Les batteries de nos trottinettes, monoroues et skates électriques

Voici tout ce qu’il y a à savoir sur les batteries des EDPM, y compris leur type, le nombre de watts / heure, leur durée de vie prolongée, ainsi que leur utilisation et stockage appropriés.

Batteries des EDPM

La batterie est le réservoir de carburant de votre EDPM. Il stocke l’énergie consommée par le moteur à courant continu, les lumières, le contrôleur et d’autres accessoires.

La plupart des EDPM auront un type de batterie à base de lithium-ion en raison de leur excellente densité énergétique et de leur longévité. Beaucoup d’engins pour enfants et d’autres peu coûteux contiennent en réalité des batteries au plomb-acide.

Le bloc-batterie est composé de cellules individuelles et de composants électroniques, appelés systèmes de gestion de batterie, qui assurent son fonctionnement en toute sécurité.

Les batteries plus grandes ont une plus grande capacité , mesurée en wattheures, et permettent à un engin de faire plus de kilomètres. Cependant, ils augmentent également la taille et le poids de la trottinette, la rendant ainsi moins portable.

Packs de batterie

Les cellules 18650 Li-ion, illustrées ci-dessus, constituent le bloc-batterie d’un EDPM.

Les batteries d’un engin sont composées de nombreuses cellules individuelles. Plus précisément, elles sont constituées de cellules 18650, une classification de taille pour les batteries au lithium ion (Li-ion) de dimensions cylindriques de 18 mm x 65 mm.

Chaque cellule 18650 d’un bloc-batterie est assez peu impressionnante : elle ne génère qu’un potentiel électrique de 3,5 volts et une capacité de 3 ampères-heures (ou environ 10 wattheures).

Pour construire une batterie d’une capacité de centaines, voire de milliers de wattheures, de nombreuses cellules 18650 au lithium-ion sont assemblées dans une structure en forme de brique.

Le bloc-batterie en forme de brique est surveillé et régulé par un circuit électronique appelé système de gestion de la batterie (BMS), qui contrôle le flux d’électricité qui sort de la batterie.

Lithium-Ion

Les batteries Li-ion ont une excellente densité d’énergie (quantité d’énergie stockée en fonction de leur poids physique).

Elles ont également une excellente longévité, ce qui signifie qu’elles peuvent être déchargées et rechargées ou cyclées plusieurs fois tout en maintenant leur capacité de stockage.

Lithium-ion fait référence à de nombreux produits chimiques de la batterie qui impliquent le lithium ion. Voici une courte liste ci-dessous :

  • Oxyde de lithium et de manganèse (LiMN2O4); alias : IMR, LMO, Li-maganese
  • Nickel de lithium et de manganèse (LiNiMnCoO2); aka INR, NMC
  • Oxyde d’aluminium de cobalt et de nickel (LiNiCoAlO2); aka NCA, Li-aluminium
  • Oxyde de lithium, nickel et cobalt (LiCoO2); aka sous-officier
  • Oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2); aka ICR, LCO, Li-cobalt
  • Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4); aussi appelé IFR, LFP, LI-phosphate

Chacune de ces chimies de batterie représente un compromis entre sécurité, longévité, capacité et courant.

Lithium maganèse – INR – NMC

Heureusement, de nombreux EDPM de qualité utilisent la chimie de la batterie INR – une des chimies les plus sûres.

Cette chimie de la batterie donne une capacité et un courant de sortie élevés. La présence de manganèse diminue la résistance interne de la batterie, permettant une sortie de courant élevée tout en maintenant des températures basses. Par conséquent, cela réduit les risques d’emballement thermique et d’incendie.

Certaines trottinettes électriques avec la chimie INR sont les modèles : WePed GT 50e et Dualtron.

Plomb-acide

Le plomb-acide est une très vieille chimie de batterie qui se trouve couramment dans les voitures et certains gros véhicules électriques comme les voiturettes de golf.

On les trouve également dans certaines trottinettes électriques, notamment les trottinettes pour enfants, peu  onéreuses, produites par des entreprises telles que Razor. Les batteries au plomb-acide ont l’avantage d’être peu coûteuses, mais souffrent d’une densité d’énergie très faible, ce qui signifie qu’elles pèsent beaucoup par rapport à la quantité d’énergie qu’elles stockent.

En comparaison, les batteries Li-ion ont une densité d’énergie d’environ 10 fois celle des batteries au plomb.

Capacité

La capacité de la batterie de l’EDPM est évaluée en unités de wattheures (Wh abrégé), une mesure de l’énergie.

Cette unité est assez facile à comprendre. Par exemple, une batterie de 1 Wh stocke suffisamment d’énergie pour fournir 1 watt pendant 1 heure. Une plus grande capacité énergétique, c’est-à-dire que plus le watt-heure de la batterie est élevé, plus la portée de l’EDPM est grande, pour une taille de moteur donnée.

Un EDPM aura une capacité d’environ 250 wattheures et pourra parcourir environ 16 km. Alors que les EDPM disposant d’une grande autonomie vont avoir une capacité allant jusqu’à des milliers de wattheures et des plages allant jusqu’à 96 km.

Marques

Les piles au lithium ionique (Li-ion) individuelles d’une batterie d’un EDPM sont fabriquées par une poignée de sociétés de renommée internationale. Les cellules de la plus haute qualité sont fabriquées par LG, Samsung, Panasonic et Sanyo.

Ces types de cellules ont tendance à être trouvés uniquement dans les packs de batteries de trottinettes haut de gamme. La plupart des trottinettes électriques économiques et à prix moyen ont des packs fabriqués à partir de cellules génériques fabriquées en Chine. Il y a de très bonnes cellules chinoises et d’autres très pauvres. La différence entre ces cellules de marque et celles génériques chinoises c’est une plus grande garantie de contrôle de la qualité, si vous achetez une trottinette avec les cellules de marque.

Si cela ne correspond pas à votre budget, assurez-vous d’acheter un engin auprès d’un fabricant réputé, qui utilise des pièces de qualité et qui dispose de bonnes mesures de contrôle de la qualité. Xiaomi et Segway Ninebot sont des exemples d’entreprises susceptibles d’avoir un bon contrôle qualité.

Système de gestion de batterie

Bien que les cellules Li-ion 18650 présentent des avantages incroyables, elles sont moins tolérantes que les autres technologies de batterie et peuvent exploser si elles sont utilisées de manière inappropriée. C’est pour cette raison qu’elles sont presque toujours assemblées dans des racks de batteries disposant d’un système de gestion de la batterie (BMS).

Le système de gestion de la batterie est un composant électronique qui surveille la batterie et contrôle la charge et la décharge. Les batteries au lithium ionique sont conçues pour fonctionner entre environ 2,5 volts et 4,0 volts. Trop les charger ou les décharger trop profondément peut raccourcir leur durée de vie ou déclencher des conditions dangereuses de surchauffe.

Des systèmes de gestion de batterie plus sophistiqués surveilleront également la température du pack et déclencheront une coupure en cas de surchauffe.

Intensité de charge

Il faut rentrer dans des détails plus techniques pour comprendre l’intensité de charge maximale permise par un pack de batteries.
Les packs de batteries sont assemblés en cellules connectées en série et en parallèle.

Le nombre de cellules connectées en série donne le voltage total. Le nombre de cellules connectées en parallèle donne la capacité.
Par exemple, pour la batterie d’une trottinette Z10X avec une batterie 22,4 AH, il s’agit d’un pack 14S7P (14 en série, 7 en parallèle, soit un total de 98 cellules), ce qui donne 14S au voltage max d’une 18650 : 14 * 4,2 = 58,8v à sa tension maximale, et 14 * 3,7 = 51,8V à sa tension nominale.

Pour la capacité, il faut se reporter aux caractéristiques de la cellule, c’est là que l’on trouve des différences entre modèles.
Restons sur l’exemple de la trottinette Z10x 22,4 Ah : ce sont des cellules LG MH1. Sur les données fabricant, on trouve beaucoup d’informations dont la capacité (C), dans ce cas 3200 mAh.

Les 7 cellules en parallèle donnent une capacité de 7 x 3200 mAh =  22400mAh, ce qui explique la dénomination 22,4 AH.
Les 3200mAh des cellules nous donne la capacité de décharge.

Ensuite, toujours dans les données du fabricant de la cellule, il faut regarder la capacité de charge. On va trouver deux choses : la capacité de charge maximale et la capacité de charge standard d’une cellule :

  • La charge maximale donnée est tolérée par la cellule, mais charger constamment à cette intensité va réduire sa durée de vie.
  • La charge standard n’impacte pas négativement la durée de vie de la cellule.

Communément (et cela vaut pour la LG MH1), la capacité de charge max vaut 1C, et la standard vaut 0,5C, soit dans mon exemple : max=3200mAh et standard=2600mAh (1550 mAh préconisé LG).

N’oublions pas à ce stade de la démonstration, nos cours d’électricité sur la mise en parallèle : 7 cellules en parallèle, ce qui vaut pour la décharge vaut pour la charge. Nous pouvons donc charger cette batterie en toute tranquillité à 7 x 1550, soit 10850 mAh. Même avec un chargeur à 10A, la charge est sécurisée…

Il faut aussi tenir compte du courant max que le BMS est capable d’accepter. En effet, si, par exemple, une batterie 22,4 Ah peut accepter 11,2 Ah en charge “standard” (soit en C/2) sans aucun dégât pour les cellules, il faut aussi vérifier que son BMS peut aussi un tel courant, sinon, il est possible que l’équilibrage des cellules se fasse mal, ce qui peut être dangereux. Malheureusement, le courant max admissible par le BMS est une information difficile à obtenir.

Profondeur de décharge

Tests et graphes à l’appui, BatteryUniversity.com assure que les batteries lithium-ion n’ont pas d’effet mémoire, accepte très bien les décharges partielles, et n’ont pas besoin de décharges complètes périodiques. Un bémol pour ce dernier point, procéder tout de même à un cycle de décharge/recharge complètes permet, dans certaines applications, le bon calibrage de la jauge de capacité associée. C’est la multiplication des petites décharges qui assurerait une vie plus longue à ces accumulateurs. La diversité des composants internes aux cellules, se traduit par autant de comportements différents.

Pour faire durer les batteries, la plupart des constructeurs limitent leur utilisation sur une plage de 25-85% de leur capacité. En gros, sauf exception, on ne la charge donc pas au dessus de 85%, et l’engin s’arrête quand il reste 25% de capacité. Ce sont ainsi 40% de la capacité réelle de la batterie qui sont pas inaccessibles. S’il semble intéressant de n’effectuer que des recharges partielles, l’utilisation que l’on souhaite faire de son engin électrique ne s’y prête pas forcément.

Vous pouvez donc recharger votre batterie à n’importe quel moment, sans vous soucier de la capacité restante. Étant donné qu’un cycle est décompté uniquement lorsqu’une décharge/recharge complète est effectuée, la batterie ne sera pas affectée par des petits coups de recharge. Il est bon de rappeler que charger un engin de 50 à 100 % ne compte que pour un demi-cycle.

Écologie et recyclage

Si vous souhaitez en savoir plus sur cet aspect, nous avons rédigé cet article:

Vie de la batterie

Une batterie Li-ion typique sera capable de gérer 300 à 500 cycles de charge / décharge complets (décharger a moitié puis la recharger compte pour la moitié d’un cycle) avant de diminuer en capacité. Pour un engin moyen, cela représente 5 000 à 15 000 kms !

Les systèmes modernes de gestion de la batterie aident à prolonger la durée de vie de la batterie et vous ne devriez pas trop vous inquiéter de la batterie. Toutefois, si vous souhaitez prolonger au maximum la durée de vie de la batterie, vous pouvez aller au-delà de 500 cycles.

Les règles à suivre sont :

  • Ne stockez pas complètement chargé ou avec le chargeur branché pendant des périodes prolongées. Garder la batterie au maximum de sa tension diminuera sa durée de vie.
  • Ne stockez pas la trottinette électrique complètement déchargée. Les batteries Li-ion se dégradent quand ils tombent en dessous de 2,5 V . La plupart des fabricants recommandent de stocker entre 30 et 50% de charge et de les compléter périodiquement pour un stockage à très long terme.
  • N’utilisez pas la batterie à des températures inférieures à 0 ° C ou supérieures à 45 ° C (113 ° F).
  • Chargez avec une intensité compatible des caractéristiques des cellules. Certains chargeurs plus sophistiqués vous permettent de contrôler l’intensité de la charge. La principale chose à faire ici est de ne pas abuser de la batterie et cela va durer toute la vie de votre engin.

 

Merci a Khepri Rider et Jean-Pierre Aubert du Groupe Facebook Zero pour les informations qui ont permi la rédaction de cet article.

François Deslandes

Architecte système d'information / Habite à Paris / La trot est mon moyen de locomotion principal / Président de l'ANUMME

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