LES BATTERIES d'ACCUMULATEchantierURS

1 Les différents types de batteries PLOMB
1.1 Le principe d'une batterie
1.2 Les batteries ouvertes
1.3 Les batteries fermées
2 Le principe général des batteries stationnaires au PLOMB
2.1 La capacité
2.1.1 Tension d'un élément
2.1.2 Les Ampères-heures pour U limite
2.1.3 Variation capacité fonction du temps décharge
2.1.4 Variation capacité fonction de la température
2.2 La décharge
2.2.1 La tension limite basse
2.2.2 Décharge à Courant constant
2.2.3 Pointes en début (ou en fin de cycle de décharge)
2.2.4 La décharge profonde
2.2.5 L'auto-décharge
2.2.6 Le cyclage
2.3 La recharge
2.3.1 L'expression du courant de charge et le temps
2.3.2 La tension de floating
2.3.3 Chargeurs et Limitations de tension et courant, contrôle de tension
2.4 La gamme des capacités
2.4.1 Les blocs de tensions
2.4.2 Les chantiers et les armoires de batteries
2.4.3 Les règles d'assemblage et de sécurité
2.5 La durée de vie
3 Les condensateurs de forte capacité
4 Les piles
5 Les batteries au Cadmium Nickel
6 Calcul de batteries pour éolienne ou Photovoltaïque
7 Quelques applications et particularités

8 Conclusions

Si vous arrivez directement sur cette page par un moteur de recherche, vous pouvez avoir accès à la table des matières et à chaque article, en page d'accueil.    L'accès se fait par l'un des deux liens en tête de colonne de droite ----->


Préambule

Cet article a pour but d'exposer les grands principes du stockage de l'énergie électrique. Ceci est bien entendu utile dans les industries, pour les petits onduleurs destinés au maintien sous-tension des ordinateurs en cas de coupure réseau.
Les batteries d'accumulateurs sont utilisées aussi bien pour les petites éoliennes individuelles et les panneaux photovoltaïques (PV), mais aussi dans l'aspect sécurité des établissements recevant du public (ERP).
Par abus de langage on ne parlera que de batteries, mais si ça simplifie, la dénomination n'est cependant pas correcte, car le terme batterie désigne un ensemble d'accumulateurs.

Les batteries sont aussi essentielles pour la sécurité de certaines industries (chimiques notamment), en aviation, dans les trains, les turbines à gaz, les scialytiques dans les hôpitaux, l'armée. Dans des cas très spécifiques, la sécurité n'a pas de prix et des batteries cadmium nickel encore plus robustes et plus fiables sont utilisées.

Les batteries plomb sont beaucoup plus connues sur les voitures, (surtout en hiver !).
Quelles sont les grandes différences de ces types si variés ? Comment calculer ses batteries pour une éolienne ?
Comme tous les autres articles de ce blog, celui-ci reste une information et nécessite encore plus que tous les autres le rapprochement vers les distributeurs ou les fabricants.
Des exemples de calculs seront donnés pour des batteries stationnaires plomb traditionnelles. Les extrapolations vers les batteries ouvertes sont tout à fait possibles.

1 Les différents types de batteries PLOMB

Ouvertes, étanches, stationnaires, à recombinaison de gaz, de voiture ou camion, sans entretien, de tensions différentes, etc….
Il y a effectivement de quoi s'y perdre aussi il faut dans les premiers éléments de sélection, reconnaître deux grandes familles.

1.1 Le principe d'une batterie

Une batterie est composée de plaques en alliage de plomb, recouvertes de différentes matières chimiques et séparées les unes des autres par des matières isolantes mais poreuses. L'ensemble baigne dans un électrolyte qui peut être soit liquide, soit sous forme de gel, soit pâteux. Dans certains types, il y a des bouchons de remplissage. Dans les types sans bouchons, des soupapes de sécurité évitent d'éventuelles explosions suite à des dégagements gazeux trop importants.
Une batterie, à l'inverse d'une pile, peut être rechargée un assez grand nombre de fois, ce qui est son avantage principal, associé à sa résistance interne souvent très faible.

1.2 Les batteries ouvertes BATOUV

Ce sont les batteries de nos voitures et engins de levage. Ces batteries ont seules la possibilité de donner des courants extrêmement importants pour alimenter les démarreurs électriques ou moteurs à courant continu. C'est leur principale différence des autres batteries plomb. Ces batteries possèdent des bouchons de contrôle et remplissage d'électrolyte.
Ces batteries sont robustes et "bon marché" du fait de leur grande diffusion.
Il faut grouper sous ce même vocable les batteries dites sans entretien qui n'ont pas la caractéristique d'étanchéité et possèdent des pseudos bouchons.
Ces batteries sont appelées batteries ouvertes, de démarrage, sans entretien, de voiture, de camion, à électrolyte liquide...
La tension de ces batteries est souvent composée en interne par groupement d'éléments de base de 2 Volts dans une même cuve. Ces batteries permettent de donner 6, 12, 24 volts dans un bac unique, mais rarement plus.
Ces batteries nécessitent le plus souvent un entretien régulier avec surveillance des niveaux d'électrolyte, pour que les plaques ne soient jamais à l'air libre.
Sur la photo on peut voir les bouchons groupés sous une plaque de fermeture commune. Ces batteries sont caractérisées par leur capacité et la pointe de courant qu'elles peuvent fournir ici 35 Ah 360 A 12 V.
Certaines batteries de voitures possèdent maintenant un témoin de couleur indiquant le bon état de la batterie

1.3 Les batteries ferméesBATETAN

C'est la grande révolution, puisque ces batteries n'ont aucun entretien à prévoir. Elles sont donc étanches. Elles sont appelées, fermées, étanches, à recombinaison de gaz, (parfois sans entretien à tort), stationnaires, à électrolyte solide, en gel (ou pâteux).

Elles sont fiables mais plus fragiles que les batteries ouvertes. Elles nécessitent des conditions de température plus stables et peuvent fournir de l'énergie dans la durée. Cependant elles n'ont pas la possibilité de fournir des courants instantanés élevés. Elles sont inadaptées aux voitures. (Voir les premiers essais catastrophiques réalisés sans véritables études préalables par les fabricants automobiles, il y a quelques dizaines d'années.)
Elles possèdent toujours des soupapes de sécurité évitant les explosions dues à une surcharge.
La batterie sur la photo jointe est une petite batterie 2 Ah, 12 V, étanche utilisée en téléphonie.
Les batteries sont souvent élaborées dans un même bac pour des tensions plus élevées que les 2 volts de l'élément de base, lorsque les capacités restent "acceptables".

2 Le principe général des batteries stationnaires au PLOMB

2.1 La capacitéCAPFTPS

Une batterie en général est caractérisée par sa capacité exprimée en AMPERES-HEURES (Ah) et sa tension nominale.
Cette capacité est variable suivant la température, la durée de stockage,  du nombre de cycles charge/décharge accomplis, mais surtout par rapport au courant demandé.

La capacité est souvent définie par rapport à une décharge en 10 heures elle est notée alors C10.
Si elle est définie autrement elles sera alors notée Cn (avec n étant un nombre d'heures)
L'Ah représente une quantité d'électricité et non une puissance puisque le temps n'y est pas référencé. Une autre unité équivalente est le Coulomb (1 Ah= 3600 C).

Sa tension nominale est "multipliée" pour être plus élevée que 2 volts, par groupement d'éléments dans un même bac.

2.1.1 Tension d'un élément

On parle d'un élément de base de 2 Volts par abus de langage, car un élément en fonction de sa décharge et de la température aura une tension variable de 1.95 V à 2.15 V. cette tension pour des courants de décharge faible est stable durant une longue période.
Cependant, comme tout appareil électrique, une batterie possède une résistance (interne) et il résulte que la tension d'un élément varie légèrement en fonction du courant demandé.

Généralement les marges suivantes sont utilisées -15% +10% mais toute application est spécifique.

Pour la tension maximum à ne pas dépasser, ce sera toujours la tension maximum admise qui va déterminer le nombre d'éléments. Dans ces conditions, il peut y avoir des impossibilités techniques et dans ces cas, il faut revoir les cahiers des charges.

2.1.2 Les Ampères-heures pour U limite

Pour les décharges maximum, on peut admettre des tensions limites de décharge, sans que l'on soit dans une situation de décharge profonde (presque irréversible)
Les valeurs courantes limites sont données à 1.6, 1.65, 1.7, 1.75, 1.8, 1.85 et 1.9 pratiquement chez tous les constructeurs.
Les capacités définies pour ces tensions limites sont surtout diminuées par les décharges rapides (entre 10 minutes à une heure). Les décharges lentes (>1 heures) affectent  moins ou peu la capacité. La valeur de référence de capacité étant donnée pour une décharge en 10 heures pour différentes tensions d'arrêt.
Passées 10 heures la capacité augmente légèrement.

Sauf spécifications particulières on considère très souvent la tension limite à 1.75 V. (voir courbe ci-dessus pour une batterie de 38 Ah en C10)

2.1.3 Variation capacité fonction du temps décharge

Le propre d'une batterie est de présenter une capacité variable en fonction du courant de décharge. La capacité d'une batterie est donnée en général comme indiqué plus avant pour une

décharge en 10 heures jusqu'à une tension de 1.75V par élément.

Exemple en décharge à courant constant pour une batterie 12V 38 Ah (valeur en 10H) arrêt à 1.75v

Tps minutes

10

15

20

30

60

120

180

600

Capacité Ah

12.25

14.75

15.83

18

21.8

25.8

28.2

38

On remarque que la capacité à 600 minutes est cAPFTDEGbien la capacité C10, (ce qui est normal)

2.1.4 Variation fonction de la température

Là aussi la batterie au plomb manque de stabilité, puisque suivant la température et le courant demandé, sa capacité peut varier dans de très fortes limites entre 15% et 110%.
Courbes jointes : document STECO "SAPHIR"

2.2 La décharge

2.2.1 La tension limite basse

Cette notion de tension limite basse est une notion importante, puisque c'est sur cela que repose le principe d'une batterie, c'est-à-dire pouvoir être réutilisée après une recharge. Mais pour pouvoir réutiliser celle-ci, il ne faut pas trop descendre en décharge en dessous d'une valeur limite de tension.
Cette tension couramment admise est de l'ordre de 1.7V à 1.75V. Au-delà de ces valeurs des phénomènes chimiques irréversibles se produisent et affectent directement la capacité de la batterie et sa durée de vie.
C'est la raison pour laquelle un contrôle rigoureux de cette tension est effectué par les automatismes de charge/décharge, de manière à arrêter avant destruction de la batterie.

Des attentes de plusieurs jours sont fatales, alors que la recharge immédiate permet souvent de compenser (partiellement) cette situation.

2.2.2 Décharge à Courant constant

Des applications à courant constant sont souvent réalisées, notamment en éclairage de secours. Dans ces conditions, les tableaux de décharge sont donnés par les constructeurs pour chaque capacité de batterie.
La détermination de la capacité est donc facile à faire puisqu'elle est issue directement des valeurs du constructeur.
Il est nécessaire de prendre toujours par valeur supérieure, car une batterie ne conserve pas ces performances au cours des années, bien au contraire.

Exemple pratique à partir du tableau d'un constructeur (STECO click photo)STECO1

Problème : Alimenter un éclairage de secours centralisé en 48 Volts nominal. La puissance requise est de 2 KW durant 1 heure. La tension maxi acceptable est de 50 V et la tension mini de 36 volts.
Rechercher la batterie nécessaire à cette application à 25°C de température ambiante. (U Floating = 2.25 V à 25°C)

- Calcul de la tension nominale batterie Un=48/2.25=21.33 éléments soit 22 éléments (au total et groupement suivant la gamme du constructeur).
- Vérification du non dépassement de tension maxi 2.25*22=49.5 V= OK
(Il est également possible de partir du nombre maxi d'éléments soit 50V/2.25=22.22 éléments et dans ce cas prendre la valeur INFERIEURE soit 22 éléments)
- Tension mini par élément en fin de décharge =36 V/22 élém=1.63 Volt arrondis par valeur supérieure à 1.65 V
- Le courant à fournir en fin de décharge est donc de 2000W/36V=55.55A
- Il faut donc balayer les différentes capacités batteries du constructeur pour trouver un courant de 55.55 A. Il faudra passer à des batteries de 110 AH, car le modèle à 80 Ah ne peut donner dans les pires conditions que 53 A....
Attention le tableau est uniquement à 20°C. Que faire ? On est sûr qu'à 25°C on sera meilleur (voir courbes des capacité ci-dessus) c'est l'essentiel ! La tension de floating a été traitée à 2.25 V dans le début des calculs.
- Cette fois pour 1.65V et 60 minutes nous disposons d'un courant de 67 A c'est plus que nécessaire, mais la solution est unique dans le cahier des charges spécifié.
- Cette batterie étant d'origine constituée de 3 éléments de 2 volts, soit 6V, il faudra donc 8 batteries pour obtenir les 48 Volts nominaux.

Il appartient alors de proposer une solution plus adaptée en termes de limites de tensions, notamment en montant un peu la limite supérieure si possible, cela permettrait d'avoir des capacités plus faibles…mais ce type n'existe qu'en 6 Volts ! Est-ce que 58.5 V seraient supportables ? C'est loin d'être sûr ! .

Peut-on évaluer la nouvelle autonomie ? Pas très simple ! En effet au niveau des Ampères heures, nous avons une marge de sécurité de 67 – 55.55=#12 Ah. Si l'on considère l'autonomie à 67 Ah, nous allons bénéficier de 12 Ah/55.55A=0.21 Heures soit environ 12 minutes de mieux.
Cela est théoriquement faux, puisque la capacité à courant moindre que 67 A est plus importante.

Donc il faudrait faire un calcul itératif pour interpoler la capacité de 67 Ah à 2x39.5 Ah (valeur 120 minutes), et donc nous aurions plus que 12 minutes ! Les calculs dépassent alors le cadre de cet article, et risqueraient d'être alors plus aléatoires qu'il n'y parait.

Autre question : Toujours pour le même choix de batterie et d'exemple, peut-on en gardant 1 heure comme base, déterminer la tension finale au bout d'une heure ? Oui, approximativement, puisque la valeurs est encadrée entre 1.85 et 1.90 Volts.

2.2.3 Pointes en début (ou en fin de cycle de décharge)

Le problème est ici bien différent et il va falloir passer aux calculs de capacité, car la décharge n'est plus constante, et les documents du constructeur ne suffisent plus à la détermination.
Ces problèmes de décharge avec pointe de courant peuvent correspondre à des urgences, juste après une coupure ou un arrêt obligé.
Ce cas peut être par exemple celui de la mise à l'arrêt d'une turbine de puissance, avec un cycle initial de maintien de la rotation pour éviter une flexion à chaud de l'arbre et sa déformation irréversible.

Puis après ce cycle, la température a suffisamment baissé pour ne plus demander que des périodes de "rafraîchissement" à puissance moindre.
Dans ce cas, cela peut être la pointe de début du courant qui dirige les choix de capacité ou l'inverse suivant les valeurs et durées respectives.

Lors de pointes de courant en fin de cycle, il peut s'agir du maintien d'un existant de sécurité puis de diverses opérations préparatoires avant coupure totale et fortes consommatrices (Préchauffage d'un élément assurant un autre secours par exemple). Dans cette optique, la sécurité impose de prendre comme modèle de décharge la pointe finale de courant comme base.

Exemple : Décharge avec pointe de courant immédiate.OLDHAM1
Pointe de 110 KW durant 10 minutes puis 9 KW durant 6 heures
Tension  460 volts maxi et 360 volts mini,  température ambiante 20°C Tension d'arrêt par élément 1.8 V.

- Première affirmation, le nombre d'éléments ne devra pas dépasser
460V/2.27V=202.64 =202  pour respecter U maxi.
- Intensité durant la pointe : 110000 W/360V=305.5 A 10 min
- L'élément nécessaire à assurer la pointe initiale est suivant le tableau 10',1.8V, 20°C est le modèle 6HI165 (voir tableau) avec 315 A durant 10 minutes. (batterie 6 V), l'élément 2HI150 ne donne que 305, et il manque 0.5 c'est dommage mais pas grave pour l'instant !
- La capacité "consommée" durant la pointe initiale est de 305.5 A*10/60=50.9 Ah.

- Il faut maintenant évaluer la capacité nécessaire au fonctionnement des 6 heures. Ceci est donc : Intensité sur le palier : 9000 W/360V=25 A soit durant 6 heures 25*6=150.0 Ah
- Le total des ampères heures nécessaires est donc de 50.9+150.0=200.9 Ah.

- Il y a lieu maintenant de ramener ces 200.9 Ah face à un courant de 25 A, et de voir le temps de décharge correspondant soit 200.9/25= 8.03 Heures. Il faut donc rechercher cette fois dans le tableau de décharge 1.8V 20°C pour 8 Heures un courant minimum de 25  A.

- Le résultat sera donc un élément 2HI225.

Alors dans ce cas, c'est la décharge à faible intensité qui a été prédominante, puisque l'on a bien entendu eu besoin d'une capacité supérieure à  6HI165. Il n'y a donc rien à regretter concernant le premier choix pris par excès pour 0.5 qui en réalité ne s'est pas concrétisé.
Il est tout à fait envisageable que dans le cas de faible durée du petit palier, le choix permette de garder le premier type (le plus petit), d'autant plus que le fait d'arrondir aux capacités supérieures peut largement suffire.

Dans notre exemple on peut également remarquer un tout petit arrondi de nombre d'heures (.03) qui est effectivement largement compensé par le nouveau type 2HI225 avec un courant de 26.2 A contre 25 nécessaires.

Le nombre d'éléments est donc de 200 (360V/1.8V=200) de 2 Volts, avec comme tension mini 1.8 Volt par élément et comme maxi 2.27*200=454 Volt . L'ensemble Valeurs mini et maxi étant corrects .
On remarquera bien que la batterie initiale pour la pointe qui faisait 6V n'a pas eu de suite à cause du palier qui a nécessité une capacité complémentaire n'existant qu'en élément de 2 volts.

2.2.4 La décharge profonde

C'est le problème à éviter absolument, quelque soient les batteries plomb, étanches ou ouvertes. Dans cet état il y a création de sulfates qui augmentent la résistance interne de la batterie.
Il est possible de "récupérer" partiellement une telle batterie, mais la durée de vie de celle-ci sera cependant abrégée.

Trois règles essentielles à respecter face à une décharge profonde :
-  Remettre en charge le plus vite possible
- Charger à tension de floating à un courant très faible de l'ordre du 30ème de la capacité durant une centaine d'heures environ.
- Surveiller la tension totale de façon à vérifier l'absence d'éléments en court-circuit.
(Voir § des chargeurs ci-après)

2.2.5 L'auto-déchargecapfmois

Une batterie qui ne fonctionne pas se décharge de façon naturelle. Cette auto-décharge est d'autant plus rapide que la température est élevée.
La conséquence directe est l'obligation de stockage à faible température, ce qui pose problème lors des exportations et des stockages en plein soleil sur les quais des ports.
L'auto décharge est naturellement directement proportionnelle au temps passé à ne rien faire sans recharge.

Il est toujours conseillé de faire une charge d'entretien tous les mois.
Pour les batteries qui sont destinées aux pays chauds, il est possible (pour les batteries de puissance ouvertes) de faire des livraisons avec électrolyte séparé. Une charge après introduction de celui-ci est alors à réaliser (consulter les fabricants pour cela).

2.2.6 Le cyclagecyclage

Le cyclage est le fait de réaliser des cycles successifs charge / décharge. La durée de vie des batteries dépend directement du nombre de cycles effectués.
Ce même nombre possible de cycles effectués dépend directement de la profondeur de décharge qui sera appliquée. Suivant les fabricants, les valeurs sont extrêmement différentes. Une moyenne a été réalisée pour exprimer la forme de la courbe et des valeurs pondérées.

2.3 La recharge

2.3.1 L'expression du courant de charge et le temps

Le courant de charge est toujours exprimé en fonction de la capacité de la batterie en décharge sur 10 heures. Cette capacité batterie s'écrit ainsi C10. (Attention à la nuance charge/décharge !)
Un courant de charge est en principe 1/10 de C10. Une charge à courant faible est toujours préférable à une charge rapide.
Une charge rapide est considérée au dessus de 1/10 de C10, avec pour limite absolue à ne pas dépasser 3/10 de C10.
Une charge en floating nécessite au moins 72 heures pour une batterie complètement déchargée et rechargée à 100%.

Une batterie complètement vidée est rechargée à 80% en 10 heures en floating à courant 1/10 C10. Cette règle est vraie pour toutes les batteries plomb.
Cette valeur est issue des règlements qui imposent à l'éclairage de sécurité d'être rechargé en 10 heures à 80%, pour pouvoir répondre le plus rapidement à une nouvelle coupure.

2.3.2 La tension de floatingUfloating

C'est la tension qui permet la charge d'une batterie sans danger. Cette tension une fois atteinte par la batterie, va compenser l'auto-décharge.
Il est possible de recharger rapidement une batterie mais il faut connaître l'état de décharge, pour pouvoir appliquer une tension supérieure à la tension de floating. Des règles empiriques que je ne saurais donner ici, existent mais ne sont jamais très fiables. Bien entendu ça fonctionne toujours mais la durée de vie est souvent abrégée.

2.3.3 Chargeurs et Limitations de tension et courant, contrôle de tension

Les chargeurs de batteries ne sont en fait que des ALIMENTATIONS qui doivent être stabilisées et régulées en tension et limitées en courant.
Le chargeur de voiture en demi alternance voire en double alternance est à proscrire impérativement.

Un chargeur est une alimentation particulière dont la tension est réglable pour atteindre les tensions de floating des batteries. Cette alimentation est réglée pour la tension de floating à vide et le courant sera contrôlé en terme de niveau de charge par une limitation.
Le contrôle de la tension de floating en fonction de la température est essentiel pour assurer une charge correcte de la batterie ainsi que d'assurer sa longévité.

Pour les non habitués, une limitation de courant va bien nécessairement faire baisser la tension, jusqu'à la valeur nécessitée par la consigne de courant. A ce stade la tension va remonter progressivement en fonction de la charge, jusqu'à atteindre la valeur de floating et ne la dépassera pas quoi qu'il arrive.

2.4 La gamme des capacités

2.4.1 Les blocs de tensions

L'élément chimique de base d'une batterie est l'élément de 2 Volts. Toutes les références de limites sont bien entendu rapportées à cet élément de base.
Pour faciliter la mise en œuvre, les fabricants ont réalisé des groupements d'éléments pour donner des valeurs de tensions couramment utilisées, et éviter des connexions multiples. (6, 12, 24)
Il est évident également, que plus les capacités s'élèvent, plus les volumes et les poids augmentent, et pour que les éléments soient transportables les arrangements de tension 6, 12 et 24 volts vont se réduire pour ne plus être que de 2 Volts (un seul élément)

2.4.2 Les chantiers et les armoires de batteries

Suivant la taille des éléments de batteries, il est possible de les ranger dans des armoires ou sur des "chantiers", pour éviter des contacts accidentels ou des risques d'explosion de batteries. Un modèle de chantier est en photo de tête d'article. On trouve habituellement des chantiers en forme de marches d'escaliers.
Les armoires concernent principalement les batteries étanches qui peuvent très souvent être placées indifféremment verticalement ou couchées.
A noter qu'une armoire "type vestiaire" n'est pas assez résistante à cause du poids des batteries et qu'il faut des armoires spéciales renforcées, et de préférence recouvertes d'une peinture résistante à l'acide.

A l'inverse, les grandes batteries ouvertes et les plus grosses batteries étanches sont toujours placées sur une sorte d'échelle assez large appelée "chantier". Ces chantiers sont parfois en bois pour des questions d'isolation électrique, de résistance mécanique ainsi que de résistance à l'acide. Ils peuvent avoir plusieurs "marches".

2.4.3 Les règles d'assemblage et de sécurité

Les batteries sont toujours assemblées pour fournir les tensions requises. Les choix sont alors réalisés pour des modules de forte capacité en évitant ainsi les mises en //.
La mise en parallèle de batteries est parfois nécessaire mais toujours délicate, car chaque batterie a une tension très légèrement différente de sa voisine. Il s'ensuit des débits d'une batterie dans l'autre.
Cette mise en parallèle est cependant parfois obligatoire, mais il ne faut pas aller trop loin dans les nombres en //.
Si certains constructeurs considèrent que 4 batteries en // sont une limite à ne pas dépasser, personnellement, je baisserais ce nombre à 2 seulement, pour ne pas affecter la durée réelle de vie de la batterie.

Un mot sur les connexions qui doivent être vérifiées très sérieusement en terme de couple de serrage.
Les connexions inter éléments sont réalisées lorsque c'est possible par des plaques métalliques conductrices
Les sections par "straps" inter éléments sont en général calculées et réalisées par les fabricants, ce qui évite bien des erreurs. Ces liaisons sont à réaliser entre rangées et/ou lorsque c'est nécessaire entre éléments s'ils sont de grande capacité.

Dans tous les cas des capuchons isolants existent et sont à placer pour éviter à la fois les électrocutions dans le cas des fortes tensions de batteries, mais aussi les risques d'incendie ou d'explosion par court-circuit entre éléments sous tension.

Il est nécessaire de se rappeler que l'interruption d'un fort courant continu de batterie est très difficile à réaliser, car les arcs électriques ne peuvent pas se souffler par passage à zéro comme en courant alternatif.
Il est nécessaire d'utiliser les contacteurs et disjoncteurs spécialement conçus pour ces courants.
Ces faits impliquent des risques élevés d'incendie sur les connexions.

En ce qui concerne les batteries ouvertes il est rappelé qu'il y a présence d'hydrogène et d'oxygène dans les grandes salles de batteries. Il y est bien entendu interdit de fumer, et les matériels doivent être adaptés au risque d'explosion. (antidéflagrant).

Par mesure de sécurité, lors des interventions, tous les outils de serrage devront être largement isolés. Il est également recommandé de ne pas porter de bijoux sur soi (bagues, colliers, gourmettes) qui sont de véritables risques de court-circuit et de brûlures graves, voire d'explosions d'éléments avec projections d'acide.
Pour rappel également, mais le cas semble maintenant résolu par les nouvelles loi : il est interdit de fumer dans les locaux batteries, et le matériel électrique est normalement antidéflagrant.
Les ventilations sont obligatoires.

2.5 La durée de vie

Les éventuelles décharges profondes (<1 Volt), mais aussi la profondeur des décharges (cas du cyclage par exemple) affectent de façon importante la durée de vie d'une batterie.

En stockage, une auto-décharge est accélérée par une température élevée, et peut ainsi amener à une décharge profonde en moins de 6 mois.

La nature du courant de charge et des valeurs de la tension de floating utilisée relativement à la température, affecte de façon réelle la durée de vie d'une batterie.

Enfin, pour reprendre un peu ce qui a déjà été évoqué, la durée de vie d'une batterie dépend directement de l'âge de la batterie. Il n'est pas réaliste de dire que la batterie s'arrête de fonctionner brutalement, mais il y a baisse des performances en termes d'augmentation de la résistance interne, conjuguée avec une baisse de la capacité.
Dans les applications de sécurité la déviation des caractéristiques initiales de calcul sont dramatiques.
Aussi des vérifications régulières statiques permettent d'avoir une bonne idée de l'état d'une batterie. Ces vérifications portent sur le niveau d'électrolyte pour les batteries ouvertes, l'état de corrosion des connexions, et enfin le contrôle de la tension de chaque élément.

Un éventuel élément défectueux doit être changé mais il s'intégrera toujours assez mal dans une structure vieillissante. En aucun cas cela ne peut être fait dans des éléments en //, où la symétrie devra être absolument traitée pour chacune des branches.

La vérification de capacité et de performances d'une batterie doit être réalisée au moins une fois par an. En effet cette décharge volontaire affecte la durée de vie, mais parallèlement c'est une certification de réponse aux spécifications initiales .
A chaque essai les valeurs devront être relevées et comparées à celles des essais précédents.

3 Les condensateurs de forte capacité

Ceci ne concerne pas vraiment la partie électrotechnique, mais plus particulièrement l'électronique, et on sait faire aujourd'hui des condensateurs de l'ordre du farad dans un volume très petit, ce qui est une capacité très importante.
Un condensateur emmagasine de l'énergie électrique tout comme une batterie ! Il n'y a pas à priori autant de limites aux cycles charge/décharge. L'énergie emmagasinée s'exprime en Coulombs. Ainsi un condensateur de 1 farad sous 100 Volt a une charge de 100 Coulombs ou 0.027 Ah. (1 Ah= 3600 C)
Je n'ai pas d'autres éléments plus précis, mais il faut savoir que ça existe et que si aujourd'hui les capacités sont quelque peu anecdotiques, cela pourrait concurrencer un jour les petites batteries.
En ce qui concerne le remplacement des piles, c'est déjà fait dans quelques applications.

4 Les piles

Par définition, elles n'ont pas la possibilité d'être rechargées. Ceci n'est pas toujours vrai, et l'on a pu parler de "piles rechargeables" à certains instants.
Il semble qu'une possibilité d'unique recharge existe, mais dans des conditions très spécifiques. Les processus électrochimiques en cause sont complexes et je ne saurais m'y attarder par manque de connaissances en ce domaine.

Les piles présentent le seul avantage du coût nettement plus bas que les accumulateurs. Les piles ont aussi l'avantage du volume et du poids plus faible que les batteries plomb. Elles sont cependant largement concurrencées maintenant par les petites batteries étanches au cadmium nickel ou encore par les batteries lithium-ion.
Elles ne représentent pas un gain au niveau écologique, bien au contraire, mais ont des créneaux spécifiques d'utilisation.
(Piles lithium par exemple qui maintiennent l'heure de nos PC. Piles alcalines pour les petits éclairages portatifs). Piles de montres etc...

5 Les batteries au Cadmium Nickel

Ces batteries cadmium nickel sont concurrentes directes des batteries au plomb.
(On ne parlera pas ici des petits éléments cylindriques étanches type R6 utilisés dans les appareils photos ou les jouets).

Ces batteries représentent une alternative de meilleure prestation que les batteries plomb. Le prix est malheureusement de meilleure prestation aussi !

Les cas d'emploi sont représentés par l'aspect sécurité absolue. En effet, les industries chimiques, les secours électriques des locomotives, bateaux, les commandes de disjoncteurs à EDF, les secours pour les relais hertziens et généralement là où le prix pour la sécurité et la continuité n'est pas l'élément décisionnel.

Ces batteries sont toujours des batteries de type ouvertes et nécessitent un petit entretien de surveillance de niveau de l'électrolyte. Elles sont donc presque toujours installées sur un chantier.

Leur robustesse n'a pas d'égal, et elles supportent facilement de nombreuses décharges de forte profondeur. Cela est leur atout majeur. Les batteries cadmium nickel ont cependant un point de défaveur, qui est la tension par élément, beaucoup plus faible que les batteries au plomb : la tension de décharge est de 1.2 Volts.
Ces batteries dégagent des gaz hydrogène et oxygène, combinaison hautement explosive.
La capacité de ces batteries est souvent donnée en 5 heures pour une tension finale de 1 volt par élément. Elle est alors notée C5.
Cette capacité C5 correspond aussi à une recharge à 1/10 C5 pour batterie rechargée à 80% en 10 heures. Des recharges plus rapides sont tout à fait possibles en 4 heures à 80% et en 8 heures à 100%

La recharge peut se réaliser à différentes valeurs de tension de floating allant de 1.4 Volt à 1.67 Volt par élément. Les temps de charge peuvent ainsi varier de 8.5 heures à 500 heures pour une charge à 100%.

En ce qui concerne les calculs, le principe de ceux-ci est identique à celui des batteries plomb, mis à part les tensions de floating et les recherches en tableaux de décharge qui restent spécifiques. 

6 Calcul de batteries pour éolienne ou Photovoltaïque

Dans ces cas particuliers, il y a lieu de considérer plusieurs éléments importants :

- la pointe de puissance possible.
- l'énergie moyenne nécessaire.
- le rendement de l'onduleur
- le temps pendant lequel il faut pouvoir fonctionner.
- la profondeur de décharge acceptée.

En ce qui concerne ce dernier point, celui-ci est réellement dramatique, car il va multiplier la capacité batterie de façon importante. Il faut aussi se rappeler que cette application est typiquement du cyclage, et que la durée de vie d'une batterie est directement affectée par la profondeur de décharge en cyclage.
Il y a donc lieu de ne pas aller trop loin en profondeur de décharge. Typiquement une décharge de 30% autorise suivant les fabricants de batterie de 400 à 1000 cycles.
Certains sites spécialisés préconisent seulement 15% de décharge dans ces applications. Il faut aussi remarquer que plus la capacité est élevée, plus le courant de charge pourra être important...
Je pense qu'il est nécessaire, non pas de prendre des batteries spécifiques à l'application, mais de vérifier le nombre de cycles autorisés en fonction du pourcentage de profondeur de décharge.

Il faudra également se rappeler qu'une batterie plomb complètement déchargée retrouve 80% de sa capacité en 10 heures de charge à 1/10 de C10. Tous ces éléments supposent que les possibilités de recharge (éolienne ou solaire) sont capables de recharger en 10 heures, mais peut-être aussi de fournir la puissance de fonctionnement en direct.
Cette dernière possibilité n'affecte pas le dimensionnement des batteries.

oldham3

Exemple pratique :
Puissance demandée 500 WATTS en 220 V sur 8 heures
(sans dépassements de puissance).
Batterie 48 V
Rendement onduleur minimisé à 80%
Profondeur de décharge 50% pour l'exemple seulement
(Extraits Tableau de décharge Oldham Espace HI)
_____________

P utile sortie onduleur = 500 W en 220 V
Puissance entrée onduleur = 500/0.8= 625 W sur 8 heures
Courant continu entrée onduleur = P/U= 625/48 = 13.02 A arrondi à 13 A
Capacité de base de la batterie = 13A*8H= 104 Ah
Capacité de la batterie pour 50% de décharge = 104Ah/50% =208 Ah

Pour cette dernière valeur, il est possible de prendre comme tension d'arrêt 1.6 Volts puisque celle-ci ne sera jamais atteinte (à la condition que l'automatisme le surveille). Cela est d'ailleurs assez proche de la réalité car pour une batterie sur-dimensionnée, la décharge sera considérée comme lente.

La détermination se réalise ainsi : sur la colonne "8 heures" recherche du courant qui multiplié par 8 heures donne au moins 208 Ah. Le courant 26.2 A répond à cela puisque la capacité est de 209.6 Ah.
L'élément 2HI225 de 2 Volts réalise cette possibilité. Il y aura donc nécessité d'en employer 24 précisément puisque 48 volts est la tension nominale.
Attention dans ce cas le doublement de la capacité ne veut pas dire le doublement du courant...!

A remarquer qu'il n'a pas été fait allusion à la tension mini d'arrêt pour participer aux calculs, du fait que l'on ne doit jamais atteindre cette valeur. Il n'y a donc pas eu d'oubli à ce niveau.

On remarque ainsi l'obstacle majeur du stockage de l'énergie, à savoir la capacité de ces "réservoirs" que sont les batteries. Il serait vain de minimiser la taille des batteries (ce qui est possible) car leur durée de vie en serait abrégée, et l'investissement serait très vite perdu sans aucune rentabilité.

Il est également intéressant de remarquer la puissance potentielle qui pourrait être obtenue d'une telle batterie : 209.6/8=26 A  soit 48*26= 1248 W DURANT 8 heures.
A comparer cette valeur avec les 500 W sur 8 heures réellement obtenus, on comprend mieux les difficultés et les coûts associés à ces moyens de production d'énergies renouvelables.

Personnellement je reste très prudent sur ces questions de stockage d'énergie et j'espère faire bientôt quelques essais sur de petits modèles d'éoliennes en particulier.

Enfin en dernier mot, il faut quand même indiquer quel serait le courant normal de charge d'un tel élément…1/10 de C10 = 20.96 A soit arrondi à 21 A, alors que l'utilisation ne prend que 13 A.

A remarquer la grande différence de calcul de batteries pour un onduleur qui est là en secours seulement (absence de cycles nombreux) et ce dernier exemple de cyclage.

On comprend bien la difficulté des énergies non permanentes et du stockage obligé. Il y a de nombreux calculs de rentabilité à effectuer en prenant en compte le temps de retour sur investissement. Seulement à ce moment, il sera possible de savoir si l'opération pourra être rentable. Très souvent pour obtenir un minimum de rentabilité, il sera nécessaire de réduire la durée de stockage pour permettre simplement le basculement "propre" sur le réseau EDF.

7 Quelques applicationsscialytiques

  • Les scialytiques : Ce sont les appareils d'éclairage des tables d'opérations dans les hôpitaux et cliniques. Il est évident que le patient peut difficilement être "abandonné" suite à une coupure d'énergie. Il faut au moins un minimum d'éclairage.
    Je ne suis pas certain que cela soit aujourd'hui la seule nécessité car les appareillages électroniques des nouvelles méthodes sont certainement tout aussi importants.
    Je pense que le scialytique existe encore mais en dernière sécurité, c'est à dire en diversification des sources d'énergie de secours.
    Les temps sont souvent de 3 heures pour 150 W à 800 W de puissances d'éclairage, mais des temps d'une heure existaient aussi il y a une bonne dizaine d'années. Le fonctionnement est souvent à décharge rapide.


    BLOCSEC

  • L'éclairage de secours centralisé : Cela reste certainement l'une des  premières applications des batteries stationnaires. Les éclairages de secours doivent maintenir leur action au moins 1 heure dans tous les ERP (établissements recevant du public). Les puissances peuvent être relativement faibles, mais dans le cas des très grands magasins, il est tout à fait possible d'atteindre des puissances de plus de 50 KW. Ces éclairages sont composés de "blocs de balisage" chargés de donner les directions d'évacuation et de bloc "d'ambiance" chargés de permettre un déplacement des personnes et d'éviter les obstacles éventuels.
    On parle alors d'éclairage de secours centralisé (par opposition aux blocs autonomes).
    (Cette centralisation implique des câbles normalisés de couleur rouge résistants au feu)

  • Les onduleurs : C'est une application qui peut êtreONDUL soit totalement intégrée dans un boîtier de dimensions modestes ou au contraire parfaitement scindée en ces deux parties principales.
    La première partie est la partie électronique qui va être chargée de générer soit du courant alternatif 50 ou 60 Hz suivant les pays et monophasé, ou triphasé.
    La puissance de ces grosses unités peut aller jusqu'à plus de 200 KW.
    La deuxième partie est constituée des batteries qui sont en général dans une salle adjacente, mais isolée à cause des risques éventuels de gaz.
    Ces batteries peuvent être de tous types, ouvertes, fermées, Plomb, Cadmium-Nickel, Plomb-Calcium.

    Les cas d'emploi sont le nucléaire, les industries chimiques, l'informatique, les stations de radio communications, les réseaux téléphoniques et de données, les plate-formes pétrolières, les chaufferies, les centrales de production d'énergie au charbon ou au bois (emballement thermique)  ...

    Je n'ai pas parlé de l'armée qui est un gros utilisateur de ces produits, puisque la fiabilité en temps de conflit n'a plus de prix.

VOITURE1

  • Les Voitures et machines apparentées : Nos automobiles sont bien entendu des consommatrices voraces de batteries. Il faut dire que les conditions climatiques d'emploi sont des plus terribles.
    D'après les différents éléments développés dans cet article, on peut dire que le chaud, le froid, les courants élevés de démarrage sont conjugués de la manière la plus difficile pour ce cas d'emploi. (Il était normal que les batteries étanches ne puissent convenir !)

    Sur ce modèle, à remarquer la poignée de transport, les 6 bouchons "style produits dangereux", qui ne peuvent pas être dévissés.
    A remarquer aussi le petit voyant vert ainsi que la connectique un peu "exotique". Cette batterie est annotée batterie sans entretien mais reste une technologie "ouverte" dans sa conception physique, mais a un peu des avantages des batteries étanches.

    Dans toutes ces batteries de voitures, il y a pratiquement toujours le choix du côté du + et du -. Lors d'un achat y faire attention !

Utilisation directe de courant continu sans création d'autre forme d'énergie : RAFINERIE
Ces cas correspondent souvent à la prévention de catastrophes humaines, écologiques ou financière.
Le cas des axes de turbine est un exemple de catastrophe financière (cycles de rotation par moteur à courant continu pour éviter les déformations de l'axe après un fonctionnement à très haute température).
Les industries chimiques pour terminer un processus industriel dangereux ne pouvant être interrompu.
Dans les mines, je crois me rappeler que les ascenseurs de puits sont toujours alimentés par des moteurs à courant continu. PANOSOL

Pour l'ensemble de ces batteries, il y a lieu de consulter des fabricants et distributeurs spécialisés tels qu'AUNILEC société de distribution de produits d'énergie (toutes batteries y compris cyclage, chargeurs de batteries, onduleurs, panneaux photovoltaïques,...etc :  http://www.aunilec.fr).

8 Conclusions

Cet article se voulait une initiation, mais je crois qu'il est allé un peu plus loin ... Ce n'est pas plus mal car il y a un peu plus que l'essentiel et surtout la compréhension qui permet de retenir les choses.
Il faut reconnaître que même sans rentrer dans les processus physico-chimiques complexes, la partie application ne peut pas être trop étriquée sous peine de ne pas représenter la réalité.

Alors je n'avais pas trop le choix ! Cela prouve que l'affaire n'est pas vraiment très simple !
Les cas sont tellement différents et particuliers qu'il est souvent préférable de se rapprocher des distributeurs ou des fabricants.

Une information qui est valable pour toutes les batteries, les fabricants ont tous signé une charte de recyclage, et il est possible de dire que ces produits sont bien intégrés dans les chaînes de de retraitement. Heureusement !

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