Egalisation de la charge dans une batterie au plomb
L’objectif de l’égalisation de la charge est d’amener la tension de charge d’une batterie au plomb à des niveaux de gazage afin que tout le sulfate de plomb non converti soit chargé en plomb et en dioxyde de plomb, respectivement, dans le NAM et le PAM.
Charge d'égalisation : Batteries d'égalisation
Un entretien correct des batteries au plomb permet d’améliorer leur durée de vie. L’égalisation de la charge est l’un des aspects les plus importants de cette procédure d’entretien.
Définition de la taxe de péréquation
Pour ce type de batteries, l’objectif de l’égalisation de la charge est d’amener la tension de charge d’une batterie de 12 V à des niveaux de gazage afin que tout le sulfate de plomb non converti soit chargé en plomb et en dioxyde de plomb, respectivement, dans le NAM et le PAM. Lorsqu’il y a un dégagement gazeux libre et abondant, tous les ions sulfate non chargés passent dans l’électrolyte et augmentent la densité de l’acide.
Vinal, dans son ouvrage classique, donne la relation entre la tension des cellules et les niveaux de gazage.
Niveaux de gazage et tensions des cellules lors de la charge des cellules inondées.
(Crédits : Vinal, G.W., Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, page 262)
| Tension de la cellule (V) | Niveau de gazage | Composition des gaz dégagés H 2 Pourcentage | Composition des gaz dégagés O 2 Pourcentage |
|---|---|---|---|
| 2.2 | Pas de gazage | - | - |
| 2.3 | Léger | 52 | 47 |
| 2.4 | Normal | 60 | 38 |
| 2.5 | Copieux | 67 | 33 |
De même, les batteries qui n’ont pas été correctement chargées à l’usine nécessitent une charge d’égalisation supplémentaire. Cela peut être mis en évidence par une augmentation de la gravité spécifique de l’électrolyte dans les quelques mois qui suivent la mise en service de la batterie, par exemple une batterie d’onduleur. Normalement, la valeur de la gravité spécifique sera de 1,240 avant l’expédition. Une fois cette valeur atteinte, certains fabricants arrêtent la charge et considèrent que la batterie a été entièrement chargée.
En fait, s’ils avaient poursuivi la charge initiale, ils auraient pu constater une augmentation substantielle de la gravité spécifique. Cet aspect de la charge initiale indique la présence de sulfate de plomb non chargé dans les plaques. Cette quantité de sulfate de plomb a contribué à augmenter la gravité spécifique de l’électrolyte lors de la poursuite de la charge.
Comment la charge d'égalisation peut-elle aider ?
La charge d’égalisation permet de réaliser la durée de vie prévue de la batterie, en évitant une défaillance prématurée due à une charge insuffisante. Une batterie qui reçoit une charge d’égalisation régulière vivra plus longtemps qu’une autre qui n’en reçoit pas. Cela est particulièrement vrai dans le cas des batteries de chariots élévateurs, des batteries automobiles et des batteries d’onduleurs. Nous avons vu que le fait de donner une charge d’égalisation à la batterie du chariot élévateur assure de meilleures performances de la batterie du chariot élévateur. L’extension de la durée de vie de la batterie par le contrôle de l’égalisation de la charge est la voie établie pour une meilleure performance de la batterie.
Dans certains pays, les batteries d’onduleurs et d’alimentation stationnaire ne connaissent pas de coupures de courant, même pendant quelques minutes par an. Dans de telles situations, les fabricants de piles conseillent au consommateur de couper l’alimentation secteur pendant quelques minutes. Cela évitera la « passivation du flotteur ».
Qu'est-ce qu'une charge d'égalisation pour une batterie
Tous les aspects discutés ci-dessus s’appliquent également aux batteries VR. La seule différence est que la tension de charge pour la charge d’égalisation est plus faible. Les batteries ne doivent pas être chargées à plus de 14,4 V (pour une batterie de 12 V) pendant une charge d’égalisation. Les taux de gazage sont :
Niveaux de gazage et tensions des flotteurs des cellules lors de la charge des cellules à régulation par valve.
Tension de charge égalisatrice
| Tension de la cellule (V) | Niveau de gazage | Efficacité de recombinaison (%) | Taux de gazage * | Taux de gazage relatif |
|---|---|---|---|---|
| 2,25 à 2,3 | Dégagement gazeux négligeable | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | Un certain gazage | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | Gazage | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/h/Ah/cellule de : Crédits : C&D Technologies : Technical Bulletin 41-6739, 2012.).1 pied cube = 28317 cc (= (12*2.54)3 = 28316.85)
Égalisation de la charge - En quoi les batteries VRLA diffèrent-elles des batteries plomb-acide inondées ?
La chimie de base des deux versions de la batterie au plomb est la même. Les réactions de décharge sont similaires, mais les réactions de charge diffèrent par leurs étapes intermédiaires.
Les gaz (hydrogène et oxygène) qui se dégagent à la fin de la charge d’une batterie plomb-acide sont évacués. L’oxygène gazeux dégagé sur la plaque positive des cellules VR se déplace facilement vers la plaque négative et oxyde le plomb, en raison des coefficients de diffusion plus élevés dans un milieu gazeux. Il s’agit d’une réaction rapide dans les cellules VR. Un tel mouvement des gaz n’est pas possible dans les cellules inondées en raison des coefficients de diffusion plus faibles. Des conditions similaires à celles des cellules inondées se produiront également dans les cellules VR si l’AGM est entièrement saturée et la réaction de recombinaison de l’oxygène ne commencera que lorsque la condition d’électrolyte affamé commencera à se développer en raison de l’électrolyse de l’eau et de la perte d’une partie de l’eau.
Dans une pile régulée par une valve, le dégagement d’hydrogène est inhibé par la formation de sulfate de plomb pendant la charge. Ce sulfate de plomb porte le potentiel de la plaque négative à des valeurs plus positives, de sorte que le dégagement d’hydrogène est très réduit. Des alliages spéciaux sont également utilisés dans la grille négative qui aura une surtension d’hydrogène plus élevée.
Egalisation de la charge : Du point de vue de la construction, les batteries VRLA présentent les différences suivantes :
- Le volume de l’électrolyte est moindre dans une batterie VRLA. Il en est ainsi intentionnellement car il doit y avoir un passage pour que l’oxygène dégagé par le PAM entre en contact avec le NAM par l’intermédiaire des pores non saturés du séparateur à mat de verre absorbant (AGM). Pour compenser le volume réduit de l’électrolyte, un acide de densité plus élevée est utilisé dans les batteries VR. Cela permettra également de compenser la réduction des capacités à faible taux.
Les éléments sont fortement comprimés dans la batterie VRLA. Cet aspect joue le rôle le plus important dans l’amélioration de la durée de vie des batteries. La compression de la paroi du séparateur de plaques et du conteneur fait partie intégrante de la conception. Cela assure une bonne diffusion de l’électrolyte entre les plaques et le séparateur. La durée de vie est également augmentée en raison de la réduction de l’expansion positive du matériau actif et de la perte de capacité qui en résulte.
- Les batteries VRLA sont équipées d’une valve de refermeture unidirectionnelle dans chaque cellule ou d’une valve commune à quelques cellules (en particulier dans les cellules de petite capacité). Cette valve multifonctionnelle fonctionne de la manière suivante :
i. Empêche la pénétration accidentelle d’air atmosphérique (oxygène).
ii. Aide au transport d’oxygène sous pression de la PAM à la NAM.
iii. Empêche l’explosion en cas de développement excessif de la pression à l’intérieur de la batterie en raison d’une charge abusive ou d’un mauvais fonctionnement du chargeur.
- Le bon fonctionnement des batteries VRLA dépend du cycle interne de l’oxygène, qui dépend à son tour d’une construction étanche : le joint du couvercle au couvercle et le joint du pot au couvercle. Le cycle interne de l’oxygène permet de réduire le dégagement d’hydrogène et donc la perte d’eau.
Cycle interne de l’oxygène
Pendant la charge de la batterie VRLA :
Au niveau de la plaque positive, du gaz O2 est dégagé et des protons et des électrons sont produits.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1
L’oxygène, les ions hydrogène et les électrons produits par l’électrolyse de l’eau sur la plaque positive traversent les pores vides, les pores remplis de gaz et les canaux d’électrolyte du séparateur AGM (ou les fines fissures de la matrice d’électrolyte gélifié dans le cas des batteries VR gélifiées) et atteignent les plaques négatives. Ce gaz se combine avec le plomb dans le NAM pour devenir du PbO et l’oxygène réduit se combine avec les ions hydrogène pour former de l’eau. Cet oxyde se combine chimiquement avec les ions sulfate pour former du sulfate de plomb.
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + chaleur ……… Eq. 2
—————————————————–
Mais, s’agissant d’un processus de charge, le sulfate de plomb ainsi produit doit à nouveau être transformé en plomb ; l’acide sulfurique est généré par voie électrochimique en réagissant avec les protons (ions hydrogène) et les électrons résultant de la décomposition de l’eau au niveau des plaques positives lorsqu’elles sont chargées.
2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3
Lorsque le NAM se transforme en PbSO4 pendant une charge, le potentiel de la plaque négative devient plus positif (comme dans le cas d’une décharge). Cela permet d’entraver la réaction d’évolution de l’hydrogène. De très petites quantités d’hydrogène gazeux sont produites, mais la valve unidirectionnelle permet d’éviter que la pression à l’intérieur du pot n’atteigne des niveaux dangereux en évacuant l’hydrogène dans l’atmosphère, ce qui protège la batterie contre le gonflement et d’autres défauts.
La dernière réaction rétablit l’équilibre chimique de la cellule. La somme nette des réactions (Eq 1) à (Eq 3) étant nulle, l’énergie électrique dépensée pendant la charge est convertie en chaleur plutôt qu’en énergie chimique [Ref R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].
L’avantage le plus important d’une cellule VRLA est qu’il n’est pas nécessaire d’ajouter de l’eau comme procédure d’entretien. L’avantage suivant est qu’elle dégage une quantité négligeable de gaz au cours de son fonctionnement, en raison d’une recombinaison proche de 100 % aux tensions d’entretien recommandées de 2,25 à 2,3 V par cellule. De plus, il n’y a aucune restriction de transport pour déplacer ces batteries d’un endroit à l’autre.
Piles primaires et rechargeables
Une batterie est définie comme un dispositif électrochimique capable de convertir l’énergie chimique en énergie électrique par des réactions d’oxydoréduction et d’agir ainsi comme une source d’énergie électrochimique. Mais, ce n’est pas une source pérenne de pouvoir. La batterie ne fournira de l’énergie que jusqu’à ce qu’il y ait suffisamment de matières actives pour entretenir les réactions de production d’énergie. Une fois que le niveau de tension de la batterie atteint un certain niveau inférieur défini par la chimie du système, les réactions doivent être inversées, c’est-à-dire que la batterie doit recevoir du courant continu. Cette action consistant à fournir un courant continu dans le sens inverse de la décharge à une batterie déchargée pour inverser les réactions de décharge est appelée « charge ».
Cela permettra de régénérer les matières actives originales des produits de décharge et d’augmenter la tension de la batterie à des valeurs plus élevées, là encore définies par la chimie du système. Cette déclaration est applicable aux batteries dites secondaires ou d’accumulateurs. Elle ne concerne pas les cellules primaires telles que celles utilisées dans les torches électriques et les montres-bracelets. La baisse de la tension de la batterie pendant une décharge est due à l’épuisement des matériaux actifs et à plusieurs autres raisons.
Une unité indépendante de la batterie est appelée « cellule ». Une batterie est une combinaison de deux ou plusieurs cellules connectées de plusieurs manières différentes pour atteindre la tension et la capacité nominales prévues ou la capacité totale en kWh. Le plus souvent, une batterie monobloc est employée dans les automobiles et les batteries au plomb-acide à régulation par soupape(VRLA) et les batteries tubulaires de petite capacité (jusqu’à 12V/200 Ah) ; au-delà de cette capacité, des cellules individuelles sont utilisées pour obtenir les capacités en kWh requises en les combinant en série ou en série-parallèle.
Une batterie plomb-acide de 48V/1500 Ah (ou 72 kWh) peut comporter 24 éléments de 2V/1500 Ah connectés en série ou 48 éléments de 2V/750 Ah connectés en série-parallèle. Cela représente 24 cellules connectées en série pour former une batterie de 48V/750Ah (ou 36 kWh). Une autre batterie de 48V/750 sera connectée en parallèle à la première pour former une batterie de 48V/1500 Ah (72 kWh).
Autre exemple d’une batterie de véhicule électrique (VE) au lithium-ion (Li-ion) :
Selon la taille du pack de batteries, le fabricant de VE Tesla utilise environ 6 000 à 8 000 cellules par pack, chaque cellule ayant une capacité de 3,6 V/3,1 à 3,4 Ah pour construire un pack de batteries de 70 ou 90 kWh.
La batterie de 70 kWh de Tesla EV utilise environ 6000 cellules de type 18650 NCA de 3,7 V/3,4 Ah, connectées dans un arrangement série-parallèle compliqué. Il a une autonomie de 325 km par charge. (Ici, le chiffre 18650 fait référence à un type particulier de cellule Li-ion ayant des dimensions approximatives de longueur (ou hauteur) de 65 mm et de diamètre de 18 mm. Le terme « NCA » désigne le matériau de la cathode utilisée dans cette cellule, par exemple, N = nickel, C = cobalt et A = aluminium, c’est-à-dire le matériau de la cathode en oxyde de nickel-cobalt-aluminium).
Le pack de 90 kWh comporte 7 616 cellules réparties en 16 modules. Le poids est de 540 kg. Son autonomie est de 426 km par charge.
Composants d'une cellule de batterie :
Les composants les plus essentiels d’une batterie sont :
a. Anode (plaque négative)
b. Cathode (plaque positive)
c. L’électrolyte (dans une batterie plomb-acide, l’électrolyte est également une matière active, mais pas dans la plupart des autres systèmes).
Les trois éléments ci-dessus sont appelés composants actifs
Bien sûr, il existe des composants inactifs comme
a. Bocal
b. Grilles de collecte actuelles
c. Barre bus ou bandes de connexion
d. Séparateurs
e. Connecteurs intercellulaires
f. Bornes, etc.
Dans une batterie au plomb, l’électrolyte (acide sulfurique dilué) participe à la réaction de production d’énergie, comme le montre la réaction de la cellule ci-dessous. L’acide sulfurique est consommé pour transformer le dioxyde de plomb et le plomb en sulfate de plomb. La densité de l’électrolyte diminue donc au fur et à mesure de la réaction de décharge. Au contraire, lorsque la cellule est chargée, la densité de l’électrolyte augmente au fur et à mesure de la réaction de charge. La raison en est que les ions sulfate absorbés par les deux matériaux actifs pendant la décharge sont libérés dans l’électrolyte et que la densité de l’électrolyte augmente.
Réactions de décharge et de charge
Les réactions d’une pile ou d’une batterie galvanique sont spécifiques au système ou à la chimie :
Par exemple, la pile au plomb :
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Décharge ↔ Charge 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V
Dans une pile Ni-Cd
Cd + 2NiOOH + 2H2O Décharge ↔ Charge Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V
Dans une cellule de Zn-Cl2 :
Zn + Cl2 Décharge ↔ Charge ZnCl2 E° = 2,12 V
Dans une cellule de Daniel (Il s’agit d’une cellule primaire ; notez ici l’absence de flèches réversibles)
Zn + Cu2+ Décharge ↔ Charge Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V
Égalisation de la tension de charge : en savoir plus sur la charge d'une batterie
Comme décrit ci-dessus, une batterie de stockage n’est pas une source d’énergie pérenne. Une fois qu’il est épuisé, il faut le recharger pour obtenir à nouveau de l’énergie. Les piles sont censées avoir une certaine durée de vie, appelée espérance de vie. Pour obtenir la durée de vie et la fiabilité prévues, les batteries d’accumulateurs doivent être correctement chargées et entretenues conformément aux instructions fournies par les fabricants. Des méthodes de charge appropriées doivent être utilisées pour obtenir une durée de vie maximale de la batterie.
Réactions dans une pile au plomb :
Pendant la décharge: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
La décharge ne se produira que jusqu’à ce qu’une certaine quantité de matériaux conducteurs soit présente dans la cellule ; ensuite, le taux de chute de la tension sera si rapide que la tension finale sera atteinte rapidement. Il existe donc ce que l’on appelle une tension de coupure ou tension finale, au-delà de laquelle la décharge ne doit pas être poursuivie. Une décharge supplémentaire rendra la recharge difficile et peut conduire à des résultats catastrophiques inattendus.
Les batteries doivent être rechargées immédiatement après leur décharge aux taux recommandés par le fabricant ou selon les instructions fournies par celui-ci.
Que se passe-t-il lors des réactions de décharge et de charge à l’intérieur d’une cellule ?
Electrolyte : 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾
Plaque négative : Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e
Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+
⇑ ⇓
Plaque positive : PbO2 = Pb4+ + 2O2-
Pb4+ + 2e = Pb2+
Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O
L’acide sulfurique étant un électrolyte fort, il se dissocie sous forme d’ions hydrogène et d’ions bisulfate (également appelés ions hydrogénosulfate).
Au début de la décharge, le plomb poreux de la plaque négative est oxydé en ions de plomb (Pb2+) et, comme il est toujours en contact avec l’électrolyte acide sulfurique, il se transforme en sulfate de plomb (PbSO4) ; ce dernier se dépose sous la forme d’une matière blanche sur les pores, la surface et les fissures des plaques négatives. La première réaction (le plomb devenant des ions de plomb) est de nature électrochimique tandis que la seconde (les ions de plomb devenant du sulfate de plomb) est une réaction chimique.
Nous disons que le plomb se dissout sous forme d’ions plomb à proximité du site de réaction et se dépose immédiatement sous forme de sulfate de plomb après s’être combiné avec les ions bisulfate de l’électrolyte sur le matériau actif négatif (NAM). Ce type de réaction est appelé mécanisme de dissolution-dépôt ou de dissolution-précipitation en électrochimie.
De même, la matière active positive (PAM) se combine avec les électrons provenant du NAM et devient des ions plomb, qui se combinent avec les ions bisulfate de l’électrolyte et se déposent sous forme de sulfate de plomb sur la matière active positive, suivant le même mécanisme de dissolution-dépôt.
Pendant une recharge : 2PbSO4 + 2H2O Charge→ PbO2 + Pb + 2H2SO4
Les produits de réaction obtenus lors de la décharge sur les plaques positives et négatives sont reconvertis en matériaux d’origine lors d’une charge. Ici, les réactions ont des désignations inverses à celles d’une décharge. La plaque positive subit une oxydation, tandis que la plaque de polarité opposée subit une réduction.
Charge d'égalisation : Quand la charge complète est-elle terminée
On considère que les batteries ont terminé la recharge normale si les conditions suivantes sont remplies :
| Paramètre | Batterie au plomb inondée | Batterie au plomb-acide à régulation par soupape (VRLA) |
|---|---|---|
| Tension et courant de charge | On suppose ici une charge à courant constant : la tension d'une batterie à la fin d'une charge doit être constante pour un courant donné. La valeur peut être de 16,2 à 16,5 V pour une batterie de 12 V. | Pour une tension constante (disons 13.8v à 14.4v pour une batterie de 12v), le courant doit être constant pendant au moins deux heures. |
| Poids spécifique de l'électrolyte | La gravité spécifique de l'électrolyte doit également atteindre une valeur constante. Cette valeur dépend de la batterie entièrement chargée lorsqu'elle a été fournie par le fabricant. | La gravité spécifique de l'électrolyte ne peut pas être mesurée. |
| Nature du gazage | Gazage uniforme et copieux sur les deux plaques. Le volume des gaz dégagés sera de 1:2 comme dans l'eau, c'est-à-dire 2 volumes d'hydrogène pour 1 volume d'oxygène. | Aux niveaux de tension de charge recommandés pour les VRLAB, on observe un dégagement gazeux négligeable. À une charge flottante de 2,25 à 2,3 volts par cellule (Vpc), aucun dégagement de gaz n'est observé. A 2,3 Vpc, un VRLAB de 12V 100Ah peut émettre 8 à 11 ml/h/12V de batterie. Mais à 2,4 Vpc, c'est presque le double, 18 à 21 ml/h/12V de batterie. (i. pbq VRLA Batteries, janvier 2010. ii. C&D Technologies : Bulletin technique 41-6739, 2012). |
Charge d'égalisation : Qu'est-ce qu'une charge d'égalisation pour une batterie ?
- Une batterie au plomb nouvellement assemblée nécessite un remplissage initial et une charge initiale.
- Une batterie déchargée nécessite une recharge normale.
- Les batteries connectées aux appareils et équipements ne sont normalement pas complètement chargées, en ce sens qu’elles n’atteignent pas la tension de charge complète de > 16 V pour une batterie de 12V. Par exemple, dans l’application SLI (démarrage, éclairage et allumage) des automobiles, la tension maximale que la batterie peut atteindre est d’environ 14,4 V pour une batterie de 12V. De même, les tensions de charge de la batterie de l’onduleur/de l’onduleur ne dépassent pas 13,8 à 14,4 V. Dans ces applications, le processus d’accumulation de sulfate de plomb non converti dans les plaques positives et négatives continue d’augmenter au fur et à mesure que la durée de vie de la batterie augmente.
La raison en est que les valeurs des tensions mentionnées ci-dessus ne sont pas suffisantes pour ramener tous les produits déchargés aux matériaux actifs d’origine. Ces batteries nécessitent une recharge périodique pour amener toutes les cellules à une charge complète et au même niveau. Cela permet également d’éliminer les effets de la stratification de l’électrolyte. Ce type de facturation d’appareils supplémentaires s’appelle une charge de banc ou une charge d’égalisation.
Conclusions sur la taxe de péréquation :
La charge d’égalisation fait partie de la procédure d’entretien. La tension maximale à laquelle la charge d’égalisation peut être effectuée dépend du type de la batterie au plomb, qu’elle soit de type noyé ou de type VRLA. Le premier type de cellules peut être chargé à courant constant jusqu’à une tension de 16,5 V pour une batterie de 12 V afin de mettre toutes les cellules d’une batterie au même niveau.
Cependant, les cellules VRLA doivent être chargées uniquement par la méthode de tension constante et cette tension imposée ne doit pas dépasser la tension maximale recommandée de 14,4 V pour une batterie de 12V. Lorsque l’installation de charge à tension constante n’est pas disponible, les batteries VRLA peuvent être chargées à courant constant avec une surveillance constante de la tension aux bornes (TV) de la batterie. Lorsque le téléviseur approche ou dépasse le niveau de 14,4 V, le courant de charge doit être réduit de façon continue afin que le téléviseur ne puisse pas dépasser 14,4 V.
