Batterie lithium : fonctionnement et recharge

Les cellules les plus couramment utilisées sont les cellules de format 18650, ces cellules font 18mm de diamètre et 65mm de haut. Elles pèsent environ 50g. Elles peuvent avoir des capacités de 2000mAh à 3500mAh et des courants de décharge de 5A à 30A. Ils existent des centaines de référence de cellules, les plus grandes marques sont SAMSUNG, SONY, LG, SANYO. Ces grandes marques ont une gamme complète de cellule 18650 comme des constructeurs de voitures. Il y a les modèles d’entrées de gamme jusqu’au modèle premium. Chez OZO, toutes nos batteries sont réalisées avec les meilleurs cellules de chaque fabricant, 30Q (3000mAh pour 15A max de chez SAMSUNG), VTC6 (3000mAh pour 30A max) de chez SONY (utilisée dans la majorité des vapoteuses et des aspirateurs Dyson), MJ1 (3500mAh pour 10A max) de chez LG et GA (3500mAh pour 10 A max) de chez Sanyo. Ces modèles sont les plus performants et les plus robustes des cellules 18650 du marché. 99% des piles au format 18650 sont de technologie LiMn.

Les cellules 21700 par analogie aux précédentes explications font 21mm de diamètre et 70mm de haut. Ces cellules sont en train de se développer dans la plupart part des batteries d’outil électroportatifs, les vapoteuses et les voitures électriques. Ces cellules de dimensions plus élevées peuvent accepter des courants de décharge jusqu’à 45A et des capacités jusqu’à 5000mAh. Le ratio capacité / encombrement est équivalent aux cellules 18650. Dans un volume figé, nous aurons besoin d’installer moins de cellule 21700 que de cellule 18650.

Les cellules LiFePO4 que nous utilisons ont un format cylindrique ou prismatique, nos cellules cylindriques ont une capacité de 17Ah et acceptent un courant de décharge de 30A. Les cellules prismatiques ont une capacité de 50Ah …. Plus encombrante et plus lourde que les cellules 18650, ces cellules sont utilisées pour des engins ou véhicules conséquents, type bateau, voiture, camping car.

Une question déjà abordé dans d’autres posts mais l’estimation de la batterie reste malheureusement la chose la plus difficile à déterminer avec précision, les paramètres influant sur l’autonomie sont trop nombreux et leurs combinaisons permettent d’arriver à des résultats pouvant varier du simple au triple. Voici la liste des différents paramètres à prendre en compte pour estimer au mieux l’autonomie de votre batterie :

• Sur la batterie en elle-même, son âge, sa tension (pleinement rechargée), sa température d’utilisation, son stockage pendant les périodes de non utilisation
• Sur l’installation, la masse, la pression des pneus, la puissance du moteur, la puissance du contrôleur
• Sur le pilote, son utilisation (pédalage un peu, beaucoup ? accélérateur un peu , beaucoup ?) son poids, son état de fatigue,
• Sur le parcours, fort dénivelé, état du sol,

Certaines personnes pourront faire 200km avec une batterie 36V14Ah et un vélo course carbone, moteur roue avant 250W alors que d’autres n’en feront que 50 avec un vélo triporteur avec moteur roue avant de 1000W.

Pour avoir une idée approximative de son autonomie, il faut prendre la puissance de son moteur et la comparer à la puissance de la batterie ou le courant délivré par le contrôleur au moteur par rapport à la capacité de la batterie. Parmi les 2 résultats obtenus, le minimum des 2 sera le plus proche de la réalité.

Par exemple, vous avez (toujours avec la même batterie…) une batterie 36V14Ah ( 504Wh, puissance standard de la plupart des VAE du marché) utilisé avec un moteur de 250W et un contrôleur 15A, vous aurez 1h d’assistances max (504 / 250 = 2 h 14/15 = 1 h mini), si vous n’utilisez pas pendant 2 h l’assistance, il arrive qu’il y est des descentes sur votre parcours (en général autant que de montée) , vous aurez largement 2 heures d’assistance. Si par contre avec la même batterie 36V14Ah, vous avez un moteur de 750W et un contrôleur 22A, vous n’aurez plus que 40 min d’assistance max ( 750/504 = 0.672h ou 14 / 22 = 0.63h). Au-delà d’un moteur 750W, il faudra passer sur une batterie acceptant des courants de décharges >25A

Pour obtenir une batterie avec une tension plus élevée et/ou avec une capacité plus élevée, un assemblage de plus petites batteries peut être réalisé.

Attention seules les batteries de tensions et capacités (sauf avec module à tester) identiques peuvent être connectées entre elle, que ce soit en série ou en parallèle. Si nous avons 2 batteries 36V 14Ah, nous pouvons :

– soit obtenir une batterie 36V 28Ah en connectant les 2 bornes + ensembles et les 2 bornes + ensembles . Une batterie 36V 14Ah accepte un courant de décharge max de 25A, avec 2 batteries identiques, la batterie 36V28Ah pourra accepter un courant de décharge de 50A.

– soit obtenir une batterie 72V 14Ah en connectant le – de l’une avec le + de l’autre. Cette nouvelle batterie aura un courant de décharge max de 25A.

Ce principe d’assemblage est valable pour type de batterie, lithium, plomb, Nimh, NiCd.

Différence avec le plomb (masse/ peukert) densité energétique, effet memoire

Type de BMS(protection, objectif, fonction, courant de charge, décharge, max, peak, B-C- P-

Liaison série et parallèle, le courant est divisé par le nombre de cellules en parallèle. Si un pack batterie possède 10 cellules en parallèles (soit du 10P) et si on applique un courant de décharge de 100A continu su le pack, chaque cellule devra supporter à minima 10A de courant de décharge. D’après le tableau ci-après, il faudra utiliser des bandes de Nikel d’épaisseur 0.2mm. Les cellules les plus exposées sont les cellules des rangées des  terminaux + et – de la batterie, il faudra par contre utiliser des barres de Bus en cuivre ou en aluminium afin de répartir le courant délivré par le pack sur l’ensemble des 10cellules des terminaux + et -. (voir en annexe le tableau des épaisseurs de Nickel en fonction du courant mac)

Nos cellules prismatiques possèdent les 2 terminaux + et – sur la même face supérieure. L’assemblage se réalise avec des plaques de jonctions en acier ou en cuivre d’une épaisseur de 1mm et à l’aide de vis M6. Pour rappel, chaque cellule a une tension nominale de 3.2V et une capacité de 50Ah. Comme pour le montage des cellules 18650, l’assemblage en série permet d’augmenter la tension de la batterie et l’assemblage en parallèle permet d’augmenter la capacité.

Reprenons l’exemple de notre batterie en 36V, il faudra connecter 12 cellules en séries, une batterie 36V 50Ah sera obtenue, montage en 12S1P.

Un cycle de charge / décharge est effectué, chaque fois que la batterie lithium est rechargée quelque soit le niveau restant. Dès que le chargeur est branché et que les électrons se déplacent de la cathode vers l’anode, un cycle de charge/ décharge doit être comptabilisé.

Pour une technologie LiMn , les données approximatives sont de 600 cycles et pour une technologie LFP, environ 2000 cycles. Ces données sont des maxi pour des conditions d’utilisations et de stockage optimal, un oubli de charge pendant plusieurs mois peut causer des dommages irréversibles sur votre batterie. Nos pourrons essayer de la réparer avec un rééquilibrage des cellules mais la batterie ayant subi ce genre de dommage, ne fonctionnera plus comme avant.

Opération qui consiste à remettre chaque rangée de cellules en série à un même niveau tension. Avec le temps et suivant la composition chimique de chaque cellule, (jamais strictement identique), il arrive que des rangées de cellules se chargent ou déchargent plus ou moins vite que d’autres. Et la plupart des BMS du marché intègre un équilibrage passif et non actif. Equilibrage passif, consiste à stopper la charge ou la décharge lorsqu’une tension est atteinte. En clair, sur une batterie 48V en 13S, lors de la charge dès qu’une rangée atteint la valeur max paramétrée dans le BMS ( 99% du temps ) 4.2V , la charge se coupe sans tenir compte des valeurs des autres rangées. Même cas pour la décharge, la première rangée qui atteinte 2.9V le BMS coupe la batterie. Avec le temps et l’accumulation de ces écarts, il est parfois nécessaire de procéder à un rééquilibrage, il s’agit d’une opération longue et minutieuse réalisé avec du matériel spécifique afin d’obtenir une tension identique sur chaque rangée. Cette opération permet de regagner en autonomie .

Au-delà de 4A, il faudra changer de connecteur, chez OZO, nous utilisons des connecteurs Anderson PP15 ou PP30 et nous sommes les seuls à vous proposer des chargeurs rapides jusqu’à 25A, réservé pour des batteries puissantes

Sachant qu’une cellule 18650 accepte jusqu’à 3A de courant de charge , il faut à minima monter 9 cellules en parallèle (9×3 = 27A)