Principe et définitions

2020-08-11 08:07

Capacité et énergie d'une batterie ou d'un système de stockage

La capacité d'une batterie ou d'un accumulateur est la quantité d'énergie stockée en fonction de la température spécifique, de la valeur du courant de charge et de décharge et du temps de charge ou de décharge.

Capacité de cotation et taux C

Le taux C est utilisé pour mettre à l'échelle le courant de charge et de décharge d'une batterie. Pour une capacité donnée, le taux C est une mesure qui indique à quel courant une batterie est chargée et déchargé pour atteindre sa capacité définie. 

Une charge 1C (ou C / 1) charge une batterie qui est évaluée à, disons, 1000 Ah à 1000 A pendant une heure, donc à la fin de l'heure la batterie atteint une capacité de 1000 Ah; une décharge 1C (ou C / 1) draine la batterie à la même vitesse.
Une charge de 0,5 ° C ou (C / 2) charge une batterie qui est évaluée à, disons, 1000 Ah à 500 A donc il faut deux heures pour charger la batterie à la capacité nominale de 1000 Ah;
Une charge 2C charge une batterie qui est évaluée à, disons, 1000 Ah à 2000 A, donc il faut théoriquement 30 minutes pour charger la batterie à la capacité nominale de 1000 Ah;
La cote Ah est normalement indiquée sur la batterie.
Dernier exemple, une batterie plomb-acide d'une capacité nominale C10 (ou C / 10) de 3000 Ah doit être chargée ou déchargée en 10 heures avec une charge ou une décharge de courant de 300 A.

Pourquoi est-il important de connaître le taux C ou l'indice C d'une batterie

Le taux C est une donnée importante pour une batterie car pour la plupart des batteries, l'énergie stockée ou disponible dépend de la vitesse du courant de charge ou de décharge. Généralement, pour une capacité donnée vous aurez moins d'énergie si vous déchargez en une heure que si vous déchargez en 20 heures, inversement vous stockerez moins d'énergie dans une batterie avec une charge de courant de 100 A pendant 1 h qu'avec une charge de courant de 10 A pendant 10 h.

Formule pour calculer le courant disponible en sortie du système de batterie

Comment calculer le courant de sortie, la puissance et l'énergie d'une batterie en fonction du taux C?
La formule la plus simple est:

I = Cr * Er
ou
Cr = I / Er
Où
Er = énergie nominale stockée en Ah (capacité nominale de la batterie donnée par le constructeur)
I = courant de charge ou de décharge en ampères (A)
Cr = taux C de la batterie
L'équation pour obtenir le temps de charge ou de charge ou de décharge "t" en fonction du courant et de la capacité nominale est:
t = Er / I
t = temps, durée de charge ou décharge (autonomie) en heures
Relation entre Cr et t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Comment fonctionnent les batteries lithium-ion

Batteries lithium-ion sont incroyablement populaires ces jours-ci. Vous pouvez les trouver dans les ordinateurs portables, PDA, téléphones portables et iPod. Ils sont si courants parce que, livre pour livre, ils font partie des batteries rechargeables les plus énergétiques disponibles.

Les batteries lithium-ion ont également fait la une des journaux ces derniers temps. C'est parce que ces batteries ont la capacité de s'enflammer occasionnellement. Ce n'est pas très courant - seulement deux ou trois batteries par million ont un problème - mais quand cela se produit, c'est extrême. Dans certaines situations, le taux d'échec peut augmenter, et lorsque cela se produit, vous vous retrouvez avec un rappel de batterie dans le monde entier qui peut coûter des millions de dollars aux fabricants.

La question est donc de savoir ce qui rend ces batteries si énergiques et si populaires? Comment s'enflamment-ils? Et pouvez-vous faire quelque chose pour éviter le problème ou aider vos batteries à durer plus longtemps? Dans cet article, nous répondrons à ces questions et plus encore.

Les batteries lithium-ion sont populaires car elles présentent un certain nombre d'avantages importants par rapport aux technologies concurrentes:

• Ils sont généralement beaucoup plus légers que les autres types de piles rechargeables de même taille. Les électrodes d'une batterie lithium-ion sont faites de lithium léger et de carbone. Le lithium est également un élément hautement réactif, ce qui signifie qu'une grande quantité d'énergie peut être stockée dans ses liaisons atomiques. Cela se traduit par une densité d'énergie très élevée pour les batteries lithium-ion. Voici un moyen d'avoir une perspective sur la densité d'énergie. Une batterie lithium-ion typique peut stocker 150 wattheures d'électricité dans 1 kilogramme de batterie. Une batterie NiMH (nickel-hydrure métallique) peut stocker peut-être 100 wattheures par kilogramme, bien que 60 à 70 wattheures puissent être plus typiques. Une batterie au plomb ne peut stocker que 25 wattheures par kilogramme. En utilisant la technologie plomb-acide, il faut 6 kilogrammes pour stocker la même quantité d'énergie qu'une batterie lithium-ion de 1 kilogramme peut supporter. C'est une énorme différence
• Ils tiennent leur charge. Une batterie au lithium-ion ne perd qu'environ 5% de sa charge par mois, contre 20% par mois pour les batteries NiMH.
• Ils n'ont pas d'effet mémoire, ce qui signifie que vous n'avez pas à les décharger complètement avant de les recharger, comme avec d'autres chimies de batterie.
• Les batteries au lithium-ion peuvent gérer des centaines de cycles de charge / décharge.

Cela ne veut pas dire que les batteries lithium-ion sont parfaites. Ils présentent également quelques inconvénients:

• Ils commencent à se dégrader dès qu'ils quittent l'usine. Ils ne dureront que deux ou trois ans à compter de la date de fabrication, que vous les utilisiez ou non.
• Ils sont extrêmement sensibles aux températures élevées. La chaleur provoque la dégradation des batteries lithium-ion beaucoup plus rapidement qu'elles ne le feraient normalement.
• Si vous déchargez complètement une batterie lithium-ion, elle est endommagée.
• Une batterie au lithium-ion doit avoir un ordinateur de bord pour gérer la batterie. Cela les rend encore plus chers qu'ils ne le sont déjà.
• Il y a peu de chances que, si une batterie lithium-ion tombe en panne, elle s'enflamme.

Beaucoup de ces caractéristiques peuvent être comprises en examinant la chimie à l'intérieur d'une cellule lithium-ion. Nous examinerons cela ensuite.

Les batteries au lithium-ion sont de toutes formes et tailles, mais elles se ressemblent toutes à l'intérieur. Si vous deviez démonter une batterie d'ordinateur portable (ce que nous NE recommandons PAS en raison de la possibilité de court-circuiter une batterie et d'allumer un incendie), vous trouverez ce qui suit:

• Les cellules lithium-ion peuvent être soit des batteries cylindriques qui semblent presque identiques aux cellules AA, soit elles peuvent être prismatiques, ce qui signifie qu'elles sont carrées ou rectangulaires L'ordinateur, qui comprend:
• Un ou plusieurs capteurs de température pour surveiller la température de la batterie
• Un convertisseur de tension et un circuit régulateur pour maintenir des niveaux de tension et de courant sûrs
• Un connecteur blindé pour ordinateur portable qui permet à l'alimentation et aux informations d'entrer et de sortir de la batterie
• Une prise de tension, qui surveille la capacité énergétique des cellules individuelles du bloc-batterie
• Un moniteur d'état de charge de la batterie, qui est un petit ordinateur qui gère tout le processus de charge pour s'assurer que les batteries se chargent aussi rapidement et complètement que possible.

Si la batterie devient trop chaude pendant la charge ou l'utilisation, l'ordinateur arrêtera le flux d'énergie pour essayer de refroidir les choses. Si vous laissez votre ordinateur portable dans une voiture extrêmement chaude et essayez d'utiliser l'ordinateur portable, cet ordinateur peut vous empêcher de s'allumer jusqu'à ce que les choses se refroidissent. Si les cellules sont complètement déchargées, la batterie s'arrêtera car les cellules sont endommagées. Il peut également suivre le nombre de cycles de charge / décharge et envoyer des informations afin que le compteur de batterie de l'ordinateur portable puisse vous dire combien de charge reste dans la batterie.

C'est un petit ordinateur assez sophistiqué, et il tire son énergie des batteries. Cette consommation d'énergie est l'une des raisons pour lesquelles les batteries lithium-ion perdent 5% de leur puissance chaque mois lorsqu'elles sont inactives.

Cellules au lithium-ion

Comme avec la plupart des batteries, vous avez un boîtier extérieur en métal. L'utilisation de métal est ici particulièrement importante car la batterie est sous pression. Ce boîtier en métal a une sorte de trou d'aération sensible à la pression. Si la batterie devient si chaude qu'elle risque d'exploser en raison d'une surpression, cet évent relâchera la pression supplémentaire. La batterie sera probablement inutile par la suite, c'est donc quelque chose à éviter. L'évent est strictement là par mesure de sécurité. Il en va de même pour le commutateur à coefficient de température positif (PTC), un dispositif censé empêcher la batterie de surchauffer.

Ce boîtier métallique contient une longue spirale composée de trois fines feuilles pressées ensemble:

• Une électrode positive
• Une électrode négative
• Un séparateur

À l'intérieur du boîtier, ces feuilles sont immergées dans un solvant organique qui joue le rôle d'électrolyte. L'éther est un solvant courant.

Le séparateur est une feuille très fine de plastique micro perforé. Comme son nom l'indique, il sépare les électrodes positives et négatives tout en laissant passer les ions.

L'électrode positive est en oxyde de lithium et de cobalt, ou LiCoO2. L'électrode négative est en carbone. Lorsque la batterie se charge, les ions de lithium se déplacent à travers l'électrolyte de l'électrode positive à l'électrode négative et se fixent au carbone. Pendant la décharge, les ions lithium retournent au LiCoO2 à partir du carbone.

Le mouvement de ces ions lithium se produit à une tension assez élevée, de sorte que chaque cellule produit 3,7 volts. C'est beaucoup plus élevé que le 1,5 volts typique d'une pile alcaline AA normale que vous achetez au supermarché et contribue à rendre les batteries lithium-ion plus compactes dans les petits appareils comme les téléphones portables. Voir Fonctionnement des batteries pour plus de détails sur les différentes compositions chimiques des batteries.

Nous verrons comment prolonger la durée de vie d'une batterie lithium-ion et explorerons pourquoi elle peut exploser ensuite.

Durée de vie et mort de la batterie au lithium-ion

Les batteries au lithium-ion sont chères, donc si vous voulez que la vôtre dure plus longtemps, voici quelques points à garder à l'esprit:

• La chimie des ions lithium préfère une décharge partielle à une décharge profonde, il est donc préférable d'éviter de ramener complètement la batterie à zéro. Étant donné que la chimie lithium-ion n'a pas de «mémoire», vous n'endommagez pas la batterie avec une décharge partielle. Si la tension d'une cellule lithium-ion tombe en dessous d'un certain niveau, elle est ruinée.
• Les batteries au lithium-ion vieillissent. Ils ne durent que deux à trois ans, même s'ils sont assis sur une étagère inutilisée. N'évitez donc pas d'utiliser la batterie en pensant que la batterie durera cinq ans. Ce ne sera pas le cas. De plus, si vous achetez une nouvelle batterie, vous voulez vous assurer qu'elle est vraiment neuve. S'il est posé sur une étagère du magasin depuis un an, il ne durera pas très longtemps. Les dates de fabrication sont importantes.
• Évitez la chaleur qui dégrade les batteries.

Explosion de batteries

Maintenant que nous savons comment faire fonctionner les batteries lithium-ion plus longtemps, voyons pourquoi elles peuvent exploser.

Si la batterie chauffe suffisamment pour enflammer l'électrolyte, vous allez avoir un incendie. Il existe des clips vidéo et des photos sur le Web qui montrent à quel point ces incendies peuvent être graves. L'article de la CBC, «Summer of the Exploding Laptop», résume plusieurs de ces incidents.

Lorsqu'un incendie comme celui-ci se produit, il est généralement causé par un court-circuit interne dans la batterie. Rappelez-vous de la section précédente que les cellules lithium-ion contiennent une feuille de séparation qui sépare les électrodes positive et négative. Si cette feuille est perforée et que les électrodes se touchent, la batterie chauffe très rapidement. Vous avez peut-être ressenti le type de chaleur qu'une pile peut produire si vous avez déjà mis une pile 9 volts normale dans votre poche. Si une pièce court entre les deux bornes, la batterie devient assez chaude.

En cas de panne du séparateur, ce même type de court-circuit se produit à l'intérieur de la batterie lithium-ion. Étant donné que les batteries lithium-ion sont si énergiques, elles deviennent très chaudes. La chaleur amène la batterie à évacuer le solvant organique utilisé comme électrolyte et la chaleur (ou une étincelle à proximité) peut l'allumer. Une fois que cela se produit à l'intérieur de l'une des cellules, la chaleur du feu tombe en cascade vers les autres cellules et tout le pack s'enflamme.

Il est important de noter que les incendies sont très rares. Pourtant, cela ne prend que quelques incendies et un peu de médias couverture pour déclencher un rappel.

Différentes technologies de lithium

Tout d'abord, il est important de noter qu'il existe de nombreux types de batteries «Lithium Ion». Le point à noter dans cette définition fait référence à une «famille de batteries».
Il existe plusieurs batteries «Lithium Ion» différentes dans cette famille qui utilisent différents matériaux pour leur cathode et leur anode. En conséquence, ils présentent des caractéristiques très différentes et conviennent donc à différentes applications.

Phosphate de fer lithium (LiFePO4)

Le phosphate de lithium et de fer (LiFePO4) est une technologie de lithium bien connue en Australie en raison de sa large utilisation et de son aptitude à une large gamme d'applications.
Les caractéristiques de prix bas, de sécurité élevée et de bonne énergie spécifique en font une option solide pour de nombreuses applications.
La tension de cellule LiFePO4 de 3,2 V / cellule en fait également la technologie au lithium de choix pour le remplacement du plomb-acide scellé dans un certain nombre d'applications clés.

Batterie LiPO

Parmi toutes les options de lithium disponibles, plusieurs raisons expliquent pourquoi LiFePO4 a été choisie comme technologie lithium idéale pour remplacer le SLA. Les principales raisons tiennent à ses caractéristiques favorables lorsque l'on examine les principales applications pour lesquelles des SLA existent actuellement. Ceux-ci inclus:

• Tension similaire à SLA (3,2 V par cellule x 4 = 12,8 V), ce qui les rend idéales pour le remplacement SLA.
• Forme la plus sûre des technologies au lithium.
• Respectueux de l'environnement - le phosphate n'est pas dangereux et est donc respectueux de l'environnement et ne présente pas de risque pour la santé.
• Large plage de température.

Caractéristiques et avantages de LiFePO4 par rapport au SLA

Vous trouverez ci-dessous quelques caractéristiques clés d'une batterie au lithium phosphate de fer qui offrent certains avantages significatifs du SLA dans une gamme d'applications. Ce n'est pas une liste complète par tous les moyens, mais elle couvre les éléments clés. Une batterie AGM 100AH a été sélectionnée comme SLA, car c'est l'une des tailles les plus couramment utilisées dans les applications à décharge profonde. Cet AGM 100AH a été comparé à un LiFePO4 100AH afin de comparer au plus près un équivalent.

Caractéristique - Poids:

Comparaison

• LifePO4 représente moins de la moitié du poids du SLA
• Cycle profond AGM - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Avantages

• Augmente l'efficacité énergétique
  • Dans les applications de caravane et de bateau, le poids de remorquage est réduit.
• Augmente la vitesse
  • Dans les applications de bateau, la vitesse de l'eau peut être augmentée
• Réduction du poids total
• Durée d'exécution plus longue

Le poids a une grande incidence sur de nombreuses applications, en particulier lorsque le remorquage ou la vitesse sont impliqués, comme la caravane et la navigation de plaisance. D'autres applications, y compris l'éclairage portable et les applications de caméra où les batteries doivent être transportées.

Caractéristique - Cycle de vie supérieur:

Comparaison

• Jusqu'à 6 fois la durée de vie du cycle
• Cycle profond AGM - 300 cycles à 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cycles à 100% DoD

Avantages

• Coût total de possession réduit (coût par kWh bien inférieur sur la durée de vie de la batterie pour LiFePO4)
• Réduction des coûts de remplacement - remplacez l'AGA jusqu'à 6 fois avant que le LiFePO4 ne doive être remplacé

La durée de vie plus longue signifie que le coût initial supplémentaire d'une batterie LiFePO4 est plus que compensé pendant la durée de vie de la batterie. Si elle est utilisée quotidiennement, une AGM devra être remplacée env. 6 fois avant le remplacement du LiFePO4

Caractéristique - Courbe de décharge plate:

Comparaison

• À 0.2C (20A) décharge
• AGM - tombe en dessous de 12 V après
• 1,5 h d'autonomie
• LiFePO4 - tombe en dessous de 12 V après environ 4 heures de fonctionnement

Avantages

• Utilisation plus efficace de la capacité de la batterie
• Puissance = Volts x Ampères
• Une fois que la tension commence à chuter, la batterie devra fournir des ampères plus élevés pour fournir la même quantité d'énergie.
• Une tension plus élevée est meilleure pour l'électronique
• Durée de fonctionnement plus longue pour l'équipement
• Utilisation complète de la capacité même à un taux de décharge élevé
• Décharge AGM @ 1C = 50% de capacité
• Décharge LiFePO4 @ 1C = 100% de capacité

Cette fonctionnalité est peu connue mais constitue un avantage considérable et présente de multiples avantages. Avec la courbe de décharge plate du LiFePO4, la tension aux bornes est supérieure à 12 V pour une utilisation de la capacité allant jusqu'à 85 à 90%. Pour cette raison, moins d'ampères sont nécessaires pour fournir la même quantité de puissance (P = VxA) et, par conséquent, l'utilisation plus efficace de la capacité entraîne une durée de fonctionnement plus longue. L'utilisateur ne remarquera pas non plus le ralentissement de l'appareil (voiturette de golf par exemple) plus tôt.

Parallèlement à cela, l'effet de la loi de Peukert est beaucoup moins significatif avec le lithium que celui de l'AGM. Il en résulte de disposer d'un pourcentage important de la capacité de la batterie quel que soit le taux de décharge. À 1C (ou décharge 100A pour une batterie 100AH), l'option LiFePO4 vous donnera toujours 100AH contre seulement 50AH pour AGM.

Fonctionnalité - Utilisation accrue de la capacité:

Comparaison

• AGM recommandé DoD = 50%
• LiFePO4 recommandé DoD = 80%
• Cycle profond AGM - 100AH x 50% = 50Ah utilisable
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Différence = 30 Ah ou 60% d'utilisation de capacité en plus

Avantages

• Autonomie accrue ou batterie de plus petite capacité pour le remplacement

L'utilisation accrue de la capacité disponible signifie que l'utilisateur peut soit obtenir jusqu'à 60% d'autonomie en plus avec la même option de capacité dans LiFePO4, soit opter pour une batterie LiFePO4 de plus petite capacité tout en obtenant la même autonomie que l'AGM de plus grande capacité.

Caractéristique - Meilleure efficacité de charge:

Comparaison

• AGM - Une charge complète prend environ. 8 heures
• LiFePO4 - La charge complète peut être aussi faible que 2 heures

Avantages

• Batterie chargée et prête à être réutilisée plus rapidement

Un autre avantage important dans de nombreuses applications. En raison de la résistance interne inférieure, entre autres facteurs, LiFePO4 peut accepter une charge à un taux beaucoup plus élevé que l'AGM. Cela leur permet d'être chargés et prêts à être utilisés beaucoup plus rapidement, ce qui entraîne de nombreux avantages.

Caractéristique - Faible taux d'auto-décharge:

Comparaison

• AGM - Décharge à 80% SOC après 4 mois
• LiFePO4 - Décharge à 80% après 8 mois

Avantages

• Peut être laissé en stock pendant une période plus longue

Cette fonctionnalité est importante pour les véhicules de loisirs qui ne peuvent être utilisés que quelques mois par an avant d'être stockés pour le reste de l'année tels que les caravanes, les bateaux, les motos et les jet-skis, etc. Parallèlement à ce point, LiFePO4 ne calcifie pas et donc même après avoir été laissée pendant de longues périodes, la batterie est moins susceptible d'être endommagée de manière permanente. Une batterie LiFePO4 n'est pas endommagée si elle n'est pas stockée dans un état complètement chargé.

Donc, si vos applications justifient l'une des fonctionnalités ci-dessus, vous serez sûr d'obtenir votre argent pour le supplément dépensé pour une batterie LiFePO4. Un article de suivi suivra dans les semaines à venir qui inclura les aspects de sécurité sur LiFePO4 et différentes chimies du lithium.