Documentation batterie Li-po et Li-ion

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Documentation batterie Li-po et Li-ion

Message non lude Florian » Jeu 18 Fév 2016 15:53

Bonjour,

Aujourd'hui, topic sur les batteries, leurs avantages/inconvénients, le fonctionnement, la façon de les utiliser...
Nous allons tenter de concentrer le maximum d'informations sur ces composants extrêmement utiles et pourtant si mal employés.

SOMMAIRE :

    -> Définitions
      + Batterie
      + Accumulateur électrique
    -> Information Générale concernant les accus Lithium
      + Les unités d'un accumulateur électrique
      + La capacité
      + Avantages des accus lithium
      + Inconvénients des accus lithium
    -> Comment bien choisir sa batterie?
      + Taille
      + Poids
      + Prix
      + Capacité, tension, puissance...
      + Durée de vie
    -> Batterie Li-Po et Li-Ion
      + Lithium Polymère (Li-Po) :
        - Utilisation
        - Avantages
        - Inconvénients

        - Niveau de tension
        - Température
      + Lithium Ion (Li-Ion) :
        - Utilisation
        - Avantages
        - Inconvénients
        - Niveau de tension
        - Température
    -> Comparaison Li-Po/Li-Ion
      + Avantages de la Li-Po par rapport à la Li-Ion
      + Avantage de la Li-Ion par rapport à la Li-Po
    -> Quelques autres batteries

      + Lithium Fer Phosphate
      + Lithium Titanate
    -> Informations Complémentaires
      + Concernant les Li-Po et les Li-Ion
      + Concernant les Li-Po
      + Concernant les Li-Ion
    -> Quelques liens pour se fournir des batteries
          Accu Li-Po (2).JPG
          Accu Li-Po (2).JPG (12.67 Kio) Vu 592 fois
Définitions:
Batterie :

Wikipedia a écrit:Une batterie d'accumulateurs, ou plus communément une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Ces accumulateurs sont parfois appelés éléments de la batterie ou cellule.

On appelle aussi batteries les accumulateurs rechargeables destinées aux appareils électriques et électroniques domestiques.

Accumulateur électrique :

Wikipedia a écrit:Un accumulateur électrique est basé sur une technique de conversion réversible d'énergie, destinée à stocker l'énergie électrique dans une énergie différente afin de pouvoir la réutiliser ultérieurement. Cette opération est aussi appelée stockage d'énergie. Tous les processus de conversion d'énergie sont complexes. Le rapport entre l'énergie initiale et l'énergie restituée donne le rendement de conversion-accumulation ; ces rendements sont parfois faibles, il faut donc souvent beaucoup d'énergie initiale pour récupérer moins d'énergie finale. Les meilleurs accumulateurs ont un rendement qui atteint très difficilement la barre des 80 % ; ceux peu nombreux qui atteignent cette valeur ne sont pas transportables, alors que c'est le domaine majeur où l'usage de l'accumulation est le plus pertinent.

Dans l'électronique, quand on souhaite alimenter un petit projet on a bien souvent recours aux accus les plus répandus. Ils s'agit des fameuses "piles" AA, AAA et ainsi de suite.

      Piles en vrac (2).JPG
      Piles en vrac (2).JPG (58.98 Kio) Vu 592 fois
Bien qu’extrêmement simples à se procurer et fiables, elles ne sont pas pour autant toujours très pratiques! Elles ne sont pas toutes rechargeables (d'où la photo ci-dessus). Elles sont assez lourdes, pas simples à incorporer dans un projet de par leur taille et forme. De plus si votre projet est très gourmand, il est certes possible de l'alimenter avec ces dernières mais le problème de taille et poids sera d'autant plus important. Sans parler du côté esthétique.
C'est pour cela qu'aujourd'hui nous allons parler des batterie Li-Po (Lithium Polymère) et Li-Ion (Lithuim Ion). Il s'agit des accus les plus répandus actuellement.


Information Générale concernant les accus Lithium

Dans un premier temps, il est intéressant de savoir qu'un accumulateur Lithium a une capacité poids/puissance qui est plus intéressante que les types Nickel, Plomb...
Deuxième point, il est important de savoir que ce type de batterie possède une tension maximale de charge, une tension minimale de décharge, une tension nominale (toutes en Volts) et une capacité (Ah ou mAh). Toutes ces valeurs sont normalement données par le constructeur et elles sont toutes fixes. Il est totalement impossible d'améliorer la puissance d'une batterie. Si vous tentez de la booster le seul résultat que vous obtiendrez sera une explosion de cette dernière ou qu'elle prenne feu. Dans tous les cas c'est extrêmement dangereux donc ne jouez pas avec ça.

        Explosion batterie (1).JPG
        Explosion batterie (1).JPG (14.92 Kio) Vu 592 fois
    -Les unités d'un accumulateur électrique:
      - Tension en volts (V)
      - L'intensité (capacité) en Ampère-heure (Ah ou mAh)
      - La puissance en Watt-heure (Wh)
Dans la plupart des cas, la puissance n'est pas indiquée sur la batterie mais grâce à la tension nominale et la capacité il est possible de la calculer;
--> Puissance (Wh) = Tension Nominale (V) x Capacité (Ah)

    Accu 123.JPG
    Accu 123.JPG (27.56 Kio) Vu 592 fois
-La capacité :
Il s'agit de la capacité de la batterie à fournir une certaine intensité sur une heure.
C.A.D, admettons qu'un accu Li-Po possède une capacité de 1Ah, cela signifie qu'elle est capable de fournir une intensité de 1A continu sur 1h de temps. Autrement dit, en théorie, cette Li-Po est donc capable de fournir 2A sur 30 minutes ou encore 100mA sur une durée de 10h.

Les batteries Lithium fournissent une tension nominale mais il est intéressant de savoir que lors de la charge elles atteignent une tension maximale ultime supérieure de 1,145 fois la tension nominale.
Il faut aussi savoir qu'une batterie possède également une tension minimale critique qui est 0,8 fois la tension nominale. Le niveau de tension de la batterie de ne doit pas descendre en-dessous de ce seuil sous peine d'endommager gravement cette dernière et de la rendre inutilisable.

          batterie.png
          batterie.png (5.6 Kio) Vu 592 fois
Exemple:
Une batterie Li-Po a généralement une tension nominale de 3,7V.
Soit une tension maximale ultime de 3,7 x 1,145 = 4,23 soit 4,2V de tension max. Si on recharge avec une tension supérieure, il y aura surcharge de la batterie et donc dégâts, risque d'explosion, de prendre feu...
Et donc une tension minimale critique de 3,7 x 0,8 = 2,96 soit 3V de tension min en décharge, il faut donc faire attention à ne pas passer en dessous de cette tension pour ne pas endommager la Li-Po.

==> IMPORTANT !!!
    Les choses à ne pas faire pour garder une batterie le plus longtemps possible:
      - Ne pas recharger au-dessus de la tension maximale ultime
      - Ne pas décharger en-dessous de la tension minimale critique
      - Ne pas consommer plus de courant que l'accu ne puisse fournir
      - Ne pas recharger avec plus de courant que ce que l'accu ne peut accepter
      - Ne supporte pas la surcharge
      - Ne jamais décharger une batterie neuve avant de faire une charge complète (à l'inverse, il faut d'abord effectuer une charge complète avant première utilisation)
-Avantages des accus Lithium:
    - Auto-décharge inférieure ou égale à 10%
    - Légère
    - Volume faible*
    - Durée de vie importante
    - Absence d'effet mémoire**
*Le volume d'une batterie est directement proportionnel à sa puissance. Le poids et la puissance vont de pair. Plus une batterie aura de volume plus puissante elle sera, on parle de densité de puissance en Wh/Kg.

**L'effet mémoire : Sur des batteries type Nickel/Plomb, il est nécessaire de décharger la batterie jusqu'à atteindre un certain seuil avant avant de la recharger pour ne pas l'endommager.

-Inconvénients des accus lithium:
    - Fragile mécaniquement
    - Fragile électriquement
    - Prix***
***Plus la puissance souhaitée devra tenir dans un package petit et léger plus le prix sera élevé. Ceci est également dû à la chimie employée à l’intérieur de l'accu.

Les batteries Lithium possèdent encore 85% de leur capacité de départ après 500 cycles. Un cycle correspond à une charge et décharge complète. Il faut savoir que pour la batterie une décharge complète correspond à la vider totalement avant de la recharger.
C.A.D, si on met la batterie à recharger alors qu'elle n'a fourni que 50% de sa capacité, cela ne comptera pas comme un cycle. Il s'agit d'une décharge partielle. De plus, pour ce type de batterie, une charge partielle aura moins d'impact sur sa durée de vie qu'une charge complète.


Comment bien choisir sa batterie?

Pour choisir la bonne batterie qui sera en adéquation avec votre projet, il faut se poser les bonnes questions.

    - La taille
    - Le poids
    - Le prix
    - La capacité, tension, puissance...
    - La durée de vie
Chaque sujet de réflexion apporte son lot de question. Evidemment à chaque projet ses questions et son cahier des charges à respecter.
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Taille :
On ne parle pas en terme de puissance ici mais vraiment de taille en sens propre du mot. Il faut se demander si on veut une batterie de petite taille dans le cas d'un projet de petite dimension.
Par exemple : on veut faire un lecteur MP3. La taille de la batterie sera très importante puisque la finalité d'un projet comme celui-ci est qu'il soit portatif et puisse tenir dans une poche de pantalon par exemple. Il faut donc trouver une batterie de petite taille. A contrario si on veut faire une enceinte de salon fixe, la taille de la batterie sera moins importante. En effet, le projet a pour but de ne pas bouger donc la batterie pourrait avoir une taille bien plus grosse ce n'est pas un critère important dans ce cas.
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Poids :
La question du poids a deux approches.
La première approche, au sens propre du mot, est d'avoir une batterie plus ou moins lourde selon le projet. Si on souhaite réaliser un vélo de course avec monitoring en live sur le guidon (vitesse, pointe, cardio...), l'optique sera de trouver une batterie suffisamment légère pour ne pas ralentir le cycliste, ni même le gêner dans sa course.
La deuxième approche concerne le ratio Poids/Densité de Puissance. Peu importe la technologie de la batterie, plus on cherchera une densité de puissance grande plus la batterie sera lourde.
Il faut donc trouver un compromis en fonction du projet à réaliser.
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Prix :
Pas de mystère sur ce point-ci. Tout va dépendre du budget que vous allouez à votre projet. Les prix peuvent varier énormément en fonction de la technologie employée, de sa taille, sa capacité... Même juste avec le fournisseur.
Mais pas de secret, plus on cherchera une batterie performante, de bonne qualité, la plus petite possible et puissante sur le long terme plus le prix va monter.
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Capacité, tension, puissance... :
Dans cette partie, il est nécessaire de se poser les questions concernant l'alimentation du projet. La consommation totale des différents modules employés. Déterminer l'ampérage nécessaire pour le faire fonctionner correctement. La durée également, plus le temps de marche du système doit être long plus la capacité devra être grande et ceci est d'autant plus important si sa consommation est grande. Dans ce cas il faudra une batterie avec une puissance/capacité encore plus grande. Il faut aussi penser à la tension nécessaire pour faire fonctionner les modules (3,3V, 5V, 12V...).
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Durée de vie :
Il s'agit d'estimer le nombre de cycles à effectuer. Certains types de batterie sont capables de faire plus ou moins de cycles charge/décharge en fonction de la technologie employée.
L'ordre de grandeur reste généralement le même (environ 500 cycles), mais il peut être utile de prévoir un peu de marge, avec une dizaine ou une centaine de cycles en plus.


Batterie Li-Po et Li-Ion

Lithium Polymère (Li-Po) :

          Lot Li-Po (1).JPG
          Lot Li-Po (1).JPG (23.04 Kio) Vu 592 fois
    Utilisation:
      - Modèles réduits (voiture, avion, drone...)
      - ULM et para-moteurs
      - Véhicule électrique terrestre (vélo, karting...)
    Avantages :
      - Densité énergétique élevée (plus grande que la Li-Ion)
      - Faible poids (possibilité de retirer l'enveloppe en métal)
      - Formes diverses et variées (convient parfaitement pour l’aéromodélisme)
      - Absence d'effet mémoire
    Inconvénients :
      - Peu de cycles charge/décharge (environ 200 cycles)
      - Peu résistante à la surcharge
      - Ne doit pas dépasser la tension maximum (gonflement => incendie, explosion)
      - Ne doit pas descendre sous la tension minimum
    Niveau de tension :
      - Tension nominale: 3,7V
      - Tension minimale critique: 3,0V
      - Tension maximale ultime: 4,2V
    Température :
      - Fonctionnement idéale: 25°C
      Plus la température est faible plus la batterie se déchargera rapidement. Ceci est vrai peu importe la puissance tirée sur la batterie.
Lithium Ion (Li-Ion) :

          Li-Ion (3).JPG
          Li-Ion (3).JPG (21.19 Kio) Vu 592 fois
    Utilisation :
      - Comme la Li-Po
    Avantages :
      - Haute densité énergétique pour un poids très faible (200 Wh/Kg)
      - Faible auto-décharge
      - Absence d'effet mémoire
      - Entre 500 et 1000 cycles charge/décharge
    Inconvénients :
      - Pas résistante à la surcharge
      - Ne doit pas descendre sous la tension minimale critique
      - Vieillit moins vite avec une recharge partielle
    Niveau de tension :
      - Tension nominale: 3,6/3,7V (selon la technologie)
      - Tension minimale critique: 2,5V
      - Tension maximale ultime: 4,1/4,2V (selon la technologie)
    Température :
      - Fonctionnement idéale: 25°C
      Plus la température est faible plus la batterie se déchargera rapidement. Ceci est vrai peu importe la puissance tirée sur la batterie.

Comparaison Li-Po/Li-Ion

Avantages de la Li-Po par rapport à la Li-Ion:
    - Le grand nombre de formes fines et variées
    - Peut être déposée sur un support flexible
    - Plus légère
    - Plus résistante à la surcharge et aux fuites d'électrolytes
    - Densité énergétique plus élevée
Avantage de la Li-Ion par rapport à la Li-Po
    - Moins chère (en général)

Quelques autres batteries

Les quelques batteries suivantes ne sont pas encore disponible facilement au grand public.

Lithium Fer Phosphate:
Avantages :
    - Longue durée de vie (sauf utilisation intensive)
    - Tension stable et continue sur toute la décharge
    - Moins polluante
    - Très solide (quasi pas de risque d'explosion)
    - Résistance interne qui diminue avec le vieillissement
Inconvénients :
    - Prix élevé
    - Tension plus faible
    - Ne supporte pas une utilisation intensive (>50°C)
Lithium Titanate :
Avantages :
    - Durée de vie de 10 ans
    - Nombre de cycles charge/décharge, environ 6000 (10 fois plus qu'une batterie standard)
    - Recharge ultra rapide (9 fois plus vite qu'une batterie standard)
    - Contrôle électronique complet (charge, maintien en charge, capacité à débiter du courant...)
Inconvénient :
    - Capacité 3 fois moins importante qu'une batterie Li-Ion (à poids égal)

Informations Complémentaires


Quelques liens pour se fournir des batteries

Et voilà ! J'espère que vous avez trouvez l'information nécessaire pour vous aider dans votre projet. N'hésitez pas si vous trouvez des informations que je n'ai pas mentionnées à me le dire.
Florian
 
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Re: Documentation batterie Li-po et Li-ion

Message non lude EricDuino » Dim 21 Fév 2016 10:38

:D BRAVO :!:
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