Batteries au plomb-acide inondées (Batteries au plomb)

Introduction

Il existe différents types de batteries au plomb-acide, notamment les batteries gel, les batteries à électrolyte absorbé (AGM) et les batteries inondées. La batterie au plomb-acide originale remonte à 1859 et bien qu'elle ait été considérablement modernisée depuis, le principe reste le même. Les batteries à électrolyte absorbé et les batteries gel sont souvent regroupées sous le nom de batteries au plomb-acide régulées par soupape (VRLA).

Les batteries au plomb-acide n'ont pas une densité énergétique élevée par rapport à leur poids ou volume, mais elles restent populaires car elles sont économiques à produire et offrent d'excellentes performances de puissance par rapport au poids. Elles sont largement utilisées dans l'industrie automobile car elles peuvent fournir un courant élevé en peu de temps, ce qui est essentiel pour démarrer un moteur à combustion interne (IC) (diesel ou essence, etc.).

On estime que 40 à 60 % du poids d'une batterie au plomb-acide moyenne est dû aux plaques de plomb, ce qui explique leur poids important.

 

Fonctionnement des batteries au plomb-acide

 

Les plaques de plomb sont immergées dans un électrolyte (mélange d'eau et d'acide sulfurique) dans un boîtier de batterie en plastique. Les plaques positives et négatives sont conçues avec des revêtements différents pour permettre la circulation du courant entre elles. À mesure que le courant circule entre les plaques en raison de la réaction chimique, du sulfate de plomb se forme sur les plaques positives et négatives (le sulfate de plomb apparaît comme un dépôt jaune). À mesure que le sulfate de plomb s'accumule, la tension commence à diminuer. Le sulfate de plomb peut cristalliser sur les plaques si un chargeur de batterie n'est pas rapidement connecté et un courant de charge appliqué.

 

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Types de batteries au plomb-acide

En général, il existe deux types de batteries de stockage au plomb-acide, basées sur leur méthode de construction : inondées (ou ventilées) et scellées. Les batteries inondées et scellées diffèrent également dans leur fonctionnement. Toutes les batteries au plomb-acide produisent de l'hydrogène et de l'oxygène (dégazage) aux électrodes lors de la charge par un processus appelé électrolyse. Ces gaz sont autorisés à s'échapper d'une cellule inondée, cependant, la cellule scellée est conçue pour contenir et recombiner les gaz. Il est important de noter que le gaz hydrogène est explosif dans l'air à seulement 4 % en volume. Les batteries au plomb-acide inondées et scellées sont discutées dans les paragraphes suivants.

Batteries au plomb-acide inondées

Les cellules inondées sont celles où les électrodes/plaques sont immergées dans l'électrolyte. Étant donné que les gaz créés lors de la charge sont ventilés dans l'atmosphère, de l'eau distillée doit être ajoutée occasionnellement pour ramener l'électrolyte à son niveau requis. L'exemple le plus familier d'une cellule au plomb-acide inondée est la batterie automobile de 12 V.

Batteries au plomb-acide scellées

Ces types de batteries confinent l'électrolyte, mais ont un évent ou une soupape pour permettre aux gaz de s'échapper si la pression interne dépasse un certain seuil. Lors de la charge, une batterie au plomb-acide génère de l'oxygène gazeux à l'électrode positive.

Les batteries au plomb-acide scellées sont conçues de manière à ce que l'oxygène généré lors de la charge soit capturé et recombiné dans la batterie. Cela s'appelle un cycle de recombinaison de l'oxygène et fonctionne bien tant que le taux de charge n'est pas trop élevé. Un taux de charge trop élevé peut entraîner une rupture du boîtier, une échappée thermique ou des dommages mécaniques internes.

La batterie régulée par soupape est le type de batterie scellée le plus courant. Elle a été développée pour les applications de batterie stationnaire et de télécommunication. Ces types de batteries scellées ont une soupape contrôlée par ressort qui évacue les gaz à une pression prédéterminée. Les seuils de pression typiques vont de 2 à 5 psig, selon la conception de la batterie. Bien que le terme "régulée par soupape" soit souvent utilisé de manière synonyme pour décrire les batteries au plomb-acide scellées, toutes les batteries scellées ne sont pas régulées par soupape. Certaines conceptions de batterie utilisent des bouchons d'évent remplaçables ou d'autres mécanismes pour soulager l'excès de pression. Les batteries scellées ont été développées pour réduire l'entretien requis pour les batteries en service actif. Étant donné que les niveaux d'électrolyte sont préservés en piégeant et en recombinant les gaz, il ne devrait pas être nécessaire d'ajouter de l'eau distillée pendant la durée de vie de la batterie. Ces batteries sont souvent mal nommées "sans entretien". En fait, toutes les pratiques d'entretien applicables aux batteries non scellées sont applicables aux batteries scellées. La seule exception est que les niveaux d'électrolyte ne peuvent pas, et ne devraient pas avoir besoin d'être, maintenus.

Les batteries de type scellé sont souvent évitées pour les applications de source d'alimentation de secours pour plusieurs raisons. Une raison est que l'état de charge des batteries de type scellé ne peut pas être déterminé par la mesure habituelle de la densité spécifique. Des méthodes alternatives fiables pour mesurer l'état de charge des batteries de type scellé sont en cours de développement. Une deuxième raison est leur sensibilité aux températures élevées.

 

Fonctionnement et construction

Les paragraphes suivants décrivent le fonctionnement général et la construction des batteries au plomb-acide.

Matériaux actifs de la batterie au plomb-acide

Les matériaux actifs d'une batterie sont ceux qui participent à la réaction électrochimique de charge/décharge. Ces matériaux incluent l'électrolyte et les électrodes positives et négatives. Comme mentionné précédemment, l'électrolyte d'une batterie au plomb-acide est une solution diluée d'acide sulfurique (H₂SO₄). L'électrode négative d'une batterie entièrement chargée est composée de plomb éponge (Pb) et l'électrode positive est composée de dioxyde de plomb (PbO₂).

Électrochimie de la cellule au plomb-acide

Toutes les batteries au plomb-acide fonctionnent sur les mêmes réactions fondamentales. À mesure que la batterie se décharge, les matériaux actifs des électrodes (dioxyde de plomb dans l'électrode positive et plomb éponge dans l'électrode négative) réagissent avec l'acide sulfurique dans l'électrolyte pour former du sulfate de plomb et de l'eau. Lors de la recharge, le sulfate de plomb sur les deux électrodes se convertit en dioxyde de plomb (positif) et en plomb éponge (négatif), et les ions sulfate (SO₄^2-) sont renvoyés dans la solution électrolytique pour former de l'acide sulfurique. Les réactions impliquées dans la cellule suivent.

À l'électrode positive

À l'électrode négative

Pour la cellule globale

Par conséquent, la tension de circuit ouvert maximale qui peut être développée par une seule cellule au plomb-acide est de 2,041 V.

Méthodes de construction des plaques négatives et positives

La méthode la plus simple pour la construction des électrodes de batterie au plomb-acide est la plaque Planté, nommée d'après l'inventeur de la batterie au plomb-acide. Une plaque Planté est simplement une plaque plate composée de plomb pur. Étant donné que la capacité d'une batterie au plomb-acide est proportionnelle à la surface des électrodes exposée à l'électrolyte, divers schémas sont utilisés pour augmenter la surface des électrodes par unité de volume ou de poids. Les plaques Planté sont rainurées ou perforées pour augmenter leur surface. Une plaque Planté typique est montrée dans l'image ci-dessous.

La méthode la plus couramment utilisée pour augmenter la surface est de transformer le matériau actif en une pâte qui agit comme une éponge où l'électrolyte remplit tous les pores. La pâte, ou matériau actif, est montée dans une structure de cadre ou de grille qui la soutient mécaniquement et sert de conducteur électrique transportant le courant pendant le cycle de charge et de décharge. La plaque la plus couramment utilisée aujourd'hui est la plaque collée, également connue sous le nom de plaque plate. Cette structure de grille est un treillis qui ressemble à la section transversale d'un nid d'abeilles, avec la pâte remplissant toutes les fenêtres rectangulaires de la structure. L'image ci-dessous montre une construction typique d'une grille de plaque collée. La construction de plaque plate est utilisée comme plaque d'électrode négative dans presque tous les cas, et sert de plaque positive dans la plupart des applications de veille.

Plaque Planté typique

Construction typique d'une grille de plaque collée

Les électrodes positives sont généralement de construction collée ou tubulaire. Les électrodes tubulaires sont des plaques positives populaires pour les applications de cyclage intensif. Cette construction utilise une structure de cadre composée d'une série d'épines verticales connectées à un bus commun (barre omnibus). La pâte est maintenue dans des tubes microporeux, non conducteurs, qui sont placés sur les épines individuelles. Une vue simplifiée de la construction de la plaque tubulaire est montrée dans l'image ci-dessous. Quel que soit le type de plaque utilisé, la capacité de toute batterie est augmentée en ajoutant plusieurs plaques en parallèle.

Alliage d'antimoine/calcium/sélénium/étain

La structure de grille dans les batteries à plaques collées et tubulaires est faite d'un alliage de plomb. Une structure de grille en plomb pur n'est pas suffisamment solide par elle-même pour se tenir verticalement tout en soutenant le matériau actif. D'autres métaux en petites quantités sont alliés au plomb pour une résistance accrue et des propriétés électriques améliorées. Les métaux les plus couramment alliés sont l'antimoine, le calcium, l'étain et le sélénium.

Construction typique d'une plaque tubulaire

Les deux alliages les plus couramment utilisés aujourd'hui pour durcir la grille sont l'antimoine et le calcium. Les batteries avec ces types de grilles sont parfois appelées "batteries au plomb-antimoine" et "batteries au plomb-calcium". L'étain est ajouté aux grilles au plomb-calcium pour améliorer la cyclabilité. Les principales différences entre les batteries avec des grilles au plomb-antimoine et au plomb-calcium sont les suivantes :

1. Les batteries au plomb-antimoine peuvent être cyclées en profondeur plus de fois que les batteries au plomb-calcium. 
2. Les batteries au plomb-antimoine inondées nécessitent un entretien plus fréquent à mesure qu'elles approchent de la fin de leur vie, car elles consomment de plus en plus d'eau et nécessitent des charges d'égalisation périodiques. 
3. Les batteries au plomb-calcium ont des taux d'auto-décharge plus faibles comme le montre l'image ci-dessous et, par conséquent, consommeront moins de courant en charge flottante que les batteries au plomb-antimoine. 
4. Les plaques positives au plomb-calcium peuvent croître en longueur et en largeur en raison de l'oxydation de la grille aux limites des grains. Cette oxydation est généralement causée par une surcharge à long terme, ce qui est courant pour les UPS et autres batteries en charge flottante constante. Les grilles peuvent croître suffisamment pour provoquer un gauchissement ou une rupture de leurs conteneurs.

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Taux d'auto-décharge de trois matériaux de grille

Un autre type d'alliage de grille est le plomb-sélénium. En réalité, cette batterie est en fait une grille à faible teneur en plomb-antimoine avec une légère quantité de sélénium. Le plomb-sélénium a des caractéristiques qui se situent quelque part entre le plomb-calcium et le plomb-antimoine.

Lorsque le plomb pur est mélangé à un alliage, des caractéristiques indésirables peuvent être introduites dans les performances de la batterie. Les fabricants de batteries modernes essaient de réduire la quantité d'antimoine et de calcium en introduisant des agents dopants tels que le sélénium, le cadmium, l'étain et l'arsenic. Lorsque les batteries contenant de l'arsenic et de l'antimoine sont chargées (surtout surchargées), les gaz toxiques arsine (AsH₃) et stibine (SbH₃) peuvent être libérés. Cela est discuté plus en détail dans les paragraphes consacrés à la charge.

Densité spécifique

L'un des paramètres clés du fonctionnement de la batterie est la densité spécifique de l'électrolyte. La densité spécifique est le rapport du poids d'une solution au poids d'un volume égal d'eau à une température spécifiée. La densité spécifique est utilisée comme indicateur de l'état de charge d'une cellule ou d'une batterie. Cependant, les mesures de densité spécifique ne peuvent pas déterminer la capacité d'une batterie. Lors de la décharge, la densité spécifique diminue linéairement avec les ampères-heures déchargés comme indiqué dans l'image ci-dessous.

Changements de tension et de densité spécifique pendant la charge et la décharge

Par conséquent, pendant le fonctionnement en régime permanent entièrement chargé et lors de la décharge, la mesure de la densité spécifique de l'électrolyte fournit une indication approximative de l'état de charge de la cellule. La ligne descendante pour la densité spécifique pendant la décharge est approximée par l'équation ci-dessous :

Densité spécifique = tension de circuit ouvert de la cellule - 0,845.

Ou

Tension de circuit ouvert de la cellule = densité spécifique + 0,845.

Les équations ci-dessus permettent une surveillance électrique de la densité spécifique approximative de manière occasionnelle. Comme mentionné précédemment, les mesures de densité spécifique ne peuvent pas être prises sur les batteries au plomb-acide scellées. La mesure de la tension de circuit ouvert de la cellule a été utilisée comme indicateur de l'état de charge d'une batterie scellée. Des méthodes plus fiables pour déterminer l'état de charge des batteries scellées sont en cours de développement.

La densité spécifique diminue pendant la décharge d'une batterie jusqu'à une valeur proche de celle de l'eau pure et elle augmente pendant une recharge. La batterie est considérée comme entièrement chargée lorsque la densité spécifique atteint sa valeur la plus élevée possible.

La densité spécifique varie bien sûr avec la température et la quantité d'électrolyte dans une cellule. Lorsque l'électrolyte est proche de la marque de bas niveau, la densité spécifique est plus élevée que la normale et diminue à mesure que de l'eau est ajoutée à la cellule pour amener l'électrolyte au niveau complet. Le volume d'électrolyte se dilate à mesure que la température augmente et se contracte à mesure que la température baisse, affectant ainsi la lecture de la densité ou de la densité spécifique. À mesure que le volume d'électrolyte se dilate, les lectures sont abaissées et, inversement, la densité spécifique augmente avec des températures plus froides.

La densité spécifique pour une batterie donnée est déterminée par l'application dans laquelle elle sera utilisée, en tenant compte de la température de fonctionnement et de la durée de vie de la batterie. Les densités spécifiques typiques pour certaines applications sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1. Densités spécifiques pour les batteries inondées.

Densités spécifiques	Application
1,300	Batteries fortement cyclées telles que pour les véhicules électriques (traction)
1,260	Automobile (SLI)
1,250	UPS—Veille avec besoin de décharge de courant momentané élevé
1,215	Applications générales telles que les applications de services publics et de téléphonie

 

Dans le choix d'une batterie pour une application donnée, certains des effets d'une densité spécifique élevée ou basse à prendre en compte sont :

Densité plus élevée	Densité plus basse
Plus de capacité	Moins de capacité
Durée de vie plus courte	Durée de vie plus longue
Moins d'espace requis	Plus d'espace requis
Taux de décharge momentané plus élevé	Taux de décharge momentané plus bas
Moins adaptable à l'opération "flottante"	Plus adaptable à l'opération "flottante"
Plus de perte en veille	Moins de perte en veille

 

Une solution de densité spécifique plus élevée est plus lourde par unité de volume qu'une de densité spécifique plus basse. Par conséquent, l'électrolyte plus concentré créé lors de la charge coule au fond du bocal de la batterie créant un gradient de densité spécifique. Le dégazage qui se produit lors de la surcharge sert de "mélangeur" et rend la densité spécifique uniforme dans toute la cellule. Pour éviter des lectures erronées, les mesures de densité spécifique ne doivent être prises qu'après une charge d'égalisation et une charge flottante subséquente pendant au moins 72 heures. Le lecteur doit rechercher des conseils supplémentaires sur la densité spécifique dans la norme ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.

Effets du taux de décharge et de la température sur la capacité et la durée de vie

Le taux auquel une batterie est déchargée et sa température de fonctionnement ont un effet profond sur sa capacité et sa durée de vie. Un exemple de l'effet du taux de décharge sur la capacité de la batterie est montré dans l'image ci-dessous pour les batteries de traction. Cette image montre que les batteries déchargées à un faible taux pourront fournir une capacité plus élevée que celles déchargées à un taux élevé.

La profondeur de décharge affecte également la durée de vie d'une batterie. Comme le montre l'image ci-dessous pour une batterie de traction typique, les décharges au-delà d'environ 80 % de la capacité peuvent être attendues pour raccourcir la durée de vie de la batterie.

Les températures de fonctionnement plus froides offriront un peu plus de durée de vie, mais réduiront également la capacité des cellules au plomb-acide. Les températures élevées offrent une capacité plus élevée (voir l'image ci-dessous) mais ont un effet néfaste sur la durée de vie.

Effets typiques du taux de décharge sur la capacité de la batterie

Effets typiques de la profondeur de décharge sur la durée de vie de la batterie de traction

Effets typiques des températures de fonctionnement sur la capacité de la batterie de traction

 

Applications

Il existe de nombreuses applications pour l'utilisation des batteries de stockage au plomb-acide. Elles vont des systèmes de batteries extrêmement grands utilisés pour le nivellement de charge par les compagnies d'électricité aux batteries relativement petites utilisées dans les outils à main. Les batteries peuvent avoir besoin de subir des cycles profonds et fréquents comme celles utilisées pour l'alimentation des véhicules électriques ou elles peuvent rester en "flottement" comme dans une application d'éclairage d'urgence et être rarement déchargées. De toute évidence, ces applications ne peuvent pas toutes utiliser la même batterie. Les contraintes sur des paramètres tels que la température de fonctionnement, la capacité souhaitée, les exigences de tension et de puissance, etc., affectent le type de batterie choisi.

Toutes les considérations ci-dessus sont prises en compte en déterminant le cycle de service de la batterie. Le cycle de service est les paramètres de fonctionnement requis d'une cellule ou d'une batterie, y compris des facteurs tels que les taux de charge et de décharge, la profondeur de décharge, la durée du cycle et la durée en mode veille. Le cycle de service doit être connu et inclus dans le cahier des charges de la batterie. Le cycle de service et la batterie choisie détermineront également le type de chargeur utilisé. Plus de détails sur l'adaptation des chargeurs aux batteries et aux applications sont inclus dans les paragraphes suivants. Plus d'informations sur les cycles de service sont incluses dans la section intitulée "Dimensionnement et sélection".

Les principales catégories d'applications de batteries au plomb-acide sont le démarrage, l'éclairage et l'allumage (SLI) ; industriel, y compris les applications de traction et stationnaires ; et petits équipements portables. Une brève description de chaque type est incluse ci-dessous ainsi que des exemples d'utilisations de chaque type.

Démarrage, éclairage et allumage

Les batteries SLI sont utilisées par la plupart des gens tous les jours et sont produites en plus grand nombre que tout autre type de batterie de stockage au plomb-acide. Elles sont utilisées pour démarrer les automobiles et la plupart des autres types de moteurs à combustion interne. Elles ne conviennent pas aux applications de décharge profonde, mais excellent pour les utilisations nécessitant un courant élevé pendant une courte période. Elles sont généralement chargées de manière "flottante partielle", ce qui signifie que la batterie ne reçoit qu'une charge flottante pendant que le véhicule est en marche. Une vue en coupe d'une batterie SLI typique est montrée dans l'image ci-dessous. Les batteries SLI sont généralement de conception à plaque collée plate.

Vue en coupe d'une batterie typique utilisée pour le démarrage, l'éclairage et l'allumage (SLI)

Industriel

Les batteries industrielles ont généralement la plus grande capacité des trois grandes catégories de batteries au plomb-acide. Les batteries industrielles sont utilisées pour la traction des véhicules et les applications stationnaires.

Traction

Les batteries de traction sont utilisées pour fournir de l'énergie motrice aux véhicules électriques ou hybrides. L'accent majeur sur la conception des batteries de traction est la nécessité d'un rapport capacité/poids et volume élevé, car le véhicule doit également transporter sa source d'énergie. Les batteries de traction sont fréquemment cyclées en profondeur et nécessitent un taux de charge rapide pour une utilisation généralement dans les 24 heures. Les applications typiques sont la puissance motrice pour les chariots élévateurs et les chariots électriques. Les batteries de traction sont généralement de conception à plaque tubulaire, qui fonctionne plus favorablement lors de l'opération de cycle profond.

Stationnaire

Les batteries stationnaires se déclinent en une grande variété de conceptions pour différentes applications. Elles sont utilisées pour des applications où l'énergie est nécessaire uniquement en veille ou en cas d'urgence. Les batteries stationnaires sont rarement déchargées. Les batteries stationnaires restent en charge flottante continue afin qu'elles puissent être utilisées à la demande. Les plus grands types de batteries stationnaires sont ceux utilisés pour le nivellement de charge électrique. Les batteries de nivellement de charge stockent l'énergie électrique pour les périodes de forte demande de puissance et sont mises hors ligne pendant les périodes de faible demande de puissance. Les batteries stationnaires sont également utilisées pour l'alimentation de secours d'urgence, les équipements de télécommunications et les alimentations sans interruption. Les batteries stationnaires sont fabriquées dans une variété de conceptions de plaques. Un exemple de batterie stationnaire utilisée pour l'alimentation de secours est montré dans l'image ci-dessous.

Batterie stationnaire typique utilisée pour l'alimentation de secours

Portable

Les batteries au plomb-acide portables sont généralement de type scellé construites de manière similaire à celle représentée dans l'image ci-dessous. Leur fonctionnement ne peut généralement pas être décrit comme cyclique ou flottant, mais se situe quelque part entre les deux. Les batteries de cette catégorie peuvent être fréquemment cyclées en profondeur ou rester inutilisées pendant une période relativement longue. Les applications typiques sont les outils portables, les jouets, l'éclairage et l'éclairage d'urgence, les équipements radio et les systèmes d'alarme. La plupart des batteries portables peuvent être rechargées à 80-90 % de leur capacité d'origine en moins d'une heure à l'aide d'un chargeur à tension constante.

Composants d'une cellule au plomb-acide scellée

 

Dimensionnement et sélection

Le dimensionnement et la sélection des batteries au plomb-acide doivent être effectués conformément à la norme ANSI/IEEE Std 485, IEEE Recommended Practice for Sizing Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Comme décrit précédemment, le cycle de service est le critère le plus important dans le dimensionnement et la sélection des batteries. La norme ANSI/IEEE Std 485 contient des instructions ainsi qu'un exercice d'exemple pour déterminer le cycle de service. Un diagramme simple de cycle de service est montré dans l'image ci-dessous.

Diagramme d'un cycle de service

Chacune des charges (désignées par L1-6) nécessite un certain ampérage pour un temps et une durée spécifiés. Dans le cycle de service d'exemple, une charge se produisant de manière aléatoire (L7) est supposée se produire à la 120e minute. Le placement des charges se produisant de manière aléatoire dans le cycle de service est également couvert dans la norme ANSI/IEEE Std 485.

Les autres facteurs de sélection recommandés par la norme ANSI/IEEE Std 485 sont les suivants :

1. Caractéristiques physiques, telles que la taille et le poids des cellules, le matériau du conteneur, les bouchons d'évent, les connecteurs intercellulaires et les bornes 
2. Durée de vie prévue de l'installation et durée de vie prévue de la conception de la cellule 
3. Fréquence et profondeur de décharge 
4. Température ambiante 
5. Exigences de maintenance pour les différentes conceptions de cellules 
6. Caractéristiques sismiques de la conception de la cellule.

 

Entretien

Un entretien approprié prolongera la durée de vie d'une batterie et aidera à garantir qu'elle est capable de satisfaire à ses exigences de conception. Un bon programme d'entretien de la batterie servira d'aide précieuse pour déterminer la nécessité de remplacer la batterie. L'entretien des batteries doit toujours être effectué par du personnel formé connaissant les batteries et les précautions de sécurité impliquées.

La plupart des éléments suivants concernent les batteries inondées non sans entretien. Cependant, les batteries dites "sans entretien" et régulées par soupape nécessitent également un certain entretien. Elles ne nécessitent pas d'ajout d'eau ou de vérification de la densité spécifique, mais elles peuvent nécessiter un nettoyage périodique, une surveillance de la tension totale de flottement des cellules et de la batterie, des tests de charge (capacité), une mesure de la résistance des bornes, ou un nettoyage et un serrage des boulons de borne selon l'importance de l'application.

Général

En général, un bon programme d'entretien et d'inspection doit être basé sur des normes pertinentes, telles que la norme ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Certaines des pratiques recommandées de ces références et d'autres sont présentées dans les paragraphes suivants.

Les batteries au plomb-acide inondées peuvent fonctionner pendant 10 ans ou plus si elles sont correctement entretenues. Les six règles générales d'un entretien approprié sont :

1. Adapter le chargeur aux exigences de la batterie. 
2. Éviter de décharger excessivement la batterie. 
3. Maintenir l'électrolyte au niveau approprié (ajouter de l'eau si nécessaire). 
4. Garder la batterie propre. 
5. Éviter de surchauffer la batterie. 
6. Fournir une charge d'égalisation périodiquement aux batteries/cellules faibles.

Adapter le chargeur aux exigences de la batterie

Une mauvaise pratique de charge est responsable de la réduction de la durée de vie d'une batterie plus que toute autre cause. La charge peut être effectuée par diverses méthodes, mais l'objectif de faire passer le courant à travers la batterie dans le sens opposé à la décharge reste le même. L'aspect le plus important de la charge est d'adapter le chargeur à l'application de la batterie. Lors du choix d'un chargeur, il est nécessaire de prendre en compte le type de batterie, la manière dont la batterie sera déchargée, le temps disponible pour la charge, les extrêmes de température que la batterie subira et le nombre de cellules dans la batterie (tension de sortie). Il est important de consulter le fabricant de la batterie au moment de l'achat pour déterminer la méthode de charge appropriée.

En général, les batteries au plomb-acide peuvent être rechargées à n'importe quel taux qui ne produit pas de dégazage excessif, de surcharge ou de températures élevées. Les batteries déchargées peuvent être rechargées à un courant élevé initialement. Cependant, une fois que la batterie approche de sa pleine charge, le courant doit être réduit pour réduire le dégazage et la surcharge excessive.

Une grande variété de schémas existe pour charger les batteries au plomb-acide. Bien qu'une discussion complète des différentes techniques de charge soit au-delà de la portée de ce cours, une description générale des méthodes les plus courantes suit.

Charge à tension constante

Les chargeurs à tension constante (souvent appelés chargeurs à potentiel constant) maintiennent presque la même tension d'entrée à la batterie tout au long du processus de charge, quel que soit l'état de charge de la batterie. Les chargeurs à tension constante fournissent un courant initial élevé à la batterie en raison de la plus grande différence de potentiel entre la batterie et le chargeur. Un chargeur à tension constante peut restituer jusqu'à 70 % de la décharge précédente dans les 30 premières minutes. Cela s'avère utile dans de nombreuses applications de batterie impliquant plusieurs scénarios de décharge. À mesure que la batterie se charge, sa tension augmente rapidement. Cela réduit le potentiel qui a entraîné le courant, avec une diminution rapide correspondante du courant de charge comme le montre l'image ci-dessous. En conséquence, même si la batterie atteint une charge partielle rapidement, obtenir une charge complète nécessite une charge prolongée.

Compte tenu de ce comportement, les chargeurs à tension constante se trouvent fréquemment dans des applications qui permettent normalement des périodes de charge prolongées pour atteindre une charge complète. Les chargeurs à tension constante ne doivent pas être utilisés là où il y a un cyclage fréquent de la batterie. Les décharges répétées sans ramener la cellule à sa pleine charge finiront par diminuer la capacité de la batterie et peuvent endommager les cellules individuelles.

Les chargeurs à tension constante sont le plus souvent utilisés dans deux modes très différents : comme chargeur rapide pour restaurer un pourcentage élevé de charge en peu de temps ou comme chargeur flottant pour minimiser les effets de la surcharge sur les batteries ayant des décharges peu fréquentes comme décrit ci-dessous.

Taux de charge par rapport au temps pour un chargeur à tension constante typique

Charge flottante

La charge flottante est le plus souvent utilisée pour les applications de secours et d'alimentation d'urgence où la décharge de la batterie est peu fréquente. Lors de la charge flottante, le chargeur, la batterie et la charge sont connectés en parallèle. Le chargeur fonctionne à partir de l'alimentation électrique normale qui fournit du courant à la charge pendant le fonctionnement. En cas de défaillance de l'alimentation électrique normale, la batterie fournit une alimentation de secours jusqu'à ce que l'alimentation électrique normale soit rétablie. Étant donné que la plupart des équipements nécessitent un courant alternatif, un circuit redresseur convertit le courant alternatif en courant continu et est généralement ajouté entre la batterie et la charge. Les chargeurs flottants sont généralement des chargeurs à tension constante qui fonctionnent à une basse tension. Faire fonctionner le chargeur à une basse tension, généralement inférieure à environ 2,4 V par cellule, maintient le courant de charge bas et minimise ainsi les effets dommageables de la surcharge à courant élevé.

Pour les batteries régulées par soupape, une considération importante lors de la charge flottante est la possible survenue d'un phénomène appelé "échappée thermique". La meilleure façon de prévenir l'échappée thermique est d'utiliser un chargeur de batterie à compensation de température. Un chargeur à compensation de température ajuste la tension de flottement en fonction de la température de la batterie. Les chargeurs à compensation de température augmenteront la fiabilité et prolongeront la durée de vie du système batterie/chargeur. Ils sont particulièrement utiles pour les batteries situées dans des zones où les températures peuvent être significativement supérieures aux conditions ambiantes.

Charge à courant constant

La charge à courant constant signifie simplement que le chargeur fournit un courant relativement uniforme, quel que soit l'état de charge ou la température de la batterie. La charge à courant constant aide à éliminer les déséquilibres des cellules et des batteries connectées en série. Les chargeurs à courant constant à un seul taux sont les plus appropriés pour le fonctionnement cyclique où une batterie est souvent requise pour obtenir une charge complète pendant la nuit. À ces taux de charge élevés, il y aura un certain dégazage. L'oxydation de la grille positive se produira à des températures élevées ou à des temps de surcharge prolongés. Normalement, l'utilisateur d'une application cyclique est instruit de retirer la batterie d'un chargeur à courant constant à un seul taux dans un délai qui permet une charge complète tout en évitant une oxydation excessive de la grille.

Un autre type de chargeur à courant constant est le chargeur à taux fractionné. Un chargeur à taux fractionné applique un courant initial élevé à la cellule, puis passe à un taux bas en fonction du temps de charge, de la tension ou des deux. Le choix de la méthode de commutation et du point de commutation peut être affecté par la priorité relative de minimiser le dégazage (commutation précoce) par rapport au maintien d'un bon équilibre des cellules (commutation tardive). Dans certains chargeurs à taux fractionné, le chargeur alternera entre le taux élevé et le taux bas à mesure que la batterie approche de sa pleine charge. Les chargeurs à taux fractionné sont utiles lorsque la décharge ne peut pas être classée comme flottante ou cyclique, mais se situe quelque part entre les deux applications.

Charge d'entretien

Une charge d'entretien est une charge continue à courant constant à un faible taux (environ C/100) qui est utilisée pour maintenir la batterie dans un état de charge complet. La charge d'entretien est utilisée pour recharger une batterie pour les pertes dues à l'auto-décharge ainsi que pour restaurer l'énergie déchargée lors de l'utilisation intermittente de la batterie. Cette méthode est généralement utilisée pour les batteries SLI et similaires lorsque la batterie est retirée du véhicule ou de sa source de charge régulière. La charge d'entretien est également largement utilisée pour les outils et équipements portables tels que les lampes de poche et les tournevis électriques.

Éviter la décharge excessive

Pour obtenir une durée de vie maximale des batteries au plomb-acide, elles doivent être déconnectées de la charge une fois qu'elles ont déchargé leur pleine capacité. La tension de coupure d'une cellule au plomb-acide est généralement d'environ 1,75 V. Cependant, la tension de coupure est très sensible à la température de fonctionnement et au taux de décharge. Les batteries déchargées à un taux élevé auront une tension de coupure plus basse que celles déchargées à un taux bas. Des capacités plus élevées sont obtenues à des températures plus élevées et à des taux de décharge bas. Le fabricant doit spécifier les tensions de coupure pour diverses températures de fonctionnement et taux de décharge. La décharge excessive peut entraîner des difficultés lors de la recharge de la cellule en augmentant la résistance interne de la batterie. De plus, la décharge excessive peut entraîner la précipitation du plomb dans le séparateur et provoquer un court-circuit dans la cellule ou entre les cellules.

Maintenir les niveaux d'électrolyte

Lors du fonctionnement normal, de l'eau est perdue d'une batterie au plomb-acide inondée en raison de l'évaporation et de l'électrolyse en hydrogène et oxygène, qui s'échappent dans l'atmosphère. Une faraday de surcharge entraînera une perte d'environ 18 g d'eau. L'évaporation est une partie relativement petite de la perte sauf dans les climats très chauds et secs. Avec une batterie entièrement chargée, l'électrolyse consomme de l'eau à un taux de 0,336 cm3 par ampère-heure de surcharge. Une batterie de 500 Ah surchargée de 10 % peut ainsi perdre 16,8 cm3, soit environ 0,3 %, de son eau à chaque cycle. Il est important que l'électrolyte soit maintenu au niveau approprié dans la batterie. L'électrolyte ne sert pas seulement de conducteur ionique, mais est un facteur majeur dans le transfert de chaleur des plaques. Si l'électrolyte est en dessous du niveau des plaques, alors une zone de la plaque n'est pas électrochimiquement efficace ; cela provoque une concentration de chaleur dans d'autres parties de la batterie. La vérification périodique de la consommation d'eau peut également servir de vérification approximative de l'efficacité de la charge et peut avertir lorsqu'un ajustement du chargeur est nécessaire.

Étant donné que le remplacement de l'eau peut être un coût de maintenance majeur, la perte d'eau peut être réduite en contrôlant la quantité de surcharge et en utilisant des dispositifs de recombinaison d'hydrogène et d'oxygène dans chaque cellule si possible. L'ajout d'eau est mieux réalisé après la recharge et avant une charge d'égalisation. L'eau est ajoutée à la fin de la charge pour atteindre la ligne de haut niveau. Le dégazage pendant la surcharge mélangera l'eau dans l'acide de manière uniforme. Par temps de gel, l'eau ne doit pas être ajoutée sans mélange car elle peut geler avant que le dégazage ne se produise. Seule de l'eau distillée doit être ajoutée aux batteries. Bien que l'eau déminéralisée ou du robinet puisse être approuvée pour certaines batteries, le faible coût de l'eau distillée en fait le meilleur choix. Les dispositifs d'arrosage automatiques et les tests de fiabilité peuvent réduire davantage les coûts de main-d'œuvre de maintenance. Le remplissage excessif doit être évité car le débordement d'électrolyte acide qui en résulte provoquera la corrosion du bac, des chemins de mise à la terre et une perte de capacité de la cellule. Bien que l'eau distillée ne soit plus spécifiée par la plupart des fabricants de batteries, une eau de bonne qualité, pauvre en minéraux et en ions métalliques lourds tels que le fer, aidera à prolonger la durée de vie de la batterie.

Nettoyage

Garder la batterie propre minimisera la corrosion des connecteurs de poteau de cellule et des bacs en acier et évitera des réparations coûteuses. Les batteries ramassent généralement de la saleté sèche qui peut être facilement soufflée ou brossée. Cette saleté doit être enlevée avant que l'humidité ne la rende conductrice de courants parasites. Le dessus de la batterie peut devenir humide avec l'électrolyte à tout moment où une cellule est trop remplie. L'acide dans cet électrolyte ne s'évapore pas et doit être neutralisé en lavant la batterie avec une solution de bicarbonate de soude et d'eau chaude, environ 1 kg de bicarbonate de soude pour 4 L d'eau. Après l'application d'une telle solution, la zone doit être rincée abondamment à l'eau.

Éviter les températures élevées

L'une des conditions les plus préjudiciables pour une batterie est la température élevée, en particulier au-dessus de 55°C, car les taux de corrosion, la solubilité des composants métalliques et l'auto-décharge augmentent avec l'augmentation de la température. Une température de fonctionnement élevée pendant le service de cycle nécessite une entrée de charge plus élevée pour restaurer la capacité de décharge et les pertes d'auto-décharge. Plus de l'entrée de charge est consommée par la réaction d'électrolyse en raison de la réduction de la tension de dégazage à la température plus élevée. Alors qu'une surcharge de 10 % par cycle maintient l'état de charge à 25 à 35°C, une surcharge de 35 à 40 % peut être nécessaire pour maintenir l'état de charge aux températures de fonctionnement plus élevées (60 à 70°C). En service flottant, les courants de flottement augmentent aux températures plus élevées, entraînant une durée de vie réduite. Onze jours de flottement à 75°C équivalent en durée de vie à 365 jours à 25°C. Les batteries destinées aux applications à haute température doivent utiliser un électrolyte de densité spécifique initiale plus basse que celles destinées à une utilisation à des températures normales. Les fabricants doivent être consultés sur les plages de température acceptables pour le fonctionnement de leurs batteries et sur les effets associés de la température. Les batteries nickel-cadmium peuvent être plus adaptées aux applications à haute température.

Fournir une charge d'égalisation

Souvent, une batterie multi-cellules aura une ou plusieurs cellules à une tension significativement plus basse que les autres cellules de la batterie. Lorsque la batterie est déchargée, les cellules à tension plus basse peuvent devenir surdéchargées. Comme mentionné précédemment, la surdécharge peut causer suffisamment de dommages à une cellule pour qu'elle doive être remplacée. Lorsqu'une différence existe entre les potentiels des cellules dans la même batterie, une charge d'égalisation est appliquée pour les amener à un potentiel égal aux autres cellules. Les critères pour appliquer une charge d'égalisation peuvent être trouvés dans la norme ANSI/IEEE 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.

Précautions de sécurité

Les problèmes de sécurité associés aux batteries au plomb-acide incluent les déversements d'acide sulfurique, les explosions potentielles dues à la génération d'hydrogène et d'oxygène, et la génération de gaz toxiques tels que l'arsine et la stibine. Tous ces problèmes peuvent être traités de manière satisfaisante avec des précautions appropriées. La norme NFPA 70, National Electrical Code, fournit des conseils sur la ventilation des salles de batteries. Le port de visières et de tabliers et gants en plastique ou en caoutchouc lors de la manipulation de l'acide est recommandé pour éviter les brûlures chimiques causées par l'acide sulfurique. Rincer immédiatement et abondamment à l'eau propre si l'acide entre en contact avec les yeux, la peau ou les vêtements et obtenir une attention médicale lorsque les yeux sont affectés. Une solution de bicarbonate de soude est couramment utilisée pour neutraliser tout acide accidentellement renversé. Après neutralisation, la zone doit être rincée à l'eau claire.

Des précautions doivent être pratiquées régulièrement pour prévenir les explosions dues à l'inflammation du mélange gazeux inflammable d'hydrogène et d'oxygène formé lors de la surcharge des cellules au plomb-acide. Le taux maximum de formation est de 0,42 L d'hydrogène et 0,21 L d'oxygène par ampère-heure de surcharge à température et pression standard. Le mélange gazeux est explosif lorsque l'hydrogène dans l'air dépasse 4 % en volume. Une pratique standard consiste à régler les dispositifs d'avertissement pour déclencher des alarmes à 20 à 25 % de cette limite inférieure d'explosivité (LEL). Des détecteurs d'hydrogène sont disponibles dans le commerce à cet effet.

Avec une bonne circulation d'air autour d'une batterie, l'accumulation d'hydrogène n'est normalement pas un problème. Cependant, si des batteries relativement grandes sont confinées dans de petites pièces, des ventilateurs d'extraction doivent être installés pour ventiler la pièce en permanence ou être activés automatiquement lorsque l'accumulation d'hydrogène dépasse 20 % de la limite inférieure d'explosivité. Les boîtes de batteries doivent également être ventilées vers l'atmosphère. Des étincelles ou des flammes peuvent enflammer ces mélanges d'hydrogène au-dessus de la LEL. Pour prévenir l'inflammation, les sources électriques d'arcs, d'étincelles ou de flammes doivent être montées dans des boîtes métalliques antidéflagrantes. Les batteries inondées peuvent également être équipées de pare-flammes dans les évents pour empêcher les étincelles extérieures d'enflammer les gaz explosifs à l'intérieur des boîtiers de cellules. Il est obligatoire de s'abstenir de fumer, d'utiliser des flammes nues ou de créer des étincelles à proximité de la batterie. Un nombre considérable d'explosions de batteries signalées proviennent de charges incontrôlées dans des applications non automobiles. Souvent, les batteries seront chargées, hors du véhicule, pendant de longues périodes avec un chargeur non régulé. Malgré le fait que les courants de charge peuvent être faibles, des volumes considérables de gaz peuvent s'accumuler. Lorsque la batterie est ensuite déplacée, ce gaz s'échappe, et si une étincelle est présente, des explosions ont été connues pour se produire. L'introduction de grilles en alliage de calcium a minimisé ce problème, mais la possibilité d'explosion est toujours présente.

Certaines types de batteries peuvent libérer de petites quantités de gaz toxiques, stibine et arsine. Ces batteries ont des plaques positives ou négatives qui contiennent de petites quantités des métaux antimoine et arsenic dans l'alliage de grille pour durcir la grille et réduire le taux de corrosion de la grille pendant le cyclage. L'arsine (AsH₃) et la stibine (SbH₃) sont formées lorsque le matériau d'alliage d'arsenic ou d'antimoine entre en contact avec l'hydrogène, généré lors de la surcharge de la batterie. Ils sont extrêmement dangereux et peuvent causer des maladies graves et la mort. La ventilation de la zone de la batterie est très importante. Les indications sont que la ventilation conçue pour maintenir l'hydrogène en dessous de 20 % de la LEL (environ 1 % d'hydrogène) maintiendra également la stibine et l'arsine en dessous de leurs limites toxiques.

Le résumé suivant des précautions de sécurité aidera à prévenir les blessures corporelles et/ou les dommages matériels :

1. Suivre les règles de sécurité applicables au site et à la zone pour le travail sur les batteries. 
2. Obtenir un permis de travail approuvé selon le manuel de sécurité du site avant d'initier tout travail sur les batteries. 
3. L'utilisation d'articles de protection personnelle tels que des gants résistants aux acides, un tablier, une visière et des lunettes est requise. 
4. L'électrolyte est extrêmement corrosif et une extrême prudence est requise lors de la manipulation. 
5. Utiliser uniquement des outils non conducteurs/isolés/non étincelants dans la salle des batteries. 
6. Ne pas fumer ou utiliser des flammes nues, ne pas provoquer d'arcs à proximité de la batterie. 
7. Tous les objets métalliques tels que les bijoux (bagues, bracelets, colliers) doivent être retirés avant de travailler sur les batteries. 
8. Neutraliser l'accumulation statique juste avant de travailler sur les batteries en faisant en sorte que le personnel touche la surface la plus proche mise à la terre de manière efficace. 
9. S'assurer que l'entrée et la sortie de la zone de la batterie sont dégagées. 
10. Vérifier la disponibilité d'installations d'eau actuellement inspectées et opérationnelles (portables ou stationnaires) pour rincer les yeux et la peau en cas de déversement d'acide. 
11. Un permis de travail en radioprotection est requis pour tout travail dans une zone contrôlée radiologiquement. 
12. Pour des raisons de sécurité, une personne ne doit pas travailler seule. Au moins deux personnes (règle des deux hommes) doivent toujours être présentes lors du travail sur les systèmes d'alimentation électrique.

Tests

Les batteries doivent être testées à intervalles réguliers pour (a) déterminer si la batterie répond à sa spécification ou à la cote du fabricant, ou les deux ; (b) déterminer périodiquement si les performances de la batterie, telles que trouvées, sont dans des limites acceptables, et (c) si nécessaire, déterminer si la batterie telle que trouvée répond aux exigences de conception du système auquel elle est connectée. Le calendrier et la procédure des tests de capacité de la batterie doivent être effectués selon les exigences de la norme ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.

Pour un test d'acceptation ou de performance, utilisez l'équation suivante pour déterminer la capacité de la batterie :

% de capacité à 25°C (77°F) = Ta/Ts • 100,

où

Ta = temps réel du test à la tension terminale spécifiée

Ts = temps nominal à la tension terminale spécifiée.

La norme ANSI/IEEE Std 450 recommande le remplacement d'une batterie si sa capacité déterminée à partir de l'équation ci-dessus est inférieure à 80 % de la cote du fabricant. Une capacité de 80 % montre que le taux de détérioration de la batterie augmente même s'il y a une capacité suffisante pour répondre aux exigences de charge. Si des cellules individuelles doivent être remplacées, elles doivent être compatibles avec les cellules existantes et testées avant l'installation. Il est recommandé que lorsque une ou plusieurs cellules/bocaux sont remplacés, l'ensemble de la chaîne de batteries soit remplacé afin de prévenir de grandes différences d'impédance des cellules. Si non corrigé, cela peut entraîner une charge inégale de la chaîne de batteries.

 

Stockage, transport et élimination

Stockage

Le stockage des batteries au plomb-acide est assez simple. Les batteries au plomb-acide doivent être stockées en condition de circuit ouvert avec les bornes isolées. De longues périodes de stockage même à des taux de décharge faibles peuvent entraîner des dommages permanents. Les batteries doivent être stockées dans des environnements frais et secs en position verticale. Pour maximiser la durée pendant laquelle une batterie peut être stockée, elle doit être complètement chargée au début. Les batteries qui seront stockées pendant de longues périodes doivent subir des vérifications régulières de la tension de cellule ouverte (OCV) et être rechargées si nécessaire ou à intervalles réguliers.

Une considération importante lors du stockage est un processus dommageable appelé sulfatation. À mesure que les cellules restent en stockage et s'auto-déchargent, les matériaux actifs des électrodes se convertissent en sulfate de plomb tout comme ils le font dans d'autres décharges. Mais, dans l'auto-décharge, le sulfate de plomb se forme sous forme de cristaux plus gros qui ont pour effet d'isoler les particules du matériau actif, soit les unes des autres, soit de la grille. Étant donné que le sulfate de plomb occupe plus d'espace que le plomb éponge, la plaque négative se dilate en volume. Si la cellule est autorisée à se décharger excessivement, le sulfate de plomb peut se dilater au point de se séparer du plomb éponge et de tomber au fond du bocal sous forme de sédiment. L'effet global est une perte de capacité et une plus grande résistance interne. La sulfatation est normalement réversible pour le sulfate de plomb encore attaché à la plaque négative en chargeant avec un faible courant jusqu'à ce que le sulfate de plomb soit reconverti en plomb éponge.

Transport

Les batteries au plomb-acide sont réglementées en tant que matériau dangereux par de nombreuses compagnies de transport et organismes de réglementation. Dans certaines conditions, un expéditeur peut être exclu de ces exigences si les batteries et les méthodes d'emballage répondent à des exigences strictes.

Élimination

L'élimination des batteries au plomb-acide doit être effectuée conformément à toutes les réglementations fédérales, étatiques et locales. Les batteries au plomb-acide doivent être récupérées pour éviter les exigences réglementaires pour le traitement et l'élimination des déchets dangereux. La récupération est requise par la loi dans certains pays.