1. Capacité de la batterie

En général, la capacité d'une batterie est déterminée par la quantité de matière active qu'elle contient, généralement exprimée en milliampères-heures (mAh) ou Ah. Par exemple, 1 000 mAh peuvent être déchargés en 1 h avec un courant de 1 A.

1.1 Comprendre la capacité de la batterie : nominale, réelle et théorique

La capacité de la batterie peut être classée en capacité réelle, capacité théorique et capacité nominale, en fonction de différentes conditions.

La capacité qu'une batterie fournit lorsqu'elle est déchargée à un taux de décharge donné à 25 °C jusqu'à sa tension aux bornes est définie comme la capacité de la batterie lors de sa conception et de sa production. On parle alors de capacité nominale pour un taux de décharge HR donné.

La capacité d'une batterie est généralement mesurée en Ah (ampères-heures). Une autre méthode de mesure consiste à utiliser le nombre de cellules (par unité de plaque) en watts (W/cellule).

1. Pour les calculs Ah (ampères-heures), prenez le courant de décharge (courant constant) I et multipliez-le par le temps de décharge (en heures) T. Par exemple, une batterie de 7 Ah déchargée en continu à 0,35 A peut durer environ 20 heures.
2. Le temps de charge standard est de 15 heures et le courant de charge correspond à 1/10 de la capacité de la batterie. Une charge rapide peut réduire la durée de vie de la batterie.

La capacité d'une batterie désigne la charge électrique stockée dans celle-ci. L'unité de mesure est le « mAh », appelé milliampère-heure en chinois. Pour les batteries de plus grande capacité, comme les batteries au plomb, on utilise généralement l'« Ah » (ampère-heure) par commodité, où 1 Ah = 1 000 mAh. Si une batterie a une capacité nominale de 1 300 mAh et qu'on la décharge avec un courant de 130 mA, elle peut fonctionner pendant environ 10 heures (1 300 mAh/130 mA = 10 h). Si le courant de décharge est de 1 300 mA, l'autonomie tombe à environ 1 heure. Ces calculs supposent des conditions idéales, et le fonctionnement réel de l'appareil peut varier en fonction de composants, comme l'écran LCD ou le flash d'un appareil photo numérique, qui peuvent entraîner d'importantes variations de courant. Par conséquent, l'autonomie réelle d'un appareil alimenté par la batterie ne peut être qu'approximative, généralement basée sur l'expérience réelle.

1.2 Unité de capacité

Généralement, la capacité d'une batterie est mesurée en ampères-heures (Ah), et cette valeur est déterminée pour une batterie spécifique. Par exemple, la question pourrait être : Quelle est la capacité de la batterie de ce smartphone ? Ou de cette batterie de scooter électrique ? Ces questions sont spécifiques à chaque batterie. Lorsque la tension de la batterie est déjà définie et que l'on ne prend pas en compte la tension en temps réel, la simple indication des ampères-heures peut représenter la capacité de la batterie.

Cependant, lorsqu'il s'agit de batteries de tensions différentes, on ne peut pas simplement se fier aux ampères-heures pour indiquer la capacité. Prenons, par exemple, une Batterie MANLY 12V 20AH et une batterie MANLY 15 V 20 Ah. Bien que toutes deux aient 20 Ah, avec la même charge, l'appareil fonctionnera parfaitement, mais sa durée de fonctionnement sera différente. Par conséquent, la capacité standard doit être mesurée en termes de puissance.

Pour illustrer davantage, prenons un appareil compatible 12 V et 24 V. Alimenté par une batterie MANLY 12 V 20 Ah, son autonomie est d'une heure. En revanche, si deux batteries de ce type sont connectées en série, pour une alimentation de 24 V 20 Ah, les ampères-heures restent inchangés, mais l'autonomie double. Dans ce contexte, la capacité doit être considérée en termes de puissance que la batterie peut supporter, et non uniquement en termes d'ampères-heures.

Puissance (W) = Puissance (P) * Temps (T) = Courant (I) * Tension (U) * Temps (T).

Cette approche de la capacité des batteries est plus pertinente. Il faut être réaliste et factuel, sinon on risque de conclure, illogiquement, qu'une batterie de smartphone a une capacité supérieure à celle d'une batterie de scooter électrique, ce qui est clairement antiscientifique.

2. Tension nominale

La différence de potentiel entre les électrodes positive et négative d'une batterie est appelée tension nominale. Cette tension est déterminée par le potentiel d'électrode du matériau de la plaque et la concentration de l'électrolyte interne. Le diagramme de décharge d'une batterie au lithium est parabolique : 4,3 V chutent à 3,7 V et 3,7 V à 3,0 V, ces deux valeurs évoluant rapidement. Seul le temps de décharge d'environ 3,7 V est le plus long, représentant près des trois quarts du temps. La tension nominale d'une batterie au lithium correspond donc à la tension qui maintient le temps de décharge le plus long.

1. Batterie au lithium ternaire

La tension nominale d'une cellule ternaire au lithium est de 3,6 V, avec une plage de tension de fonctionnement comprise entre 2,5 V et 4,2 V. Pour une batterie, multipliez la tension par le nombre de cellules en série. Par exemple, pour une batterie ternaire au lithium série 10, la tension nominale est de 36 V, et la plage de tension de fonctionnement s'étend de 25 V à 42 V.

2. Batterie lithium fer phosphate

La tension nominale d'une cellule lithium fer phosphate est de 3,2 V, avec une plage de tension de fonctionnement de 2,0 V à 3,65 V. De même, pour le bloc-batterie correspondant, multipliez par le nombre de cellules en série. Par exemple, une batterie lithium fer phosphate série 15 a une tension nominale de 48 V, avec une plage de tension de fonctionnement de 30 V à 54,75 V.

Alors, quelles sont les implications d’une basse tension pour les batteries au lithium ?

Il est recommandé de stocker les batteries au lithium à long terme avec une charge d'environ 70%. En cas de non-utilisation pendant 3 à 6 mois, il est conseillé d'effectuer un cycle complet de charge et de décharge. Cela améliore la durée de vie de la batterie.

En cas de stockage prolongé sans utilisation et à très basse tension, les matériaux de la batterie au lithium peuvent être altérés. Leur réactivité chimique peut se dégrader, ce qui impacte la durée de vie de la batterie.

Les batteries lithium-ion fonctionnent à des tensions comprises entre 2,5 V et 4,2 V. Lorsque la tension descend en dessous de 2,5 V, la décharge de la batterie s'arrête et, du fait de la fermeture du circuit de décharge, la perte de courant du circuit de protection interne est réduite à son minimum. Cependant, en pratique, en raison des variations des matériaux internes, la tension de fin de décharge peut varier de 2,5 V à 3 V. Lorsque la tension dépasse 4,2 V, le circuit de charge est interrompu pour garantir la sécurité de la batterie.

3. Tension de fin de charge

Lorsque la batterie rechargeable est complètement chargée, le matériau actif de la plaque d'électrode atteint un état de saturation et la tension de la batterie n'augmente pas pendant la charge. La tension à ce moment est appelée tension de fin de charge. La tension de la batterie au lithium ternaire est de 4,2 V et celle de la batterie au lithium fer phosphate est de 3,65 V.

4. Tension de fin de décharge

La tension de fin de décharge correspond à la tension minimale autorisée lorsque la batterie est déchargée. La tension de fin de décharge est liée au taux de décharge.

5. Résistance interne de la batterie

La résistance interne d'une batterie est déterminée par la résistance de l'électrode et celle du flux ionique. Pendant la charge et la décharge, la résistance du moteur d'image et de l'électrode reste inchangée, mais la résistance du flux ionique augmente ou diminue selon la concentration de l'électrolyte et des ions chargés. L'impédance augmente lorsque la tension OCV d'une batterie au lithium diminue. Par conséquent, lors d'une charge à faible puissance (moins de 3 V), une précharge (charge d'entretien) doit être effectuée au préalable afin d'éviter qu'un courant trop élevé n'entraîne une surchauffe de la batterie.

Composition de la résistance interne de la batterie au lithium

La résistance ohmique dépend principalement des matériaux des électrodes, de l'électrolyte, de la résistance du séparateur, ainsi que de la résistance de contact des collecteurs de courant et des connexions des languettes. Elle est liée à la taille, à la structure et aux modes de connexion de la batterie.

La résistance de polarisation, qui apparaît instantanément lors de l'application d'un courant, représente la tendance cumulative de diverses barrières internes à la batterie à empêcher les ions chargés d'atteindre leur destination. Cette résistance peut être subdivisée en deux catégories : la polarisation électrochimique et la polarisation de concentration.

Actuellement, la batterie lithium 18650, la plus performante, présente une résistance interne d'environ 12 milliohms, tandis que les batteries classiques oscillent entre 13 et 15 milliohms. Étant donné que l'impédance peut affecter les performances de la batterie, une valeur de 50 milliohms est généralement considérée comme normale. Entre 50 et 100 milliohms, la batterie reste fonctionnelle, mais ses performances commencent à se dégrader. Au-delà de 100 milliohms, une utilisation en parallèle est nécessaire, et au-delà de 200 milliohms, elle est quasiment inutilisable.

Impacts de la résistance interne des batteries au lithium

Tous les facteurs qui entravent le mouvement des ions lithium et des électrons d'un pôle à l'autre de la batterie au lithium contribuent à sa résistance interne. Idéalement, plus la résistance interne est faible, mieux c'est. Une résistance interne élevée entraîne des pertes thermiques accrues, empêchant une décharge à courant élevé. De plus, une résistance interne élevée entraîne un échauffement de la batterie pendant son utilisation. Des températures élevées peuvent entraîner une baisse de la tension de décharge et un raccourcissement de la durée de décharge, affectant gravement ses performances et sa durée de vie. Dans les cas extrêmes, cela peut même entraîner un risque d'auto-inflammation.

6. Taux d'autodécharge

Il s'agit du pourcentage de la capacité totale qui se perd automatiquement lorsque la batterie n'est pas utilisée pendant un certain temps. En général, le taux d'autodécharge des batteries lithium-ion à température ambiante est compris entre 5% et 8%.

6.1 Comment le taux de décharge affecte-t-il la capacité de la batterie ?

Le taux de décharge a un impact direct sur la capacité effective d'une batterie. Plus précisément, un taux de décharge élevé peut réduire la capacité disponible, car la batterie risque de ne pas maintenir sa capacité nominale maximale lors de décharges rapides. Par conséquent, lors de l'évaluation de la capacité utile d'une batterie, le taux de décharge doit être pris en compte.

6.2 Quel est le taux de décharge des batteries de vélos électriques ?

Le taux de décharge des batteries de vélos électriques peut varier en fonction de leur composition chimique et de leur conception. Les vélos électriques utilisent généralement des batteries lithium-ion en raison de leur densité énergétique et de leurs performances élevées. Ces batteries présentent généralement un taux de décharge compris entre 1 et 4 °C, voire plus. À titre d'exemple, une batterie de 1 Ah avec un taux de décharge de 10 °C peut fournir un courant de décharge continu de 10 ampères, tandis qu'un taux de décharge de 4 °C autorise un courant de décharge continu de 40 ampères.

6.3 Quel est considéré comme un taux de décharge élevé pour les batteries au lithium ?

Pour les batteries au lithium, un taux de décharge généralement considéré comme « élevé » commence à 1 °C et plus. Cependant, il est important de noter que ce taux de décharge spécifique considéré comme élevé peut varier en fonction de la conception de la batterie, de sa composition chimique et de son utilisation prévue.

6.4 Quel est un bon taux de décharge pour les batteries ?

Le taux de décharge optimal d'une batterie dépend des exigences spécifiques de son application. En général, un taux de décharge qui permet un transfert de puissance efficace sans solliciter excessivement la batterie est considéré comme favorable. Il est recommandé de consulter les spécifications et les directives du fabricant pour déterminer le taux de décharge optimal pour une batterie donnée.

6.5 Comment calculez-vous le taux C ?

Taux C (C) = Courant de charge ou de décharge en ampères (A) / Capacité nominale de la batterie (Ah)

Prenons un exemple impliquant une batterie au lithium de 100 Ah :

1C représente un courant de décharge de 100 ampères, ce qui signifie que la batterie peut fournir une décharge continue de 100 ampères pendant une heure. En termes plus simples, elle peut supporter un courant de charge de 100 ampères pendant 60 minutes.

Si l'on augmente le régime C à 2C, le courant de décharge atteint 200 ampères. Cela signifie que la batterie peut désormais fournir un courant de décharge de 200 ampères, mais pendant une durée réduite. À un régime de 2C, la batterie peut supporter un courant de charge de 200 ampères pendant 30 minutes ou une demi-heure.

En revanche, réduire le taux C à 0,5 C produit un courant de décharge de 50 ampères. À ce taux, la batterie peut fournir un courant de décharge de 50 ampères, prolongeant ainsi la durée de décharge. Dans ces conditions, la batterie peut supporter un courant de charge de 50 ampères pendant 2 heures ou 120 minutes.

Lors de l'évaluation des performances et de la capacité des batteries au lithium, le taux C s'avère être un facteur crucial car il détermine à la fois le courant de décharge disponible et la durée de décharge correspondante.

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