LES ÉQUIPEMENTS
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LES ÉQUIPEMENTS LES BATTERIES SUPPORT DE COURS COURS EXP-PR-EQ160 Révision 0.2 Exploration & Production Équipements Les batteries LES ÉQUIPEMENTS LES BATTERIES SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................8 2. GÉNÉRALITÉS................................................................................................................9 2.1. QU’EST CE QU’UNE BATTERIE ? ...........................................................................9 2.1.1. Qu’ont en commun toutes les batteries ? ........................................................10 2.1.2. Qu’est-ce qui différentie les batteries les unes des autres ? ...........................10 2.1.3. Quel est notre but ? .........................................................................................11 2.2. ORIGINE ET HISTORIQUE DES BATTERIES .......................................................12 2.3. CHIMIE D’UNE PILE ÉLECTRIQUE .......................................................................14 2.3.1. Élément de batterie .........................................................................................14 2.3.2. Comment fonctionne un élément de batterie ?................................................15 2.3.3. Processus de décharge...................................................................................18 2.3.4. Recharger ou ne pas recharger.......................................................................18 2.3.5. Choix des produits chimiques actifs ................................................................19 2.4. CONCEPT DE BASE DES BATTERIES .................................................................22 2.4.1. Tension............................................................................................................22 2.4.2. Capacité ..........................................................................................................23 2.4.3. Tension et capacité .........................................................................................23 2.5. ÉLÉMENTS EN SÉRIE ET EN PARALLÈLE ..........................................................24 2.5.1. Éléments reliés en série ..................................................................................24 2.5.2. Éléments reliés en parallèle ............................................................................25 2.6. RÉSISTANCE INTERNE D’UNE BATTERIE ..........................................................28 2.7. ÉLECTROLYTE ......................................................................................................30 2.7.1. Les deux électrolytes de la pile Daniell............................................................30 2.7.2. Densité de l’électrolyte liquide (élément liquide)..............................................32 2.7.3. Recommandations pour la manipulation de l’électrolyte..................................33 2.8. TERMINOLOGIE DES BATTERIES........................................................................34 2.9. DENSITÉ D’ÉNERGIE ............................................................................................36 2.10. EXERCICES .........................................................................................................37 3. CONSTRUCTION ET TECHNOLOGIE DES BATTERIES ............................................40 3.1. COMPOSANTS.......................................................................................................40 3.1.1. Boîtier ..............................................................................................................40 3.1.2. Électrodes .......................................................................................................40 3.1.3. Séparateur.......................................................................................................40 3.1.4. Bornes .............................................................................................................41 3.1.5. Électrolyte........................................................................................................41 3.2. CONSTRUCTION INTERNE...................................................................................42 3.2.1. Électrodes (Compromis puissance/énergie)....................................................42 3.2.2. Électrodes de type aggloméré.........................................................................43 3.2.3. Électrodes à plaques planes ...........................................................................44 3.2.4. Électrodes spiralées (construction enroulée)...................................................45 3.2.5. Piles bouton ou pile ‘pièce’ ..............................................................................46 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 2 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.2.6. Éléments à électrode multiple .........................................................................46 3.2.6.1. Configuration monopolaire .........................................................................46 3.2.6.2. Configuration bipolaire ...............................................................................46 3.3. INTERCONNECTIONS D’ÉLECTRODES ..............................................................48 3.4. BATTERIES ÉTANCHES ET À RECOMBINAISON................................................48 3.4.1. Électrolyte des batteries étanches...................................................................48 3.4.2. Soupapes de sécurité pour batteries étanches ...............................................49 3.5. BOITIER DE BATTERIE .........................................................................................50 3.5.1. Batteries cylindriques ......................................................................................50 3.5.2. Pile/batteries multi-éléments ...........................................................................51 3.5.3. Taille des piles/batteries courantes (à la maison)............................................51 3.5.4. Piles bouton et piles pièces .............................................................................52 3.5.5. Piles de type sachet ........................................................................................52 3.5.6. Batteries prismatiques .....................................................................................54 3.5.7. Batteries en couche mince ..............................................................................55 3.5.8. Batteries grande puissance .............................................................................56 3.5.9. Batteries de puissance ....................................................................................57 4. LES DIFFÉRENTS TYPES DE BATTERIES .................................................................59 4.1. NOMENCLATURE ..................................................................................................59 4.1.1. Identification des batteries...............................................................................59 4.1.2. Exemples.........................................................................................................60 4.1.2.1. Piles courantes (élément primaire).............................................................60 4.1.2.2. Batteries cylindriques de faible puissance .................................................61 4.1.2.3. Batteries/piles prismatiques .......................................................................62 4.2. ELEMENTS PRIMAIRES ........................................................................................64 4.2.1. Piles Leclanché (carbone-zinc) .......................................................................65 4.2.1.1. Caractéristiques .........................................................................................65 4.2.1.2. Avantages ..................................................................................................65 4.2.1.3. Inconvénients .............................................................................................66 4.2.1.4. Applications................................................................................................66 4.2.1.5. Prix .............................................................................................................66 4.2.2. Piles alcalines..................................................................................................67 4.2.2.1. Caractéristiques .........................................................................................67 4.2.2.2. Avantages ..................................................................................................68 4.2.2.3. Inconvénients .............................................................................................68 4.2.2.4. Applications................................................................................................68 4.2.2.5. Prix .............................................................................................................69 4.2.3. Piles à l’oxyde d’argent....................................................................................69 4.2.3.1. Caractéristiques .........................................................................................69 4.2.3.2. Avantages ..................................................................................................69 4.2.3.3. Inconvénients .............................................................................................69 4.2.3.4. Applications................................................................................................70 4.2.3.5. Prix .............................................................................................................70 4.2.4. Piles zinc air ....................................................................................................70 4.2.4.1. Caractéristiques .........................................................................................70 4.2.4.2. Avantages ..................................................................................................71 4.2.4.3. Inconvénients .............................................................................................71 4.2.4.4. Applications................................................................................................72 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 3 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.4.5. Prix .............................................................................................................72 4.2.5. Piles au lithium ................................................................................................73 4.2.5.1. Caractéristiques .........................................................................................73 4.2.5.2. Avantages ..................................................................................................73 4.2.5.3. Inconvénients .............................................................................................74 4.2.5.4. Applications................................................................................................74 4.2.5.5. Prix .............................................................................................................75 4.2.6. Piles amorçables .............................................................................................75 4.2.6.1. Caractéristiques .........................................................................................75 4.2.6.2. Avantages ..................................................................................................76 4.2.6.3. Inconvénients .............................................................................................76 4.2.6.4. Applications................................................................................................76 4.2.6.5. Prix .............................................................................................................76 4.2.7. Piles thermiques..............................................................................................77 4.2.7.1. Caractéristiques .........................................................................................77 4.2.7.2. Avantages ..................................................................................................77 4.2.7.3. Inconvénients .............................................................................................78 4.2.7.4. Applications................................................................................................78 4.2.7.5. Prix .............................................................................................................78 4.3. BATTERIES ............................................................................................................79 4.3.1. Plomb acide.....................................................................................................80 4.3.1.1. Caractéristiques .........................................................................................80 4.3.1.2. Avantages ..................................................................................................81 4.3.1.3. Inconvénients .............................................................................................82 4.3.1.4. Charge .......................................................................................................83 4.3.1.5. Applications................................................................................................83 4.3.1.6. Prix .............................................................................................................84 4.3.1.7. Gamme de batteries plomb acide ..............................................................84 4.3.2. Fer nickel.........................................................................................................87 4.3.2.1. Caractéristiques .........................................................................................87 4.3.2.2. Avantages ..................................................................................................87 4.3.2.3. Inconvénients .............................................................................................87 4.3.2.4. Applications................................................................................................88 4.3.3. Nickel Cadmium ..............................................................................................89 4.3.3.1. Caractéristiques des piles sèches..............................................................89 4.3.3.2. Caractéristiques des batteries industrielles ................................................89 4.3.3.3. Avantages ..................................................................................................92 4.3.3.4. Inconvénients .............................................................................................92 4.3.3.5. Charge .......................................................................................................93 4.3.3.6. Applications................................................................................................93 4.3.3.7. Prix .............................................................................................................94 4.3.4. Nickel métal hydrure........................................................................................94 4.3.4.1. Caractéristiques .........................................................................................94 4.3.4.2. Avantages ..................................................................................................95 4.3.4.3. Inconvénients .............................................................................................96 4.3.4.4. Charge .......................................................................................................96 4.3.4.5. Applications................................................................................................97 4.3.4.6. Prix .............................................................................................................97 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 4 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.5. Nickel Zinc.......................................................................................................97 4.3.5.1. Caractéristiques .........................................................................................97 4.3.5.2. Avantages ..................................................................................................97 4.3.5.3. Inconvénients .............................................................................................98 4.3.5.4. Applications................................................................................................98 4.3.5.5. Prix .............................................................................................................98 4.3.6. Accumulateurs lithium .....................................................................................98 4.3.6.1. Caractéristiques .........................................................................................98 4.3.6.2. Avantages ..................................................................................................99 4.3.6.3. Inconvénients ...........................................................................................100 4.3.6.4. Charge .....................................................................................................101 4.3.6.5. Applications..............................................................................................102 4.3.6.6. Prix ...........................................................................................................102 4.3.6.7. Autres variétés de batteries rechargeables au lithium..............................102 4.3.7. Sodium soufre ...............................................................................................106 4.3.8. Batteries à circulation (Redox) ......................................................................107 4.3.8.1. Caractéristiques .......................................................................................107 4.3.8.2. Avantages ................................................................................................107 4.3.8.3. Inconvénients ...........................................................................................107 4.3.8.4. Applications..............................................................................................107 4.3.8.5. Prix ...........................................................................................................108 4.3.9. Batteries Zebra..............................................................................................108 4.3.9.1. Caractéristiques .......................................................................................108 4.3.9.2. Avantages ................................................................................................108 4.3.9.3. Inconvénients ...........................................................................................108 4.3.9.4. Applications..............................................................................................109 4.3.9.5. Prix ...........................................................................................................109 4.3.10. Autres piles galvaniques..............................................................................109 4.3.10.1. Batteries à électrolyte solide ..................................................................109 4.3.10.2. Nanotechnologies ..................................................................................109 4.3.10.3. Batteries au mercure ..............................................................................110 4.3.10.4. Batteries nickel hydrogène (Ni-H2) ........................................................110 4.3.10.5. Batteries métal air ..................................................................................110 4.3.10.6. Batteries rechargeables aluminium-air ...................................................110 4.4. BATTERIES PEU COURANTES...........................................................................111 4.4.1. Batterie à l’urine ............................................................................................111 4.4.2. Batteries Ampoule .........................................................................................111 4.4.3. Batterie « maison » .......................................................................................111 4.5. TABLEAU RÉCAPITULATIF – ACCUMULATEURS .............................................113 5. CHARGE DES BATTERIES (CHARGEUR DE BATTERIE) ........................................115 5.1. COMMENT CHARGER ACCUMULATEURS OU BATTERIES ............................115 5.1.1. Charge des batteries plomb acide.................................................................116 5.1.1.1. Charge des batteries au plomb en 2 étapes.............................................117 5.1.1.2. Charge des batteries au plomb en 3 étapes.............................................118 5.1.2. Charge des batteries nickel-cadmium ...........................................................119 5.1.2.1. Charge normale .......................................................................................119 5.1.2.2. Charge accélérée.....................................................................................120 5.1.2.3. Charge rapide ..........................................................................................120 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 5 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.2.4. Charge permanente .................................................................................120 5.1.2.5. Courant de maintien .................................................................................120 5.1.2.6. Méthode industrielle de charge ................................................................120 5.1.3. Charge des batteries nickel métal hydrure ....................................................122 5.1.4. Charge des piles au lithium ...........................................................................123 5.1.5. Charge des piles alcalines.............................................................................126 5.1.6. Pic delta-dV/dt - dV .......................................................................................127 5.1.7. Capacité réelle des batteries .........................................................................128 5.2. LE CHARGEUR DE BATTERIE ............................................................................129 5.2.1. Description et principe de fonctionnement.....................................................129 5.2.2. Système mixte...............................................................................................130 5.2.3. Modes de fonctionnement .............................................................................131 5.2.3.1. Mode Floating ..........................................................................................132 5.2.3.2. Mode panne d’alimentation CA ................................................................133 5.2.3.3. Mode charge et alimentation de charge ...................................................133 5.2.3.4. Groupe de batteries .................................................................................134 5.2.3.5. Ventilation et extraction ............................................................................134 5.3. LES ASI POUR ALIMENTATION CA ....................................................................135 5.3.1. Synchronisation ASI ......................................................................................135 5.3.2. Principe de secours .......................................................................................136 5.3.2.1. Fonctionnement normal ...........................................................................138 5.3.2.2. Panne de l’alimentation CA primaire (normale)........................................138 5.3.2.3. Alimentation de secours en mode charge ................................................139 5.3.2.4. Maintenance en mode dérivation .............................................................140 6. OPÉRATIONS DE MAINTENANCE ............................................................................141 6.1. OBJECTIFS DE LA MAINTENANCE ....................................................................141 6.1.1. Protection des éléments ................................................................................141 6.1.2. Contrôle de la charge ....................................................................................142 6.1.3. Gestion de la demande .................................................................................142 6.1.4. Détermination du SOC ..................................................................................142 6.1.5. Détermination du SOC ..................................................................................142 6.1.6. Équilibrage des éléments ..............................................................................142 6.1.7. Historique - (Fonction journal) .......................................................................143 6.1.8. Authentification et identification .....................................................................143 6.1.9. Communications............................................................................................143 6.2. MAINTENANCE GÉNÉRALE COURANTE...........................................................144 6.2.1. Propreté du banc de batterie .........................................................................144 6.2.2. Serrage des connexions entre éléments et vérification de résistance ...........144 6.2.3. Mesure de chaque tension d’élément............................................................148 6.2.4. Mesure de la résistance interne de chaque élément .....................................150 6.2.5. Tests de décharge.........................................................................................152 6.2.5.1. Lors de l’installation..................................................................................152 6.2.5.2. Tous les six mois et tous les ans..............................................................153 6.2.5.3. Tests de continuité ...................................................................................153 6.2.6. Mesures de température ...............................................................................153 6.2.7. Remplacement d’un élément.........................................................................154 6.2.8. Contrôle d’exploitation de routine ..................................................................155 6.3. MAINTENANCE SPÉCIFIQUE DES BATTERIES ................................................157 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 6 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.1. Batterie plomb-acide ouverte liquide .............................................................157 6.3.1.1. Rythme de maintenance des batteries liquides classiques plomb acide..157 6.3.1.2. Aspect des éléments normaux .................................................................158 6.3.1.3. Test de densité (tous les 6 mois) .............................................................158 6.3.2. Batteries plomb-acide étanches, VRLA / AGM / GEL....................................159 6.3.2.1. Généralités...............................................................................................159 6.3.2.2. Périodicité de maintenance des batteries plomb-acide à régulation par soupape / Gel........................................................................................................161 6.3.3. Batteries liquides ouvertes nickel-cadmium (Acide ou potassium) ................162 6.3.3.1. Périodicité de maintenance des batteries ouvertes Nickel-Cadmium.......162 6.3.3.2. Électrolyte de batterie ouverte nickel-cadmium........................................163 6.3.3.3. Niveau d’électrolyte..................................................................................163 6.3.3.4. Mesure de densité....................................................................................164 6.3.3.5. Renouvellement de l’électrolyte ...............................................................164 6.3.4. Batteries étanches nickel-cadmium VRLA / GEL ..........................................164 6.4. DIAGNOSTIC DE PANNES DES BATTERIES .....................................................165 6.4.1. Problèmes courants ......................................................................................165 6.4.2. Problèmes sur les batteries plomb acide ouvertes ........................................166 6.5. FICHES DE MAINTENANCE ................................................................................168 7. MESURES DE SÉCURITÉ POUR LE TRAVAIL SUR BATTERIES ............................173 7.1. INTRODUCTION AUX MESURES DE SÉCURITÉ DES BATTERIES..................173 7.2. TRAVAILLER SUR DES BATTERIES...................................................................173 7.2.1. Dangers sur les batteries...............................................................................174 7.2.1.1. Tension CC élevée...................................................................................174 7.2.1.2. Décharges électriques .............................................................................174 7.2.1.3. Bornes en court-circuit .............................................................................174 7.2.1.4. Arc électrique en cas de court-circuit .......................................................174 7.2.1.5. Déversement d’acide ...............................................................................174 7.2.1.6. Brûlures d’acide .......................................................................................174 7.2.1.7. Gaz hydrogène.........................................................................................175 7.2.1.8. Risque d’explosion ...................................................................................175 7.2.2. Mesures de sécurité ......................................................................................175 7.2.2.1. Généralités...............................................................................................175 7.2.2.2. Vêtements de sécurité .............................................................................176 7.2.2.3. Outils de sécurité .....................................................................................176 7.2.2.4. Déversement d’acide et d’électrolyte .......................................................177 7.2.3. Danger des batteries .....................................................................................177 7.2.3.1. Danger d’explosion ..................................................................................177 7.2.3.2. Arrête-flammes – objectif et nettoyage.....................................................178 7.2.4. Installation de la salle des batteries...............................................................178 7.2.4.1. Implantation..............................................................................................178 7.2.4.2. Ventilation : ..............................................................................................179 7.2.4.3. Exemple d’implantation de la salle des batteries......................................180 8. GLOSSAIRE ................................................................................................................181 9. SOMMAIRE DES FIGURES ........................................................................................182 10. SOMMAIRE DES TABLEAUX ...................................................................................185 11. CORRECTIONS DES EXERCICES ..........................................................................186 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 7 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 1. OBJECTIFS Pouvoir expliquer, en comprenant les fondements, les principes de base du fonctionnement et de la maintenance des différentes batteries présentes sur un site industriel. Ce cours traite également du pendant incontournable des batteries : les systèmes d’alimentation en courant continu (CC) ainsi que les concepts de base des ASI (alimentations sans interruption) et convertisseurs courant continu / courant alternatif (CC/CA). Après cette formation, l’élève doit pouvoir : Expliquer le principe fondamental d’une batterie, Distinguer les différents types de piles et batteries, Décrire les applications des différents types de batteries (plomb-acide, Ni-Cd, etc.), Expliquer le choix de tel type de batterie pour tel emploi spécifique, Tester des batteries en toute sécurité, Expliquer pourquoi il existe différents régimes de charges, Expliquer les différents types de charges : égalisation, entretien, rapide, Distinguer les programmes de maintenance pour chaque type de batterie, Expliquer les dangers associés au stockage, à la maintenance et à la charge des batteries. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 8 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2. GÉNÉRALITÉS 2.1. QU’EST CE QU’UNE BATTERIE ? Nous pensons immédiatement à ce type de batterie Batterie de type ‘A’ ou encore à ces piles ou accumulateurs Batteries de type ‘B’ Figure 1 : Différents types de batteries Bien entendu, ces batteries existent sous d’autres formes et dimensions. Que dire d’autre ? Dans ma voiture, j’utilise une batterie de type A Pour des applications quotidiennes, j’utilise des batteries de type B Figure 2 : Différents emplois des batteries Mais je me trompe peut-être (ou pas)... A et B sont de construction différente, elles fonctionnent selon différents principes, appartiennent à différentes catégories et présentent différentes tensions. En outre, utiliser une batterie ou une pile non adaptée pourrait sérieusement endommager mon application. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 9 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.1.1. Qu’ont en commun toutes les batteries ? Stockage de l’énergie, Production de courant continu sous tension continue, Principes communs : le + (anode) et le - (cathode), Un électrolyte, Attention nécessaire en matière d’élimination (précautions environnementales), Fonctionnement possible en série ou en parallèle. 2.1.2. Qu’est-ce qui différentie les batteries les unes des autres ? Dimension et volume, Forme, Capacité de stockage de l’énergie : de nombreux Ah... sous une certaine tension, Matériau de l’anode et de la cathode, Matériau du boîtier, Type d’électrolyte, Rechargeable ou non rechargeable, Avec ou sans entretien pour le type A, Sans entretien pour le type B. Nous allons maintenant étudier les possibilités de combinaison des différents facteurs des batteries de type A à employer sur site dans nos principales applications : Armoires d’ASI à batteries intégrées (ou séparées) Nombre et dimensions des batteries à employer suivant les besoins en alimentation Figure 3 : Armoires d’ASI Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 10 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Chargeur d’accumulateurs + groupe de batteries Distribution de tension et courant continu dans l’unité Figure 4 : Chargeur et groupe de batteries Jeu de batteries pour le démarrage d’un Moteur diesel de groupe électrogène (EDG), pompe à incendie, etc. et une simple batterie 12V pour votre véhicule (sur site) Figure 5 : Jeu de batteries Si ceci se produit sur un groupe de batteries, c’est sûrement que quelque chose a été oublié, sur le plan de la surveillance et/ou de la maintenance de « vos » batteries... C’est déjà arrivé sur certains sites... et on invoque (presque) toujours une « mauvaise qualité de fabrication »... excuse un peu facile (même si ce n’est pas toujours faux). La véritable raison en est plutôt la compétence « discutable » de l’opérateur ou du technicien qui doit contrôler les paramètres en salle de commande ou local électrique, et/ou une inertie, une méconnaissance de la maintenance... Figure 6 : Problème sur une batterie 2.1.3. Quel est notre but ? Nous allons principalement étudier les batteries de type A, qui requièrent attention et entretien. Pour le type B, nous aborderons simplement les différents types et principes. En réalité, les caractéristiques de fabrication sont définies selon l’élément de batterie. Un élément de batterie seul peut être une pile. Une batterie, en général, est une association d’éléments de batterie choisis pour fournir une certaine valeur de tension et capacité (en Ah). Pour étudier les caractéristiques et la technologie d’un élément de batterie, il nous faut savoir comment le courant peut être généré. Cela fera l’objet du paragraphe suivant. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 11 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.2. ORIGINE ET HISTORIQUE DES BATTERIES Mais avant d’aborder les explications « sérieuses », un peu d’histoire(s)... Certains indices prêtent à penser que des batteries pourraient avoir été employées dans l’Antiquité, notamment à Bagdad il y a environ 2000 ans. Des découvertes ont ainsi été faites en Égypte, datant de l’Antiquité, mais il n’a jamais été prouvé qu’il s’agisse de batteries. La première batterie documentée de l’époque moderne est attribuée à l’Américain Benjamin Franklin au milieu du 18ème siècle. Il conçut, à partir de plaques de verre chargées, un condensateur capable de produire de puissants chocs électriques, d’où le terme batterie, faisant référence à l’expression de l’époque « prendre la batterie d’assaut » 50 ans plus tard environ, au tout début du 19ème siècle, l’Italien Alessandro Volta conçut la première batterie chimique employant des rondelles de cuivre et de zinc dans un liquide acide. Cette découverte a entraîné de nombreux progrès scientifiques dans l’Europe du 19ème siècle naissant. En effet, il était désormais possible de produire de l’électricité de façon fiable. Volta a été suivi par William Cruickshank, qui a créé la première batterie en 1802. Il a aligné différentes feuilles carrées de cuivre, les a soudées ensembles par une extrémité à un connecteur, a intercalé des feuilles de zinc de mêmes dimensions, et immergé le tout dans une boîte rectangulaire en bois étanche contenant une solution aqueuse d’acide dilué (ou salé). Il créa ainsi la première batterie (non rechargeable). Le principal progrès suivant provint de la version toute nouvelle de pile du Français Georges Leclanché, utilisant le carbone et le zinc. Ce fut là la naissance du principe technologique toujours valable aujourd’hui des piles non rechargeables. Un autre Français, Raymond Gaston Planté créa la première batterie rechargeable ou accumulateur, utilisant des plaques de plomb immergées dans une solution aqueuse à 10% d’acide sulfurique dans les années 1860. Cette invention a servi pendant 150 ans environ et est à la base du type de batteries toujours employées dans nos voitures. Au cours des 120 dernières années, le rythme des nouvelles inventions s’est intensifié. Toute la variété de batteries dont nous nous servons aujourd’hui a été développée dans cette période. Il est surprenant de penser que la technologie ayant permis de développer ces nouvelles sortes de piles découle des progrès en chimie et physique qui ont eu lieu à la suite de la pile de Volta en 1800. Ceci a conduit à la découverte de nouveaux métaux et matériaux nécessaires à la conception de ces nouvelles batteries. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 12 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Quelques dates clé : Année Inventeur Invention 1600 Gilbert (Royaume-Uni) Première études sur l’électrochimie 1791 Galvani (Italie) L’ « électricité animale » 1800 Volta (Italie) Découverte de la « pile voltaïque » 1802 Cruickshank (Royaume-Uni) Première production en série d’une pile électrique 1820 Ampère (France) Le magnétisme produit de l’électricité 1833 Faraday (RoyaumeUni) Énonciation de la loi de Faraday 1836 Daniell (Royaume-Uni) Invention de la « Pile Daniell » 1859 Planté (France) Batterie plomb / plomb - acide 1868 Leclanché (France) Pile Leclanché 1881 Émile Faure (France) Batterie à l’oxyde de plomb 1888 Gassner (États-Unis) Pile sèche 1897 Tesla (Serbie / ÉtatsUnis) Batterie oxygène hydrogène 1899 Jungner (Suède) Batterie Nickel Cadmium 1900 Edison (États-Unis) Stockage du nickel 1905 Edison (États-Unis) Batterie nickel fer 1942 Ruben & Mallory Pile au mercure 1947 Neumann (France) Premières piles nickel cadmium concrètes 1959 Urry (États-Unis) Brevets des piles alcalines 1960 -- Développement des piles au lithium Années 70 -- Développement des accumulateurs VRLA plomb-acide à régulation par soupape 1990 1992 Première batterie Ni-MH en vente Kordesh (Canada) Vente de la première batterie alcaline rechargeable 1999 Première batterie Li-ion 2002 Première production limitée de pile à combustible Tableau 1 : Quelques dates clé concernant les batteries Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 13 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.3. CHIMIE D’UNE PILE ÉLECTRIQUE Une batterie est constituée d’une ou plusieurs éléments électrochimiques. Bien que les termes batterie et élément de batterie soient souvent employés de façon interchangeable, les seconds sont les éléments constitutifs à partir desquels sont construites les batteries. Les batteries sont constituées d’éléments reliés électriquement. Le terme batterie n’a pas disparu mais la véritable dénomination de cette source d’énergie est cellule ou élément de batterie. La production d’énergie dans un élément de batterie repose sur une réaction chimique. Il suffit d’étudier quelques points de chimie pour expliquer ce qui s’y passe. 2.3.1. Élément de batterie Un élément de batterie est normalement constitué de 4 composants principaux : Figure 7 : Composition d’un élément de batterie Ces composants sont : Une électrode positive ou cathode (agent oxydant) qui reçoit les électrons du circuit externe lorsque l’élément est déchargé et qui est réduite au cours de la réaction électrochimique (décharge). Il s’agit d’ordinaire d’un oxyde métallique ou d’un sulfure, mais parfois d’oxygène. Le processus cathodique est la réduction de l’oxyde quittant le métal. (GR : Gain d’électrons - Réduction). Une électrode négative ou anode (agent réducteur ou combustible) qui donne des électrons au circuit externe tandis que l’élément se décharge et est oxydée au cours de la réaction électrochimique (décharge). Elle est constituée en général d’un métal ou d’un alliage mais parfois d’hydrogène. Le processus Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 14 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries anodique est l’oxydation du métal qui produit les ions. (PEO : Perte d’électrons Oxydation). Un électrolyte (le conducteur ionique) qui fournit le milieu de transfert de la charge sous forme d’ions dans la pile entre l’anode et la cathode. L’électrolyte est typiquement un solvant contenant des produits chimiques dissous qui offrent une conductivité ionique. Ce devrait être un matériau non-conducteur d’électrons (ou d’ions) afin d’éviter l’autodécharge de la pile. Un séparateur qui isole électriquement les électrodes positive et négative. Dans certains cas, c’est la distance physique entre les électrodes qui assure l’isolation et le séparateur est alors inutile. Outre les éléments clé ci-dessus, les éléments prévus pour le commerce nécessitent en principe, pour être complets, différentes sortes de boîtiers et un système de récupération de courant. Tous les métaux présentent une tension naturelle et différents métaux immergés dans un électrolyte présentent différentes forces électromotrices (FEM), dont les exemples cidessous : Métal FEM (volts) Métal FEM (volts) Magnésium Mg : -2,37 Plomb Pb : - 0,13 Aluminium Al : -1,66 Hydrogène H:0 Zinc Zn : -0,76 Cuivre Cu : +0,34 à +0,52 Fer Fe : - 0,44 Mercure Hg : + 0,80 Cadmium Cd : - 0,40 Argent Ag : + 0,80 Nickel Ni : - 0,23 Or Au : +1,58 à +1,68 Tableau 2 : Tension naturelle des métaux L’association de ces différents métaux, sous forme de tige ou de plaque (seule ou en série) fixe la valeur de FEM ou tension de l’élément de batterie. 2.3.2. Comment fonctionne un élément de batterie ? Lorsqu’une batterie (ou un élément) est insérée dans un circuit, elle constitue une boucle qui permet à la charge de circuler de façon uniforme le long du circuit. Sur la partie externe du circuit, la circulation de la charge est assurée par le déplacement des électrons, ce qui produit le courant électrique. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 15 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Dans l’élément, la charge se répartit par circulation d’ions d’une électrode à l’autre. L’électrode positive reçoit des électrons du circuit externe lors de la décharge. Ces électrons réagissent alors avec les matières actives de l’électrode positive par réactions de réduction, qui poursuivent la circulation de charge dans l’électrolyte vers l’électrode négative. Sur l’électrode négative, des réactions d’oxydation entre les matières actives de l’électrode négative et la circulation de la charge au travers de l’électrolyte provoquent un surplus d’électrons qui peuvent être fournis au circuit externe. Il est très important de noter que le système est fermé. Pour chaque électron généré par une réaction d’oxydation sur l’électrode négative, un électron est consommé dans une réaction de réduction sur l’électrode positive. Au cours du processus, les matières actives disparaissent peu à peu et les réactions ralentissent jusqu’à ce que la batterie ne puisse plus fournir d’électrons. La batterie est alors déchargée. Figure 8 : Processus au sein d’un élément de batterie Un élément voltaïque chimique est une combinaison de matériaux employés pour convertir l’énergie chimique en énergie électrique. L’élément chimique est composé de 2 électrodes constituées de différentes sortes de métaux ou composés métalliques et d’un électrolyte, qui est une solution capable de conduire un courant électrique (Cf. figure cidessus). On parle de batterie lorsque 2 éléments ou plus sont connectés. Le zinc et le cuivre sont un excellent exemple de paire d’électrodes. Le zinc contient une grande quantité d’atomes chargés négativement, tandis que le cuivre contient une grande Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 16 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries quantité d’atomes chargés positivement. Lorsque des plaques constituées de ces métaux sont immergées dans un électrolyte, une réaction chimique se produit entre elles. L’électrode de zinc accumule une charge négative bien supérieure, à mesure qu’elle se dissout graduellement dans l’électrolyte. Figure 9 : Pile voltaïque chimique Les atomes qui quittent l’électrode de zinc sont chargés positivement. Ils sont attirés par les ions de l’électrolyte chargés négativement (-), tandis qu’ils repoussent les ions chargés positivement (+) de l’électrolyte vers l’électrode de cuivre (Fig « processus » partie b). Cela provoque l’arrachement des électrons du cuivre, qui présente alors un excès de charge positive. Si une charge telle qu’une ampoule électrique est placée entre les bornes des électrodes, les forces d’attraction et répulsion vont pousser les électrons libres vers l’électrode négative de zinc, reliant les câbles et déplaçant le filament de l’ampoule vers l’électrode de cuivre positivement chargée (Fig « processus » partie c). La différence de potentiel résultante permet à la pile de fonctionner comme une source de tension appliquée. i V1 r1 R Question : quel est le potentiel (théoriquement) le plus élevé ? V1 V2 Quel schéma représente un élément de batterie ? Gauche Droite Les 2 r2 Quel schéma peut représenter une batterie? Gauche Droite Les 2 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 i V2 R Page 17 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Ainsi, les batteries sont des dispositifs qui permettent de convertir l’énergie chimique en énergie électrique dont la tension est fonction des métaux des électrodes. Au sein de la batterie elle-même, une réaction chimique produit les électrons. La vitesse de production des électrons par cette réaction chimique (résistance interne de la batterie) détermine le nombre d’électrons qui peuvent circuler entre les bornes. Lorsque les électrons circulent de la batterie dans un câble, ils doivent se déplacer de la borne négative à la borne positive pour permettre à la réaction chimique de se produire. C’est la raison pour laquelle une batterie peut rester entreposée pendant un an et fournir ensuite toute son énergie. Tant que les électrons ne circulent pas de la borne négative à la positive, la réaction chimique n’a pas lieu. Dès lors que vous reliez une batterie à une charge, la réaction commence. 2.3.3. Processus de décharge Lorsque la batterie est complètement chargée, il y a un surplus d’électrons sur l’anode, ce qui lui confère une charge négative et un déficit d’électrons sur la cathode, ce qui lui confère une charge positive, d’où une différence de potentiel dans la batterie. Lorsque le circuit est fermé, le surplus d’électrons circule dans le circuit externe depuis l’anode chargée négativement, qui perd toute sa charge et la cathode chargée positivement, qui l’accepte en neutralisant sa charge positive. Cette action réduit la différence de potentiel dans la batterie jusqu’à l’annuler. Le circuit est fermé ou équilibré du fait de la circulation d’ions positifs dans l’électrolyte de l’anode vers la cathode. Les électrons sont chargés négativement, par conséquent, le courant électrique qu’ils engendrent circule dans la direction opposée, depuis la cathode (borne positive) vers l’anode (borne négative). 2.3.4. Recharger ou ne pas recharger Les batteries se répartissent principalement en 2 classes : Primaires (piles ou batteries) Dans les éléments primaires, la réaction électrochimique n’est pas réversible. Au cours de la décharge, les composants chimiques se modifient de façon permanente et l’énergie électrique est fournie jusqu’à ce que les composants d’origine soient complètement épuisés. C’est pourquoi ces éléments (de piles) ne peuvent servir qu’une fois. Secondaires (accumulateurs). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 18 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Dans les éléments secondaires (accumulateurs), la réaction électrochimique est réversible et les composants chimiques d’origine peuvent être reconstitués par application d’un potentiel électrique entre les électrodes, ce qui injecte de l’énergie dans la pile. Ces accumulateurs peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois. Les éléments primaires (piles) telles que celles des lampes de poche sont à utilisation unique et doivent être remplacés. Les réactions chimiques qui fournissent le courant sont irréversibles. Ils ne peuvent pas être rechargées. Figure 10 : Éléments primaires Les accumulateurs (ou éléments secondaires) peuvent être rechargés et déchargés plusieurs fois. Ils mettent en œuvre des réactions chimiques réversibles. En inversant la circulation d’électricité, c’est à dire en en faisant entrer et non plus sortir, les réactions chimiques sont inversées afin de restituer des matières actives épuisées. Figure 11 : Accumulateurs (secondaires) Les accumulateurs sont également connus sous le nom de batteries rechargeables ou batteries d’accumulateurs (accumulateur = batterie rechargeable). Au Chapitre 3, nous verrons les différents types de batteries en différenciant les éléments primaires des secondaires (accumulateurs). 2.3.5. Choix des produits chimiques actifs La tension et l’intensité générées par une batterie galvanique sont directement liées au type de matériaux employés dans les électrodes et l’électrolyte. La propension d’un métal ou d’un composé de métaux à perdre ou gagner des électrons dans son interaction avec un autre matériau est connue sous le nom de potentiel d’électrode. Ainsi, les forces des agents oxydants et réducteurs sont indiquées par leur potentiel d’électrode standard. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 19 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les composés présentant un potentiel d’électrode positif sont employés pour les anodes et ceux présentant un potentiel d’électrode négatif pour les cathodes. Plus la différence entre les potentiels d’électrode de l’anode et de la cathode est grande, plus la FEM de l’élément et la quantité d’énergie qu’il peut produire sont élevées. Note : une plus grande FEM produit une plus grande énergie, mais d’autres paramètres sont concernés quant à la capacité de la batterie La série électrochimique est une liste ou un tableau d’éléments métalliques ou d’ions classés selon leur potentiel d’électrode. L’ordre indique la tendance d’un métal à réduire les ions d’un métal qui le suit dans la série. Voici un extrait du tableau des potentiels standard d’oxydoréduction présentant les valeurs limites du tableau : Potentiels des agents oxydants et réducteurs Cathode (Réduction) Demi-réaction Tension standard E ° (volts) Li + (aq) + e - -> Li(s) -3,04 K + (aq) + e - -> K(s) -2,92 Ca2+ (aq) + 2e - -> Ca(s) -2,76 Na + (aq) + e - -> Na(s) -2,71 Zn2+ (aq) + 2e - -> Zn(s) -0,76 Cu2+ (aq) + 2e - -> Cu(s) 0,34 O3 (g) + 2H + (aq) + 2e - -> O2 (g) + H2O(l) 2,07 F2 (g) + 2e - -> 2F - (aq) 2,87 Tableau 3 : Exemples issus du tableau des potentiels standard Les valeurs d’entrée du tableau sont des potentiels de réduction, c’est pourquoi le lithium (à la première ligne) présente la plus forte valeur négative, ce qui indique qu’il est le réducteur le plus puissant. L’oxydant le plus puissant est la fluorine, qui présente la plus forte valeur positive de potentiel d’électrode standard. Le tableau ci-dessous présente quelques produits chimiques employés comme électrodes de batteries, classés par ordre de potentiel d’électrode. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 20 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Matériau d’anode Matériau de cathode (Bornes négatives) (Bornes positives) MEILLEUR : Plus forte valeur MEILLEUR : Plus forte valeur négative positive Lithium Ferrate Magnésium Oxyde de fer Aluminium Oxyde cuivreux Zinc Iodate Chrome Oxyde cuivrique Fer Oxyde de mercure Nickel Oxyde cobaltique Étain Dioxyde de manganèse Plomb Dioxyde de plomb Hydrogène Oxyde d’argent Cuivre Oxygène Argent Nickel Oxyhydroxide Palladium Dioxyde de nickel Mercure Peroxyde d’argent Platine Permanganate Or Bromate PIRE : Moins fortes valeurs négatives PIRE : Moins fortes valeurs positives Les éléments à électrolytes aqueux (contenant de l’eau) sont limitées en tension à 2 volts environ, l’oxygène et l’hydrogène de l’eau se dissociant à des tensions supérieures. Les éléments (de pile) au lithium qui emploient des électrolytes non aqueux ne présentent pas ce type de problème et sont disponibles à des tensions comprises entre 2,7 et 3,7 volts. Cependant, l’emploi d’électrolytes non aqueux provoque dans ces éléments une impédance interne relativement élevée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 21 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.4. CONCEPT DE BASE DES BATTERIES Deux paramètres mesurent la performance d’une batterie ou d’une pile : la tension et la capacité. Très simplement, la tension est la force qui propulse chaque électron sortant d’une batterie et la capacité est le nombre d’électrons que peut fournir une batterie. La relation entre ces paramètres et les batteries est exposée ci-dessous. 2.4.1. Tension Toutes les batteries fonctionnent selon la même gamme de réactions et emploient les mêmes matières actives. Prenons pour exemple la batterie plomb - plomb / acide pour notre démonstration. Sur l’électrode positive, le dioxyde de plomb (PbO2) est transformé en sulfate de plomb (PbSO4) et sur l’électrode négative, le plomb spongieux (Pb) est également transformé en sulfate de plomb (PbSO4). L’électrolyte est un mélange dilué d’acide sulfurique qui permet la sulfatation pour les réactions de décharge. Les réactions de réduction et d’oxydation produisent chacune un potentiel spécifique. La somme des potentiels de réduction et d’oxydation constitue la tension de l’élément. Par exemple, la réaction de décharge sur l’électrode positive pour un élément plomb acide est : PbO2 + SO4 -2 + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O, qui présente un potentiel de 1,685 volts. La réaction sur l’électrode négative est la suivante : Pb + SO4-2 → PbSO4 + 2e, qui présente un potentiel de 0,356 volts. Ainsi, la tension totale d’un élément de batterie plomb acide est de 2,04 volts. Cette valeur est appelée potentiel d’électrode standard. D’autres facteurs, tels que la concentration en acide peuvent également agir sur la tension d’un élément de batterie plomb acide. La tension à vide typique des éléments plomb acide du commerce est d’environ 2,15 volts, selon les fabricants. Ainsi, la tension de tout élément de batterie dépend de la chimie de l’élément. Les éléments nickel cadmium fournissent environ 1,2 volts, les éléments plomb acide environ 2,0 volts, et Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 22 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries les éléments au lithium peuvent atteindre 4 volts. (3,6 – 3,7 V). Les éléments peuvent être interconnectés, afin d’augmenter la tension. On peut ainsi disposer de batteries plomb acide avec des tensions nominales de 2 V, 4 V, 6 V, etc. 2.4.2. Capacité Alors que la tension d’un élément est déterminée par la chimie qui régit celui-ci, la capacité en est variable, selon la quantité de matière active qu’elle contient. Les éléments individuels peuvent présenter une capacité allant de fractions d’ampères heure à quelques milliers d’ampères heure. La capacité d’une batterie est exprimée en ampères-heure (Ah). La capacité d’un accumulateur permet de déterminer la durée pendant laquelle il pourra fonctionner pour un certain taux de décharge. Par exemple, un accumulateur de 90 Ah doit être rechargé après 9 h de décharge moyenne de 10 A. Un élément de batterie auto plomb acide totalement chargé présente une tension initiale de 2,1 V hors charge, mais se décharge rapidement. La batterie est ainsi morte après environ 2 h de décharge dans un circuit (valeur 2 heures de décharge sur le circuit des phares à titre d’exemple). Cependant, en conditions normales d’utilisation, l’alternateur de l’automobile recharge en permanence ce type de batterie. Question/Exercice : Une voiture est équipée d’une batterie 50 Ah, pleine charge. Je laisse les phares allumés ; une puissance de 60 W pendant 2 heures décharge la batterie (on considère que la tension est constante à 12 V). Combien de temps faudra-t-il pour recharger la batterie avec un courant de 0,1 fois la capacité de la batterie (C/10 A ou 0,1 C A) 0,5 heure 1 heure 2 heures 5 heures 10 heures Vous pouvez trouver la solution sans avoir vu le chapitre 4 sur la charge des batteries. 2.4.3. Tension et capacité Les batteries sont en principe composées de multiples éléments électriquement connectés. La façon dont les connexions électriques sont faites détermine la tension et la capacité de la batterie. Figure 12 : Tension et capacité Si la borne positive d’un élément est connectée à la borne négative du suivant et ainsi de suite dans la batterie, le résultat (présenté sur la figure ci-contre) s’appelle une Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 23 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries batterie série. La tension de ce type de batterie est égale à la somme des tensions des éléments pris séparément. Par exemple, une batterie 12 V est constituée d’éléments plomb acide 6 x 2 V en série. Les tensions s’ajoutent, mais la capacité totale reste égale à celle de chaque élément pris séparément. Le paragraphe suivant présente la tension et la capacité. 2.5. ÉLÉMENTS EN SÉRIE ET EN PARALLÈLE Toutes les sortes de piles ou batteries peuvent être associées, en série ou en parallèle. Pour les éléments primaires carbone-zinc cicontre, la tension « naturelle » est de 1,5 V par élément. Figure 13 : Éléments en série et parallèle Question : avec plusieurs éléments de batterie : En parallèle, j’augmente la capacité la tension la tension ET la capacité En série, j’augmente la capacité la tension la tension ET la capacité 2.5.1. Éléments reliés en série Lorsque des éléments sont reliés en série, la tension totale dans la batterie d’éléments est égale à la somme des tensions de chacun des éléments pris séparément. Sur la figure les 4 piles 1,5 V en série offrent une tension totale de 6 V. Lorsque les éléments sont reliés en série, la borne positive de l’un est reliée à la borne négative du suivant. Figure 14 : Éléments reliés en série Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 24 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Le courant qui circule dans une telle batterie d’éléments en série est le même que celui d’un seul de ces éléments. En effet, c’est le même courant qui circule dans tous les éléments en série. Note : Dans toute configuration de batteries, chacun des éléments employés dans la série doit être identique à ses voisins. Une disposition en série est une série de blocs reliés bout à bout, pour former la batterie. La borne positive du premier bloc est reliée à la borne négative du deuxième bloc ; la borne positive du deuxième à la borne négative du troisième, etc. La tension totale de la batterie est égale à la somme des tensions de chaque bloc seul et doit être étudiée pour correspondre aux spécifications de tension de l’ASI ou du circuit de charge (nous anticipons ici sur le chapitre suivant). La capacité de la batterie reste identique dans cette disposition et est égale à celle de chaque élément pris séparément. Exemple : Si 12 blocs de 12 V, 10 Ah, sont reliés en série, la batterie résultante fournit 144 V et une capacité de 10 Ah. Figure 15 : 12 éléments reliés en série 2.5.2. Éléments reliés en parallèle Pour obtenir un courant plus élevé, les éléments de la batterie doivent être reliés en parallèle. Lorsque les éléments sont reliés en parallèle, toutes les bornes positives sont reliées les unes aux autres et toutes les bornes négatives sont reliées entre elles. Tout point pris du côté positif peut servir de borne positive de la batterie et tout point sur le côté négatif de borne négative. Figure 16 : Éléments reliés en parallèle Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 25 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries La tension totale de sortie d’une batterie de 3 éléments en parallèle est la même que celle d’un élément pris séparément, mais le courant disponible est égal à 3 fois celui d’un élément seul. La liaison parallèle présente le même effet qu’un accroissement de la taille des électrodes et de l’électrolyte dans un élément seul, qui accroît la capacité de courant. Des éléments identiques de batterie mis en parallèle fournissent tous à part égale du courant à la charge. Ainsi, pour 3 éléments identiques en parallèle produisant une charge de courant de 270 mA, chaque élément y contribue pour 90 mA. Connexion série ou parallèle pour « notre » application industrielle : Un montage en parallèle est une combinaison de 2 ou plusieurs montages en série, dans laquelle chaque montage doit présenter le même nombre de blocs. Les batteries sont parallélisées pour deux raisons principales. La première raison vise à augmenter la capacité (débit en Ah) du groupe de batteries. La seconde vise à accroître la résilience du groupe de batteries afin qu’un élément de batterie défaillant n’entraîne pas l’indisponibilité de l’ensemble des batteries pour la charge à alimenter. La borne positive de la 1ère batterie du montage en série est reliée à la borne positive de la 2ème batterie du montage ; la borne positive de la 2ème à la borne positive de la 3ème, etc. La borne négative de la 1ère batterie du montage en série est reliée à la borne négative de la 2ème batterie du montage ; la borne négative de la 2ème à la borne négative de la 3ème, etc. La tension totale de la batterie est égale à la tension de chaque montage en série. La capacité de la batterie est égale à la somme des capacités de chaque montage en série pris seul. Exemple : Si 3 montages de 12 batteries de 12 V et 10 Ah sont reliés en parallèle, la batterie résultante fournit 144 V et une capacité de 30 Ah. Figure 17 : 3 montages de 12 blocs en parallèle Il est inhabituel de voir plus de 6 montages de batteries en série mis en parallèle. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 26 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Questions : Pour obtenir un courant plus grand, la batterie présente des éléments en parallèle série 3 éléments identiques en parallèle (90 mA) produisent un courant de charge de 270 mA 90 mA 30 mA La tension totale de sortie d’une batterie constituée de 3 éléments en parallèle est la même que celle d’un élément seul différente Calculer la tension « théorique » de cet assemblage série Cette configuration estelle possible (polarités mélangées ?) Oui Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Non Page 27 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.6. RÉSISTANCE INTERNE D’UNE BATTERIE Une batterie est un générateur de tension continue. Tous les générateurs présentent une résistance interne R1. Dans un élément de batterie chimique, la résistance de l’électrolyte entre les électrodes est à l’origine de la plus grande part de la résistance interne. Figure 18 : Résistance interne d’une batterie Tout courant dans la batterie doit circuler dans la résistance interne, ainsi, R1 est en série avec le potentiel généré VB. En l’absence de courant, la chute de potentiel au travers de R1 est nulle et l’ensemble du potentiel généré VB est présent aux bornes de sortie. Il s’agit ici de tension en circuit ouvert ou tension à vide. Figure 19 : Tension à vide Si une résistance de charge RL est connectée à la batterie, RL est en série avec R1. Lorsque le courant IL circule dans ce circuit, la chute interne de potentiel, ILR1, diminue la tension VL aux bornes de la batterie comme suit : VL = VB – ILR1 Figure 20 : Tension aux bornes La tension mesurée entre le + et le - d’une batterie en circuit ouvert est systématiquement supérieure à celle mesurée entre les mêmes points de la batterie en charge. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 28 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries La résistance interne d’un élément de batterie peut être calculée à l’aide du circuit cidessous : Si l’on mesure la tension E de l’élément, commutateur ouvert, puis que l’on ferme le commutateur et que l’on mesure le courant (i) et à nouveau la tension de l’élément, soit U. V R1 Si E = 2,2 V, U = 2,0 V et i = 10 A, alors on peut calculer la résistance interne (R1). La chute de tension interne (Vc) de l’élément, due à la résistance est VC = E - U = 2,2 V - 2,0 V = 0,2 V Figure 21 : Calcul de la résistance interne + - i A R De la sorte, R1 = Vc 0,2 = = 0,02 Ω = R1 i 1 Exercice : À vous maintenant de déterminer la tension réelle sur une charge. Une batterie sèche présente une tension en circuit ouvert ou tension à vide de 100 V. Si la résistance interne est de 100 Ω et que la résistance de charge est de 600 Ω déterminer la tension VL entre les bornes de sortie. La batterie est marquée 100 V parce que sa tension en circuit ouvert est de 100 V. À vide, le courant de charge est nul. Si l’on ajoute une résistance de charge RL, le circuit est fermé et le courant de charge se calcule par la loi d’Ohm. VL = ?? Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 29 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.7. ÉLECTROLYTE L’électrolyte d’un élément peut être liquide ou sous forme de pâte. Si l’électrolyte est liquide, on parle souvent d’élément de batterie liquide. Si l’électrolyte est sous forme de pâte, on parle d’élément de batterie sèche. On appelle souvent gel cette pâte. L’électrolyte est le conducteur ionique qui fournit le milieu de transfert de charge sous forme d’ions dans la pile, entre l’anode et la cathode. L’électrolyte est typiquement un solvant contenant des produits chimiques dissous qui assurent la conductivité ionique. Ce devrait toujours être un produit non-conducteur d’électrons afin d’éviter l’autodécharge de l’élément. Les éléments à base d’électrolytes aqueux (contenant de l’eau), dites liquides, sont limitées en tension à moins de 2 volts, l’oxygène et l’hydrogène de l’eau se dissociant à des tensions supérieures. Les éléments au lithium qui emploient des électrolytes non aqueux ne présentent pas ce type de problème et sont disponibles à des tensions comprises entre 2,7 et 3,7 volts. Cependant, l’emploi d’électrolytes non aqueux provoque dans ces éléments une impédance interne relativement élevée. 2.7.1. Les deux électrolytes de la pile Daniell (et résumé du fonctionnement de celle-ci) Les principes de la pile galvanique peuvent être expliqués en étudiant le fonctionnement de la pile Daniell, un système à 2 électrolytes. Les systèmes de piles à 2 électrolytes existent depuis environ 1836, date d’invention de la pile Daniell visant à résoudre les problèmes de polarisation. La figure suivante illustre le fait qu’il existe effectivement 2 demi éléments (de pile) dans lesquelles les réactions chimiques se déroulent. Chaque électrode est immergée dans un électrolyte différent avec lequel elle réagit. Le potentiel d’électrode, qu’il soit positif ou négatif, est la tension développée par l’électrode seule. Les électrolytes sont séparés l’un de l’autre par un pont salin ou une membrane poreuse qui est neutre et n’intervient pas dans la réaction. Un processus d’osmose laisse passer les ions sulfate mais bloque les ions métalliques. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 30 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries CATHODE PILE DANIELL ANODE Pôle positif de la pile Pôle négatif de la pile Le zinc perd des électrons plus facilement que le cuivre Accepte des électrons depuis le circuit externe Fournit des électrons au circuit externe Du métal de cuivre se dépose sur la cathode Le zinc se répand dans la solution aqueuse Site de Réduction Site d’Oxydation Demi-pile au potentiel d’électrode le plus haut Demi-pile au potentiel d’électrode le plus bas GR PEO Figure 22 : Pile Daniell Ce schéma à 2 électrolytes offre plus de degrés de liberté ou de contrôle sur le processus chimique. Bien que plus complexes, ces piles ont permis la construction de piles à durée de vie plus longue en optimisant la combinaison électrolyte/électrode séparément sur chaque électrode. Plus récemment, elles ont été employées comme base des Accumulateurs à circulation constante, dans lesquels les électrolytes sont pompés par la pile, offrant une capacité quasi illimitée. Le zinc est un matériau d’anode très courant. L’action chimique ci-dessus en provoque la dissolution dans l’électrolyte. On peut dire de la pile Daniell ci-dessus qu’elle consomme du zinc et dépose le cuivre. Note : une pile à électrolyte simple peut également être représentée par 2 demi-piles. On peut considérer cela comme un cas particulier de pile Daniell à 2 électrolytes identiques. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 31 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.7.2. Densité de l’électrolyte liquide (élément liquide) Bien entendu, il ne peut s’agir d’une batterie sèche dont l’électrolyte n’est pas accessible. Une mesure de densité signifie qu’il s’agit de batteries rechargeables et seulement de celles présentant un électrolyte liquide, soit, dans notre application, les batteries plombacide et Ni-Cd (ou potassium) acide. La densité de tout liquide est le rapport entre le poids de celui-ci et le poids d’un volume égal d’eau. L’acide sulfurique pur présente une densité de 1,835 parce qu’il pèse 1,835 fois plus que l’eau par unité de volume. La densité de la solution électrolyte dans une batterie plomb acide varie entre 1,210 et 1,300 pour des batteries neuves et complètement chargées. Plus la densité est haute, plus la résistance interne de l’élément est basse et plus le courant de charge admissible est élevé. À mesure que l’élément se décharge, l’eau constituée dilue l’acide et la densité diminue graduellement pour atteindre environ 1,150. L’élément est alors considérée comme étant totalement déchargée. La densité se mesure avec un densimètre à seringue, constitué en son extrémité supérieure d’une poire en caoutchouc, un corps en verre et un tube en caoutchouc au bout du corps en verre. Lors des relevés avec le densimètre, la virgule est généralement omise. Ainsi, une densité de 1,270 (plomb-acide) se lit simplement douze - soixante dix. Une lecture au densimètre de 1210 à 1300 indique une pleine charge, une demi-charge pour environ 1250 et une complète décharge de 1150 à 1200. Figure 23 : Densimètre Ci-dessous l’utilisation du densimètre, dans le cadre d’un programme de maintenance, que nous reverrons au paragraphe concerné. Cette méthode vaut pour nos deux applications liquides : plomb-acide et Ni-Cd Potassium (ou acide). Le densimètre présenté est une ampoule de verre équipée d’un flotteur. Le flotteur est un tube de verre creux scellé en ses deux extrémités et lesté en son fond, avec une échelle sur le côté, calibrée en densité. Pour tester un électrolyte, faire passer le liquide dans le densimètre à l’aide de la poire d’aspiration. Prélever assez d’électrolyte pour élever le flotteur du densimètre. Figure 24 : Exemple de densimètre Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 32 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Ne pas faire remonter de l’électrolyte au point de faire monter le flotteur dans la poire d’aspiration. Le flotteur s’élève jusqu’à un certain point, fixé par la densité de l’électrolyte. Si l’électrolyte contient une grande quantité de matière active, la densité en est relativement élevée. Le flotteur s’élèvera plus que si l’électrolyte ne contenait qu’une faible quantité de matière active. 2.7.3. Recommandations pour la manipulation de l’électrolyte Les simples étapes suivantes permettent de tester la batterie à l’aide d’un densimètre : Disposer d’une batterie pleinement chargée et débranchée. Ne pas ajouter d’eau dans les éléments, même s’ils semblent vides. Remplir et vider le densimètre 2 ou 3 fois avant de prélever un échantillon de mesure. Remplir le densimètre avec l’électrolyte. Prévoir une quantité suffisante d’électrolyte dans le densimètre pour faire complètement flotter le flotteur. Relever la mesure puis replacer l’électrolyte dans le même élément. Vérifier tous les éléments de la batterie, en répétant les étapes ci-dessus. Replacer les capuchons et nettoyer toute trace d’électrolyte éventuellement renversé. Travailler avec un électrolyte acide (préparation) : (sécurité en matière de batteries) Vérifier que des solutions de neutralisation sont à disposition immédiate. Ajouter lentement et soigneusement de l’acide concentré à l’eau (Ajouter de l’eau à de l’acide cause une projection d’acide et un violent dégagement de chaleur). Agiter le mélange à l’aide d’une baguette en verre ou en plastique (téflon). Vérifier que l’électrolyte est stocké dans un récipient approprié (récipient en verre, polyéthylène ou polypropylène par exemple). Ne pas mettre en contact du métal (hormis le plomb) avec l’acide ou l’électrolyte. Laisser refroidir l’électrolyte avant d’en mesurer la densité. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 33 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Dispersion accidentelle d’électrolyte : (sécurité en matière de batteries) Consulter les fiches de sécurité (FDS) appropriées pour des instructions en matière de confinement, nettoyage et élimination des écoulements d’électrolyte. Si de l’électrolyte est renversé : Passer tout habillé sous la douche en cas de contact (ou suspicion de contact) de l’électrolyte avec une partie du corps. Jeter de la terre de diatomée ou du sable (mais PAS de sciure) sur la zone contaminée. La terre de diatomée est une substance non toxique, sans risque, issue de fossiles concassés, de micro-organismes d’eau douce et marins. Réduites à l’état de poudre fine, les particules observées au microscope ressemblent à du verre pilé. Ôter la terre ou le sable une fois que l’acide/électrolyte a été absorbé. Nettoyer la zone avec une solution de carbonate de sodium courant. Éliminer en toute sécurité les matières contaminées. 2.8. TERMINOLOGIE DES BATTERIES IDENTIFICATION D’UNE BATTERIE L’identification se fait par le nom des métaux de l’anode et de la cathode puis (s’il faut le spécifier) par le type d’électrolyte. Lorsque l’on parle de batterie plomb acide, on devrait plutôt dire : plomb-plomb-acide, mais l’on comprend de façon implicite que les 2 électrodes sont en plomb. Accumulateur : Générateur électrochimique rechargeable. Pile à dépolarisation par l'air (Saft) : Pile composée d’une électrode de zinc. Ces piles sont à forte capacité, sans maintenance ou presque et elles sont principalement employées dans les applications traditionnelles telles que la signalisation ferroviaire, les portes électriques et les bouées dans les ports. Intensité/Ampère heure (Capacité) L’unité est l’ampère heure (Ah) (mAh = milliampère heure ou 1/1000 ampère par heure) Cette grandeur indique la quantité d’énergie qu’une batterie peut fournir sous tension nominale et permet de déterminer le temps pendant lequel la batterie pourra faire fonctionner le dispositif qu’elle alimente. En général, plus la capacité en Ah est élevée, plus longue est la durée d’utilisation. Un dispositif qui consomme 100 mAh fonctionne environ 10 heures sur une batterie de 1000 mAh (ou 1 Ah). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 34 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Batterie : Ensemble des générateurs électrochimiques, constitués d’éléments non rechargeables ou d’accumulateurs rechargeables. Élément de batterie Cellule simple de batterie, regroupée en général avec d’autres pour former des groupes de batteries de tensions différentes. Exemple : six éléments de 1,2 V reliés en série dans un bloc batterie forment une batterie de 7,2 V. Charge Processus de fourniture d’énergie à une batterie. Nécessaire lorsque la tension de la batterie descend au-dessous d’un certain seuil. Conditionnement Processus répété de charge et décharge complète d’une batterie, visant à éviter la baisse de tension ou l’effet « mémoire » ou encore à restaurer une capacité perdue. Cycle Processus de charge et décharge d’une batterie en utilisation normale ou par conditionnement. Décharge Libération d’énergie par la batterie. Densité d’énergie (massique ou volumique) Densité (ou volume) d’énergie d’une batterie, exprimée en watt heure par kilogramme (Wh.Kg) ou watt heure par litre (Wh.l), correspondant à la quantité d’énergie stockée par unité de masse (ou volume) d’une batterie. Effet mémoire (baisse de la tension nominale) Terme décrivant la perte de capacité et la chute subséquente de tension dans la batterie du fait des charges et décharges constantes ou répétées, d’où une perte de durée de vie. Durée de stockage Durée pendant laquelle l’élément de batterie peut être stockée sans perdre plus de 10% environ de sa capacité originelle. La capacité de la pile ou batterie est son aptitude à fournir une intensité donnée au circuit qu’elle alimente. La perte de capacité d’un élément stocké est principalement due à l’assèchement de son électrolyte (élément liquide) et à des actions chimiques qui modifient les matières contenues dans l’élément. Dans la mesure où la chaleur favorise ces deux actions, la durée de stockage d’un élément peut être allongée par un stockage en lieu frais et sec. Certains fabricants fournissent des éléments chargés et sec (sans électrolyte) qui peuvent être stockés pendant une durée relativement longue. (Voir les recommandations du fabricant dans ce cas) Un glossaire plus détaillé de la terminologie des batteries (en anglais) est proposé dans le MPower Battery Technology Glossary : source Eurobat. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 35 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.9. DENSITÉ D’ÉNERGIE La densité d’énergie est la mesure de la quantité d’énergie, par unité de poids ou de volume, qui peut être stockée dans une batterie. Ainsi, pour un poids ou un volume donné, un élément à densité d’énergie supérieure pourra stocker plus d’énergie ou encore, pour une capacité de stockage donnée, un élément à densité d’énergie supérieure sera plus petit et plus légèr. Le schéma ci-dessous présente quelques exemples typiques. Figure 25 : Densité d’énergie relative de certaines chimies courantes des batteries En général les plus grandes densités d’énergie sont obtenues à l’aide de produits chimiques plus réactifs. L’inconvénient en est que les produits chimiques plus réactifs tendent à être instables et peuvent nécessiter des mesures de sécurité spécifiques. La densité d’énergie dépend également de la qualité des matières actives employées pour la construction des éléments, dont les impuretés limitent les capacités des éléments. C’est pourquoi les éléments de différents constructeurs présentant les mêmes chimies et la même construction peuvent présenter différentes énergies et performances de décharge. Il est à noter qu’il y a souvent une différence entre les éléments cylindriques et prismatiques. Cela est dû au fait que la densité d’énergie nominale ne se réfère pas en principe aux seuls produits chimiques mais aux matières des contenants et aux connexions de la batterie. La densité d’énergie est ainsi influencée ou limitée par les fonctionnalités de construction de la batterie, ci-après. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 36 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2.10. EXERCICES 1. Quel potentiel est (théoriquement) le plus élevé ? i V1 V2 V1 r1 R 2. Quel schéma représente un élément de batterie ? A A i B Les 2 V2 R r2 3. Quel schéma représente une batterie ? B A B Les 2 4. Une voiture est équipée d’une batterie 50 Ah, parfaitement chargée. Pendant 2 heures, j’en laisse les phares allumés, d’une puissance de 60 W, décharger la batterie (on admet que la tension reste constante, 12 V). Combien de temps faudra-t-il pour recharger cette batterie avec un courant de charge égal à 0,1 fois la capacité de la batterie (C/10 A ou 0,1C A) ? 0.5 heure 1 heure 2 heures 5 heures 10 heures Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 37 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5. Calculer la tension « théorique » de cet assemblage en série = ……………. V 6. Si je place plusieurs éléments en parallèle j’augmente La capacité La tension La capacité et la tension 7. Si je place plusieurs éléments en série j’augmente La capacité La tension La capacité et la tension 8. Pour obtenir un courant supérieur, la batterie présente des éléments en parallèle série 9. Trois mêmes éléments placés en parallèle (90 mA) produisent un courant de charge de 270 mA 90 mA 30 mA Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 38 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 10. La tension totale de sortie d’une batterie à 3 éléments placés en parallèle est La même que celle d’un élément seul Différente 11. Cette configuration est-elle possible ? (polarités mélangées) Oui Non 12. Une batterie sèche présente une tension en circuit ouvert ou à vide de 100 V. Si la résistance interne est de 100 Ω et que la résistance de charge est de 600 Ω, déterminer la tension VL entre les bornes de sortie. La batterie est marquée 100 V parce que sa tension en circuit ouvert est de 100 V. À vide, le courant de charge est nul. Si l’on ajoute une résistance de charge RL, le circuit est fermé et le courant de charge se calcule par la loi d’Ohm VL = ………… Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 39 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3. CONSTRUCTION ET TECHNOLOGIE DES BATTERIES 3.1. COMPOSANTS Les composants de base des batteries sont les électrodes et les bornes de connexion au circuit externe, un séparateur pour maintenir les électrodes ‘séparées’ et éviter tout courtcircuit, l’électrolyte qui assure le transport des ions chargés entre les électrodes et enfin un boîtier qui contient les produits chimiques et maintient les électrodes en place. 3.1.1. Boîtier Le boîtier peut être tout simplement un contenant robuste en verre, plastique ou métal, isolé des électrodes et qui ne fait pas partie du circuit électrique de la batterie. Les batteries plomb acide présentent typiquement de tels contenants. Un boîtier métallique peut cependant servir d’électrode et permettre une économie de matériaux, comme pour les piles Leclanché (zinc-carbone). 3.1.2. Électrodes Le matériau des électrodes peut être une grille métallique rigide, comme pour les batteries plomb acide. La matière active de l’électrode peut également être imprégnée ou revêtue d’une feuille métallique spirale roulée qui agit simplement comme collecteur de courant, comme dans de nombreuses batteries à base de nickel et de lithium. 3.1.3. Séparateur Le séparateur peut être une entretoise mécanique, de la fibre de verre ou encore un film flexible plastique fait de nylon, polyéthylène ou polypropylène. Il doit être poreux et très fin, pour permettre aux ions chargés de passer sans encombre et doit occuper un espace minimum afin de laisser le maximum d’espace disponible aux matières actives. Dans le même temps, il doit être résistant à la pénétration des amas ou dendrites apparaissant sur les plaques d’électrode ou à toute contamination du revêtement de l’électrode afin d’éviter les éventuels courts-circuits entre les électrodes. Ces caractéristiques doivent persister aux fortes températures de fonctionnement quand le ramollissement de la matière plastique peut boucher les pores ou en réduire la résistance à la pénétration. La rupture ou pénétration du séparateur est un domaine de faiblesse potentielle pour les batteries grande puissance. Ainsi, des matériaux spéciaux de séparateur ont été développés pour résoudre ce problème. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 40 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.1.4. Bornes Il existe plusieurs façons de se brancher aux électrodes, depuis les contacts à ressort, les câbles ou cosses, jusqu’aux plots mécaniques. L’objectif principal est que les bornes puissent faire passer le courant maximum sans surchauffe, de la borne elle-même ou de l’électrode qui y est reliée. Ceci nécessite une conception soignée de la connexion aux électrodes pour faire passer le courant dans la surface la plus large possible du matériau de l’électrode afin de ne causer aucun point chaud. Pour les batteries industrielles (dans les ASI), le serrage des cosses, des boulons sur les bornes et toutes les interconnections doit s’effectuer précautionneusement et avec une clé dynamométrique. Se référer au manuel d’entretien du fabricant pour obtenir les instructions nécessaires en ce domaine. 3.1.5. Électrolyte Très longtemps, les électrolytes se présentaient sous forme aqueuse ou gélifiée (le chapitre sur la maintenance présente l’entretien des électrolytes). Ont été développés depuis lors des électrolytes polymères (polyélectrolytes) solides, non sujets aux fuites ou déversements. Ils sont considérés comme étant plus sûrs en cas d’accident et ils apportent en outre de nouveaux degrés de liberté dans la création de batteries, permettant notamment des conceptions mécaniques adaptables aux espaces les plus singuliers. Les polyélectrolytes sont typiquement employés dans les batteries au lithium. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 41 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.2. CONSTRUCTION INTERNE De façon générale, la tension de l’élément dépend de sa chimie et de la nature des métaux, la capacité dépend du poids des matières actives, l’intensité de courant maximale (ou puissance) dépend de la surface des électrodes. Dans une moindre mesure, les trois paramètres ci-dessus ainsi que les propriétés thermiques dépendent de l’impédance interne de l’élément, elle-même dépendante de la conductivité de l’électrolyte, la topologie et la résistance des composants sur le circuit électrique. Cependant, la taille, la forme et les matières employées ont également une influence sur les performances électriques finales d’un élément de batterie. 3.2.1. Électrodes (Compromis puissance/énergie) Pour une chimie de b particulière et dans l’espace disponible dans un boîtier particulier, la performance peut être optimisée en matière de capacité ou de puissance. L’augmentation de la surface des électrodes accroît le courant admissible de l’élément. Ce dernier peut ainsi fournir plus de puissance et être chargé plus rapidement. L’augmentation de volume de l’électrolyte dans l’élément en accroît les capacités de stockage d’énergie. Le premier compromis se tient entre la surface des électrodes et le volume de l’électrolyte qui peut être contenu dans le volume disponible dans le boîtier. Les éléments grande puissance nécessitent des électrodes de grande surface ainsi que des collecteurs de courant plus larges, qui emploient une plus grande part de l’espace disponible dans un élément, déplaçant l’électrolyte et réduisant la capacité de l’élément. La surface efficace d’une électrode peut être accrue sans en augmenter la taille physique en en rendant la surface poreuse et en employant des matières à très fine taille de particule. Cela peut augmenter la surface efficace des électrodes de 1 000 à 100 000 fois, permettant des débits supérieurs de courant. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 42 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les éléments grande capacité nécessitent de grands volumes d’électrolyte à placer entre les électrodes. Le double effet produit en est la réduction de la capacité de charge de l’élément. Tout d’abord, les électrodes doivent être plus petites et plus éloignées l’une de l’autre afin de ménager de l’espace pour l’électrolyte supplémentaire et peuvent donc transporter moins de courant. Enfin, du fait du volume supérieur de l’électrolyte, les actions chimiques liées à la charge et la décharge sont plus lentes à se propager totalement dans l’électrolyte pour mener à bien le processus de conversion chimique. Par exemple, les éléments Lithium Ion optimisées en termes de capacité peuvent fournir typiquement des pics de courants de 2C ou 3C sur de courtes périodes, tandis que les éléments Lithium Ion optimisées en termes de puissance pourraient fournir des pics de 30C à 40C. Quatre des constructions les plus courantes sont présentées ci-dessous. Au fil du temps, plusieurs milliers de variantes de ces principes de base ont vu le jour pour différentes sortes de chimies d’éléments. Les éléments grande puissance comptent en principe des dispositifs spéciaux de sécurité. (Cf. chapitre sécurité) 3.2.2. Électrodes de type aggloméré Figure 26 : 2lémént (pile) zinc - carbone (Leclanché) – 1,5 V Application avec ‘piles’ alcalines type AAA, LR 03 / AA, LR06 / C ou LR14... toutes en 1,5V La construction dite en aggloméré est employée depuis plus d’un siècle, époque de l’introduction de l’élément zinc- carbone (Leclanché) et encore aujourd’hui, avec les récentes ‘piles’ alcalines qui mettent en œuvre une version plus complexe. Il s’agit d’une construction cylindrique qui emploie une électrode interne cylindrique généralement en forme de tige, immergée dans l’électrolyte qui est à son tour contenu dans une électrode Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 43 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries externe en forme de godet cylindrique servant de manchon dans le conteneur de l’élément. Une gaine de séparateur évite le contact entre les électrodes. Le principal avantage de cet élément en est la simplicité. Elle stocke une grande quantité d’électrolyte qui lui confère une capacité élevée et par conséquent une longue durée de vie mais les surfaces des électrodes sont très petites, ce qui provoque une forte résistance interne et limite le courant qu’elle peut fournir. Cependant, cette faible surface implique également un faible taux d’autodécharge et ces éléments ont ainsi une longue durée de stockage. Idéales pour nombre d’applications nécessitant des éléments primaires ou piles, elles sont fabriquées en grande série. 3.2.3. Électrodes à plaques planes Figure 27 : Éléments employés dans les batteries plomb acide Les éléments à plaques planes généralement employés pour les batteries plomb acide ont également une histoire et des développements de plus d’un siècle. Les électrodes sont sous forme de plaques planes suspendues dans l’électrolyte, lui-même contenu dans un boîtier approprié qui ne prend pas part, en général, à la réaction chimique. Un séparateur entre les plaques évite à ces dernières de se toucher et d’être en courtcircuit. C’est ici aussi une construction simple, également employée dans différentes sortes d’éléments. Le principal avantage en est que la batterie peut être conçue en très grandes tailles, des plaques plus grandes procurant des courants supérieurs et des boîtiers plus grands permettant de grandes capacités de stockage. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 44 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.2.4. Électrodes spiralées (construction enroulée) Figure 28 : Pile LG cylindrique spiralée Pour obtenir un courant admissible supérieur, il faut augmenter la surface active des électrodes. Cependant, la taille du boîtier impose des limites à la taille des électrodes qu’il peut contenir. Une façon d’accroître la surface d’électrode est de fabriquer les électrodes et le séparateur à partir de longues bandes de feuilles et de les rouler en forme spiralée ou cylindrique, ce qui donne des éléments à très faible résistance interne. L’inconvénient est que dans la mesure où les électrodes prennent plus de place dans le boîtier, il reste moins de place pour l’électrolyte et par conséquent la capacité de stockage d’énergie de l’élément est réduite. Cette construction est très répandue pour les accumulateurs. L’exemple ci-dessus présente un élément lithium-ion, mais cette technologie est également employée pour les accumulateurs Ni-Cd, Ni-MH et quelques batteries plomb acide conçues pour des applications à fort débit. La construction spiralée n’est pas limitée aux formes cylindriques. Les électrodes peuvent être formées sur un mandrin plat afin d’obtenir une forme aplatie qui peut servir pour les boîtiers prismatiques. Les boîtiers peuvent être fabriqués en aluminium ou en acier. Cette construction est parfaitement bien adaptée pour l’automatisation de la production. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 45 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.2.5. Piles bouton ou pile ‘pièce’ La plupart des piles (ou élément) bouton ou piles pièce ont une topologie de construction identique au schéma de ce paragraphe. Ils sont employés pour les applications imposant de petites dimensions. À l’image des éléments de type aggloméré, ces piles présentent une capacité relativement élevée mais fournissent une faible puissance. Figure 29 : Pile bouton 3.2.6. Éléments à électrode multiple 3.2.6.1. Configuration monopolaire Dans cette configuration, la batterie est construite à partir d’éléments individuels et de connexions externes entre éléments pour former des montages série et parallèle. Voici un exemple de configuration monopolaire. Proche de la pile de Volta, les plaques positives et négatives en sont intercalées en couches, entre séparateurs, insérées dans le boîtier et scellées. Ce type de construction offre un facteur de forme de bon rendement et est typiquement employé pour les piles lithium-polymère grande puissance, l’électrolyte solide de polymère séparant les éléments. Figure 30 : Électrodes empilées 3.2.6.2. Configuration bipolaire Dans les batteries bipolaires, les éléments sont empilés en sandwich, de façon à ce que la plaque négative d’un élément devienne la plaque positive du suivant. Les électrodes (on parle souvent d’électrodes doubles) sont partagées par deux éléments électrochimiques couplés en série de sorte que l’un des côtés de l’électrode agit comme anode d’un élément et comme cathode de l’élément suivant. Les sections d’anode et de cathode des électrodes communes sont séparées par une membrane conductrice d’électrons qui ne permet aucun déplacement d’ions entre éléments et sert à la fois de séparation et de connexion série. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 46 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries C’est là une conception efficace qui réduit le nombre de plaques et élimine les connections externes, réduit le poids de la batterie, accroît la densité d’énergie et abaisse les coûts. Le circuit du courant est par ailleurs plus court et les pertes dues à la résistance diminuent, ce qui permet à la batterie de fournir une puissance supérieure. La construction bipolaire est en général adoptée pour les piles à combustible (*) et les accumulateurs à circulation constante dans lesquels l’électrolyte passe ou est pompé au travers des éléments, mais cette technique a récemment été éprouvée sur des batteries automobile et portables plus simples et plus petites, avec différentes autres chimies de batteries à électrolyte simple. Figure 31 : Construction bipolaire d’un accumulateur à circulation constante Les éléments bipolaires pâtissent d’autodécharges supérieures en raison du courant de dérivation qui se produit dans le collecteur d’électrolyte du fait que des électrodes de même polarité sont soumises à des potentiels différents. Les batteries bipolaires sont aussi appelées batteries à empilage d’éléments en plaques. * Une pile à combustible convertit une réaction électrochimique en énergie. Elle transforme chimiquement l’Hydrogène et l’Oxygène en Eau en produisant de l’électricité. La membrane à échange de protons de la pile à combustible introduit une technologie prometteuse. C’est le genre de « pile » qui, dans un avenir proche, fournira l’énergie de nos voitures, autocars, et pourquoi pas de notre domicile Ce ‘système’ n’existe pas (encore) sur nos sites, il n’est donc pas présenté ici, allez sur le Net pour obtenir des informations si vous êtes intéressés. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 47 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.3. INTERCONNECTIONS D’ÉLECTRODES La résistance interne de l’élément et la distribution des courants et potentiels dans l’élément dépendent de la géométrie de l’élément qui doit être optimisée afin d’offrir des connexions robustes, des circuits minimum de courant et une distribution homogène des courants, afin d’éviter les « points chauds » et les potentiels hétérogènes qui pourraient donner naissance à des réactions chimiques déséquilibrées et dommageables sur différentes parties des électrodes. Cependant, personne ici n’a à concevoir l’ensemble des batteries de son propre site, mais pourrait bien être chargé de leur maintenance. En ce cas, consultez le paragraphe maintenance pour les questions liées à la vérification des connexions et interconnexions de batteries. Pour votre usage privé (batteries liquides sur votre voiture et piles sèches dans votre appareil photo), soyez certain que les connections sont garanties et sécurisées. Vous ne devriez rencontrer aucun problème. 3.4. BATTERIES ÉTANCHES ET À RECOMBINAISON La plupart des batteries actuelles scellent l’électrolyte dans le boîtier. L’objectif est d’éviter les fuites de l’électrolyte et la libération dans l’atmosphère d’un quelconque produit gazeux de charge et décharge. La batterie peut également contenir un catalyseur favorisant la recombinaison de ces produits gazeux. On parle alors de batteries à recombinaison. Dans notre application de batteries plomb et Ni-Cd, voir au chapitre suivant les différents types de batteries et les commentaires/descriptions des fabricants sur le principe de recombinaison. 3.4.1. Électrolyte des batteries étanches Les éléments de batterie sèche ne nécessitent ni surveillance ni maintenance. Pour les « batteries liquides » (accumulateurs) à électrolyte aqueux, la recombinaison ne peut pas être efficace à 100 %. Lorsque le niveau d’électrolyte devient trop faible, ces éléments peuvent être complétés avec de l’eau, comme les batteries classiques ouvertes. Bien entendu, chaque élément doit être équipé d’une soupape de sécurité amovible (et permettant d’effectuer les vérifications de nettoyage). Pour les batteries semi-liquides (plomb ou Ni-Cd pour nos applications sur site) à électrolyte gel ou pâte, pas de complément possible. Cependant, la recombinaison ne peut pas (non plus) se faire à 100 % et ces éléments doivent être ventilés. C’est ainsi le cas pour les VRLA (accumulateurs plomb-acide à régulation par soupape). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 48 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.4.2. Soupapes de sécurité pour batteries étanches Lorsqu’une batterie est étanche, de fortes pressions internes peuvent naître du fait de la libération de gaz et de l’expansion causée par les fortes températures. Par mesure de précaution, les batteries étanches présentent en général une soupape de sécurité permettant de faire baisser un excès de pression de façon contrôlée. Il y a possibilité d’explosion si une batterie étanche est encastrée et ne peut pas être ventilée. Les soupapes sont souvent petites et ne sont en général pas remarquées. Les contenants standard de batterie ne bloquent pas ces soupapes, mais un boîtier en résine époxy visant à former un solide module de puissance le ferait certainement. Sur nos sites, considérer que ce type de batteries ne nécessite pas d’entretien et laisser les soupapes de sécurité s’encrasser et se boucher, mène inévitablement à une élévation de la pression et à une explosion. Cela s’est déjà produit sur plusieurs sites sur des batteries étanches, principalement à gel, (beaucoup) plus « sensibles ». Figure 32 : Batterie éclatée Il n’y a hélas aucun moyen simple de contrôler la pression interne des éléments de batterie standard permettant d’implémenter des mécanismes appropriés de contrôle de pression. Par ailleurs, le concepteur du produit est contraint par l’efficacité de la soupape de sécurité et l’emploi de systèmes basés sur le contrôle de température pour garantir une protection contre les élévations excessives de pression au sein des éléments de batterie. On parle d’effet de pression. Nous allons (cependant) tenter de voir ce que nous pouvons faire (et ne devons pas faire) dans les paragraphes concernant la charge et la maintenance. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 49 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.5. BOITIER DE BATTERIE Comme pour ce qui concerne la construction interne des batteries, il y a différentes variantes de conception de boîtiers. Ci-dessous, quelques types de faible puissance. 3.5.1. Batteries cylindriques Figure 33 : Boîtiers courants de batteries cylindriques La figure ci-dessus présente les tailles les plus courantes de piles/batteries cylindriques d’une série de fabricants. Les formes peuvent être standardisées, mais pas les tensions ou chimies. Les 4 plus grandes tailles peuvent chacune abriter des chimies de type Leclanché, Alcaline, Ni-Cd, Ni-MH et lithium, avec des tensions de 1,2 à 3,7 V. Les 2 premières chimies sont employées pour les piles (primaires = non rechargeables)) et se basent sur une construction en aggloméré. Les autres chimies sont employées pour les accumulateurs à électrodes spiralées. Il faut être particulièrement attentif à faire correspondre les chargeurs aux bons accumulateurs. Les batteries cylindriques offrent une forte stabilité mécanique, une bonne densité d’énergie et des prix peu élevés. On estime que 90 % des dispositifs portables, alimentés par batterie emploient des tailles de piles AA, C ou D. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 50 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.5.2. Pile/batteries multi-éléments Les deux piles (ou batteries) ci-contre sont en réalité composées de groupes d’éléments cylindriques. Le type 23 A contient huit éléments de 1,5 V et la PP3 contient six éléments de 1,5 V. Figure 34 : Piles multi-éléments 3.5.3. Taille des piles/batteries courantes (à la maison) Taille Forme et Dimensions D Cylindrique, hauteur 61,5 mm, diamètre 34,2 mm C Cylindrique, hauteur 50,0 mm, diamètre 26,2 mm AA Cylindrique, hauteur 50,5 mm, diamètre 14,5 mm AAA Cylindrique, hauteur 44,5 mm, diamètre 10,5 mm PP3 Rectangulaire, haut. 48,5 mm, larg. 26,5 mm, prof. 17,5 mm La tension dépend du type d’électrodes, soit : 1,5 V pour les éléments carbone-zinc (Leclanché) ou Alcaline* en AA, AAA, C, D. 1,2 V pour les accumulateurs Ni-Cd, Ni-Mh, dans la même gamme de formes. 9 V pour les PP3, rechargeable ou non. 3 à 3,6 V pour les Lithium, selon la fabrication. etc… Pour les autres formes, tensions et dimensions il n’y a pas encore de standard… * Du fait des progrès des nouvelles technologies actuelles, certaines « piles » alcalines sont rechargeables ; la pile alcaline devient alors un accumulateur. (Vérifier sur l’emballage s’il s’agit d’une pile non rechargeable ou d’un accumulateur). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 51 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.5.4. Piles bouton et piles pièces Figure 35 : Piles bouton et piles pièces Les éléments boutons et éléments pièces sont disponibles dans toute une gamme de tailles, tensions et principes chimiques. (Existe aussi en zinc-air, non présenté ici) 3.5.5. Piles de type sachet Figure 36 : Piles Valence de type sachet Les contenants de type sachet sont typiquement employés pour les batteries lithium polymère à électrolytes solides, permettant une construction économique et flexible (parfois involontairement). Les électrodes et l’électrolyte solide sont généralement empilés en couches ou en pellicules et contenus dans une enveloppe de papier. L’électrolyte solide permet d’avoir des éléments plus sûrs et sans fuite. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 52 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries La construction en feuille permet des conceptions de batteries très fines et très légères, valables pour les applications grande puissance. En revanche, en raison du manque de rigidité des contenants, ces batteries ont tendance à gonfler dès lors que la température augmente. Il faut prévoir un degré de liberté pour permettre ce gonflement lorsque l’on choisit des batteries pour que celles-ci correspondent à un emplacement spécifique du compartiment batterie. Ces batteries sont également sensibles aux dégâts mécaniques externes et les blocs batteries devraient être conçus de façon à éviter de telles éventualités. Figure 37 : Contenant laminé en aluminium L’exemple GS-Melcotec présenté ici emploie des électrodes spiralées et un électrolyte polymère solide. Cette construction, qui emploie des électrodes empilées convient pour fabriquer des éléments de toutes sortes de formes, mais peu d’applications justifient un tel luxe. Accumulateur lithium polymère Tension : 8,4 V Capacité : 850 mAh Longueur : 51 mm Profondeur : 35 mm Épaisseur : 11mn Figure 38 : Accumulateur lithium polymère Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 53 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.5.6. Batteries prismatiques Les batteries prismatiques sont contenues dans des boîtiers rectangulaires. Les électrodes sont soit empilées soit sous forme de spirale aplatie. Elles présentent en général un profil très fin afin de servir pour les petits dispositifs électroniques tels que les téléphones mobiles. Les batteries prismatiques permettent d’optimiser l’espace, contre des coûts de fabrication légèrement plus élevés, une densité d’énergie plus faible et une propension supérieure au gonflement, effets mineurs qui ne constituent pas un réel inconvénient. Cet exemple de GS-Melcotec présente un corps en acier, des électrodes spiralées et un électrolyte liquide. Figure 39 : Boîtier prismatique en fer Batterie RMP ALCATEL-TAIT Ni-Cd 12V 1400 mAh Batterie Ni-Cd RMP Tension : 12 V Capacité : 1400 mAh Poids : 375 g Longueur : 99 mm Profondeur : 67 mm Hauteur : 38 mm Figure 40 : Exemple de batterie Ni-Cd Batterie RMP MOTOROLA Li-Ion 7,5 V 1500 mAh GPNM4024R pour GP344 Batterie Li-ion RMP Tension : 7.2 V Capacité : 1500 mAh Poids : 225 g Figure 41 : Exemple de batterie Li-ion Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 54 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Batterie RMP ASCOM-AUTOPHON-BOSH Ni-Cd 7,2 V - 1200 mAh pour SE140 Batterie Ni/Cd RMP Tension : 7.2 V Capacité : 1200 mAh Poids : 208 g Longueur : 76 mm Profondeur : 66 mm Hauteur : 31 mm Figure 42 : Exemple de batterie Ni-Cd 3.5.7. Batteries en couche mince La technologie d’impression en couche mince est aujourd’hui employée pour appliquer la chimie lithium polymère à l’état solide à toute une gamme de substrats afin de créer des batteries uniques pour applications spécialisées. Les batteries en couche mince peuvent être directement déposées sur des puces ou porte-puces de toutes formes et tailles et des batteries flexibles peuvent être obtenues par impression sur plastique, feuillard mince de métal voire même papier. Du fait de leur taille réduite, les batteries en couche mince ont une faible capacité de stockage d’énergie et un faible courant admissible mais présentent des propriétés uniques qui les différencient des batteries classiques, dont : Construction à semi-conducteur. La batterie peut être intégrée dans le circuit qu’elle alimente. Possibilité d’avoir des batteries pliables. Peut être conçue sous toutes formes et tailles. Fonctionnement sur une large gamme de températures. Longue durée de vie et longue durée utile. Densités d’énergie et de puissance élevées. Coût et capacité proportionnels à la surface. Aucun problème de sécurité. Figure 43 : Exemple de batterie en couche mince Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 55 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les batteries en couche mince présentent une large gamme d’utilisations dans les produits grand public et dans les applications micro. La batterie en couche mince de l’exemple ci-dessus, conçue par Oak Ridge Micro-Energy, est prévue pour les dispositifs médicaux implantables. Parmi les autres applications se trouvent les protections de mémoire non-volatile et les capteurs. Les batteries en film flexible telles que celle présentée ci-contre (Infinite Power Solutions) sont employées pour alimenter les cartes à microprocesseurs et les étiquettes RFID (identification par radiofréquence). Figure 44 : Exemple de pile en couche mince Après 10 ans de développement, les batteries en couche mince commencent juste à être disponibles en quantités commerciales. 3.5.8. Batteries grande puissance S’il existe au moins un soupçon de standardisation dans les batteries faible puissance, on ne peut en dire autant des batteries grande puissance, qui sont présentées dans une large gamme de tailles, avec nombre de différentes techniques de construction. Parmi celles-ci se trouvent des structures en sachets, structures de type boîte de plastique ou verre et tubes cylindriques en acier. Les plus grands éléments sur la figure ci-contre sont des éléments lithium de 3,7 V. L’élément cylindrique présente une capacité de 60 Ah, contre 200 Ah pour la prismatique. Par comparaison, les petites batteries au premier plan sont de type AAA. Une faible résistance interne est une condition importante pour ces batteries, ce qui demande en revanche de fins conducteurs de courant et de faibles résistances de contact entre les électrodes et les interconnexions. Ces batteries sont conçues pour transporter des courants élevés, ce qui provoque une élévation de leur température, c’est pourquoi elles sont en général pourvues de dispositifs permettant une expansion des contenus et empêchant le gonflement. Il peut y avoir des vides dans la batterie ou des brides spéciales sur l’extérieur, pour circonscrire l’expansion dans une direction particulière. Figure 45 : Exemple de batterie grande puissance Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 56 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 3.5.9. Batteries de puissance Cela concerne toutes les batteries plomb-plomb et Ni-Cd avec électrolyte acide ou potassium sous forme aqueuse ou pâte/gel, ouvertes ou étanches. Ces batteries sont employées dans nos voitures, camions, mais aussi dans les groupes de batteries associés aux ASI et chargeurs d’accumulateurs. Comme pour les batteries grande puissance, la taille n’est pas standardisée et les fabricants proposent leurs produits selon leurs propres standards. Voici quelques exemples : Batterie plomb étanche au GEL - Europa 12 Volt Tension : 12 V Capacité : 7,5 Ah, 26 Ah, 33 Ah, 44 Ah Dimensions : 166*175*125 Poids : 9 kg – 15 kg – 15 kg Figure 46 : Batterie plomb étanche au gel Batterie Enersol 100 - 12 V – 97 Ah - 353 x 175 x 190 mm pour applications solaires Tension : 12 Volts Capacité : 52 à 250 Ah Poids : 25,2 kg Livré à l’état sec, électrolyte acide fourni à part en bidon de 5 litres Figure 47 : Batterie ouverte au plomb Classic ENERSOL Batteries plomb-gel (acide) étanches SONNENCHEIN Figure 48 : Batterie plomb-gel (acide) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 De 1,2 à 10 Ah pour 4, 6, 8, 10, 12 V Batteries performantes, durée de vie : 6 ans en conditions normales de stockage et en Floating. Sans maintenance Application : alarmes, sécurité, téléphone, feu et gaz, éclairage d’urgence, etc. Page 57 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Batterie plomb étanche Saphir, électrolyte: non spécifié 6 et 12 V, de 1,3 à 120 Ah Poids de 0,6 à 16 Kg Mêmes applications que ci-dessus Figure 49 : Batterie plomb étanche Saphir Batterie plomb étanche Cyclon, électrolyte: non spécifié 2, 6 et 12 V, de 2,5 à 25 Ah Gamme de température : -40°C à +65°C Mêmes applications que ci-dessus Figure 50 : Batterie plomb étanche Cyclon Batteries Saft (ou autres fabricants) sur nos applications sur site Figure 51 : Batteries Saft Pour les Ni-Cd (Cf. dernières photos : batteries ‘Saft’), 1,25 V par élément, électrolyte acide ou potassium, aqueux ou gel, batterie ouverte ou étanche à soupapes de sécurité (qui doivent pouvoir être ôtées pour entretien). Pour les plomb-plomb, de 2 à 2,2 V par élément, même chose que ci-dessus pour les électrolytes, batterie étanche ou ouverte. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 58 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4. LES DIFFÉRENTS TYPES DE BATTERIES Figure 52 : Comment choisir une batterie ? Vous devez désormais en savoir (un peu) plus sur les batteries, mais il reste (certainement) des zones d’ombre… Poursuivons... 4.1. NOMENCLATURE 4.1.1. Identification des batteries Il existe une grande confusion en matière de standards d’identification des batteries avec les différents systèmes employés en Europe, aux États-Unis et au Japon, outre les fabricants. L’une des conventions est d’utiliser 2 lettres suivies d’une série de nombres. La première lettre représente la chimie et la seconde la forme de la batterie. Les nombres représentent les dimensions de la batterie en millimètres. Pour les batteries cylindriques, les 2 premiers chiffres représentent le diamètre et les autres chiffres la longueur. Pour les batteries prismatiques les 2 premiers chiffres sont l’épaisseur, les 2 suivants la hauteur et les 2 derniers la largeur. Du fait de la pléthore de « normes », la seule façon certaine de reconnaître une batterie est de consulter les fiches techniques des fabricants. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 59 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.1.2. Exemples 4.1.2.1. Piles courantes (élément primaire) Voir le tableau ci-dessous pour les dimensions des piles courantes. TAILLE COURANTE DES BOÎTIERS DE BATTERIE TYPE DE BATTERIE FORME HAUTEUR (mm) DIAMÈTRE (mm) AAAA Cylindrique 42,5 8,3 AAA Cylindrique 44,5 10,5 AA Cylindrique 50,5 14,5 A Cylindrique 50,0 17,0 C Cylindrique 50,0 26,2 D Cylindrique 61,5 34,2 F Cylindrique 87,0 32,0 G Cylindrique 105,0 32,0 J Rectangulaire 48,5 N Cylindrique 29,35 PP3 (9 Volt) Rectangulaire 48,5 26,5 x 17,5 PP9 (9 Volt) Rectangulaire 80,2 65,1 x 51,6 Lanterne (6 Volt) Rectangulaire 115,0 68,0 x 68,0 33,5 x 9,22 11,95 Tableau 4 : Taille des boîtiers de batterie Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 60 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.1.2.2. Batteries cylindriques de faible puissance Voir le tableau ci-dessous présentant une liste des tailles et capacités typiques des batteries cylindriques TAILLE ET CAPACITÉS DES BOÎTIERS DE BATTERIE FAIBLE PUISSANCE DIMENSIONS (mm) CAPACITÉ TENSION (mAh) (V) MODÈLE DIAMÈTRE LONGUEUR 14500 14 500 720 3,7 14650 14 650 940 3,7 18500 18 500 1100 3,7 18500F 18 500 1600 3,7 18650 18 650 1700 3,7 18650F 18 650 2300 3,7 18650H 18 650 1900 3,7 Tableau 5 : Taille des piles cylindriques Par exemple, la LC18650 est une pile Li-ion courante à boîtier cylindrique de 18 mm de diamètre et de 650 mm de hauteur. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 61 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.1.2.3. Batteries/piles prismatiques Voir le tableau ci-dessous présentant une liste des tailles et capacités typiques des éléments prismatiques faible puissance. TAILLES ET CAPACITÉS DES ELÉMENTS PRISMATIQUES FAIBLE PUISSANCE DIMENSIONS (mm) MODÈLE ÉPAISSEUR LARGEUR HAUTEUR CAPACITÉ IMPÉDANCE TENSION POIDS (mAh) (mΩ) (V) (g) BOÎTIER 053048 5,5 30,0 48,0 650,0 30-70 3,7 20,5 Acier 063048 6,3 30,0 48,0 750,0 30-70 3,7 25,5 Acier 063448 6,5 34,0 48,0 950,0 20-60 3,7 29,0 Acier 073048 7,5 30,0 48,0 900,0 30-70 3,7 28,0 Acier 073448 7,5 34,0 48,0 1000,0 30-70 3,7 32,0 Acier 083448 8,5 34,0 48,0 1050,0 30-70 3,7 35,0 Acier 103447 10,0 34,0 47,0 1400,0 30-70 3,7 40,0 Acier 123582 12,1 35,1 82,0 3000,0 20-60 3,7 90,0 Acier 143447 14,0 34,0 47,0 1800,0 20-60 3,7 56,0 Acier 033450 3,9 34,0 50,0 600,0 40-80 3,7 14,8 Aluminium 043048 4,4 30,0 48,0 600,0 30-80 3,7 14,5 Aluminium 043450 4,4 34,0 50,0 720,0 40-80 3,7 16,5 Aluminium 052246 5,6 22,0 46,0 450,0 40-80 3,7 12,3 Aluminium 052248 5,8 22,0 48,0 500,0 40-80 3,7 13,5 Aluminium 053048 5,4 30,2 48,0 700,0 30-70 3,7 17,5 Aluminium 053048L 5,4 30,2 48,0 680,0 30-70 3,7 17,5 Aluminium 053450 5,4 34,0 50,0 850,0 30-80 3,7 19,5 Aluminium 063048 6,4 30,0 48,0 850,0 30-70 3,7 19,0 Aluminium 063048L 6,4 30,0 48,0 780,0 30-70 3,7 19,0 Aluminium 063448 6,4 34,0 48,0 950,0 30-70 3,7 23,5 Aluminium Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 62 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 063450 6,4 34,0 50,0 950,0 30-70 3,7 23,0 Aluminium 073048 7,5 30,0 48,0 950,0 30-70 3,7 23,1 Aluminium 073448 7,6 34,0 48,0 1100,0 30-70 3,7 27,3 Aluminium 083448 8,5 34,0 48,0 1200,0 30-70 3,7 28,0 Aluminium 103450 10,0 34,0 50,0 1650,0 30-70 3,7 36,2 Aluminium Tableau 6 : Taille des piles prismatiques faible puissance Par exemple, la LP083448 est une pile (élément) Li-ion courante à boîtier prismatique de 8 mm d’épaisseur, 48 mm de hauteur et 34 mm de profondeur. Voir le tableau ci-dessous présentant une liste des tailles et capacités typiques des éléments prismatiques grande puissance. (Il existe également des éléments cylindriques grande puissance) TAILLES ET CAPACITÉS DES ÉLÉMENTS PRISMATIQUES GRANDE PUISSANCE DIMENSIONS (mm) CAPACITÉ INTENSITÉ MAXI. TENSION IMPÉDANCE POIDS (Ah) (A) (V) (mΩ) (Kg) MODÈLE ÉPAISSEUR LARGEUR HAUTEUR 6163A 46 116 190 50 100 3,6 0,8-1,5 1,2 90A 61 115 215 90 180 3,6 0,5-1,5 2,4 8581A 61 145 220 100 200 3,6 0,5-1,5 3,0 9393A 71 182 285 200 400 3,6 0,2-0,8 5,5 5453B 71 280 560 500 800 3,6 < 2,0 15,0 6168B 71 280 560 700 1200 3,6 < 2,0 17,0 7171B 71 280 560 700 1100 3,6 < 2,0 19,0 1313B 85 280 560 1000 1500 3,6 < 2,0 26,0 Tableau 7 : Taille des éléments prismatiques grande puissance Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 63 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2. ELEMENTS PRIMAIRES ‘Piles’ jetables les plus employées : le terme ‘pile’ étant associé à un ‘élément’ non rechargeable (élément primaire) dans le langage courant – en France. Type Carbone/Zinc Alcaline & bouton alcaline Zinc Air Oxyde d’argent Piles au lithium Avantages Application typique Inconvénients La moins chère de toutes, fiable Puissance relativement faible Produit grand public Lampes torches, jouets, sonnettes Super alcaline Puissance moyenne Jouets motorisés, flash photo Ultra alcaline, bouton alcaline Une fois exposée à l’air la durée de stockage est assez faible Appareils d’audition ZA10, ZA13 etc. Grande puissance pour une petite taille Prix relativement élevé Équipement photo, montres Très grande puissance pour un petit poids. Petites piles durables Prix élevé Bon marché, plus puissante et à durée de vie plus longue que la Carbone/Zinc. Durée de stockage plus longue Forte sortie pour une petite taille. Longue durée de stockage jusqu’à ouverture. Faible impact sur l’environnement Large gamme, ex. : 301, 329, 399 etc. Implants médicaux, Large mémoires des gamme, ex. : ordinateurs, CR2016, dispositifs CR2032, électroniques auto CR123A Tableau 8 : Piles jetables Voici en détail, les différentes piles (non rechargeables) disponibles sur le marché : Piles « Leclanché » (ou carbone-zinc), Piles alcalines, Piles à oxyde d’argent, Piles Zinc Air, Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 64 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Piles au lithium, Piles amorçables, Piles thermiques. 4.2.1. Piles Leclanché (carbone-zinc) 4.2.1.1. Caractéristiques Piles à tension nominale en circuit ouvert de 1,5 volts, produites en très grandes quantités. Chimie basée sur une anode de zinc et une cathode/dépolarisant de dioxyde de manganèse, qui absorbe les bulles d’hydrogène libérées qui autrement isoleraient l’électrode de l’électrolyte. Elle emploie une tige de carbone comme collecteur de courant de cathode et un électrolyte de chlorure d’ammonium. Les variantes en sont employées depuis plus d’un siècle. La performance des piles Leclanché s’est améliorée de 700 % entre 1920 et 1990. On parle également de piles zinc-carbone ou piles sèches (à ne pas confondre avec les piles à électrolyte solide), bien qu’elles aient un électrolyte aqueux dans la mesure où, pour les piles d’aujourd’hui, l’électrolyte de chlorure d’ammonium et chlorure de zinc est produit sous forme de gel ou maintenu entre séparateurs poreux afin de réduire les éventuelles fuites en cas de perçage de la pile. Parmi les variantes se trouvent : Zinc carbone (cathode de carbone), Chlorure de zinc (électrolyte de chlorure d’ammonium remplacé par du chlorure de zinc), Alcaline manganèse (électrode de chlorure d’ammonium remplacée par de l’hydroxyde de potassium). 4.2.1.2. Avantages Matières économiques. Prix peu élevé. Disponibles dans une large gamme de tailles, dont AAA, AA, C, D et 9 V. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 65 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Valables pour une vaste gamme d’applications courantes. Interchangeables avec des piles alcalines. 4.2.1.3. Inconvénients Propension à fuir. La pile zinc carbone de base présente une densité d’énergie plus faible que les piles alcalines concurrentes. Assez mauvaises performances à basse température. Ne fonctionnent pas bien en dessous de 0°C. L’emploi de dioxyde de manganèse d’origine naturelle provenant de différentes sources peut conduire à de grandes variations de performances du fait de la présence de petites quantités d’impuretés telles que nickel, cuivre, arsenic et cobalt. Non rechargeables. 4.2.1.4. Applications Usage général, applications à prix peu élevé. Jouets / télécommandes / lampes torches / montres / applications courantes. Perdent des parts de marché au profit des piles alcalines et des nouvelles technologies. 4.2.1.5. Prix Piles les moins chères. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 66 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.2. Piles alcalines 4.2.2.1. Caractéristiques Pile 1,5 V. La plus courante des piles, d’usage général et de bonne qualité. Dans une pile alcaline, l’énergie électrique est essentiellement due à la réaction d’un métal avec l’oxygène. La pile alcaline manganèse est une variante de la Leclanché. Comme pour cette dernière, les électrodes sont en zinc et dioxyde de manganèse mais l’électrolyte est en hydroxyde de potassium. Récemment, des éléments rechargeables employant ce procédé chimique ont été mises sur le marché. On parle de piles alcalines rechargeables au manganèse (RAM) et elles présentent toutes les caractéristiques et avantages des piles alcalines et l’avantage supplémentaire d’être rechargeable, sans toutefois l’inconvénient de l’effet mémoire (Cf. chapitre « charge des batteries » pour ce terme). Exemples : Figure 53 : Pile alcaline GP25A Figure 54 : Pile alcaline 186 LR43 9 V, capacité 18 mAh Dimensions : h : 21,4 mm, diam. 7,7 mm Poids : 3,5 g 1,5 V, capacité 70 mAh Dimensions : h 4.2 mm, diam. 11,6 mm Poids : 1,60 g Figure 55 : Pile alcaline Duracell Procell PC915 ECOLI V 6 V 13 Ah ou 4LR25 6 V, capacité 13 Ah Dimensions : h 110 mm largeur 68 x 68 Poids : 612 g Toutes en formes classiques, gamme de température entre -20 °C et +70 °C. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 67 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.2.2. Avantages Similaires aux piles Leclanché zinc carbone et interchangeables avec elles, mais avec une densité d’énergie doublée. Quatre fois la capacité d’une pile rechargeable Nickel Cadmium ou Nickel métal hydrure de taille équivalente. Durée de vie de 4 à 9 fois supérieure à celle de la pile Leclanché équivalente. Capacité constante sur une large gamme de débits de courant. Valables pour les applications à fort débit. Bonne durée de stockage. Meilleurs résultats à faible température que les zinc carbone. Continue à fonctionner à des températures inférieures à 0°C. Moins de fuites que pour les piles Leclanché. Disponibles dans une large gamme de tailles, dont AAA, AA, C, D et 9 V. Valables pour une vaste gamme d’applications courantes. Fabriquées à partir de substances chimiques non toxiques. 4.2.2.3. Inconvénients Prix plus élevé que les piles Leclanché zinc carbone concurrentes. Normalement non rechargeables. 25 % plus lourdes que les piles Leclanché. Les piles RAM présentent une durée de vie d’environ 100 cycles et ne sont disponibles qu’en tailles AA et AAA. 4.2.2.4. Applications Produits de première qualité / jouets / télécommandes / lampes torches / montres / applications courantes. Les piles RAM sont interchangeables avec des piles alcalines standard (mais il ne faut pas mélanger les 2 dans une même application). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 68 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.2.5. Prix Prix peu élevé mais environ 50 % supérieur à celui des zinc carbone. Ces piles sont cependant plus rentables du fait de leur plus longue durée de vie. 4.2.3. Piles à l’oxyde d’argent 4.2.3.1. Caractéristiques Couramment appelées batteries à l’oxyde d’argent, ce sont des piles qui présentent une tension de 1,6 V en circuit ouvert. Du fait du prix élevé de l’argent, elles sont disponibles en petites tailles, comme les piles bouton, pour lesquelles les quantités d’argent utilisées sont faibles et ne constituent pas une part significative du prix global du produit ou encore en très grandes tailles, lorsque les performances exceptionnelles de l’oxyde d’argent dépassent toute autre considération. 4.2.3.2. Avantages Capacité élevée par unité de poids. Longue durée de vie utile. Une petite pile bouton permet à une montre de fonctionner 24 heures sur 24 pendant 3 à 5 ans !! Faible autodécharge d’où longue durée de stockage (meilleure que les zinc air). Meilleures performances à faible température que les piles zinc air. Caractéristique de décharge plate. Tension plus élevée que pour les piles zinc mercure. 4.2.3.3. Inconvénients Mettent en œuvre des matières chères. Densité d’énergie plus faible que pour les zinc air. Mauvaises performances en basse température. Durée de vie limitée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 69 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.3.4. Applications Contribution majeure aux alimentations miniatures. Sous la forme de pile bouton, bien adaptées aux prothèses auditives, instruments, applications photo, montres électroniques et autres dispositifs faible puissance. Les batteries argent zinc grand format sont employées dans les sous-marins, missiles, applications sous-marines et aérospatiales. 4.2.3.5. Prix Plus chères que les piles zinc air. Très chères pour les applications grande puissance. 4.2.4. Piles zinc air 4.2.4.1. Caractéristiques Exemple de batteries métal air, les piles à technologie zinc-air ne sont alimentées que lorsque l’oxygène atmosphérique est absorbé dans l’électrolyte par une membrane étanche, perméable aux gaz. Lorsque l’on ôte la protection, l’oxygène de l’air pénètre dans la pile. Une batterie zinc-air atteint en général sa pleine tension de fonctionnement 5 secondes après ouverture. La pile zinc air est principalement une pile, bien que des conceptions rechargeables pour des applications grande puissance soient possibles en remplaçant les électrodes de zinc. Ces piles se servent du contenu en oxygène de l’air comme masse active. L’électrode positive est un corps poreux constitué de carbone qui a accès à l’air. L’oxygène atmosphérique est réduit sur cette électrode. La masse active n’est ainsi pas contenue dans l’électrode mais est obtenue autant que nécessaire dans l’air ambiant. Le poids initial de la batterie en est d’autant diminué. L’électrode négative est constituée de zinc. Une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium fait fonction d’électrolyte. La tension de la pile pour cette technologie est théoriquement de 1,65 Volts, mais pratiquement tous les modèles sont optimisés pour des tensions inférieures à 1,4 ou 1,3 volts afin de garantir des durées de vie plus longues. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 70 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries DIMENSIONS TENSION NOMINALE CAPACITÉ NOMINALE (mm) (V) (mAh) ZA 675 11,6 x 5,4 1,4 610 ZA 13 7,9 x 5,4 1,4 270 ZA 312 7,9 x 3,6 1,4 150 ZA 10 5,8 x 3,6 1,4 80 ZA 5 5,8 x 2,1 1,4 35 RENATA N° Figure 56 : Exemple de piles ‘Renata’ pour prothèses auditives 4.2.4.2. Avantages Haute densité d’énergie mais faible puissance. Matériaux peu chers. Le système zinc-air, lorsqu’il n’est pas ouvert, présente une excellente durée de stockage, avec une auto-décharge de seulement 2 % par an. Du fait de leur taille physique, les batteries zinc/air stockent plus d’énergie par unité de poids (de l’ordre de 220 Wh/kg) que n’importe quelle autre pile. Piles disponibles dans la gamme de taille de piles boutons et piles bouton au lithium. Piles grande puissance rechargeables disponibles pour les applications de traction. 4.2.4.3. Inconvénients Sensibles aux conditions extrêmes de température et d’humidité. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 71 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Le dioxyde de carbone de l’air forme du carbonate qui réduit la conductivité. Forte autodécharge. Après activation, les produits chimiques tendent à s’assécher et les batteries doivent être utilisées rapidement. Bien que la recharge soit possible, elle est incommode et n’est appropriée que pour les modèles grande puissance. Forte résistance interne, ce qui implique que les batteries zinc air doivent être très grandes pour satisfaire les besoins en forts courants. Les batteries grande puissance telles que celles conçues pour les applications de traction font appel à une charge mécanique, au cours de laquelle les cartouches déchargées de zinc sont remplacées par des nouvelles et doivent être recyclées. 4.2.4.4. Applications Le système est connu en tant qu’élément primaire (non rechargeable). Les piles bouton zinc air sont couramment employées pour les montres et prothèses auditives. Les plus grandes sont employées comme piles prismatiques ou cylindriques pour les télécoms, la signalisation ferroviaire à distance, les lampes de sécurité sur les sites de construction route et rail ou encore comme alimentation des clôtures électriques. Possibles applications de traction où la capacité de charge mécanique prend le pas sur le temps de rechargement mais cela n’est pas rédhibitoire. 4.2.4.5. Prix Prix peu élevé. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 72 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.5. Piles au lithium 4.2.5.1. Caractéristiques Figure 57 : Pile bouton lithium CR1025 Figure 58 : Pile lithium 3V CR12600SE Tension : 3 V Dimensions : h 2,5 mm, diam. 10 mm Gamme de température : -40 °C to + 60 °C Tension : 3 V Capacité 1500 mAh Dimensions : h 60 mm, diam. : 12 mm Poids : 15 g Applications : Protection de mémoire (MBU) Le lithium est le plus léger des métaux (il flotte sur l’eau). Il présente par ailleurs le potentiel électrochimique le plus élevé, ce qui en fait l’un des métaux les plus réactifs. Ces propriétés confèrent au lithium la faculté d’obtenir des densités d’énergie et de puissance très élevées, offrant aux batteries de très longues durées d’utilisation dans de petits formats. Comme le lithium réagit violemment au contact de l’eau, tout comme l’azote dans l’air, il faut des batteries étanches. Les piles lithium haut débit voient leur température et leur pression augmenter en cas de court-circuit ou de forçage. C’est pourquoi ces piles nécessitent des soupapes de sécurité, qui libèrent la pression ou éclatent pour éviter toute explosion non contrôlée. Les chimies habituelles sont lithium - dioxyde de manganèse, lithium - dioxyde de soufre et lithium - chlorure de thionyle (voir ci-dessous) mais il existe d’autres possibilités. Gammes de tensions de bain entre 3 et 4 Volts. Parmi les types de piles se trouvent les piles lithium et les boîtiers cylindriques. Des piles en couche mince à base de céramique sur substrats flexibles existent aussi. 4.2.5.2. Avantages Forte densité d’énergie, du double des batteries alcalines premier choix. Faible poids. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 73 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Forte tension. Caractéristique de décharge plate. Faible autodécharge. Très longue durée de stockage. Très longue durée de fonctionnement (15 à 20 ans pour les lithium chlorure de thionyle) Large gamme de température (-60 °C à +85 °C pour les lithium dioxyde de soufre). Excellente durabilité. Taille réduite. 4.2.5.3. Inconvénients Prix élevé. 4.2.5.4. Applications Protection de la mémoire des ordinateurs. Implants médicaux. Stimulateurs cardiaques. Défibrillateurs. Appareils de mesure. Montres. Appareils photo. Calculatrices. Clés de voiture. Émetteurs de sécurité. Détecteurs de fumée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 74 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Applications aérospatiales. Du fait de ses performances exceptionnelles, la technologie lithium remplace peu à peu les technologies traditionnelles dans une gamme toujours croissante d’applications. 4.2.5.5. Prix Plus chères que les piles courantes Leclanché et alcalines. Pile lithium-dioxyde de manganèse : anode : feuille de lithium, cathode : dioxyde de manganèse, électrolyte : feuille de séparateur imprégnée de sels électrolytiques, tension: 3 Volts. La plus courante des piles lithium non rechargeables. Pile lithium disulfure de fer : anode : feuille de lithium, cathode : disulfure de fer avec contact de cathode en aluminium, électrolyte : feuille de séparateur imprégnée de sels électrolytiques. Conçue pour être la remplaçante des batteries zinc carbone ou alcalines, tension de bain : 1,5 Volts. Souvent appelée pile lithium à « tension compatible », elle présente une densité d’énergie supérieure à celle des piles qu’elle remplace et est adaptée aux applications à fort courant. Pile lithium chlorure de thionyle : La pile lithium de plus forte densité d’énergie d’une durée d’utilisation de 15 à 20 ans. Pile lithium iode : Offre une excellente sécurité et une longue durée de vie. N’emploie que des composants solides et le séparateur est auto-régénérant en cas de rupture. Sa forte impédance interne en limite l’usage aux applications bas débit. Installée sur la majorité des stimulateurs cardiaques implantés. 4.2.6. Piles amorçables 4.2.6.1. Caractéristiques Il s’agit de piles à usage unique, souvent appelées batteries de réserve, d’une longue durée de stockage, principalement employées pour les applications d’urgence. Stockées en conditions sèches et activées lors de l’emploi par adjonction d’eau ou immersion dans l’eau ou encore adjonction d’un électrolyte aqueux. Des modèles activables à l’eau de mer sont également disponibles. Le magnésium est généralement employé comme matériau d’anode et différents chlorures sont employés pour la cathode. Un compromis doit être trouvé entre prix et performance : si le chlorure d’argent présente des densités d’énergie et de courant supérieures, le chlorure cuivreux est meilleur marché. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 75 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les anodes d’aluminium sont également largement employées avec des batteries activables à l’eau de mer. Disponibles en très hautes densités de courant. 4.2.6.2. Avantages Fiables. Robustes et sures. Poids réduit, du fait qu’il ne faut pas transporter l’électrolyte. Densités élevées de puissance et d’énergie. Bonne réponse à la charge pulsée. Activation instantanée. Longue durée de stockage avant activation. Sans maintenance. 4.2.6.3. Inconvénients Taux élevé d’autodécharge après activation. Une fois activées elles doivent être remplacées. 4.2.6.4. Applications Applications militaires. Emploi pour la marine : bouées sonores, gilets de sauvetage, matériel de sauvetage air et mer, éclairage de secours, ballons météo. Les modèles à flux forcé pour alimenter des torpilles peuvent fournir 300 kW pendant 10 minutes. 4.2.6.5. Prix Les modèles à cathode d’argent contiennent des matières chères. Les modèles sans cathode d’argent contiennent des matières bon marché. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 76 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.7. Piles thermiques 4.2.7.1. Caractéristiques Il s’agit de piles galvaniques haute température à usage unique, aussi appelées batteries de réserve. Elles contiennent un électrolyte à sel métallique, non-conducteur à l’état solide à température ambiante, mais excellent conducteur ionique à l’état liquide. Activées par une charge pyrotechnique, elles fournissent une forte impulsion de puissance pour une courte période. (De quelques dixièmes de secondes à 20 minutes ou plus) Elles sont robustes et sûres et présentent une durée de stockage indéfinie ce qui les rend idéales pour les applications militaires. La chimie typique en est lithium - disulfure de fer. L’électrolyte est en principe un mélange eutectique de lithium et chlorures de potassium. La gamme de puissance s’étend de quelques watts à plusieurs kilowatts. 4.2.7.2. Avantages Peuvent supporter de fortes contraintes mécaniques d’accélération, choc, vibration et torsion. Robustes. Fiables. Sûres. Densités élevées de puissance et d’énergie. Activation instantanée. Les matières actives sont inertes jusqu’à activation. Longue durée de stockage avant activation – Jusqu’à 20 ans . Sans maintenance. La conception peut être optimisée en termes de puissance ou capacité. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 77 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.2.7.3. Inconvénients Une température de fonctionnement de 400 à 700 °C doit être maintenue par la charge pyrotechnique pendant toute la durée de l’application. Isolation nécessaire pour conserver la chaleur après activation. 4.2.7.4. Applications Applications militaires. Missiles. Systèmes d’armes. 4.2.7.5. Prix Chères. Batteries biothermiques Dispositifs basse température, à faible puissance, employant des nanomatériaux et mettant en œuvre la technologie à semi-conducteurs pour convertir l’énergie thermique produite par le corps humain en énergie électrique. La puissance obtenue peut servir pour les batteries à charge d’entretien pour dispositifs moyenne puissance ou pour alimenter des applications bas débit, telles que les stimulateurs cardiaques. Longue durée de vie. Peuvent être implantées. Faible rendement énergétique de conversion du fait des basses températures de fonctionnement . Usage limité aux applications faible puissance. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 78 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3. BATTERIES Batteries jetables parmi les plus employées et batteries jetables employées sur site, j’ai nommé les batteries rechargeables ou accumulateurs. Type Avantages Inconvénients Prix peu élevé. Plomb / acide Fiable. Encombrante, lourde, risques de fuite. Taux de charge élevé. L’effet mémoire réduit la capacité utile. Cycle de vie d’environ 400 à 600 cycles. Élimination progressive pour causes environnementales du fait de la présence de Cadmium. Relativement bon marché. Batteries de voiture. Produit grand public Non disponible. Chariots de golf. Courant élevé. Nickel / Cadmium (Ni-Cd) Application typique Jouets motorisés, outils électriques. Fin de série. Rasoirs. Grande puissance dans une petite taille. Pas d’effet mémoire. Nickel Métal Hydrure (Ni-Mh) Charge rapide possible Faible impact environnemental. Autodécharge assez rapide. Chauffe au cours de la charge. Jouets motorisés, outils électriques. Équipement médical, Brosses à dents. Rasoirs. Ni-MH rechargeable. Longue durée de stockage. Très haute densité. Tension élevée par éléments. Poids faible. Lithium Rechargea ble Charge rapide. Autodécharge très faible. Pas d’effet mémoire. Prix relativement élevé. Il faut veiller à ne pas endommager l’accumulateur, car les contenus peuvent être dangereux. Ordinateurs portables, caméscopes, appareils photo. TV portable. Applications de spécialité. Équipement médical. Longue durée de vie Tableau 9 : Batteries Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 79 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.1. Plomb acide 4.3.1.1. Caractéristiques Batterie de voiture 12 V Étanche, gel (ASI) – 12V 4 V hermétique, plomb, batterie ouverte ventilée à gel (alarme, éléments liquides téléphone,…) Figure 59 : Exemples de batteries plomb acide Les batteries plomb acide ont été inventées en 1859 par le physicien Français Gaston Planté et présentées pour la première fois à l’Académie des Sciences en 1860. C’est toujours la technologie de choix pour les applications de démarrage, éclairage et allumage automobile (SLI) car ces batteries sont robustes, résistent au forçage, elles sont éprouvées et leur prix est peu élevé. Pour les applications grande puissance, même à charge intermittente, les batteries plomb acide sont en général trop grandes et trop lourdes et pâtissent d’un cycle de vie plus court et d’une puissance utilisable seulement à 50% de la profondeur de décharge (DOD). En dépit de ces inconvénients, les batteries plomb acide sont toujours employées pour les applications PowerNet (36 V, 2 kWh) du fait de leur coût, mais c’est sans doute là la limite de leur emploi et les batteries Ni MH et Li-ion font ainsi des incursions sur ce marché. Chimie de la batterie Les batteries de voiture plomb-acide pour un système 12 V sont constituées de 6 éléments de tension nominale de 2,1 V. Chaque élément contient (à l’état chargé) des électrodes métalliques de plomb (Pb) et de l’oxyde de plomb IV (PbO2) dans un électrolyte d’environ 37 % (ou 6-12M) M/M d’acide sulfurique (H2SO4). À l’état déchargé, les deux électrodes virent en sulfate de plomb (II) (PbSO4) et l’électrolyte en perdant son acide sulfurique devient principalement de l’eau. Du fait de l’abaissement du point de congélation de l’eau, à mesure que la batterie se décharge et que la concentration en acide sulfurique accroît, l’électrolyte (y compris les électrolytes gélifiés les plus récents des piles sèches) est plus enclin à geler. De nombreux commerçants vendent des additifs chimiques (composés solides ou solutions liquides) qui sont sensés réduire l’augmentation de sulfate et améliorer l’état de Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 80 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries la batterie après adjonction à l’électrolyte d’une batterie plomb-acide ouverte. Ce type de traitement est rarement efficace (si toutefois il lui arrive de l’être). Voici les gammes de tensions générales pour les batteries plomb-acide à 6 éléments : En circuit ouvert (Quiescent) pleine charge : 12,6 - 12,8 V En circuit ouvert, pleine décharge : 11,8 - 12,0 V Chargée, en pleine décharge : 10,5 V En charge continue de conservation (entretien) : 13 - 13,2 V Charge typique (quotidienne) : 13,2 - 14,4 V Charge d’égalisation (batteries ouvertes plomb acide) : 15 - 16 V Seuil de dégagement gazeux : 14,4 V Après une pleine charge, la tension aux bornes va descendre rapidement à 13,2 V puis doucement à 12,6 V. Les réactions chimiques sont les suivantes (charge vers décharge) : Anode (oxydation) : Pb( s ) + SO42 − (aq) ↔ PbSO4 ( s ) + 2e − ε ° = 0,356V Cathode (réduction) : PbO 2 ( s ) + SO 42 − (aq ) + 4 H + + 2e − ↔ PbSO 4 ( s ) + 2 H 2 O(l ) ε ° = 1,685V Du fait des éléments ouverts contenant un électrolyte liquide dans la plupart des batteries plomb-acide, une surcharge du fait de tensions de charge trop élevées génère une évaporation de gaz d’oxygène et hydrogène par électrolyse de l’eau, formant ainsi un mélange extrêmement explosif. Il faut éviter cela. Il faut également prendre garde à la nature extrêmement corrosive de l’acide sulfurique. L’antimoine est l’un des meilleurs durcisseurs d’électrodes pour les batteries au plomb. 4.3.1.2. Avantages Prix peu élevé. Fiable. Bénéficie de 140 ans de développement. Robuste. Résiste au forçage. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 81 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Résiste aux surcharges. Faible impédance interne. Peut fournir des courants très élevés. Durée de stockage indéfinie si stockée sans l’électrolyte. Peut rester en charge lente ou d’entretien pour de longues durées. Disponible dans une large gamme de tailles et capacités. Nombreux revendeurs dans le monde entier. Produit le plus recyclé au monde. 4.3.1.3. Inconvénients Très lourde et encombrante. Efficacité typique de charge coulombienne de 70 % seulement, qui peut s’élever à 85 % et 90 % pour des conceptions particulières. Danger de surchauffe pendant la charge. Ne convient pas à la charge rapide. Cycle typique de vie de 300 à 500 cycles. Doit être stockée chargée lorsque l’électrolyte a été introduit, afin d’éviter la détérioration des matières actives. Dégagement gazeux : production et libération de bulles d’hydrogène et oxygène dans l’électrolyte au cours de la charge, notamment dues à une charge excessive, ce qui cause une perte d’électrolyte. Dans les grandes installations de batteries, cela peut provoquer une atmosphère explosive dans la salle des batteries. Les batteries étanches sont conçues pour retenir et recombiner ces gaz. (Voir batteries VRLA ci-après) Sulfatation : peut se produire lorsqu’une batterie est stockée pour de longues durées, à l’état totalement déchargé ou avec une très faible charge ou encore si elle n’est jamais chargée complètement, si l’électrolyte en est devenu anormalement bas du fait d’une perte excessive d’eau due à une surcharge et/ou évaporation. La sulfatation est l’élévation de la résistance interne de la batterie due à la formation de grands cristaux de sulfate de plomb qui ne sont pas reconvertis facilement en plomb, dioxyde de plomb et acide sulfurique au cours de la re-charge. Dans des cas extrêmes ces grands cristaux peuvent causer une Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 82 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries déformation et un raccourcissement des plaques. La sulfatation peut parfois être corrigée par une charge très lente (à faible courant) et à une tension supérieure à la normale. Décharger complètement la batterie peut causer des dommages irréparables. Délestage, ou perte de matière des plaques : peut se produire du fait de taux de charge ou de cyclages excessifs. Cela résulte en des morceaux de plomb au fond de l’élément et de véritables trous dans les plaques, sans solution possible. C’est potentiellement plus fréquent pour les batteries SLI dont les plaques sont constituées de plomb spongieux, qui a l’apparence d’une fine éponge de mousse. Ceci procure une très grande surface et offre une grande capacité de charge, mais si les cycles sont très nombreux, cette « éponge » est consumée très rapidement pour tomber au fond des cellules. Produits chimiques toxiques. Très lourde et encombrante. Limite inférieure de température : -15 °C Décomposition de l’électrolyte : les éléments à électrolyte gélifié sont enclins à une détérioration de l’électrolyte et des pannes inattendues. Ces éléments sont couramment employés pour des applications d’urgence, telles que ASI de secours en cas de perte de l’alimentation principale. Ainsi, pour ne pas être pris par surprise, en situation d’urgence, par une batterie non fiable, il est recommandé d’intégrer une sorte d’autotest régulier. 4.3.1.4. Charge Charger immédiatement après emploi. Dure plus longtemps avec des décharges partielles. Méthode de charge : tension constante suivie par une charge d’entretien. Charge rapide impossible, mais il est possible de réduire le temps de charge par la méthode de charge à tension contrôlée. 4.3.1.5. Applications Automobile et applications de traction. Alimentation de réserve/de secours/d’urgence pour les installations électriques. Sous-marins. ASI (Alimentation Sans Interruption). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 83 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Éclairage. Applications à fort débit de courant. Batteries étanches disponibles pour équipements portables. 4.3.1.6. Prix Prix peu élevé. Les batteries ouvertes plomb acide sont parmi les sources d’alimentation par batterie les moins chères. Les batteries à décharge poussée peuvent coûter jusqu’à deux fois le prix des batteries ouvertes équivalentes. 4.3.1.7. Gamme de batteries plomb acide Batteries plomb calcium Batteries plomb acide dont les électrodes sont modifiées par adjonction de calcium, ce qui offre les avantages suivants : Plus résistante aux éléments qui raccourcissent la durée de vie des batteries : corrosion, surcharge, dégagement gazeux, emploi d’eau et autodécharge. Volume de réserve d’électrolyte plus grand au-dessus des plaques. Ampérage de démarrage à froid plus élevé. Sans maintenance ou presque. Batteries plomb antimoine Batteries plomb acide dont les électrodes sont modifiées par adjonction d’antimoine, ce qui offre les avantages suivants : Résistance mécanique renforcée des électrodes - important pour les véhicules électriques et applications à décharge poussée. Température interne et perte d’eau diminuées. Durée de décharge supérieure à celle des batteries calcium. Plus faciles à recharger après décharge totale. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 84 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Coût plus faible. Les batteries plomb antimoine présentent un taux supérieur d’autodécharge, de 2 % à 10 % par semaine contre 1 % à 5 % par mois pour les Batteries plomb calcium. Batteries VRLA plomb-acide à régulation par soupape (Valve Regulated Lead Acid) On parle aussi de batteries SLA plomb acide étanches (Sealed Lead Acid). Cette construction est conçue pour éviter la perte d’électrolyte par évaporation, déversement et dégagement gazeux, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie et en facilite la maintenance. Au lieu des simples soupapes prévues sur les éléments pour libérer les gaz, les VRLA présentent des soupapes sous pression qui ne s’ouvrent qu’en conditions extrêmes (comme pour les PSV, système à ventilation sous l’effet de la pression). Les batteries à régulation par soupape nécessitent par ailleurs un électrolyte conçu pour favoriser une réduction des dégagements gazeux en empêchant la libération dans l’atmosphère de l’oxygène et l’hydrogène générés par l’action galvanique de la batterie pendant la charge. Ceci implique en général un catalyseur qui permet la recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène en eau ; on parle de système recombinant. Comme le déversement de l’électrolyte acide est annulé, les batteries sont également plus sûres. Batterie AGM à fibre de verre imbibée (Absorbed Glass Mat) On parle aussi de micro-fibre de verre absorbante Technologie employée dans les batteries VRLA. Une feuille de fibre de bore-silicate agit comme séparateur entre les électrodes et absorbe l’électrolyte libre à la manière d’une éponge. L’objectif est de favoriser la recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène libérés pendant le processus de charge. Aucun gel de silice n’est nécessaire. La feuille de fibre de verre absorbe et maintient l’acide dans la feuille en le gardant à l’état de liquide plutôt que de gel. Ainsi, l’acide est plus facilement disponible pour les plaques, ce qui permet des réactions plus rapides entre l’acide et le matériau des plaques et des taux de charge/décharge plus élevés, outre un cyclage plus profond. Ce type de construction est très robuste et peut supporter des chocs et vibrations sévères. En effet, les éléments ne fuient pas même si le boîtier se fissure. Les batteries AGM sont parfois dénommées starved electrolyte ou « sèches », du fait que la fibre de verre n’est saturée qu’à 95% d’acide sulfurique et qu’il n’y a pas d’excès de liquide. Presque toutes les batteries AGM sont étanches et régulées par soupape (VRLA). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 85 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les AGM présentent un taux d’autodécharge très faible, de 1% à 3% par mois Batterie gel - Éléments secs C’est une alternative de technologie recombinante également employée pour les batteries VRLA, afin de favoriser la recombinaison des gaz produits pendant la charge. Cela permet également de réduire l’éventualité de déversement de l’électrolyte. Des dégâts peuvent se produire si un dégagement gazeux a lieu, c’est pourquoi les taux de charge doivent être limités. Elles doivent être chargées à un taux plus faible (C/20) afin d’éviter que les gaz dégagés n’endommagent les éléments. Elles ne peuvent pas être chargées rapidement par un chargeur classique automobile car cela pourrait les endommager de façon irréversible. Employée pour les applications ASI. Batteries SLI Démarrage, éclairage et allumage (Starting Lighting and Ignition) C’est l’application de batterie typique de l’automobile. Les batteries auto sont conçues pour être en pleine charge lors du démarrage du véhicule. Après le démarrage, la charge perdue (typiquement de 2 % à 5 % de la charge) est restituée par l’alternateur et la batterie reste complètement chargée. Ces batteries ne sont pas conçues pour être déchargées en dessous de 50 % de profondeur de décharge (DOD) car les plaques peuvent s’abîmer et la durée de vie de la batterie diminuer. Batteries à décharge poussée Les applications de marine, voiturettes de golf, chariots élévateurs et véhicules électriques emploient des batteries à décharge poussée, conçues pour être complètement déchargées avant la recharge. Dans la mesure où la charge engendre une chaleur excessive qui peut déformer les plaques, des alvéoles de plaques plus épaisses et fortes ou solides sont employées pour les applications à cyclage profond. Les batteries auto courantes ne sont pas conçues pour des cyclages profonds répétés et emploient des plaques plus fines, de surface plus grande pour obtenir un courant admissible plus élevé. En général, les batteries auto tombent en panne après 30 à 150 cycles profonds le cas échéant, alors qu’elles peuvent permettre des milliers de cycles pour un usage normal de démarrage (2-5 % de décharge). Si les batteries conçues pour des cyclages profonds sont employées pour des applications automobile, elles doivent être surdimensionnées d’environ 20 % pour compenser leur niveau inférieur de courant admissible. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 86 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.2. Fer nickel 4.3.2.1. Caractéristiques Ce type de batteries rechargeables a été introduit en 1900 par Thomas Edison. Il s’agit de batteries très robustes, résistant au ‘forçage’ et qui peuvent avoir une très longue durée de vie même après forçage. Elles sont souvent employées en situations de secours, pour lesquelles elles peuvent être chargées en continu et peuvent durer 20 ans. On parle également de batteries nickel alcalines NiFe. La tension en circuit ouvert de ces éléments est de 1,4 V et la tension de décharge est d’environ 1,2 V. 4.3.2.2. Avantages Très robustes. Supportent les surcharges et décharges excessives Acceptent de grandes profondeurs de décharge (cyclage profond). Peuvent rester déchargées pendant de longues périodes sans dommage, alors que les batteries plomb acide doivent être stockées à l’état chargé. La capacité de ce système de résister à des cyclages fréquents est due à la faible solubilité des réactants dans l’électrolyte - hydroxyde de potassium. Durée de vie de 30 ans possible 4.3.2.3. Inconvénients Faible tension. Très lourde et encombrante. La faible réactivité des matières actives limite le taux élevé de performance des éléments. Ils se chargent lentement et perdent leur charge lentement. Faible efficacité coulombienne, typiquement de moins de 65 %. Forte chute de potentielle selon l’état de la charge. Faible densité d’énergie. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 87 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Taux élevé d’autodécharge. 4.3.2.4. Applications Applications de traction. Chariots élévateurs. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 88 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.3. Nickel Cadmium Emploi le plus fréquent : batteries sèches dans votre poste de radio, centaines de batteries liquides sur les ASI sur site, avec toutes sortes d’électrolytes (gel, pâte, aqueux, polymère, etc.) ouvertes ou étanches. 4.3.3.1. Caractéristiques des piles sèches Accumulateurs 1,2 volts qui emploient une chimie alcaline, de densité d’énergie environ du double de celle des batteries plomb acide. Inventées en 1899 mais mise à disposition en série au début des années 1960. Elles emploient l’hydroxyde de nickel Ni(OH)2 pour l’électrode positive (cathode), le cadmium Cd pour l’électrode négative (anode) et un électrolyte alcalin d’hydroxyde de potassium KOH. Leur taille réduite et leur taux élevé de capacité de décharge a rendu pour la première fois pratiques les outils et autres applications portables courantes. Figure 60 : Exemples de batteries sèches Les batteries sont étanches et emploient un système recombinant afin d’éviter la perte d’électrolyte et d’étendre la durée de vie utile. Autrefois batteries de choix pour les produits portables à faible puissance, elles ont perdu (partiellement) des parts de marché au profit des batteries Nickel métal Hydride (Ni-MH) plus récentes. 4.3.3.2. Caractéristiques des batteries industrielles Les batteries nickel-cadmium emploient l’hydroxyde de nickel comme matière active pour la plaque positive et l’hydroxyde de cadmium pour la plaque négative (id. pour les piles sèches). L’électrolyte est une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium qui contient de petites quantités d’hydroxyde de lithium afin d’améliorer la durée de cycle et les qualités de fonctionnement à haute température. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 89 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries L’électrolyte n’est employé que pour le transfert d’ions et n’est pas chimiquement modifié ni dégradé au cours du cycle charge/ décharge. Dans le cas de la batterie plomb acide, les matières actives positive et négative réagissent chimiquement avec l’électrolyte d’acide sulfurique, ce qui en provoque le vieillissement. Figure 61 : SAFT : étanches ou ouvertes, aqueuses ou gel La structure de soutien des 2 plaques est en acier. Elle n’est ainsi pas attaquée par les réactions électrochimiques et conserve ses caractéristiques tout au long de la vie de la batterie. Dans le cas de la batterie plomb acide, la structure de base des 2 plaques est le plomb et l’oxyde de plomb, qui prennent part au comportement électrochimique du processus et sont naturellement corrodés au cours de la vie de la batterie. Pendant la décharge, l’hydroxyde trivalent de nickel est réduit en hydroxyde divalent de nickel et le cadmium sur la plaque négative forme l’hydroxyde de cadmium. En charge, la réaction inverse a lieu jusqu’à ce que la tension de l’élément atteigne un niveau dans lequel l’hydrogène se développe sur la plaque négative et l’oxygène sur la plaque positive, ce qui provoque une perte d’eau. Contrairement aux batteries plomb acide, il y a peu de changements dans la densité de l’électrolyte pendant la charge et la décharge. Cela permet d’utiliser de grandes réserves d’électrolyte sans inconvénient pour le comportement électrochimique du couple. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 90 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries C’est pourquoi, du fait de sa nature électrochimique, la batterie nickel-cadmium a un comportement plus stable que la batterie plomb acide, ce qui lui confère une durée de vie plus élevée, des caractéristiques supérieures et une plus grande résistance aux conditions extrêmes. Les éléments nickel-cadmium présentent une tension nominale de 1,2 volts. Figure 62 : Composition d’une batterie Saft La batterie est conçue à partir d’un mode de construction de bloc de batterie bien éprouvé. Les containers durs en polypropylène (c’est le cas pour pratiquement tous les fabricants) sont soudés les uns aux autres par thermo-scellage. Voir le paragraphe de maintenance pour les vérifications générales et travaux spécifiques selon le type d’électrolyte. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 91 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.3.3. Avantages Faible résistance interne. Possibilité de taux élevé de charge et décharge. Peuvent atteindre des décharges jusqu’à 10C sur de courtes périodes. Caractéristique de décharge plate (mais affaiblissement rapide à la fin du cycle). Tolèrent des décharges profondes - supportent les décharges poussées. Large gamme de températures (jusqu’à 70 °C). Durée de vie typique jusqu’à 500 cycles. Le processus de charge est fortement endothermique : la batterie se refroidit pendant la charge, ce qui permet une charge très rapide. En effet, la chaleur I2R et les réactions chimiques endothermiques se compensent l’une l’autre. Charge rapide typique de 2 heures, mais qui peut durer de 10 à 15 minutes. L’efficacité coulombienne du nickel cadmium est supérieure à 80 % pour une charge rapide mais peut baisser an deçà de 50 % en charge lente. Les batteries étanches nickel-cadmium peuvent être stockées à l’état chargé ou déchargé sans danger. Elles peuvent être remises en service après plusieurs cycles charge/décharge. Disponibles dans une vaste gamme de tailles et capacités. 4.3.3.4. Inconvénients L’un des principaux inconvénients de cette technologie en est la sensibilité à l’effet mémoire : arrivé à a certain point de décharge (en tension), la batterie cesse de se décharger et apparaît comme étant totalement déchargée alors qu’elle ne l’est pas (vraiment). À l’origine, les termes effet mémoire ou problèmes de mémoire visaient à décrire un problème cyclique de mémoire, selon lequel les batteries Ni-Cd se « souvenaient » de la quantité de décharge des décharges précédentes et limitaient la vie de recharge de la batterie. Le problème est moins répandu avec les batteries Ni-Cd plus récentes, qui sont conçues pour éviter les problèmes cycliques de mémoire. L’effet mémoire est dû à un changement dans la formation cristalline de la petite taille souhaitée à une taille supérieure, un phénomène qui se produit lorsqu’une batterie Ni-Cd Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 92 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries est rechargée avant d’être totalement déchargée. L’apparition de grands cristaux augmente l’impédance de la batterie et peut éventuellement empêcher la décharge de la batterie en deçà de ce point ou encore l’autodécharge rapide de la batterie. L’apparition de grands cristaux peut être évitée soit en déchargeant complètement la batterie à chaque fois qu’elle sert, soit en utilisant un chargeur d’accumulateurs Ni-Cd qui présente un circuit de décharge intégré. L’effet mémoire peut parfois être contrecarré en plaçant la batterie dans plusieurs cycles de décharge et recharge complètes qui permettent de revenir sur les formations les plus petites de cristal. Cette opération s’appelle le reconditionnement. Les batteries Ni-Cd tendent également à subir des dommages du fait de la surcharge. Faible tension d »élément de 1,2 volts, par rapport aux éléments alcalins 1,5 volts, pour seulement le quart de la capacité des éléments alcalins. Des soupapes de sécurité à fermeture étanche doivent être intégrées afin d’éviter les dommages dus à la surchauffe et la hausse de pression. L’emploi de cadmium dans les produits courants est aujourd’hui décrié pour des raisons environnementales. Sont peu à peu remplacées par les technologies nickel métal hydrure et lithium qui présentent de meilleures caractéristiques de densité d’énergie et de performance. 4.3.3.5. Charge Décharger complètement une fois par mois pour éviter l’effet mémoire. Ne pas laisser la batterie sur le chargeur. Méthode de charge lente : courant constant suivi de charge d’entretien. Méthode de charge rapide par détection de fin de charge delta V négative (NDV). 4.3.3.6. Applications Équipements motorisés. Outils électriques. Radios bidirectionnelles. Rasoirs électriques. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 93 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Produits portables du commerce et de l’industrie. Instrumentation médicale. Éclairage de secours. Jouets. Alimentation des groupes de batteries par chargeur d’accumulateurs. ASI. 4.3.3.7. Prix Relativement peu chères pour des applications à faible puissance mais de 3 à 4 fois plus chères que les plomb acide pour la même capacité. 4.3.4. Nickel métal hydrure 4.3.4.1. Caractéristiques Les batteries nickel métal hydrure sont liées aux batteries étanches nickel-cadmium et la seule différence est que l’hydrogène est employé, à la place du cadmium, comme élément actif sur l’électrode négative (anode) à absorption d’hydrogène. Cette électrode est constituée d’un métal hydrure, en général d’alliages de lanthane et lanthanides qui font office de source solide d’hydrogène réduit qui peut être oxydé pour former des protons. L’électrolyte est une solution alcaline d’hydroxyde de potassium. Tension d’élément de 1,2 volts La batterie Ni-MH a été brevetée en 1986 par Stanford Ovshinsky, fondateur d’Ovonics. Le concept de base de l’électrode négative de la batterie nickel métal hydrure est né de la recherche du stockage d’hydrogène comme source d’énergie alternative dans les années 1970. On a pu observer que certains alliages métalliques forment des hydrides qui peuvent capturer (et libérer) de l’hydrogène dans des volumes atteignant des milliers de fois leur propre volume. En sélectionnant avec attention les constituants et proportions des alliages, les effets thermodynamiques pourraient s’équilibrer afin de permettre l’absorption et la libération à températures et pressions ambiantes. Cette technologie est aujourd’hui raisonnablement mature et les batteries Ni-MH ont peu à peu trouvé leur utilisation dans les applications automobile à haute tension. La densité Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 94 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries d’énergie représente plus du double de celles des ‘plomb acide’ et est 40 % plus élevée que les Ni-Cd. Toutes deux acceptent des taux supérieurs de charge et décharge et des microcycles permettant ainsi des applications qui n’étaient auparavant pas appropriées. Les composants des batteries Ni-MH incluent une cathode de nickel-hydroxyde, une anode d’alliages absorbants l’hydrogène et un électrolyte potassium-hydroxyde. Comme les batteries Ni-Cd, les batteries nickel métal hydrure sont sensibles à un effet mémoire, dans une moindre mesure cependant. Elles sont plus chères que les batteries plomb-acide et Ni-Cd, mais sont considérées comme plus respectueuses de l’environnement. 4.3.4.2. Avantages Densité élevée d’énergie. La durée de vie typique est de 500 cycles (moins que pour les Ni-Cd). Supporte les décharges poussées. Avec les batteries Ni-MH, on a pu observer jusqu’à 3000 cycles à 100 % de profondeur de décharge (DOD). À profondeurs de décharge inférieures, par exemple à 4 % de DOD, on peut envisager plus de 350 000 cycles. Robustes – les batteries Ni-MH tolèrent également les conditions de charge et décharge excessives, ce qui simplifie les besoins en termes de gestion de la batterie. Faible impédance interne. Caractéristique de décharge plate (mais décroissance rapide à la fin du cycle). Large gamme température de fonctionnement. Charge rapide possible en 1 heure. La charge d’entretien ne peut en général pas être employée sur les batteries NiMH, du fait que la surcharge peut causer une détérioration de la batterie. Les chargeurs doivent par conséquent être équipés d’une minuterie pour éviter la surcharge. Du fait de l’augmentation possible de la pression due au dégagement gazeux elles comptent en général une soupape à fermeture étanche. Reconditionnement possible. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 95 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Écologique (pas de cadmium, mercure ou plomb). 4.3.4.3. Inconvénients Taux d’autodécharge très élevé, pratiquement 10 fois pire que pour les batteries plomb acide ou au lithium. Peuvent être stockées indéfiniment à l’état complètement chargé ou déchargé. Pâtissent de l’effet mémoire, mais dans une moindre mesure que les batteries NiCd. Les batteries se détériorent pendant les longues durées de stockage. Ce problème peut être résolu par plusieurs charges et décharges de la batterie avant réutilisation. Ce reconditionnement sert également à résoudre les problèmes d’effet mémoire. Taux élevé de décharge, mais moins bon que pour les Ni-Cd. Moins tolérantes aux surcharges que les Ni-Cd. Comme pour les Ni-Cd, les batteries doivent compter des soupapes de sécurité afin de protéger les éléments en cas de génération de gaz. L’efficacité coulombienne des batteries nickel métal hydrure ne s’élève typiquement qu’à 66% et diminue la rapidité de charge. Bien que les batteries peuvent présenter une capacité élevée, celle-ci n’est pas forcément toujours entièrement disponible, dans la mesure où elle ne peut fournir sa pleine puissance que jusqu’à 50% DOD, selon l’application. Tension d’élément de 1,2 volts seulement, ce qui signifie que plusieurs éléments sont nécessaires pour constituer des batteries à haute tension. Capacité et tension de bain plus faibles que pour les piles alcalines. Perdent des parts de marché au profit des batteries au lithium. 4.3.4.4. Charge Décharger complètement une fois par mois pour éviter l’effet mémoire. Ne pas laisser la batterie sur le chargeur. Méthode de charge lente : courant constant suivi de charge d’entretien. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 96 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Méthode de charge rapide par détermination de fin de charge dT/dt. Employer une minuterie de coupure pour éviter les charges d’entretien prolongées. 4.3.4.5. Applications Applications courantes à petit prix. Rasoirs électriques. Brosses à dent. Appareils photo. Caméscopes. Téléphones mobiles. Pagers. Instruments et équipements médicaux. Batteries automobile. 4.3.4.6. Prix Plus chères à l’origine que les accumulateurs Ni-Cd, les prix en sont aujourd’hui plus compétitifs, dans la mesure où les volumes de production des Ni-MH augmentent et que l’emploi de batteries à base de cadmium est décrié. 4.3.5. Nickel Zinc 4.3.5.1. Caractéristiques Cet accumulateur rechargeable emploie, comme les accumulateurs nickel fer, un électrolyte alcalin. Tension d’élément de 1,65 volts. 4.3.5.2. Avantages Bonne durée de vie. Capacité de recharge rapide. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 97 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Peut subir un cycle de décharge poussée de 100%. Emploie des matériaux non nocifs à faible prix. 4.3.5.3. Inconvénients Lourde et encombrante. Faible densité d’énergie. Taux élevé d’autodécharge. 4.3.5.4. Applications Applications de traction. Vélos électriques. Scooters. Tondeuses à gazon. 4.3.5.5. Prix Prix peu élevé mais plus élevé que pour les batteries plomb acide. 4.3.6. Accumulateurs lithium 4.3.6.1. Caractéristiques Le lithium est le plus léger des métaux et flotte sur l’eau. Il présente par ailleurs le potentiel électrochimique le plus élevé, ce qui en fait l’un des métaux les plus réactifs. Ces propriétés confèrent au lithium la faculté d’obtenir des densités d’énergie et de puissance très élevées, pour les applications de batterie grande puissance telles que l’automobile et alimentations de réserve. Nombre de variantes de la chimie à base de lithium ont été développées pour optimiser les batteries pour des applications spécifiques ou parfois pour contourner les brevets sur la technologie d’origine. Le métal de lithium réagit violemment à l’eau et peut prendre feu. Les premières batteries commercialisées avec des cathodes de lithium métallique étaient considérées comme peu sûres dans certaines circonstances. Aujourd’hui, les batteries Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 98 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries n’emploient pas de lithium libre, mais le lithium est combiné à d’autres éléments pour former des composés plus bénins qui ne réagissent pas à l’eau. Les batteries lithium-ion typiques emploient le carbone pour l’anode et le lithium dioxyde de cobalt ou un composé de lithium manganèse pour la cathode. L’électrolyte est en général à base de sel de lithium en solution. Les batteries au lithium ont désormais pris leur place d’accumulateur rechargeable de choix pour les équipements électroniques courants portables, malgré leur prix élevé lors de leur introduction sur le marché. 4.3.6.2. Avantages À bien des égards, le lithium est pratiquement la chimie idéale de batterie et il en existe de nombreuses variantes. Les batteries rechargeables pratiques à base de lithium ont été présentées pour la première fois dans les années 1970 et on les emploie aujourd’hui en grande série dans des applications à faible puissance : téléphones mobiles, ordinateurs portables, appareils photo et autres produits électroniques courants. Elles présentent de nombreux avantages en termes de performance, ce qui les rend idéales pour les applications grande puissance telles que l’automobile et les alimentations de remplacement. Une forte tension d’élément de 3,6 V implique moins d’éléments et des connexions et électronique associées nécessaires aux batteries forte tension. (Un élément au lithium peut remplacer 3 éléments Ni-Cd ou Ni-MH, dont la tension d’élément n’est que de 1,2 V) Pas d’électrolyte liquide implique qu’il n’y a pas de risque de fuite. Une densité d’énergie très élevée (environ 4 fois mieux que pour les ‘plomb acide’). Par exemple un van de 3,5 tonnes alimenté électriquement en LDV emploie 750 kg de batteries plomb acide. La même capacité pourrait être assurée par des batteries au lithium de moins de 200 kg, libérant ainsi pour le van une charge utile d’une demi-tonne. Par ailleurs, l’autonomie de 80 km du van pourrait ainsi être quadruplée avec un poids équivalent de batteries au lithium. Densité de puissance très élevée. Voir ci-dessus. Des batteries de très petite taille sont aussi disponibles. Une chimie à semiconducteur peut être imprimée sur des substrats céramiques ou flexibles afin de former des batteries en couche mince aux propriétés uniques. Faible poids. Peuvent être optimisées en termes de capacité ou débit. Éléments individuels disponibles en capacité allant jusqu’à 1000 Ah. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 99 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Peuvent être déchargées à 40C. Le fort taux de décharge implique que pour un usage automobile, le processus de démarrage à froid ou d’accélération pour véhicules hybrides peut être assuré par une batterie faible capacité. Possibilité de charge rapide. Supporte les décharges poussées. La batterie maintient une tension constante sur plus de 80 % de sa courbe de décharge. Elle fournit ainsi sa pleine puissance jusqu’à 80 % de DOD, contre 50 % pour les ‘plomb acide’. Cela signifie qu’en pratique ; pour une capacité donnée, une plus grande part de l’énergie stockée est disponible ou encore que la batterie pourra supporter un plus grand nombre de démarrages ou demandes d’accélérations avant d’être vraiment déchargée. Très faible taux d’autodécharge. Peuvent retenir la charge jusqu’à 10 ans. Efficacité coulombienne très élevée (capacité déchargée contre capacité chargée) de près de 100 %. On perd ainsi peu de puissance au cours des charge/décharge. Pas d’effet mémoire. Ne nécessitent pas de reconditionnement, contrairement aux batteries à base de nickel. Tolèrent des microcycles. Longue durée de vie. La durée de vie peut être étendue de façon significative par l’emploi de circuits de protection, visant à limiter le DOD toléré de la batterie. Cela vient contrebalancer le prix initial élevé de la batterie. Des variantes de la chimie de la batterie permettent d’améliorer les performances pour des applications spécifiques. Disponibles dans une vaste gamme de constructions de batteries, avec des capacités inférieures à 500 mAh et jusqu’à 1000 Ah d’un grand nombre (> 100) de fournisseurs dans le monde entier. La production en grandes quantités a fait baisser les prix. 4.3.6.3. Inconvénients Impédance interne plus élevée que pour les piles Ni-Cd équivalentes. Pour les applications à grande puissance qui nécessitent des batteries très chères, le prix supérieur des batteries au lithium par rapport aux anciennes batteries plomb acide devient un facteur clé, qui empêche une large diffusion de la technologie. Cela a en outre découragé les investissements en installations de production en grande série, maintenant des prix élevés et défavorisant pour un Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 100 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries moment le décollage de cette nouvelle technologie. Cela change peu à peu et le lithium devient lui aussi compétitif pour les applications grande puissance. La stabilité des produits chimiques était un élément important par le passé. Le lithium est plus réactif sur le plan chimique et des précautions spécifiques de sécurité doivent ainsi être prises, afin d’éviter tout forçage physique ou électrique et de maintenir la batterie dans ses limites d’utilisation. Les batteries lithium polymère à électrolyte solide répondent à certains de ces problèmes. Réglementations plus strictes que pour les autres chimies en termes de transport. Se dégradent à températures élevées. Perte de capacité ou emballement thermique en cas de surcharge. Dégradation si déchargées au-dessous de 2 volts. Dégagement gazeux et possible emballement thermique en cas d’écrasement. Nécessitent un montage de protection. La mesure de l’état de charge des batteries est plus complexe que pour la plupart des chimies courantes de batteries. L’état de charge est en principe extrapolé d’une simple mesure de la tension de bain, mais la caractéristique de décharge plate des batteries au lithium, si intéressante pour les applications, la rend inexploitable en terme de mesure d’état de charge et il faut par conséquent employer des techniques telles que le titrage coulombien. La technologie des batteries lithium est employée depuis un long moment maintenant dans des applications faible puissance, mais ne dispose toujours pas de données de terrain concernant les performances sur le long terme pour les applications grande puissance. Des prévisions de fiabilité basées sur les essais d’endurance accélérés démontrent cependant que la durée de vie correspond à celle des technologies les plus courantes employées aujourd’hui ou les dépasse. Ces inconvénients sont largement compensés par les avantages des batteries lithium qui sont aujourd’hui employées dans un nombre toujours plus grand nombre d’applications. 4.3.6.4. Charge Doivent être chargées régulièrement. Durée de vie plus grande avec des charges partielles plutôt que complètes. Ne supportent pas les surcharges et doivent donc éviter les charges d’entretien. Méthode de charge : courant constant - tension constante. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 101 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.6.5. Applications Les batteries rechargeables au lithium sont employées dans une large gamme de produits courants, tels que les appareils photo, caméscopes, rasoirs électriques, brosses à dents, calculatrices, équipement médical, équipement de communication, instruments, radios et TV portables, pagers et PDA. Elles remplacent de plus en plus souvent les batteries nickel métal hydrure pour les alimentations de choix des téléphones mobiles. Les ordinateurs portables emploient presque exclusivement des batteries au lithium. Aujourd’hui, des versions grande puissance allant jusqu’à une capacité de 1000Ah et au delà arrivent sur le marché pour emploi dans des applications de traction pour véhicules électriques et hybrides, ainsi que pour les alimentations de réserve. 4.3.6.6. Prix Le prix des batteries au lithium baisse à mesure que la technologie est mieux connue. Le prix cible pour les batteries grande puissance est d’environ 300 USD/kWh mais les fabricants sont encore assez loin d’atteindre cet objectif. 4.3.6.7. Autres variétés de batteries rechargeables au lithium Variantes de chimies de batteries au lithium Les propriétés uniques du lithium ont servi pour de nombreuses chimies de batteries, à la fois pour les piles et les accumulateurs. Grâce aux nanomatériaux des électrodes, la surface active est plus importante et le courant admissible est donc supérieur. Lithium-ion Les batteries Lithium-ion ont été conçues pour répondre aux problèmes de sécurité associés aux propriétés hautement réactives du lithium métal. La principale caractéristique des batteries lithium ion est qu’à aucun moment dans le cycle charge-décharge il ne peut y avoir de lithium métal. En revanche, les ions lithium sont intercalés sur l’électrode positive à l’état déchargé et sur l’électrode négative à l’état chargé et se déplacent de l’une à l’autre à travers l’électrolyte. Les batteries lithium-ion fonctionnent ainsi selon le principe que l’on appelle quelque fois rocking chair ou swing. Ceci implique le transfert continu des ions lithium entre les deux électrodes. L’anode d’une batterie lithium-ion est composée de lithium, dissout en ions, en carbone ou parfois en lithium métallique. Le matériau de la cathode naît des composés libérés par le lithium, typiquement des 3 matières d’oxyde électro-actif, lithium oxyde de cobalt LiCoO2, lithium oxyde de manganèse LiMn2 O4 et Lithium Oxyde de nickel LiNiO2 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 102 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries L’électrolyte est constitué d’un sel de lithium. L’origine de la tension de bain est alors la différence en énergie libre entre Li + ions dans les structures cristallines des deux matériaux d’électrode. Les batteries lithium-ion n’ont pas d’effet mémoire et présentent une longue durée de vie et d’excellentes performances de décharge. Pour des raisons de sécurité, le montage de contrôle de charge est nécessaire pour virtuellement toutes les applications lithium-ion. La technologie lithium-ion emploie un électrolyte liquide ou gel. Cette chimie et cette construction de batterie permettent d’employer des séparateurs très fins entre électrodes, qui peuvent ainsi être construites avec de très grandes surfaces. Cela permet ensuite aux batteries de gérer des débits très élevés de courant, ce qui les rend idéales pour les applications grande puissance. Parmi les premières batteries, certaines employaient des matières actives inflammable ce qui nécessitait l’emploi d’importants boîtiers complémentaires afin de contenir en toute sécurité ces produits chimiques potentiellement dangereux. Cet emballage supplémentaire ne faisait pas qu’accroître le poids et le prix, il limitait en outre la flexibilité en matière de taille. Les chimies et additifs d’aujourd’hui ont essentiellement éliminé ces problèmes. Lithium-ion polymère Les batteries lithium ion polymère emploient une électrochimie liquide lithium-ion dans une matrice de polymères conducteurs d’ions qui éliminent l’électrolyte libre dans la batterie. L’électrolyte plastifie ainsi le polymère, produisant un électrolyte solide qui est sûr et résiste aux fuites. Les batteries lithium polymère sont souvent appelées batteries à électrolyte solide. Parce qu’il n’y a pas de liquide, la batterie à polymère solide ne nécessite pas les lourds boîtiers de protection des batteries classiques. Les batteries peuvent être conditionnées en feuilles plates ou prismatique (rectangulaire) ou peuvent être fabriquées dans des formes quelconques, afin de cadrer avec toutes sortes d’espaces disponibles. Ainsi, la fabrication est simplifiée et les batteries peuvent être contenues dans un feuillard. Ceci offre des avantages en termes de prix et de poids et une flexibilité de conception. En outre, l’absence de liquides libres rend les batteries lithium ion polymère plus stables et moins sensibles aux problèmes de surcharges, dommages ou forçage. Les batteries à électrolyte solide présentent de longues durées de stockage, mais de faibles taux de décharge. Il existe quelques limitations en termes de construction de batteries, imposées par le séparateur d’électrolyte solide plus épais, qui limite la surface efficace des électrodes et donc le courant admissible de la batterie. Cependant, le volume additif Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 103 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries de l’électrolyte permet un stockage accru d’énergie. Cela en fait les batteries de choix pour les applications à forte capacité de faible puissance. Malgré les précédentes remarques, certains fabricants construisent des batteries désignées comme batteries lithium polymère contenant réellement liquide ou gel. Celles-ci sont plus enclines à gonfler que les batteries originelles à polymère solide. Autres variantes à chimie de cathode au lithium De nombreuses variantes des chimies de batteries basées lithium-ion ont été développées mais seules les lithium cobalt et lithium manganèse sont aujourd’hui produites en quantités commerciales. Les autres types en sont soit au stade de développement soit en attente de décisions d’investissement pour lancer une production en série. Si la technologie de base est bien connue, il manque des expériences d’exploitation et par conséquent des données de conception de système avec certains des développements les plus récents, ce qui entrave également l’adoption de ces batteries. Dans le même temps, les brevets de ces différentes chimies sont en général tenus par des sociétés rivales qui entreprennent des développements concurrentiels, sans aucun signe de standardisation industrielle ou adoption d’un produit commun. Le brevet d’origine sur la technologie lithium cobalt est ainsi tombé dans le domaine public, ce qui peut en expliquer la popularité. Lithium Cobalt LiCoO2 La batterie lithium cobalt est une technologie mature, éprouvée et standard qui offre une longue durée de vie et une densité d’énergie élevée. La conception polymère rend la batterie intrinsèquement plus sûre que les batteries à boîtiers qui peuvent perdre des fluides acides d’électrolyte en cas de forçage. La tension d’élément est typiquement de 3,7 volts. Les batteries mettant en œuvre cette chimie sont disponibles auprès d’une large gamme de fabricants. L’emploi de cobalt est malheureusement lié à des dangers écologiques et toxiques. Lithium manganèse LiMn2O4 Le lithium manganèse offre une tension d’élément supérieure à celle des chimies à base de cobalt, de 3,8 à 4 volts, mais une densité d’énergie inférieure d’environ 20%. Il offre ainsi des atouts supplémentaires à la chimie lithium-ion, dont des coûts moindres et des performances supérieures de température. Cette chimie est plus stable que la technologie lithium cobalt et par conséquent intrinsèquement plus sûre, mais la contrepartie en est une moindre densité d’énergie potentielle. Les batteries lithium manganèse sont également largement disponibles mais ne sont pas encore aussi courantes que les lithium cobalt. Le manganèse, contrairement au cobalt, est un matériel de cathode plus sûr et écologique. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 104 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Lithium nickel LiNiO2 Les batteries à base de lithium nickel fournissent une densité d’énergie jusqu’à 30% supérieure au cobalt mais une tension d’élément inférieure, 3,6 volts. Elles présentent également le plus haut niveau de réactions exothermiques, ce qui peut provoquer des problèmes de refroidissement dans les applications grande puissance. Les batteries selon cette chimie ne sont cependant pas toujours disponibles. Lithium métal polymère Développées spécifiquement pour les applications automobile employant la technologie de polymères 3M et, de façon indépendante en Europe, la technologie de l’Institut Fraunhofer, elles ont été testées avec succès dans les essais de projets PNGV (partenariat pour une nouvelle génération de véhicules) aux États-Unis. Elles emploient des anodes lithium métallique plutôt que les anodes plus courantes lithium carbone et des cathodes métal oxyde (cobalt) Certaines versions doivent fonctionner à une température comprise entre 80 et 120ºC pour des résultats optimaux, bien qu’elles puissent fonctionner à puissance réduite à température ambiante. La technologie Fraunhofer emploie un électrolyte organique et la tension d’élément est de 4 volts. On prétend que cette chimie de batterie supporte mieux le forçage. Ces produits ne sont pas encore fabriqués en série. Le lithium soufre Li2S8 Le lithium soufre est une chimie à forte densité d’énergie, significativement plus élevée que les chimies lithium-ion oxyde de métal. Cette chimie se trouve sous développement conjoint entre différentes sociétés mais n’est pas encore disponible dans le commerce. Les batteries lithium soufre tolèrent les surtensions. La tension d’élément est de 2,1 V. Chimie alternative d’anode Les anodes de la plupart des accumulateurs à base de lithium reposent sur une forme de carbone (graphite ou coke). Récemment le lithium spinelle de titanate (Li4Ti5O12) a été introduit parmi les matières d’anode permettant d’obtenir des batteries thermiquement stables à durée de vie améliorée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 105 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.7. Sodium soufre BATTERIE HAUTE TEMPÉRATURE Depuis la moitié des années 1960 de nombreux travaux de développement ont été menés sur les batteries employant le sodium pour les électrodes négatives. Le sodium est intéressant du fait de son fort potentiel de réduction de -2,71 volts, son faible poids, sa nature non toxique, sa relative abondance, sa facile disponibilité et son prix peu élevé. Tous ces facteurs offrent la perspective de batteries à densités très élevées de puissance et d’énergie. Malheureusement, pour construire des batteries pratiques à électrodes de sodium, le sodium doit être employé dans sa forme liquide. Le point de fusion du sodium est de 98 °C ce qui implique que les batteries à base de sodium doivent fonctionner à hautes températures, typiquement au-delà de 270 °C. Cela crée donc des problèmes de gestion thermique et de sécurité et impose des exigences plus strictes pour les autres composants de la batterie. La première batterie commerciale produite a été la sodium/soufre qui emploie du soufre liquide pour l’électrode positive et un tube céramique d’alumine bêta pour l’électrolyte. La corrosion des isolants peut être un problème dans cet environnement chimique sévère car ceux-ci deviennent alors conducteurs et le taux d’autodécharge de la batterie augmente. Parmi les développements ultérieurs se trouve la batterie Zebra, qui emploie une électrode positive de métal solide de chlorure de nickel. Intrinsèquement plus sûres, des batteries plus grandes pouvaient alors être construites. Les précautions spécifiques de sécurité et la gestion thermique complexe nécessaires pour ces batteries contribuent à éviter d’atteindre les densités d’énergie très élevés théoriquement possibles. Avec l’arrivée des dernières technologies lithium, l’enthousiasme pour des batteries haute température commence à s’émousser. La technologie haute température est également employée pour les piles thermiques. Ces batteries emploient un électrolyte qui est solide et inactif à température ambiante normale. Les batteries ne sont actives qu’à hautes températures par l’application de chaleur d’une source externe pour liquéfier l’électrolyte. Ces batteries servent presque exclusivement à des applications militaires. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 106 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.8. Batteries à circulation (Redox) 4.3.8.1. Caractéristiques La batterie Redox est un exemple de batterie à circulation et de système à 2 électrolytes. Entrent en jeu dans ce cas 2 différents électrolytes actifs aqueux de vanadium, dissous dans l’acide sulfurique, séparés par une membrane sur laquelle se déroule l’échange ionique. Les réactions chimiques se déroulent sur des électrodes inertes de graphite, empilées en configuration bipolaire. Les électrolytes sont stockés à l’extérieur de la batterie et doivent être pompés dans l’élément, afin que l’action chimique puisse avoir lieu. Caractéristique de décharge en pente, avec une tension de sortie de 1,5 à 1,0 volts Le terme Redox est une contraction de Réduction et Oxydation. Bien que ces batteries spécifiques portent le nom de cette réaction chimique, l’action Redox est commune à pratiquement toutes les batteries galvaniques. 4.3.8.2. Avantages Tension de sortie très élevée (Dizaines de kilowatts). Recharge rapide par remplacement des électrolytes usés. Longue durée de vie possible du fait du remplacement des électrolytes. Peuvent être complètement déchargées. Emploient des matières non toxiques. 4.3.8.3. Inconvénients Complexes. Faible densité d’énergie. Décollage commercial très lent à ce jour. 4.3.8.4. Applications Conviennent aux systèmes rechargeables de stockage des applications telles que la correction d’assiette (load levelling). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 107 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.8.5. Prix Prix élevés du fait des progrès limités des systèmes expérimentaux aux applications en grande série. 4.3.9. Batteries Zebra 4.3.9.1. Caractéristiques Batteries à puissance et capacité élevées, convenant aux applications de traction électrique. Batteries à température élevée, fonctionnant à plus de 270 °C La chimie du sodium chlorure de nickel (NaNCl) offre une tension de bain nominale de fonctionnement de 2,58 volts 4.3.9.2. Avantages Forte densité d’énergie (5 fois supérieure aux batteries plomb acide). Possibilité de grands éléments (jusqu’à 500 Ah). Durée de vie supérieure à 1000 cycles. Supportent les courts-circuits. Plus sûres que les batteries sodium soufre. La panne typique de court-circuit d’élément n’engendre pas la panne totale de la batterie. Matières à prix peu élevé. 4.3.9.3. Inconvénients Seulement disponibles en batteries grande capacité (> 20 kWh) Gamme limitée en termes de tailles et capacités (grands bâtis multi-éléments). Une seule usine au monde produit ces batteries. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 108 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Résistance interne élevée. Électrode de sodium fondu. Température de fonctionnement élevée. Nécessité de préchauffage jusqu’aux 270 °C de température de fonctionnement (jusqu’à 24 heures pour un départ à froid). Emploient 14 % de leur propre capacité par jour à maintenir la température hors fonctionnement. Gestion thermique nécessaire. 4.3.9.4. Applications Applications de traction, véhicules électriques, électriques hybrides et ferroviaire. 4.3.9.5. Prix Chères. 4.3.10. Autres piles galvaniques 4.3.10.1. Batteries à électrolyte solide Ces batteries sont à électrolytes solides. Elles offrent l’avantage de ne pas provoquer de fuite ou dégagement gazeux, une longue durée de stockage, une excellente efficacité en terme de conditionnement, pas de séparateurs et des conceptions miniatures. Elles présentent, selon les matériaux de leur électrolyte, une forte conductivité ionique et une mobilité ionique négligeable. La première caractéristique offre une faible résistance interne tandis que la seconde évite l’autodécharge offrant ainsi une longue durée de vie. Les éléments lithium iode employés dans les stimulateurs cardiaques en sont un exemple. 4.3.10.2. Nanotechnologies Les nanomatériaux (matériaux nanocristallins) sont couramment employés pour les plaques d’électrodes et de séparateur dans les batteries expérimentales Ni-MH et lithium ion, dans lesquelles leur microstructure d’aspect spongieux offre une très grande surface active poreuse qui peut contenir et fournir considérablement plus d’énergie que leurs concurrentes classiques. Des débits C de 10 à 100 fois supérieurs ont été annoncés (ce qui implique un chargement de batterie en 1 minute !) Elles ne sont pas encore disponibles dans le commerce. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 109 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 4.3.10.3. Batteries au mercure La technologie originale des piles bouton était un élément de mercure, qui présentait une cathode d’oxyde de mercure, une anode faite d’un amalgame de mercure et de zinc et un électrolyte composé d’hydroxyde de potassium mélangé à de l’hydroxyde de zinc. C’était essentiellement une pile alcaline avec une cathode différente et plus efficace. Elle présentait une tension en circuit ouvert de 1,35 volts. Conçues pour remplacer la batterie carbone-zinc, elle pouvait non seulement résister aux températures et humidité élevées, mais présentait aussi de meilleures caractéristiques de décharge, une durée de stockage supérieure et une meilleure efficacité. Comme le mercure est toxique, les pbatteries au mercure sont aujourd’hui interdites aux États-Unis et dans d’autres pays et sont réduites à l’objet de curiosité. Les batteries argent-oxyde ou zinc-air sont une bonne, voire une meilleure alternative. 4.3.10.4. Batteries nickel hydrogène (Ni-H2) Batteries hybrides mêlant batteries Ni-Cd et technologies de piles à combustible employant de l’hydrogène pressurisé à la place de l’électrode de cadmium. À ne pas confondre avec les batteries nickel métal hydrure. Elles sont robustes, ne nécessitent pas de maintenance et offrent des densités très élevées d’énergie et de puissance. Elles ont une très longue durée d’utilisation de 40 000 cycles et une durée de vie pouvant aller jusqu’à 15 ans. Elles sont également très chères. Employées dans les applications de satellites et de vaisseaux spatiaux. 4.3.10.5. Batteries métal air Un moyen très commode d’obtenir une haute densité d’énergie dans une batterie galvanique consiste à utiliser l’oxygène de l’air comme cathode « liquide ». Un métal, tel que le zinc ou l’aluminium, est employé comme anode (voir plus bas). La cathode d’oxygène est réduite dans une partie de la batterie qui est physiquement isolée de l’anode. En employant une cathode gazeuse, il reste plus de place pour l’anode et l’électrolyte, afin que la taille de la batterie soit réduite, tout en fournissant une bonne tension de sortie. 4.3.10.6. Batteries rechargeables aluminium-air D’une longue durée de stockage et de densité d’énergie élevée, elles sont cependant complexes et de faible efficacité. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 110 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les batteries aluminium-air puisent leur énergie dans l’interaction de l’aluminium et de l’air. L’air entrant doit être filtré, vidé de son CO2 et déshumidifié, l’eau et l’électrolyte doivent être pompés et maintenus dans une faible gamme de températures, d’où leur complexité. Les batteries ne sont pas rechargées électriquement mais sont réalimentées par remplacement des anodes d’aluminium et de la source d’eau. Des versions spéciales employant des électrolytes à l’eau de mer ont également été développées. Une nouvelle génération de batteries aluminium-air récemment brevetées en Finlande et mettant en œuvre des nanotechnologies ont résolu les problèmes liés au rechargement des batteries aluminium et promettent de très grandes densités d’énergie et de puissance. Toujours à l’étude et toujours pas disponible en série. 4.4. BATTERIES PEU COURANTES 4.4.1. Batterie à l’urine Et ce n’est pas une plaisanterie ! En 2005, le bio-ingénieur coréen Ki Bang Lee de l’Institute of Bioengineering and Nanotechnology de Singapour a développé une batterie en papier alimentée en urine, visant à créer une source simple, bon marché et jetable pour les tests médicaux réalisés à domicile pour le diabète et autres maladies. Elle est composée de papier, imbibé de chlorure de cuivre, pris en sandwich entre des couches de magnésium et cuivre et dans des feuilles de plastique. Le kit de test (batterie incluse) a une taille équivalent à la moitié environ de la taille d’une carte de crédit, 6cm x 3cm et épais d’1mm. Typiquement, la batterie fournit environ 1,5 Volts, une puissance maximum de sortie de 1,5 milliwatts pour 0,2 millilitres d’urine. Toute une gamme de kits de tests médicaux comprenant des biocapteurs ou biopuces est envisagée, utilisant le fluide corporel testé comme source d’énergie et toute une gamme de formes et matériaux, selon les nécessités du test. 4.4.2. Batteries Ampoule Les batteries Ampoule présentent un l’électrolyte stocké dans une ampoule à part, intégrée au boîtier de la batterie. Lorsque l’on a besoin d’utiliser la batterie, l’ampoule est brisée afin que l’électrolyte pénètre dans l’élément. Cette technique a été employée pour les fusibles militaires fuses et pour les applications de marine. 4.4.3. Batterie « maison » Pendant longtemps, avant que les batteries ne soient produites en série, les chercheurs en électricité ont dû créer leurs propres batteries selon différentes formules. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 111 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Vous pouvez essayer à la maison avec des matériaux courants. Recette pour faire sa pile « maison » Ingrédients 1 citron ou citron vert 1 clou (de toiture) galvanisé ou une vis galvanisée 1 morceau de câble lourd de cuivre (Câble principal dépourvu de sa gaine isolante) ou une pièce de cuivre poli. Figure 63 : Batterie « maison » Équipement nécessaire 1 Voltmètre Vérification des « ingrédients » (Option) Vous pouvez faire le vieux test de la langue (Vérifier d’abord que les parties sont propres. Cf. point 2 au paragraphe suivant) Et, comme pour la dégustation d’un vin : goûtez, mais n’avalez pas ! (Note : Il s’agit d’une expérience d’électronique et pas de cuisine électrique. Veillez à ne pas manger le fruit qui vous a servi pour fabriquer la batterie). Préparation 1. 2. 3. 4. Presser doucement le citron sans en briser l’écorce pour libérer le jus à l’intérieur. Bien nettoyer le clou et le câble de cuivre (et que ça brille !). Utiliser si nécessaire de la laine d’acier puis rincer soigneusement à l’eau. Insérer le clou et le câble bien profondément en deux endroits distincts du citron, en prenant garde à ce que le clou et le câble ne se touchent pas. Vérifier le potentiel entre les deux brochettes improvisées à l’aide du voltmètre. Durée de préparation Immédiatement prêt. Fournit 0,5 V environ. Vous aimez les watts ? Ne pensez pas démarrer votre voiture avec cette batterie : la résistance interne en est relativement élevée. En reliant 3 ou 4 de ces batteries en série vous devriez cependant pouvoir allumer une DEL (Diode électroluminescente) ou une petite lampe torche. Des goûts et des couleurs... Le citron peut être remplacé par d’autres fruits et légumes. Essayez donc la pomme de terre électrique en apéritif. L’effet électrique est le même. Un trombone à la place du clou réduit la tension de sortie à un tiers de volt. Si vous ne trouvez pas de clou galvanisé, une autre source de zinc (encore meilleure) peut être obtenue à partir d’un morceau de boîtier d’une vieille lampe torche à batterie zinc carbone (pile D). La note du Chef Le citron agit comme une batterie grâce au jus de citron (acide citrique) qui sert d’électrolyte. La Pièce de cuivre est l’électrode Positive et le clou galvanisé de ziNc est l’électrode Négative. Une liaison série est une succession de batteries, l’électrode positive de chaque élément relié à l’électrode négative de l’élément suivant, ce qui permet de créer une batterie de tension supérieure. Alternatives On peut construire une assez bonne réplique de Pile de Volta avec une série alternée de pièces en cuivre et de pièces de nickel, séparées par des disques découpés dans des serviettes en papier et trempés dans du jus de citron ou du vinaigre. (Vérifier que les surfaces des pièces ne sont pas oxydées) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 112 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Ni Cd 1956 1,2 40 / 60 150 50 / 150 Ni MH 1990 1,2 30/ 80 250 / 1000 140 / 300 Zinc air 1997 1,15 200 30 / 140 220 1,5 220 30 Al air 10C >10 500/ 800 3% / 4% 8 2000 20% 6 1500 30% 20C Tension const 150 -40°C +60°C Courant const 400 / 800 -20°C +60°C Df/dt 250 S.O. 80 200 S.O. Ni fer 1901 1,2 50 100 Ni zinc 1920 1,5 60 300 Sodium soufre 1960 2,1 110 150 NaNiCl Zebra 1982 2,58 100 150 160 LiCo02 1992 3,7 90 / 140 760 220 / 350 40C LiMn2O4 1999 3,6 160 1800 270 40C 3,2 150 ?? 250 Li Ph Moyenne du coût énergétique en USD 2005 : kWh 60 / 75 Méthode favorite de charge 180 Gamme de température °C Énergie par volume Wh / L 30 / 40 Autodéchar ge par mois Puissance massique W / Kg 2,0 Durée de vie (cycles) Énergie par poids Wh / Kg 1881 Durée de recharge (heures) Tension de bain volts Plomb acide Type Taux max de décharge Commercial isation 4.5. TABLEAU RÉCAPITULATIF – ACCUMULATEURS 20% 40% 150 / 200 <20% 150 / 200 1000 Zéro 300 <3 1200 5% / 10% -20°C +60°C Tension const. 300 <3 1200 5% / 10% -20°C +60°C Courant const. 300 100 600 1000 600 LiNiCoO2 LiNiO2 LI2S8 2003 2,1 300 Lithium métal 2003 3,0 150 Lithium métal 2003 4,0 200 400 <5% 250 400 Tableau 10 : Tableau récapitulatif - accumulateurs Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière version : 10/07/2007 Page 113 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Type Commentaires Plomb acide Se détériore avec les microcycles ; sèches ou liquides / électrolyte aqueux (ouvertes) ou gel (étanche). Ni Cad Effet mémoire ; sèches ou liquides / électrolyte aqueux (ouvertes) ou gel (étanche). Ni MH Taux élevé d’autodécharge. Puissance utile jusqu’à 50 % DOD. Zinc air Les piles ne peuvent subir des charges de régénération. Emploie des électrodes remplaçables. Al air Les piles ne peuvent subir des charges de régénération. Nécessite une charge intermédiaire du fait de sa faible puissance massique. Ni fer Problèmes de corrosion. Ni Zinc Croissance dendritique. D’où une faible durée de vie (en nombre de cycles). Sodium soufre Forte température 350°C. Dégâts si température < 200°C. Fin de série. NaNiCl Zebra Forte température : 270°C. LiCo02 Chères. Matières toxiques. Puissance utile jusqu’à 80 % DOD. LiMn2O4 Puissance utile jusqu’à 80 % DOD. Li Ph Pas d’expérience sur le terrain. LiNiCoO2 Pas d’expérience sur le terrain. LiNiO2 Pas d’expérience sur le terrain. LI2S8 Pas d’expérience sur le terrain. Lithium métal1 Pas d’expérience sur le terrain. Lithium métal2 Pas d’expérience sur le terrain. Tableau 11 : Résumé des accumulateurs Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 114 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5. CHARGE DES BATTERIES (CHARGEUR DE BATTERIE) L’utilisation de mauvaises techniques de charge détruit plus de batteries que toutes les autres causes réunies. Les batteries sont en général détruites du fait d’une surcharge, c’est à dire en réalité d’un courant excessif. En contrôlant et en limitant le courant, une fois les batteries chargées, il ne devrait plus y avoir de problèmes. Les instructions de maintenance et d’utilisation s’en tiennent à la tension de floating pour la charge des batteries mais la valeur de cette tension varie avec le temps, à mesure que les batteries vieillissent. L’élément le plus important est le courant de floating, qui doit être minimum selon les recommandations des fabricants et jamais supérieur à 1/100C (*). Bien entendu, ce courant de floating est déterminé et ajusté par la tension qui correspond à la tension de floating. (*) C est la capacité de la batterie ou du groupe de batteries en série ; par exemple, pour 100 Ah, le courant de floating ne doit jamais être supérieur à 1 ampère. Ici encore, il s’agit d’une valeur à vérifier sur la fiche technique des batteries, elle devrait être inférieure (très vraisemblablement). La température est le dernier grand facteur à vérifier. Si la batterie chauffe, c’est qu’il y a un problème. Vous trouverez plus d’informations dans la section concernant les durées de charge. 5.1. COMMENT CHARGER ACCUMULATEURS OU BATTERIES Nous abordons maintenant la partie la plus importante : la charge. 3 méthodes principales de charge sont à distinguer, pour les 3 technologies principalement employées : Batteries au plomb. Batteries au nickel. Batteries au lithium. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 115 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Nous verrons ci-après une méthode de charge pour les : technologie Plomb, technologie Ni-Cd, technologie Ni-MH, technologie Lithium, autres technologies. Et nous verrons en outre des sujets spécifiques tels que : Pic delta -dV/dt -DV de quoi s’agit-il ? Capacité réelle : la capacité d’un accumulateur change selon l’utilisation qui en est faite. Quelle est dans ce cas la signification de la capacité indiquée sur la plaque signalétique ? 5.1.1. Charge des batteries plomb acide Cette partie est commune aux batteries ouvertes ou étanches, à électrolyte aqueux ou gel. Rappel théorique Avec les accumulateurs au plomb, toutes les valeurs de références (de fin de charge et de décharge) concernent la tension. On parle de 2 V pour valeur de référence d’une batterie plomb/plomb, mais il ne s’agit pas exactement de 2 V. Toutes les valeurs déclinées ci-dessous, peuvent être employées, même si elles ne sont pas réellement optimisées par rapport aux indications et recommandations des fabricants. Ces valeurs concernent tous les types de batteries plomb-plomb à électrolytes VRLA, AGM, aqueux, gel, etc., ouvertes ou étanches. Tension de référence : Tension d’un élément chargé en circuit ouvert à 25 °C : 2,1 V. Pour les batteries 12 V classiques, ce devrait être 12,6 V. C’est la valeur que vous devriez lire sur un voltmètre placé entre l’électrode d’une batterie chargée pendant toute la nuit et en circuit ouvert. Tension de floating : Tension pouvant être appliquée en permanence sur les électrodes afin de garantir que la batterie est toujours complètement chargée : 2,25 à 2,28 V par élément à 25 °C. Cette valeur doit être corrigée de + ou - 0,005 V par degré Celsius selon la température ambiante. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 116 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Exemple : à +10 °C, la tension de floating par élément est de 2,36 V (2.28 + 0.005x15) et à +40 °C, elle est de 2,21 V (2.28 - 0.005x15) (valeurs à vérifier sur les fiches techniques des fabricants). Pour la batterie 12 V, ce sera donc : 14,2 V à +10 °C et 13,2 V à +40 °C. Tension de charge : Tension maximum qui peut être appliquée sur les électrodes d’une batterie de façon non permanente : 2,3 à 2,4 V par élément à 25 °C avec toujours le même coefficient de correction (0,005 C/°C) : de 13,8 V à 14,4 V pour la batterie 12 V à 25 °C. Attention : cette tension de charge est la valeur maximum en tension continue et si le chargeur est de qualité moyenne ou médiocre, certains harmoniques ou ondes pourraient s’ajouter du fait d’un mauvais filtrage. C’est alors la tension de pic que « voit » la batterie, qui n’apprécie pas cela. Courant de charge : Une valeur facile à retenir est celle de 1/5 de la capacité nominale en 20 heures. Par conséquent, pour la batterie 12 V/7 Ah, ce courant (maximum) est de 1,4 A. En réalité, si l’on consulte la fiche technique des fabricants, on mentionne en général 1,7 A pour 7 Ah et 20 A pour 85 Ah, soit un peu plus que 1/5 C. En cas de doute, tenezvous en à 1/5 : la batterie ne sera pas en sous-charge, mais il faudra (peut-être) un peu plus de temps. Enfin, en pratique : Vous pouvez déduire que votre chargeur d’accumulateurs dépend de 2 paramètres : le courant de charge maximum et la fin de tension de charge. 2 méthodes de charge sont ainsi possibles : charge en 2 étapes ou en 3 étapes. 5.1.1.1. Charge des batteries au plomb en 2 étapes Figure 64 : Charge des batteries au plomb en 2 étapes Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 117 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Dans la zone 1, le courant est limité au courant de charge maximum, C/5 (ou donnée fabricant). Dès que la tension atteint 2,12 V (12,7 V pour la batterie 12 V), la charge passe en limitation de tension. Il y a alors 2 solutions : la batterie est connectée en permanence au chargeur (système ASI) et la tension limitée est la tension de floating : 2,26 V (13,6 V pour la batterie 12 V), offrant une capacité d’environ 95 % (après les 20 heures de charge). la batterie doit être utilisée de façon autonome immédiatement, la tension doit présenter la valeur de tension de charge : 2,35 V (14,1 V pour la batterie 12 V). La batterie sera bien entendu complètement chargée après le délai normal de 20 h. Dans les 2 cas, après ces 20 heures, le courant de charge doit être limité à 1/100 de la capacité. 5.1.1.2. Charge des batteries au plomb en 3 étapes Figure 65 : Charge des batteries au plomb en 3 étapes Dans la zone 1, le courant est limité au courant maximum de charge, C/5 (ou donnée fabricant). Dans la zone 2, la tension de charge est « opérationnelle ». Dans la zone 3, la tension passe à la valeur de tension de floating. Cette méthode en 3 étapes permet à la batterie d’être chargée à 100 % dans le délai « normal » de charge de 20 heures et de maintenir ensuite sa pleine capacité en floating. C’est le type de charge employé dans les systèmes ASI / onduleurs. Conseil : le chargeur de batterie bon marché du supermarché du coin (à 15 Euros !) va tuer votre batterie de voiture et accessoirement la charger (avec un peu de chance). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 118 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Cette « chose » est seulement constituée d’un transformateur et d’un pont de diode. L’ajustement tension/courant se fait par commutation de certaines bobines du transformateur. Il n’y a pas de filtre et la tension de crête est bien supérieure à la valeur maximum de charge. Sur site : faites simplement la somme du nombre d’éléments en série pour obtenir la valeur de tension de charge et de floating, sans oublier de décompter les éléments morts ici ou là (ceux que vous avez trouvés et court-circuités pendant la maintenance). Dans tous les cas, après une charge de 2 jours des batteries, le courant de floating doit être < 0,01C. 5.1.2. Charge des batteries nickel-cadmium Comme pour les batteries au plomb, ceci s’applique à tous les types de batteries Ni-Cd, sèches ou liquides, étanches ou ouvertes à électrolyte gel ou aqueux. 5.1.2.1. Charge normale Elle se fait à courant constant de 1/10 de capacité sous une tension au moins égale à 1,45 V par élément. Le courant doit être maintenu pendant au moins 14 heures si la batterie était totalement déchargée au début de la charge. Pendant la charge, la tension croît d’abord rapidement, puis lentement pour atteindre 1,4 V par élément. La charge est alors terminée. Si la batterie reste sous charge avec le même courant, il y aura surcharge. La tension commence à décroître, la batterie ne stocke pas plus d’énergie mais libère de la chaleur puis elle produit de l’hydrogène et de l’oxygène. Après 14 heures de charge (normale) et toujours à 0,1 In, la batterie commence à se détruire. Le meilleur moyen de reconnaître la fin de charge consiste à détecter le facteur dV/dt (Cf. paragraphe suivant), qui indique l’instant auquel la batterie a atteint sa tension maximum, tension qui commence alors à décroître. Cette détection du dV/dt est obligatoire pour les autres méthodes de charge rapide et de charge accélérée, ci-après. Autre solution pratique : détection de la fin théorique d’une tension charge de 1,4V par élément Figure 66 : Charge normale des batteries nickel-cadmium Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 119 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.2.2. Charge accélérée Se fait à 1/5 de la capacité pendant 6 à 7 heures maximum. La surcharge ne doit pas excéder 40 minutes car au-delà, la batterie commence à se détruire. Charge de bonne qualité mais, bien entendu, moins efficace que la charge normale. 5.1.2.3. Charge rapide Se fait à la capacité de la batterie pendant 1 heure maximum ; surcharge strictement « interdite » à ce taux de charge. Attention : toutes les batteries Ni-Cd ne permettent pas ce type de charge. Pour la charge rapide (et pour la charge accélérée), le chargeur doit être équipé d’un détecteur de fin de charge (système dV/dt) qui indique l’instant où la tension commence à décroître. Par ailleurs, la batterie doit être complètement déchargée au début de la charge. 5.1.2.4. Charge permanente Se fait à 1/20 de la capacité avec limitation de durée (moins d’une semaine toutefois !). La batterie se charge mais ne chauffe pas après la fin de charge, du fait du faible courant. 5.1.2.5. Courant de maintien Ou courant de floating Une fois la charge finie, l’application d’un courant de 1/100 de la capacité (comme pour les batteries au plomb) maintient la batterie à pleine capacité de façon indéfinie. Ce courant ne charge pas la batterie, il compense simplement la perte naturelle d’énergie qui s’élève (sans ce courant de 0,01C) à 99 % de la capacité après 10 jours et 90 % après 1 mois. La tension doit être ajustée et régulée pour obtenir ce courant de 0,01C (maximum). 5.1.2.6. Méthode industrielle de charge C’est la méthode employée pour les ASI et chargeur d’accumulateurs sur site. C’est une combinaison de charge rapide ou accélérée avec une charge permanente à la fin du cycle. La détection du dV/dt (point 3 de la courbe ci-dessous) déclenche le courant de charge de 1/20 de la capacité pendant plusieurs heures. Les chargeurs industriels sont équipés de tous les dispositifs de sécurité nécessaires pour la détection de tension, courant, température et délai. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 120 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 67 : Courbe de charge combinée Ni-Cd (1) Délai à la détection de fin de charge pour éviter le déclenchement au début de la charge. (2) Détection de 1,95 V maxi. par élément. (4) Limitation de courant de charge si la tension est inférieure à 0,8 V par élément. (8) Délai limitant la charge rapide ou accélérée à 150 % de la capacité. (9) Capteur de température de contrôle des éléments. Les éléments doivent être équipés de ces dispositifs. Et sur site : même remarque que pour les batteries au plomb, vérifier le courant de charge de votre ASI de groupe de chargeurs d’accumulateurs. Le courant dans les conditions normales et stabilisées doit être < 0,01C batteries. La tension de floating est de 1,4 V par élément et vous devez connaître le nombre d’éléments (en bonnes conditions) en série. Le courant de charge est lisible sur l’ampèremètre de la porte de l’unité… Si vous notez une valeur de courant anormalement élevée... appelez l’électricien… Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 121 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.3. Charge des batteries nickel métal hydrure Comme les accumulateurs Ni-Cd, la NiMH se charge à courant constant. La différence réside dans les variations de tensions à la fin de charge. La Ni-MH présente des variations d’amplitude bien moindres et la détection de dV/dt à 0,1 C en est ainsi quasiment impossible. Figure 68 : Courbe de charge des batteries nickel métal hydrure La détection de dV2/dt2 (inflexion de la courbe de charge à la fin de charge) est nécessaire. Il est impossible de détecter la tension avec une précision suffisante et la charge à 0,1C n’est pas facile à obtenir du fait de cette particularité de fin de charge « douce ». Figure 69 : Exemple de système de charge rapide pour Ni-MH (1) Courant de charge rapide : doit se situer entre 0,5 et 1 C (In). Au-dessus de In, il se produit une surchauffe et un dégagement gazeux, (2) Courant de précharge : de 0,2 à 0,3 In, dans le cas d’une tension inférieure à 0,8 V par élément. (3) Démarrage d’une charge rapide lorsque la tension atteint 0,8 V. (4) Détection de la tension maximum à 1,8 V par élément. (5) Détection de dV/dt pour passer au courant de charge permanente : 5 mV < -dV < 10 mV par élément. (6) Détection de dT/dt lors du passage au courant de charge permanente : 1 à 2°C/min. (7) Détection de la température maximale, 50 à 60 °C selon les fabricants. (8) Délai de 10 min pour inhiber la détection dV/dt au début de la charge. (9) Courant de charge permanente de 1/30 à 1/20 de In. (10) Délai de précharge : 60 minutes. (11) Durée de charge rapide : 90 minutes. (12) Durée totale : 10 à 20 heures. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 122 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries La construction de chargeurs Ni-MH met en œuvre une méthode spécifique employant plusieurs paliers dans la charge, qui commencent par une charge rapide de 0,5 à 1 C. Avec un tel courant, la courbe de charge produit à la fin de la charge une légère inflexion qui permet ainsi la détection du facteur dV/dt. Dès que cet instant est détecté, le courant baisse jusqu’à 1/30 de C pour finir la charge par une charge de maintien. Attention, les batteries Ni-MH n’apprécient pas les surcharges et la détection de fin de charge est très importante. Il est plus que recommandable d’intégrer une minuterie pour limiter la charge à 90 minutes, avec un contrôle de température permettant d’éviter la surchauffe. 5.1.4. Charge des piles au lithium La tension des accumulateurs au lithium est de 3,6 V pour la vieille technologie Li-ion et de 3,7V pour les nouvelles technologies Li-Po et Li-ion. Quelle que soit la technologie (Li-Po, Li-ion), le principe de charge est le même : La charge est à tension constante et à courant limité. Il y a 2 particularités concernant la charge des éléments au lithium : Ils ne supportent pas les surcharges, aussi petites soient-elles La tension de charge doit être respectée, sinon il n’y a pas de charge ! Le saut de tension est très petit pour charger les batteries au lithium et nécessite une valeur très stricte. Les 2 technologies Li-ion (ancienne) et Li-Po + Li-ion (nouvelle) ont des tensions de référence proches mais sont différentes ; leurs chargeurs ne sont en outre pas interchangeables! Tension de charge : Tension de référence : 3,6 V - Tension de charge : 4,1 V par élément. Tension de référence : 3,7 V - Tension de charge : 4,2 V par élément. Tolérance de +/- 0,05 V par élément. Courant de charge limité entre C/2 et 1C ; durée de charge entre 2 et 3 heures Certains fabricants prétendent charger les batteries lithium en 1 heure, mais, en 1 heure, la charge n’en est qu’à 75 % de la capacité. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 123 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Courbe de charge (ci-dessous) : Au début de la charge, le courant est limité et la tension croît lentement jusqu’à la tension maximum de charge (4,1 ou 4,2 V). Au cours de la deuxième phase (de ‘remplissage’), la tension reste parfaitement stable et le courant décroît. La charge est finie dès lors que le courant passe au-dessous de 0,03 C. La charge doit alors être arrêtée, autrement les éléments seraient détruits. Une batterie au lithium surchargée génère de l’hydrogène, outre une hausse de pression et de température, ce qui peut conduire à une explosion. Les batteries Li-ion sont en général protégées par des dispositifs internes, contrairement au Li-Po, qui, si elles ne sont pas sujettes aux explosions, peuvent prendre feu... Si vous constatez une surchauffe : coupez le courant !!! Figure 70 : Courbe de charge des batteries au lithium Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 124 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Derniers conseils de charge Ne pas augmenter le courant de charge pour diminuer la durée de charge. Si cela permet d’aller plus vite au point 2, la phase de remplissage en sera plus longue et un courant de charge élevé va écourter la durée de vie de la batterie. Il est plus recommandable de rester au taux de charge de C/2. Ne pas appliquer un faible courant de charge (ou courant de maintien). Cela crée un dépôt de lithium sur les électrodes et conduit à des conditions instables. Pour compenser l’autodécharge, il est conseillé de charger brièvement la batterie à intervalles de 500 heures. Cette recharge doit également se terminer à 0,03C. Risques liés à la charge de batteries Li-Po en série. Ce type de batteries pourrait ne pas présenter exactement la même tension et un élément au sein d’un bloc en série pourrait être réactif à une tension de charge inadaptée. Pas de courant de maintien, Pas de tension (ou de courant) de floating Chargé = déconnecté Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 125 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.5. Charge des piles alcalines Figure 71 : Profil typique courant/tension pour les batteries rechargeables alcalines Tension de charge limitée à 1,7 V. Courant de charge limité à C/15. Durée de charge d’environ 10 heures. Tension minimum de décharge : 1,25 V. Voir la documentation du fabricant « Rayovac ' à ce sujet. Figure 72 : Exemples de piles alcalines Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 126 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.6. Pic delta-dV/dt - dV Ce phénomène ne concerne que les batteries Ni-Cd et Ni-MH. Une batterie Ni-Cd ou Ni-MH est chargée lorsque la dérivée de la tension devient nulle (la dérivée d’une courbe est la tangente de cette même courbe en un certain point). Figure 73 : Dérivée de la tension Avant la fin de la charge, la tension croît et sa dérivée est positive. Une fois la batterie chargée, la tension ne croît pas et sa dérivée devient nulle. Après la charge totale la tension décroît et sa dérivée devient négative. Le principe consiste à détecter ce passage de positif à négatif, la détection du zéro étant le réglage idéal. Les 3 termes « pic delta », -dV/dt et dV sont des interprétations mathématiques du changement d’état dans l’orientation de la courbe. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 127 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.1.7. Capacité réelle des batteries Les normes internationales pour les accumulateurs sont les suivantes : ? pour les batteries au plomb CEI 61951-1 pour les batteries Ni-Cd CEI 61951-2 pour les batteries Ni-MH D’après ces normes, le fabricant doit bien indiquer sur la plaque signalétique la capacité nominale. La capacité nominale doit être testée et contrôlée (cela fait en outre partie de la maintenance d’un parc de batteries) selon les dispositions de ces normes. Test de capacité : La charge doit se faire à +20 °C +/-5 °C à courant constant de 0,1C pendant 16 heures, l’élément (ou la batterie) ayant été déchargé au préalable et à la même température, à 0,2 In jusqu’à 1,0 V. La batterie doit rester chargée, sans que l’on y touche pendant au moins 1 heure et au maximum 4 heures. La décharge permettant la mesure de la capacité doit alors être menée à 0,2 In à 20 °C +/5 °C jusqu’à une tension finale de 1,0 V. La capacité doit correspondre au moins à l’indication du fabricant. Exemple : pour une batterie 100 Ah, la décharge à 20 ampères doit durer au moins 5 heures avant d’atteindre la tension critique de 1,0 V. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 128 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.2. LE CHARGEUR DE BATTERIE 5.2.1. Description et principe de fonctionnement Voici la technologie de base généralement répandue. Il existe bien entendu sur le marché des chargeurs d’accumulateurs simples, nous parlons ici de nos équipements sur site. Figure 74 : Chargeur de batterie Le circuit de puissance comprend : Un transformateur principal. Un transducteur qui contrôle le flux du chargeur, selon un faible courant continu de contrôle. Un pont de diode simple-phase. Une batterie ou ensemble d’éléments en série et parallèle. Le circuit de régulation comprend : Un régulateur de tension avec un transistor qui régule la tension de charge à ± 1 % (au moins) de la valeur nominale. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 129 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Un régulateur de courant à transistors, qui limite le courant du chargeur et son courant nominal. Le régulateur de tension fonctionne comme suit : pour une hausse de la tension de la batterie, le flux du chargeur décroît pour abaisser la tension de la batterie, en faisant baisser le courant de contrôle qui circule dans le transducteur. Le transducteur est constitué de 2 circuits magnétiques : Une bobine CA (travail). Une bobine CC (contrôle). Leur fonctionnement repose sur le principe suivant : il est possible d’agir sur l’impédance d’une bobine en superposant au flux alternatif un flux continu de contrôle. Le régulateur de courant se met en marche lorsque le flux du chargeur dépasse la valeur nominale. Une hausse du flux limite le courant de contrôle du transducteur. Contrôle automatique du chargeur d’accumulateurs : Le contrôle automatique du chargeur d’accumulateurs se fait comme suit : Perte de la tension de charge : 24, 48, 60, 110 ou xxx volts. Fusion des fusibles du circuit CC de protection. Perte du courant CA. Défaut de terre côté CA ou CC. Redresseur Régulateur 5.2.2. Système mixte On entend par système mixte : la charge globale du bloc chargeur d’accumulateurs + groupe de batteries doit être alimentée soit par le chargeur d’accumulateurs seul soit par le groupe de batteries seul. Figure 75 : Système mixte Distribution Alim. CA = en charge Groupe de batterie Description : Ce système d’alimentation DC est conçu pour fournir une alimentation électrique CC (Distribution en charge) protégée des incidents survenant sur l’alimentation CA publique ou normale. L’alimentation CA sert à alimenter un redresseur afin de stocker de l’énergie dans une batterie qui servira en cas de panne électrique. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 130 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Le dispositif est constitué de 2 systèmes indépendants, alimentation CA et distribution en charge CC avec (en général) un tableau de distribution commun. Chaque demi-système est constitué de 2 parties principales (Cf. figure ci-dessus représentant l’ensemble), le Redresseur/ Chargeur et la batterie. Figure 76 : Tension fournie par la batterie et par le chargeur L’alimentation CC du chargeur vise à fournir un CC de la meilleure qualité, selon la qualité du redresseur ou des filtres, lorsque la tension et le courant fournis pas la batterie sont euxmêmes de la meilleure qualité de CC. Redresseur/Chargeur : Il convertit l’alimentation primaire CA en une tension CC stabilisée, qui charge la batterie, alimente la charge (ou inverseur dans un système d’ASI). Le chargeur d’accumulateurs doit être calculé pour permettre d’alimenter la charge totale seule ET de charger la batterie. Il fonctionne selon la méthode de charges vue au paragraphe précédent en matière de charge de batteries et alimente à la fois la charge. Sur certains sites (où la charge a été augmentée), après une coupure, la capacité du chargeur d’accumulateurs se trouve à sa limite et rencontre des difficultés à assumer cette double fonction. 5.2.3. Modes de fonctionnement Trois modes possibles de fonctionnement : Mode floating. Mode dégradé d’alimentation CA. Charge et mode alimentation de charge. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 131 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.2.3.1. Mode Floating Au risque de nous répéter, quels que soient les avertissements stricts du fabricant ou les pratiques dictées par l’expérience de l’électricien, ce n’est pas la « tension de floating » qui importe le plus, c’est le « courant de floating ». Cela concerne les batteries employées sur site (Plomb/Plomb et Ni-Cd) et, souvenez-vous de ce qui a été dit précédemment, les batteries au lithium n’ont pas besoin de floating. (voir § 5.1.4, surcharger une batterie lithium la détruit) Aujourd’hui, le système de contrôle du chargeur d’accumulateurs est adapté au type de batteries et régule en conséquence, mais…. Le mode de floating est le mode normal. C’est un mode de charge à tension et courant constants, dans lequel le courant de charge tend vers zéro à mesure que la batterie s’approche de la charge totale. La tension choisie est la valeur pour laquelle les pertes internes sont compensées par le courant de charge dans une batterie chargée. La batterie est maintenue en plaine charge avec un courant de maintien qui reste en deçà des valeurs de dégagement gazeux values pour garantir une perte d’électrolyte négligeable. Figure 77 : Mode floating Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 132 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.2.3.2. Mode panne d’alimentation CA Lorsque l’alimentation du chargeur est interrompue, le chargeur s’arrête et sans commutation ou intervention de l’opérateur, la batterie alimente la charge. Figure 78 : Mode panne d’alimentation CA 5.2.3.3. Mode charge et alimentation de charge Sélectionné automatiquement lors de la restauration de l’alimentation CA. Une charge à tension constante légèrement supérieure est appliquée pour recharger une batterie à plat selon le principe vu au paragraphe précédent (Rapide, accéléré, courant constant, tension constante, etc.) et à la fois alimenter la charge. Voilà pourquoi il faut un chargeur « intelligent », qui peut contrôler la tension, le courant et les durées pour la charge à alimenter et le type de charge nécessaire à la batterie. Figure 79 : Mode charge et alimentation de charge Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 133 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.2.3.4. Groupe de batteries Il stocke l’énergie du chargeur afin de prendre le relais en cas de panne et d’alimenter la charge. L’autonomie du système en cas de panne réseau dépend de la capacité en Ah de ce groupe de batteries. Figure 80 : Groupe de batteries 5.2.3.5. Ventilation et extraction Que ce soit pour le dispositif du chargeur ou pour le groupe de batteries, la température est contrôlée par ventilation / extraction. Sur les armoires chargeur/batteries toutes les ouvertures de ventilation doivent être libres de toute entrave et propres. Ces systèmes peuvent travailler (normalement) dans un même environnement dans une gamme de températures de 0 to 40 °C, mais la température ambiante idéale devrait être inférieure à 25 °C. Cette valeur de 20/25°C est plus que conseillée pour les batteries gel étanches, très sensibles aux températures élevées (perte de capacité). La chaleur de la salle des machines peut être extraite par un système de ventilation et refroidissement forcé ou encore par un système à air conditionné. c’est la raison pour laquelle vous pourrez trouver des systèmes à air conditionné très performants dans les salles de chargeur d’accumulateurs et d’ASI. Le taux de changement d’air par heure dépend du niveau du système, de la perte de chaleur et de la température d’air de refroidissement. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 134 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.3. LES ASI POUR ALIMENTATION CA Seulement quelques petits « trucs » à savoir. Un ASI est un chargeur d’accumulateurs complété par un onduleur et un système de commutation automatique. La charge est un réseau de distribution CA alimentant principalement des dispositifs d’instrumentation. Figure 81 : Exemple d’application sur site : système monobloc ‘Chloride’ Apodys EXCOR La gamme EXCOR Apodys compte des modèles à sortie 1 phase ou 3 phases. L’ASI assure automatiquement la continuité de l’alimentation électrique, dans les limites définies et sans interruption, après panne ou dégradation de la source CA. La durée de l’alimentation de secours, c’est à dire l’autonomie en cas de panne réseau est fixée par la capacité de la batterie. 5.3.1. Synchronisation ASI Un opérateur tableau voit souvent apparaître dans sa liste d’alarmes : « pas de synchronisation de l’ASI ». C’est une alarme devenue courante qui est « toujours » inhibée voire effacée !!! À la mise en service (ou retour à l’alimentation normale), selon la configuration de distribution, il y a deux possibilités : ASI et réseau : l’ASI prend la main en cas de panne d’alimentation. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 135 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries ASI et un autre ASI : La charge est alimentée par le seul ASI de façon permanente. Figure 82 : Synchronisation d’ASI Tous les ASI sont équipés d’un module de synchronisation qui agit selon le même principe que pour la synchronisation de 2 générateurs. La seule différence est que le courant CA de sortie d’un onduleur est une onde « reformatée » alors que la sortie CA d’un alternateur est une sinusoïde parfaite. L’ASI surveille en permanence le réseau CA pour adapter en permanence sa propre « forme » et être ‘en phase’. L’ASI doit pouvoir se ‘supplanter’ au réseau sans interruption (moins qu’un demi alternance, soit moins que 10 ms en 50 hz)) La synchronisation de 2 onduleurs ne présente (en général) pas de problème. Lorsqu’il s’agit de synchroniser le réseau et un onduleur, de « légères » différences apparaissent dans la forme de l’onde ou les fréquences. Voilà pourquoi l’alarme « pas de synchronisation » apparaît (relativement) fréquemment. 5.3.2. Principe de secours L’équipement est constitué de 4 parties principales (Cf. schéma) : Le redresseur/ chargeur. La batterie. L’onduleur. L’interrupteur statique (avec le courant CA de secours et sa dérivation). Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 136 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 83 : Principe de secours Dans notre application, l’ASI est employé seul ou en doublon, la ligne de l’ensemble chargeur/onduleur/batterie pouvant alimenter seule la charge. Figure 84 : ASI seul Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Figure 85 : Double ASI Page 137 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.3.2.1. Fonctionnement normal Figure 86 : Exploitation normale La charge est alimentée par le chargeur, l’onduleur, l’interrupteur statique et S1 est fermé. 5.3.2.2. Panne de l’alimentation CA primaire (normale) Figure 87 : Panne de l’alimentation CA primaire (normale) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 138 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries L’alimentation de secours peut être ou ne pas être disponible, selon la configuration des alimentations de l’ASI. Le chargeur s’arrête et la batterie alimente l’onduleur et donc la charge. Dans ce mode, la durée de fonctionnement dépend de la capacité des batteries. 5.3.2.3. Alimentation de secours en mode charge Figure 88 : Alimentation de secours en mode charge Peuvent être en panne : l’alimentation normale, le chargeur, l’onduleur, l’interrupteur statique (partiellement) ; S1 et S2 sont fermés. La commutation se fait automatiquement, c’est l’objectif (et le principe) d’un ASI. Si la panne vient de l’onduleur, le chargeur peut toujours être en ligne pour charger la batterie en mode floating. Le retour à l’exploitation normale doit également se faire automatiquement, tous les composants étant prêts et en fonctionnement. Il faudra (ou non) un réarmement, selon la configuration de l’onduleur. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 139 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 5.3.2.4. Maintenance en mode dérivation Figure 89 : Maintenance en mode dérivation La charge est alimentée par l’alimentation de secours, directement, par l’interrupteur S3. Cette opération se fait (en général) manuellement pour les travaux de maintenance. Le retour à l’exploitation normale se fait également manuellement, avec une sous-exploitation par étapes et une synchronisation par les interrupteurs S2 et S1. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 140 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6. OPÉRATIONS DE MAINTENANCE L’objectif de cette section est de définir les obligations et responsabilités en matière d’utilisation et d’entretien courant de tous les types de jeux ou ensembles de batteries. Ceci concerne les groupes et ‘racks’ de batteries employés sur nos sites et précisément les batteries plomb/plomb et Ni-Cd, étanches ou ouvertes, à électrolyte acide ou potassium, aqueuses ou gel. 6.1. OBJECTIFS DE LA MAINTENANCE 3 objectifs principaux, communs à tous les Systèmes de gestion des batteries (Battery Management System - BMS) : Protéger les éléments ou la batterie de tout dommage. Prolonger la durée de vie de la batterie Maintenir la batterie dans un état qui lui permette d’assurer les objectifs fonctionnels de l’application pour laquelle elle a été conçue. Pour atteindre ces objectifs, les BMS peuvent intégrer une ou plusieurs des fonctions suivantes (cliquez sur les liens pour en savoir plus – en anglais – sur l’implémentation de ces fonctions). Nota : BMS est un terme générique qui désigne un BMS « manuel » qui utilise un journal des informations ou un historique « intégré » dans le chargeur d’accumulateurs ou le système inverseur. 6.1.1. Protection des éléments La protection de la batterie des conditions de fonctionnement hors des limites de tolérance est essentielle pour toutes les applications BMS. En pratique, le BMS doit garantir une protection complète des éléments contre tout risque. Faire fonctionner une batterie en dehors de ses limites spécifiques va inévitablement conduire à une panne de la batterie. Outre l’inconfort que cela représente, le coût de remplacement d’une batterie peut être prohibitif. C’est particulièrement vrai pour les batteries haute tension et grande puissance pour l’automobile, qui doivent fonctionner en environnement hostile et qui subissent également un forçage de la part de l’utilisateur. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 141 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.1.2. Contrôle de la charge C’est l’une des caractéristiques essentielles des BMS. Plus de batteries subissent des dégâts du fait d’une charge inappropriée que pour toute autre raison. Consultez le chapitre précédent et souvenez-vous toujours que les méthodes de charge sont différentes pour des batteries différentes. 6.1.3. Gestion de la demande Bien que cela ne soit pas directement lié au fonctionnement de la batterie à proprement parler, la gestion de la demande concerne l’application dans laquelle la batterie est employée. L’objectif est de minimiser la consommation de courant dans la batterie en imaginant des techniques d’économie d’énergie dans le montage des applications et ainsi allonger le délai entre les charges de la batterie. Pour l’ensemble de nos applications sur site, les chargeurs d’accumulateurs doivent être conçus pour alimenter la pleine charge en permanence, sans considération de la charge ou décharge des batteries. 6.1.4. Détermination du SOC Nombre d’applications nécessitent de connaître l’état de charge (SOC : State Of Charge) de la batterie ou des éléments individuellement dans la chaîne de batteries. Cela peut simplement viser à fournir à l’utilisateur une indication sur la capacité restant dans la batterie ou peut encore être nécessaire dans un circuit de contrôle pour garantir un contrôle optimum du processus de charge. C’est pourquoi des tests de décharge sont menés (également pour le SOH ci-après). 6.1.5. Détermination du SOC L’état de santé (SOH : State of Health) est la mesure de l’aptitude de la batterie à fournir la sortie spécifiée. Cette donnée est capitale pour vérifier que l’équipement d’alimentation de secours est bien prêt à fonctionner et c’est en outre un indicateur des besoins en maintenance. 6.1.6. Équilibrage des éléments Dans les chaînes de batteries multi-éléments, de petites différences entre éléments dues aux tolérances de production ou conditions de fonctionnement tendent à augmenter à chaque cycle charge / décharge. Les éléments les plus faibles subissent trop de contraintes au cours de la charge, ce qui les rend encore plus faibles, jusqu’à ce qu’enfin ils tombent en Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 142 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries passe et provoquent la panne prématurée de la batterie. L’équilibrage des éléments est une façon de compenser les éléments les plus faibles en répartissant la charge sur tous les éléments de la chaîne et allonger ainsi la durée de vie de la batterie. La maintenance comprend la vérification individuelle de tension et du SOH de chaque élément au moins une fois par mois. 6.1.7. Historique - (Fonction journal) Le contrôle et le stockage de l’historique de la batterie est une autre des fonctions du BMS. Cela est nécessaire pour évaluer l’état de santé de la batterie, mais également pour déterminer si celle-ci a fait l’objet d’un forçage. Des paramètres tels que nombre de cycles, tensions et températures maximum et minimum, courant de charge et de décharge maximum peuvent être enregistrés pour analyse ultérieure. Ce peut être un outil important pour faire fonctionner la garantie. Sur site, le technicien de maintenance consigne toutes les interventions, tous les contrôles et tests pratiqués sur chaque jeu de batteries. Assurez-vous que les valeurs et information consignées dans le journal des évènements sont bien lus et interprétés en actions. 6.1.8. Authentification et identification Le BMS permet également d’enregistrer des informations concernant l’élément, telles que la désignation du type par le fabricant, la chimie de la batterie (ce qui peut faciliter des tests automatiques), le lot ou numéro de série et la date de fabrication, ce qui permet la traçabilité en cas de panne d’éléments. 6.1.9. Communications La plupart des systèmes BMS intègrent différentes sortes de communications entre la batterie et le chargeur ou l’équipement de test. Certains ont des liaisons à d’autres systèmes reliés à la batterie pour surveiller les conditions ou l’historique de cette dernière. Il faut également des interfaces de communications pour fournir à l’utilisateur un accès à la batterie afin d’en modifier les paramètres de contrôle BMS ou pour des diagnostic ou tests. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 143 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.2. MAINTENANCE GÉNÉRALE COURANTE Pour les groupes de batteries plomb-plomb et Ni-Cd sur nos sites (de tous types). Chaque fabricant donne ses propres recommandations de maintenance, sans toutefois indiquer systématiquement les opérations ci-après. 6.2.1. Propreté du banc de batterie Tous les mois : vérifier la propreté générale des batteries, du bâti et de la salle ou l’armoire de batteries. Contrôler les fuites éventuelles d’électrolyte, fissures des éléments et intégrité du couvercle et prendre le cas échéant les mesures correctives nécessaires. Contrôler la corrosion éventuelle des bornes, connecteurs, bâtis et armoires. Lors du contrôle de densité dans le programme de maintenance des batteries ouvertes, nettoyer l’orifice de respiration de chaque bouchon avec un câble d’acier adapté, de petit diamètre. Nettoyer également les bouchons. Pour les éléments VRLA à bouchons de sécurité escamotables, cet orifice de respiration se trouve sur le côté aval du bouchon de type PSV et doit être libre et propre. 6.2.2. Serrage des connexions entre éléments et vérification de résistance Selon le planning du site, le type d’éléments et les recommandations du fournisseur (tous les 3, 6 ou 12 mois). Consultez le planning spécifique dans les paragraphes suivants. A) Numéroter chaque élément et chaque interconnexion comme sur l’exemple ci-dessous. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 144 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries + / 25 + / 13 +/1 27 26 25 15 28 29 30 16 14 17 13 3 2 1 18 4 5 6 6-7 33-34 33 32 31 21 20 19 9 8 7 34 35 36 22 23 24 10 11 12 12 / - 36 / 24 / - Figure 90 : Numérotation des éléments B) Mesure 1er contrôle (consigné à la colonne Relevé (micro-ohms)) : à l’aide d’un microohmmètre précis, relever la résistance de chaque connexion sur une fiche du type de l’exemple ci-dessous. Les relevés doivent être de l’ordre de quelques micro-ohms (moins de 100). Nouvelle mesure de contrôle : renouveler les contrôles de résistance des connexions contrôlées à l’étape précédente et comparer les résultats. Si une résistance de connexion a crû de plus de 20 %, nettoyer, appliquer une graisse non oxydante, resserrer les connexions et reprendre la mesure. Remplissez les 2 colonnes « Relevé » et « dernier relevé » ci-dessous. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 145 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries GROUPE DE BATTERIES N° Date : RAPPORT SUR LA RÉSISTANCE DE CONNEXION Site : Type de batterie Note : Prendre la première mesure entre la cosse du connecteur et la borne, puis faire les mesures entre les bornes des éléments adjacents de polarités contraires. Faire la dernière mesure entre la dernière borne et la cosse du connecteur Relevé Dernier Relevé Dernier Relevé Relevé (microrelevé (microrelevé entre : entre : ohms) (micro-ohms) ohms) (micro-ohms) Cosse + et 18-19 borne 1 Bornes 1.2 19-20 Idem à 2.3 20-21 3-4 21-22 4-5 22-23 5-6 23-24 6-7 24 & cosse - 7-8 cosse + & 25 8-9 25-26 9-10 26-27 10-11 27-28 11-12 28-29 12 & cosse - 29-30 Cosse+ et 13 30-31 13-14 31-32 14-15 32-33 15-16 33-34 16-17 34-35 17-18 35-36 36 et cosse- Tableau 12 : Tableau de relevés (résistance de connexion) pour les batteries de l’ex. ci-dessus Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 146 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries C’est au contrôleur ou au superviseur de celui-ci d’éditer le tableau approprié. C) Méthode recommandée pour faire les relevés annuels au micro-ohmmètre entre les connexions de la batterie. Figure 91 : Placement des appareils de mesure pour mesure de la résistance de connexion. Attention : Ne jamais placer les sondes sur un élément ou entre éléments (entre les bornes + et -), avec l’appareil en position “ohms”. L’appareil pourrait être détruit et il pourrait se former un arc sur la batterie. 1. Assurez-vous que la batterie est en charge d’entretien (floating) avant de commencer les mesures. Munissez-vous d’un micro-ohmmètre numérique précis, et mettez-le à la plus petite échelle. 2. Sur l’élément n° 1, prenez la première mesure entre la cosse du connecteur et la première borne (Cf. fig.). Cette mesure correspond à la résistance entre la borne et la cosse du connecteur 1 et équivaut à la moitié environ des relevés du milieu. Consignez toutes les mesures sur la fiche. . 3. Prenez la seconde mesure entre les bornes de polarités opposées (pas les connecteurs) des éléments n° 1 et n° 2. Les mesures suivantes se feront entre les bornes positive et négative des éléments adjacents. Ces mesures intermédiaires comprendront la résistance de 2 connexions (une par borne) et celles du plomb inter-éléments (Cf. fig.). Ces mesures correspondent au double environ de la première et de la dernière. 4. Prenez les mesures intermédiaires restantes comme à l’étape 4, élément par élément. 5. Prenez la dernière mesure entre la dernière borne du dernier élément et la cosse du connecteur comme indiqué. 6. Si vous trouvez une forte résistance, prenez des mesures entre chaque borne et son connecteur pour déterminer quelle est la mauvaise connexion parmi les 2. Notez cela, ainsi que toutes les résistances élevées pour réparation ultérieure. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 147 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7. Une fois prises toutes les mesures, déconnectez le chargeur et les charges de la batterie. Attention : ne pas faire ou défaire de connexions avec une circulation de courant I. Nettoyez les connexions problématiques, resserrez selon les spécifications du fabricant et appliquez une graisse non oxydante. Testez à nouveau les connexions réparées et consignez la résistance dans la colonne « dernière mesure » de la fiche. 6.2.3. Mesure de chaque tension d’élément Les mesures de tension devront se faire selon les instructions suivantes : Note : des mesure avec des voltmètres précis sont capitales pour allonger la durée de vie des batteries. Munissez-vous d’un voltmètre numérique précis à 0,01 V et réservé exclusivement aux tâches concernant les batteries et calibrez-le ou envoyez-le au calibrage au moins une fois par an. Ce voltmètre doit être manipulé avec une attention extrême. Ne jamais utiliser un appareil de mesure du commerce ou celui d’usage général de l’électricien pour mesurer les tensions de batterie. A) À chaque visite (Stations sous surveillance) ou au cours d’inspections de routine (Stations non surveillées). Lire la mesure du voltmètre sur le panneau de contrôle pour déterminer si la batterie est en charge à la bonne tension. Ajuster la tension de charge de la batterie si nécessaire. B) Tous les mois À l’aide du chargeur en service, contrôler la tension globale de floating entre les bornes de la batterie avec un voltmètre numérique précis et consignez-la sur la fiche (ex. cidessous). Contrôler la tension de floating de l’élément pilote choisi avec un voltmètre numérique précis et consignez-la sur la fiche. F) Tous les 3 ou 6 mois Contrôler la tension de floating entre chaque élément et le suivant à + ou - 0,01 volt avec un voltmètre numérique précis. Prendre ces mesures aussi vite que possible et les consigner sur la fiche. À la fin du cycle annuel, utiliser ces mesures pour déterminer les éléments pilotes pour l’année suivante. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 148 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries GROUPE DE BATTERIES TAG N° Date : RAPPORT SUR LA TENSION DE BAIN Site : Type de batterie Note : Toutes les mesures doivent être faites batterie stabilisée en floating. Pour les éléments liquides, ne pas ajouter d’eau avant les mesures. La mesure de la densité est ajoutée à ce rapport pour les éléments liquides, car elle doit être faite en même temps Élément Volts Densité Élément 1 19 2 Pilote 20 3 21 4 22 5 23 Pilote 6 24 7 25 8 26 9 27 10 28 11 29 12 30 13 31 14 Pilote 32 15 33 16 34 17 35 18 36 Volts Densité Tableau 13 : Tableau de relevés (tension d’élément) pour le groupe de batteries de l’exemple cidessus Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 149 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.2.4. Mesure de la résistance interne de chaque élément La résistance interne est une bonne indication de l’état de charge et remplace les mesures de densité faites sur les éléments liquides. La mesure de la résistance interne d’un module permet de contrôler les 2 principaux défauts : corrosion des grilles et assèchement. Les fiches techniques du fabricant donnent les valeurs normales. Ce test ne doit pas être mené avant que les résistances de connexion des éléments aient été testées et réparées comme précisé au paragraphe précédent. En effet, une résistance de connexion élevée apparaîtrait alors comme une résistance interne et ferait penser à un défaut des éléments. La résistance interne peut être vérifiée comme suit : 1. Lorsque la batterie est complètement chargée et fonctionne en floating (pratiquement pas de courant) ou est déconnectée, vérifiez et consignez la tension pour l’élément évalué. (VB) 2. Appliquez une charge normale à l’élément. 3. Vérifiez encore et consignez la tension et le courant. VL & IL 5. La résistance interne peut alors être calculée en divisant la nouvelle valeur de tension par la nouvelle valeur de courant. VL = VB – ILR1 suivant le paragraphe 2.6. Des jeux de tests sont disponibles dans le commerce pour mesurer la résistance interne, qui permettent d’économiser du temps et des efforts. Réfléchissez à acheter l’un de ces jeux de tests si vous assurez la maintenance de plus d’une batterie VRLA. Réaliser le contrôle de résistance interne sur chaque élément en suivant le programme spécifique de maintenance et comparer les résultats avec les relevés initiaux (lors de l’installation). Des modifications de la résistance interne de 20 % ou plus doivent être considérées comme significatives. Contacter alors le fabricant de batterie. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 150 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries GROUPE DE BATTERIES TAG N° Date : RAPPORT DE RÉSISTANCE DES ÉLÉMENTS Site : Type de batterie : Note : Toutes les mesures doivent être faites à batterie stabilisée en floating. Pour les éléments liquides, ne pas ajouter d’eau avant de prendre les mesures. Élément VB VL VL IL Ri = (VB-VL) / IL 1 2 3 4 5 6 7 … … … … … 29 30 31 32 33 34 35 36 Tableau 14 : Tableau de relevés (résistance d’élément) pour l’exemple ci-dessus de groupe de batteries Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 151 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.2.5. Tests de décharge Voici le test de batterie à mener en suivant le programme de maintenance spécifique, en général une fois par an. 6.2.5.1. Lors de l’installation Un test de la capacité doit être réalisé dans la semaine qui suit le moment où la batterie a atteint l’équilibre en charge et en température. La température de fonctionnement de la batterie va considérablement affecter la capacité disponible et les données du fabricant doivent être consultées pour connaître les facteurs de correction. Conserver un enregistrement précis des tests, comprenant l’équipement employé et les résultats des tests. Ces enregistrements peuvent servir de base pour des comparaisons ultérieures. 1. Ne mener le test qu’après qu’un test de résistance de connexion a été réalisé comme mentionné au paragraphe précédent. 2. Installer ampèremètre, voltmètre, et appareil de mesure de la température précis et prévoir un chronomètre précis ou tout autre moyen de mesurer le temps écoulé. La durée minimum de test doit être au moins d’une heure. Un délai plus long est conseillé pour les applications critiques et la précision des tests, généralement réalisés à 0,2C ou 0,4C. 3. Prévoir une résistance de charge variable, afin que le courant constant puisse être maintenu égal aux caractéristiques nominales de la batterie sur la durée choisie. Exemple : pour une batterie 100 Ah, 48 V, je veux pratiquer un test à 0,2C c’est-à-dire 20 A pendant 5 heures. La résistance nécessaire est R=U/I = 48 / 20 = 2,4 ohms Puissance de la résistance P=RI² = 2,4 x 20² = 2,4 x 400 = 960 Watts (ou 1 kW) 4. Débrancher le chargeur, brancher la résistance et les appareils de mesure. 5. Relever et enregistrer les tensions de chaque élément ou module et la tension entre bornes de la batterie. Les mesures doivent être réalisées après application de la charge au début du test. Renouveler les mesures à intervalles spécifiés et prévoir la durée de test suffisamment à l’avance pour pouvoir mener un minimum de 5 jeux de mesures. Attention : Relever les tensions individuelles des éléments entre les bornes respectives de même polarité (positive et positive) afin que la chute de potentiel des connecteurs entre éléments soit bien prise en compte. Consigner les tensions relevées sur une fiche telle que celle présentée au paragraphe précédent. 6. Si un élément ou un module particulier s’approche d’une inversion des pôles (zéro Volt) ou si la tension d’un module est (de façon significative) inférieure à celle des autres, mais Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 152 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries que la tension globale entre bornes n’a pas atteint sa limite de test, court-circuiter l’élément ou le module et poursuivre le test. Réaliser le branchement de court-circuit loin de l’élément ou du module pour éviter la formation d’un arc. Une nouvelle tension minimum basée sur les éléments restants doit être établie pour ce qui reste de test. Consulter le fabricant et se préparer à court-circuiter les éléments à l’avance. La probabilité de trouver des éléments faibles est élevée, notamment à mesure que la batterie vieillit. 7. Maintenir le taux de décharge jusqu’à ce que la tension entre bornes de la batterie s’abaisse jusqu’à une valeur égale à la tension minimum par élément spécifiée par le fabricant (en général 1,75 volts pour le plomb) multipliée par le nombre d’éléments. 8. La capacité de la batterie peut alors être calculée en divisant le temps réel nécessaire à atteindre la tension spécifiée entre bornes par le temps nominal nécessaire pour atteindre la tension spécifiée entre bornes et en multipliant le résultat par 100. 6.2.5.2. Tous les six mois et tous les ans Réaliser un test de capacité de décharge selon le même protocole et avec le même équipement qu’à l’étape A ci-dessus. Pratiquer tous les 6 mois, après que la batterie tombe au-dessous de 90 % de sa capacité prévue à l’origine (relevé du test annuel). Remplacer la batterie dès que possible après qu’elle tombe à 80 % de sa capacité nominale. 6.2.5.3. Tests de continuité Les tests de continuité sont menés sur une base hors routine, dès lors que l’intégrité de la batterie est suspecte. Un élément VRLA tombe typiquement en panne en circuit ouvert et la continuité au sein de l’élément est perdue. Cette condition n’est pas facilement apparente. Un contrôle rapide consiste à ‘éteindre’ les 2 chargeurs et voir si la batterie accepte la charge de l’équipement connecté. Une autre méthode consiste à placer une charge de test aux bornes de la batterie et voir si la charge est acceptée. Si les éléments/modules sont reliés en parallèle, la charge doit être placée entre les bornes de chaque élément/module pour détecter un circuit ouvert. Contacter le fabricant pour toute information complémentaire nécessaire. 6.2.6. Mesures de température Tous les éléments d’une batterie doivent être à la même température ambiante. Les sources de chaleurs telles que les spots, les chauffages portables, etc. doivent être arrêtés afin de ne pas provoquer l’élévation de température des éléments individuels. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 153 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Relever la température ambiante de la pièce avant de prendre les températures des éléments. Note : Une caméra infrarouge (IR) précise doit être employée pour les températures, cependant le calibrage de la caméra doit être vérifié au moins une fois par an. Si possible, relever la température annuelle des éléments juste après le calibrage de la camera. Si l’écart de température des éléments dépasse 3 °C (c’est à dire si les rangées supérieures sont plus chaudes) c’est peut être que la ventilation de la pièce ou de l’armoire est inadaptée. A. Tous les mois Consigner les températures des éléments pilote sur la fiche prévue. B. Tous les trimestres Consigner les mesures de températures de 10 % de l’ensemble des éléments et faire une rotation des éléments pilotes tous les trimestres. C. Tous les ans Si une caméra infrarouge (IR) précise est disponible, relever la température des connexions de la batterie pendant un test en charge ou décharge, c’est à dire pendant que le courant circule. Si une connexion ou plus est desserrée ou sale, la température en sera plus élevée que pour les autres connexions. 6.2.7. Remplacement d’un élément Si un élément est défaillant au milieu de xx éléments en série en service depuis des mois ou des années, il est préférable de simplement court-circuiter (et ôter) cet élément. Un jeu d’éléments doit en effet être du même « âge » dans un groupe de batteries. Une fois que les éléments ont été ôtés, l’ajustement des différentes tensions (Charge rapide, accélérée, de floating, etc.) doit être fait avec soin, en se souvenant bien, une nouvelle fois, que c’est le courant de maintien qui est important et doit être conservé à 0,01C, pour les batteries chargées plomb, Ni-Cd, Ni-Mh. Si plusieurs éléments sont en panne, le problème est plus grave et il faut peut-être envisager le remplacement de l’ensemble des éléments du groupe. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 154 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.2.8. Contrôle d’exploitation de routine En résumé pour tous les types de nos batteries industrielles. Contrôle quotidien : Contrôler le courant de floating ou courant de maintien qui est de 0,01C pour les batteries plomb ou Ni-Cd. Et si l’unité n’est équipée que d’un voltmètre qui donne la Tension de floating, demandez une modification… Contrôles hebdomadaires : Contrôler tous les indicateurs d’alarme et d’état. Vérifier que les appareils de mesure donnent des mesures normales. Contrôler la cause de tout changement significatif. Par exemple, un changement dans la charge, une décharge récente. Enregistrer tous les évènements anormaux dans le journal de service. Contrôles mensuels : Contrôler que les ouvertures de ventilation sont propres et sans obstruction. Contrôler la température ambiante. Contrôler la disponibilité de tous les équipements de sécurité (salle des batteries) tels que solutions de neutralisation, équipement de lavage des yeux, extincteurs (testés !), outils isolés. Voir le chapitre sécurité à ce sujet. Contrôles trimestriels : Contrôler les grilles de ventilation. Contrôle visuel des connexions et composants électriques pour détecter des signes de surchauffe ou corrosion. Apporter les corrections nécessaires. Contrôler les composants peints et plaqués pour détecter des signes de dommages ou corrosion. Apporter les corrections nécessaires. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 155 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Contrôles annuels : Mener une décharge de test de la batterie pour vérifier l’autonomie nominale. Note : Le test doit être réalisé en période de faible risque et être immédiatement suivi d’une recharge complète. Consulter les instructions du fabricant pour avoir des conseils sur la fréquence des tests, la profondeur de décharge, etc. Contrôles supplémentaires : Les ventilateurs sont prévus pour une durée de vie de 5 ans. Il est conseillé d’anticiper les pannes des ventilateurs en les renouvelant dès 4 ans. Cela concerne les ventilateurs des ASI / Chargeurs d’accumulateurs en armoires et ventilateurs d’extraction des salles des batteries. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 156 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3. MAINTENANCE SPÉCIFIQUE DES BATTERIES 6.3.1. Batterie plomb-acide ouverte liquide 6.3.1.1. Rythme de maintenance des batteries liquides classiques plomb acide Maintenance Nouvelle batterie Quotidien / par visite Mensuel Inspection visuelle. (6.2.1 & 6.2.8) Voir 6.2.1.cidessus Conditions de floating de la batterie + appareil numérique de mesure Panneau de mesure Trimestriel Conditions de floating des éléments (6.2.3.) Élément pilote, avec appareil numérique de mesure Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Densité (dessous) Tous les éléments Éléments pilotes 10% des éléments Éléments pilotes 10% des éléments Tous les éléments Résistance des connexions. (6.2.2.) Toutes les connexions Toutes les connexions Test de la batterie Test de la capacité à réception Tous les ans si < 90% en 5 ans Équipement de sécurité (Chapitre 7) Tous les 5 ans Comparer le panneau de mesure et le numérique Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Température Annuel Test de capacité (Décharge) Tout l’équipeme nt de sécurité dans la pièce Tableau 15 : Rythme de maintenance des batteries liquides classiques plomb acide Voir le chapitre Maintenance courante précédent pour plus de détails Une fois par mois, vérifier le niveau d’électrolyte et recouvrir les plaques d’eau “pure” ou distillée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 157 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.1.2. Aspect des éléments normaux Les bords des plaques positives ne donnent pas beaucoup d’informations. Les bords des plaques négatives doivent être uniformément gris ; ils doivent être examinés à l’aide d’une lampe torche non métallique afin d’en détecter des projections de cristaux de sulfate de plomb. Corriger la charge de floating permet d’éviter les cristaux de sulfate de plomb de charge. 6.3.1.3. Test de densité (tous les 6 mois) Les mesures de densité des batteries ouvertes plomb-acide doivent être cohérentes avec les instructions suivantes. Note : toutes les mesures de densité doivent être corrigées en température à 25 °C avant d’être enregistrées (Cf. *). Ne pas tenter de prendre des mesures de densité après avoir ajouté de l’eau à un élément. L’électrolyte met plusieurs heures à se mêler à l’eau après l’adjonction. * La densité de l’électrolyte doit être corrigée en température. Enlever un point (0,001) de densité par groupe de 3 °F (1,66 °C) au dessous de 77 °F (25 °C), et ajouter un point (0,001) par groupe de 3 °F (1,66 °C) au dessus de 77 °F (25 °C). L’écart conseillé de densité entre tous les éléments est de 0,010. A. Tous les mois Relever la densité de l’élément pilote et le consigner sur une fiche. B. Tous les trimestres Relever la densité de 10 % de l’ensemble des éléments, la consigner sur une fiche et faire une rotation des éléments pilotes tous les trimestres. C. Tous les ans Relever la densité de chaque élément et la consigner sur une fiche. D. Après la charge d’égalisation Environ 15 minutes après que le fort dégagement gazeux cesse, relever la densité de chaque élément et la consigner sur une fiche. Si 2 éléments présentant la densité la plus basse (contrôlés pendant le dernier huitième de la durée de charge) n’ont pas cessé de croître, poursuivre la charge d’égalisation. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 158 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Méthode de titrage de la densité : (Cf. paragraphes 2.7.2. et 2.7.3.) La mesure de la densité relative de l’électrolyte de la batterie (DR) nécessite d’employer un densimètre à compensation thermique. La batterie doit tout d’abord être complètement chargée. La charge doit en être débranchée avant la mesure et la batterie doit être en place depuis au moins plusieurs heures avant la mesure. Figure 92 : Densimètre Une batterie plomb-acide sulfurique totalement chargée présente une DR de 1,255 à 1,280. La DR des batteries complètement déchargées varie de 1,110 à 1,130. Les mesures de DR au densimètre ne doivent pas varier de plus de 0,01 à 0,05 (selon les données constructeur) entre les éléments. Il est à noter que la DR des batteries étanches plomb acide ne peut être mesurée à moins que la batterie ne comporte un densimètre intégré. Les batteries sans maintenance les mieux conçues présentent un densimètre intégré qui mesure la DR d’un élément parmi 6. Cependant, on peut trouver une bonne valeur de mesure pour l’élément 1 et avoir un problème sur d’autres éléments de la batterie. La sulfatation des grilles de la batterie se produit lorsque la densité devient inférieure à 1,225 ou que la tension est inférieure à 12,4 (batterie 12 V) ou 6,2 (batterie 6 V). La sulfatation durcit la surface des plaques de la batterie, ce qui réduit, et finalement annule l’aptitude de la batterie à se décharger et à être rechargée. 6.3.2. Batteries plomb-acide étanches, VRLA / AGM / GEL 6.3.2.1. Généralités Les batteries plomb-acide à régulation par soupape (VRLA) sont en général construites en blocs multi-éléments (on parle de modules) plutôt qu’en éléments simples. Les boîtiers sont fabriqués en matière plastique ABS et ne permettent pas une inspection visuelle des plaques ou du niveau d’électrolyte. On parle d’éléments à électrolyte absorbé ou starved qui fonctionnent sous pression positive. L’hydrogène et l’oxygène ne sont pas rejetés mais recombinés. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 159 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les éléments sont étanches et ne nécessitent ni adjonction d’eau ni mesure de densité. Ces éléments sont typiquement à plaque, pâte, plomb calcium et l’électrolyte en est contenu dans du gel ou des membranes en fibre de verre. Ces batteries sont en principe employées pour l’éclairage de secours, les télécommunications et d’autres services à alimentation sans interruption (ASI). Elles sont employées au mieux dans les applications nécessitant des décharges lentes. Les fortes décharges rapides utiles pour les rupteurs ne sont pas conseillées pour ce type de batteries. La durée de vie observée va de 18 mois seulement à 10 ans en service. Ces éléments ne sont pas liquides et ne dissipent pas efficacement la chaleur. Cette caractéristique peut conduire à un emballement thermique si la température ambiante et celle de la batterie ne sont pas contrôlées avec attention. Des cas de batteries prenant feu ont été observés. Il est impératif de maintenir les éléments à une température aussi proche que possible de 25 °C. La température ambiante doit être maintenue autant que possible à 22°C. La circulation d’air doit être suffisante pour éliminer les variations de température ambiante. L’écart maximum de température entre éléments (du plus froid au plus chaud) ne doit pas dépasser 3 °C et l’élément le plus chaud ne doit pas se trouver à plus de 3°C au-dessus de la température ambiante. Des températures inférieures réduisent la capacité et des températures supérieures réduisent fortement la durée de vie. Environ 50 % de la durée de vie est perdue pour chaque palier de 10 °C au-dessus de 25°C. Ne pas laisser l’éclairage ou d’autres sources de chaleur faire monter la température des éléments individuels. Ces batteries ne sont pas conseillées pour les centrales du fait de ces caractéristiques. Les modules et éléments VRLA sont typiquement transportés complètement chargés et ne nécessitent pas de charge initiale. Et ne soyez pas surpris si vous rencontrez des problèmes sur site avec ce type de batteries en cas de maintenance non adaptée. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 160 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.2.2. Périodicité de maintenance des batteries plomb-acide à régulation par soupape / Gel Maintenance Nouvelle batterie Quotidien / par visite Inspection visuelle (6.2.1 & 6.2.8) Mensuel Trimestriel Semestriel Annuel Inspection générale Conditions de floating de la batterie Panneau de mesure + Appareil numérique de mesure Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Conditions de floating des éléments (6.2.3.) Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Lecture de la température Tous les éléments Tous les éléments Résistance de connexion. (6.2.2.) Tous les éléments Tous les éléments Résistance interne (6.2.4.) Tous les éléments Tous les éléments Test de la batterie Test de la capacité à réception Équipement de sécurité (Chapitre 7) Élément pilote, avec appareil numérique de mesure Test de capacité (Décharge). Tous les 6 mois si < 90% en 1 an Tout l’équipement de sécurité dans la pièce Tableau 16 : Programme de maintenance des batteries plomb-acide à régulation par soupape Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 161 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.3. Batteries liquides ouvertes nickel-cadmium (Acide ou potassium) 6.3.3.1. Périodicité de maintenance des batteries ouvertes Nickel-Cadmium Maintenance Nouvelle batterie Quotidien / par visite Mensuel Conditions de floating de la batterie Panneau de mesure Conditions de floating des éléments (6.2.3.) Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Densité (dessous)* Tous les éléments + appareil numérique de mesure Éléments pilotes Tension et courant de la batterie Tous les éléments, avec appareil numérique de mesure Annuel Élément pilote, avec appareil numériq ue de mesure 10% des élément s Tous les éléments Élément s pilotes Température Test de la batterie Semestriel Niveau d’électrolyte. Voir présent paragraphe Inspection visuelle (6.2.1 & 6.2.6) Connexion entre éléments. (6.2.2.) Trimestri el Resserrer selon les specs tous les éléments Test de la capacité après 1 semaine Équipement de sécurité (Chapitre 7) Resserrer tous les éléments Test de capacité (Décharge). Tous les ans si < 90% en 5 ans. Tout l’équipement de sécurité dans la pièce Tableau 17 : Périodicité de maintenance des batteries ouvertes Nickel-Cadmium * Niveau d’électrolyte : Au moins une fois par mois, vérifier et compléter le niveau d’électrolyte. Les éléments perdent de l’eau par évaporation naturelle et dégagement gazeux lors de l’équilibre de la charge. Toujours maintenir les plaques recouvertes d’électrolyte. Il se produira des dégâts sévères si les plaques du dessus sont exposées à l’air. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 162 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.3.2. Électrolyte de batterie ouverte nickel-cadmium La solution d’électrolyte dans les batteries nickel-cadmium est constituée d’hydroxyde de potassium purifié (hydroxyde de potassium KOH) et d’autres sels dans de l’eau distillée. L’électrolyte liquide doit être stocké dans un contenant propre, en verre ou en porcelaine. L’électrolyte absorbe facilement le dioxyde de carbone de l’air pour créer du carbonate de potassium. Ce processus va temporairement faire baisser la capacité de la batterie. L’électrolyte doit ainsi être stocké dans un contenant étanche à l’air. La densité de l’électrolyte ne change pas selon l’état de la charge mais reste pratiquement constante pendant la charge et la décharge. La densité moyenne d’un élément normal est d’environ 1,190 à 22 °C. Cependant lors de l’entretien d’une batterie, il faut toujours se référer aux conseils du fabricant en matière de gamme de densité. La gamme de densité pour les éléments Ni-Cd est limitée. Au-dessous de 1,200, la résistivité commence à croître rapidement ce qui rend les éléments inertes et la densité d’électrolyte la plus basse est en général établie à 1,170. Les fortes concentrations sont nuisibles du fait de la solubilité accrue des électrodes, notamment à température élevée. Des concentrations très supérieures à 1,170 résultent également en une résistivité accrue. La bonne densité de l’électrolyte est un compromis dans ces limites étroites. Le point de congélation d’un électrolyte d’une densité de 1,190 est d’environ -10 °F (soit env. - 23 °C), température à laquelle la solution prend mais ne congèle pas sous forme solide. Si la batterie subit des températures inférieures à -10 °F, la densité doit en général être élevée à 1,230 pour une protection valable jusqu’à -40 °F (-40 °C). Toujours consulter le fabricant avant de tenter de modifier la densité de l’électrolyte. 6.3.3.3. Niveau d’électrolyte Tous les mois Vérifier le niveau d’électrolyte dans chaque élément au cours de l’inspection visuelle. Le niveau peut être apprécié en observant l’élément de près. Les cellules des éléments sont typiquement (normalement…) translucides et le niveau d’électrolyte peut être observé par transparence. Lorsque le niveau d’électrolyte est faible, ajouter de l’eau distillée à la hauteur nécessaire mais ne pas remplir excessivement. Si les éléments sont trop remplis, l’électrolyte peut être expulsé par les soupapes lors de la charge. Cet évènement peut causer une électrolyse entre les éléments, une corrosion des cellules des éléments et une masse sur le circuit électrique. Le niveau maximum de l’électrolyte se trouve à mi-chemin du haut des plaques et de la partie interne du couvercle des éléments. Pour retarder l’évaporation naturelle, il faut verser une huile minérale pure qui surnage sur l’électrolyte dans chaque élément. Tous les éléments doivent être contrôlés tous les ans pour vérifier l’épaisseur adéquate d’huile (env. 0,6 mm). Voir les instructions du fabricant pour les recommandations en matière de type et d’épaisseur d’huile. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 163 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.3.3.4. Mesure de densité Les mesures de densité ne sont nécessaires que tous les 5 ans pour déterminer si l’électrolyte doit être changé. Lors d’un relevé au densimètre, presser la poire avant d’insérer la tige, placer l’embout au-dessus des plaques, puis relâcher la poire. Cette procédure évite d’introduire des bulles d’air et d’aspirer dans l’appareil l’huile qui recouvre l’électrolyte. L’échantillon doit toujours être replacé dans l’élément dont il a été extrait. Laver soigneusement le densimètre à l’eau distillée. L’électrolyte restant dans le densimètre absorbe en effet le dioxyde de carbone de l’air, crée une pellicule et fausse les mesures. La densité change avec la température et si la température de l’électrolyte est différente de 25 °C, ajouter 0,001 au relevé pour chaque groupe de 2 °C au-dessus de 25 °C. Ôter au contraire 0,001 pour chaque groupe de 2 °C au-dessous 25 C. Ne pas faire de relevés de densité lorsque des bulles de gaz sont visibles dans l’électrolyte. Il en résultera de mauvaises mesures à moins que les bulles ne puissent disparaître. Les mesures de densité ne peuvent être réalisées sur les éléments juste après adjonction d’eau : il faut attendre que le mélange soit effectif avant de faite les mesures. Ne pas tenter de conserver une alimentation unique en eau distillée à la fois pour les batteries Ni-Cd et les batteries plomb-acide. L’eau est en effet contaminée par des traces d’acide sulfurique dans la poire d’aspiration lors du transfert entre les éléments plomb acide et le conteneur d’eau. Une alimentation différente en eau distillée ou eau minérale avérée, prévue exclusivement pour les batteries nickel-cadmium est nécessaire. Prévoir un densimètre individuel employé exclusivement pour les mesures sur les éléments nickel-cadmium. 6.3.3.5. Renouvellement de l’électrolyte C’est là la particularité des batteries liquides Ni-Cd. Chaque élément peut être vidé de son électrolyte et rempli à nouveau avec un nouvel électrolyte de même type et même concentration. On dispose alors à nouveau d’une batterie neuve (ou presque). Il faut, pour ce faire, suivre la procédure spécifique, disponible dans tous les manuels de maintenance des fabricants. 6.3.4. Batteries étanches nickel-cadmium VRLA / GEL Appliquer les mêmes règles de maintenance générale et spécifique que pour les batteries plomb-acide VLRA / batteries sèches, puisque l’électrolyte n’en est pas accessible. Cependant, ce type de batterie ne supporte pas les charges rapides. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 164 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.4. DIAGNOSTIC DE PANNES DES BATTERIES 6.4.1. Problèmes courants Les problèmes suivants, dont la plupart peuvent être contrôlés par l’utilisateur, sont les causes les plus courantes de panne prématurée du système, Fuite d’étanchéité des bornes. Une fuite d’étanchéité des bornes permet à l’électrolyte de migrer vers la connexion borne/entre-éléments et causer un problème de connexion. Connexions entre éléments desserrés. Le matériel mal serré entre les éléments implique des connexions de résistance très élevées. Faible tension de floating. Cela entraîne l’apparition de cristaux de sulfate à la surface des plaques. Ces cristaux de sulfate qui durcissent au fil du temps retournent dans la solution lorsque la tension appropriée est appliquée et causent ainsi une perte permanente de capacité. Ce problème est détecté par une hausse de la résistance de l’élément. Forte tension de floating. Cela entraîne un excessif dégagement gazeux d’hydrogène et d’oxygène, ce qui mène à une perte d’eau dans les éléments liquides et cause un assèchement et un emballement thermique potentiel dans les batteries VRLA. Une forte tension de floating cause également la chute de matière active des plaques positives. Tous ces problèmes accroissent la résistance interne de l’élément. Faible température. La capacité de la batterie diminue aux faibles températures (à 17°C, la capacité est d’environ 90%). À faible température, une tension de floating plus élevée est nécessaire pour maintenir la pleine charge. Si le chargeur n’est pas bien adapté, les éléments peuvent être sous-chargés, ce qui conduit aux problèmes décrits pour une tension faible. Forte température. Cela provoque une diminution de la vie de la batterie. (La durée de vie est divisée par 2 si la température de fonctionnement est supérieure à 92 °F – 33 °C). Une température élevée accroît également le courant de floating, ce qui implique une perte d’eau dans les éléments liquides et cause un assèchement et un emballement thermique dans les batteries VRLA. Ces problèmes conduisent à une hausse de la résistance des éléments. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 165 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Décharge sans recharge. Une batterie complètement déchargée ou pratiquement complètement déchargée est endommagée et potentiellement morte si elle n’est pas rechargée dans les 24 à 48 h. Décharge excessive. Cela cause une expansion anormale des plaques, qui peut impliquer des dégâts définitifs et des problèmes de recharge. Cela peut se produire pour les systèmes d’ASI faiblement chargés et qui doivent fournir de la puissance sur de longues durées. Hausse de la résistance électrochimique. Hausse due aux problèmes de la pâte d’électrolyte. Ce défaut provoque un manque d’alimentation de la batterie et une incapacité à fournir la capacité nominale. Hausse de la résistance métallique. C’est le problème de résistance le plus sérieux et dangereux. Une forte résistance métallique implique un problème dans le circuit de conduction, qui mène à une panne catastrophique, telle qu’une explosion ou une perte totale de circulation de courant. Les problèmes de résistance métallique peuvent conduire à des pannes drastiques, qui peuvent engendrer des dommages potentiels au matériel et au personnel, sans parler de la perte de puissance. 6.4.2. Problèmes sur les batteries plomb acide ouvertes A. Défaut de dégagement gazeux Le défaut de dégagement gazeux pendant la charge peut indiquer un court circuit interne entre les plaques, c’est à dire que l’élément se décharge en interne aussi vite qu’il est chargé. B. Densité ou Tension Une densité ou une tension d’élément plus faible que celles d’un autre élément est l’indication de pertes internes excessives et peut résulter d’une sous-charge répétée. C. Couleur Une couleur ou apparence des plaques ou sédiments différente de celle des autres éléments s’explique comme suit : 1. Tâches blanches de sulfate de plomb sur les plaques positives ou négatives : inactivité marquée ou sous-charge sur de longues périodes. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 166 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 2. Dépôt d’antimoine gris foncé sur les plaques négatives (en général près des bornes) : charge à débit trop élevé ou élément vieillissant approchant de sa fin de vie utile. 3. Couche en surface de sédiment blanc : sous-charge. 4. Sédiment brun non lisse : surcharge. 5. Couche de sédiments blancs non visibles : surcharge suivant une tension de floating faible et prolongée. 6. Grands dépôts écaillés sur la barre collectrice entre plaques : batterie en tension de charge de floating sur des périodes prolongées, à tension de floating insuffisante et sans égalisation de la charge. D. Problèmes sur les plaques Si les éléments ci-dessous sont trop marqués, des tests de capacité doivent être réalisés pour déterminer si les éléments individuels ou la batterie entière doivent être remplacés. 1. Craquellements sur les bords des grilles de plaque positive. 2. Tâches claires de sulfatation sur les bords des plaques au-dessous des craquellements mentionnés dans le contrôle n°1 ci-dessus. 3. Sédimentation excessive au fond du boîtier. 4. Mousse ou peluchage au sommet des plaques négatives. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 167 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 6.5. FICHES DE MAINTENANCE Ci-après, 5 exemples de fiche pour le contrôle de « vos » batteries. RAPPORT ANNUEL DE RÉSISTANCE DE CONNEXION ET RÉSISTANCE INTERNE DES BATTERIES PLOMB ACIDE À RÉGULATION PAR SOUPAPE Date : Site : Type de batterie : Note : Prendre la première mesure entre le connecteur (cosse) et la borne de l’élément, puis faire les mesures entre les bornes des éléments adjacents de polarités contraires (attention : pas pour le même élément). Faire le dernier relevé entre la dernière borne et la cosse Pour les données de résistance interne, prenez le numéro situé le plus à gauche dans la colonne pour désigner l’élément Relevé entre Relevé (microohms) Dernier relevé (microohms) Cosse et borne 1 Résistance interne Relevé entre pas de données 30 -31 Bornes/éléments 1-2 31 -32 Bornes/éléments 2-3 32 -33 Idem 3-4 33 -34 … 4-5 34 -35 … 5-6 35 -36 … 6-7 36 -37 … 7-8 37 -38 … 8-9 38 -39 … 9-10 39 -40 … 10-11 40 -41 … 11-12 41 -42 … 12-13 42 -43 … 13-14 43 -44 … 14-15 44 -45 … 15-16 45 -46 … 16-17 46 -47 … 17-18 47 -48 … 19 -20 48 -49 … 20 -21 49 -50 … 21 -22 50 -51 … 22 -23 51 -52 … 23 -24 52 -53 … 24 -25 53 -54 … 25 -26 54 - 55 … 26 -27 55 -56 … 27 -28 56 -57 … 28 -29 57 -58 … 29 -30 58 -59 … 19 -20 59 -60 n° 60 borne et cosse Relevé (microohms) Dernier relevé (micro-ohms) Résistance interne pas de données Nom : ___________________________________ Signature : _____________________ Figure 93 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (1) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 168 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries RAPPORT ANNUEL DE RÉSISTANCE DE CONNEXION DES BATTERIES LIQUIDES PLOMB ACIDE Date : Site : Type de batterie : Note : Prendre la première mesure entre le connecteur (cosse) et la borne de l’élément, puis faire les mesures entre les bornes des éléments adjacents de polarités contraires. Faire la dernière mesure entre la dernière borne et la cosse du connecteur Relevé entre Relevé (microohms) Dernier relevé (microohms) Relevé entre Cosse et borne 1 30 -31 Bornes/éléments 12 31 -32 Bornes/éléments 2.3 32 -33 Idem 3-4 33 -34 … 4-5 34 -35 … 5-6 35 -36 … 6-7 36 -37 … 7-8 37 -38 … 8-9 38 -39 … 9-10 39 -40 … 10-11 40 -41 … 11-12 41 -42 … 12-13 42 -43 … 13-14 43 -44 … 14-15 44 -45 … 15-16 45 -46 … 16-17 46 -47 … 17-18 47 -48 … 19 -20 48 -49 … 20 -21 49 -50 … 21 -22 50 -51 … 22 -23 51 -52 … 23 -24 52 -53 … 24 -25 53 -54 … 25 -26 54 - 55 … 26 -27 55 -56 … 27 -28 56 -57 … 28 -29 57 -58 … 29 -30 58 -59 … 19 -20 59 -60 Relevé (microohms) Dernier relevé (micro-ohms) n° 60 borne et cosse Nom : ___________________________________ Signature : _____________________ Figure 94 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (2) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 169 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 95 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (3) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 170 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 96 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (4) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 171 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 97 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (5) Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 172 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7. MESURES DE SÉCURITÉ POUR LE TRAVAIL SUR BATTERIES 7.1. INTRODUCTION AUX MESURES DE SÉCURITÉ DES BATTERIES Dans le cadre d’un travail sur des batteries dans des salles de batterie ou armoires d’alimentation sans interruption (ASI), il est important que le personnel soit informé des dangers inhérents à ce type d’équipement. L’objectif de ce chapitre est de décrire ces dangers et les précautions nécessaires à prendre afin de garantir des conditions de travail en toute sécurité. REMARQUE IMPORTANTE : Assurez-vous que chaque section du présent chapitre a été lue et totalement comprise avant de mener une quelconque activité sur l’équipement de batteries, ASI ou chargeur d’accumulateurs. Nous tiendrons compte des mesures de sécurité à la fois pour les batteries et les ASI. Il existe 2 types principaux de batteries plomb-acide servant dans les applications ASI : Ouvertes – ventilées. Étanches ou à régulation par soupape (VRLA). Les batteries ouvertes et ventilées demandent une maintenance de routine régulière et sont en général installées dans une salle séparée. Elles emploient une technologie plus ancienne, la construction repose sur des cellules liquides et elles nécessitent des mesures de sécurité différentes. Les batteries étanches VRLA ont des contenants plus écologiques (en apparence) et ne requièrent pas le même niveau de maintenance que les batteries ouvertes, mais nombre des mesures de sécurité doivent toutefois s’appliquer. 7.2. TRAVAILLER SUR DES BATTERIES Les batteries contiennent de l’acide et du plomb. Individuellement, elles fonctionnent à des tensions assez basses, mais stockent de grandes puissances (capacité de courant élevée). Lorsqu’elles sont reliées en série et/ou en parallèle, la tension et/ou le courant peut atteindre des niveaux dangereux. La sécurité en matière de batteries est très simple mais extrêmement importante. Lorsque vous travaillez à proximité de batteries, ayez toujours bien conscience qu’elles peuvent être très dangereuses si elles sont malmenées. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 173 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7.2.1. Dangers sur les batteries Les risques suivants peuvent présenter un danger pour le personnel ou le matériel. 7.2.1.1. Tension CC élevée Les batteries connectées en série peuvent présenter des tensions CC supérieures à 400 V. 7.2.1.2. Décharges électriques Les batteries peuvent causer de sévères décharges électriques du fait de leur tension et capacité élevées. 7.2.1.3. Bornes en court-circuit Relier les 2 bornes d’une batterie ou les mauvaises bornes de différentes batteries peut provoquer un court-circuit. Un court-circuit dans une batterie en provoque la décharge complète et très rapide. Ces niveaux élevés de courant peuvent provoquer de graves brûlures, la rupture ou l’explosion de la batterie, ce qui peut causer de sévères blessures, voire même la mort. 7.2.1.4. Arc électrique en cas de court-circuit Il est possible que naisse un considérable arc d’une batterie, alors même que celle-ci présente une faible tension à ses bornes, en cas de court-circuit. Ceci peut provoquer de sévères brûlures. 7.2.1.5. Déversement d’acide Bien que l’acide qui se trouve au sommet de la batterie ne cause pas des dommages immédiats sur une peau non protégée, il vaut mieux en éviter le contact ou, en cas de contact, il faut immédiatement laver la zone exposée au savon et à l’eau courante. Un déversement d’acide est également possible si le boîtier d’une batterie est endommagé ou craquelé. 7.2.1.6. Brûlures d’acide L’acide de batterie troue les vêtements (visibles seulement après lavage) et, comme d’autres produits chimiques ménagers, peut provoquer la cécité ou de graves lésions oculaires. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 174 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7.2.1.7. Gaz hydrogène Les batteries libèrent du gaz hydrogène pendant la charge, lorsqu’elles sont pratiquement pleinement chargées. Cependant, il est tout à fait possible qu’une bulle de gaz hydrogène reste « coincée » entre les plaques de la batterie et soit ensuite libérée. 7.2.1.8. Risque d’explosion S’il y a une dégradation ou un défaut dans la ventilation de la zone de batterie, il peut se produire une élévation du niveau d’hydrogène (gaz très volatile). Si cette situation perdure, il y a risque d’explosion. Figure 98 : Batterie éclatée 7.2.2. Mesures de sécurité Observez toujours les précautions suivantes lorsque vous travaillez sur des batteries. 7.2.2.1. Généralités Avant de travailler sur des batteries, s’assurer que le banc de batteries est isolé du chargeur, en général en ôtant les fusibles ou en actionnant le coupe-circuit de la batterie. Pour ôter une batterie, toujours déconnecter le positif (terre) en premier. Pour installer une batterie, toujours connecter le positif (terre) en dernier. Ne pas fumer ou provoquer de flammes ou étincelles auprès des batteries. S’assurer que le poste de travail est toujours bien ventilé. Ne pas nettoyer les batteries avec des chiffons secs. Les batteries pèsent lourd, toujours observer les bonnes techniques de levage lors de la manipulation ou du transport des batteries. Pour un poids supérieur à 24 kg, il faut employer des outils de levage. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 175 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7.2.2.2. Vêtements de sécurité Portez des lunettes de sécurité ou un masque de sécurité associé à un casque. Si vos lunettes de vue présentent des montures métalliques, portez soit des gaines élastiques pour les branches de lunettes ou ôtez vos lunettes à monture métallique pour porter des lunettes de sécurité à monture en plastique. Figure 99 : Masque de sécurité Portez toujours des vêtements gants et tablier de sécurité adaptés, ou de vieux vêtements. Lorsque vous manipulez l’électrolyte, portez un masque (ces masques ne doivent pas comporter des montures métalliques renforcées, qui pourraient causer un court circuit de la batterie en cas de chute), un tablier et des gants de caoutchouc, (comme les gants de vaisselle) ; évitez les éclaboussures. Ôtez toute montre ou autre bijou métallique. Il s’agit d’éviter tout contact métallique entre les bornes des batteries mais aussi de protéger vos biens. Portez des gants caoutchouc certifiés sur le plan électrique lors des derniers branchements de batterie. 7.2.2.3. Outils de sécurité Employez toujours des outils isolés et toujours veiller à ce que les bornes ne soient jamais connectées ensemble. Figure 100 : Outils de sécurité Les outils en contact avec les postes de batterie pourraient se comporter comme des fusibles. Vous seriez surpris du résultat ! Et il serait (également) de bon ton de ne Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 176 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries pas laisser vos mains (même gantées) à proximité, en effet, la formation d’arc est tout à fait impressionnante sur les batteries haute capacité. Assurez-vous que les outils sont suffisamment petits pour éviter qu’ils entrent en contact ou court-circuitent les bornes des batteries. Employez toujours des outils adaptés, n’utilisez jamais de clé à molette !! Serrez toujours les cosses des batteries avec la clé dynamométrique appropriée. Ne serrez pas exagérément. 7.2.2.4. Déversement d’acide et d’électrolyte L’électrolyte peut causer des dommages à la peau et aux vêtements et doit par conséquent toujours être manipulé avec précaution. Éviter tout contact avec l’acide de la batterie. En cas de contact, il faut immédiatement laver la zone exposée au savon et à l’eau courante. Ne pas employer de bicarbonate de sodium sur la plaie, cela pourrait aggraver la brûlure. Les yeux doivent tout particulièrement être protégés. Si de l’acide est projeté dans les yeux ou sur la peau, rincer à l’eau pendant au moins 15 minutes et voyez un médecin. Assurez-vous qu’une solution de neutralisation de l’acide est toujours disponible. Le carbonate de sodium anhydre (carbonate de soude) est fourni à cet effet. Pour neutraliser un électrolyte acide renversé sur le sol ou le bâti, une solution de bicarbonate de sodium (120 g par litre d’eau) est recommandée. Lorsque vous mélangez de l’acide ajoutez toujours l’acide à l’eau et pas le contraire. Pour neutraliser un électrolyte de batterie Ni-Cd (hydroxyde de potassium), ayez toujours à portée de main une solution concentrée de 150 g de poudre d’acide borique par litre d’eau pour neutraliser les projections sur la peau ou les vêtements. Employez de l’eau pure pour laver les projections d’hydroxyde de potassium sur les éléments ou les bâtis. 7.2.3. Danger des batteries Veillez à ce que les bornes soient toujours propres et couvertes de vaseline afin d’éviter l’oxydation des bornes. 7.2.3.1. Danger d’explosion Toutes les batteries de stockage produisent un mélange extrêmement explosif d’hydrogène et d’oxygène lors du dégagement gazeux. C’est pourquoi il faut toujours éviter les étincelles, flammes nues, cigarettes allumées auprès d’une batterie. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 177 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Placer une signalétique « interdit de fumer » aux emplacements où ils seront parfaitement visibles pour toute personne entrant dans la zone de salle d’accumulateur. Une lampe torche non métallique (et de type Ex en Atmosphère Explosive) est nécessaire pour l’inspection des batteries. N’employer que des thermomètres à alcool lors du relevé de température des électrolytes. Veiller à bien serrer les connexions de batterie afin d’éviter les étincelles. Ne jamais poser un objet métallique sur une batterie. Un extincteur de classe C et 4,5 kg, doit être monté sur la face intérieure de la porte de la pièce d’accumulateur. L’emploi de dioxyde de carbone (CO2) n’est pas conseillé, du fait du choc thermique potentiel sur la batterie Équiper la pièce ou l’armoire d’accumulateurs d’un extracteur ou d’une ventilation. 7.2.3.2. Arrête-flammes – objectif et nettoyage Chaque élément de batterie ouverte doit être équipé d’un arrête-flammes conçu pour éviter la destruction de l’élément responsable de l’inflammation des gaz hors de l’élément. Le matériau diffuseur d’arrête flammes peut être en partie encrassé par des projections d’électrolyte si les éléments sont trop remplis d’eau ou ont été surchargés. Les arrête-flammes doivent ainsi être inspectés annuellement et tous ceux qui comportent des pores encrassés doivent être remplacés ou nettoyés comme suit : 1. Immerger les arrête-flammes plusieurs fois dans de l’eau douce dans un bac en plastique. 2. Ôter l’eau des arrête-flammes après chaque immersion en secouant vigoureusement ou par air comprimé. 3. Vider et remplir à nouveau le bac d’eau douce après chaque ensemble de 15 arrêteflammes nettoyés. 4. N’employer aucun agent de nettoyage ou neutralisation car des résidus secs pourraient encrasser les pores des matériaux diffusés. 7.2.4. Installation de la salle des batteries 7.2.4.1. Implantation Une signalétique « Interdit de fumer », « Étincelles interdites » ou « Feu nu interdit » doit être installée du côté extérieur de la porte. Les bâtis en métal des batteries doivent être mis à la terre. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 178 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Les sols de béton doivent être revêtus d’une peinture résistant à l’acide (résistant aux solutions alcalines) pour les batteries Ni-Cd. Les réceptacles et interrupteurs électriques doivent être situés en-dehors des zones des batteries. Un extincteur de classe, 4,5 kg, doit être monté sur la face intérieure de la porte de la pièce d’accumulateur. L’extincteur ne doit pas être de type CO2 afin d’éviter tout choc thermique sur la batterie. La sortie de la pièce d’accumulateurs doit toujours rester libre. Une unité combinée de lavage des yeux, du visage et du corps par projection doit être située dans un rayon de 7,5 m de chaque salle des batteries ou système de batteries. Ces unités doivent être montées de façon permanente et connectées à l’installation d’eau potable ou être un système portable pressurisé. Laisser libre d’accès la zone située devant le poste de lavage. 7.2.4.2. Ventilation : Il faut déterminer, pour chaque zone de batterie, si une ventilation suffisante est installée afin de garantir une dispersion appropriée du gaz d’hydrogène dans les conditions maximum de génération de gaz. Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 179 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 7.2.4.3. Exemple d’implantation de la salle des batteries Figure 101 : Implantation non étanchéisée de la salle des batteries (1) sols et murs - Inclinaison - rigole – bac de retenue - Revêtement anti-acide (asphalte) (2) Ventilation - Forte aspiration en hauteur : d = 0,05NI (m3) - Coupure du réseau en cas de panne (3) Batteries - Placées de façon à ce que personne ne puisse toucher deux pièces dénudées d’une tension > 150 V (4) Sol de maintenance - Caillebotis non-glissant – Isolé du sol (5) Connexions - Connexions aussi courtes que possible - Commande et disjoncteur de type sans explosion (6) Matériel résistant au feu - Extincteur à poudre ou au CO2 (7) Équipement de sécurité - Lunettes, gants et douches de sécurité (8) Équipement de contrôle - Densimètre – produit de remplissage -thermomètre (9) Sécurité face aux explosions - Détection de l’hydrogène - Capteur de température Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 180 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 8. GLOSSAIRE Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 181 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 9. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1 : Différents types de batteries ................................................................................. 9 Figure 2 : Différents emplois des batteries............................................................................. 9 Figure 3 : Armoires d’ASI..................................................................................................... 10 Figure 4 : Chargeur et groupe de batteries .......................................................................... 11 Figure 5 : Jeu de batteries ................................................................................................... 11 Figure 6 : Problème sur une batterie ................................................................................... 11 Figure 7 : Composition d’un élément de batterie ................................................................. 14 Figure 8 : Processus au sein d’un élément de batterie ........................................................ 16 Figure 9 : Pile voltaïque chimique........................................................................................ 17 Figure 10 : Éléments primaires ............................................................................................ 19 Figure 11 : Accumulateurs (secondaires) ............................................................................ 19 Figure 12 : Tension et capacité............................................................................................ 23 Figure 13 : Éléments en série et parallèle............................................................................ 24 Figure 14 : Éléments reliés en série .................................................................................... 24 Figure 15 : 12 éléments reliés en série ................................................................................ 25 Figure 16 : Éléments reliés en parallèle............................................................................... 25 Figure 17 : 3 montages de 12 blocs en parallèle ................................................................. 26 Figure 18 : Résistance interne d’une batterie ...................................................................... 28 Figure 19 : Tension à vide ................................................................................................... 28 Figure 20 : Tension aux bornes ........................................................................................... 28 Figure 21 : Calcul de la résistance interne........................................................................... 29 Figure 22 : Pile Daniell......................................................................................................... 31 Figure 23 : Densimètre ........................................................................................................ 32 Figure 24 : Exemple de densimètre ..................................................................................... 32 Figure 25 : Densité d’énergie relative de certaines chimies courantes des batteries........... 36 Figure 26 : 2lémént (pile) zinc - carbone (Leclanché) – 1,5 V............................................. 43 Figure 27 : Éléments employés dans les batteries plomb acide .......................................... 44 Figure 28 : Pile LG cylindrique spiralée ............................................................................... 45 Figure 29 : Pile bouton......................................................................................................... 46 Figure 30 : Électrodes empilées .......................................................................................... 46 Figure 31 : Construction bipolaire d’un accumulateur à circulation constante ..................... 47 Figure 32 : Batterie éclatée.................................................................................................. 49 Figure 33 : Boîtiers courants de batteries cylindriques ........................................................ 50 Figure 34 : Piles multi-éléments........................................................................................... 51 Figure 35 : Piles bouton et piles pièces ............................................................................... 52 Figure 36 : Piles Valence de type sachet............................................................................. 52 Figure 37 : Contenant laminé en aluminium ........................................................................ 53 Figure 38 : Accumulateur lithium polymère.......................................................................... 53 Figure 39 : Boîtier prismatique en fer................................................................................... 54 Figure 40 : Exemple de batterie Ni-Cd................................................................................. 54 Figure 41 : Exemple de batterie Li-ion ................................................................................. 54 Figure 42 : Exemple de batterie Ni-Cd................................................................................. 55 Figure 43 : Exemple de batterie en couche mince............................................................... 55 Figure 44 : Exemple de pile en couche mince ..................................................................... 56 Figure 45 : Exemple de batterie grande puissance.............................................................. 56 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 182 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 46 : Batterie plomb étanche au gel ........................................................................... 57 Figure 47 : Batterie ouverte au plomb Classic ENERSOL ................................................... 57 Figure 48 : Batterie plomb-gel (acide).................................................................................. 57 Figure 49 : Batterie plomb étanche Saphir........................................................................... 58 Figure 50 : Batterie plomb étanche Cyclon .......................................................................... 58 Figure 51 : Batteries Saft .....................................................................................................58 Figure 52 : Comment choisir une batterie ? ......................................................................... 59 Figure 53 : Pile alcaline GP25A ........................................................................................... 67 Figure 54 : Pile alcaline 186 LR43 ....................................................................................... 67 Figure 55 : Pile alcaline Duracell Procell PC915 ECOLI V 6 V 13 Ah ou 4LR25 ................. 67 Figure 56 : Exemple de piles ‘Renata’ pour prothèses auditives ......................................... 71 Figure 57 : Pile bouton lithium CR1025 ............................................................................... 73 Figure 58 : Pile lithium 3V CR12600SE ............................................................................... 73 Figure 59 : Exemples de batteries plomb acide ................................................................... 80 Figure 60 : Exemples de batteries sèches ........................................................................... 89 Figure 61 : SAFT : étanches ou ouvertes, aqueuses ou gel ................................................ 90 Figure 62 : Composition d’une batterie Saft......................................................................... 91 Figure 63 : Batterie « maison ».......................................................................................... 112 Figure 64 : Charge des batteries au plomb en 2 étapes .................................................... 117 Figure 65 : Charge des batteries au plomb en 3 étapes .................................................... 118 Figure 66 : Charge normale des batteries nickel-cadmium................................................ 119 Figure 67 : Courbe de charge combinée Ni-Cd ................................................................. 121 Figure 68 : Courbe de charge des batteries nickel métal hydrure...................................... 122 Figure 69 : Exemple de système de charge rapide pour Ni-MH ........................................ 122 Figure 70 : Courbe de charge des batteries au lithium ...................................................... 124 Figure 71 : Profil typique courant/tension pour les batteries rechargeables alcalines........ 126 Figure 72 : Exemples de piles alcalines............................................................................. 126 Figure 73 : Dérivée de la tension ....................................................................................... 127 Figure 74 : Chargeur de batterie........................................................................................ 129 Figure 75 : Système mixte ................................................................................................. 130 Figure 76 : Tension fournie par la batterie et par le chargeur ............................................ 131 Figure 77 : Mode floating ................................................................................................... 132 Figure 78 : Mode panne d’alimentation CA........................................................................ 133 Figure 79 : Mode charge et alimentation de charge........................................................... 133 Figure 80 : Groupe de batteries ......................................................................................... 134 Figure 81 : Exemple d’application sur site : système monobloc ‘Chloride’ Apodys EXCOR ................................................................................................................................... 135 Figure 82 : Synchronisation d’ASI...................................................................................... 136 Figure 83 : Principe de secours ......................................................................................... 137 Figure 84 : ASI seul ........................................................................................................... 137 Figure 85 : Double ASI ......................................................................................................137 Figure 86 : Exploitation normale ........................................................................................ 138 Figure 87 : Panne de l’alimentation CA primaire (normale) ............................................... 138 Figure 88 : Alimentation de secours en mode charge........................................................ 139 Figure 89 : Maintenance en mode dérivation..................................................................... 140 Figure 90 : Numérotation des éléments ............................................................................. 145 Figure 91 : Placement des appareils de mesure pour mesure de la résistance de connexion. ................................................................................................................................... 147 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 183 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries Figure 92 : Densimètre ...................................................................................................... 159 Figure 93 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (1) ................................................... 168 Figure 94 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (2) ................................................... 169 Figure 95 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (3) ................................................... 170 Figure 96 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (4) ................................................... 171 Figure 97 : Exemple de fiche de contrôle de batterie (5) ................................................... 172 Figure 98 : Batterie éclatée................................................................................................ 175 Figure 99 : Masque de sécurité ......................................................................................... 176 Figure 100 : Outils de sécurité ........................................................................................... 176 Figure 101 : Implantation non étanchéisée de la salle des batteries ................................. 180 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 184 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 10. SOMMAIRE DES TABLEAUX Tableau 1 : Quelques dates clé concernant les batteries .................................................... 13 Tableau 2 : Tension naturelle des métaux ........................................................................... 15 Tableau 3 : Exemples issus du tableau des potentiels standard ......................................... 20 Tableau 4 : Taille des boîtiers de batterie ............................................................................ 60 Tableau 5 : Taille des piles cylindriques .............................................................................. 61 Tableau 6 : Taille des piles prismatiques faible puissance .................................................. 63 Tableau 7 : Taille des éléments prismatiques grande puissance......................................... 63 Tableau 8 : Piles jetables.....................................................................................................64 Tableau 9 : Batteries............................................................................................................ 79 Tableau 10 : Tableau récapitulatif - accumulateurs ........................................................... 113 Tableau 11 : Résumé des accumulateurs.......................................................................... 114 Tableau 12 : Tableau de relevés (résistance de connexion) pour les batteries de l’ex. cidessus ........................................................................................................................ 146 Tableau 13 : Tableau de relevés (tension d’élément) pour le groupe de batteries de l’exemple ci-dessus .................................................................................................... 149 Tableau 14 : Tableau de relevés (résistance d’élément) pour l’exemple ci-dessus de groupe de batteries................................................................................................................. 151 Tableau 15 : Rythme de maintenance des batteries liquides classiques plomb acide....... 157 Tableau 16 : Programme de maintenance des batteries plomb-acide à régulation par soupape...................................................................................................................... 161 Tableau 17 : Périodicité de maintenance des batteries ouvertes Nickel-Cadmium ........... 162 Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 185 de 186 Exploration & Production Équipements Les batteries 11. CORRECTIONS DES EXERCICES Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR Dernière Révision : 10/07/2007 Page 186 de 186
