Connaissance des chargeurs de véhicules électriques et des batteries de stockage

Classification des chargeurs :

Les chargeurs peuvent être classés en deux types principaux selon qu'ils intègrent ou non un transformateur de fréquence secteur (50 Hz). Les chargeurs de tricycles de fret utilisent généralement des transformateurs à fréquence secteur, ce qui donne lieu à des unités plus grandes et plus lourdes qui consomment plus d'énergie tout en offrant fiabilité et prix abordable. À l’inverse, les vélos et motos électriques utilisent des chargeurs d’alimentation dits à découpage, qui sont plus économes en énergie et plus rentables, mais sujets aux pannes.
La procédure correcte pour les chargeurs à découpage est la suivante : pendant la charge, connectez d'abord la batterie, puis le secteur ; une fois la batterie complètement chargée, débranchez l'alimentation secteur avant de retirer la fiche de la batterie. Retirer la fiche de la batterie pendant la charge, en particulier lorsque le courant de charge est élevé (indiqué par un voyant rouge), peut gravement endommager le chargeur.
Les chargeurs à découpage courants se subdivisent en types demi-pont et à impulsion unique. Les chargeurs à impulsion unique sont classés en modèles avant ou arrière. Les conceptions en demi-pont, bien que plus coûteuses, offrent des performances supérieures et sont fréquemment utilisées dans les chargeurs intégrant des impulsions négatives. Les types flyback, étant plus économiques, détiennent une part de marché importante.

Concernant les chargeurs à impulsions négatives
Les batteries au plomb ont une histoire qui s’étend sur plus d’un siècle. Initialement, la pratique mondiale adhérait largement aux conceptions et procédures de fonctionnement traditionnelles : la charge et la décharge à un taux de 0,1 °C (où C désigne la capacité de la batterie) était censée prolonger la durée de vie. Pour relever les défis de la charge rapide, M. Max des États-Unis a publié ses résultats de recherche à l'échelle mondiale en 1967. Cela impliquait une charge avec des courants d'impulsion dépassant le taux de 1C, entrecoupés d'intervalles de décharge pendant les pauses de charge. La décharge facilite la réduction de polarisation, abaisse la température de l'électrolyte et améliore la capacité d'acceptation de charge de la plaque.
Vers 1969, des scientifiques chinois ont développé avec succès plusieurs marques de chargeurs rapides basées sur les trois principes de M. Max. Le cycle de charge s'est déroulé comme suit : charge par impulsions à courant élevé → interruption du circuit de charge → décharge brève de la batterie → arrêt de la décharge → rétablissement du circuit de charge → charge par impulsions à courant élevé...
Vers l’an 2000, ce principe a été adapté aux chargeurs de véhicules électriques. Pendant la charge, le circuit est resté ininterrompu, utilisant un court-circuit à faible résistance pour décharger momentanément la batterie. Comme le circuit de charge restait actif pendant le court-circuit, un inducteur y était connecté en série. En règle générale, le court-circuit dure 3 à 5 millisecondes en une seconde (1 seconde = 1 000 millisecondes). Comme le courant dans l'inductance ne peut pas changer brusquement, la brève durée du court-circuit protège la section de conversion de puissance du chargeur. Si le sens du courant de charge est dit positif, la décharge devient naturellement négative. Par conséquent, l’industrie des véhicules électriques a inventé le terme « chargeur à impulsions négatives », affirmant qu’il pourrait prolonger la durée de vie de la batterie, etc.

Concernant les chargeurs à trois étages
Ces dernières années, les véhicules électriques ont largement adopté les chargeurs dits à trois étages. Le premier étage est appelé étage à courant constant, le deuxième, l’étage à tension constante et le troisième, l’étage de maintien. Du point de vue de l’ingénierie électronique, ceux-ci sont plus précisément décrits comme :
- Premier étage : étage de limitation du courant de charge
- Deuxième étage : étage à haute tension constante
- Troisième étage : étage à basse tension constante. Pendant la transition entre le deuxième et le troisième étage, les voyants du panneau changent en conséquence. La plupart des chargeurs affichent un voyant rouge pendant les première et deuxième étapes, passant au vert lors de la troisième étape. Cette transition entre les étages est déterminée par le courant de charge : le dépassement d'un certain seuil active le premier et le deuxième étage, tandis que le fait de descendre en dessous déclenche le troisième étage. Ce courant de seuil est appelé courant de transition ou courant de commutation.
Les premiers chargeurs, y compris ceux fournis avec les véhicules de marque, bien que présentant des changements d'indicateurs, étaient en fait des chargeurs à tension constante et à courant limité plutôt que de véritables unités à trois étages. En règle générale, celles-ci maintenaient une valeur de tension stable unique autour de 44,2 V, ce qui était suffisant pour les batteries au sulfate à haute densité de l'époque.
Concernant les trois paramètres clés des chargeurs à trois étages
Le premier paramètre critique est la faible valeur de tension constante pendant la phase de maintien. La seconde est la valeur de tension constante élevée pendant la deuxième phase. Le troisième est le courant de transition. Ces trois paramètres sont influencés par le nombre de batteries, leur capacité (Ah), la température et le type de batterie. Pour plus de commodité, nous illustrerons l’utilisation du chargeur à trois étages le plus courant pour les vélos électriques (trois batteries 12 V 10 Ah en série) :
Tout d’abord, la faible valeur de tension constante pendant la phase de maintien, avec une tension de référence d’environ 42,5 V. Une valeur plus élevée provoque la déshydratation de la batterie, augmentant le risque de surchauffe et de déformation ; une valeur inférieure empêche une charge complète. Dans les régions du sud, cette valeur devrait être inférieure à 41,5 V ; pour les batteries au gel, elle doit être inférieure à 41,5 V, et légèrement inférieure encore dans les régions du sud. Ce paramètre est relativement strict et ne doit pas dépasser la valeur de référence.
Considérons ensuite la valeur de tension constante élevée dans la deuxième étape, avec une tension de référence d'environ 44,5 V. Une valeur plus élevée facilite une charge complète et rapide, mais peut provoquer une déshydratation de la batterie, le courant ne diminuant pas suffisamment au cours de la phase de charge ultérieure, ce qui entraîne une surchauffe et une déformation de la batterie. Une valeur inférieure entrave une charge complète rapide mais facilite la transition vers l'étape de maintien. Même si elle n’est pas aussi strictement réglementée que la première valeur, elle ne doit pas pour autant être excessivement élevée.

Enfin, concernant le courant de conversion, la valeur de référence est d'environ 300 mA. Une valeur plus élevée profite à la longévité de la batterie en réduisant la déformation thermique, même si elle entrave une charge rapide. Une valeur inférieure (pour les profanes) facilite la charge mais, en raison d'une charge haute tension prolongée, peut provoquer une déshydratation de la batterie, conduisant à une déformation thermique. En particulier en cas de dysfonctionnement de cellules individuelles, si le courant de charge ne peut pas être réduit en dessous du courant de seuil, cela peut endommager des cellules par ailleurs saines. La plage de référence spécifiée autorise des écarts de ±50 mA voire ±100 mA, mais ne doit pas descendre en dessous de 200 mA.
Actuellement, de nombreux chargeurs flyback à faible coût sont disponibles sur le marché, présentant des valeurs de tension constante élevées de 46,5 V, de faibles valeurs de tension constante de 41,5 V et des courants de transition supérieurs à 500 mA.
Pour un chargeur prenant en charge quatre batteries 12V (48V au total), les deux premiers paramètres sont calculés en divisant par trois les valeurs de référence de tension précitées et en multipliant par quatre. La haute tension constante est d'environ 59,5 V et la basse tension constante est d'environ 56,5 V.
Si la capacité de la batterie dépasse 10 Ah, le troisième paramètre (valeur actuelle) doit être augmenté de manière appropriée. Par exemple, une batterie de 17 Ah peut nécessiter jusqu'à 500 mA.

Mécanismes de défaillance de la batterie : épuisement de l'eau ; sulfatation; ramollissement de l'anode ; et perte de matière active de l'anode.

Récupération de surcharge. Si la durée de vie de la batterie n'est pas une préoccupation majeure, cette méthode de récupération donne des résultats immédiats. Les cycles de décharge et de recharge profondes peuvent augmenter la capacité de la batterie, un fait mondialement reconnu. Cependant, cela peut compromettre la durée de vie de la batterie. De nombreux articles sur ce site se concentrent uniquement sur la façon dont la surcharge peut convertir l'oxyde de plomb α de surface en oxyde de plomb β sur la plaque positive, augmentant ainsi la capacité. Utiliser cette approche lors d’une réparation risque d’entraîner une perte de capacité irréversible. Certaines batteries renvoyées aux fabricants pour remise à neuf ont été traitées selon de telles méthodes.
Sur la base de ma pratique personnelle, je crois qu'une restauration efficace en cas de décharge excessive et de surcharge peut donner d'excellents résultats en limitant strictement le courant et la durée, établissant des parallèles avec le processus de formation des plaques pendant la fabrication. La clé réside dans le discernement, et non dans l’application uniforme de la tarification inversée dans tous les cas. Prenons un cas récent : en visitant le magasin de ma connaissance Lao San, j'ai rencontré quatre batteries de 17 Ah récemment retirées d'une moto électrique. Ils avaient l'intention de les vendre (pour 120 yuans) à un collectionneur de piles usagées. J'ai déconseillé leur élimination, suggérant qu'une réparation était réalisable, et je les ai repris pour évaluation. Un bref résumé suit :
Troisième exemple : les quatre batteries susmentionnées ont été fabriquées à Changxing, dans le Zhejiang, mais pas par Tianneng. Comme ils ont été fraîchement retirés, aucun test ni chargement supplémentaire n’a été effectué. Les tensions en circuit ouvert étaient les suivantes : Unité 1 : 13,42 V ; Unité 2 : 13,36 V ; Unité 3 : 13,18 V ; Unité 4 : 12,4 V. De toute évidence, ils manquaient d’électrolytes. Après ouverture du boîtier, chaque cellule des trois premières batteries a reçu 6 ml plus 4 ml supplémentaires d'électrolyte, tandis que la cellule 4 a reçu 6 ml plus 2 ml supplémentaires. Après deux heures de repos, la charge a commencé à 10 A au départ, réduite à 3 A après deux minutes, puis est passée en mode abaisseur après une demi-heure. La production de gaz a progressivement commencé. Les cellules 1 à 3 présentaient une production de gaz relativement constante dans tous les compartiments, tandis que la cellule 4 présentait une production de gaz dans cinq compartiments à peu près au même moment. Cependant, après le début de la production de gaz, les compartiments proches de l’anode ne produisaient toujours pas de quantités significatives de gaz. La charge a cessé. Les tests de capacité ont révélé que les cellules 1 à 3 se rapprochaient du nouvel état, tandis que la cellule 4 ne produisait que 1,5 Ah. Ajoutez 4 millilitres d'eau à chaque cellule des cellules 1 à 3, puis chargez par étapes jusqu'à ce que toutes les cellules produisent du gaz. Chargez la cellule 4 séparément pendant une heure, puis déchargez-la à 5A. Tension aux bornes du moniteur : il a fallu 20 minutes pour passer de 13,2 V à 10,5 V, et moins de 5 minutes pour atteindre 8,32 V. Continuez à décharger à 5 A, en maintenant environ 8,15 V pendant une heure avant d'arrêter le test. Pourquoi s'arrêter ? La conclusion s'impose : la cellule adjacente à l'anode était défectueuse, d'une capacité d'environ 1,5 Ah. Une brève explication théorique : la chute de 20 minutes de 13,2 V à 10,5 V a démontré que la cellule défectueuse (déjà nettement inférieure à 1,7 V) possédait une capacité inférieure à 1,5 Ah. En poursuivant la décharge de 5A, la cellule défectueuse est tombée à 0V. Les cinq cellules saines restantes (10 V) ont chargé à l'envers la cellule défectueuse. Lorsque la cellule défectueuse atteignait près de 2 V en charge inverse, elle se stabilisait pendant une période prolongée. La tension aux bornes de la batterie était égale à la somme des cinq cellules saines moins la tension inverse de la cellule défectueuse : 10 V - 2 V = 8 V. Une décharge supplémentaire n'est pas nécessaire, car elle endommagerait les cinq cellules en bon état. Pour identifier la cellule défectueuse : ces batteries ont des ports de remplissage d'électrolyte nettement plus petits que les unités 10 Ah. À l’aide d’un outil plombé fait maison, la cellule défectueuse peut être déterminée en quelques secondes. Dans ce cas, cinq cellules ont présenté un dégagement de gaz, contrairement à la cellule située près de l'anode. Les tests ont confirmé que cette cellule était défectueuse, avec une séparation partielle des cellules. Un traitement isolé a restauré cette cellule à une capacité de 10 Ah. La réparation est maintenant terminée. Les cellules 1 à 3 présentent une capacité quasi neuve, tandis que la cellule 4 atteint 10 Ah (les cinq cellules fonctionnelles correspondent collectivement à la capacité quasi neuve des cellules 1 à 3).

Méthode de contrôle de la sulfatation sans ouvrir le couvercle
Voici une méthode pour déterminer la sulfatation sans ouvrir la batterie : Chargez la batterie à l'aide d'une source de courant constant réglable réglée à environ 0,05 C. Notez que la sulfatation est indiquée par les conditions suivantes. Prenons l'exemple d'une batterie 12 V : la tension initiale dépasse 15 V (avec un écart plus important indiquant une sulfatation plus sévère), et à mesure que le temps de charge augmente, la tension diminue, se rapprochant de 15 V. Si vous passez à une charge à tension constante, le courant affichera une tendance à la hausse. Ceci est basé sur mon expérience pratique, alors que la littérature standard ne mentionne généralement que des symptômes tels qu'une génération excessive de chaleur, un dégagement de gaz prématuré et une capacité réduite. J'ai démontré cette méthode de diagnostic sur place à plusieurs étudiants universitaires invités spécialisés dans le domaine, en comparant des batteries au plomb avec différents degrés de sulfatation. La source de courant constant réglable est mon modèle de 1978, le « chargeur multifonctionnel New Star », inclus dans l’annexe de mon manuel Installation de télévision en noir et blanc. Utilisant à l'origine un transformateur de 36 V avec des composants linéaires discrets, il a ensuite été mis à niveau vers une conception linéaire de circuit intégré avec un courant constant contrôlé par un commutateur électronique.

Évaluer la perte d'eau sans ouvrir le boîtier

Déterminer la perte d'eau sans ouvrir le couvercle nécessite deux conditions simultanées : 1) La tension en circuit ouvert d'une batterie 12 V dépasse 13,2 V. 2) Capacité réduite. Même les élèves du primaire peuvent comprendre ces principes. La théorie sous-jacente implique deux points clés : 1) la tension en circuit ouvert est en corrélation avec la concentration d'acide sulfurique ; la perte d'eau augmente la concentration d'acide, augmentant ainsi la tension aux bornes. 2) La perte d’eau abaisse le niveau d’électrolyte, réduisant ainsi la quantité de matériau réactif et diminuant la capacité. Précisions supplémentaires sur les conditions : Les valeurs mentionnées se réfèrent à la tension en circuit ouvert d'une batterie de véhicule électrique 12 V une demi-heure après la charge. Pour les batteries automobiles, les valeurs devraient être inférieures. Même pour les batteries de véhicules électriques, la marque compte : par exemple, les batteries Panasonic ont des valeurs inférieures en raison de leur densité d'acide sulfurique inférieure à celles des batteries Zhejiang Changxing. Il précise également qu'il ne faut pas être dogmatique : par exemple, une batterie avec une tension apparemment standard mais une faible capacité comporte généralement cinq cellules manquant d'eau, dont une partiellement détachée.

Normes irréparables
Normes irréparables (pour les batteries à usage normal et sulfatation du plomb) :
1.  Irréparable en cas de déformation externe, de fissure ou de fuite.
2. Irréparable en cas de panne interne, de dommages mécaniques ou de plaques surchargées virant au noir de carbone ; symptômes caractéristiques : la tension augmente rapidement pendant la charge et diminue considérablement après le repos.
3. Irréparable en cas de faible CEL (Cell Error Light), de défaillance d'une seule cellule ou d'autodécharge interne. (Pour les batteries amovibles des chariots élévateurs, les cellules individuelles peuvent être remplacées et la batterie restaurée.)