Batterie d'accumulateurs/Charge de la batterie/Test capacitif d'une batterie

Tests de capacité des batteries (Généralités)

On entend, par test capacitif d'une batterie, la mesure de sa capacité à rendre l'énergie emmagasinée.

Conseil : Vérifier l'énergie restante d'une batterie en lui faisant passer un test de capacité lorsque la batterie est âgée ou si elle a une fonction de longue durée. Si une batterie de capacité faible est acceptable lorsqu'elle permet de démarrer un moteur, il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit de sécurité; batterie de feux de signalisation par exemple.

Cas particulier des batteries de démarrage : Une batterie sulfatée perd de son aptitude lorsqu’elle subit une demande en puissance. La sulfatation de batterie est un phénomène naturel. Il se produit souvent par négligence. En voici quelques causes : le fait de stocker une batterie sur du ciment ou la laisser pendant une période prolongée d’un mois ou plus sans être rechargée, quand on oublie de fermer la clé de contact ou si l’éclairage n’a pas été coupé, lorsque la batterie est complètement déchargée mais aussi lorsqu’elle a été surchargée.

Test capacitif : Pour réaliser le test il est préférable que la batterie ait été rechargée complètement.
Ce test consiste à appliquer un débit de courant au travers d'une charge, la tension de batterie variant dans le temps. On arrête la décharge lorsque la tension de batterie correspond à 50% de sa charge pour une batterie de démarrage, ou 25% pour une batterie de service.

Rappel : Une batterie a une capacité qui dépend de sa quantité de matière active déterminée lors de sa construction, elle s'exprime en ampère-heure son symbole est la lettre C, Ah est accepté.

Article lié : le livre Batterie d'accumulateurs; chapitre Charge de la batterie

Procédures manuelles de ces tests

Procédure simple et rapide

Montage du test de batterie avec un volt-ampèremètre à pince.

Elle consiste à recharger la batterie, puis à mesurer la tension 'stabilisée' à ses bornes lorsque le chargeur est déconnecté. Si la tension d'une batterie automobile au plomb libre (se dit aussi 'ouverte') est de 12,65 volts la batterie est en pleine charge mais sa capacité en ampère-heures n'est pas nécessairement celle précisée par le fabricant car la charge active peut diminuer avec le temps et les cycles charge-décharge.

L'état de charge (en %) d'une batterie à acide libre est considérée comme nulle à Vmin=10,8 V et en pleine charge à Vmax ≥ 12,6 V

Formules simplifiées :

Ctotale% = 100 * (V-Vmin)/(Vmax-Vmin)

Cutile% = Ctotale% * (1-25/100) 

Remarques :

1. 25% de charge correspond à une tension de 11,33 volts pour une batterie de service au Pbca et 11,27 pour une batterie ouverte.

2. Il faut éviter de descendre en dessous de 50% de charge pour une batterie de démarrage.

3. Certains indicateurs de capacité de batteries sont basés sur ce principe, généralement sans correction de courbure et on ne peut pas sélectionner Vmax, l'indicateur affiche la tension et la capacité correspondante en pourcentage par rapport à la tension de veille qui est de 13,2 volts pour les batteries au plomb ouvertes, l'indicateur de charge indique alors 100% lorsque la batterie est connectée au chargeur puis 78% lorsque la batterie est chargée et déconnectée, ensuite elle passera 48% lorsque la batterie sera à 50% de charge.

4. Lorsque l'on recharge une batterie on remarque une stabilité de tension 24 heures après la déconnexion du chargeur. On peut dire que cette tension est la tension de pleine charge de cette batterie.
Les tensions de pleine charge (100%) se situent :
pour les batteries à "acide libre", entre 12,6 et 12,7 volts,
pour les batteries dites "gel" entre 12,85 et 12,95 volts,
pour les batteries "AGM", "plomb-calcium", et autres batteries spéciales comme "EXIDE Excell à acide libre", 12,8 ou 12,9 volts.

Tableau des taux de charge des batteries au plomb.

Indications de tensions de charge pour les batteries Pb-calcium-calcium

BULK 14,70V; ABSORPTION 14,40V à 14,7V; FLOATING 13,2V à 13,8V

Examen d'une mesure douce de la capacité d'une batterie AGM Varta LAD115 Deep Cycle de 115 Ah neuve

avec une simple ampoule de voiture, absorbant 4 ampères à 12 volts, sans autre mesure que la tension avec un voltmètre, et la mesure du temps avec une montre.

Récapitulatif - Vérification et correction

Ah	U (V)	%	t (h)	I (A)	P (W)	∂(Ah)	Ah
00	12,74	100	0	4,25	54,10	0	0
24	12.40	79	6	4,13	51,25	25,04	25,04
32	12.30	72	8	4,10	50,43	8,22	33,26
36	12.25	69	9	4,08	50,02	4,07	37,33
44	12.13	62	11	4,04	49,05	8,10	45,53
48	12.06	58	12	4,02	48,48	4,01	49,44
58	11.92	50	14,5	3,97	47,36	9,90	59,34
70	11.70	39	17,5	3,90	45,63	11,73	71,07
78	11.54	32	19,5	3,85	44,39	7,67	78,74
86	11.30	25	21,5	3,77	42,56	7,69	86,43

Les trois premières colonnes sont données par le contributeur DATO du forum hisse-et-oh.

Les cinq colonnes suivantes sont notre contribution pour vérifier la validité de ces données.

L'auteur nous dit qu'il a évalué le débit en fonction de la puissance de l'ampoule automobile qu'il utilise : 4 ampères sous 12 volts (48 watts).

L'évaluation du temps t a été calculé d'après les données Ah et le courant estimé constant de 4 ampères; le temps écoulé entre t(0) et t(24) est égal à Ah/4 : 24/4=6 heures. Il en est de même pour les lignes suivantes.

L'évaluation de la tension U au temps t(O) a été faite par prolongations de la courbe de tension entre t(48) et t(24) où l'on a, respectivement une tension U de 12,06 V et 12,40 V soit un écart de tension de 0,34 volts. On peut alors estimer que la tension U à t(O) vaut 12,40 + 0,34, soit U(0)=12,74 volts.

La puissance de consommation varie avec la température du filament mais pour simplifier le calcul du débit on a pris R = 3 ohms qui correspond à sa valeur à 12 volts. Bien sûr la mesure du débit aurait été préférable pour des calculs plus précis.

Calcul de la variation de capacité ∂(Ah) : on multiplie le courant moyen entre les mesures qui se suivent par l'écart de temps entre ces deux mesures. (I(24)-I(0))/2*(t(24)-t(0))=Ah(24) La variation de capacité Q est de 25,04 ampère-heures

La capacité C de la batterie est la somme des variations de capacité. Q(86)=∑∂(Ah), 86,43 Ah

Information complémentaire Les données ont été vérifiées de façon approfondie, hors forum et hors article.

Conclusion, Les résultats sont tout à fait conformes et dans les limites d'erreurs normales.

Ces valeurs du contributeur DATO peuvent être vérifiées

Mesures avec ampèremètre d'une batterie Plomb-calcium

Ces mesures peuvent être réalisées par une procédure longue ou simplifiée.

Exemple de procédure longue

Test de la capacité restante d'une batterie de démarrage âgée, au plomb-calcium, de 60Ah.
Chaque démarrage de 10 secondes prend environ 2 Ah; il faut conserver une capacité suffisante pour assurer le redémarrage d'un moteur. Sur les 15 Ah restants seuls 7,5 Ah peuvent être retenus pour le redémarrage. La capacité utile en option service serait de 25 ±1 Ah

Il n'est pas nécessaire de débrancher le circuit d'utilisation, il suffit de débrancher tous les chargeurs; (solaire, secteur, alternateur, etc.).
- Charger la batterie, s'il y a lieu, avant de procéder aux mesures.
- Relever le courant qui sort de la batterie et la tension à ses bornes à des périodes régulières (en minutes, heures ou jours).
-- La relève de courant peut se faire à l'aide d'un ampèremètre à pince.
-- La tension aux bornes de la batterie peut être mesurée à l'aide d'un simple contrôleur universel.
- Stopper la décharge lorsque la tension atteint une valeur à définir (11.8, 11.5, 11.4 volts); 11,4 volts est déjà critique et dangereux pour la batterie.
- Tracer la courbe de décharge et estimer la capacité en ampère-heures en additionnant les valeurs moyennes de courant entre deux mesures que l'on multiplie par le temps qui sépare les deux mesures.

Exemple de procédure simplifiée

Évaluation de la capacité d'une batterie au plomb de 12V 12Ah

La décharge s'effectue au travers d'une résistance de 12 ohms 25 watts.

t₀ = 1O h ; V₀ = 12,6 V ; I₀ = 1,05 A ; (Chargée à 100%)

t₁ = 18,5 h ; V₁ = 11,16 V ; I₁ = 0,93 A ; (encore chargée à 20%) ; C = t₁-t₀ * (I₀+I₁)/2
C = (18,5 - 10) * (1,05+0,93)/2 = 8,41 Ah (La batterie est complètement déchargée voire très mal en point)

On arrête la décharge de préférence à 11,8 ou à 11,4 volts pour éviter de détériorer la batterie, la capacité utilisable de la batterie est évaluée ici à 8,4 Ah.

Procédures automatiques

Mesures avec un wattmètre

Montage d'un wattmètre pour les tests de capacité des batteries d'accumulateurs

Montage d'une charge résistive pour les tests de capacité des batteries d'accumulateurs. Cinq ampoules de 21 watts en parallèle.

Ce test est sans aucun doute le plus simple à réaliser.

L'appareil s’auto-initialise et affiche ses mesures : énergie(Ah), puissance(W), débit(A) et tension(V) et s'éveille dès qu'une charge est branchée; il s'éclaire et démarre les mesures.
Lorsque la charge est débranchée on obtient immédiatement le résultat du test.

Lorsque l'on peut débrancher la batterie on obtient une idée réaliste de la capacité résiduelle de la batterie.

Attention si vous débranchez la batterie: sur certains véhicules vous risquez de perdre les données du calculateur.

Il faut utiliser une charge résistive pour faire ce test. Faire un montage avec des ampoules d'automobiles pour fabriquer cette charge.

1. Charger la batterie, avec un chargeur branché sur le secteur ou avec le moteur en marche.

2. Arrêter la charge de la batterie et brancher le wattmètre côté Source à la batterie. Le wattmètre doit indiquer la tension de la batterie en volts, le débit (0 ampères), et la puissance (0 watts) consommée par la charge.

3. Brancher la charge côté Charge (Load). Noter le courant de démarrage (Ap) et la Puissance (Wp). Pour mémoire, la tension de démarrage vaut Wp/Ap.

4. Attendre que la tension aux bornes de la batterie atteigne la tension limite de décharge 11.8 volts par exemple pour une décharge à 50%, ou 11,4 volts pour une décharge à environ 30% et débrancher la charge.

5. Noter la valeur de la capacité résiduelle Q (Ah) et la tension au moment du débranchement (Vm).

6. Débrancher le wattmètre et remettre la batterie en charge sur le secteur, ou redémarrer le moteur si la tension de la batterie est supérieure à 11,8 volts.

Exemple avec une batterie de démarrage très dégradée au plomb-calcium de 60 Ah, et une charge de cinq ampoules 12V ~21W

Note avant le démarrage du test Tension de batterie = 13,2 volts après recharge, chargeur débranché.

Note au démarrage Ap=11,49 A ; Wp=139,8 W ; Wp/Ap=12,17 V ; Ap et Wp sont des valeurs affichées durant toute l'expérience.

Note après débranchement Vm=11,27 V ; Ah=8,438 ; Vm et Ah sont des valeurs affichées persistantes après le débranchement de la charge.

Note finale la chute brutale de la tension de 12,17 à 11,8 volts au démarrage témoigne de la forte résistance interne de la batterie, probablement due à une sulfatation des plaques.

Mesures avec un compteur de Coulomb

Montage du coulomètre pour les tests de capacité des batteries d'accumulateurs, modèle avec capteur à résistance.

Expérience de test de capacité des batteries d'accumulateurs à l'aide d'un coulomètre.

Le compteur de Coulomb est indispensable avec les batteries dont la courbe de décharge est relativement plate, telles que : batterie de type lithium-fer-phosphate(LiFePO4), lithium-ion, Li-Polymère, NiMh, NiCd.

Il existe des compteurs de Coulomb avec des capteurs qui mesurent le courant continu au travers d'une résistance, d'autres mesurent le courant au travers d'une bobine équipée d'un capteur à Effet Hall. À l'achat il faut tenir compte du courant maximal susceptible de traverser ces capteurs ; les batteries de démarrages peuvent avoir des courants de démarrage de plusieurs centaines d'ampères, alors que les batteries de service auront un débit continu plus faible.

Le compteur de Coulomb, ou Coulomètre, doit être intitialisé avec :

- la valeur de la capacité officielle du fabricant en ampère-heures Ah

- La valeur de la tension en pleine charge VMAX (12,6 ou 12,9 V par exemple)

- La valeur de la tension minimale VMIN (10,8 volts en général)

Ces indications permettront d'afficher le pourcentage de charge.

Cet appareil fonctionne dans les deux sens, en charge et en décharge. Il est ainsi possible de laisser cet appareil à demeure pour connaître, en permanence, l'état de charge de la batterie. Il faut commencer par charger la batterie pour avoir des résultats corrects en ampère-heures. Cette disposition peut être utile avec des batterie de service.

Pour le test : Il faut couper la charge lorsque la tension arrive à 50% de charge (11,85 ou 11,73 V, selon le type de batterie). On peut ainsi comparer avec le pourcentage affiché.

Les chargeurs-déchargeurs à technologie numérique

Montage d'un chargeur de radio-commandes pour les tests de capacité des batteries d'accumulateurs

Ces chargeurs font des cycles charge-décharge-recharge. Ils permettent d'évaluer la capacité de batteries, notamment pour le modélisme. Ils sont aussi fonctionnels avec des batteries au plomb 6 ou 12 volts. Les cycles décharge-charge permettent de rééquilibrer les cellules des batteries, lorsqu'elles sont accessibles, grâce à des BMS internes ou externes au chargeur.

En corollaire des tests

Désulfatation des batteries au plomb

Après avoir effectué les tests par une des méthodes précédentes, si après avoir rechargé l'accumulateur on constate une chute brutale de la tension à la remise en service, penser à dé-sulfater la batterie.

Il y a deux méthodes de désulfatation :

Désulfatation par impulsions

- Les désulfateurs sont aussi connus sous le nom de régénérateurs. Ces désulfateurs envoient des pulsations de courant électrique à la fréquence de résonance de la batterie (entre 2 et 6 MHz). Les courants et les tensions peuvent être importants, de plusieurs ampères avec des tensions de plusieurs dizaines de volts. Les caractéristiques courantes sont : 2 à 4 ampères avec des tensions de 60 à 100 volts en pointe.

- Il existe des désulfateurs à plusieurs phases : charge-désulfatage+recharge-désulfatage+recharge-désulfatage etc. Il faut à chaque intervention débrancher la batterie.

- D'autres appareils peuvent rester branchés et fonctionnent uniquement lorsque la batterie est en charge. Les programmes de désulfatage peuvent être inclus dans les chargeurs.

Désulfatation par débit de courant

Avec un chargeur équipé d'un algorithme de charge de remise en état Recondition :

Le courant de dé-sulfatation est égal à 8% du courant nominal du chargeur jusqu'à ce que la tension maximale de remise en état soit atteinte.

Exemple : Avec un chargeur 12V 10A intégrant cet algorithme : le courant sera de 0,8 ampères jusqu'à ce que la tension limite de remise en état de 16,2 ou 16,5 volts soit atteinte. Cette tension limite dépend du mode choisi normal ou fort et dure une heure au plus.

Charger les batteries au plomb

Chargeur à impulsions

Chargeur à impulsions de 2,4 à 14,4 volts.

C'est une technologie récente ; des impulsions de tension négative, émises lors de la phase de charge, empêchent la sulfatation qui est une réaction chimique à la surface des plaques de la batterie; prolongeant ainsi la durée de vie des batteries.

Chargeurs configurables

Ces chargeurs ont des séquences de charge en plusieurs phases avec plusieurs modes et peuvent être équipés d'un système de charge optimale en fonction de la température ambiante.

Phase bulk. La première étape est une charge rapide avec un courant électrique limité. Un chargeur 12V 15A débitera 15 ampères jusqu'à ce que la batterie atteigne la tension de phase d'absorption.

Phase absorption. Une tension constante est appliquée jusqu'à la pleine charge; jusqu'à ce que le courant devienne négligeable.

Phase remise en état reconditionnement : La remise en état est un désulfatage, c'est une phase de recharge en option pour les batteries au plomb âgées, ou peu âgées. Il n’est pas recommandé de l’utiliser régulièrement/cycliquement, mais uniquement si nécessaire. Une utilisation inutile ou excessive réduirait la durée de vie de la batterie en raison d’un dégazage excessif.

Phase float : Dès qu'elle commence, la batterie est entièrement rechargée et prête à l’emploi. La tension est maintenue constante et maintient la disponibilité immédiate.

Phase veille : La tension de batterie est maintenue au niveau de tension de 13,2 volts pour minimiser les dégazages et prolonger la durée de vie de la batterie lorsqu'elle n'est pas utilisée.

Phase rafraîchissement : Alors qu'elle est en état de veille pendant une longue période de temps, une charge d'absorption pourra s'appliquer automatiquement pour éviter qu'elle ne se décharge toute seule.

Les modes dépendent des marques, elles peuvent être configurées pour divers types de batteries Pb-ouvert, gel, agm, Pb-ca :

Avec un commutateur physique (switch) Pb-ouvert, agm, Pb-ca. La configuration est figée. Il est parfois difficile d'accéder au commutateur soudé au circuit imprimé.

Avec un commutateur à touche accessible en façade avec les modes :

mode normal : Pb-ouvert et autres batteries dont la tension normale en pleine charge est approximativement 12,6 volts.

mode élevé pour les batteries Pb-ca, gel, agm dont la tension en pleine charge est environ 12,9 volts. Les batteries calcium-calcium peuvent éventuellement entrer dans cette catégorie bien que leur tension de charge d’absorption soit légèrement plus élevée (15,5 volts).

Alternateurs

- Les alternateurs de voitures délivrent un courant variable avec une tension constante de 14,4 volts. Ces alternateurs peuvent convenir à toutes les batteries au plomb, il est même conseillé de recharger les batteries avec l'alternateur lorsque les batteries sont restées longtemps en mode veille; à 13,2 volts avec des chargeurs anciens à deux ou trois phases.

- Il est à noter que 14,4 volts est aussi la tension des batteries dites 12 volts au lithium-ion; ces batteries doivent être équipées de BMS. Il est possible, le cas échéant, de recharger une batterie au lithium-ion avec un alternateur. Il n'y a pas de risque de surcharge puisque la charge complète est obtenue à 16,5 volts. 14,4 volts est une tension de stockage pour ce type de batteries.

Égaliseurs de batteries

Batteries montées en série

Les batteries sont montées en série pour obtenir une tension d’alimentation plus élevée, elles doivent être contrôlées afin que la charge capacitive soit bien répartie. Ces égaliseurs s'appellent aussi Battery balancer.

- Égaliseurs pour les batteries de forte capacité

Pour obtenir du 24 volts avec deux batteries de 12 volts on les branche en série. Les deux batteries doivent avoir la même origine et la même capacité, de préférence achetées en même temps. Si ces conditions sont remplies on peut penser que les charges et décharges ne posent pas de problème. Malheureusement de petites différences peuvent créer des problèmes : si une des deux batteries se décharge plus vite que l'autre, la recharge va accentuer des différences, l'une va être surchargée et l'autre ne sera pas suffisamment chargée. Pour éviter cet inconvénient on place un égaliseur de tensions. On branche les trois câbles en respectant les couleurs traditionnelles (rouge, blanc, bleu, noir), le blanc ou le bleu est placé sur la borne médiane le noir toujours à la borne —. Les courants qui traversent ces câbles peuvent être importants, au maximum de l'ordre du courant de charge des batteries si l'une des deux batteries est très déchargée; on convient d'utiliser les mêmes sections de câbles que ceux connectés au chargeur.

Ces égaliseurs consomment du courant prélevé sur les batteries.
Maintenir la charge avec un chageur automatique peut ne pas marcher.
Cette solution adoptée sur la goélette Cardabela avait complètement déchargé et détruit les deux batterie.

- Remarques pour les petites batteries

les batteries Cadmium-Nickel NiCd sont progressivement remplacées par des batteries NiMH les packs sont souvent équipés d'un répartiteur de charge, pour les batteries lithium-ion on utilise de préférence les BMS voire des PCM.

Batteries montées en parallèle

Ces égaliseurs complètent la charge des batteries secondaires. L'égaliseur interconnecte toutes les batteries lorsque la tension de la batterie principale atteint une valeur prédéfinie (par exemple 13,5 volts) et déconnecte les batteries secondaires lorsque la tension redescend juste au dessus de la tension de pleine charge (12,7 volts). Lorsque la batterie principale est alimentée par un chargeur en mode veille; à 13,2 volts, le répartiteur ne déconnecte pas les batteries, d'autre part, il ne les interconnecte pas tant que la batterie principale n'est pas en pleine recharge à plus de 13,5 volts dans notre exemple.

Charte d'entretien des batteries au plomb

On considère dans ce chapitre que les batteries sont correctement installées que ce soit dans un lieu de stockage ou montées et fixées dans des bacs appropriés bien aérés.

1. Maintenir les batteries chargées.
   Une batterie déconnectée « sans entretien », AGM, Gel, Pb-ca, Ca-ca, doit conserver la charge pendant de longues durées; dans le cas contraire il faut envisager de la remplacer. On devrait avoir la certitude qu'une batterie de moteur chargée par un alternateur soit considérée chargée lorsque l'on arrête le moteur; une petite recharge au moteur accélère la sulfatation; c'est une mauvaise solution.
   Les batteries de services doivent être préservées par un chargeur délivrant une tension permanente dite de floating entre 13,2 et 13,4 volts lorsque la température ambiante est de l'ordre de 20 ° ^Centigrade, cette tension peut être différente selon la température ambiante. Si les batteries doivent subir de grandes variations de température il convient de les alimenter avec des chargeurs qui tiennent compte de la température.
2. Maintenir propre les batteries. Le dessus de la batterie doit être maintenu propre afin qu'il n'y ait pas de fuite de courant entre les bornes.