Batterie LFP
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Technique


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Electricité



Batterie LFP
Super B :
l'énergie à faible poids
novembre 2011

Récemment introduites sur le marché français, les batteries LFP (lithium fer phosphate) Super B rencontrent un franc succès dans le monde ULM, ceci en dépit d'un coût supérieur aux accus conventionnels. Une confiance immédiate montrant la maturité du mouvement ULM qui, contrairement à l'aviation classique, recherche l'innovation afin d'améliorer les aéronefs.





A l'origine : le plomb

La batterie plomb-acide, quelle que soit sa technologie, est une référence ''étalon'' pour l'industrie. Inventée en 1859 par Gaston Planté, elle s'est rendue indispensable pour démarrer les moteurs thermiques, entretenir des sécurités de veille, alimenter des engins élévateurs, des voitures de golf, des bateaux, ou conserver l'énergie de production éolienne ou solaire. La batterie au plomb a de nombreux avantages au rang desquels sa simplicité technique qui permet de l'utiliser dans des conditions difficiles, une recharge facile avec un matériel sommaire, une possible récupération, un recyclage à 97%, un prix acceptable en dépit des fluctuations du cours du plomb et aucun effet mémoire. La durée de vie moyenne d'une batterie plomb-acide est de 3 à 5 ans, avec un nombre de cycles de charge compris entre 500 et 1500. Inconvénient, la batterie au plomb pèse lourd (et pour cause), délivrant une énergie massique comprise entre 30 et 50 Wh/kg. C'est pourquoi dès qu'on a besoin de gagner du poids (planeur, compétition auto, moto, karting...) on imagine des solutions permettant de se passer de batteries conventionnelles, n'embarquant qu'un minimum d'accus destinés aux instruments et accessoires. Plusieurs causes peuvent dégrader prématurément une batterie plomb-acide : la décharge complète, l'oxydation des bornes, l'oxydation des électrodes ou le cyclage. Si on ne peut pas grand chose pour éviter les deux dernières causes, l'utilisateur peut prévenir les premières en conservant ses batteries chargées et en entretenant leurs bornes. Il existe des chargeurs ''intelligents'' qu'on peut laisser brancher en permanence et qui réalisent un ''entretien'' de charge (Optimate de Tecmate en est un exemple connu).



Technologie nickel

Pour nos ULM et avions légers, l'inconvénient majeur d'un batterie plomb-acide est le poids. Pour alléger nos aéronefs, il faut donc se tourner vers d'autres technologies. Or la science avance entraînant dans son sillage la technologie des batteries. Et la demande grandissante (vélos électriques, voitures, mobiles urbains...) enrichit les marchés. La première génération de batteries modernes requiert l'emploi de métaux semi-rares, le nickel et le cadmium (Ni-Cd). Cet accumulateur rechargeable utilise de l'oxyhydroxyde de nickel et du cadmium comme électrode. Cette technologie ''grand public'' d'un coût accessible dispose d'une énergie massique de 45 à 70 Wh/kg. Faciles à utiliser, les batteries Ni-Cd sont désormais dépassées, et de plus interdites en Europe sous leur forme ''portable'' (ou piles rechargeables) suite à une directive 2066/66/CE interdisant l'utilisation du cadmium pour ces produits. Les avantages sont une grande souplesse d'utilisation (-50°C à +70°C), une charge facile sans matériel sophistiqué, une grande résistance mécanique et électrique, une fiabilité hors du commun. Les inconvénients sont une forte auto-décharge (10 à 20% par mois), un effet mémoire prononcé et un recyclage polluant (voire dangereux). La durée de vie d'accumulateurs Ni-Cd est supérieure à 3 ans ou 1500 cycles en moyenne. Du fait de leur faible restitution instantanée, ils sont principalement employés pour entretenir des systèmes de sécurité ou des dispositifs de faible puissance. Le mariage du nickel avec le zinc (Ni-Zn) a permis d'augmenter sensiblement l'énergie massique (70 à 80 Wh/kg) et surtout la puissance instantanée. Le mariage avec de l'hydrure de métal (Ni-MH) a permis d'améliorer l'énergie massique (jusqu'à 100 Wh/kg), et surtout de livrer une puissance instantanée de l'ordre du kW par kg (mieux qu'une batterie plomb-acide), mais au prix d'une auto-décharge supérieure à 30% par mois. Finalement ces technologies n'ont pas débouché dans les programmes industriels de grande échelle dans le monde des fortes puissances (automobile, moto, avions...).



Technologie lithium

Les technologies suivantes faisant appel au lithium sont plus prometteuses. Plusieurs procédés existent. Lithium-ion quand le lithium reste à l'état ionique grâce à un composé d'insertion sur les deux bornes (généralement en graphite pour la borne négative et dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer... pour la borne positive). Selon les méthodes de fabrication, on attend d'une batterie Li-ion une énergie massique de 100 à 180 Wh/kg avec une énorme puissance instantanée de 1500 W/kg. En revanche le nombre de cycles de charge est inférieur à 1000. Cette technologie utilisant des matériaux rares comme le cobalt sont très coûteuses et peuvent présenter des risques à l'utilisation (dégagement de gaz, explosion). Les accumulateurs lithium-polymère utilisent un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et possèdent des caractéristiques proches. Ils délivrent un peu moins d'énergie (100 à 130 Wh/kg), sans être beaucoup plus sûrs. C'est la technologie Li-Po (marque Kokam - Chine) qu'utilisent les constructeurs Yuneec ou Electravia pour leur ULM et avions. Contrairement à ce qui est souvent annoncé, leur durée de vie théorique est l'une des moins élevée, avec une moyenne estimée inférieure à 500 charges. Ensuite viennent les variantes au rang desquelles la technologie LMP (lithium métal polymère) dont l'utilisation est exigeante (température de fonctionnement élevée) et l'énergie massique quelconque (110 Wh/kg). En revanche ces batteries sont sûres, très peu polluantes, sans effet mémoire et d'une excellente tenue dans le temps (on parle de dix ans).



Technologie LFP (lithium fer phosphate)

Inventée par John Goodenough de l'Université du Texas, l'électrode au phosphate de fer a immédiatement intéressé les fabricants de batteries pour ses qualités intrinsèques. Requérant l'usage de matériaux courants (moins coûteux que le Li-ion, Li-Po ou LMP) et très peu polluants, cette technologie s'inscrit dans une synergie d'avenir. Sur un plan technique, la batterie LiFePo4 montre une stabilité remarquable à l'usage, y compris dans les hautes températures, cela au prix d'une énergie massique quelconque (70 à 90 Wh/kg). On constate en revanche une puissance instantanée supérieure à 2000 W/kg et l'une des meilleures espérance de vie (5 ans minimum et plus de 2000 cycles de charge). Les batteries LFP nécessitent un dispositif de charge spécifique pour batteries lithium avec mention LiFePo4. Elles supportent les températures extrêmes (-20°C à +60°C), n'ont aucun effet mémoire et subissent une très faible auto-décharge (1% par mois).



Les batteries Super B

L'inventeur de la batterie Super B est Prins Doornekamp. Cet ingénieur hollandais spécialiste en électronique a développé ce produit en 2007 en réponse au problème du poids et de la durée des batteries en enduro moto (sa passion sportive). Il a donc sélectionné le lithium fer phosphate et a débuté la commercialisation après 3 ans de tests réalisés avec différents teams, vérifiant la résistance aux vibrations sur des épreuves très dures comme le Paris-Dakar. Depuis 2010 il se consacre exclusivement aux batteries Super B et à implanter les usines dans le nord de la Hollande à Hengelo, ce qui lui permet d'avoir une proximité avec sa clientèle et de pouvoir contrôler chaque étape de production. L'aviation légère est un marché en plein développement pour Super B qui est par ailleurs présente dans le monde de la compétition moto, auto, karting...
Super B propose aujourd'hui une gamme de batteries LFP haute énergie de poids et encombrement réduits. Totalement étanches, inclinables en toutes positions, les batteries Super B ne génèrent aucune émission gazeuse et pas de perte d'électrolyte. Elles sont d'une grande stabilité thermique et supportent les charges rapides (grâce à une interface électronique BMS). Sans risque pour l'environnement ou les individus, elles ne contiennent pas d'élément toxique. De plus leur cathode très stable ne relâche pas d'oxygène responsable des explosions et feux de piles Li-ion.
Les batteries Super B comprennent toutes un système VMS qui permet l'équilibrage de la charge dans les différences cellules et chaque pièce des batteries Super B a été dessinée afin d'en renforcer les performances (casing, résistance...). Elles se rechargent très rapidement : il suffit de 5 minutes après démarrage du moteur pour recharger complétement l'accumulateur. L'avantage de n'avoir aucun effet mémoire est que la recharge d'une batterie à moitié déchargée n'affecte sa durée de vie que d'un demi-cycle. Les batteries Super B sont garanties 2 ans.



Gamme aviation légère

La gamme Super B Aircraft dispose de deux modèles pour le démarrage des moteurs 2 et 4 temps conventionnels pour ULM : réf. 7800 pour les Rotax 503, 912 UL et ULS ; réf. 10P pour les 582, 914 UL, Jabiru 2.2... Pour les planeurs ou ULM minimalistes nécessitant l'alimentation de radio, transpondeur ou instruments, des batteries plus petites (réf. 2600 ou 5200) et très légères semblent plus adaptées. Dans ce cas et en l'absence de générateur dédiés à la recharge, un chargeur externe est indispensable. Super B préconise l'emploi d'un chargeur spécial pour batteries LiFePo4. L'équipementier propose un chargeur dédié (pour batt. 2600 et 5200) d'une puissance de 2,5 A sous 14,4 volts au prix de 98 euros ttc (modèle mural). Le spécialiste de la charge ''intelligente'' Tecmate vient de mettre sur le marché un chargeur spécifique, le OptiMate lithium (TM-290) d'une puissance de 5 A. Conçu pour les batteries LFP, il bénéficie d'une technologie ''Ampmatic'' qui gère les paramètres de la charge. Ainsi sont pris en compte la température ambiante, la taille de la batterie, les différences de potentiel des éléments de la batterie... S'ensuivent des fonctions de récupération, d'optimisation (équilibrage), des tests d'absorption et de rétention en fin de charge. Ce matériel est garanti 3 ans.


Chargeur Super B 2.5 A : 100 euros ttc.

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Chargeur OptiMate Lithium 5 A : 120 euros ttc.

Gamme Super B
Référence
B 2600
B 5200
B 7800
B 10P
B 15P
B 20P
V
12
12
12
12
12
12
Ah
2,6
5,2
7,8
10
15
20
Ah équiv.*
5 à 7
10 à 12
14 à 20
20 à 35
40 à 60
70 à 100
A continus
50
100
150
200
300
400
A max
150
300
450
600
900
1200
Poids kg
0,475
0,85
1,3
1,75
2,6
3,4
Wh/kg
66
73
72
69
69
71
W/kg
3789
4235
4154
4114
4154
4235
L
114
114
120
120
120
120
l
35
62
82
82
82
82
H
82
82
95
127
180
236
charge norm.**
4 A
7 A
14 A
14 A
14 A
25 A
temps
45 min
45 min
45 min
45 min
45 min
45 min
charge rap.**
10 A
20 A
30 A
40 A
60 A
80 A
temps
15 min
15 min
15 min
15 min
15 min
15 min
utilisation
-30°C à +60°C
-30°C à +60°C
-30°C à +60°C
-30°C à +60°C
-30°C à +60°C
-30°C à +60°C
stockage
-50°C à +60°C
-50°C à +60°C
-50°C à +60°C
-50°C à +60°C
-50°C à +60°C
-50°C à +60°C
Prix euros ttc ***
202
331
477
597
836
1075
* équivalence batterie plomb-acide
** sous 14.4 CCCV
*** public conseillé


Dans le cône arrière.


Au centre de gravité.


Près du moteur.


Batterie automobile de 12.4 kg contre batterie LFP Super B

de 850 g : cherchez l'erreur ! (photo bj)

La place de la batterie

Sur un avion, le remplacement de la batterie n'est pas sans conséquence. D'abord en terme de masse, puisque dans le cas présent c'est l'effet voulu, mais aussi en terme de centrage. Alléger un aéronef est une bonne chose dans tous les cas. Mais cet allègement ne doit pas modifier le centre de gravité en tangage. Ainsi certains constructeurs choisissent d'implanter la batterie loin du centre de gravité, ceci afin de réaliser le centrage en tangage. Cet emplacement peut changer d'une variante à l'autre d'un même aéronef, selon le type de moteur utilisé, les équipements, la présence d'un parachute... Si la batterie se situe à l'arrière de la queue, ou au contraire dans le compartiment moteur, la réduction de masse peut générer une modification du centrage ; un centrage arrière diminue la stabilité mais augmente la maniabilité alors qu'un centrage avant augmente la stabilité mais diminue la maniabilité. En dépassant les limites fixées par le constructeur, l'avion peut devenir incontrôlable durant les phases critiques du vol (décollage, décrochage, virage...). Bruno J. possesseur d'un Trophy 2000 - 912 a remplacé la batterie d'origine automobile d'une masse de 12.4 kg contre une Super B référence 5200 pesant 850 g. Gain net : 11,55 kg. Mais sur cet ULM, la batterie est placée sous le tableau de bord, sur la cloison pare-feu. Si le centrage d'origine était correct initialement, la modification entraîne un centrage arrière prononcé. Bien que sa machine reste stable et pilotable après un premier vol, Bruno doit redéfinir le centrage de son ULM. S'il dépasse la limite arrière, il devra transformer le faisceau électrique afin de ré-implanter la batterie plus à l'avant, dans le compartiment du moteur. Seul un calcul de centrage peut définir si la nouvelle configuration est acceptable ou non.
De même, lorsqu'on remplace la batterie par un autre modèle, les dimensions du boîtier vont sûrement changer. Il est important que le logement soit modifié en conséquence. Si la batterie est plus petite, il suffit de positionner des cales, par exemple en polystyrène (avec un peu d'adhésif double-face pour les immobiliser). Le système de bridage doit être adapté. La tenue de la batterie est essentielle. En cas de turbulence violente, la batterie peut sortir de son logement, être éjectée et entrer en court-circuit, avec les risques que cela implique (feu, explosion...). Donc on doit impérativement réaliser un bridage efficace et tester ce bridage. Côté connectique, il se peut que les cosses ne soient pas du même modèle. Là encore aucune improvisation n'est permise.


Super B 7800 (7,8 Ah) : 1,27 kg

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Power Safe SBS 8 (7 Ah) : 2,7 kg

Super B en France

Contact : Randkar SA - 44320 Frossay - 02 40 64 21 66 - contact@randkar.fr - www.randkar.fr

Contact : ULM Technologie - 59121 aérodrome de Valenciennes Prouvy - 03 27 33 20 20 - 05 61 55 20 75 - ulmtechnologie@wanadoo.fr - www.ulmtechnologie.com

Contact : Volez Diffusion - 38 rue Thiers - 94731 Nogent-sur-Marne cedex - 01 49 74 69 69 - volez@volez.com - www.volez.com

Contact : Super B - 06 45 77 32 23 - a.eppler@super-b.com - www.super-b.com


Voir la vidéo

www.youtube.com/watch?v=iGyeT1P2pOU
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Détails

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Avant toute intervention sur le circuit électrique, isoler la batterie.

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Commencer par débrancher la borne négative.


Mesurer le logement de la batterie afin de préparer les cales.

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Mesurer précisément la batterie pour affiner la préparation des cales.


Choisir un matériau léger pour la fabrication des cales.

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Préparation des cales.


Mise en place des cales avec un adhésif double face.

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Vérifier que la batterie est bien calée dans son logement et que les cales tiennent bien.


Ne pas oublier de brider la batterie avec une bride adaptée à son format.

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Commencer par rebrancher la borne positive.


Serrer les vis des bornes modérément.

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Avant de tester le démarrage, s'assurer que l'aéronef est bien immobilisé et que personne ne tourne autour.


Bornes mâles M6.

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Bornes mâles M8.

Borne M6 en place.

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Borne M8 en place.


Borne sécurisée Super B...

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... et son contact à sertir.


Câble nu...

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... câbles montés.

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