Stockage d'énergie à partir des batteries usées

From Communauté de la Fabrique des Mobilités


Batterie de seconde-vie des trottinettes électriques

bib-batteries.fr
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L'objectif est d'optimiser la réutilisation des cellules de batteries considérées comme hors-service.


Organizations using or interested in using the resource:

Contributor(s): Martinvaz, Pierre-Amans

Tags: Open Challenge, Trottinettes électriques, batterie

Categories: Données, Matériel

Theme: Voiture électrique et charge, Vélo et Mobilités Actives, Données ouvertes, Open HardWare

Referent:

Challenge: Challenge sur la 2nde vie des électrottinettes, L'extrême défi ADEME

Key people to solicit:

Other related common:

Wealth sought: Financement, Contributeur - Communauté

Required skills: Energie, Partie prenante

Community of interest: Communauté des acteurs des Challenges de la Mobilité, Communauté du challenge de seconde vie des trottinettes électriques, Communauté de l'extrême défi

License: CC-BY-SA 4.0

Terms of Service (TOS):

Level of development: POC et 1er client

Link to my actions board:

Link to my cloud, wiki, drive…: https://cloud.fabmob.io/s/DritWyqGwnDGRHb

Needs:

Next step: Avoir un approvisionnement de qualité et prévisible en batteries qualifiées, grâce à un test performant -> Association avec les opérateurs de la mobilité

Travailler avec un partenaire pour la transformation -> Recherche d'un partenaire industriel de fabrication de batteries

Explorer les applications pertinentes, et ne garder que les meilleures. En fonction de chacun des cas d'usages il convient de choisir la batterie la plus adaptée -> Test de toutes les pistes d'utilisations.

Documentation of the experimentations: ---

Introduction

Les batteries sont l'un des composants le plus polluants des trottinettes électriques. Les technologies pour leur recyclage (hydrométallurgie et pyrométallurgie) ne sont pas encore suffisamment au point pour être éco-responsables. Notre objectif a donc été de construire une nouvelle batterie à partir d'anciennes batteries de trottinettes.

N'hésitez pas à nous contacter si vous avez des questions sur cette réalisation, nous serons ravis d'en discuter ! Voici nos adresses : martin.vaz@bib-batteries.fr et pierre-amans.lapeyre@bib-batteries.fr

Matériel nécessaire et coûts associés

  1. 130 cellules lithium-ion 18650 - 0€ (récupération) - La source de toute batterie
  2. Soudeuse à points et bande de nickels - 40€ - La soudeuse à points sert à souder les cellules entre elles grâce aux bandes de nickel, et former le pack de manière sécurisée.
  3. Fer à Souder - 20€ - Il sert à souder les connecteurs au pack batterie.
  4. OPUS BT-C3100 - 25€
  5. Megacell Charger - 160€ - C'est un équipement assez cher mais il permet d'avoir un test précis des cellules, et de pouvoir les disposer de manière intelligente (voir la description du BMS)
  6. BMS (battery management system) : Daly BMS 48V 50 A - 60€ - Le BMS est l'intelligence de la batterie. Si l'usage que vous prévoyez en vaut le coup, il ne faut pas hésiter à prendre un bon BMS. Il garantira des charges et décharges homogènes, et évitera un vieillissement prématuré de votre batterie. Le modèle que nous avons choisi est lié en bluetooth à un smartphone et permet de suivre de nombreuses données de la batterie.
  7. 260 supports plastiques pour cellules 18650 - 5€ - Support pour placer les cellules, juste avant la soudure
  8. PCB + Ports USB - 10€ - Circuit imprimé qui gère les ports USB et permet l'utilisation finale de la batterie.
  9. Matériel pour le casing - 50€ - Rien de très original ici. Nous avons utilisé des planches de bois pour faire de notre batterie une petite valise, facilement transportable. N'hésitez pas à choisir un casing étanche si vous prévoyez un usage en extérieur pour votre batterie.

Etapes de la réalisation

Voici deux liens desquelles nous nous sommes inspirés pour notre réalisation (vidéo 1, vidéo 2).

1. Récupérer les batteries hors d'usage

Dans les petites mobilités, les batteries sont composées de cellules 18650, avec une chimie NMC. Comme la base de notre projet est la récupération de ces cellules, il n’y a pas besoin d’utiliser un modèle précis de batteries pour réaliser le montage que nous présentons. Selon les modèles, il y a environ 50 cellules par batteries. Pour réaliser notre batterie, nous avons utilisé 4 batteries (200 cellules), dont nous avons gardé 130 cellules.

2. Identifier les pannes possibles

Lors de nos recherches, nous avons identifié 3 pannes principales :

  1. Problème de connecteur, qui fait que la recharge ou la décharge ne s'effectue plus.
  2. Problème de décharge profonde. Afin d'éviter de trop dégrader la batterie, le BMS (Battery Management System) peut s'éteindre. Il est alors nécessaire de passer par une phase d'activation pour le faire marcher de nouveau. Ce processus se fait soit par recharge lente ou grâce à des lignes de code (cf cette vidéo)
  3. Cellules court-circuitées. Toute la batterie est dégradée alors que seulement certaines cellules sont vraiment HS.

3. Démonter les cellules

Cette opération se fait avec une pince coupante, pour ôter les plaques de nickel auxquelles sont soudées les cellules d'une même batterie. Attention, il convient de faire attention aux courts-circuits entre les différentes bandes de nickels, pour éviter tout problème.

Si vous n’avez encore jamais démonté de batterie, nous vous conseillons de regarder cette vidéo explicative.

4. Trier les cellules

La qualité d'une cellule dépend grandement de la renommée du fabriquant. Il faut garder en priorité les cellules des marques connues (Samsung, Panasonic, LG ou Sanyo).

Attention, durant cette étape, on vous conseille de bien identifier chaque cellule, pour pouvoir la retrouver facilement par la suite.

Test Opus
Test des cellules avec le testeur Opus

a. Tester à l'aide du chargeur Opus BT-C3100 les cellules

En sortie de l'Opus, nous avons les données suivantes :

  1. Capacité restante de la cellule (capacité nominale 3200mAh). Pour garder ou non une cellule, nous avons fixé le critère de capacité minimum à 2000 mAh. Nous avons fixé ce critère pour avoir une batterie relativement compacte, comparée à sa capacité totale. Petit rappel technique. La capacité en Wh est égale à la capacité en Ah, multipliée par la tension.
  2. Résistance interne de la cellule. Nous avons gardé uniquement les cellules dont la résistance interne était inférieure à 150 mOhm. Lors du cyclage des cellules plusieurs phénomènes chimiques qui dégradent l'efficacité de la cellule comme par exemple la formation d'une SEI (solide electrolyte interface) ou encore la formation d'une couche privée d'oxygène comme du NaCL par exemple (cf Thèse d'Eduardo Redondo Iglesias : Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications ”véhicule électrique” : combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage). La résistance interne est révélatrice de l'usure de la cellule et donc de son reste à vivre. Le chiffre de 150 a été choisi sur des bases expérimentales (entre autres de Virvolt).
Résultats du Logiciel MegaCell Chargeur
Résultats du Logiciel MegaCell Chargeur


b. Tester à l'aide d'un megacell chargeur. Le principal avantage réside dans la gestion des cellules grâce au logiciel fourni avec.

Le logiciel du megacell chargeur nous fournira les données suivantes :

  1. Capacité restante
  2. Résistance interne de la cellule
  3. Résultat du test de chute de tension
  4. Température maximale que la cellule atteint

On appliquera les mêmes conditions de sélection des cellules que dans le cadre du précédent test.

5. Tester l'auto décharge des cellules

Cette opération est encore assez longue, puisqu'il faut laisser les cellules de côté pendant 10 jours, avant de retester leur tension. Nous avons gardé uniquement les cellules qui avaient perdu moins de 0,05 V de tension pendant ce test, là encore sur les conseils de Virvolt. Si les cellules perdent trop vite de la tension, alors la batterie risque de vieillir trop vite.

6. Concevoir la batterie de seconde-vie

Schéma de notre batterie

Nous avons réalisé le schéma de la batterie que nous voulions. De gauche à droite, nous retrouvons l’application smartphone qui suit la batterie, le pack batterie et son BMS, les connecteurs XT60, qui peuvent soit être branchés à un convertisseur pour arriver aux ports USB de tension 5V, ou alors directement branchés au chargeur 48V, pour une prise domestique.

A partir des caractéristiques que l'on souhaite avoir pour sa batterie, il faut décider son architecture, et en faire le schéma (XsYp).

Le nombre de cellules utilisées indique la capacité totale de la batterie, alors que la tension est donnée par le nombre de packs montés en série.

Notre choix a été de réaliser une batterie avec une tension de sortie de 48V (une tension élevée permet d’avoir une faible intensité par rapport à un système avec une tension plus basse pour une même puissance).. Nos cellules ayant une tension de 3,7V (qui est donc la tension d’un pack monté en parallèle), il fallait multiplier par 13 cette tension pour arriver à 48V. Ce calcul nous donne donc un besoin de 13 packs en série. Nous voulions une capacité de plus de 1,2 kWh, et nous avons choisi de faire des packs de 10 cellules (car nos cellules avaient une capacité moyenne de 9,2 Wh) . Nous avons donc fait une architecture 13S10P (des groupes de 10 cellules en parallèle, qui forment 13 packs en série).

Pour prendre un autre exemple, nous aurions pu choisir de faire une batterie avec 36V de tension de sortie, et avec toujours 1,2kWh de capacité. Nous aurions alors fait une batterie 10S13P.

Disposition des cellules, avant les soudures.
Disposition des cellules, avant les soudures.

7. Monter la batterie

Une fois l'architecture décidée, on dispose les supports plastiques pour cellules 18650 selon cette architecture, et on y insère les cellules. Là encore, le logiciel du MegaCell charger est très utile. Comme il enregistre les résultats des tests de chaque cellule, en fonction de l'architecture choisie, il conseille une disposition idéale des cellules, pour que votre batterie soit la plus équilibrée possible.

Pour la soudure, on utilise la soudeuse à points. On dispose les bandes de nickel sur les cellules, que l’on soude ensemble par la suite. Pour l’utilisation de la soudeuse à points, on vous conseille de regarder cette vidéo à partir de 7min30.

Ensuite, il faut souder les cellules entre elles, ajouter le BMS ainsi que le convertisseur pour passer du courant continu (48V) au courant alternatif (230V).

8. Lancer les premiers tests

Vous pouvez presque utiliser la batterie maintenant. Il reste à configurer le BMS, dont la méthode de mise en route est normalement donnée par le fournisseur. Le BMS se monte de manière très simple, et se configure facilement ensuite depuis l’application. Dans l’application on peut configurer des seuils de tension, d’intensité, et de températures minimales et maximales, en fonction des exigences pour la batterie.

Batterie Casing
Batterie Casing

Les différents usages

Une batterie de seconde vie convient à des applications pour lesquelles les batteries lithium neuves sont “trop performantes”. Les usages imaginables sont donc nombreux. Nous en avons identifié 4 principaux. :

  1. Stockage domestique : une batterie couplée à des panneaux solaires peut rendre une habitation autonome en énergie (6 kWh : 750 cellules).
  2. Stockage nomade : station de recharge nomade pour du camping (Taille: 4 kWh - 500 cellules)
  3. Applications publiques : Dans le cadre d'une municipalité, les batteries de seconde vie sont pertinentes pour remplacer des groupes électrogènes, ou stocker l'énergie pour de l'éclairage public autonome en énergie (grâce à un panneau solaire).
  4. Événementiel : stockage de substitution à un groupe électrogène. Idéal pour faire une station de recharge de smartphones portative, pour des systèmes audios pour les festivals, de l'éclairage etc. sans avoir à tirer des fils électriques partout.

Si vous avez d'autres idées, n'hésitez pas à nous écrire un mail, pour que l'on en discute (pierre-amans.lapeyre@bib-batteries.fr) - ou venez nous poser la question directement sur le Forum de la Fabrique des Mobilités !

De manière générale, une batterie lithium de seconde vie est une très bonne alternative aux batteries plomb. Elles vont être plus performantes et avoir une plus longue durée de vie, pour un coût similaire. Et elles sont une alternative économique et écologique pour les usages qui requièrent des batteries lithium, sans être trop exigeants.

Réalisation finale

Différentes configurations pour la batterie en sortie sont envisageables. Ce qui changera principalement entre ces différentes configurations, ce sont les tensions de sorties choisies : 5V / 12V / 24 V / 36 V / 48 V - 230V AC.

Nous avons choisi de faire 4 sorties en 5V pour pouvoir recharger des téléphones en USB lors de la journée de clôture du challenge. Nous avons aussi le matériel pour brancher une prise classique en 230V, et alimenter par exemple un ordinateur.

Empreinte carbone d'une cellule

D’après une étude publiée par l’institut Suédois de la Recherche sur l’Environnement, si l’on additionne les émissions engendrées lors de l’extraction des métaux nécessaires, la production de la cellule, et le recyclage, on trouve qu’une cellule lithium émet 100 kg eCO2 par kWh.

Allonger le cycle de vie d’une cellule permet de lisser cette empreinte carbone sur un temps plus long, et sur une plus grande capacité de stockage.

Quand on sait que la demande de batteries va être multipliée par 10 d’ici 2030, on imagine alors que les batteries de seconde-vie sont une opportunité pour satisfaire de très nombreux besoins.

Les axes d'amélioration

  1. Le démantèlement est une étape laborieuse. Pouvoir démanteler uniquement les batteries dont on sait préalablement que les cellules ont du potentiel pour une seconde-vie est un vrai avantage. Pour cela une seule piste envisagée pour l'instant : lecture du BMS, qui dans certains cas mesure les déséquilibres entre cellules, et qui peuvent nous renseigner sur l'état de celles-ci.
  2. Assembler les packs batteries sans démanteler les cellules. Cela permet de réduire les coûts de réutilisation des cellules.
  3. Certifier l'électronique de la batterie pour garantir la batterie.

Les prochaines étapes pour BiB

Avoir un approvisionnement de qualité et prévisible en batteries qualifiées, grâce à un test performant -> Association avec les opérateurs de la mobilité

Travailler avec un partenaire pour la transformation -> Recherche d'un partenaire industriel de fabrication de batteries

Explorer les applications pertinentes, et ne garder que les meilleures. En fonction de chacun des cas d'usages il convient de choisir la batterie la plus adaptée -> Test de toutes les pistes d'utilisations.

Présentation support de ce projet lors de la restitution du challenge sur la seconde vie des trottinettes électriques



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List of the workshop reports related to this common: