ELECTRONIQUE 3D
L'ELECTRONIQUE FACILE ET AMUSANTE
Aider le site

Fonctionnement des batteries au plomb

- Les accumulateurs au plomb étanches à électrolyte solide sont fabriqués depuis plus de 40 ans. L’électrolyte (acide sulfurique dilué) est remplacé par un gel de silice (accumulateurs « dryfit » au plomb à électrolyte gélifié) ou lié par un matelas de fibres de verre absorbant (AGM = Absorbing Glass Mat Technology). L’oxygène dégagé en cas de surcharge à l’emplacement des plaques positives peut alors diffuser en direction des plaques négatives où il se recombine pour former de l’eau.
Ce cycle de recombinaison élimine pratiquement tout le gaz des accumulateurs qui peuvent alors être contenus dans un boîtier fermé. Pour éviter tout danger de rupture par surpression, les éléments sont munis (comme presque tous les accumulateurs étanches) d’une soupape de sécurité à fermeture automatique. La combinaison d’électrolyte solide et de boîtier fermé permet d’utiliser les accumulateurs dans une position quelconque (Remarque : les accumulateurs AGM ne doivent toutefois pas se trouver la tête en bas lors de la charge).
Les principaux avantages des accumulateurs au plomb étanches sont leur bas prix, mais aussi la faible autodécharge, la simplicité de la technique de charge et la durée de vie élevée (en particulier en cas de charge continue). Même si le principe des accumulateurs étanches au plomb n’a pas fondamentalement changé, leurs caractéristiques ont considérablement bénéficié d’années de développement ininterrompu : 
– Amélioration du comportement en cas de surcharge
– Relative insensibilité à la décharge profonde 
– Prolongation de la durée de vie 
– Capacité spécifique plus élevée 
– Meilleure résistance aux cycles de décharge 
– Charge plus rapide 
– Intensité maximale admissible plus élevée 
Un ou plusieurs aspects de certaines séries offertes par des fabricants comme YUASA, Panasonic et Sonnenschein/ Exide sont particulièrement optimisés en fonction du domaine d’application. Il existe par exemple des accumulateurs dont la durée de vie utile est optimisée jusqu’à 20 ans avec 1 500 cycles !
- Les principaux domaines d’application actuels sont les alimentations de secours de toutes sortes (par exemple celles des systèmes d’alarme, d’installations informatiques, de l’éclairage, de la technique médicale), les véhicules électriques (comme les voiturettes de golf et les chaises roulantes électriques), les démarreurs électriques, les alimentations de bord (dans les bateaux, les caravanes, les planeurs) et, n’ayons garde de l’oublier, les alimentations solaires indépendantes du secteur.

Tension, courant, capacité : 

L’état de charge des accumulateurs au plomb peut être déterminé empiriquement en mesurant la tension de l’accumulateur à vide (sans charge). La figure 1 indique des valeurs type pour les accumulateurs étanches 6 V et 12 V. La bande de valeurs donne une idée approximative des tolérances. La tension approximative par élément 
est de 2,2 V lorsque l’accumulateur est chargé et de 1,9 V lorsqu’il est déchargé. Ces valeurs s’appliquent à température ambiante (20 °C). Elles sont plus élevées ou plus basses lorsque l’accumulateur a été chargé ou déchargé peu auparavant.
Figure 1
Capacité batterie
Relation entre la tension mesurée à vide et la capacité disponible.
- La capacité C en ampères-heures (Ah) susceptible d’être fournie (quantité de courant) des accumulateurs au plomb fermés dépend assez fortement du courant de décharge. Plus le courant de décharge est faible, plus les pertes lors de la décharge sont faibles et, par conséquent, plus la capacité susceptible d’être fournie est élevée.
Il faut donc toujours tenir compte de la valeur du courant de décharge pour laquelle la capacité est spécifiée. Le courant de décharge est souvent indiqué en CA. Cette valeur CA indique la valeur du courant (en A) comme fraction de la capacité nominale C. Une capacité C de 1 Ah par exemple spécifiée avec C/10 (0,1 CA) signifie que la capacité a été déterminée pour un courant de décharge de 0,1 A (100 mA). Dans ce cas, la capacité est aussi désignée par C10 (capacité pour une décharge de 10 heures).
Selon DIN, la capacité nominale d’accumulateurs au plomb fermés est donnée par la capacité C20 déterminée pour une décharge de 20 heures avec 0,05 CA et une tension de fin de décharge de 1,75 V/élément.
Charge :

- La charge des accumulateurs au plomb sans dégagement de gaz est effectuée en principe à tension constante. Il est important que la valeur de cette tension ne soit pas dépassée au cours de la charge. Cette tension de charge maximale admissible dépend, elle aussi, de la température. 

La figure 2 montre le comportement en température pour 2 tensions différentes.La valeur plus élevée correspond à un processus de charge normal (fonctionnement cyclique), la valeur plus basse à une charge de maintien continue. En mode de secours (standby), une tension légèrement trop élevée raccourcit déjà la vie de l’accumulateur. Il est donc indispensable de prévoir un circuit de charge compensé en température lorsque la température de fonctionnement varie.

La figure 3 indique clairement l’effet d’une tension de charge inadaptée à la température. Il est très facile de charger à tension constante : il suffit que l’alimentation stabilisée puisse fournir la tension de 
sortie requise. À température ambiante (20 °C), la tension est d’environ 2,45 V (de 2,4 à 2,5 V) par élément pour une charge normale (charge cyclique) et d’environ 2,275 V (de 2,25 à 2,3 V) par élément pour une charge de maintien (charge continue).


Figure 2
Figure 3
- La charge ne doit pas durer trop longtemps pour les tensions plus élevées. Le critère de fin de charge (coupure) suivant peut être utilisé : le courant de charge qui diminue continuellement aux cours des premières heures de la charge doit s’être stabilisé à 0,07 CA (ou moins) et ne plus avoir varié pendant 3 heures.
 Si la surveillance ou la reconnaissance de ce critère n’est pas possible, il faut mettre fin à la charge après 16 à 20 heures (surveillance du temps de charge) au plus tard. Le courant de charge initial est limité par la résistance interne (ou par la limitation de courant si présente) de l’alimentation secteur. Une valeur initiale plus élevée (valeur maximale) ne raccourcit pas autant le temps de charge qu’on pourrait le craindre.
 La figure 4 illustre le comportement du courant de charge pour une tension de charge de 2,275 V et 4 valeurs différentes de la limitation de courant. Le courant de charge en A est indiqué sur l’axe vertical en % de la capacité de l’accumulateur C10. Dans le cas d’une capacité C10 de 1 Ah, par exemple la valeur initiale du courant varie entre 450 mA (= 45 % C10) et 100 mA (= 10 % C10).
Comme l’indique la figure, le courant initial de charge déterminé par la limitation de courant ne circule qu’au début du cycle de charge. Il décroît ensuite exponentiellement et s’annule presque à la fin du processus de charge. Les valeurs de la limitation de courant recommandées par le fabricant sont situées entre 0,25 CA et 0,4 CA. Il est prudent de ne pas dépasser 0,5 CA sous peine de raccourcir drastiquement la durée de vie.
  Durée de vie :

La durée de vie dépend de la profondeur de la décharge (en % de la capacité nominale).
 La figure 5 donne une idée du comportement de la durée de vie associée au fonctionnement cyclique. Il est préférable de se tourner vers des accumulateurs à capacité plus élevée pour diminuer la profondeur de la décharge si l’on veut obtenir un nombre de cycles plus élevé.
 La profondeur de la décharge est la principale responsable de la diminution de la durée de vie, mais les températures dépassant 50 °C sont fortement déconseillées. La capacité diminue fortement au-dessous de -15 °C. Une charge à tension trop élevée causant une surcharge, ainsi qu’une surcharge constante sont nocives. La durée de vie du fonctionnement destiné à maintenir la charge est influencée par la température et la tension de charge.
 La figure 6 illustre un comportement typique du fonctionnement en charge continue ; la capacité de l’accumulateur au bout de 5 ans est encore de 60 %. Cette capacité résiduelle de 60 % signale la fin de l’utilisation de l’accumulateur dans les applications industrielles. Le mode de construction de l’accumulateur influence bien entendu la durée de vie tout comme les facteurs déjà mentionnés. Le (faible) courant de charge qui passe sans interruption en mode de secours provoque par exemple un amincissement progressif des plaques. Les accumulateurs munis de plaques spécialement renforcées durent bien plus longtemps. Il existe aussi des accumulateurs spécialement conçus pour un nombre élevé de cycles. Les sites Web des fabricants 
fournissent tous les renseignements nécessaires sur les diverses séries de types.
Batterie au plomb
- Une décharge profonde qui n’est pas suivie d’une recharge est aussi nocive. Les accumulateurs au plomb étanches ne doivent pas rester plus de quelques jours dans un état de décharge profonde et doivent être rechargés dès que possible. La résistance à la décharge profonde est caractérisée par la capacité d’un accumulateur longtemps déchargé à consommer le courant de charge (et par la rapidité de cette consommation).
 Les types AGM modernes avalent le courant de charge avec une certaine gloutonnerie, même après une décharge profonde d’un mois, et ne révèlent aucune anomalie lors des charges suivantes. Les accumulateurs inutilisés pendant une longue période ne devraient être entreposés qu’à pleine charge pour éviter leur décharge profonde. Une recharge s’impose lorsque la tension à vide atteint 2,1 V/élément, ce qui correspond à une autodécharge d’environ 50 % de la capacité nominale.
 Un accumulateur en bonne santé se décharge si lentement à température ambiante que cette valeur ne sera atteinte qu’au bout de 18 mois environ ! La durée de la décharge jusqu’à 0,5 C n’est que d’environ 9 mois à 30 °C et plus que de 4,5 mois à 40 °C. La perte de capacité aux basses températures (minimum -15 °C) est encore plus faible qu’à la température ambiante. La faible autodécharge et son corollaire, la capacité de stockage à long terme constituent, comme la durée de vie élevée en mode de secours, un avantage essentiel des accumulateurs au plomb étanches par rapport aux autres accumulateurs.
Aspects pratiques :

- La plupart des fabricants d’accumulateurs recommandent de charger de préférence à tension constante avec une limitation de courant et une compensation de température. Un circuit de charge simple mais répondant à ces critères est reproduit dans la figure 7. Le régulateur de tension LM317 limite le courant à 1,5 A au maximum. Pour que la tension de charge soit stabilisée à la valeur définie par P1, il faut que la tension d’entrée du LM317 dépasse d’au moins 3 V celle de sortie.
 La tension d’entrée peut provenir d’un bloc ou de tout autre type d’alimentation secteur (stabilisation superflue) ou d’un accumulateur de voiture (réseau de bord 14 V). Cette dernière solution est à éviter si l’accumulateur comporte plus de 4 éléments. La tension de charge dépend du nombre d’éléments, du type d’accumulateur (indications du fabricant) et du mode de charge (normal ou continu).
 Placer P1 sur la valeur optimale pour ces conditions. Contrôler la sortie avec un multimètre numérique. Ne pas raccorder l’accumulateur ! La plage de réglage de P1 peut, le cas échéant, être ajustée au nombre d’éléments de l’accumulateur en choisissant une autre valeur de R2. La compensation de température par les diodes entre R2 et P1 représentées par des lignes en tirets n’est pas indispensable lorsque la charge est toujours effectuée à la température ambiante. 
Figure 7
Chargeur_de_batterie
- Il faut sinon connaître le coefficient de température (CT) recommandé par le fabricant pour la compensation de température. Un CT de –2 à –5 mV/°C peut être introduit dans le circuit de la façon suivante : connecter en série entre R2 et P1 un nombre de diodes (1N4148) égal au nombre d’éléments de l’accumulateur pour obtenir un CT de -2 mV/°C. Il faudra donc 6 diodes avec un accumulateur 12 V. On obtient un CT de -4 mV/°C en doublant le nombre de diodes (12) et 9 diodes correspondent à environ -3 mV/°C. Le nombre de diodes permet donc de modifier très simplement le CT. Il faut diminuer la valeur de la résistance R2 de 120 Ω par diode introduite pour compenser la chute de tension.
Batteries au plomb Gel et AGM :

- Les batteries plomb-acide conventionnelles ont un inconvénient majeur : elles contiennent de l’acide sulfurique liquide qui peut, non seulement en cas d’endommagement du contenant, mais aussi en cas d’inclinaisons de la batterie, s’échapper à l’air libre.
 Ce type de batterie présente en outre une auto-décharge élevée et ne supporte qu’un nombre limité de cycles de charge. Ceci est acceptable dans le cas d’une batterie de démarrage, mais si la batterie doit alimenter un réseau de bord (et partant parcourir des cycles de décharge complets jusqu’à la décharge profonde), il réagit, courroucé, par un sulfatage.
 La batterie perd rapidement sa capacité. C’est la raison pour laquelle il a été développé, pour des applications comme les alimentations de secours ou les installations solaires, des batteries au plomb à électrolyte lié qui sont étanches, sans entretien et ne présentent pas de risque de couler. Il n’y a plus de risque de sulfatage vu que l’acide sulfurique libre est « épongé » par le gel.
 L’autodécharge est sensiblement moindre, mais il est important de respecter à la lettre les instructions de charge. Les batteries Plomb Gel ont cependant une densité énergétique moindre (courant de court-circuit plus faible) que celles du type acide et ne peuvent partant pas être utilisées pour, par exemple, alimenter un démarreur. Il existe, outre la technologie plomb Gel archi-connue, une seconde méthode pour « fixer » l’électrolyte d’une batterie au plomb : AGM.
 Cette abréviation signifie Absorbed Glass Mat et évoque des « matelas » de fibre de verre tissée intercalés entre les électrodes. Le croquis montre la structure d’une batterie AGM (source : Hawker). Par effet de capillarité, le tissé de verre absorbe l’électrolyte totalement, l’empêchant du même coup de se déplacer.

Batterie au plomb
- Les batteries AGM fournissent plus de courant que les batteries Gel et coûtent moins cher; elles ont cependant les inconvénients : un excédent d’électrolyte plus faible et une dissipation moindre. Aux températures élevées, les batteries AGM ont tendance à la dessiccation.
Bibliographie:  ©  elektor 11/2004
Montages du site
Recherche sur le web, axée sur l'électronique