Maintenant que les bases théoriques ont été exposées, il est temps de passer à la pratique.

Depuis l’écriture de cet article j’ai développé un BMS qui répond exactement aux besoins de protection et de longévité d’une batterie lithium pour alimentation d’un site isolé (bateau, camping car, maison, site industriel). A la demande d’amis navigateurs je l’ai industrialisé.  Il est maintenant en vente sur mon site Internet: https://www.taobms.com

Dans cet article nous allons passer en revue :

• Ce qu’il faut avoir avant de commencer
• La Préparation de l’installation
• L’achat des cellules au lithium
• La mise en service de la batterie
• La vie à bord avec des batteries au lithium

Voir en bas de page les liens vers les articles précédents.

Ce qu’il faut avoir avant de commencer

Équipement

• Des chargeurs, alternateurs et régulateurs compatibles avec les tensions et cycles de charge des batteries au lithium LiFePo4 (voir article N°4 – La charge de la batterie)
• Un BMS (Battery Management System) ou équivalent pour déclencher des alarmes et commander des relais à divers niveaux de tension de chaque cellule – la fonction équilibrage n’est pas utile (voir article N°3 – La protection du matériel et de l’équipage)
• Fusible Class-T correctement dimensionné (Tao : 400A avec capacité de coupure de 20kA)
• Un solénoïde correctement dimensionné pour isoler la batterie (Tao : 250A)
• Des relais pour commander la coupure des chargeurs et/ou des consommateurs en cas d’anomalie
• Un contrôleur de batterie (courant, tension, SOC, Ah consommés)

Rappel important

Tous les systèmes de charge sont connectés à la batterie lithium et doivent être paramétrés pour la charge de cette batterie de façon optimale. Un système séparé doit être prévu pour charger la batterie moteur :

• soit un chargeur DC/DC qui charge la batterie moteur à partir de la batterie lithium quand le moteur est en marche
• soit la mise en parallèle des deux batteries (dans ce cas la batterie moteur est maintenue chargée en mode Float avec une tension maximale de 13,8V et consommera du courant en permanence)

Sur Tao j’ai opté pour un chargeur DC/DC avec un courant de charge maximum de 8A et qui est activé quand le moteur bâbord est en marche.

 

Autre matériel

• câble de forte section pour remplacer ceux qui sont trop « légers » dans l’installation existante
• cosses à sertir pour ces câbles et autres branchements
• barre de cuivre ou aluminium (6 x 30 mm) si les inter-connecteurs fournis avec les cellules sont trop courts en fonction de la façon dont les cellules seront assemblées
• dispositif pour maintenir les cellules ensemble et les comprimer (Tao : deux plaques d’aluminium de 4mm qui prennent les cellules en sandwich et six tiges filetées qui viennent les serrer sur les batteries par l’intermédiaire de cornières alu en haut et en bas pour répartir les efforts)
• protection des connections contre la mise en court-circuit accidentel par chute d’objet métallique (Tao : une plaque de contreplaqué de 4mm qui recouvre la batterie)
• dispositif pour caler la batterie dans son compartiment et empêcher tout mouvement sur les trois axes

Outillage

• Multimètre digital de bonne qualité (capable de mesurer avec une précision de 1mV autour de 3 à 4 Volts de manière répétitive)
• Pince ampèremétrique pour courant continu
• Thermomètre à infra-rouge
• Alimentation stabilisée de laboratoire (15V – 30A) avec contrôle en tension et courant

La Préparation de l’installation

La configuration de la batterie

En achetant des cellules au lithium de 3,2V nominal, il faudra en assembler plusieurs pour obtenir la tension et la capacité souhaitée pour le parc de batterie.

Pour une installation 12 Volts, le plus simple est de mettre quatre cellules en série (configuration 4S) avec le BMS qui supervise la tension et température de chaque cellule. On peut trouver des cellules de forte capacité, mais plus la capacité est grande, plus les plaques à l’intérieur des cellules sont grandes. Or nos batteries pouvant être fortement chahutées par grosse mer, ces grandes plaques pourraient se déplacer ou se déformer… et éventuellement se mettre en court-circuit. Il est conseillé de limiter la capacité de chaque cellule à 200 ou 300Ah pour une installation marine.

Si une capacité supérieure est nécessaire, il faut mettre plusieurs cellules en parallèle avant de les mettre en série. Dans cette configuration le BMS contrôle la tension de chaque groupe de cellules en parallèle.

Une autre option serait d’assembler les cellules d’abord en série pour obtenir des modules à la tension nominale du parc, puis de mettre ces modules en parallèle pour obtenir la capacité souhaitée. L’inconvénient de cette approche est qu’il faut autant de BMS qu’il y a de modules afin de pouvoir contrôler la tension de chaque cellule.

Sur Tao j’ai assemblé 8 cellules de 300Ah en configuration 2P4S (mise en série de quatre groupes de deux cellules en parallèle) pour obtenir un parc de 600Ah en 12 Volts.

L’emplacement de la batterie

Il faut choisir l’emplacement du parc batterie sur le bateau. Le plus simple pour minimiser le câblage est de les mettre à la place des anciennes batteries au plomb… si cet emplacement répond aux critères suivants :

• sec et ventilé
• température qui ne dépasse pas les 30°C – ce qui exclu la cale moteur
• pas de risque de gel
• facile d’accès

Sur Tao les batteries au plomb étaient sous une couchette arrière dans un coffre volumineux facile d’accès. J’ai mis la batterie au lithium au même endroit.

Sous le plancher il y a une autre protection en contreplaqué

La conception de l’installation

Ce n’est pas au moment de mettre en place la nouvelle batterie et de connecter les fil qu’il faut se poser les questions de conception de l’installation. Il est conseillé de planifier cette installation soigneusement afin de n’avoir plus qu’à suivre le plan au moment de l’installation.

En fonction du degré de modification de l’installation existante les schémas suivants pourraient être utiles :

• schéma fonctionnel de toute l’installation avec les producteurs et consommateurs d’énergie les plus significatifs, dispositifs de sécurité…

• schéma de câblage des batteries (service et moteur) avec chargeurs, systèmes de sécurité…

• schéma de détail de connexion du BMS et des relais qu’il commande

• schéma de détail de toute installation de nouveaux équipements (par exemple alternateurs)

Vu les courants plus forts que la batterie lithium autorise, il est bon de vérifier si la section des câbles existants est adaptée. Prévoir le remplacement de ceux d’une section trop faible. Définir section, longueur, et les cosses à chaque extrémité afin de les faire couper et sertir de façon professionnelle (pince à sertir à mâchoires hexagonales).

Un système de repérage des câbles électriques peut être une bonne idée…  avec un tableau pour expliquer la fonction de chaque connexion.

 

Implantation et câblage des composants

Quatre objectifs pour l’implantation et le câblage des divers composants :

• simplifier au maximum et éliminer tout le superflu (sélecteur de batterie, coupe batterie, relais automatiques de charge…)
• mettre le plus de distance entre les connections positives et négatives
• réduire la longueur des câbles et le nombre de connexions
• avoir une bonne accessibilité des connexions, relais, fusibles, disjoncteurs…

Par exemple sur Tao :

• toutes les connections (positives et négatives) se trouvaient sur une même cloison – j’ai déplacé toutes les connections négatives sur une autre cloison « négative »
• les deux bus étaient sur une planchette avec seulement 10 cm entre les connexions positives et négatives – j’ai déplacé le bus positif vers la cloison “positive”  et mis dans une boite de dérivation

• trois coupe-batteries et un sélecteur de batterie – je n’ai gardé que le coupe-batteries pour la batterie moteur et un autre pour éventuellement démarrer les moteur sur la batterie service

Connexions sur les faces arrières des cloisons

Prévoir l’emplacement du BMS (proche de la batterie) et des relais qu’il commande (généralement à proximité des circuits commandés)

L’achat des cellules au lithium

Il y a plusieurs fabricants de bonne réputation… tous basés en Chine : CALB, Sinopoly, Winston, GB Systems (GBS)…

En achetant les cellules chez un distributeur il est important de spécifier que ces cellules doivent provenir du même lot de fabrication et si possible avec des numéros de série consécutifs. Ceci afin d’avoir le minimum d’écart de caractéristiques et de comportement entre ces cellules. En effet si une cellule a, par exemple, une résistance interne très légèrement différente de celle des autres cellules, celle-ci se chargera et se déchargera différemment des autres et un déséquilibre entre les cellules se produira avec vieillissement prématuré de certaines.

Penser à commander un nombre suffisant de connecteurs inter-cellules pour mettre toutes les cellules en parallèle.

Les cellules neuves doivent être chargées en usine entre 50% et 60% SOC, être sorties de l’usine il y a moins de six mois, et n’avoir jamais été connectées à quoi que ce soit.

Surtout ne pas acheter de cellules soit disant « pré-équilibrées » car si le distributeur ne les a pas déchargées à 50%SOC aussitôt l’équilibrage réalisé, les cellules ont souffert.

A réception des cellules il est important de mesurer la tension de chaque cellule avec un multimètre électronique de bonne qualité. La tension de chaque cellule doit être de l’ordre de 3,3V avec une différence de tension entre cellule de moins de 2mV. Tout écart supérieur à 2mV est une indication que la cellule a des caractéristiques différentes de celles des autres cellules ou que la cellule aurait pu être utilisée avant de vous la livrer…

Pour Tao j’ai acheté huit cellules Winston de 300Ah directement chez le distributeur Winston en Chine. Aucun problème particulier pour passer la commande, si ce n’est qu’il faut payer par virement bancaire avant la livraison… Mais pas de surprise. En 2016 cela m’a coûté 3000$US plus 370$US pour l’expédition aux USA (je me suis chargé de la consolidation et réexpédition vers St Martin).

Les cellules étaient emballées et calées dans une caisse en bois avec des mousses sur toutes les faces. J’ai reçu huit cellules avec numéros de série consécutifs et aussitôt déballées j’ai vérifié leur tension à 3,307V sans écart entre cellules.

La caisse en bois à la descente du camion

Les cellules sont bien calées

La mise en service de la batterie

Modifier l’installation

Avant d’équilibrer les cellules et de mettre en place la batterie il faut s’assurer que tous les composants nécessaires sont en place et que le câblage est réalisé en accord avec le plan.

• Déconnecter les batteries existantes
• Mettre en place les nouveaux composants (solénoïde, fusibles, relais, BMS, chargeurs, convertisseurs, alternateurs…)
• Connecter l’ensemble en accord avec le plan (remplacer les câbles trop fins, passer les connecteurs au papier de verre et les enduire de graisse diélectrique, identifier les câbles en accord avec le plan…)
• Le BMS et ses périphériques sont câblés, et prêts à être connectés
• Programmer les chargeurs et régulateurs pour les batteries existantes
• Reconnecter les batteries existantes
• Alimenter la commande du solénoïde afin qu’il soit fermé
• Vérifier que tout est en ordre et fonctionne normalement

Mon régulateur solaire Victron MPPT 150/70 n’a pas de sonde de tension séparée. Il régule donc la charge en fonction de la tension à ses propres bornes… ce qui veut dire que la tension de régulation est égale à la tension aux bornes de la batterie MOINS les chutes de tension dans les câbles et connexions (un câble de 25mm2 a une résistance de 0,7 milliohms par mètre et une connexion a une résistance de contact de l’ordre 0,1 à 0,3milliohm en fonction de sa qualité). Avec un courant de charge de 50A ces chutes de tension ne sont pas négligeables et peuvent atteindre 0,3 à 0,4V si on ne fait pas attention (cela correspond à une résistance totale du circuit entre 6 et 8 milliohms) … et vous ne pourrez jamais charger votre batterie.

En effet pour cet exemple, supposons que la tension Bulk/Absorption soit réglée à 13,8V. Lorsque la tension atteint ce niveau (au niveau du régulateur solaire), la tension de la batterie n’est que de 13,4V à 13,5V… ce qui n’est pas assez pour charger la batterie !!

Sur Tao, j’ai mesuré une chute de tension entre 0,2V et 0,3V avec un courant de charge de 40A. Pour réduire cette chute de tension à 0,1-0,2V, j’ai raccordé le régulateur directement entre la sortie du shunt et la sortie du solénoïde et j’ai passé toutes les connections au papier de verre + graisse diélectrique. En réglant la tension Bulk/Absorption à 13,95V le régulateur passe en mode Float quand la batterie est chargée entre 90% et 95%.

Équilibrage des cellules

Rappel sur la nécessité d’équilibrer les cellules

• La capacité utilisable de la batterie au lithium est définie entre le moment ou l’une des cellules est pleine et le moment où l’une des cellules est vide. Si les cellules en série ne sont pas toutes exactement au même niveau de charge lorsque la batterie est assemblée, la cellule la plus chargée définira la limite haute de charge et la cellule la moins chargée définira la limite basse de décharge. Il y a donc perte de capacité.
  • la cellule qui est pleine en premier risque d’être en sur-charge et de se détériorer
  • la cellule qui est vide en premier risque de passer en dessous du niveau de charge minimum et de se détériorer

• L’équilibrage des cellules a pour objectif de synchroniser la charge des cellules afin qu’elles soient toutes pleine ou vide en même temps

Si les cellules ne sont pas équilibrées :

• avec un BMS, les alarmes hautes et basses risquent de se déclencher prématurément et de déconnecter la batterie
• sans BMS, il y a risque d’endommagement ou de destruction de cellules

Il est donc impératif d’équilibrer les cellules avant de les assembler en série.

Principe de l’équilibrage

• Comme deux cellules n’ont pas exactement la même capacité il faut choisir si on souhaite qu’elles soient pleines en même temps (équilibrage à 100%SOC), ou si on veut qu’elles soient vides en même temps (équilibrage à 0%SOC). Dans nos applications il est peut probable et non souhaitable de décharger les cellules à 0%SOC. L’équilibrage se fait donc à 100%SOC.
• Note : on peut minimiser les différences entre cellules en achetant des cellules du même lot de fabrication avec des numéros de série consécutifs

• Les cellules sont connectées en parallèle et chargées avec une tension au maximum de ce qu’elles acceptent sans les endommager. Lorsque le courant de charge est nul, toutes les cellules sont pleines.

Comment équilibrer les cellules

Installation pour équilibrer les cellules

• • Cette opération doit se faire juste avant de mettre la batterie en service car il ne faut pas laisser les cellules chargées à 100%SOC pendant longtemps au risque de les abîmer.
  • Mettre toutes les cellules en parallèle en utilisant les connecteurs fournis par la fabricant. S’assurer que les contacts sont propres (les passer éventuellement au papier de verre fin) et bien serrer les boulons en respectant les consignes du fabricant.
  • Avant de la connecter aux cellules, régler l’alimentation stabilisée avec une tension de 3,45V et un courant limité à 80% de la capacité maximale de l’alimentation (si alimentation de 30A, limiter le courant à 24A)
  • Connecter la sortie de l’alimentation aux cellules (ne jamais arrêter l’alimentation tant qu’elle est connectée aux cellules – il faut la déconnecter des cellules avant de l’arrêter)
  • La tension va rester autour de 3,3V pendant de nombreuses heures / jours (en fonction de la capacité des cellules, de leur nombre et de leur état de charge). Ce processus doit se faire avec un peu de surveillance – j’arrête la charge quand je m’absente et la nuit.
  • Vérifier régulièrement la température de chaque cellule avec thermomètre infra-rouge (viser la borne de la cellule toujours au même endroit). Si une cellule est plus chaude cela est une indication que soit sa connexion est de mauvaise qualité (dévisser, nettoyer et revisser), soit que la cellule est malade…
  • Attendre que la tension se stabilise à 3,45V et que le courant soit nul (mesurés avec voltmètre digital et pince ampèremétrique)
  • Déconnecter l’alimentation stabilisée des cellules, régler la tension à 3,65V et vérifier le réglage avec multimètre digital
  • Connecter les cellules à l’alimentation stabilisée et surveiller de prêt la tension avec le multimètre
  • En quelques minutes la tension devrait monter à 3,65V et se stabiliser
  • Le courant (mesuré avec la pince ampèremétrique) baisse – lorsqu’il est nul vos cellules sont équilibrées
  • Déconnecter l’alimentation stabilisée
  • Laisser les cellules en parallèle pendant 30 minutes, puis mesurer leur tension – si celle-ci est en dessous de 3,50V les reconnecter quelques minutes à l’alimentation stabilisée réglée sur 3,65V

Connecter la batterie

Les cellules lithium seront endommagées si on les garde chargées à 100%. La batterie lithium doit donc être assemblée et mise en service rapidement.

• Positionner les cellules dans le dispositif que vous aurez prévu pour les maintenir ensembles et les comprimer
• Connecter les cellules avec les connecteurs fournis par le fabricant ou les barres de cuivre que vous aurez prévu à cet effet
• Programmer les régulateurs de charges pour votre batterie au lithium ( voir article N°4 : La charge de la batterie – Bulk/Absorption = 13,8V, Float = 13,2V, Temps d’absorption au minimum)
• Mettre la batterie au lithium en place et l’immobiliser
• Connecter les sondes de tension et température du BMS
• Connecter le BMS et les composants qu’il commande (solénoïde et relais)
• Connecter les bornes de la batterie aux bus négatif et positif

Le contrôleur de batterie

Cet instrument bien pratique, et à mon avis indispensable, mesure la tension de la batterie ainsi que le courant qui y entre ou en sort. Il calcule la consommation cumulée et affiche un état de charge de la batterie (SOC).

En théorie, cela est parfait… mais bien souvent les informations qu’il donne sont entièrement fausses si le contrôleur n’a pas été soigneusement paramétré et étalonné.

Un mauvais paramétrage ne sera pas visible immédiatement, mais généralement après quelques semaines. Le contrôleur indiquera un état de charge erroné, par exemple :

• il pourra indiquer 80%SOC alors que la batterie est à 100%SOC (pas trop grave car les régulateurs de charges passent en mode Float et le contrôleur se réinitialisera à 100%SOC)
• plus grave… il pourra indiquer 20%SOC alors que la batterie est à 0%SOC… les frigos et congélateurs sont arrêtés depuis longtemps et, au mieux, le BMS déconnecte la batterie ! S’il n’y a pas de BMS… les cellules sont endommagées.

De toutes façons, vu le nombre de paramètres, il est impossible que son indication de SOC soit exacte. Au vu des deux exemples ci-dessus, je préfère que son indication de charge soit sous-évaluée plutôt que sur-évaluée.

Prenons un exemple simple avec un seul paramètre mal réglé… disons que l’étalonnage à 0 Ampères du contrôleur est fait alors que la consommation réelle est de 0,1 Ampère (conso du BMS, Solénoïde, contrôleur de batterie…). En un jour l’erreur cumulée est de 2,4A… et en cinq semaines cette erreur cumulée est de 84Ah ! Si le parc de batterie est de 400Ah, cela représente une erreur sur le SOC de plus de 20% ! Mais est ce que le contrôleur peut mesurer de façon fiable un courant inférieur à 0,1A ?

Mon contrôleur de batterie est le Victron BMV-702. Après plusieurs essais de paramétrage voici celui que j’utilise pour très légèrement sous évaluer le %SOC :

• capacité de la batterie                                    600Ah
• tension à 100%SOC                                         13,8V
• courant à 100%SOC                                         0,025C (2,5% de la capacité batterie)
• temps pour réinitialisation à 100%SOC        4 minutes
• Exposant Peukert                                             1,00
• Efficacité de charge                                          100%
• Seuil de détection de courant                         0,01A
• Étalonnage de courant nul (0A) en prenant soin de tout déconnecter de la batterie… sauf, bien sur, le contrôleur lui même qui consomme un peu quand son rétroéclairage fonctionne.

J’ai aussi réglé les alarmes du contrôleur de façon plus conservative que celles du BMS. Cela me donne un avertissement anticipé sur lequel je peux agir :

• %SOC bas              20%
• tension basse       12,8V
• tension haute       14,1V

Les batteries au lithium n’ont jamais besoin d’être chargées à 100%, mais je le fait toutes les quatre à six semaines afin que le contrôleur de batterie se réinitialise à 100%SOC automatiquement quand la tension atteint 13,8V et le courant est inférieur à 15A pendant deux minutes (voir paramètres ci-dessus).

Pour la dernière réinitialisation (un mois après la précédente) le contrôleur indiquait 96%SOC avant de se réinitialiser à 100%SOC sur la base de la tension et du courant mesurés. Pour ma batterie de 600Ah cela correspond à une erreur de 24Ah en 30 jour, soit une erreur de mesure du courant de 0,033A – erreur tout à fait acceptable et sans conséquence.

Réinitialisation intempestive à 100%SOC

Alors que la batterie approche la pleine charge avec une tension de 13,8V, il se pourrait que la combinaison de plusieurs événements extérieurs fassent baisser le courant sous le seuil à partir duquel le contrôleur de batterie se réinitialise à 100%SOC. Par exemple lorsque la production des panneaux solaire baisse au passage d’un nuage, le régime moteur passe au ralenti, ou un consommateur se mets en marche…

Afin de limiter ce risque il faut augmenter le temps pendant lequel les conditions de réinitialisation (tension >= 13,8V et le courant <= 0,025C) doivent être présentes avant la réinitialisation à 100%SOC. Quelques observations et ajustements seront peut être nécessaires. Pour ma part j’ai réglé cette temporisation à 4 minutes.

La vie à bord avec des batteries au lithium

Si l’installation est correctement dimensionnée, conçue et réalisée, la batterie se fera oublier. Le plus gros soucis que vous avez est d’apprendre un nouveau comportement pour la gestion de l’énergie :

• ne pas s’affoler quand la charge de la batterie descend en dessous de 50% (c’est autour de 50%SOC qu’elle se porte le mieux)
• ne pas chercher à atteindre les 100%SOC de façon systématique
• charger la batterie quand elle atteint 20-25%SOC
• la tension de la batterie au repos vous donnera moins d’information que pour une batterie au plomb, mais il y a quand même quelques indications utiles à en tirer lorsque la batterie est presque pleine ou presque vide…

Tension batterie “U”	Etat de charge
U > 13,30V	SOC > 80%
13,20V < U < 13,30V	70% < SOC > 80%
13,15V < U < 13,20V	40% < SOC< 70%
13,00V < U < 13,15V	25% < SOC < 40%
12,80V < U < 13,00V	10% < SOC < 25%
U < 12,80V	SOC < 10%

• Lorsque la journée est ensoleillée et que la charge de la batterie est au dessus de 70% j’en profite pour mettre le desalinateur en marche et faire descendre le SOC en dessous de 50%

Opérations de maintenance régulières

La seule opération que je fait toutes les quatre à six semaines afin de réinitialiser le contrôleur de batterie est de charger les batteries à 100%. J’arrête la charge lorsque la tension atteint 13,8V, le courant est en dessous de 15A et le contrôleur s’est réinitialisé à 100%.

Durant la charge et en fin de charge je contrôle la température de chaque cellule pour détecter toute anomalie (ceci m’a permis de détecter une connexion légèrement oxydée et/ou moins serrée sur l’une des cellules et d’y remédier)

En fin de charge je déconnecte la batterie (avec le solénoïde) et je mesure la tension de chaque cellule pour vérifier leur équilibrage. Ma batterie est en service depuis un an et l’écart de tension entre cellules lorsqu’elles sont chargées à 100%SOC est stable et inférieur à 0,01V (sur la cellule dont la connexion était défectueuse). Il n’y a donc que peu de dérive sur cette première année et cette information me dira si et quand il faudra rééquilibrer les cellules.

S’absenter du bateau pour plusieurs semaines / mois

Si vous vous absentez bu bateau il faut s’assurer que des systèmes de charge (solaire et éoliens) ne vont pas garder la batterie constamment à 100%SOC ou que les batteries ne vont pas se décharger en dessous de 40%SOC.

Le plus simple est de les charger à 50-60%SOC et de les déconnecter entièrement (attention, ouvrir le solénoïde n’est pas suffisant car le BMS est toujours connecté ainsi que le contrôleur de batterie). Il faut déconnecter les câbles qui arrivent sur la batterie.

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• retours d’expérience au fil du temps…