Les ACCUS en modélisme (Lithium..., cadmium-nickel, Métal hydrure et Plomb)
Mise à jour le 25/05/08
Vocabulaire et notion énergétique:
C : Caractérise la capacité de la batterie et s'exprime en Ah
C/n ou nC : Caractérise la vitesse de décharge d'une batterie (exemple: C/10 = décharge au dixième de la capacité d'une batterie, 5C = décharge à une intensité égale à 5 fois la capacité d'une batterie. exemple: C=2,3Ah à 5C, la batterie est déchargé avec un courant de 2,3x5=11,5A la batterie sera vide en 2,3/11,5 (ou 1/5) =0,2h soit 12 min (si l'effet Peukert est négligeable...)
Effet Peukert: Caractérise le fait qu'une décharge trop rapide de la batterie entraîne une baisse de la capacité restitué (peu sensible sur le lithium)
Elément(s): Une batterie est souvent constituée de plusieurs éléments en série et/ou en parallèle. La mise en série permet d'augmenter la tension, la mise en parallèle permet d'augmenter la capacité.
Tension nominale: Tension présente aux bornes d'un élément (ou d'une batterie constituée de plusieurs éléments en série) quand la batterie est opérationnelle.
Plan:
Il y a quatre familles d'accumulateur utilisé en modélisme:
Ces accumulateurs sont maintenant quasiment obsolète. Ils en existent de nombreux types, chacun ayant des caractéristiques différentes. On rencontre des accumulateurs ayant une résistance interne faible adaptés à la propulsion électrique où des intensités très importantes sont fournies par l'accumulateur et d'autres ayant une résistance interne plus élevée destinés à des utilisation moins 'brutale' comme l'alimentation des émetteurs, des récepteurs et des servos.
Un élément possède une f.e.m. nominale de 1.2V (4 éléments = 4.8V)
Charge:
- Charge lente: 1/10 de la capacité pendant 14 heures (charge complète pour un accus vide). Il s'agit de la charge la plus couramment effectué par les utilisateurs de ces accus, pourtant ce n'est pas la meilleure charge ! le seul intérêt est le faible coût du chargeur... et le fait que l'accu ne peut pas subir de surcharge ! Par contre au fil des recharges, la résistance interne de l'accu augmente et sa capacité diminue. Cela est du à la formation de cristaux dont la taille est liée à l'intensité de charge. Plus celle-ci est faible et plus la taille des cristaux qui se forment est grande ! Et une fois qu'ils sont présent, ces cristaux restent...
- Charge rapide: 1/2 à 5 fois la capacité pendant n minutes. C'est le chargeur qui détermine l'arrêt de la charge. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer quand l'accu est complètement chargé. La plus utilisée est le DU (delta U), et ce base sur le fait que lorsque la charge est complète, la tension aux bornes d'un accu passe par un maximum puis diminue. Le chargeur détecte ce maximum puis attend une diminution de quelques dizaine de mV pour stopper la charge. La charge rapide est sans danger à condition de ce limiter à 1/2 fois la capacité pour les accus ordinaires. La charge rapide produit très peu de cristaux et assure une longue vie aux accus à la condition que la détection de fin de charge fonctionne bien ! En effet, lorsque l'accu est chargé, l'énergie qu'il reçoit n'est plus stocké (il est plein...) mais transformée en chaleur avec production de gaz... et cela peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément (il y a normalement une soupape...).
- Charge pulsée: 4 fois le 1/10 de la capacité le 1/4 du temps... (par exemple) Cela donne une moyenne du 1/10 de la capacité et il n'y a pas de surcharge de l'accu ! Un schéma de chargeur exploitant ce principe à été publié dans MRA (09/97) attention, le typon contient malheureusement des erreurs, consulter le site de l'auteur (Francis THOBOIS) pour lui demander une version corrigé... Ce type de charge mérite d'être plus utilisée, le seul défaut étant d'avoir à construire son chargeur...
Il s'agit des accumulateurs les plus simple à mettre en oeuvre. Ceux ci ont la particularité d'être moins polluant pour l'environnement et surtout ils disposent d'une capacité énergétique double des accus NiCd. Ainsi le format AA (R6) à couramment une capacité de 1200 mA (contre 750 mA en NiCd...). Ces accumulateurs se comportent également mieux lorsque la recharge est effectué après une décharge partielle (consulter le document: les batteries et l'effet de mémoire pour plus de précision. Les accus NiMh ont par contre le défaut (nul n'est parfait...) d'avoir une résistance interne plus importance que les accus NiCd. Il faut choisir des éléments ayant une faible résistance interne pour les applications où la décharge est rapide. La technologie Métal Hydrure est très avantageuse pour alimenter nos émetteurs et nos récepteurs.
Des éléments supportant des décharges rapides (20 à 30 A) existent. L'utilisation de ces éléments pour la propulsion est possible permettant ainsi d'augmenter l'autonomie de nos modèles.
Charge:
- La charge des batterie NiMh peut se faire de la même manière que les NiCd à la restriction de ne pas dépasser 1 fois la capacité par heure et d'utiliser un chargeur fiable (celui-ci ne doit pas utiliser l'élévation de température de la batterie pour stopper la charge mais le DU). La charge pulsée donne aussi toute satisfaction...
Un élément possède une f.e.m. nominale de 1.2V (4 éléments = 4.8V)
Cette technologie est la plus ancienne et est surtout utilisé pour l'alimentation des démarreurs et bougies 'glow' (power panel). En modélisme bateau on l'utilise également pour la réception et la propulsion (pas de problème de poids de batterie chez nos amis marins !)
Un élément possède une f.e.m. nominale de 2V (3 éléments = 6V)
La densité énergétique est d'environ 40 Wh/kg
La décharge doit ce faire à C/20 (20 heures...) si on veut que la batterie restitue sa capacité... Si la décharge est plus rapide (en 1 heure par exemple, la batterie ne restituera qu'une partie de sa capacité (moins de 50% en 1 heure !). Ce phénomène est appelé l'effet Peukert.
La charge idéale consiste à réaliser celle ci en plusieurs phases:
1- charge à courant constant (1/10 de la capacité) jusqu'a ce que la tension d'un élément atteigne 2,35V
2- passage en mode floating à 2,25V par élément permettant l'équilibrage de la batterie.
Voici la technologie du moment ! On distingue plusieurs familles qui dépendent de l'élément chimique associé au lithium.
L'intérêt principal du lithium est sa densité énergétique (en Wh/kg) qui dépasse toute les autres technologie... Le lithium offre entre 100 et 200 Wh/kg.
Le lithium doit s'utiliser en prenant des précautions ! Cette technologie peut présenter des dangers (incendie ou explosion...) si un élément est maltraité (surcharge).
Lithium-ion: Tension nominale d'un élément: 3,6V ou 3,7V
Tension de charge: 4,2V
Enveloppe rigide de l'accu (cylindrique).
Risque d'explosion et d'incendie en cas de surcharge ou de court circuit.Lithium-Polymère (LiPo): Tension nominale d'un élément: 3,6V
Tension de charge: 4,2V
Enveloppe souple de l'accu (élément plat). Grande densité énergétique. L'enveloppe gonfle en cas de surcharge.
Risque d'incendie en cas de surcharge ou de court circuit.
Lithium-Fer-Phosphate (LiFePo4): Tension nominale d'un élément: 3,2V,
Tension de charge: 3,6V (3,8V maxi)
Enveloppe rigide cylindrique ou souple prismatique. Densité énergétique de 100Wh/kg.
Durée de vie à priori importante mais capacité de décharge limitée (C/2...) Sauf pour certains éléments cylindriques, sinon la durée de vie promise (1000 cycles) s'effondre...
Lithium NanoPhosphate (A123): Technologie propriétaire de A123system, Tension nominale d'un élément: 3,2V,
Tension de charge: 3,6V
Densité énergétique de 110Wh/kg. Éléments cylindriques. Chimie de l'élément très stable avec peu de risques d'incendie même en cas de surcharge.
Durée de vie très importante (3000 cycles). Capacité de décharge très importantes (20C en continu) sans pertes de capacité ! (<5%).
Je connais bien ces éléments, ils sont très bons !Décharge d'un élément lithium: Il ne faut jamais faire descendre la tension d'un élément en dessous d'une certaine valeur, sinon l'élément perd une grande partie de ses caractéristiques... (sa capacité notamment). Cette tension minimum dépend du type d'accu lithium, elle est de 2V pour le Lithium NanoPhosphate.
Charge d'un élément lithium: elle est effectué à tension fixe limitée en courant. Cette tension fixe doit être précisément déterminé pour chaque type d'accu. Une précision de quelques pourcent est indispensable. En cas de dépassement de la tension, l'accu est surchargé et peut prendre feu ou exploser ! La valeur de cette tension dépend du type d'accu (4,2V, 4,1V ou 3,6V pour le NanoPhosphate). La charge est terminée quand l'intensité de charge diminue rapidement (la tension de l'accu à alors atteint la tension de charge).
La charge en série de plusieurs éléments n'est possible que si la tension de chaque élément est contrôlé en permanence pour qu'il soit impossible que la tension de l'un des éléments dépasse sa tension nominale de charge.
Par conséquent, le contrôle d'un ensemble d'élément Lithium assemblé en pack nécessite la présence d'un circuit de surveillance. Celui-ci est appelé communément un B.M.S. (Battery Management System). Le rôle de celui-ci est au minimum d'empêcher la destruction d'un élément et au mieux d'assurer une longue durée de vie au pack. Un BMS très performant est décrit sur ce site: BMS