Dans ce tutoriel, nous allons parcourir les étapes de création d’un pack de batterie de type 5SP2.
Dans un premier temps, nous passerons à travers la théorie. Puis la pratique. Finalement les mesures de sécurité.
Introduction
Pour certains projets, de domotique, électronique, objets ayant besoin d’énergie, il peut être intéressant de savoir comment fabriquer sa propre batterie avec tous les éléments permettant de faire confiance en ce que l’on fabrique.
Dans les grandes lignes, il existe deux grandes familles de batteries : les batteries au plomb et les batteries au lithium.
Les batteries au plomb sont les plus courantes, elles nous accompagnent depuis des décennies. Procurent une belle dose d’énergie et sont fiables, peu cher, mais pèsent très lourd. Les batteries au lithium quant à elles sont plus modernes, présentent un rapport volume/puissance plus élevé.
Allons-y avec un tableau rapide des avantages et inconvénients
| Batteries au plomb | Batteries au Lithium |
|---|---|
| Se décharge rapidement, seulement 30 à 50% de sa capacité utile | Utilise 100% de sa capacité utile |
| Faible durée de vie. Entre 300 et 500 cycles selon la qualité | Durée de vie élevé. Entre 3000 et 10.000 cycles selon la qualité |
| Poids élevé. Le plomb est un matériau très lourd | Léger. Le lithium est un matériau léger |
| Poids élevé. Le plomb est un matériau très lourd | Temps de recharge rapide. Le lithium ne chauffe pas. On peut donc augmenter la puissance du chargeur |
| Temps de recharge lent. Le plomb ne doit pas être exposé à la chaleur. | Peut supporter une charge partielle sans problème |
| Recharge sans BMS (battery management System) | Recharge avec BMS (battery management System) obligatoire |
| Doit être chargé à 100% pour ne pas réduire la durée de vie | Tension constante peu importe le niveau de décharge |
Un pack de batterie
Nous allons réaliser dans ce tutoriel un pack de batterie de type 5SP2. Autrement dit, 5 Cellules Li Ion en séries dont 2 en parallèle.
Capacité (mAh)
La capacité exprimée en mAh : Milliampère heure correspond au volume de la batterie, donc à sa durée de vie avant décharge complète de celle-ci. Par exemple, une batterie qui fournit 17.000 mAh (ou 17 Ah) pourra fournir de l’énergie pendant 17 heures à un objet consommant 1 ampère par heure.
Communément, lorsque l’on construit un pack, la capacité du pack correspond à la lettre P (parallèle).
Si une cellule de 3400 mAh se trouve en parallèle d’une seconde de la même capacité (2P) nus aurons donc une capacité de 6800 mAh.
Voltage (V)
La puissance exprimée en Volts (V) permet à l’objet qui consomme l’énergie de fonctionner de manière optimale. En effet, en Amérique du Nord, la plupart de nos objets connexion sur nos lignes électriques résidentielles fonctionnent sur du 110 V (220 V en Europe).
Ici, c’est la lettre S pour Série que nous utilisons communément pour designer les nombre de cellules nécessaires.
Par exemple, prenons un objet électronique comme un amplificateur qui fonctionne avec 18 V ainsi qu’une cellule qui fournit 3.7 V.
Il nous faudra donc 18/3.7 = 5 Cellules pour fournir la puissance nécessaire à notre objet
Le BMS
Le BMS pour Batterie Management System est une carte électronique qui est en gestion du pack de batterie. Spécifiquement les packs au Lithium. Le BMS dispose de 3 fonctionnalités principales :
- Surveille toutes les parallèles du pack et le déconnecte de la source de charge lorsqu’elles sont complètement chargées.
- Équilibre la tension de toutes les cellules du pack
- Déconnecte le pack pour éviter de sur-décharger le pack et de l’endommager.
Liste de course
Pieces
| Piece | Lien |
|---|---|
| Batterie Li Ion 18650 | 18650 Canada |
| Thermo-Film | Aliexpress |
| Kapton Tape | Amazon |
| Silicone Wire Cable | Amazon |
| Battery Protection board BMS | Amazon |
| Nickel Plated Steel Strip | Amazon |
| 18650 Battery Pack Spacer | Aliexpress |
| Joint d’isolation de batterie papier orge | Aliexpress |
| Joint d’isolation cône positif | Aliexpress |
| Battery charger | Amazon |
Outils
Preparation
Au regard de ce que nous avons vu plus haut, nous allons donc construire une batterie ayant les caractéristiques suivantes
- Type: 5S2P (5 en Series, 2 en Parrallele)
- Capacité : 6800 mAh (2P)
- Voltage: 18.5 V (5S)
Vérification de l’intégrité des cellules
Avant de commencer l’assemblage des cellules. Il convient de s’assurer que chacune des cellules est en parfait état. La manière la plus efficace de s’assurer de l’intégrité de chacune d’entre elle est de vérifier le voltage de chaque cellule à l’aide d’un multimètre.
Toutes les cellules doivent présenter un voltage identique ou proche de la valeur nominale
Assemblage des cellules
Par mesures de sécurité, nous allons réaliser les opérations suivantes :
- Installer les joints d’isolation
- Placer une série de Kapton tape
- Positionner les cellules dans les spacer 18650
- Annoter les cellules
Commencer par positionner les joint d’isolation conique, la polarité + des cellules. Ensuite, annoter les + et – sur chaque cellule. Enfin finir par déposer une bande de Kapton tape sur les annotations.
Le but de cette manœuvre est double. D’abord ajouter des points d’isolation à plusieurs endroits des cellules. Cela peut nous protéger lors de la manipulation de celles-ci. Aussi de se doter un affichage permettant de ne pas se tromper dans le positionnement des cellules dans le pack. Oui, les cellules seront positionnées dans un certain sens et il n’y a pas le droit à l’erreur.
Utiliser les spacer pour lier proprement les batteries entre elles
Notez le positionnement des cellules, les parallèles ont les polarités identiques, mais on inverse le sens de polarité pour chaque série.
Finissez en annotant les séries par leur numéro. Enfin, ajoutez à nouveau du kapton tape sur le contour du pack.
Soudure du pack
Cette phase est très importante, car elle comporte à la fois les risques liés au fait de faire une soudure a même les cellules lithium ainsi que le sens de circulation du courant. Ce deuxième facteur influe sur les soudures à effectuer avec les bandes de nickel. L’objectif global est de définir une borne + et une borne – à l’échelle du pack
Pour cette opération, nous allons commencer par couper des bandes de nickel de longueur suffisante pour pouvoir former des carrés sans dépasser des pôles de chaque cellule. Environ 25 bandes seront nécessaires.
Ensuite, à l’aide d’une soudeuse par point (spot welder) nous allons fixer les bandes de nickel aux cellules. La série de photos suivantes présente l’ordonnancement des soudures que j’ai faites. L’ordre n’est pas forcément celui à respecter, ceci étant, veillez à avoir :
- Le pole – du pack sur les poles – de la parallele 1
- Le pôle + du pack sur les pôles + de la parallèle 5
Par rapport à la soudure en elle-même, j’ai fait 6 point de soudures par jonctions. Le plus c’est le mieux.
Vérification du pack
Une fois la soudure complétée, il est temps de vérifier que la tension du pack est celle que nous attendons.
Pour cela, il suffit d’utiliser notre multimètre, de se positionner sur les bornes + et – du pack et lire la valeur. Si la valeur réelle correspond à la valeur théorique attendue, nous sommes tout bons. Si la valeur diffère, il y a un problème quelque part.
Nous pouvons aussi vérifier la montée de tension à travers le pack. Cela peut permettre de localiser la source d’erreur.
Une fois la vérification, faites, si tout est beau, peut finir cette étape en entourant le pack par un papier d’orge. Cela nous apportera une protection supplémentaire contre de potentiel court circuits, intrusion de corps étranger, etc.
Installation du BMS
L’installation du BMS est une étape importante, car elle va conditionner la durée de vie du pack. Pour rappel, le BMS est en charge de surveiller l’intégrité des cellules, du voltage, de la charge de ces dernières. Il intègre aussi des mesures de sécurité en cas de défaut.
Pour cette étape, il nous faudra le matériel suivant :
- le BMS
- Les fils conducteurs
- Bandes de nickel
Ainsi que les outils suivants :
- Fer à souder
- pince à dénuder
- Soudeuse par point
Tout d’abord, nous préparons les soudures à effectuer. Puisque nous fabriquons une 5S2P, notre BMS devrait disposer de 6 fils : un +, un – et 4 fils pour les sections intermédiaires. Et oui, le BMS effectue des vérifications sur l’intégralité du pack.
Prenons donc 6 bandes de nickel prédécoupées et soudons-y les 6 fils du BMS. Nous allons aussi souder les fils conducteurs qui serviront à alimenter en courant les appareils reliés.
Une fois les préparations effectuées avec le BMS, nous pouvons souder les 4 fils sur les sections intermédiaires ainsi que les terminaisons + et – sur le pack.
On prendra soins de coller le BMS avec un pistolet à colle sur le pack pour maintenir le tout.
Enfin, faisons une vérification du voltage en sortie du pack. Nous devrions trouver le même nombre que celui prévu à l’origine. En tout cas a minima le même que dans le test de tension précédemment effectué lors du montage du pack avec les bandes de nickel.
Finalisation du pack
Ça y est, nous y sommes enfin, le pack est fini et fonctionnel. Bravo.
Voici donc la dernière touche à effectuer pour avoir la plus belle batterie de la planète. Du film thermorétractable. Les avantages sont doubles. Dans un premier temps, nous enfermons tous les composants dans le film, ce qui aura pour effet de rigidifier le tout. Cela pourra prévenir des petits chocs, accrocs ou autre selon l’usage que vous en aurez. Le deuxième effet, un peu plus mineur, sera d’offrir une légère protection à l’eau. Petite projection ou autre. Attention, la batterie n’ira certainement pas sous l’eau. Mais voilà, le fait de placer ce film lui apportera une protection supplémentaire.
Pour effectuer la pose, rien de mieux qu’un fusil à chaleur.
