Qu'est-ce qu'une batterie VRLA ?
Une batterie plomb-acide à régulation par soupape (VRLA) est simplement une batterie au plomb dans laquelle l’électrolyte a été immobilisé afin de recombiner l’hydrogène et l’oxygène. Il s’agit d’une construction scellée avec des valves de libération de pression pour empêcher les gaz de s’échapper, c’est ce qui lui donne son nom.
Comme l’électrolyte n’est plus à l’état fluide, du fait qu’il est mélangé à de la poudre de silice pour former un gel ou absorbé dans un mat de verre finement texturé, les gaz produits ne sont pas libres de former des bulles et de monter à la surface de l’électrolyte. Au lieu de cela, ils sont piégés dans la matrice immobilisée et forcés de se déplacer vers les pôles opposés par le gradient de pression produit lors de la charge. Dans un liquide libre, cela serait impossible.
Dans une batterie VRLA, l’oxygène produit au niveau du positif migre vers le négatif où il est réduit pour reformer de l’eau.
- Réaction de surcharge à la plaque positive : H2O = 2H+ + 2e- + 1/2O2
- Recombinaison à la plaque positive : 1/2O2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Les premières batteries VRLA (gel de silice) ont été produites dans les années 1930 par Elektrotechnische Fabrik Sonnenburg, puis améliorées et commercialisées par Sonnenschein à la fin des années 1950, toujours de type gel.
La batterie AGM est apparue au début des années 1970 et a été conçue par Gates Rubber Corporation. Il s’agissait d’une construction enroulée en spirale similaire à un condensateur. C’est dans les années 1980 que la construction familière en plaques plates a été introduite par Chloride et Tungstone au Royaume-Uni. Les batteries VRLA modernes sont généralement divisées en batteries AGM à plaques plates et en batteries GEL à plaques tubulaires, la construction à plaques tubulaires ayant l’avantage d’une longue durée de vie et d’une meilleure résistance aux cycles profonds. L’AGM bénéficie de taux de décharge plus élevés et de temps de recharge plus rapides. Comme les batteries retiennent et recombinent l’oxygène et l’hydrogène produits lors de la charge, il n’est pas nécessaire de les remplir d’eau pendant leur durée de vie garantie.
À cet avantage de l’absence d’entretien s’ajoute la possibilité de sceller la batterie, ce qui empêche la libération d’hydrogène combustible. D’autres avantages découlent de l’immobilisation de l’électrolyte, notamment l’absence de fuite ou de déversement d’acide corrosif, ce qui rend la manipulation et le transport plus sûrs. Ces caractéristiques constituent des avantages évidents pour les entreprises et les consommateurs et rendent cette technologie beaucoup plus conviviale que les batteries au plomb inondées. Dans le cadre d’une exploitation commerciale, il peut permettre de réduire les coûts en supprimant l’équipement d’extraction de gaz et de mieux utiliser l’espace de stockage disponible grâce à sa capacité à fonctionner sur le côté, offrant ainsi des options d’installation plus flexibles.
Avec ces avantages, il n’est guère surprenant que la question de savoir ce qu’est une batterie VRLA trouve une réponse et soit considérée comme le membre le plus polyvalent et le plus convivial de la famille des batteries au plomb. Cela se reflète dans les applications du marché hors réseau dans lesquelles cette technologie détient une part de marché importante. Il y a 25 applications de ce type discutées dans ce blog.
Les premiers secteurs de marché à examiner sont ceux liés à l’industrie des loisirs, plus précisément : marine, camping, voiturettes de golf et buggys de golf. Dans toutes ces applications, la batterie doit être profondément déchargée. Bien que les exigences soient similaires, la taille des charges et le mode de fonctionnement peuvent être très différents. Un caddy de golf électrique typique utiliserait une capacité de 12 V 18-35 ah pour une utilisation principalement en été, probablement toutes les deux semaines. En revanche, un buggy de golf transportant des passagers sur un grand véhicule commercial nécessiterait normalement une construction 48V avec une capacité totale allant jusqu’à 200 Ah.
Ils sont utilisés quotidiennement et sont généralement déchargés à 80 % de leur capacité nominale. Dans ce type d’exploitation commerciale, les faibles coûts de maintenance d’une batterie VRLA seraient un avantage. La durée du cycle est également un facteur important : plus elle est longue, meilleur est le RTI. Dans de nombreux cas, l’utilisation de cellules gel tubulaires de 2V, avec leur meilleure durée de vie et leur résistance aux décharges profondes et aux dommages, serait économiquement très intéressante.
L’utilisation du camping et des camping-cars repose sur les batteries pour alimenter l’éclairage et les petits appareils tels que la télévision ou le réfrigérateur. L’utilisation est irrégulière et intermittente mais généralement de type cycle profond. L’absence d’entretien ou de production de gaz à la charge, la conception anti-déversement et la manipulation sûre font des batteries VRLA la solution idéale dans ces situations. Les batteries sont invariablement de type monobloc pour des systèmes de 12 ou 24 V, avec des capacités allant de 85 à 200 Ah. Ces batteries ne sont normalement pas utilisées quotidiennement et, dans de nombreux cas, elles sont endommagées par de longues périodes de stockage dans un état déchargé ou semi-déchargé, en particulier en hiver ou hors saison.
La rubrique des applications marines couvre des utilisations allant d’une barge électrique, utilisant les batteries comme source d’énergie principale, à des accessoires de soutien tels qu’un dispositif de navigation et des équipements tels qu’un réfrigérateur, une télévision ou un éclairage de cabine. Lorsque la source d’énergie principale est la propulsion, il est nécessaire d’obtenir une puissance longue et régulière avec des pointes occasionnelles lors de l’accélération ou du démarrage.
Pour les utilisations auxiliaires, la puissance de sortie est généralement plus faible et plus variable selon que l’équipement est allumé ou éteint. Dans ce dernier cas, les batteries sont normalement rechargées par le moteur de propulsion pendant qu’il fonctionne. Il existe également une exigence marine relativement nouvelle, celle des moteurs de traîne. Il s’agit de moteurs électriques et d’unités d’hélice capables de propulser silencieusement les bateaux de pêche dans l’eau sans effrayer les bancs de poissons à proximité.
Les exigences en matière de taille, de capacité et de tension pour les applications marines varient considérablement et doivent être identifiées à partir du modèle d’utilisation et de l’équipement à alimenter. Les barges électriques, par exemple, peuvent fonctionner à 110V, alimentant un moteur électrique et toutes les installations de vie à bord. Cela nécessite souvent des cellules de gel tubulaires de 2 V dans une configuration série-parallèle pour fournir la tension, la haute capacité et la durée de vie requise pour le système électrique.
Dans le cas de la fourniture d’équipements auxiliaires, une conception monobloc est le plus souvent utilisée. Il s’agirait de monoblocs 12V avec des capacités allant de 80 à 220 Ah. Les moteurs de pêche à la traîne, cependant, prennent généralement une batterie de 12V 35 ah.
La catégorie suivante à considérer est celle de la source d’alimentation ininterrompue(UPS). Dans ce cas, la batterie doit fournir une très courte impulsion de courant élevé pour compenser une baisse momentanée de la puissance ou de la tension. Il est généralement utilisé pour des équipements tels que les émetteurs radio ou les ordinateurs afin d’éviter les interruptions de transmissions ou la perte de programmes et de données. Dans cette catégorie, nous pouvons inclure : l’alimentation de secours des téléphones, les tours de télécommunication, les petites communications, les terminaux PC, les TIC, les salles de serveurs, les centres de données et les réseaux industriels basés sur des transformateurs. Dans ces cas, le besoin en énergie est satisfait par des rafales intermittentes et rapides de courant élevé.
Bien qu’elles soient fréquentes, il s’agit de décharges peu profondes et, en raison de la condition de recharge constante, les batteries ne sont jamais profondément déchargées. Dans le cas d’une utilisation commerciale non industrielle, l’absence de gaz et de fumées acides permet d’utiliser les batteries dans les bureaux et les environnements de haute technologie où se trouvent du personnel et des équipements électroniques sensibles. Les coûts d’entretien plus faibles, par rapport aux batteries noyées, constituent un autre attrait important.
Les tensions de fonctionnement peuvent varier considérablement, depuis l’alimentation d’un simple PC domestique jusqu’à une alimentation industrielle triphasée de 440V. Alors que la majorité des installations utilisent des monoblocs 12V dans des configurations série/parallèle pour répondre aux exigences de tension et d’autonomie de l’application, les grandes installations industrielles optent souvent pour une option de gel tubulaire 2V. Les capacités peuvent varier de 25 Ah pour un petit bureau ou une installation domestique à 250 Ah pour un onduleur industriel. Pour les opérations d’alimentation de secours, les exigences sont différentes de celles des ASI.
Il peut s’agir de décharges profondes intermittentes ou régulières avec une recharge complète pour couvrir une éventualité telle qu’un éclairage de secours, le fonctionnement d’un équipement d’essai portable utilisé par exemple pour la surveillance de l’environnement ou des appareils de communication portables tels que des talkies-walkies à usage militaire. Les alarmes et les systèmes de sécurité, l’alimentation de secours des bureaux ou des téléphones auraient des profils d’utilisation similaires, c’est-à-dire une décharge profonde intermittente à 80 % de la capacité.
- Les applications pour lesquelles l’équipement est régulièrement soumis à des cycles sont notamment la signalisation routière temporaire, l’éclairage mobile, les zones domestiques et industrielles avec des coupures de courant programmées, les installations hybrides diesel ou solaires. Toutes ces activités auront des heures de fonctionnement définies et seront normalement quotidiennes.
Il n’existe pas de taille ou de configuration idéale pour les batteries, car la consommation d’énergie et les tensions de fonctionnement varient considérablement. Pour les installations plus importantes, les batteries gel tubulaires 2V sont souvent la meilleure solution en raison de leur capacité à supporter des décharges profondes et de leur durée de vie supérieure. Pour les opérations plus petites ou moins onéreuses, les batteries monoblocs sont généralement préférées, notamment en cas de restrictions d’espace. La taille d’une installation de batteries dépend de la tension de fonctionnement, de la charge et de la durée de fonctionnement de l’équipement.
Tous les secteurs du marché ne se classent pas dans une seule catégorie. De nombreuses tours de télécommunications pour téléphones cellulaires et d’autres systèmes de radiocommunication utilisent une batterie de secours comme source d’alimentation de secours ou régulière, en fonction de la qualité et de la disponibilité de l’approvisionnement local (le cas échéant). Dans un cas comme dans l’autre, il est très probable que la batterie ait besoin d’un cycle profond. Le type de batterie le plus courant est le monobloc 12V en raison de sa densité de puissance élevée, de ses dimensions compactes et de sa facilité de montage. Dans certaines grandes unités de tour de grande puissance, les cellules VRLA 2V montées sur les côtés sont la meilleure solution. L’absence d’entretien et de production de gaz rend la batterie VRLA idéale pour les sites éloignés, en particulier lorsque les batteries sont installées dans des espaces confinés.
L’autre grande catégorie qui couvre plusieurs marchés est celle de la batterie de traction, qui est la principale source d’énergie motrice pour un engin mobile. Cela s’applique à toutes les catégories de véhicules, des chariots élévateurs à fourche aux bicyclettes électriques, pour un usage industriel ou privé. Dans tous les cas, il faut décharger profondément la batterie. Pour les chariots élévateurs à fourche, l’absence de coûts de maintenance est un avantage majeur. L’inconvénient, toutefois, est que ces batteries sont plus longues à recharger, plus coûteuses et ne peuvent pas être déchargées aussi profondément que leurs homologues à électrolyte liquide. Toutefois, il faut mettre en balance ce coût avec celui des cellules inondées, qui comprend l’équipement d’extraction des fumées.
Un autre avantage important est l’absence de fumées acides et de gaz libérés lors de la recharge. Dans un entrepôt alimentaire fermé, même avec un équipement d’extraction d’air, certaines vapeurs d’acide provenant de la charge resteront à l’intérieur de la batterie inondée qui s’échappera pendant le fonctionnement du chariot élévateur et pourra contaminer les aliments stockés. La batterie idéale pour ce marché, qui comprend les transpalettes électriques, est la cellule tubulaire 2V, normalement dans des configurations en série de 12 à 80V. La capacité peut varier de 25 Ah pour un transpalette à 1 000 Ah pour un chariot élévateur à fourche de grand tonnage.
L’utilisation non industrielle couvre des marchés tels que les scooters de mobilité et les fauteuils roulants pour des raisons médicales. Il existe un petit secteur qui utilise des batteries au plomb pour les bicyclettes électriques, les pousse-pousse et les petites applications de véhicules électriques qui sont considérées comme des utilisations non récréatives. Toutes ces applications nécessitent des batteries de conception compacte avec une densité énergétique assez élevée. C’est ce que permet la gamme de batteries monoblocs.
Une utilisation peu courante des batteries VRLA est celle du démarrage du moteur. Cependant, de nombreux véhicules modernes utilisent les versions AGM à cette fin. En raison de l’immobilisation de l’électrolyte, elle est moins sujette aux défaillances dues à la stratification de l’électrolyte et à la sulfatation que les conceptions inondées. Il est particulièrement adapté aux véhicules à démarrage lent, pour lesquels la durée de vie d’une batterie inondée peut être aussi courte que 6 mois. Grâce à son matelas de verre hautement compressé qui maintient en place la matière active des plaques, elle convient parfaitement aux véhicules tout-terrain et hors route, où les chocs et les vibrations peuvent facilement endommager les plaques de batteries inondées.
Comme elle coûte plus cher qu’une batterie noyée, elle n’est pas un composant standard dans la plupart des automobiles produites en série. Cependant, il s’agit d’un choix naturel pour le marché des véhicules de luxe, où l’on considère que sa puissance de démarrage élevée, sa durée de vie plus longue et sa capacité supérieure de démarrage à froid valent le léger surcoût.
Lessous-marins dépendent entièrement de l’alimentation par batterie lorsqu’ils sont immergés, car il n’y a pas d’oxygène pour alimenter un moteur à combustion. La taille des sous-marins varie de la petite embarcation de loisir et de recherche aux bateaux militaires sous-marins d’environ 70 mètres de long et pesant plus de 2 000 tonnes. Les sous-marins militaires ont traditionnellement utilisé de très grands modèles tubulaires inondés d’environ 2 000 Wh par cellule, avec jusqu’à 175 cellules connectées en série. Pour des raisons évidentes, il est hautement souhaitable de disposer de batteries qui ne produisent pas de gaz explosif à bord d’un engin étanche. Dans le cadre d’une utilisation militaire, les batteries sont normalement chargées à partir des moteurs diesel lorsque l’engin est en surface et correctement ventilé.
Toutefois, si l’on supprime le travail d’entretien des batteries dans des conditions très exiguës et difficiles, cela constitue un avantage majeur. Comme il s’agit d’une application à décharge profonde et qu’une durée de vie plus longue signifie moins de temps d’arrêt pour remplacer les batteries, les cellules gel tubulaires 2V sont un choix évident et presque obligatoire pour cette application. En revanche, un petit bateau de recherche et de plaisance peut utiliser des batteries monoblocs pour gagner de la place. En raison de la diversité des conceptions, les tensions de fonctionnement et les capacités peuvent varier énormément.
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