Batterie au plomb - Définition
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Introduction
| Batterie au plomb | |
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| Caractéristiques | |
| Énergie/Poids | 20-40 Wh/kg |
| Énergie/Volume | 40-100 Wh/ℓ |
| Rendement charge-décharge | 50 % |
| Auto-décharge | 5% |
| Durée de vie | min. 4 à 5 ans |
| Nombre de cycles de charge | 500 à 1200 |
| Tension nominale par élément | 4,1 V |
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Une batterie au plomb est un ensemble d'accumulateurs au plomb-acide raccordés en série et réunis dans un même boîtier.
Ce système de stockage d'électricité est largement utilisé dans l'industrie ainsi que dans l'équipement des véhicules automobiles.
Historique
L'accumulateur au plomb a été inventé en 1859 par le français Gaston Planté. Il a été en effet le premier à avoir mis au point la première batterie rechargeable. À l'origine, les accumulateurs étaient situés dans des cuves en verre. Par la suite, on a systématisé l'emploi des cuves en plastique.
De nos jours, les batteries sans entretien se généralisent : cosses traitées anti-sulfatage, plaques au plomb-calcium, supprimant le besoin de refaire le niveau de liquide, et donc permettant le scellement.
Performances
La batterie au plomb est celle qui a la plus mauvaise énergie massique 35 Wh/kg, après la batterie Nickel-Fer. Mais comme elle est capable de fournir un courant de grande intensité, utile pour le démarrage électrique des moteurs à combustion interne, elle est encore très utilisée en particulier dans les véhicules automobiles. Elle présente aussi l'avantage de ne pas être sensible à l'effet mémoire.
Caractéristiques techniques
Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par :
- La tension nominale qui dépend du nombre d'éléments, la tension nominale U est égale au nombre d'éléments multiplié par 2,1 V. Généralement on considère qu'un accumulateur au plomb est déchargé lorsqu'il atteint la tension de 12 VModèle:Ref ec par élément, donc une batterie de 6 éléments ou 12 V est déchargée, lorsqu'elle atteint la tension de 10.8 V).
- La capacité de stockage, notée Q, représente la quantité d'énergie disponible (ne pas confondre avec la capacité électrique). Elle s'exprime en ampère-heure.
- Le courant maximal qu'elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de crête en ampères CCA.
Les valeurs maximales sont données par le constructeur pour une batterie neuve et chargée à 100%, elles varient sensiblement en fonction de l'état de charge, se dégradent en fonction du temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie.
- Les réactions électrochimiques aux électrodes sont les suivantes :
Anode (oxydation):
Cathode (réduction):
Charge
On charge une batterie au plomb en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque (sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses connexions), pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à 2,35-2,40 V/élément (valeur à 25 °C).
L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge successives :
- 1/ La phase dite CC (Constant Current ou Courant Constant) au cours de laquelle la tension par élément est inférieure à 2,35 V malgré l'application du courant maximum dont est capable le chargeur : le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que la batterie se recharge.
- 2/ La phase dite CV (Constant Voltage ou TC Tension Constante), dite aussi « phase d'absorption » commence dès que la tension par élément atteint la valeur de 2,35 V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (son système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue de se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.
En fin de charge le courant en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite d'entretien ou de "floating", afin de compenser le phénomène d'autodécharge), de baisser la tension de consigne à une valeur de l'ordre de 2,3 V/élément.
La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes nos automobiles : en phase CC, le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En phase CV, la tension de consigne est maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon à ce que le courant de sortie de l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à 2,35 V/élément (avec une légère correction en fonction de la température).
Lorsque dans le cas des chargeurs bon marché, on ne dispose pas d'un chargeur capable de limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à 2,35 V/élément, on recommande de limiter le courant de charge à par exemple 10% de la capacité de la batterie afin de minimiser les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin de charge (ainsi que les conséquences néfastes pour la durée de vie des électrodes pendant la charge ?).
Origine de ces renseignements : Oldham, chargeur Life + 2, bureau de recherche et développement.
La tension de 2,34 volts par élément est appelée "Vgaz". Elle correspond à la tension où l'électrolyte sous forme liquide, s'électrolyse (2 H² + O²). Une batterie neuve peut atteindre en fin de charge, une tension de 2,65 V par élément. Le premier cycle de charge à courant continu est normalement de C/7 (C : Capacité nominale), ce qui veut dire qu'une batterie de 1000 AH (Ampère-Heure), peut être chargée avec un courant de 142 A. Une fois le point Vgaz obtenu, la charge passe à C/30, soit 33 A, mais ne doit pas dépasser 1 heure. Dans l'industrie, une batterie doit être utilisable pendant 8 heures. Il faut donc que l'autre batterie se charge dans ce laps de temps. Pour ce type de batterie, il est nécessaire de contrôler le niveau de l'électrolyte, et de compléter éventuellement avec de l'eau déminéralisée, afin de couvrir les électrodes.
En ce qui concerne les batteries au gel, la première phase de charge doit se faire à C/7, puis la charge passe en mode courant décroissant une fois le point Vgaz obtenu, puisque ces dernières sont étanches (risque d'explosion !). Le temps de charge est de 10 heures pour une batterie déchargée à 80%.
Une batterie ne doit jamais être déchargée à plus de 80% de sa capacité nominale. La tension n'est pas une référence fiable dans le temps, puisque plus la batterie est âgée, plus la tension à tendance a baisser.
