Batteries et Chargeurs

Les batteries ! Quelque chose d'encore banale au 20ème siècle mais qui est aujourd'hui devenu indispensable voire vitale ; on les retrouve en effet partout : dans nos véhicules (à moteur thermique ou électrique, que ce soit les voitures, scooter, vélo, trottinette et autre solo-wheel), dans nos téléphones, nos montres, nos objets connectés, dans nos jouets, nos télécommandes, nos claviers et souris d'ordinateurs, nos appareils photos et caméras, dans nos outils électriques portatifs...Bref, les batteries sont aujourd'hui un peu partout. On en trouve aussi dans les drones, ces drôles d'engins volants qui remplaceront bientôt le postier, et dans les répliques d'airsoft, ces répliques d'armes qui permettent aux jeunes de jouer à la guerre sans se tuer. Et pour ce genre d'usage, il est important de disposer d'une importante puissance tout en restant léger.

En termes de technologies, nous connaissons tous :

Les batteries au plomb (Pb) que l’on trouve bien sûr dans toutes les automobiles et motos et qu’on utilise aussi en robotique pour sa facilité d’utilisation
Les batteries Nickel Cadmium (Ni-Cd) et Nickel Métal Hydrure (Ni-MH) qui équipent nos baladeurs de musique, les voitures radiocommandées, etc.

Les technologies NiCd et NiMh souffrent d’un important déchargement quand elles ne sont pas utilisées. Les batteries NiCd perdent typiquement 1% de leur charge par jour tandis que les NiMH perdent de 5 à 20 % de leur charge le premier jour et 1 à 4 % par jour, les jours suivants. C'est leur principal inconvénient. Et c'est pourquoi on a mis au point les batteries au Lithium.

Les Batteries au Lithium

L’accumulateur au Lithium est celui qui offre la plus forte énergie spécifique (rapport énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (rapport énergie/volume). C'est donc intéressant quand on veut rester léger (comme pour l'aéromodélisme) et qu'on a peu de place (typiquement les jouets et les répliques d'airsoft). A titre d'exemple, l'astromobile Opportunity, qui a exploré la planète Mars, possédait une batterie au Lithium (au Lithium-Ion pour être précis) rechargeable grâce à ses panneaux solaires.

Il existe à ce jour trois grandes catégories de batteries au Lithium : Les Lithium-ion, les Lithium-métal et les Lithium Polymères.

Les Lithium-ion ou Li-Ion : le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion tant du côté de l'électrode négative (l'anode, généralement en graphite) que de l'électrode positive (la cathode, en dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer).
Les Lithium-métal comme les Lithium-Fer (LiFe) ou plus rarement les Lithium-Manganèse (LiMn) : Ce sont des batteries similaires aux batteries Li-Ion mais l'électrode positive (la cathode) est constituée de lithium fer phosphate (LiFePO4)
Les Lithium-Polymères ou LiPo : ce sont des accumulateurs qui fonctionnent sur le même principe que les Lithium-ion, mais l'électrolyte (le liquide conducteur dans lequel baigne les électrodes) est un polymère gélifié. On trouve aussi des LiPo High Voltage, qu'on nomme LiHV de manière un peu abusive.
NB : on trouve aussi des batteries au Lithium Métal Polymère LMP qui combinent les 2 technologies, des batteries au Lithium-Air, etc. Je vous renvoie sur Wikipédia pour la liste exhaustive des batteries au Lithium.

Les batteries LiFe (ou LiMn) :

Sont peu polluantes (elle ne contiennent pas de métaux toxiques tels que le cobalt)
Sont solides (forme cylindrique classique des piles avec une enveloppe en métal)
Sont sécurisés : un accumulateur LiFe ne prend pas feu, n'explose pas, supporte les décharges profondes, voire les surcharges.
Ont théoriquement des capacité de charge et de décharge élevés voire très élevés (c'est à dire qu'elles acceptent une charge ou décharge avec un courant important)
Acceptent les charges à chaud
Ont une durée de vie calendaire élevée (de 4 à 5 ans...)
Ont une durée de vie en nombres de cycle de charge très élevée ( supérieur à 1000 ou 2000 cycles selon la qualité de la batterie)
Ont une résistance interne qui diminue avec le temps
mais...
Ont une moins bonne densité énergétique que les LiPo : elles sont en effet beaucoup plus lourdes
Ont un voltage par cellule plus faible que les LiPo

Les batteries LiPo :

Ont une enveloppe souple et aussi plus légère : comme l'électrolyte est sous forme de gel, il ne coule pas, et on peut donc s'affranchir de la lourde enveloppe de métal traditionnelle des piles. Les batteries LiPo sont donc plus légères et peuvent adopter des formes plus variées.
Ont une densité énergétique plus élevée que les Li-ion (et ce n'est pas que grâce au gain de poids de l'enveloppe)
mais...
Sont plus chères que les Li-ion.
Sont plus complexes à charger : la charge est soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation.
Ont une durée de vie en termes de cycles de charge moins élevée que celle des LiFe (de 100 à 200 cycles en moins en général)
Sont moins sures que les Li-ion (moins résistantes à la surcharge et aux fuites d'électrolytes) : chaque élément composant la batterie (un élément = une pile) ne doit pas dépasser la tension maximale, sinon la batterie gonfle avec des risques d'incendie voire d'explosion) ni la tension minimale ( environ 2,7 V ), au risque de causer des dommages irréversibles.

Dit comme cela, on aurait tendance à privilégier l'usage des LiFe ou des Li-Ions mais de fait, les facteurs poids et volume sont parfois primordiaux. C'est notamment le cas dans le modélisme et l'aéromodélisme. Les batteries LiPo sont alors sans rivales. Et chargées correctement, elles ne présentent aucun danger particulier. Il faut simplement bien savoir les charger. Et c'est tout l'objet de ce billet : bien comprendre à quelle batterie Lithium on a affaire et ainsi bien la charger et bien l'entretenir.

Reconnaitre les différentes batteries LiPo

Les batteries LiPo existent sous toutes les formes et avec différentes puissances. Les batteries les plus répandues ressemblent à çà :

Les principaux composants d'une LiPo sont représentés ici, dans une vue éclatée. Vous noterez la présence du connecteur JST/XH blanc, qui permet d'équilibrer la charge de batterie (nous y reviendrons).

La principale caractéristique d'un accumulateur LiPo est son voltage. Il est donné par le nombre de cellules (ou pile dit plus simplement) qui sont montés en série dans la batterie. Chaque cellule donne en effet 3,7 V. Une batterie à une cellule aura donc une tension de 3,7V, deux cellules donneront 7,4V, trois cellules 11,1V, et ainsi de suite. Votre appareil électrique étant conçu pour fonctionner sous un certain voltage (par exemple 7,4V), il faut donc choisir la batterie LiPo correspondante (2 cellules pour 7,4V).

La seconde (par ordre d'importance) caractéristique d'une batterie LiPo est sa capacité, exprimé en mAh (milli Ampère heures) ; Par définition il s'agit de la quantité d'électricité traversant la section d'un conducteur parcouru par un courant d'intensité de 1 ampère pendant 1 heure. Sur notre photo précédente, la batterie a une capacité de 3300 mAh. Elle peut ainsi délivrer au plus 3 300 mA en 1 heure, ou 1 650 mA en 2 heures, etc. La capacité représente donc grosso-modo l'autonomie de votre accumulateur. Une capacité en milli ampères plus élevée (2000, 3600 et ainsi de suite) équivaut à une autonomie plus importante, la consommation de votre appareil électrique étant généralement constante.

La troisième caractéristique d'une batterie LiPo est sa capacité de décharge, exprimé en fonction de sa capacité C. Cela correspond au courant que votre batterie est capable de fournir. Une batterie de 30C (comme ci-dessous) avec une capacité nominale de 1500 mAh aura donc une capacité de décharge de 30 * 1500 mA = 45 Ampères. Plus cette valeur est élevée et plus votre accumulateur sera capable d'accepter de forts courants de décharge sans risquer d'être endommagé (comme par exemple pour les flashs photos). Malheureusement, les mesures de capacités de décharge n'étant pas normalisées, les chiffres annoncés par les fabricants de batteries sont parfois un peu fantaisistes. Il vaut donc mieux calculer large (c'est à dire minorer les chiffres annoncés de 25%) et étalonner vos batteries en fonction de leurs marques respectives et non pas entre marques différentes.

Cette capacité de décharge doit naturellement être en adéquation avec votre équipement électrique, c'est à dire supérieure à ce que votre équipement électrique va demander en fonctionnement. Comme pour le voltage, ce point est généralement précisé par le constructeur dudit équipement.

On peut ainsi lire ces 3 caractéristiques sur la batterie comme on le voit sur la figure ci-dessous.

J'oubliais un petit détail. Comme on le voit sur l'image précédente, on a aussi une notion de cellules en série (ce qui donne le voltage de la batterie) mais aussi une notion de cellule en parallèle (ce qui donne l'intensité du courant). La figure ci-dessous montre une batterie de 7,4 V et de 5000 mAh, composée de 2 éléments de 3,7V et 5000 mAh en série. On peut obtenir les mêmes caractéristiques avec 2 cellules de 3,7 V mais de 25000 mAh, montées en série, branchées en parallèle à 2 autres cellules en série. Si les cellules avaient été de 5000mAh, on aurait obtenu une batterie à 10.000 mAh ! L'intérêt de monter des éléments en série est donc de pouvoir obtenir des voltages importants, tandis que le montage en parallèle procurera des capacités plus importantes.

Maintenant que les caractéristiques d"une batterie LiPo n'ont plus de secret pour vous, nous pouvons passer au vif de notre sujet, à savoir comment charger et entretenir sa batterie LiPo.

Charger une batterie LiPo

Dans une batterie lithium-polymère, chaque cellule a une tension nominale de 3,7 V :

Une cellule bien chargée a une tension supérieure à 4,1 V (généralement 4,2 V mais pas au delà) ;
Une cellule à 3 V doit être rechargée ;
Une cellule sous 2,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état et n'est souvent plus rechargeable.

La charge doit normalement être réalisée élément par élément, dans le cas d'éléments branchés en série. Elle se déroule en 2 étapes : on commence par charger à courant constant (en général 1 fois la Capacité, puis une fois la tension limite atteinte (généralement 4,2 V), on réduit l'intensité de charge pour assurer une tension constante. Quand l'intensité est devenu très faible (1/10ème à 1/15ème de la Capacité), le processus de charge s'arrête.

Dan les faits, la charge ne se fait pas éléments par éléments, mais est réalisé en série, grâce à un circuit appelé équilibreur qui contrôle le non-dépassement de la tension limite pour chacun des éléments. Pourquoi a-t-on besoin de cet équilibreur ? Et bien imaginons que vous branchiez votre batterie composée de plusieurs éléments à votre chargeur, sans équilibreur. Votre chargeur n'aura qu'une obsession, monter votre pack d'accumulateurs à la tension de charge complète soit 4.2v pour une seule cellule ou 12.6v pour 3 cellules. Si un des éléments est "plus faible" que les deux autres, il se "videra" plus vite (tension plus basse). A la recharge, les deux autres "prendront" un peu plus de tension (car partent de plus haut), mais la recharge stoppera quand la tension sera de 12,6V au total. Ce qui fait qu'à chaque cycle de recharge, "l'écart" se creuse jusqu'à atteindre des valeurs critiques : vers le haut pour les éléments les plus forts, et vers le bas pour les éléments les plus faibles.

Prenons un exemple, ce sera plus parlant, avec une batterie de 11.1V (3 cellules), qui après une longue journée de jeu présente les voltages suivants :

Cellule 1 : 3.0V
Cellule 2 : 3.7V
Cellule 3 : 3.1V

Le chargeur lira la tension de la batterie : 3.1V + 3.6V + 3.1V = 9.8V

Si on n'utilise pas d'équilibreur, on charge avec une quantité égale d'électricité chaque cellule jusqu'à obtenir 12.6V et on se retrouve donc avec les valeurs suivantes :

Cellule 1 : 4.0V
Cellule 2 : 4.5V
Cellule 3 : 4.1V

On a atteint le seuil critique de 4,5V pour la cellule 2 ! Il faut donc veiller à ce que les éléments soient tous à la même tension, et c'est le rôle de l'équilibreur.

Comme vous pouvez le constater, la charge d'une batterie LiPo n'est pas un processus simple. Il vaut donc mieux utiliser un bon chargeur de batterie plutôt qu'un chargeur pas cher qui abimera trop rapidement vos chères (dans tous les sens du terme) batteries.

Les chargeurs de batterie

Évidemment, il existe quantité de chargeurs de qualité. Et mon propos n'est pas de vous faire un panorama de tout ce qui existe. Je vais donc prendre ici 'exemple d'un bon chargeur professionnel et qui a l'avantage de n'être pas très cher, je veux parler du fameux SKYRC imax B6 mini. Il ne coûte en effet que 40 €, auxquels il faudra néanmoins rajouter le prix de l'alimentation car il est livré sans, et de quelques câbles et connectiques assorties pour brancher votre batterie, soit une vingtaine d'euros en plus. Mais avec cela, vous pourrez charger/décharger les types de batteries les plus courants, Plomb, NiCd, NiMh, Li-ion, LiPo, etc et d'équilibrer les batteries Lithium (de 1 à 6 cellules). Le imax B6 mini peut être raccordé à un PC pour visualiser les données de charge et mettre à jour le firmware du chargeur (il faut utiliser l'application Charge Master pour les 2 fonctions). Encore plus ! Le B6 Mini a une fonction voltmètre et il peut calculer la résistance interne des batteries.

Ce petit chargeur a quelques défauts ; le manuel qui vient avec est relativement succinct. Il vous explique comment naviguer dans les différents écrans permettant de paramétrer votre charge en fonction de votre batterie, mais il n'explique à aucun moment les significations de ces paramètres. Il faut donc se débrouiller par soi-même. Il a également été victime de son succès : beaucoup de mauvaises copies de ce chargeurs circulent en toute impunité : la plupart des commerçants qui distribuent ces copies restent d'ailleurs dans l'ambiguïté puisqu'ils n'affichent pas clairement qu'il s'agit d'une copie. Mais si vous leur posez la question, ils finissent par vous avouer l'origine de leur batterie. Bref, il faut faire attention à ce que vous achetez et à quel prix.

Le câble de sortie par défaut est fourni avec un embout en T (prise Dean Large). SkyRC fournit tout un tas d'adaptateurs pour passer de la prise en T à un format qui convient à la batterie, mais manque de pot, ne fournit aucun adaptateur Tamiya, que ce soit large ou mini. Il faut donc s'en procurer par ailleurs. La photo ci-dessous montre une batterie LiPo avec prise Dean large raccordée au chargeur et à la prise d'équilibrage.

Il faut d'abord apprivoiser le système de menu, assez frustre mais finalement simple, une fois qu'on a compris le principe. Le paramétrage du chargeur se fait en effet via des menus et des sous-menus. L'appareil comprend 4 boutons :

Le premier sert à faire défiler vers la gauche les menus principaux (quand est au 1er niveau donc), ou à revenir au menu précédent (quand on est entré dans un sous-menu) ou à stopper une charge
Le deuxième permet, dans un menu, de faire défiler vers la gauche les sous menus, ou de décrémenter les valeurs sélectionnées
Le troisième permet de faire défiler les menus et sous menus vers la droite, ou d'incrémenter les valeurs sélectionnées
Le dernier sert à entrer dans un menu ou un sous menu, et de sélectionner les valeurs à modifier.

Pour charger une batterie LiPo, il suffit de :

Sélectionner le menu correspondant au type de batterie, en l'occurrence ici une LiPo
Dans le menu correspondant à ce type de batterie :

Sélectionner l'intensité du courant. Nous avons vu qu'une batterie LiPo se chargeait communément entre 1 et 3C, C étant sa capacité, exprimé en mAh. Pour une première charge, il vaut mieux se contenter d'un courant de 1C. Si votre batterie a une capacité de 1500 mAh, réglez votre courant de charge sur 1,5A. Par la suite, vous pourrez monter à des courants de 4,5A (3C), notamment en mode charge rapide.
Sélectionner ensuite le voltage de la batterie à charger (ou le nombre de cellules montées en série). C'est assez facile, c'est écrit sur la batterie. Une 7,4 V correspond à 2 cellules en série. Il faut donc valider 2 cellules.

Déclenchez ensuite la charge. Le chargeur vérifie les données saisies (notamment le nombre de cellule) et vous demandera de corriger s'il détecte une valeur différente de celle que vous avez saisie.
Le imax B6 mini signale la fin de la charge par un bip. Il vous faudra alors simplement débrancher votre batterie.
Laisser au moins 30 mn entre deux charges, si jamais cela vous prend de vouloir recharger tout de suite.

NB 1 : Avant de charger votre batterie LiPo, assurez-vous que cette dernière ne se soit pas dans un état critique (Voltage inférieur à 2,7 V). Si c'était le cas, il vaut mieux neutraliser votre batterie (voir plus bas) plutôt que de risquer un accident en tentant de la charger. Pour cela, branchez votre batterie (y compris le cordon d'équilibrage de charge). Puis naviguez dans les menus principaux jusqu'au menu "BATT METER". Entrez dans le menu pour déclencher la mesure.

NB 2 : Il existe une minuterie de sécurité, qui permet de limiter la durée de la charge, à l'issue de laquelle le chargeur imax B6 mini coupera de lui-même la charge en cours. Elle est par défaut réglée à 120 mn (2 heures), ce qui peut parfois être trop court, surtout quand votre batterie est à plat. Pour changer cette minuterie, il suffit de naviguer dans les menus principaux jusqu'à "SYSTEM SETTING". Le premier item de ce menu est le "Safety Timer", qu'il suffit de modifier si 2 heures ne suffisaient pas.

Pour charger une batterie Ni-Mh, on suit globalement la même procédure sauf qu'il n'y a pas de notion d'équilibrage. On charge tout bêtement tous les éléments.

Sélectionner le menu correspondant au type de batterie, en l'occurrence ici une Ni-Mh
Dans le menu correspondant à ce type de batterie : sélectionner l'intensité du courant en mode auto(matiqe). En mode auto, le chargeur détectera de lui-même les conditions de la batterie à charger et s'adaptera en conséquence. Il suffit simplement de fixer l'intensité du courant maximale. Une batterie Ni-Mh se charge communément à 1C, C étant sa capacité, exprimé en mAh. Si votre batterie a une capacité de 1500 mAh, réglez votre courant de charge maximal sur 1,5A.
Déclenchez ensuite la charge, qui s'arrêtera automatiquement. Il vous faudra alors débrancher votre batterie.

NB 1 : Pour une batterie LiPo, la charge s'arrête quand la tension maximale est devenue stable. Pour une Ni-Mh (ou Ni-Cd), le chargeur travaille avec ce qu'on appelle le "Delta Peak". Sans entrer dans de sombres détails techniques, le chargeur mesure le voltage de la batterie tout en envoyant des impulsions de courants, et mesure la voltage également entre ces impulsions, puis fait la différence. Si elle est inférieur au Delta Peak donné, le chargeur considère la batterie comme chargée. Il est possible de modifier le Delta Peak des Ni-Mh à partir du menu "SYSTEM SETTING". Il est de 4 mV par cellule, et on peut le faire varier de 5 à 15 mV par cellule. Par défaut le Delta Peak est donc au minimum et c'est normalement comme cela que vous obtenez la meilleure sensibilité de détection de fin de charge.

NB 2 : une batterie Ni-Mh est composée de plusieurs cellules, et si elles ne sont pas équilibrées en capacité, alors le signal de fin de charge sera brouillé par les cellules chargées. Pour équilibrer les cellules, on charge et décharge donc les cellules plusieurs fois dans ce qu'on appelle des cycles. Et comme les NiMH supportent parfaitement les petites surcharges (inférieurs à 1C/10), les autres cellules pourront êtres équilibrées lors de la fin de charge.

Stocker vos batteries LiPo

Si vous prévoyez de ne pas utiliser vos accumulateurs LiPo durant une longue période, rangez-les chargés à 40-50% de leur capacité. Assurez-vous de d'équilibrer vos accumulateurs au moins une fois par mois car les laisser inactifs durant une période prolongée peut les déséquilibrer sérieusement et les rendre inutilisables. La température de stockage devra être comprise entre 5 et 50 °C. La batterie pourra alors être conservée en état de marche pendant plusieurs mois.

Neutraliser vos batteries LiPo

Il arrive qu'une batterie LiPo gonfle et devienne inutilisable. Elles gonflent lorsque l'on a chargé de manière trop importante un élément (avec un courant trop fort genre 4 ou 5C), ou dépassé le voltage maximal d'un élément, mais aussi lorsqu'on a trop tiré sur la batterie et qu'elle s'est totalement déchargée. Il faut alors la neutraliser avant de la recycler ou la jeter.

La décharger avec la fonction décharge de votre chargeur
Faites ainsi chuter la tension jusqu’à 2.5 v.
Surveillez la température pendant la décharge ! Si elle monte trop et devient brulante (l'imax B6 mini possède une sonde de températures en option, sinon touchez du doigt), laissez refroidir
Une fois les 2.5 v atteints
Préparez un récipient en plastique (ou dans tout autre matériau non conducteur) contenant assez d’eau pour recouvrir la lipo quand vous la plongerez dedans
Ajoutez du sel
Diluez le sel au maximum
Laissez tremper 24H puis vérifiez la tension qui a normalement du tomber à zéro grâce à ce procédé. Sinon retour dans le bain.
Recyclez-la dans un bac approprié, un bac de collecte de piles par exemple.