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Accumulateurs électriques (batteries)
Le document qui peut servir de référence
est le texte
Energie sans limites
Reinout RADER
Il existe divers type d’accumulateurs, Pb,
CdNi, NiZn Li-ion, …etc
Les plus anciens et les plus courants sont
les accumulateurs au plomb
Accumulateurs électriques (batteries)
Gaston PLANTE (1859)
Batterie au Plomb/acide
Principe de fonctionnement
A la décharge, les deux polarités se sulfatent, l'électrolyte est
consommé ( les ions SO42- vont sur les électrodes). L'oxygène
libéré par l'électrode positive s'unit aux ions H+ en solution pour
former de l'eau. Si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera
plus composé que d'eau distillée.
Principe de fonctionnement
A la recharge, les deux polarités se désulfatent,
l'électrolyte est regénéré (mise en solution d'ions SO42- ).
La plaque positive est peroxydée (formation de PbO2) et des
ions sont libérés (augmentation de la concentration H+ de
l'électrolyte).
Densité d’énergie et rendement
accumulateur au plomb
Sous 2V, la densité théorique d'énergie est de 168 Wh/Kg.
En pratique, 45 à 50 Wh/Kg.
Le rendement énergétique de 70 à 75%
25% de l'énergie électrique est dissipée en chaleur lors des
réactions életrochimiques de charge, décharge et auto-décharge.
Tension
La tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est
voisine de 2V
Sa valeur varie entre 1,7 V et 2,4 V suivant l'état de charge en
conditions normales de fonctionnement.
Charge.
Pendant la charge, l'accumulateur est un récepteur.
Après un court régime transitoire elle s'établit aux environs de 2,2 V.
Tension
Charge.
En fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la
tension. Les plaques, complètement polarisées, ne retiennent plus
l'oxygène et l'hydrogène dégagés.
La fin de charge est atteinte à 2,6 V
en charge cyclique.
En charge flottante (charged’entretien) on se limite entre 2,25 V et
2,35 V par élément
Tension
Décharge.
Pendant une assez longue durée d'utilisation, la tension
reste remarquablement constante à la valeur de 2V
À partir
du point
elle diminue
(1,8 V
En
pratique,
on neN,
descend
pas enbrusquement
général en dessous
de), il
faut
l'accumulateur,
peine de voir
20
% alors
de la recharger
capacité batterie.
Sinon, lasous
sulfatation
apparaître
sulfatation
des plaques.
entraîne
unelaperte
de capacité
et une augmentation de la
résistance interne d'où baisse de tension.
Tension
Tension nominale :
Tension d'un élément chargé au repos à 25°C : 2.1V/Elt.
soit 12.6V pour la traditionnelle batterie dite de 12V.
Tension de Floating (entretien):
Tension sous laquelle on peut maintenir en permanence un accu
pour être sur qu'il soit chargé au moment où en a besoin :
2.25 à 2.28/Elt. à 25°C.
Cette valeur doit être corrigée en fonction de la température.
La variation est de U = -5mV/K.
A -10°C c'est 2.36V et à +40°C 2.21V.
Soit pour 6Elt : 14.6V à -10°C 13.6V à +25°C et 13.2V à +40°C.
Modes de charge
Charge en 2 temps
1 Courant constant
2 Tension constante:
charge à rapide à
100% ou Floating
Modes de charge
Charge en 3 temps
1 Courant constant
2 Tension constante
de recharge
3 Tension constante
de floating
Fonctionnement du régulateur
Tension
VFC
Fin de charge
VRC
Vrl
Vdl
Recharge
Reconnexion
Délestage
Temps
Résistance interne
La résistance interne d'un accumulateur est toujours très faible
(de l'ordre de quelques centièmes d'ohm)
Modélisation
I
Elle dépend de la
température
I
r
U
U
E
U = E - rI
On peut l’estimer avec
le courant maximum:
r = Un/Imax
Rendement
Le rendement en ampères-heures (ou faradique) est le rapport entre
la quantité d'électricité débitée à la décharge Q d et la quantité
d'électricité fournie lors de la charge Q.
QD
ηQ 
QC
Ce rendement est de l'ordre de 90 %.
Le rendement en énergie est de l'ordre de 70 à 80 %.
Il est plus faible car les ampères-heures ne sont pas stockés
et restitués à la même tension.
Capacité
On appelle capacité la quantité d'électricité, évaluée
habituellement en ampères-heures (Ah), qu'un
accumulateur chargé peut faire circuler pendant la période
de décharge.
La capacité d'un élément est fonction du régime de
décharge.
La capacité nominale (Cn) d'une batterie est donnée pour
un régime de décharge en 10 h(C10), 20h(C20) ou 100h (C100)
In = C10/10 ou C20/20
ou C100/100
Capacité
Pour un régime de décharge plus élevé ID> In la capacité diminue.
Pour un régime de décharge plus faible ID< In la capacité augmente.
Le courant de décharge est évalué en fractions de la capacité
exprimée en Ah (ex : C/100).
Un accumulateur de C10 = 100 Ah peut fournir 10 A pendant 10 h.
Sa capacité sera réduite à 80 Ah pour un régime de décharge à
I = C10/5 = 20A
Sa capacité pourra être augmentée à 140 Ah pour un régime de
décharge à I = C10/100 = 1 A.
La capacité d'un élément est fonction de sa température :
Les variations vont dans le même sens que celles de la température.
Capacité
La variation de la capacité peut être calculée par la loi de Peukert
Pour laquelle k  1,3
CP x 
TN * I x
 Ix 
 
 IN 
k
La capacité d'un élément est fonction de sa température :
Les variations vont dans le même sens que celles de la température.
Autodécharge
Le taux d'autodécharge d'un accumulateur représente la perte
moyenne relative de capacité par mois et pour une température
donnée.
C’est une caractéristique interne découlant de la
technologie utilisée elle est généralement donnée pour
une température de 20 °C.
Elle est de l'ordre de 10 % par mois, pour les plaques au plomb
antimonieux (cet alliage a pour but d'augmenter la tenue
mécanique)
Elle est de l'ordre de quelque % par mois pour le plomb doux (à
faible teneur d'antimoine) ou le plomb calcium, mais les éléments
sont plus fragiles.
L'autodécharge varie très rapidement avec la température. Elle
double de valeur tous les 10 °C
Durée de vie
La durée de vie des accumulateurs est directement liée à leurs
conditions d'utilisation. Pour une utilisation en stockage tampon,
La durée de vie dépend essentiellement du nombre et de
l'amplitude des cycles charge décharge.
En limitant la profondeur de décharge journalière Dj< 15 % Cn et
la profondeur de décharge saisonnière Ds< 60 % Cn,
on estime la durée de vie des accumulateurs à 6 ou 7 ans,
ceux ci étant protégés contre la surcharge.
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