Introduction aux batteries lithium, et formatage

 

Il y a différents types d'accumulateurs au lithium dont vous pouvez consulter les différentes technologies sur cette page Wiki. Dans notre cas, nous avons à faire à des les LiFePo4 (Lithium, Fer, Phosphate). Plus précisément, les Winston contiennent également de l'yttrium (Y), et deviennent des lifeypo4. Elles ont l'avantage d'être assez stables, d'avoir une bonne résistance aux crash tests (à priori, elles n'explosent pas en volant aux éclats), de brûler sans dégagement de flammes (peut-être par l'évent, à vérifier), d'être peu toxiques et peu polluantes, et facilement recyclables, paraît-il. Reste l'yttrium qui fait partie de la famille des "terres rares", en fait, un métal qui n'est pas neutre, sans être très dangereux semble t-il. cellule Winston 3.2v

Du coup, à part son prix (et encore, nous en débattrons peut-être plus loin), le lithium à beaucoup d'avantages. Particulièrement le lifepo (et cela n'engage que moi) qui me semble encore moins dangereux qu'une batterie Pb ouverte. Contrairement aux Pb, il n'y pas d'acide liquide, ni de dégagement d'hydrogène. Lorsque le parc devient conséquent, le dégagement d'hydrogène, est loin d'être négligeable, et le risque d'explosion, bien réel, avec projections d'acide sulfurique à la clé. Combien de sueurs froides lorsque j'ouvrais le coffre à batteries la clope au bec, à l'époque où je fumais encore, en m'apercevant que toutes les batteries bouillonnaient car le régulateur avait choisi ce moment pour sa phase d'égalisation. Je crois pouvoir dire en ce qui concerne les lifeypo4, que le seul risque que l'on cours, est de ruiner notre investissement à cause d'un mauvais traitement. Si toutes les précautions d'usage ont été prise bien entendu. Cela va peut-être en faire bondir plus d'un. Il est très difficile de se débarrasser d'une mauvaise image, et nous avons une bonne aptitude à faire des amalgames. Ce n'est pas parce qu'un membre d'une famille n'est pas fréquentable, que l'on ne peut avoir de relation avec les autres membres. Et ce n'est pas parce qu'il a commis une erreur, qu'il la répétera tout au long de sa vie. Ne pas confondre li-xxxx et lifepo même si leur contrainte commune, est de gérer leur charge et leur décharge d'une façon rigoureuse. Pour cela, il y a le BMS (Battery Management System). Il est très probable que les batteries lithium qui ont connu un problème de surchauffe, d'incendie, ou d'explosion, étaient dotées d'un BMS défectueux ou mal conçu.
C'est le risque lorsque l'on met sur le marché un produit que l'on n'a pas eu le temps de tester, pour ne pas être en retard face à la concurrence. L'électronique n'est pas une science exacte, il y a souvent des retouches à donner pour que la théorie devienne réalité. Mais si on y regarde bien, nous avons tous du lithium dans les poches ou sur le bureau.


 L'un des avantages du lifepo est sa capacité de stockage par rapport à sa masse et à son volume.
En volume, voilà ce que cela donne : La lumière n'est pas la même, mais c'est bien le même coffre à batteries.

  À ma gauche, le champion en titre des poids lourds, 2 x 4 batteries Pb 6v = 470Ah,24v,240Kg, contre, à ma droite,  peut-être le futur champion toutes catégories, 8 cellules 3.2v = 400Ah/24v/110Kg. Mais c'est en poids que se situe vraiment la différence:

Vous me direz, oui, mais vous avez perdu 70Ah dans la version LFP. Est-ce bien vrai ?

Les caractéristiques des batteries Pb sont les suivantes:
8 batteries 6 V 195/235 Ah C 5/20 h. C'est à dire 2 x 4 batteries en séries, ce qui donne 470 Ah sous 24v. 470 Ah = 2 x 235 Ah car les 2 séries de 4 batteries sont montées en //. Nous disposons donc de 470 Ah en 20 heures. Ce sont des deep cycle (décharge profonde), on peut, en principe, utiliser 80% de la charge, soit 376Ah. Les caractéristiques du modèle des lifeypo4 à bord sont dans le tableau ci-dessous.

 

Model name LFP400AHA Older product marking TS-LFP400AHA, TS-LYP400AHA
Nominal voltage 3.2 V Operating voltage under load is 3.0 V
Capacity 400 AH +/- 5%
Operating voltage max 4.0V- min 2.8V At 80% DOD
Deep discharge voltage 2.5 V The cells is damaged if voltage drops bellow this level
Maximal charge voltage 4.0 V The cells is damaged if voltage exceeds this level
Optimal discharge current < 200 A 0.5 C
Maximal discharge current < 1200 A 3 C, continuous for max 15 minutes from full charge
Max peak discharge current < 8000 A 20 C, maximal 5 seconds in 1 minute
Optimal charge current < 200 A 0.5 C
Maximal charge current < 1200 A < 3 C with battery temperature monitoring
Maximal continuous operating temperature 80 °C The battery temperature should not increase this level during charge and discharge
Dimensions 461x65x285 mm Millimeters (tolerance +/-2 mm)
Weight 13.7 kg Kilograms (tolerance +/- 150g)

 

Un autre des avantages des lithium, est la possibilité d'utiliser quasiment 100% de la capacité de la batterie. Comme le montre ce tableau, le constructeur conseille d'en exploiter que 80%, en stoppant la décharge de la cellule à 2,8v, soit 320 Ah. La différence est réduite, mais reste néanmoins de 56Ah.
Mais tout n'est pas joué: Dans le cahier des charges de Bluecat, les batteries doivent être capable de fournir un peu moins de 200 A durant une à deux heures, afin d'alimenter les moteurs plein pot, en cas d'urgence.
A cause de l'effet Peukert, les batteries Pb ne délivreront que 2 x 195 Ah en 5 heures. Donc encore un peu moins en 2h. 80% d'énergie exploitable, cela donne un peu moins de 312 Ah (contre 320 pour les LFP).
En tirant autant de courant en si peu de temps, la tension des batteries Pb s'écroule, avec toutes les conséquences que cela implique. P= U x I, la puissance (P) est égale à la tension (U) multiplié par le courant (I). Donc I = P/U, et la puissance du consommateur ne change pas. Alors, plus U est petit, plus I grandit. Attention à la surchauffe dans les câbles. Tout ce qui part en calorie ne profite pas aux consommateurs, et est gaspillé. Le pire étant le risque d'incendie par la fonte de l'isolant des câbles, ce qui peut provoquer un court-circuit.
Voilà donc un autre atout des LFP, elles n'ont pas d'effet Peukert. Même si on constate une différence de rendu de la capacité en fonction du courant de décharge (voir les courbes), et la tension qui chute à 3v (24v au niveau parc), mais à plus de 70% de décharge, avec un courant de 0,5C (200A). Si l'on reprend le tableau des caractéristiques de nos LFP, nous pouvons constater qu'au niveau capacité, voltage et débit courant, nous sommes tout à fait dans les clous. Cette batterie ne souffrira pas, et les consommateurs fonctionneront à leur tension nominale, soit 24v.

courbe de décharge lyp

Conclusion : Je pense que , d'un point de vue capacité, les 470Ah des Pb, sont à peu près équivalents aux 400Ah des LFP. En décharge très rapide l'avantage va tout de même aux LPF, aussi bien en capacité qu'en tension qui reste stable autour des 24v.
En décharge très lente, on pourrait penser que l'avantage irait aux Pb, puisque l'effet Peukert leur permet de restituer le reste de la capacité (qu'elles n'ont pu délivrer lors de la décharge rapide) sur le moyen terme. Du côté LFP, les courbes semblent montrer qu'elles restitueraient quasiment 90%, Mais ceci est du pinaillage. À moyen terme, le système de rechargement, à terre ou en mer, aura comblé cette petite différence.

Le formatage

Il semblerait que le formatage des lithium ait une incidence non négligeable sur les capacités de la batterie, et donc sa vie future. Le formatage peut être réalisé en usine, et dans le cas contraire, il sera à votre charge. Les conditions de formatage dépendent du type de lithium, il faudra donc suivre les indications du constructeur. Le formatage s'effectue cellule par cellule, donc avant assemblage. En général vous recevez les cellule chargées à 70%. C'est la charge conseillée pour le stockage de longue durée. Le formatage consiste en principe en une charge à la valeur maximale de la cellule, suivie d'une décharge proche de la limite inférieure. Puis une recharge à la tension maximale que vous aurez choisi pour l'utilisation courante. Certains se passent de la phase décharge. D'après ce que j'ai pu comprendre ce procédé a pour but d'utiliser l'espace maximum de stockage de la cellule. En d'autres termes, si la première charge n'est pas de 100%, il est probable que vous ne profiterez jamais de la capacité maximale de la cellule.

Loin de toute étude scientifique, certains utilisateurs ont constaté une augmentation de la capacité de la batterie après les premiers cycles de charge. Toutes fois, ils ne précisent pas le type exacte de lithium, et ne livrent aucune information sur les conditions de formatage, ni d'utilisation. Personnellement, je n'ai pas eu le temps de faire ce genre d'expérience. Toute information sur le sujet est la bienvenue.

A priori, il faudra une alimentation dédiée pour cette opération, car le formatage se réalise à tension et courant constant, et dépend des caractéristiques des cellules. Elle devra être capable de respecter les différents seuils avec précision, et de débiter un courant conséquent, si vous ne voulez pas y passer votre vie.

Le premier à se féliciter de ce formatage sera le BMS, car toutes les cellules seront rigoureusement à la même tension lors de l'assemblage.

Le site:

Toutes fois, pour obtenir ces résultats, il faut traiter les lifepo comme il se doit, avec égards. C'est déjà vrai pour les Pb, c'est juste un peu plus pointu avec les LFP qui doivent leur salut au BMS. C'est le sujet du prochain article. Mieux vaut un bon bâbord, qu'une bombe à bord.