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Back to the 50S : Conversion d'un pack batterie MTEN4 Samsung 50E vers Samsung 50S


deadubed

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Posted (edited)

J'avais initialement parlé de ce projet dans le fil MTEN4. Suite à 2-3 suggestions, je le sors du thread pour le rendre plus visible.
Pur néophyte en construction / conversion de pack batterie, je voulais passer ma MTEN4 en 50S pour pouvoir profiter davantage de cette roue formidable, quoique limitée par le rapport déséquilibré entre son moteur incroyable et son pack batterie en 50E. L'arrivée des 50S, et le "faible" nombre de cellules (40) du pack, m'a incité à tenter l'expérience.
Puisse cette expérience aider d'autres à gagner du temps et surtout trouver des réponses à des questions parfois cons
Pour les sacheurs : Merci de relever toute erreur ou approximation douteuse. On est sur un sujet sérieux qui doit être propre pour que d'autres puissent se lancer sans se retrouver le faciès à la mode "du petit ramoneur savoyard" (c'est trop mignon).
Bien cordialement.
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DISCLAIMER:
Je ne ferai pas un tuto exhaustif ici puisque:

  1. Il en existe pléthore sur les internets.
  2. Peu de gens se casseront le cul à refaire une batterie de MTEN4 from scratch et sans expertise préalable comme moi. Comprenez: les gens chelous.
  3.  Je veux surtout mettre en avant les questions cons qu'un néophyte se pose.

Quand on en vient à se dire que c'est une bonne idée de changer les cellules de son pack batterie pour pouvoir faire plus le con sur sa roue, mais qu'on n'y connaît R, on se pose 2-3 questions au premier titre desquelles "Comment ça marche au juste un pack batterie ?"
Je suis cave donc on va pas rentrer dans les détails énervés de calcul de perte, ou des trucs franchement inaccessibles pour plein de gens dont moi. Au mieux on restera sur la loi d'Ohm, pas bien plus
 
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ARCHITECTURE DES PACKS
La batterie propose 84v en charge maximale (72v en nominal) et annonce 750Wh (plutôt 720Wh en fait) de capacité nominale.

Le terme nominal émane des spécifications des cellules qui composent le pack batterie, et qui ont une tension "de base", c'est à dire nominale, de 3.6V.
Allez savoir pourquoi, j'ai vu jusque là que pour les packs au delà de 36V, on donne la tension du pack en prenant comme base la tension max des cellules (4.2V pour les Li Ion). Alors qu'on prend la tension nominale pour les packs de 36V (10 cellules en série). MAIS, la capacité en Wh est toujours basée sur la tension nominale (3.6 ou 3.7V).

C'est pour ça que pour vos batteries de 36V vous avez des chargeurs de 42V. C'est con, ça semble être une exception. Expliquez-moi cette merde: Mon chargeur de MTEN4 sort 84V, la batterie est donnée pour 84V. Idem pour la S22 à 126V, etc...  
BREF, voilà pour la petite histoire de la tension des packs et des chargeurs qui vont avec.
Le pack de la MTEN4 est composé de 40 cellules Samsung INR 21700 50E 3.6V (4.2V en charge max.) de 5Ah de capacité. Pour obtenir un pack de 84V (72V), il s'agit de placer 20 cellules en série (on connecte 2 à 2 le plus et le moins des cellules), et on obtient donc un pack de 84V à 72V*5Ah = 360Wh.
Pour obtenir 720Wh, il suffit de construire un deuxième rang de 20 cellules et le connecter en parallèle du premier (mettre en commun resp. les bornes - et les bornes + des deux rangées de 20 cellules).
Ca a l'air con comme ça mais en ce qui me concerne cette gymnastique m'a mis un peu mal à l'aise au début (je fais plus trop d'électricité etc depuis un moment), donc voici une tentative de vulgarisation pour aider à mieux schématiser la chose.
Voici 2 schémas qui permettent de visualiser un peu mieux. Le premier montre 20 cellules connectées en série (on appellera cet objet S).
20S.png.84ca7226e80d3851550a16de27832564.png
Le deuxième montre 2 S connectés en parallèle (P) afin de produire un pack de 84V en 20S2P. En effet, on a bien 2 fois (2P) 20 cellules en série (S).
20s2p.png.1820453ec5389def09831a9b60ec9cbf.png
 

Sauf que ça fait un pack plutôt long. les 21700 font 21mm de diamètre par 70 mm de long (d'où leur dénomination...). 21*20 = 420mm soit 42cm de long. Dur à rentrer dans une carcasse de MTEN4...

Une autre solution consiste à "inverser" la manière dont on gère le parallélisme et de paralléliser les cellules au lieu de paralléliser les packs de 20 cellules en série.
Voici P, une paire de cellules mises en parallèle.
P.png.eb7d9cfbb2d324988aeabf047441c8df.png
Si on met 20 de ces paires P en série comme ceci:20S2PP.png.b83997cf532ebd6ab9cbc6d0d8c12312.png
 
On obtient bien un pack qui met 20 paires de cellules en série. Ce qui est électriquement identique à 2 packs de 20 cellules en série que l'on appaire alors.
On a pas résolu notre poblème me direz vous, le merdier fait toujours 42cm de long. Bravo Joséphine, c'est une belle observation même si tu as une tronche à connaître le goût des feutres.
Bref. Avec cette architecture, on peut "plier" le pack bien plus facilement et, par exemple, "couper" la série de 20 paires où l'on veut
20P2S.png.585636208feea7deaccb1a4252ad4df8.png
On a ainsi divisé la longueur du pack par 2 en câblant le pack en son milieu. Et on a toujours 2x10S et 2P = 20S2P. Yes
Ainsi on peut imaginer que pour n'importe quel pack batterie dénommé xSyP (avec x le nombre de cellules en série et y le nombre de cellules en parallèle) on peut soit faire des séries de longueur x qu'on met ensuite y fois en parallèle, ou mettre en série x paquets de y cellules en parallèles. Simple, et ingénieux, c'est la stratégie de l'échec.

Et donc, si on observe le pack batterie de la MTEN4, on retrouve bien une architecture telle que décrite par le dernier schéma. Je vous laisse vous en convaincre.
IMG_20240415_113317.thumb.jpg.6be26e7b9051a26503d9c9e0316162d5.jpgIMG_20240415_113341.thumb.jpg.e006044daf61ccaacb535ff09bc63e62.jpgIMG_20240415_114612.thumb.jpg.ded9f5530fa0b11cc643f2cd35ef86b9.jpgIMG_20240415_114317.thumb.jpg.7a6877241604f845a13d278395b4e4a2.jpgIMG_20240415_113356.thumb.jpg.714b3282a681945b2c20a5361777c960.jpg
 
RECONSTRUCTION
On s'était intéressé à l'architecture de la batterie. On a pas encore regardé le BMS (qui sert à gérer les cellules pour éviter que tout flambe).
Notez qu'on aura tendance à penser que le BMS doit gérer toutes les cellules du pack (donc 40 ici) mais non. En fait il gère les "groupes de cellules" donc ici nos 20 paires de 2 cellules en parallèle. C'est un compromis entre une sécurité parfaite mais 2 fois plus chères à mettre en place et pas de sécurité du tout.
 
Pour ce boulot, je n'ai pas eu besoin de comprendre comment câbler un BMS dans son intégralité puisque j'ai réutilisé le BMS existant. Il fallait juste comprendre comment les cellules y sont connectées.
Les BMS sont des objets plutôt complexes de mon point de vue donc pour qui veut en savoir plus, ça se passe ailleurs. Nous on se contentera juste de débrancher, et rebrancher. Jour. Nuit. *ad lib*.
c.f les photos du post précédent, on voit que le BMS a 11 bornes par face. C'est logique. S'il faut N-1 connecteurs pour connecter N éléments 2 à 2, ici on peut considérer qu'on a 2 éléments en plus sur nos séries de 10 paires P puisqu'il faut aussi, et surtout; connecter les bornes des extrémités. On considère donc 10 éléments + 2 autres éléments: 1 connecté à la borne -, l'autre à la borne + de chaque moitié du BMS. Ici soit la carte-mère, soit l'autre moitié du BMS. Donc 12 éléments -> 11 connecteurs. 11 connecteurs par 1/2 BMS, c'est OK.
Je vous épargne le démontage du pack d'origine. Rien de bien fou. Un fer à souder, des pinces, du temps, et surtout on évite les cours circuits. Bonne nouvelle, le BMS braille dès qu'un groupe de cellules est en défaut. Du coup il braille longtemps, le temps de tout déssouder. (

) .

Quand on a tout dessoudé et qu'on a démonté les rangs de cellules après avoir arraché les bandes acier-nickel, on se retrouve avec un BMS tout nu, des racks de cellules et 2-3 conneries plus ou moins utiles.
Je vous épargne aussi la commande des cellules. Dans mon cas j'ai commandé 42 Samsung 50S (2 en plus pour avoir 5% de marge d'erreur au remontage, on sait jamais).
Le matos dont on a besoin par contre:
  • Un chargeur / tester de cellules 21700 qui permet de tester la capacité des cellules et de les charger / décharger. Il servira à égaliser la tension des cellules avant montage, si nécessaire
  • Un spot welder (prenez pas n'importe quoi, il faut un engin capable de souder proprement. N'achetez le modèle que j'ai uniquement si vous êtes prêts à le modifier pour qu'il marche correctement c.f
    )
  • Des bandes de nickel en 10 * 0.15mm (et du cuivre, on verra après)
  • Des racks modulaires pour cellules 21700
  • De la mousse autocollante
  • du papier autocollant isolant pour pack batterie
  • des oeillets pour cellules 21700
  • des plaques de fibre
  • de la gaine thermorétractable
  • un fer à souder et de l'étain
  • une pince à tole
  • du ruban adhésif pour batteries (pas nécessaire mais c'est plus pro)
  • des nappes de fil dupont (pour sonder les cellules)
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Une fois que vous avez tout ça.... Bah y a plus qu'à.
A partir de là, il y a moult autres tutoriels sur les internets qui explicitent mieux que moi comment mettre les mains à la patte. Vous verrez donc qu'ici on va bêtement répliquer le pack d'origine avec nos 50S.
ATTENTION:
Vérifier la tension de l'ensemble des cellules avant montage. Un différentiel trop important (plus de quelques mV)  peut-être dangereux. Le chargeur / déchargeur est là pour mettre toutes les celluels à la même tension avant montage. C'est très long, mais c'est nécessaire.
Dans notre cas, on aura pris la peine de faire des "sandwich" de cuivre-nickel composés de feuille de cuivre de 0.03mm d'épaisseur sous des strips de nickel pur en échelle biaisée de 10*0.15mm. Le nickel a une résistance au mètre bien plus importante que le cuivre (source). Or, si on suit la loi d'Ohm U = R*I, moins on a de résistance, plus la tension baisse et plus il faut de courant I pour compenser l'effondrement de la tension. Ce qu'on appelle le voltage sag en anglais, littéralement affaissement de tension. Or il se trouve que, pour les cellules Li-Ion, plus on leur demande du courant, plus leur résistance interne diminue (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877532101020X, Fig.2 en particulier). Ca on y peut pas grand chose. Par contre, on sait que le courant qui traverse le pack se calcule comme suit I = U/R, avec U la tension du pack et R la résistance du pack.  Or plus R sera grande (et > 1) plus on aura besoin de tension pour fourni un courant I équivalent. Le serpent se mord la queue en somme. DONC, si on se casse le cul à mettre des cellules qui balancent plus de jus, autant les aider à garder une tension haute en minimisant la résistance au sein du pack, non ?
Après une journée de boulot pour faire tout ça bien, on obtient les résultats suivants. (vous noterez la disposition des nappes Dupont pour pouvoir sonder la batterie sans tout démonter).
 
ATTENTION:
Pensez bien à tester que la tension totale de chaque 1/2 pack correspond bien à la somme des tensions de toutes vos paires de cellules avant montage.
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On wrappe le tout à la gaine thermo, on pose de la mousse et de la plaque fibre autour de la batterie, et on peut tout remettre en place.
Dans mon cas, le pack est un peu plus gros que l'original donc je n'ai  pu mettre qu'un tour de gaîne thermo bleue. Le pack n'est donc pas étanchéifié. Mais de toute façon cette roue n'a pas vocation a aller sous la pluie, et je conserve toujours mes roues loin des lieux humides.
 
ATTENTION:
Avant remontage, on vérifie la tension de la batterie. Normalement le BMS couinera pendant le remontage jusqu'à ce que toutes  les bornes soient reliées. Si malgré tout ça s'égosille toujours, ne remontez pas la batterie: Il y a un problème.
ATTENTION bis:
Avant remontage définitif, on fait une charge complète, SOUS SURVEILLANCE puis on vérifie l'équilibrage correct de la batterie grâce aux nappes Dupont astucieusement posées au préalable. Si tout est OK on remballe le tout, ON CALE BIEN LA BATTERIE POUR PAS QU'ELLE NE TRESSAUTE DANS LE BOÎTIER ET ON VERIFIE QUE TOUT TIENT BIEN ET QU'ON A PAS DE CONTACT ENTRE LA BATTERIE ET LE CHASSIS METALLIQUE DE LA ROUE.
 
Voilà. VOus avez une "MTEN4 Super"
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Edited by deadubed
Il faut bien parler la France (et poliment siouplé). Et pas n'importe laquelle : La France du Général DE GAULLE
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J'adoreeeee mais tellement inaccessible pour moi ... Une quiche en matière électrique et soudure.

Quels sont les gains/bénéfices constatés ? Fais-nous rêver avec le rendu en conditions réelles !

 

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J'attends tes retours ... Pour ma part en batterie d'origine, la dernière fois je suis partie en courte balade d'environ 6.5 km ... Il me restait un peu plus de 90% à mon retour ... Comme le lendemain je prévoyais une plus grosse rando, je me suis dis je vais la mette charger à stock ... Et bien ma batterie affichait 100 % le lendemain sans plus y avoir touché !

J'ai aussi des différences de pourcentage batterie entre l'App Begode et Euc World ... Dommage car j'adore cette roue !!!!

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