Tout ce que vous devez savoir sur li

À moins que Tony Stark n'intervienne et n'invente le réacteur Arc ou la recherche sur les satellites d'énergie solaire (SPS) pour le transfert d'énergie sans fil, nous, les humains, devons dépendre des batteries pour alimenter nos appareils électroniques portables ou distants. Le type de batterie rechargeable le plus courant que vous trouverez dans l'électronique grand public est soit le lithium-ion, soit le type lithium polymère. Dans cet article, notre intérêt serait sur les batteries Li-ion car elles ont tendance à être plus utiles que tous les autres types. Qu'il s'agisse d'une petite banque d'alimentation ou d'un ordinateur portable ou quelque chose d'aussi gros que le nouveau modèle 3 de Tesla, tout est alimenté par une batterie au lithium-ion.

Qu'est-ce qui rend ces batteries spéciales? Que devez-vous savoir à ce sujet avant d'en utiliser un dans vos projets / conceptions? Comment allez-vous charger ou décharger ces batteries en toute sécurité? Si vous êtes curieux de connaître les réponses à toutes ces questions, vous avez atterri sur le bon article, asseyez-vous et lisez-le pendant que je vais essayer de garder cela aussi intéressant que possible.

Historique de la batterie au lithium-ion

L'idée de la batterie au lithium-ion a été inventée pour la première fois par GN Lewis dans les années 1912, mais elle n'est devenue réalisable que dans les années 1970 et la première batterie au lithium non rechargeable a été mise sur les marchés commerciaux. Plus tard dans les années 1980, les ingénieurs ont tenté de fabriquer la première batterie rechargeable en utilisant du lithium comme matériau d'anode et ont partiellement réussi. Ils n'ont pas remarqué que ces types de batteries au lithium étaient instables pendant le processus de charge et cela créerait un court-circuit à l'intérieur de la batterie, augmentant la température et provoquant un emballement thermique.

En 1991, une telle batterie au lithium utilisée dans un mobile a explosé sur le visage d'un homme au Japon. C'est seulement après cet incident que l'on s'est rendu compte que les batteries Li-ion devaient être manipulées avec une extrême prudence. Un grand nombre de ces types de batteries qui étaient sur le marché ont ensuite été rappelés par les fabricants pour des questions de sécurité. Plus tard, après de nombreuses recherches, Sony a présenté les batteries Li-ion avancées avec une nouvelle chimie qui est utilisée jusqu'à ce jour. Terminons ici les leçons d'histoire et examinons la chimie d'une batterie au lithium-ion.

Chimie et fonctionnement de la batterie Li-ion

Comme son nom l'indique, les batteries au lithium-ion utilisent les ions lithium pour faire le travail. Le lithium est un métal très léger avec une densité d'énergie élevée, cette propriété permet à la batterie d'être légère et de fournir un courant élevé avec un petit facteur de forme. La densité d'énergie est la quantité d'énergie qui peut être stockée par unité de volume de la batterie, plus la densité d'énergie est élevée, plus la batterie sera petite. Malgré les propriétés écrasantes du lithium métal, il ne peut pas être utilisé comme électrode directement dans les batteries car le lithium est très instable en raison de sa nature métallique. Par conséquent, nous utilisons des ions lithium qui ont plus ou moins la même propriété qu'un lithium métal mais qui sont non métalliques et sont comparativement plus sûrs à utiliser.

Normalement, l'anode d'une batterie au lithium est en carbone et la cathode de la batterie est faite d'oxyde de cobalt ou d'un autre oxyde métallique. L'électrolyte utilisé pour relier ces deux électrodes sera une simple solution saline contenant des ions lithium. Lors de la décharge, les ions lithium chargés positivement se déplacent vers la cathode et la bombardent jusqu'à ce qu'elle devienne chargée positivement. Maintenant que la cathode est chargée positivement, elle attire des électrons chargés négativement vers elle. Ces électrons sont amenés à circuler dans notre circuit, alimentant ainsi le circuit.

De même pendant la charge, c'est exactement le contraire qui se produit. Les électrons des charges s'écoulent dans la batterie et, par conséquent, les ions lithium se déplacent vers l'anode, faisant perdre à la cathode sa charge positive.

Introduction aux batteries au lithium-ion

Assez de théorie sur les batteries au lithium-ion, apprenons maintenant pratiquement à connaître ces cellules afin que nous puissions être confiants quant à leur utilisation dans nos projets. La batterie au lithium-ion la plus couramment utilisée est les cellules 18650, nous en discuterons donc à peu près dans cet article. Une cellule 18650 typique est montrée dans l'image ci-dessous

Comme toutes les batteries, la batterie Li-ion a également une tension et une capacité nominale. La tension nominale pour toutes les cellules au lithium sera de 3,6 V, vous avez donc besoin d'une spécification de tension plus élevée, vous devez combiner deux cellules ou plus en série pour l'atteindre. Par défaut, toutes les cellules lithium-ion auront une tension nominale de seulement ~ 3,6V. Cette tension peut descendre jusqu'à 3,2 V lorsqu'elle est complètement déchargée et atteindre 4,2 V lorsqu'elle est complètement chargée. Rappelez-vous toujours que décharger la batterie en dessous de 3,2 V ou la charger au-dessus de 4,2 V endommagera la batterie de façon permanente et pourrait également devenir une recette pour des feux d'artifice. Décrivons les terminologies impliquées dans une batterie 18650 afin que nous puissions mieux comprendre. Gardez à l'esprit que ces explications ne sont applicables que pour une seule cellule 18650, nous nous intéresserons davantage aux batteries Li-ion plus tard, où plus d'une cellule est connectée en série ou en parallèle pour obtenir une tension et un courant beaucoup plus élevés.

Tension nominale: La tension nominale est la tension nominale réelle d'une cellule 18650. Par défaut, il est de 3,6 V et restera le même pour toutes les cellules 18650 malgré ses fabricants.

Tension de décharge complète: une cellule 18650 ne doit jamais être autorisée à se décharger en dessous de 3,2 V, faute de quoi cela modifiera la résistance interne de la batterie, ce qui endommagera la batterie de manière permanente et pourrait également entraîner une explosion.

Tension de charge complète: la tension de charge de la cellule lithium-ion est de 4,2 V. Il faut veiller à ce que la tension de la cellule n'augmente pas de 4,2 V à un moment donné.

Estimation mAh: La capacité d'une cellule est normalement donnée en termes de cote mAh (Milli Ampère heure). Cette valeur varie en fonction du type de cellule que vous avez acheté. Par exemple, supposons que notre cellule ici soit 2000mAh, ce qui n'est rien d'autre que 2Ah (Ampère / heure). Cela signifie que si nous tirons 2A de cette batterie, cela durera 1 heure et de même si nous tirons 1A de cette batterie, cela durera 2 heures. Donc, si vous voulez savoir combien de temps la batterie va alimenter votre projet (durée d'exécution), vous devez le calculer à l'aide de la cote mAh.

Durée de fonctionnement (en heures) = Courant consommé / Puissance nominale

Où, le courant consommé doit être dans la limite de notation C.

Cote C: Si vous vous êtes déjà demandé quelle est la quantité maximale de courant que vous pouvez tirer d'une batterie, votre réponse peut être obtenue à partir de la cote C de la batterie. La cote C de la batterie change à nouveau pour chaque batterie, supposons que la batterie que nous avons est une batterie 2Ah avec une cote 3C. La valeur 3C signifie que la batterie peut délivrer 3 fois la valeur nominale en Ah comme son courant maximum. Dans ce cas, il peut fournir jusqu'à 6A (3 * 2 = 6) comme courant maximum. Normalement, les cellules 18650 ont une cote de 1C seulement.

Courant maximum tiré de la batterie = C Rating * Ah Rating

Courant de charge: Une autre spécification importante d'une batterie à noter est son courant de charge. Ce n'est pas parce qu'une batterie peut fournir un courant maximum de 6A qu'elle peut être chargée avec 6A. Le courant de charge maximum d'une batterie sera mentionné dans la fiche technique de la batterie car il varie en fonction de la batterie. Normalement, ce sera 0,5C, soit la moitié de la valeur de la cote Ah. Pour une batterie de 2 Ah, le courant de charge sera de 1 A (0,5 * 2 = 1).

Temps de charge: Le temps de charge minimum requis pour qu'une seule cellule 18650 puisse être chargée peut être calculé en utilisant la valeur du courant de charge et la cote Ah de la batterie. Par exemple, une charge de batterie de 2 Ah avec un courant de charge de 1 A prendra environ 2 heures pour se charger, en supposant que le chargeur n'utilise que la méthode CC pour charger la cellule.

Résistance interne (IR): la santé et la capacité d'une batterie peuvent être prédites en mesurant la résistance interne de la batterie. Ce n'est rien d'autre que la valeur de la résistance entre les bornes anode (positive) et cathode (négative) de la batterie. La valeur typique de l'IR d'une cellule sera mentionnée dans la fiche technique. Plus elle dérive de la valeur réelle, moins la batterie sera efficace. La valeur de l'IR pour une cellule 18650 sera dans la plage de milli ohms et il existe des instruments dédiés pour mesurer la valeur de l'IR.

Méthodes de charge: Il existe de nombreuses méthodes utilisées pour charger une cellule Li-ion. Mais la topologie en 3 étapes est la plus couramment utilisée. Les trois étapes sont CC, CV et charge d'entretien. En mode CC (courant constant), la cellule est chargée avec un courant de charge constant en faisant varier la tension d'entrée. Ce mode sera actif jusqu'à ce que la batterie soit chargée à un certain niveau, puis le CV (tension constante)Le mode démarre là où la tension de charge est généralement maintenue à 4,2 V. Le mode final est la charge par impulsions ou la charge d'entretien où de petites impulsions de courant sont transmises à la batterie pour améliorer le cycle de vie de la batterie. Il existe également des chargeurs beaucoup plus complexes impliquant 7 étapes de charge. Nous n'entrerons pas beaucoup dans ce sujet car il est loin d'être hors de portée de cet article. Mais si vous souhaitez en savoir plus, mentionnez-le dans la section des commentaires et puis-je écrire un article séparé sur la charge des cellules Li-ion.

État de charge (SOC)%: L'état de charge n'est rien d'autre que la capacité de la batterie, similaire à celles indiquées sur notre téléphone mobile. La capacité d'une batterie ne peut pas être simplement calculée avec sa valve de tension, elle est normalement calculée en utilisant l'intégration de courant pour déterminer le changement de capacité de la batterie au fil du temps.

Profondeur de décharge (DOD)%: La distance à laquelle la batterie peut être déchargée est indiquée par le DOD. Aucune batterie ne sera déchargée à 100% car, comme nous le savons, elle endommagera la batterie. Normalement, une profondeur de décharge de 80% est définie pour toutes les batteries.

Dimension de la cellule: Une autre caractéristique unique et intéressante de la cellule 18650 est sa dimension. Chaque cellule aura un diamètre de 18 mm et une hauteur de 650 mm, ce qui fait que cette cellule tire son nom de 18650.

Si vous voulez plus de définitions de terminologie, consultez la documentation sur les terminologies de batterie du MIT, où vous êtes sûr de trouver plus de paramètres techniques liés à une batterie.

Façon la plus simple d'utiliser une cellule 18650

Si vous êtes un débutant complet et que vous ne faites que commencer avec 18650 cellules pour alimenter votre projet, le moyen le plus simple serait d'utiliser des modules prêts à l'emploi qui peuvent charger et décharger vos 18650 cellules en toute sécurité. Seul un tel module est le module TP4056 qui peut gérer une seule cellule 18650.

Si votre projet nécessite plus de 3,6 V comme tension d'entrée, vous voudrez peut-être combiner deux cellules 18650 en série pour obtenir une tension de 7,4 V. Dans ce cas, l'utilisation d'un module comme le module de batterie Li-ion 2S 3A devrait être utile pour charger et décharger les batteries en toute sécurité.

Pour combiner deux ou plusieurs cellules 18650, nous ne pouvons pas utiliser la technique de soudage conventionnelle pour établir une connexion entre les deux au lieu d'un processus appelé soudage par points. De plus, lors de la combinaison de 18650 cellules en série ou en parallèle, il faut prendre plus de précautions, ce qui est discuté dans le paragraphe suivant.

Pack batterie Li-ion (cellules en série et en parallèle)

Pour alimenter de petits appareils électroniques portables ou de petits appareils, une seule cellule 18650 ou tout au plus une paire d'entre eux en série ferait l'affaire. Dans ce type d'application, la complexité est moindre puisque le nombre de batteries impliquées est moindre. Mais pour des applications plus importantes comme un vélo électrique / cyclomoteur ou une voiture Tesla, nous devrons connecter un grand nombre de ces cellules en série et en parallèle pour atteindre la tension et la capacité de sortie souhaitées. Par exemple, la voiture Tesla contient plus de 6800 cellules au lithium de 3,7 V et 3,1 Ah. L'image ci-dessous montre comment il est disposé à l'intérieur du châssis de la voiture.

Avec autant de cellules à surveiller, nous avons besoin d'un circuit dédié qui peut simplement charger, surveiller et décharger ces cellules en toute sécurité. Ce système dédié est appelé un système de surveillance de batterie (BMS). Le travail du BMS est de surveiller la tension de chaque cellule au lithium-ion et également de vérifier sa température. En dehors de cela, certains BMS surveillent également le courant de charge et de décharge du système.

Lors de la combinaison de plus de deux cellules pour former un pack, il faut veiller à ce qu'elles aient la même chimie, tension, valeur Ah et résistance interne. De plus, tout en chargeant les cellules, le BMS s'assure qu'elles sont chargées uniformément et déchargées uniformément de sorte qu'à tout moment, toutes les batteries maintiennent la même tension, c'est ce qu'on appelle un équilibrage des cellules. En dehors de cela, le concepteur doit également se soucier du refroidissement de ces batteries pendant la charge et la décharge, car elles ne répondent pas bien à des températures élevées.

J'espère que cet article vous a fourni suffisamment de détails pour que vous soyez un peu confiant avec les cellules Li-ion. Si vous avez des doutes spécifiques, n'hésitez pas à laisser le dans la section des commentaires et je ferai de mon mieux pour répondre. Jusque-là, joyeux bricolage.