Qu'est-ce que l'électricité et comprendre les batteries [Construire un drone #2]

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Photo by Jesse Collins | Licence

Bonjour à tous !

Pour ce second épisode de la série qui vous présente les différents aspects d'un drone j'aimerais vous parler des batteries mais avant cela on va passer un peu de temps sur ce qu'est-ce que l'électricité afin de pouvoir mieux comprendre comment on choisi la batterie (et ce que l'on aura appris servira aussi pour la suite, notamment pour l'article sur le contrôleur de vol). De plus on va avoir besoin de pas mal de batteries que ce soit pour alimenter le drone, la télécommande, les lunettes FPV et l'Action cam(servant à enregistrer).

Qu'est-ce que l'électricité ?

Lorsque l'on cherche à expliquer les bases de l'électricité on utilise souvent l'analogie de l'eau, en effet, de nombreux aspects peuvent s'y apparenter mais ce n'est pas un long fleuve tranquille.

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Source : Pixabay, Auteur : torstensimon, Licence : CC0

Dans notre cas la batterie peut être considérée comme un réservoir d'eau sous pression que l'on connecterait à un circuit et dont la pression diminuerait au fur et à mesure que l'eau sort. La tension (notée U et exprimée en Volts(V) dans le système international) qui est caractérisée par une différence de potentiel électrique à différents endroits d'un circuit est donc désormais une différence de pression dans le circuit (et comme pour l'eau, si on connecte un tuyau avec une forte pression à un tuyau de faible pression, on crée un courant, sauf qu'en électricité ce courant peut-être si élevé que cela peut créer un court-circuit dû à la faible résistance du chemin). Le courant électrique I (exprimé en Ampère (A)) est assez parlant, on peut le comparer au courant de l'eau circulant dans les tuyaux sauf qu'à la place des molécules d'eau, ce sont des charges électriques (négatives dans un sens, les électrons, et positives dans l'autre sens, les cations).
On peut d'ailleurs comparer les équations permettant d'obtenir une puissance électrique : P (en Watts(W)) = UI et la puissance hydraulique P = pQ (p la pression en Pascal (Pa) et Q le débit en m^3/s) .

La résistance R (exprimé en Ohm(Ω)) quant à elle est souvent comparée à la largeur des tuyaux utilisés, je ne suis pas certain que cette dernière analogie soit très précise (notamment à cause de la chaleur produite par les résistances lorsqu'elles sont traversées par de forts courants) mais elle est suffisamment claire et correcte pour cet article, donc plus un fil ou un tuyau est large, moins il y a de résistances.

Voilà tout ce dont vous aurez besoin de savoir à propos des unités de l'électricité pour la suite de l'article ! :)

Comment est-elle produite ?

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Source : Pixabay, Auteur : luctheo, Licence : CC0

Pour cette partie je vous conseille d'aller jeter un oeil au premier article de la série de @zonguin qui aborde ce sujet.

Présentation des besoins :

Lorsque l'on cherche des batteries pour un drone de course on cherche en priorité quelque chose de léger (le poids est toujours l'ennemi numéro 1 de tout ce qui vole), qui a une bonne capacité et qui peut fournir beaucoup de courant sur demande. Il ne nous reste plus qu'à comparé les différentes technologies et produits en utilisant ces critères pour choisir nos batteries.

Comment fonctionne une batterie ?

Mais tout d'abord, comment fonctionne une batterie ? Pour cette partie nous prendront pour exemple les batteries LiPo (pour Lithium Polymer) qui sont les plus populaires dans le milieu des drones de course actuellement. On va aussi parler de quelques lois de l'électricité pour mieux comprendre leur fonctionnement.

Donc comme on l'a dit dans la première partie, on peut comparer la batterie à un réservoir d'eau sous pression et elle possède plusieurs principales caractéristiques dont : sa tension (qui peut s'apparenter à la pression) et sa capacité (qui pourrait être assimilié à la quantité d'eau présente dans le réservoir) exprimée en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure) soit le nombre d'Ampères que peut fournir la batterie pendant 1 heure.

Une batterie au lithium est composée d'une ou plusieurs cellules, sorte de brique élémentaire d'une batterie, on peut les relier entre elles de différentes manières afin d'augmenter la tension ou la capacité. Mais pour être reliées entre elles, elles doivent avoir la même tension, capacité et comportement à la charge et à la décharge (si elles sont trop différentes vous risquez de les endommager), c'est aussi pour cette raison que les chargeurs de batteries s'occupent aussi d'équilibrer les différentes tensions.

Les cellules de Lipo classiques ont une tension nominale de 3.7V, cela indique que lors d'une décharge classique, la batterie passera la plupart du temps au tour des 3.7V. En général les batteries Lipo sont chargées à 4.2V par cellules puis utilisées jusqu'à 3.5V, on n'ira ni plus haut ni plus bas au risque de les endommager, en effet après le seuil bas la tension diminue beaucoup plus rapidement et on risque de ne plus pouvoir les charger ou de diminuer leur durée de vie :

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Capture d'écran des résultats d'une simulation SciLab de décharge d'une batterie au lithium

En abscisse on a le temps écoulé en secondes et en ordonnée la tension de la batterie (composée de 3 cellules en série). Malheureusement on ne voit pas sur cette simulation la chute de tension au début de la charge, en effet pendant la première partie de la décharge la tension de la batterie va rapidement chuter de 12,6V à environ 11.6V. Bien sûr le temps quemettra une batterie pour se décharger dépendera de sa capacité et de l'intensité fournie.

Chaque cellule dispose de 2 électrodes plongées dans l'électrolyte dont la composition dépend de la technologie mais le principe reste relativement proche :

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Par Barrie Lawson. [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Une des électrodes, la cathode, "cherche" à se débarrasser d'électrons produits par réactions chimiques et l'anode a besoin d'électrons pour réagir ce qui a pour effet de créer un courant, un déplacement de charges (un électron étant chargé négativement il va se déplacer de la cathode (-) vers l'anode (+)), lorsque l'on connecte un circuit aux deux électrodes on obtient donc une tension.

Comment utiliser plusieurs cellules ?

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Capture d'écran dans le logiciel KiCad d'un circuit de 3 cellules en série.

Si on les branches en série, les tensions vont s'additionner mais la capacité restera égale à la capacité d'une cellule (si elles sont toutes identiques). On notera le nombre d'éléments en série devant la lettre S, par exemple une batterie LiPo 4S aura une tension nominale de 14.8V (3.7*4).

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Capture d'écran dans le logiciel KiCad d'un circuit de 3 cellules en parralèle.

Si on les branche en parallèle, la tension sera identique (toutes les bornes + et - étant reliée) mais les capacités s'additionneront et cette fois on utilisera la lettre P. Donc si par exemple on utilise une batterie Lipo 3S2P avec des cellules de 3.7V ayant une capacité de 1Ah, on aura une batterie de 11.1V et 2Ah utilisant 6 cellules :

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Et il y a un dernier paramètre dont on doit parler : C.
C'est est un coefficient (sans unité donc) permettant de connaître le courant maximum que peut fournir une batterie, par exemple une batterie de 2Ah (ampère-heure, pouvant fournir 2A pendant 1 heure) et 10C peut fournir jusqu'à 20A (10*2). Pour un drone de course ce nombre doit être plutôt élevé, la plupart des pilotes utilisent des batteries ayant entre 45 et 100C. Un C élevé permet de ne pas provoquer de chutes trop importantes de tension lorsque que les moteurs consomment beaucoup de courant (lors des accélérations).
Parfois on peut voir un nombre appelé C Burst, cela indique le nombre de C maximum que peut encaisser la batterie sur une courte durée (généralement 10 secondes maximum).

Les technologies sur le marché :

Lors de mon "Projet Interdisciplinaire" de terminale des Sciences pour l'Ingénieur, j'ai dû m'occuper du choix et du dimensionnement des batteries de notre robot, et après pas mal de recherches, je suis arrivé à ce tableau suivant (je vous accorde que certains paramètres sont plutôt subjectifs mais cela permes tout de même de se faire une idée):

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Chacune de ces technologies a ses avantages et ses inconvénients, les batteries au plomb ne sont pas chères et peuvent effectuer beaucoup de cycles mais sont très lourdes. Quant aux NiCd, l'effet mémoire est un gros inconvénient et les batteries aux lithium sont plus légères, fournissent beaucoup de courant mais ont une durée de vie plutôt courte et peuvent être dangereuses si mal manipulées (tension trop faible ou trop élevée, courant trop important, court-circuit, perforation).

Comparaison des énergies massiques des différentes technologies

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Source Barrie Lawson CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

On remarque aussi que les batteries au lithium possèdent la plus grande énergie volumique (les batteries au plomb et NiCd serait bien trop lourde pour nos besoins). On partira donc sur des batteries Lithium Polymer (Lipo). Puis pour départager les différentes batteries lithium on va regarder le prix, le nombre de C, la tension et les cycles.

Voilà en gros les différentes technologies, je ne voulais pas entrer trop dans les détails ici car ils existent énormément de types de batteries (rien que pour les Lipo il existe encore différentes spécificités telles que les High Voltage, les Graphene, les Nano, ...) et ont pu y passer des heures à tenter de les comparer (il est peut-être nécessaire de passer ce temps sur certains projets mais ici le tableau ci-dessus, le budget ainsi que l'expérience des pilotes FPV suffit à faire notre choix).

Choix du nombre de S de P, de la capacité, du nb C...

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Maintenant que l'on a vu tout ce dont on a besoin le choix ne devrait plus être très difficile, quoique... il faut encore choisir la tension ainsi que la capacité !

Pour ce drone j'ai choisi de prendre des batteries LiPo 4S1P 1,5Ah 45C car elles sont légères (si vous ne volez pas avec une caméra vous pouvez prendre des capacités plus élevées mais attention à ne pas mettre trop de poids si vous voulez conserver une bonne vitesse), peuvent fournir beaucoup de puissance grâce aux 45C et les 4 cellules permettent d'avoir un peu plus de punch pour les moteurs (on verra dans un prochain article pourquoi mais en gros, plus la tension est élevée, plus les moteurs pourront tourner vite). De plus cela me permet d'avoir un temps de vol de 3 à 5 minutes selon le pilotage.Mais ce choix implique de choisir le reste du matériel en fonction de ces batteries et de faire attention aux différentes tensions de fonctionnement des autres composants (voir la liste de matériel dans l'introduction).

Voilà tout pour aujourd'hui j'espère que cet article vous a plu et n'a pas été trop barbant ^^

Sur ce je vous dis à bientôt et vous laisse avec ce petit gif (légèrement accéléré) issu d'un vol effectué hier :

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Sommaire de la série :

Aller plus loin :

Sources :

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C'est le genre de projet qui me ferait tellement marrer a faire maintenant... Mais je n'ai juste plus de temps a moi :p

Dommage, si tu reviens sur Strasbourg je te le ferais essayer si tu veux :)

Je dois aller a Freiburg en octobre. Peut-etre que je pourrais faire un petit crochet ;)



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Nous étions passé totalement à coté de ce superbe article ! Voici l'erreur à présent réparé avec un upvote à 100% de notre part !

Bon article, bien expliqué. Upvoté !

Merci :)