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BATTERIES LITHIUM-POLYMERE INDUSTRIELLES

 

 

 

Définition, avantages et performances

 

des batteries LiPo KOKAM

 

 

Cette page a pour objet de donner quelques explications concernant les batteries utilisées par ELECTRAVIA comme système de stockage d'énergie de ses appareils. Il s'agit de batteries Lithium-Polymère (une variante des Lithium-Ion) de marque KOKAM, et de technologie industrielle.

 

éléments batterie KOKAM

utilisés par ELECTRAVIA

 

 

 

 

Les batteries Lithium-Ion

 

Un accumulateur Lithium est une technologie de stockage d'énergie de la famille des accumulateurs électrochimiques, dont la réaction est basée sur le lithium.

On distingue la technologie Lithium-Métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique, et la technologie Lithium-Ion (Li-Ion), où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer). Les accumulateurs Lithium-Polymère, ou Li-Po, sont une variante d'accumulateur Lithium-Ion.

Contrairement aux autres technologies, les accumulateurs Li-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur Li-Ion. Ceci explique la profusion de variantes de cette technologie, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales sur cette technologie: chaque variante est différente.

 

CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES ACCUMULATEURS LITHIUM
Energie / Poids	Entre 100 et 200 Wh/kg selon variante
Energie / Volume	Entre 200 et 400 Wh/L selon variante
Rendement charge / décharge	99,9 %
Autodécharge	De 4 à 8% par mois
Durée de vie	Maximum testé : 12 ans
Nombre de cycles de charge	Entre 800 et 3.000 selon variante
Tension nominale par élément	3,6V ou 3,7V par élément selon variante

 

En ce début de XXIe siècle, cette technologie offre la plus forte énergie spécifique (énergie / masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie / volume).Ces batteries peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, véhicules hybrides, systèmes de secours). Les satellites Galiléo sont équipés de batteries Li-Ion SAFT d'une durée de vie vérifiée de douze ans. Le planeur Antarès de Lange Aviation possède également des accumulateurs SAFT VL41M.

 

batterie SAFT VL41M pour l'ANTARES

 

Dans le cadre d'une utilisation régulière, il est préférable de ne pas décharger ces batteries au-delà de 80% de leur capacité. Les 20% restants sont considérés comme une sécurité, un peu comme la réserve d'un réservoir d'essence.

 

 

Avantages des accumulateurs Li-Ion :

- possèdent une haute densité d'énergie pour un poids très faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (très bon rapport poids/potentiel électrique). Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués.

- ont une faible autodécharge (moins de 10 % par mois)

- ne nécessitent pas de maintenance

- ne présentent aucun effet mémoire

L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique qui affecte les performances des batteries. Cet effet a été découvert par la NASA avec les satellites. Il concerne surtout les technologies Ni-Cd ou Ni-MH. Il entraîne une diminution de la quantité d'énergie que l'accumulateur peut échanger avec l'extérieur, avec pour conséquence une diminution de la capacité nominale de l'accumulateur. Celui-ci ne peut plus se décharger comme à l'origine. Il donne l'impression de pouvoir stocker moins d'énergie, mais en réalité, c'est davantage la restitution qui pose problème: l'énergie n'est simplement plus accessible de la même façon. On peut faire l'analogie avec le réservoir d'un véhicule dont une partie serait bouchée, qui enfermerait encore du carburant auquel on ne pourrait accéder.

 

 

Inconvénients des accumulateurs Li-Ion :

- profondeur de décharge : ces batteries s'usent moins vite lorsqu'elles sont rechargées tous les 10 % que lorsqu'elles le sont tous les 80 %.

- courants de charge et de décharge admissibles plus faibles qu'avec d'autres technologies.

- nécessitent quelques précautions. Lorsqu'elle est mal utilisée, cette technologie peut présenter des dangers potentiels. La batterie peut se dégrader en chauffant au-delà de 80°C en une réaction brutale et dangereuse. Comme avec tout accumulateur, il ne faut jamais mettre en court-circuit l'accumulateur, inverser les polarités, surcharger ou  percer le boîtier. La batterie doit toujours être équipée d'un circuit de protection empêchant une charge ou une décharge trop profonde, d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elle doit en outre être chargée en respectant des paramètres précis et ne jamais être déchargée en-dessous de 3V par élément.

 

 

 

Les batteries Lithium-Polymère

 

Il s'agit en fait d'une appellation commerciale du "Lithium-Ion-Polymère" où l'électrolyte est un polymère gélifié. Les batteries Li-Po, encore appelées "Li-Poly", utilisent un principe de fonctionnement semblable aux batteries Li-ion et ont des caractéristiques proches, mais qui présentent tout de même quelques différences.

 

Avantages des Li-Po par rapport aux Li-Ion :

- Les Li-Po peuvent prendre des formes fines et variées

- Les Li-Po peuvent être déposées sur un support flexible

- Faible poids (le Li-Po permet parfois d'éliminer l'enveloppe de métal lourde)

- Les Li-Po sont plus sûres que les Li-Ion (plus résistantes à la surcharge et aux fuites d'électrolytes)

- Les Li-Po sont recyclables à 96% (récupération du Lithium à 100%, retraitement du polymère)

- Les Li-Po ont notablement plus de cycles de vie

La capacité des accumulateurs diminue petit à petit à force de les décharger et de les charger. La durée de vie (exprimée en nombre de cycles) est définie par le nombre de charges et de décharges que peut subir la batterie jusqu'à réduire sa capacité entre 60 et 80%. Par exemple, si la batterie est donnée pour un nombre de cycles de 800, on peut penser qu'elle doit être remplacée dès qu'on arrive à 800 cycles. En réalité, dans nos usages aéronautiques, on ne décharge pas les batteries de façon régulière à plus de 80% (pour conserver une "réserve"). Le nombre de cycles diminue en fonction de la profondeur de décharge: si on décharge toujours à 100%, on ne fera que 800 cycles; si on s'en tient à une décharge régulière de 80% de la capacité de la batterie, on pourra aller jusqu'à 1.000 cycles sans problèmes.

 

 

Inconvénients des Li-Po par rapport aux Li-Ion :

- Densité énergétique un peu plus faible que les Li-ion de dernière génération

- les Li-Po sont un peu plus chères que les Li-Ion

- Les charges sont soumises à une procédure stricte sous peine de risque d'inflammation. Attention : certaines batteries Li-Po sont vendues sans circuit de protection et doivent donc être manipulées avec une grande précaution. Il est à noter qu'une batterie Lithium-Polymère n’est pas plus dangereuse qu’une autre batterie rechargeable dès lors qu'elle est de bonne qualité et utilisée correctement.

 

 

 

 

Les éléments indispensables à la bonne gestion d'une batterie Li-Po 

 

Un système d'accumulateurs Li-Po industriel doit impérativement comporter les composants suivants : un BMS, un PCM, un équilibreur et un chargeur dédié.

 

Le BMS (Battery Management System) gère la charge et la décharge de la batterie. En effet, il ne faut jamais charger un élément Lipo à plus de 4,20 V et la décharger à moins de 2,5V. Ce composant BMS est capital sur une batterie Li-Po et sa qualité est essentielle à la durée de vie de la batterie.

 

BMS

 

Le PCM (Protection Circuit Module) : c'est un module lié à chaque cellule qui contrôle en permanence sa tension. En cas de dépassement des seuils haut (4,2V) ou bas (2,5V), le PCM envoie un signal au BMS.

 

 

PCM

 

Equilibreur : lorsqu'il y a un déséquilibre de tension entre éléments d'une même batterie, c'est l'élément de tension la plus basse qui déclenche l'arrêt de la décharge, alors que les autres éléments contiennent encore de l'énergie. Plus ce déséquilibre s'accentue, plus l'énergie disponible diminue. Le remède consiste à ramener tous les éléments à la même tension. C'est le rôle de l'équilibreur qui décharge les éléments les plus pleins pour se caler sur la tension de l'élément le plus faible. Une fois ces tensions équilibrées, on peut procéder à la charge de l'ensemble de la batterie.

 

 

équilibreur de modèle réduit

 

 

Le chargeur doit être spécialement dédié à la charge des batteries Li-Po. La charge se fait à intensité constante jusqu'à obtenir une tension de 4,2V par élément, puis elle se continue à tension constante jusqu'à ce que l'intensité de charge passe en dessous de c/20.

 

Pour les cellules LiPo industrielles, la charge peut intervenir immédiatement après utilisation. La recharge complète d'une batterie de 3kWh prend 1h30. Les batteries sont utilisables tout de suite après recharge.

 

 

chargeur dédié batteries Li-Po

 

 

 

 

 

Les batteries Li-Ion industrielles 

 

Il existe des accumulateurs Li-Po industriels de grande puissance qui sont très stables et performants, grâce à une chimie plus travaillée, une gestion électronique poussée et un système d'équilibrage des éléments élaboré. De nombreux industriels, les militaires, utilisent des batteries Li-Po dans de nombreux systèmes nécessitant l'emport de systèmes de stockage d'énergie performants.

 

Dans les produits grand public, cette technologie s'use même quand on ne s'en sert pas. Ce n'est pas le cas des batteries Li-Po industrielles, car elles sont beaucoup mieux protégées et présentent bien moins de risques de corrosion interne induisant une augmentation de la résistance.

 

A l'heure actuelle (2011), les batteries Lithium-Polymère industrielles sont les seules à présenter les caractéristiques suivantes :

- énergie massique significative,

- grande sécurité et fiabilité vérifiée

- élévation normale de température inférieure à 30°C au cours d'un cycle.

- durée de vie > à 5 ans et nombre de cycles entre 800 et 1.200

- disponibilité sur le marché pour les usages aéronautiques

- recyclage des éléments à 96%

- coût abordable pour de telles performances

 

 

Pour les usages aéronautiques, il convient d'utiliser des batteries Li-Po industrielles d'excellente qualité, testées et reconnues. Il existe sur le marché des batteries de qualité inférieure, qu'il est préférable d'éviter soigneusement pour un usage aéronautique.

 

 

 

 

Les batteries Li-Po industrielles KOKAM  

 

KOKAM est le leader mondial des batteries rechargeables à base de Lithium-Polymère. La société a été créée en 1989 en Corée du Sud.

 

KOKAM fabrique des  batteries pour les modèles réduits (voitures, bateaux, avions) pour les téléphones portables, caméscopes, PDA, ordinateurs portables, etc. Cette entreprise a mis au point une technologie spécifique (the Superior Lithium Polymer Battery, SLPB) qui est utilisée dans un grand nombre de véhicules électriques : vélos, bateaux, voitures, et désormais avions et ULM.

 

 

De nombreux domaines industriels (véhicules, systèmes de surveillance et de recherche, systèmes d'éclairage, nombreux outillages de toute taille) utilisent depuis longtemps des batteries KOKAM. Les secteurs de l'aéronautique et du spatial ainsi que les militaires sont également des clients privilégiés de la société.

 

KOKAM réalise de très nombreux tests pour vérifier la sécurité de ses batteries.

 

 

Voir les sites : www.kokam.com et www.kokamamerica.com

 

Le catalogue de batteries proposées est très complet, avec trois gammes principales :

- High energy density

- High power

- Ultra high power 

On peut le télécharger là : http://www.kokam.com/product/product_pdf/E-catalog_Kokam.pdf

 

 

 

 

 

Les Batteries utilisées par ELECTRAVIA

 

ELECTRAVIA utilise deux types de batteries sur la base de cellules KOKAM : des "haute capacité" et des "haute puissance", selon les spécifications souhaitées par le client.

 

Batteries dites "haute capacité" : - Tension nominale : 3,7V - Tension maximale : 4,2V - Energie massique = 170 Wh/kg - Capacité = 40Ah - Charge sous 1C max - Décharge sous 1C en continu (3C en pic)	Batteries dites "haute puissance" : - Tension nominale : 3,7V - Tension maximale : 4,2V - Energie massique = 130 Wh/kg - Capacité = 40Ah - Charge sous 3C max - Décharge sous 5C en continu (10C en pic)

 

 

ELECTRAVIA équipe les batteries de ses avions et ULM d'un BMS et de PCM équilibreurs spécialement développés en interne pour l'usage aéronautique. L'équilibrage des cellules est géré par l'électronique interne de la batterie (PCM). Le chargeur est dédié à ces batteries (84V 35A).

 

La recharge des batteries KOKAM ELECTRAVIA doit intervenir immédiatement après la décharge, afin de toujours les stocker chargées.

 

Avec les cellules LiPo KOKAM industrielles, la charge peut intervenir immédiatement après utilisation. La recharge complète d'une batterie de 3kWh prend 1h30. Les batteries sont utilisables tout de suite après recharge.

 

 

Les batteries KOKAM conditionnées par

Electravia (boîtier blanc)

 

 

recharge du Cri-Cri E-Cristaline après son record du monde de vitesse (262 km/h)

 

 

 

ELECTRAVIA propose ses batteries en plusieurs configurations classiques :

 

=> De nombreux autres packs de batteries sur base d'éléments KOKAM sont disponibles (capacité, nombre d'éléments, …): nous consulter

 

 

 

 

Comparatif Batteries LiPo / Carburant 

 

Depuis un siècle, l'aviation légère n'avait jamais connu d'autres systèmes de stockage d'énergie que le carburant. Avec l'émergence des moteurs électriques, il est nécessaire de s'adapter à de nouveaux systèmes, qui induisent de nouvelles procédures d'utilisation.

 

Les pilotes sont habitués à utiliser de l'essence dans leurs moteurs, et pas encore à manier des batteries Li-Po. Le parallèle est pourtant évident :

 

- Personne n'aurait l'idée de ne pas respecter quelques procédures évidentes lorsqu'on utilise du carburant : ne pas fumer à proximité du réservoir, mettre une prise de masse lorsqu'on fait le plein, purger les réservoirs, utiliser du carburant adapté et de bonne qualité, …

 

- Pour les batteries, c'est pareil, il y a des règles à respecter lors de leur utilisation. Les procédures permettant d'utiliser l'énergie électrique en toute sécurité sont aussi simples : respecter l'ordre des connexions, se servir de batteries de bonne qualité, éviter de générer un court-circuit, etc.

 

 

L'énergie électrique n'est pas plus ou moins dangereuse que le carburant. Dans les deux cas, il faut respecter quelques règles de base pour les utiliser en toute sécurité.

 

 

 

 

 

L'avenir

 

De nouvelles technologies de batteries ayant une énergie massique supérieures aux Li-Po sont actuellement en cours de cours de validation dans les laboratoires.

Des études sont menées pour voir si ces accumulateurs de nouvelle génération seront utilisables dans les avions, les motoplaneurs et les ULM.

 

 

COMPARATIF CAPACITES TECHNOLOGIES ACCUMULATEURS
Technologies disponibles	Energie massique en Wh/kg
Plomb (Pb)	30
Nickel - Cadmium (Ni-Cd)	50
Nickel – Zinc (Ni-Zn)	80
Sodium – Chlorure de Nickel (Na-NiCl)	85
Lithium – Ion (Li-Ion) 1ère génération / 1992	90
Sodium - Soufre (Na-S)	107
Lithium Métal Polymère (LMP) / 2004	110
Lithium – Polymère (Li-Po) 1ère génération	120
Lithium – Ion (Li-Ion) 2ème génération / 2000	150
Lithium – Polymère (Li-Po) 2ème génération	200
Technologies en cours de développement	Energie massique en Wh/kg
Zinc - Argent	200
Lithium - Manganèse	300
Lithium - Soufre	300
Lithium - Vanadium	350
Poudre de céramique aluminium	680

 

 

Difficile de prévoir quelle sera la technologie qui émergera en premier. Tout ce que l'on peut dire, c'est que les recherches s'intensifient ces dernières années. C'est très encourageant. La motorisation électrique sera bientôt une réalité pour de nombreux avions légers, ULM, motoplaneurs, paramoteurs, y compris en sortant du tour de piste...