13Sep

Lipo Vs Li-ion : A chacun sa chimie

3+

Voici un petit état des lieux afin de vous apporter des éléments de réflexion, si je puis me permettre.

D’emblée, nous précisons qu’il n’y a pas de batteries à vendre ici et que cet article se veut le plus objectif possible en l’état actuel des différentes technologies disponibles sur le marché.

L’intérêt de l’article est surtout d’avertir l’utilisateur qui pourra ainsi choisir ou réaliser son pack batterie en connaissance de cause.

Rappels :

Un pack batterie se compose de x batteries montées en série et z batteries en parallèles d’où une dénomination type xSzP.

La capacité d’une batterie s’exprime en milli-Ampères par heure (mAh) ou Ah et sa tension en Volts.

La puissance totale embarquée s’exprime donc en Wattsheure (Wh) selon la formule P=UI soit (tension nominale (en Volts) x capacité (en Ah)).

Capacité de charge : exprimée en C qui est la capacité de la batterie -> il s’agit de l’intensité maximale à laquelle la batterie peut être chargée sans être détériorée.

Capacité de décharge : exprimée en C qui est la capacité de la batterie -> il s’agit de l’intensité maximale à laquelle la batterie peut être déchargée sans être détériorée. Attention les vendeurs donnent souvent 2 valeurs, une valeur pic pour une durée de quelques secondes et une valeur continue.

Temps de charge et de décharge :

La capacité d’une batterie (C) s’exprimant en mah, il est donc facile d’en déduire une durée d’utilisation puisque qu’une décharge à C ampères correspond de fait à une autonomie d’une (1) heure.

Une décharge à 10C continus donne donc une durée de décharge de 6 minutes maximum etc….

De même une charge à 1C durera une heure environ, à 2C  c’est 30minutes etc modulo le temps de fin de charge lors duquel l’intensité décroît, ainsi que le temps d’équilibrage en cas de pack déséquilibré. Globalement une charge à 1C avec équilibrage durera de 1h15 à 1h45mn selon l’état de votre batterie, au-delà c’est signe de déséquilibrage avancé et donc d’usure.

Préconisations formelles d’utilisation :

  • une surcharge à plus de 4.2V endommage irrémédiablement la cellule concernée* (hors cellules dite HV)
  • une décharge amenant la tension de cellule sous 3 volts pendant l’utilisation, endommage la batterie*
  • un stockage de batterie doit être respecté à une tension d’environ 3.8Volts par cellule

*Si une seule de ces préconisations n’est pas respectée,même une fois et peu de temps, la batterie aura subi préjudice, et au pire vous risquerez un incendie.

*Si vous souhaitez exploiter vos batteries Lipo sur la durée, réglez votre chargeur pour une tension max/cellule de 4.15 à 4.18V et votre contrôleur pour ne pas descendre sous 3.7-3.75V/cell en fin de décharge (tension mesurée au repos)

Caractéristiques habituelles des Batteries Lithium :

Dans le cas des Lipo, il s’agit de cellules sous forme quasi exclusive de plaquettes rectangulaires fines qui possèdent une enveloppe souple, la tension nominale est de 3,7V et de 4.2V pleine charge; 3.6V pour du Li-ion et une forme habituellement cylindrique de 18mm x 67mm pour les plus courantes

La forme géométrique finale des packs batterie est donc quasi exclusivement un parallélépipède rectangle.

Les capacités unitaires peuvent dépasser les 25000mAh pour les lipos, 3500mah pour les Li-ion.

Un pack batterie se compose alors de x batteries montées en série et z batteries en parallèles d’où une dénomination type xSzP.

A l’heure actuelle, les Lipo possèdent une énergie massique et une densité énergétique de l ordre de : 170  Wh/kg et 380  Wh/dm3

Les capacités de charge et de décharge des Lipo sont couramment de 2C et 20C continus sur de grosses batteries et atteignent 10C en charge et 90C continus pour les meilleurs pack (sur de petites batteries), elles sont à 35C max en décharge sur du Liion et 2 C en charge.

Pour les Li-ion,l’énergie massique est globalement de 20% supérieure aux Lipo, et la densité énergétique inférieure de 20% due à l’agencement des cellules car l’encombrement réel est celui d’un parallélépipède rectangle, à moins de n’utiliser qu’une seule cellule (dans un pack li-ion seul 55 à 70% du volume est composé de cellules)

Enfin, il est utile de savoir que la capacité « utile » d’une batterie décroît avec son usure (on peut imager la chose comme une 16ah15C qui « devient » une 12ah10C avec l’âge tout en restant une 16Ah2C) car elle n’est plus capable de délivrer toute sa puissance (perte de capacité et de la capacité à décharger fortement « nombre de C »)

De plus, le nombre de C-capacité utile diminue avec la température donc en hiver…. c ‘est la loose, les compétiteurs chauffent même leurs batteries (les réactions chimiques sont ralenties par le froid) avant la course.

Pour finir, à capacité égale, une batterie à fort taux de décharge sera plus dense et donc plus lourde (et beaucoup plus chère)

Vous avez donc déjà compris l’ampleur du problème que représente un comparatif de ces technologies tant il y a de paramètres variables et de modèles différents

4c-vs-3c-1 tesla temp

Question prix :

Les prix sont équivalents entre les deux technologies pour les cellules prises à l’unité, néanmoins l’assemblage en pack modifie la donne et le Li-ion termine bien plus cher du Wh car il faut assembler couramment 4 à 6 fois plus de cellules unitaires pour obtenir la même capacité qu’un pack lipo, et la main d’oeuvre c’est cher……..

Souvent vu sur les forums : comparer le prix d’une lipo achetée sur le net avec le prix d’un pack de cellules Li-ion achetées en lot et assemblées en DIY-> comparaison dénuée de sens (pas de charges d’entreprise, impôts et marge , ni d’intégration du coût main d’oeuvre, garantie etc..) ou alors à comparer à un pack lipo réalisé à partir de cellules unitaires assemblées en DIY ou d’un pack Li-ion du commerce!!

Ok Monsieur, bon bah c’est très clair mais  j’ai rien compris, alors je dois prendre quoi pour mon e-MTB ?

C’est ici que, finalement, la pertinence des choix de chacun doit, à mon sens, se jouer car maintenant on va parler de ce qu’il y a et de ce qu’il faut autour de nos chères batteries, à savoir :

  • Possibilités d’intégration des batteries-géométrie
  • Charge des batteries et équilibrage
  • Sécurité
  • Performances pures
  • Durée de vie

1/Intégration des batteries

Les lipo, c’est simple c’est livré en parallélépipède rectangle  donc à moins de commander des cellules à l’unité et de les assembler , vous aurez toujours quelque chose de la même forme.

Pour les li-ion, au vu la petite taille unitaire, toutes les formes géométriques sont envisageables et çà les industriels l’ont bien compris pour l’intégration dans les produits c’est top , mais me direz vous , pourquoi ne pas le faire avec de la lipo de petite capacité genre 3000mah45C (énigme)

2/ Charge et équilibrage:

Pour les lipos on dispose de grosses capacités unitaires donc généralement les batteries sont en 1P ce qui facilite l’équilibrage, dans tous les cas privilégiez le 1P (raisons expliquées ci-dessous)

Pour les Li-ion on aura presque toujours du nP soit plein de cellules montées en parallèles ce qui est très bien en décharge mais problématique en terme d’équilibrage, le BMS ou chargeur ne pouvant distinguer des différences de tension au sein d’un bloc de cellules en parallèles. Ce point est essentiel et explique à lui seul le SAV sur tous les packs de cellules en parallèles, ne vous y trompez pas aucune batterie Li-ion équilibrée de cette façon n’atteindra 1000 cycles , c’est le problème de tous les appareils électroportatifs, vélos et trotinettes électriques.

Néanmoins le montage nP est pertinent en décharge , la résistance interne équivalent étant divisée par n.

En fait, vos vendeurs d’engins électriques ne sont bien souvent que des vendeurs de batteries, le reste de l ‘engin étant quasi sans entretien ……..et quand votre batterie montre des signes de faiblesse au bout de 6 mois-1 an, on vous dit faut juste changer 3-4 cellules -> génial on met 3-4 neuves dans un pack de cellules usagées…….et on recommence dans 6 mois……..vous avez compris l ‘histoire?

J’attire votre attention sur le fait que ceci n’est pas affaire de chimie  puisque l’on utilise les BMS pour les Liions exclusivement et les chargeurs-équilibreurs pour les lipos, alors que les BMS gèrent aussi les lipos, et les chargeurs gèrent toutes les chimies dont les Li-ions…..le coeur de l’histoire se situe donc ailleurs!!

Voici un élément de réponse très simple: Par  soucis d’économie et de main d’oeuvre, il est plus simple de monter un BMS à 15$ dans l’engin et une simple prise chargeur reliée à un chargeur type PC portable à 30$ que d’utiliser un chargeur équilibreur de qualité à 120€ qui charge bien et rapidement.

Enfin, si votre boîtier batterie est fermé et étanche et que vous comptez utiliser plusieurs packs alors vous aurez autant de BMS que de packs alors qu’un seul bms externe ferait très bien le boulot sinon mieux, d’autant que les BMS sont autant de composants « faillibles ».

Alors idéalement, vous l’avez intuité,  il faudrait des batteries nP avec un bms ou chargeur équilibreur (c ‘est la même chose in fine) capable de gérer autant de cellules qu’en possède votre pack, et c’est ce qui est fait pour certaines voitures électriques et produits de qualité, et là vous avez un montage safe et efficient.

3/ Sécurité :

Question chimie, lorsque les composés d’une batterie se retrouvent en présence d’oxygène, ils s’enflamment spontanément…

Le li-ion est moins stable que le lipo, mais surtout en cas de problème, le lipo gonfle et finit par se percer et brûle façon chalumeau de 30cm pendant 1 minute ou plus alors que le Li-ion dans son enveloppe solide, monte en pression et finit par exploser en projetant les cellules voisines un peu partout à plusieurs mètres………un vrai feu d’artifice.

Enfin, la majorité des incendies proviennent de BMS défectueux entraînant des surcharges ou d’un échauffement du BMS (qui chauffe normalement en fonctionnement et doit donc être refroidit via son radiateur)

Est-il judicieux de positionner un BMS dans un engin soumis aux vibrations et intempéries, ou bien est-il plus judicieux de le placer en externe? La réponse est simple : en externe il faut alors un connecteur d’équilibrage externe et un boîtier spécifique pour accueillir le bms-> les industriels de jouets électriques ont tranché en faveur de la solution la moins onéreuse, faut-il pour autant les suivre en DIY?

4/ Performances pures

Les lipos ont l’avantage actuel des taux de décharge sur le Li-ion qui évolue bcp en ce sens ces dernières années, mais surtout la tension des lipos demeure plus élevée en utilisation (toujours supérieure à 3V voir 3.5V en décharge poussée alors que le li-ion va plonger entre 2.5 et 3.volts/cellules) , il en ressort une différence notable de RPM sur un moteur et donc de performances pures en ride.

Enfin, certaines lipos peuvent être chargées en moins de 20 minutes sans les endommager ce qui est très très pratique si vous possédez le chargeur qui va bien (pas donné, mais plus rentable que d’acheter 2 lipos tous les 6 mois)

5/ Durée de vie :

En théorie les Li-ion ont un net avantage avec des durées de vie données jusqu’à 1000-2000 cycles pour les meilleures.

Les meilleures Lipo (graphène) sont données pour 700 cycles.

Dans les faits, nous remarquons qu’aucune des deux chimies ne peut prétendre à plus de 300-500 cycles dans de bonnes conditions vu que, de toute façon, les éléments chimiques se détériorent avec le temps. Attention d’ailleurs aux promos sur les batteries, celles ci sont généralement déjà vieilles bien que neuves…….. la bonne affaire à -50% ……….. , pensez-y.

Conclusion de cet article :

2 chimies en évolution constante, laquelle choisir?

Notre avis :

  • Pour du simple et safe : une bonne lipo en 1P et un bon chargeur équilibreur pouvant charger votre pack à 0,5C a minima.
  • Pour une géométrie particulière si vous pouvez réaliser votre pack : du Li-ion, mais avec chargeur de qualité ou BMS externe de qualité et idéalement équilibrage de chaque cellule pour plus de sécurité et de longévité (pas facile à réaliser mais çà se fait, en attendant les cells à BMS interne 30C)

Précision utile : Overion utilise principalement du Lipo mais également du Li-ion pour des demandes spécifiques.

Excusez-moi pour le manque d’illustrations type photos de courbes de décharge etc…. google et les sites de modélisme regorgent de ce type d’infos donc n’hésitez pas à lancer une petite recherche et apporter votre pierre ..

10 thoughts on “Lipo Vs Li-ion : A chacun sa chimie

  1. Bonjour, j’ai été très intéresser par votre article lipo / li-ion . Je voudrais vous faire part de mon expérience . Voici, je pratique le vols RC . j’utilise sur un modèle de 800gr, une lipo de 2s/ 18oo mah,
    Je pensais la remplacer par une li-ion de 2S / 3ooo mah et 30 Ampères de décharge continue ! En poids les 2 batteries sont identiques mais Ô surprise, la li-ion malgré sa capacité bien supérieure a finalement une autonomie moindre ! Je pense que vous m’avait donné l’explication du phénomène,
    la résistance interne de la li-ion est supérieure ! ! ! Mon moteur demande environ 4 à 8 Ampères voire
    plus, mais je le coupe aussi en vol « moto planeur ». Vous confirmez ? En tous les cas, je vous remercie.
    Jean-pierre

    1. Merci pour ce commentaire, il y a beaucoup à dire sur ce sujet avec un point non abordé que l’on pourrait nommer « capacité exploitable de la batterie ». En RC, on est très sensible au pbm de drop voltage qui se trouve plus marqué sur le liion actuel que sur le lipo-> une lipo qui descend à 2.5V/cell est en très mauvais état (sinon dead) alors qu’en Liion c’est acceptable. Donc celà se ressent sur le cuttof et la variation de RPM au fil de la décharge.
      Bien amicalement
      Yann

  2. Bonjour,
    Merci pour toutes ces informations ( en particulier l’inflammabilité des LiPO laisser le vélo dans un endroit où rien ne risque le pack n’est pas détachable)
    Mais il faut passer à la pratique : remplacer une batterie LiPo 36 V 16 Ah sur un e velo. ?
    constitution : il y aurait donc à confirmer, dans le pack thermo-scellé 10 éléments LiPo en série ?
    le chargeur charge donc en série ,comme du plomb ouvert d’autrefois ??
    Ce sont des questions !
    Je vous remercie de confirmer Bien cordialement

    1. Bonjour, Les tensions indiquées sur les packs sont les tensions nominales soit 3.6V/élement pour du Liion et 3.7V pour du lipo. Votre pack est sans doute Liion donc du 10S soit effectivement 10 éléments en série de chacun 16Ah de capacité. A ma connaissance il n’existe pas de cellules Liion de capacité 16 Ah ce qui laisse donc supposer une architecture « standard » avec y cellules en Paralleles formant 1S et x groupes connectés en série d’où la dénomination xSyP. dans votre cas ce sera qqchose comme 10S5P->10S8P selon la capacité unitaire des cellules employées.
      En général les batteries Liion du commerce comportant plusieurs cellules intègrent un BMS chargé de surveiller la tension de chaque S (et non de chaque cellule certaines pouvant donc être invisiblement défectueuses pour le BMS), le chargeur lui se comporte effectivement comme une alim qui délivre une tension correspondant à la tension maximale du pack chargé (cad qqchose comme 42 volts) et le BMS s’occupe de l’équilibrage.
      Vous pouvez donc comprendre l’intérêt d’avoir une batterie xS1P par rapport à une xSyP en terme de qualité d’équilibrage.
      Remplacer votre batterie peut se faire en DIY avec toutes les sécurités du monde, qu’il s’agisse de remplacer les cellules défectueuses (pas la meilleure idée) ou refaire un pack identique , changer de chimie etc…..tout est possible mais il faut bien observer la cohérence des éléments (cellules, BMS, chargeur) et ne prendre aucun risque évidemment. Les shops de batteries sont là pour çà et l’économie à réaliser en DIY ne vaut sans doute pas un EPDM brûlé ou pire…….. Bien amicalement. Yann

  3. Bonjour,
    Merci d’abord pour votre longue réponse
    Je me suis trompé la tension mentionnée sur le pack est de 37 volts ; je n’avais pas compris que cette tension permet aussi l’identification je n’ai pas vu que 36 et 37 volts c’était en fait très différent
    c’est bien unLithium Polymer Battery Pack 37 V 16Ah qu’il faut remplacer
    On serait donc en 10S1P sans BMS (?) puisque l’on a une seule » branche »
    Dans cette configuration on applique une tension de charge globale et les éléments défectueux sont « invisibles » ?
    le prix unitaire est très élevé 47 euros pièce donc fois dix !
    Quelle est la bonne méthode pour ne remplacer que les éléments défectueux? comment les tester ? en tension en fin de décharge ou en fin de charge? ou en les faisant débiter individuellement ? sur 10 ohms? sur 5 ohms ?
    16 AH, soit 16 ampères pendant une heure on doit pouvoir sortir 16 ampères il faudrait une résistance de 0.23 ohm (2.3 ohms pour les 10 du pack complet)
    On a bien compris que changer des éléments reste une opération hasardeuse et qu’il faudra probablement réintervenir dans six mois.
    Bien cordialement

    1. le prix unitaire est effectivement très élevé , normalement plutôt dans les 30€/cellpour du 16ah.
      Combiner en série une 6S et une 4S lipo du commerce me semble la meilleure solution (hobbyking par exemple). Tirer 16 Ah sur une 16Ah c’est la tuer à coup sûr , il doit rester en fin de décharge 10% grand minimum de la capacité totale, et idéalement 30% pour une durée de vie optimale (storage sur plus d’une semaine d’inactivité , etc etc)
      La charge équilibrée est OBLIGATOIRE bien qu’elle demeure possible techniquement sans équilibrage mais avec des risques énormes qui imposent d’avoir le nez dessus durant toute la charge-> si vous chargez sans équilibrage que se passera-t-il si un élément refuse de monter en tension -> vous surchargerez les autres jusqu’à obtention de la tension globale finale-> la meilleure façon d’avoir un feu d’artifice.
      La charge sans équilibrage représente donc un « suicide » mais peu s’avérer utile pour tenter de « réveiller » un pack descendu trop bas en tension, elle nécessite donc une connaissance globale du sujet et une mesure du risque, çà me fait penser au consentement éclairé et au rapport bénéfice/risque 🙂
      Evidemment, il ne s’agit pas ici de conseils au sens propre mais de partage d’expérience afin d’éclairer les utilisateurs et les sensibiliser car 95% des acheteurs d’EPDM ignorent les recommandations des notices, étiquettes produits et mises en garde orales.
      Bien amicalement
      Yann

  4. Bonjour,
    je ne vois pas l’intérêt de combiner une 6S et une 4S pour faire une 10S si ce n’est qu’économiquement les 6S et 4S 16Ah seraient-elles moins chères qu’une seule 10S ?
    où s’approvisionner ?.
    Il y a aussi un problème d’encombrement dans le boîtier d’origine ; à moins d’acheter et installer un nouveau boîtier à la place de celui en place.
    A moins d’acheter une 6S et une 4S pour en récupérer les éléments?
    Je suis un ancien qui connait un peu les batteries de traction et de floating de 200 à 6000 AH de SCP à SCPDUR centrales, sous-marins……

    je ne comprends rien à cet équilibrage dans le cas d’un mono branche que vous évoquez
    Pouvez vous m’en dire plus
    Je suis bien d’accord que la capacité reste toujours théorique et essentiellement fonction du régime de décharge ; dans le cas des Li-on et Lipo les régimes de décharge sont effectivement sévères, souvent quelques minutes.
    Bien cordialement

    1. Bonjour, comme mentionné, sur hobbyking par exemple vous acheter une 4s16ah+une 6s16ah ->230€ soit 23€/cellule çà vous parle j’imagine 🙂
      La mise en série peut même se faire sans soudure avec un câble série vendu sur le même site au besoin.
      Dans le cas d’une batterie en 1P l’équilibrage est de fait bien réalisé en mode équilibrage, mais pas lors d’un montage nP car la tension n’est pas prise cellule par cellule par les BMS traditionnels.
      AU risque de me répéter, une charge de batterie lithium sans équilibrage est ultra-dangereuse peut importe la façon dont est constituée la batterie, le risque inhérent à l’équilibrage disparaissant dans le cas d’une xS1P et/ou d’un système contrôlant CHAQUE cellule. J’espère avoir été plus clair 🙂
      Bien amicalement
      Yann

  5. Bonjour
    Merci pour le site Hobbyking une 4S et une 6S coûtent environ 300 euros, les 20000 mAh sont moins chères que les 16000 euros pour 10 euros.
    Je vois qu’il y a une erreur sur le site pour les 4S 16000 et 20000 mAh dans la configuration :
    Configuration: 4S2P / 14.8V / 4Cell
    Je peux comprendre que vous développiez l’équilibrage des blocs lors de la charge, mais dans mon cas je ne me sentais pas concerné 10S1P.
    Existent- ils des BMS pour charger individuellement les 10 cellules montées en série ? à intégrer au pack évidemment donc peu encombrant !
    Dans la doc produit je ne vois pas que les pack 4S ou 6S soient équipés de BMS qu’en est-il ? si vous savez

    Merci et bien cordialement

    1. En promo la 4s etait à 65€ mais c est fini
      Il existe des bms 10s , sinon vous utilisez un chargeur equilibreur du meme site et vous chargez en 2 fois ceux ci ne gérant que 8s au max . Les chargeurs 10s sont peu repandus mais existent aussi et sont autrement plus performants qu un bms (à integrer ou non c est aussi une question )
      Les lipos sont livrees d origine avec le connecteur de charge (xt30-60-90) selon les modeles et un connecteur d equilibrage normalisé JST-XH au nombre de pins correspondant au nbr de cellules (nb de pins=nbr de cell+1)
      Donc oui 2 chargeurs equilibreurs pour 2 lipos et c est parti , 80watts c est leger pour charger du 16ah, prevoir 200watts mini pour ne pas avoir une charge trop longue
      Bien amicalement
      Yann

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