Batterie d'accumulateurs au plomb

15/11/2009

Patrick ABATI

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...

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


	vidéo : fabrication des batteries

Principales catégories

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

batterie de démarrage : utilisée dans les automobiles, elle est composée de plaques fines, de grande surface, et autorise des courants de décharge élevés, mais de courte durée
batterie de traction : utilisée dans les chariots élévateurs, elle est formée de plaques plus épaisses et permet des décharges journalières pouvant atteindre 80% de la capacité
batterie stationnaire : utilisée dans les ASI (alimentations sans interruption), conçue pour fonctionner en "floating" (1)

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

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⁺ ; SO₄^2-)
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 Pb²⁺ + 2e^-
réduction à la cathode (borne +) : PbO₂ + 4H⁺ + 2e^- Pb²⁺ + 2H₂O
sulfatation des électrodes : 2Pb²⁺ + 2SO₄^2- 2PbSO₄

Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2- 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 PbO₂ + 4H⁺ + 2e^-
réduction à la cathode (borne -) : Pb²⁺ + 2e^- Pb
désulfatation des électrodes : 2PbSO₄ 2Pb²⁺ + 2SO₄^2-

2H₂O + 2PbSO₄ Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2-

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]

vidéo : utilisation du pèse-acide

Caractéristiques électriques

Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par :

sa tension nominale U liée au nombre d'éléments n : U = n x 2,1
si n = 6 => U = 12,6 V
sa capacité de stockage C qui s'exprime en Ah
l'énergie électrique correspondante est E = C x U (si C = 50 Ah et U = 12 V => E = 600 Wh)
son courant maximal I ou courant de crête (en A)

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 :

C₂₀ = 100 Ah pour une décharge en 20 heures
C₁₀ = 93 Ah pour une décharge en 10 heures

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

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

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

Courbe de charge

Causes du vieillissement prématuré d'une batterie

décharge profonde (80% de la capacité C₂₀) : les batteries en état de décharge complète doivent être rechargées dans un délai maximum de 48 heures sous peine de dommages irréversibles
décharges journalières trop importantes : une longévité optimale est obtenue si les décharges journalières ne dépassent pas 16% de la capacité C₁₀₀
charge trop rapide (le courant de charge doit être limité à C/5)
charge insuffisante (ne jamais laisser une batterie déchargée à plus de 50 % : recharger régulièrement la batterie à 100 %)
surcharge (bouillonnement excessif qui entraîne une perte d'eau)
température : 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
autodécharge (une batterie, même inutilisée, perd sa capacité d'autant plus rapidement que sa température de stockage est élevée : à 20°C, une batterie VRLA peut perdre chaque mois 5% de sa capacité, ce qui peut entraîner une décharge profonde)

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

C_p = I^k x t

avec :

C_p : 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)

Peukert Calculator

Exemple

Capacité d'une batterie (caractérisée par C_p = 100 Ah et k = 1,1) pour un courant de décharge de 5 A, puis de 20 A
I1^k x t1 = I2^k x t2 = 100
t1 = 100/I1^k = 100/5^1,1 = 17 h => C1 = 5 x 17 = 85 Ah
t2 = 100/I2^k = 100/20^1,1 = 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)

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

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

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)