Batterie d'accumulateurs au plomb 15/11/2009  Patrick ABATI 
Liste des cours

Une batterie d'accumulateurs permet de stocker l'énergie électrique afin de la restituer par la suite, en fonction des besoins


Constitution
Principales catégories
Réactions chimiques
Pèse-acide
Caractéristiques électriques
Stockage
Influence de la température
Charge d'une batterie
Causes du vieillissement prématuré d'une batterie
Décharge d'une batterie (loi de Peukert)
Batterie solaire
A savoir...

Batterie Victron Energy

 Constitution 

Une batterie au plomb est constituée d'un certain nombre d'éléments accumulateurs montés en série et reliés par des connexions en plomb soudé (une batterie de 12 V contient 6 éléments)
Les accumulateurs sont logés dans un bac en plastique (polypropylène, ABS...), fermé par un couvercle scellé
Chaque accumulateur est composé d'un ensemble de couples d'électrodes positives et négatives isolées par un séparateur microporeux, destiné à éviter les courts-circuits tout en laissant circuler les ions
Les électrodes sont formées d'une grille en alliage de plomb, dont les alvéoles sont remplies d'une pâte poreuse :
- de peroxyde de plomb PbO2 pour l'électrode positive
- de plomb métallique Pb pour l'électrode négative
Les électrodes baignent dans un électrolyte, solution diluée d'acide sulfurique H2SO4, sous forme liquide, sous forme de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre

constitution Détail d'un élément
batterie

 Principales catégories 

Il existe 3 principales catégories définies par leur domaine d'application :

 Principales technologies 

  • conventionnelle : c'est une batterie ouverte, qui nécessite un apport régulier d'eau. Cette batterie est vendue "sèche", l'électrolyte est ajouté avant la première utilisation
  • VRLA (Valve Regulated Lead Acid) : c'est une batterie à soupape. En cas de dégazage, l'hydrogène et l'oxygène se recombinent à l'intérieur de la batterie pour former de l'eau. Si la pression interne devient trop forte, une vanne-soupape relâche les gaz : si ce stade est atteint fréquemment, l'électrolyte se déssèche et rend la batterie inutilisable

    • type AGM (Absorbed Glass Mat) : une fine feuille de fibre, imbibée d’électrolyte (70% d’eau et 30 % d’acide) est placée entre les plaques de plomb de la batterie. Cette batterie peut fournir un courant élevé, de courte durée

    • type GEL : l'électrolyte est figé par l'addition de gel de silice. Ces batteries sont étanches et peuvent être placées dans n’importe quelle position

(1) Le floating consiste à appliquer une tension proche de la tension de repos de la batterie, de façon à éviter l'autodécharge. Il permet aussi d'alimenter les différents consommateurs d'énergie, en conservant la batterie chargée

Batterie ouverte Banner
Batterie Yuasa VRLA Gel

 Réactions chimiques 

Ce sont des réactions d'oxydo-réduction : il y a un transfert d'électrons
L'atome qui capte les électrons est appelé oxydant : l'oxydant subit une réduction (à la cathode)
L'atome qui cède les électrons est appelé réducteur : le réducteur subit une oxydation (à l'anode)
Les polarités de la batterie sont alternativement anode ou cathode, suivant le mode de fonctionnement (charge ou décharge) : la borne négative est anode pendant la décharge et cathode pendant la charge
L'électrolyte est une solution d'eau pure et d'acide sulfurique H2SO4 (2H+ ; SO42-)
L'électrode négative est formée de plomb Pb, l'électrode positive d'oxyde de plomb PbO2


 Animation Flash

La décharge de l’accumulateur au plomb consomme les solides des électrodes et les ions H+ de l’électrolyte (la concentration en acide diminue, le pH augmente)
Il y a formation de sulfate de plomb PbSO4 sur les électrodes

  • oxydation à l'anode (borne -) : Pb fleche Pb2+ + 2e-
  • réduction à la cathode (borne +) : PbO2 + 4H+ + 2e- fleche Pb2+ + 2H2O
  • sulfatation des électrodes : 2Pb2+ + 2SO42- fleche 2PbSO4

Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- fleche 2H2O + 2PbSO4


La charge de l’accumulateur au plomb forme les solides des électrodes et les ions H+ de l’électrolyte (la concentration en acide augmente, le pH diminue)
Le sulfate de plomb PbSO4 disparaît des électrodes

  • oxydation à l'anode (borne +) : Pb2+ + 2H2O fleche PbO2 + 4H+ + 2e-
  • réduction à la cathode (borne -) : Pb2+ + 2e- fleche Pb
  • désulfatation des électrodes : 2PbSO4 fleche 2Pb2+ + 2SO42-

2H2O + 2PbSO4 fleche Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42-

Agrandir l'animation

 Pèse-acide 

Le pèse-acide permet de contrôler la densité de l'électrolyte des batteries

La densité est normale dans la zone verte et insuffisante dans la zone rouge

La lecture de la densité renseigne sur l'état de charge de la batterie:

  • la charge est complète à 31°B (degré Baumé) [d = 1,27]
  • la charge est de moitié à 22°B [d = 1,18]
  • la décharge est totale à 15°B [d = 1,12]
Utilisation du pèse-acide
Pèse-acide
Conversion  degrés Baumé   <=>  densité           à 20°C
pour les liquides    plus lourds   plus légers    que l'eau


 


 Caractéristiques électriques 

Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par :


 Exemple de caractéristiques techniques 

Type
Tension
Capacité
Longueur
Largeur
Hauteur
Poids
Courant
Impédance
 
(V)
Ah/20h
Ah/10h
(mm)
(mm)
(mm)
(Kg)
(A) 1 mn
(A) 1 s
(m ohm)
NPL78-12I
12
78
72,5
380
166
177,5
28,6
500
800
4
NPL100-12
12
100
93
407
172,5
240
39
600
800
4
NPL130-6I
6
130
120,3
350
166
174
24
500
800
2
NPL200-6
6
200
186
398
176
250
39
1200
1600
1,3

Pour le type NPL100-12, la capacité est :

Plus la rapidité de la décharge est importante, plus la capacité réelle de la batterie est faible

La batterie NPL100-12 peut fournir 600 A pendant 1 minute et 800 A pendant 1 secconde

D’après la norme NF C 15-100, le courant de court-circuit d’une batterie est : Icc = 10 × Cn
Ce qui donne pour la NPL100-12 : Icc = 10 × 100 = 1000 A


 Stockage 

explosion

Quand le cycle de charge se termine, un dégagement d'hydrogène et d'oxygène se produit

Ce mélange est extrêmement explosif : la présence de flammes ou d'étincelles à proximité d'une batterie en cours de charge est très dangereuse

Un local à accumulateurs doit toujours être efficacement aéré


 Influence de la température 

La capacité réelle d'une batterie diminue avec la température : c'est ce qui explique que
les démarrages des véhicules sont plus difficiles lorsque la température est très basse

Température 0°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C
Capacité 80% 92% 95% 100% 103% 105%

La durée de vie d'une batterie est indiquée par le fabricant
pour une température ambiante de 20°C
Cette durée de vie est réduite de moitié pour une élévation de température de 10°C

Batterie Fulmen

 Charge d'une batterie 

La charge d'une batterie doit se faire de préférence en respectant les 3 phases :
  • charge à courant constant jusqu'à 80% de la charge : ce courant doit être limité à une valeur comprise entre C/3 et C/10, selon les performances du chargeur
  • charge d'absorption à tension constante dans laquelle le courant diminue
  • charge d'entretien à tension réduite afin de compenser l'auto-décharge
Chargeur de batterie Leader

Courbe de charge


 Causes du vieillissement prématuré d'une batterie 

 Exemple 
Une batterie a les caractéristiques suivantes : C20 = 95 Ah ; C100 = 105 Ah
Pour une longévité optimale, la décharge journalière ne doit pas dépasser 16% de C100 soit : 16 x 105 / 100 = 17 Ah
En utilisation exceptionnelle, la décharge ne doit pas dépasser 80% de C20 soit : 80 x 95 / 100 = 76 Ah


 Décharge d'une batterie 

La loi de PEUKERT modélise la capacité d'une batterie en fonction du courant débité

Cp = Ik x t      

avec :

Cp : capacité de Peukert à courant de décharge de 1 A (Ah)

I : courant de décharge (A)

k : constante de Peukert (supérieure à 1)

t : durée de décharge (h)

pile

 Exemple 

Capacité d'une batterie (caractérisée par Cp = 100 Ah et k = 1,1) pour un courant de décharge de 5 A, puis de 20 A
I1k x t1 = I2k x t2 = 100
t1 = 100/I1k = 100/51,1 = 17 h   =>   C1 = 5 x 17 = 85 Ah
t2 = 100/I2k = 100/201,1 = 3,7 h   =>   C2 = 20 x 3,7 = 74 Ah


 Batterie solaire 

Cette batterie est conçue pour les installations photovoltaïques autonomes
Elle possède des plaques épaisses ou tubulaires, de courtes connexions entre éléments
Elle est adaptée aux applications nécessitant des cyclages intensifs
et des faibles courants de décharge
La batterie GEL et la batterie ouverte sont à privilégier

La capacité peut être déterminée par la relation : C (Ah) = (E x N) / (L x U) avec :
E : énergie quotidienne (Wh/jour)
N : nombre de jours de réserve
L : décharge maximale de la batterie (généralement 80%)
U : tension de la batterie (V)

Batterie solaire

 Exemple 

Dans un site isolé, une batterie est rechargée le jour par des panneaux photovoltaïques

A cause du manque d'ensoleillement à certaines périodes de l'année, une réserve de 5 jours est prévue

La nuit la batterie alimente 3 réglettes fluo de 18 W pendant 4 heures
et un téléviseur de 50 W pendant 3 heures

E = 3 x 18 x 4 + 50 x 3 = 366 Wh/jour ; N = 5 ; L = 0,8 ; U = 12 V

C = (366 x 5) / (0,8 x 12) = 190 Ah

Panneau photovoltaïque

 A savoir... 

Une batterie bien chargée a une tension supérieure à   2,1 x 6 = 12,6 V
Une batterie déchargée ou en mauvais état a une tension inférieure à   1,8 x 6 = 10,8 V

Batterie Varta

Comparatif des puissances massiques

La batterie au plomb a une mauvaise puissance massique,
de l'ordre de 40 Wh/kg

Cependant, elle est encore très utilisée
car elle est la moins coûteuse
et peut fournir un courant de grande intensité,
utile pour le démarrage des véhicules automobiles

Une batterie déchargée avec un courant élevé peut se rétablir au bout d’un certain temps et la capacité restante peut être utilisée

Présentation (pdf 220 Ko)
Wikipédia (pdf 210 Ko)


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