Leçon 4 : les batteries

Chargeur batterie

(Article pour les Batteries LiPo ou Li-ion)
La majorité des batteries utilisées dans les drones sont des LiPo : Lithium-polymère ou des Lithium-ion. 
Chaque batterie est constituée de cellules assemblées en parallèle, en série ou parfois les deux.

Ici une batterie 4 cellules (4S1P) Li-Ion


Pour les scientifiques 😉
Pour les Lipo : chaque cellule est composé de lamelles de cathodes (avec de l’oxyde de lithium) et de lamelles d’anodes (avec du carbone) séparés par un séparateur polymère poreux, baignant dans un gel polymère (l’électrolyte). Pour les Li-on il ne s’agit pas d’un gel, mais d’un liquide. La réaction chimique (reversible) fait passer des ions lithium de l’anode vers la cathode et sur un circuit extérieur des électrons de l’anode vers la cathode, ce qui alimente le drone en électricité (voir le schéma I).

Schéma 1

Le courant est créé par un mouvement des électrons
Lorsque la batterie se décharge :
Le courant se déplace du + vers le – et les électrons en sens inverse. Ils se déplacent de l’anode (électrode négative) vers la cathode (l’électrode positive). Les ions Lithiums traversent l’électrolyte, en partant de l’anode pour rejoindre la cathode, comme les électrons (sur le circuit extérieur).
Lorsque l’on recharge la batterie, les électrons sont renvoyés de la cathode vers l’anode, ainsi que les ions, par une inversion des pôles. Les batteries ont un dispositif d’inversion de l’anode et de la cathode (charge et décharge). 

Il est important que chaque cellule dans une batterie reste au même niveau de tension que les autres (c’est l’équilibrage), sinon elle s’endommage et peu prendre feu. Il ne doit pas y avoir d’écarts supérieurs à 0,1 V ente chaque cellule.

Il est donc nécessaire de recharger les batteries avec un chargeur adapté et de ne jamais les laisser charger sans surveillance. Si certaines sont équipées d’un système électronique BMS (Battery Management System) qui contrôle l’équilibrage mais également le nombre de cycles, toutes les batteries ne l’ont pas. Attention : parfois le BMS est lié à un fusible qui coupe la batterie. Et si vous êtes en vol, vous imaginez facilement la suite.

Les LiPo sont plus légères ques les Li-Ion (dont l’électrolite est liquide).
Tension d’une cellule LiPo à vide : 3,2 V – Nominale : 3,7 V – Pleine charge : 4,2 V

Lire les infos sur une batterie Lipo

A / L’écriture : XsYp
Xs est nombre d’éléments en série 
Yp est nombre d’éléments en parallèle

Exemple : 5s3p est une batterie 5 cellules en série mises 3 fois en parallèle
Calcul de sa tension nominale : 5×3,7 = 18,5 V
Calcul de sa tension à pleine charge : 5×4,2 = 21 V
En effet les tensions s’additionnent en série mais non en parallèle.

Batterie 5S3P Li-ion (le système d’écriture est le même en Li-ion ou. Li-Po)

B/ L’écriture mAh ou Ah
La capacité d’une batterie est exeprimée en mAh. milliampère heure. C’est son intensité nominale. C’est-à-dire qu’une batterie, par exemple, de 4000 mAh déchargera 4000 mA ou 4 A (à sa tension nominale) pendant 1h.

Exemple : reprenons nos calculs  avec notre batterie 5s3P (LiPo) qui a capacité par ligne dirons-nous de 2200 mAh , (1 ligne 5s fait du 18,5 v). On aura donc une batterie de (3x 2200 mAh) soit un intensité de 6600 mAh à 18,5 V.
Son énergie totale est de 6,6 Ah x 18,5 V= 122,1 Wh.
La batterie fournira 122 W pendant 1h (122 x 3600 s = 439200 joules)
Les capacités s’additionnent en parallèle et non en série.


C/ L’écriture C
La capacité de décharge ! C’est l’intensité que peut décharger une batterie en instantané.
Exemple : une batterie en 5C peut décharger 5 fois son intensité nominale en instantané. Si la batterie à une intensité nominale de 1200 mAh, elle peut fournir 5×1200 : 6000 mA, soit 6 A en instantané (pour plus de puissance)
Il arrive que sur certaines batteries on lise deux valeurs ‘C’. Par exemple 35C et 5C (charge). Cela veut dire que la batterie pourra décharger 35 fois sa valeur nominale en instantané et que l’on pourra la charger à 5 fois sa valeur nominale (cela permet de la charger plus rapidement – ici 5 fois théoriquement). Personnellement, je préfère charger toutes mes batteries à 1C.

Des exemples de batteries 

1/ La Batterie du Mavic 2 Pro : FB2-3850mah-15,4 V
On peut lire : Max charge : 17,6V Nominal : 15,4V 
Rate Capacity : 3850 mAh 59,29wh
Cela indique si on fait un calcul rapide : 17,6 / 4,2 = 4,19 et 15,4 / 3,7 = 4,16
Nous pouvons en déduire que cette Batterie est un 4S (4 cellules). D’ailleurs dans le Logiciel Dji Go 4 on peut les contrôler. 
59,29 (3850 mAh x 15,4 V), Le Rate Capacity est donc l’énergie totale.

2/ La Batterie du Mavic Mini (en Lithium-ion) : MB2-2400 mAh 7,2 V
Max charge : 8,4 V Nominal : 7,2 V
Donc une 2S (deux cellules) à 17,28 wh max

Conseils : 

  • Les LiPo fonctionnent mieux à température élevé. 
  • S’il fait froid, le mieux est de garder la batterie au chaud dans un véhicule, ou sur soi, près de son corps pour avoir une température de stockage de 20°c. Il est conseillé lorsqu’il fait froid de lancer les rotors du drone 1 minute avant le décollage pour avoir une température de la batterie assez élevée. Tirer sur une batterie à froid est très mauvais.
  • Les LiPo résistent sans soucis à des températures jusqu’à 50°c.
  • Réaliser de temps en temps des cycles de charge et de décharge.
  • Stocker les batteries dans des sacs ignifugés 
  • Attention les Lithium-ion : peu de décharge…(5 à 10% par mois), elles s’usent même quand on ne s’en sert pas (durée de vie : 2 ou trois ans)

En avion :
La plupart des compagnies (renseignez-vous avant votre voyage) acceptent les batteries en dessous de 100Wh en bagage cabine (pour les Li-ion, il faut une capacité de Lithium inférieur à 2 grammes pour certaines compagnies aériennes). Il est rare que les compagnies permettent le vol des batteries en soute. Il est conseillé de bien protéger la partie permettant de la recharger (capuchons plastiques, scotch…), de la faire voyager en sac ignifugé et qu’elle ne soit pas à plus de 30% de charge. Attention, certaines études récentes montrent de vrais différences d’efficacité entre les marques.

Sac ignifugé pour batterie

À ne pas faire (détoriation de la cellule et risque d’inflammation): 

  • Tirer trop de courant : une autre réaction chimique se produit et détériore la cellule. 
  • Laisser descendre la tension de chaque cellule en dessous de 3V
  • Ne pas respecter les températures de fonctionnement indiqué par le constructeur (en fonction de la température et de la charge les cellules se contractent ou se dilatent).
  • Laisser une batterie dans le froid et l’utiliser sans l’avoir réchauffer au préalable
  • Stocker les batteries LiPo en pleine charge ( Il faut les stocker à 50% de la charge et en avion 30% de la charge).
  • Charger les batteries dans un environnement inflammable (bois, tissus, produits chimiques…)
  • Mettre au feu ou dans l’eau

Supplément 1 : charger une batterie LiPo
Pour ceux qui veulent aller plus loin (sur certains drones comme les racer / fpv ou que l’on monte soi-même), on trouve deux cordons sur la batterie, le cordon de charge / alimentation et le cordon de la prise d’équilibrage. 

Batterie avec ses deux cordons


Pour la charger : 
1 – Brancher le cordon de charge sur le chargeur
2 – Brancher le cordon de charge à la batterie
3 – Brancher la prise d’équilibrage de la batterie au chargeur
4 – Programmer le chargeur (indiquer le type de batterie – exemple LiPo -, choisir la fonction ‘balance’, c’est-à-dire la charge avec balance, indiquer la capacité de la batterie (exemple : 3,3 A) puis indiquer le voltage (on vérifie le nombre d’éléments – cellule- d’indiquer pour vérification) puis valider.

Supplément 2 : Roder ses LiPo en 10 charges…

1 – Charger ses LiPo à 1C, pas plus.
2 – Laisser refroidir la batterie une fois chargée (ne pas s’en servir avant au moins 2h après sa charge).
3 – Ne pas demander de gros ‘efforts’ les dix premiers cycles. Pas de grosses accélérations
4 – Ne pas décharger la batterie à plus de 50%

© Yann MATHIAS / www.etsionparlaitphoto.com