Batterie au plomb

Ce type est très connu par son utilisation dans les automobiles ; le tableau ci-dessous rappelle les différences principales entre les bat-teries solaire et de démarrage :

Caractéristique Batterie

solaire démarrage

Courant << capacité > capacité

Rendement élevé moyen

Cyclable oui faible

Autodécharge faible moyenne

Ce tableau donne les caractéristiques les plus recherchées d’une bat-terie solaire, à savoir, un rendement élevé, une grande durée de vie avec un grand nombre de cycles et une autodécharge faible.

Le comportement électrochimique d’une batterie suit l’équation sui-vante :

Electrode Acide Electrode Electrode Eau Electrode Positive Négative Charge Positive Négative

PbO₂+ 2H₂SO₄+ Pb PbSO₄+ 2H₂O + PbSO₄

→

Décharge

4.46 + 3.65 + 3.86 = 11.97 g/Ah 5.65 + 0.67 + 5.65 = 11.97

→

La masse positive chargée est en dioxyde de plomb brun, la masse négative chargée est en plomb gris spongieux. Durant la décharge, une partie de l’électrolyte se lie au plomb et le transforme en sulfate de plomb ; cette transformation produit de l’eau, ce qui fait baisser la densité de l’électrolyte. On peut calculer cette variation de densité en fonction de la charge / décharge : pour chaque Ah de décharge, 3.654 g d’acide se lie au plomb et 0.672 g d’eau est produit ; la charge produisant les mêmes valeurs en retour. Cette variation de densité est facile à mesurer dans les batteries ouvertes pour contrôler l’état de charge.

La variation de densité de l’électrolyte a un autre effet important qui limite l’emploi des batteries à basse température, sa température de congélation augmentant lorsque la batterie est déchargée.

Chaque cellule de batterie plomb fournit une tension moyenne de 2 V et l’on assemble en série / parallèle le nombre d’éléments néces-saires pour atteindre une tension et un courant désirés. Les petites capacités vont souvent par batteries de 6 ou 12 V (3 ou 6 cellules en série) alors que les grandes capacités partent d’éléments 2 V, qui peu-vent atteindre jusqu’à 2000 Ah, connectés en série.

8.3.1.1 Caractéristique de charge

La figure 8.2 représente l’allure de la courbe de charge à courant constant d’une batterie au plomb pour différentes températures.

Figure 8.2 Caractéristique de charge

d’une batterie au plomb

On remarque que la tension augmente rapidement lorsque la batte-rie approche de la pleine charge ; ceci facilite la conception de régu-lateurs. D’autre part, les courbes en températures suivent des paral-lèles régulières et on peut déterminer une dépendance linéaire de la tension maximale en température qui vaut par cellule 2 V :

dVmax (T) =– 6 mV /°C Variation de densité

de l'électrolyte

8.3.1.2 Caractéristique de décharge

La figure 8.3 représente les courbes de décharge à différents cou-rants.

Figure 8.3

Caractéristique de décharge, batterie de 100 Ah (C10)

Figure 8.4

Capacité / temps de décharge La première observation est que la tension baisse lorsque le courant

augmente, de même que la tension minimale autorisée sans endom-mager la batterie : cet effet est dû à la résistance interne. On en tien-dra compte pour les régulateurs si les courants de décharge dépas-sent C /10. Un autre effet que l’on observe sur cette courbe est que la capacité baisse lorsque le courant augmente : à la capacité de réfé-rence de 100 Ah correspond une décharge en 10 h, et donc un cou-rant de 10 A. A plus petites coucou-rants, le produit coucou-rant par le temps dépasse 100 Ah alors qu’à plus grands courants, c’est l’inverse. On peut ainsi déterminer la courbe 8.4 qui présente la capacité en fonc-tion du temps de décharge de la batterie.

Pour comparer deux batteries, il faut connaître leur capacité au même courant de décharge, ou au moins à la même vitesse de décharge. Pour de petits systèmes isolés, la valeur de capacité pour une décharge de 20 heures est assez pratique : c’est souvent le niveau de courant d’un système pour chalet de week-end.

8.3.1.3 Influences de la température

Figure 8.5 Capacité / température

La température ambiante influence la capacité. On remarque que, au-dessous de 0°C, la capacité baisse rapidement (figure 8.5) ; il faut pour une utilisation à ces températures limiter fortement l’usage de l’accumulateur ou augmenter fortement sa capacité pour éviter sa destruction par le gel. On utilise dans ce cas un régulateur à tension de coupure ajustable qui permet de couper les utilisateurs au-des-sus du point de congélation de l’électrolyte. Pour les systèmes tra-vaillant au-dessous de 0°C, on utilisera un régulateur qui compense la tension maximale de charge de –6 mV / °C (8.3). A température éle-vée (>25°C), il faut également prévoir la compensation thermique pour éviter l’évaporation de l’électrolyte ; à ces températures, on uti-lise souvent un électrolyte moins concentré pour limiter la corrosion interne de la batterie. La figure 8.6 donne le minimum d’état de charge à respecter d’une batterie de 100 Ah /10h en fonction de la température pour éviter la congélation de l’électrolyte.

Figure 8.6 Etat de charge minimal

sans congélation

8.3.1.4 Autres caractéristiques Rendement

Le rendement à petits courants de charge / décharge est pratique-ment constant : pour une batterie neuve on prend une valeur de 0.83 en Wh ou 0.9 en Ah. Pour une batterie professionnelle, type tubu-laire, cette valeur peut atteindre jusqu’à 0.98 en Ah.

Danger de gel

Cyclage et durée de vie

Pour une batterie solaire à plaques ou étanche, le nombre de cycles charge / décharge est d’environ 200 cycles à 80 % de profondeur de décharge ; à 30 % de décharge, il dépasse en général 800 cycles. La durée de vie de telles batteries dépasse souvent 5 ans et peut atteindre jusqu’à 10 années. Les batteries blocs tubulaires dépassent 4500 cycles à 30 % de décharge et elles durent plus de 10 années.

Autodécharge

Cette valeur varie d’un constructeur à l’autre car elle dépend des matériaux utilisés (alliage de plomb, séparateurs …). Une bonne bat-terie solaire ne devrait pas avoir plus de 3 à 5 % de perte de capacité mensuelle à 20°C. L’autodécharge augmente avec la température et triple à 30°C par rapport à 20°C.

Mise en série / parallèle, montage

On peut connecter en série / parallèle des batteries solaires exacte-ment identiques et de même âge. Pour la mise en parallèle, il faut veiller à l’équilibrage des courants par un câblage symétrique. Pour chaque chaîne de batterie, monter un fusible en série dans le câblage.

Il est toujours avantageux de surdimensionner une batterie au départ, la mise en parallèle de batteries d’âges différents étant for-tement déconseillée, la batterie la plus âgée faisant vieillir prématu-rément la nouvelle. Il est également meilleur d’utiliser une grande batterie plutôt que deux petites totalisant la même capacité.

Il faut toujours prévoir une bonne ventilation des batteries pour évi-ter l’accumulation de gaz explosif. De même un bac étanche sup-plémentaire est une bonne protection en cas de fuite d’acide qui attaque toutes les matières organiques. Les batteries étanches sont utiles pour les applications portables.

Prix

Le choix d’une technologie sera fonction de l’utilisation et non d’un coût minimal de stockage. Pour un système peu utilisé comme un chalet de week-end avec 50 à 100 cycles partiels par an, on choisira la batterie la moins chère parce qu’il serait impossible de rentabili-ser une batterie tubulaire. Par contre pour une utilisation quoti-dienne, le choix du tubulaire ou d’une technologie intermédiaire s’impose.

Dans le tableau ci-dessous, on compare l’investissement moyen par kWh à 20 h de décharge et le coût de l’énergie chargée / déchargée à 30 % de décharge (sans compter les frais financiers, de remplace-ment et d’entretien).

Technologie Cycles Investissement Coût énergétique à 30 % Fr. / kWh Fr. / kWh

Etanche 800 320.– 1.33

Plaques 800 250.– 1.04

Batt. OPzS 2800 550.– 0.65

Tubulaire bloc 4500 970.– 0.72

Dans l’analyse du coût d’un système réel, il faudra tenir compte des frais éventuels de remplacement ou d’entretien, spécialement si le site est difficilement accessible.