batteries ???? charge/décharge et technologies

on commence par les infos sur la charge des batteries plomb !

la théorie
il y a 3 phases pour la charge d’une batterie plomb:
1/ courant constant (CC), est la phase pendant laquelle le courant est limité par l’accu lui même (donc élevé), en début de charge
2/ tension constante (CV) ou absorption, est la phase pendant laquelle le courant diminue et ou il faut maintenir une tension constante
3/ flottement, est la phase de maintiens en charge

NB: sur un véhicule ou la batterie charge par l’alternateur, il n’y a que 2 phases possibles, voir une seule dans la pratique
la batterie n’est jamais suffisamment déchargée pour être dans la première phase (celle ou l’alternateur serait en saturation, et n’arriverait pas a maintenir la tension de consigne de son régulateur)
la charge est donc quasi toujours dans la seconde phase, celle a tension constante (tension de consigne de l’alternateur) et le courant diminue au fur a et mesure que l’accu se recharge
Il n’y a jamais de 3eme phase, ce qui pose un problème !
en effet, si la tension n’est pas abaissée en fin de charge, la surtension entre ce que débite l’alternateur et ce qui est nécessaire à l’accu pour rester en flottement provoque l’électrolyse du liquide. il y a à force baisse du niveau d’électrolyte dans la batterie, donc de capacité (les grillent ne trempent plus entières) et donc destruction lente de l’accu
=> ne roulez pas 24h sur 24 et pensez à faire le niveau de liquide dans vos batteries avant ET après les vacances ! 

Pour batterie à électrolyte liquide et non AGM

dans nos cas d’utilisation, c’est le premier qu’il faut regarder (celui du haut)

celui du bas est pour des batteries qui restent tout le temps en stand-by

petite traduction des principaux termes:
Bulk & absorption charge voltage: tension de charge nominale
float voltage: tension de maintiens en charge (celle que l’on peut appliquer en permanence sans risque de surchauffe/ébullition/hydrolyse/explosion)
equalization voltage: courant de mise a niveau, pour charger au même niveau tous les éléments d’une batterie (batterie 12V = 6 éléments, il arrive qu’un soit plus déchargé que les autres)

vous noterez que les tensions dégringolent lorsqu’il fait chaud !!!
(je vais aller baisser la tension de l’alim 12V la prochaine fois que je le banche au secteur)

batteries AGM

les batteries AGM (comme les GEL) sont scellées et donc ne perdent théoriquement pas d’électrolyte, même en cas d’électrolyse.
en fait, ça électrolyse quand même mais l’oxygène et l’hydrogène se recombinent ensuite pour reformer de l’eau.
donc toujours dans la théorie, pas d’égalisation nécessaire

batteries GEL

les batteries GEL (comme les AGM) sont scellées et donc ne perdent théoriquement pas d’électrolyte, même en cas d’électrolyse.
en fait, ça électrolyse quand même mais l’oxygène et l’hydrogène se recombinent ensuite pour reformer de l’eau.
donc toujours dans la théorie, pas d’égalisation nécessaire
par contre, si vous abusez (tension de charge trop élevée trop longtemps) la batterie finira par exploser (faut que ça sorte a un moment) !

bon, c’est chargé, je décharge comment ?
l’avantage des batteries plomb, c’est qu’on peut décharger un peu n’importe comment ! (pas de courant max à respecter, c’est l’accu qui limite)

un petit point à savoir c’est que plus le courant de décharge est important plus la capacité baisse
ça ressemble a une lapalissade mais ce n’en est pas une

exemple (valeurs au pif, c’est juste pour l’exemple) batterie de 100Ah, durée avant décharge profonde
si on décharge à 1A, ça va durer 100h
si on décharge à 5A, ça va durer 18h
si on décharge a 100A, ça va durer 15mn

il faut impérativement respecter la tension minimale sous peine de destruction plus ou moins complète et rapide de la batterie

et la ça dépend des technologies:
une batterie GEL va supporter une décharge totale et prolongée et retrouvera sa capacité originale après recharge (attention, ça réduit quand même le nombre de cycles!!)
une batterie AGM sera endommagée si déchargée a plus de 80%, soit 10V en sortie
une batterie plomb sera endommagé si déchargé à plus de 50%, soit 10.8V en sortie

Attention, une batterie GEL ne supporte pas des courants de décharge très importants comme une batterie a électrolyte liquide.
vous ne pouvez pas vous en servir comme batterie de démarrage !!!!
sur une batterie pouvant servir au démarrage, vous avez 2 courant indiqués sur la batterie.
par exemple: 75Ah / 600Ah
le premier sera la capacité nominale, la seconde celle pour le démarrage, pendant un court instant
les batteries GEL n’ont que le premier.

il faut faire très attention à la température des accus !
en effet, la température augmente la vitesse de réaction dans l’accu donc sa capacité (et par corollaire l’autodécharge par la résistance interne qui va baisser)
valeurs indicatives:
à 0°C, une batterie aura entre 80% et 85% de sa capacité nominale
alors qu’à 50°C, elle aura entre 115% et 120% de sa capacité
la capacité nominale est donnée en général pour 20°C (parfois 25°C mais la différence est minime)

attention donc l’hiver a ne pas trop consommer (c’est malheureusement la qu’on consomme le plus)

stockage
Attention, les batteries plomb ça peut geler ! (=> batterie morte si ça arrive)
pour éviter ça, il faut les charger a bloc avant l’hiver et en repasser un coup de temps en temps pour compenser l’autodécharge.
d’une manière générale, il faut stocker les batteries complètement chargées pour éviter la dégradation des grilles (par oxydation par l’électrolyte)
les possesseurs de panneau solaires seront ravis, vu que le panneau maintiendras la charge.
attention quand même à avoir un régulateur de bonne qualité (éviter les surcharges)
un chargeur permanent fera aussi l’affaire

batterie à décharge lente ????
ce sont des batteries dont les grilles sont plus épaisses.
de ce fait, elles ne sont pas destinées a fournir un fort ampérage durant une courte durée, donc a éviter pour une batterie de démarrage.
par contre, les grilles plus épaisses leur permettent d’avoir une résistance interne plus faible donc moins d’auto décharge !
typiquement, vous rechargez a l’automne avant l’hivernage, et au printemps quand on ressort le CC, la batterie est toujours chargée.
les batteries a décharge lente sont disponibles aussi bien en plomb ouvert que AGM et GEL

un peu de sciences !!!
La batterie GEL est une technologie qui repose sur de l’électrolyte figé par l’addition de gel de silice. Dans certaines batteries, de l’acide phosphorique est additionné afin d’améliorer la durée de vie en cyclage profond.
La technologie de la batterie AGM « Absorbed Glass Mat » repose sur un assemblage de buvards en fibre de verre qui sont comprimés entre électrodes et imprégnés par l’électrolyte (70% d’eau & 30% d’acide).

en résumé, AGM = électrolyte liquide retenu dans un buvard, batterie GEL = électrolyte gelifié

c’est bien tout ça mais du coup je choisis quoi ???
ça dépend ! 

plutôt que de dire laquelle est la mieux, voici les différences:
— batterie GEL, les plus chères !!!
mais comme on l’a vu, les plus résistantes, avec le nombre de cycles le plus élevé (3000 minimum) car les grilles s’usent peu
températures d’utilisation de -10° a +50°C
— batterie AGM, (beaucoup) moins chères
capacité de décharge importante mais pas illimité (80%), attention a ne pas abuser. nombre de cycles élevés (entre 2000 et 2500 cycles)
températures d’utilisation de 0° a +40°C
— batteries « ouvertes », qui ne coutent pas grand chose
capacité de décharge limitée (50%), nombre de cycles limité (1500), avec entretien
températures d’utilisation de 0° a +40°C

une batterie GEL vaut de 5 a 10 fois le prix d’une batterie plomb ouvert à capacité équivalente

batteries Lithium:

il y a plusieurs familles suivant la technologie (chimie) utilisée.
les plus connues sont Lithium-ion (Li-ion), Lithium Polymère (Li-po), Lithium Fer Phosphate (LiFePo)

évidement, chacune a des avantages/inconvénients.

caractéristiques communes a toutes les technologies lithium:
courant de charge très élevé (jusque 2C donc un accu de 100Ah peut être rechargé a 200A !)
courant de décharge très élevé (on considère une limite raisonnable a 5C donc 500A instantané pour une batterie 100Ah), sans perte de capacité (une batterie de 100Ah pourra fournir 400A en continu durant 15mn)
faible poids/encombrement
impossible a recharger sous 0°C (l’accu ne charge pas, mais il y a réaction chimique qui donne l’impression que si, alors qu’en fait un film de lithium métallique se dépose sur l’anode, ce qui provoquera un court circuit interne, et donc un incendie !) l’effet est amplifié si l’accu est soumis à des vibrations
réduction drastique du nombre de cycles si l’accu est chargé lorsque sa température est > 45°C
la plage de température d’utilisation lors de la décharge est similaire au plomb, de -20°C a +60°C, sachant que plus la température est élevée plus le nombre de cycles sera réduit.
par contre, a -20°C, la capacité de la batterie est divisée par 2 !
cependant, lorsque l’accu se déchargera, il va chauffer, ce qui lui permettra de « retrouver » sa capacité nominale (il faut donc attaquer par un courant de décharge relativement faible, le temps de réchauffer l’accu, ce qui peut aussi être utilisé pour recharger des accus sous 0°C )

il n’y a pas besoin de compensation de tension lors de la charge en fonction de la température ( la tension de charge sera la même a 10° et a 50, ce qui n’est pas le cas du plomb)
le rendement de stockage/déstockage de l’énergie est aussi nettement plus élevé que le plomb !
la ou une batterie plomb a un rendement en charge de 60%, un élément lithium est a 90%. (c’est aussi pour ça qu’un élément lithium charge plus vite, il y a moins de perte)
en décharge, c’est a peu près équivalent, avec un très léger avantage au lithium (résistance interne plus faible) les 2 étant proche de 90%

Li-ion: la moins chère et la plus « connue » des technologie, vu que la plus ancienne
c’est celle qui a la meilleure capacité (W/kg), la moins chère, mais aussi celle qui a le plus de contraintes d’utilisation.
il ne faut surtout pas recharger un accu Li-ion juste après utilisation, ni utiliser l’accu juste après recharge (cf au dessus, a cause de la température des cellules)
ces batteries sont très fragiles, un coup/déformation/trou dans une cellule et c’est l’incendie assuré.
la tension nominale d’un élément est de 3.7V (3.6 pour les très vieux modèles), avec une tension de charge a 4.2V et une limite de décharge a 2.75V (ces tensions sont gérées par le BMS, voir plus bas)
ce qui veut dire que pour avoir a peu près 12V, il faut soit 3 éléments (11.1V en nominal, ce qui est bas, et 12.6V pour la charge) ou 4 éléments (14.8V, ce qui est très élevé !! et 16.8V pour la charge, ce qu’un alternateur 12V est incapable de fournir)

Li-po: une évolution de Li-ion, donc les mêmes inconvénients/caractéristiques, sauf que beaucoup moins dangereuses. en effet, elles ne craignent peu/pas les coup/déformations/trou.

LiFePo: les plus robustes (technologie <10ans)
la majorité des inconvénients du Li-ion disparaissent. mais ça a un coup très elevé !
on peut charger/décharger comme on veut (pas besoin d’attendre que la température des accus baisse), ça peut être maltraité sans exploser, mais c’est plus lourd (bah oui, ya du fer dedans !!)
la tension nominale d’un élément est de 3.3V, avec une tension de charge a 3.65V et une limite de décharge a 2V (ces tensions sont gérées par le BMS, voir plus bas)
ce qui veut dire que pour avoir a peu près 12V, il faut 4 éléments (13.2V en nominal, ce qui est un peu haut mais pas beaucoup plus qu’une batterie plomb bien chargée, et 14.6V pour la charge, ce qui est un peu limite pour un alternateur 12V classique, il faut donc un EURO6)

compte tenu de toutes ces limitations, un circuit de charge intelligent est nécessaire (indispensable !!! il en va de la sécurité, à cause des risques d’incendie/explosion)
ça s’appelle un BMS (Battery Management System), a ne pas confondre avec le « BMS » intégré aux accus, qui sont en fait simplement les protection haute / basse température et surintensité
ça fait donc de l’électronique en plus, donc un cout, qui en plus est spécifique en fonction de la technologie (on ne peut remplacer un accu LiFePO par un Li-ion et inversement sans changer le BMS avec)

pour une utilisation en CC, on comprend vite pourquoi les batterie Li-ion ou Li-po ne peuvent être utilisées (pas la bonne tension nominale, et cycles de charge/décharge compliqués)
il faut donc nécessairement du LiFePO, avec le prix qui va avec.