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Les batteries

Tout sur les batteries marines...

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Réalisé par Normand Corbeil

Les batteries à l'acide/plomb

Synonymes usuels : pile, accumulateur.

Catégories des batteries secondaires, soit des batteries rechargeables.

Cellules : ensemble d'électrodes générant une tension de 2V (2.2V).

Principe de fonctionnement

Réaction chimique entre le plomb des électrodes et l'électrolyte (acide sulfurique).

Phénomènes, caractéristiques et définitions

Cellule

Composant convertissant l'énergie chimique en énergie électrique. Par exemple, une cellule à l'acide plomb génère, à vide, environ 2 Vcc et une au nickel cadmium 1.3Vcc. Certains auteurs utilisent pile au lieu de cellule.

Cellule primaire

Composant non rechargeable. Une fois la réaction chimique épuisée la cellule est déchargée et bonne pour les rebus (recyclable).

Cellule secondaire (accumulateur)

Composant rechargeable. On recharge la cellule en forçant un courant inverse à l'aide d'un chargeur.

Batterie

Branchement de cellules en série et ou en parallèle. En série on augmente la tension et en parallèle on augmente la capacité. Par exemple, six cellules au plomb-acide branchées en série forment une batterie de 12Vcc. Une batterie forme souvent un monobloc.

AGM

«Absorbed glass mat». Batterie de type AGM. Technique de construction dont l'électrolyte est emmagasiné dans un matériel spongieux. Comme l'électrolyte n'est pas liquide on peut les installer debout ou à l'horizontal. Ces batteries sont scellées et elles ne peuvent et ne doivent jamais être ouverte. Elles sont équipées de valves de sécurité évacuant le surplus de pression lors de surcharge accidentelle ou d'élévation de la température interne.

GEL

Batterie de type GEL. Technique de construction dont l'électrolyte est sous forme de gel. Comme l'électrolyte n'est pas liquide on peut les installer debout ou à l'horizontal. Ces batteries sont scellées et elles ne peuvent et ne doivent jamais être ouverte. Elles sont équipées de valves de sécurité évacuant le surplus de pression lors de surcharge accidentelle ou d'élévation de la température interne.

Liquide

Batterie à électrolyte liquide. Technique de construction utilisant un électrolyte liquide. À installer debout seulement. On peut suivre l'évolution de la batterie en mesurant la densité de l'électrolyte accessible par des bouchons vissables. Lors d'une surcharge accidentelle on peut ajouter de l'eau afin de compenser la perte par évaporation.

Lithium-ion

Batterie utilisant du lithium au lieu du plomb. Batterie scellée à installer debout ou à l'horizontal. Offre le meilleur rapport énergie/poids.

Ampère-heure (Ah)

Unité qui s'apparente à la quantité d'énergie. Cela peut être la quantité d'énergie qu'une batterie contient (pe 100Ah).

Cela peut aussi représenter la quantité d'énergie qui a été fournie à un accessoire, qui est aussi la quantité d'énergie tirée ou demandée par cet accessoire. Par exemple un moteur de 3A fonctionnant pendant 5 heures aura consommé 15Ah.

Ou encore, la quantité d'énergie qu'un chargeur a fournie à la batterie (cas des cellules secondaires).  Par exemple une batterie en recharge avec un courant de 10A pendant 8 heures aura reçue théoriquement 80Ah. En pratique, 10 à 20% de ce 80Ah ira en perte (chaleur ou autre) et le restant à la recharge de la batterie.

Capacité (C)

Quantité d'énergie qu'une cellule ou une batterie contient et exprimée en ampère-heure (Ah). Surtout utilisé pour les batteries à décharge profonde. La capacité est grosso modo proportionnelle aux dimensions physiques de la batterie. Elle est spécifiée à une température donnée (habituellement 25 ou 27°C) pour une tension finale (habituellement 1.75Vpc ou 10.5V (12V)) et pour un courant de décharge donné (habituellement à C20). C20 est la capacité de la batterie pour le courant qui amènera la tension de la batterie à la tension finale en 20 heures à la température spécifiée.

Cela veut dire que pour une même batterie on peut avoir des capacités nominales différentes. Par exemple, la 12HHG8D de Surrette (6 cellules =12V) a une C20 de 275Ah soit un courant de décharge de 13.8A (13.8Ax20h=275Ah) et a une C10 de 243Ah si le courant est de 23.4A. On peut aussi dire que cette batterie pourra théoriquement fournir 275Ah à raison de 13.8A pendant 20 heures à une température de 25°C et sa tension à la fin sera descendue à 10.5V (6 X 1.75V).

La capacité est spécifiée pour une batterie neuve et à pleine charge.

CXY : capacité de la batterie pour une décharge sur XY heures pour une température et une tension finale données. C'est la capacité en fonction d'un courant de décharge. (I décharge = CXY en Ah / XY heures)

Courant de pointe (CCA cold cranking amp)

Courant que peut fournir une batterie neuve et à pleine charge à -18°C pendant 30 secondes et maintenir une tension ≥ à 1.2V par cellule (7.2V pour une 12V). Surtout utilisé pour évaluer la capacité d'une batterie à actionner le démarreur d'un moteur à combustion par temps froid.

CA (cranking amp) ou MCA (marine cranking amp)

Même définition que le CCA mais pour une température de 0°C. CYCLIQUE : Mode d'utilisation où la batterie subit des cycles de décharges/recharges répétitifs, comme sur un voilier. L'autre mode est le maintient où la batterie est constamment en recharge en attente d'une utilisation ponctuelle comme dans un éclairage d'urgence.

Décharge

% de décharge (depth of discharge, DOD). Expression de l'énergie en Ah tirée de la batterie en % de sa capacité nominale. Par exemple, une batterie neuve de C10 = 200 Ah et à pleine charge ayant poussé un courant de 20A pendant 3 heures aura débité 60 Ah sur 200 Ah soit 30% déchargée. C'est le complément de l'état de la charge de la batterie.

Décharge profonde

Batterie à décharge profonde. Construction qui permet de puiser jusqu'à environ 50% de la capacité de la batterie sans pour autant diminuer significativement sa durée de vie. Règle générale ces batteries ne sont pas efficaces pour fournir de fort courant momentanément mais elles sont performantes à fournir des courants relativement faibles sur de longue période. Contraire aux batteries de démarrage.

NB : Les batteries modernes à décharge profonde peuvent aisément lancer un moteur diesel.

Démarrage

Batterie de démarrage. Construction qui permet à la batterie de fournir un fort courant momentanément, comme pour le lancement d'un moteur à combustion entraîné par un démarreur. La durée de vie de ces batteries est extrêmement diminuée lorsqu'on les décharge profondément. C'est pourquoi elles sont surtout utilisées dans des véhicules motorisés équipés d'un alternateur. Contraire aux batteries à décharge profonde.

Durée de vie

L'expectative de la durée de vie d'une batterie dépend du type d'exploitation. Elle s'exprime :

  1. En année lorsqu'utilisée en phase de maintient (float) ie que la batterie est continuellement en recharge de maintient dans l'attente d'une utilisation ponctuelle (éclairage d'urgence; système d'alarme; système d'alimentation sans coupure, etc).
  2. En nombre de cycle recharge/décharge lorsqu'utilisée dans des situations répétées de recharge et décharge comme sur un voilier où dans des applications avec panneau solaire et ou éolienne. Ce nombre de cycle est fonction du % de décharge atteint. Par exemple, une batterie qu'on décharge régulièrement de 50% aura une durée de 650 cycles alors quelle sera à 2000 cycles si on la creuse de 20%.

Cette durée de vie est spécifiée en fonction de la température et en considérant que la batterie est rechargée pleinement à chaque cycle et selon les exigences du manufacturier.

Égalisation

Surcharge volontaire et contrôlé de la batterie pendant un certain temps afin de résorber la stratification (cas des liquides), d'enlever la sulfatation non cristallisée, et d'égaliser la densité de l'électrolyte entre les cellules d'une même batterie. Les batteries «liquide» se prête bien à l'égalisation alors qu'elle est difficilement réalisable sur les GEL et AGM.

État de la charge

% de l'état de la charge d'une batterie (state of charge, SOC). Expression de l'énergie en Ah actuelle ou restante d'une batterie en % de sa capacité nominale. Par exemple, une batterie neuve de C10 = 200 Ah et à pleine charge ayant poussé un courant de 20A pendant 3 heures aura débité 60 Ah pour une capacité résiduelle de 140 Ah et un état de charge de 70%. C'est le complément du % de décharge de la batterie.

Marine

Batterie à décharge profonde marine. Construction qui offre une meilleure résistance aux vibrations et à l'environnement marin comme l'humidité et les chocs. Pour une «liquide» elle a plus d'électrolyte afin que les plaques restent toujours couvertes lors des mouvements et inclinaisons du bateau. Notez qu'une batterie marine de bonne qualité, même si elle n'est pas une batterie de démarrage, est capable de lancer un moteur diesel.

Recharge

Procédé qui consiste à fournir de l'énergie à une batterie déchargée. On devrait recharger une batterie à l'aide d'un régulateur de tension à trois étapes :

  1. fort courant constant (charge rapide) (bulk);
  2. tension constante (absorption);
  3. maintient (float).

En principe une recharge complète nécessite une douzaine d'heures minimum.

Réserve en minute

Temps en minute que prendra une batterie neuve et à pleine charge à atteindre une tension de 1.75Vpc (10.5V) en fournissant 25A. Cette donnée est surtout utilisée pour évaluer le temps de fonctionnement des accessoires lors d'une panne du circuit de recharge d'une batterie de démarrage.

Résistance interne

Une batterie peut être représentée par une batterie idéale en série avec une résistance interne. Au départ (batterie neuve) cette Rint dépend de la constitution chimique et de la capacité de la batterie. Par la suite Rint est :

  1. momentanément proportionnelle à la profondeur de la décharge;
  2. momentanément inversement proportionnelle à la Tbatt;
  3. irrémédiablement proportionnelle à l'âge de la batterie;
  4. irrémédiablement proportionnelle à la sulfatation.

La résistance interne explique :

  • L'écrasement de la tension de la batterie lorsqu'on branche un accessoire à ses bornes;
  • L'échauffement de la batterie lors des recharges et des décharges;
  • L'emballement de la température d'une AGM en recharge (T↑⇒Rint↓⇒ Irecharge↑⇒T↑et ainsi de suite). C'est la raison de limiter la grandeur du courant de recharge d'une AGM même si techniquement on peut la recharger avec un fort courant;
  • La recharge incomplète d'une batterie sulfatée en faussant la lecture du chargeur.

Stratification

Gradation de la densité de l'électrolyte, plus dense à la base de la batterie et moins dense en surface. Peut affecter l'interprétation de la mesure à l'hydromètre puisque le prélèvement se fait à la surface. L'uniformité de la densité apparaît vers la fin d'une recharge lorsque l'électrolyte «bouille» ou à la suite d'une égalisation. Une stratification quasi permanente engendre la corrosion de la base des plaques.

Phénomène inexistant pour les GEL et inexistant pour les AGM ayant une C20 ≤ 300Ah.

Sulfatation

En mode décharge du sulfate se forme sur les plaques. La sulfatation est le durcissement du sulfate. Une fois durci il est très difficile voire impossible de le résorber. Cela engendre une diminution effective de la surface des plaques qui se traduit par une perte permanente de capacité et une augmentation permanente de la Rint. On ralenti la sulfatation en :

  1. rechargeant à 100% après chaque utilisation;
  2. diminuant le temps entre la décharge et la recharge (une ou deux semaines au max);
  3. ne déchargeant pas plus de 50%.

On peut résorber une sulfatation qui n'est pas cristallisée par l'égalisation (impossible ou risqué pour les AGM et GEL).

Faits sur les batteries

Durée de vie

La durée de vie est inversement proportionnelle à la température moyenne annuelle de la batterie.

La durée de vie est inversement proportionnelle à la profondeur de la décharge.

Charge et décharge

On ne doit jamais décharger à plus de 80%, cela occasionne des dommages permanents. En principe on ne décharge pas à plus de 50% les batteries de qualité supérieure et à 30% celles de qualité moyenne.

Par exemple, un voilier consommant 50Ah avant une recharge complète, aura besoin d'une batterie d'au moins 100Ah. Une batterie choisie de 200Ah subira une décharge moins profonde et aura une durée de vie beaucoup plus grande (pe 600 cycles vs 1500).

Une batterie qui n'est pas rechargée à 100% sur une base régulière durcira son sulfate et perdra en capacité et en durée de vie. La capacité diminuant, la batterie se déchargera plus profondément à chaque utilisation accentuant ainsi l'accélération de la diminution de la durée de vie. Les batteries au GEL ou AGM ne sont donc pas recommandées sur des voiliers continuellement au tangon ou à l'ancre. Tandis qu'une «liquide» pourra être égalisée (à chaque mois par exemple).

Le courant maximum de recharge est fonction de la profondeur de la décharge.

Température

Tbatt≤18°C n'engendre pas de conséquence permanente mais réduit momentanément la capacité.

Tbatt≥27°C : une utilisation à des T élevées engendre une réduction de la durée de vie, par exemple pour chaque 10°C en haut de 25° une AGM voit sa durée de vie diminuée de moitié (base annuelle). Les GEL et AGM ne sont donc pas recommandés pour les voiliers naviguant sous les tropiques.

Tbatt≤-10°C : une GEL n'est pas recommandée pour une utilisation à basse T. L'AGM est plus appropriée alors que la liquide demeure l'idéal à condition de surdimensionner la capacité nécessaire afin de diminuer la profondeur des décharges et empêcher le gel de l'électrolyte.

Capacité

La capacité diminue momentanément avec la grandeur du courant de décharge (sauf pour Li-ion).

La capacité diminue avec l'âge de la batterie.

La capacité diminue momentanément avec la baisse de température.

Les batteries modernes à décharge profonde peuvent lancer un moteur diesel.

Branchement

Branchement parallèle : on obtient une batterie de capacité égale à la somme des capacités individuelles. En principe on ne branche pas en permanence de batterie en parallèle. Si on doit le faire on le fait avec des batteries neuves de même marque et de même modèle. Par exemple, 2X12V de 100Ah donne une 12V de 200Ah. Si l'espace n'est pas un problème, il est préférable d'acquérir une 12V de 200Ah.

Branchement série : on obtient une batterie ayant une tension égale à la somme des tensions individuelles. La capacité totale sera celle de la batterie la plus petite. Le branchement série est acceptable à condition de le faire avec batterie neuve de même marque et modèle (pe 2 x6V de 200Ah en série donne une 12V de 200Ah). Si l'espace n'est un problème, il est préférable d'acquérir une 12V de 200Ah.

NB : Si l'espace est un problème, il est préférable de brancher 2X6V de 200Ah en série que 2X12V de 100Ah en parallèle.

Les raisons de l'égalisation et procédure

Raisons

  1. Enlever la sulfatation;
  2. Égaliser la densité de l'électrolyte des cellules;
  3. Rétablir l'uniformité de la densité de l'électrolyte (enlever la stratification).

Quand

  1. La densité de l'électrolyte (mesurée au pèse acide) des cellules atteignent des différences plus grande que 0.015. NB : S'il y a une ou des différences de densité ≥ à 0.05 la batterie est à changer;
  2. Quand on ne recharge pas à 100% d'une façon régulière. On égalise alors à tous les mois; 3) Une fois par saison.

Procédure

  1. Cela se fait à l'aide d'un chargeur de qualité qui offre la fonction. On suit les instructions du fabricant du chargeur et de la batterie;
  2. La batterie doit être à pleine charge;
  3. On débranche tous les circuits car la tension élevée du procédé pourrait endommager les accessoires;
  4. On ouvre les bouchons;
  5. On ajuste le liquide à son niveau le plus haut;
  6. On ventile;
  7. On s'assure que la température de l'électrolyte ne dépasse pas 50°C, sinon on arrête la charge;
  8. On s'assure que le niveau du liquide demeure au-dessus des plaques;
  9. On mesure la densité (pèse acide) de chaque cellule. Quand cette densité atteint 1.265 et est stable depuis 30 minutes l'égalisation est atteinte et on arrête le processus.

Hivernage

Il est préférable de laisser les batteries dans le bateau.

On s'assure que la batterie est pleine charge afin d'empêcher le gel de l'électrolyte et la destruction de la batterie. Le froid ralenti la réaction chimique et ainsi la décharge interne. Habituellement, on a pas besoin de procéder à des recharges régulières tout au long de l'hiver. On fait la pleine charge en novembre et une autre en avril.

On débranche la borne négative.

On nettoie la surface avec une solution à 10% d'eau et bicarbonate de soude. Avec précaution afin d'éviter que cette solution entre dans les cellules.

Si on dépose les batteries, il faut les entreposer dans un endroit frais et sec et assurer une recharge mensuelle.

Philosophie du système

On privilégie le système à deux batteries qu'on utilise à tour de rôle.

On sélectionne la batterie du jour à l'aide de l'interrupteur principal. Les deux batteries doivent être de même technologie (2 liquides ou 2 AGM ou 2 GEL...).

On installe un chargeur à trois étapes avec deux sorties indépendantes, avec possibilité du choix de la technologie et plage de température. Si AGM ou GEL il faut un chargeur avec sonde de température.

L'alternateur aura idéalement deux sorties indépendantes. Cependant, ce type d'alternateur est rare. L'alternateur à une sortie sera couplé à un régulateur externe à 3 étapes le tout acheminé à la batterie à recharger et sélectionné à l'aide de l'interrupteur principal. Si on veut que l'alternateur recharge les deux batteries, on intercale un isolateur à diode ou un combineur entre le régulateur et les batteries. Ce dernier montage est cependant moins efficace.

Conclusion et choix

Selon les faits ci-dessus décrits et le comparatif ci-dessous on obtient :

  • Pas de montage de batterie en parallèle et ni en série. Si l'espace disponible ne peut recevoir la 12V de capacité requise on pourra à la limite utiliser deux batterie de 6V en série.
  • La batterie à acide liquide est préférable : elle pardonne les abus de décharge et ou de recharge. Coûte moins cher et résiste mieux aux contraintes de température. On peut aussi facilement l'égaliser. On optera pour le GEL ou AGM si et seulement si l'espace disponible est dans une aire habitable ou exige que la batterie soit couchée sur le côté.
  • Pas besoin de batterie de démarrage dédié au lancement du moteur.
  • On choisi la capacité d'une batterie (Ah) selon la consommation en Ah estimée entre les recharges, la grandeur du courant moyen tiré et la durée de vie souhaitée.

Par exemple, dans le cas d'une utilisation avec décharges cycliques de 50Ah par un courant moyen de 10A et une durée de vie d'environ 1000 cycles (environ 10 ans au Québec). Une 1000 cycles implique une batterie de qualité supérieure qu'on creusera à pas plus de 50%. Comme la décharge est de 50Ah on aura besoin à prime abord d'une batterie de 100Ah.

Or cette capacité dépend de la grandeur du courant déchargeant la batterie et comme les batteries sont habituellement classées selon leur C20, on ne peut acheter la 100Ah. En effet, une C20 implique un courant de décharge de 5A. La fiche technique de la Surrette 30H125 donne C20 à 125Ah et une C de 106Ah pour un courant de 10.6A.

On allonge la durée de vie en choisissant une capacité plus élevée. La profondeur de la décharge sera ainsi moindre et augmentera la durée de vie.

Comparaison des types de batterie

Vous pouvez consulter ce tableau comparatif des types de batterie.

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