Toutes les batteries au lithium doivent avoir un circuit d'équilibrage car contrairement aux accus à électrolyte aqueux, il n'y a pas d'équilibrage automatique qui se fait.

Cet article concerne principalement les batteries lithium composées de plusieurs accus montés en série. Les accus lithium-fer-phosphate ont une tension au repos de 12.8V, ce qui correspond assez bien aux accus acide-plomb qu'ils remplacent avantageusement. Ce sont les accus qu'on retrouve le plus souvent. Tous les accus au lithium doivent avoir un circuit d'équilibrage, mais dans cet article les données chiffées ont trait aux accus LFP.

L'échelle à droite reprend les tensions caractéristiques d'un élément LFP et d'une batterie de 4 éléments.

La tension maximale est la tension à ne pas dépasser. Le système de protection intégré (BMS) va couper la charge si un élément risque de dépasser cette tension. En fait l'accu n'est jamais chargé à une telle tension, qui est une limite absolue à ne pas franchir. Les chargeurs adaptés fournissent une tension de 14.6V.

La tension midpoint est la tension au repos d'un élément à moitié chargé. Cette tension dépend de la constitution de l'élément et peut varier. Actuellement la tension midpoint des accus récents est un peu plus élevée.

La tension minimale ne peut pas être dépassée non plus. Le BMS va couper la décharge d'un accu dès qu'un élément atteint cette tension. Si l'équilibrage de l'accu est mauvais, la coupure peut déjà se faire à une tension de 10.5 ou même 11.5V si un des éléments passe sous la limite. En cas de tension maximale le BMS va couper la charge mais autoriser la décharge, dans ce cas ci la décharge est coupée mais la charge est possible.

Quel est le problème?

Les batteries à électrolyte aqueux (accus plomb-acide et Nickel-hydrure de métal) s'équilibrent automatiquement. Les éléments qui sont totalement chargés produisent de l'oxygène et de l'hydrogène qui, si la charge n'est pas trop rapide, se recombinent pour former de l'eau. Il n'y a donc pas d'électrolyte qui se perd. Et quand rien ne se perd et que rien ne se crée, la voisine est contente.

Dans les accus au lithium, la charge et la décharge se font par le déplacement du lithium d'une électrode à l'autre. Quand l'élément est complètement chargé ou déchargé, une des électrodes est complètement remplie de lithium et il n'est plus possible de faire circuler du courant.

• Si l'accu est complètement chargé et qu'on applique une tension de charge, le courant ne passe plus et la tension aux bornes de l'élément peut augmenter (ce qui a pour résultat de détruire l'élément)

• Si l'accu est vide, l'accu ne peut plus produire de courant et si on branche un appareil la tension diminue très fort.

Prenons une batterie LFP à 4 éléments dont la charge est de 70%, 40%, 65% et 75%.

Les tensions de chaque élément sont indiquées et permettent d'estimer la charge effective de chaque élément.

Sans système d'équilibrage on peut charger l'accu de 25% et pas plus, parce que alors le 4e élément est totalement chargé.

On peut décharger l'accu de 40%, parce qu'alors le second élément est totalement vide.

Les deux éléments moyens ne sont jamais totalement vidés ou chargés.

La capacité utilisable est de 25% + 40% = 65%, alors que les éléments de la batterie sont probablement tous bons. Au fil du temps il s'est produit un deséquilibrage (courant de fuite plus faible dans un accu, rendement moindre dans un autre accu,...) Ce sont des différences qui sont à peine mesurables mais qui produisent à la longue un deséquilibrage très prononcé. Mes deux accus Jubatec ont un problème d'équilibrage et un accu a une capacité restante de 20%, l'autre de 60% (alors que les éléments individuels sont probablement encore bons).

A droite l'application pour smartphone qui se connecte à l'accu donne la tension de chaque élément et permet de déterminer si l'équilibrage est bon. Ici malheureusement l'accu a un équilibrage défectueux. Lors de l'achat les 4 éléments avaient une tension identique (ils ont probablement été équilibrés en usine), mais un deséquilibrage s'est formé au fil des années.

Procédure d'équilibrage

Il y a un exemple simple à droite, mais chaque élément a une résistance qui peut être mise en fonction. Le dessin montre une tension de 3.8V qui est trop élevée (si la résistance n'était pas présente).

Quand le second élément est totalement chargé, une seconde résistance est mise en fonction, et ainsi de suite pour le troisième élément.

Quand tous les éléments sont chargés, un interrupteur électronique dans la batterie coupe la charge. Cela ne sert à rien de dissiper de l'énergie en pure perte. Le BMS coupe la connection entre l'accu et l'extérieur quand tous les éléments sont chargés, mais il va aussi couper la connection dès qu'un élément atteint sa tension minimale en décharge. C'est une coupure brusque.

L'équilibrage est relativement lent, car le chargeur adapté travaille en mode CC/CV (constant current/constant voltage) et quand l'accu est pratiquement chargé le courant de charge diminue. L'accu peut par exemple être rechargé en 4 heures, mais l'équilibrage peut demander 10 heures.

Il faut équilibrer un nouvel accu: c'est pour cela que le fabricant demande de recharger l'accu avant de l'utiliser, même si celui-ci affiche une charge de 50 à 80%. Une telle charge d'équilibrage n'"use" pas l'accu, au contraire il le met en condition.

Il faut refaire la procédure d'équilibrage tous les 10 cycles environ. L'équilibrage sera plus rapide si on le fait régulièrement, car il y aura moins à corriger. Certaines applications pour smartphone indiquent la tension individuelle de chaque élément (Xiaoxiang), d'autres n'indiquent qu'une tension totale. Après une procédure d'équilibrage les tensions de chaque élément doivent être identiques.

Contraites

La première partie de la courbe est à courant constant, par exemple 0.25C pour charger l'accu en 4 heures. Dans cette partie, le chargeur limite le courant.

Dans la seconde partie de la courbe la tension s'approche de la limite de 14.8V et le courant diminue de plus en plus. Le chargeur limite ici la tension.

L'équilibrage ne peut se faire que quand le courant de charge est suffisamment faible. Si le courant de charge est trop important, le BMS coupe simplement la charge dès qu'un élément atteint la tension maximale. La raison est simple: quand un des éléments atteint sa tension maximale (élément totalement chargé), le courant doit être dissipé dans une résistance mosfet. Si on a à ce moment un courant résiduel de charge de 1A, il faut dissiper 3.7W en chaleur. C'est beaucoup trop pour un module BMS intégré dans la batterie (l'évacuation de la chaleur est pratiquement impossible).

Dans une batterie de type "consumer" (utilisation dans les caravanes, les bateaux,...) l'équilibrage n'est possible que si le courant est inférieur à 0.01C, donc 1A pour un accu de 100Ah et peut être interrompu par le BMS si la température de la batterie monte trop. Malheureusement il n'est jamais indiqué quel est le courant d'équilibrage d'un accu LFP, or c'est une valeur très importante pour s'assurer que l'accu fonctionnera de longues années.

Dans les installations industrielles (panneaux solaires et grosses batteries tampon) l'équilibrage est difficile à réaliser, car il y a souvent une consommation alors que la batterie n'a pas pu terminer son cycle d'équilibrage, ou le courant de charge est trop important pour permettre l'équilibrage. Certains systèmes équipés de plusieurs jeux de batteries permettent de forcer un équilibrage régulier de chaque batterie en coupant les utilisateurs pendant que celle-ci termine sa procédure d'équilibrage avec un courant limité.

A droite un module d'équilibrage pour un seul élément d'un accu de 100Ah. Ce module est placé au dessus de l'élément. Le courant d'égalisation maximal est de 400mA (accu 100Ah) à 1A (200 ou 300Ah). Le module ne sert que pour l'équilibrage, un BMS qui controle les tensions et la température est aussi nécessaire.

Module BMS pour un accu de 20Ah maximum.

L'égalisation se fait par 4 résistances de 100Ω, le courant d'égalisation est limité à 37mA, ce qui est très peu.

L'accu Jubatec 20Ah a même un courant d'égalisation de seulement 20mA.

Mais cela ne veut pas dire que le courant de charge doit être limité à 37mA (ou 20mA).

Les 37mA, c'est le courant qui est prélevé de l'élément qui est presque chargé.

Si le courant de charge est de 200mA à ce moment, l'élément presque chargé recevra un courant de 163mA. C'est une faible différence mais qui ne pose pas problème car l'équilibrage peut se faire à la fin de chaque charge.

L'égalisation commence à une tension de 3.5V et se poursuit jusqu'à 3.7V. Si l'accu est chargé en fin de charge avec un courant de 1.5A, les 37mA sont une goutte d'eau dans un océan d'électrons. De plus quand le courant est fort, la tension de l'accu passe très rapidement de 3.5V à 3.7V et il n'y a pas d'équilibrage en pratique.

L'égalisation agit pendant la période entre 3.5V et 3.7V, le but est qu'à chaque charge il y ait un peu d'égalisation, pour éviter que le déséquilibre ne devienne trop grand. Avec un courant de charge de 1.5A, le BMS ne dispose que de quelques minutes pour faire l'équilibrage, ce qui est trop peu.

Le module a aussi une sonde de température qui est placée entre deux éléments. L'accu est isolé (charge et décharge) quand la température monte trop fort.