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[DIY] équilibrage des batteries Lithium (LIPO/LI-Ion)

[DIY] équilibrage des batteries Lithium (LIPO/LI-Ion)

L’équilibrage des cellules et son importance

Une batterie au Lithium, LIPO ou LI-ION, est composé de plusieurs cellules monté en série et délivrant chacune 4,2 volts, enfin pas tout à fait…
Cette article concerne l’équilibrage des batteries et son importance pour la santé de votre accu.

Comme je vous disais, une cellule au lithium a une tension nominale d’environ 4,2 Volts, mais dans de nombreuses applications comme les véhicules électriques, les drones, l’électronique portable a besoin d’une tension plus élevée que cette tension nominale. C’est la raison pour laquelle on assemble plusieurs cellules en série pour former un bloc-batterie de tension plus élevées.
Lorsque les batteries sont combinées en série, la valeur de la tension est additionnée. Par exemple, lorsque quatre piles au lithium de 4,2 V sont connectées en série, la tension de sortie de la batterie sera de 16,8 V.
A l’inverse, lorsque les cellules sont assemblées en parallèle les intensités s’additionnent. (mais pas la tension).

Connecter plusieurs cellules en série, c’est comme atteler des chevaux a un carrosse. Ce n’est que si tous les chevaux avancent à la même vitesse que le carrosse bénéficie d’une efficacité maximale. Sur un attelage de quatre chevaux, si un cheval fout le bordel, les trois autres doivent également réduire leur vitesse, ce qui réduit l’efficacité. Si un cheval court plus vite, éventuellement il se blessera en tirant la charge des trois autres chevaux. De même, lorsque quatre cellules sont connectées en série, les valeurs de tension de toutes les cellules doivent être égales pour que la batterie est une efficacité maximale. La méthode pour maintenir toutes les tensions de cellule égales est appelée équilibrage. 

Pourquoi avons-nous besoin de l’équilibrage des cellules?

L’équilibrage des cellules est une technique dans laquelle le niveaux de tension de chaque cellule est individuellement maintenus égale pour atteindre l’efficacité maximale de la batterie. Lorsque différentes cellules sont combinées ensemble pour former un bloc-batterie, il faut toujours vérifier qu’elles ont la même chimie et la même valeur de tension. Mais une fois que le pack est installé et soumis à la charge et à la décharge, les valeurs de tension des cellules individuelles ont tendance à varier pour certaines raisons que nous discuterons plus tard. Cette variation des niveaux de tension provoque un déséquilibre des cellules qui conduira à l’un des problèmes suivants:

Emballement thermique

La pire chose qui puisse arriver est l’emballement thermique. Comme nous le savons, les piles au lithium sont très sensibles à la surcharge et à la décharge excessive. Dans un pack de quatre cellules, si une cellule est de 3,5 V alors que les autres sont de 3,2 V, le chargeur rechargera toutes les cellules ensemble car elles sont en série et elle chargera la cellule de 3,5 V à une tension supérieure à la tension recommandée car les autres batteries ne sont pas encore pleines.
Nota: les chargeurs de LIPO pour nos appareils RC, sont munis de prise d’équilibrage pour éviter ce type de désagrément.

Dégradation de cellule

Lorsqu’une pile au lithium est surchargée, même légèrement au-dessus de sa valeur recommandée, l’efficacité et le cycle de vie de la pile est réduit. Par exemple, une légère augmentation de la tension de charge de 4,2 V à 4,25 V dégradera la batterie plus rapidement de 30%. Donc, si l’équilibrage des cellules n’est pas précis, même une légère surcharge réduira la durée de vie de la batterie.

Charge incomplète du pack

Comme les batteries d’un pack vieillissent, certaines cellules peuvent être plus faibles que les cellules voisines. Ces cellules deviendront un problème car elles se chargeront et se déchargeront plus rapidement qu’une cellule saine normale. Lors de la charge d’une batterie avec des cellules en série, le processus de charge doit être arrêté même si une cellule atteint la tension maximale. De cette façon, si deux cellules d’un bloc-batterie obtiennent une semaine, elles se chargeront plus rapidement et donc les cellules restantes ne seront pas chargées au maximum comme indiqué ci-dessous.

Utilisation incomplète de l’énergie du pack

De même, dans le même cas, lorsque la batterie est déchargée, les cellules usagées se déchargeront plus rapidement que les cellules saine et atteindrons la tension minimale plus rapidement que les autres cellules. le pack sera déconnecté de la charge même si une cellule atteint la tension minimale. Cela conduit a décharger un élément de façon trop importante, comme indiqué ci-dessous.

En tenant compte de tous les inconvénients possibles ci-dessus, nous pouvons conclure qu’un équilibrage des cellules est obligatoire pour utiliser un bloc-batterie de façon optimale . Il y a encore peu d’applications où le coût du remplacement de la batterie n’est pas un problème dans ces applications, l’équilibrage des cellules pourrait être évité. Mais dans la majorité des applications, y compris les drones, l’équilibrage des cellules est obligatoire pour obtenir le maximum de la batterie.

Qu’est-ce qui cause le déséquilibre des cellules dans les batteries?

Nous savons maintenant pourquoi il est important de maintenir toutes les cellules en équilibre dans une batterie. Mais pour résoudre le problème correctement, nous devons savoir pourquoi les cellules sont déséquilibrées. Comme indiqué précédemment, lorsqu’un bloc-batterie est formé en plaçant les cellules en série, il est vérifié que toutes les cellules sont aux mêmes niveaux de tension. Ainsi, une batterie neuve aura toujours des cellules équilibrées. Mais lorsque le pack est mis en service, les cellules sont déséquilibrées pour les raisons suivantes .

SOC Imbalance

Mesurer le SOC d’une cellule est compliqué; il est donc très complexe de mesurer le SOC des cellules individuelles d’une batterie. Une technique idéale d’équilibrage des cellules est de fournir la même quantité d’énergie (en coulomb) au lieu des mêmes niveaux de tension (OCV). Mais comme il n’est pratiquement pas possible d’équilibrer les cellules (à la fabrication) autrement qu’en termes de tension lors de la fabrication d’un pack, l’équilibrage est obtenu grâce à la tension en circuit ouvert (OCV).

Variation de résistance interne

Il est très difficile de trouver des cellules de la même résistance interne (IR) et à mesure que la batterie vieillit, l’IR de la cellule change également et, par conséquent, dans une batterie, toutes les cellules n’ont pas le même IR. Comme nous le savons, l’IR contribue à l’impédance interne de la cellule qui détermine le courant traversant une cellule. Comme l’IR varie, le courant à travers la cellule et sa tension varient également.
Lorsque vous assemblez des cellules de récupération, essayé d’assemblé des packs de cellules de résistance interne équivalente.

Température

La capacité de charge et de décharge de la cellule dépend également de la température qui l’entoure. Dans un énorme bloc-batterie comme dans les VE ou les panneaux solaires, les cellules sont réparties sur plusieurs zones et il peut y avoir une différence de température entre le pack lui-même, ce qui provoque une charge ou une décharge d’une cellule plus rapidement que les cellules voisines, provoquant un déséquilibre.

Pour les raisons ci-dessus, il est clair que nous ne pouvons pas empêcher les cellules de se déséquilibrer pendant l’opération. Ainsi, la seule solution est d’utiliser un système externe qui oblige les cellules à se rééquilibrer après avoir été déséquilibrées. Ce système est appelé le système d’équilibrage de batterie . Il existe différents types de techniques matérielles et logicielles utilisées pour l’équilibrage des cellules de batterie. Voyons les types et les techniques largement utilisés.

Conclusion

La durée de vie et les performance d’une batterie au lithium est donc conditionnée par son équilibrage, plus vous prendrez soin de le faire fréquemment plus votre batterie tiendra dans le temps. Au même titre qu’il ne faut pas « vider une cellule en profondeur » et descendre trop bas en tension. Je vous conseillerai 3.7 Volts pour une LIPO et 3.6 / 3.5 pour une Li-ion (type 18650).

Les différents états de charge dans un pack de batterie.

https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

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