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Lipo Vs Li-ion : A chacun sa chimie

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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.

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.

*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 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 et la densité énergétique inférieure de 20% due à l’agencement des cellules car l’encombrement réel est celui d’un parallépipède 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 12ah15C avec l’âge tout en restant une 16Ah2C) car elle n’est plus capable de délivrer toute sa puissance (perte de capacité et du 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)

Pour finir, à capacité égale une batterie à fort taux de décharge sera plus lourde.

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

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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……..

 

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 les Li-ions…..le coeur de l’histoire se situe donc ailleurs!!

Pour des raisons économiques et d’ergonomie, 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.

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?

Mon 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 ..

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