Batterie LiFePO4 120 Ah et convertisseur 230V en camping-car

 Introduction

Avec les anciennes batteries au plomb, en général le courant de sortie ne dépasse pas 30 A, ce qui est très limitant lorsque l'on veut utiliser un convertisseur 230V alternatif car sa puissance est dans ce cas limitée à 12 v x 30 A = 360 W. Si on veut profiter d'appareils ménagers courants, il vaut mieux disposer d'au moins 1000 W c'est-à-dire 1 kW. Cela suppose un courant 12 V de au moins 1000W / 12 V = 83 A. Les nouvelles batteries lithium se présentent comme une nouvelle et intéressante solution à cette limitation imposée par les batteries au plomb. J'ai choisi une batterie de type LiFePO4 qui parmi les batteries au lithium offre le plus de sécurité, dit-on. Autres avantages par rapport à la batterie au plomb: sa capacité de 120 Ah entièrement disponible et gérable avec un smart BMS, son poids plus faible, l'absence d'entretien, l'installation dans n'importe quelle position, elle peut être laissée dans n'importe quel état de charge et peut durer un très grand nombre de cycles 4000 qui sont mesurés par le "smart BMS" au fil du temps. 

Vue générale de l'installation

Les quatre éléments LiFePO4 prismatiques et leur assemblage en toute sécurité

J'ai choisi la solution  d'assembler 4 éléments prismatiques de 120 Ah acquis pour environ 400 € au total tout compris, acheté ici. La tension nominal d'un élément est de 3,2 V qui fait bien 12,8 V en multipliant par 4 l'équivalent de la tension de l'ancienne batterie au plomb. La plage de tension s'étend du maximum de charge 14,6 V, au minimum 10 V à l'état complètement déchargé. Pour un élément la tension varie donc de 3,65 V à 2,5 V, ces valeurs limites qui ne doivent absolument et à aucun moment être dépassées. Et là c'est le rôle du BMS ("Battery Monitoring System" ou en français Circuit de Contrôle de la Batterie) à voir plus bas. Il faut être très prudent lors de l'assemblage par rapport à d'éventuels court-circuits (chute d'outil ou autre) et pour s'en prémunir, j'ai à tous moments et à toutes les étapes d'assemblage et serrage laissé intentionnellement un scotch protecteur sur les cosses qui n'étaient pas concernées par l'opération en cours. Pour mieux manipuler l'ensemble des 4 cellules, j'ai réalisé un caisson en contre-plaqué autour en ménageant des entrées d'air latérales pour le refroidissement. Les connections sont réalisées avec des "Bus-bars" en cuivre étamé 60x20x0,8 mm, livrée avec les cellules en nombre suffisant x8 pour pouvoir les doubler. Car attention, il faut se soucier de l'intensité maximum admissible vu les courants élevés de l'ordre de 100 A ou plus. Ce souci vaut aussi pour toutes les connections et câbles du montage. Il vaut mieux bien maîtriser les différentes techniques de connections des gros câbles et les mesures de contrôle qui permettent de vérifier la qualité des réalisations comme la mesure des résistances faibles. Un mauvais câblage peut se traduire par un échauffement excessif à certains endroits et peut se terminer par une rupture, un départ de feu, etc.. Pour les mêmes raisons il faut faire attention aux différents serrages qui doivent être tous bien dosés car faibles c'est une résistance potentielle trop grande au niveau du contact et trop fort peut endommager les cosses de batterie ou bien peut rendre le desserrage très difficile quelque temps après.

Pourquoi un Smart BMS ? 

Il permet de régler les différents paramètres à l'aide d'une application android et surtout de suivre à tout moment l'état de charge, la tension de chacune des cellules, de suivre l'intensité du courant entrant ou sortant ainsi que la capacité restante dans la batterie. En plus il permet un contrôle de deux températures BMS lui-même et batterie à l'aide d'un capteur au bout d'un fil à placer sur une des cellule. Il a été acheté ici. Il faut savoir qu'il existe des protections en température pour ne pas charger à des températures trop négatives ou trop élevées. Chaque cellule est protégée des surtensions et des soustensions et est équilibrée de façon à ce que chaque état de charge soit le même afin d'éviter tout déséquilibre qui impliquerait au final à une diminution de la capacité. Je rappelle qu'un BMS est obligatoire avec les batteries lithium. Notre culture traditionnelle des batteries au plomb qui n'en avaient pas pourrait nous le faire oublier.

J'ai trouvé beaucoup d'infos intéressantes sur le site américain Overkill Solar  concernant le schéma de montage ainsi que sur la chaîne Youtube et  le blog Mobile-Solarpower de Will Prowse.  Les Paramètres recommandés sur le site Overkill sont dans l’appendix A . Le fabricant du BMS est JBD Jiabaida JBD Store, le modèle est JBD-SP04S020, il est vente ici Minerals. L'appli android se connecte au BMS qui doit être équipé de l'option module bluetooth 7 € du même fabricant. Il est possible d'utiliser un interface USB qui se branche sur le même port à la plce du bluetooth et le logiciel correspondant se télécharge gratuitement par le site suivant: JBD BMS Softwares site du fabricant Shenzhen LLP Power.

Avant les divers branchements voyons la réalisations des câbles et surtout les gros 

Beaucoup de connexions se font par l'intermédiaire de cosses à anneau avec un diamètre de trou de 6 mm, à l'exception du gros fusible 100 A qui a des boulons de diamètre 8 mm. Pour les fils de petit diamètre je sertis les cosses et je soude à l'étain les fils de cuivre sur les cosses par précaution pour un meilleur contact et une meilleure tenue mécanique (collage), car des fils seulement sertis peuvent parfois glisser hors du serrage en tirant. Ensuite je nettoie les restes de résine décapante avec de l'isopropanol ou bien en grattant au cutter s'il y en a beaucoup. Puis je mets une protection de gaine thermo-rétractable de la bonne couleur par dessus. 

Pour les plus gros câbles (achetés ici), ceux qui vont vers le convertisseur 230V, j'ai opté pour du 16 mm² et pour cette section il convient de mettre des cosses à anneau en cuivre étamé de dimensions adaptées c'est-à-dire plus imposantes. Il existe un bon nombre de méthodes de sertissage et il vaut donc mieux adapter aussi la taille de la pince HX-50B aux bonnes dimensions. De même un sectionnement propre du gros câble est nécessaire avec un outil adapté: la pince coupante LK-60A à 8€ n'est pas hors de prix et fait de très bonnes coupes.  Il est important de souder les bouts de câbles aux cosses, bien que ce ne soit pas absolument nécessaire, pour une meilleures longévité car la corrosion aux interfaces peut être un problème avec le vieillissement. Aussi, bien nettoyer les résidus de résine et bien recouvrir l'embout de cosse avec de la gaine thermo-rétractable afin limiter au maximum les passages de l'humidité. 

Mesures de contrôle de la qualité des câblages

Mesures de contrôles de la qualité des câblages

J'ai préféré des câbles faits "maison" pour avoir des longueurs les plus petites possibles afin que les pertes par Effet Joule soient minimisées et pour éviter l'encombrement de l'espace électricité par des enroulements inutiles. Mais il faut bien prendre soin et redoubler les vérifications de qualité des jonctions pour éviter les échauffements. On peut mesurer les pertes à l'aide d'un millivoltmètre. Typiquement l'Aneng AN8002 ajusté en échelle mV convient très bien (6000 points précision lue 0,01 mV). Une fois le montage du convertisseur 230 V fait, on peut régler le courant 12 V sur 50 A, par exemple, et mesurer pour chaque câble et chaque jonction que la chute de tension ne dépasse pas quelques millivolt. Identiquement on peut mesurer l'élévation de température en tout point du circuit pendant le test à 50 A. Mais avant le montage de tout câble il convient de mesurer la résistance de chaque morceau de câble avec un montage simple. J'ai utilisé une charge électronique Atorch DL24 150 W et une alimentation 12 V 5 A et j'ai mesuré pour plusieurs intensités la chute de potentiel aux bornes du câble réalisé. Le report des valeurs dans un tableur me donne des droites dont la pente fournit la résistance recherchée. Ensuite je compare la valeur obtenue en milli-ohm aux valeurs théoriques du site The Engineering ToolBox. Par exemple, pour du 7AWG/10,5mm² étamé je mesure 2,31 milli-ohm/m alors que la valeur théorique est de 1,78 milli-ohm/m. N'ayant pas eu d'échec, j'ai constaté que les valeurs mesurées étaient toujours très proches de la théorie, bien que légèrement au-dessus ce qui s'explique par le fait que mes cosses sont étamées ce qui fait monter la valeur de résistivité par rapport à celle du cuivre pur 99,99%. La pratique a montré que tout le circuit fonctionne correctement sans échauffement anormal. En dehors du convertisseur, pour les autres câblages les intensités sont plus faibles étant inférieures la plupart du temps à 15 A. Dans le même souci de sécurité et aussi d'accès et démontage faciles, c'est-à-dire de praticité, j'ai utilisé utilisé sur la ligne négative un bornier (acheté ici et visible sur la photo d'ensemble, au début de l'article) calibré pour 100 A et qui permet de multiple dérivations.

Autres périphériques régulateur de panneau solaire et boîtier d'interconnexions

La batterie est capable d'encaisser un courant de charge de 0,5C (C=la capacité 120 Ah) soit 60 A, impressionnant! Donc pour améliorer la charge solaire, j'ai opté pour le remplacement du régulateur PWM EMA10 d'Energie Mobile par un modèle du type MPPT Victron BlueSolar 75/15. Je l'ai branché directement sur la batterie incluant le BMS, il contient un fusible de 20 A, donc il n'est pas nécessaire d'en rajouter un. Avec un panneau de 120 W et plutôt 12 V (22 V en circuit ouvert) on obtient avec un bon ensoleillement un courant de charge de l'ordre de 4,5-5 A, ce qui n'est pas beaucoup par rapport à la vitesse de charge théorique de la batterie. Ce courant est lu sur l'appli du BMS. Aussi j'envisage de monter un panneau 300 W 24 V qui pourra facilement doubler le courant de charge. Le reste des connexions est inchangé par rapport au circuit du fabricant du camping-car.

Montage du convertisseur 230 V

Une fois toutes les étapes ci-dessus terminées, le montage est simple et ne pose pas de problème. Pour minimiser les pertes par effet-Joule dans les câbles il convient de raccourcir au maximum l'aller ainsi que le retour du courant vers la batterie. Je pense que ce trajet fait environ 80 cm ce qui est très bon car je limite la puissance totale à 1200 W (théorique) soit 100 A. En vérité je compte rester bien en-dessous sur une plage de 0 à 600 W, n'ayant pas d'appareils fort consommateurs à bord. J'ai donc inséré un fusible 100 A sur la branche positive du circuit. Bien-sûr si d'aventure l'intensité vient à vouloir dépasser les 100 A, ce qui est possible car la batterie a un Imax de 120A, ça peut griller le fusible par sécurité et on peut préférer un disjoncteur 100 A à la place plus facile à réenclencher. Pour les essais j'ai utilisé un décapeur thermique à température variable car en faisant varier la température on fait aussi varier la puissance consommée et on peut se limiter facilement aux 1200 W maxi. Le convertisseur 2400W a été acheté ici et sera donc utilisé à moins de moitié de sa puissance maximale.

Autres principes de sécurité

Dans les camping-cars qui sont des objets roulants il est important de bien tout fixer pour qu'il n'y ait rien de libre qui puisse causer des problèmes. Tous les bouts de câbles doivent être fixés au bon endroit. Les pièces lourdes comme la batterie ou les boîtiers doivent arrimées sur leurs emplacements. Les boîtiers vissés sur le sol ou les parois, les boucles de fils attachées, etc.. Il est aussi très important de réviser régulièrement l'état des installations de ne pas laisser vieillir son installation sans surveillance, sans soins, d'incorporer des moyens de mesure et d'améliorer de mettre à jour au fur et à mesure de l'évolution des techniques.

Conclusions

Le concept de batterie lithium peut être réalisé pour un budget raisonnable 500€ environ pour 120 Ah en 12 V ce qui fait 1,44 kWh d'énergie en réserve à pleine charge. Mon impression est d'hors et déjà favorable mais je me donne une année pour évaluer pleinement le progrès et les performances de la nouvelle installation. Le temps passé à la réalisation est important environ 2 mois car les délais de livraison s'ajoutent plus ou moins les uns aux autres à cause des difficultés à prévoir a priori les bonnes caractéristiques de chaque pièce, d'où une démarche "essai-erreur" inévitable. J'ai aussi passé beaucoup de temps à acquérir de l'expérience pour se mettre à niveau dans toutes ces techniques. Mais je crois que le jeu en vaut la chandelle et rétrospectivement je m'aperçois que c'était le bon moment pour le faire.