Les Batteries

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Normand Corbeil 2010
Phénomènes, caractéristiques et définitions :
CELLULE : Composant convertissant l’énergie chimique en énergie électrique. Par exemple, une
cellule à l’acide plomb génère, à vide, environ 2 Vcc et une au nickel cadmium 1.3Vcc. Certains
auteurs utilisent pile au lieu de cellule.
CELLULE PRIMAIRE : Composant non rechargeable. Une fois la réaction chimique épuisée la
cellule est déchargée et bonne pour les rebus (recyclable).
CELLULE SECONDAIRE (accumulateur) : Composant rechargeable. On recharge la cellule en
forçant un courant inverse à l’aide d’un chargeur.
BATTERIE : Branchement de cellules en série et ou en parallèle. En série on augmente la tension
et en parallèle on augmente la capacité. Par exemple, six cellules au plomb-acide branchées en
série forment une batterie de 12Vcc. Une batterie forme souvent un monobloc.
AGM : «Absorbed glass mat». Batterie de type AGM. Technique de construction dont
l’électrolyte est emmagasiné dans un matériel spongieux. Comme l’électrolyte n’est pas liquide
on peut les installer debout ou à l’horizontal. Ces batteries sont scellées et elles ne peuvent et
ne doivent jamais être ouverte. Elles sont équipées de valves de sécurité évacuant le surplus de
pression lors de surcharge accidentelle ou d’élévation de la température interne.
GEL : Batterie de type GEL. Technique de construction dont l’électrolyte est sous forme de gel.
Comme l’électrolyte n’est pas liquide on peut les installer debout ou à l’horizontal. Ces batteries
sont scellées et elles ne peuvent et ne doivent jamais être ouverte. Elles sont équipées de
valves de sécurité évacuant le surplus de pression lors de surcharge accidentelle ou d’élévation
de la température interne.
LIQUIDE : Batterie à électrolyte liquide. Technique de construction utilisant un électrolyte
liquide. À installer debout seulement. On peut suivre l’évolution de la batterie en mesurant la
densité de l’électrolyte accessible par des bouchons vissables. Lors d’une surcharge accidentelle
on peut ajouter de l’eau afin de compenser la perte par évaporation.
LITHIUM-ION : Batterie utilisant du lithium au lieu du plomb. Batterie scellée à installer debout
ou à l’horizontal. Offre le meilleur rapport énergie/poids.
AMPÈRE-HEURE (Ah) : Unité qui s’apparente à la quantité d’énergie. Cela peut-être la quantité
d’énergie qu’une batterie contient (pe 100Ah). Cela peut aussi représenter la quantité
d’énergie qui a été fournie à un accessoire, qui est aussi la quantité d’énergie tirée ou
demandée par cet accessoire, par exemple un moteur de 3A fonctionnant pendant 5 heures
aura consommé 15Ah. Ou encore, la quantité d’énergie qu’un chargeur a fournie à la batterie
(cas des cellules secondaires), par exemple une batterie en recharge avec un courant de 10A
pendant 8 heures aura reçue théoriquement 80Ah. En pratique, 10 à 20% de ce 80Ah ira en
perte (chaleur ou autre) et le restant à la recharge de la batterie.
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CAPACITÉ (C) : Quantité d’énergie qu’une cellule ou une batterie contient et exprimée en
ampère-heure (Ah). Surtout utilisé pour les batteries à décharge profonde. La capacité est
grosso modo proportionnelle aux dimensions physiques de la batterie. Elle est spécifiée à une
température donnée (habituellement 25 ou 27°C) pour une tension finale (habituellement
1.75Vpc ou 10.5V (12V)) et pour un courant de décharge donné (habituellement à C20). C20 est la
capacité de la batterie pour le courant qui amènera la tension de la batterie à la tension finale
en 20 heures à la température spécifiée. Cela veut dire que pour une même batterie on peut
avoir des capacités nominales différentes. Par exemple, la 12HHG8D de Surrette (6 cellules
=12V) a une C20 de 275Ah soit un courant de décharge de 13.8A (13.8Ax20h=275Ah) et a une C10
de 243Ah si le courant est de 23.4A. On peut aussi dire que cette batterie pourra théoriquement
fournir 275Ah à raison de 13.8A pendant 20 heures à une température de 25°C et sa tension à la
fin sera descendue à 10.5V (6 X 1.75V).
La capacité est spécifiée pour une batterie neuve et à pleine charge.
CXY : Capacité de la batterie pour une décharge sur XY heures pour une température et une
tension finale données. C’est la capacité en fonction d’un courant de décharge
(I décharge = CXY en Ah / XY heures)
COURANT DE POINTE (CCA cold cranking amp) : Courant que peut fournir une batterie neuve et
à pleine charge à -18°C pendant 30 secondes et maintenir une tension ≥ à 1.2V par cellule (7.2V
pour une 12V). Surtout utilisé pour évaluer la capacité d’une batterie à actionner le démarreur
d’un moteur à combustion par temps froid.
CA (cranking amp) ou MCA (marine cranking amp) : Même définition que le CCA mais pour une
température de 0°C.
CYCLIQUE : Mode d’utilisation où la batterie subit des cycles de décharges/recharges répétitifs,
comme sur un voilier. L’autre mode est le maintient où la batterie est constamment en
recharge en attente d’une utilisation ponctuelle comme dans un éclairage d’urgence.
DÉCHARGE : % de décharge (depth of discharge, DOD). Expression de l’énergie en Ah tirée de la
batterie en % de sa capacité nominale. Par exemple, une batterie neuve de C10 = 200 Ah et à
pleine charge ayant poussé un courant de 20A pendant 3 heures aura débité 60 Ah sur 200 Ah
soit 30% déchargée. C’est le complément de l’état de la charge de la batterie.
DÉCHARGE PROFONDE : Batterie à décharge profonde. Construction qui permet de puiser
jusqu’à environ 50% de la capacité de la batterie sans pour autant diminuer significativement sa
durée de vie. Règle générale ces batteries ne sont pas efficaces pour fournir de fort courant
momentanément mais elles sont performantes à fournir des courants relativement faibles sur
de longue période. Contraire aux batteries de démarrage.
NB : Les batteries modernes à décharge profonde peuvent aisément lancer un moteur diesel.
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DÉMARRAGE : Batterie de démarrage. Construction qui permet à la batterie de fournir un fort
courant momentanément, comme pour le lancement d’un moteur à combustion entraîné par un
démarreur. La durée de vie de ces batteries est extrêmement diminuée lorsqu’on les décharge
profondément. C’est pourquoi elles sont surtout utilisées dans des véhicules motorisés équipés
d’un alternateur. Contraire aux batteries à décharge profonde.
DURÉE DE VIE : L’expectative de la durée de vie d’une batterie dépend du type d’exploitation.
Elle s’exprime
a) en année lorsqu’utilisée en phase de maintient (float) ie que la batterie est
continuellement en recharge de maintient dans l’attente d’une utilisation
ponctuelle (éclairage d’urgence; système d’alarme; système d’alimentation
sans coupure, etc).
b) En nombre de cycle recharge/décharge lorsqu’utilisée dans des situations
répétées de recharge et décharge comme sur un voilier où dans des
applications avec panneau solaire et ou éolienne.
Ce nombre de cycle est fonction du % de décharge atteint. Par exemple, une
batterie qu’on décharge régulièrement de 50% aura une durée de 650 cycles
alors quelle sera à 2000 cycles si on la creuse de 20%.
Cette durée de vie est spécifiée en fonction de la température et en considérant que la batterie
est rechargée pleinement à chaque cycle et selon les exigences du manufacturier.
ÉGALISATION : Surcharge volontaire et contrôlé de la batterie pendant un certain temps afin de
résorber la stratification (cas des liquides), d’enlever la sulfatation non cristallisée, et d’égaliser
la densité de l’électrolyte entre les cellules d’une même batterie. Les batteries «liquide» se
prête bien à l’égalisation alors qu’elle est difficilement réalisable sur les GEL et AGM.
ÉTAT DE LA CHARGE : % de l’état de la charge d’une batterie (state of charge, SOC). Expression
de l’énergie en Ah actuelle ou restante d’une batterie en % de sa capacité nominale. Par
exemple, une batterie neuve de C10 = 200 Ah et à pleine charge ayant poussé un courant de 20A
pendant 3 heures aura débité 60 Ah pour une capacité résiduelle de 140 Ah et un état de charge
de 70%. C’est le complément du % de décharge de la batterie.
MARINE : Batterie à décharge profonde marine. Construction qui offre une meilleure résistance
aux vibrations et à l’environnement marin comme l’humidité et les chocs. Pour une «liquide»
elle a plus d’électrolyte afin que les plaques restent toujours couvertes lors des mouvements et
inclinaisons du bateau. Notez qu’une batterie marine de bonne qualité, même si elle n’est pas
une batterie de démarrage, est capable de lancer un moteur diesel.
RECHARGE : Procédé qui consiste à fournir de l’énergie à une batterie déchargée. On devrait
recharger une batterie à l’aide d’un régulateur de tension à trois étapes :
1) fort courant constant (charge rapide) (bulk);
2) tension constante (absorption);
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3) maintient (float).
En principe une recharge complète nécessite une douzaine d’heures minimum.
RÉSERVE EN MINUTE : Temps en minute que prendra une batterie neuve et à pleine charge à
atteindre une tension de 1.75Vpc (10.5V) en fournissant 25A. Cette donnée est surtout utilisée
pour évaluer le temps de fonctionnement des accessoires lors d’une panne du circuit de
recharge d’une batterie de démarrage.
RÉSISTANCE INTERNE : Une batterie peut être représentée par une batterie idéale en série avec
une résistance interne. Au départ (batterie neuve) cette Rint dépend de la constitution
chimique et de la capacité de la batterie. Par la suite Rint est :
1) momentanément proportionnelle à la profondeur de la décharge;
2) momentanément inversement proportionnelle à la Tbatt;
3) irrémédiablement proportionnelle à l’âge de la batterie;
4) irrémédiablement proportionnelle à la sulfatation.
La résistance interne explique :
-L’écrasement de la tension de la batterie lorsqu’on branche un accessoire à ses bornes;
-L’échauffement de la batterie lors des recharges et des décharges;
-L’emballement de la température d’une AGM en recharge (T­
Rint¯
Irecharge­
T­et
ainsi de suite). C’est la raison de limiter la grandeur du courant de recharge d’une AGM même si
techniquement on peut la recharger avec un fort courant;
-La recharge incomplète d’une batterie sulfatée en faussant la lecture du chargeur.
STRATIFICATION : Gradation de la densité de l’électrolyte, plus dense à la base de la batterie et
moins dense en surface. Peut affecter l’interprétation de la mesure à l’hydromètre puisque le
prélèvement se fait à la surface. L’uniformité de la densité apparaît vers la fin d’une recharge
lorsque l’électrolyte «bouille» ou à la suite d’une égalisation. Une stratification quasi
permanente engendre la corrosion de la base des plaques.
Phénomène inexistant pour les GEL et inexistant pour les AGM ayant une C20 ≤ 300Ah.
SULFATATION : En mode décharge du sulfate se forme sur les plaques. La sulfatation est le
durcissement du sulfate. Une fois durci il est très difficile voire impossible de le résorber. Cela
engendre une diminution effective de la surface des plaques qui se traduit par une perte
permanente de capacité et une augmentation permanente de la Rint.
On ralenti la sulfatation en
1) rechargeant à 100% après chaque utilisation;
2) diminuant le temps entre la décharge et la recharge (une ou deux semaines au max);
3) ne déchargeant pas plus de 50%;
On peut résorber une sulfatation qui n’est pas cristallisée par l’égalisation (impossible ou risqué
pour les AGM et GEL).
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Faits sur les batteries :
-La durée de vie est inversement proportionnelle à la température moyenne annuelle de la
batterie;
-La durée de vie est inversement proportionnelle à la profondeur de la décharge;
-On ne doit jamais décharger à plus de 80%, cela occasionne des dommages permanents. En
principe on ne décharge pas à plus de 50% les batteries de qualité supérieure et à 30% celles de
qualité moyenne.
Par exemple, un voilier consommant 50Ah avant une recharge complète, aura besoin d’une
batterie d’au moins 100Ah. Une batterie choisie de 200Ah subira une décharge moins profonde
et aura une durée de vie beaucoup plus grande (pe 600 cycles vs 1500).
-Une batterie qui n’est pas rechargée à 100% sur une base régulière durcira son sulfate et
perdra en capacité et en durée de vie. La capacité diminuant, la batterie se déchargera plus
profondément à chaque utilisation accentuant ainsi l’accélération de la diminution de la durée
de vie. Les batteries au GEL ou AGM ne sont donc pas recommandées sur des voiliers
continuellement au tangon ou à l’ancre. Tandis qu’une «liquide» pourra être égalisée (à chaque
mois par exemple).
-Tbatt≤18°C n’engendre pas de conséquence permanente mais réduit momentanément la
capacité.
-Tbatt≥27°C : Une utilisation à des T élevées engendre une réduction de la durée de vie, par
exemple pour chaque 10°C en haut de 25° une AGM voit sa durée de vie diminuée de moitié
(base annuelle). Les GEL et AGM ne sont donc pas recommandés pour les voiliers naviguant
sous les tropiques.
- Tbatt≤-10°C : Une GEL n’est pas recommandée pour une utilisation à basse T. L’AGM est plus
appropriée alors que la liquide demeure l’idéal à condition de surdimensionner la capacité
nécessaire afin de diminuer la profondeur des décharges et empêcher le gel de l’électrolyte.
-La capacité diminue momentanément avec la grandeur du courant de décharge (sauf pour Liion).
-La capacité diminue avec l’âge de la batterie.
-La capacité diminue momentanément avec la baisse de température.
-Branchement parallèle : On obtient une batterie de capacité égale à la somme des capacités
individuelles. En principe on ne branche pas en permanence de batterie en parallèle. Si on doit
le faire on le fait avec des batteries neuves de même marque et de même modèle. Par exemple,
2X12V de 100Ah donne une 12V de 200Ah. Si l’espace n’est pas un problème, il est préférable
d’acquérir une 12V de 200Ah.
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-Branchement série : On obtient une batterie ayant une tension égale à la somme des tensions
individuelles. La capacité totale sera celle de la batterie la plus petite. Le branchement série est
acceptable à condition de le faire avec batterie neuve de même marque et modèle (pe 2 x6V de
200Ah en série donne une 12V de 200Ah). Si l’espace n’est un problème, il est préférable
d’acquérir une 12V de 200Ah.
NB : Si l’espace est un problème, il est préférable de brancher 2X6V de 200Ah en série que
2X12V de 100Ah en parallèle.
- Le courant maximum de recharge est fonction de la profondeur de la décharge.
- Les batteries modernes à décharge profonde peuvent lancer un moteur diesel.
Les raisons de l’égalisation et procédure :
a) Raisons :
1) Enlever la sulfatation;
2) Égaliser la densité de l’électrolyte des cellules;
3) Rétablir l’uniformité de la densité de l’électrolyte (enlever la stratification);
b) Quand :
1) la densité de l’électrolyte (mesurée au pèse acide) des cellules atteignent des
différences plus grande que 0.015. NB : S’il y a une ou des différences de densité ³ à
0.05 la batterie est à changer;
2) Quand on ne recharge pas à 100% d’une façon régulière. On égalise alors à tous les
mois;
3) Une fois par saison.
c) Procédure :
1) Cela se fait à l’aide d’un chargeur de qualité qui offre la fonction. On suit les
instructions du fabricant du chargeur et de la batterie;
2) La batterie doit être à pleine charge;
3) On débranche tous les circuits car la tension élevée du procédé pourrait endommager
les accessoires;
4) On ouvre les bouchons;
5) On ajuste le liquide à son niveau le plus haut;
6) On ventile;
7) On s’assure que la température de l’électrolyte ne dépasse pas 50°C, sinon on arrête
la charge;
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8) On s’assure que le niveau du liquide demeure au-dessus des plaques;
9) On mesure la densité (pèse acide) de chaque cellule. Quand cette densité atteint
1.265 et est stable depuis 30 minutes l’égalisation est atteinte et on arrête le processus.
Hivernage :
Il est préférable de laisser les batteries dans le bateau. On s’assure que la batterie est pleine
charge afin d’empêcher le gel de l’électrolyte et la destruction de la batterie. Le froid ralenti la
réaction chimique et ainsi la décharge interne. Habituellement, on a pas besoin de procéder à
des recharges régulières tout au long de l’hiver. On fait la pleine charge en novembre et une
autre en avril.
On débranche la borne négative.
On nettoie la surface avec une solution à 10% d’eau et bicarbonate de soude. Avec précaution
afin d’éviter que cette solution entre dans les cellules.
Si on dépose les batteries, il faut les entreposer dans un endroit frais et sec et assurer une
recharge mensuelle.
Philosophie du système :
On privilégie le système à deux batteries qu’on utilise à tour de rôle. On sélectionne la batterie
du jour à l’aide de l’interrupteur principal.
Les deux batteries doivent être de même technologie (2 liquides ou 2 AGM ou 2 GEL…).
On installe un chargeur à trois étapes avec deux sorties indépendantes, avec possibilité du choix
de la technologie et plage de température. Si AGM ou GEL il faut un chargeur avec sonde de
température.
L’alternateur aura idéalement deux sorties indépendantes. Cependant, ce type d’alternateur est
rare. L’alternateur à une sortie sera couplé à un régulateur externe à 3 étapes le tout acheminé
à la batterie à recharger et sélectionné à l’aide de l’interrupteur principal. Si on veut que
l’alternateur recharge les deux batteries, on intercale un isolateur à diode ou un combineur
entre le régulateur et les batteries. Ce dernier montage est cependant moins efficace.
Conclusion et choix :
Selon les faits ci-dessus décrits et le comparatif ci-dessous on obtient :
- pas de montage de batterie en parallèle et ni en série. Si l’espace disponible ne peut recevoir la
12V de capacité requise on pourra à la limite utiliser deux batterie de 6V en série.
- La batterie à acide liquide est préférable : elle pardonne les abus de décharge et ou de
recharge. Coûte moins cher et résiste mieux aux contraintes de température. On peut aussi
facilement l’égaliser.
On optera pour le GEL ou AGM si et seulement si l’espace disponible est dans une aire habitable
ou exige que la batterie soit couchée sur le côté.
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- Pas besoin de batterie de démarrage dédié au lancement du moteur.
- On choisi la capacité d’une batterie (Ah) selon la consommation en Ah estimée entre les
recharges, la grandeur du courant moyen tiré et la durée de vie souhaitée. Par exemple, dans le
cas d’une utilisation avec décharges cycliques de 50Ah par un courant moyen de 10A et une
durée de vie d’environ 1000 cycles (environ 10 ans au Québec). Une 1000 cycles implique une
batterie de qualité supérieure qu’on creusera à pas plus de 50%. Comme la décharge est de
50Ah on aura besoin à prime abord d’une batterie de 100Ah. Or cette capacité dépend de la
grandeur du courant déchargeant la batterie et comme les batteries sont habituellement
classées selon leur C20, on ne peut acheter la 100Ah. En effet, une C20 implique un courant de
décharge de 5A. La fiche technique de la Surrette 30H125 donne C20 à 125Ah et une C de 106Ah
pour un courant de 10.6A.
On allonge la durée de vie en choisissant une capacité plus élevée. La profondeur de la décharge
sera ainsi moindre et augmentera la durée de vie.
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Comparaison des types de batterie (on compare ici des batteries de qualité supérieure)
Caractéristique GEL AGM Liquide Li-ion
# cycle rech/déch
(cycles de 50%) (C
à 80% de C initiale)
1100 600 1300 3000
stratification
Non
Non pour
C20≤300Ah
Oui, mais
disparait par
égalisation
Sensibilité à la
Surcharge
++ Dommages
irréversibles
+ Dommages
irréversibles
-
Ajouter de l’eau
Sulfatation Oui Oui oui
Minimiser
sulfatation
Toujours
recharger à 100%
après chaque
utilisation
Toujours
recharger à 100%
après chaque
utilisation
En rechargeant à
100%,sinon l’égalisation
enlève la
sulfatation
Compartiment
ventilé
Oui pour évacuer
chaleur
Obligatoire pour
évacuer chaleur
Oui pour évacuer
gaz
Installation
Debout ou côté debout ou côté Debout
Debout ou
côté
Installation dans
pièce habitable
Oui Oui
Non, oui si
«hydrocap»
oui
R interne à pleine
charge
4 mΩ 2 à 3 mΩ ≥4mΩ
I max recharge
(en % de C20)
30% 40% 25% 100%
Degré de soin Élevé : tjrs
recharger à 100%
si on veut éviter
sulfatation; éviter
les surcharges;
bien ventiler afin
d’empêcher les
élévations de
température;
chargeur avec
sonde de T.
Élevé : mêmes
commentaires que
GEL avec une plus
grande sensibilité
aux températures
élevées; chargeur
avec sonde de
température.
Bas : robuste
Temps pour
recharge (chargeur
à fort courant)
Moyen court Le plus long Très court
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Entretien Sans entretien Sans entretien Ajouter eau,
nettoyer
Sans
entretien
Gel de
l’électrolyte
Oui si T≤ -40˚C Sans effet Selon densité de
l’électrolyte ou l’état
de la charge
Sensibilité aux T
élevées
(utilisation à des
T≥30˚C)
Sensible;
perte Ah et
durée de vie
Très sensible;
destruction ou
perte Ah et durée
de vie. Sujette à
l’emballement de
la T
Faible;
Perte en durée de vie
et en Ah
Sensible;
perte en
durée de vie
Utilisation à basse
T (T≤-10˚C)
non oui Idéal si
surdimensionnement
Génération de
chaleur lors des
recharges
Élevée Très élevée (10X
plus que liquide)
Faible
Chargeur avec
sonde de T et
compensation
Oui Oui Pas une nécessité
Résistance aux
vibrations
Excellente Selon qualité de la
construction
Décharge interne 1 à 3% par mois 1 à 3% par mois 5 à 10% par mois 3% par mois
Coût
$/Ah
Très chère
5.60$
Chère
3.20$ et +
La moins chère,
2.50$
Hors de prix
24.00$
Poids (lbs/Ah) 0.77 0.7 0.63 0.33
Volume (cc/Ah) 136 118 123 131
C en Ah vs I déch ↘ ↗ ↘ ↗ ↘ ↗ constante