Pack batterie 18650 fait maison : cellules, BMS, soudure par points et charge

La série pour la tension, le parallèle pour la capacité et le courant

Des cellules en série (S) additionnent leurs tensions ; des cellules en parallèle (P) additionnent leur capacité et se partagent le courant. Un 10S3P, ce sont dix groupes en série, chacun de trois cellules en parallèle : 30 cellules en tout.

Les mêmes valeurs que dans notre calculateur de pack batterie. Un pack de vélo « 36 V » est un 10S.

Choisissez S d’après la tension qu’attend l’appareil : le contrôleur du moteur, le convertisseur ou l’outil indiquent leur plage d’entrée, et le pack doit y rester de la pleine charge (4,2 V par cellule) à la décharge complète (2,5 à 2,65 V par cellule sous charge, selon la cellule). Choisissez ensuite P pour deux raisons : la capacité voulue, et le courant que les cellules doivent fournir ensemble.

Notre exemple est un pack 36 V comme ceux des vélos électriques, pour un contrôleur limité à 20 A : un 10S. Avec trois cellules LG MJ1 par groupe, le calculateur donne 36,35 V nominaux (42 V en pleine charge, 25 V à la tension de coupure de 2,5 V de la cellule), 10,5 Ah et 382 Wh. À 20 A, chaque cellule fournit 6,67 A, sous ses 10 A, et le pack entier peut débiter 30 A.

L’exemple dans le calculateur : 10S3P, LG MJ1, charge de 20 A.Ouvrir le calculateur

Choisir les cellules : le vrai courant de décharge

Le chiffre qui compte est le courant de décharge continu de la datasheet du fabricant de la cellule. Les annonces des vendeurs donnent souvent une valeur de pointe ou d’impulsion, voire un chiffre sans source. Il existe deux grandes familles : les cellules haute capacité, autour de 3,5 Ah pour 8 à 10 A, et les cellules haute décharge, autour de 2,8 à 3 Ah pour 30 A ou plus.

D’après les datasheets (celles de Molicel sur son site ; LG et Samsung ne publient pas les leurs, les liens des sources sont donc des copies hébergées par d’autres) et les pages produit de Molicel. LG et Samsung n’indiquent pas sur leurs sites si ces modèles sont encore produits : achetez chez des distributeurs capables de montrer la datasheet et le lot.

Si le contrôleur tirait 30 A au lieu de 20, chaque cellule porterait 10 A : pile à la limite de la MJ1 et au-delà des 8 A de la 35E, ce que le calculateur signale (voir). Une cellule haute décharge comme la P28A les supporte sans peine, mais stocke moins : le même 10S3P n’a plus que 8,4 Ah au lieu de 10,5 (pack en P28A ; pack en P30B). Choisissez d’abord la cellule pour le courant, puis ajoutez des cellules en parallèle pour la capacité.

Acheter de vraies cellules et les apparier

• Capacités impossibles. Les 18650 de plus forte capacité des datasheets que nous avons consultées sont annoncées autour de 3,5 Ah. Une 18650 de « 9 900 mAh » est une contrefaçon, en général une cellule bien plus petite glissée dans une gaine trop grande.
• Poids. Les vraies 18650 pèsent environ 45 à 50 g (46 g en valeur typique pour la P28A, 50 g au maximum pour la 35E). Pesez-en quelques-unes sur une balance de cuisine : une cellule de 30 g n’est pas ce qu’annonce l’étiquette.
• Gaine et marquages. Les cellules regainées cachent leur origine. Achetez chez des distributeurs qui vendent les cellules d’origine du fabricant, montrent la datasheet et peuvent vous donner le lot de production.
• Mesurez à réception. Les cellules d’un même lot doivent arriver à des tensions de repos proches ; une cellule bien plus basse que les autres a souffert ou est défectueuse.
• Ne mélangez jamais cellules usagées et neuves, modèles ou lots différents dans un même pack : la cellule la plus faible fixe les limites du pack, et c’est elle qui finit surchargée et trop déchargée.

Dans un pack avec des groupes en parallèle, appariez les cellules : mesurez leur capacité (et leur résistance interne, si votre chargeur le permet) et composez chaque groupe de cellules proches, pour que tous les groupes aient presque la même capacité totale. Un chargeur avec test de capacité, comme le XTAR VC4SL (de 0,25 à 3 A, 3 A s’il n’y a qu’une cellule ; vrai test de capacité ; alimentation USB-C), le fait quelques cellules à la fois.

Le BMS

Le BMS (système de gestion de batterie) protège le pack : il coupe le courant si un groupe dépasse sa tension de pleine charge ou descend sous sa tension minimale, en cas de court-circuit ou de surintensité et, en général, de température anormale ; et il équilibre les groupes. Pour notre 10S à 20 A, le calculateur demande un BMS 10S d’au moins 25 A en continu, soit un quart de marge sur la charge.

• Courant continu. C’est la valeur en continu qui compte, pas la valeur de pointe. JBD, par exemple, annonce sa version 30 A pour 90 A pendant une seconde.
• Équilibrage. La plupart des BMS équilibrent de façon passive en retirant un peu de courant aux groupes les plus chargés, quelques dizaines de milliampères : JBD indique 20 à 55 mA pour son SP14S004. Cela suffit à garder équilibré un pack bien monté, pas à rattraper des cellules mal appariées.
• Port commun ou séparé. Un BMS à port commun charge et décharge par les mêmes deux bornes, comme sur la figure plus bas. Un BMS à ports séparés a une entrée de charge avec son propre courant, souvent plus faible : comparez-le à votre chargeur.
• Température. Une thermistance (CTN) posée sur les cellules permet au BMS d’arrêter la charge quand elles sont trop froides ou trop chaudes. Le JBD en a une sur la carte et une déportée.
• Connecté ou non. Un BMS connecté affiche la tension de chaque groupe et permet de modifier les seuils depuis une application (Bluetooth) ou en UART, RS485 ou CAN. Pas indispensable, mais il permet de repérer tout de suite un groupe faible.

D’après les pages des fabricants. Sur tout BMS, vérifiez la chimie (Li-ion, pas LiFePO4), le nombre de cellules en série, le courant continu ≥ la valeur du calculateur, les seuils de surcharge et de décharge par cellule, et si la voie de charge a une limite plus basse.

Souder, isoler et câbler le pack

Bande de nickel et soudure par points

Les cellules se relient par une bande de nickel soudée par points sur les bornes : une impulsion de courant très brève et très forte fond un petit point en quelques millisecondes, et peu de chaleur atteint l’intérieur de la cellule. Un fer à souder doit chauffer le boîtier pendant plusieurs secondes, et cette chaleur atteint le joint et le séparateur : c’est pourquoi les packs se soudent par points, pas à l’étain. Si une cellule doit être soudée à l’étain, prenez-la avec des languettes soudées en usine.

Utilisez de la bande de nickel pur, pas de l’acier nickelé, vendu sous le même nom, qui conduit moins bien et rouille sur les bords coupés. Le nickel pur conduit déjà environ cinq fois moins bien que le cuivre (8,5 µΩ·cm pour le Nickel 201, contre 1,72 pour le cuivre) : l’épaisseur compte.

Calculé à partir de la résistivité du Nickel 201 (AMETEK). Cuivre de même section, 0,15 × 8 mm : 0,14 mΩ par cm. La chaleur suit le carré du courant : deux fois plus de courant, quatre fois plus de chaleur.

Dans un pack 3P, le courant entre deux groupes passe par trois ponts de nickel, environ un tiers chacun : 6,7 A à 20 A. Gardez des ponts courts ; pour plus de courant, ajoutez une seconde couche ou prenez une bande plus épaisse, tant que votre soudeuse arrive encore à la souder.

D’après les pages des fabricants ; ce sont deux kits à terminer soi-même, produits en petites séries et souvent épuisés : Malectrics indique son kit V4 préassemblé en rupture de stock, et donc les lots qui le contiennent, et la page du kWeld n’indique pas la disponibilité : vérifiez-la avant de compter dessus. De manière générale, cherchez une soudeuse alimentée par une batterie de voiture, une grosse LiPo ou des condensateurs (supercondensateurs), capable de fournir bien plus de mille ampères pendant quelques millisecondes, avec une durée d’impulsion ou une énergie réglable, et annoncée pour l’épaisseur de bande qu’il vous faut. Les petites soudeuses portables à batterie intégrée sont partout ; nous n’avons pas trouvé de données de fabricant pour les vérifier, alors essayez toute soudeuse sur des chutes de bande et une cellule d’essai, puis arrachez la bande : une bonne soudure déchire le nickel au lieu de se décoller net.

Isolation et supports

• Rondelles isolantes sur les bornes positives. Sur une 18650, le bord autour du plot positif est le boîtier, donc le négatif. Une rondelle de papier isolant (papier fish) sur chaque borne positive évite qu’une bande ou une bavure ne court-circuite les deux.
• Des supports ou entretoises gardent les cellules espacées et le pack rigide ; du papier isolant entre les groupes et sur les bandes, et une gaine extérieure solide, évitent que le nickel, à force de frotter, ne perce l’isolant.
• Ne bouchez pas les évents. L’évent est côté positif. De la colle chaude ou de la résine par-dessus empêcheraient une cellule défaillante de dégazer par l’endroit prévu.

Fils d’équilibrage, câbles principaux, fusible et connecteur

• Fils d’équilibrage. Un fil depuis B−, un depuis chacune des neuf jonctions et un depuis B+, dans l’ordre. Avant de brancher le connecteur sur le BMS, vérifiez au multimètre que chaque broche affiche environ une tension de cellule de plus que la précédente, et suivez l’ordre de branchement du manuel du BMS.
• Câbles principaux. Pour 20 A sur 0,5 m sous 36 V, notre calculateur indique 2,5 mm² avec un fusible de 25 A (vérifier). Il utilise les intensités admissibles des câbles isolés PVC ; pour du câble silicone, c’est la valeur de son fabricant qui compte.
• Fusible. Un fusible sur le positif, près des cellules, calibré au-dessus du courant de la charge et en dessous du courant admissible du câble : ici 25 A. Vérifiez sa tension assignée en courant continu : un 10S chargé atteint 42 V, plus que ce qu’acceptent beaucoup de fusibles automobiles (le MEGA de Littelfuse, par exemple, est donné pour 32 V). Les fusibles à lame MINI 58V de Littelfuse vont jusqu’à 30 A sous 58 V en continu.
• Connecteur. Un XT60 porte 20 A avec de la marge ; à partir de 30 A, un XT90, dont la version XT90-S a une résistance anti-étincelle. Mettez le connecteur femelle côté pack, pour que ses contacts sous tension ne puissent rien toucher.

La charge

Les cellules Li-ion se chargent à courant constant jusqu’à 4,2 V par cellule, puis à tension constante pendant que le courant baisse (CC/CV). Un pack 10S demande un chargeur CC/CV prévu pour 42,0 V ; le BMS est un filet de sécurité, pas le chargeur. Pour une durée de vie plus longue, vous pouvez vous arrêter à 4,1 V par cellule, 41 V : d’après le tableau de Battery University (90 % de l’énergie à 4,13 V, 81 % à 4,06 V), vous gardez environ 85 à 90 % de la capacité, et Grin, qui fabrique le chargeur Satiator, rappelle que les packs lithium durent bien plus longtemps s’ils ne sont pas toujours chargés à fond.

• Courant. Le calculateur indique 5,03 A comme courant de charge standard maximal de ce pack (les 1,675 A par cellule de la datasheet de la MJ1, fois trois). Un chargeur de 2 A remplit le pack de 10,5 Ah en cinq à six heures environ et le ménage davantage.
• Température. Chargez entre 0 et 45 °C pour la MJ1 (0 à 60 °C pour les Molicel), et jamais un pack glacé qui sort du garage.
• Fiche et polarité. Les fiches de chargeur ne sont pas normalisées : vérifiez la polarité et la tension avant la première charge.

D’après les pages des fabricants.

Connaître la charge

La tension de repos d’un pack Li-ion indique à peu près son niveau : notre tableau de tension 10S convertit une mesure en niveau de charge, avec l’écart entre les tableaux des fabricants. Mesurez le pack au repos, pas sous charge. Environ 38 V au repos (3,8 V par cellule), c’est à peu près la moitié de la charge ; c’est aussi la plage de stockage, 3,80 à 3,85 V par cellule, soit 38,0 à 38,5 V pour un 10S.

L’exemple complet

Dans les calculateurs : le pack, les câbles principaux.

Le pack contient 382 Wh : il ne peut donc pas voyager en avion comme batterie de rechange. L’IATA autorise les batteries lithium de rechange jusqu’à 100 Wh en cabine, de 100 à 160 Wh avec l’accord de la compagnie, et aucune au-delà de 160 Wh. L’expédier est aussi réglementé : renseignez-vous d’abord auprès du transporteur.

Sécurité, stockage et quand ne pas le faire soi-même

• Chargez là où un feu ne peut pas se propager : sur une surface incombustible, loin de ce qui brûle, pas la nuit dans une chambre ni près de la seule sortie. Un sac ignifuge ou une boîte métallique aident pour les petits packs, mais ne suffisent pas à contenir un gros pack.
• Stockez-le à mi-charge (3,80 à 3,85 V par cellule), au frais et au sec, et contrôlez sa tension tous les deux ou trois mois.
• Mettez au rebut les packs abîmés : un pack qui a pris un choc violent, a été écrasé ou mouillé, a gonflé ou a chauffé ne se réutilise pas. Déposez-le dans un point de collecte des piles et batteries.
• Respectez les limites des cellules : charge entre 0 et 45 °C (MJ1), jamais au-delà de 4,2 V par cellule, jamais sous la tension de coupure.