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Gérer la charge des batteries

Intérêt de la gestion de la charge


Lors de la charge d'une batterie, plusieurs causes d'endommagement des batteries peuvent apparaître. Le régulateur photovoltaïque doit protéger les batteries contre ces risques de dégradation lors du processus de charge. Nous exposons ces risques dans le tableau suivant :



Risques à éviter lors de la charge d'une batterie Processus de gestion par le régulateur photovoltaïque
Dégazage par électrolyse de l'eau

Conséquences directes préjudiciables :
=>diminution importante du niveau d'électrolyte, donc maintenance accrue;
=>diminution de l'efficacité et de la rapidité de la charge;
=>si le dégagement gazeux devient trop important, des risques d'explosion ou d'étanchéité des batteries peuvent apparaître (notamment pour les batteries étanches).
Maintien de la tension à 2.2 V (par élément de batterie).

Pour un parc de batteries de 24 V, constitués de 12 éléments, la tension est maintenue à 26.4 V.
Stratification de l'électrolyte

Conséquences directes préjudiciables :
=>dégradation de la capacité réelle des batteries;
=>accroissement du phénomène de corrosion des électrodes.
Maintien, pendant un certain temps (environ 2 heures), de la tension à la valeur de 2.3 V (par éléments de batterie).

Pour un parc de batteries de 24 V, constitués de 12 éléments, la tension est maintenue à 27.6 V. Cela permet de favoriser le dégazage par électrolyse de l'eau, et ainsi destratifier l'électrolyte en effectuant un brassage (par remontée des bulles de gaz).
Courant de charge trop élevé

Conséquences directes préjudiciables :
=>usure accélérée des électrodes;
=>dégazage par électrolyse de l'eau.
Limitation du courant de charge.

Typiquement, ce courant maximum de charge vaut 25% × C10 mais les régulateurs photovoltaïques sont programmés pour limiter ce courant entre 15% et 18% de C10. Par exemple, une batterie présentant une capacité nominale C10 = 1 000 Ah pourra être chargée sous un courant maximum de 250 A


Processus de charge


Aujourd'hui, les fabricants de régulateurs photovoltaïques utilise couramment le procédé dit "IoUoU" pour effectuer la charge d'un parc de batterie (mais dans le passé cela n'a pas été le cas). Il s'agit d'un fonctionnement en 3 étapes :
  • I comme courant : pendant cette 1ère étape, on maintient un courant constant. Au fil de la charge, la tension de la batterie augmente. Si on maintient ce courant constant, la tension devient trop élevée (ce qui favorise les réactions chimiques secondaires), et il convient donc de maintenir une tension constante adaptée (étape suivante).
  • U comme tension : pendant cette 2ème phase, on maintient une tension constante, de l'ordre de 2.2 V (pour un élément de batterie de 2 V).
  • U comme tension : pendant cette 3ème phase, on maintient une tension constante légèrement supérieure à la précédente. C'est la surcharge, permettant le brassage de l'électrolyte.


Procédé de charge d'une batterie acide-plomb IoUoU couramment utilisé par les régulateurs de charge
Procédé de charge d'une batterie acide-plomb "IoUoU" couramment utilisé par les régulateurs de charge


=> Etape 1 - Charge à courant constant
Charge à courant constant Le régulateur impose un courant constant à travers la batterie. Sa valeur est proche du courant maximale admissible par la batterie, et indiquée par le fabricant sur la fiche technique. Typiquement, ce courant maximum de charge vaut 25% × C10. Cependant, par mesure de sécurité, les régulateurs imposent un courant initial de charge plutôt compris entre 15% et 18 % de C10.

=> Au fur et à mesure que la batterie se recharge sous un courant constant, la tension aux bornes de la batterie augmente. Typiquement, la tension atteint la valeur limite admissible (2.2 V pour un élément de batteries) lorsque l’état de charge est environ de 65% - 70%.

D’après les caractéristiques courant-tension de la batterie en mode de charge, si le courant est constant, alors la tension aux bornes de la batterie va augmenter au fur et à mesure que l’état de charge augmente. Cette tension ne doit pas dépasser une certaine limite, sinon l’électrolyse de l’eau, qui est une réaction parallèle à la charge, va devenir trop importante et dégager trop de gaz.

Cette étape de charge à courant constant est très importante car, à l’issue de cette phase, l’état de charge de la batterie se situe entre 50% et 70%.

=> Etape 2 - Charge à tension constante
Charge à tension constante Une fois que la tension maximale (≈ 2.2 V) a été atteinte, il n’est plus possible de maintenir le courant constant sous peine de voir un dégagement gazeux excessif au sein de la batterie. Ainsi, le régulateur change de procédé en imposant, cette fois-ci, la tension constante. La valeur de cette tension est égale à la valeur maximale, soit environ 2.2 V par élément. La charge de la batterie continue donc. Au fur et à mesure qu’elle se charge, le courant diminue et tend vers 0 lorsque l’état de charge est de 100 %.

=> Etape 3 - Légère gazéification
En fin de charge de la batterie, c’est-à-dire lorsque son état de charge est proche de 100 %, le régulateur augmente légèrement la tension aux bornes de la batterie. Typiquement, on passe d’une tension de 2.2 V à une tension de 2.3 V voire 2.6V (par élément). Cela permet d’accélérer la réaction d’électrolyse de l’eau, produisant ainsi des bulles de gaz (dihydrogène et dioxygène) au sein de l’électrolyte. Ce processus volontaire permet de mélanger l’électrolyte évitant ainsi les phénomènes de stratification de l’acide sulfurique au fond du bac d’électrolyte.

Maintien en charge


Lorsque la batterie n'est pas sollicitée, on constate une autodécharge de celle-ci. Le régulateur doit donc également assurer le maintien en charge de la batterie. Pour cela, la technique traditionnelle utilisée est le « floating ». Le phénomène d’autodécharge est alors compensé en imposant une tension de l’ordre de 2.15 V par éléments.