Réparation de batteries pour vélo électrique
Préambule
Contributeurs : Bernard Arzur, Frédéric Carré, Philippe Charlot, Nicolas Guedon, Rémi Lancien, Florian Vasseur
Les accumulateurs testés sont construits à partir de batteries Li-Ion de type 18650, empilées en série et en parallèle : la capacité varie en fonction du nombre (x) en parallèle et la tension avec le nombre (y) en série, sous l'appellation accu xPyS. Chaque étage est protégé par un circuit électronique appelé BMS bms-fonctionnement-choix-18650-lithium/.
Pour une information complète sur les batteries lithium et les BMS, voir la thèse d'Aurélien Lièvre :
Pour tester les batteries de vélo, le FabLab Lannion a acheté l'équipement suivant : ATORCH_DL24P (environ 50€) auprès de Aliexpress
Mode d'emploi
On connecte les pinces + et - sur les pôles de la batterie, après avoir connecté l'alimentation 12 V en partie arrière du testeur.
La tension de la batterie s'affiche alors : si c'est une batterie composée d'éléments au Lithium, la tension doit s'afficher par pas de 4,1 V ou bien 4,2V après une charge complète. Si la tension mesurée sort de la fourchette des tensions ci-dessous, il peut se trouver qu'un étage d'éléments unitaires est en court circuit. Tensions de batteries de vélo courantes : 6S (6 éléments en série) --> entre 24,6 et 25,2 V, 7S -->28,7 à 29,4 V, 8S --> entre 32,8 et 33,6 V, 9S -->36,9 à 37,8 V, 10S --> entre 41 et 42 V, 11S -->45,1 à 46,2 V, 12S --> entre 49,2 et 50,4 V, 13S -->53,3 à 54,6 V, etc...
La tension nominale d’un élément Li-ion est de 3,6 ou 3,7 V selon la technologie, on mesure cette tension quand la batterie est dans sa période de décharge à tension quasi constante (grosso modo entre 90% et 10%).
PARAMETRES TEST
Préambule : Pour changer de mode de mesure, il faut faire un appui long sur Setup et le mode à modifier se met à clignoter. Pour passer au mode suivant, appui court sur Setup et on passe au temps de décharge partie heure, puis appui court pour passer au minute, et enfin appui court pour passer à la tension de Cutt-off.
Une fois qu'un mode est choisi, utiliser les touches + et - pour ajuster la valeur souhaitée.
1- On choisit l'Intensité de décharge à Courant Constant ICC (appui court sur Setup pour afficher CC, puis appui court sur Setup pour changer un digit de la valeur du courant, puis appui sur + ou - pour modifier le digit). Faire attention à ce que la puissance ne dépasse pas 120 W (à 180 W, le maximum théorique, la vie du composant de puissance est sérieusement réduite selon les infos Internet). Par exemple 2 A, si on teste une batterie 48 V. Si on teste une batterie 18650 seule, il faut limiter l'intensité à l'intensité maximum supportée par cette 18650 : de 1 A à 20 A pour certaines batteries supportant de grosses intensités. Si on la dépasse, dans le meilleur des cas le BMS va protéger la batterie, ou bien on fait sauter le fusible interne de la batterie ou bien on la détruit...
2- On choisit la tension finale de la décharge : pour une batterie seule 18650, on choisira 3 V, voire 2,7 V. Une tension plus basse détruirait la batterie. Pour les batteries de vélo, il y a toujours un BMS qui évite cette destruction.
3- On choisit le temps de décharge, il suffit qu'il soit supérieur au temps théorique de décharge (affichage en heure/minute).
4- On fait RAZ du compteur de décharge (appui long sur Start, puis appui court sur Set, appui court sur Start attendre OK et appui long sur Start)
et ensuite on peut démarrer la décharge : appui sur Start.
(l'afficheur donne la tension de la batterie, le courant de décharge, la puissance soutirée, et la résistance interne de la batterie.
Si après le lancement de la décharge, on a rapidement la fin du test, cela veut dire que pour le courant demandé, on a atteint la tension de cutt-off, et que donc la batterie est mauvaise. Elle ne tient pas la décharge prévue, et donc elle est HS.
Tension maximale faible
Si on mesure une tension maximale faible (cf § ci-dessus), il y a deux possibilités :
1- La batterie est récente, il s'agit sans doute d'un étage en court circuit. Il faut alors démonter l'ensemble de l'accumulateur et vérifier au niveau des fils du BMS les tensions de chaque bloc d'éléments (en général par bloc, on a 3, 4, ou 5 éléments mis en parallèle --> appellation 3P, 4P ou 5P).
2- La batterie est vieille, il s'agit sans doute d'une "fatigue générale" : on ferait peut être mieux de changer la totalité des éléments! Mais, quel prix peut-on y mettre, vu que les éléments coûtent relativement cher si on cherche des constructeurs sérieux? A débattre : il y a aussi des ensembles complets sur Aliexpress, de taille et tension compatibles avec certains contenants d'accus, mais quelle est leur fiabilité?
Batteries de remplacement
Voir plus loin comment repérer les batteries défectueuses.
Batteries de remplacement : on peut choisir des batteries de constructeur connu (Sony par exemple), à prix élevé ou bien autres, mais à fiabilité inconnue, par exemple LIITOKALA pour 4€ la batterie de 3000mAh annoncés (2300 mAh mesurés). C'est cette batterie LIITOKALA qu'on a retenue pour la réparation, elle paraît fiable pour l'instant.
Autres choix : sur Aliexpress
JINGLA 18650 HG2 3Ah 30A 2.10 € -->> pas fiable 20% avec pattes Nickel
LIITOKALA 18650 HG2 3Ah 20A 3.10 € -->> pas fiable 2% avec pattes Nickel 11 déc
PANASONIC 18650 HG2 3.4Ah 20A 7.10 € -->> fiable ? % avec pattes Nickel 11 déc, mais on ne voit pas la marque
VTC6 18650 HG2 3Ah 20A 2.10 € -->> pas fiable ? % avec pattes Nickel 11 déc
Un peu de théorie
un extrait : Si l'on respecte rigoureusement les conditions de charge et décharge, ces accumulateurs peuvent durer 5 à 6 ans pour des produits « grand-public » (vélos électriques, smartphones, appareils photos) et plus d'une dizaine d'années pour des produits industriels.
Respecter les particularités électriques La tension de fin de charge à ne « jamais » dépasser est de 4,1 à 4,2 V par élément. La tension de décharge ne devrait jamais descendre en dessous de 2,5 V. Avec un chargeur adapté de qualité et un système de gestion de batterie (BMS), ces impératifs sont normalement respectés.
Un peu de pratique
Le démontage de la batterie rendra votre garantie caduc. Le fablab et l'auteur de cette partie ne peuvent être tenu pour responsable en cas d'incident. Ne vous lancez pas dans ce démontage si vous souhaitez faire jouer votre garantie.
Pour exemple, nous pouvons prendre le cas concret d'une batterie de vélo électrique. Mon VAE (vélo a assistance électrique) n'a plus d'autonomie, 15km max, évidement on a cherché du côté de la batterie. La réparation peut comme souvent être divisé en 4 étapes:
- Démontage
- Investigation
- Remplacement des batteries défectueuses
- Remontage
Mais avant quelques informations préalable. La batterie de mon VAE est une batterie donnée pour 48v et 10Ah, elle est composé de 52 éléments (13 groupes de 4 piles). Le bloc de chargement est donnée pour 54v. Suite au problème d'autonomie j'ai cherché à charger la batterie mais celle-ci même après plusieurs heures de chargement n’affichait jamais sa tension nominale (on obtenait grand max 40v de mémoire). Attention: pour mesurer la tension sur un VAE prenez les deux bornes extérieurs du connecteurs de la batterie et n'oubliez pas de mettre la clé de contact (si clé il y a) sur la position marche (sinon la tension affiché sera partielle)
Démontage de la batterie du VAE
Le démontage n'est pas compliqué, il faut enlever les vis à l'avant et à l’arrière du boitier aluminium. Le pack est emballé dans une gaine bleue souvent maintenant dans le coffret en aluminium grâce à du joint silicone à l'avant et l'arrière. Couper délicatement ce joint pour extraire le pack de batterie du boitier. Une fois enlevé du boitier, vous pouvez couper délicatement la gaine bleu puis l'emballage isolant. Vous devez alors avoir accès aux différents blocs.
Investigation pour trouver le bloc défectueux
Vous avez maintenant accès au connecteur BMS (dans mon cas une fiche blanche), qu'on déconnecte pour pouvoir mesurer la tension par bloc (chaque bloc devant faire environ 4v mais jamais en dessous de 2.5v). Exemple de prise de mesure de tension (c'est juste pour montrer comment on fait la mesure, le nombre de pin et le connecteur peuvent être différent).
On peut suivre la connectique dans le but d'identifier chaque blocs de 4 physiquement sur le pack
Une fois qu'on a trouvé le ou les blocs défectueux sur le connecteur, on peut savoir ou intervenir. Le bloc défectueux dans mon cas était à 0v.
Il faut maintenant isoler le bloc défectueux pour le mesurer à nouveau, le démonter puis le remplacer. Avant de démonter, n'hésitez pas à prendre des photos et bien noter la polarité de chaque pile du bloc. On coupe les fils, ainsi que les liens de soudure par point pour isoler le bloc. Au passage on voit que nos éléments sont données pour 7.2wH pour 3.6v donc 2200mAh.
On mesure le bloc, le mien est à 0v, si on démonte chaque pile et j'ai aussi mesuré chaque pile du bloc (une fois séparé), elles sont bien à 0v. Nous avons trouvé nos 4 piles à remplacer.
Remplacement des piles défectueuses
Pour pouvoir remplacer les piles, ils ne faut pas utiliser n'importe quels modèles de 18650. Le modèle doit pouvoir supporter des pics d'intensité à la demande (souvent nommé 2C ou 5C etc). Un premier modèle de recyclage ne supportait pas cette charge et entrainait un arret du BMS. Ensuite il faut refaire l'assemblage idéalement en soudure par point, sinon en soudant des languettes de récupération au fer à souder (mais c'est plutôt déconseillé).
Remontage
Attention aux polarités, que ce soit pour la soudure du bloc de 4 que pour réassembler le bloc sur le pack de batterie complet. Faire plusieurs vérification en comparant avec les photos prises lors du démontage. Une fois assemblé, on peut remettre en place le pack.
On voit mieux un bloc remplacé via la photo ci-dessous (un premier essai de changement mais le modèle utilisé n'était pas le bon.
Ne pas hésiter à utiliser un scotch de type kapton ou un scotch solide pour limiter au maximum toute possibilité de mouvement des différents blocs. Remettre en place l'isolant et puis la gaine thermo (idéalement une neuve mais sinon on peut scotcher). Idéalement il faudrait une gaine thermo adapté pour le pack batterie.
On peut finalement remettre le pack dans le boitier aluminium et effectuer quelques tests sur un banc de résistance fait maison (50w soit un 1A, ca chauffe un peu) ou bien avec le banc ATORCH disponible au FabLab.
Nous avons mesuré la décharge après une heure sur une résistance de test d'environ 50 Ohms:
- Tension à temps 0 : 53v - 1A
- Tension après une 1 heure de décharge : 51.5v 0.977A