Dernière modification le 24/05/2023
Difficulté
Moyen
Durée
14 jour(s)
Coût
0 EUR (€)
Description
Batteries are central/the key and expensive elements in stand-alone installations. However, their operation and maintenance are not well known/not well understood by the general public. This tutorial, therefore, has several objectives:
- Present/Explain how a lead-acid battery works.
- Present/Explain the different types of lead acid batteries
- Present/Explain the major causes of degradation of lead batteries.
- Present/Explain the rules for the use and maintenance of lead batteries.
- Introduce the process of desulfation (or regeneration) of lead batteries.
- Present/Explain how a lead-acid battery works.
- Present/Explain the different types of lead acid batteries
- Present/Explain the major causes of degradation of lead batteries.
- Present/Explain the rules for the use and maintenance of lead batteries.
- Introduce the process of desulfation (or regeneration) of lead batteries.
Sommaire
Sommaire
- 1 Description
- 2 Sommaire
- 3 Introduction
- 4 Étape 1 - Constitution d'une batterie au plomb
- 5 Étape 2 - Operation of a lead acid battery
- 6 Étape 3 - Les unités caractéristiques des batteries
- 7 Étape 4 - Différents types de batteries pour différents usages
- 8 Étape 5 - Mécanismes de dégradation des batteries au plomb
- 9 Étape 6 - Résumé des bonnes pratiques à adopter avec des batteries au plomb
- 10 Étape 7 - Désulfatation / Régénération de batteries au plomb
- 11 Notes et références
- 12 Commentaires
Introduction
Batteries are often the most expensive and most fragile constituents of an electrical conversion system. Hence, it is important to take care of them through proper use and monitoring.
Lead acid batteries are very fragile. They are sensitive to overcharging, partial charging, deep discharges, excessively rapid charges, and to temperatures above 20°C. All these factors can lead to premature aging, mainly due to a combination of lack of technical knowledge, poorly- sized systems and erroneous use by a person. If one does not control these factors, the batteries will quickly be damaged.
The damage will result in reduced battery life and, in some cases, there could be irreparable deterioration of batteries. Batteries will last longer when used properly, and so their replacement will be less frequent. In the long run, one can make considerable savings. Another interesting aspect is that the conversion system will be more efficient if the batteries are in a good condition. The better the batteries’ condition, the more efficient the installation will be.
Étape 1 - Constitution d'une batterie au plomb
• A lead battery is made up of a set of accumulators./cells. The nominal voltage of an accumulator/cell is approximately 2.1 V, and so a 12-V battery consists of six accumulator/cell mounted in series and connected by welded lead. (A series of cells connected in series, or parallel is called module) The accumulators/cells are fitted/packed in a plastic container and sealed with a lid. • Each accumulator comprises pairs of positive and negative electrodes (plates) connected in parallel, with a separator in between each pair. • The separators are generally rectangular sheets, inserted between the positive plates and the negative plates, and have the following important characteristics: o they serve/act as perfect electrical insulators. o they are highly permeable to ions carrying electrical charges. o they have excellent resistance to sulfuric acid,
• The electrodes are composed of a grid on which is deposited a porous active material: lead (Pb) on the negative electrode and lead dioxide (PbO2) on the positive electrode. The grid collects the current and also serves as a mechanical support for the active material. • The electrolyte is a dilute solution of sulfuric acid in which the electrodes are immersed. It can be in liquid, gel or absorbed form in fiberglass felts, depending on the type of battery.
Étape 2 - Operation of a lead acid battery
To understand the causes of battery failure, it is important to understand the chemical reactions at work inside it.
Reaction during discharge: During discharge, the following chemical reaction takes place:
PbO2 sol + Pb sol + 2 HSO4−aq + 2 H+aq ⟶ 2 PbSO4 sol + 2 H2O liq
- L'électrode positive (+) qui était du dioxyde de plomb va devenir du sulfate de plomb, sous forme de cristaux.
- L'électrode négative (-) qui était en plomb va aussi devenir du sulfate de plomb, sous forme de cristaux.
- Le bain dans lequel baigne tout ça (l'électrolyte) se transforme en grande partie en eau (H2O).
- A la charge : Lors de la charge, on force la réaction chimique inverse :
2PbSO4 sol + 2 H2O liq ⟶ Pb sol + PbO2 sol + 2 HSO4−aq + 2 H+aq.
- Les cristaux de sulfate de plomb se redissolvent. On retrouve une électrode (+) en dioxyde plomb et une électrode (-) en plomb.
- L'électrolyte redevient de l'acide sulfurique dilué.
Étape 3 - Les unités caractéristiques des batteries
Les caractéristiques des batteries sont indiquées d'une manière abrégée et il n'est pas toujours facile de bien les déchiffrer. Voici un tableau récapitulatif des unités associées aux batteries :
| Caractéristique | Définition | Explication |
|---|---|---|
| Capacité (Ah) | Quantité de courant que peut stocker ou restituer une batterie généralement spécifiée en Ah pour un régime de décharge donné | Une batterie de 10 Ah : peut débiter 5 A pendant 2 heures |
| Tension (V) | Niveau de tension de la batterie. Doit être compatible avec les organes connectées | Les batteries au plomb sont constituées d'éléments délivrant chacun une tension de 2,1 V. Le montage en série de ces éléments permet d'atteindre les voltages usuels souhaités, en général 12 V, soient 6 éléments. Pour réaliser des systèmes en 24 ou 48 V, on monte des batteries 12 V en série. |
| Energie (Wh) | Résulte de la multiplication de la capacité par la tension | Une batterie de 200Ah en 24V aura une énergie de 4800Wh |
| Régime de décharge, Cxx | Exprimée en C10, C20 ou C100, elle indique la capacité d'une batterie en fonction de sa vitesse de décharge. | Batterie 50Ah C20 (signifie une capacité de 50Ah avec une décharge en 20h)
Batterie C100 : 90Ah (capacité de 90Ah avec une décharge en 100h) |
| Cold Cracks Amps (CCA) | Il s'agit de l'intensité maximale extractible d'une batterie sur une courte période en situation de démarrage de moteur par exemple. | L'indication CCA 420A 5 sec signifie que la batterie peut délivrer 420A pendant 5 sec |
| SOC (State of Charge) | état de charge d’une batterie, quantité d’électricité restante, | SOC = 50 % : le réservoir est à moitié plein |
| DOD (Depth of Discharge) | Etat de décharge d’une batterie, quantité d’électricité consommée | DOD + SOC = 100% |
| Nombre de cycles | Pour une batterie, un cycle représente une décharge suivie d'une charge. Mais attention, le nombre de cycles d'une batterie est fonction de la profondeur de la décharge subie. | Une même batterie peut avoir:
|
Étape 4 - Différents types de batteries pour différents usages
Il existe plusieurs types et plusieurs technologies de batteries au plomb. Chacune est adaptée à un usage, un environnement et des contraintes particulières. Comprendre ces différences est essentiel pour choisir et entretenir correctement sa batterie. Cette partie résume les grandes familles de batteries plomb et leurs caractéristiques.
Les batteries en fonction de leur usage :
- Batterie de démarrage:
Une batterie de démarrage est destinée à fournir un courant élevé pendant une très courte période. Elle est conçue pour démarrer un moteur (par exemple un véhicule ou un groupe électrogène). Les batteries de démarrage sont parfois appelées “batterie de voiture”, “batterie de camion” ou “batterie à plaques minces”. Voir l'intérieur d'une batterie de démarrage.
- Batterie de traction
Le nom de ces batteries vient de leur première utilisation : l’alimentation du moteur de véhicules électriques comme les chariots élévateurs. Elles sont généralement équipées de "plaques épaisses ou tubulaires" qui leur permet de résister à des décharges assez profondes et d'avoir une durée de vie élevée. Elles sont bien adaptées à une utilisation en solaire photovoltaïque.
Les batteries OPzS (électrolyte liquide) et OPzV (électrolyte gel) présentent à peu près les mêmes caractéristiques que les batteries de traction.
- Batterie stationnaire
Ces batteries sont celles utilisées dans les alimentations de secours notamment pour des systèmes informatiques ou de télécommunication. Elles sont conçues pour être rechargées en permanence et n’être déchargées que rarement.
- Batterie solaire / à décharge lente
Ces batteries sont prévues pour être utilisées dans des installations solaires photovoltaïques. Elles sont conçues pour supporter un nombre élevé de cycle (puisqu’elles seront déchargées toutes les nuits et rechargées tous les matins), leur profondeur de décharge est généralement bonne mais peut varier fortement d’un modèle à l’autre. Les batteries de servitudes présentent à peu près les mêmes caractéristiques que les batteries solaires.
Voir l'intérieur d'une batterie à décharge lente / solaire
Les batteries en fonction de leur technologie / électrolyte
- Batterie ouverte
Une batterie ouverte est une batterie à électrolyte liquide dotée de bouchons permettant de la remplir. Les batteries ouvertes ne sont pas étanches : le liquide qui est à l'intérieur s'évapore peu à peu, il faut donc contrôler régulièrement son niveau et compléter si nécessaire avec de l'eau distillée.
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Réparable | Entretien nécessaire |
| Permet les courants forts à froid (CCA) | Risque de non homogénéité de l'électrolyte si peu utilisé = vieillissement prématuré |
| Supporte les surcharges et les surchauffes (on peut remettre du liquide si celui-ci s'évapore) | Dégagement d'hydrogène, donc risque d'explotion si milieu non aéré |
| Prix faible | N'aime pas le froid, risque de gel de l'électrolyte. |
| Forte autodécharge (10-12% par mois) si pas utilisé régulièrement. | |
| Fuites possibles si basculée |
- Batterie liquide scellée / étanche
Une batterie étanche est une batterie à électrolyte liquide dotée d'un système permettant d’empêcher l'évaporation de l'eau contenu dans l'électrolyte, par recombinaison des gaz. Ces batteries ne nécessitent pas de maintenance. Ces batteries sont souvent appelées VRLA pour Valve Regulated Lead-Acid.
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Réduit la production de gaz explosif, les pertes en eau et les fuites | Ne permet plus l'entretien, ni le contrôle |
| Nécessite moins de maintenance | Impose une charge parfaitement régulée en fonction de la température pour éviter les pertes de gaz par surpression |
- Batterie AGM
Les batteries AGM sont un type de batterie étanche / VRLA. Dans une batterie AGM, l'électrolyte est liquide mais maintenu en place dans un buvard en fibre de verre, d'où son nom: Absorbed Glass Material.
Voir l'intérieur d'une batterie AGM
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Sans entretien avec un faible dégagement gazeux | Ne supporte pas la chaleur (perte de l'électrolyte sous forme de gaz - effet définitif) |
| Bon maintient de l'homogénéité de l'électrolyte | Ne supporte pas les surcharges (perte de l'électrolyte sous forme de gaz - effet définitif) |
| Supporte bien le froid car électrolyte homogène | Durée de vie limitée (taux d'acidité obligatoirement élevé) |
| Permet de faire passer des courants de crête forts (CCA) | |
| Résiste bien aux chocs car tout est bien maintenu à l'intérieur | |
| Faible autodécharge (1-3% par mois) |
- Batterie gel
Les batteries gel sont un type de batterie étanche / VRLA. Dans une batterie gel, l'électrolyte est gélifié par ajout de silicate.
Voir l'intérieur d'une batterie gel
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Parfait maintien de l'homogénéité de l'electrolyte | Courant de crête limité |
| Faible autodécharge (1-3% par mois) | Charge et décharge lente (courant de charge limité à 5-10% de la capacité) |
| Résiste bien aux chocs car tout est bien maintenu à l'intérieur | Ne supporte pas la chaleur (perte de l'électrolyte sous forme de gaz - effet définitif) |
| Bonne durée de vie | Ne supporte pas les surcharges (perte de l'électrolyte sous forme de gaz - effet définitif) |
| Prix élevé |
Étape 5 - Mécanismes de dégradation des batteries au plomb
- Stratification de l'électrolyte: Dans une batterie à électrolyte liquide, si l'électrolyte n'est pas agité, l'acide sulfurique va couler vers le bas des bacs. Ainsi, la densité de l'électrolyte va lentement augmenter en bas des batteries, tandis qu'elle va diminuer en haut des batteries. Cette stratification de l'acide va provoquer une inhomogénité de la décharge des électrodes avec une corrosion accélérée en pied de batterie.
- Corrosion des électrodes positives: Les électrodes positives sont sensibles à la corrosion qui se produit au repos, mais surtout lors de la charge : le plomb de la grille se transforme en oxyde de plomb, peu conducteur. Si la corrosion devient trop importante, les matériaux actifs tombent peu à peu au fond des accumulateurs, et l'ensemble des électrodes se désagrège. La capacité de la batterie diminue et la résistance interne augmente jusqu'à rendre la batterie inutilisable.
- Perte de la matière active: Durant des cycles de charge et de décharge, les plaques positives et négatives subissent de fortes contraintes mécaniques (forts courants, champs magnétiques induits). Les plaques se désagrègent peu à peu et la matière active s’accumule au fond de la batterie. Cette "boue" peut provoquer des courts circuits entre deux plaques.
- Asséchement de l'électrolyte: Naturellement, l'eau contenue dans l'électrolyte s'évapore un peu. Les batteries VRLA favorise sa recondensation, ce qui réduit la nécessité d’appoint en eau distillée (contrairement aux batteries ouvertes). Mais, une fois la batterie chargée, un apport de courant amorce l'électrolyse de l’eau avec formation d’oxygène et d’hydrogène gazeux. Dans une batterie VRLA, au délà d'une certaine pression, des soupapes de sécurité laissent s'échapper l'eau de manière définitive. Ceci est problématique car l’appoint d’eau distillée n’est pas possible !
- Sulfatation: Durant la décharge, des cristaux de sulfate de plomb (PbSO4) se forment sur les électrodes positives et négatives. Si la batterie reste longtemps déchargée, ces cristaux de sulfate de plomb grossissent et durcissent de manière irréversible. Cela réduit la conductivité des électrodes, fait perdre en capacité à la batterie et peut provoquer des courts-circuits.
Gel de l'électrolyte: Lorsqu'une batterie est déchargée, l'électrolyte est principalement constitué d'eau. Sous de basses températures, celle-ci peut geler et endommager irrémédiablement la batterie.
- Corrosion des bornes de la batterie : Suite à des projections d'acide, des vapeurs d'acide, ou simplement à de la corrosion galvanique (2 métaux différents mis en contact), il peut se former des dépôts d'oxyde de plomb sur les bornes de la batterie. Cela peut poser des problèmes de conductivité électrique.
- Fusion des bornes de la batterie: Si le connecteur est mal serré sur la borne, la résistance électrique de contact va augmenter. Au passage d'un courant élevé, les bornes peuvent fondre par effet Joule. Cela peut amener à des incendies !
Étape 6 - Résumé des bonnes pratiques à adopter avec des batteries au plomb
- Matériel: Bien choisir sa batterie en fonction de l’usage recherché.
Ne jamais mélanger des batteries neuves et usagées.
Ne jamais mélanger des batteries de technologies différentes.
Installer correctement et solidement le câblage de votre parc batterie pour éviter les incendies.
Vérifier régulièrement les connectiques si celles-ci sont soumises à des vibrations.
- Détection et prévention des décharges profondes: La durée de vie d’une batterie est en relation directe avec la profondeur de décharge DoD. Il est donc très important d’empêcher toute décharge à plus de 50% !
- Comment connaitre le niveau de charge (SoC)?
- La mesure du voltage ne suffit pas. Trop de facteurs différents agissent sur la tension de batterie.
- Il faut utiliser un moniteur batterie. Il calcule la tension mais aussi les courants de charge et de décharge. Cela permet de calculer l'état de charge en direct.
- Comment éviter les décharges profondes ?
- L’idée est de contrôler le niveau de charge (SoC) et de déconnecter les charges de consommation dès que celui-ci passe sous un niveau établi.
- Utiliser un protecteur de batterie/Battery Protect ou un régulateur de charge solaire paramétrable, pour les équipements en courant continu DC.
- Utiliser le relais à contact sec de votre moniteur batterie s'il en est équipé.
- Paramétrer le seuil de basse tension batterie sur votre onduleur pour les équipements en courant alternatif AC (bien lire la notice).
- Comment connaitre le niveau de charge (SoC)?
- Faire attention à la température: Ce facteur a une influence très importante sur la durée de vie des batteries ! Il est très important de garder les batteries à des températures « fraiches » , environ 20°C.
- Local technique : Choisissez toujours la pièce ou l’endroit le plus frais. Ne laissez jamais les batteries exposées au soleil direct. Si ce lieu est encore trop chaud, il faudra très sérieusement envisager une ventilation rafraichissante du local ou du container batterie.
- Aération et ventilation : Toujours garder de l’espace entre les batteries (environ 5 cm), ne pas les mettre les unes contre les autres. Si les batteries sont à l’intérieur d’un coffre à batterie ou dans une armoire, il doit y exister une circulation d’air.
- Compensation de température: Lorsque la température dépasse les 30°C ou est inférieure à 10°C durant une longue période, il est nécessaire de modifier la tension de recharge.
- Batterie non utilisée – Autodécharge: Quand une batterie n’est pas utilisée, elle se décharge lentement. Ce phénomène dépend du type de batterie et de la température.
- Une batterie ouverte non utilisée doit rechargée tous les 4 mois à température ambiante (entre 10-25°C).
- Une batterie ouverte non utilisée doit être maintenue chargée en permanence par des température inférieure à 0°C.
- Les batteries étanches pourront être laissées jusqu’à 6 à 8 mois sans recharge par température ambiante.
- Quand un système contenant des batteries (camping car, voiture, etc) n’est pas utilisé pendant une longue période, débranchez les batteries pour éviter les courants de fuites.
- Tensions correctes de charge: Ne jamais recharger les batteries avec une tension supérieure à celle préconisée dans la fiche technique du fabriquant. Utiliser un chargeur ayant au moins 3 étapes de charge (Bulk, Absorption, Float).
- Courant correct de charge / décharge : Il est préconisé de ne jamais charger ou recharger des batteries plomb à plus de 0,2C, c'est-à-dire 20% de la capacité du parc batterie (ex: 20A pour un parc batterie de 100Ah).
Étape 7 - Désulfatation / Régénération de batteries au plomb
Durant la décharge, du sulfate de plomb (PbSO4) se forme sur les électrodes positives et négatives. Si la batterie reste déchargée, ce sulfate de plomb cristallise et durcit. Une fois cristallisé, il ne peut plus se transformer en acide sulfurique lors du chargement de la batterie. Cela fait chuter la capacité de la batterie: "elle ne tient plus la charge"
La régénération de batterie est un processus qui consiste à envoyer des impulsions électriques de forte intensité (300-400A) à une fréquence donnée, basée sur la fréquence de résonance propre de la batterie. Celle-ci est calculée automatiquement par la machine et évolue au cours du temps. Ces impulsions viennent briser la couche cristalline formée par le sulfate de plomb amorphe et permettent la redilution de celui-ci dans l'acide sulfurique.
Taux de succès: La sulfatation n'étant pas le seul phénomène de dégradation d'une batterie, toutes ne pourront pas être régénérées par désulfatation.
- Sur les batteries à électrodes tubulaires, le taux de succès est d'environ 90% (source: BeEnergy)
- Sur les batteries de démarrage, le taux de succès est d'environ 30%. (source: BeEnergy)
Durée du procédé: Ce procédé peut durer de quelques heures pour une batterie de démarrage à plusieurs jours pour des batteries de traction.
[Recherches à poursuivre]
Notes et références
Document rédigé par Guénolé Conrad avec l'aide de Loup Girier, Wiam Razi, Elliot Harant et Pascal Criquioche dans le cadre du projet Scholar Grid. Un projet à l'initiative de la Fondation Schneider Electric avec le support technique d'Energie Sans Frontières, Atelier 21 et du Low-tech Lab
- Document Victron Energy, Traduit de: ”Optimiser la vie des batteries plomb - Leçon V02 Bis.docx” de Margriet Leeftink, par Jacques Noël
- Bon résumé sur l'Installation des batteries au plomb, Site web "Batterie-solaire.com"
- Bon résumé sur l'Entretien des batteries au plomb, Site web "Batterie-solaire.com"
- Rapport "Etat de l'Art des Technologies de Désulfatation des Accumulateurs à Plomb" de l'ADEME - 2011
- Vidéo "Batterie Liquide, AGM, GEL, que choisir?" de la chaîne Youtube de Guillaume Piton - La Watterie
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