyen de Résumé : pour faire comprendre aux étudiants le fonctionnement, le vocabulaire et la problématique des batteries et des chargeurs, leur smartphone constitue un excellent support pédagogique. Et les questions s'y rapportant sont nombreuses : quels sont les outils qui peuvent être utilisés pour faire l’étude et le diagnostic de la batterie ? Comment la capacité énergétique est-elle mesurée et donnée en pourcentage ? Comment peut-être estimée l’autonomie ? Quelles sont les applications les plus énergivores ? Combien de temps faut-il pour recharger le smartphone, à partir d’un port USB ou à partir de son chargeur via le secteur ? Est-ce que tous les chargeurs se valent ? Peut-on maximiser la durée de vie de la batterie ? Peut-on connaître le travail effectué par la batterie depuis le début de son utilisation ? Est-ce que les caractéristiques des batteries extérieures sont correctes ? Cet article va tenter de répondre à toutes ces questions en présentant les méthodes utilisées. Tant que l’autonomie est satisfaisante pour les usages quotidiens qu'il en a, l’utilisateur se soucie peu de sa batterie. Mais lorsque l’autonomie chute alors il manque souvent de connaissances pour comprendre d’où vient le problème. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 45 stockage. Evidemment, en fonction du cursus, les questions doivent être remaniées. En revanche, les exercices restent suffisamment faciles pour des lycéens en STI2D ainsi que pour des collégiens de troisième qui font l’étude des batteries en physique [9]. D’ailleurs, une partie de cette étude est effectuée lors de La Fête de la Science pour ce niveau d’études, en 35 minutes, dans le cadre d'un atelier exploitant les applications qui vont être présentées dans cet article. Ces applications évoluant sous Android et gratuites sont « Battery Monitor Widgets », ainsi que « Charge Cycle Battery Stats ». Elles sont mises en œuvre avec des smartphones de type Xperia Z3. 3. Questions sur les batteries de type Li-ion 1) A partir de la figure (1) suivante, indiquer quelle est la technologie et la tension maximale de cette batterie ? Donner sa capacité énergétique en A.h et W.h ? Figure 1 : caractéristiques d'une batterie Xperia Z3 Réponse : Li-Polymer, 4,35V, 3,1A.h, 11,8W.h 2) Pourquoi sur les informations de la batterie, le nombre de W.h ne correspond-il pas à la tension maximale multipliée par les A.h ? Quelle est alors la tension nominale de cette batterie ? Réponse : 11,8W.h/3,8V=3,1A.h car la tension varie de 4,35V à 3,4V lors de la décharge donc 3,8V est une valeur moyenne, c’est la tension nominale. 3) Pourquoi ne faut-il pas décharger une batterie lithium entièrement (soit 100% de DOD - Depth Of Discharge) ? Que se passerait-il si cette limite était atteinte ? Réponse : s’il y a une décharge très profonde la batterie se met en court-circuit (tension nulle). Donc, lors d’une décharge de 100%, le smartphone se met en veille automatiquement. En pratique, la batterie est utilisée jusqu'à 80% de ses possibilités. 4) Pourquoi la capacité énergétique indiquée par la batterie est-elle de 3,1 A.h alors que le smartphone indique 2,5A.h ? Réponse : il y a une réserve d’énergie de 20% gérée par l'OS Android : le smartphone se met en veille et cela à partir de 0% affiché. Maintenant, l’application de mesure de charge et décharge va être étudiée. 4. Questions à partir des graphiques produits par l’application L’application donne les courbes (figures 2 et 3) de la capacité énergétique restante, de la tension, du courant, de la puissance d’utilisation (milliwatts) et de la température de la batterie. Figure 2 : état de la batterie (% et tension) en fonction du temps Figure 3 :évolution du courant et de la température de la batterie en fonction du temps avec une température ambiante de 23°C 5) A quoi correspond le courant négatif donné par l’application ? Pourquoi la température augmente- t-elle fortement lorsque le courant est important ? Réponse : le courant négatif correspond à la charge (« plugged » = branché - en charge → ligne verte sur les graphiques). Etant donné que la batterie a une résistance interne, pour un courant relativement important le dégagement de chaleur (par effet joule) provoque une augmentation de la température. On peut aussi observer que la consommation est hachée relativement à l'utilisation des différentes applications. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 46 6) Lorsque le courant est positif, la résistance interne de la batterie provoque une chute de tension importante. Cette résistance varie en fonction de la DOD et de la température. Mais entre 10°C et 35°C et pour une DOD comprise entre 90% et 20% de la capacité énergétique, on considérera cette résistance comme constante. Déterminer alors la résistance interne en décharge et en charge à partir de l’équation (2) suivante et de la figure suivante (?) Résistance =ΔU(V)/ΔI (A) (2) Réponse : Résistance charge = (4,167-4,027)/(0,57)=0,24 Ω Résistance décharge = (4,204-4,062)/(0,38)=0,37 Ω Il y a une différence entre les résistances de charge et de décharge. D’où un incrément de température plus important en décharge pour la même valeur de courant. La tension à vide s’appelle OCV (Open-Circuit Voltage). Elle est difficilement mesurable sur un smartphone car il y a toujours un petit courant consommé. 5. Etude de la charge de la batterie Pour connaitre la capacité énergétique, on utilise généralement la méthode coulométrique. Celle-ci consiste à intégrer le courant en fonction du temps (numériquement) comme le décrit l’équation (3) : Capacitén=Idécharge.(ΔTemps)+ Capacitén-1 (3) Cependant, il faut faire une remise à 0 lors de la charge complète pour ne pas avoir de décalages dus aux erreurs de mesure [7]. Il y a deux solutions pour réaliser cette fonction :  l’application réalise l’intégration numérique à partir des données qu’elle enregistre ;  un circuit intégré réalise cette fonction avec une fréquence d’échantillonnage assez élevée ce qui permet d’améliorer la précision, ainsi qu’à l’application d’être libérée du calcul précédent. Avec l'OS Android, on peut observer que cette fonction est réalisée par un circuit intégré [5]. 7) Pourquoi, lors de la charge, le courant diminue lorsque la tension atteint 4.35V comme on peut l’observer sur la figure 4 suivante ? Réponse : lorsque la tension de l’élément atteint cette limite, alors la charge est dite à tension constante et le courant diminue jusqu’à être suffisamment proche de 0A. Avant, la charge est dite à courant constant, mais étant donnée l’utilisation possible du smartphone durant cette phase le courant fluctue légèrement. On peut remarquer sur la figure 5 que lorsque la charge est à courant constant, elle est rapide pour une jauge énergétique inférieure à 80%. Puis, il faut presque encore 1 heure pour compléter la charge jusqu’à 100% car le courant diminue. Par conséquent, la charge à courant constant est dépendante de la résistance interne et du courant de charge. Figure 4 :évolution du courant et de la tension en fonction de la charge de la batterie Figure 5 : évolution du courant et de la tension en fonction du temps pour une batterie (charge à courant constant, puis charge à tension constante) avec une charge à 1 C ou 0.5 C Toutes les batteries lithium sont prévues normalement pour être rechargées avec un taux de charge de 1C (1 heure), mais l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie doit être facilement évacuée pour ne pas atteindre 50°C car cette température accélère le vieillissement. Le courant de charge de la batterie va dépendre du courant que peut fournir le chargeur. En effet, le courant du chargeur est donné par l’équation (4) suivante : I chargeur =I batterie+I smartphone (4) 8) Examiner votre chargeur traditionnel. Indiquer son courant de sortie nominal sous 5V et déduisez-en son taux de charge qui se calcule en « ampère / Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 47 unité de capacité de la batterie ». Puis pour une tension bien inférieure à 4,3V, relever les courants de charge avec l’écran allumé puis éteint ? Réponse : le courant de charge est de 800 mA, donc le taux de charge est seulement de 0,25C=0,8A/3,1A.h. Lorsque l’écran du smartphone est allumé la charge est de 460 mA car l’écran nécessite 340mA. Mais si l’on éteint l’écran, la charge passe à 750mA (Cf. figure 3). Remarque : si l’on utilise le smartphone et qu'on le charge en même temps, la batterie est moins sollicitée. Mais si un chargeur de 2A avait été utilisé, alors la charge aurait été de 800 mA, car c’est le smartphone qui limite le courant de charge de la batterie. Donc, il est possible de prendre n’importe quel chargeur qui fournit un courant supérieur à celui préconisé par le constructeur. 9) Avec le maximum d’applications fermées, relever la mesure de la puissance maximale fournie par l’alimentation 5V des ports USB 2 et USB 3 [6] ? Réponse : le port USB 2 peut délivrer une puissance maximale de 2,5 Watt, donc un courant de 0,5A pour 5V. L'USB 3 délivre une puissance de 4,5 Watt donc un courant de 0,9 A. 10) Expliquer pourquoi le temps de charge est plus long avec un port USB 2 de PC qu'avec un chargeur branché sur le secteur. Donner le courant de charge ? Réponse : avec le port USB 2, le courant de charge du smartphone est seulement de -480mA (figure 7) sous 3.8V ce qui correspond à 1.8W alors qu’il aurait du être de : IchargeUSB (A)=(PUSB / tensionbatterie)*rendementcharge (5) IchargeUSB (A)=(2.5W /3.V8)*0.9=600 mA Remarques : les smartphones définissent la charge en fonction du type de chargeur qu’ils ont identifié et non en fonction des performances du chargeur connecté. Ce choix est effectué en fonction de la résistance mesurée sur les deux fils de données (data) de la connexion USB. Certains smartphones utilisent la technologie de charge rapide de la société Qualcomm qui est capable de charger un téléphone mais en utilisant uniquement les lignes de données (D+/D-) de la connexion USB. Il est donc impossible de charger rapidement et de vouloir utiliser la communication en même temps. Une alternative consiste alors à utiliser le câble VOOC, équipé de 7 conducteurs contre 4 pour un câble USB standard. Il existe actuellement bien d’autres solutions de recharge rapide [11], en fonction des constructeurs, en attendant des normalisations. Mais pourquoi faut-il recharger rapidement ? La consommation due à l'utilisation des applications serait-elle plus importante que la capacité énergétique de la batterie sur une journée ? 6. Etude de la consommation de la batterie La consommation de la batterie va dépendre de l’horloge du processeur (CPU, Central Processing Unit) du smartphone. La consommation du CPU est proportionnelle à la fréquence de fonctionnement choisie. D’ailleurs, l'ajustement dynamique de la fréquence est fortement utilisé sur les smartphones. Nous n’allons pas étudier cette partie dans cet article mais juste donner un ordre de grandeur de la consommation des différents organes du smartphone. 11) Quel est le courant de décharge de l’écran avec le Wi-fi ? Réponse : 340 mA sous 3,8V soit 1,29W. 12) Combien de temps la batterie pourra-elle tenir avec le courant précédent si la batterie est à 80% et que sa capacité utilisable est 2500 mA.h ? Réponse : ? 13) Quel est le courant de décharge de la DEL flash de votre smartphone (le déduire de la valeur de celui lié à l’écran) ? Réponse : 900 mA - 340mA = 560 mA sous 3,8 V. 14) Donner la valeur de l’incrément de température de la batterie pour un courant correspondant à l'alimentation de la DEL et de l’écran et ce, à partir d'une température ambiante et jusqu'à la stabilisation (régime permanent) ? Réponse : T=35°C-23°C=12°C (figure 3). Remarque : la DEL est assez éloignée de la batterie pour que son échauffement ne provoque pas une augmentation de celle de la batterie. 15) Quelle est la valeur du courant absorbé lors de l'utilisation du GPS du smartphone (la déduire de la valeur de celle liée à l’écran) ? Réponse : 420 mA-340 mA=80 mA. 16) Est-ce que le courant de décharge est constant quelle que soit l’utilisation ? Réponse : non, il est difficile d’estimer l’autonomie en fonction de l’utilisation et des applications qui tournent. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 48 L'OS Android va donner un pourcentage du niveau d’utilisation de la batterie : « paramètres / gestion de l’alimentation / utilisation de la batterie » (icône « camembert » de l’application « battery monitor »). 17) Pour connaitre l’état de santé (SOH, State of Health) de la batterie, décharger celle-ci jusqu'à 0%. Quelle est la tension minimale à partir de laquelle le smartphone s’est mis en veille (cut-off voltage) ? Réponse : 3,4 V (avec la réserve supplémentaire de 20 %). Il a fallu 3 heures pour recharger à 100% la batterie avec un courant de 0,78 A. Si l’on fait un calcul grossier de la capacité énergétique demandée à la question suivante, on retrouve la capacité énergétique utilisable de la batterie. 18) Quelle est la relation entre la capacité énergétique de la batterie en % et en A.h ? Pourrait-on connaitre la capacité énergétique en mesurant la tension de la batterie (justifier) ? Réponse : exemple à partir de la figure 2. Donc, si la valeur de la capacité nominale de la batterie n’est pas correcte alors la capacité indiquée restante ne correspondra à rien. On peut observer sur les figures 2 et 3 que la relation entre la tension et la capacité énergétique mesurée en A.h n’est pas linéaire. De plus, pour la tension maximale de 4,35 V cela ne correspond pas à 100% de la capacité énergétique. 7. Diagnostic de la batterie 19) Après l’avoir déchargée à 0 % et laissée refroidir (≈ 30 min), mettre le smartphone en charge. Est-ce que cette nouvelle capacité énergétique correspond à celle indiquée par le constructeur ? Réponse : à partir de la réponse fournie à la question 17, on peut dire que la capacité énergétique de la batterie obtenue correspond approximativement à celle indiquée. 20) Quel est l’écart maximal entre la température de la batterie et la température ambiante lors de la charge avec écran éteint ? Réponse : 5°C. En déduire la résistance thermique de la batterie à partir de l’équation (8) suivante : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) Réponse : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) =(5°C/0.25Ω*0.78A2 )=5°C/0.15W=33°C/W. Combien de temps a-t-il fallu pour atteindre 63% de la température finale en régime établi lors de la charge ? Réponse : ce temps correspond à la constante de temps thermique TH de la batterie : 780 secondes mesurées. En déduire la capacité thermique (9) : Réponse : CTH (J/°C)= TH (s) / RTH = 780/ 33 =23.6 J/°C Remarque : en décharge avec la DEL flash allumée et l’écran allumé, l’incrément de température est de 12°C comme on peut l’observer sur la figure 3. RTH=(12°C/0.35Ω*0.95A2 )=12°C/0.31W=39°C/W On retrouve approximativement la valeur de la résistance thermique lors de la charge. 21) Imaginons une charge avec un courant de 10 A. Quelle sera alors la température atteinte par la batterie si la température ambiante est de 25°C ? La température de la batterie est un facteur limitant puisque celle-ci ne doit pas excéder 50°C. Comment réduire alors l’impact de cette limitation (sachant, de plus, que dans l'environnement réduit d’un smartphone, le CPU et le GSM transmettent aussi leurs déperditions thermiques à la batterie) ? Réponse : La température étant un facteur limitant, on comprend pourquoi il n’est pas possible de charger très rapidement une batterie. La résistance de la batterie va dépendre de ses dimensions mais il n’est pas possible d’agrandir la batterie… En revanche, il serait possible de la refroidir avec une ventilation forcée. 22) L’application indique l’état de santé de la batterie. Comment ce diagnostic est-il réalisé ? Remarque : après un certain nombre de cycles la résistance interne de la batterie augmente et la capacité énergétique de la batterie diminue de 15% à 20% par rapport à la capacité d'origine. Réponse : après un cycle de décharge à 100% et de recharge, la méthode coulométrique permettra de déterminer la capacité énergétique qui peut ainsi être mise à jour. Pour une même consommation en courant, une augmentation de la résistance va provoquer une plus grande chute de tension. Ainsi, la limite basse en tension de la batterie sera atteinte plus rapidement ce qui diminue encore la capacité utilisable affichée. De plus, une résistance plus importante entraîne un échauffement supplémentaire qui peut également provoquer la mise en veille du smartphone. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 49 23) Après plus de 10 heures d'utilisation classique de votre smartphone, se rendre dans le menu « marques » et effectuer une copie d’écran du résumé statistique de l’utilisation passée. Interpréter ce relevé (ex. : figure 6). Réponse : l'application calcule la consommation moyenne en %/heure : sur 19 heures et 16 min d'utilisation, 1h et 31min a été consacrée à la charge avec un taux de 22.5%/h et 16 min à la charge avec un taux de 7.5%/h (tension constante). La décharge a duré 17h avec l’écran éteint consommant -1.41%/h. Une décharge de 22 min à -14.5%/h est également observée. Figure 6: valeurs moyennes de charge et décharge obtenues avec l’historique de l’application On peut observer sur la figure 7 le graphique présentant l'évolution du pourcentage par heure d’utilisation relative à la figure 2 ce qui permet de faire une estimation rapide du temps de décharge ou de charge. Figure 7 : Evolution du pourcentage par heure en fonction du temps 24) A partir de l’estimation de consommation avec un taux de 14%/h (écran allumé), effectuer le calcul du temps de décharge de 100 % de la capacité énergétique. Réponse : estimation de décharge : Temps décharge = 100%/14%/h=7.5h. C'est bien le temps donné sur les figures 8, tirées de l’application. D’où les deux pentes sur le graphique de la décharge ci-dessous : L’application indique aussi le temps de charge en fonction du type de recharge effectuée (figures 8). Figure 8 : estimateur décharge et charge en temps réel à partir de la capacité existante L’application précédente ne compte pas le nombre de charges et de décharges, ni la somme des A.h. ce qui permettrait de faire un bilan et une estimation statistique de la durée de vie de la batterie. 750 cycles de charge à 100% sont souvent annoncés par les constructeurs. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 50 L’application « charge cycle » (figure 9) donne les pourcentages de recharge cumulés : 12.48% depuis que l’on a téléchargé l’application (30 jours). Figure 9 : addition du travail de la batterie : 12.48% en 30 jours, avec gauge de la recharge journalière (22%) Figure 10 : historique de la recharge journalière avec une valeur moyenne de la consommation de 37%/semaine La jauge de la figure 10 indique le taux de recharge journalier. Entre 0% et 80%, celui-ci est considéré comme normal (en vert), puis il est considéré comme important jusqu’à 180% (en jaune), puis excessif (en rouge). Dans le menu historique, on peut observer la valeur de la recharge en % par jour ainsi que la valeur moyenne par semaine ce qui reflète l’utilisation. Cette application indique aussi le coût énergétique de l’utilisation du smartphone. Pour cela, il faut indiquer le coût du kW.h (0,12 €/kW.h) dans le menu “general settings” de l’application. 25) Calculer la consommation annuelle du smartphone pour une consommation moyenne de 100%/jour et une capacité énergétique de 9.5W.h/jour. Réponse : 26) Le coût de la consommation énergétique est négligeable mais il ne tient pas compte du rendement du chargeur qui est de l'ordre de 70% (5,6W sous 230V pour un facteur de puissance de 0,9 / 5V et 0,8A en sortie). Lorsque le smartphone est rechargé à 100% la consommation passe à 0.3W. Recalculer le coût total annuel. Réponse : Si on laisse le chargeur dans la prise continuellement, les 0,3W correspondent à une consommation quotidienne de : 0,3W x (24h-2h) = 6,6 W.h Pratiquement autant que la charge de la batterie ! Si on multiplie cette consommation par 30 millions de smartphones en France, on ne peut pas négliger ce résultat ! 27) Avec une consommation de 37% par jour, quelle est la durée de vie estimée de la batterie sachant qu’elle est censée pouvoir effectuer un cumul de 750 cycles de charges à 100% ? Réponse : Durée (jour)=750*100%/37%=2027 jours Mais ce calcul n’est pas valable car la durée de vie dépend de la température de la batterie (très froide ou très chaude), du temps où la batterie est restée à un niveau de charge affiché inférieur à 0%... En effet, la durée de vie de la batterie va dépendre des quantités d’énergie stockée et rendue mais aussi des profondeurs de décharge, de la tension maximale de charge, de la température d’utilisation et de la composition chimique adoptée par le constructeur de la batterie…. 28) Est-ce que diminuer la consommation de la batterie (donc fermer toutes les applications et notifications énergivores non directement utiles) permet d’augmenter la durée de vie de la batterie ? Réponse : Oui, car la batterie est moins sollicitée. Cependant, elle vieillit avec le temps même si elle n’est pas utilisée. C’est ce que l’on appelle le vieillissement calendaire. 8. Batteries et convertisseurs externes Le magazine « Que Choisir ?» de juin 2016 [10] montre que la capacité énergétique indiquée sur les batteries externes avec sortie USB est réellement d’environ 76% de celle indiquée (Cf. figure 11). De plus, on peut observer que pour ce magazine, la mesure de la résistance interne de la batterie, le taux d’auto- décharge, la masse, le volume sont également considérés comme des paramètres cruciaux pour un système nomade. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 51 Figure 11 : tableau comparatif de batteries externes avec USB 3.0 (magazine « Que choisir ? ») 29) Pourquoi y a-t-il une aussi grande différence entre la capacité annoncée en A.h et la capacité réelle de la batterie annoncée par le constructeur ? L’équation (9) ci-dessous permet-elle de justifier cet écart avec un rendement du convertisseur de 85%, une tension batterie de 3,7V et une sortie USB à 5V pour la batterie Sony CP-V5A de 5A.h (figure 11) ? Caréelle =Caannoncée*rendement*tensionbatterie/tensionUSB Faire l’application numérique pour la batterie Sony de 5A.h testée : Réponse : Capacité =5A.h*0,85*3,7V/5V = 3.145 A.h L'essai donne 3,125A.h ce qui est correct mais la recharge du smartphone sera bien de 5 A.h au rendement près du convertisseur et du chargeur. Donc l’écart de 76% entre la capacité énergétique de la batterie et celle indiquée correspond à la différence entre la valeur de la tension batterie et la valeur de la tension USB. 30) Vérifier la valeur de la capacité énergétique (14,9W.h) de cette batterie externe à partir de l’équation précédente et ce, avec un courant de décharge de 0,5A pendant 10 heures et une résistance de 0.4Ω (12) : Réponse : Ca=Caannoncée*tension batterie*rendement- Rbatterie*Idecharge^2*t Exemple : capacité = 5A.h*3.7V*0.84-0.4*0.52 = 15.5 W.h – 1W.h=14.5W.h, ce qui correspond à la mesure effectuée par le magazine « Que choisir ? ». Remarque : l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie est négligeable par rapport à l’énergie de la batterie. 31) Ces batteries externes sont essentiellement composées d’éléments de type 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de long et de masse 50 g) comme on peut l’observer sur la figure 12. Figure 12 :USB Power Bank avec éléments 18650 Or, il y a de grosses différences de capacité entre ces éléments [12] et les capacités énergétiques annoncées sur les sites de vente en ligne [13]. Rechercher quelle est la capacité énergétique approximative d’un élément 18650 ? Réponse : entre 1,5A.h et 3A.h, donc entre 7W.h et 11,4 W.h D’où la différence de capacité entre les éléments testés précédemment. 32) Par conséquent, à partir de la masse et du volume, il est possible de connaitre approximativement la capacité énergétique de la batterie externe. Quelle est la différence de masse entre les batteries Sony de capacités 5A.h et 3A.h ? Comparer ces masses par rapport à la masse de votre smartphone. Réponse : 137g pour la 5A.h (2 éléments) et 87 g pour la 3A.h (1 élément). Le boitier externe n’est pas négligeable. Le Xperia Z3 ne pèse que 152g. La batterie représente ¼ de son poids. 33) Au niveau de la connextique USB, des mesures peuvent être effectuées avec un « USB meter » (figure 13) qui ne coûte qu’une dizaine d’euros et qui permet de mesurer le courant, la tension et la capacité énergétique. Figure 13 : PowerJive USB Power Meter A partir de l’application « Battery Monitor » précédente, il est également possible de tester ces batteries externes. Mais, pourquoi faut-il que l’écran soit éteint lors de la mesure de la capacité de la batterie externe ? Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 52 Réponse : à cause de l’équation (4). En effet, l’application ne prend en compte que le courant qui va à la batterie et pas le courant utilisé par le smartphone. Il y aura donc une différence de capacité énergétique si l’écran consomme de l’énergie. 9. Conclusions Il faut un minimum de connaissances pour faire le diagnostic d’une batterie et faire des choix. Les 2 applications présentées ne sont pas compréhensibles par de simples utilisateurs de smartphone. Pourtant, même s’il n’est pas très compliqué de savoir si l’autonomie a baissé à cause d’une application énergivore ou si c’est la batterie qui « ne tient plus la charge », cela peut prendre du temps pour comprendre les éléments physiques mis en jeu. De plus, les applications manquent souvent d’explications malgré la présence de certains tutoriels. Ce sont souvent les passionnés et certains forums en ligne qui communiquent les informations utiles et non les constructeurs. Cependant, le manque de rigueur des exposés lus sur ces sites ne rend pas toujours l’information fiable. Quelque soient les types de batterie ou quelque soient les constructeurs, sous l'OS Android 6, le nombre de cycles n’est pas enregistré par un circuit intégré. Il en est de même pour le nombre d’A.h consommés, pour les profondeurs de décharge permettant d'effectuer un bilan, pour l’âge de la batterie et son état de santé. En revanche, sous l'OS Android, de nombreuses applications permettent de mieux gérer et d’augmenter la durée de vie d’une batterie mais elles ne sont généralement pas rigoureuses ni entièrement abouties. En revanche, sur un OS d'iPhone, toutes ces données sont conservées et envoyées à un gros serveur (surnommé « Big DATA »). La marque Apple réalise ainsi des études pour mieux gérer les batteries, en limiter la maintenance et mieux satisfaire ses clients. Notons d’ailleurs que la tension maximale sur ses iPhone est de 4.2V au lieu de 4.35V pour de nombreux systèmes sous OS Android. De plus, en fonction de la diversité des constructeurs et de la chimie utilisée, la résistance interne ainsi que la capacité énergétique peuvent varier du simple au double. La détérioration d’une batterie de 20 € (gonflage, échappement d’oxyde…) peut aussi détruire un smartphone qui coute 10 à 25 fois plus cher. Une durée de vie de la batterie de 2,5 ans est souvent largement suffisante car elle correspond généralement à un changement du smartphone en raison de sa soi- disante obsolescence. Cependant la directive européenne de 1999 et la loi française « Hamon » votée en 2014 et applicable en 2016 obligent les constructeurs à proposer désormais une garantie de 2 ans contractuelle sur tous les appareils numériques et leur batterie. Cette dernière loi oblige les constructeurs à revoir leurs contrats d’extension de garantie et à améliorer la fiabilité de leurs produits. En effet, l’objectif de cette loi est de limiter la surconsommation des consommables et l’accumulation des déchets. Les smartphones des étudiants sont ainsi un excellent support pédagogique pour comprendre techniquement le fonctionnement des batteries. L’étude de ce fonctionnement peut aussi les motiver à avoir un regard critique sur l’impact des batteries sur leur budget. Cette étude peut enfin leur permettre d’appréhender l’empreinte écologique de ces batteries sur notre planète. Références 1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Consommation_%C3 %A9nerg%C3%A9tique_d%27un_smartphone 2. S.Tarkoma, M.Siekkinen,Y.Xiao “Smartphone Energy Consumption: Modeling and Optimization » Book Cambridge University Press. 2014 3. http://www.frandroid.com/actualites- generales/216462_batterie-devenue-choix-premier- lachat-dun-mobile 4. http://www.fichier-doc.fr/2016/08/09/smarthphone- mesure-et-gestion-batterie-android-v1/ 5. https://source.android.com/devices/tech/power/devi ce.html#maxim-fuel 6. https://fr.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus 7. A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, M.Bosson, T.Lequeu “Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique ” Revue 3EI N°, Avril 2016 11 pages. 8. A. Sivert, F.Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » Revue 3EI N°81, Juillet 2015 9. http://pccollege.fr/troisieme-2/chimie- 3eme/chapitre-vi-les-piles/ 10. https://www.quechoisir.org/guide-d-achat- batterie-externe-n10909/ 11. http://www.frandroid.com/produits- android/smartphone/279495_quick-charge-fast-charge- vooc-comparatif-des-solutions-de-rechargement-rapide 12. http://lygte- info.dk/review/batteries2012/Common18650Summary %20UK.html 13. http://velorizontal.bbfr.net/t21362-velomobile- electric-leiba-x-stream-iut-aisne-suite