Communiqué de presse - Fronius International

COMMUNIQUE DE PRESSE
Vers un chargement de batterie efficace
Les dessous techniques du nouveau process de charge Ri de Fronius
(Wels, Autriche, juin 2014) Le process de charge Ri présenté il y a quelques temps par Fronius, le
spécialiste autrichien du chargement de batteries d'entraînement pour engins de manutention
électriques, a suscité un vif intérêt. Certains utilisateurs ont d'ores et déjà recours à cette nouvelle
technologie et bénéficient de ses avantages. Ce rapport est destiné à tous ceux qui souhaitent
approfondir le sujet et en savoir plus sur le fonctionnement du process de charge Ri.
Depuis de nombreuses années, la priorité est à l'optimisation permanente de l'efficacité des engins de
manutention électriques. Les nouvelles découvertes technologiques en matière d'entraînement,
d'électronique de commande et de stockage de l'énergie sont constamment mises à l'épreuve. Le thème du
stockage de l'énergie en particulier retient toute l'attention des chercheurs et des concepteurs. Le chargement
des unités de stockage rechargeables s'inscrit directement dans ce contexte. Celles-ci sont nommées ciaprès « batteries », conformément au langage courant, bien que le terme technique consacré soit
« accumulateur ».
La batterie plomb-acide éprouvée depuis plus de 100 ans est encore et toujours la solution de stockage
d'énergie la plus utilisée dans les engins de manutention avec moteur électrique. Avec ce type de batterie,
l'énergie électrique est transformée en énergie chimique au cours de la charge. Lorsqu'un consommateur est
raccordé, l'énergie chimique est retransformée en énergie électrique. Au fil du temps, les processus de
charge ont subi des modifications : des premiers chargeurs à transformateur 50 Hz avec process de charge
non régulé, aux chargeurs haute fréquence (HF) avec process de charge régulé, en passant par les
chargeurs commandés par microprocesseur avec algorithmes complexes, la route a été longue. Le
processus le plus connu et le plus répandu aujourd'hui en intralogistique est le processus de charge IUI.
Avec le « process de charge Ri », l'entreprise Fronius qui conçoit et fabrique des chargeurs de batterie
depuis 1946, propose un nouveau concept pour le chargement des batteries d'entraînement plomb-acide. La
suite de ce rapport revient en détails sur les particularités de ce concept par rapport aux autres process de
charge et sur les avantages qui en résultent en matière d'efficacité énergétique et de rendement de charge.
La résistance interne effective
La résistance interne effective d'une batterie, en abrégé Ri, est une valeur spécifique à la batterie qui évolue
au cours de la charge et de la décharge au gré des variations de la concentration d'acide et d'autres effets
tels que les processus de diffusion, la surtension de polarisation ou la transformation du sulfate de plomb en
oxyde de plomb. Afin de bien comprendre les connexités représentées ci-après ainsi que le mode de
fonctionnement du nouveau processus de charge, il convient d'abord de s'intéresser au comportement de la
résistance d'une batterie plomb-acide. La fig. 1 présente les résistances des différents composants d'une
batterie plomb-acide et leur comportement lors de la charge. Du fait du comportement différent de chaque
résistance, la résistance interne effective Ri évolue continuellement au cours du process de charge, en
fonction de l'état de charge. La modification la plus importante de la résistance interne effective s'opère dans
les plages d'état de charge supérieure et inférieure de la batterie. Les principaux composants responsables
de l'augmentation de la résistance interne effective dans la plage d'état de charge basse sont le matériau actif
et l'électrolyte. Dans le domaine des batteries, les matériaux actifs correspondent aux composants qui
prennent part « activement » à la charge et à la décharge au niveau de l'anode (pôle positif) et de la cathode
(pôle négatif), c'est-à-dire qui sont transformés.
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Lorsque l'état de charge est croissant, la résistance de polarisation fortement dépendante du courant est la
principale responsable de l'augmentation de la résistance interne effective. Vers la fin du chargement, elle
présente une forte impédance car plus aucun matériau actif (sulfate de plomb) n'est disponible pour la
transformation en plomb et en oxyde de plomb. La fig. 2 représente le tracé schématique de la résistance
interne effective Ri dans les batteries plomb-acide en fonction de l'état de charge. « SOC » (State of Charge)
indique l'état de charge de la batterie. Les influences extérieures, comme la température, le vieillissement et
autres, ne sont ici pas prises en compte.
Effets du processus de charge sur la puissance dissipée
Maintenant que le comportement de la résistance interne effective au cours du processus de charge est
connu, il est temps de s'intéresser au process de charge et à son influence sur la puissance dissipée P dissipée
produite au niveau de la résistance interne effective. Selon la méthode traditionnelle, le process de charge se
décompose en trois parties.
1.
Branche I, la phase de charge principale
Durant cette phase, la charge est réalisée avec un courant constant jusqu'à atteindre une limite de tension
définie (généralement 2,4 volts par cellule). Le courant de charge est choisi en fonction de la capacité de la
batterie et réglé via le chargeur, par exemple 20 A/100 Ah.
2.
Branche U, la phase de charge principale
Une fois la limite de tension définie atteinte dans la branche I de la phase de charge principale, la charge
se poursuit en conservant cette tension constante. De ce fait, alors que l'état de charge augmente, le
courant de charge diminue. Lorsque ce dernier devient inférieur à une certaine valeur limite, le chargeur
de batterie passe à la phase suivante, la dernière.
3.
Branche I2, la phase de recharge
Durant cette phase, la charge est à nouveau réalisée avec un courant constant, et seule une limite de
tension très élevée fait office de mise hors circuit de sécurité. La phase de recharge ne contribue qu'un
minimum à la charge complète de la batterie, puisque seule une faible quantité d'énergie est transformée
durant le chargement. Au lieu de cela, l'énergie circule dans la réaction secondaire (électrolyse de l'eau)
qui produit un dégagement gazeux au niveau des électrodes de la batterie. La surcharge ciblée est
importante pour prévenir toute stratification d'acide et équilibrer les tolérances de capacité de chaque
cellule.
La majeure partie de la charge (70 à 80 %) est réalisée dans la branche I de la phase de charge principale.
Cela signifie que, pendant cette période, la résistance interne effective varie déjà fortement. La puissance
dissipée produite par le courant de charge constant au niveau de la résistance interne effective s'exprime
donc ainsi :
Pdissipée = I2 x Ri
La fig. 3 propose une représentation schématique de la puissance dissipée P dissipée en fonction de la
résistance interne effective pour un courant de charge constant I. Les pertes de charge restent toutefois
indésirables. Elles sont la cause principale de l'échauffement de la batterie, lequel, notamment au-delà de
40 °C, a une influence particulièrement négative sur la durée de vie d'une batterie à base de plomb et d'acide
sulfurique, puisqu'il accélère toutes les réactions chimiques. Ces pertes de charge sont dues à des courbes
caractéristiques de charge jusqu'ici prédéfinies, selon lesquelles la batterie, indépendamment de sa
concentration d'acide et, donc, de son état de charge, est parfois soumise à un courant de charge trop élevé.
Afin d'améliorer l'efficacité énergétique, Fronius a recours au tout nouveau process de charge Ri. Ici, le courant
de charge I n'est pas alimenté de façon constante, mais régulé en fonction de la résistance interne effective R i.
Ainsi, lorsque la résistance interne effective est élevée, le courant de charge I est faible, et inversement. La
diminution de moitié environ du courant de charge I pour une résistance interne effective R i identique permet de
diviser par quatre la puissance dissipée Pdissipée.
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Exemple de calcul avec Ri = 50 mOhm et I = 100 A :
Pdissipée = I2 x Ri
Pdissipée = 1002 x 0,050
Pdissipée = 500 W
Si le courant de charge est divisé par deux, le calcul est le suivant :
𝐼
Pdissipée = ( )2 x Ri
2
Pdissipée = (
100 2
)
2
x 0,050
Pdissipée = 125 W
La fig. 4 propose une représentation schématique de l'adaptation du courant de charge I en fonction de la
résistance interne effective Ri et de l'effet produit sur la puissance dissipée Pdissipée. Dans la pratique, cette
méthode permet d'améliorer l'efficacité énergétique par rapport au processus de charge IUI traditionnel dès la
phase de charge principale. Toutefois, l'adaptation du courant de charge ne contribue pas seulement à
diminuer les pertes au niveau de la résistance interne effective, elle a également des répercussions sur les
effets parasites comme décrit ci-après.
Effets du processus de charge sur le rendement de charge
Pour obtenir une charge complète de la batterie, il faut que la charge Q sortant alimentée via le chargeur soit
supérieure à la charge Qentrant consommée par la batterie. Le rapport entre les deux charges est habituellement
nommé facteur de charge FC, la valeur inverse s'appelle le rendement de charge ηcharge ou rendement de
Coulomb. Soit la formule suivante :
FC =
Qsortant
Qentrant
ηcharge =
1
𝐹𝐶
Qentrant est ici déterminée par une décharge avec courant défini, habituellement C/5. Un courant de décharge
de C/5 signifie que la batterie est déchargée avec un courant correspondant à un cinquième de la capacité
nominale.
Dans le cas d'un cycle de charge et de décharge complet avec un processus de charge IUI classique, le
facteur de charge type LF se situe entre 1,12 et 1,25. Il peut cependant fortement évoluer au cours de la vie
de la batterie. L'électrolyse de l'eau, qui apparaît sous forme de réaction secondaire, est déterminante pour
un faible rendement de charge, respectivement un facteur de charge élevé, dans le cas de batteries plombacide. Cette réaction secondaire ne contribue pas au stockage de l'énergie, elle s'opère en concurrence
permanente avec la réaction principale qui, elle, est responsable du stockage de l'énergie, c'est-à-dire de la
transformation du sulfate de plomb en plomb et en oxyde de plomb. Le facteur de charge dépend donc du
process de charge et de la tension aux bornes ainsi produite.
La fig. 5 propose un circuit équivalent fortement simplifié d'une batterie plomb-acide. Celui-ci représente la
tension aux électrodes E0 comme source de tension modifiable, la résistance interne effective R i examinée
précédemment, le courant de charge I ainsi que la réaction secondaire RRS comme résistance parallèle. Au
cours du processus de charge, la tension entre les électrodes E0 augmente avec la croissance de l'état de
charge. De ce fait, la tension dans la branche parallèle de la réaction secondaire augmente également. Ainsi,
lorsque l'état de charge augmente, l'électrolyse de l'eau est toujours plus dominante.
Puisque, comme mentionné plus haut, la résistance interne effective augmente sur la base de la résistance
de polarisation (voir la fig. 1), la chute de tension URi augmente également pour un courant de charge I
constant.
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URi = I x R1
Cela signifie que la chute de tension supplémentaire U Ri conduit dès la phase de charge principale à une
augmentation précoce de la réaction secondaire et, de manière indésirable, à une circulation de courant
accrue dans la réaction secondaire.
UKl = URi + E0
Cette part du courant de charge n'est pas transformée au cours du chargement et augmente ainsi le facteur
de charge nécessaire à la charge complète de la batterie.
I = IRS + IRP
Dans cette formule, IRP décrit le courant qui circule dans la réaction principale et, donc, qui contribue au
chargement de la batterie. IRS représente la part du courant de charge perdue dans la réaction secondaire et,
donc, qui ne participe pas au chargement. La fig. 6 propose une représentation schématique de la phase de
charge principale, branche I.
Lors du développement du nouveau process de charge Ri, l'accent a été mis sur la réduction maximale de la
réaction secondaire dans la phase de charge principale, afin d'utiliser la majeure partie du courant de charge
pour la réaction principale. Ceci n'est toutefois pertinent que pour la phase de charge principale, lors de
laquelle l'électrolyse de l'eau et le dégagement gazeux en résultant au niveau des électrodes de la batterie ne
sont pas encore souhaités ni effectifs. Durant la phase de recharge, lors de laquelle, avec un état de charge
croissant, la réaction principale a en majeure partie dépéri sous l'effet de la résistance de polarisation en
augmentation constante, le courant de charge est déplacé de manière ciblée dans la réaction secondaire et,
donc, dans la circulation de l'électrolyte. Le facteur de charge nécessaire peut ainsi être réduit à une valeur
minimale.
Avec des profils de décharge types en intralogistique, le nouveau process de charge Ri permet d'obtenir des
facteurs de charge situés entre 1,05 et 1,12, soit un rendement de charge ηcharge de 88 à 95 %.
La puissance dissipée Pdissipée diminuée ainsi que le rendement de charge ηcharge augmenté résultent de
l'adaptation du courant de charge à la résistance interne effective de la batterie. La mesure de la résistance
interne effective détermine donc la tension de charge. Le courant de charge est ensuite automatiquement
adapté au tracé de la courbe de résistance interne effective de la batterie. Pour la première fois, ce n'est donc
pas le courant mais la tension qui est prédéfinie. Cela signifie que si la résistance interne effective est plus
élevée, et donc que la capacité d'absorption de courant de la batterie est plus faible qu'en début de charge, le
courant de charge est réduit et les pertes de charge sont évitées. Si la résistance interne effective diminue au
cours de la charge, la capacité d'absorption de courant augmente et le courant de charge augmente
automatiquement pour baisser à nouveau par la suite lorsque la résistance interne effective augmente. La
batterie reçoit donc uniquement le courant de charge dont elle a réellement besoin.
Cette approche permet, en phase de charge principale, une augmentation de l'efficacité énergétique de 8 %
en moyenne par rapport aux chargeurs de batterie haute fréquence utilisant un processus de charge IUI
traditionnel. La quantité d'énergie nécessaire devant être mise à disposition par le chargeur pour une charge
complète de la batterie, c'est-à-dire phase de recharge comprise, diminue ainsi de 6,5 % maximum en
moyenne, avec des pointes jusqu'à 10 % par rapport aux chargeurs de batterie HF. Fait important : l'énergie
économisée ne se change pas en chaleur, d'où une réduction de la température moyenne de la batterie, ce
qui influe positivement sur la durée de vie de cette dernière.
Résumé des caractéristiques du process de charge Ri
Le rendement des chargeurs de batterie avec process de charge Ri est de 93 %, le rendement de charge
ainsi que le rendement global, de la prise à l'engin de manutention, connaissent respectivement une
augmentation pouvant atteindre 10 %. Cela signifie que lors de la transformation du courant alternatif de la
prise en courant continu (nécessaire pour charger la batterie) dans le chargeur de batterie et du process
électrochimique de charge de batterie qui s'ensuit, l'utilisation de l'énergie a été optimisée au point de réduire
les coûts énergétiques de manière significative.
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En outre, une plus faible consommation d'énergie entraîne un moindre échauffement de la batterie durant le
process de charge et, donc, une durée de vie de la batterie plus élevée et une moindre consommation d'eau.
Concernant la durée de vie de la batterie, le process de charge Ri présente un autre avantage : précisément,
et c'est souvent le cas, lorsque la batterie n'est que partiellement déchargée, la charge dure pendant le temps
de charge déterminé. Du fait d'un apport d'énergie plus faible, la batterie est protégée de l'échauffement lié à
la charge et les courants de pointe sont évités.
D'après une directive de la ZVEI (fédération centrale de l'industrie électrotechnique et électronique
allemande) dont le siège est situé à Francfort-sur-le-Main : « La technique de charge a une influence
déterminante sur la durée de vie d'une batterie. Il est établi que les dommages aux batteries proviennent
davantage d'une charge incorrecte que de la décharge. » Il est donc judicieux de réfléchir à une technologie
de chargement adaptée.
Signes : 13.902 sans espaces
Légendes
Voir le tableau ci-dessous
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Fig. 1
Résistances des différents composants d'une batterie plomb-acide et
leur comportement lors de la charge (image : Fronius)
Fig. 2
Tracé schématique de la résistance interne effective Ri dans les
batteries acide-plomb en fonction de l'état de charge (image : Fronius)
Fig. 3
Représentation schématique de la puissance dissipée en fonction de la
résistance interne effective pour un courant de charge constant (image :
Fronius)
Fig. 4
Représentation schématique de l'adaptation du courant de charge I en
fonction de la résistance interne effective Ri et de l'effet produit sur la
puissance dissipée Pdissipée (image : Fronius)
Fig. 5
Circuit équivalent fortement simplifié d'une batterie plomb-acide avec la
tension aux électrodes E0 comme source de tension modifiable, la
résistance interne effective Ri, le courant de charge I ainsi que la
réaction secondaire RRS comme résistance parallèle (image : Fronius)
Fig. 6
Représentation schématique du courant IRP contribuant au chargement
de la batterie et de la part du courant de charge perdue dans la réaction
secondaire (image : Fronius)
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« Avec des profils de décharge types en intralogistique, le nouveau process de
charge Ri permet d'obtenir des facteurs de charge situés entre 1,05 et 1,12 »,
déclare l'auteur Jürgen Binder, concepteur de processus en technologie de
chargeurs de batterie chez Fronius International GmbH à Wels, Autriche
(photo : Fronius)
Le co-auteur et ingénieur diplômé Wolfgang Degenhard est un journaliste
spécialisé indépendant basé à Esslingen am Neckar, Allemagne (photo :
Degenhard)
Photos : Fronius International GmbH, publication sans honoraires
Site Web :
Chargeurs de batterie Fronius : www.fronius.fr
Fronius International GmbH
Fronius International est une entreprise autrichienne dont le siège se trouve à Pettenbach et qui possède
d'autres sites à Wels, Thalheim, Steinhaus et Sattledt. La société compte 3 344 collaborateurs répartis dans
ses divisions Perfect Welding, Solar Energy, Perfect Charging. Fronius exporte environ 92 % de son chiffre
d'affaires grâce à ses 20 filiales internationales et ses partenaires de vente internationaux présents dans plus
de 60 pays. Ses produits et services innovants, ainsi que ses 1 008 brevets actifs font de Fronius le leader
technologique sur le marché mondial.
Fronius International GmbH
Informations : Boris Ringwald, +43 664 602416436, [email protected]
Exemplaire justificatif : Boris Ringwald, Froniusplatz 1, 4600 Wels, Autriche
Fronius France S.A.R.L.
Informations : Jean-François Estimado, +33 674 893626, [email protected]
Exemplaire justificatif : Jean-François Estimado, ZAC du Moulin, 8 rue du Meunier - BP 14061, 95723 Roissy
CDG Cedex, France
Tableau fig. 1
Composants
Modification de la résistance lors de la charge
Barrette de connexion
Pas de modification
Pontet de connexion
Pas de modification
Grille d'électrodes
Pas de modification
Matériau actif
Résistance de
polarisation
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La résistance dépend de l'état de charge. Lorsque la profondeur de décharge
croît, la résistance augmente vite car le matériau déchargé (sulfate de plomb)
est moins bon conducteur que le matériau chargé (plomb/oxyde de plomb).
« Résistance » dépendant du courant qui augmente vers la fin de la phase de
charge principale, car les partenaires nécessaires pour la réaction ne sont plus
disponibles en quantité suffisante.
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Électrolyte
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La résistance électrique de l'électrolyte (acide sulfurique) dépend de la
concentration et est supérieure au début du chargement.
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