Chargeur de batterie - charger une batterie au plomb
Une batterie peut être définie comme un dispositif électrochimique capable de convertir l’énergie chimique contenue dans ses matériaux actifs en énergie électrique. Si la réaction conduisant à cette conversion d’une forme d’énergie en une autre est réversible, nous avons alors une pile rechargeable, secondaire ou à accumulation. Ces cellules peuvent être rechargées à plusieurs reprises après chaque décharge pour inverser le sens de la réaction. Pour qu’une batterie puisse atteindre la durée de vie prévue, elle doit être correctement chargée chaque fois que cela est nécessaire.
Les cellules dont les réactions sont irréversibles sont appelées cellules primaires.
Une batterie au plomb est constituée d’électrodes positives et négatives séparées par des films isolants appelés séparateurs. Une solution diluée d’acide sulfurique est utilisée comme électrolyte. La matière active positive est le dioxyde de plomb (PbO2) et la matière active négative est le plomb.
Avant d’entrer dans les détails du chargeur de batterie, il est nécessaire de comprendre brièvement quelques questions relatives aux batteries.
L’ampère est l’unité du courant (qui est défini comme un flux continu d’électrons). Lorsqu’un coulomb (ou un ampère-seconde) passe devant un point en une seconde, le courant est défini comme étant de 1 ampère.
Latension peut être considérée comme la force motrice qui pousse les électrons à circuler dans un conducteur électronique et l’unité est le volt. Lorsque 1 ampère-seconde possède 1 joule d’énergie, on dit qu’il y a 1 volt de différence de potentiel électrique.
Ces deux termes peuvent être comparés au réservoir d’eau supérieur d’un bâtiment. Plus la hauteur du réservoir d’eau est importante, plus la force avec laquelle l’eau s’écoulera sera élevée. De même, plus le diamètre du tuyau transportant l’eau du réservoir aux points d’utilisation est important, plus le volume d’eau que reçoit l’utilisateur sera élevé. L’eau qui circule dans le tuyau peut être comparée à la vitesse à laquelle l’eau s’écoule.
L’ampère-heure (Ah) est la quantité d’électricité, et c’est le produit du courant et du temps.
1 Ah = 1 A *1 heure.
Les watts (W) représentent la puissance et sont le produit du courant et des volts. Les unités supérieures sont les kW (= 1000 W).
méga watts, MW (=1000 kW) et giga watts, GW (un milliard de W (1 000 000 000 Watts).1 W = 1 A * 1 V= VA.
L’énergie (Wh) est la quantité de puissance fournie par unité de temps. Les unités supérieures sont les kWh (= 1000 Wh).
mégawattheure, MWh (= 1000 kWh) et Giga Watt-heures, GWh (= un milliard de Wh (1.000.000.000 Watt-heures).
Les unités GW sont utilisées pour désigner la production des grandes centrales électriques. GWh est utilisé pour désigner la capacité de production des grandes industries de batteries de véhicules électriques (VE) et des systèmes de stockage de batteries de grande capacité Wh = 1 W* 1 h = 1 Wh
Dans le langage des batteries, on peut dire qu’une batterie possède 1200 Wh (ou 1,2 kWh) si sa tension est de 12 et sa capacité en Ah est de 100.
12 V * 100 Ah = 1200 Wh ou 1,2 kWh.
La puissance fournie par unité de masse d’une batterie est appelée puissance spécifique et l’unité est W par kg.
Puissancespécifique= W/kg et kW/kg.
De même, l’énergie fournie par unité de masse d’une batterie est appelée énergie spécifique et l’unité est le Wh par kg.
Énergie spécifique = Wh / kg et kWh / kg. (également exprimée en Wh kg-1)
De même, la puissance fournie par unité de volume d’une batterie est appelée densité de puissance et l’unité est W par litre.
Densité de puissance = W / litre et kW / litre.
L’énergie fournie par unité de volume d’une batterie est appelée densité énergétique et l’unité est le Wh par litre.
1 W = 1 J par seconde
Densité énergétique = Wh / litre et kWh / litre. (également écrit en W L-1 ou W l-1)
La réaction de décharge-charge d'une cellule plomb-acide est la suivante
Pb (NP) + PbO2 (PP) + 2H2SO4 Décharge ⇔ Charge PbSO4 (PP) + PbSO4 (NP) + 2H2O (près de PP)
Note : NP = plaque négative = anode pendant la décharge = donneur d’électrons pendant la décharge. PP = plaque positive = cathode pendant la décharge = accepteur d’électrons pendant la décharge.
Les rôles des électrodes s’inversent lors d’une charge ; l’anode se comporte comme la cathode et vice versa. L’accepteur d’électrons va maintenant libérer des électrons et le donneur va en recevoir.
Le terme d’énergie libre thermodynamique est une mesure du travail qui peut être extrait d’un système. Dans le cas d’une cellule galvanique, le travail électrique est effectué par le mouvement des particules chargées dû à l’interaction chimique entre les réactifs pour produire les résultants (produits).
Par conséquent, l’énergie est donnée en termes de Δ
G
la variation de l’énergie libre de Gibb, qui représente la quantité maximale d’énergie chimique pouvant être extraite des processus de conversion énergétique.
Si
E
est la force électromotrice (tension ou potentiel) de la cellule et le processus qui se déroule (c’est-à-dire, une décharge d’une cellule plomb-acide), est associé à un passage de
n
De nos jours (
F
) par mole de réactifs d’une électrode à l’autre, alors le travail électrique fourni par la cellule est donné comme suit
nFE
. L’augmentation correspondante de l’énergie libre est égale au travail électrique effectué sur le système. D’où,
ΔG = nFE ou
ΔG = -nFE ou
-ΔG° = nFE°
(dans des conditions standard ; E° désigne le potentiel d’électrode standard ou la tension de cellule standard).
équation de Gibbs
(Qu’entend-on par conditions standard ?: 25°C ou Celsius (298,1°K ou Kelvin), 1 bar de pression, et l’activité (qui peut être approximativement prise comme la valeur de la concentration) de l’espèce qui réagit, Pb2+, est de un).
Cette équation est appelée
L’équation de Gibbs.
L’équation de Gibbs relie la tension de la cellule à la variation de l’énergie libre (DG). Si la réaction se produit spontanément (par exemple, la décharge d’une pile plomb-acide), ΔG est négatif (l’énergie est libérée) et la force électromotrice est positive, c’est-à-dire qu’une charge de nF s’écoulera spontanément dans la direction supposée de la réaction de la pile.
En revanche, si ΔG est positif, il permet au système de réaliser le phénomène d’électrolyse (c’est-à-dire lors d’une charge de cellule plomb-acide).
CEM d'une cellule
La force électromotrice de la cellule est une
propriété thermodynamique intensive
c’est-à-dire indépendante à la fois de la masse des réactifs et de la taille de la cellule. La propriété intensive (par opposition à la propriété
propriété extensive
) ne dépend pas de la masse des réactifs et donc de la taille de la pile. Que vous ayez quelques milligrammes ou quelques kilogrammes de matériaux, le système affichera la même tension et celle-ci ne peut être augmentée en augmentant la masse du matériau. Le potentiel individuel de l’électrode est une propriété électrochimique inhérente à ce matériau d’électrode, et on ne peut pas changer sa valeur dans des conditions similaires.
Des exemples de propriétés intensives sont la tension des électrodes et des cellules ; en revanche, le
propriété extensive
dépend de la quantité de substance, par exemple la masse, le volume, l’énergie, l’ampère-heure et le watt-heure. Ainsi, 4,5 grammes de matière active en dioxyde de plomb dans une cellule plomb-acide délivrent théoriquement un ampère-heure (Ah), mais si vous en avez 45 grammes, elle délivrera dix fois plus d’Ah. Il s’agit donc d’une propriété extensive ; bur dans les deux cas, le potentiel de l’électrode sera le même, à savoir 1,69 V. Des arguments similaires peuvent être avancés pour les matières actives au plomb et à l’acide sulfurique.
Le potentiel cellulaire standard (E°) est lié au changement d’énergie libre standard (DG°) comme indiqué ci-dessus.
La force électromotrice d’une cellule plomb-acide peut être déterminée à partir de l’expression suivante
ΣΔGº ƒ des produits – ΣΔGº ƒ des réactifs
Où ΔG°ƒ désigne l’énergie libre standard de formation de l’espèce réagissante.
Énergie libre standard de formation
Tableau 1
Énergie libre standard de formation, ΔG°ƒ des espèces chimiques participant à la réaction cellulaire.
(Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, annexe IV, p. 366.)
| Réactifs/Produits | Valeur numérique (k cal mole-1 ) |
|---|---|
| PbO2 | -52.34 |
| Pb | 0 |
| H2SO4 | -177.34 |
| PbSO4 | -193.8 |
| H2O | -56.69 |
La réaction globale s’écrit comme suit
Pb + PbO2 + 2H2SO4⇄ 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V.
ΔG° = ΣΔGº ƒ des produits – ΣΔGº ƒ des réactifs
En substituant les valeurs respectives de (que nous obtenons des manuels standard, par exemple, [1. Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, Appendix IV, p. 366].
= [2(-193.89) + 2(-56.69)] – [0 – (-52.34) + 2(-177.34)]
= -94,14 kcal mole
–
1
= -94,14 kcal mole
–
1 × 4,184 kJ mole
–
1 (pour convertir les kcal en kJ, multiplier par 4,184)
= -393,88 kJ par mole
E° = -ΔG°/nF
= –(-393.88 × 1000)/2 × 96485
= 2,04 V pour une cellule plomb-acide
La tension standard d'une cellule plomb-acide est de 2,04 V.
et la réaction globale ou totale de la cellule d’une cellule plomb-acide s’écrit comme suit :
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Décharge⇔Charge PbSO4 (PP) + PbSO4 (NP) + 2H2O (près de PP)
Avant d’entrer dans les détails de la charge et de la décharge d’une cellule plomb-acide, nous devons avoir une certaine connaissance de certains termes utilisés en électrochimie.
Nous connaissons déjà la signification des conditions standard.
Lorsque nous perturbons la réaction cellulaire (que ce soit dans le sens direct ou dans le sens inverse), nous disons que la cellule est dans un état perturbé et non dans des conditions d’équilibre.
Chaque fois qu’un système électrochimique est perturbé, il y a toujours une différence par rapport au potentiel standard. Ainsi, si une cellule plomb-acide est forcée dans le sens de la décharge, la tension de la cellule diminue d’une certaine valeur, qui dépend de l’ampleur du courant. Plus la valeur actuelle est élevée, plus l’écart par rapport à la valeur standard sera important.
Maintenant, la tension de la cellule sera
EDisch = E° – δV.
La valeur deEDisch sera inférieure à celle de E°.
Au contraire, si la cellule est forcée dans le sens inverse (c’est-à-dire en mode charge), la tension de la cellule augmentera d’une certaine valeur qui dépend à nouveau de l’intensité du courant.
ECh = E° + δV.
La valeur de δV est appelée
surtension ou surpotentiel
et est désignée par le symbole
symbole η
.
La valeur de δV sera négative pour une réaction de décharge et positive pour une réaction de charge.
Ce phénomène de diminution ou d’augmentation de la tension de la cellule est appelé
polarisation
et l’on dit que les électrodes sont dans un état de polarisation.
Donc, nous réécrivons les équations comme suit :
EDisch = E° – η.
ECh = E° + η.
On voit donc que lors d’une décharge
EDisch < E° et
Pendant une charge
ECh > E°.
Quelles sont les raisons de cette déviation de la tension ?
Il y a plusieurs causes à cette déviation :
- Perte due aux résistances internes (IR) (ηohmic)
- Polarisation d’activation due au transfert de charge sur les deux électrodes pendant le début du processus ηt.
- Polarisation de la concentration due à l’épuisement de l’électrolyte et des autres espèces participantes (ηc).
Les pertes dues à la polarisation IR peuvent être atténuées par l’utilisation de collecteurs de courant à l’électrode et d’un électrolyte ayant une meilleure conductivité. Un séparateur avec une résistance plus faible sera également utile.
La polarisation d’activation est liée au transfert de porteurs de charge à travers les frontières de phase de l’électrode et ce processus est désigné comme réaction de transfert. La surtension de transfert due aux réactions de transfert de charge sur les deux électrodes peut être très réduite dans les électrodes de batterie en ayant une structure poreuse compatible. Cette dernière augmente la surface interne réelle (surface BET, qui comprend les surfaces des pores, des fissures et des fentes) par rapport à la surface apparente obtenue par la multiplication des dimensions (longueur et largeur) disponibles pour les réactions.
Densité de courant
Cela réduit à son tour la densité de courant (c’est-à-dire le nombre d’ampères par cm carré). Ainsi, une plaque dont la porosité globale est de 40 % entraînera des pertes plus importantes dues à la polarisation d’activation qu’une plaque dont la porosité est de 50 %.
Polarisation de la concentration (ηc) sera plus élevé si les produits de la réaction (sulfate de plomb et molécules d’eau, dans le cas d’une cellule plomb-acide) ne sont pas transférés loin des surfaces des électrodes pour faire place à de nouveaux réactifs (par exemple, les ions de plomb des deux électrodes et les ions de sulfate de l’électrolyte dans le cas d’une cellule plomb-acide). ηc sera plus prononcée vers la fin d’une réaction de décharge. A l’intérieur d’une cellule, le transport des ions se fait par diffusion et par migration.
La diffusion est causée par les différences de concentration, tandis que la migration est causée par les forces du champ électrique.
La diffusion peut se produire dans la masse de l’électrolyte ou du séparateur : comme les ions sont générés à une électrode et sont consommés à l’autre, les ions doivent se déplacer entre les électrodes.
Elle se produit également dans les électrodes poreuses au fur et à mesure que la réaction électrochimique se déroule. Les produits de la réaction peuvent se déplacer dans la masse active jusqu’à leur emplacement final par diffusion.
La part du courant total qui est transportée par les espèces ioniques particulières (particules chargées) par migration est fonction de leur nombre de transfert. Dans un électrolyte binaire, dissocié en cations et anions, les nombres de transfert sont liés par l’équation suivante
ɩC + ɩA= 1,
où ɩC + ɩA désignent le nombre de transport des cations et des anions.
Les nombres de transfert dépendent de la concentration des ions et de la température. Dans les solutions salines binaires, ils sont presque proches de 0,5. Ainsi, les deux espèces ioniques partagent également la conductivité ionique.
Des écarts significatifs se produisent dans les acides forts et les alcalis en raison de la mobilité ionique plus élevée des protons (H+) et des ions hydroxyle (OH-). Les valeurs pour l’électrolyte de la batterie, l’acide sulfurique (dissocié en H+ et HSO2-4) et l’hydroxyde de potassium (dissocié en K+ et OH-) sont données ci-dessous. 4
ιH+ = 0,9 ; ɩHSO4
2-
= 0,1 ; ιK+ = 0,22 ; ιOH-= 0,78
Le nombre de transfert est une mesure de l’influence de la concentration de l’ion particulier sur la migration due au flux de courant. Une valeur plus petite indique une influence moindre sur les processus de migration et une valeur plus élevée indique une plus grande influence sur le processus de migration.
2. D. Berndt, dans Battery Technology Handbook, Ed. H.A. Kiehne, deuxième édition, 2003, Marcel Dekker, Inc, New York, tableau 1.2.
3. J S Newman. Systèmes électrochimiques. Englewood Cliffs : Prentice-Hall, 1991, p 255.
4. S U Falk, A J Salkind. Piles alcalines de stockage. New York : John Wiley & Sons, 1969, p 598
Pour que cela soit clair, nous devons comprendre comment se déroule la réaction de décharge. Dès que les bornes de la batterie sont connectées à l’appareil consommateur, les électrons commencent à circuler de la plaque négative à la borne positive à travers le circuit externe. À l’intérieur de la cellule, il incombe aux particules chargées de s’occuper de la circulation du courant. Les particules chargées sont des protons (H+) et des ions bisulfate (HSO¯4 ).
Pendant une décharge, les ions négatifs HSO¯4 (dans ce cas, les ions bisulfate de l’acide sulfurique de l’électrolyte qui se dissocie en H+ et HSO¯4 ) se déplacent vers la plaque négative. Ces ions négatifs sont combinés avec la matière active, Pb, produisant du sulfate de plomb, PbSO4. La réaction produit également un ion hydrogène chargé positivement (appelé proton) qui s’éloigne. Les deux électrons libérés à la suite de la réaction anodique de la matière active du plomb, atteignent la borne positive via le circuit externe.
Réaction de plaque négative ou de demi-cellule négative : Pb + HSO¯4 ⇄ Pb2+ + SO42- +H+ + 2e- E°= -0.35 V
Les ions plomb bivalents et les ions sulfate se combinent immédiatement pour former du sulfate de plomb et se déposent sur la plaque négative sous forme de sulfate de plomb.
Jusqu’à présent, nous avons vu l’image des réactions négatives de la plaque.
Voyons maintenant ce qui se passe simultanément sur la plaque positive.
Les électrons de la plaque négative, après avoir atteint la borne positive, réagissent avec le martial actif positif, PbO2, pour former du sulfate de plomb et deux molécules d’eau.
Réaction en plaque positive ou en demi-cellule positive : PbO2 + 3H+ + HSO¯4 + 2e- ⇄ Pb2+ + SO4 2- + 2H2O E° = 1,69 V
Les ions plomb bivalents (Pb2+) et les ions sulfate ( ) se combinent immédiatement pour former du sulfate de plomb et se déposent sur la plaque positive sous forme de sulfate de plomb.
Mécanisme de dissolution-dépôt ou dissolution-précipitation
Ce type de réaction, où le plomb et le dioxyde de plomb se dissolvent sous forme d’ions plomb et se déposent immédiatement sous forme de sulfate de plomb sur les électrodes respectives, se produit par un mécanisme de dissolution-dépôt ou de dissolution-précipitation.
mécanisme de dissolution-dépôt ou de dissolution-précipitation.
En combinant les deux réactions demi-cellulaires, on obtient
Réaction de plaque négative ou de demi-cellule négative : Pb + HSO¯4 ⇄ Pb2+ + SO42- +H+ + 2e-
Plaque positive ou réaction demi-cellule positive : PbO2 + 3H+ + HSO¯4 + 2e- ⇄ Pb2+ + SO42- + 2H2O
La réaction globale ou totale : Pb + PbO2 + 2H2SO4 Décharge⇔Charge 2PbSO4 + 2H2O
Cette théorie de la réaction a été proposée par Gladstone et Tribe en 1881, mais la pile au plomb a été inventée en 1859 par Raymond Gaston Planté, physicien français.
J.H. Gladstone et A. Tribe, Chemistry of the Planté and Fauré Accumulators,
Nature
, 25 (1881) 221 & 461.
J.H. Gladstone et A. Tribe, Chemistry of the Planté and Fauré Accumulators, Nature, 26 (1882) 251, 342 & 602 ; 27 (1883) 583
La réaction de décharge se poursuivra jusqu’à ce qu’environ la moitié des matières actives soit convertie en sulfate de plomb pour un taux de décharge lent, tel que des taux de 20 ou 10 heures. À ce moment-là, la résistivité des matériaux actifs aurait atteint une valeur telle qu’une décharge supplémentaire entraînerait une chute très rapide de la tension de la cellule. Normalement, la tension de la cellule ne doit pas être inférieure à 1,75 V par cellule.
Les décharges profondes au-delà de 80 % de la profondeur de décharge (DOD) rendront la recharge ultérieure plus difficile.
Dès que le plomb se dissout sous forme d’ions plomb pendant la réaction de décharge, il se combine avec les ions sulfate et se dépose sur la plaque négative. Les ions de plomb ou la molécule de sulfate de plomb ne s’éloignent pas beaucoup de la plaque négative. Cela est dû au fait que la solubilité du sulfate de plomb dans les solutions diluées d’acide sulfurique est très faible. Il est de l’ordre de plus de 1 mg par litre, le dépôt d’ions plomb bivalents en sulfate de plomb sera plus rapide aux endroits où il y a de fortes concentrations d’électrolyte. Lorsque la décharge se poursuit, la solubilité du sulfate de plomb dans l’électrolyte augmente jusqu’à 4 mg par litre.
Il en est ainsi parce que l’acide devient plus dilué en raison de la poursuite de l’évacuation et que dans ces acides dilués, la solubilité du sulfate de plomb est plus élevée, jusqu’à 4 mg par litre .
Le sulfate de plomb ainsi déposé continuera à se développer en cristaux de différentes tailles, tant en surface que dans les fissures et les crevasses. . Le film aura une structure discontinue. Au cours d’un processus de décharge lente, cette forme discontinue de la structure du sulfate de plomb aide les parties internes des matériaux actifs à participer à la réaction car elle fournit une structure ouverte qui facilite l’entrée des ions. Par conséquent, le processus de décharge peut se dérouler profondément à l’intérieur de la plaque.
Au contraire, à des taux de décharges élevés, la surface est bloquée par le produit de décharge, PbSO4, qui forme une structure continue sans aucune rupture. Ainsi, les autres réactions à l’intérieur des plaques sont entravées et c’est pourquoi nous ne pouvons pas obtenir la capacité attendue à des taux de décharge plus élevés.
Chargement des batteries au plomb
Lors d’une réaction de charge, les phénomènes inverses se produisent, le flux de courant est inversé et l’oxydation prend
se produit à l’électrode positive et la réduction à l’électrode négative.
Tableau 2
Caractéristiques des deux électrodes pendant la charge et la décharge
| Électrode | Rejeter | Chargement |
|---|---|---|
| Plaque négative | Plomb poreux (spongieux) Anode Cède 2 électrons Pb -2e- → Pb2+ La tension diminue (devient moins positive). Transformé en PbSO4 | ~ 40 % Pb + ~60 % PbSO4 Cathode Absorbe 2 électrons Pb2+ dans PbSO4 prend 2 électrons La tension diminue (devient plus négative) Récupéré en Pb métal H2 dégagé pendant la surcharge |
| Plaque positive | Dioxyde de plomb poreux Cathode Absorbe 2 électrons Pb4+ (de PbO2) + 2e- → Pb2+. La tension diminue (devient moins positive). Transformé en PbSO4 | ~ 50 % PbO2 + ~50 % PbSO4 Anode Libère 2 électrons Pb2+ dans PbSO4 devient PbO2 Reconverti en PbO2 Augmentation de la tension O2 dégagé pendant la surcharge |
Figure 1
Changement des valeurs du potentiel d’une cellule plomb-acide pendant les réactions de charge et de décharge
La tension de la cellule est une combinaison de deux valeurs à n’importe quel stade du fonctionnement d’une cellule galvanique
Ainsi,
Tension de la cellule = Potentiel de l’électrode positive – Potentiel de l’électrode négative
Par conséquent,
Tension de circuit ouvert ou tension d’équilibre de la cellule plomb-acide = 1,69 – (-0,35) = 2,04 V
À la fin ou presque d’une décharge, la tension de la cellule, EDisch = 1,50 – (- 0,20) = 1,70 V
À la fin ou presque d’une charge, la tension de la cellule, ECh = 2,05 – (-0,65) = 2,70 V.
Chargeur de batterie - Coefficient de charge
Les batteries rechargeables doivent être rechargées pour récupérer la capacité en Ah dépensée lors de la précédente décharge.
La quantité d’Ah nécessaire pour amener la batterie à l’état de charge complète précédent par rapport à la sortie précédente sera de 10 à 15 % supérieure. Ce rapport entre l’entrée de la charge et la sortie précédente est appelé coefficient de charge.
Coefficient de charge = Ah d’entrée / Ah de sortie précédente = ~ 1,1 à 1,2.
C’est-à-dire qu’il faut ajouter environ 10 à 20 % d’Ah pour compenser les réactions secondaires, qui sont constituées par les réactions de surcharge avec séparation de l’eau et les réactions de corrosion du réseau. En outre, une petite partie sera perdue en raison de la résistance interne.
Chargeur de batterie - Efficacité de la charge d'une batterie plomb-acide
Rendement ampère-heure
(Ampère-heure ou rendement coulombien et énergie ou rendement wattheure)
Les arguments précédents montrent qu’il faut définir ce que l’on appelle « l’efficacité de la charge ».
Rendement ampère-heure
La norme indienne IS 1651 décrit la procédure de test comme suit :
- Une batterie entièrement chargée doit être soumise à une décharge au rythme de dix heures jusqu’à une tension finale de 1,85 volt par cellule.
- La sortie exacte de Ah doit être calculée.
- La batterie est maintenant rechargée avec le même nombre d’ampères-heures au même courant.
- La batterie est maintenant soumise à une deuxième décharge comme précédemment.
- L’efficacité Ah (coulombienne) = ηAh = Ah délivré lors de la seconde décharge / L’entrée Ah.
Rendement énergétique ou wattheure
Le rendement en wattheures est calculé en multipliant le rendement en ampères-heures obtenu comme décrit ci-dessus par le rapport entre la tension moyenne de décharge et de recharge.
Rendement énergétique ou wattheure = ηWh = ηAh * (Tension de décharge moyenne / Tension de charge moyenne)
Le rendement ampère-heure (ou coulombien) de la charge de la cellule plomb-acide dans le cas d’une entrée égale à 100% de la décharge précédente au même taux est presque égal à 95% et le rendement énergétique ou watt-heure est d’environ 85-90%. Les normes indiennes (IS 1651) spécifient également un rendement ampère-heure minimum de 90 % et un rendement wattheure minimum de 75 %.
L’efficacité de la charge est limitée par la plaque positive plutôt que par la plaque négative. Lorsque les trois quarts environ du sulfate de plomb de l’électrode positive ont été retransformés en dioxyde de plomb et que l’eau ne peut pas diffuser suffisamment rapidement dans la structure poreuse de la plaque intérieure, des réactions secondaires comme le dégagement d’oxygène ont lieu. Pendant un certain temps, le courant de charge est réparti entre le processus primaire de conversion de PbSO4 en PbO2 et les réactions secondaires de surcharge. Si la charge se poursuit pendant une période suffisamment longue pour que la quasi-totalité du sulfate de plomb ait été transformée en dioxyde de plomb, la totalité du courant de charge va aux réactions secondaires.
Tension de charge d'un chargeur de batterie
Comme expliqué précédemment
ECh > E°.
Nous devons donc fournir une tension un peu plus élevée afin de faciliter cette réaction. Normalement, un bon chargeur sera conçu avec une source de tension suffisamment élevée pour la charge. En règle générale, pour une cellule de 2 V, il faut fournir au moins 3 V pour que la cellule puisse atteindre la charge complète en atteignant une tension de 2,7 V par cellule. Mais il faut prendre en compte les pertes dans le câble, etc.
Ainsi, pour une batterie de 12 V, le chargeur de batterie doit fournir au moins 18 à 20 V.
Si cette tension est réduite à moins de 15 V, la batterie ne peut pas atteindre l’état de charge complète.
Lors d’une recharge : 2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
Le sulfate de plomb présent sur les deux électrodes se dissout sous forme d’ions plomb et se dépose immédiatement sous forme de plomb sur la plaque négative et de PbO2 sur l’électrode positive.
Au niveau de la plaque positive
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ +SO4 ²- + 2e-
Les électrons se déplacent vers la plaque négative pour une réaction supplémentaire.
Au niveau de la plaque négative
PbSO4 + 2e- → Pb +SO4 ²-
Comme les ions sulfate sont reproduits sur les deux plaques, ils se combinent avec les protons pour former de l’acide sulfurique et la gravité spécifique de l’électrolyte augmente donc.
Gazage de la batterie
Jusqu’à présent, nous n’avons vu que les réactions utiles pendant le processus de charge. Mais certaines réactions secondaires se produisent pendant les périodes de surcharge. Les deux principales réactions secondaires ou secondaires sont :
- Electrolyse de l’eau et
- Corrosion des grilles positives
Ces réactions peuvent être représentées comme suit :
Électrolyse de l'eau
2H2O → O2 ↑ + 2H2 ↑ (Sur les deux plaques des piles plomb-acide à électrolyte inondé en excès).
L’oxygène de la plaque positive et l’hydrogène des plaques négatives évoluent et sont évacués dans l’atmosphère par les trous des bouchons de ventilation.
Mais dans une batterie plomb-acide à régulation par soupape (VRLA), l’oxygène se dégage, mais pas l’hydrogène. L’oxygène ainsi dégagé ne peut pas non plus s’échapper mais se diffuse par les vides disponibles dans le séparateur AGM (absorptive glass mat) et réagit avec la matière active négative pour régénérer des molécules d’eau. C’est cette étape qui permet à la cellule VRLA de fonctionner sans avoir besoin d’être remplie d’eau.
2H2O → O2 + 4H+ + 4e – Sur la plaque positive des cellules à électrolyte amoindri ou VRLA
Corrosion des grilles positives d'une batterie plomb-acide
Dans les deux types d’accumulateurs au plomb, la corrosion de la grille positive se produit de la même manière :
Corrosion de la grille : Pb + 2H2O → PbO2 + 4H+ + 4e-
Si l’on fait d’une électrode de platine platinée une cathode, l’hydrogène est dégagé presque à l’état réversible.
le potentiel hydrogène de la solution. Avec d’autres électrodes, par exemple le plomb, un potentiel plus négatif est nécessaire.
pour que cette réaction ait lieu.
Jusqu’à ce que la tension de la cellule atteigne une valeur de 2,3 V, le dégazage est négligeable. Mais le dégagement gazeux commence à 2,4 V par cellule. Au-delà de 2,4 V, le dégagement gazeux est plus important et donc l’efficacité de la charge sera réduite. À 2,5 V, le gazage sera abondant, et la température de l’électrolyte de la batterie commencera à augmenter. Le dégagement gazeux est maintenant suffisant pour assurer l’agitation de l’électrolyte et la gravité spécifique commence à s’égaliser. Lorsque la batterie est au repos, la gravité spécifique de l’électrolyte sera un peu plus élevée au niveau inférieur qu’au niveau supérieur. Ce phénomène est aggravé si les cellules sont plus hautes.
La batterie au plomb peut être chargée à n’importe quel rythme qui n’entraîne pas un dégagement gazeux excessif, une température élevée et une tension très élevée aux bornes. Une batterie entièrement déchargée peut absorber un taux de charge élevé au début de la charge sans dégagement gazeux et sans augmentation sensible de la tension et de la température.
À un certain moment du processus de charge, lorsque la quasi-totalité du sulfate de plomb a été transformée en dioxyde de plomb dans le plat positif, les réactions secondaires prennent le dessus. Il s’agit de la réaction d’électrolyse de l’eau et de la corrosion de la grille positive, comme indiqué précédemment.
Cette corrosion positive de la grille commence dès le stade de la formation (ou dans le cas de la formation d’une jarre) dès la première charge. Cette corrosion est l’aspect le plus défavorable à la vie de la batterie au plomb. Comme la corrosion de la grille positive se produit chaque fois que la cellule entre dans la zone de surcharge, une partie de la structure de la grille est convertie en dioxyde de plomb et le poids de la grille diminue donc un peu à chaque période de corrosion. En fin de compte, on arrivera à un stade où les électrons des sites de réaction sur les grilles ne pourront pas se déplacer vers la barre omnibus, en raison de l’absence d’une structure de grille continue.
Par conséquent, une partie de la matière active ne peut pas participer au processus de production d’énergie et la capacité diminue, ce qui entraîne la fin de vie de la batterie.
Les fabricants de cellules plomb-acide tentent d’atténuer ce problème en ajoutant des éléments d’alliage qui augmentent la résistance à la corrosion des alliages de plomb. Certains de ces constituants d’alliage sont l’arsenic (As) et l’argent (Ag) en pourcentages fractionnés. En règle générale, la quantité d’As sera d’environ 0,2 % et celle d’Ag d’environ 0,03 à 0,05 % dans les alliages positifs.
Chargeur de batterie - signification de l'acceptation actuelle
L’acceptation actuelle est dictée par la conception de la cellule. Par exemple, une batterie d’un Ah similaire assemblée avec un plus grand nombre de plaques (c’est-à-dire que les plaques seront plus fines), peut accepter un courant de charge plus élevé en raison de l’augmentation de la surface. Pour les procédures détaillées de mesure des efficacités de charge des plaques individuelles, les lecteurs sont invités à consulter l’article de K. Peters.. [8]
L’acceptation de la charge de la plaque négative est supérieure à celle de la plaque positive (voir la figure 1), ce qui est principalement dû à sa structure plus grossière, plus ouverte et à ses pores qui permettent facilement la diffusion de l’acide à l’intérieur de la plaque. Le positif commence à être surchargé à 70-80% SOC, en fonction de plusieurs facteurs de conception. Certains facteurs de conception paramétriques internes sont la structure des pores, la surface réelle, etc. Les autres paramètres externes sont le courant de charge en ampères, la température de l’électrolyte, etc.
L’acceptation de charge de la plaque négative est plus élevée et elle entre dans la région de surcharge à une période comparativement plus tardive, 90% SOC [8. K. Peters, A.I. Harrison, W.H. Durant, Power Sources 2. Research and Development in Non-mechanical Electrochemical Power Sources, Pergamon Press, New York, USA, 1970, pp. 1-16].
[9. A.M. Hardman, Journal of Power Sources Vol. 23, Année 1988, page, 128].
À un certain moment, cependant, des réactions secondaires commencent à l’électrode négative, principalement la réduction de l’ion hydrogène (proton) en hydrogène gazeux par simple transfert d’électrons (se produisant à des potentiels bien inférieurs à -350 mV qui est le potentiel réversible de la plaque négative, valeur E°), à environ -0,6 à 0,95 V :
2H+ + 2e- →H2 ↑
Une de ces impuretés importantes qui s’accumulent sur la plaque négative est l’antimoine (Sb), qui se dépose en raison du phénomène appelé migration de l’antimoine dans les cellules contenant une quantité relativement plus élevée d’antimoine dans les grilles. Bien que l’antimoine soit un composant essentiel de l’alliage de grille pour la plupart des cellules plomb-acide, il a un impact négatif sur les performances de la cellule.
Pendant la phase de corrosion de la charge (vers la fin de la charge de chaque cycle), la grille positive subit une attaque anodique et l’antimoine passe en solution sous forme d’ions Sb5+, dont une partie est absorbée par la matière active positive où elle favorise l’autodécharge en raison de la formation de cellules locales. Le reste de l’antimoine ainsi dissous se dépose sous forme de Sb3+ sur la surface de la cathode (la surface négative de la plaque) (« migration de l’antimoine ») et, en raison de son potentiel d’hydrogénation inférieur à celui du plomb, il provoque un dégagement prématuré d’hydrogène. Plus tard, au cours de périodes de dégagement gazeux abondant, l’antimoine peut, dans des conditions favorables, être libéré dans une certaine mesure sous forme de gaz stibine (SbH3), lorsqu’il se combine avec des protons.
Dans des conditions favorables, une réaction similaire avec l’arsenic (As) peut également se produire en libérant de l’arsine (AsH3), qui est un gaz toxique. Par conséquent, ce constituant d’alliage est naturellement évité lorsque les cellules sont utilisées dans un environnement fermé, tel qu’un sous-marin.
D’un point de vue thermodynamique, cette réaction se produit à un potentiel inférieur à celui de la réaction de charge primaire mais, comme pour la production d’oxygène à l’électrode positive, le surpotentiel de production d’hydrogène sur l’électrode de plomb est relativement élevé (environ -0,650 V) et la recharge peut donc être largement achevée avant que le dégagement d’hydrogène ne commence pleinement.
Ces gaz sont évacués de la cellule par les trous du bouchon de ventilation. Les deux plaques sont affectées par les effets des impuretés sur le surpotentiel, et donc une recharge parfaitement efficace des deux plaques n’est pas possible. Par exemple, si on combine le potentiel de réaction de l’évolution de l’oxygène avec celui de l’évolution de l’hydrogène, on a
1,95 + (-0,95) = 2,9 V pour un dégagement important de gaz.
Un autre point à noter est que selon les lois fondamentales, l’eau devrait se décomposer à 1,23 V et l’oxygène devrait évoluer sur une électrode positive à ce potentiel. Mais ce n’est pas le cas dans une cellule pratique. Si cela se produit, la stabilité de la cellule plomb-acide elle-même sera remise en question. Le potentiel positif standard de la plaque (E° = 1,69 V) est environ 0,46 V au-dessus de la tension à laquelle l’eau devrait se décomposer (1,23 V). La raison est à nouveau une surtension. C’est-à-dire que la tension pour le dégagement d’oxygène sur le dioxyde de plomb dans une solution d’acide sulfurique se situe bien au-dessus de la valeur E° de la plaque positive à 1,95V.
Ainsi, la réaction de dégagement d’oxygène sur le dioxyde de plomb dans une solution d’acide sulfurique est inhibée, étant 0,26 V (1,95-1,69 = 0,26) au-dessus de la valeur E° de la plaque positive et environ 0,72 V au-dessus du potentiel de décomposition de l’eau (1,95-1,23 = 0,72V) et donc l’oxygène ne se dégage pas jusqu’à ce que la valeur de surtension soit atteinte dans une solution strictement pure.
De même, le dégagement d’hydrogène sur le plomb dans une solution d’acide sulfurique est fortement inhibé en raison du surpotentiel d’hydrogène sur le plomb. Cette valeur de surtension est environ 0,6 V plus négative et est inférieure au potentiel d’électrode standard du plomb dans une solution d’acide sulfurique, E° = -0,35V. Par conséquent, la réaction d’évolution de l’hydrogène n’empêchera pas la charge complète de la plaque négative jusqu’à ce que la valeur de l’électrode atteigne -0,95V dans une solution strictement pure. C’est la raison pour laquelle la plaque négative a une meilleure efficacité de charge que la plaque positive.
Mais, dans une cellule pratique, ce stade est atteint bien avant cette tension. En fait, ce 2,9 V n’est pas du tout réalisé dans une cellule pratique, car les réactions dues aux impuretés prennent le dessus et donc l’évolution totale du gaz en volume (H2: O2). = Cependant, si la tension de charge imposée est excessivement élevée, cette valeur de 2,9 V peut être atteinte, en particulier, les batteries en alliage sans Sb peuvent atteindre une valeur de 2,8 V et avec les cellules antimoniales, la valeur sera inférieure de 0,2 V, soit 2,6 V.
En poursuivant le cycle, la valeur du gazage sera très réduite dans le cas des cellules antimoniales, tandis que les autres cellules sont presque exemptes de cet effet. Cette réduction drastique est due au phénomène appelé « migration de l’antimoine », comme expliqué précédemment.
Naturellement, la différence de tension entre la nouvelle batterie et la batterie cyclée passe de 250 mV à 400 mV. En conséquence, les matériaux actifs sont incapables d’accepter des charges et la quasi-totalité du courant génère de l’hydrogène et de l’oxygène. La figure 3 illustre cet aspect [10. Hans Tuphorn, chapitre 17, figure 17.2 dans Battery Technology Handbook, Ed. H.A. Kiehne, deuxième édition, 2003, Marcel Dekker, Inc, New York..]
Comment fonctionne un chargeur de batterie 12v ?
Pour charger une batterie, le fil de sortie positif est connecté à la borne positive de la batterie et donc le négatif à la borne négative. Le chargeur est ensuite connecté au secteur par un moyen approprié.
L’entrée CA est convertie en CC par un circuit redresseur qui possède un transformateur abaisseur pour convertir la tension requise. Un redresseur convertit le flux bidirectionnel du courant alternatif (CA) en un flux unidirectionnel. Ainsi, il maintient une polarité constante à travers la charge. Une configuration en pont redresseur est utilisée pour redresser le courant alternatif basse tension abaissé en courant continu et est encore lissé par un condensateur électrolytique de grande valeur (circuit de filtrage).
Ce courant continu filtré est envoyé à un circuit électronique qui régule la tension à un niveau constant et l’applique à la batterie à charger,
Le chargeur dispose d’indicateurs pour le courant (ampèremètre), la tension (voltmètre), et aussi, dans certains cas particuliers, d’une minuterie et d’un ampère-heure.
La batterie est chargée conformément aux instructions du fabricant.
Procédure de charge de la batterie - Chargeur de batterie
La batterie à charger doit être soigneusement nettoyée à l’extérieur et les bornes, après avoir enlevé le produit de corrosion, s’il y en a, doivent être enduites d’une fine couche de vaseline blanche. Le niveau d’électrolytes sera également vérifié. Il n’est pas nécessaire de faire l’appoint à ce moment-là, sauf si le niveau est inférieur à la hauteur des séparateurs.
Le chargeur destiné à charger la batterie doit avoir des spécifications adéquates, comme la tension et les sorties de courant. Par exemple, une batterie de 12 V a besoin d’une tension de sortie C d’au moins 18 V. Le courant nécessaire dépend de la capacité de la batterie et du temps dans lequel la batterie doit être chargée. Normalement, une batterie est chargée à un dixième d’ampère de sa capacité en Ah. Ainsi, une batterie de 100 Ah nécessitera une sortie d’au moins 10 ampères pour une charge normale. Si la charge doit être rapide, une puissance de 15 ampères sera nécessaire.
Une entrée d’environ 110 % de la capacité est nécessaire pour une batterie complètement déchargée. Mais, si la batterie est déjà partiellement chargée, nous devons connaître le SOC. Quoi qu’il en soit, la tension et la gravité spécifique sont les deux paramètres importants à contrôler pour déterminer l’état de charge. La valeur de la gravité spécifique doit être lue sur l’étiquette de la batterie. Une batterie entièrement chargée atteindra normalement 16,5 V et plus, si elle est en bon état. S’il s’agit d’une batterie âgée, cette tension ne peut être facilement atteinte.
Ceci est principalement dû aux réactions secondaires comme le dégagement de gaz dû à l’électrolyse de l’eau dans l’électrolyte et les effets de chauffage dus aux résistances déjà accumulées en raison du sulfate de plomb accumulé.
La batterie est placée sur un matériau isolant comme une feuille de caoutchouc ou un banc en bois. Le câble du chargeur doit avoir une capacité de transport de courant adéquate. Normalement, un fil de cuivre carré de 1 mm peut transporter 3 ampères de courant continu (CC) en toute sécurité. Après s’être assuré que le chargeur est en position d’arrêt, les fils du chargeur seront connectés aux bornes respectives, c’est-à-dire le positif au positif et le négatif au négatif. La tension, la gravité spécifique et les relevés de température seront enregistrés dans une feuille de registre dont le modèle est donné ci-dessous :
Modèle d'enregistrement de la charge de la batterie
Les relevés sont enregistrés toutes les heures.
Les lectures de cadmium indiquent si une plaque particulière a atteint sa pleine charge ou non. L’électrode de référence au cadmium est une tige de cadmium isolée avec un fil de cuivre soudé à l’extrémité supérieure. L’extrémité inférieure sera immergée dans l’électrolyte, de sorte qu’elle touche juste le liquide, et elle ne doit pas entrer en contact avec les plaques ou d’autres pièces en plomb à l’intérieur.
Pour une plaque positive entièrement chargée, la lecture du cadmium sera de 2,4 V et plus et pour une plaque négative, de moins 0,2 V et moins.
Tableau 4
Réactions dans une cellule plomb-acide et les lectures de potentiel de cadmium correspondantes
Lectures du potentiel de cadmium
| Réactions | Valeurs potentielles | Lectures de cadmium |
|---|---|---|
| Potentiel d'évolution de l'oxygène 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4e- | 1,95 à 2,00 V | 2.00 - (-0.4) = 2.4 V |
| Potentiel de l'électrode standard de la plaque positive PbO2/PbSO4/H2SO4 | 1.69 V | [1.69 - (-0.4) = 2.09 V] |
| Fin de la décharge de la plaque positive | 1,40 à 1,5 V | 1.40 - (-0.4) = 1.8 V 1.50 - (-0.4) = 1.9 V |
| Potentiel standard de l'électrode d'hydrogène (SHE) 2H+ + 2e- → H2 | 0.00 V | 0.00 V |
| Fin de la décharge de la plaque négative | -0,15, -0,20, -0,25 V (pour différentes densités de courant) | -0.15 - (-0.4) = 0.25 V -0.20 - (-0.4) = 0.20 V -0.25 - (-0.4) = 0.15 V |
| Electrode standard Potentiel de la plaque négative Pb/PbSO4/H2SO4 | -0.35 V | [-0.35 - (-0.4) = 0.05 V] |
| Electrode de référence au cadmium Valeur E° Cd/Cd2+ | -0.40 V | -0.40 V |
| Potentiel d'évolution de l'hydrogène- 2H+ + 2e- →H2 (Pour une cellule commerciale) | -0.60 V | -0.60 - (-0.4) = -0.20 |
| Potentiel d'évolution de l'hydrogène 2H+ + 2e- →H2 Pour une cellule expérimentale pure | -0.95 V | -0.95 - (-0.4) = -0.55 |
Principe de fonctionnement d'un chargeur de batterie
À la fin de la charge, une batterie de 12 V peut atteindre une tension terminale de 16,5 et plus. Après avoir maintenu la tension aux bornes à ce niveau pendant une heure, la charge peut être terminée. Quand la batterie approche de 16 ans. 0 V, de l’eau approuvée peut être ajoutée, si nécessaire.
Vers la fin de la charge, on observe un fort dégagement gazeux de la batterie. Aucune flamme n’est autorisée à proximité de la salle de chargement. Les gaz évoluent dans le rapport de leur combinaison, c’est-à-dire hydrogène 2 parts et oxygène 1 part. Par conséquent, si on laisse ces gaz s’accumuler dans la zone de charge sans ventilation adéquate, il est probable qu’une étincelle ou une flamme nue enflamme les gaz et qu’ils se combinent avec une violence explosive, endommageant la batterie et son environnement et blessant également les personnes à proximité.
La limite inférieure du mélange explosif d’hydrogène dans l’air est de 4,1%, mais, pour des raisons de sécurité, l’hydrogène ne doit pas dépasser 2% en volume. La limite supérieure est de 74%. L’explosion lourde se produit avec violence lorsque le mélange contient un rapport stœchiométrique de ces gaz (2 parts d’hydrogène pour 1 d’oxygène). Cette condition est obtenue à l’intérieur d’une batterie en surcharge dont les bouchons d’aération sont solidement vissés sur le couvercle. Il est donc conseillé de maintenir les bouchons d’aération sans les serrer sur les trous d’aération et de ne pas les visser à fond.
Les différentes méthodes de charge des batteries et les différents types de chargeurs de batterie
Bien qu’il existe différentes méthodes de charge des cellules plomb-acide, elles ont toutes un objectif commun : convertir les produits de la réaction, à savoir le sulfate de plomb sur les deux plaques, en matières actives respectives, le PbO2 sur l’électrode positive et le Pb sur l’électrode négative.
2 PbSO4 + 2H2O→ PbO2 + Pb + 2H2SO4
Il existe un certain nombre de variantes dans les régimes de tarification. Mais dans toutes ces méthodes, seuls deux principes de base sont utilisés : les méthodes de charge à courant constant et à tension constante. Les différentes méthodes disponibles combinent ces deux principes pour atteindre leurs objectifs.
Le choix de la méthode de charge appropriée dépend du type, de la conception et des conditions de service, ainsi que du temps disponible pour la charge. Toutes ces méthodes de charge utilisent de nombreuses méthodes pour contrôler et terminer le processus de charge.
Ces méthodes peuvent être classées comme suit :
Tableau 5
Classification des méthodes des différents chargeurs de batterie & méthodes de charge de la batterie
Différentes méthodes de charge de la batterie
| Méthodes basées sur le courant constant (CC) | Méthodes basées sur la tension constante (CV ou CP) | Méthodes combinées | Chargement conique | Méthodes spéciales |
|---|---|---|---|---|
| Méthode de charge CC en une seule étape | Méthode de tension constante | Méthode CC-CV | Méthode de charge conique en une seule étape | 1. Charge initiale 2. Taxe de péréquation 3. Frais d'opportunité 4. Charge contrôlée par gaz 5. Charge lente 6. Charge d'appoint 7. Chargement par impulsion 8. Chargement rapide ou rapide |
| Méthode de charge CC en deux étapes | Méthode à courant limité ou méthode CV modifiée | Méthode de chargement conique en deux étapes |
Méthode de charge à courant constant en une seule étape (méthode CC) Chargeur de batterie
Lorsque la recharge doit être terminée en peu de temps et que l’utilisateur souhaite connaître l’apport en termes d’Ah, la méthode de charge à courant constant peut être employée. La charge à courant constant est préférable lorsque la sortie précédente est connue, de sorte qu’une surcharge de 5 à 10 % peut être efficace pour ramener la batterie à 100 % SOC. Cela permettra également de s’assurer que l’entrée correcte est donnée afin que la vie de la batterie ne soit pas affectée par une surcharge excessive. Le temps de recharge normal pour cette méthode est de 15 à 20 heures.
Dans cette méthode, le courant est maintenu constant pendant toute la durée de la charge.
Un courant de charge de 5 à 10 % de la capacité de 20 heures est recommandé.
Pour compenser l’augmentation de la force contre-électromotrice de la batterie pendant la charge, le courant de charge doit être maintenu constant, soit en faisant varier la résistance série utilisée, soit en augmentant la tension du transformateur. En général, on fait varier la résistance en série pour que le courant reste constant.
Cette méthode est la plus simple et la moins coûteuse des méthodes de chargement. Mais elle présente l’inconvénient d’une efficacité de charge moindre. Cela est dû à la dissipation d’une partie de l’énergie dans la résistance et aussi en partie au courant utilisé pour diviser l’eau une fois que la batterie atteint 2,5 V par cellule. La batterie commence à dégager des gaz lorsqu’elle est chargée à environ 70 ou 75 %. Cette méthode de charge entraîne toujours une légère surcharge et un fort dégagement de gaz, surtout en fin de charge.
La figure 5 présente une image généralisée de la méthode de charge à courant constant. Les caractéristiques de charge sont données dans la figure 6
Méthode de charge à courant constant en deux étapes Chargeur de batterie
Deux taux de charge, le taux de départ et le taux d’arrivée, sont utilisés dans la méthode de charge à courant constant en deux étapes. Le taux de finition est normalement la moitié du taux de départ. Le taux de finition commence lorsque la batterie commence à dégager des gaz. Il s’agit généralement de la méthode préférée pour la charge de banc des batteries. La caractéristique de charge peut être vue dans la Figure 7 [11. P G Balakrishnan, Lead Storage Batteries, Scitech Publications (India) Pvt. Ltd., Chennai, 2011, page 12.8].
Méthodes de charge à tension ou potentiel constant Chargeur de batterie
La méthode de charge à tension ou potentiel constant (CV ou CP) utilise une tension de source qui est maintenue à un niveau constant pendant toute la durée de la charge. En général, cette tension se situe entre 2,25 et 2,4 V par cellule.
Cette méthode est la méthode recommandée pour charger les éléments et les batteries plomb-acide à régulation par soupape (VRLA). Il n’est pas nécessaire de se préoccuper de la profondeur de décharge (DOD) de la décharge précédente lorsqu’on charge une batterie VRLA par la méthode CV. Les batteries VRLA peuvent être chargées sans effets néfastes en utilisant la tension de charge CV recommandée par le fabricant. Presque tous les fabricants de VRLAB recommandent un courant de démarrage de 0,25 à 0,30 C ampères.
Ainsi, pour une batterie de 100 Ah, on peut choisir un courant initial de 25 à 30 ampères. Le courant le plus élevé est utilisé pour charger des batteries profondément déchargées, tandis que le courant le plus faible est utilisé pour une batterie normalement déchargée. L’effet d’une tension de charge plus faible est que l’élévation de température sera moindre par rapport à une batterie chargée avec un courant plus élevé, mais le temps nécessaire pour une charge complète sera plus long.
À la fin de la charge, la tension de la batterie atteint la parité avec la tension imposée et le courant de charge diminue jusqu’à une valeur très faible. Universellement, le courant à l’extrémité peut atteindre une valeur de 2 à 4 mA pour chaque Ah de la capacité de la batterie. À une tension de 2,25 à 2,3 V par cellule, aucune évolution du gaz n’est observée dans les batteries correctement fabriquées. Cependant, le gazage sera évident à 2,4 V par cellule. Le volume de gaz dégagé à 2,4 V par cellule est d’environ 1000 ml en 40-50 minutes pour un VRLAB 6V/1500 Ah.
Selon la Clause 6.1.a. de la norme industrielle japonaise, JIS 8702-1:1998, la durée de la charge sera d’environ 16 heures ou jusqu’à ce que le courant ne varie pas de plus de 10 % du courant à 20 heures (I20) ampères pendant deux heures consécutives [JIS 8702-1:1998]. Par exemple, si la capacité de 20 heures d’une batterie (quelle que soit la tension de la batterie) est de 60 Ah20, alors la charge sera terminée si le courant ne change pas de plus de 300 mA (c’est-à-dire I20 = 60 Ah /20 A = 3 A. Par conséquent, 0,1 de I20 = 0.3A)
Les détails de la charge de PC des batteries VR sont présentés dans les figuressuivantes
L’efficacité de la charge est meilleure que celle de la méthode à courant constant. Cette méthode a pour inconvénient de nécessiter une tension stabilisée sur un drain à fort courant, ce qui est coûteux. Cette méthode est utilisée pour le fonctionnement en mode flottant des cellules stationnaires pour les applications de télécommunication et d’onduleurs.
Charge à potentiel constant modifié - Chargeur de batterie
Dans les applications industrielles, une telle méthode est utilisée lorsque le circuit de charge fait partie intégrante du système. Les exemples sont les automobiles, UPS, etc. Une résistance en série pour limiter le courant est incluse dans le circuit, dont la valeur est maintenue jusqu’à ce qu’une tension prédéfinie soit atteinte. Ensuite, la tension est maintenue constante jusqu’à ce que la batterie soit appelée à remplir sa fonction pour fournir un courant de démarrage, une alimentation de secours, etc.
Le choix de la résistance série fixe dépend du nombre d’éléments des batteries et de leur capacité en ampères-heures, ainsi que de la durée disponible pour la charge. La tension appliquée est maintenue constante à environ 2,6 à 2,65 volts par cellule.
Au fur et à mesure que la charge progresse, le courant de charge commence à diminuer à partir d’une valeur initiale. Lorsque la tension augmente progressivement jusqu’à 2,35 à 2,40 volts par cellule, la tension de gazage a tendance à augmenter rapidement et donc le courant de charge diminue plus vite.
La charge à potentiel constant modifiée est courante pour les batteries à recyclage profond telles que les batteries de traction. Les usines utilisent normalement un profil de temps de décharge et de charge fixe, tel que 6 heures de fonctionnement du chariot élévateur à fourche jusqu’à une profondeur de décharge (DOD) de 80% et une recharge de 8 heures. Le chargeur est réglé pour la tension de gazage et le courant de démarrage est limité à 15 à 20 A par 100 Ah. Le courant commence à diminuer à tension constante jusqu’au taux de finition de 4,5 à 5 A par 100 Ah, qui est ensuite maintenu jusqu’à la fin de la charge. Le temps de charge total est contrôlé par une minuterie.
Il existe des chargeurs de batterie qui permettent de garder les batteries connectées même après la fin de la charge afin de maintenir les batteries en état de charge complète. Ceci est réalisé en fournissant de courtes périodes de recharge toutes les 6 heures pour maintenir son état.
Les détails sont donnés dans la figure 12 [12. Numéro spécial sur les batteries plomb-acide, J. Power Sources 2(1) (1977/1978) 96-98].
Méthodes combinées (méthodes CC-CV) - Chargeur de batterie
Dans cette méthode, la charge à courant constant et la charge à potentiel constant sont combinées. Cette méthode est également connue sous le nom de méthode de charge (IU) (I pour le courant et U pour la tension). Au cours de la période initiale de charge, la batterie est chargée en mode courant constant jusqu’à ce qu’elle atteigne la tension de gazage, puis elle passe en mode potentiel constant. Cette méthode permet de supprimer l’effet délétère de la méthode de charge à courant constant en fin de charge.
Les caractéristiques de charge de cette méthode sont présentées dans la figure 11 à droite.
Chargement du cône - Chargeur de batterie
Le sens du mot « taper » est d’être en pente vers le bas. Comme le terme l’indique clairement, on permet au courant de diminuer d’une valeur supérieure à une valeur inférieure, en fixant la tension de charge de départ à environ 2,1 V par cellule et en terminant à 2,6 V par cellule. Le rapport des valeurs de courant à ces tensions est appelé valeur de conicité.
Ainsi, un chargeur avec une sortie de 50 A à 2,1 V par cellule et de 25 A à 2,6 V par cellule est décrit comme ayant une caractéristique de conicité de 2:1.
Il existe des méthodes de charge conique à une étape et des méthodes de charge conique à deux étapes.
Chargement conique en une étape - Chargeur de batterie
Dans ce type de charge, le courant passe d’une valeur de départ plus élevée à une valeur de fin de charge plus faible, qui correspond généralement à environ 4 à 5 % de la capacité de la batterie sur 20 heures. Le gazage est un phénomène nécessaire car il permet d’égaliser le gradient de densité de l’électrolyte. c’est-à-dire qu’il neutralise le phénomène de stratification. Par conséquent, le taux de finition est fixé à une valeur suffisamment élevée pour permettre à ce processus de se produire et, en même temps, ne pas corroder indûment les grilles positives. Dans ce cas, la tension de sortie du chargeur est réglée à environ 2,7 volts par cellule au départ et doit redescendre à environ 2,1 à 2,2 volts par cellule à la fin de la période de charge.
Le courant de charge diminue lentement jusqu’à ce que la tension de gazage (environ 2,4 V par cellule) soit atteinte (SOC = 75 à 80 %) et diminue ensuite plus rapidement. Normalement, le rapport de conicité est fixé à 2:1 ou à 1,7 pour 1. Le temps nécessaire à l’achèvement de la charge est d’environ 12 heures. La période de charge après que la tension de gazage est atteinte est contrôlée en incorporant un dispositif de temporisation qui commence à fonctionner lorsque la tension de gazage est atteinte.
La période de charge peut être réduite à 8 ou 10 heures, mais le courant de démarrage doit être amélioré, ce qui ne peut se faire sans tenir compte des aspects économiques et de l’accessibilité financière pour le consommateur.
Les caractéristiques de charge de la charge conique à une étape sont illustrées à la figure 12.
Chargement conique en deux étapes - Chargeur de batterie
Cette méthode de charge est similaire à la charge conique en une étape, à l’exception du fait que le temps de charge total est réduit à environ 8 à 10 heures. Comme la batterie est capable d’accepter une charge plus rapidement lorsqu’elle est profondément déchargée, un courant élevé est utilisé dans la première étape jusqu’à ce que la batterie atteigne la phase de gazage. Près de 70 à 80 % des ampères-heures à retourner à la batterie sont donnés à la batterie dans la première étape à un rythme plus rapide et les ampères-heures restants sont alimentés dans la deuxième étape.
Les caractéristiques de charge d’une batterie de 12V, 500 Ah par charge conique à une étape sont illustrées dans la Figure 13.
Les méthodes de charge conique sont plus populaires pour charger les batteries de traction qui sont normalement profondément déchargées. Les exploitants de parcs de véhicules électriques, par exemple les camionnettes de livraison postale ou les véhicules de livraison de lait, ont besoin d’un chargeur de batterie sophistiqué pour obtenir les meilleures performances possibles des batteries et protéger l’important investissement financier qu’elles représentent.
Charge initiale
Une nouvelle batterie plomb-acide doit être activée et ce processus de charge pour la première fois est appelé charge de remplissage initiale. La batterie est remplie de la quantité d’électrolyte requise et est entièrement chargée avant d’être envoyée pour expédition. Normalement, cette charge initiale est effectuée par la méthode de charge à courant constant, à un faible courant pendant une longue période, jusqu’à ce que la batterie atteigne une tension de 16,5 V ou plus pour être complètement chargée.
Aujourd’hui, ce processus est devenu superflu car nous disposons de batteries chargées en usine et prêtes à l’emploi ou de batteries à charge sèche qui ne nécessitent que l’ajout d’électrolyte.
Taxe de péréquation
Égalisation de la charge Les différences entre les cellules sont un fait que l’on doit accepter. Aucune cellule ne peut être identique à tous égards. Les différences de poids des matériaux actifs, les variations mineures de la gravité spécifique de l’électrolyte, la porosité des électrodes, etc. sont quelques-unes des différences. Pour ces raisons, chaque cellule d’une batterie a ses propres caractéristiques ; chacune d’entre elles nécessite une quantité de charge légèrement différente. L’égalisation de la charge de temps en temps permet d’éviter la fin de vie de la batterie. Les batteries automobiles de 12V sont flottantes à 14,4V. Une batterie entièrement chargée nécessite des niveaux de tension de 16,5 V, ce qui n’est jamais réalisé en service à bord du véhicule.
Une charge d’égalisation (également appelée charge de banc) est donc nécessaire pour prolonger la durée de vie d’une batterie automobile. Ainsi, une batterie qui reçoit une charge de banc périodique tous les six mois peut survivre aux batteries qui ne reçoivent pas de charge de banc, au moins de 10 à 12 mois. La fréquence et l’étendue des charges d’égalisation doivent être discutées avec le fabricant de la batterie. Avec les chargeurs préprogrammés, une « charge d’égalisation » est parfois disponible via un interrupteur qui fournit un faible courant continu utilisé pour stabiliser la tension et la densité relative de l’électrolyte des cellules.
De même, les batteries d’alimentation de secours UPS et les batteries de chariots élévateurs à fourche nécessitent également de telles charges d’égalisation. Une batterie utilisée dans un onduleur n’est chargée que jusqu’à 13,8 à 14,4 V. Comme nous l’avons dit précédemment, cela n’est pas suffisant pour égaliser le déséquilibre entre les cellules d’une batterie. Ces batteries, si elles reçoivent des charges d’égalisation périodiques, survivront plus longtemps.
Les batteries doivent recevoir une charge d’égalisation tous les six mois. Mais les batteries de traction utilisées dans les chariots élévateurs à fourche doivent recevoir une charge d’égalisation tous les six ou onze cycles, selon que les batteries sont neuves ou anciennes. Les batteries les plus récentes peuvent recevoir une charge d’égalisation tous les 11 cycles et les plus anciennes tous les6 cycles. Si les batteries reçoivent régulièrement des charges complètes tous les jours, la fréquence des charges d’égalisation peut être réduite aux10e et20e cycles. Une charge d’égalisation doit être terminée lorsque les piles ne présentent plus d’augmentation de la tension et des lectures de gravité spécifique sur une période de 2 à 3 heures.
Lire un article détaillé sur
La taxe de péréquation ici.
Frais d'opportunité
Lorsqu’un véhicule électrique tout-terrain ou routier est utilisé de manière intensive, le fait de se brancher sur un chargeur pendant les pauses et autres courtes périodes de repos peut également contribuer à prolonger le temps de travail effectif du véhicule et donc à réduire le temps d’immobilisation des VE. La charge d’opportunité est le terme donné à cette charge partielle pendant l’heure du déjeuner ou la période de repos.
De telles charges d’opportunité ont tendance à réduire la durée de vie des batteries. La batterie compte une telle charge et une décharge subséquente comme un cycle superficiel. Dans la mesure du possible, il faut éviter les frais d’opportunité. La charge normale fournit 15 à 20 A par 100Ah de capacité, tandis que les charges d’opportunité fournissent des courants légèrement plus élevés de 25 A par 100Ah de capacité. Il en résulte une température plus élevée et une accélération de la corrosion des grilles positives. Et donc la vie sera réduite.
Chargement contrôlé par gaz
La conductivité thermique de l’hydrogène gazeux dégagé est utilisée pour contrôler le courant de charge. L’hydrogène, un très bon réfrigérant, est utilisé pour refroidir un élément chauffé. La variation de la résistance de l’élément chauffant est utilisée pour réguler le courant. Une thermistance peut également être utilisée pour réguler le courant. Parfois, l’effet de chauffage dû à la recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène gazeux dégagés dans la cellule sur un catalyseur approprié est utilisé pour actionner un interrupteur thermique afin de réguler le courant.
Chargement progressif
Dans une charge continue, le chargeur égalise les pertes dues à l’autodécharge et à la décharge intermittente. Une charge d’entretien compense l’autodécharge. Les deux modes de fonctionnement sont caractérisés par des tensions aux bornes constantes :
Charge d’entretien 2,20 à 2,25 V par cellule
Charge continue 2,25 à 2,35 V par cellule
Selon l’âge et l’état de la batterie, une densité de courant de 40 à 100 mA/100 Ah de capacité nominale peut être nécessaire pendant la charge d’entretien (charge de maintien).
Le courant de charge continu dépend dans une large mesure du profil de la charge. Les batteries en charge d’entretien doivent être rechargées après chaque coupure de courant. Il en va de même pour les batteries en charge continue après des charges non planifiées.
Booster la charge
On a recours à la charge d’appoint lorsqu’une batterie déchargée doit être utilisée en cas d’urgence, lorsqu’aucune autre batterie n’est disponible et que le SOC n’est pas suffisant pour le travail d’urgence. Ainsi, une batterie au plomb peut être chargée à des courants élevés en fonction du temps disponible et du SOC de la batterie. Comme les chargeurs rapides sont disponibles de nos jours, la charge d’appoint est aujourd’hui familière. Normalement, ces chargeurs d’appoint commencent la charge à 100A et la réduisent à 80A. La chose la plus importante est que la température ne doit pas dépasser 48-50oC.
Chargement par impulsion
Qu’est-ce que la charge à courant pulsé ?
La charge est effectuée pendant une très courte durée, c’est-à-dire le temps de fonctionnement actuel en millisecondes (ms), suivi d’une période d’inactivité (temps d’arrêt en ms). Parfois, une décharge peut également précéder la charge pulsée.
Une technique de courant pulsé a été appliquée pour la charge rapide des cellules d’acide de plomb de l’automobile. Les conclusions suivantes ont été tirées :
- La technique du courant pulsé peut exercer des effets très avantageux.
- Il améliore le taux de recharge.
- Il a un effet bénéfique sur la durée de vie des batteries plomb/acide, en particulier lorsqu’un temps d’activation de plus de 100 ms est utilisé.
- En outre, cette technique peut également rajeunir les cellules qui ont été soumises à une charge à courant constant.
- Le temps de recharge peut être réduit d’un ordre de grandeur, c’est-à-dire de ~10 heures à ~1 heure.
- La durée du cycle peut être multipliée par trois ou quatre.
- L’application d’une charge à courant pulsé sur une batterie cyclée (capacité = 80% de la valeur initiale) peut provoquer une récupération de la capacité de la batterie.
- Une perte de capacité prématurée se produit dans les cellules Pb-Sb et Pb-Ca-Sn à des taux de décharge élevés avec une charge à courant constant.
Pour plus de détails, les lecteurs peuvent se reporter à l’article de Lam et d’autres personnes cité plus haut.
Les cellules sous-marines ont fait l’objet d’une charge par impulsions [14. Melvyn James, Jock Grummett, Martin Rowan et Jeremy Newman, Journal of Power Sources 162 (2006) 878-883 879]. Les auteurs ont conclu que
- La capacité peut être améliorée par une charge pulsée. Cette amélioration des capacités
était dramatique pour les cellules récentes et relativement récentes. Mais pour les cellules plus anciennes (4 à 5 ans), 15 cycles de charge pulsée ou plus étaient nécessaires avant d’obtenir des améliorations de capacité.
- Les cellules les plus anciennes avaient subi une sulfatation sévère, qui nécessite plus de cycles pour se décomposer.
- Certaines sulfatations sont impossibles à inverser.
- L’utilisation de la charge pulsée a également indiqué que la charge de gazage pouvait être considérablement réduite.
- L’évolution du gaz diminue avec l’augmentation de la fréquence d’impulsion. Ce phénomène est plus prononcé avec l’évolution de l’oxygène, qui est un facteur important pour les batteries de sous-marins qui souffrent de la corrosion de la plaque positive puisque l’oxygène est dégagé de la plaque positive pendant la charge au gaz.
- Après l’application de la charge pulsée à une cellule, les effets bénéfiques demeurent même si les routines de charge conventionnelles sont reprises.
Un programme typique de charge par impulsion est présenté ci-dessous :
L’application de la charge pulsée peut aider à empêcher la sulfatation de s’accumuler au fil du temps. Il peut être possible de réduire l’accumulation de sulfatation dans les cellules avec une charge et un entretien appropriés si la charge pulsée est utilisée dès le début. Une accumulation de sulfatation qui s’est déjà produite ne peut pas être inversée avec cette méthode. Si les cellules sont constamment égalisées ou surchargées, cela endommage les cellules, réduisant leur capacité et leur durée de vie. Microtex recommande de tester régulièrement la gravité spécifique de vos batteries pour connaître leur durée de vie, identifier les cellules faibles ou défaillantes et confirmer leur état de charge. Les étapes suivantes peuvent être suivies en cas d’accumulation de sulfate ou de déséquilibre de la charge.
Chargement rapide - Chargeur de batterie
Il y a 25 ans, on pensait que les batteries au plomb ne devaient pas être chargées à des taux élevés car la matière active positive serait irrémédiablement endommagée. On pensait que la charge rapide entraînerait des niveaux excessifs de corrosion et de gazage du réseau, ce qui provoquerait une défaillance précoce et rapide des batteries VRLA.
La charge rapide s’avère être non seulement un gain de temps et d’énergie, mais elle élimine également les gaz et réduit la maintenance. La charge rapide a été proposée pour la première fois par Kordesch en 1972 pour les piles Ni-Cd scellées [17. K. Kordesch, J. Electrochem. Soc., 113 (1972) 1053], puis développée en 1993 par Norvik Technologies au Canada pour les batteries VRLA.
Leur Minitcharger™ a prouvé que la recharge de batteries Ni-Cd profondément déchargées pouvait être réalisée en 5 à 10 minutes [18. J.K. Nor, brevet américain 5,202,617(1993)].
Dans la première partie des années 1990, Valeriote, Nor et Ettel de Cominco, au Canada, ont fait progresser cette technologie vers les accumulateurs au plomb classiques [19. E.M. Valeriote, J. Nor, V.A. Ettel, Proc. Cinquième séminaire international sur les batteries au plomb, Vienne, VA, USA, 17-19 avril 1991, pp 93-122].. En 1994, Valeriote, Chang et Jochim ont prouvé que le procédé était également adapté aux batteries VRLA à plaques minces [M. Valeriote, T.G. Chang, D.M. Jochim, Proc. de la9e conférence annuelle de Battery sur les applications et les avancées, Long Beach, CA, USA, janvier 1994, pp. 33-38].
Depuis le début des années 90, cette technique a été appliquée aux batteries de traction de toutes sortes [20]. K. Nor et J.L. Vogt, Proc. 13e conférence annuelle de Battery sur les applications et les progrès, 13-16 janvier 1998, Long Beach, CA, 191-197].
Les effets de la charge très rapide sur les deux types suivants de batteries hybrides plomb/acide à recyclage profond ont été étudiés en 1994 à l’aide d’un MinitchargerÔ (Norvik Traction Inc., Canada) [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote et D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].
- Les batteries hybrides inondées (appelées « AP » dans ce travail) avaient des grilles positives faites d’un alliage antimonial de 4,7 % et des grilles négatives de type expansé faites d’un alliage à haute teneur en calcium et à faible teneur en étain (Pb- 0,1 % en poids de Ca-0,3 % en poids de Sn). Le poids du PAM était de ~800 g, et celui du NAM de ~ 540 g dans chaque cellule. Il était de type à décharge profonde et avait une capacité de 80 Ah20, 54,4 Ah5 et 50,9 Ah3).
- Des batteries à régulation par soupape avec des grilles positives coulées par gravité ont été fabriquées à partir d’un alliage à faible teneur en antimoine (Pb -1,5 % en poids Sb-0,3 % en poids Sn (cette batterie est appelée batterie « ST » dans ce travail). La configuration était de 5P + 6N. Les grilles négatives ont été moulées à partir d’un alliage Pb-O.12wt.%Ca-O.4wt.%. Ces batteries étaient destinées à des applications de recyclage profond. Les capacités des batteries étaient de 54,5 Ah5 et 52,5 Ah3
Il a été constaté que les taux de recharge de 5 minutes/50% et de 15 minutes/80% pouvaient être atteints, dans le cas d’une batterie inondée, avec une augmentation de température tout à fait acceptable. Après une profondeur de décharge de 80%, la source dominante de chaleur était ohmique pendant les premiers 40% de la charge restituée à des taux très élevés, 300 A (5 à 6C3 ampères). Les températures étaient réparties de manière non uniforme dans la batterie. Par la suite, la polarisation non-ohmique est devenue progressivement plus importante. Pour la batterie hybride à recombinaison, le cycle de l’oxygène est une source substantielle de chaleur pendant les derniers stades de la charge, en particulier par rapport aux batteries non antimondiales précédentes qui ont été étudiées [21 T.G. Chang, E.M. Valeriote et D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].
Charge rapide des batteries noyées et VRLA
Tableau 6.
[21. T.G. Chang, E.M. Valeriote et D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].
| Batterie inondée | Batterie à régulation par soupape | |
|---|---|---|
| Taux de recharge de 5 minutes/50% et de 15 minutes/80%. | Oui | Oui |
| Augmentation de la température | Acceptable | Acceptable |
| Source de chaleur | Ohmique (jusqu'à 40 % de la charge) | Le cycle de l'oxygène est une source importante de chaleur pendant les dernières étapes de la charge. |
| Chargement | chargée à une tension constante sans résistance de 2,45 V/cellule (14,7 V/batterie) | chargée à une tension constante sans résistance de 2,45 V/cellule (14,7 V/batterie) |
| Actuel | 250 à 300 A (5 à 6 C3 ampères) | 250 à 300 A (5 à 6 C3 ampères) |
| Dans les 3 premières minutes | 1 V supérieur à VRB | |
| Réduction actuelle | A commencé à décliner à partir du niveau 300-A après 3 minutes de charge. | A commencé à décliner à partir du niveau 300-A après 3 minutes de charge. |
| Température | Chauffage ohmique plus élevé et taux d'augmentation de la température beaucoup plus élevé ; commence à diminuer après 4 min. | Le courant n'a commencé à diminuer qu'après 4 minutes de charge, et il est resté supérieur à celui du type inondé pendant le reste de la période de charge. |
| Lorsque le courant de la batterie VR a diminué, le taux d'augmentation de la température a augmenté. Après 6 minutes, bien que la température continue à augmenter, le taux d'augmentation a commencé à diminuer. La température n'a commencé à baisser lentement qu'après environ 20 minutes de charge ; avec la même tension constante sans résistance, la batterie VR a accepté un courant plus élevé, ce qui a généré encore plus de chaleur. L'énergie dépensée dans le cycle de l'oxygène est entièrement (100%) convertie en chaleur, contre environ 40% pour la seule décomposition de l'eau. |
Figure 17. Chargement : Vref=2,45 V/cellule ; Courant, I, =3OO A max ; DOD = 80%. [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote et D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].
Comparaison de la charge rapide de batteries inondées et VRLA.
Tableau 7. Autonomie de la batterie avec le MinitCharger
[22. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone, et D.M. Jochim, Proc. 13
th
Conférence annuelle de Battery sur les applicationsand Advances, 13-16 janvier 1998, Long Beach, CA, 173-178].
| Type de batterie | Durée de vie de la batterie | ||
|---|---|---|---|
| Chargeur de batterie conventionnel | MinitCharger® | Source : | |
| Piles Ni-Cd, type A | 500 | 1400 | INCO(1989) |
| Piles Ni-Cd, type B | 450 | 1900 | INCO(1996) |
| Piles Ni-MH, type A | 400 | 1600 | INCO (1996) |
| Piles Ni-MH, type B | 1500 | Plus de 4000 | INCO (1996) |
| Batterie de traction au plomb, type VRLA | 250 | 1500 | COMINCO (1997) |
Chang et Jochim ont également obtenu des résultats similaires. Ils ont soumis des batteries VRLA 12V (type enroulé en spirale) à des tests de cycles de charge classique et de charge rapide [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote et D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175. 23. Chang, T.G., Jochim, D.M., J. Power Sources, 91 (2000) 177-192]. La durée de vie était de 250 cycles pour le régime de charge classique et de 1000 cycles pour le régime de charge rapide.
La charge très rapide a connu un grand succès et a permis d’augmenter la durée de vie. Une enquête a montré que l’équipe de recherche de Cominco [ 22. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone et D.M. Jochim, Proc. 13th Annual Battery Conference on Application and Advances, January 13-16, 1998, Long Beach, CA, 173-178] a mené une enquête et l’équipe a constaté que trente variétés de batteries au plomb disponibles dans le commerce sont capables d’être rechargées à 50% en 5 minutes, à 80% en 15 minutes et à 100% en 30 minutes. À cet égard, les performances de VRLAB sont meilleures que celles des batteries SLI inondées.
Les matières actives positives conventionnelles sont caractérisées par des particules plus grandes et de nombreux gros pores. Dans les plaques chargées rapidement, on n’a pas observé de grandes particules, de pores ou de vides. Les plaques chargées conventionnellement présentaient une surface de 2m2/g de PAM et celles chargées à un courant élevé présentaient une surface de 3m2/g même après 900 cycles [22]. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone et D.M. Jochim, Proc. 13e conférence annuelle de Battery sur les applications et les progrès, 13-16 janvier 1998, Long Beach, CA, 173-178].
Dans ce dernier cas, le PAM ne se dilate que lentement et, par conséquent, la pression exercée sur le séparateur et la plaque négative est moindre, ce qui réduit le risque de court-circuit dans les séparateurs et de densification du NAM. L’effet spectaculaire de la charge rapide est qu’en soumettant à un test de cycle de vie des VR LAB 12V/50Ah à enroulement hélicoïdal (testées sous des régimes de charge de 10h et 15 minutes), les batteries chargées de manière conventionnelle ne pouvaient donner que 250 cycles (à 80% de la capacité initiale) alors que celles soumises à un régime de charge rapide pouvaient donner environ quatre fois plus de cycles.
Images SEM de PAM et NAM de plaques conventionnelles et à charge rapide
Un résultat similaire a été obtenu dans les travaux de P. T. Moseley [Journal of Power Sources 73 _1998. 122-126] ALABC-CSIRO Project No. AMC-009). La charge à haut débit des batteries VRLA restitue la matière active positive sous une forme à surface élevée caractérisée par une forme d’aiguille et, lorsque la batterie est rechargée à des taux plus faibles, la matière active positive forme des particules plus grosses.
Schéma du chargeur de batterie
Combien de temps peut-on laisser un chargeur de batterie sur une batterie ?
Cela dépend de deux facteurs :
- Si le chargeur est sous tension ou non ?
- Existe-t-il une disposition permettant de donner une charge de rafraîchissement intermittente dans le chargeur ?
Si le chargeur est éteint, il n’y a probablement aucun mal à laisser la batterie connectée au chargeur, à condition qu’il n’y ait pas de dysfonctionnement d’une partie de la charge, comme une mauvaise connexion des fils CA menant aux chargeurs.
Toutefois, si le chargeur est allumé, il est préférable de débrancher la batterie afin que les effets délétères de la surcharge ne réduisent pas la durée de vie de la batterie.
S’il existe une disposition permettant de donner une charge de rafraîchissement intermittente dans le chargeur, on peut laisser la batterie connectée au chargeur. Cela permet de maintenir la batterie dans un état de charge complet et peut être utilisé à chaque fois que la batterie est requise.
Comment fonctionne un chargeur de batterie de voiture ?
Le système électrique automobile se compose des éléments suivants :
Le système de démarrage, d’éclairage et d’allumage (système SLI) comprend des composants/équipements mécaniques et électriques qui fonctionnent à l’unisson pour faire tourner le moteur et maintenir le véhicule en bon état de marche.
Les principaux composants sont :
- Commutateur d’allumage
- La batterie de 12V ou 24 V.
- Moteur de démarrage (ou moteur de démarrage) à courant continu à couple élevé avec composants associés.
- Dispositif alternateur-rectificateur
- Contrôleurs ou régulateurs de tension (relais de coupure et d’enclenchement)
Lorsque le conducteur actionne le commutateur d’allumage, un courant fort circule de la batterie au démarreur via un circuit de commande et le démarreur peut faire tourner les roues et ainsi le véhicule commence à se déplacer.
Le but d’un démarreur est d’aider le moteur à atteindre une certaine vitesse pour qu’il puisse fonctionner. Le démarreur aide donc le moteur à atteindre le régime prévu pour faire fonctionner la voiture. Une fois que c’est fait, le démarreur n’est plus utile et s’éteint donc.
Dans un chargeur automatique de batterie, un circuit de détection de tension est incorporé pour détecter la tension de la batterie en cours de charge. Le chargeur s’éteint automatiquement lorsque la tension de la batterie atteint le niveau optimal requis.
Le courant circule le long d’un seul câble, de la borne positive de la batterie au composant alimenté, puis revient à la batterie en passant par la carrosserie métallique de la voiture (qui constitue la terre, la borne négative de la batterie étant reliée à la carrosserie de la voiture). Le corps est relié à la borne de terre (borne négative) de la batterie par un câble épais.
Le courant fourni par la batterie au démarreur est de 3 à 4 fois la capacité de la batterie, soit 150 à 400 ampères). C’est-à-dire que la batterie fournit un courant de 3C à 4C ampères au démarreur. Par conséquent, le câble transportant ce courant doit être conçu de manière à obtenir la plus faible chute de tension possible. Les deux principales fonctions du système d’allumage d’une automobile sont de produire une tension suffisante pour créer facilement une étincelle afin de brûler le mélange air/carburant, puis de contrôler le moment de l’étincelle et de la transmettre au cylindre concerné. Un système d’allumage automobile typique produit une tension comprise entre 20000 et 50000 volts à partir d’une source de 12 volts.
La taille de la batterie varie en fonction de la capacité de la voiture. Ainsi, pour une petite voiture comme la Maruti 800 ou l’Alto, on utilise une batterie de 12 V/33 Ah, tandis que pour un camion Tata ou Benz, on utilise une batterie de 12 V ou 24 V/180 Ah.
Un système de charge automobile génère généralement une tension comprise entre 13,5 et 14,4 volts lorsque le moteur fonctionne. Il produit du courant électrique pour faire fonctionner les feux de l’automobile, les systèmes de musique, le chauffage, le système électrique du moteur. Il y a longtemps, les générateurs de courant continu étaient utilisés dans les automobiles. Au début des années 60, le système alternateur-rectificateur a remplacé le générateur de courant continu en raison de ses avantages par rapport à l’autre. Mais avec les progrès de l’électricité et de l’électronique, toutes les voitures utilisent un dispositif alternateur-rectificateur (le courant alternatif est généré et converti en courant continu).
Dans les moteurs à allumage par étincelle, un dispositif est nécessaire pour enflammer le mélange air-carburant comprimé à la fin de la course de compression. Le système d’allumage répond à cette exigence. C’est une partie du système électrique qui transporte le courant électrique à la tension requise vers la bougie d’allumage qui produit une étincelle au bon moment. Il se compose d’une batterie, d’un interrupteur, d’un distributeur, d’une bobine d’allumage, de bougies d’allumage et du câblage nécessaire.
Un moteur à allumage par compression, c’est-à-dire un moteur diesel, ne nécessite aucun système d’allumage, car l’auto-allumage du mélange air-carburant a lieu lorsque le diesel est injecté dans l’air comprimé à haute température à la fin de la course de compression.
Pour éviter que la batterie ne se vide, les fabricants utilisent un régulateur de tension / coupe-circuit. Il connecte/déconnecte le générateur de la batterie.
Lorsque la sortie du générateur est inférieure à la tension de la batterie, il déconnecte le générateur de la batterie. En revanche, lorsque le rendement est plus élevé, il raccorde le générateur à la batterie. Ainsi, il empêche la batterie de se décharger à des régimes lents du moteur. Lorsque la tension aux bornes de la batterie atteint environ 14,0 à 14,4 V, le relais de coupure déconnecte la batterie du circuit de charge.
Puis-je démarrer la voiture avec un chargeur de batterie branché ?
Si l’on ne peut pas démarrer le véhicule avec la batterie existante, on peut fournir une tension continue appropriée à partir d’un chargeur en fixant les fils du chargeur comme s’il s’agissait des bornes d’une autre batterie similaire. C’est comme le démarrage d’un véhicule par le biais d’un jump-start. Il convient de prendre les précautions nécessaires avant d’effectuer ce travail. Il faut demander l’aide d’un professionnel.
Quels sont les meilleurs chargeurs en fonction de l'application ?
Chargeur de batterie à onduleur
Les onduleurs sont des appareils électriques/électroniques qui convertissent le courant continu des batteries en courant alternatif pour répondre aux besoins des foyers ou des petits établissements. Le redresseur remplit la fonction inverse. C’est-à-dire que le redresseur convertit le courant alternatif en courant continu. Le courant continu est le type de courant électrique nécessaire pour charger la batterie et faire fonctionner certains appareils.
Les onduleurs domestiques sont normalement équipés d’une ou deux batteries de 12 V, en fonction des besoins en énergie de chaque foyer.
L’alimentation sans interruption (ASI) est un dispositif similaire, mais le délai entre la panne du secteur et la reprise par l’ASI est immédiat (délai zéro), alors que dans un onduleur, le délai est de 10 à 20 millisecondes. Dans certaines unités de production et banques, ce retard entraînera des pertes considérables et une gêne pour les clients et les banquiers. Par exemple, dans un ordinateur de bureau domestique, l’écran s’éteint lorsqu’il est connecté à un onduleur, alors que vous ne ressentez pas la coupure de courant dans le cas d’un onduleur.
Comme nous le savons bien, si les batteries sont chargées à des tensions supérieures à 14,4 V par batterie de 12 V, des fumées nauséabondes et une odeur indésirable d’œuf pourri émaneront des batteries, sans compter la formation d’un produit de corrosion autour des bornes et des connecteurs… ce qui peut être inconfortable pour les utilisateurs, Par conséquent, ces batteries ne sont pas autorisées à atteindre des tensions de charge supérieures à environ 14,0 V et la valeur de réglage préférée est de 13,8 V. En raison de la tension de charge réduite, la perte d’eau due à l’électrolyse est également réduite, ce qui entraîne de longs intervalles entre deux recharges d’eau approuvées. Un redressement pleine onde avec filtres est un bon complément.
Chargeur de batterie pour voitures
Le système électrique de l’automobile se charge de la recharge de la batterie SLI embarquée. Comme nous l’avons vu dans la section sur la charge modifiée à potentiel constant, le système comprend une résistance en série pour maintenir le courant de pointe initial dans la limite autorisée. La tension de charge maximale est de 14,0 à 14,4 V pour une batterie de 12 V. La batterie SLI étant une batterie à cycle peu profond, elle se recharge chaque fois que la tension descend à un niveau prédéterminé.
Pour la charge, la batterie est reliée au stator de l’alternateur par l’intermédiaire d’un dispositif électronique appelé diode, qui permet un flux de courant uniquement dans un sens, c’est-à-dire du stator vers la batterie et non dans le sens inverse lorsque l’alternateur est au repos.
Par conséquent, il empêche la décharge indésirable de la batterie.
Le relais de coupure agit comme un disjoncteur entre le système de charge et la batterie lorsque l’alternateur ne produit pas de courant. Il empêche la décharge de la batterie dans le cas où le générateur ne fonctionne pas ou fonctionne à très faible vitesse.
L’ajout périodique d’eau est une exigence de maintenance dans les versions antérieures des batteries. Mais, les batteries avancées ont de faibles niveaux de gaz et l’ajout d’eau est presque éliminé, ou une fois tous les 12 à 18 mois.
Chargeur de batterie pour applications stationnaires
Une batterie stationnaire est la source d’alimentation de secours dans plusieurs installations, où une interruption de l’alimentation, même pendant une fraction de seconde, n’est pas tolérable. Les grandes installations de batteries qui ne sont sollicitées que pendant une très courte période pour fournir de l’énergie sont appelées alimentations stationnaires, de secours ou d’urgence. Ils sont utilisés dans les services publics, les appareillages de commutation et d’autres environnements industriels. Ces batteries sont utilisées pour fournir de l’énergie pendant la période initiale jusqu’à ce qu’elles puissent démarrer un générateur afin qu’il prenne le relais.
Bien qu’il existe plusieurs types d’accumulateurs au plomb (accumulateurs à plaques plates, accumulateurs Planté, accumulateurs à plaques coniques, etc.) et au nickel-cadmium (Ni-Cd) pour cette application, la plupart des utilisateurs préfèrent les accumulateurs stationnaires tubulaires de type noyé, en particulier le type OPzS, pour cet usage.
La caractéristique la plus importante d’un parc de batteries stationnaire est l’alimentation immédiate de la batterie en cas de défaillance normale du secteur. C’est pourquoi la batterie doit toujours être prête à l’emploi et entièrement chargée. Par conséquent, le système de charge acquiert de l’importance. Sa fiabilité est très importante.
Ces batteries sont chargées par flottaison en mode potentiel constant. Ils existent en groupes de tension de 24, 48, 72, 120 et 130 V. La capacité peut aller de 40 Ah à quelques milliers d’ampères-heures.
6 à 50 ampères DC. Des alarmes intégrées sont incluses pour la haute tension CC, la basse tension CC, le défaut de mise à la terre positif et négatif, et la fin de la décharge. Le chargeur de batterie industriel est doté de commandes numériques et d’un écran LCD. Un certain nombre de dispositifs de sécurité sont inclus, tels que la protection des fils sur toutes les bornes de terrain et la protection complète de l’entrée CA et de la sortie CC.
Conseils simples pour l'achat d'un chargeur de batterie
Voici les directives à suivre pour choisir un chargeur de batterie :
- Connaître la tension de la batterie à charger. Pour une pile au plomb, pour chaque cellule, 3 volts sont nécessaires pour une charge satisfaisante et normale. Ainsi, pour une batterie de 12 V, achetez un chargeur avec une sortie de 20 V CC aux bornes.
- En ce qui concerne les détails de l’ampérage (c’est-à-dire le courant) : à partir de l’étiquette de la batterie, trouvez la capacité de la batterie. Si la capacité est de 100 Ah pour une durée de 10 heures, un courant de 10 % est suffisant. Ainsi, un chargeur de 10 A est suggéré. Mais vous pouvez aussi opter pour un chargeur de 15 A ; le coût sera alors plus élevé. L’avantage est que la batterie peut être rechargée dans un délai plus court. Les batteries peuvent absorber des courants plus élevés dans les périodes initiales. Ainsi, vous pouvez le charger à 15 A pour les premiers 50 % d’entrée et ensuite réduire le courant à 10 %. normal %.
- Le chargeur peut être équipé d’un voltmètre et d’un ampèremètre numériques ou analogiques. Une installation supplémentaire serait un compteur Ah numérique. Une protection contre les inversions de polarité peut également être ajoutée. Cela permettra de protéger à la fois la batterie et le chargeur.
- Un redresseur pleine onde avec filtres permet de prolonger la durée de vie des batteries. Un tel chargeur produira de faibles ondulations de courant alternatif et donc la corrosion des grilles positives et l’augmentation de la température de l’électrolyte pendant la charge seront moindres.
- En résumé, pour une batterie de 12 V/100 Ah, un chargeur de 20 V/10 ampères avec compteurs numériques et filtres avec redressement pleine onde et protection contre l’inversion de polarité est un bon achat.
Chargeur de batterie pour trains
[Références : Manuel sur l’unité de redressement et de régulation électronique (ERRU) de 25 kW/4,5kW des entraîneurs SG TL &AC,) septembre 2019. « Services généraux : Train Lighting », par l’Institution of Railway Electrical Engineers (IREE), Gouvernement de l’Inde, Ministère des chemins de fer, Sept 2010].
Où que vous alliez, l’électricité est nécessaire et les wagons de chemin de fer ne sont pas exempts de lumières et de ventilateurs. Dans le cas des autocars climatisés (AC), une quantité importante d’électricité est nécessaire pour faire fonctionner les unités de climatisation installées à l’intérieur de l’autocar.
L’une des méthodes conventionnelles pour produire de l’électricité consiste à utiliser des alternateurs entraînés par les essieux des voitures de chemin de fer, avec une batterie d’une capacité suffisante en ampères-heures connectée en parallèle pour alimenter la voiture en électricité dans des conditions de basse tension. Ces types de coachs sont appelés coachs « auto-générateurs » (SG).
Dans ces voitures SG, des unités de redressement et de régulation (RRU) contrôlées par des amplificateurs magnétiques sont utilisées initialement pour convertir la sortie CA de l’alternateur en CC et pour réguler/contrôler la tension CC générée par la régulation du courant de champ de l’alternateur. Cela permet également d’éviter le flux inverse de courant de la batterie vers l’alternateur pendant les périodes de non-génération.
Ce courant continu redressé et régulé est utilisé pour faire fonctionner les différents équipements et accessoires électriques à l’intérieur du car et pour charger les batteries.
Les batteries au plomb d’une capacité de 110 V / 120 Ah10 sont disposées dans les wagons à écartement large (B.G.) dans des boîtes sous le plancher. Quatre boîtes à bornes d’alimentation d’urgence pour les autocars B.G. et une pour les autocars M.G. sont prévues sur chaque paroi d’extrémité pour interconnecter l’autocar à l’autocar adjacent afin de recevoir de l’énergie, en cas de défaillance de la production.
Une boîte à bornes d’urgence numérotée est prévue au centre de chaque côté du châssis pour faciliter la charge de la batterie à partir d’une source externe. (Par exemple, lorsque le train est à l’arrêt sur les quais de la jonction ferroviaire). Pour les autocars BG AC, des alternateurs sans balais de 18 kW / 25 kW sont utilisés. Deux alternateurs de ce type sont utilisés dans les voitures AC-2 Tier /AC-3 Tier / Chair et un seul alternateur est utilisé dans la première voiture AC. Des batteries d’une capacité de 800 / 1100 Ah à 10 h sont utilisées dans les voitures I AC / AC-2 Tier / AC-3 Tier/chaise de B.G. Coaches.
Bien que le premier train en Inde ait parcouru 34 km avec 400 personnes le16 avril 1883 de Bori Bunder (aujourd’hui renommé Mumbai CST) à Thane, le système d’éclairage des trains (TL) par le biais d’une dynamo entraînée par essieu a été lancé par M/s. J. Stone & Co. n’est arrivé aux chemins de fer indiens qu’en 1930. Les dynamos / alternateurs sans balais, entraînés par l’essieu au moyen de courroies plates / en V, alimentent la charge lorsque le train est en mouvement et chargent les batteries. Les batteries fournissent la charge lorsque le train est à l’arrêt sur les quais et ailleurs.
Les systèmes suivants pour l’éclairage des trains sont actuellement en usage –
1) Système d’entraînement par essieu fonctionnant sur une alimentation de 110 V DC.
2) Génération moyenne avec 415 V, génération triphasée AC 110 V utilisation.
3) Fin de la production avec production triphasée de 415 V et utilisation de 110 V CA.
4) Fin de la production avec production triphasée de 750 V et utilisation de 110 V CA.
Tous les autocars en cours de construction sont équipés d’un système de 110 V uniquement. Les autocars exploités en système 24 V ont déjà été convertis en système 110 V.
La valeur nominale standard aux bornes de sortie CC de l’ERRU pour différentes valeurs de l’alternateur est indiquée ci-dessous :
(i) 25 kW, 130V, 193A
(ii) 4,5 kW 128,5V 35A
L’ERRU est monté dans le soubassement de l’autocar et conçu pour fonctionner de manière satisfaisante à des températures allant de -5 degrés à 55 degrés C et à 98% d’humidité relative. Il est également conçu pour travailler dans une zone fortement poussiéreuse, pour résister aux vibrations de service et aux chocs de manœuvre.
La transmission de puissance se fait par des courroies trapézoïdales. Au total, 12 nos. (6 de chaque côté) et 4 nos. (un seul côté) de taille C-122 sont prévus sur les alternateurs AC et TL respectivement. La vitesse de l’alternateur varie de 0 à 2500 RPM. Le diamètre des roues de la voiture est de 915 mm lorsqu’elles sont neuves et de 813 mm lorsqu’elles sont usées. Le diamètre des roues neuves doit être pris en compte pour calculer la vitesse du train en km/h correspondant à la vitesse d’enclenchement et à la vitesse minimale de pleine puissance (MFO) de l’alternateur.
Les caractéristiques de sortie de l’unité électronique de redressement et de régulation (ERRU) (25 kW et 4,5 kW) sont indiquées ci-dessous :
La tension de sortie CC sans charge est de 135 V maximum, qui peut être réglée sur 128 ± 0,5 V, 97 A (pour les batteries 1100 et 650 Ah) et 128 ± 0,5, 19 A pour des batteries de120 Ah ) à 1500 tr/min (à mi-chemin entre les vitesses minimale et maximale), la régulation de la tension étant de ± 2 % %, le rendement de 95% (minimum). L’ondulation de la tension est maintenue à moins de 2 %. La variation de charge est de 10 A à 193 A à des vitesses de 400 tr/min à 2500 tr/min (pour les batteries de 1100 et 650 Ah) et de 350 tr/min à 2500 tr/min (batteries de 120 Ah).
Pour les batteries de plus grande capacité, la tension à 15% de surcharge est de 120 V (minimum) à 222 A, le courant étant limité à 230A (maximum). Pour une batterie de 120 Ah, la tension à la surcharge de 40 A est fixée à 115 V (minimum).
La limite du courant de charge de la batterie est de 220 A pour une batterie de 1100 Ah, 130 A pour une batterie de 650 Ah et 24 A pour une batterie de 120 Ah (maximum). Les deux derniers paramètres peuvent être réglés à partir du contrôleur de tension universel (UVC) ainsi que du panneau d’affichage de l’entraîneur (CIP).
Pour l’EERU de 4,5 kW, la variation de charge sera de 1 A à 37,5 A à 350 RPM à 2500 RPM. La tension à la surcharge de 40 A est de 115 V (minimum), le courant étant limité à 43A (maximum).
Nous pouvons voir que le courant de charge est de 1100/220 = 5 ; 650/130= 5 et 120/24 = 5. C’est-à-dire que le courant de charge est limité pour toutes ces batteries à C/5 ampères, la tension maximale étant de 128 V. (c’est-à-dire 16 % au-dessus de la VCO du parc de batteries).
Pour plus de détails sur les schémas fonctionnels de l’ensemble de l’autocar, le câblage sera comme le schéma suivant et le schéma fonctionnel du système alternateur-ERRU, le lien donné ci-dessous peut être consulté :
Chargeur de batterie de traction
Les performances et la durée de vie des batteries de chariots élévateurs sont influencées par le chargeur de batterie de traction et les méthodes de charge employées. Le chargeur de batterie de chariot élévateur doit être choisi en fonction de la tension et de l’intensité des batteries.
Un bon chargeur de batterie pour chariot élévateur à fourche
- Doit limiter l’augmentation de la température pendant la charge
- Sans surcharge excessive, le chargeur doit arrêter de fournir du courant à la batterie au bon moment.
- Devrait avoir un dispositif de charge d’égalisation (c.-à-d., charge à des courants plus élevés).
- En cas de situations dangereuses, un dispositif d’arrêt automatique doit être prévu.
- Doit être programmable via un microprocesseur ou un PC.
- Dans certains chargeurs, l’agitation de l’air est également assurée par des tuyaux d’air fins dans les cellules.
La plage de tension de charge varie de 24 V à 96 V.
Le courant dépend de la capacité de la batterie, qui varie de 250 Ah à 4000 Ah.
Méthodes de charge des batteries de traction
Chargement progressif en une seule étape : Le chargeur commence son travail à environ 16A/100Ah et le courant diminue au fur et à mesure que la tension de la cellule augmente. Lorsque la tension de la cellule atteint 2,4 V/cellule, le courant diminue à 8 A/100 Ah, puis atteint le taux final de 3 à 4 A/100 Ah. La charge est interrompue par une minuterie. Cela peut prendre environ 11 à 13 heures (facteur d’entrée Ah 1,20) pour des batteries déchargées à 80 % sans agitation d’air.
La différence de temps de charge est due à la variation du courant de démarrage, c’est-à-dire que si le courant de démarrage est de 16 A/100 Ah, la durée est moindre et s’il est de 12A/100Ah, la durée est plus importante. Avec l’installation d’agitation d’air, la durée est réduite à 9 à 11 heures (facteur d’entrée Ah 1,10).
Charge conique en deux étapes (mode CC-CV-CC) : Il s’agit d’une amélioration par rapport à la méthode précédente. Le chargeur démarre avec un courant plus élevé de 32 A / 100 Ah. Lorsque la tension de la cellule atteint 2,4 V par cellule, le chargeur passe automatiquement en mode dégressif et le courant continue de diminuer jusqu’à atteindre 2,6 V par cellule. Le courant passe alors à un taux de finition de 3 à 4 A/100 Ah et continue pendant 3 à 4 heures. Cela peut prendre environ 8 à 9 heures (facteur d’entrée Ah 1,20) pour des batteries déchargées à 80 % sans agitation de l’air. Avec l’installation d’agitation d’air, la durée est réduite à 7 à 8 heures (facteur d’entrée Ah 1,10).
Charge des batteries VRLA gélifiées : (mode CC-CV-CC) :
Le chargeur démarre avec un courant de 15 A / 100 Ah. Lorsque la tension de la cellule atteint 2,35 V par cellule, le chargeur passe automatiquement en mode Taper et le chargeur passe en mode CV à la même tension. Cela prend un maximum de 12 heures. Le pas de CV est maintenu constant tant que le courant de charge descend à une valeur limitée de 1,4 A/ 100 Ah. La deuxième phase peut durer quelques heures, le maximum étant de 4 heures. Cette durée dépend de la durée de la première phase.
Chargeur de batterie pour chariot élévateur à fourche à haute fréquence
Les chargeurs existants sont généralement de deux types : ferro-résonant et redresseur commandé au silicium (SCR). Ils sont plus abordables, mais ils sont aussi moins efficaces.
Chargeur de batterie incorporant des dispositifs de puissance à commutation haute fréquence, par exemple le MOSFET (transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique) et l’IGBT (transistor bipolaire à porte isolée), qui fonctionnent à des fréquences bien supérieures à celles de la ligne (de quelques kHz à quelques centaines de kHz). En revanche, les MOSFET et les IGBT, grâce à leur capacité d’activation et de désactivation totale, peuvent être contrôlés avec précision à tout moment pour permettre à un chargeur de produire la sortie souhaitée. Les SCR sont des dispositifs semi-contrôlés avec un arrêt incontrôlable.
Les chargeurs HF fonctionnent comme des alimentations à découpage, ce qui signifie qu’ils activent et désactivent les commutateurs électroniques à des fréquences élevées (50-170 kHz).
Les avantages de cette technologie HF sont les suivants :
| Chargeur de batterie haute fréquence | |
|---|---|
| Jusqu'à 170 kHz Haute fréquence | Les pertes dues à la conversion sont plus faibles |
| Efficacité de charge accrue (87 à 95 %) | Réduction des coûts énergétiques (jusqu'à 20 %) grâce aux économies d'énergie. |
| Réduction du courant d'ondulation CA | Durée de vie plus longue grâce à une augmentation de température plus faible. Réduction des coûts d'entretien grâce à la diminution des pertes d'eau |
| Il est universellement adaptable | Les batteries à électrolyte liquide, AGM et à électrolyte gélifié peuvent toutes être chargées sans surcharge ni sous-charge. |
| Plus petite, plus légère et moins encombrante. | Il a un encombrement réduit et peut être facilement monté à bord. |
| Ces chargeurs sont disponibles dans différentes gammes, allant des chargeurs pour batteries de 24 V à 80 V avec un courant de charge de 40 à 300 A. | |
Chargeur de batterie pour les applications minières souterraines
Les batteries des mines souterraines sont principalement des batteries au plomb à cycle profond. La tension typique est comprise entre 48 et 440 V, et la capacité entre 700 Ah et 1550 Ah.
La charge de ces batteries est similaire à celle des batteries de traction. Les batteries sont chargées à
2,6 V initialement avec un courant de 21 A à 17 A pour 100 Ah et enfin 4,5 A pour 100 Ah comme taux de finition. La charge peut être terminée en 6 à 8 heures.
Les batteries sont conformes à la norme IS 5154:2013 partie 1 (IEC 60254-2006).
Chargeur de batterie marine
Les batteries destinées aux applications marines peuvent être classées en deux types. Les batteries de démarrage ont des plaques plus fines et sont capables de fournir de grandes quantités d’énergie pendant une courte période. L’autre type est une batterie à décharge profonde utilisée pour d’autres applications marines telles que les accessoires électroniques, un moteur de traîne et les appareils électriques et électroniques embarqués. En outre, les batteries à double fonction fonctionnent à la fois comme des batteries SLI et des batteries à cycle profond. Des chargeurs spécifiques sont utilisés pour des batteries spécifiques. Le mode CC-CV doit être utilisé sur les batteries plomb-acide VR.
Il existe également des chargeurs qui peuvent charger jusqu’à quatre batteries simultanément. Tous les types de batteries marines, les batteries VR (aussi bien AGM que gélifiées) ainsi que les batteries inondées nécessitant peu d’entretien peuvent être chargées.
Les batteries et les chargeurs étant utilisés dans les bateaux, ils doivent rester au sec et bénéficier d’une bonne ventilation. Ils doivent également être étanches, résistants aux chocs et aux vibrations et, si nécessaire, complètement scellés. En outre, vous devez vous assurer que les chargeurs sont dotés d’un dispositif de protection contre l’inversion de polarité et d’un dispositif anti-étincelles.
Chargeur de batterie pour applications solaires
En raison des variations de l’irradiation solaire, la production des panneaux SPV fluctue. Par conséquent, un dispositif numérique de suivi du point de puissance maximale (MPPT) est connecté entre le panneau SPV et la batterie pour garantir un processus de charge sans souci. Un MPPT est un convertisseur électronique de courant continu à courant continu conçu pour optimiser la correspondance entre le champ solaire (panneaux PV) et le banc de batteries. Il détecte la sortie en courant continu des panneaux solaires, la transforme en courant alternatif à haute fréquence et la réduit à une tension et un courant continu différents pour correspondre exactement aux besoins en énergie des batteries. L’avantage d’avoir un MPPT est expliqué ci-dessous.
La plupart des panneaux PV sont construits pour une sortie de 16 à 18 volts, même si la tension nominale du panneau SPV est de 12 V. Mais une batterie nominale de 12 V peut avoir une tension réelle de 11,5 à 12,5 V (OCV) selon l’état de charge (SOC). Dans des conditions de charge, une composante de tension supplémentaire doit être fournie à la batterie. Dans les régulateurs de charge normaux, la puissance supplémentaire produite par le panneau photovoltaïque est dissipée sous forme de chaleur, tandis qu’un MPPT détecte les besoins de la batterie et donne une puissance plus élevée si une puissance plus élevée est produite par le panneau photovoltaïque. Ainsi, le gaspillage, la sous-charge et la surcharge sont évités en utilisant un MPPT.
La température affecte les performances du panneau SPV. Lorsque la température augmente, l’efficacité du panneau SPV diminue. (Remarque : Lorsque les panneaux SPV sont exposés à une température plus élevée, le courant produit par le panneau SPV augmente, tandis que la tension diminue. Comme la diminution de la tension est plus rapide que l’augmentation du courant, l’efficacité du panneau SPV est diminuée). Au contraire, à des températures plus basses, l’efficacité augmente. À des températures inférieures à 25°C (qui est la température des conditions d’essai standard(STC)), le rendement augmente. Mais l’efficacité s’équilibrera sur le long terme.
