Réalisation d'une batterie à partir de cellules

[invitefa8d3362]

Hello,
Je souhaite réaliser une batterie à partir de cellules Li-Ion 3.7V 2600mAh (voir caractéristiques ici). Celles-ci sont équipées de PCM (circuit de protection réalisant une protection pour la surcharge, la sur-décharge ainsi que les sur-courant).
Je souhaite utiliser l'un des modules tout-en-un suivant pour charger, protéger et délivrer une tension régulée autour de 5V:
Boost DC-DC convertisseur 134n3p, Lipo frais module avec USB
ou 10pcs 3.7V 9V 5V 2A Réglable Step Up 18650 Lithium Batterie Module intégré de décharge de charge
ou Chargeur / Booster LiPo Rider Plus - USB Type C 5V / 2.4A

Mon cahier des charges est le suivant:

• la cellule présentée m'est imposée (on les a à disposition)
• il me faut environ 10 jours d'autonomie
• la charge est de 5V, tirant 70mA.

Ainsi, en ayant un système composé de 10 cellules 3.7V 2600mAh, un convertisseur DC/DC avec un rendement de 85% sur le module et une charge de 70mA sous 5V, cela donne un courant tiré sur la batterie de 111.3mA soit une autonomie de 9.7jours, ce qui réponds au besoin.

Place aux questions..

1. D'un point de vue purement électrique et électronique, est-ce que la composition de ce système est bonne et fonctionnelle ?
2. Est-ce que le fait d'avoir à la fois des circuits de protection individuels à chaque cellule et un circuit de protection général intégré au module assurant la charge n'est pas gênant ?
3. Comment câbler proprement l'ensemble des cellules, sachant que le PCB de protection est colée sur l'une des électrodes et qu'elle n'est donc pas accessible pour faire des soudures à point (qui, est a priori, d'après mes recherches, la méthode standard pour l'assemblage de cellules) ? Je pensais utiliser les fils de chaque cellule et faire une câblage en étoile (pour avoir la même longueur de fil et éviter les déséquilibres) en les reliant en effectuant une épissure ou en les reliant à un bornier de raccordement?

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[invitefa8d3362]

J'aoute les données suivantes..

Concernant les données caractéristiques des cellules (limites de fonctionnement):

• Capacité: 2600mAh
• Tension nominale: 3.7V
• Tension max: 4.2V
• Tension min: 3.05V
• Courant de charge max: 1300mA
• Courant de décharge max: 1000mA (contrairement à 5200mA indiqué dans le lien)

Concernant les données caractéristiques des cellules (circuit de protection intégré):

• Tension de sur-charge: 4.28V
• Tension de sur-décharge: 3,00V
• Sur-courant: entre 1.2 (min) et 4A (max)

Note: ces données ne sont pas forcément présentes sur le lien mais ont été obtenues en prenant directement contact avec le fournisseur

[Black Jack 2]

Attention.

On lit que la plage de tension d'entrée du convertisseur DC-DC est [3,7 ; 5,5] volts.

On ne peut pas avoir 5 groupes de (2 cellules en série) sinon la tension dépasserait 5,5 volts

Mais avec 10 groupes en parallèle de 1 cellule, la tension "nominale" serait juste la tension minimale permise par le convertisseur DC-DC.

Or la tension "nominale" qui est indiquée dans les carctéristiques n'est pas une tension assurée, cette tension varie avec l'état de charge de la batterie, avec le courant tiré, avec la température ...

Et donc, il est bien probable qu'on ne peut pas garantir que les 3,7 V seront bien au minimum présent pendant 10 jours suivant les conditions (état de charge qui varie évidemment, température et ...)

Cela ne veut pas dire que cela n'ira pas ... surtout si tu ne fais qu'un seul exemplaire.
Il est fort possible que si on se retrouve un peu en dessous des 3,7 V cela fonctionne quand même ... ou bien non ?



Voir par exemple ici (cela ne correspond pas aux cellules que tu veux employer, mais elles sont de même type (Lithium Ion).
On peut voir l'allure des variations de la tension en fonction de l'état de charge, du courant tiré et de la température...

[invitefa8d3362]

Merci pour ces informations Black Jack 2.
Effectivement, la tension d'entrée du DC/DC spécifiée semble un peu juste. Je pense, et j'espère, qu'étant donné que c'est un module tout-en-un fait pour les cellules 3.7V, le DC/DC fonctionnera au-deçà de cette plage spécifiée. Les tests, sur plusieurs prototypes, me permettront de m'en assurer.

Hormis ce point, aurais-tu des éléments de réponse aux questions que j'ai soulevées ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonjour,

Le rendement à 7% du courant nominal sera probablement assez notablement inférieur aux 85 % annoncés.
Il faut réaliser un équilibrage des accus (s'assurer qu'ils délivrent exactement la même tension) avant de les connecter en parallèle.
Il faudrait une surveillance de la température des accus.

Avec un courant de charge de 1 A et une capacité de 26 Ah, il faut prévoir plus d'un jour de recharge.

Est-ce que le fait d'avoir à la fois des circuits de protection individuels à chaque cellule et un circuit de protection général intégré au module assurant la charge n'est pas gênant ?

Ce n'est pas un problème.

Comment câbler proprement l'ensemble des cellules, sachant que le PCB de protection est colée sur l'une des électrodes et qu'elle n'est donc pas accessible pour faire des soudures à point (qui, est a priori, d'après mes recherches, la méthode standard pour l'assemblage de cellules) ? Je pensais utiliser les fils de chaque cellule et faire une câblage en étoile (pour avoir la même longueur de fil et éviter les déséquilibres) en les reliant en effectuant une épissure ou en les reliant à un bornier de raccordement?

La soudure par point permet de connecter les cellules, mais la présence des PCM sur PCB permet de faire une soudure, c'est plus simple et ici fonctionnel.
Le câblage en étoile permet effectivement de limiter les déséquilibres, mais étant donnés les courant de travail l'effet est ici négligeable : chaque dizaine de mOhm de câblage n'apporte qu'un déséquilibre de ~1 mV @100 mA.

[invitefa8d3362]

Bonjour Antoane et merci pour avoir pris le temps de me répondre.

Le rendement à 7% du courant nominal sera probablement assez notablement inférieur aux 85 % annoncés.

Qu'entends-tu par rendement à 7% du courant nominal ?
Oui, j'imagine que les performances annoncées ne seront pas au rendez-vous (à caractériser au moment des tests).

Il faut réaliser un équilibrage des accus (s'assurer qu'ils délivrent exactement la même tension) avant de les connecter en parallèle.

J'ai prévu de les charger à 100% et de les mesurer ainsi que de les mettre à niveau (équilibrage en les déchargeant) si jamais certaines n'ont pas la même tension, tout ça préalablement au montage final.
J'ai lu qu'il pourrait être nécessaire de mettre les cellules dans un réseau d'équilibrage (qui consiste en fait à mettre une résistance > kOhm entre chaque cellule) pendant 24 à 48h afin qu'elles (s'auto) équilibrent. Est-ce réellement nécessaire de faire cette étape en plus de la première? Est-ce plus performant donc plus sécuritaire ?

Avec un courant de charge de 1 A et une capacité de 26 Ah, il faut prévoir plus d'un jour de recharge.

Ceci est clairement identifié et n'est pas un problème

Il faudrait une surveillance de la température des accus.

S'il n'y en a pas, quel est le risque ? un auto-emballement thermique dû à un auto-emballement en courant ? le PCM et sa limite en courant devrait alors déconnecter la cellule du circuit assurant la sécurité avant le risque de dégazage/explostion/départ de feu, n'est-ce pas?

Ce n'est pas un problème.

J'ai tout de même un doute, étant donné que le PCM est fait pour protéger la cellule elle-même et n'est pas (a priori, d'après ce que j'ai pu voir) utilisé sur des batteries composées de cellules (je n'y vois qu'une protection générale à l'ensemble des cellules). Cela soulève, chez moi du moins, des questions d'inter-compatibilité si on mets plusieurs PCM en //.
Par exemple:

• Est-ce que la chute de tension des 2 MOSFET (celui de "charge" et celui de "décharge") du PCM, dûe à au passage du courant dans les RDSON ayant une forte dispersion (faible précision) entre les PCM ne va pas déséquilibrer les cellules qui seront mises en // ? (Je pense que non car on parle ici d'environ 1 mV de tolérance)
• La mesure du courant effectuée par le PCM (j'ignore comment elle est exactement effectuée)ne sera-t-elle pas gênée par la mise en // d'un autre PCM ?

Bien sûr, encore une fois, les essais répondront (par l'affirmatif ou non) à ces 2 questions, mais il est toujours mieux (et plus intelligent) d'anticiper.

La soudure par point permet de connecter les cellules,

Sais-tu pourquoi celle-ci est (quasiment) à 100% des cas utilisée ?
J'imagine qu'il y a 3 réponses:

1. c'est plus robuste: car c'est solide et donc il ne peut y avoir d'arrachage et vibrations amenant une déconnexion d'une cellule du réseau
2. cela limite grandement chute de tension entre 2 points de connexion (important surtout avec des relatifs fort courants)
3. c'est plus rapide, en étant toutefois équipé d'un appareil de soudure par point.

[Antoane]

Bonjour,

Qu'entends-tu par rendement à 7% du courant nominal ?

la doc indique un courant nominal de 1 A, donc 70 mA est 7 % * 1 A. Vu autrement : le courant de fonctionnement est très faible comparé au nominal, il faut donc s'attendre à des performances très inférieures.

J'ai prévu de les charger à 100% et de les mesurer ainsi que de les mettre à niveau (équilibrage en les déchargeant) si jamais certaines n'ont pas la même tension, tout ça préalablement au montage final.
J'ai lu qu'il pourrait être nécessaire de mettre les cellules dans un réseau d'équilibrage (qui consiste en fait à mettre une résistance > kOhm entre chaque cellule) pendant 24 à 48h afin qu'elles (s'auto) équilibrent. Est-ce réellement nécessaire de faire cette étape en plus de la première? Est-ce plus performant donc plus sécuritaire ?

Ces deux étapes sont équivalentes, même si kOhm est énorme. Des différences de tensions de charges de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de mV, utiliser des résistances de l'ordre de quelques Ohm devrait suffire.

S'il n'y en a pas, quel est le risque ? un auto-emballement thermique dû à un auto-emballement en courant ? le PCM et sa limite en courant devrait alors déconnecter la cellule du circuit assurant la sécurité avant le risque de dégazage/explostion/départ de feu, n'est-ce pas?

L’emballement thermique (se propageant d'une cellule à l'autre si elles ne sont pas bien séparées thermiquement) est un risque. Se pose également celui de la dégradation des cellules si chargées ou déchargées à des températures déraisonnables (cf. https://forums.futura-sciences.com/e...-securite.html)

J'ai tout de même un doute, étant donné que le PCM est fait pour protéger la cellule elle-même et n'est pas (a priori, d'après ce que j'ai pu voir) utilisé sur des batteries composées de cellules (je n'y vois qu'une protection générale à l'ensemble des cellules). Cela soulève, chez moi du moins, des questions d'inter-compatibilité si on mets plusieurs PCM en //.

Il n'y a pas de problème en fonctionnement normal (i.e. lorsque la batterie est bien gérée et que le PCM est toujours transparent), mais il pourrait y en avoir lors d'un changement d'état du PCM qui se traduirait par un pic de courant...

[*] Est-ce que la chute de tension des 2 MOSFET (celui de "charge" et celui de "décharge") du PCM, dûe à au passage du courant dans les RDSON ayant une forte dispersion (faible précision) entre les PCM ne va pas déséquilibrer les cellules qui seront mises en // ?

Non, car en fin de charge le Rdson*I tend vers 0.

La mesure du courant effectuée par le PCM (j'ignore comment elle est exactement effectuée)ne sera-t-elle pas gênée par la mise en // d'un autre PCM ?

Ils utilisent probablement la Rdson du mosfet comme shunt. Pas de problème donc.

Sais-tu pourquoi celle-ci est (quasiment) à 100% des cas utilisée ?
J'imagine qu'il y a 3 réponses:

1. c'est plus robuste: car c'est solide et donc il ne peut y avoir d'arrachage et vibrations amenant une déconnexion d'une cellule du réseau
2. cela limite grandement chute de tension entre 2 points de connexion (important surtout avec des relatifs fort courants)
3. c'est plus rapide, en étant toutefois équipé d'un appareil de soudure par point.

Il y a aussi le fait que faire une brasure "classique" stresserait thermiquement la cellule.
Et peut-être (probablement) d'autres raisons que je ne connais pas.