Comme vous vous en doutez, une batterie lithium ion ne se charge pas « simplement » en branchant une alim dessus ! Sinon, vous risqueriez fort d’avoir de mauvaises surprises ! Ici, je vais vous présenter toutes les étapes à suivre, pour charger une batterie lithium ion 18650 correctement. Ainsi, si jamais il vous prend l’envie de vouloir confectionner vous-même votre propre chargeur de batterie lithium-ion, alors vous aurez des bases !
Au passage, ce process est normalement intégré à tout « bon » chargeur d’accu lithium ion, afin d’éviter d’endommager les batteries. Mais c’est loin d’être toujours le cas, notamment avec les chargeurs « premier prix ». Pourtant, si les différentes phases de charge ne sont pas respectées, cela peut être lourd de conséquences, et ce, tant pour la batterie li-ion en elle-même, mais aussi pour son entourage (départ d’incendie, risque d’explosion, …).
C’est pourquoi je vous fais cet article, afin que vous puissiez comprendre et apprendre les différentes étapes à suivre, pour charger une batterie lithium-ion 18650, dans les règles de l’art ! À noter que je vais me focaliser ici sur la charge d’une seule cellule li-ion 18650, et non sur un ensemble d’accus (pack), branchés en série et/ou parallèle. Toutefois, le principe de charge restera le même, à ceci près que vous devrez rajouter un BMS en plus, pour surveiller chaque accu 18650 individuellement.
Remarque : sachez que je ne suis pas un expert en la matière. Ici, je ne fais que partager mes connaissances personnelles, renforcées par un travail de recherche approfondi. Il se peut donc qu’il y ait certaines inexactitudes, ou éléments manquants, pour que cet article soit « « parfait » !
Introduction
Dans cet article, je vais me focaliser sur les accus lithium ion 18650. On les reconnait facilement à leur forme cylindrique, qui ressemble à peu de choses près à une pile 1,5V de type AA. La plupart du temps, les accus 18650 ont comme caractéristiques : une tension nominale de 3,6 ou 3,7 volts, et une tension max de 4,2 volts.
Ici, histoire d’avoir un fil conducteur, je vais prendre un modèle de batterie 18650 en particulier. Il s’agira d’accus que j’avais sous la main, à savoir des INR18650-30Q de chez SAMSUNG (voici leur datasheet). Voici d’ailleurs un extrait de leur documentation constructeur :
| Libellé | Valeur |
|---|---|
| Modèle pris pour exemple : Samsung INR18650 30Q |  |
| Capacité (le fameux « C » des batteries) | 2950 mAh |
| Tension nominale | 3,6 volts |
| Mode de charge « standard » | Mode CCCV -> Courant : 1,5 A -> Tension : 4,2 V (+/- 0,05 V) -> Arrêt sous : 150 mA (durée de charge : environ 180 minutes, à 25 °C) |
| Mode de charge « rapide » | Mode CCCV -> Courant : 4 A -> Tension : 4,2 V (+/- 0,05 V) -> Arrêt sous : 100 mA (durée de charge : environ 70 minutes, à 25 °C) |
| Plage de température possible, pour la charge (t° ambiante) | Minimum : 0 °C Maximum : 50 °C (et 23 °C idéalement) |
Après un rapide coup d’œil sur ce tableau, vous avez certainement remarqué que :
- Le fabricant parle de charge « CCCV » (que nous verrons en détail par la suite)
- Il fait également mention de charge « standard », ou de charge « rapide »
- Et que les paramètres à prendre en compte sont :
- la tension de charge
- le courant de charge
- le courant d’arrêt
- et la température ambiante
Je rajouterai à cela qu’il ne faudra jamais essayer de recharger le moindre accus li-ion 18650 si celui-ci était vraiment trop déchargé (tension inférieure à 2,5 volts), ou si il avait le moindre signe d’échauffement, de déformation, ou d’impact subi.
À présent, nous allons vois le principe de base pour charger une batterie lithium ion : le CCCV !
Le saviez-vous : il est fort probable que vous entendiez parler des termes « SoC » et « DoD », lorsqu’il s’agit de connaître le niveau de charge d’une batterie lithium. En fait, ces deux choses veulent dire exactement la même chose, mais de manière opposée :
– SoC signifie « State Of Charge », soit l’état de charge de votre batterie (si SoC = 0% alors votre batterie est vide, et si SoC = 100%, alors votre batterie est « pleine »)
– DoD signifie « Depth Of Discharge », soit la profondeur de décharge de votre accu (100% de décharge indique que votre batterie est vide, et 0% de décharge signifie que votre batterie est pleine)
Par « abus » de langage, on parle de batterie pleinement chargée quand son SoC est à 100%, et complètement vide, si son SoC est à 0%. Et inversement pour son DoD, comme vous l’aurez compris 😉
Principe de base : la charge CCCV
Pour commencer, savez vous ce que veut dire CCCV ? Non ? En fait, c’est tout simple ! Il s’agit d’un acronyme, résultant du jumelage des sigles « CC » et « CV ». Chacun de ces termes provient de l’anglais, et signifie :
- CC = courant constant (de l’anglais « constant current »)
- CV = tension constante (de l’anglais « constant voltage »)
Au passage, ce sigle « CCCV » résume parfaitement ce que l’on doit faire, pour effectuer un cycle de charge « parfait », lorsqu’il s’agit de recharger des batteries lithium ion. Car en effet, voici les étapes à suivre, pour effectuer une charge « idéale » :
- Phase 1 : on commencera à charger son accu à courant constant (CC)
- Phase 2 : puis, dès que la tension de l’accu atteindra un certain seuil, on basculera en charge à tension constante (CV)
- Phase 3 : puis, dès que le courant de charge deviendra trop faible, on arrêtera définitivement la charge (sans maintenir le moindre courant, dans l’accu)
Voici ce que ça donne, si je représente cela sous forme de logigramme :
Graphiquement, voici comment évoluent le courant de charge et la tension aux bornes de l’accu, lorsqu’on met ce dernier en charge :
On retrouve ainsi nos 3 phases caractérisant la charge d’un accu lithium ion :
- courant constant « CC » (souvent notée « Bulk », en anglais)
- tension constante « CV » (souvent notée « Absorption », en anglais)
- puis l’arrêt de la charge
À noter que contrairement aux batteries au plomb, il n’y a ici aucun courant de maintien (noté « Float », en anglais). Car les batteries lithium-ion perdent peu leur charge au fil du temps (de 1 à 10% par mois maximum, selon leur charge initiale et la température d’entreposage), tandis que les batteries au plomb, quant à elles, nécessitent une recharge « beaucoup » plus fréquente, pour compenser leur perte de charge caractéristique.
Remarques importantes, concernant la charge de batteries lithium ion :
– Ne jamais mettre un accu li-ion à charger, si celui-ci vient juste d’être déchargé de manière intensive
– Ne jamais charger une batterie lithium ion en plein soleil (car elle n’aime pas du tout les excès de chaleur !)
– Ne jamais charger votre batterie li-ion si la température ambiante est inférieure à 0 °C, car le gel « bloque » la charge, et provoquera des dommages si jamais vous essayez de le faire
– Et enfin : Ayez toujours un œil sur la tension de votre accu, le courant de charge, et la température ambiante. Car ces 3 paramètres conditionnent la charge optimale de vos accus, ou leur destruction, si mal considérés.
Le saviez-vous ? Il ne faut jamais charger une batterie lithium ion à fond, si vous prévoyez de la laisser ensuite dans un coin, quelques mois (l’inverse est évidemment vrai également, car il ne faut jamais laisser un accu li-ion déchargé trop longtemps, dans un coin). En fait, dans ces deux cas-là, il se produit des réactions chimiques particulières, qui feront baisser la capacité de vos accus li-ion. Du coup, l’idéal est simplement de laisser vos batteries chargées à moitié, entre 40% et 60% SoC, si vous prévoyez de les laisser stockées dans un coin, pendant un bon moment .
PHASE 1 (bulk) : la charge à courant constant (CC)
La première étape pour charger une batterie lithium ion est ce qu’on appelle la charge à courant constant (aussi notée « CC », venant de l’anglais « Constant Current »). Celle-ci est parfois notée « BULK » sur certains chargeurs.
En synthèse, cette 1ère phase de charge est assez simple à décrire :
- On soumet l’accu li-ion à un courant de charge constant (défini à l’avance, en fonction de sa capacité)
- Sous l’action de ce courant, la tension de l’accu va peu à peu s’élever, jusqu’à atteindre sa tension maximale, à savoir 4,2 volts
- Une fois ces 4,2 volts atteints, la phase 1 est terminée, et on passe à la phase 2
Simple, non ? À noter qu’en pratique, cette première phase permet le rechargement d’environ 80% de la capacité totale d’un accu lithium ion. C’est d’ailleurs une phase de chargement rapide, car elle ne prend qu’environ la moitié du temps total de charge, tout en permettant de recharger la quasi totalité de l’accu.
Maintenant, peut-être que certains d’entre vous se demanderont : quelle est la valeur du courant de charge à prendre, pour recharger un accu li-ion 18650 ? En fait, il n’y a pas de réponse générique pour cette question, car ce courant est à définir en fonction de la vitesse de charge qu’on souhaite, et de la capacité nominale de la batterie à charger. Par exemple, si je reprends l’exemple de l’accu lithium ion présenté plus haut (l’INR18650-30Q de Samsung), voici ce qu’on retrouve dans la documentation constructeur :
| Libellé | Valeur |
|---|---|
| Modèle de batterie | Samsung INR18650-30Q |
| Capacité de la batterie (notée « C ») | 2,95 Ah |
| -> Courant constant (CC) pour charge « standard » | 1,50 A (soit environ 0,5 fois sa capacité de 2,95 Ah) |
| -> Courant constant (CC) pour charge « rapide » | 4,00 A (soit environ 1,35 fois sa capacité de 2,95 Ah) |
Ainsi, pour charger un accu de type INR 18650 30Q, il faudra appliquer :
- Un courant de 1,5 A pendant toute la phase 1, pour charger la batterie lithium ion en vitesse « normale »
- Un courant de 4,0 A pendant toute la phase 1, pour charger l’accu en vitesse « rapide » (ce qui, par contre, réduit sa durée de vie, si répété dans le temps)
Le saviez-vous ? On exprime souvent la capacité d’une batterie lithium ion avec la lettre « C ». Et on exprime souvent son courant de charge, comme un multiple de cette capacité. Ainsi, charger à 1C signifie charger à « plein courant », 0,5C à moitié courant (aussi noté C/2), etc… ! Par exemple : si vous avez un accu entre les mains faisant 3000 mAh, alors :
– C = 3000 mAh
– C/2 (ou 0,5C) = 1500 mAh
– C/3 (ou 0,33C) = 1000 mAh
– etc…
Du coup, ne soyez pas surpris si quelqu’un vous dit qu’il faudrait par exemple recharger votre accu lithium ion à 0,3C. Car cela voudra tout simplement dire que le courant à appliquer devra être égal à 0,3 fois la capacité de votre batterie li-ion. Par exemple : si celle-ci fait 2950 mAh, alors le courant de charge devra être égal à 0,3*2950 = 885 mA (donc 0,885 A).
Par contre, gardez bien une chose à l’esprit :
- Plus votre courant sera faible, alors plus lente se fera la charge, et plus longue sera la vie de votre accu
- Plus votre courant sera fort, alors plus rapide sera la charge, mais plus courte sera la vie de votre accu
En fait, comme vous l’aurez compris, tout est question de compromis ici. En sachant également qu’une charge beaucoup trop faible, tout comme une charge beaucoup trop forte sont tous deux « nuisibles » aux batteries lithium ion. C’est pourquoi, en pratique, on respecte vraiment la charge à 0,3C ou 0,5C pour une charge « normale », et on pousse à 1C ou 1,5C lorsqu’on veut charger son accu de manière accélérée, de manière ponctuelle.
Petit rappel, sur le courant (pour les débutants) : en réalité, on ne « fournit » pas un courant à un accu, car il tire uniquement ce dont il a besoin. En pratique, tout ce qu’on fait est de fournir une tension correspondant à sa tension maximale (4,2 volts pour un accu 18650, ici), et on limite le courant maximal à la valeur qu’on souhaite. Et lorsque ce courant en charge devient trop faible, cela signifie tout simplement que votre accu li-ion est suffisamment chargé !
Ah oui… pour ceux qui aiment les représentations graphiques, voici comment évoluent le courant de charge et la tension de l’accu, durant cette phase 1 :
Comme vous le remarquerez :
- Le courant est constant durant toute la phase 1
- La tension grimpe petit à petit (plus rapidement au début), jusqu’à atteindre la tension max de l’accu (signalant ainsi la fin de la phase 1 de charge à courant constant, et le début de phase 2, de charge à tension constante)
Remarque : cette phase de charge est gourmande en énergie. Il est donc normal que l’accu s’échauffe. Par contre, cette température devra toujours être surveillée de près. Car si jamais elle venait à être trop importante, cela indiquerait la présence d’un problème potentiel (défaut de l’accu, courant de charge trop important, température ambiante négative ou trop élevée, …). C’est pourquoi, idéalement, il faudrait toujours mettre en place une sonde de mesure de température au niveau de votre accu li-ion, afin de pouvoir couper la charge en cas d’anomalie. Sinon, vous pourriez fort bien voir apparaître certaines déformations au niveau de votre accu, suivi d’un départ d’incendie, ou d’une explosion. Alors autant vous dire qu’il ne faut surtout pas prendre la charge des batteries lithium-ion à la légère !
PHASE 2 (absorption) : la charge à tension constante (CV)
La seconde étape pour charger une batterie lithium-ion est la charge à tension constante (aussi notée « CV », provenant de l’anglais « Constant Voltage »). Celle-ci est parfois également notée « ABSORPTION », sur certains chargeurs.
Lors de la phase 1, à courant constant, nous avons chargé environ 80% de la batterie. Ici, il s’agit de finir de charger l’accu li-ion, pour l’emmener à 100% SoC. Pour ce faire, il s’agira de :
- Maintenir une tension constante de 4,2 V (correspondant à la tension max d’un accu li-ion 18650)
- Et le courant va lentement diminuer, jusqu’à descendre en dessous d’un certain seuil, indiquant que l’accu est pleinement chargé (ce qui mettra fin à cette phase 2, de charge à tension constante)
Graphiquement, voici comment évoluent la tension de l’accu 18650, et son courant de charge :
La valeur du courant qui met fin à la charge est souvent spécifiée par les constructeurs. Par exemple, pour notre accu 18650 de chez Samsung, vu plus haut, le fabricant indique qu’il faut couper la charge («cut-off ») si le courant descend en dessous de 150 mA, en mode « standard » (ou 100 mA, en mode « charge intensive »).
Si jamais vous ne trouvez aucune indication du fabricant concernant ce courant d’arrêt, sachez qu’il est usuel de prendre 0,03C ou 0,025C comme courant de coupure. Par exemple :
- Si la capacité de votre accu li-ion est de : C = 3000 mAh
- Alors le courant de coupure 0,03 C pourrait être fixé à :
- Istop = 0.03 * C
- Soit Istop = 0.03 * 3000
- Soit Istop = 90 mA
Dans ce cas, on pourrait donc arrêter la charge de la batterie lithium ion (fin de la phase 2), dès lors que le courant chuterait en deçà de 90 mA.
Le saviez-vous ? les batteries lithium ion voient souvent leur durée de vie rallongée si leur charge/décharge s’effectue entre 20% et 90% de leur capacité totale (SoC). C’est-à-dire qu’il vaut mieux éviter de charger ou décharger totalement ses accus li-ion, afin de préserver leur durée de vie. Et si vous combinez cela à une température « contrôlée », située entre 15 et 25 °C, alors vous aurez à coup sûr l’une des meilleures durées de vie qui soient, pour vos accus. À noter que cette « durée de vie » est exprimée en « nombre de cycles », dans les documentations constructeurs.
PHASE 3 (arrêt de la charge) : sans aucun maintien, de type « Float »
Dernière phase : l’arrêt définitif de la charge. Et si je rédige tout une partie à ce sujet, ce n’est évidemment pas pour rien ! Car contrairement aux chargeurs de batteries au plomb, qui fournissent une tension de maintien aux batteries une fois chargée (c’est le fameux mode « Float »), il ne faudra jamais laisser en charge vos batteries lithium-ion, une fois chargées (avec un courant de maintien, j’entends).
D’ailleurs, les accus lithium ion ayant un faible taux de décharge, il n’est pas nécessaire de les laisser brancher sur un chargeur d’accu, afin de compenser l’autodécharge. C’est pourquoi les fabricants indiquent clairement dans leurs docs techniques qu’il faut couper la charge d’un accu une fois que le courant de charge devient trop faible, car cela signifie qu’il est chargé à 100%, et qu’il ne faut pas continuer à lui envoyer du courant.
Sinon, le « problème » est que les batteries li-ion peuvent continuer à être chargées, « au-delà de 100% ». En bref, il est possible de les « surcharger ». Mais ceci n’est pas sans conséquences, comme vous pouvez vous en douter. Car cette surcharge ne va ni plus ni moins qu’endommager petit à petit l’accu li-ion, réduisant sa durée de vie dans un premier temps, puis le détruisant physiquement, à plus ou moins long terme. Du coup, retenez bien ceci : il ne faut donc JAMAIS laisser une batterie lithium ion en charge, une fois qu’elle est pleinement chargée, sinon elle va continuer à essayer d’emmagasiner de l’énergie, et tôt ou tard, « s’autodétruire », si je puis dire !
À présent, il faut savoir que :
- Si vous n’utilisez pas vos batteries lithium ion pendant un bout de temps : il sera toujours nécessaire de recharger un peu vos accus 18650, de temps en temps, afin de compenser leur autodécharge, aussi faible soit-elle (l’idéal serait de les maintenir entre 40 et 60% de leur capacité totale, par exemple)
- Si vous utilisez vos batteries lithium ion seulement « un peu » chaque jour : il faudra les recharger « à fond » de temps en temps (1 fois toutes les 500 heures, par exemple), afin de rééquilibrer le niveau des cellules (même si, dans l’absolu, c’est le rôle du BMS de gérer individuellement les cellules li-ion). Cette recharge complète permet également aux appareils d’estimation de capacité restante de se réétalonner, si besoin est.
Petite parenthèse au niveau de l’autodécharge des batteries stockées : celle-ci est plus ou moins rapide, suivant le niveau de charge initial (le niveau qu’elles avaient juste avant stockage), et de la température ambiante, du lieu où elles sont stockées. Et contrairement à ce que l’on pourrait croire, il vaut mieux éviter de charger un accu à fond (à 100% SoC), si c’est pour le laisser stocké dans un coin. En fait, l’idéal est de :
– laisser son accu chargé entre 40 et 60% SoC
– laisser son accu dans un endroit frais et tempéré, entre 15 et 25 °C, par exemple
Résumé : ce qu’il faut retenir
Classiquement, les accus lithium ion 18650 ont comme caractéristique une tension nominale de 3,6 ou 3,7 V. Aussi, afin d’assurer leur pérennité, il convient de :
- Ne jamais descendre en dessous de 2,5 volts, lors de la décharge de vos accus (et même plutôt 3 volts, pour ne pas accélérer leur « vieillissement prématuré »)
- Ne jamais les mettre à charger s’il gèle dehors (t° ambiante inférieure à 0 °C, donc) ; idem s’il fait beaucoup trop chaud
- Ne jamais les charger avec une tension supérieure à 4,2 V
- Ne jamais les laisser continuer à se charger, si le courant de charge tombe en dessous d’une certaine limite (sinon, les accus vont se surcharger, et là encore, s’endommager à plus ou moins long terme)
- Ne jamais laisser un accu li-ion en plein soleil
- Éviter de charger ou décharger vos accus à fond : en fait, rester dans la plage 20% à 90% SoC permet de garantir une bonne durée de vie des batteries (un plus grand nombre de « cycle d’utilisation », en d’autres termes !). Par contre, une charge complète 1 fois toutes les 500 heures peut être une bonne chose à faire !
- Et éviter de mettre à charger une batterie lithium ion si l’on vient de la décharger « intensivement »
Par ailleurs, si vous montez vos accus li-ion 18650 en série, il faudra TOUJOURS installer un BMS, pour la supervision de chaque cellule, individuellement (afin d’éviter toute surcharge, décharge profonde, …).
On note :
- « C » la capacité de la batterie
- « Imax » l’intensité maxi de charge (généralement égale à 0,3 * C)
- « Istop » l’intensité de fin de charge, indiquant que l’accu est plein et qu’on ne doit plus continuer à le charger (valeur généralement égale à 0,025 * C)
Un cycle de charge se déroule toujours en 3 étapes :
- Étape 1 : charge à courant constant. En pratique, on applique une tension de 4,2 volts, avec une limite de courant à 0,3C par exemple. En résulte une tension « faible » au début, aux bornes de l’accu, qui va peu à peu monter, jusqu’à atteindre 4,2 volts. Cette charge à courant constant est souvent appelée « Bulk », ou notée « CC » en anglais (pour « Constant Current »). Il s’agit d’une phase de charge « rapide », où environ 80% de l’accu sont chargés.
- Étape 2 : charge à tension constante. On continue à alimenter l’accu en 4,2 volts, en laissant à présent le courant redescendre « tout seul », jusqu’à ce qu’il passe en dessous d’un certain seuil (par exemple 0,025C). Cette charge à tension constante est souvent appelée « Absorption », ou notée « CV » en anglais (pour « Constant Voltage »). Il s’agit d’une finalisation de charge, « lente », où les 20% restants de l’accu sont chargés.
- Étape 3 : on stoppe la charge de l’accu, sans plus lui fournir le moindre courant (sinon, l’accu continuera à se charger, malgré le fait qu’il soit déjà « plein », ce qui va à terme l’endommager, d’une manière ou d’une autre)
Nota :
– En utilisation « normale », vous pouvez redémarrer un cycle de charge dès lors que l’accu est déchargé à 80 % DoD.
– L’idéal est de faire des charges et décharges partielles, entre 40 et 60% SoC.
– Il peut être nécessaire de recharger pleinement ses batteries lithium ion de temps en temps (par exemple 1 fois toutes les 500 heures), si vous ne faites que des petites charges et décharges partielles. Ceci vous permettra de vraiment « remettre les compteurs à zéro », si vous avez des appareils de suivi de niveaux de batteries lithium ion.
Concernant le stockage des batteries li-ion, lorsqu’inutilisées pendant longtemps, il vaut mieux :
- Les laisser chargées uniquement entre 40% et 60% SoC
- Les laisser stockées dans un endroit « frais », entre 15 et 25 °C environ
- Les recharger de temps en temps, pour compenser l’autodécharge de celles-ci (ce qui est lent, dans des conditions « normales », rassurez-vous !)
Le saviez-vous ? Il existe de très nombreux types et variantes d’accus lithium ion. Par exemple, si vous utilisez une batterie lithium LiFePO4, vous aurez des tensions nominales et maxi différentes de celles que je vous ai présenté ici. Mais dans le principe, le processus de charge restera strictement le même !
Voilà ! Je pense n’avoir rien oublié ! J’espère que vous aurez pu apprendre plein de choses ici, sur les batteries au lithium ion, afin de pouvoir les intégrer à vos futurs projets.
Pour ma part, je vous dis à très bientôt, car j’ai plein d’idées d’articles à venir ! Alors à très vite 😉
Jérôme.
(*) Mis à jour le 02/02/2022