Par Lauren Nagel
Il existe des centaines de batteries pour drones sur le marché, et il peut être difficile de choisir celle qui convient à votre appareil. L’un des principaux défis consiste à décoder les nombreux indicateurs de performance figurant sur la batterie, comme la capacité, le taux de décharge et la configuration des cellules.
Choisir la bonne batterie pour votre drone vous aidera non seulement à améliorer ses performances, mais aussi à prolonger sa durée de vie. Comme votre moteur et votre hélice, votre batterie finira par tomber en panne, mais vous pouvez retarder ce moment en choisissant le bon modèle et en l’utilisant en toute sécurité.
Dans cet article, nous aborderons les sujets suivants :
- Qu’est-ce qu’une batterie LiPo ?
- Sécurité des batteries LiPo
- Comment lire les caractéristiques d’une batterie LiPo
- Capacité d’une batterie LiPo
- Tension nominale de la batterie
- Configuration des cellules LiPo
- Taux de décharge / indice C
- Comment choisir une batterie LiPo pour votre drone
- Exemple — Choisir la bonne batterie pour maximiser le temps de vol
Figure 1 : Batterie LiPo utilisée dans le drone quadricoptère Otus
Qu’est-ce qu’une batterie LiPo ?
Les batteries les plus couramment utilisées dans les drones sont les batteries lithium-polymère (LiPo). Elles sont composées d’une cathode et d’une anode à base de lithium, séparées par un électrolyte polymère.
Les batteries LiPo se distinguent des autres batteries lithium-ion (Li-ion) par leur électrolyte solide à base de polymère, plutôt que liquide. Les électrolytes polymères courants peuvent être secs, poreux ou sous forme de gel ; ils comprennent le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), le poly(acrylonitrile) (PAN), le poly(fluorure de vinylidène) (PVdF) et le poly(oxyde d’éthylène) (PEO).
Le fonctionnement des batteries LiPo repose sur le même principe que celui des autres batteries Li-ion : l’énergie chimique est convertie en énergie électrique lorsque les électrons se déplacent de l’anode vers la cathode, créant ainsi un courant électrique. La cathode contient un oxyde métallique de lithium (comme l’oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2)), qui fournit des ions lithium, tandis que l’anode contient du carbone lithié (comme le graphite).
L’anode et la cathode sont séparées par un électrolyte qui interagit avec l’anode pour générer des électrons, créant ainsi un gradient de charge dans la cellule. Lorsque l’anode se charge négativement, les électrons se déplacent vers la cathode par un fil conducteur. Le système subit ainsi une réaction d’oxydoréduction électrochimique : l’anode perd des électrons et s’oxyde, tandis que la cathode gagne des électrons et se réduit.
Figure 2 : Réaction d’oxydoréduction d’une batterie LiPo
Les batteries au lithium ont une densité énergétique supérieure à celle des batteries au nickel-cadmium ou au nickel-hydrure métallique, ce qui signifie qu’elles fournissent davantage d’énergie pour un poids moindre. Les batteries LiPo rivalisent avec les batteries Li-ion en matière de densité énergétique, mais elles sont particulièrement populaires car elles sont moins susceptibles de fuir.
La densité énergétique des batteries LiPo varie de 140 à plus de 200 Wh/kg en poids et de 250 à plus de 350 Wh/L en volume. La densité énergétique volumique est un élément important à prendre en compte lors de la conception d’un drone, afin que la batterie puisse être installée sur le châssis. Pour les calculs de performance, la densité énergétique massique est toutefois plus pertinente. Une densité plus élevée entraîne un coût plus élevé : votre budget peut donc aussi être un facteur limitant.
Figure 3 : Densités énergétiques relatives en volume et en poids des types de batteries courants (image : Open Impulse)
Une technologie pourrait bientôt rivaliser avec les batteries LiPo en tant que solution de prédilection pour les drones : les batteries Licerion de Sion Power. Elles affichent une densité énergétique pouvant atteindre 500 Wh/kg et 1 000 Wh/L. Elles contiennent également 50 % moins d’électrolyte liquide que les autres batteries Li-ion. Elles ont été conçues spécifiquement pour les applications sans pilote, notamment les pseudo-satellites à haute altitude (HAPS) et les drones à haute altitude et longue endurance (HALE).
Pour aller plus loin : Types de drones et de UAV
Sécurité des batteries LiPo
En raison de leur chimie interne, les batteries LiPo présentent un risque d’incendie et de gonflement supérieur à celui des technologies plus anciennes. Utiliser la batterie à sa limite ou au-delà peut entraîner une accumulation d’atomes d’oxygène et la formation d’oxyde de lithium (Li2O), ce qui augmente la résistance interne. Une résistance interne accrue entraîne une hausse de la température et déclenche un emballement thermique.
Lorsque la batterie commence à gonfler, c’est un bon signe qu’elle est irrémédiablement endommagée ou qu’elle a atteint la fin de sa durée de vie. Continuer à l’utiliser augmentera encore sa température et pourrait provoquer un incendie.
Pour les batteries LiPo courantes, la tension nominale ou moyenne est de 3,7 V par cellule, avec une tension maximale de 4,2 V par cellule. Une fois la cellule complètement chargée, elle fournit brièvement 4,2 V, avant de redescendre à 3,7 V pendant la majeure partie de la durée de vie de la batterie. Il devient dangereux de décharger la batterie lorsque la tension de la cellule passe sous 3,2 V, car la résistance de la batterie augmente, ce qui provoque une hausse de la température et un gonflement susceptibles de l’endommager.
Figure 4 : Batterie LiPo en feu (crédit : alishanmao)
Pour éviter cela, de nombreux fabricants de moteurs ont intégré une coupure basse tension (LVC) à leurs commandes, qui interrompt la consommation d’énergie sous un certain seuil, généralement compris entre 3,2 et 3,4 V. La surcharge d’une batterie LiPo est tout aussi dangereuse et peut provoquer une surchauffe, voire une explosion.
Les incendies de batteries lithium-ion sont classés parmi les feux de liquides inflammables de classe B. Il convient donc d’utiliser un extincteur de type ABC ou BC pour les éteindre. Ces extincteurs interrompent la réaction chimique et finissent par éteindre le feu.
Pour découvrir d’autres conseils de sécurité sur les batteries LiPo, consultez l’article de The Drone Girl : « 15 choses que tout utilisateur de batterie LiPo devrait savoir ».
Comment lire les caractéristiques d’une batterie LiPo
Les batteries LiPo portent plusieurs informations importantes, notamment leur capacité, leur tension, leur configuration de cellules et leur taux de décharge (figure 15) : 
Figure 5 : Étiquettes courantes des batteries LiPo
Capacité d’une batterie LiPo
La capacité d’une batterie est indiquée en mAh ou en Ah et peut servir à estimer le temps de vol (nous y reviendrons). Plus précisément, elle correspond à la quantité de courant ou d’énergie que la batterie peut fournir au fil du temps. Les unités courantes sont l’ampère-heure (Ah) et le wattheure (Wh). Une batterie d’une capacité de 1 Ah peut fournir un courant de 1 A pendant une heure. Une batterie d’une capacité de 1 Wh fournit une puissance de 1 W pendant une heure.
Tension nominale de la batterie
La tension nominale de la batterie permet de déterminer la vitesse et l’intensité du courant du moteur. Les moteurs étant caractérisés par leur valeur Kv, exprimée en tr/min/V, la tension fournie par la batterie détermine la vitesse de rotation du moteur.
Pour aller plus loin : Comment calculer le Kv d’un moteur sans balais
Une tension nominale trop basse ou un courant consommé trop élevé peut endommager votre circuit, voire provoquer un incendie. Il est donc important de choisir soigneusement la tension de votre batterie. Pour déterminer le courant maximal consommé par votre drone, installez votre moteur et votre hélice sur un banc d’essai de propulsion et faites-les tourner à plein régime. Le courant mesuré à 100 % des gaz correspond au courant maximal consommé par le moteur. Multipliez-le par le nombre de moteurs pour obtenir le courant total consommé par votre drone. Pour éviter toute surchauffe, la batterie doit pouvoir fournir au moins cette intensité.
Vous pouvez également déterminer le courant maximal que la batterie peut fournir en multipliant sa capacité en Ah par son indice C. Pour une batterie de 5 800 mAh/5,8 Ah et de 25 C en décharge continue, le courant maximal qu’elle peut fournir en toute sécurité est de 145 A (5,8 × 25 = 145).
Configuration des cellules LiPo
La configuration des cellules figure parfois sur l’étiquette et indique le nombre et la disposition des cellules LiPo de la batterie. Rappelons qu’une cellule LiPo présente une tension nominale de 3,7 V et que plusieurs cellules LiPo peuvent être connectées en série. Une batterie 4S comporte quatre cellules LiPo connectées en série (S), ce qui lui confère une tension de 14,8 V (4 × 3,7 V = 14,8 V). Une batterie peut aussi porter une référence comme 4S2P, qui indique que quatre cellules sont connectées en série et que deux ensembles de cellules sont connectés en parallèle (P), soit un total de huit cellules LiPo.
Taux de décharge / indice C
Le taux de décharge, ou indice C, mesure la vitesse à laquelle la batterie peut se décharger en toute sécurité. Si une batterie a un indice C de 25 et une capacité de 5 800 mAh/5,8 Ah, elle peut se décharger en toute sécurité à 25 fois sa capacité, soit 25 × 5,8 = 145 A. À cette puissance continue, la batterie de 5,8 Ah pourrait se décharger en 2,4 minutes ((5,8 / 145) × 60 = 2,4). Les batteries peuvent également avoir un taux de décharge maximal ou « en pointe » : elles peuvent alors dépasser brièvement leur puissance de sortie continue sans surchauffer, par exemple lors d’une montée ou d’une correction soudaine. Un indice C élevé est idéal pour des applications comme la course de drones, qui nécessitent des accélérations soudaines, car la batterie peut fournir très rapidement le courant nécessaire.
Comment choisir une batterie LiPo pour votre drone
La meilleure batterie pour votre drone est celle qui convient le mieux à l’usage que vous en faites. Si le temps de vol est votre principale préoccupation, vous voudrez réduire la masse et maximiser la capacité de la batterie (équation 1), qui dépend de la densité énergétique et de la masse (équation 2).
Où :
E = capacité
σ = densité énergétique
M = masse en grammes (g)
Si la puissance et la vitesse sont vos priorités, vous aurez besoin d’une batterie capable de fournir rapidement une grande quantité de courant sans surchauffer. Il vous faudra donc une tension et un indice C élevés.
Voici un résumé de l’effet de chaque caractéristique de la batterie sur ses performances :
Capacité de la batterie
- Capacité plus élevée → temps de vol plus long → masse plus importante
- Augmenter la capacité de la batterie prolonge le temps de vol, mais avec des rendements décroissants à mesure que la masse de la batterie augmente (figure 6)
- Tester plusieurs batteries peut vous aider à trouver la capacité maximale réellement utile
Pour aller plus loin : Comment augmenter le temps de vol et la capacité d’emport de votre drone
Figure 6 : Temps de vol du drone en fonction de la capacité de la batterie
Tension
- Les batteries à tension plus élevée font tourner le moteur à un régime supérieur. Choisissez donc une tension correspondant à la plage de vitesse de rotation souhaitée.
- Les batteries à tension plus élevée ont tendance à être plus efficaces, mais aussi plus lourdes. Consultez les valeurs d’efficacité issues des essais de poussée pour trouver le bon équilibre.
Taux de décharge / indice C
- Choisissez un indice adapté à votre application : vitesse élevée et puissance délivrée rapidement, ou faible puissance constante.
- Si le taux de décharge est trop faible, votre drone manquera de puissance et ses performances seront insuffisantes.
- Si le taux de décharge est trop élevé, vous risquez de transporter un poids inutile.
Courant consommé
- Utilisez les méthodes indiquées pour déterminer le courant consommé par vos moteurs.
- Pour éviter la surchauffe, la batterie doit pouvoir fournir au moins autant de courant que le drone en consomme.
Exemple — Choisir la bonne batterie pour maximiser le temps de vol
Pour illustrer le choix d’une batterie, prenons l’exemple de la conception d’un drone agricole : il doit avoir un long temps de vol, mais nous n’avons pas besoin de fortes pointes de puissance. Nous nous appuierons sur les données recueillies sur notre système de propulsion pour orienter nos choix.
Nous voulons choisir une batterie offrant la capacité la plus élevée possible tout en maintenant la masse totale de notre drone à un niveau raisonnable de 20 kg. Nos autres composants pèsent 12,5 kg ; il nous reste donc 7,5 kg pour la batterie.
Il nous faut une poussée totale de 196 N pour maintenir le drone en vol stationnaire, phase pendant laquelle il effectuera la plupart de ses opérations. Cela correspond à environ 50 N par ensemble moteur-hélice : (20) × (9,81) / 4 = ~49 N. Pour notre conception, nous voulons que le drone puisse fonctionner avec une poussée pouvant atteindre le double de celle nécessaire au vol stationnaire, soit jusqu’à 100 N par unité de propulsion.
Le fabricant de notre moteur indique que son courant continu maximal est de 100 A. Avec quatre moteurs, notre batterie devrait pouvoir fournir au moins 400 A en continu si ceux-ci fonctionnaient à pleine puissance.
Cependant, les données de poussée de notre moteur montrent qu’à deux fois la poussée nécessaire au vol stationnaire (100 N), chaque moteur ne consomme qu’environ 27 A (figure 7). Avec quatre moteurs, notre drone ne consommera donc pas plus de 108 A au total pendant la majeure partie de sa mission.
Figure 7 : Courant consommé en fonction de la poussée du moteur
En ce qui concerne la tension, le fabricant du moteur n’a fourni aucune donnée, mais nous pouvons consulter les résultats de nos essais de propulsion et constater que le moteur a consommé entre 45 et 49 V dans notre plage de fonctionnement (figure 8).
Figure 8 : Tension en fonction de la poussée dans la plage de fonctionnement du drone
Nous n’avons pas besoin d’une vitesse fulgurante pour notre drone. Nous allons donc rechercher une batterie 14S / 51,8 V ayant un taux de décharge minimum de 25C et pesant moins de 7,5 kg.
Voici trois modèles qui répondent à ces critères :
Pour calculer les durées de vol estimées dans le tableau, nous avons utilisé une version révisée de l’équation 2. Nous avons converti les Ah en Wh en multipliant la valeur en Ah par 47 V, et avons utilisé une valeur fixe de 10 grammes/Watt pour le rendement de l’hélice :
D’après ces résultats, la batterie C nous offrira la durée de vol la plus longue (33 min), sans dépasser notre limite de poids. Le courant maximal que nous pouvons tirer de cette batterie est de 550 A (22 Ah × 25C = 550), ce qui dépasse le courant maximal absorbé par notre moteur. Nous choisirons donc la batterie C pour notre appareil.
Conclusion
Choisir la bonne batterie pour votre drone peut vous aider à améliorer ses performances, son autonomie et son endurance. Pour cela, il faut d’abord comprendre les différentes caractéristiques des batteries, comme leur capacité, leur taux de décharge et leur tension.
Vous pouvez ensuite définir vos priorités pour votre appareil : avez-vous besoin de la durée de vol la plus longue possible ou de la capacité à fournir de puissantes pointes de puissance ? Tout dépend de l’usage que vous comptez faire de votre drone.
Enfin, tester votre système de propulsion peut vous aider à réduire le nombre de modèles possibles et à trouver le bloc-batterie le mieux adapté.
Pour en savoir plus : Un eBook sur la construction et l’optimisation des drones : comment augmenter la durée de vol, la charge utile et l’efficacité globale
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