Chargeur Programmable pour Batteries au Plomb et au Lithium

Introduction

La batterie, est l'une des solutions de stockage d'énergie les plus facilement accessibles, a gagné en popularité ces dernières années.
Les batteries peuvent être utilisées dans l'électronique personnelle, les automobiles et les groupes de continuité (UPS), les véhicules électriques et le stockage d'énergie renouvelable.

Cependant, les caractéristiques des différents types de batteries posent des défis techniques aux consommateurs et même aux ingénieurs pour sélectionner les batteries et les chargeurs.
Dans ce guide, nous parlerons des différences entre deux types de batteries les plus courants:

• Batterie au plomb 
• Batterie au lithium

puis comment sélectionner un chargeur approprié.

Caractéristiques des batteries au plomb et au lithium

Les batteries au plomb-acide comme l'un des types de chimie de batteries les plus répandus.
Les avantages des batteries au plomb sont:

• La grande tolérance à la tension de charge
• La grande capacité de surintensité
• La large plage de température de fonctionnement
• Prix bas

La batterie au plomb est souvent utilisée dans des applications motrices telles que:

• automobiles
• chariots élévateurs, ainsi que des systèmes de sauvegarde.

Les inconvénients des batteries au plomb sont:

• Le taux élevé d'autodécharge
• Cycles de charge / décharge relativement courts
• Dimension et poids

Ce type de batterie n'est pas adapté pour des applications de stockage d'énergie.

Les batteries au lithium sont un meilleur candidat pour stocker de l'énergie à long terme grâce au taux de charge / décharge élevé, au faible taux d'autodécharge et à la haute densité d'énergie.

Selon le métal utilisé sur la cathode, il existe plusieurs types de batteries au lithium avec différentes performances:

• L'oxyde de lithium cobalt (LCO) a une haute densité d'énergie et est populaire dans l'électronique personnelle
• Le lithium fer phosphate (LiFePO4) a une durée de vie plus longue et une excellente stabilité thermique, ce qui en fait une meilleure option pour les solutions de stockage d'énergie.

La fuite thermique pourrait enflammer la batterie, c'est une limitation des batteries au lithium.
Par conséquent, les batteries au lithium nécessitent une charge / décharge plus stricte.

Cycle de charge de la batterie

La tension nominale d'une seule cellule au plomb est d'environ 1,8-2,3 V avec un courant de charge maximum recommandé de 0,3 C.

La plupart des batteries commercialisées ont de nombreuses cellules en série et en parallèle, formant une batterie avec des tensions plus élevées comme 12V, 24V et 48V.
Notez que "12V", "24V ou" 48V "est souvent utilisé de manière approximative comme indication de la plage de tension.
La tension effective changerait constamment en fonction de la capacité restante.
Par exemple, la tension à circuit ouvert d'une batterie au plomb-acide AGM typique "12V" est comprise entre 10,8 V (30% de la capacité de la batterie) et 13,8 V (100% de la capacité).

En raison du taux élevé d'autodissipation des batteries au plomb, la méthode de charge en 3 phases est souvent recommandée.

Le cycle de charge:

• Commence dans la phase de courant constant ("phase 1" de la Figure 1) où le chargeur limite son courant de sortie à la valeur maximale et augmente lentement sa tension de sortie
• Une fois que la tension de la batterie atteint la tension de charge maximale, le chargeur passe à une phase de tension constante ("phase 2" de la Figure 1)
• Le chargeur commence à fournir constamment sa tension nominale maximale et à surveiller son courant de sortie
• Enfin, le chargeur passe à la phase de charge "flottante" ("phase 3" de la Figure 1) après que le courant de charge est tombé en dessous d'environ 10% du courant nominal. À ce stade, le chargeur réduirait sa tension de sortie pour éviter la surcharge.

Figure 1. Courbe de charge à 3 étages

Les batteries au lithium peuvent avoir des tensions nominales allant de 3,2 V à 4,4 V avec un courant de charge maximal jusqu'à 1 C.

Contrairement aux batteries au plomb, les batteries au lithium ne supportent pas une tension de charge élevée et ne nécessitent pas de charge flottante pour maintenir leur état de charge.
Par conséquent, les batteries au lithium sont souvent chargées avec une méthode de charge à 2 étages (Figure 2) sans la phase de charge "flottante" .

Figure 2. Courbe de charge à 2 étages

L'un des problèmes pour les grands bancs de batteries au lithium est le déséquilibre des cellules.
En raison des tolérances de production, la résistance série équivalente (ESR) des cellules au lithium ne peut pas être parfaitement assortie.
Les différences entre les cellules font que les cellules du même banc peuvent être chargées avec une tension ou un courant différent.
Les cellules avec une faible ESR seront toujours complètement chargées/déchargées en premier, donc ces cellules se détériorent plus rapidement.
Le déséquilibre des cellules non seulement réduit la durée de vie de la batterie, mais peut également provoquer une fuite thermique et devenir un danger pour la sécurité.
Pour résoudre ce problème, les grands bancs de batteries au lithium devraient toujours être équipés de systèmes de surveillance de charge de batterie (BMS-Battery Management System).

La fonction de base du BMS est :

• La surveillance de l'état de charge
• L'équilibrage des cellules passivement ou activement.

Le BMS passif équilibre les cellules en déchargeant les cellules les plus pleines en utilisant des résistances de puissance.
Il est robuste et relativement facile à concevoir, mais il n'est pas efficace et moins efficace.
D'autre part, le BMS actif charge les cellules individuellement de sorte qu'elles correspondent aux états de charge.
Comme le BMS actif a le contrôle de la charge pour chaque cellule, certains bancs de batteries au lithium avec BMS actif ne nécessitent que des alimentations CA/CC à tension constante comme chargeurs.

Solutions de charge intelligente de la batterie

Nos chargeurs programmables offrent une flexibilité et une interface claire pour l'ajustement de la courbe de charge.

Prenons comme exemple la série HEP-1000 de Mean Well récemment publiée.

Le réglage par défaut de la série HEP-1000-48 est une alimentation à tension constante de 48 V et max 1008 W.
Les clients peuvent connecter HEP-1000-48 avec le programmateur de charge intelligent MEAN WELL SBP-001 et activer le mode chargeur.

Figure 3. Programme de charge intelligente (HEP-1000-48, charge en 3 étapes)

La courbe de charge par défaut est à 3 étapes (Figure 3) pour les batteries au plomb-acide scellées typiques avec une tension de charge boost de 57,6 V et une tension de charge "flottante" de 55,2 V. La tension et le courant de charge peuvent être facilement réglés respectivement à 36 ~ 60 V et 3,5 ~ 17,5 A pour d'autres types de batteries au plomb.

En sélectionnant simplement le mode de charge à 2 stades, HEP-1000 peut également être utilisé pour charger des batteries lithium avec la même plage de réglage.
Pour charger une batterie LiFePO4 de 20 Ah(Ampère-heure) avec une tension de charge maximale de 56 V.

Les options "CV" (changement continu) et "CC" indiquées dans la Figure 4 peuvent être réglées sur 56 V et 17,5 A, assurant une recharge plus rapide.
Le client pourrait également diminuer le courant de charge pour éviter l'augmentation de la température causée par des courants élevés et diminuer la tension pour éviter la possibilité de surcharge.

Figure 4. Programme de recharge intelligent (HEP-1000-48, recharge en 2 étapes)

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Article Original: Chargeur Programmable pour Batteries au Plomb et au Lithium