Lander Lab #5 : Batteries au lithium polymère

Kevin Hardy a fondé Global Ocean Design après une carrière au Scripps...

28 décembre 2022

Une chronique sur les technologies, les stratégies et l'utilisation des atterrisseurs océaniques

Les batteries au lithium-polymère offrent une option sûre et robuste pour l'alimentation électrique portable. Au fur et à mesure que nous avons collectivement acquis de l'expérience, les paramètres d'application ont été affinés, définis et améliorés. Bien qu'omniprésentes dans la vie quotidienne, leur acceptation n'a pas tout à fait dépassé un passé troublé. Les LiPos ont maintenant volé sur des vaisseaux spatiaux Space-X avec équipage et sont installés sur la Station spatiale internationale. L'industrie automobile mondiale subit des changements spectaculaires avec de nouveaux développements de batteries qui suivent les industries des ordinateurs personnels et des téléphones portables. Le Tesla Powerwall, qui utilise une pile de LiPos, permet aux maisons de se déconnecter du réseau lorsque le réseau tombe en panne. Le DSV ALVIN de WHOI, le DSV DEEP SEA CHALLENGER de James Cameron et les submersibles TRITON 36 000/2 (DSV Limiting Factor) de Triton Submarine sont alimentés par des modules de batterie LiPo à compensation de pression. En 2019 et 2020, le Japon a lancé deux nouveaux sous-marins diesel-électriques, Taigei, ou "Great Whale", et Toryu, ou "Fighting Dragon", équipés de batteries lithium-ion, rendant les sous-marins capables de naviguer silencieusement submergés plus longtemps.

Comme différents animaux au zoo de San Diego, il est important de reconnaître que les LiPo sont simplement différentes des batteries au plomb ou alcalines. Ils ont leurs propres comportements distinctifs. J'avoue avoir eu une certaine appréhension quand j'ai commencé à étudier, puis à apprendre par la pratique avec LiPos. J'ai commencé avec des batteries LiPo à l'intérieur d'un sac de charge ignifuge, sur un sol en béton dans un petit bunker en parpaings à 6 pieds de tout le reste. Je suis passé à un grand pot de jardin en argile avec un bac de récupération en argile comme couvercle. J'ai surveillé la température et la tension. J'ai lu tout ce que j'ai pu. J'ai suivi des pistes prometteuses. C'était "Comment dresser votre dragon" de DreamWorks. J'avais besoin de savoir. La sécurité est restée primordiale, car j'ai commencé à maîtriser la technologie que beaucoup d'autres utilisaient déjà.

J'utilise maintenant LiPos depuis plusieurs années dans une variété d'applications en mer. Plus vous apprenez, plus vous avez de succès et plus de possibilités se présentent. Je respecte leur densité d'énergie, mais aussi leur volonté de faire un travail. Il existe un grand nombre de travaux décrivant les principes fondamentaux des cellules LiPo et leur application. Cet article en citera quelques-uns.

En bref, traitez toujours les LiPo avec le respect qu'ils méritent. Il est crucial de respecter les paramètres opérationnels recommandés par l'industrie. Les terribles récits des passionnés de RC du week-end peuvent en partie être imputés aux utilisateurs finaux qui s'éloignent des limites prescrites pour gagner quelques minutes de vol supplémentaires, ou qui essaient d'obtenir un vol de plus en chargeant rapidement au-dessus du taux maximal recommandé. Parfois, c'est une batterie moche qu'ils ont à un prix bon marché. Parfois, ils n'ont pas les bons dispositifs pour protéger et entretenir les batteries comme ils le devraient.Quelques bases sur les batteries Li-ion et LiPo

Les batteries au lithium-ion et au lithium-polymère sont des cellules secondaires rechargeables avec des chimies similaires. Ils peuvent être utilisés pour les mêmes applications à haute puissance. Ils se distinguent par différents électrolytes et emballages.

Le lithium-ion et le lithium-polymère sont complètement différents des piles au lithium primaires non rechargeables. D'une part, les polymères de lithium utilisent un composé de lithium intercalé pour leurs électrodes, et non du lithium métallique, et sont donc plus stables. Ils ne sont pas non plus dangereux s'ils sont exposés à l'eau. Les cellules lithium-ion utilisent un électrolyte liquide et sont enfermées dans un boîtier cylindrique en acier inoxydable. La cellule 18650 bien connue en est un exemple.

Les cellules lithium-polymère (LiPo) utilisent un électrolyte gélifié et sont scellées sous vide à l'intérieur d'une pochette en plastique souple. C'est ce qu'on appelle une "cellule prismatique". Il existe plusieurs chimies LiPo, mais la plus courante pour les packs prismatiques est l'oxyde de lithium-cobalt. La chimie est spécifiée dans la fiche signalétique de cette batterie. Une pile de cellules prismatiques peut être liée ensemble à l'aide d'une pellicule rétractable, pour des applications légères, ou à l'intérieur d'un boîtier en plastique dur moulé par injection pour fournir une résistance à la perforation.

Comparées aux piles alcalines, les LiPo ont un poids plus léger, une capacité plus élevée, un taux de décharge plus élevé et sont moins affectées par les températures froides comme on peut en trouver en profondeur. La durée de vie peut être de 100 avant que la capacité de la batterie ne soit réduite aux ¾ de sa capacité d'origine. Une configuration LiPo est spécifiée par le nombre de cellules prismatiques et la manière dont elles sont connectées, c'est-à-dire le nombre de cellules en série et en parallèle. Un "6S1P" signifie qu'il y a 6 cellules en série et seulement 1 pile, sans aucune en parallèle. Pratiquement toutes les batteries prismatiques sont câblées avec toutes les cellules en série, et donc la configuration est simplement appelée "6S", avec le "1P" compris.

À propos des tensions : La tension nominale d'une batterie est le nombre de cellules x 3,7 V/cellule, la tension médiane d'une batterie. Une batterie 6S est décrite comme 6 cellules x 3,7 V/cellule = 22,2 V, bien qu'une charge complète soit de 25,2 V.

Les batteries LiPo ont quatre tensions clés à connaître :

Figure 2. État de charge par rapport à la tension du pack LiPo (graphique avec l'aimable autorisation de Mark Forsyth, RCGroups.com)

En utilisant une sphère en polyamide de 10", j'ai fabriqué une batterie rechargeable 22v/20Ah (440Wh nom). C'est une batterie de voiture qui flotte.

La qualité LiPo varie entre les batteries grand public et commerciales. Les batteries de qualité commerciale sont fabriquées en prêtant attention à la qualité à chaque étape, y compris en sélectionnant des cellules qui correspondent aux caractéristiques des autres dans une pile. Les batteries de qualité grand public sont fabriquées en prêtant attention au coût. La différence est comme acheter des batteries de Duracell par rapport à Harbor Freight. Deux marques commerciales que j'ai tendance à utiliser sont Gens Ace Tattu et Turnigy Graphene. Une liste des meilleurs fabricants de LiPo est disponible sur .

Figure 4. Une batterie Gens Ace Tattu LiPo. Les caractéristiques de la batterie LiPo de la tension, de la capacité, de la configuration et du courant nominal maximal sont indiquées. Vous trouverez plus d'informations générales sur les batteries LiPo GensAce/Tattu sur . (crédit photo : Gens Ace)

Parce que les cellules prismatiques sont scellées sous vide dans une pochette en plastique souple, elles sont tolérantes à la pression. Il n'y a pas de matériaux compressibles à l'intérieur, de sorte que la vitesse de réaction chimique n'est pas affectée par la pression. Le circuit de protection BMS correspondant est également constitué de composants tolérants à la pression (voir la section suivante). J'ai immergé les deux dans des sacs remplis d'huile minérale et les ai testés à 18 000 psi. Ils ont bien tenu.

Placer une batterie LiPo à compensation de pression à l'extérieur de la coque signifie que vous ne soustrayez que le poids de l'eau du budget de flottabilité, plutôt que le poids de l'air lorsqu'il se trouve à l'intérieur de la coque. Juste un SWAG, mais pour la même flottabilité, un engin peut être capable de transporter 25% de puissance supplémentaire. Pour plus de détails sur les LiPo, voir Battery University  ; "Un guide pour comprendre les batteries LiPo"  ; et "The care and feeding of LiPo packs" .Suivez votre curiosité et vous en trouverez d'autres.Circuit de protection LiPo

Voici où je m'écarte de la pratique RC normale.

Il est très important d'équilibrer la charge d'une batterie LiPo. En effet, certaines cellules ont une résistance interne légèrement supérieure à d'autres, ce qui permet à certaines de se surcharger, tandis que d'autres se sous-chargent, si elles ne sont pas régulées. Vous trouverez une pléthore de "chargeurs d'équilibre" qui fonctionnent bien. MAIS, il est également important d'équilibrer la décharge pour éviter qu'une cellule ne se décharge plus vite que les autres pour les mêmes raisons, et ne plonge trop bas. Une coupure basse tension ne suffit pas, car elle mesure la tension totale du pack. Une cellule, cachée dans la tension totale de la batterie, peut être épuisée au point de se ruiner, emportant toute la batterie avec elle. Lorsque cette batterie est placée sur un chargeur d'équilibre la prochaine fois, elle trouvera celle qui est défectueuse et annulera la charge.

La solution est un BMS : Battery Management System, une carte conçue pour protéger chaque cellule de votre pack LiPo en la maintenant dans des zones de fonctionnement sûres. En plus d'une fonction d'équilibrage de charge/décharge, un BMS dispose d'une protection contre les surcharges (coupure haute tension), d'une protection contre les décharges excessives (coupure basse tension), d'une protection contre les courts-circuits (déconnecter la charge) et d'une protection contre les surintensités (20A sélectionnable , 30A, 40A). Les meilleures conceptions BMS consomment moins de 200 uA. Figure 5. Un circuit de protection LiPo "Battery Management System" (BMS) protège les cellules individuelles d'un pack LiPo pendant la charge et la décharge. Une batterie LiPo 5S est illustrée. (Crédit photo : Experts en modules d'alimentation QSKJ)

Un autre grand avantage du BMS est que plusieurs batteries identiques, chacune avec son propre BMS, peuvent être liées ensemble, positive à positive, négative à négative, dans ce qu'on appelle un "bus de tension". La disposition en parallèle fournit la tension de sortie nominale de la batterie, tout en ajoutant la capacité en ampères-heure. Le BMS offre également la possibilité de recharger la batterie à partir d'un seul port d'alimentation sans ouvrir le boîtier. Si une deuxième batterie pour un atterrisseur déployé est disponible, elle peut être chargée lentement, ce qui prolongera la durée de vie des cellules.

Regardez attentivement les composants SMT utilisés dans l'assemblage de la carte BMS. Il y a de bonnes chances qu'ils tolèrent tous la pression. Bonne nouvelle, cela signifie qu'un LiPo à compensation de pression peut avoir son side-car BMS avec lui pour le trajet.

Sécurité: Une sphère en polyamide est scellée sous vide. Dans le cas improbable où du gaz serait généré, la sphère s'effondrerait tout simplement. En cas d'immersion, l'eau salée déchargera la batterie, mais ne réagira pas avec le polymère. Si vous utilisez une sphère en verre de Nautilus Marine Service (Vitrovex) : retirez le capuchon de l'orifice de purge auto-obturant. Le clapet anti-retour maintiendra le vide intérieur, mais sortira s'il y a une surpression interne. Assurez-vous de replacer le capuchon du port de purge lorsque vous avez terminé. S'il s'agit d'un cylindre, une mesure de sécurité pour le dégazage consiste à retirer les vis qui maintiennent le capuchon d'extrémité au boîtier. Un vide interne maintiendra l'embout en place et une surpression interne le fera sortir. S'il est équipé d'un orifice de purge auto-obturant, retirez le capuchon. Le clapet anti-retour interne maintiendra le vide intérieur, mais sortira en cas de surpression interne. Assurez-vous de replacer le capuchon du port de purge lorsque vous avez terminé. Alternativement, une soupape de surpression (PRV), comme celles fabriquées par Deep Sea Power & Light ou Prevco, pourrait être utilisée. Un PRV doit être placé au fond d'un boîtier sous pression, semblable à une trappe d'entrée dans un habitat sous-marin. Lorsqu'un PRV est ouvert, il est ouvert directement sur la mer. Les PRV ont une pression de fissuration et de refermeture, à quel point l'eau peut s'infiltrer si le PRV pointe vers le haut. Un autre rappel pour les ingénieurs est de faire attention à la corrosion de matériaux différents entre le PRV et le capuchon d'extrémité. Nous parlerons plus en détail des boîtiers dans un prochain numéro.

Chargeurs Étant donné que chaque batterie a son propre BMS pour équilibrer la charge des cellules individuelles, un chargeur déséquilibré intelligent conçu pour LiPos est nécessaire. Ceux-ci sont remarquables en ce qu'ils n'ont pas de port de connecteur de fiche d'équilibrage LiPo. Figure 6. Un chargeur LiPo intelligent déséquilibré. L'entrée universelle permet une utilisation dans n'importe quel pays ou navire d'occasion. (Illustration avec l'aimable autorisation de AA Portable Power Corp.)

Un chargeur LiPo déséquilibré intelligent fournit une protection contre les sous-tensions LiPo, de sorte que si la tension de la batterie LiPo est <15,12 V, le chargeur ne chargera pas la batterie car une ou plusieurs cellules sont probablement endommagées. Il offre également un deuxième niveau de protection au BMS pour la protection contre les courts-circuits de sortie, la protection contre les surchauffes, la protection contre les surtensions et la protection contre l'inversion de polarité. Le chargeur LiPo intelligent déséquilibré fournit un cycle de charge à courant constant/tension constante. Figure 7. Un chargeur LiPo intelligent déséquilibré fournit initialement un courant constant (CC), puis passe à une tension constante (CV) pour terminer la charge. (Illustration avec l'aimable autorisation de Witold Maranda, PhD, Université de technologie de Lodz, Pologne)Instruments importants à avoir

1. DVM, bien sûr, alors ça devient intéressant.

2. Le compteur LiPo ESR (résistance série équivalente) Mark II.

Facilement le prochain outil de diagnostic LiPo le plus important à avoir dans le coffre à outils.

La résistance interne (IR) est le meilleur prédicteur de l'état de la batterie. L'IR est mesuré en milliohms (mΩ). Plus la résistance est faible, moins il y a de restriction dans le flux de courant. Une résistance élevée provoque le réchauffement de la batterie et la chute de la tension aux bornes sous charge. Le compteur LiPo ESR (Equivalent Series Resistance) Mark II est le meilleur compteur sur le marché pour juger de la qualité des batteries au lithium. Figure 8. Le compteur ESR (Equivalent Series Resistance) Mark II. (Photo gracieuseté de Progressive RC)

Le compteur ESR fournit la résistance interne des cellules individuelles lorsqu'elles sont retirées de la batterie, ou une mesure intégrée de l'ensemble du pack, y compris le BMS. Le BMS ajoute un décalage fixe à l'IR de la batterie. L'ESR fournit une lecture directe de la résistance interne et du courant maximum que le pack peut fournir au moment où la mesure est effectuée. Figure 9. La résistance interne (CI-DESSUS) et le courant maximum (CI-DESSOUS) peuvent être mesurés et enregistrés pour une nouvelle batterie. Ces photos montrent une mesure de l'état de la batterie pleine avec BMS. Si la charge estimée est inférieure à 40A, cette batterie convient. Il n'est pas nécessaire de se connecter aux fiches d'équilibrage de la batterie LiPo pour faire une évaluation générale, bien qu'il présume que le BMS fait son travail d'équilibrage de chaque cellule. Si la valeur IR nette augmente à partir de la mesure initiale au fil du temps, la pile devra peut-être être remplacée. (Photos par Kevin Hardy)

Le fabricant conseille d'effectuer les mesures à la même température. (150 $, RC progressif)

3. L'analyseur de batterie informatisé V Pro (CBA V Pro)

Je prendrais certainement celui-ci aussi. Il est utilisé pour tester la capacité de la batterie et pour décharger avec précision et automatiquement une batterie à une tension spécifique pour le stockage ou l'expédition. Figure 10. L'analyseur de batterie informatisé V Pro (Photo fournie par West Mountain Radio)

Les tensions de stockage et d'expédition sont obtenues en chargeant d'abord la batterie, puis en la déchargeant à la tension spécifiée à l'aide de l'analyseur de batterie CBA V Pro. Spécifiez la tension finale et le CBA s'arrêtera automatiquement lorsqu'il atteindra cette tension.

Le CBA (Computer Battery Analyzer) V peut également déterminer la capacité réelle de la batterie à différents taux de décharge. Il peut également tester la fonction Low Voltage Cut Out (LVCO) du BMS. Figure 11. Le CBA fournit une véritable courbe de décharge et la capacité de votre batterie. Ici, la ligne horizontale verte à 18.00 v est la limite prédéfinie pour couper la décharge de la batterie 6S (3.0v/cellule). Au lieu de cela, la coupure basse tension BMS (LVCO) s'est déclenchée à 19,20 V (3,2 V/cellule). (Photo de Kevin Hardy)

Pour tester la capacité d'une batterie à basse température, placez-la dans un réfrigérateur et faites passer les câbles vers le CBA V. Un thermomètre intérieur/extérieur fournira la température. (229 $, de West Mountain Radio )4. Un compteur de cellules 5 en 1 pour tester la tension des cellules : Figure 12. Le compteur de cellules Tenergy 5 en 1 (Photo avec l'aimable autorisation de Tenergy Power)

Ce compteur mesure la tension des cellules individuelles et la tension totale de la batterie via la prise d'équilibrage. Le compteur de cellules Tenergy 5 en 1 peut afficher la capacité restante estimée en fonction de la tension de borne déchargée pour les batteries LiPo. Utilisez ce compteur pour vérifier rapidement si votre batterie doit être rechargée avant utilisation. Il peut également afficher la tension de chaque cellule individuelle, confirmant l'état de l'équilibre.

Pour les batteries LiPo et Li-ion, ce compteur de cellules affichera la résistance interne de chaque cellule individuelle, fournissant une évaluation rapide de la santé de la batterie. J'utiliserais ce compteur comme un contrôle par rapport à l'ESR, mais je ferais confiance à l'ESR comme un meilleur instrument pour cette tâche importante. (19 $, chez Tenergy Power)

UNOLS sur la sécurité LiPo à bord

Quatre documents University-National Oceanographic Laboratory System (UNOLS), WHOI et USN peuvent être trouvés sur https://www.unols.org/documents/batteries.

Scripps Institution of Oceanography a un document similaire à https://scripps.ucsd.edu/sites/scripps.ucsd.edu/files/basic-page-ships/field_attachment/2015/SIO.ShipboardLithiumBatteryGuidelines.Nov-2014.pdfExpédition:

Les restrictions IATA UN 38.3 s'appliquent. Bon conseil : ne modifiez en aucun cas les batteries LiPo, et le document de certification de test UN 38.3 utilisé par le fabricant pour vous les expédier s'applique toujours. Ils sont tenus de vous en remettre une copie si vous le demandez. FedEx et UPS publient leurs directives basées sur les règles de l'IATA. Si vous expédiez les LiPos à l'intérieur d'un boîtier, ils sont qualifiés pour être transportés sous UN3481, qui est moins restrictif. En effet, le boîtier protège la batterie contre les perforations accidentelles. Pour plus d'informations sur les règles IATA, consultez Battery University et recherchez "BU-704a: Shipping Lithium-based Batteries by Air". Si vous trouvez que l'expédition IATA est trop restrictive, ne vous inquiétez pas : vous avez conçu des batteries non modifiées dans votre batterie ! Retirez les piles et expédiez les boîtiers vides. Commandez un nouvel ensemble de LiPos à livrer à votre agent dans le port d'opération étranger. Ouvrez et réassemblez la batterie à cet endroit.

Entreprises commerciales qui proposent des batteries LiPo sous-marines :

Conclusion:

Je n'ai pas essayé de charger les LiPos sous pression, comme on pourrait le faire avec un réseau câble-terre, mais je soupçonne qu'ils fonctionneront normalement.

J'espère que cela vous a été utile et que vous explorerez les choses intéressantes que LiPos peut faire pour vous.Autres ressources, Livres

"Les piles dans un monde portable", Isidor Buchmann, 2016, (ISBN 978-0-9682118-4-7)

"Piles au lithium de bricolage", Micah Toll, 2017, 978-0-9899067-0-8)Avenir

IEEE Spectrum (octobre 2022) a rendu compte du prototype de berline Vision EQXX de Mercedes-Benz. Il arborera une "anode de batterie à haute teneur en silicone… qui peut réduire la portée des batteries, devrait être largement popularisée au cours de la prochaine décennie". La technologie marine bénéficie souvent de technologies croisées dont le développement a été financé par des marchés plus importants. Dans une décennie, qui sait ?Autre boutique parler

Make Magazine, Vol 83, vient de sortir, présente le "2022 Boards Guide", comprend leur Make: Guide to Boards annuel comparant 79 des microcontrôleurs, ordinateurs monocartes et FPGA les plus en vogue - en mettant l'accent sur ceux que vous pouvez réellement mettre entre vos mains sur.Remerciements

Merci à Douglas Alden, ingénieur R&D 5, et au Dr Paterno Castillo, Scripps Institution of Oceanography, pour avoir engagé la communauté Scripps au sens large dans une conversation sur les batteries au lithium via le forum technique Scripps sur le campus. Merci également à Chad Collett et Brent Lackey, SubC Imaging (Clarenville, NL, Canada), pour leur intérêt et leur conversation continue sur la conception LiPo sous-marine. L'auteur exprime sa gratitude au Dr Peter Worcester, Institut de géophysique et de physique planétaire (IGPP) de Scripps, reconnaissant sa curiosité insatiable, ses encouragements, sa confiance en son équipe et sa volonté d'essayer de nouvelles façons de faire progresser sa science.Commentaires des lecteurs

Vos commentaires et expériences partagées sont toujours les bienvenus. Veuillez envoyer vos pensées, histoires et photos à : Kevin Hardy <[email protected]>. Vous risquez de vous retrouver en version imprimée !