Batterie lithium : fonctionnement et recharge

Technologie du lithium au sein d’une batterie lithium

Les deux principales technologies utilisées de nos jours dans la plupart des installations stationnaires sont le lithium Manganèse LiMn et le lithium Fer Phosphate LiFePO4 ou LFP . La principale différence entre ces technologies est le nombre de cycle de charge et de décharge admissible par la batterie lithium, en d’autres termes on parle de sa durée de vie. Une batterie lithium Manganèse LiMn accepte entre 500 et 600 cycles de charge / décharge alors qu’une batterie lithium Fer Phosphate constituées de cellules LFP peut accepter jusqu’à 3000 cycles de charge / décharge.

On considère un cycle de charge / décharge à chaque fois que la batterie lithium est utilisée et quelle est ensuite rechargée quelques soit son niveau (à moitié vide, presque vide / pleine).

La tension nominale, minimum et maximale de ces 2 types de lithium est différente, une cellule LiMn a une tension nominale de 3.6V et une tension min de 2,9V et une max de 4.2V. Une cellule LFP a une tension nominale de 3.2V, une tension min de 2.5V et une max de 3.6V. Afin d’utiliser ces batteries dans leur plage de fonctionnement, 2 types de chargeurs sont nécessaires, cet aspect sera détaillé dans le paraphe chargeur.

Cellules d’une batterie lithium : format 18650 21700 prismatiques polymère

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.

Que veut dire V, Ah et Wh pour une batterie lithium ?

Tout d’abord, il est important de préciser les unités utilisées pour qualifier une batterie quelque soit sa technologie, plomb, Lithium, NiMh, NiCd, etc…

La tension exprimée en Volt (V) précise la compatibilité avec le système à alimenter. Si votre installation , vélo électrique, matériel est donné pour une tension par exemple de 36V, il faudra utiliser une batterie de 36V (quelque soit la technologie de la batterie). Cette tension est une tension continue (DC) contrairement à l’électricité fourni dans vos prises électriques qui sont en tension alternatives (AC).

La capacité de la batterie exprimée en ampère-heure (Ah) indique l’autonomie de votre batterie. Pour une compréhension plus rapide, nous pouvons considérer que la valeur en Ah d’une batterie correspond au volume d’un réservoir d’une voiture. Plus le chiffre sera grand, plus le réservoir sera important et plus vous aurez d’autonomie. 1 Ah correspond à un courant de 1 Ampère (A) qui traverse un conducteur pendant 1 heure.

La puissance de la batterie en Watt-heure (Wh) est obtenue par la multiplication de la tension (V) par sa capacité (Ah). Cette unité est la plus couramment utilisée dans le monde du VAE avec la plupart des batteries qui se situent autour des 500Wh. Cette unité est aussi utilisée sur votre compteur électrique domestique, et si vous laissez allumer une ampoule de 100W pendant 1h , vous aurez utilise/consommé 100Wh.

La tension est nommée U et le courant I.

Autonomie d’une batterie lithium

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

Reconditionnement d’une batterie (récupéré le doc déjà fait à OZO)

Reconditionnement pas possible pour Bosch.

Assemblage de batterie lithium entre elles

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 Nickel simple ou double couche pour les liaisons

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)

Assemblage des cellules 18650

Pour fabriquer une batterie au lithium avec des cellules 18650, il faut réaliser des assemblages en série et en parallèle. Le montage en série permet d’augmenter la tension (V) et le montage parallèle Une cellule est composée d’un pôle positif cathode + et un pôle négatif anode -. Le coté positif est la partie bombée de la pile et la coté négatif la partie plate. Pour mettre 2 cellules en parallèles, il faut connecter les 2 + ensembles et les 2 poles – ensembles. Pour les mettre en série, il faut connecteur le pole + de la première  au pole négatif de la deuxième. Ne pas connecter les 2 bornes restantes ensemble sous peine de mettre le montage en court-circuit et de créer des dommages très importants.

cellules batterie lithium en serie

Pour créer une batterie au lithium LiMn en 36V , sachant qu’une cellule a une tension nominale de 3.6V, il faudra mettre 10 cellules en série , 10 x 3.6 = 36V

Pour créer une batterie au lithium Fer en 36V , sachant qu’une cellule a une tension nominale de 3.2V, il faudra mettre 12 cellules en série , 12 x 3.2 = 38,4V

Conservons notre batterie de 36V, si nous souhaitons une capacité de 14Ah et que nous avons à notre disposition des cellules 18650 LiMn de 3500mAh ou 3.5Ah, il faudra assembler 4 cellules en parallèles, 4 x 3.5 = 14 Ah.

Pour obtenir une batterie de 36V14Ah , il faudra assembler 4 rangées en parallèle (P) de 10 cellules en série (S) appelé plus communément 10S4P . Nous obtenons une batterie de 4 x10 = 40 cellules. Sachant qu’une cellule 18650 pèse 50g, nous obtenons un pack batterie de 2 kg , et une batterie complète ( cable, fusible, BMS, enveloppe ) de 2.2kg

cellules batterie lithium en parallele

Assemblage de cellules prismatiques LFP

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.

Li MnLFP
MontageU nomUmaxMontageU nomUmax
12V4S14.4V16.8V4S12.8V14.4V
24V7S25.2V29.4V8S25.6V28.8V
36V10S36V42V12S38.4V43.2V
48V13S46.8V54.6V16S51.2V57.6V
60V16S57.6V67.2V20S64V72V
72V20S72V84V

Qu’appelle-t-on un cycle de charge et décharge d’une batterie lithium ?

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.

Rééquilibrage des cellules d’une batterie lithium

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 .

Sécurité et risque liée à la manipulation des batteries.

Casing

Protection mousse

Montage matricé

Recharge d’une batterie lithium

Chargeur standard jusqu’à 4A

Les prises de charges standard utilisées chez OZO acceptent des courants jusqu’à 4A. Il s’agit des prises Jack , XLR et RCA. Les valeurs importantes présentes sur votre chargeur permettent de vérifier sa compatibilité avec votre batterie. Comme évoqué dans le tableau des tensions max ; il est parfois noté la valeur de tension max ou la valeur de tension nominale ; pour un chargeur 36V , il peut être noté sur le chargeur 36V ou 42V. La tension permet de vérifier si votre chargeur peut être utilisé avec votre batterie. Ensuite, il faut regarder la courant de sortie (output current) , cela permet de déterminer la vitesse de recharge. Par exemple, s’il est noté 36V 2A, cela veut dire que votre chargeur est pour une batterie de 36V et qu’il charge à 2A par heure. Si vous avez une batterie 36V 14Ah, il faudra 7h pour recharger la batterie (14Ah/2A = 7h). Si vous souhaitez charger plus rapidement nous proposons des chargeurs 4A, pour la même batterie, le temps de charge sera 3h30min ( 14Ah/4A = 3.5h). Ces temps de charge évoqués considèrent que la batterie est complètement déchargée, si vous rechargez votre batterie avant qu’elles ne soient complètement vide, le temps de charge sera diminué.

<’h3′ class='av-special-heading-tag 0-overwrite 0-12V-> av-medium-font-size-overwrite av-medium-font-size-» av-small-font-size-overwrite av-small-font-size-» av-mini-font-size-overwrite av-mini-font-size-»' itemprop="headline" >’Chargeur

OZO est le seul à vous proposer un chargeur allume cigare compatible avec toutes les batteries OZO et la plupart des vélos électrique du marché ayant des chargeurs standards en prise Jack, XLR ou RCA. Ces chargeurs permettent de recharger votre batterie via la prise allume cigare de votre voiture ou camping-car.

Si vous avez une batterie Bosch ou autre batterie intelligente, nous chargeurs ne seront pas compatible car ces batteries ne fonctionnent qu’avec leur propre chargeur. Les grandes marques, pour protéger leur système ont intégré à leur batterie et leur chargeur des protocoles de communications propriétaires. Ces mêmes protocoles sont intégrés au vélo ne reconnaissant uniquement les batteries de la même marque que le moteur (Bosch, Shimano, Panasonic, Giant, etc…)

Chargeur rapide jusqu’à 25A

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)

Chargeur solaire MPPT Boost

Faut il parler des 1C ?

0 réponses

Laisser un commentaire

Participez-vous à la discussion?
N'hésitez pas à contribuer!

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

VTT KTM Team series kit électrique 750W, batterie PVC dans sacoche© 2020 OZO ELECTRIC
Installation d'un kit moteur roue© 2020 OZO ELECTRIC