Aéromodélisme RC
Techniques et conception
Les accumulateurs
et leurs accessoires
Lien vers « Sauver un animal »
Auteur : Philippe Kauffmann
Version
initiale : avril 2006
Dernière
révision : fin juillet 2012
Photos : constructeur ou auteur, sauf mention contraire
N. B. : double-cliquer sur les images permet souvent d’obtenir une version agrandie.
Sommaire
Caractéristiques
générales des accumulateurs
Caractéristiques électriques générales
La résistance interne
Charge et décharge
Stockage et entretien
Sécurité
Caractéristiques principales
Charge et décharge
Stockage et entretien
Précautions
Les
accumulateurs Cadmium/Nickel
Caractéristiques principales
Charge et décharge
Stockage et entretien
Précautions
Les
accumulateurs Nickel/Métal hydride
Caractéristiques principales
Charge et décharge
Stockage et entretien
Précautions
Un élément de plus pour la route
Accumulateurs
Lithium Ion et variantes
Caractéristiques principales
Charge et décharge
Stockage et entretien
Précautions
Spécificités des LiIo
Spécificités des LiPo
Spécificités des LiFe
Point
important sur les accumulateurs
Les fonctions des chargeurs
Les divers types de chargeurs
Les accessoires
Les accumulateurs sont utilisés depuis le début du modélisme RC pour faire fonctionner les radiocommandes, mais depuis quelques années on utilise aussi largement les accumulateurs pour la propulsion, ce qui a conduit à se tourner vers des types d’accumulateurs beaucoup plus performants, mais aussi plus compliqués à mettre en œuvre que les antiques accumulateurs au plomb (Pb) et Cadmium/Nickel (NiCd). Les tenants et aboutissants concernant ces accumulateurs vont donc être présentés ici, à savoir pour chaque type d’accumulateur :
· les caractéristiques principales,
· la charge et décharge,
· le stockage et l’entretien,
· les problèmes de sécurité liés.
Caractéristiques générales des
accumulateurs
Les modélistes connaissent presque tous aujourd’hui les quatre types d’accumulateurs universellement utilisés dans l’univers modéliste :
· Les accumulateurs au plomb (Pb) utilisés pour activer les « glow plugs », mais servant aussi couramment de source d’énergie pour les démarreurs au sol et pour recharger les autres accumulateurs.
· Les accumulateurs cadmium/nickel (NiCd), longtemps utilisés comme accumulateurs d’émission et de réception avant d’être utilisés pour la propulsion. Ce type d’accumulateur a été supplanté par les accumulateurs NiMh aux caractéristiques très proches mais plus performants et moins polluants (car le cadmium est toxique).
· Les accumulateurs nickel/métal hydride (NiMh). Ces accumulateurs ont des caractéristiques très semblables aux NiCd, y compris les boîtiers ; ce qui permet de les substituer au NiCd sans autre forme de procès.
· Les accumulateurs à base de lithium dans leurs diverses variantes qui sont les plus performants, développés récemment pour l’électronique portative et qui tendent petit à petit à se substituer aux autres types d’accumulateurs dans l’univers modéliste.
Le principe de fonctionnement général de ces accumulateurs est parfaitement développé sur le site de la Wikipédia [1] auquel il suffit de se reporter si on souhaite approfondir les principes mis en jeux.
Caractéristiques électriques générales
Le mieux pour
comprendre les divers paramètres électriques des accumulateurs est de faire une
analogie avec un système hydraulique, même si l’électricité à des propriétés
plus subtiles qu’un flux hydraulique. La figure 1 montre un circuit électrique
de lampe de poche comparé à celui d’une turbine électrique alimentée par un
réservoir d’eau autonome.
Figure
1 : analogie
électricité/hydraulique
Le circuit
hydraulique est composé d’un réservoir de capacité C exprimée par exemple en
litres. Il alimente une turbine qui transforme l’énergie hydraulique en énergie
mécanique. La puissance P récupérée par la turbine est proportionnelle au
produit du débit d’eau D exprimé par exemple en litres/seconde par la hauteur
d’eau H représentant la pression exprimée en mètres d’eau ou en bars. On peut
donc remarquer que la quantité d’énergie récupérable (produit de la puissance
par le temps) est proportionnelle, non seulement à la capacité C du réservoir,
mais aussi à la hauteur d’eau H. C’est au demeurant pour cette raison qu’on a
deux types de barrages, des barrages de montagne qui récupèrent des petites
quantités d’eau de torrents, mais avec de très grandes hauteurs de chute (elles
peuvent dépasser 1000 m) et des barrages de rivière qui récupèrent de très gros
débits mais avec des hauteurs de chute de quelques mètres seulement.
Le circuit
électrique est analogue, l’accumulateur, constitué ici d’une batterie de deux
éléments d’accumulateur en cascade (on dit en série) fournit une tension U
exprimée en Volts équivalente à la pression d’eau H. On remarquera simplement
que le fait de mettre deux éléments en série double la tension ; c’est la
façon d’ajuster la tension équivalente à la pression de l’eau. La puissance P
dissipée par l’ampoule (et donc récupérée sous forme de chaleur et lumière) est
le produit du courant I exprimé en Ampères équivalent au débit hydraulique D
par la tension U équivalente à la pression d’eau H. Elle s’exprime en Watts et
est strictement de même nature que la puissance hydraulique qui peut également
s’exprimer en Watts. La grosse barre horizontale du symbole de la batterie
représente la plaque de stockage de l’électricité (pôle plus) dont la capacité
s’exprime en Ampères.Heures (produit du courant par le temps pendant lequel
l’accumulateur peut fournir le dit courant). L’électricité après avoir traversé
l’ampoule est récupérée par l’électrode négative (barre horizontale plus petite
représentant le pôle moins).
Il est important de
bien comprendre ici que pour les anciens le circuit électrique débitait un
courant (fluide) électrique invisible allant du pôle « plus » vers le
pôle « moins ». C’est seulement à la fin du XIXème siècle
qu’on a compris qu’il s’agissait en fait de particules chargées négativement
alors baptisées « électrons » qui circulaient du pôle négatif vers le
pôle positif. Il ne faut donc pas s’étonner que le courant aille en sens
inverse des électrons et que l’électricité soit stockée sur la plaque
positive ! Un courant électrique est quelque chose de purement conventionnel,
l’opposé d’un flux d’électrons.
Concernant la façon
de brancher nos éléments d’accumulateur d’une capacité C et tension
individuelle U/2, on peut remarquer qu’on a ici deux possibilités :
·
Soit les
brancher en série comme sur la figure 1, ce qui double la tension (qui passe de
U/2 à U).
·
Soit les
brancher en parallèle, ce qui double la capacité et pour une puissance donnée
le courant, qui passent respectivement de C à 2C et de I à 2I.
D’un point de vue théorique, brancher des
éléments de batterie en série (xS, x représentant le nombre d’éléments) ou en
parallèle (xP, x représentant le nombre d’éléments) n’a pas d’importante, car
la puissance comme l’énergie restituée ne changent pas. D’un point de vue
pratique les choses sont un peu différentes car lorsqu’on augmente la tension
on diminue le courant, ce qui permet d’utiliser du fil électrique de section
plus faible et donc plus léger. Donc, en modélisme les éléments d’accumulateur
sont mis en série ; en limitant toutefois la tension au maximum que peut
accepter le contrôleur. Dans le domaine du transport du courant, on augmente la
tension jusqu’à parfois un million de Volts dans le seul but de diminuer le
courant…
Il reste une caractéristique qui n’est pas
représentée dans la figure 1. Il s’agit du débit d’eau maximum dans le cas du
système hydraulique lié directement au diamètre de la tuyauterie. L’équivalent
électrique est le courant maximum autorisé des accumulateurs, exprimé en
multiple de leur capacité exprimée en A.h. Ainsi un accumulateur de 1 A.h et 20C
pourra débiter au maximum 1 x 20 = 20 A. Autrement dit on pourra le décharger
en 60 mn/20 = 3 mn, mais pas plus vite. Cette valeur a de l’importance surtout
en compétition et en acrobatie. Dans le cas du choix d’une autonomie de 10 mn
ou plus, des accumulateurs ayant une capacité de décharge de 20 C (en tenant
compte des pointes de courant) font l’affaire.
Le tableau 1 ci-après résume les
caractéristiques de nos accumulateurs. Les valeurs données étant des moyennes,
car chaque modèle, marque comme élément a ses caractéristiques propres. On
remarquera que le tableau ne donne pas la capacité en Ah/kg, mais en Watts/kg
afin que les nombres soient comparables. Il indique aussi la puissance
massique, qui est surtout intéressante en compétition (F5B et F5D) où l’on
cherche à extirper un maximum de puissance des accumulateurs en très peu de
temps. Le tableau donne aussi la durée de vie en cycles de charge/décharge qui
dépend beaucoup des conditions d’utilisation ; les valeurs indiquées ne
sont donc que des ordres de grandeur. Enfin, le prix indiqué varie fortement
d’un modèle d’accumulateur à un autre, comme d’un magasin à un autre ; il
n’est donc qu’indicatif…
Type d’ accumulateur |
Tension nominale (V) |
Capacité par kg en W.h |
Débit maximum |
Puissance maxi. par kg |
Durée de vie en cycles |
Prix en € Par W.h |
Pb étanche |
2,05 |
23 |
25
C |
575 |
250 |
0,25 |
NiCd |
1,25 |
35 |
20
C |
700 |
800 |
1,5 |
NiMh |
1,25 |
80 |
15
C |
1200 |
400 |
1,6 |
LiIo |
3,6 |
120 |
10
C |
1200 |
100 |
2,2 |
LiPo |
3,7 |
125 |
25
C |
3150 |
100 |
2,4 |
LiFe |
3,3 |
100 |
35
C |
3500 |
1000 |
3,1 |
Tableau 1 : caractéristiques générales des divers types
d’accumulateurs
La résistance
interne
La grandeur secondaire
des accumulateurs appelée la résistance interne est importante. En observant le
schéma hydraulique on comprend bien que le tuyau qui amène l’eau à la turbine
va générer une perte de charge qui limitera la pression à la turbine. Cette
perte de charge sera d’autant plus importante que la section du tuyau sera
faible, que sa longueur sera importante et que le débit sera fort. Il en va
strictement de même pour les accumulateurs. Leurs plaques, leurs connexions et
leur électrolyte limitent le débit. Cette limitation s’appelle la résistance
interne (certains utilisent le terme d’impédance). Elle s’exprime en Ohm
(symbole Ω). Les accumulateurs présentent en fait deux sources de chute
de tension, une directement liée à l’évolution chimique des électrodes qui
diminue la tension au cours de la décharge et l’autre liée à la résistance
interne qui provoque une chute de tension proportionnelle au courant selon la
loi d’Ohm définie par l’équation 1.
∆U = R.I (1)
Dans l’équation 1, ∆U
représente la chute de tension en Volts, R la résistance en Ohms et I le
courant de charge ou de décharge en Ampères. Ainsi, un accumulateur de 12 V (10
éléments SubC de type NiMh 4,6 Ah en série) et de résistance interne de 30 mΩ
présentera une chute de tension de 0,03 x 80 = 2,4 V sous 80 A ; ce qui
est loin d’être négligeable. Malheureusement, la chute de tension n’est qu’un
moindre mal car il y a en plus un effet secondaire induit qu’on appelle l’effet
Joule. C’est la transformation de l’énergie perdue en chaleur. L’effet Joule
est traduit par l’équation 2 :
P = R.I2 (2)
Selon cette
équation, la puissance P dissipée en Watts est proportionnelle à la résistance
R multipliée par le carré du courant. Ainsi, dans notre exemple précédant,
l’accumulateur va dissiper une puissance P = 0,03 x 80 x 80 = 192 W. Cette
puissance dissipée, très importante, va induire un nouvel effet
secondaire : l’échauffement de l’accumulateur. L’échauffement de
l’accumulateur ne peut malheureusement pas être quantifié par une simple règle
de trois ; mais en tout état de cause on aura intérêt à fortement ventiler
l’accumulateur si on veut éviter un nouvel effet en cascade. En effet, si
l’accumulateur chauffe trop (typiquement au-delà de 80°C), l’électrolyte va
s’évaporer et la pression interne de l’accumulateur va augmenter.
Éventuellement des réactions chimiques parasites pourront apparaître. Selon le
type d’accumulateur les conséquences seront variables :
·
Fuite
d’électrolyte en cas de présence d’un évent de sécurité,
·
Explosion
dans le cas de la majorité des accumulateurs en boîtier cylindrique,
·
Gonflement
(suivi éventuellement d’une explosion) dans le cas des accumulateurs LiPo en
boîtier plat souple.
D’une façon
générale, trop faire débiter un accumulateur (en charge ou en décharge) sans le
ventiler suffisamment peut avoir des conséquences peu réjouissantes, d’autant
plus que le dernier évènement induit en cascade est parfois un incendie…
Par conséquent : Il est essentiel de ne pas dépasser le courant maximum des accumulateurs
et de les ventiler énergiquement comme les moteurs.
Charge et décharge
En plus des caractéristiques générales qui viennent d’être évoquées, les accumulateurs ne peuvent pas être chargés et déchargés n’importe comment. Il faut respecter certaines spécificités :
· vitesse de charge et décharge,
· tension minimale et maximale,
· température,
· …
Étant donné que chaque point est spécifique de chaque type d’accumulateur, il est développé séparément pour chaque type d’accumulateur. Toutefois, seul l’essentiel est précisé. On pourra obtenir beaucoup plus de détails sur le site web anglophone et germanophone suivant : « Battery University » [2].
Stockage et
entretien
Comme pour la charge et la décharge, chaque type d’accumulateur a ses spécificités en termes de stockage et d’entretien. Certains sont sans entretien, d’autres nécessitent le plus grand soin…
Sécurité
Le dernier point important est la sécurité. En effet, certains accumulateurs ne sont pas sans risque, même bien utilisés. Les accumulateurs au plomb ont le triste privilège de laisser fuir parfois de l’acide sulfurique. Les accumulateurs NiCd arrivent à corroder leurs fils de liaison, tandis que les LiIo osent même prendre feu spontanément ou exploser… De spectaculaires photos sont visibles dans le chapitre « Lithium-ion safety concerns » du site « Battery University » qui vient d’être mentionné. Quelques précisions sont données dans le paragraphe correspondant de chaque type d’accumulateur.
D’une façon générale, c’est une bonne idée de ne pas laisser les accumulateurs dans les modèles, mais de les stocker au frais dans une cave ou un garage, dans un endroit où un feu d’accumulateur ne risque pas de transmettre le feu au pavillon ou à l’appartement…
Le premier souci du
modéliste est de choisir des accumulateurs adaptés à ses besoins. Dans le cas
d’une propulsion par moteur thermique ou pour les planeurs, il suffit coté
émission de choisir les accumulateurs recommandés par le fabricant de la radio.
Coté réception, c’est un peu plus compliqué. Pour un petit modèle, des
accumulateurs de 500 mAh sont suffisants. Un modèle standard (masse de l’ordre
de 2 kg) se satisfait d’une capacité de 1 Ah. Dans le cas d’un gros modèle
(jusqu’à 6 kg) on préfèrera une capacité de l’ordre de 2,5 Ah. Une autre
question plus délicate se pose coté réception. Pendant longtemps on a alimenté
les récepteurs avec 4 éléments NiCd en série, donc sous une tension d’environ
4,8 V à 5 V. Comme le matériel était garanti jusqu’à 6 V (en ingénierie on
prend toujours des marges de sécurité) certains ont cru bon de passer à 5
éléments pour augmenter la puissance des servos. Certains utilisent cette
technique en compétition, mais en prenant des précautions. C’est une très
mauvaise idée d’utiliser 5 éléments sans précaution, car dans ces conditions,
chargé à bloc, l’accumulateur peut dépasser 7 V et nombre de récepteurs et de
servos ne résistent pas à ce traitement. Il est donc de loin préférable
d’utiliser des servos un peu plus gros (à condition que ce soit réellement
utile) avec seulement 4 éléments. Ceci étant, on trouve dans le commerce
modéliste de nombreux régulateurs capables de générer une tension de l’ordre de
5 V (parfois 5,5 V ou 5,7 V) à partir d’une batterie LiPo à 2 éléments ou 6
éléments NIMh.
Dans le cas d’une
propulsion électrique, le problème est plus complexe puisqu’il faut choisir au
mieux l’accumulateur de propulsion qui servira aussi pour la réception sauf si
le contrôleur ne possède la fonction BEC (Battery Eliminator Circuit). Trop
gros il alourdirait et fragiliserait inutilement le modèle, trop petit il
serait trop sollicité et conduirait à des temps de vol trop courts. La tension
retenue doit être aussi proche que possible de la tension maximale prévue pour
le moteur afin de ne pas perdre une partie de son potentiel. Pour le choix de
la capacité, il suffit de multiplier courant moyen consommé par le moteur et le
temps de vol désiré en heures. Le tout étant de connaître le courant
moyen ! Bien sur Aérocalc (voir
chapitre « Aérocalc le logiciel de détermination des aéromodèles »)
peut faire tous les calculs pour vous.
En ce qui concerne
le débit maximum, il suffit d’estimer le courant de pointe qui pourra être
estimé en première approximation au double du courant moyen et vérifier si la
capacité de débit est suffisante. On peut évidemment aussi utiliser Aérocalc.
Dans le cas du SuperMiss, Aérocalc nous indique que le modèle consommera
environ 6,7 A en moyenne et que si on choisit un accumulateur de 0,8 Ah il
devra pouvoir soutenir un débit de 17 C, ce qui est sans problème dans le cas
d’éléments LiPo de qualité. Le temps de vol maximum sera quant à lui d’environ
7,2 mn.
Les accumulateurs au
plomb à un élément unique de 2 V peuvent servir à alimenter les « glow
plugs » sous certaines conditions. Les bougies à incandescence sont
prévues typiquement pour être alimentées par des piles salines de 1,5 V et plus
rarement par des batteries 2 V au plomb. Un accumulateur 2 V peut néanmoins
servir pour des bougies prévues pour 1,5 V à condition d’utiliser un câble
suffisamment long entre l’accumulateur et la pince à bougie pour faire chuter
la tension à 1,5 V, ou en ajoutant une résistance adaptée vendue en magasin de
modélisme.
Mais les
accumulateurs au plomb sont la principale source d’énergie sur les terrains
pour recharger les autres accumulateurs. L’accumulateur typique est une
batterie de voiture transportée dans le coffre, mais ça peut être la batterie
de la voiture elle-même à condition de ne pas trop tirer dessus, sous peine de
devoir rentrer à pieds chez soi…
Caractéristiques principales
Ces accumulateurs
sont constitués principalement plaques de plomb et d’oxyde de plomb pour les
électrodes et d’acide sulfurique sous forme liquide ou gélifié entre les
électrodes. Elles sont maintenant le plus souvent étanches et dites « sans
entretien » car il n’y a plus à rajouter d’eau régulièrement. Elles sont
constituées typiquement de 6 éléments en série, fournissant entre 12,65 V et
11,9 V en décharge, mais 13,8 V dans la voiture car elles sont dans ce cas en
charge sous tension constante tant que le moteur tourne.
Charge et décharge
Ces accumulateurs doivent être chargés à courant constant (typiquement
0,1 C c'est-à-dire au dixième de leur capacité) jusqu’à une tension de 2,3 V
par élément, puis à tension constante pour éviter la formation d’hydrogène et
oxygène gazeux nuisible (dégazage). La décharge ne doit en aucun cas faire
tomber la tension en-dessous de 2,0 V par élément, sous peine de sulfater
l’accumulateur (formation de cristaux de sulfate), ce qui le dégrade en général
irréversiblement.
Stockage et entretien
Les accumulateurs au plomb doivent être stockés à pleine charge ou en
leur fournissant une charge d’entretien permanente sous tension constante de
2,25 V par élément. Ils ont une autodécharge naturelle qui leur fait perdre
entre 5 % et 10 % de leur charge par mois, ce qui justifie une charge d’appoint
régulière lorsqu’ils ne sont pas utilisés.
Ces accumulateurs supportent un nombre de cycles de charge/décharge de
200 à 300, à condition que la décharge soit limitée car ils n’aiment pas les
décharges complètes. Peu sollicités, c'est-à-dire maintenus le plus souvent à
une tension de 2,3 V par élément (comme dans une voiture), leur durée de vie
normale est de 10 ans, mais peut atteindre dans les meilleurs cas 15 ans.
Précautions
La principale précaution à prendre avec les accumulateurs au plomb est
d’éviter la décharge complète qui les dégrade (voir charge et décharge). On
évitera aussi de les stocker dans des endroits sensibles à l’acide, car ils
sont toujours susceptibles de fuir légèrement.
Les accumulateurs Cadmium/Nickel
Les accumulateurs Cadmium/Nickel ou NiCd, historiquement les plus anciens après les accumulateurs au plomb, sont aussi les moins performants après ceux au plomb. Comme de plus, le cadmium est un polluant, ils sont en voie de disparition. Ils ont quand même quelques qualités : grande robustesse (ils peuvent supporter jusqu’à 1000 cycles de charge/décharge), possibilité de les décharger complètement et de les stocker ainsi.
Caractéristiques principales
L'anode est constituée d'un hydroxyde de nickel, la cathode de cadmium et l'électrolyte alcalin est en général KOH ; d'où le nom de ces accumulateurs. On doit distinguer plusieurs variantes :
·
Les
éléments de base, qui doivent être chargées à 0,1 C ; ils ont disparu.
·
Les éléments
pour forte puissance qu’on peut charger à 3 C et décharger à 30 C sans
problème. Ils ont pratiquement disparu en 2010.
·
Les
éléments à haute densité d’énergie sont les seuls qui subsistent encore,
principalement pour des opérations de maintenance.
Ces accumulateurs
sont traditionnellement présentés dans des cylindres métalliques capables de
supporter la pression due à l’évaporation accidentelle d’une partie de
l’électrolyte. Ils sont parfois aussi munis d’un évent pour laisser échapper
l’excès de pression et ainsi éviter les risques d’explosion.
Les dimensions des
éléments sont devenues des standards repris très souvent pour d’autres types
d’accumulateurs. Elles sont rappelées dans le tableau 2 ci-après :
Type |
Diamètre (mm) |
Hauteur (mm) |
Masse (g) |
1/3 AAA |
10,5 |
16 |
3,5 |
½ AAA |
10,5 |
22 |
6 |
2/3 AAA |
10,5 |
30 |
9 |
AAA |
10,5 |
44,5 |
15 |
1/3 AA |
14,2 |
16 |
7 |
2/3 AA |
14,2 |
30 |
14 |
AA |
14,2 |
50 |
30 |
2/3 A |
17 |
28,5 |
21 |
4/5 A |
17 |
43,5 |
27 |
A |
17 |
50 |
33 |
4/3 A |
17 |
66 |
55 |
4/3 FA |
18 |
67 |
62 |
2/3 SC |
23 |
26 |
34 |
4/5 SC |
23 |
34 |
42 |
Sub C ou SC |
23 |
43 |
60 |
C |
26 |
50 |
80 |
D |
33 |
60 |
160 |
3/2 D |
33 |
90 |
230 |
Tableau 2 : dimensions standard des accumulateurs NiCd et
NiMh
La tension des accumulateurs NiCd passe de 1,2 V par élément à 95 % de la charge maximale à 1,05 V à 5 % de cette charge. La tension est donc une mesure assez fiable du degré de charge, d’où les voltmètres à aiguilles, indicateurs de charge des anciens émetteurs radio et les indicateurs à leds qui devraient toujours être utilisés dans les systèmes de réception.
Charge et décharge
Les éléments à forte
densité d’énergie ont des résistances internes assez élevées. Cela les rend
impropres à l’utilisation comme accumulateurs de propulsion. Par contre, ils
sont tout à fait adaptés à l’utilisation dans les émetteurs. Ils acceptent
parfaitement bien une charge rapide sous 1 C (charge en 1 heure) et une
décharge dans le même temps. Les chargeurs automatiques détectent le
ralentissement de l’augmentation de la tension à pleine charge pour arrêter la
charge ; c’est ce qu’on appelle en jargon la détection du dV/dt. Si le
chargeur est manuel il faut charger à 0,1 C pour éviter les surcharges,
surchauffes et dégradations qui en découlent.
Les accumulateurs
NiCd souffrent de l’effet mémoire, c'est-à-dire la perte de capacité lorsqu’ils
ne sont pas systématiquement complètement déchargés avant d’être rechargés. En
les chargeant avec des chargeurs dits « reflex » qui à période
régulière durant la charge provoquent
une décharge de courte durée à fort courant on limite fortement cet effet.
C’est une technique qui était en particulier utilisée pour les accumulateurs de
satellites. On ne trouve plus, a priori,
de chargeur « reflex » dans le commerce. Heureusement, l’effet
mémoire est réversible. Il suffit d’effectuer quelques cycles de
charge/décharge complète pour régénérer l’accumulateur ; c’est ce que
certains appellent le cyclage. Les chargeurs de milieu et haut de gamme
disposent tous d’une fonction pour cycler les accumulateurs NiCd.
Stockage et entretien
Les NiCd souffrent
souvent (mais pas toujours) d’une autodécharge importante qui peut dépasser 40
% en trois mois. Certains peuvent être presque déchargés au bout d’un
trimestre... Il convient donc de toujours vérifier leur charge avant
utilisation. Par contre, ils supportent bien une décharge profonde, le mieux est
d’ailleurs de les stocker déchargés car ils se conservent mieux dans cet état.
Bien traités, la
durée de vie de ces accumulateurs est en principe d’environ 800 cycles de
charge/décharge ou environ 5 ans (c’est la plus courte des deux durées qui est
à prendre en compte). Personnellement, je n’ai que rarement pu obtenir de
telles durées de vie avec mes accumulateurs NiCd…
Précautions
Lorsqu’un élément
est en très mauvais état électrique (partiellement ou totalement déchargé) ou
chargé en sens inverse (ce qui peut arriver accidentellement à la décharge dans
un pack très déséquilibré) ils ont tendance à fuir, ce qui provoque une
corrosion discrète (sous l’isolant) mais très grave des fils de liaison qui
peut aller jusqu’à provoquer leur coupure. Il convient donc de surveiller les
liaisons électriques de près pour prévenir les effets en cas de dégradation.
Par ailleurs, comme tous les accumulateurs, il faut empêcher de les laisser trop chauffer, car le risque d’explosion et d’incendie sont bien réels. De plus, ils perdent une bonne partie de leur capacité lorsqu’ils sont très froids. En hiver, on aura donc intérêt à les stocker au chaud (dans une poche par exemple) avant utilisation.
Dernière précaution à prendre et pas des moindres. Lorsque les accumulateurs NiCd sont en fin de vie, il est impératif de les donner à recycler aux points de récupération idoines. Les jeter avec les autres ordures ménagères est très grave en raison de la toxicité du cadmium.
Les accumulateurs Nickel/Métal hydride
Caractéristiques principales
Les accumulateurs Nickel/Métal hydride ou NiMh sont une évolution des NiCd. Ils sont très semblables aux précédents, mais globalement plus performants. Ils fournissent la même tension et sont vendus dans les mêmes formes et dimensions. Leur qualité première est qu’ils ne contiennent pas de métal lourd toxique. Ils remplacent donc presque totalement les NiCd aujourd’hui.
L'anode est constituée d'un hydroxyde de nickel, la cathode d'un hydrure de composé métallique (de constitution chimique variable) et l'électrolyte est de l'hydroxyde de potassium (comme dans le cas des NiCd).
Charge et décharge
Ces accumulateurs peuvent être chargés à 1C (parfois plus). Les éléments destinés à la propulsion (faible résistance interne) peuvent et déchargés en général à 6 C, parfois nettement plus (consulter la documentation de chaque modèle). En décharge à faible courant (chute de tension due à la résistance interne négligeable) la tension passe de 1,2 V par élément à 95 % de la charge maximale à 1,05 V à 5 % de cette charge, comme dans le cas des NiCd.
Les chargeurs
automatiques détectent le dV/dt pour arrêter la charge, comme dans le cas des
NiCd ; bien que cette variation soit moins nette que dans le cas des
accumulateurs NiCd. Si le chargeur est manuel, il faut charger à 0,1 C pour
éviter les surcharges et surchauffes qui en découlent.
Comme les
accumulateurs NiMh souffrent beaucoup moins de l’effet mémoire que les NiCd, la
charge « reflex » ne présente pas d’intérêt et le cyclage est
rarement utile.
Stockage et entretien
L'autodécharge de ces accumulateurs est en général encore pire que celle des NiCd. L’autodécharge des éléments à faible résistance interne (propulsion) est en général nettement plus forte que celle des éléments à forte capacité massique (forte résistance interne). SANYO propose depuis 2007 des éléments nommés ENELOOP en boîtier AA net AAA à autodécharge très réduite (15 % par an) utilisables pour les packs d'émission et réception. Xcell propose un produit équivalent en taille AA nommé « Ready to Use ». GP propose aussi un produit équivalent nommé ReCyko+.
La durée de vie est plus faible que celle des NiCd, mais ils n'ont pas besoin d'être stockés déchargés. D’ailleurs, les fabricants recommandent en général de les stocker chargés.
Précautions
Comme les accumulateurs de type NiCd, il est dangereux de tenter de les décharger trop vite, à moins de très bien les refroidir ou de contrôler leur température. La photo 1 montre ce qui se passe lorsqu’on dépasse les limites. On peut remarquer sur la photo que les barrettes de connexion sont détachées car la soudure a dépassé 250 °C et fondu à cause du phénomène de surchauffe auto entretenu par une réaction chimique après le dépassement d’un seuil critique de température.
Heureusement, contrairement à ce qu’on serait tenté de croire, le mini-drone qui contenait ces accumulateurs a survécu grâce à une intervention très rapide.
Photo 1 : accumulateurs NiMh qui se sont emballés thermiquement
Un élément de plus
pour la route
Du temps du NiMh une erreur était parfois commise lorsqu’on trouvait sa motorisation un peu poussive qui mérite toujours d’être comprise. Elle consistait à ajouter un élément supplémentaire à l’accumulateur NiMh sans rien changer d’autre. Le problème vient du fait que le courant consommé augmente avec le carré de la tension, alors que les pertes Joule déterminant l’échauffement varient avec le carré du courant ; ce qui signifie qu’en fin de compte l’échauffement augmente avec la puissance quatrième de la tension. Autrement dit : lorsqu’on passe de 7 à 8 éléments, la tension augmente d’environ 14 %, mais la quantité de chaleur générée par le moteur est multipliée par 1,7 ! Il n’est pas impossible que le moteur succombe à cet excès ou que l’accumulateur prenne feu. Il ne faut donc prendre aucune liberté avec les limites de tension indiquées sur les moteurs.
Accumulateurs Lithium Ion et variantes
Caractéristiques principales
Ces accumulateurs sont les plus récents et les plus performants. Ils sont à capacité égale typiquement deux fois plus légers que les accumulateurs NiMh. Ils se déclinent maintenant en de nombreuses variantes dont les trois principales (les seules abordées ici) sont Lithium/Ion (LiIo), Lithium/Ion/Polymère (LiPo) et Lithium Phosphate de fer (LiFe). Ils font l’objet de recherches permanentes pour en améliorer les caractéristiques car ce sont les accumulateurs de l’électronique nomade et des appareils électroportatifs (LiFe).
Charge et décharge
La charge des
accumulateurs à base de lithium se fait toujours en deux temps, durant la
première phase la charge se fait à courant constant (1 C pour les LiIo).
Lorsque la tension atteint un seuil critique (4,25 V par élément pour les LiIo)
on continue la charge à tension constante, le courant déclinant alors
progressivement. La pleine charge est obtenue dans ces conditions après environ
90 minutes.
La décharge peut se
faire, sauf exception, sous fort courant ; jusqu’à 35 C dans certains cas,
ce qui va bien au-delà des besoins, même en compétition. Une contrainte (qui ne
concerne pas les LiFe) : on ne peut pas les décharger en dessous d’une
tension critique (2,5 V pour les LiIo), faute de quoi ils sont endommagés.
Stockage et entretien
Ces accumulateurs
ont un très faible taux d’autodécharge. Contrairement aux accumulateurs à base
de nickel il n’est pas nécessaire de les recharger la veille d’une cession de
vol. Par contre, leur durée de vie est en général très faible (deux ans ou
environ 100 cycles de charge/décharge). Cette durée de vie médiocre peut être
significativement améliorée en prenant des précautions de stockage. La durée de
vie est nettement améliorée en stockant ces accumulateurs chargés à 40 % dans
un endroit frais (garage, réfrigérateur ou cave). Le tableau 3 (source Battery
University [2]) donne la perte de capacité permanente en
fonction des conditions de stockage après un an.
Température (°C) |
Taux de charge
40 % |
Pleine charge |
0 |
2 % |
6 % |
25 |
4 % |
20 % |
40 |
15 % |
35 % |
60 |
25 % |
40 % après 3 mois |
Tableau 3 : perte de capacité permanente après 1 an
selon les conditions
de stockage des accumulateurs LiIo
Précautions
Ces accumulateurs étant sauf exception (LiFe) très sensibles aux surtensions et décharges profondes, ils sont toujours protégés par une électronique adaptée située dans le pack lui-même…sauf dans le cas du modélisme où cette protection crée une gêne du fait des forts taux de décharge. A chaque modéliste donc de prendre ses précautions afin d’éviter les surtensions et tensions basses.
On c’est aperçu que dans un pack les éléments ne sont pas toujours de capacité identique, ce qui fait que l’on peut dépasser le seuil de décharge critique d’un élément, même si le pack n’est pas encore au seuil critique. Par exemple, supposons qu’on dispose d’un pack de deux éléments LiPo en série (2S). Les LiPo ne devant pas être déchargés en dessous de 2,5 V, on arrête la décharge du pack au seuil de 5 V. Mais si les éléments sont déséquilibrés, l’un des éléments peut encore être à 3 V, tandis que l’autre à 2 V est déjà endommagé.
De plus, cette technologie très récente n’est pas encore tout à fait mature. Il est arrivé à plusieurs reprises que des accumulateurs parfaitement utilisés se soient mis en court-circuit provoquant un incendie. Même si c’est un phénomène devenu exceptionnel, on aura intérêt à stocker ces accumulateurs dans un endroit où ils ne créent pas de risque.
Spécificités des LiIo
Ce sont les accumulateurs des ordinateurs portables, presque délaissés maintenant dans notre loisir, mais à l'origine des autres variantes.
Plus encore que les NiMh ils n’aiment pas les mauvais traitements ; ils réagissent a priori en explosant !
Spécificités des LiPo
Ce sont les accumulateurs rois pour la propulsion dans notre loisir. Il s'agit d'une évolution des accumulateurs lithium/ion. Contrairement aux autres types d’accumulateurs, ils se présentent, sauf exception, sous forme d’éléments parallélépipédiques souples (voir photo 67).
· Lorsqu’ils sont trop chargés ou déchargés, ils se mettent à gonfler. Mais comme les LiIo, ils ont tendance à exploser si on insiste trop.
Photo 2 : accumulateur Lithium Ion/Polymère (photo Weymuller)
Pour éviter les décharges déséquilibrées néfastes voire dangereuses il faut utiliser des éléments appariés en fonction de leur capacité dans les packs (à vérifier dans les packs achetés après décharge précédée d’une charge parfaitement équilibrée). Tous les packs LiPo sont maintenant pourvus de prises d’équilibrage (voir photo 2) pour permettre l’équilibrage. Au moment de la charge on relie les deux connecteurs de l’accumulateur au chargeur/équilibreur qui se charge de maintenir la même tension sur chaque élément du pack tout au long de la charge. Il existe aussi des équilibreurs autonomes qui déchargent les éléments les plus chargés afin de rétablir l’équilibre. On trouve aussi des circuits électroniques à placer dans le modèle et qui surveillent le pack durant le vol. Malheureusement les connecteurs d’équilibrage ne sont pas normalisés, ce qui impose l’utilisation d’adaptateurs. On trouve principalement quatre types de connecteurs en fonction de la marque de l’accumulateur (voir tableau 4).
Connecteur |
Marque d’accumulateur |
EH |
Kokam, Wellpower, Polyquest (nouveau), FullRiver, XCell, Graupner, Robbe, Simprop |
HP |
Hyperion, LiteStorm, Polyquest (ancien) |
TP |
Multiplex, FlightPower, Thunder Power |
XH |
WellPower, Dualsky |
Tableau 4 : type de connecteur d’équilibrage en fonction de la marque de
l’accumulateur LiPo (source Lindinger Modellbau)
Ces accumulateurs sont proposés en capacités allant typiquement de 110 mAh à 6000 mAh, montés en packs allant de 1S (élément unique) jusqu’à 10S (10 éléments en série). Dans les petites capacités, on ne trouve que 1S à 3S ; seules les très grosses capacités sont proposées en assemblages supérieurs à 6S.
En 2010 on peut classer les LiPo en trois sous classes en fonction de la rapidité de charge possible:
·
Charge 1 C : Dualsky XPower GT, Hacker TopFuel,
Kokam HD, Thunder Power Prolite-V2 et Propower, Xcell 5C…
·
Charge 2 C : Dualsky XPower GT-S, Kokam H5,
WellPower SH…
·
Charge 5 C : Dualsky XPower EX G5, Hyperion G3
CX et VX, WellPower SH CH5…
En parallèle avec ces accumulateurs plats, KONTRONIC importe toujours des LiPo de marque KONION (origine USA) en boîtier métallique cylindrique, mieux protégés et moins sensibles, mais ils ont peu de succès en raison de leur poids 20 % plus élevé que les LiPo en boîtier parallélépipédique et de l’existence d’une seule taille : 1100 mAh.
Parfois la durée de vie des accumulateurs LiPo ne dépasse pas 75 cycles, ce qui les rend très coûteux à l’usage, mais bien soignés et stockés, leur durée de vie peut être doublée. De plus, Hyperion affirme que ses accumulateurs de troisième génération Hyperion G3 CX et VX durent environ 500 cycles. Toutefois les essais de l’auteur de ces lignes sont loin d’être aussi optimistes, plus de 30 % des accumulateurs achetés n’ayant pas passé le cap d’une année et moins de 10 cycles de charge/décharge…
Spécificités des LiFe
Ce sont des accumulateurs intéressants mais dont l’usage se développe peu. Il s'agit d'une évolution des précédents visant à gommer les points faibles des accumulateurs LiPo. On les trouve pour notre hobby sous deux formes : parallélépipédiques comme les LiPo (Hacker TopFuel LiFe) ou dans des boîtiers cylindriques façon LiIo en deux capacités : 1100 mAh et 2300 mAh (fabricant A123 Systems, photo 3).
Photo 3 : accumulateur LiFe A123 (photo
Lindinger Modellbau)
Ces accumulateurs ont en principe beaucoup moins tendance à exploser que les LiIo ; pourtant on trouve chez A123 Systems un clapet de sécurité du coté de la cathode pour laisser échapper les gaz… On remarquera par ailleurs sur les éléments de A123 Systems que la cathode a l'aspect de l'anode d'une LiIo (ces deux types d'accumulateurs utilisent les mêmes boîtiers cylindriques), donc gare aux inversions de polarité si on fabrique ses packs soi-même.
Le point faible des LiFe en 2010 reste le poids : 1,3 fois plus élevé que les LiPo pour A123 Systems et 1,15 fois plus élevé pour Hacker TopFuel LiFe.
Point important sur les accumulateurs
Le point commun de tous ces accumulateurs est qu’ils ont une résistance interne qui provoque une chute de tension qui atteint environ 10 % de la tension nominale au courant de décharge maximale. Comme ça a déjà été signalé, outre le fait que ça diminue la tension disponible, ça génère aussi un échauffement potentiellement dangereux dont les effets possibles ont été décrits dans ce chapitre. Donc, on ne le répétera jamais assez : il faut absolument une bonne ventilation pour les accumulateurs s’ils sont utilisés de façon intensive.
Un accumulateur est
un « réservoir d’énergie électrique » qui se vide dans le moteur électrique
ou l’électronique de la radio. On le remplit à nouveau à partir du réseau
électrique alternatif chez soi ou à
partir d’une batterie au plomb 12 V sur le terrain.
Les fonctions des chargeurs
La fonction
première, évidente, d’un chargeur est donc de charger les accumulateurs qu’on
lui confie, mais ce n’est souvent pas la seule, car on peut aussi lui demander
de fournir des informations sur l’accumulateur connecté :
·
son état
de charge,
·
sa
capacité,
·
sa
tension, voire la tension de chaque élément pour révéler un éventuel
déséquilibre,
·
sa
résistance interne, voire celle de chaque élément,
·
sa
température (à l’aide d’un capteur de température ajouté),
·
son type
et son historique (nombre de cycles, date de mise en service..) à l’aide d’une
puce BID (Battery IDentificator system) liée à l’accumulateur.
Les informations recueillies et d’autres
critères peuvent conduire à prodiguer des soins en fonction du type
d’accumulateur :
·
désulfatation
(batterie au plomb),
·
cycles
de charge/décharge pour supprimer l’effet mémoire (accumulateurs NiCd et dans
une moindre mesure NiMh),
·
charge
reflex pour prévenir l’effet mémoire (accumulateurs NiCd),
·
équilibrage
des éléments (accumulateurs LiIo, LiPo, LiFe),
·
charge à
40 % (en vue du stockage des LiIo et LiPo).
On imagine assez
facilement que deux types de sources d’énergie (220 V alternatif ou 12 V
continu), six types d’accumulateurs (Pb, NiCd, NiMh, LiIo, LiPo, LiFe), six
informations diverses et cinq types de soins possibles conduisent à une
pléthore de chargeurs dont pas deux n’ont les mêmes caractéristiques, fonctions
et possibilités. Les chargeurs du commerce, dont la plage de prix va de moins
de 20 € jusqu’à plus de 300 €, ne vont donc pas être présentés en détail ici,
mais seulement ce qu’on peut attendre d’eux en fonction de leur gamme de prix.
A chacun de faire son choix ensuite en fonction de ses besoins, désirs, moyens
financier et de l’offre commerciale du moment.
Les divers types de chargeurs
Pour les accumulateurs
des émetteurs et récepteurs on utilise le plus souvent des chargeurs
spécialisés dans le NiCd et NiMh fonctionnant sur le réseau alternatif, car il
n’y a pas a priori de raison de
recharger ces éléments sur le terrain. On trouve deux variantes :
·
les
chargeurs automatiques qui règlent eux même le courant et s’arrêtent en fin de
charge.
·
Les
chargeurs manuels qui fournissent un courant fixe, charge à l’utilisateur
d’arrêter la charge au bon moment.
Comme les chargeurs
manuels sont moins sûrs et au même prix (typiquement moins de 20 €) que les
chargeurs automatiques, il n’y a plus de raison de se contenter de chargeurs
manuels.
Pour les accumulateurs
de propulsion on préfère des chargeurs fonctionnant sur batterie au plomb
12 V. Quatre chargeurs sélectionnés dans le catalogue en ligne de Lindinger
Modelbau sont présentés ici pour illustrer ce qu’on peut attendre dans chaque
gamme de prix.
·
Sous la
barre des 20 € le choix est très limité, mais on peut déjà trouver des
chargeurs spécialisés suffisants pour les besoins de base. La photo 4 montre un
chargeur 12 V Graupner capable des charger et équilibrer des accumulateurs LiPo
jusqu’à 4S et 3 A ; mais il ne fournit aucune information.
·
Sous la
barre des 40 € on commence à trouver des chargeurs capables de charger
plusieurs types de batteries. La photo 5 montre un chargeur mixte 12 V / 220 V
Robbe capable de charger et équilibrer des accumulateurs NiMh et Lipo jusqu’à
4S et 3 A. Ce type de chargeur satisfait bien les besoins de base. Il donne la
tension, le courant et la charge de l’accumulateur chargé.
·
Sous la
barre des 80 € on trouve des chargeurs/déchargeurs équilibreurs avec de très
nombreuses possibilités, suffisants dans la plupart des cas. La photo 6 montre
un chargeur/déchargeur équilibreur 12 V Multiplex Pb/NiCd/NiMh/LiIo/LiPo/LiFe
chargeant jusqu’à 6 LiPo en série sous 6 A.
·
Au
dessus de 80 € on trouve des chargeurs multiples (deux ou trois chargeurs
incorporés dans le même boîtier), à fort courant et tension pour les gros
accumulateurs (ne pas oublier que pour charger un accumulateur LiPo 4000 mAh
sous 5C il faut 20 A), avec fonction BID (chez Robbe), interface PC, etc.. La
photo 7 montre le chargeur universel 12 V Robbe Power Peak Infinity qui monte à
60 V (14S LiPo) et 20 A, avec système BID et un interface pour ordinateur.
Photo 4 : chargeur Graupner LiPo d’entrée de gamme Photo 5 : chargeur
Robbe multifonctions d’entrée de gamme
Photo 6 : chargeur Multiplex multifonctions Photo 7 : chargeur
Robbe universel à forte capacité
Les accessoires
Les accessoires
permettent d’étendre les possibilités d’un chargeur, ou pallier à quelque
fonction manquante. Voici la description de quelques uns des ces accessoires
parfois très utiles.
·
Adaptateur 220 V / 12 V pour utiliser à la maison un chargeur de
terrain. Cet accessoire n’est pas très cher et vendu en magasin de modélisme.
Toutefois, certains préfèrent aller les chercher dans les magasins de cibistes
(ou d’accessoires automobile) car on y trouve des adaptateurs de forte
puissance (20 A) bon marché. Ceux qui sont bricoleurs récupèrent des anciennes
alimentations de PC en y ajoutant deux fiches banane femelles de diamètre 4 mm.
Une autre solution intéressante jusqu’à 2 A consiste à faire un adaptateur qui
se branche sur une alimentation d’ordinateur portable. Comme ces alimentations
fournissent plus de 12 V, on met des diodes en série entre la prise Jack Alim
du chargeur et les fiches banane afin de faire tomber la tension sous 15 V
(chaque diode fait chuter la tension de 0,65 V).
·
Adaptateur pour allume cigare. Cet accessoire assez facile à trouver est
bien pratique pour ne pas avoir à soulever le capot de sa voiture si on veut
s’y brancher.
·
Équilibreur LiPo. Cet accessoire permet de mettre à niveau les anciens chargeurs qui ne
disposent pas de cette fonction indispensable en LiPo.
·
Déchargeur NiCd. Cet accessoire est bien pratique
pour décharger et supprimer l’effet mémoire des anciens accumulateurs NiCd.
1.
Principe de fonctionnement des accumulateurs sur
la Wikipédia
2.
Site anglophone et germanophone sur les
accumulateurs : Battery
University