Nombreux sont ceux qui ne se lancent pas dans l'achat d'un vélo électrique parce qu'ils pensent que les économies qu'ils feront se dissiperont à intervalle régulier parce que la batterie rend l'âme. Ce n'est pas faux, mais pas totalement vrai non plus. A priori la batterie rechargeable est l’élément du système électrique qui a la plus courte durée de vie mais, en en prenant soin, et surtout en la stockant si possible chargée, elle devraient rendre tout le service prévu par le fabricant, plusieurs années, et restera économiquement avantageuse. Car, comme nous l'avons vu dans ce billet sur l'optimisation de la durée de vie et de l'autonomie des batteries de VAE, si nous oublions la batterie dans un coin et qu'on ne la charge pas pendant un bon bout de temps, il est probable qu'en essayant de la charger à nouveau, nous n'atteindrons pas une charge complète.
On peut trouver des batteries d'ions lithium à partir de 200€. Par la suite nous verrons comment nous pouvons monter notre propre pack d'accumulateurs Li-ion pour beaucoup moins cher. On n'a pas besoin de beaucoup d'expérience : avec un fer à souder et en y voyant clair sur le paquet de câbles, ça devient relativement facile.
Éléments constituants d'un pack d'accumulateurs
Le cœur des batteries sont les cellules, dans ce cas 18650, et le PCB (protection circuit module: PCB/PCM ou encore Battery Management System: BMS/CMB) en est le cerveau.
Protection Circuit Modules (PCB/PCM/BMS/CMB) pour batteries au lithium
Les packs d'accumulateurs Li-ion et LiPo doivent toujours être utilisés avec un circuit de protection pour protéger les cellules de la surcharge, décharge excessive ou excès de consommation. Choisir le circuit correct et l'appliquer est vital pour assurer la longévité des batteries et pour notre propre sécurité. Pour un pack Li-ion de 18,5V (5 cellules), il faudra choisir un PCM avec fonction d'équilibrage pour maintenir chaque cellule au meilleur équilibre et fournir un bon service durant sa vie utile. Pour un pack de cellules Li-ion de « haute tension » (plus de 20 cellules), nous devrons choisir un BMS (battery management system) pour superviser le rendement de chaque cellule et assurer que la batterie travaille de manière correcte. Le BMS ou système de gestion de batteries est un système de gestion électronique qui contrôle une batterie rechargeable, en surveillant son état, calculant les données secondaires, protégeant la batterie, contrôlant l'environnement et faisant qu'elle travaille en équilibre.
Exemple de PCB pour la gestion d'éléments rechargeables
Le BMS supervise diverses données comme :
- Tension: tension totale, ou tension individuelle de chaque cellule.
- Température: température moyenne ou température des cellules individuelles.
- État de charge (SOC) ou profondeur de décharge (DOD) pour ajuster le niveau de la batterie.
- État de santé (SOH) : mesures sur l'état général de la batterie rechargeable.
- Courant, entrée ou sortie de la batterie.
Les PCB se présentent sous différentes versions en fonction du nombre de cellules, tension et capacité. Celui que nous utiliserons dans notre exemple coûte environ 8€, jusqu'à 14,8V pour pack de Li-ion (limite 5A). Caractéristiques :
- Tension de protection de surcharge pour une seule cellule : 4.35 V ± 0.025V
Le PCB préserve de la surcharge. Comme la délicate chimie de la batterie Lithium-ions peut s’abîmer si on la charge avec une tension trop haute, le PCB se charge de couper le courant aux cellules. Ceci ne devrait pas être un problème si nous réalisons la charge avec un chargeur intelligent. Si vous chargez un téléphone portable à 4,2V, alors la tension de la cellule ne dépassera pas 4,2V, même si vous chargez la cellule pendant des semaines. Personne ne veut charger une cellule au-delà de son point de charge. Un chargeur intelligent s'éteint une fois que la batterie rechargeable a terminé de charger.
- Protection de la décharge d'une seule cellule : 2.40 V ± 0.080V
Si la tension d'une cellule Li-ion tombe à zéro, ou même sous les 2V, elle se verra sérieusement abîmée et ne pourra plus jamais être rechargée. Les téléphones portables ont la même protection. Si vous mesurez la tension d'une batterie de portable « morte », vous verrez qu'elle fourni 2,5V.
- Protection de détection d'excès de courant : 4 ～ 6A
La protection contre l'excès de courant est nécessaire car un PCB est relativement petit avec des composants miniaturisés et ne peut pas supporter trop de courant. Il s'éteindra lorsqu'il se trouve entre 4 et 6 ampères.
- Courant maximum de décharge continue : 4A
C'est une grandeur à tenir en compte pour le dimensionnement de l'alimentation électrique. Nos systèmes électriques ne travaillent pas à leur limite, en respectant 8 ou 10 % de marge de l'intensité avec laquelle devrait travailler le système électrique, nous assurons une vie utile bien plus longue.
- Approvisionnement de courant : 50uA Max
L'approvisionnement d'alimentation est la consommation de courant des composant électroniques dans le PCB. C'est pratiquement rien et ne videra en aucun cas la batterie d'un vélo électrique à cause de la consommation de celui-ci.
- Protection du court-circuit : récupération automatique
La protection du court-circuit signifiera que le PCB s'éteindra s'il détecte un court-circuit: si un câble s'est déconnecté ou si nous avons un câble dénudé.
- Résistance du circuit de protection : ≤ 50 mOhms
La résistance du circuit de protection est la résistance causée par le PCB. Tous les circuits produisent un peu de résistance. Une fois de plus, la consommation est tellement faible qu'elle ne s'apprécie pas.
- Taille : 50mm(1,96") x 16mm (0,6") x 4mm (0,2")
- Poids : 2 grammes
Petites précisions sur les bons termes à employer
On confond souvent les termes batterie et cellule, la différence est qu'une cellule, ou élément ou encore accumulateur abrégé accu, est la partie la plus petite et indivisible de la batterie qui emmagasine l'énergie, et une batterie rechargeable peut être faite de nombreuses cellules. La batterie au sens propre est donc le pack d'accumulateurs complet, avec l'ensemble des cellules et des circuits de gestion. Parler de « pack de batteries » n'a pas de sens en français, c'est un une traduction littérale erronée de l'anglais.
Exemple d'accus Panasonic au format 18650 pour la confection d'une batterie rechargeable
Application pratique de la configuration d'une batterie rechargeable
Mise en série et en parallèle des éléments
Nous prendrons pour exemple une batterie rechargeable de 16 cellules. Nous avons plusieurs configurations possibles : 4S4P, ce qui signifie 4 blocs en parallèle de 4 cellules en série. Si on avait 1S4P (4 cellules en parallèle), la capacité serait multipliée par 4 mais la tension serait la même. En configuration 4S1P (4 cellules en série), la capacité reste la même mais la tension est multipliée par 4. 4S4P signifie donc qu'il s'agit d'une batterie de 4 fois la tension et 4 fois la capacité d'une seule cellule.
Pour des cellules 18650 de 2,6 Ampères-heure de capacité (il existe des Ultrafire à 4,2V), un montage 4S1P délivrerait 16,8V et 2,6 Ah. 4S2P sont 16,8V et 5,2Ah. 4S4P sont 16,8V et 10,4 Ah. Sur le papier, les cellules 18650 perdent de la capacité après plusieurs cycles d'utilisation. Le mieux est de prendre un wattmètre et vous connaîtrez la capacité exacte.
Choix des accus : le standard cylindrique 18650
Toutes les cellules ont un format commun, il est donc facile de les trouver et à des prix vraiment cassés, et elle s'appellent 18650 parce qu'elles ont des dimensions de 18 mm par 65 mm. Pour donner un exemple, l'exclusif Tesla Roadster utilise 6800 cellules 18650 ! Au passage, la dénomination A123 n'est pas un type ni un format d'élément, mais un fabricant. Pour preuve, un accu A123 au format cylindrique 18650:
Les cellules neuves coûtent environ 8€ chacune, on peut les trouver plus chères et certainement moins chères, voire certaines opportunités de trouver des cellules usagées mais encore profitables. On trouve parfois des cellules 18650 usagées sur eBay.
Retrouvez la suite de cet article dans la deuxième partie consacrée à l'organisation et l'assemblage des éléments internes.
