Les batteries

Ces informations ont été reprises de l’excellent sujet paru sur le forum Mk-FR.

  1. Généralités
  2. Terminologie
  3. Caractéristiques électriques
  4. Utilisation
  5. Rechargement
  6. Entretien
  7. Mise au rebut
  8. Fabrication

Généralités

Les batteries de type lithium-polymère sont aujourd’hui les accus les plus performants à ce jour pour une utilisation en modélisme. Performant signifie qu’ils offrent le meilleur rapport puissance / masse. Autrement dit, à capacités équivalentes, entre les NiMH, NiCd, LiFePo4, etc… ce sont les LiPos qui sont les plus légères. Par ailleurs, leur capacité de décharge fait partie des meilleures.
Cette grande capacité à encaisser des taux de décharge élevée est due à leur résistance interne très faible, de l’ordre de 10milliohms.

Il existe des variantes telles que le LiHV et les Graphène dont les caractéristiques diffèrent légèrement, tension max plus élevée pour les première et longévité accrue pour les seconde.

Terminologie

C = capacité de l’accu, exprimée en mAh (milliampères heure), on peut faire le parallèle avec la contenance d’un verre d’eau
S = nombre d’éléments en série de l’accu
P = nombre d’éléments en parallèle de l’accu

Décodons par exemple un accu « 5S3P 3000 20C (charge 2C) »

5S3P : Nous avons ici 3 blocs en parallèle, chaque bloc est constitué de 5 éléments en série. On a donc 15 élément en tout dans cet accu ( S x P )

3000 : La capacité de l’accu est C = 3000 milliampères heure. L’accu est donc capable de fournir un courant de 3A pendant 1 heure. Après il est vide et devra être rechargé.

20C : facteur maximum de décharge : cet accu est capable de fournir en instantané 20 fois sa capacité, soit ici 20×3000 mAh / 1 heure = 60 Ampères. Évidemment, ces 60 ampères ne pourront être fournis que pendant un temps de 60 minutes / 20 = 3 minutes, après l’accu sera vide et bien chaud, de plus sa durée de vie sera réduite.

(charge 2C) : lorsqu’il n’est pas précisé le facteur de charge est de 1C. Cela signifie que le courant instantané de charge ne doit pas dépasser 1 fois sa capacité instantanée. Certains accus acceptent un facteur de charge plus important permettant de réduire le temps de charge. Cet accu de C=3000mAh se recharge donc avec un courant maximum de 2.C = 2 x 3000 mAh/1h = 6 Ampères.

Caractéristiques électriques

Chaque élément offre une tension de 4.2V lorsqu’il est totalement chargé.
Un accu 3S permet d’avoir une tension aux bornes de l’accu de 3×4.2 = 12.6V.
Avec une capacité de 2000mAh et un facteur maximum de décharge de 30C il permettra de fournir 30*C = 30*2000mAh/1h = 60A et donc capable de P = U.I =  60 * 12.6 = 756 Watts dans les tout premiers instants de décharge.

Un accu LiPo 20C 4S2P 2500mah est constitué de 2 blocs de 4 éléments en série, les 2 blocs étant connectés en parallèle cet accu est capable de sortir 50A sous 16.8V. Ça signifie également que chaque élément à une capacité de 1250 mAh et fait aussi 20C.

Pour faire simple :
En série ⇒ les tensions s’additionnent
En parallèle ⇒ les capacités s’additionnent

Noter toutefois qu’en pratique :

  • La tension de 4.2V par élément n’est obtenue que lorsque ce dernier n’est pas utilisé, la tension chute en fonction de la quantité de courant demandée et de la résistance interne de l’accu (quelques mΩ – milliohms).
  • Les données constructeurs sont bien souvent  fantaisistes et un accu noté 20C en continu devra être utilisé en pratique sous 10 ou 12C. Dans tous les cas moins le taux de décharge sera violent mieux l’accu vieillira.
  • Ne jamais faire tomber la tension d’un accu LiPo en dessous de 3.0V par élément. Il gonflerait et perdrait ses performances (augmentation de la résistance interne). En dessous de 2,5V les chargeurs peuvent refuser de charger et parfois un élément est irrécupérable. L’idéal étant de maintenir une tension en charge au dessus de 3.3V pour ne pas dégrader le pack.

Utilisation

Un accu LiPo à une durée de vie d’environ 2 à 3 ans même si on ne s’en sert pas car de toutes façons l’électrolyte vieillit. Bien sûr, au-delà, l’accu fonctionnera encore, mais avec des performances très amoindries (augmentation de la résistance interne). En général les performances maximales durent une centaine de cycles de charges/décharges. Ensuite ils tiennent moins bien la charge et les chute de tension en fin de décharge sont plus brutales mais ça dépend beaucoup des marques.

Sachez aussi qu’un accu LiPo fonctionne mal quand il fait très froid (les ampères ont du mal à sortir…), la plage de T°C optimale est autour des 40/50°C. Il est donc chaudement recommandé en hiver de garder les accus à proximité d’une source de chaleur (chauffage de voiture, chaufferette, etc).

Les cellules LiPo ne doivent pas être percées sauf cas très précis.
Ces accus contiennent du lithium, un métal malléable blanchâtre dont une particularité est de s’enflammer au contact de l’eau et l’humidité de l’air ambiante peut suffire à l’enflammer.
Même si les quantités de lithium contenue dans nos packs sont assez minimes et en plus sous une forme moins propice à ce phénomène, l’enveloppe étanche (et très résistante au demeurant) de ces accus ne doit pas être percée. D’une part a cause du lithium qu’ils contiennent, mais aussi pour ne pas risquer de mettre en court-circuit l’accu lors du perçage avec un risque d’étincelle causant un départ de feu.

Exercice

Nous avons 12 éléments 15C de 500 mAh chacun, ma propulsion demande 20A maximum et n’accepte pas plus de 13V en entrée.
Quelle configuration de mon pack d’accu sera adaptée et quelle autonomie j’aurais en supposant qu’en vol je tire en moyenne 10A ?

D’abord, voyons combien d’éléments en // il nous faut… (je prend le pb à l’envers pour des raisons pédagogiques  :p )
⇒ on veut 20A chaque élément est capable de fournir 15*500 = 7.5A . Nous devrons donc avoir 20/7.5 = 2.66 éléments en parallèle. Comme on ne découpe pas au ciseaux des éléments, on prendra la valeur entière supérieure, donc 3P
on sait que le nombre d’élément dans un pack c’est SxP on a 12 éléments à notre disposition, donc je ferais des blocks de 12/3 = 4 éléments en série.
Malheureusement 4 éléments produisent 4 x 4.2V = 16.8V qui est une tension trop élevée que le moteur n’acceptera pas. Donc pas plus de 3S par block, 12/3 = 4 éléments en parallèle dans un block. (plus simple en partant de la tension max admissible du moteur donc)
On peut donc se faire un accu de 3S4P.
La capacité ‘C’ de l’accu sera de 4 (élément en //) * 500 mAh = 2000 mAh. puisque les éléments sont 15C, notre accu est capable de délivrer en instantané 15*2000 = 30A. Parfait : avec notre moteur et ses 20A, on est bien en dessous des perfs annoncées par le fabriquant.
Pour l’autonomie, on tire en moyenne 10A, donc on aura un autonomie de
60 minutes * C(2A) / 10A = 12 minutes.
Dernière vérification, le taux de décharge sera de 60/12 = 5C ce qui est bien inférieur aux 15C, le pack ne souffrira donc pas et devrait tenir très largement les 100 cycles de charge/décharge.

Il est possible d’estimer l’autonomie d’un pack sur  http://aerololo.free.fr/articles.php?lng=fr&pg=511.

Rechargement

Un accu a base de lithium se charge à tension constante.
Ne jamais dépasser 4.25V par élément sous peine de risquer l’explosion sauf pour les modèles LiHV (High Voltage). Il est donc impératif d’utiliser un chargeur approprié avec un programme de charge spécifique pour les LiPos qui tendra vers une tension de 4.2V.
La plupart des LiPos se chargent à 1C. C’est a dire qu’il faut mettre un courant de charge maximum de 2200 mA si on a un accu 3S 2200 mAh 20C. En théorie il faut une heure pour recharger un accu LiPo. Dans la pratique c’est un peu plus long car le courant de charge diminue vers la fin du processus pour ne pas dépasser la fameuse tension de 4.2V par élément d’une part et équilibrer tous les éléments d’un pack d’autre part. Certaines LiPos acceptent des charges rapides sous 2 ou 3 voire 5C !
Les LiPos n’apprécient pas non plus les charges lentes il est donc conseillé de toujours charger à 1C au minimum.

Pour être encore plus clair :

Exemple de chargement d’un accu de 3S 5000 mAh 30C avec son chargeur doté d’une fonction d’équilibrage intégrée :

  • Mise sous tension du chargeur et sélection du programme « LiPo » de charge/équilibrage
  • Connexion des 2 prises de l’accu : charge/décharge (la grosse a 2 fils) et équilibrage (la petite avec plein de fils, ici dans l’exemple elle a 4 fils car 3 éléments)
  • Programmation du chargeur :
    • accu 3S ⇒ 3 éléments ⇒ on indique sur le chargeur « 3S » ou nb d’éléments=3 (donc pour info 3*4.2=12.6V) à moins que le chargeur ne le détecte automatiquement
    • accu 5000 mAh ⇒ ça fait une capacité de l’accu de 5Ah ⇒ on indique sur le chargeur un courant de charge de 5A
  • Lancement de la charge.

Toujours laisser un accu LiPo se reposer pendant 2 ou 3 heures avant et après la charge.

On a vu qu’un accu est constitué de plusieurs éléments et que chacun d’eux doit impérativement rester dans une fourchette de tension comprise entre 3.3V et 4.2V.
Si des éléments d’un accu sont déséquilibrés (ex: un élément est à 3.3V et un autre à 4.1V ce qui n’est pas normal et est le signe d’un accu malade et en fin de vie) le chargeur risque de voir une tension globale de l’accu normale et risque de surcharger l’élément le plus chargé (celui à 4.1V) avec pour conséquence de gros gonflements de l’accu et un risque d’explosion avec départ de feu.

Pour cette raison, tous les chargeurs LiPo digne de ce nom permettent la connexion de la prise d’équilibrage. Le chargeur surveille ainsi chaque élément lors de la charge, adapte le courant de charge de façon optimale et équilibre en tension les éléments entre eux. C’est indispensable d’utiliser ces programmes de charge/équilibrage pour conserver un accu en bonne santé et le garder longtemps.

Il ne faut pas laisser un accu LiPo en charge sans surveillance afin d’intervenir en cas de souci. Un pot en terre cuite est une très bonne plate-forme pour se prémunir d’un certain nombre de problème. Dans le même ordre d’idée, éviter la charge dans le coffre de la voiture sur le terrain.
Pour les plus paranoïaques il existe des sacs de charge ignifugés. On met l’accu dans le sac pendant la charge. Si l’accu prend feu ou explose, le sac permet d’éviter la propagation du feu en contenant les flammes à l’intérieur. (Est-il utile de préciser qu’un sac ne sert qu’une fois ? ;) ). Attention toutefois à la qualité de ces sacs qui selon leur provenance ne rempliront pas voir aggraveront un départ de feu.

D’autres utilisateurs optent pour la caisse de munition mais cette solution nécessite des adaptations et présente certains risques.

Maintenant, relativisons:
On lit beaucoup de bêtises sur le net, et il est quasi impossible de faire prendre feu à un accu LiPo lors d’une utilisation normale
Les seuls cas ou on peut y arriver (et encore pas toujours), c’est en le chargeant sous 4 ou 5C avec un programme inadapté (NiMH au lieu de LiPo par exemple) ou lorsqu’il subit un choc violent. En cas de décharge profonde les éléments gonfleront mais l’activité de la chimie étant au plus bas le risque d’explosion est très limité.

Exercice corrigé :p
J’ai acheté un chargeur de 70 Watts capable de charger des packs jusqu’à 10 éléments. J’ai des packs d’accu 5S 4000 40C capables d’être rechargés sous 4C. Donc en 1/4 d’heure, puisqu’ils sont capables d’être rechargés sous 4 fois leur capacité instantanée. ( 60 / 4 = 15 minutes)
Malheureusement ce n’est pas aussi simple.

Pourquoi ?
mon pack possède 5 éléments (5S) donc 5×4.2 = 21V
charge sous 4C, ça fait un courant de charge de 4*4000 mAh / 1h = 16A
Donc une puissance nécessaire de 16 * 21 = 336W
Or, mon chargeur ne fait « que » 70W contre 336W nécessaires ⇒ je ne pourrais donc pas le recharger sous 4C

2/ Combien de temps me faudra t il pour recharger mes accus ?
mon chargeur donne 70 watts et mes packs font 21V donc le chargeur ne pourra fournir qu’un courant max de charge de 70/21 = 3.333 A

Il faudra donc 60 * 4000 (capacité totale de l’accu) / 3333 = 72 minutes
De plus, on sait que le courant diminue en fin de charge et qu’il faut compter en gros 20 à 30% de temps en plus. Il me faudra donc 72 + 72*30% = 72*1.3 = 93.6 minutes, soit plus d’une heure et demie pour le recharger…

Et quid des chargement en parallèle et/ou en série ?

Les batteries, à l’exception des 1S, sont toutes en série. Il n’y a donc aucune contre-indication à charger des accus en série à la condition impérative qu’ils soient de capacité identique.

La charge en parallèle permet d’optimiser les temps de chargement avec des chargeurs adaptés. Les capacités peuvent être mixées et il faut impérativement que tous les packs disposent du même nombre de cellules (impossible de charger des 3S et des 4S en //).

Pour plus de détails sur les charges en parallèle je vous suggère la lecture de l’excellent article de TJinGuy sur le sujet (en anglais).

Entretien

  1. Lorsqu’on prévoit de ne pas s’en servir pendant quelques temps (disons plus de 2 ou 3 semaines) alors faut le stocker mi-chargé ce qui correspond à une tension de 3.7V par élément. Pour cela, utiliser son chargeur qui généralement sait aussi décharger. Certains chargeurs offrent un programme de décharge « stockage », sinon, avec un accu plein, le décharger jusqu’à obtenir une tension de 3.7V par élément, arrêter la décharge et stocker.
    Si on le stocke chargé, ce sont ses performances qui vont se dégrader (augmentation de la résistance interne).
    Pour étayer ceci, prenez la peine de contrôler la tension du prochain accu neuf que vous achèterez avant de le mettre en charge : 3.7V/élément … soit mi-charge.
  2. Le stockage : par sécurité, on prendra garde à isoler les prises de ses accus (gaine thermorétractable, durite, …) et les mettre dans un récipient ininflammable, résistant à la chaleur et non conducteur, genre en terre cuite (pot de fleur) et stocker l’ensemble dans un endroit suffisamment dégagé (flammes…) et sans trop d’écart de température.
  3. Prendre la peine de programmer correctement la détection de fin d’accu avec une alarme LiPo programmée à 3.3V par élément et/ou un retour télémétrique sur la radio ou la station au sol.
  4. Avec un accu neuf,  il faudra prendre soin de ne pas trop « tirer » dessus pendant les 2 ou 3 premières utilisations, il donnera ensuite le meilleur de lui même. Cette constatation sur le terrain n’a cependant trouvé aucune explication scientifique.

Mise au rebut

la fin de vie des LiPos se détecte avec des symptômes du genre:

  • gonflements anormaux lors de l’utilisation
  • la tension chute beaucoup lors de l’utilisation, (coupures voire arrêts moteurs, …)
  • grosse augmentation de la résistance interne (certains chargeurs permettent de la mesurer)

C’est d’ailleurs ce dernier paramètre pour peu qu’on ai pris la peine de le mesurer régulièrement qui est le meilleur indicateur de l’état de santé d’une LiPo.

On peut parfois leur redonner une seconde jeunesse en les utilisant pour des applications qui ne demande que peu d’ampère (accus d’émetteur, FPV, etc)

Dans le cas ou l’on veut s’en débarrasser, 2 choix sont possibles:

Choix  1: Recyclage

On décharge totalement son accu (avec son chargeur, une ampoule, un moteur, etc), on isole les contacts électriques avec une gaine thermorétractable après avoir récupéré les connecteurs (attention à ne couper qu’un seul fil à la fois), on met l’accu dans un sachet plastique ou dans une boite faite pour et on va le jeter dans un bac de récupération de piles/accus. Il y en a un peu partout, par exemple dans les supermarchés et les magasins de bricolage.

ATTENTION !!! assurez vous que l’accu soit bien déchargé avant de le déposer dans un bac de récupération, imaginez ce qu’un départ de feu dans un conteneur de piles usagées (à tenir loin des sources de chaleur) pourrait provoquer au beau milieu d’un centre commercial un samedi après-midi par ex.

Choix 2: Neutralisation

L’idée ici est de rendre inoffensif l’accu, d’un point de vue sécurité et protection de l’environnement. Pour cela, on va utiliser de l’eau salée :

Décharger l’accu en utilisant le chargeur qui en général sait aussi décharger. Ensuite, connecter aux bornes une ampoule adaptée (par exemple, une ampoule de voiture pour des accus 3S c’est parfait), résistance costaud, etc… et laisser pendant 12 à 24 heures pour être certains de la décharge. Ça va gonfler un peu, mais ce n’est pas grave.
NE SURTOUT PAS COURT-CIRCUITER les bornes de l’accu pour le décharger !!!

La décharge de l’accu dans l’eau salée est également une mauvaise idée, la résistance de l’eau salée est très important, d’une part il faudrait plusieurs jours pour décharger un accu et d’autre part les connecteurs vont se corroder bloquant ainsi le passage du courant. Les éléments ne pourront donc pas totalement se décharger et les opérations suivantes pourraient se révéler dangereuses.

Récupérer tout ce qu’il y a à récupérer (prises, connecteurs d’équilibrage, câbles/fils) en prenant soin là encore de ne couper qu’un seul fil à la fois.

Avec des gants et lunettes de protection on effectue 2 incisions sur le coté de chaque élément de façon à permettre à l’eau salée de rentrer dans l’accu et de laisser échapper les gaz. ATTENTION !!! assurez vous que l’accu soit bien déchargé avant de faire ces incisions !!!!

Plonger les éléments dans un sceau non métallique d’eau bien salée pendant 24 heures  :
inutile d’en mettre des kg, en gros une 1/2 tasse à café de sel dans un sceau de maçon suffira. L’objectif est de provoquer une réaction chimique entre le sel de l’eau et l’électrolyte de l’accu de façon à le neutraliser.

Déposez ensuite l’accu dans un centre de récupération/retraitement d’accus ou de piles quelconque (bac à piles des supermarchés). Cela dit, on lit/entend parfois qu’il est possible de les jeter à la poubelle classique car une fois passé à l’eau salée il n’y a plus aucun composé polluant dans l’accu, donc poubelle classique.
Je n’ai pas réellement trouvé de « preuve » attestant de cette inoffensivité pour notre belle planète, dans le doute, direction le bac de récupération de piles/accus  ;)

A vos cachets d’aspirine  :p

Merci à Laurent pour ce travail
En complément voici deux vidéos (en anglais) détaillant le procédé de fabrication :

Fabrication