Passer aux batteries au lithium (LifePO4), la configuration électrique de mon RAM Promaster

La vie utile de ma batterie AGM 12V tirant à sa fin, j'ai décidé de passer aux batteries au lithium (LiFePO4), qui ont de multiples avantages par rapport aux AGM: durée de vie, efficacité, poids, dimensions... On gagne sur tous les tableaux, ou presque. Le seul inconvénient que je vois, c'est l'impossibilité de recharger la batterie sous le point de congélation, sous peine de les endommager.

Le plus gros avantage des batteries au lithium, c'est leur efficacité comparativement aux batteries AGM. Le problème avec les AGM, c'est que le voltage tombe sous 12V dès que  la batterie est déchargée à 50%, alors qu'une au lithium va conserver son 12V quasiment jusqu'à sa décharge complète. Pratiquement, on double presque son autonomie électrique lorsqu'on passe d'une batterie AGM  à une au lithium de même capacité.

Mais il a fallu que j'adapte mon système électrique, qui date de 2014. J'en ai profité pour augmenter la capacité énergétique ainsi que la puissance de mon ondulateur 12V à 120V.  La configuration de mon système électrique:

Les fils apparents résultent des ajouts "après coup", ça me tentait pas de défaire les panneaux qui recouvrent les paroies de mon RAM Promaster.  Ça illustre quand même l'importance de bien planifier sa configuration électrique avant de faire les autres travaux d’aménagement dans une van.

Faire l'installation d'un système électrique dans son véhicule n'est pas quelque chose d’extrêmement compliqué, dans la mesure où on a un minimum de connaissances en électricité  et d'habileté manuelle. En cas de doute, mieux vaut y aller avec des professionnels. Mais dans un cas comme dans l'autre, il est très important de bien cerner ses besoins énergétiques. Pour y arriver, quelques notions fondamentales en électricité sont fort utiles, je commence donc par ça.

Notions fondamentales en électricité

Notion de puissance électrique

L'électricité, c'est essentiellement une histoire de tension (Volt) et de courant électrique (Ampère). Tout circuit électrique se résume à un circuit fermé où des charges électriques circulent (le courant) grâce à une alimentation (le voltage) qui "pompe" le courant. Dans le cas qui nous intéresse, l'alimentation est une batterie  et le courant qui circule est celui qui part de sa borne positive pour revenir à sa borne  négative. 

Une analogie d'un circuit électrique que j'ai trouvée sur le web:

 

 La combinaison du voltage et du courant électrique  donne la puissance et est exprimée en Watt:

 Puissance (en Watt)  = Tension (en Volt)  x  Courant (en Ampère)

Par exemple, si un courant de 5 Ampère circule dans un circuit alimenté par une batterie de 12 Volt, la puissance fournie par la batterie sera de 60 Watt (12V x 5A). La batterie fournit cette puissance sur demande, alors cela implique qu'il y a une charge quelque part qui lui  demande 60 Watt de puissance.   La charge en question, c'est un ou plusieurs appareils électriques  branchés aux bornes du 12V. 

Capacité d'une batterie

La puissance demandée est un facteur crucial lorsqu'il s'agit de déterminer la capacité minimum  requise lors de l'achat d'une batterie. Dans mon cas, j'ai déterminé que la puissance moyenne tirée de ma batterie est de 200 Watt. Aussi, je veux une autonomie de 8 heures sans avoir à recharger.  Pour déterminer la capacité requise, il me faudra d'abord calculer le courant tiré de ma batterie:

Courant (A) = Puissance (W) / Voltage (V) = 200W / 12V = 16.7 A

Je tirerai donc 16.7 Ampère de courant pendant 8 heures. Or, la capacité d'une batterie est spécifiée en Ampère-heure (Ah). Il faut alors calculer le courant  comme si celui-ci était concentré en une heure. On fait le calcul avec la formule suivante:

Capacité requise (Ah) = Courant moyen (A) x Autonomie désirée (heure)

=  16.7A x 8 h = 133.6 Ah.

J'aurai  donc besoin d'un minimum de 150 Ah, histoire de se conserver une marge de sécurité. Lorsque la capacité requise dépasse celle d'une seule batterie, il faudra alors mettre plusieurs batteries en parallèle.

Courant et grosseur des fils requis

Le courant qui va circuler dans un fil électrique va déterminer la grosseur du fil: plus le courant est élevé plus le fil devra être gros. Un fil trop petit va surchauffer, ce qui occasionne au mieux une perte d'énergie et au pire, un incendie!

À puissance égale, plus la tension est faible, plus le courant sera élevé. C'est un principe que Hydro-Québec a bien compris, en faisant traverser son électricité sur des lignes haute tension (750 KV), ce qui leur fait économiser sur la grosseur des fils, le courant les traversant étant le facteur déterminant.

Dans le cas d'un circuit alimenté par un faible voltage, le courant peut être très élevé. Prenons en exemple l'appareil probablement le plus énergivore que l'on risque de retrouver dans un VR, le fameux four à micro-onde. Ce dernier consomme en moyenne 900W. Il est généralement branché une prise électrique 110V, donc consommera un courant de 8.2 Ampère (900W/110V). Dans un VR, le four en question sera branché à un inverseur de 12V à 110V, lui-même alimenté par une batterie 12V qui devra fournir les 900W. C'est pas moins de 75 Ampères (900W/12V) de courant qui traversera les fils entre la batterie et l'inverseur! Il faut donc un fil qui aura un diamètre suffisant pour supporter tout ce courant.

La grosseur d'un fil est spécifiée en AGW, selon le standard américain (American Gauge Wire).  Voici un tableau qui vous donne la grosseur du fil en fonction du courant pouvant les traverser:

 

Configuration de mon système électrique

Il y a 3 façons de recharger ses batteries: par une borne 110V, par le véhicule lui-même via l'alternateur et par panneau solaire. J'utilise les deux dernières méthodes,  que je détaillerai ici. Voici le schéma-bloc qui illustre ma configuration électrique:

Les batteries    

Après avoir déterminé mes besoins énergétiques, j'y suis allé avec 2 batteries LifePO4 de 100 Ah, ce qui me donne une capacité de 200 Ah, donc une énergie disponible de 2 400 Wh. Elles sont branchées en parallèle de la façon suivante:

 

Toutes les batteries LifePO4 sont composées de cellules 3.2V  et d'un contrôleur électronique BMS (Battery Management System). Ces composantes sont disponibles sur le WEB et avec tous les "fais-le-toi-même" sur youtube, on pourrait     facilement construire ses propres batteries! Cela explique pourquoi il y a un si grand nombre de compagnies qui offrent des batteries au lithium. 

Je doute qu'un manufacturier fabrique ses propres cellules, alors on peut raisonnablement penser que si on les démontait,  on verrait que c'est du pareil au même, peu importe le prix. J'y suis donc allé avec 2 Power Queen Mini 100 Ah, que j'ai eus  à bon prix.

Comme mentionné au début du texte, les batteries LifePO4: elles ne peuvent être chargées à une température sous le point de congélation. Si on pense que sa batterie pourrait être utilisée   dans de telles conditions, il faudra prévoir des batteries auto-chauffantes, ce qui pourra doubler le prix.

J'aurais pensé à priori que toutes les batteries LifePO4 ont un circuit de protection empêchant la recharge lorsque la température est trop froide. Ce n'est pas le cas, alors vaut  mieux s'assurer que la batterie est déconnectée des appareils de recharge lors de périodes froides. 

Les panneaux solaires

J'ai un seul panneau solaire de 130W,  mais il me serait possible d'augmenter la puissance en ajoutant d'autres panneaux branchés en parallèle. 

 

Mon panneau solaire recharge mes batteries via un contrôleur MPPT. Ce dernier optimise le cycle de charge en tenant compte du type de batterie utilisé. On s'assurera donc que le contrôleur de panneau solaire supporte les batteries LifePO4.

Le contrôleur doit être capable de gérer la puissance fournie par les panneaux solaires. Encore une fois, un calcul de puissance/courant est requis. Pour le calcul, on utilisera le voltage maximum que pourra donner un panneau solaire, soit 18 Volt, lorsque l’ensoleillement est à son meilleur.

Dans mon cas, mon contrôleur MPPT de 30 Ampères va  pouvoir  gérer 540 Watt  (18V * 30A) de puissance provenant de panneaux solaires.  En me gardant une marge de sécurité de 20%,  je pourrais sans crainte y aller  facilement avec 400 Watt de panneaux.  

Si la puissance générée par les panneaux solaires se rapproche de celle du contrôleur MPPT, un fusible entre les deux est fortement conseillé.

Je n'ai jamais vu de contrôleur de panneau solaire avec un commutateur "On/Off", la raison étant qu'il est fortement recommandé de toujours laisser en fonction le contrôleur pour qu'il fasse la gestion de l'énergie fournie par le panneau solaire. Contrairement à une batterie qui fournit de la puissance sur demande, un panneau solaire fournit de l'énergie en continu, par génération de courant. Si, pour une raison ou une autre, le panneau solaire n'est pas connecté ou si le contrôleur n'est pas en fonction, la puissance gérée par le panneau solaire ne sait pas où aller, le panneau solaire pourrait alors surchauffer, ce qui endommagerait ses cellules. Il est donc conseillé de toujours laisser en fonction le contrôleur de panneau solaire.

J'ai choisi un contrôleur MPPT Renogy Rover 30A, une marque fort connue dans le domaine. Leurs produits me semblent de très bonne qualité, bien conçus. Malheureusement, selon mon expérience personnelle, leur service après-vente est exécrable. Avec eux, mieux vaut passer par un détaillant (ou Amazon) pour faciliter le retour d'un produit défectueux.

Recharge via la batterie principale (alternateur)

Dans mon ancienne configuration, ma batterie AGM était connectée directement à ma batterie principale via un disjoncteur 100A et un "Voltage Sensitive Relay", un commutateur électronique qui débranche la batterie principale lorsque son voltage devient inférieur à  12.7V,  histoire de ne pas décharger la batterie principale quand le véhicule est à l'arrêt.

 

Mais il n'est pas recommandé de charger directement une batterie au lithium. Elle va tirer beaucoup de courant d'un alternateur et pourrait l'endommager. Aussi, on voudra ajouter un peu d'intelligence au cycle de charge. On se servira alors d'un chargeur DC-DC:

 

J'ai choisi le Victron Orion 30A qui pourra charger complètement une batterie de 100Ah en un peu plus de 3 heures. Ce dernier s'occupe aussi de déconnecter la batterie principale quand son voltage tombe en bas d'un seuil critique, ce qui rend mon VSR redondant. 

Le Victron me semble un produit de qualité. Il permet l'ajout d'un commutateur on/off à distance, il fait la gestion d'un "alternateur intelligent" sans qu'un fil supplémentaire soit requis et a un interface bluetooth qui permet de faire la configuration via une application Android ou Apple. La seule configuration requise est de sélectionner le bon type de batterie.

Tout comme les contrôleurs de panneau solaire, les chargeurs DC à DC peuvent dégager beaucoup de chaleur, c'est pourquoi ces derniers ont des dissipateurs de chaleurs (heat sink).  Il faut donc s'assurer que ces derniers aient de l'espace pour respirer et éviter de les installer dans un espace clos restreint. On pourra aussi installer de petits ventilateurs, ce que j'ai fait pour le Victron, ayant lu que ce dernier pouvait devenir très chaud.

Branchement des appareils électriques

Mon réfrigérateur (Engel) et mon ondulateur 12V/110V  ont leur propre commutateur et fusible, alors ils sont branchés directement sur mes batteries.  Le reste (éclairage, ventilateur, prise de cigare/USB)  est relié via un panneau marine avec commutateurs/fusibles).

 

Encore une fois, on s'assurera de choisir la bonne grosseur de fils, particulièrement pour l'inverseur 12/110V, qui peut tirer beaucoup de courant.

Dernier petit conseil, choisir autant que possible des composantes qui n'exagèrent pas côté témoins lumineux, sous peine de vivre à la clarté 24/24!  Aussi, c'est une bonne idée d'ajouter un gradateur pour l'éclairage DEL, c'est fou comment ces petites lumières sont efficaces.

Merci de vous être rendu au bout du texte!