Concevoir une batterie 12V lithium

Pour continuer dans mon projet de réseau électrique domestique à base de batteries lithium, je vais maintenant m’intéresser au point le plus sensible : les batteries lithium.

Il existe plusieurs types d’accumulateurs lithium mais je vais orienter mes recherches uniquement sur le format 18650 c’est à dire 18mm x 65mm, très répandu.

Les accumulateurs lithium :

Par rapport aux batterie au plomb, il y a certains avantages (https://www.powertechsystems.eu/fr/home/technique/avantages-du-lithium-ion/) :

Meilleur espérance de vie
Tension plus stable (moins dépendante de la charge)
Meilleur densité énergétique

Cependant, il y a quand même des inconvénients :

La variabilité individuelle des accumulateurs nécessite la mise en place de systèmes élaborés capables de contrôler la charge de chaque cellule
Les accumulateurs lithium ne supportent pas la décharge profonde ou la surcharge ce qui laisse peu de marge de manœuvre
Il y a un risque non négligeable de dégâts importants en cas de surcharge ou de court-circuit
Le coût est plus élevé (mais la durée de vie étant supérieure, sur le long terme la différence est moins évidente)

Caractéristiques accumulateurs au format 18650 :

Une simple recherche sur amazon avec le mot clé « 18650 » nous donne un aperçu de ce qui est disponible facilement avec une idée du prix unitaire :

J’ai parcouru les premières pages et je n’ai retrouvé que de la technologie Lithium-ion avec des tension nominales données à 3,6V ou 3,7V et des capacités données allant de 1 300mAh à 3 400mAh. Le prix unitaire autour de 5€ mais j’ai retrouvé des écarts allant de 3€/unité (https://amzn.to/2Qs3sTp) à 10€/unité (https://amzn.to/2OhOtKg). Quelque chose justifie peut-être ces écarts mais pour le moment je ne vois pas…

Il faut noter que les intensité de charge et de décharge peuvent varier selon les constructeurs et pour certains modèles il est fait mention de systèmes de protection contre court-circuit, surcharge et chauffe, et absence de protection pour d’autres.

Data sheet (fiche technique) :

La requête « 18650 data sheet » dans google nous donne ces documents pdf en réponse :

On y retrouve des caractéristiques communes notamment la tension de charge maximum de 4,2V mais par contre on retrouve des capacités, des intensités de charge et des tension minimales différentes (2,5V ou 3V). Les accumulateurs 18650 ne sont donc pas tous identiques.

Associations d’accumulateurs :

Il est possible d’assembler des accumulateurs pour créer une batterie d’accumulateurs avec des caractéristiques supérieures aux accumulateurs seuls.

Ainsi, l’association en parallèle des accumulateur permet d’ajouter leur capacité : 2 accumulateur de 3,7V et 2,5Ah associés en parallèle forment une batterie de 3,7V et 5Ah.

Et, l’association en série permet d’additionner leurs tensions donc : 2 accumulateurs de 3,7V et 2,5Ah associés en série forment une batterie de 7,4V et 2,5Ah.

Il est possible de combiner les deux par exemple en formant deux groupes de 2 accumulateurs (de même caractéristique qu’au dessus) en parallèle et en associant ces deux groupes en série, on obtient une batterie de 7,4V et 5Ah.

Charge des batteries lithium-ion :

La première possibilité, c’est d’utiliser un BMS (battery management system) qui fait tout le travail. Sur amazon, on peut trouver un tel BMS pour environ 3€ (https://amzn.to/2QshnJq).

Mais, y a t’il une autre solution ? Peut-on fabriquer sois même un tel système ?

J’ai trouver en faisant des recherches que le BMS n’est pas le seul moyen de charger les batteries lithium, le PCM (protection circuit module) est aussi une solution. Le PCM comprend simplement moins de fonctionnalités que le BMS : http://www.enix-power-solutions.fr/pcm/.

Alors, serait-il envisageable de fabriquer un module de charge des batteries ?

Ici : https://www.ni-cd.net/accusphp/theorie/charge/liion.php, on retrouve les impératifs de la charge des batteries lithium-ion :

la tension de charge maximale doit être respectée scrupuleusement sous peine de faire exploser un ou plusieurs éléments
les éléments doivent être chargés individuellement. Il ne faut pas charger le bloc en série car à la longue il peut se produire des décalages de tension et si un élément acquière une tension plus faible, la tension appliquée aux autres accumulateurs sera augmentée et risque de les endommager
le courant de charge limite doit être respecté

Par simple curiosité, n’est-il pas envisageable de créer un module de charge ?

L’idée serait d’étudier la faisabilité d’un tel montage à partir des composants suivants :

le LM317 qui est un régulateur de tension ajustable (https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/regulateur-de-tension-lm317-montages) acceptant le passage de 1,5A, ayant une tension de sorte pouvant aller de 1,25V à 37V et une tension d’entrée jusqu’à 40V de plus que la sortie. A associer avec des résistances dont une ajustable.
le TL431 (associé à un transistor) pour couper la charge quand la tension maximale est dépassée (https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/regulateur-et-reference-de-tension-tl431-montages).

Décharge des batteries :

La décharge des batteries est également un point sensible parce qu’il ne faut pas descendre en dessous de la tension minimale (2,5V ou 3V selon l’accumulateur).

Puisque le module de charge s’occupe d’équilibrer les tensions de chaque accumulateur, ici on peut se baser sur la tension globale de la batterie pour détecter la tension de coupure. Par exemple pour 3 éléments, il ne faudra pas descendre en dessous de 7,5V (3×2,5), on pourrait même prendre 9V pour être « ultra safe ».

Pour ça, il doit être possible de faire un module de décharge à base d’un transistor de puissance et d’une référence de tension comme le TL431 à nouveau.

Association de batteries :

Comme je le disais dans : cet article, je souhaite pouvoir associer les batteries en parallèle simplement, sans avoir à me soucier de l’état de charge général.

Le risque en branchant des batteries en parallèle avec un niveau de charge différent, c’est que la batterie la plus chargée se décharge d’un coup dans la batterie la moins chargée ce qui imite un court-circuit, ce qui est extrêmement dangereux peut importe le type de batterie…

Il faut donc que je sois sûr que le système reste sécurisé dans le cas où j’ajouterais une batterie déchargée au système complètement chargé. A priori, si je prévois un limitateur de courant de charge comme détaillé plus haut, il n’y a pas de risque particulier, mais il faudra quand même tester en pratique…

Par contre côté décharge, il n’y a pas de limitateur de courant, il faut donc prévoir un système pour empêcher ce phénomène. Pour ça, je vais simplement utiliser des diodes. Ce n’est sans doute pas le moyen le plus efficient mais c’est le seul qui me vient à l’esprit pour le moment. Les diodes schottky sont des diodes provoquant une plus faible baisse de tension.