Mieux connaître les accus LiPo

Les modèles réduits radiocommandés ont besoin d'électricité, soit pour alimenter l'ensemble de radiocommande, soit pour alimenter la motorisation, soit… les deux à la fois. Au fil des années, plusieurs générations d'accumulateurs rechargeables se sont succédé, Cadmium-Nickel (NiCd), puis Nickel-Métal Hydride (NiMH), et aujourd'hui, les plus utilisés sont les accus Lithium-Polymère.

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Un accu au lithium, c'est quoi ?

Les accumulateurs au lithium sont électrochimiques, avec une réaction basée sur l'utilisation de lithium. On rencontre actuellement trois sortes d'accus au lithium : les lithium-ion (LiIon), les lithium-fer (LiFe), et les lithium-polymère (LiPo) qui nous intéressent ici. Les accus au lithium se sont généralisés du fait de leur rapport énergie emmagasinée/masse. Pour être clair, à poids égal, ils peuvent fournir beaucoup plus d'énergie que les NiCd ou que les NiMH. Et parmi les divers types d'accus au lithium, les LiPo ont un rapport énergie/masse légèrement inférieur aux LiIon, mais sont plus sûrs en utilisation, avec une meilleure résistance en cas de surchauffe et moins de risques de fuites d'électrolyte, ce qui les a imposés dans un grand nombre d'applications : téléphonie mobile, ordinateurs portables, matériel photo-vidéo, appareils/outils portatifs… et bien sûr pour le modélisme. Les accus LiPo utilisent un polymère gélifié en guise d'électrolyte.

Les LiPo actuels ont de plus une excellente capacité de décharge, c'est-à-dire à fournir des courants élevés, avec une tension qui diminue peu au fil de la décharge (mais qui s'écroule d'un coup en fin de décharge).

Autre particularité, les LiPo ont un taux d'autodécharge (le fait de se décharger quand ils ne sont pas utilisés sur une période longue) extrêmement faible : ceci permet de les charger à l'avance et de les utiliser le moment venu, alors qu'avec les NiCd et NiMH, il fallait charger au dernier moment pour bénéficier de toute leur capacité. Ils ne présentent pas d'effet "mémoire" comme les NiMH, phénomène qui impliquait de vider un accu avant de le recharger.

En contrepartie, emmener beaucoup d'énergie dans peu de matière, c'est aussi un produit plus instable, plus fragile, qui demande des précautions d'emploi strictes, et une surveillance continuelle lors des opérations de charge. Par ailleurs, les packs constitués de plusieurs éléments ont besoin d'être équilibrés avec soin afin de garantir une bonne durée de vie mais surtout une bonne sécurité d'utilisation, nous allons y revenir.

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Les caractéristiques des accus LiPo

La tension :
Tout d'abord, un "élément" de base de type lithium-polymère a une tension (voltage) nominale de 3,7 V. Les blocs d'accus, que l'on appelle "packs", sont constitués d'un certain nombre d’éléments, et la tension nominale globale de n'importe quel pack LiPo est obligatoirement un multiple de 3,7 V : 3,7 V, 7,4 V, 11,1 V, 14,8 V, 18,5 V, 22,2 V, etc.
La tension nominale est le paramètre utilisé pour calculer la puissance théorique d'un ensemble de propulsion. Mais de la même façon qu'une pile alcaline 1,5 V fait plus de 1,5 V quand elle est pleine, et moins de 1,5 V en fin de décharge, les éléments d'accus LiPo à pleine charge atteignent 4,2 Volts, une valeur à ne jamais dépasser, tandis que la tension la plus basse ne doit pas tomber sous une valeur comprise entre 3 et 3,3 V durant l'utilisation. Une décharge plus profonde peut endommager définitivement un élément qui n'acceptera plus de se recharger. Un élément passé sous 2,7 Volts peut être considéré comme endommagé.

La capacité :
Autre caractéristique importante d'un élément LiPo, sa capacité. Elle définit la quantité d'énergie qui peut être emmagasinée dans l'élément, et en modélisme, l'unité utilisée en le milliampère-heure (mAh). Ainsi, un élément de 1000 mAh peut fournir un courant de 1 000 mA (soit 1 ampère) durant une heure. Si la consommation augmente, l'autonomie diminue : ce même élément sous 2 A fonctionnera 30 minutes, sous 4 A, il durera 15 minutes, et sous 10 A, on tombera à 6 minutes…
Pour évaluer l'autonomie moteur en minutes, on peut utiliser la formule suivante :

Temps en minutes = ((Capacité en mAh/1000)/Courant consommé en A) x 60

Exemple, un accu de 3200 mAh alimentant un moteur dont la consommation est de 20 A permettrait en théorie un fonctionnement de ((3200/1000)/20) x 60 = 9,6 minutes. Dans la pratique, comme il est indispensable de ne jamais vider un accu LiPo complètement, pour préserver durée de vie et la sécurité, on tablera sur 70 % de capacité utilisée, et donc sur 70 % du temps théorique et on se limitera à 6,7 minutes. Vous comprenez qu'il est utile de disposer d'un chronomètre, soit indépendant, soit sur la radiocommande, afin de ne pas décharger à l'excès les accus LiPo. Certains ensembles de radiocommande sont dotés de dispositifs de télémétrie, et on peut utiliser un capteur de capacité consommée, afin d'avoir une information précise sur la capacité réellement consommée et ainsi de s'affranchir du chronomètre. En effet, que ce soit en vol, lors d'une course en voiture ou d'une navigation avec un bateau, la consommation varie en permanence et le chrono n'est qu'une solution "approximative" pour limiter la durée d'utilisation. La télémesure est assurément plus précise, mais pas encore très employée (ça viendra !).

La capacité de décharge :
Troisième paramètre extrêmement important dans les caractéristiques d'un élément d'accu LiPo, sa capacité de décharge, que l'on exprime en "C", ou plus exactement en "nombre de C". C représente la capacité de l'élément en Ah. Ainsi, un élément 1000 mAh a une valeur C de 1 Ah, un élément de 3200 mAh à une valeur C de 3,2 Ah. Le "nombre de C" permet de définir le courant maximum que l'on peut tirer d'un élément. Prenons le cas de l'élément 3200 mAh, soit 3,2 Ah. Si on consomme 32 A, on dit qu'on tire "10C", à 48 A, on tire 15C, à 64 A, on tire 20C…
En fonction de la qualité de fabrication, et de la tension interne de l'élément, on va trouver dans ses caractéristiques deux valeurs :
Le nombre de C en consommation continue : il permet de savoir quelle est la valeur de courant (en A) maximale que l'on peut soutirer en permanence si on le désire.
Le nombre de C en pointe : Cette fois, on peut calculer une valeur de consommation en Ampères admissible sur une très courte période (5 à 10 secondes, à vérifier sur la notice de l'élément ou du pack). Ce n'est pas une valeur à utiliser ! Cette tolérance permet de faire face à un incident bref faisant grimper la consommation, comme un blocage du moteur. Si la consommation atteint cette valeur trop longtemps, l'élément s'échauffe et peut brûler ou exploser.

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Choisissez une marge de sécurité

Les performances maximales annoncées pour les éléments sont un élément de décision, mais vous devez être conscient que pour que vos packs aient une bonne durée de vie, ils doivent être utilisés très en dessous de leur capacité annoncée ! Ainsi, si vous avez un ensemble de propulsion qui peut consommer 40 A, vos accus devront être capables de délivrer en continu au moins 60A. Multipliez la consommation prévue par 1,5 à 2 pour choisir vos accus. Votre choix se fera soit en choisissant une capacité plus importante, soit en sélectionnant des accus proposant un nombre de "C" en décharge permanente plus élevée. Un exemple sera parlant :
Votre motorisation doit fonctionner avec 3S et consomme jusqu'à 40 Ampères. Votre accu devra pouvoir délivrer au moins 60 A. Il faudra au minimum choisir soit :
- Un pack 3S - 3000 mAh - 20 C
- Un pack 3S - 2000 mAh - 30C
- Un pack 3S - 1500 mAh - 40C
Le choix dépendra de l'autonomie souhaitée et du poids admissible pour l'accu… Tout est affaire de compromis !
Pour les modèles à très forte consommation et utilisés le plus souvent plein gaz, comme les jets à turbine, un coefficient "2" est indispensable. Ces modèles consomment fréquemment 20C ou plus… et donc, des accus type 40C, voire 60C continu sont les seuls aptes à donner les meilleures performances au modèle et aussi… à avoir une chance de bien vieillir !

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Dénomination d'un élément :

Les informations de base sur un élément sont donc du style :
Elément LiPo 2200 mAh 20C/30C, ce qui signifie puisque c'est un LiPo que sa tension nominale est de 3,7 V, sa capacité est de 2200 mAh (2,2 Ah), la consommation maxi permanente sera de 20 x 2,2 soit 44 A, et en pointe, de 30 x 2,2 soit 66 A.

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Et pour le courant de charge ?

De la même façon qu'un nombre de C permet de connaître le courant maxi en décharge, la notice d'un élément ou d'un pack permet de connaître le courant de charge maximum. D'une manière générale, il est vivement recommandé de ne pas dépasser "1C" en charge. Là encore, prenez la capacité exprimée en Ah (donc en divisant la capacité en mAh par 1000) et multipliez par le nombre de C indiqué. Un accu 4000 mAh, soit 4 Ah, en charge sous 1C, c'est facile, 1 x 4 = 4 A…
Certains éléments haut de gamme supportent la charge sous 2 ou 3C… Vérifiez bien leur notice avant d'appliquer un tel réglage, et si vous n'êtes pas pressé, préférez toujours une charge sous 1C ! Vous ne ferez qu'améliorer la durée de vie de votre accu.
Une charge d'un accu "bien vidé" sous 1C demande en général un peu plus d'une heure. Comme vous pouvez charger plusieurs jours à l'avance sans crainte d'autodécharge, ce n'est guère un problème !

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Les "packs"

Seuls les tout petits modèles se contentent d'une tension de 3,7 V et donc, dans la majorité des cas, les modèles sont alimentés par des blocs d'accus que l'on appelle des "packs" et qui sont constitués de plusieurs éléments interconnectés soit en série, soit en parallèle.

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Le montage en série :

Il consiste à relier le "-" d'un élément à votre système de motorisation, son "+" au "-" de l'élément suivant, le "+" de l'élément suivant au "-" du prochain… et ainsi de suite, avec le "+" du dernier élément relié à son tour à votre ensemble de propulsion. C'est le cas que l'on rencontre le plus souvent. Avec le montage "en série", la tension globale du pack d'accu est la somme des tensions des éléments qui composent le pack. Ainsi, un pack LiPo comprenant deux éléments aura une tension nominale de 2 x 3,7 = 7,4 Volts. Un pack constitué de 3 éléments fera 11,1 V et ainsi de suite. La capacité globale du pack est identique à la capacité d'un des éléments.
En série, la capacité de décharge reste celle d'un des éléments.

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Le montage en parallèle :

Il consiste à relier les "-" de tous les éléments ensemble et tous les "+" ensemble, et le tout à votre ensemble de motorisation. Dans ce cas, la tension globale reste la même que celle d'un élément, mais on additionne la capacité des éléments. Un pack de deux éléments 2200 mAh montés en parallèle aura une tension de 3,7 volts, mais une capacité de 4400 mAh.
En parallèle, la capacité de décharge est un multiple de celle d'un des éléments (Exemple, si nos deux éléments 2200 mAh montés en parallèle sont des 20C, le pack aura une capacité de décharge de 40C).

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La dénomination des packs

On utilise la lettre "S" pour définir le nombre d'éléments montés en série. Un pack 3S signifie qu'il est composé de 3 éléments montés en série.
On utilise la lettre "P" pour définir le nombre d'éléments montés en parallèle. Un pack 2P signifie qu'il est composé de 2 éléments montés en parallèle.
On trouve parfois des packs constitués d'éléments groupés à la fois en parallèle et en série… pour des très grosses propulsions ! Dans ce cas, on trouve les deux dénominations à la fois : 3S2P va indiquer qu'on a regroupé en parallèle deux blocs 3S… Il y a donc en tout 6 éléments. 3S, la tension sera de 11,1 V, 2P, la capacité sera le double de celle d'un des éléments constituant le pack.

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Grouper des packs

De la même manière que les packs sont un assemblage d'éléments, il est possible de regrouper plusieurs packs pour obtenir soit une tension supérieure, soit plus de capacité.
Lors de tels assemblages, il y a des règles à respecter impérativement :

- Vous pouvez grouper en série des packs de tensions nominales différentes (par exemple un pack 3S (11,1 V) avec un pack 2S (7,4 V) en série donnent un pack 5S (18,5 V)). Par contre, vous ne devez regrouper que des packs ayant strictement la même capacité.

- Pour un groupement en parallèle, les packs doivent être impérativement de même tension et de même capacité. Si vous regroupiez des packs de tensions différentes, celui qui a la tension la plus élevée "chargerait" celui qui a la tension la plus faible, avec de plus un courant très élevé, ce qui provoquerait un échauffement immédiat, un incendie ou une explosion !
Deux packs 2S (7,4 V) 2500 mAh assemblés en parallèle donnent un pack global "2S2P" (7,4 V) et 5000 mAh.

- Par ailleurs, que vous assembliez des packs en série ou en parallèle, il est impératif qu'ils soient composés d'éléments strictement identiques : même fabricant, même série, même capacité, même capacité de charge et de décharge… Et même autant que possible, même niveau d'utilisation afin d'avoir des performances très proches. Aucun mélange d'éléments n'est acceptable.

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Equilibrage des éléments

Dans un pack constitué d'éléments LiPo montés en série, il est normal que de petits écarts de performances existent entre chacun des éléments. De ce fait, au fil des charges et des décharges, certains éléments vont se charger un tout petit peu moins que d'autres et se vider un peu plus… C'est ce que l'on appelle un "déséquilibre" entre les éléments. Au fil du temps, si l'on ne fait rien, ce déséquilibre conduit lors de la charge à toujours charger l'ensemble du pack à sa tension maximale (soit un multiple de 4,2 V), et les éléments les meilleurs risquent de dépasser la tension maximale de 4,2 V afin de compenser la tension inférieure d'éléments moins bons… Le risque encouru est un échauffement des éléments les meilleurs, pouvant conduire à un incendie et à une explosion.
C'est pourquoi il est indispensable d'équilibrer régulièrement les packs. Ceux-ci sont tous munis désormais d'une prise "d'équilibrage". Il existe des appareils appelés "équilibreurs" sur lesquels on connecte cette prise d'équilibrage. Ils vident les éléments ayant la tension la plus élevée pour la ramener à la valeur de la tension de l'élément le plus faible. C'est un premier pas, mais ce n'est pas encore l'idéal… Par contre, un très grand nombre de chargeurs modernes sont dotés d'un dispositif d'équilibrage intégré, qui fonctionne durant la charge. Pour faire simple, quand les meilleurs éléments atteignent 4,2 V, le chargeur cesse de les remplir tandis qu'il continue d'augmenter la tension des autres éléments. C'est le système à privilégier et la charge avec équilibrage doit être utilisée à chaque charge quand on dispose d'un chargeur qui le permet !

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La charge des accus LiPo

Le processus de charge des accus LiPo est totalement différent de celui des accus NiCd et NiMH. Il ne faut charger un accu ou un pack d'accus LiPo qu'avec un chargeur spécifiquement conçu pour ce type d'éléments, ou un chargeur polyvalent disposant du mode LiPo en veillant à bien avoir sélectionné ce mode.

La charge des éléments LiPo se déroule en effet en deux temps :
- Dans un premier temps, le chargeur élève la tension du pack jusqu'à atteindre une tension correspondant à 4,2 V par éléments. L'intensité (le courant en ampères) est alors constante et dépend de la valeur que vous aurez sélectionnée (ou pour les chargeurs les plus basiques, du courant imposé par le chargeur).
- Dans un second temps, la tension reste constante, et le chargeur abaisse progressivement l'intensité jusqu'à une valeur très faible, à laquelle il interrompt la charge.

On a donc une charge à courant constant puis à tension constante (dite CC/CV).
Le courant de charge est à régler en règle générale pour une valeur correspondant à "1C", c'est-à-dire à la capacité du pack en Ah. Un accu de 1500 mAh (1,5 Ah) sera chargé sous 1,5 Ampères, un accu 3200 mAh (3,2 Ah) sera chargé sous 3,2 A. Si le chargeur ne peut pas atteindre cette intensité, ce n'est pas grave, le temps de charge sera simplement plus long. Par contre, et sauf indications explicites dans la notice du pack, ne sélectionnez pas de valeur supérieure, car vous risquez de faire chauffer le pack, et au pire, cela peut déboucher sur un incendie ou une explosion.

Dans tous les cas, la charge d'accus LiPo doit se faire avec une surveillance permanente (ne partez pas faire vos courses pendant que ça charge…).
Si le pack s'échauffe durant la charge, c'est totalement anormal et vous devez immédiatement interrompre la charge (les accus NiCd et NiMH s'échauffent durant la charge, c'est normal, mais avec les LiPo, ils doivent rester à la température ambiante et pas plus !).
Un pack qui gonfle durant la charge, c'est tout aussi anormal et vous devez immédiatement interrompre la charge.

Chaque fois que votre chargeur est doté d'un système d'équilibrage, vous devez choisir un mode de charge avec équilibrage.

Les chargeurs évolués permettent de visualiser la tension de chaque élément durant la charge. C'est une bonne idée que de contrôler en cours de charge d'une part le non-dépassement par un élément des 4,2 Volts, mais aussi de voir si les tensions des éléments du pack sont à peu près équilibrées en cours de charge. Même si le pack fini par s'équilibrer en fin de charge, un très gros déséquilibre en cours de charge indique un pack qui commence à "fatiguer" et dont il va falloir envisager le remplacement.

La décharge des packs n'est pas nécessaire avec les LiPo, sauf pour contrôler la capacité qu'ils peuvent restituer. Si vous effectuez une décharge de contrôle, ne déchargez pas à moins de 3 V par élément.

Parmi les précautions très utiles pour la charge, il existe des sacs ou des valisettes ininflammables dans lesquels les accus peuvent être placés durant la charge. Au cas où un accident surviendrait durant la charge, ce type de sac ou de valisette protège l'environnement de votre chargeur et évite la propagation d'un incendie.

Quoi qu’il en soit, la charge doit toujours se faire dans un local tempéré, ventilé, et sur une surface à l'épreuve du feu (Par exemple sur un carrelage, ou dans un récipient métallique, mais jamais sur une moquette, dans une voiture, sur des journaux, etc.). De même, ne chargez jamais vos accus à l'intérieur du modèle.

Enfin, un pack LiPo qui vient d'être utilisé ne doit pas être immédiatement remis en charge sous peine de réduire sa durée de vie. Laissez-le reposer au minimum une heure. S'il s'est échauffé durant l'utilisation (la température ne doit pas excéder 60 °C durant la décharge), il doit pouvoir refroidir complètement (c'est-à-dire au cœur et pas simplement à l'extérieur) avant d'être remis en charge.

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Le stockage des accus LiPo

Si vous savez qu'un accu ne sera pas utilisé durant une longue période, il est bon de mettre le pack "en condition de stockage". Cela consiste à le charger en gros à moitié de sa capacité. Si le chargeur n'a pas de fonction dédiée, faites une charge en l'interrompant quand vous avez atteint à peu près la moitié de la capacité. De plus en plus de chargeurs programmables proposent une fonction "stockage", qui charge l'accu, puis le décharge partiellement.
Le stockage doit ensuite se faire dans un local frais, sec, et dans un contenant à l'épreuve du feu, comme par exemple une boîte métallique.

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Se débarrasser des accus usagés

Vous ne devez en aucun cas jeter les accus en fin de vie avec les ordures ménagères. Un accu usagé doit d'abord être neutralisé, ce qui peut se faire en le déchargeant au maximum avec un chargeur ayant une fonction décharge, puis en connectant une lampe durant 24 heures. Après quoi, on peut le plonger dans de l'eau salée durant quelques jours, avant de le déposer dans un centre de retraitement des déchets (déchetterie).

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Accu endommagé ?

A l'issue de l'utilisation, votre accu est gonflé… Soit vous avez consommé au-delà de ses capacités, soit il est défectueux. Dans tous les cas, laissez-le reposer en un endroit à l'épreuve du feu durant au moins une heure. S'il ne dégonfle pas, il est défectueux et ne doit plus être utilisé.
Si votre modèle a subi un accident et que le pack d'accu a été touché, s'il est déformé, il doit aussi être mis au rebut. Dans le pire des cas, l'électrolyte coule… Ne touchez jamais l'électrolyte sans protection. Utilisez un chiffon ou du papier essuie-tout pour saisir le pack.
En cas de contact avec la peau, lavez abondamment à l'eau et au savon la peau touchée. En cas de contact avec les yeux, rincez longuement (15 minutes) les yeux à l'eau, puis contactez au plus vite un médecin.
Un accu endommagé ne devra pas être déchargé ou neutralisé. Vous devrez le déposer dans un centre de recyclage en informant le responsable de ce que vous déposez.

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Utilisation hivernale

Les accus LiPo voient leurs performances très largement dégradées par basses températures. Une solution simple en hiver consiste à transporter les packs vers le site de vol, de navigation ou la piste auto dans un sac isotherme, avec une ou deux bouteilles d'eau chaude (étanches…). Vous maintenez ainsi vos packs à une température de 20 à 30 °C et vous les sortez au dernier moment pour les monter dans le modèle.

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Durée de vie des accus LiPo

En respectant les précautions d'emploi, vous pouvez tabler en moyenne sur une durée de vie de 2 à 3 ans, même si certains packs durent beaucoup plus longtemps, ou sur une centaine de cycles "charge-décharge". Au-delà, le pack fonctionnera toujours, mais ses performances vont progressivement diminuer, la résistance interne augmentant (c'est dû au vieillissement de l'électrolyte).

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Rappel des précautions d'emploi des accus LiPo

• Chargez toujours l'accu de propulsion à l'extérieur du modèle.
• N'utilisez jamais un chargeur pour accus NiCd/NiMh pour charger un accu LiPo.
• Chargez l'accu sous 1C au maximum.
• Ne chargez pas au-delà de 4,2 V par élément.
• Ne déchargez pas l'accu en dessous de 2,75 V par élément.
• L'accu ne doit jamais dépasser une température de 65 °C.
• Ne posez pas l'accu sur une surface inflammable durant la charge et assurez une surveillance durant la charge.
• Si la batterie s'échauffe durant la charge, débranchez là immédiatement, même si le voyant indique que la charge n'est pas terminée.
• Une fois la batterie chargée, ne la laissez pas sans surveillance.
• Ne modifiez pas les connecteurs du pack d'accus.
• Ne modifiez jamais un pack LiPo.
• Ne percez jamais un pack LiPo.
• Ne mettez jamais un accu LiPo en court-circuit.
• Une batterie gonflée (un peu molle) est défectueuse et ne doit pas être utilisée.
• Gardez toujours les accus hors de portée des enfants.
• Après un crash, sortez toujours l'accu du modèle et laissez le reposer au minimum durant 20 minutes dans un endroit sûr.
• Si l'accu gonfle, sortez-le du modèle et stockez-le en sécurité. Au besoin, mettez-le dans un trou et recouvrez-le de sable. N'essayez pas d'éteindre un accu LiPo qui brûle avec de l'eau.