Accumulateurs électriques (batteries)

Le document qui peut servir de référence est le texte

Energie sans limitesReinout RADER

Il existe divers type d’accumulateurs, Pb, CdNi, NiZn Li-ion, …etc

Les plus anciens et les plus courants sont les accumulateurs au plomb

Accumulateurs électriques (batteries)

Gaston PLANTE (1859)

Batterie au Plomb/acide

Principe de fonctionnement

A la décharge, les deux polarités se sulfatent, l'électrolyte est consommé ( les ions  SO4

2- vont sur les électrodes). L'oxygène libéré par l'électrode positive s'unit aux ions H+ en solution pour former de l'eau. Si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera plus composé que d'eau distillée.

Principe de fonctionnement

A la recharge, les deux polarités se désulfatent, l'électrolyte est regénéré (mise en solution d'ions  SO42- ). La plaque positive est peroxydée (formation de PbO2) et des ions sont libérés (augmentation de la concentration H+ de l'électrolyte).

Densité d’énergie et rendementaccumulateur au plomb

Sous 2V, la densité théorique d'énergie est de 168 Wh/Kg.

En pratique, 45 à 50 Wh/Kg.

Le rendement énergétique de 70 à 75%

25% de l'énergie électrique est dissipée en chaleur lors des réactions életrochimiques de charge, décharge et auto-décharge.

TensionLa tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est voisine de 2V

Sa valeur varie entre 1,7 V et 2,4 V suivant l'état de charge en conditions normales de fonctionnement.

Pendant la charge, l'accumulateur est un récepteur. Après un court régime transitoire elle s'établit aux environs de 2,2 V.

Charge.

TensionCharge.

La fin de charge est atteinte à 2,6 V en charge cyclique.

En charge flottante (charged’entretien) on se limite entre 2,25 V et 2,35 V par élément

En fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la tension. Les plaques, complètement polarisées, ne retiennent plus l'oxygène et l'hydrogène dégagés.

Tension Décharge.Pendant une assez longue durée d'utilisation, la tension reste remarquablement constante à la valeur de 2V À partir du point N, elle diminue brusquement (1,8 V), il faut alors recharger l'accumulateur, sous peine de voir apparaître la sulfatation des plaques.

En pratique, on ne descend pas en général en dessous de 20 % de la capacité batterie. Sinon, la sulfatation entraîne une perte de capacité et une augmentation de la résistance interne d'où baisse de tension.

Tension

Tension nominale :Tension d'un élément chargé au repos à 25°C : 2.1V/Elt. soit 12.6V pour la traditionnelle batterie dite de 12V.

Tension de Floating (entretien):Tension sous laquelle on peut maintenir en permanence un accu pour être sur qu'il soit chargé au moment où en a besoin : 2.25 à 2.28/Elt. à 25°C. Cette valeur doit être corrigée en fonction de la température.La variation est de U = -5mV/K.

A -10°C c'est 2.36V et à +40°C 2.21V.

Soit pour 6Elt : 14.6V à -10°C 13.6V à +25°C et 13.2V à +40°C.

Modes de chargeCharge en 2 temps

1 Courant constant

2 Tension constante:

charge à rapide à

100% ou Floating

Modes de chargeCharge en 3 temps

1 Courant constant

2 Tension constante

de recharge

3 Tension constante

de floating

Fonctionnement du régulateur

Temps

Tension

Fin de charge

Délestage

Recharge

Reconnexion

VFC

VRC

Vrl

Vdl

Résistance interne

E

r

U

I

U = E - rI

U

I

Modélisation

La résistance interne d'un accumulateur est toujours très faible (de l'ordre de quelques centièmes d'ohm)

Elle dépend de la température

On peut l’estimer avec le courant maximum:

r = Un/Imax

Rendement

Le rendement en ampères-heures (ou faradique) est le rapport entre la quantité d'électricité débitée à la décharge Q d et la quantité d'électricité fournie lors de la charge Q.

Le rendement en énergie est de l'ordre de 70 à 80 %. Il est plus faible car les ampères-heures ne sont pas stockés et restitués à la même tension.

C

DQ Q

Qη Ce rendement est de l'ordre de 90 %.

Capacité

On appelle capacité la quantité d'électricité, évaluée habituellement en ampères-heures (Ah), qu'un accumulateur chargé peut faire circuler pendant la période de décharge.

La capacité d'un élément est fonction du régime de décharge.

La capacité nominale (Cn) d'une batterie est donnée pour un régime de décharge en 10 h(C10), 20h(C20) ou 100h (C100)

In = C10/10 ou C20/20 ou C100/100

CapacitéPour un régime de décharge plus élevé ID> In la capacité diminue.

Pour un régime de décharge plus faible ID< In la capacité augmente.

Le courant de décharge est évalué en fractions de la capacité exprimée en Ah (ex : C/100).

Un accumulateur de C10 = 100 Ah peut fournir 10 A pendant 10 h.

Sa capacité sera réduite à 80 Ah pour un régime de décharge à I = C10/5 = 20A

Sa capacité pourra être augmentée à 140 Ah pour un régime de décharge à I = C10/100 = 1 A.

La capacité d'un élément est fonction de sa température :

Les variations vont dans le même sens que celles de la température.

Capacité

La variation de la capacité peut être calculée par la loi de PeukertPour laquelle k 1,3

La capacité d'un élément est fonction de sa température :

Les variations vont dans le même sens que celles de la température.

k

x

xxP

I

IC

N

N

I

*T

Autodécharge

Le taux d'autodécharge d'un accumulateur représente la perte moyenne relative de capacité par mois et pour une température donnée.

Elle est de l'ordre de 10 % par mois, pour les plaques au plomb antimonieux (cet alliage a pour but d'augmenter la tenue mécanique)

C’est une caractéristique interne découlant de la technologie utilisée elle est généralement donnée pour une température de 20 °C.

Elle est de l'ordre de quelque % par mois pour le plomb doux (à faible teneur d'antimoine) ou le plomb calcium, mais les éléments sont plus fragiles.

L'autodécharge varie très rapidement avec la température. Elle double de valeur tous les 10 °C

Durée de vie

La durée de vie des accumulateurs est directement liée à leurs conditions d'utilisation. Pour une utilisation en stockage tampon,

La durée de vie dépend essentiellement du nombre et de l'amplitude des cycles charge décharge.

En limitant la profondeur de décharge journalière Dj< 15 % Cn et la profondeur de décharge saisonnière Ds< 60 % Cn,on estime la durée de vie des accumulateurs à 6 ou 7 ans, ceux ci étant protégés contre la surcharge.