DIY POWERWALL #1 : Le stockage d’énergie électrique, les batteries

Après avoir fait quelques recherches, je me suis rendu compte que la fabrication maison de powerwall est déjà un sujet qui  intéresse de nombreuses personnes.

Je n’ai pas retrouvé de ressources française (je n’ai peut-être pas assez cherché encore) mais il y a un forum anglophone qui traite du sujet : https://secondlifestorage.com.

La suite de mes recherches va donc pour le moment se baser sur cette ressource, la difficulté étant de se poser les bonnes questions et de parvenir à trouver les réponses.

Démarche générale :

J’en ai déjà parlé dans les articles précédents, le projet se compose de 3 éléments principaux : la production de courant, le stockage de l’énergie électrique et la distribution du courant.

Ici, je vais m’intéresser au stockage électrique qui est le point clé pour le choix du dimensionnement de l’installation complète.

Voici les questions auxquelles il va falloir commencer par répondre avant d’avancer :

  • Quelle tension de batterie choisir ?
  • Comment assembler les accumulateurs ?
  • Comment calculer la puissance de la batterie ?
  • Comment charger les batteries ?
  • Comment distribuer le courant stocké ?
  • Comment protéger au mieux l’installation ?

Dans cet article je vais répondre aux 3 premières questions, le reste fera l’objets d’autres articles.

Quelle tension de batterie choisir ?

Dans mes réflexions précédentes, j’ai choisi de partir sur une configuration 12V parce que je trouvais ça plus commode que des tensions supérieures. Pour débuter les tests en tous cas, ça permettait de commencer avec des dispositifs plus petits et moins d’investissements.

Cependant, il y a une raison pour laquelle il ne faut pas partir sur une configuration 12V pour des batteries lithium.

L’origine des tensions 12V, 24V, 48V :

Si ces tensions sont aujourd’hui majoritairement utilisées, c’est parce qu’elle découlent des technologies précédentes de stockage de l’énergie. Les batteries au plomb sont une association d’éléments de tension nominale 2,1V. Donc avec 12,6V pour 6 éléments, 25,2V pour 12 et 50,4V pour 24 éléments.

Il faut également savoir que la tension aux bornes d’une batterie n’est pas constante et dépend notamment de sa charge, pour une batterie au plomb 12V par exemple, la tension varie de environ 13,2V (2,2V/élément) quand elle est chargée entièrement à 10,8V (1,8V/élément) quand elle est déchargée.

On a donc pour une batterie au plomb 12V :

  • Tension nominale : 12,6V
  • Tension mini : 10,8V
  • Tension maxi : 13,2V

Et pour une batterie au plomb 24V :

  • Tension nominale : 25,2V
  • Tension mini : 21,6V
  • Tension maxi : 26,4V

La tension des batteries lithium :

Les batteries au lithium sont une association d’accumulateurs lithium. Les plus répandus sont les accumulateurs 18650 (18mm x 65mm) dont la tension nominale est de 3,7V.

Comme pour les batteries au plomb, la tension aux bornes de ces accumulateurs varie selon leur charge et peut aller d’environ 3V(voire 2,5V) dechargés à 4,2V chargés.

https://secondlifestorage.com/t-Frequently-Asked-Questions-FAQ#pid20007

Tension batterie lithium 12V :

En associant ces accumulateurs en série par 3 (3S) on obtient :

  • Tension nominale : 11,1V
  • Tension mini : 9V
  • Tension maxi : 12,6V

Ces caractéristiques sont trop basses par rapport au 12V des batteries au plomb.

En associant ces accumulateurs en série par 4 (4S) on obtient :

  • Tension nominale : 14,8V
  • Tension mini : 12V
  • Tension maxi : 16,8V

Ces caractéristiques sont trop hautes par rapport au 12V des batteries au plomb.

Tension d’une batterie lithium 24V :

Pour une tension cible de 24V, on fait une association 7S (7 accumulateurs en série) pour avoir les caractéristiques suivantes :

  • Tension nominale : 25,9V
  • Tension mini : 21V
  • Tension maxi : 29,4V

Ce qui se rapproche vraiment très bien de la tension 24V des batteries au plomb.

Conclusion :

Pour ces raisons, sur le forum secondlifestorage, on nous déconseille de partir sur autre chose que du 24V ou du 48V. https://secondlifestorage.com/t-Frequently-Asked-Questions-FAQ#pid20007.

Pourtant, selon moi, c’est à l’électronique de s’adapter à nos choix et pas l’inverse mais il y a peut-être en effet un intérêt à rester sur des normes établies d’un point de vue disponibilité et coût des matériels impliqués.

Comment assembler les accumulateurs ?

Pour former une batterie d’accumulateurs aux caractéristiques souhaitées, il faut les assembler de la bonne manière.

Deux choix de base s’offrent à nous :

  • le branchement en série
  • le branchement et parallèle

Et une troisième possibilité découle de la combinaison des deux autres : le branchement en série + parallèle.

Le branchement en parallèle revient à connecter ensemble les pôles identiques des accumulateurs (accu), ainsi on ajoute leurs capacités. Dans l’exemple au dessus, un accumulateur a une capacité de 2Ah, en connectant 6 accu en parallèle, on obtient une batterie de 6×2 = 12Ah et une tension nominale de 3,7V (la tension nominale de l’accumulateur seul).

Le branchement en série revient à connecter le pôle + au pôle – de l’accu suivant, ainsi on ajoute leurs tensions. dans l’exemple au dessus, un accumulateur à une tension nominale de 3,7V, en connectant 6 accu en série, on obtient une batterie de 6×3,7 = 22,2V et une capacité de 2Ah (la capacité d’un accu seul).

La combinaison de branchement en série et parallèle permet d’augmenter les deux caractéristiques tension et capacité de la batterie finale. Dans l’exemple au dessus on a d’abord des blocs de 2 accu en parallèle (3,7V, 4Ah) et on associe 3 de ces bloc en série, batterie finale : 11,1V, 4Ah.

Nomenclature :

Pour aller plus vite et décrire précisément les batteries ainsi formées, on les nomme selon le nombre d’éléments en parallèle (lettre P) et en série (lettre S).

Par exemple pour les exemple plus haut :

  • 6 éléments en parallèle : 1S6S
  • 6 éléments en série : 6S1P
  • Dernière configuration : 3S2P

Une batterie 24V lithium :

Comme vu plus haut, pour une batterie 24V il faudra donc une configuration 7S.

Le nombre d’éléments en parallèle déterminera sa capacité :

  • 1P : 2Ah
  • 2P : 4Ah
  • 3P : 6Ah
  • etc…

Une batterie 7S3P sera tout de même composée de 7×3 = 21 éléments !

Comment calculer la puissance de la batterie ?

Ici, il faut distinguer deux choses : la puissance heure et la puissance instantanée maximum

La puissance heure :

C’est le produit de la tension et de la capacité. Par exemple, un accumulateur de 3,7V et 2Ah a une puissance heure de 7,4Wh.

C’est une caractéristique intéressante a calculer car elle permet de déterminer la durée pendant laquelle la source peut alimenter un appareil.

Dans notre exemple un accu 7,4Wh peut alimenter :

  • une ampoule qui consomme 7,4W pendant 1 heure
  • une ampoule qui consomme 44,4W pendant 10 minutes
  • une ampoule qui consomme 1W pendant environ 7 heure et demie
  • etc…

La puissance des accumulateurs s’ajoutent quand on les assemble en batteries, ainsi une batterie de 21 accu de 7,4Wh aura une puissance heure de 155,4Wh.

La puissance instantanée maximum :

Cette puissance maximum instantanée est a prendre en compte car c’est un élément de sécurité.

Il s’agit du produit entre la tension et le débit de courant maximum de décharge.

Chaque accumulateur ne peut délivrer qu’un courant instantané limité sous peine de dommage si l’on dépasse cette limite. C’est ce qui arrive si l’on met un tel accu en court-circuit… Il s’agit d’un risque d’explosion, donc ce n’est pas rien.

Le débit maximum d’un accumulateur est la plupart du temps rapporté à sa capacité heure symbolisée par la lettre C.

Par exemple, pour un accumulateur de capacité réelle 2 000 mAh (2Ah) on a : C = 2 000 mA.

Il faut faire attention entre la capacité réelle de l’accu et la capacité théorique annoncée par le fabriquant…

Pour les éléments lithium, on peut se baser sur un débit de décharge maximum (Imax) de 2C. https://www.puissanceled.com/Accus_Li-ion

Donc pour un accu de capacité 2Ah, le débit maximum sera de 4A.

Quand on assemble les accu en parallèle, chacun peut aller jusqu’à un débit de 2C, donc a a Imax = 2CxP, P étant le nombre d’élément en parallèle. Par exemple, pour 3 accu de 2Ah en parallèle on peut aller jusqu’à un débit de : Imax = 4×3 = 12A.

La puissance maximum de débit peut se calculer par la formule : UxImax, U étant la tension de la batterie. Pour l’exemple au dessus de 3 accu en parallèle : U = 3,7V, Pmax = 44,4W.

La différence entre ces deux puissances :

Prenons un exemple pour illustrer la différence entre les deux types de puissances décrites ci-dessus.

Choisissons une batterie 3S2P formée d’un assemblage d’accu 3,7V et 2Ah. Elle sera composée de 6 éléments donc une puissance heure de 6×3,7×2 = 44,4Wh.

Cette batterie pourrait en théorie alimenter un appareil qui consomme 266W (44,4 x 6) pendant 10 minutes.

Cependant, c’est sans prendre en compte le débit maximum des accu. Ici Imax = 2x2C = 8A. Et on a une tension de la batterie de 3,7xS = 11.1V.

D’où Pmax = 11,1 x 8 = 88,8W instantanés maximum !

 

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