Tout ce que vous devez savoir sur les batteries
Les batteries connaissent une évolution extrêmement rapide ces dernières années. Elles sont l’un des domaines de R&D les plus importants aujourd’hui du fait de leur omniprésence dans les produits, du smartphone à la voiture électrique. Dans cet article nous allons voir comment utiliser les batteries Li-ion, quels sont les sécurités nécessaires et tout ce qu’il faut savoir pour faire le bon choix de cellules.
Les mécanismes de sécurité nécessaires
Toutes les batteries nécessitent un certain nombre de protections afin d’assurer leur sécurité et leur longévité. Ces mécanismes sont implémentés sur le circuit BMS (Battery Management System, circuit chargé de mettre en place tous ces mécanismes) qui est placé entre la source d’énergie/la charge et la batterie elle-même.
Il y a 5 protections fondamentales sur un BMS :
- Protection de surtension
Une batterie a toujours une tension maximum. Pour les batteries lithium-ion, cette tension est généralement de 4.2V. Il est donc nécessaire d’implémenter une protection coupant la charge de la batterie lorsque cette tension est atteinte afin d’éviter d’endommager les cellule. Un batterie chargée au-delà de sa tension maximale peut chauffer et éventuellement prendre feu.
- Protection de sous-tension
Tout comme elle a une tension maximum, une batterie a toujours une tension minimum. Sur une cellule lithium-ion, cette tension se situe généralement aux alentours de 3V. Continuer à décharger la batterie en deçà de ce seuil réduira fortement sa durée de vie, et il faut donc empêcher la décharge une fois cette tension atteinte.
- Protection de sur-courant en charge
Lors de la charge, la batterie chauffe. Toutes les batteries ont un courant de charge maximum. Pour une batterie Lithium-ion classique, sauf indication contraire, il est généralement recommandé de charger au maximum à 1C, c’est-à-dire au courant correspondant à la capacité. Par exemple pour une cellule de 3000 mAh, on peut donc charger jusqu’à un courant de 3A.
- Protection de sur-courant en décharge
Les batteries ont un courant maximum de décharge donné par le fabricant. Ce courant correspond au courant de décharge continu et est lié à la résistance interne de la cellule. Ainsi, il est possible de dépasser ce courant pour une courte période mais la tension de la batterie diminuera fortement et elle chauffera de manière importante. Si un courant de décharge supérieur au maximum indiqué par le fabricant est maintenu sur une longue durée, la batterie peut surchauffer et ainsi être endommagée voire prendre feu.
- Protection de température
Cette protection vient en complément des précédentes et n’est pas toujours présente. Cependant, elle est conseillée pour certaines utilisations, si la batterie peut être chargée ou déchargée très rapidement (dans un LEV par exemple) ; si elle est susceptible de se retrouver dans un environnement très chaud et/ou si elle est dans un boitier isolé thermiquement. Pour une utilisation en faible puissance, elle n’est généralement pas nécessaire.
La charge d’une batterie
La charge d’une batterie est faite dans un mode qu’on appelle CC/CV (Constant Current/Constant Voltage). Cela signifie que l’on limite le courant de charge jusqu’à ce que la batterie atteigne sa tension maximale. Cette limite doit évidemment être inférieure au courant maximum de charge continu des cellules. Ensuite on limite la tension de charge à cette valeur jusqu’à ce que le courant soit inférieur au courant de fin de charge (généralement 50 mA). La batterie est donc chargée.
Il existe d’autres modes de charge de batteries, notamment le Pulse Charging, mais elles ne sont pas plus efficaces que le CC/CV et sont plus complexes à mettre en œuvre. Elles ne présentent donc que peu d’intérêt, sauf dans ces cas très spécifiques.
La décharge d’une batterie
Profil de décharge
La tension d’une batterie décroit au fur et à mesure de la décharge. Cette baisse est d’autant plus importante que le courant de décharge augmente. Par exemple, voici le profil de décharge d’une INR18650–35E à 7A (source) :
Le même profil à 10A :
On voit que la tension de la cellule à une capacité donnée est inférieure de 0.1 à 0.2V lorsque l’on décharge cette batterie à 10A au lieu de 7A. On peut également remarquer 2 choses :
- La température augmente au fur et à mesure de la décharge et d’autant plus que le courant de décharge augmente. Ainsi, si on prend l’hypothèse d’une température ambiante de 20°C, après une décharge complète à 10A, cette cellule atteint plus de 60°C, ce qui peut poser problème pour d’autres composants.
- La capacité de la batterie diminue si l’on augmente le courant de décharge. Décharger une batterie plus lentement permet donc d’en obtenir plus d’énergie.
A noter que la tension minimum d’une batterie Lithium-Ion se situe aux alentours de 3V. Pour alimenter des circuits électroniques en 3.3V, il y a donc une problématique qui se pose quand au régulateur à utiliser. Ce sujet sera probablement traité dans un autre article.
Les batteries se déchargent également toutes seules au fil du temps, on appelle ça le déchargement naturel. La vitesse de déchargement varie en fonction du modèle et de l’usure de la batterie, mais en général, ce déchargement suit le profil suivant :
- 5% durant les 24h après recharge
- 1–2% par mois ensuite
Le circuit de protection peut facilement doubler le déchargement naturel d’une batterie, il est donc essentiel que sa conception soit la plus efficace possible.
Durée de vie d’une batterie
La durée de vie d’une batterie est un sujet dont on entend aujourd’hui beaucoup parler. Elle est généralement mesurée en nombre de cycles. Un cycle est généralement qualifié comme la décharge d’une fois la capacité nominale de la batterie. Ainsi, si l’on décharge la batterie de 50%, cela compte comme un demi-cycle.
Les batteries modernes ont une durée de vie comprise entre 500 et 1000 cycles à 80% de capacité. Cela signifie quand dans des conditions normales d’utilisation, la batterie conservera 80% de sa capacité après le nombre de cycles spécifié.
Cette mesure du nombre de cycles n’est cependant pas parfaite puisqu’une batterie utilisée uniquement entre 0 et 25% s’usera beaucoup plus vite qu’une batterie utilisée entre 75% et 100%, alors que le nombre de cycle sera le même. On parle de « DoD » (Depth of Discharge) pour qualifier le pourcentage de batterie restant en fin de décharge, et le nombre de cycles publié par les fabricants de cellule est généralement pour 50% de DoD (on recharge la batterie en moyenne lorsqu’elle est à 50% de charge) sauf indication contraire.
D’une manière générale, pour réduire au maximum l’usure d’une batterie, quelques conseils à appliquer :
- Eviter de la décharger en dessous de 10% de charge
- Lorsqu’elle n’est pas utilisée, la conserver à au moins 50% de charge
- Ne pas recharger la batterie à plus de 1C régulièrement. Une recharge rapide réduit la durée de vie d’une batterie.
Architecture : cellules en série ou en parallèle ?
Il n’y a que 2 possibilités d’architecture pour une batterie, placer les cellules en série ou en parallèle. Les 2 peuvent être combinés, avec par exemple des groupes de 2 batteries en parallèles mis en série. Pour nommer ces architecture, on procède ainsi : (Nombre de batterie en série)S(Nombre de batterie en parallèle). Ainsi on nommera une batterie composés d’une série 7 groupes de 2 cellules « 7S2 ».
Pour déterminer l’architecture à adopter, plusieurs factures doivent être pris en considération. Le premier est la tension principale du système. Par exemple, pour un système 12V, on choisira généralement une architecture dont la tension minimale est supérieur à 12V, soit du « 4S ». Cela simplifie grandement la conception du convertisseur de puissance puisqu’il n’a besoin de fonctionner que mode « Buck », c’est-à-dire en abaisseur de tension. Pour la même raison, on veut éviter d’utiliser une architecture dont la tension nominale est très supérieure à toutes les tensions du système. Utiliser une architecture 10S pour un système 12V n’a pas d’intérêt et le convertisseur de puissance sera moins efficace et plus couteux.
En plus de la tension, il faut considérer le courant de sortie de la batterie. Par exemple, si on a un système qui consomme 300W en charge, il ne serait pas optimal d’utiliser une architecture de 4S ou moins, puisque le courant en sortie de la batterie serait très élevé et entrainerait des pertes importantes et nécessiterait un design complexe.
Le deuxième composant de l’architecture, le nombre d’éléments en parallèle, permet d’ajuster la capacité de la batterie, et son courant maximum de charge/décharge.
A noter que pour un circuit simple, purement électronique, on privilégie toujours une architecture à une cellule en série (« 1Sx ») afin de réduire la complexité du circuit.
Equilibrage d’un pack batterie
Utiliser un pack batterie dont plusieurs cellules sont placées en séries n’est pas aussi simple que l’on pourrait le penser. En effet, lors de la charge et de la décharge de la batterie, on utilise exclusivement la tension aux bornes du pack entier. Il peut donc se créer un déséquilibre entre les niveaux de tension des différentes cellules du pack. Afin de protéger ces cellules, il est nécessaire que le BMS surveille le niveau de tension de chaque cellule, et arrête la charge ou la décharge dès que la tension de l’une des cellules dépasse une limite. Le problème est donc que si un déséquilibre se crée, le pack ne pourra plus se décharger une fois que la cellule la plus faible sera en dessous du seuil, quelque soit le niveau de tension des autres éléments ; de même pour la charge.
Il en résulte que dans un pack batterie non équilibré, la différence de niveau de charge (« SoC », State of Charge) entre la cellule la plus faible et la cellule la plus haute est de la capacité perdue. Cela conduit donc à une usure prématuré du pack batterie, même si les cellules elles-mêmes sont toujours en bonne état. De plus, certaines cellules travailleront à un DoD plus faible que d’autres et s’useront donc plus vite, accentuant de plus en plus la perte de capacité du pack.
Pour répondre à ce problème, il est fortement conseillé d’implémenter un circuit d’équilibrage de tensions entre les cellules du pack. Il y a plusieurs façons de réaliser cet équilibrage, soit en modulant la vitesse de charge d’une cellule en fonction de sont niveau de tension (« active balancing »), soit en déchargeant légèrement les batteries une fois chargées afin qu’elles atteignent tous la même tension(« passive balancing »). Cette dernière méthode est généralement la plus économique et puisque le déséquilibre se crée de manière très lente, elle est suffisante pour conserver toutes les cellules au même niveau sans créer d’inefficacité trop importante lors de la charge. Elle n’est cependant recommandée que pour des cellules de bonne qualité, dont la durée de vie ne varie que faiblement.
A noter que 2 cellules en parallèles auront toujours la même tension et que par conséquent il est important de n’assembler que des cellules dont le niveau de tension est proche, au risque de créer des courants de charge et de décharge très importants entre elles.
Les meilleures cellules disponibles en 2020
Les caractéristiques importantes des batteries
- La capacité
- Le courant de charge.
- Le courant de décharge
En format 18650 :
Capacité maximum :
3500 mAh et 8A de courant de décharge, c’est une excellente cellule pour une capacité maximale avec un courant de décharge suffisant pour la plupart des applications
Courant de décharge élevé :
Cette cellule a une capacité moindre mais tout de même élevée de 3000 mAh, mais son courant de décharge est très élevé à 30A. Idéal pour les applications de puissance telles que les EVs.
En format 21700 :
Le format 21700 est le nouveau standard émergent des cellules Lithium Ion. Il a par exemple été adopté par Tesla pour remplacer les 18650 et concentre aujourd’hui le plus de R&D de la part des fabricants de batterie.
Capacité maximum :
Une capacité record de 5000 mAh avec un courant de décharge respectable de 10A. Idéale pour presque toutes les applications.
Courant de décharge élevé :
Avec 4000 mAh de capacité et un courant de décharge de 35A, c’est une cellule qui est faite pour les applications à haute puissance.
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