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Tension des batteries acide-plomb

Caractéristique courant-tension


Lorsque la batterie est connectée à un récepteur, la tension et le courant, résultant de la connexion de ces deux éléments, dépendent de la caractéristique courant-tension de la batterie (et également du récepteur).

Il est à noter qu'en charge et en décharge, la batterie ne se comporte pas électriquement de la même façon. Il est donc important de distinguer ces deux configurations.





Lors de la décharge de la batterie


Lors de la décharge, la batterie se comporte un générateur avec une résistance interne r˜10 mO. Par exemple, pour une batterie de tension à vide 6 V, la caractéristique courant-tension est donnée ci-dessous :

Caractéristique courant-tension d'une batterie en mode générateur (lors de la décharge)
Caractéristique courant-tension d'une batterie en mode générateur (lors de la décharge).
La tension aux U aux bornes de la batterie dépend du courant la traversant par la relation U=E-r×I


Du fait de la présence de la résistance interne des batteries, il apparaît que la tension de la batterie diminue lorsque le courant qu'elle débite augmente. Il convient alors de clarifier ce qu’on appelle communément la « tension » d’une batterie.

Ce qu'on appelle la tension d’une batterie correspond à la tension à vide, c’est-à-dire lorsque le courant traversant la batterie est nul.

Prenons cette fois-ci l'exemple d'une batterie de 12 V :

Une batterie de 12 V est une batterie dont la tension à vide est de 12 V (lorsqu’elle est chargée)
Une batterie de 12 V est une batterie dont la tension à vide est de 12 V (lorsqu’elle est chargée)


Exemple simple


Considérons l'exemple d'une ampoule électrique connectée aux bornes d'une batterie de 6 V.

Le point de fonctionnement est l'intersection entre les deux caractéristiques courant-tension.

La caractéristique courant-tension d'une ampoule est une parabole (courbe bleue).

Graphiquement, on trouve un point de fonctionnement IF ˜ 3.5 V et UF ˜ 6 V. Cela représente une puissance électrique consommée PF = UF × IF = 21 W.

Point de fonctionnement (I;U) d'une ampoule électrique connectée aux bornes d'une batterie de 6 V
Point de fonctionnement (I;U) d'une ampoule électrique connectée aux bornes d'une batterie de 6 V


Lors de la charge de la batterie


Lorsque la batterie est en train d'être chargée, elle ne se comporte plus comme un générateur de tension, mais plutôt comme un récepteur au même titre qu'une résistance. Sa caractéristique courant-tension est différente et indiquée ci-après, pour un élément de 2 V :

Caractéristique courant-tension d’un accumulateur au plomb (1 élément de 2 V) en mode de charge
Caractéristique courant-tension d’un accumulateur au plomb (1 élément de 2 V) en mode de charge


Ainsi, lors de la charge, lorsqu'on impose une tension aux bornes de l'accumulateur, 2 cas peuvent se produire :
Caractéristique courant-tension d’un accumulateur au plomb en mode de charge Lorsque la tension imposée aux bornes de l’accumulateur est inférieure à 2V, aucun courant de charge n’apparaît. En effet, la réaction d'oxydoréduction liée à la charge ne peut pas se produire sous une tension aussi faible.
Par contre, d'autres réactions secondaires inutiles à la charge peuvent apparaître (électrolyse de l'eau), mais présentent des cinétiques de réaction relativement lentes.
Caractéristique courant-tension d’un accumulateur au plomb en mode de charge En imposant une tension supérieure à 2 V, on obtient un courant de charge non-nul. La charge est donc effective.
Les fabricants de batteries préconisent de charger les batteries sous une tension de charge maximum de 2.28 V (pour un élément de 2 V). Au delà de cette valeur, le courant de charge devient trop fort (pouvant endommager la batterie), et l'électrolyse de l'eau devient substantielle.


Il est important de noter que le profil de la caractéristique courant-tension de la batterie lors de la charge évolue en fonction de son état de charge, ainsi qu'illustré ci-dessous :

Evolution de la caractéristique courant-tension en fonction de l’état de charge de la batterie (en %)
Evolution de la caractéristique courant-tension en fonction de l’état de charge de la batterie (en %)


Par conséquent, au fur et à mesure que la batterie se charge, le courant de charge diminue également (pour une tension de charge constante).

Lorsque l’état de charge atteint 100%, le courant de charge est nul, quelque soit la tension qu’on applique aux bornes de la batterie. Cela est normal puisque les électrodes sont entièrement reconstituées : on ne peut pas charger davantage la batterie.

Evolution du courant de charge en fonction de l'état de charge
Evolution du courant de charge en fonction de l'état de charge


Evolution de la tension pendant la décharge


Au fur et à mesure que la batterie se décharge, la tension à vide diminue. Typiquement, le profil de décharge est illustré sur le graphe ci-dessous.

La décharge s’effectue donc en 2 étapes :
  • D’abord, la tension de la batterie est constante.
  • Puis la tension de la batterie chute.
La ligne en pointillé indique la tension minimale recommandé en décharge. Pour éviter toute décharge profonde et dégradation des batteries par sulfatation des plaques, il convient de ne pas descendre en dessous de cette tension.

On comprend alors l'importance du régulateur, dont le rôle est d'éviter toute décharge profonde des batteries en la déconnectant des appareils électriques dès que le tension devient trop faible (voir le chapitre sur le régulateur).

Variation de la tension de la batterie lors de la décharge, pour différents courant de décharge
Variation de la tension de la batterie lors de la décharge, pour différents courant de décharge
Exemple d'une batterie de 12 V


Effet de la température sur la tension


La tension de la batterie varie en fonction de la température. Cette variation se quantifie par un coefficient de température KT(U) de l’ordre de 0.2 mV/°C pour un accumulateur de 2V. Lorsque la température de la batterie augmente de 1°C, la tension de l’accumulateur augmente de 0.2 mV.

On a alors le tableau suivant :
Nombre d’éléments en série de la batterie Tension de la batterie (en V) dans les conditions de référence (température de 20°C) Coefficient de température de la batterie (en mV/°C)
1 2 V 0.2 mV/°C
3 3 V 0.6 mV/°C
6 12 V 1.2 mV/°C
12 24 V 2.4 mV/°C
24 48 V 4.8 mV/°C
Nous verrons (voir la chapitre sur le régulateur) que le coefficient de température doit être pris en compte pour la régulation de la charge et la décharge.