Les batteries étaient autrefois des objets lourds et délicats, ne fournissant qu'une faible quantité de courant pour leur taille et leur poids. Heureusement, au fil du temps, la technologie s'est améliorée et, en 2020, nous avons la chance de disposer de batteries lithium-polymère capables et puissantes qui peuvent fournir toute la puissance dont votre projet mobile pourrait avoir besoin. Il y a cependant quelques considérations que l'on doit faire dans leur utilisation, alors lisez la suite pour une introduction sur la façon d'utiliser correctement les LiPos dans votre projet!

Tant de types!

Avec l'entrée sur le marché de la première batterie lithium-ion commerciale en 1991, les (presque) 30 ans se sont rapidement développés. Cela a conduit à une prolifération de différentes technologies et types de batteries, selon la construction et les matériaux utilisés. Afin de bien traiter vos batteries, il est important de savoir ce que vous avez, il est donc essentiel d'y prêter attention.

18650 cellules lithium-ion trouvées dans une batterie d'ordinateur portable. Des emballages comme ceux-ci sont normalement soudés par points avec des bandes de nickel.

Lithium-ion ou Li-ion se réfère généralement à la technologie globale des batteries au lithium rechargeables, mais se réfère également spécifiquement aux cellules traditionnelles construites dans des corps métalliques cylindriques. Le vénérable 18650 est une de ces cellules, mais il existe une grande variété de tailles et de types. Leurs gros boîtiers rendent ces cellules populaires pour une utilisation grossière.

Lithium-Polymère ou Li-Po fait référence à une batterie lithium-ion qui utilise un électrolyte polymère au lieu d'un électrolyte liquide. Cela permet la construction de cellules de poche avec différentes géométries. Cette flexibilité de conception rend les batteries lithium-polymère utiles dans des applications telles que les smartphones et les tablettes, où une batterie haute capacité est nécessaire et un facteur de forme plat est souhaitable. Ils sont également couramment utilisés dans les modèles de radiocommande, où leur construction légère est un énorme avantage pour les véhicules volants.

Pochettes en lithium-polymère, conçues pour une utilisation RC. Le pack supérieur est de type HV.

Lithium-HV ou lithium haute tension sont des batteries au lithium polymère qui utilisent un additif spécial silicium-graphène sur la borne positive, qui résiste aux dommages à des tensions plus élevées. Lorsqu'elles sont chargées au-dessus de 4,2 V, la plupart des batteries au lithium présentent une perte de capacité importante et une durée de vie réduite. Cependant, en utilisant cet additif, les cellules peuvent être chargées à 4,35 V sans présenter ces effets négatifs. Cette tension supplémentaire fournit jusqu'à 10% de gain en densité d'énergie par rapport aux batteries lithium-polymère conventionnelles.

Lithium-Fer-Phosphate ou LiFePO4 les batteries sont une chimie modifiée au lithium-ion, qui offre les avantages de supporter plus de cycles de charge / décharge, tout en perdant une certaine densité d'énergie dans le compromis. Ils fonctionnent idéalement entre 3.0V-3.65V, au lieu de la gamme 3.0-4.2V plus typique d'une chimie lithium-ion standard. Ceci, combiné à une courbe de tension de décharge très plate, en fait des remplacements idéaux pour les batteries au plomb 12V dans de nombreuses applications, où quatre cellules remplacent les six d'origine. Ils sont généralement plus stables, avec des taux plus faibles d'autodécharge et de perte de capacité au fil du temps.

Respectez les limites

Se tromper, et les résultats peuvent être intenses.

Plus que la plupart des types de piles, les piles au lithium ne tolèrent pas les mauvais traitements. La décharge des cellules en dessous de leur limite de basse tension conduit à la formation de dendrites de cuivre, ce qui peut réduire la capacité des cellules ou les court-circuiter complètement. La surcharge des cellules provoque des dommages à l'anode par le placage au lithium hors de la solution, créant des dendrites au lithium, conduisant souvent à un court-circuit ou à un emballement thermique complet de la batterie, entraînant un dégagement de fumée et de flammes. Chaque cellule d'un pack doit également être maintenue à la même tension que ses voisins, pour éviter que les cellules ne soient endommagées prématurément.

Il est important de ne pas charger les piles au lithium trop rapidement. Les températures ambiantes jouent également un rôle important dans les performances de la batterie. Les batteries au lithium n'apprécient pas d'être retirées en dessous de zéro, en particulier lorsqu'elles sont déjà complètement chargées. Inférieur à 0°C, la charge n'est pas pratique, car le lithium métallique peut être galvanisé à l'électrode négative, provoquant des dommages majeurs ou même un court-circuit de la cellule. Entre 0 et 5 ° C, la charge est possible, mais doit être effectuée lentement. Les dommages auront tendance à se produire également lorsque les batteries sont chargées à des températures supérieures à 45 ° C.

Travailler en dehors de ces paramètres entraînera rapidement une batterie morte au mieux, ou un incendie et une explosion au pire. Ils ont également tendance à gonfler, à dégager des gaz et à devenir généralement inconvenants. En surface, cela peut sembler beaucoup à gérer. Heureusement, le complexe batterie-électronique a travaillé dur pour résoudre ces problèmes. Avec le matériel et les précautions appropriés, il est possible d'utiliser des piles au lithium de manière sûre et efficace. Mais toute personne travaillant avec ces produits chimiques doit se familiariser avec les dangers. Bob Baddeley a publié un excellent article sur la sécurité Li-Ion en novembre.

Entretien de la batterie

Pour les applications fonctionnant avec des cellules ou des packs nus, comme lors de l'utilisation de batteries LiPo dans les modèles RC, il suffit d'utiliser un chargeur prêt au lithium. Les fils d'équilibrage doivent être branchés pendant la charge, en particulier lorsque la batterie a été amenée à l'état complètement déchargée en cours d'utilisation. S'assurer qu'un chargeur intelligent est utilisé avec les limites de tension correctes (en particulier lors de l'utilisation de LiFePO4 et packs HV) vous permettront de tirer le meilleur parti de vos batteries. Assurez-vous que vous avez une méthode pour arrêter de décharger les batteries lorsque la tension devient faible, que ce soit par un voyant, un buzzer ou un arrêt automatique.

Des modules comme ceux-ci sont parfaits pour intégrer une batterie au lithium dans vos prototypes.

Si vous produisez un appareil qui nécessite une batterie intégrée en permanence, les circuits de protection et de charge ne sont que le ticket. Les modules et les circuits intégrés disponibles sur le marché existent pour simplifier la gestion d'une batterie lithium-ion. Une grande variété est disponible, de celles qui agissent comme une simple coupure basse tension aux solutions complètes de charge et de protection. Des entreprises comme Adafruit vendent des modules qui sont un excellent point de départ pour ceux qui souhaitent intégrer une solution de charge et de batterie soignée sans avoir à faire tourner les PCB eux-mêmes. Cependant, comme ces conceptions sont open source, il sera facile d'intégrer la conception de circuits dans votre propre PCB à l'avenir.

Un système de gestion de batterie pour un pack de 12 cellules, capable de délivrer jusqu'à 60A.

Pour les applications de plus grande envergure dotées de blocs de batteries sur mesure, un système de gestion des batteries est un bon choix. Fondamentalement, un BMS n'est pas très différent d'un CI de protection de batterie ou similaire, étant simplement conçu pour des applications plus importantes. Un BMS est généralement utilisé sur des packs de 10 cellules et plus, utilisés dans les applications de transport comme les vélos électriques et autres vélos. Le BMS est soudé directement à la batterie, y compris une connexion à chaque cellule individuelle. Son but est de maintenir les cellules équilibrées, de limiter le courant de décharge maximum pour des raisons de sécurité et bien sûr de contrôler le processus de recharge. Les fabricants de packs expérimentés intègrent souvent un BMS à l'intérieur du boîtier ou du couvercle de la batterie, laissant simplement un port de décharge et un port de charge accessibles. Cela permet à l'utilisateur final de déposer facilement une batterie dans un véhicule de projet sans avoir à se soucier de la manipulation de la protection elle-même.

Si votre application est particulièrement critique et doit résister à des conditions environnementales extrêmes, vous souhaiterez surveiller la température de la batterie. Garder un œil sur la température des cellules, en particulier pendant le processus de charge, est un excellent moyen de protéger votre batterie contre les dommages. Les puces de protection hautes performances et les systèmes de gestion de batterie ont des dispositions pour surveiller les températures des packs afin d'y parvenir. À ce niveau, vous construirez probablement des packs personnalisés, vous permettant ainsi d'installer des thermocouples à des emplacements précis pendant la construction. Pour les installations à haute puissance, la gestion de la température est obligatoire, avec pratiquement tous les vélos électriques et voitures électriques contenant du matériel pour surveiller les températures de la batterie et les systèmes de contrôle en conséquence.

En résumé

Les batteries au lithium-ion peuvent mordre, mais utilisées correctement, elles offrent d'excellentes performances et sont plus que suffisamment sûres pour la plupart des applications. La clé est d'utiliser le matériel approprié, pour vous assurer que vous évitez de franchir les limites de tension et de température qui peuvent conduire à une catastrophe. J'espère que ce guide vous sera utile lorsque vous chercherez à intégrer l'énergie au lithium dans vos propres projets. Et, dans le cas peu probable où vous auriez un problème de batterie amusant, assurez-vous de faire un diagnostic et de lancer la ligne de conseils. Bon piratage!

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