Comprendre les batteries et leur charge
Pour toute installation solaire, comprendre les batteries et comment nous pouvons les utiliser dans un système autonome ou hors réseau n’est pas aussi compliqué que vous pourriez le penser. De nos jours, nous utilisons des batteries simples dans presque tous les appareils électriques, pour alimenter nos téléphones, ordinateurs portables, télécommandes, lampes ou autres équipements portables, et il existe un éventail déroutant de types et tailles de batteries pour ce faire. Alors pourquoi ne pas utiliser des batteries pour alimenter nos maisons ?
Les batteries stockent l’énergie électrique sur leurs plaques internes sous forme de charge chimique, et une fois complètement chargées, une batterie idéale pourrait conserver cette énergie potentielle indéfiniment jusqu’à ce qu’elle soit libérée par une charge connectée à l’extérieur.
Cependant, les batteries ne sont pas idéales et en raison des courants de fuite internes ou des charges parasitaires, elles se déchargeront lentement lorsqu’elles ne sont pas utilisées. Mais jusqu’à ce moment, elles peuvent stocker de l’énergie électrique pendant de très longues périodes. On peut alors dire qu’une batterie est un dispositif de stockage d’énergie capable de stocker et de produire de l’électricité jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire.
L’énergie électrique sous forme d’alimentation CC (courant continu) est produite par une batterie à la suite d’une réaction chimique qui se produit entre deux plaques métalliques, l’une appelée électrode positive et l’autre appelée électrode négative, qui sont toutes deux immergées dans une solution chimique appelée électrolyte.
Cette solution électrolytique peut être classée comme “sèche”, par exemple, sous forme de poudre de lithium que l’on trouve dans une batterie AA standard, ou “humide”, un type liquide que l’on trouve dans une batterie acide-plomb de voiture. Quoi qu’il en soit, la combinaison de deux électrodes différentes placées dans un électrolyte forme la base d’une cellule de batterie unique.
Les batteries se divisent en deux types de base, Batteries primaires et Batteries secondaires. Les batteries primaires sont vos batteries à usage unique, allant des petites batteries bouton plates de 1,5 volts et des batteries cylindriques AA et AAA, jusqu’aux plus grandes batteries carrées de 9,0 volts PP3 et aux batteries de lanternes à bornes à ressort.
Une batterie primaire ne peut pas être rechargée. Cependant, les batteries secondaires sont des batteries rechargeables allant des petites batteries AA pour votre télécommande de télévision aux batteries rechargeables pour vos outils électriques, ainsi qu’aux batteries de voiture et aux plus grandes batteries à cycle profond utilisées pour les véhicules électriques et pour alimenter les charges électriques de la maison toute la nuit.
Le type de batterie requis dépend de l’application et des besoins de décharge électrique, ce qui est également vrai pour les systèmes de batteries alimentés par énergie solaire. Il ne sert à rien d’acheter un type de batterie simplement parce qu’il est peu coûteux, si elle se décharge après seulement une heure d’utilisation.
Le classement en ampères-heures (Ah) d’une batterie est une spécification importante pour comprendre la capacité de stockage de la batterie et le montant de courant électrique qu’elle peut fournir sur une période de temps spécifique avant de devoir être rechargée.
Connexion des batteries en série
Les batteries individuelles sont connectées en “série” pour augmenter la tension de sortie tout en maintenant la même capacité en ampères-heures que pour une seule batterie. La borne négative (-ve) de la première batterie est connectée directement à la borne positive (+ve) de la deuxième batterie, et ainsi de suite, comme illustré.
Batteries connectées en série
Comprendre les batteries connectées en série est assez simple, il suffit d’additionner leurs tensions. Dans l’exemple montré, deux batteries de 12 volts sont connectées ensemble et quatre batteries de 6 volts sont également connectées en série pour créer un système de 24 volts. En connectant plus de batteries ensemble, des chaînes de tension plus élevées de 36V ou 48V peuvent être créées en additionnant la tension de chaque batterie pour obtenir la tension de sortie totale.
Pour des batteries connectées en série, idéalement, toutes les batteries doivent avoir le même classement en ampères-heures (Ah), le même modèle ou la même ancienneté, car chaque batterie recevra la même quantité de courant lors de la recharge. Par conséquent, des différences dans la capacité des batteries à travers la chaîne en série peuvent entraîner une surcharge des batteries de moindre capacité, tandis que les batteries de plus grande capacité peuvent rester sous-chargées.
Rappelez-vous également que pour les batteries connectées en série, le courant de sortie maximal sera déterminé par la batterie à ampères-heures les plus faibles au sein de la chaîne. Par exemple, si vous avez quatre batteries évaluées à 100Ahrs et une batterie évaluée à 80Ahrs, la batterie 80Ahr contrôle la chaîne série, donc connectez vos batteries judicieusement.
Les batteries individuelles connectées ensemble en série augmentent la tension de sortie, tandis que le courant reste le même. Puisque la puissance (P) est calculée comme la somme de la tension (V) multipliée par le courant (I) (P = V*I en watts), alors augmenter la tension en série tout en maintenant le courant constant augmente la puissance disponible. Dans l’exemple ci-dessus, la puissance de la batterie stockée disponible est exprimée comme : 24V x 100Ahr = 2400Whr ou 2,4kWhr.
Bien que nous parlions de “batteries” comme étant une source unique de courant continu, les batteries elles-mêmes se composent de plusieurs “cellules électromécaniques” individuelles connectées en série au sein d’un même boîtier en plastique. Chaque cellule produit environ 2 volts, donc si la tension aux bornes d’une batterie acide-plomb à cycle profond typique est de 12 volts, elle se composera de six cellules individuelles. De même, une simple batterie de 24 volts a douze cellules de 2 volts et une batterie de 6 volts dispose seulement de trois cellules de 2 volts.
Connexion des batteries en parallèle
Les batteries individuelles sont connectées ensemble en “parallèle” pour augmenter le courant de sortie, ou la capacité de stockage en ampères-heures, tandis que la tension de sortie reste la même que pour une seule batterie. Pour les batteries connectées en parallèle, toutes les bornes positives (+ve) de chaque batterie sont connectées ensemble, et toutes les bornes négatives (-ve) de chaque batterie sont également connectées ensemble comme montré.
Batteries connectées en parallèle
Les batteries connectées en parallèle augmentent la capacité du courant en ampères-heures, qui est la somme des capacités des batteries additionnées, mais la tension de sortie reste la même que la tension nominale d’une seule batterie.
Vous pourriez penser que connecter des batteries ensemble en parallèle donnerait plus de puissance disponible, mais ce n’est pas toujours le cas. Une partie de la compréhension des batteries consiste à savoir comment les connecter ensemble pour obtenir la puissance de sortie souhaitée. Dans notre exemple ci-dessus, la puissance de la batterie disponible sur la première image est : 12V x 200Ahr = 2400Whr ou 2,4kWhr, et pour la deuxième image : P = 6V x 400Ahr = 2400Whr ou 2,4kWhr, soit la même.
Il est important pour les batteries connectées en parallèle qu’elles aient la même tension nominale et des capacités de courant en ampères-heures très similaires. Cela est dû au fait que, bien qu’elles reçoivent la même tension de charge unique, le courant de charge de chaque batterie variera légèrement jusqu’à ce que l’égalisation du banc de batteries soit atteinte. Un dernier point important, plus vous avez de batteries connectées en parallèle, plus la capacité de stockage peut être grande, mais plus il faudra de temps pour les recharger complètement.
Batteries en combinaisons série/parallèle
Nous avons vu ci-dessus que lors de la connexion de batteries ensemble en série, la tension disponible est la somme des tensions des batteries additionnées et que lorsqu’elles sont connectées ensemble en parallèle, la capacité totale en ampères-heures disponible est la somme des capacités en ampères-heures des batteries individuelles.
Mais il existe de nombreuses manières différentes dont les groupes de batteries peuvent être connectés ensemble en combinaisons série et parallèle pour offrir une variété de tensions et de capacités en ampères-heures différentes, en particulier pour les systèmes solaires domestiques qui utilisent des batteries à cycle profond. Il n’est donc pas rare que des bancs de batteries hors réseau aient une tension terminale de plusieurs centaines de volts et une capacité totale de plusieurs centaines d’ampères-heures pour alimenter toute une maison pendant de nombreux jours nuageux ou durant la nuit.
Batteries connectées en parallèle
Les bancs de batteries à cycle profond pour l’usage solaire domestique ainsi que ceux qui sont actuellement installés dans des véhicules hybrides et électriques (VE) se composent généralement de modules et cellulaires batterie individuels disposés en combinaisons série et parallèle pour fournir non seulement la tension de système de sortie requise, mais le maximum de capacité de stockage disponible entre les recharges de batterie.
Comprendre les batteries – Décharge
Comprendre les batteries signifie également comprendre leur état de charge et quand il est nécessaire de les recharger. Lorsqu’une batterie est connectée à une charge externe, telle que des lumières, des pompes, des onduleurs, etc., l’énergie chimique stockée dans la batterie se transforme en énergie électrique, ce qui entraîne un courant CC électrique circulant de la batterie vers le circuit externe connecté. Ainsi, lors de la décharge, une batterie convertit l’énergie chimique en énergie électrique.
Si la batterie est connectée à la charge pendant une période suffisamment longue, l’énergie stockée dans la batterie diminue graduellement et finit par s’arrêter alors que les cellules de la batterie perdent leur capacité à générer une tension. À ce stade, toute l’énergie chimique contenue ou “stockée” dans la solution électrolytique de la batterie a été convertie en énergie électrique. Le temps que cela prend dépendra évidemment beaucoup de la charge connectée et de la capacité en ampères-heures et du volume de stockage des cellules de la batterie.
Alors, comment saurions-nous quel est l’état d’une batterie et si elle est complètement chargée ou déchargée ? Il est clair qu’il existe de nombreux types de batteries à utiliser dans les systèmes de stockage d’énergie renouvelable, depuis les batteries acide-plomb à élément inondé ou humide, aux batteries AGM (mat de verre absorbé) et GEL, jusqu’aux nouvelles cellules lithium-ion (Li-ion) utilisées dans les véhicules électriques (VE). Ainsi, une manière simple de connaître l’état d’une batterie ou d’une cellule est de mesurer son État de Charge.
L’État de Charge (SOC) d’une batterie ou d’une cellule donne la capacité disponible (en Ah) de la cellule en pourcentage de sa capacité totale nominale. Cela se fait en mesurant la densité spécifique (SG) de l’électrolyte (acide de la batterie) à l’intérieur de chaque cellule de batterie. Comme il existe une relation linéaire entre la tension terminale à circuit ouvert d’une cellule de batterie (VOC) et son état de charge, en mesurant la tension d’une batterie à l’aide d’un multimètre, nous pouvons déterminer son état de charge. Ainsi, nous comprenons l’état d’une batterie.
L’estimation de l’état de charge d’une batterie à tout moment est définie comme suit : SOC = (Capacité en ampères-heures restante dans la batterie) / (Capacité nominale en Ah) et à partir de cela, nous pouvons créer un tableau SOC comme indiqué.
État de charge de la batterie 12 volts
| Tension à circuit ouvert | État de Charge |
|---|---|
| 12.65V | 100% |
| 12.58V | 90% |
| 12.55V | 80% |
| 12.48V | 70% |
| 12.40V | 60% |
| 12.32V | 50% |
| 12.24V | 40% |
| 12.10V | 30% |
| 11.90V | 20% |
| 11.70V | 10% |
| 11.30V | 0% |
En d’autres termes, si l’état de charge d’une batterie de stockage complètement chargée est de 100 % (SOC = 100 %) et de 0 % lorsqu’elle est complètement déchargée (SOC = 0 %). Par exemple, une batterie de 300 ampères-heures à un état de charge de 70 % contiendra 210 ampères-heures d’énergie stockée, et à 50 % d’état de charge, cette même batterie contiendra 150 ampères-heures, et ainsi de suite.
Ensuite, l’état de charge de la batterie à tout moment donné peut être facilement déterminé en connaissant la VOC de la batterie à l’aide d’un instrument tel que ce testeur d’état de charge Optimate capable de vous donner une mesure précise.
Nous pouvons voir à partir du tableau que la tension à circuit ouvert pour une batterie au plomb de 12V complètement chargée est d’environ 12,7 Volts, ce qui équivaut à un SOC de 100 %, et chute à environ 11,3 Volts pour un SOC de 0 % lorsqu’elle est complètement déchargée.
Décharger complètement une batterie au plomb à ce niveau doit être évité car cela peut endommager la batterie de façon permanente en raison de la sulfatation des plaques électrodes, ce qui est un amas de cristaux de sulfate de plomb. Pour garantir une bonne performance et une longévité de la batterie, un état de charge minimum de 30 % de la capacité restante est généralement recommandé.
Comprendre les batteries – Chargement
Comprendre l’état de charge des batteries est un moyen rapide et facile de déterminer l’état d’une batterie simplement en mesurant sa tension à circuit ouvert et si elle doit être chargée. Charger une cellule ou une batterie entière est en effet l’inverse du processus de décharge, dans lequel l’énergie électrique est convertie en énergie chimique que la batterie stocke jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire.
Les batteries secondaires peuvent être rechargées à l’aide de divers contrôleurs de charge connectés à la ligne d’utilité principale, à des générateurs de secours, à des éoliennes ou en utilisant l’énergie électrique gratuite générée par des panneaux photovoltaïques, c’est-à-dire des “panneaux solaires”, lorsqu’ils sont exposés directement à la lumière du soleil. Quoi qu’il en soit, pour utiliser l’énergie électrique pour recharger les batteries, elle doit passer par un contrôleur de charge de tension.
Le nombre, la taille en watts ou la quantité de panneaux photovoltaïques nécessaires pour charger suffisamment une seule batterie ou un banc de batteries interconnecté dépendra de la quantité et du classement en ampères-heures des batteries utilisées.
Dans les systèmes autonomes, la tension de sortie du réseau photovoltaïque (PV) doit correspondre à celle de la capacité de stockage de la batterie, et à partir de cela, un contrôleur de charge approprié peut être sélectionné pour garantir que le contrôleur de charge délivre la quantité appropriée de charge lorsque nécessaire et n’endommage pas les batteries par surcharge.
Le travail principal d’un contrôleur de charge est de protéger les batteries contre la surcharge, d’empêcher une décharge indésirable ou profonde, et de fournir des informations sur l’état de charge des batteries. Il existe trois principaux types de contrôleurs de charge disponibles pour cela : les contrôleurs de série, les contrôleurs de shunt (parallèles) et les contrôleurs de point de puissance maximum (MPP), chacun ayant ses propres avantages et inconvénients.
Parfois, un contrôleur de charge peut ne pas être nécessaire ; par exemple, si la batterie est constamment utilisée et déchargée, ou si vous utilisez des panneaux solaires à faible wattage auto-régulants pour charger une seule batterie ou une batterie à cycle peu profond pour le camping, les randonnées, ou les excursions en plein air, etc.
Les batteries pour les systèmes d’énergie renouvelable sont appelées “batteries à cycle profond” qui peuvent supporter des périodes de décharge longues ou continues et des recharges répétées. Celles-ci fonctionnent avec une efficacité élevée et une longue durée. Mais combien de cycles profonds une batterie à cycle profond peut-elle tolérer ?
Résumé de la compréhension des batteries
Comprendre les batteries signifie comprendre les caractéristiques des batteries que vous avez. En général, la durée de vie d’une batterie est fonction non seulement du nombre de cycles de chargement mais aussi de la profondeur de décharge du cycle. Le nombre de cycles profonds qu’une batterie peut supporter varie largement d’un fabricant à l’autre et aussi en fonction de la marque, du modèle et de la température de stockage de la batterie, mais une plage de 1000 à 1200 cycles de charge n’est pas rare.
Évidemment, les batteries au plomb qui ont un cycle de charge ne dépassant que 60 ou 70 % de la profondeur de charge dureront plus longtemps que celles qui sont déchargées à 10 ou 20 % de la capacité de la batterie. Une batterie ou un banc qui a été déchargé à moins de 20 % de l’état de charge est dit avoir subi un “cycle profond”. Des bancs de batteries à cycle profond qui sont bien entretenus, à cycle peu profond jusqu’à une capacité de moins de 10 % de l’énergie de la batterie par cycle, et correctement rechargés à l’aide d’un contrôleur de charge adapté peuvent durer jusqu’à 10 ans ou plus.
Pour en savoir plus sur les batteries à cycle profond, le chargement des batteries, et les dispositifs de monitoring d’état de charge de batteries disponibles, ou pour explorer simplement les avantages et inconvénients des systèmes de stockage d’énergie afin de mieux comprendre les batteries de manière détaillée.
Quelles que soient les raisons, si vous y avez déjà réfléchi sérieusement, mais que vous ne savez peut-être pas comment déterminer la faisabilité d’utiliser l’énergie photovoltaïque et le stockage de batteries pour vivre hors réseau, alors Cliquez ici pour commander votre exemplaire sur Amazon dès aujourd’hui afin d’améliorer votre compréhension des batteries.