Vieillissement des ampoules LED

Récemment j’ai constaté que les deux ampoules LED de position AV n’éclairaient pas pareil, ni en intensité ni en colorimétrie.

Ayant des ampoules neuves, j’ai effectué le remplacement de ces deux ampoules. Quelle n’a pas été en effet ma surprise de constater que l’une des deux avait bien surchauffé au point de faire fondre son culot en plastique qui était devenu brun. Elle n’avait pas vraiment perdu en intensité, par contre elle éclairait vraiment bleu. L’autre avait juste un peu chauffé mais avait perdu en luminosité.

Sur cette photo on voit les deux ampoules avec à leur droite une ampoule neuve, bien blanche.

led5surchauffe

L’ampoule de gauche est, de plus, déformée, mais ce n’est pas visible sur la photo.

Ayant eu l’occasion d’ouvrir l’une d’entre elles, sa queue étant cassée, on constate que dans la partie inférieure du corps il y a deux résistances destinées à faire chuter la tension ou dans une autre version de led une seule résistance située en plein au milieu du bloc de 5 chip plus deux diodes dans la partie inférieure sphérique. C’est ainsi qu’est faite la led qui a trop surchauffé, à gauche dans la photo. Ces résistances/diodes ajoutent de la chaleur à celle naturellement émise par chacun des 5 chip.

Si on regarde attentivement les photos on constate que sur la led de gauche il y a environ un mm d’espace entre chaque circuit imprimé de format rectangulaire, chacun supportant un chip (chaque chip a 3 émetteurs de lumière disposés en triangle et reliés électriquement en //). Ceci doit être destiné à permettre à la chaleur émise par la résistance d’être évacuée. A l’inverse le modèle neuf à droite n’a pas ces 4 espaces. Il doit très probablement avoir les 2 résistances dans la partie sphérique et aucune au centre des led.

Sur un modèle avec deux résistances en série, alimenté avec 12,1 volts j’ai mesuré 6,5 volts aux bornes des led avec 46 mA. On a donc 46% de puissance perdue dans les 2 résistances, 0,26 W. Une des 2 résistances a 3,86 volts à ses bornes soit 0,18 W. Ce qui nous fait des résistances de 84 et 37 ohms. En roulant on a 14 volts donc plus de chaleur à évacuer. Pour diminuer cette chaleur il suffirait d’avoir un régulateur de courant, probablement situé en-dehors de l’ampoule car on a très peu de place. Un tout petit modèle suffirait, on a 50 à 70 mA seulement à réguler. Ainsi les chip dureraient plus longtemps et, mais c’est marginal vues les faibles puissances en jeu, on consommerait presque deux fois moins.

 

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Remplacer les ampoules des phares à halogènes par des led.

J’avais déjà changé les ampoules intérieures, de position et d’éclairage de plaque arrière par des led à 5 faces.

Elles éclairent plus en consommant moins. De plus elles arrêtent de consommer vers 3-4 volts ce qui limite le risque d’endommager la batterie 12V.

J’avais gardé les halogènes dans les phares car en led il n’y avait pas encore d’ampoule satisfaisante, les dernières n’éclairant pas assez en position route.

Récemment j’ai trouvé ce modèle H4 de marque unipower, très proche d’un modèle fabriqué sous la marque philips:

Lumiled16led

Ce modèle a 4x4chip led lumiled zes. 8 chip de 2×1,6mm sur chaque face. Ils sont disposés en ligne et sont donc très proches de la forme des filaments des ampoules d’origine.

Sensiblement la même longueur 6 mm environ, même largeur 2 mm. Ils ont même reproduit le léger décalage par rapport à l’axe, disons 1 mm entre les 4 chip de route et les 4 de croisement. Les feux de croisement sont sur l’avant de l’ampoule, il y a donc un mini-réflecteur sur chaque face. Ces deux mini-réflecteurs n’ont pas la même forme. Car cette ampoule est fournie réglée à 15° de rotation et il faut laisser cette valeur.

Orientation_reglage_usine

On voit sur cette photo que la surface plate sur laquelle sont fixés les chip led n’est pas d’équerre avec la base. C’est donc voulu.

J’ai mesuré la consommation de ces ampoules. Que ce soit en mode power-on ou en mode accessoire elle est de 20,3 W. Car le régulateur électronique va maintenir l’intensité identique au niveau des led, donc leur tension (pour une température fixe) et en final leur puissance. Par contre entre ce régulateur et la batterie 12v la tension est différente 13,1v et 11,6volts donc 1,55A et 1,75A.

Pour comparaison les halogènes d’origine dites 50/55w font:

-61/67W pour croisement/route avec 13,1/12,8v en mode power-on

-50/54W pour croisement/route avec 11,45/11,13V en mode accessoire

On consomme donc 3 fois moins

Dit autrement, la nuit ou quand il est nécessaire d’allumer les feux de croisement, pour chaque heure de conduite on gagne un kilomètre d’autonomie comparé avec les halogènes, l’été, un peu moins l’hiver.

Ces led ayant 8 chip, chacun a une puissance de 2,5W. D’après les doc constructeur on aurait 0,88A et 2,84V. On serait à +20% par rapport au nominal. Ce qui nous ferait 2350 lumens en croisement et idem en route. Mais en position croisement il y a plusieurs réflexions dont la première dans les mini-réflecteurs qui m’ont l’air simplement peints.

Pour comparaison une halogène fait environ 1000 lumens en croisement et entre 1220 et 1420 en position route.

On a donc probablement 2,3 fois plus de lumière en croisement et +66% en route.

Les résultats:

En position croisement, comparaison halogènes / led:

Final_croisement

en position route:

Final_route

Les feux de route éclairent donc plus loin, les haies au fond, au centre, sont plus visibles. Il y a plus de lumière, l’appareil photo utilisé donne environ deux fois moins de temps de pose avec les led.

Il ne reste plus qu’à résoudre le placement du radiateur.

Dans une prius 2 on a très peu de place pour passer la/les mains. Après avoir retiré le couvercle noir qui traverse au-dessus des radiateurs, à gauche il faut retirer le couvercle de la boite à fusible, et à droite le conduit d’aspiration de l’air du moteur thermique (un clip plastique à retirer). Les ampoules sont fixées à l’aide d’un fil ressort que l’on verrouille/deverrouille d’un doigt, les 2 côtés sont identiques et c’est plus facile de commencer à gauche et de le manoeuvrer de la main droite. Ce fil ressort est protégé dans le capot plastique noir qu’il faut tourner d’1/4 de tour, système à baïonnette. Pour le remontage des led il faut leur retirer le radiateur (Noir sur la photo, il est vissé sur un filetage de 14,8mm de diamètre extérieur) puis enfiler l’ampoule, rabattre le fil ressort, refermer le capot noir puis visser le radiateur. Enfin connecter le câble sur celui du régulateur d’intensité. Ce dernier étant connecté à la place de l’ancienne ampoule.

Le radiateur a un trop gros diamètre, 51,5mm:

Led_gauche_radiateur_alexterieur

Ayant constaté, qu’à condition de déplacer un peu la queue de l’ampoule au moment de visser le radiateur, il devenait possible de le visser d’un tour, soit un peu plus de 2mm, j’ai ajouté un petit tube entretoise. Car sans ce tube le transfert de chaleur est mauvais, le radiateur n’est vissé, et avec du jeu, que sur 2 mm et en extrémité. J’ai ajouté un tube de cuivre de 17 mm de long. Il est serré entre le corps de l’ampoule et le radiateur ce qui transmets bien mieux la chaleur. Voici le résultat:

Tube_entretoise

Résultats d’un test thermique:
J’ai tout simplement monté à l’air libre (sur une planche de bois) d’un côté une ampoule sans la bague de cuivre et de l’autre avec. Comparaison donc du montage prévu par le fabricant et celui modifié par interposition de la bague cuivre.
1/2 heure de test suffit car les températures sont stabilisées avant. Test en n’allumant que les ampoules en position croisement, la plus défavorable car les led sont en avant, donc le plus éloignées du radiateur. (pendant ce temps j’ai mis un chargeur sur la 12v)

On a rapidement une trentaine de °C en extrémité d’ampoule, le radiateur reste à 11°C.

Après 8 minutes côté avec la bague de cuivre, 74°C/41°C (Extrémité/radiateur). Sans la bague, 71°C/45°C

Après 12 minutes, côté cuivre, 83°C/51°C, et sans la bague 81°C/56°C

Après 30 minutes, côté cuivre 86°C/53°C, et côté sans la bague (montage d’origine donc) 83°C/56°C
Donc il y a 3 °C de plus sur la tête de l’ampoule avec la bague en cuivre. A l’inverse le radiateur est moins chaud, 3 à 5°C de moins.
C’est bien sûr logique. Et c’est acceptable.

Temp_led

Après coupure du courant, les led se refroidissent rapidement,1-2minutes suffisent pour que l’extrémité soit descendue à la température du radiateur. Ensuite le flux de chaleur est inversé et le radiateur transmet sa chaleur à l’extrémité de l’ampoule. L’ensemble se refroidit alors.

Une fois de plus j’obtiens des valeurs différentes de ce qu’affiche le vendeur.
Ils indiquent 70°C maxi, alors qu’on dépasse 80°C à l’extrémité (le point le plus chaud mesurable), et encore avec 11°C de température ambiante. L’été on doit monter à 100°C. De même ils indiquent 25W alors qu’on en consomme 20W, ils indiquent 4000lm,par ampoule, oui mais on n’utilise que 2000 lumen par ampoule, car les 4000 c’est en ajoutant croisement et route ce qui n’est pas possible. Par contre 2000 c’est fort possible, il faut faire les calculs en tenant compte d’une led à au moins 80°C.
On peut espérer une température un peu plus faible une fois monté dans le phare, une partie de la chaleur peut être transmise via l’embase. Mais peu car cette embase a une faible section de métal. En roulant l’air circule sous le capot moteur, mais à l’inverse il peut être réchauffé par le thermique…

Montage/démontage

Plusieurs points sur le montage d’ampoules dans une prius 2.
Au début, lors du premier démontage, il est difficile de défaire le connecteur à 3 broches. Il faut le faire osciller en évitant ensuite de retirer la graisse qui est d’origine là.
Ensuite le couvercle noir est très difficile à tourner. Il a 2 ergots et IL FAUT actionner les 2. Il est important de noter qu’ils sont un en haut et l’autre en bas, ce dernier est donc difficile à pousser latéralement. On a plus de place côté droit (lave glace) et il est possible de passer les 2 mains. Après on sait comment faire pour le côté gauche, mais d’une main.

Pour le remontage des led, comme on travaille en aveugle, il est très utile pour mettre l’ampoule de regarder via le phare pour la placer correctement, le plat vers le bas.
Surtout ne pas lire ce qui est écrit sur le couvercle noir : « haut ». C’est FAUX. Si vous tenez compte de cette indication les ergots seront au final horizontaux. Ce n’est pas ainsi qu’ils étaient ! Et ensuite vous ne pourrez pas mettre le radiateur qui viendrait buter sur un des ergots.
A droite se méfier quand vous allez zipper le « petit boitier régulateur de courant »; Pensez que vous allez remettre le renifleur du moteur thermique.
Le plus dur est de revisser le radiateur car si on laisse l’ampoule dans sa position ça n’est pas possible. Il faut se faire la main avec l’ampoule de droite, et d’une main appuyez un peu sur la queue de l’ampoule de façon à l’éloigner du couvercle noir puis visser le radiateur sur ses 2mm. Ensuite on peut relâcher. A gauche il faut faire ces 2 mouvements avec une seule main. Le radiateur doit donc être présenté avec le filetage juste bien tourné pour prendre immédiatement sur la partie vis de la queue de l’ampoule.

P.S. Il ne serait pas idiot de braser à l’étain des ailettes sur la bague de cuivre, d’un côté, celui qui sera vers le bas. Mettre un peu de pâte thermique à la liaison cuivre/alu. Enfin se méfier des petites vis à tête six pans creux qui servent à orienter l’ampoule. Elles sont hyper minuscules et la clé peut tourner dedans. Et pourtant il faut bien les bloquer car quand on visse le radiateur on peut faire tourner l’ampoule ce qu’il ne faut SURTOUT PAS FAIRE. Il faut garder les 15° de rotation.

 

Remplacement de la batterie 12v au plomb par 4 cellules A123 20Ah lithium.

La batterie 12v de service au plomb étant d’origine, après 7 ans elle commençait à donner des signes de faiblesse l’hiver. Or sans 12v on ne démarre pas une Prius. Les symptômes sont au début des bips au démarrage voire le triangle rouge sur le tableau de bord, ou encore un éclairage très faible, jaunâtre. On peut retarder le remplacement en rentrant par la porte passager, qui ne déclenche pas le compresseur de freinage et en ayant tout éteint lors de l’arrêt précédent..

Ayant quelques accus A123 issus de mes tris (des premiers accus achetés en France, de qualité très inégale), j’en ai sélectionné 4 de capacité proche et les ai assemblés en série. Comme la Prius peut élever la tension à 14,1 volts, j’ai ajouté un bms, un modèle actif capacitif. Ainsi ces accus seront en permanence équilibrés et aucun ne dépassera 3,65 volts. En pratique ce bms est très efficace et les différences de tension entre les 4 cellules se mesurent en centièmes de volts ! Ce 14,1 volts est mesuré au niveau de la batterie. Car si on branche un consommateur directement dessus, à l’avant le hsd remonte un peu la tension. Ainsi j’ai 14,4 à 14,5 volts quand les ptc heater sont connectés et 13,9 sans eux.

Les 4 cellules d’accus sont montées dans un solide boitier en polycarbonate de 2mm plus une façade de 8mm, le même principe que pour les accus A123 du pack HT.

Au lieu de faire 10,5kg pour la batterie au plomb et sa fixation, on arrive à 2,5kg. La fixation est simplement faite avec des cales en mousse en-dessous pour amortir les chocs et une patte en forme de U qui serre le boitier en se servant de 2 trous filetés déjà existants.

13v_A123

 

Batt12vDessus

Batt12vDessous

 

 

A gauche sans le capot de protection du pôle plus. Il y a un fusible de 120A dans le bloc en plastique noir. On voit aussi en bas à gauche deux départs avec fusibles à destination des ptc-heater ajoutés pour chauffer/désembuer l’habitacle en mode 100%ev.

Le résultat est parfait. La tension au repos est autour de 13,3v au lieu de 12-12,5, et monte toujours à 14,1v après démarrage quand soit il y a un consommateur (phares, ventilateur etc), soit la température générale est plutôt basse, disons en-dessous de peut-être 20°C. Si aucune de ces conditions n’est remplie la tension de régulation est de 13,3 volts. Donc pour les A123 ces tensions sont parfaites et ils restent donc chargés quasiment au maxi en permanence.

Voici la décharge puis charge qu’effectue le convertisseur dc-dc intégré à la Prius, à chaque démarrage, graphique d’une durée de 10,5 secondes:

Amp_demarrage_13v_lithium

 

On voit les appels de courant avant que les accus haute tension soient connectés via les relais appelés SMR 1 à 3 au bout de 2,5 secondes.

Ensuite la batterie « 12v » est rechargée 10 secondes puis je coupe le contact de la Prius.

Etant donné que la Prius a besoin que la tension reste vers un probable 10v mini au démarrage, les accus lithium ayant à la fois une tension à vide supérieure et une résistance interne bien plus faible, que d’autre part ces accus ont un nombre de cycles très élevé, il faut s’attendre à un long usage sans soucis.

L’hiver il est possible de recharger ces accus jusqu’à -10 -15°C. A -20°C il faudrait en mettre 2 en //, soit 8 en tout. A -30°C ce n’est plus possible, il en faudrait 5 en // et limiter leur Soc à 50%. Or ils sont constamment chargés en roulant à près de 90-100%, leur tension étant de 14,1/4=3,52 Volts. Il faudrait alors avoir un limiteur de recharge (ce que fait déjà cette batterie, la résistance interne est nettement plus élevée à de telles températures) ou un maintient de la température. Ce limiteur pourrait être une résistance qui réchaufferait la batterie au début des trajets. Notez que cette température est mesurée dans l’habitacle.

Le seul point non sécurisé est le cas où on oublierait un consommateur qui viderait cette batterie. Les plus gros sont connectés derrière des relais qui vont d’eux-même couper le consommateur, mais les petites ampoules de série w5w à filament peuvent vider une batterie, d’autant plus que moins la tension est importante et plus leur résistance est faible. Il est donc plus que conseillé de mettre des led à la place de ces ampoules à filament. En plus elles consomment moins et éclairent plus.

Voici la comparaison entre la consommation d’une led et d’une ampoule à filament w5w:

Comparo_led_filament

On voit que les led se coupent vers 3,5-4v alors que les ampoules à filament continuent de consommer 0,2A et ne s’arrêteront qu’à 0 volt.

Projet: placer cette batterie 12v à l’avant. Deux raisons, suppression des pertes sur les quelques mètres du câble +12v et sur le retour via le châssis ; transfert d’un peu de poids vers l’avant qui ne peut que plaire à la suspension arrière. Je vois deux endroits possibles. Soit sur le boitier à fusible sous le capot moteur, soit dans l’habitacle sous l’auto-radio. C’est possible car cette 12v lithium est de faible encombrement. On diminue aussi les pertes sur le trajet des +12v pour les ptc-heater qui sont actuellement reliés sur cette 12V tout à l’arrière.

La difficulté est d’arriver à faire passer un câble de grosse section (disons 6mm²) via la cloison pare-feu vers le boitier à fusibles situé à gauche sous le capot moteur. Il doit être bien protégé de tous frottements. De plus il faut ajouter un fusible 120A juste à la sortie du boitier de cet accu.