Chargeur rapide pour batterie Li-po année 2010/2011 SOMMAIRE

Chargeur rapide pour batterie Li-po année 2010/2011
SOMMAIRE :
1 – Introduction........................................................................................................ 1
2- Cahier des charges du chargeur avec équilibreur..................................3
3 - Gestion de l'afficheur et du chargeur avec 4 Bouton poussoirs........4
4 - Arrêt de la charge...............................................................................5
5 - Algorithme de premier niveau...........................................................5
6 - Equilibreur et BMS...........................................................................6
7 - Testeur d’accumulateur.....................................................................6
8 - Schéma de simulation.......................................................................7
9- Liste d’entre sortie du micro-contrôleur 18F6520............................8
10 - Liste d’entre sortie du micro-contrôleur 16F877...........................9
11 - Schéma d’implantation............................................................................10
12 - Schéma de la carte micro 18F6520....................................................10
13 - Schéma de la carte afficheur, bouton pousoir, buzzer et leds..11
14 - Schéma équilibreur, hacheur et mesure de tension.....................12
15 - Schéma Isis et Typon de la carte réalisé...........................................14
16 – Programmation..........................................................................................18
17 – Conclusion....................................................................................................26

1- Introduction
Les chargeurs rapides pour batterie Li-po dans le commerce sont rares et cher. Les plus puissants
chargent à :
- 360W,12 éléments à 8A de marque Hyperion en 12/2009 à 150 €+50 € équilibreur 0,3A
- 3000W, 20 éléments 87,6V/35A Zivan 1014 €, pas d’équilibreur
Le premier est un très bon chargeur pour le modélisme donc pour des batteries de faible capacité
énergétique.
Ces chargeurs sont très chers pour les vendeurs de vélo où de scooters électriques. Pourtant, ils
permettent une durée de vie beaucoup plus importante des batteries.
Pourtant, le prix des batteries en 2010 correspond à 30% où 40% du prix d’un véhicule électrique.
Les batteries Li-po ont une tension qui varient de 3,5V à 4,2V en fonction de leur charge. On peut
les charger à la valeur du courant correspondant à leurs capacités énergétique à 1C voir 2C. Donc
pour une 15A.H, on peut les charger à 15A voir 30A. Mais, on peut les décharger en général à 3C
jusqu'à 20C donc à 45A à 300A.
Le karting électrique demande de 10KW à 15 KW en nominal à 90 km/h sur plat, et 32 kW en max
lors des accélérations. Donc, le courant de charge varie de 150 A en nominal à 444A en pointe pour
un accumulateur de 72V. Pour un accu de 60 A.H, la décharge sera en 2C à 8C ce qui est très
honorable.
Pour avoir un véhicule électrique de compétition, il ne suffit pas d’avoir de la vitesse (puissance et
couple), il faut aussi une inertie faible pour freiner tard et avoir une accélération importante. Par
conséquent, une masse faible de batterie permet d’avoir les avantages précédents et d’avoir moins
de frottement des roues sur le sol donc, plus d’autonomie.
Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2010 est le suivant :
Marque
Type et
tension
Nbr
élément
série et //
Prix et
poids/élé
m
Prix pour
72V/60A.H
Poids et nbr
élément total
H*l*L
Fiabilité/20
polyquest
5.8A.H
/3,6V/0.21 kg
Li po 25C
4,2V à 3,6V
18serie,12//
75 à 64 V
15 €
0.21 kg
15 €*18*12
3240 €
0.2kg*18*12=
43,2 kg, 192el
18/20, 2009
KOKAM
Lipo 3,6 V à
4,2V
18 series
183 Euros
183
e-solex 15A.H
550 €/36V/5kg
Li po 11C
4,2V à 3,6V
2serie,4//
55 €
0,5 kg
4400 €
5kg*2*4=
40 kg
18/20, 2009
Lifebatt 10A.H
72V/12,6 kg
Lithium 3C
4.1V à 3,5V
20 serie,6//
80Và 68V
1654 €*6
9924 €
12,6kg*6=
76 kg
18/20, 2009
OPTIMA
35A.H
12V/18 kg
Plomb 20C
14V à 11V
6 series
180 €
1080 €
108 kg
15/20, 2003
Thunder Sky
60 A.H
LiFePO4 3C
20 series
90 €*20
2,3 kg
1800 €
50 kg
16/20, 2010

Remarque :
Mettre des éléments en // peut
occasionner la destruction des
autres éléments qui sont placés en
//, donc on diminue la fiabilité de
l’accu (voir dossier vélo électrique
de l’I.U.T Aisne 2010). Sinon, il est
possible de mettre des diodes mais
la charge est difficile.
On peut voir sur la figure suivante
un accu avec des éléments en //.
Fig 1 : Un accumulateur avec des éléments série et parallèle,
On ne peut dissocier chargeur, accumulateur et Batterie Management Sécurité « BMS ». Les BMS
intégrés aux accumulateurs ne sont pas nécessaires car le courant est déjà limite par le contrôleur
moteur. Par contre, il ne faut pas avoir de renvoie d’énergie lorsque la batterie est pleinement
chargée, mais la aussi le contrôleur peut être piloté.
Certains chargeurs arrêtent la charge des qu’un des éléments atteint sa tension de seuil max donc à
peu prés à 85 % de sa capacité maximale (chargeur Zivan 87,6V/35A 1014 € avec arrêt du chargeur
Batterie Protection Module Lifebatt à 655 €). La charge dure 2 heures pour une 60A.H .
S’il ya une grosse dissymétrie entre les batteries, il faut recharger avec un chargeur qui a un BMS
intégré comme l’Hyperion (voir dossier vélo électrique de l’I.U.T Aisne 2010, chargeur tous types
de 1 à 12 éléments max (~48V) 8A 150 euros). La charge dure dans ce cas 8 heures en cas de
dissymétrie profonde car l’équilibreur est 0,3 A seulement.
En conclusion, pour remplacer les batteries au plomb donc diminuer le poids et le volume par
2 d’un véhicule électrique, le prix en 2010 est multiplié par 3 par rapport aux batteries plomb,
mais l’autonomie est multipliée par 2.
De plus, Les chargeurs et les BMP sont relativement chers.
On choisira 24 éléments de batterie Thundersky de 90A.H à 100 € (3Kg).
On peut les charger à 3C donc avec un courant de 270A (19440W, sur une prise secteur triphasée
400V, cela demande un courant de 56A).
On se limitera à une prise secteur monophasé de 25A (5500W), donc un courant de charge
maximum de 57A/96V ou 76A/72V.
Suite à la réalisation des chargeurs de batteries au plomb 12V/20A en numérique et 80A en
analogique ; nous avons réalisé un chargeur lipo de 4V à 96V/20A avec équilibreur à 4A
- Charger sans équilibreur
Un Batterie Module Protection (BMP) 24 éléments (96V) avec 16F877 qui coupera
l’alimentation du chargeur analogique 20A des que la tension d’un élément aura atteint sa ten-
sion de seuil. Le chargeur visualisera grâce aux BMP, la tension de tous les éléments ainsi que le
courant de l’accu sur afficheur LCD et sur PC par liaison USB. En option, une protection en
température sera utilisée grâce à un thermo rupteur normalement fermé et mise en série sur
chaque élément. Cette sécurité pourra être coupée lors d’une charge du véhicule en plein soleil.
- Charger avec équilibreur
Un équilibreur à 4A avec résistance en parallèle sur les batteries (voir le paragraphe 5) sera utili-
sé pour mettre tous les éléments à la même tension de seuil.
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2 - Cahier des charges du chargeur avec équilibreur
Pour charger des batteries il faut les charger à courant constant. Puis, dès qu'une batterie à atteint sa
tension de seuil, le courant diminue pour que la tension de seuil d’un element ne soit jamais dépassé.
Donc la charge se fait à tension constante.
Il y a 24 éléments à charger et le 18F6520 n'a que 10 convertisseurs analogique. Donc, 3
Multiplexeurs (8 vers 1) seront utilisés pour pouvoir mesurer la tension de chaque élément. La
mesure se fera en 16 bits pour avoir une bonne précision de la mesure de la tension de chaque
élément. La tension des 24 éléments est de 4V pour le premier élément donc à 96V pour le dernier.
Le pont diviseur « Mtension 24 » diminue cette tension 96V à 4V, la précision de la mesure est donc
en 16 bit de 76V donc ramené à 96V, la précision est de 1,8mV.
Le courant de charge, type de batterie (Li-po, Li-ion, Li-Fer) seront paramétrables.
Le nombre d'éléments à charger sera réglable de 1 à 24 éléments.
Avant de charger les batteries, le chargeur devra tester le nombre d’éléments et d’accepter la charge.
Par l’intermédiaire d’une RS232, Un PC permettra de mémoriser les mesures toutes les secondes et
de les afficher. Les mesures sont :
 Courant de charge des batteries
 les 24 tensions de chaque élément
 le calcul de la capacité énergétique
 la température des éléments (24 sondes de température LM 35 boitier TO 220 multiplexés
seront placé sur les batteries pour sécurisé la charge et connaitre la température de chacune sinon 24
des thermo rupteurs seront placés en séries)
 la capacité énergétique en fonction du temps
- tension d’alimentation du chargeur
- courant d’alimentation du chargeur
La tension et le courant d’alimentation devront être mesuré et paramétrable pour limiter le courant
de charge de la batterie en fonction de la puissance maximale que peut fournir l’alimentation.
Dans un premier temps, nous chargerons avec un courant de 20A, à partir de quatre alimentations
secteur continu de 220V/( 24V/20A).
DEVIS :
Alimentation secteur continu 220V/ (24V/20A) 50 euros*4
µC 16F877 15 euros
Afficheur plus B.P 20 euros
3 MUX 4051
1 bobine 10 euros
1 transistor + opto
1 capteur mesure courant LEM 25 euros
24 thermo rupteur 90 euros
Total : 270 €
Il est facile de transformer le chargeur pour passer de 20A à 40A. En plaçant 8 alimentations
12V/40A.
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3- Gestion de l'afficheur et du chargeur avec 4 Bouton poussoirs
On utilisera un afficheur LCD 4 lignes, 20 caractères ou 2 lignes 20 caractères.
Arrêt de la charge au bout d'un certain temps max ou si la capacité énergétique est trop grande.
Pour voir si un élément est défectueux ou fortement déséquilibrer, il est important de connaître la
tension de chaque élément.
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