Batterie au plomb 

Il existe plusieurs types de batteries au plomb. Qu’elles soient à acide liquide ou gel, leurs caractéristiques sont proches, ayant pour chaque technologie utilisée, des avantages et des inconvénients.

Une batterie au plomb standard (12 Volts) est composée de 6 cellules. Sa tension nominale est de 12.6V soit 2.1V par cellule.

Une batterie ne doit jamais être déchargée à plus de 50 % de sa capacité nominale. La tension n'est pas une référence fiable dans le temps, puisque plus la batterie est âgée, plus la tension a tendance à baisser.

La batterie au plomb possède une énergie massique moyenne de 35 Wh/kg.

(1 Wh/kg = 3600 J/kg)

Une cellule est déchargée quand sa tension atteint 1.8V, soit pour une batterie 10.8V.

La capacité de stockage représente la quantité d’énergie disponible et s’exprime en ampère-heure (Ah).

Le courant maximal qu’elle peut fournir durant quelques instants, par exemple lors de l’utilisation du démarreur, s’exprime en courant de crête en ampères CCA.

Ce courant maximal se retrouve aussi sous d’autres normes, EN, DIN, etc...

Ces valeurs sont données par le fabricant de la batterie et correspondent à une batterie neuve et chargée à 100%. 

Une cellule est composée de plaques « négatives » (anode) en plomb et de plaques « positives » (cathode) en oxyde de plomb isolées par des séparateurs (isolants évitant le contact physique entre les plaques). Cet ensemble d’éléments est immergé dans une solution d’eau et d’acide sulfurique (H2SO4), l’électrolyte, que l’on appelle généralement, acide liquide ou gel (acide dilué entre 30 et 38%). 

la décharge :

A la cathode (+), le dioxyde de plomb PbO2 se transforme en sulfate de plomb PbSO4, en libérant du dioxygène (O2) et absorbe des électrons.

Cathode (réduction) :

A l’anode (-), le plomb fixe la partie sulfurée de l’acide en sulfate de plomb PbSO4 et libère des électrons

Anode (oxydation) :

Constatation : Aux deux électrodes, cathode et anode, les réactions chimiques produisent du sulfate de plomb.

 La charge

Les réactions chimiques s’inversent par rapport à la décharge.

On branche un chargeur pince noire (négatif - ) sur la borne - et la pince rouge (positif +) sur la borne + de la batterie.

La batterie se charge en lui appliquant un courant continu avec comme condition impérative la tension par cellule ne doit pas dépasser 2,4 V (à 25°C), soit pour une batterie de 12 V, 14.4 Volts. (tension variable selon technologies de batteries)

Il y a 3 périodes durant la charge :

  1. La phase dite CC ( « Constant Current » ou courant constant ) durant laquelle la tension par cellule est inférieure à 2.34V et le courant est au « maximum » de la capacité de fourniture de courant du chargeur (limite interne au chargeur).

  2. La phase dite CV ( « Constant voltage » ou tension constante ) dite aussi « phase d’absorption » commande dès que la tension atteint 2.34V par cellule.

    A ce moment le chargeur change sa stratégie de charge pour éviter de dépasser cette tension maximale, et asservi son courant à cette tension de référence.

  3. La phase de fin de charge dite de « floating » ou d’entretien.

    Si l’on continuait la phase 2 (CV), cela provoquerait l’électrolyse de la solution eau/acide et une évaporation continue de l’eau.

    Donc pour éviter cette dégradation de l’électrolyte, et compenser l’auto décharge de la batterie, le chargeur passe en mode « entretien » en baissant sa tension à 2.3V par cellule ou 13.8V pour une batterie 12V. 

La décharge lente ou auto décharge de la batterie 

Dans un monde parfait, la charge et la décharge sont équilibrées d’un point de vue chimique.

La réalité est différente.

Du fait de l’électrolyse une partie de l’eau s’évapore sous forme d’oxygène et d’hydrogène.

De plus du sulfate de plomb se « dépose », se « cristallise » (particulièrement sur les plaques positives ).

Cela explique la détérioration lente et systématique d’une batterie et la décharge lente d’une batterie non branchée. 

Les principales causes de dégradation des batteries sont : 

  • La décharge complète (sulfatation irréversible)

  • Le nombre de cycles complets de charge /décharge

  • L’oxydation des plaques par défaut d’électrolyte

  • Les conditions thermiques d’utilisation (climatique et environnement moteur)

  • Le nombre de démarrages (courant crête )   

La conductance

 Un corps soumis à une différence de potentiel laisse passer une certaine quantité de courant.

La conductance est la représentation de cette capacité à laisser passer le courant. 

Conductance (Siémens) = I (Ampère) / U (Volt) 

Une batterie n’est pas un dipôle passif résistif, mais un dipôle capacitif électrochimique.

Donc, nous devrions utiliser l’admittance pour caractériser cette capacité à laisser passer le courant, car selon la fréquence, l’admittance évolue. 

Admittance (Siémens) = Conductance (Siémens) + j Susceptance (Siémens) 

Etant donné que la batterie n’est pas soumise à des fréquences, mais utilisée en courant continu, à un instant t, nous pouvons ignorer la Susceptance et obtenons l’égalité suivante : 

Admittance (Siémens) = Conductance (Siémens) 

Cette précision étant faite, nous allons expliquer pourquoi l’utilisation de la mesure de la conductance d’une batterie, permet d’évaluer très précisément sa capacité à fournir le courant nécessaire au démarrage d’un véhicule, mais aussi est un indicateur de son état de santé. 

Représentation schématique simplifiée d’une batterie

 

 La capacité à fournir un fort courant de démarrage est directement liée à la conductance de la batterie.

La conductance d’une batterie est la somme des conductances de tous les composants de la batterie.

 Soit G, la conductance :

 Soit une cellule = (G plaques positives + G électrolyte + G plaques négatives) 

G globale = G borne négative + Cellule 1 + G liaison + Cellule 2 + G liaison + Cellule 3 + G liaison + Cellule 4 + G Liaison + Cellule 5 + G liaison + Cellule 6 + G Borne positive 

Une anomalie ou défaut dans une seule des conductances en série ci-dessus sera immédiatement détectée par le testeur. La moindre anomalie entrainera immédiatement une réduction de la capacité de la batterie à fournir le courant nécessaire au démarreur. Selon cette réduction de capacité, le démarrage deviendra impossible… 

La mesure de la conductance est réellement la seule capable de mettre en évidence l’usure ou les défauts d’une batterie. Que se soit un défaut d’électrolyte, la sulfatation, un défaut de connexion interne, une désagrégation des plaques, il sera immédiatement détecté de part son impact sur la conductance globale mesurée.