Fabriquer un coupleur accu 18650 (batterie lithium ion 3S)

Envie de vous fabriquer une petite batterie portable fait-maison, à base d’accus li-ion 18650 ? Alors cet article est fait pour vous ! Car je vous propose justement ici de réaliser un petit coupleur d’accus 18650, à la fois simple et pratique ! En fait, l’idée de vous partager cela m’est venu après m’être fabriqué cette petite alim portable, pour mes projets « mobiles ». Et comme je disposais de quelques accus 18650 de récup, j’en ai profité pour m’en servir, plutôt que de les laisser trainer dans un coin !

Mais avant d’aller plus loin, sachez avant tout que ce tuto s’adresse principalement aux débutants en électronique. Car ce montage que je vais vous présenter ici est vraiment très simple, et n’a qu’un intérêt limité, mis à part son côté ludique, bien sûr ! Ne vous attendez donc pas à découvrir ici des choses extraordinaires, mais simplement un projet simple, et pratique !

Comme toujours, n’hésitez pas à partager vos remarques et commentaires en bas d’articles, au besoin ! Je reste à votre disposition pour y répondre, mais comme toujours, dans la limite du temps dont je dispose et dans la limite de mes connaissances, bien entendu 😉

But et caractéristiques de ce « Coupleur accu 18650 »

Le but est ici d’obtenir une batterie 12 volts environ, fonctionnant sur des accus 18650 (neufs ou de récup). Ces accus seront démontables et remplaçables de manière individuelle, afin de pouvoir sortir ou remplacer chaque accu séparément, si jamais l’un d’eux venait à défaillir (ce qui peut arriver, notamment avec de la récup !).

À noter qu’en optant pour un système où les accus sont retirables un à un, en cas de défaillance, on s’affranchit de l’inconvénient majeur des packs de batteries 18650 classiques, dont les éléments sont soudés entre eux (via des fils de cuivre ou bandes de nickel). Ici, si jamais une cellule 18650 venait à défaillir, on pourra la remplacer en un clin d’œil, sans toucher aux autres ! C’est donc tout l’avantage d’un tel montage.

L’autre intérêt évident de cette petite batterie lithium ion est d’avoir quelque chose de portable, permettant de pouvoir s’affranchir de toute prise de courant secteur ou prise USB, pour alimenter ses petits projets « nomades » (à base d’Arduino ou autre). On gagne ainsi en mobilité, et en liberté !

Cela étant dit, voyons à présent les principales caractéristiques de cette batterie « fait-maison » :

• Une tension nominale de 11,1 volts (si vous utilisez des accus li-ion 3,7V classiques)
• Une tension maxi de 12,6 V (lorsque ces accus seront « pleins »)
• Un courant maxi fonction du modèle d’accus que vous utiliserez (dans mon cas, des 3400 mA/h)

Important : il faudra veiller à ne jamais descendre en dessous de 9 volts au niveau de cette batterie, afin de ne pas endommager les accus. Et pour être plus précis encore, je dirai qu’il faudra s’assurer qu’aucun de ces accus 18650 ne « tombe » en dessous de 3V (ou 2,5 volts dans le pire des cas, selon les fabricants). Bien sûr, toutes ces caractéristiques dépendent de la marque et du modèle d’accu li-ion que vous utiliserez. Pour ma part, j’ai utilisé des accus que j’avais en stock, à savoir des accus Panasonic NCR18650B.

À noter que le montage que je vais vous présenter ici sera équipé d’un fusible de protection électrique, afin de protéger les accus en cas de courts-circuits. Vous pourrez d’ailleurs assez vite le remarquer sur le PCB final, car il s’agit d’un fusible auto classique (taille moyenne), monté sur support de maintien.

Au niveau des connectiques de sorties de cette petite batterie portable, vous trouverez :

• 3 x sortie XT30 (pour pouvoir brancher des connecteurs XT30, donc)
• 1 x sortie type « bornier à vis », sur laquelle vous pourrez également brancher une charge dessus, directement avec vos fils dessus

Du reste, un voltmètre prend également place sur le PCB, muni d’un bouton marche/arrêt pour l’allumer ou l’éteindre, au besoin, permettant d’afficher la tension de cette batterie. Comme ça, vous pourrez vérifier la tension de cette dernière à tout moment, au besoin, et sans avoir à sortir le moindre voltmètre que ce soit !

Cela étant dit, il faut quand même savoir que ce montage a quelques inconvénients, qui sont :

• D’une part, ce montage prend plus de place qu’une batterie lithium ion « compacte » (où tout est bien agencé, au niveau des accus)
• Il n’y a aucun BMS ici, pour superviser chaque accu li-ion individuellement (n’hésitez pas à lire cet article pour en savoir plus sur les BMS)

Voilà tout ce qu’on peut dire à propos de ce montage, pour l’introduire ! Bien sûr, gardez toujours à l’esprit que ce montage est avant tout un projet ludique et didactique, et principalement à destination de ceux qui débutent en électronique. Bien sûr, cela n’enlève rien au côté pratique de cette petite batterie portable, qui me sert d’ailleurs très souvent de mon côté, dans mes projets « mobiles » 😉

Liste des composants nécessaires

Étant donné qu’il s’agit là d’un petit projet électronique, les composants sont assez peu nombreux (et pas très cher d’ailleurs, surtout si on récupère soi-même de vieux accus 18650 de récup !). En voici d’ailleurs la liste :

• 1 x support 3 accus
• 3 x accu li-ion 3,7 V (NCR18650B)
• 1 x header 4 plots femelles 
• 3 x résistances 22K, format CMS 1206 (pour pas que ce soit trop petit à souder !)
• 1 x porte fusible auto 
• 1 x fusible auto taille moyenne (1A à 5A, par exemple) 
• 3 x connecteur XT30 coudé, à souder sur PCB 
• 2 x bornier à vis double 
• 1 x inter à poussoir (avec capuchon)
• 1 x voltmètre (couleur blanc, pour ma part)
• 4 x entretoise M3 pour supporter le PCB 
• 2 x entretoise M2 pour le voltmètre (lien idem qu’au-dessus)

Nota : le voltmètre utilisé ici possède 3 fils (un rouge, un noir, et un jaune). Le fil rouge permet d’alimenter l’afficheur (qui nécessite une tension de 4 à 40 VDC). Le fil jaune, quant à lui, est le fil de mesure (la tension à mesurer devra être comprise entre 0 et 100 VDC, ce qui est idéal pour notre circuit). Le fil noir, quant à lui, est la masse commune à cet afficheur. Appliqué à notre montage, il faudra relier les fils jaune et rouge ensemble (sur la même borne), puisqu’on mesurera la tension en sortie d’accu ! Tout simplement 😉

Schéma électronique + explications

Comme je vous disais en intro, le schéma en lui-même est assez rudimentaire. Il n’y a d’ailleurs rien de bien compliqué ici, comme vous pouvez le voir ci-dessous :

En fait, ce montage est simplement composé de 4 parties simples, qui sont :

• L’alimentation (c’est-à-dire : les accus 18650 mis en série)
• Des points de mesures (permettant la lecture du niveau de chaque accu, depuis l’extérieur de ce montage)
• Des sorties de puissance (réparties sur 3 prises XT30, plus 1 bornier à vis)
• Et un voltmètre, indiquant la tension du pack d’accus li-ion (celui-ci étant activable/désactivable via un interrupteur à poussoir, disposé à même le PCB)

Au niveau de l’alimentation, les accus lithium ion sont simplement mis en série. Ainsi, si par exemple vous utilisez des accus faisant 3,7V nominal, la somme des trois accus vous donnera 11,1 volts. À ce sujet, sachez que cette tension n’est pas constante, mais plutôt comprise entre 9 et 12,6 volts, suivant la charge des accus. Car chaque accu pourra descendre jusqu’à 3V environ (en dessous vous risquez de l’endommager), et « monter » jusqu’à 4,2V maximum, lorsque pleinement chargé (comme la grande majorité des cellules li-ion, me direz-vous !).

Au niveau des points de mesure, ceux-ci ont été placés entre chaque « jonction » d’accu 18650. Ainsi, on peut vérifier la tension de chacun des accus, en soustrayant les tensions entre elles. Par exemple : si vous mesurez 10,8V et 7,3V aux deux derniers points de mesure, cela vous indiquera que la dernière batterie en série a une tension égale à 10,8 – 7,3, soit 3,5 volts. À noter ici que des résistances en série de 22 kohms ont été mises en place, et ce, pour 2 raisons :

• Premièrement, d’éviter tout court-circuit « franc » au niveau des différents points de mesure (ce qui pourrait être brutal sans résistance de limitation de courant, au niveau des accus lithium ion)
• Deuxièmement, pour permettre d’abaisser la tension de mesure comme souhaité, en rajoutant extérieurement une résistance de pull down adaptée. En bref, cette résistance est une des deux résistances formant un pont diviseur de tension. Ainsi, si par exemple vous rajoutez une résistance de 10k en pull down sur la sortie 11,1 volts, vous n’aurez plus que : 11,1V * 10k / (10k+22k), soit 3,468 volts, en sortie du diviseur de tension. Ce genre d’abaissement de tension est idéal si vous travaillez avec un Arduino fonctionnant en 5 volts, par exemple (nota : si jamais cette partie vous semble abstraite, ne vous inquiétez ; car tout prendra sens quand je vous montrerai plus tard un montage se servant de cette batterie, avec ces points de mesure câblés)

Au niveau des sorties de puissance, j’ai mis en place un fusible de protection électrique (de 1, 2, 3, ou 5A), afin de protéger les batteries, en cas de court-circuit franc, ou surcharge trop importante en courant. La valeur de ce fusible sera à ajuster en fonction du niveau de protection que vous souhaitez, et également en fonction de ce que vous souhaiterez alimenter. À noter que j’ai utilisé ici un fusible de type automobile (taille « moyenne »), histoire de faire simple.

Ensuite, la puissance est dirigée vers quatre borniers : 3 prises XT30, et 1 bornier à vis. Ainsi, vous pourrez facilement alimenter vos montages avec, selon ce qui vous arrange le plus (au niveau branchement, j’entends).

Enfin, j’ai intégré un voltmètre, qui viendra se fixer sur le PCB final. Ce voltmètre vous permettra d’afficher la tension du pack d’accus 18650, à la demande. En effet, un interrupteur à poussoir permet la mise en marche ou l’arrêt de ce voltmètre, afin d’économiser l’énergie des batteries au maximum. Perso, je m’en sers uniquement pour jeter un coup d’œil rapide, pour « estimer » l’état de décharge de cette batterie, après usage.

Voilà ! Je crois que nous avons fait le tour de ce schéma, et des explications qui vont avec. À présent, passons directement à la réalisation du circuit imprimé, pour donner vie à ce montage !

Réalisation du circuit imprimé PCB

Le PCB est tout simplement un circuit imprimé à 2 faces, avec essentiellement un plan de masse à l’arrière. Voici d’ailleurs un aperçu de sa face avant (côté composants, donc) :

Au passage, je vais vous mettre ci-après le fichier Gerber de ce circuit imprimé, si vous souhaitez le reproduire à l’identique (fichier Gerber, projet coupleur accu 18650 3S).

À noter que j’ai « glissé » trois composants CMS sur ce circuit imprimé. Il s’agit de 3 résistances SMD, au format 1806, notées R1 / R2 / R3. Je les ai employées pour deux raisons :

• D’une part, pour vous familiariser avec la soudure de composants en surface (assez facile à faire, même si vous débutez la soudure à l’étain, car le format « 1806 » est plutôt « grand », comparé à bon nombre d’autres formats de composants CMS)
• Et d’autre part, par soucis de gain de place, tout simplement

D’ailleurs, je vous recommande de les souder en premier, histoire de faciliter leur montage (sinon, le support d’accus 18650 pourrait partiellement vous gêner).

Ah oui… tant que j’y pense : faites attention au sens de montage de l’interrupteur à poussoir, permettant l’alimentation ou non du voltmètre. Même si, dans l’absolu, cela n’a pas grande importance (à savoir si l’afficheur s’allume quand l’interrupteur à poussoir est enfoncé, ou lorsqu’il est relâché !). Mais pour être sûr, veillez plutôt à faire allumer le voltmètre lorsque l’interrupteur est enfoncé 😉

Avant de faire vos essais :

• Assurez-vous que vos accus 18650 soient suffisamment chargés, et mis dans le bon sens. En effet, ceux-ci sont disposés de manière à ce qu’ils aient tous leur « + » en haut du PCB, et leur « – » en bas (comme représenté sur le petit dessin, présent en bas à gauche du circuit imprimé). Et faites toujours preuve de vigilance lorsque vous manipulez des batteries lithium-ion, pour éviter tout risque, pour vous et votre environnement.
• Pensez également à mettre un fusible de calibre adapté à vos accus, et à la charge que vous prévoyez de mettre sur cette batterie. Perso, j’utilise des fusibles de 1A, 2A, 3A, et 5A, suivant les applications que j’en fait. Je vous déconseille d’aller au-delà, pour ne pas risquer d’endommager vos cellules lithium ion, de même que pour éviter de trop faire chauffer les pistes du PCB (même si cela ne devrait pas arriver facilement, compte tenu de leur taille vraiment importante ici).

Voici quelques photos du coupleur accu 18650 réalisé de mon côté (avec fusible de protection 1A monté sur son support) :

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Coupleur accu 18650 : essais et conclusion !

De mon côté, tout fonctionne à merveille. Voici d’ailleurs toutes les mesures que j’obtiens, après avoir mis mes accus li-ion NCR18650B en place :

• Valeur affichée au voltmètre, fixé sur le PCB : 10,9 volts
• Valeurs mesurées au multimètre :
  • Sur la borne « 3,7V » : 3,67 volts
  • Sur la borne « 7,4V » : 7,33 volts
  • Sur la borne « 11,1 V » : 10,99 volts (c’est d’ailleurs la tension qu’on retrouve en sortie, aussi bien sur les XT30, que sur le bornier à vis)

Du reste, concernant la mise en œuvre pratique de cette petite alim 18650 portable, je vous ferai prochainement un article sur la réalisation d’une voiture radiocommandée à 3 roues, pilotée par Arduino ! Ainsi, vous verrez comment l’interconnecter, et surtout, comment se servir des bornes de mesures des accus !

Pour l’heure, voilà qui conclut ce petit article sur cette batterie lithium ion portable. J’espère qu’elle pourra vous servir autant qu’elle me sert au quotidien, dans mes montages « nomades », ou du moins, qu’elle vous permettra de faire vos premiers pas en électronique, si vous débutez ! Pour ma part, il ne me reste plus qu’à vous dire à bientôt, pour un prochain tuto ! Alors à très vite 😉

Jérôme.

À découvrir aussi : l’ensemble des projets réalisés sur ce site !

(*) Mis à jour le 21/09/2021