Chargeur de batteries Li-ion

[Yvan_Delaserge]

Bonjour à tous,

J'ai essayé de trouver, sans grand succès, un schéma simple de chargeur de batteries Li-ion.

Sachant que ces batteries ne doivent en aucun cas être chargées au-delà de 4,2 V et qu'il y en a plusieurs, branchées en série, mais que les capacités des batteries de l'ensemnle ne sont pas toutes les mêmes, comment être sûr qu'aucune ne "verra" plus de 4,2 V lors de la mise en charge?

J'ai pensé à utiliser un régulateur de voltage de type shunt en parallèle avec chaque batterie.

De cette manière, chaque fois que la tension de 4,2 V est atteinte par une des batteries du groupe, le courant passe à travers le transistor, et non plus à travers la batterie.

Il faudrait ensuite imaginer un moyen de monitorer la tension aux bornes de chaque batterie et quand la dernière a atteint les 4,2 V, la charge peut être interrompue.

Est-ce que le principe vous paraît viable, ou bien s'agit-il d'un pas dans la mauvaise direction?

Merci d'avance.
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[Antoane]

Bonjour,

La précision demandée sur le 4.2 V est de l'ordre de la dizaine de mV.

Comment dimensionnerais-tu les R et Zd ?

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

La précision demandée sur le 4.2 V est de l'ordre de la dizaine de mV.

Comment dimensionnerais-tu les R et Zd ?

Oui en effet, donc autant dire qu'avec des Zener standard, on ne va pas atteindre la précision nécessaire.

Dans ce cas, il vaudrait peut-être mieux avoir recours à un microcontrôleur, qui mesurerait la tension aux bornes de chaque batterie individuelle et qui contrôlerait directement chaque transistor en le rendant conducteur juste ce qu'il faut pour que la tension aux bornes de la batterie soit toujours inférieure à 4,2 V.

Mais le microcontrôleur ne peut fournir qu'un signal PWM, différent pour chaque transistor. Il faudrait donc acheminer ce signal PWM à travers un optocoupleur pour des raisons de niveau de tension (selon que l'on commande le transistor tout en haut ou bien celui tout en bas, par exemple).
Et le signal de sortie de l'optocoupleur devrait être filtré avant d'attaquer le transistor.

ça commence à se compliquer!

Les résistances R devraient être dimensionnées en fonction du courant utilisé pour la charge. Si l'on veut charger des batteries de 2000 mA h avec un courant de 700 mA: Disons dans les 5 Ohms. Lorsqu'une batterie a atteint 4,2 V, la résistance et le transistor doivent dissiper les 4,2 x 0,7A = 2,94 W initialement destinés à la batterie.

Commentaires?

[Antoane]

Oui en effet, donc autant dire qu'avec des Zener standard, on ne va pas atteindre la précision nécessaire.

Donc c'est cuit.
Avec une zener idéale et une jonction dont le Vbe soit bien connu, la résistance devrait être supprimée : la tension max aux bornes de la batterie serait autrement de Vbe + Vz + R*Icharge, Icharge étant inconu puisque la fin de charge se fait à courant constant.

ça commence à se compliquer!

Une complication majeure réside dans la mesure de la tension des cellules non référencées à la masse. C'est possible, avec un multiplexeur "haute tension" ou un set d'AOP HT, mais pas évident.
Et utiliser un NPN en source de courant en le commandant à partir d'un PWM n'est toujours trivial non plus, d'autant qu'il serait bon d'éviter de décharger la batterie : c'était intrinsèquement assuré avec ton premier design, ca ne l'est plus avec le PWM+NPN.

Les résistances R devraient être dimensionnées en fonction du courant utilisé pour la charge. Si l'on veut charger des batteries de 2000 mA h avec un courant de 700 mA: Disons dans les 5 Ohms. Lorsqu'une batterie a atteint 4,2 V, la résistance et le transistor doivent dissiper les 4,2 x 0,7A = 2,94 W initialement destinés à la batterie.

Donc pas fondamentalement indispensables, la puissance pouvant être dissipée dans les NPN.

Dans le cas du lithium, la dernière phase de charge se fait à tension constante et la fin de charge est détectée lorsque le courant chute en deçà de C/20 (ou autre). Ce n'est pas faisable avec la technique que tu suggères.

Est-ce que le principe vous paraît viable, ou bien s'agit-il d'un pas dans la mauvaise direction

Le rendement est mauvais, le circuit est complexe et les caractéristiques sont mauvaises. Je te laisse conclure

Lorsqu'on veut bien gérer l'état de charge d'un batterie d'accus, on s'arrange pour ne pas consommer la même puissance sur tous les accus (on en prend en priorité sur la plus chargée) ou on réalise un équilibrage efficace, en transferant l'énergie des accus les plus chargés à ceux qui le sont moins.
http://www.linear.com/parametric/mul..._stack_monitor

Après, l'équilibrage linéaire n'est pas tout à fait entièrement complètement adhérant non plus : http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf

[A voir en vidéo sur Futura]

[Yvan_Delaserge]

Merci pour les références. Il s'agit d'ICs de type Multicell Battery Stack Monitor permettant de monitorer l'état individuel de chacun des accus d'une batterie, qui peuvent être très nombreux. Mais pour réaliser un chargeur? J'imagine qu'il doit exister aussi des ICs spécialisés?

Lorsqu'on veut bien gérer l'état de charge d'un batterie d'accus, on s'arrange pour ne pas consommer la même puissance sur tous les accus (on en prend en priorité sur la plus chargée) ou on réalise un équilibrage efficace, en transferant l'énergie des accus les plus chargés à ceux qui le sont moins.

Mais comment réaliser un tel transfert si on dispose d'un ensemble d'accus branchés en série?

[Antoane]

Mais comment réaliser un tel transfert si on dispose d'un ensemble d'accus branchés en série?

Avec un élément de stockage temporaire : on y transvase de l'énergie de l'accus le plus chargé, puis on le déverse dans l'accus le moins chargé. Ca peut être une inductance, ou même une capa ou une batterie (http://www.linear.com/product/LTC3305).
Autre méthode : on prend de l'énergie (par exemple 4.2V-1A) sur l'accus le plus chargé et on l'envoie dans toute la chaine d'accus avec un DC-DC élévateur (sortant par exemple 41V-80mA). Si aucun autre DC-DC ne travaille, Tous les accus seront traversés par un courant de 80mA, sauf celui que sur lequel on tire 1A, qui sera déchargé à 1000-80=920mA... C'est pas super intuitif

C'est pas nécessairement évident, en particulier lorsque de nombreux accus sont en série.

cf par exmeple p. 14 et 19 : http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf
p. 11, 25 :http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/8584fb.pdf
http://www.linear.com/parametric/Battery_Cell_Balancers

[Yvan_Delaserge]

Wow, c'est plutôt complexe. Je découvre un tout nouveau domaine pour moi.

Il existe des BMS tout faits, mais d'un autre côté, pas évident de comprendre comment les brancher.



Je comprends bien comment brancher les batteries selon le schéma, mais à quoi sert P- ? Il y a 8 trous et une piste large les relie entre eux. C'est pour y faire circuler un courant élevé qu'on met 8 fils en parallèle?

Le carré noir du côté câblage, j'imagine que c'est là qu'il faut mettre le radiateur et on compte sur les trous métallisés pour conduire la chaleur depuis les transistors vers le radiateur.

[Yvan_Delaserge]

Un autre BMS devrait se brancher comme ceci:



On retrouve P- et il y a aussi un CH- sur le circuit. A quoi peuvent servir ces deux connections?

Je vais continuer à me documenter...

[invite5637435c]

Bonjour,

ce que tu montres ne sont pas des BMS mais de simples PCM (Protected Circuit Module).
Pour ton besoin tu peux t'en contenter, sauf qu'ils ne protègent pas en température négative pour la charge ainsi qu'au delà de 45°C qui est la limite haute à ne pas dépasser, ce qui est la tare classique de ces chinoiseries bon marché mais totalement inadaptées...

Pour compenser cela il faudrait que ton chargeur possède une sonde thermique à accoupler au pack à recharger et que ce chargeur ait une protection interdisant la recharge en température négative et > 45°C.

Dans la vraie vie, en 2016, un pack lithium possède un BMS qui dialogue avec son chargeur et lui transmet toutes les mesures afin d'adapter le profil de charge et garantit les sécurités indispensables.

[invite5637435c]

On retrouve P- et il y a aussi un CH- sur le circuit. A quoi peuvent servir ces deux connections?

Je vais continuer à me documenter...

Il y a 2 chemins, 1 pour la charge (là où se connecte le chargeur CH-) et 1 pour la décharge (P-)

[invite5637435c]

Précise mieux quels sont tes packs (ref, quantité, techno, capa, etc).
Le mieux étant si tu as plusieurs packs en série de les recharger indépendamment, il faut néanmoins que chacun possède un BMS (ou à minima un PCM) pour éviter toute surcharge, sous charge, court-circuit, sur-température, sous-température.

[Yvan_Delaserge]

Alors voilà en définitive comment j'ai procédé:

Il s'agissait de remplacer une batterie d'accus NiCd 18 V pour ma perceuse-visseuse.
En lieu et place des NiCd, j'ai utilisé des Li-ion 18650.

Les NiCd étaient des 1200 mAh. Les Li-ion présentent des capacités bien meilleures que ça.
Il suffit de 5 Li-ion pour remplacer les 15 NiCd. Ils sont aussi plus légers et prennent bien moins de place.

[Yvan_Delaserge]

Comme les accus sont livrés recouverts seulement d'une mince pellicule en plastique, avant de les assembler en groupe, il faut les entourer d'une couche de papier épais. En démontant un bloc d'accus d'un hélicoptère télécommandé, j'ai vu que c'était construit comme ça. Pareil pour l'ancien paquet d'accus NiCd de ma perceuse. J'imagine que ça résiste mieux en cas d'échauffement, afin d'éviter que les accus ne se mettent en court-circuit.


Comme je n'ai pas de machine à souder les accus, j'ai simplement utilisé de l'étain. Pour que la chaleur du fer à souder ne détériore pas les accus, il faut chauffer pendant un temps aussi court que possible. J'ai commencé par poncer la partie métallique qui va recevoir la soudure. Puis avec le fer à souder, j'y ai placé une goutte d'étain. Dès que l'étain adhère au métal, il faut accélérer le refroidissement en soufflant dessus.
Ensuite, on étame les morceaux de fil et on les soude à la goutte de soudure précédemment déposée sur les accus. Il faut prendre du fil de 1 mm de section, et aussi court que possible. La perceuse tire quand même une certaine intensité.

[Yvan_Delaserge]

Sur ma perceuse, les blocs d'accus sont vissés, il est donc aisé de les ouvrir pour retirer les anciens Ni Cd.



Ils sont couverts d'un dépôt blanchâtre. Ils sont HS.

[Yvan_Delaserge]

Sur les deux accus placés sur le dessus, il y a une petite pièce en plastique qui comporte les contacts qui vont amener le courant à la perceuse. Il faut précieusement récupérer cette pièce ( c'était déjà fait lorsque j'ai pris la photo ci-dessus) et la monter sur une pièce en bois, que l'on fixe à l'intérieur du paquet d'accus.



On voit sur la photo, l'un des contacts, qui correspond au moins. Le plus se trouve de l'autre côté.

[Yvan_Delaserge]

Puis, on fixe le paquet d'accus à la pièce de bois en question. Sa longueur est soigneusement calculée pour que la hauteur totale de l'assemblage soit la même que celle du paquet de NiCd original.



Avant de refermer le paquet d'accus, il reste encore à souder les fils de 1 mm de diamètre qui vont amener le courant vers la perceuse (on en voit un sur la photo, l'autre se trouve de l'autre côté), ainsi que ceux qui vont permettre de (re)charger les accus.

[Yvan_Delaserge]

Les fils sortent par un petit trou percé à la base du boîtier. Pour recharger les accus, j'utilise un Balanced charger, c'est l'appareil bleu à côté du pack d'accus. Il est à peine plus cher qu'un circuit BMS (PCM selon HULK)

[Yvan_Delaserge]

Il y a un petit câblage à faire, comme il est spécifié dans le mode d'emploi du balanced charger.



Le balanced charger va charger chaque accu à sa capacité nominale. On évite ainsi que l'un ou l'autre soit sous- ou sur-chargé. Très important pour les Li-ion, comme on en a abondamment discuté ci-dessus.

[Yvan_Delaserge]

Tout ça c'est bien joli. La charge des accus se fera dans les conditions optimales, mais qu'en est-il de la décharge?

Lors de la décharge (lors de l'utilisation de la perceuse), j'utilise un module de ce type.

Notez le prix incroyablement bas.

Lors de l'utilisation, la tension des accus diminue progressivement, ce qui traduit leur état d décharge. Le module teste tour à tour chaque accu.

https://youtu.be/RkoGqaNtC4Y

Lorsque l'un des accus atteint une tension réglable entre 2.7 et 3.8V, on a une alarme qui se met à sonner.

[Yvan_Delaserge]

J'ai réglé l'alarme à 3 V, sachant que si on descend en-dessous de 2,5 V, l'accu peut être endommagé de manière irréversible.

[Antoane]

Bonsoir,

Merci pour le retour et le tuto.

Si on voulait critiquer constructivement, on dirait qu'ajouter une sonde de température et un fusible serait sympa.

Sur les "vrais", les accus sont soudés par points (un transfo de µonde rebobiné et hop). Il me semble que souffler sur la soudure est généralement déconseillé car ça en altère la solidité.

Il n'y avait pas de 3e broche sur la batterie de ta perceuse ? pour identification de la batterie ou capteur de température.

[Yvan_Delaserge]

Hello Antoane,

Le balanced charger possède en efffet une entrée pour une sonde de température.

C'est vrai que sur les matériels de bonne qualité (je pense par exemple à l'accu de mon aspirateur robot) il y a une sonde de température incluse à l'intérieur du paquet d'accus. Mais c'est du Nimh.

A l'origine, sur ma perceuse (bas de gamme), les NiCd n'avaient pas de sonde de température. Il n'y a que deux électrodes, une pour le plus l'autre pour le moins et c'est aussi par là qu'on les branchait sur le chargeur.

Je me dis que qui peut le plus peut le moins. Ce que la perceuse demandait, et que les NiCd 1200 mAh pouvaient faire sans surchauffer, les Li-ion pourront le faire sans surchauffer. Il faut juste éviter, avec l'électronique qui va bien, de les sur-charger et de trop les décharger.

Avec le recul, je me dis qu'il aurait été bien plus simple d'utiliser simplement un BMS (PCM) placé à demeure à l'intérieur du boîtier avec les accus. Il n'y a pas de balancing avec cette solution, mais il suffirait de s'assurer avant de les assembler, que les accus sont tous du même ordre de capacité, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de "maillon faible". Pour cela, il faudrait acheter quelques accus de plus que le nombre à utiliser dans la batterie, de les charger séparément et d'évaluer leur capacité. Mais ça risque d'être fastidieux...

L'avantage, c'est qu'on pourrait carrément utiliser le même chargeur que pour les NiCd d'origine. Et qu'il n'y aurait pas de fil qui dépasse du boîtier de la batterie.

[Antoane]

Bonsoir,

Il n'y a pas de balancing avec cette solution

Donc c'est mal.

L'avantage, c'est qu'on pourrait carrément utiliser le même chargeur que pour les NiCd d'origine. Et qu'il n'y aurait pas de fil qui dépasse du boîtier de la batterie.

Même pas : le profil de charge (courant constant puis tension constante et coupure @Ic~C/10) est spécifique au lithium.
Et si le circuit que tu rajoutes dans le pack d'accus gère la charge, il y a risque que les deux chargeur intèrefèrent (en particulier : détection de fin de charge anticipée par le chargeur NiCd : le chargeur LI fait diminuer le courant en fin de charge, ce qui fait monter la tension en sortie du chargeur NiCd (c'est une source de courant), qui détecte donc la fin de charge).

[invite5637435c]

Bonjour,

le problème majeur est que tu as choisi des cellules "énergiques", alors qu'il te fallait des cellules "puissantes" pour cette application.

C'est le défaut de tous les novices en lithium, pensant que les cellules affichant le plus grand nombre d'Ah seront forcément mieux.
Résultat tu auras 2 conséquences majeures:

1/Echauffement bien supérieur
2/Faible longévité.