Bien qu'il existe aujourd'hui de nombreuses chimies de batteries, et que de nouveaux types deviennent commercialement viables au fil du temps, nous traitons des types de batteries au plomb, inondées, AGM et au gel, car elles sont largement utilisées dans les applications pour lesquelles nous sommes spécialisés. La technologie des batteries au plomb est utilisée commercialement depuis plus d'un siècle. Certaines découvertes archéologiques de matériaux appropriés dans une configuration créée par l'homme suggèrent que le principe est connu et utilisé depuis bien plus longtemps. Elles sont constituées de plaques en alliage de plomb et d'un électrolyte composé d'acide sulfurique et d'eau. Une batterie est constituée d'un certain nombre d'éléments, et la chimie de l'acide au plomb impose une tension à pleine charge d'environ 2,12 volts par élément. Ainsi, une batterie nominale de 6 volts comporte trois éléments avec une tension de charge complète de 6,3 à 6,4 volts, et une batterie de 12 volts comporte six éléments avec une tension de charge complète de 12,7 volts. Les batteries au plomb-acide de haute qualité et de haute performance peuvent présenter une tension d'élément plus élevée.
La cellule comporte deux types de plaques, l'une en plomb et l'autre en dioxyde de plomb, toutes deux en contact avec l'électrolyte d'acide sulfurique sous la forme d'un liquide, absorbé dans une natte, ou d'un gel. La plaque de dioxyde de plomb (PbO2) réagit avec l'électrolyte d'acide sulfurique (H2SO4) et produit des ions hydrogène et des ions oxygène (qui forment l'eau) et du sulfate de plomb (PbSO4) sur la plaque. La plaque de plomb réagit avec l'électrolyte (acide sulfurique) et laisse du sulfate de plomb (PbSO4) et un électron libre. La décharge de la batterie (qui permet aux électrons de quitter la batterie) entraîne l'accumulation de sulfate de plomb sur les plaques et la dilution de l'acide dans l'eau. Nous reviendrons plus tard sur la sulfatation et ses problèmes. La gravité spécifique de l'électrolyte, mesurée à l'aide d'un hydromètre dans les batteries inondées, indique sa charge relative (force) ou son niveau de dilution (décharge). La réversibilité de cette réaction est à l'origine de l'utilité d'une batterie plomb-acide. Les versions scellées contiennent l'eau, l'hydrogène, etc. dans des conditions normales d'utilisation, pour la recombinaison, et éliminent la nécessité de vérifier les niveaux d'eau et la corrosion autour des bornes.
Charger la batterie consiste à inverser le processus ci-dessus et à soumettre la batterie à des tensions plus élevées que la tension existante. Plus la tension est élevée, plus le taux de charge est rapide, sous réserve de certaines limitations. Il y a un point de dégagement gazeux à prendre en compte, et les vraies batteries à gel ont une tension de charge maximale plus faible, parce que des bulles peuvent se former dans le gel, qui ne se dissipent pas, et qui endommagent la batterie. Plus d'informations à ce sujet dans le tutoriel sur la charge.
L'électrolyte peut être absorbé dans un matériau de type mat afin qu'il n'y ait pas d'électrolyte libre (batterie AGM), ou peut se présenter sous forme de gel qui le stabilise également (véritable batterie à gel). Les batteries plomb-acide actuelles se distinguent essentiellement par leur cycle profond/stockage (évalué en ampères-heures) ou par leur type SLI (démarrage/éclairage/ignition), évalué en ampères de démarrage. Il existe également des batteries combinées, conçues pour les deux fonctions, mais elles ont généralement une intensité de démarrage inférieure à celle d'une batterie de démarrage de même taille.
Batteries SLI
Les batteries SLI sont conçues pour délivrer une grande quantité d'ampères pendant une courte période (une séquence de démarrage), puis pour être rechargées relativement rapidement par le système de charge de l'équipement (alternateur). En général, une séquence de démarrage décharge moins de 3 % de la capacité de la batterie. Les batteries SLI ne sont pas conçues pour des décharges profondes répétées et leur durée de vie est considérablement réduite lorsqu'elles y sont soumises. Il existe des batteries humides (inondées) et totalement étanches, sans entretien (AGM - absorbed glass mat) dans cette catégorie. Elles ont généralement un nombre élevé de plaques et celles-ci sont relativement minces. Elles sont évaluées en CA, ampères de démarrage (à 32 degrés F), et en CCA, ampères de démarrage à froid (à 0 degré F).
Batteries à cycle profond
Les batteries à décharge profonde sont conçues avec des plaques plus épaisses, pour avoir un taux de décharge constant, et pour être déchargées profondément et accepter ensuite d'être rechargées. Elles sont appelées batteries de camping, batteries marines, batteries à décharge profonde, batteries de stockage et parfois batteries de voiturettes de golf, car ce sont les marchés typiques auxquels elles s'appliquent, ainsi que d'autres. Il n'y a aucun avantage à décharger profondément les batteries à décharge profonde dans le cadre d'une procédure d'entretien, et elles n'ont pas d'effet mémoire. Elles sont généralement évaluées en ampères-heures (ah), mais peuvent avoir une valeur CA et CCA, si elles sont à double usage, ou occasionnellement utilisées pour le démarrage.
Les batteries plomb-acide à décharge profonde sont disponibles en deux configurations - humide et scellée. Une batterie à cellules humides a une plus grande tolérance à la surcharge, mais elle libère de l'hydrogène lors de la charge, qui doit être correctement ventilé, et les niveaux d'eau doivent être vérifiés fréquemment. Les batteries plomb-acide scellées peuvent être de type AGM (Absorbed Glass Mat) ou Gel, et toutes deux sont parfois appelées VRLA (valve regulated lead acid). Le terme "Gel" est souvent utilisé pour désigner toute batterie véritablement scellée et sans entretien, ce qui est source de confusion pour les consommateurs de batteries, car les batteries AGM et les vraies batteries Gel ont des caractéristiques différentes, notamment en ce qui concerne les exigences de charge des vraies batteries Gel. Les deux types ne nécessitent pas d'entretien, n'ont pas de liquide à déverser et le dégagement gazeux est minime. D'autres noms pour les types scellés sont l'électrolyte pauvre, l'absence d'entretien, la cellule sèche et l'épreuve des déversements. La plupart de ces produits sont approuvés par le ministère des transports (DOT) pour le transport aérien et sont classés comme non dangereux.
La batterie au gel est la moins affectée par les températures extrêmes, le stockage à faible état de charge et a un taux de décharge interne plus faible, mais ses exigences en matière de tension de charge de pointe sont nettement inférieures à celles d'une batterie à électrolyte liquide ou d'une batterie AGM. Une batterie AGM supporte légèrement mieux la surcharge qu'une batterie Gel Cell. La catégorie AGM comprend les batteries Optima™ et Odyssey™, ainsi que plusieurs autres batteries scellées de haute performance. Les petites batteries que l'on trouve dans les systèmes d'alarme domestiques, les boîtiers d'alimentation sans coupure (UPS) des ordinateurs, etc., qui portent la mention "plomb-acide scellé", "à l'épreuve des déversements" ou "sans entretien", sont presque toujours des batteries de type AGM. S'il n'est pas indiqué "gel" ou si le numéro de pièce ne comporte pas de "G", il ne s'agit pas d'un gel.
Piles haute performance
Nous avons mentionné les batteries haute performance Optima™ et Odyssey™. Il en existe d'autres, telles que les Rock Racing™. Ces batteries utilisent des matériaux et des techniques de construction haut de gamme et obtiennent d'excellents résultats, ce que le prix tend à refléter. Les unités Odyssey présentent des amplis d'éclatement extrêmement élevés pendant les 5 premières secondes, une caractéristique essentielle pour le démarrage des moteurs à forte cylindrée ou à forte compression. Elles peuvent également être totalement déchargées et rechargées plusieurs fois (400 cycles à 80 % de profondeur de décharge). Pour un double usage, démarrage et décharge profonde, elles sont difficiles à battre. Nous gardons une Odyssey PC1500 chargée et prête dans l'atelier pour les sauts d'urgence ou d'autres situations, et pour les tests. J'en ai assez dit.
Capacité de la batterie
La capacité de la batterie est une mesure de l'énergie qu'elle peut stocker et fournir à une charge. Elle est déterminée par la quantité de courant qu'une batterie peut fournir pendant une période de temps standard. L'unité de mesure est appelée "ampère-heure" (ah). La norme industrielle pour les batteries est un taux de 20 heures, c'est-à-dire le nombre d'ampères de courant que la batterie peut fournir pendant 20 heures à 80 degrés F jusqu'à ce que la tension chute à 10,5 volts pour une batterie de 12 V et à 21 volts pour une batterie de 24 V. Par exemple, une batterie de 100 Ah fournit 5 ampères pendant 20 heures. Il arrive qu'une entreprise ou un spécialiste du marketing utilise un taux de 10 heures ou un autre taux, alors assurez-vous du taux que l'on vous donne lorsque vous comparez les marques et les tailles de groupe.
La capacité de la batterie est également exprimée en tant que capacité de réserve (CR) en minutes. La capacité de réserve est le temps en minutes pendant lequel une batterie peut fournir 25 ampères à 80 degrés F jusqu'à ce que la tension tombe à 10,5 volts pour une batterie de 12 V et à 21 volts pour une batterie de 24 V. La relation entre les ampères-heures (ah) et la capacité de réserve (RC) peut être calculée approximativement à l'aide de la formule suivante : ah = RC fois 0,6
Tailles de batterie typiques BCI*Groupe Tension de la batterie, V Batterie AH 31 12 105 4D 12 200 8D 12 245 GC2 (voiturette de golf) 6 220 * Battery Council International
Taux de décharge élevés de la batterie
Lorsque le taux de décharge est supérieur au taux standard de 20 heures, la capacité utilisable diminue, en raison de l'"effet Peukert". La diminution n'est pas linéaire et est illustrée dans le graphique ci-dessous.
Capacité de la batterie/taux de décharge Heures de décharge Capacité utilisable 20 100% 10 87% 8 83% 6 75% 5 70% 3 60% 2 50% 1 40%
Il faut en tenir compte lors du dimensionnement d'une batterie pour une application particulière. S'il s'agit d'une consommation de courant élevée, la capacité de la batterie doit être augmentée par rapport au simple calcul du nombre d'ampères-heures requis.
Durée de vie de la batterie et profondeur de décharge (DOD)
La durée de vie d'une batterie est d'autant plus courte qu'elle est déchargée profondément à chaque cycle. L'augmentation de la capacité d'un groupe de batteries au-delà des exigences minimales augmentera la durée de vie du groupe. Les batteries au gel ont tendance à avoir un plus grand nombre de cycles que les batteries AGM lorsqu'elles sont déchargées profondément, d'où leur utilisation fréquente dans les voiturettes de golf et les fauteuils roulants/scooters lorsque des batteries scellées sont utilisées et déchargées profondément tous les jours.
Tableau du cycle de vie moyen Profondeur de décharge Cycle de vie Cycle de vie Cycle de vie % de la capacité AH Groupe 27/31 Groupe 8D Groupe GC2 10 1000 1500 3800 50 320 480 1100 80 200 300 675 100 150 225 550
Temperature effects on batteries
Les batteries au plomb perdent de leur capacité à basse température. À 32 degrés F, une batterie fournira environ 75 % de sa capacité nominale à 80 degrés F. Il faut en tenir compte lors du dimensionnement d'un parc de batteries de la capacité requise pour des environnements plus froids. Un compartiment chauffé ou isolé est conseillé pour les climats très froids. Les températures élevées maintiennent la chimie de la batterie plus active et réduisent sensiblement sa durée de vie. Une batterie qui peut durer 5 ans dans un environnement de 60 F à 80 F, peut ne durer que 2 ans dans un environnement désertique.
Décharge interne
Les batteries sont soumises à une décharge interne, également appelée autodécharge. Ce taux est déterminé par le type de batterie et la métallurgie du plomb utilisé dans sa construction. Les piles humides, avec les cavités à l'intérieur pour l'électrolyte, utilisent un alliage de plomb et d'antimoine pour augmenter la résistance mécanique. L'antimoine augmente également le taux de décharge interne, qui se situe entre 8 et 40 % par mois. C'est pourquoi les piles humides ne doivent pas être laissées sans entretien ou sans charge pendant de longues périodes. Le plomb utilisé dans la construction des batteries Gel et AGM ne nécessite pas une résistance mécanique élevée puisqu'il est stabilisé par le gel ou le matériau mat. Le calcium est généralement allié au plomb pour réduire le dégagement gazeux et le taux de décharge interne, qui n'est que de 2 à 10 % par mois pour les batteries AGM et Gel.
Toute décharge de la batterie, y compris la décharge interne, produit une sulfatation sur les plaques de la batterie dans le cadre du cycle chimique et, avec le temps, cette sulfatation durcit, entraînant au mieux une diminution de la capacité de la batterie, ou une perte totale de fonction. Une charge régulière après utilisation, ou l'utilisation d'un chargeur "flottant" pendant de longues périodes de stockage (batteries de bateau, VTT, etc.) prévient cette diminution de capacité et maximise la durée de vie de la batterie. Une grande partie (près de 50 %) des batteries au plomb ont une capacité réduite ou deviennent inutilisables en raison de la sulfatation, et n'atteignent jamais leur durée de vie nominale. Il existe des dispositifs électroniques (chargeurs et dispositifs autonomes) pour traiter la sulfatation, mais la meilleure pratique consiste à éviter la situation en premier lieu en gérant correctement la batterie, notamment en utilisant des chargeurs "intelligents" de qualité.
Synthèse sur l'obtention d'une durée de vie maximale de la batterie
La discussion ci-dessus montre qu'il existe plusieurs problèmes liés à la durée de vie des batteries. La recharge en temps utile après utilisation, l'évitement de la décharge totale si possible, la charge d'entretien de routine ou l'utilisation d'un chargeur "flottant" pour les batteries stockées ou hors saison (jetski, motoneige, ATV, etc.) sont autant d'éléments qui contribuent à une bonne durée de vie de la batterie. Il est également essentiel d'éviter les températures extrêmes, en particulier la chaleur, lorsque cela est possible, et de vérifier le niveau d'eau des batteries inondées. Certaines applications sont plus susceptibles d'atteindre la fin du cycle de vie d'une batterie et de voir leur capacité diminuer en conséquence. Les fauteuils roulants et les scooters utilisés quotidiennement et de manière intensive entrent dans cette catégorie.
Connexion en série et en parallèle des batteries
Lorsque deux batteries ou plus sont connectées en série (du positif au négatif dans une chaîne), leurs tensions s'additionnent mais leur capacité en Ah reste la même. Ainsi, deux batteries de 12 V, 100 Ah, connectées en série donnent un pack de 24 V, 100 Ah. Le négatif d'une batterie se connecte au positif d'une deuxième batterie, et les bornes restantes sont les connexions du système.
Lorsque deux batteries ou plus sont connectées en parallèle (positif à positif, négatif à négatif), leur capacité AH (ampérage) s'additionne mais leur tension reste la même. Ainsi, deux batteries de 12 V, 100 Ah, connectées en parallèle donnent un pack de 12 V, 200 Ah.
