Batterie automobile - Automotive battery

Une batterie de voiture au plomb-acide typique de 12 V, 40 Ah

Une batterie automobile ou une batterie de voiture est une batterie rechargeable qui est utilisée pour démarrer un véhicule à moteur . Son objectif principal est de fournir un courant électrique au moteur de démarrage électrique, qui à son tour démarre le moteur à combustion interne à propulsion chimique qui propulse réellement le véhicule. Une fois que le moteur tourne, l'alimentation des systèmes électriques de la voiture est toujours fournie par la batterie, l' alternateur chargeant la batterie à mesure que la demande augmente ou diminue.

Batterie dans les voitures modernes

Moteur essence et diesel

En règle générale, le démarrage utilise moins de trois pour cent de la capacité de la batterie. Pour cette raison, les batteries automobiles sont conçues pour fournir un courant maximal pendant une courte période. Elles sont parfois appelées « batteries SLI » pour cette raison, pour le démarrage, l'allumage et l'allumage. Les batteries SLI ne sont pas conçues pour une décharge profonde, et une décharge complète peut réduire la durée de vie de la batterie.

En plus du démarrage du moteur, une batterie SLI fournit la puissance supplémentaire nécessaire lorsque les besoins électriques du véhicule dépassent l'alimentation du système de charge. C'est également un stabilisateur, qui atténue les pointes de tension potentiellement dommageables . Pendant que le moteur tourne, la plus grande partie de la puissance est fournie par l'alternateur, qui comprend un régulateur de tension pour maintenir la sortie entre 13,5 et 14,5 V. Les batteries SLI modernes sont de type plomb-acide , utilisant six cellules connectées en série pour fournir une puissance nominale de 12 -volt (dans la plupart des véhicules de tourisme et des camions légers), ou douze cellules pour un système 24 volts dans les camions lourds ou les engins de terrassement, par exemple.

Des explosions de gaz peuvent se produire au niveau de l'électrode négative où de l'hydrogène gazeux peut s'accumuler en raison d'évents de batterie bloqués ou d'un réglage mal ventilé, combiné à une source d'inflammation. Les explosions lors du démarrage du moteur sont généralement associées à des bornes de batterie corrodées ou sales. Une étude de 1993 de la National Highway Traffic Safety Administration des États-Unis a indiqué que 31 % des blessures causées par l'explosion de la batterie d'un véhicule se sont produites lors de la charge de la batterie. Les scénarios les plus courants suivants étaient lorsque vous travailliez sur des connexions de câbles, lors d'un démarrage rapide, généralement en omettant de vous connecter à la batterie morte avant la source de charge et de ne pas vous connecter au châssis du véhicule plutôt que directement à la borne de batterie mise à la terre, et pendant vérifier les niveaux de liquide. Près des deux tiers des blessés ont subi des brûlures chimiques et près des trois quarts ont subi des blessures aux yeux, entre autres blessures possibles.

Voitures électriques et hybrides

Les véhicules électriques (VE) sont alimentés par une batterie de véhicule électrique à haute tension , mais ils ont généralement également une batterie automobile, de sorte qu'ils peuvent utiliser des accessoires automobiles standard conçus pour fonctionner sur 12 V. Ils sont souvent appelés auxiliaires. piles.

Contrairement aux véhicules conventionnels à moteur à combustion interne , les véhicules électriques ne chargent pas la batterie auxiliaire avec un alternateur. Au lieu de cela, ils utilisent un convertisseur CC-CC pour abaisser la haute tension à la tension de charge d'entretien requise (généralement autour de 14 V) .

Histoire

Les premières voitures n'avaient pas de batteries, car leurs systèmes électriques étaient limités. Une cloche a été utilisée au lieu d'un klaxon électrique, les phares étaient à essence et le moteur a été démarré avec une manivelle . Les batteries de voiture sont devenues largement utilisées vers 1920 lorsque les voitures sont devenues équipées de démarreurs électriques . La batterie scellée, qui ne nécessitait pas de recharge, a été inventée en 1971.

Les premiers systèmes de démarrage et de charge ont été conçus pour être des systèmes à 6 volts et à masse positive , le châssis du véhicule étant directement connecté à la borne positive de la batterie. Aujourd'hui, presque tous les véhicules routiers ont un système de masse négatif. La borne négative de la batterie est connectée au châssis de la voiture .

La Hudson Motor Car Company a été la première à utiliser une batterie standardisée en 1918 lorsqu'elle a commencé à utiliser des batteries Battery Council International . BCI est l'organisation qui définit les normes dimensionnelles pour les batteries.

Les voitures utilisaient des systèmes électriques et des batteries 6 V jusqu'au milieu des années 1950. Le passage de 6 à 12 V s'est produit lorsque les moteurs plus gros avec des taux de compression plus élevés nécessitaient plus de puissance électrique pour démarrer. Les voitures plus petites, qui nécessitaient moins de puissance pour démarrer, restèrent plus longtemps avec 6 V, par exemple la Volkswagen Beetle au milieu des années 1960 et la Citroën 2CV en 1970.

Dans les années 1990, une norme de système électrique 42V a été proposée. Il était destiné à permettre des accessoires électriques plus puissants et des faisceaux de câbles automobiles plus légers. La disponibilité de moteurs à plus haut rendement, de nouvelles techniques de câblage et de commandes numériques, ainsi que l'accent mis sur les systèmes de véhicules hybrides qui utilisent des démarreurs/générateurs haute tension ont largement éliminé la nécessité de commuter les principales tensions automobiles.

Concevoir

Une batterie automobile est un exemple de batterie à cellule humide , avec six cellules. Chaque cellule d'un accumulateur au plomb est constituée de plaques alternées constituées d'une grille en alliage de plomb remplie de plomb spongieux ( plaques cathodiques ) ou revêtues de dioxyde de plomb ( anode ). Chaque cellule est remplie d'une solution d'acide sulfurique, qui est l'électrolyte. Initialement, les cellules avaient chacune un bouchon de remplissage, à travers lequel le niveau d'électrolyte pouvait être visualisé et qui permettait d'ajouter de l'eau à la cellule. Le bouchon de remplissage avait un petit orifice d'aération qui permettait à l' hydrogène gazeux généré pendant le chargement de s'échapper de la cellule.

Les cellules sont reliées par de courtes sangles lourdes des plaques positives d'une cellule aux plaques négatives de la cellule adjacente. Une paire de bornes lourdes, plaquées de plomb pour résister à la corrosion, sont montées en haut, parfois sur le côté, de la batterie. Les premières batteries automobiles utilisaient des boîtiers en caoutchouc dur et des séparateurs à plaques en bois. Les unités modernes utilisent des boîtiers en plastique et des feuilles tissées pour empêcher les plaques d'une cellule de se toucher et de se court-circuiter.

Dans le passé, les batteries automobiles nécessitaient une inspection et un entretien réguliers pour remplacer l'eau qui s'était décomposée pendant le fonctionnement de la batterie. Les batteries "à faible entretien" (parfois appelées "sans entretien") utilisent un alliage différent pour les éléments en plaque, réduisant la quantité d'eau décomposée lors de la charge. Une batterie moderne peut ne pas nécessiter d'eau supplémentaire pendant sa durée de vie utile ; certains types éliminent les bouchons de remplissage individuels pour chaque cellule. Une faiblesse de ces batteries est qu'elles sont très intolérantes aux décharges profondes, comme lorsque la batterie de la voiture est complètement déchargée en laissant les lumières allumées. Cela recouvre les électrodes de la plaque de plomb de dépôts de sulfate de plomb et peut réduire la durée de vie de la batterie d'un tiers ou plus.

Les batteries VRLA , également connues sous le nom de batteries à mat de verre absorbé (AGM), sont plus tolérantes aux décharges profondes mais sont plus chères. Les batteries VRLA ne permettent pas l'ajout d'eau dans la cellule. Les cellules ont chacune une soupape de décharge de pression automatique, pour protéger le boîtier de la rupture en cas de surcharge grave ou de défaillance interne. Une batterie VRLA ne peut pas renverser son électrolyte, ce qui la rend particulièrement utile dans les véhicules tels que les motos.

Les batteries sont généralement constituées de six cellules galvaniques dans un circuit en série . Chaque cellule fournit 2,1 volts pour un total de 12,6 volts à pleine charge. Pendant la décharge, à la borne négative (plomb) une réaction chimique libère des électrons vers le circuit externe, et à la borne positive (oxyde de plomb) une autre réaction chimique absorbe les électrons du circuit externe. Cela conduit les électrons à travers le fil du circuit externe (un conducteur électrique ) pour produire un courant électrique ( électricité ). Au fur et à mesure que la batterie se décharge , l'acide de l'électrolyte réagit avec les matériaux des plaques, changeant leur surface en sulfate de plomb . Lorsque la batterie est rechargée , la réaction chimique est inversée : le sulfate de plomb se reforme en dioxyde de plomb. Une fois les plaques restaurées dans leur état d'origine, le processus peut être répété.

Certains véhicules utilisent d'autres batteries de démarrage. La Porsche 911 GT3 RS 2010 dispose d'une batterie lithium-ion en option pour gagner du poids. Les véhicules lourds peuvent avoir deux batteries en série pour un système 24 V ou peuvent avoir des groupes de batteries série-parallèle fournissant 24 V.

Caractéristiques

Format physique

Les batteries sont regroupées par taille physique, type et emplacement des bornes et style de montage.

Ampères-heures (Ah)

L'ampère-heure (Ah ou A·h) est une unité liée à la capacité de stockage d'énergie de la batterie. Cette notation est requise par la loi en Europe.

L'ampère-heure est généralement défini comme le produit de (le courant qu'une batterie peut fournir pendant 20 heures à un taux constant, à 80 degrés F (26,6 ° C), tandis que la tension chute à une coupure de 10,5 volts) fois 20 heures. En théorie, à 80 degrés F, une batterie de 100 Ah devrait pouvoir fournir en continu 5 ampères pendant 20 heures tout en maintenant une tension d'au moins 10,5 volts. Il est important de réaliser que la relation entre la capacité Ah et le débit de décharge n'est pas linéaire ; au fur et à mesure que le débit de décharge augmente, la capacité diminue. Une batterie de 100 Ah ne pourra généralement pas maintenir une tension supérieure à 10,5 volts pendant 10 heures tout en étant déchargée à un taux constant de 10 ampères. La capacité diminue également avec la température.

Intensités de démarrage (CCA, CA, MCA, HCA)

  • Ampères de démarrage à froid (CCA) : la quantité de courant qu'une batterie peut fournir à 0 °F (−18 °C) pendant 30 secondes tout en maintenant une tension d'au moins 7,2 volts. Les voitures modernes équipées de moteurs à injection de carburant commandés par ordinateur ne mettent pas plus de quelques secondes à démarrer et les chiffres du CCA sont moins importants qu'auparavant. Il est important de ne pas confondre CCA avec CA/MCA ou HCA car ces derniers seront toujours plus élevés en raison des températures plus élevées. Par exemple, une batterie 250 CCA aura plus de puissance de démarrage qu'une 250 CA (ou MCA), et de même une 250 CA aura plus qu'une 250 HCA.
  • Ampères de démarrage (CA) : la quantité de courant qu'une batterie peut fournir à 32 °F (0 °C), encore une fois pendant 30 secondes à une tension égale ou supérieure à 7,2 volts.
  • Ampères de démarrage marins (MCA) : comme le CA, la quantité de courant qu'une batterie peut fournir à 32 °F (0 °C) et que l'on trouve souvent sur les batteries des bateaux (d'où « marine ») et des tracteurs de pelouse qui sont moins susceptibles de être utilisé dans des conditions où la glace peut se former.
  • Les ampères de démarrage à chaud (HCA) sont la quantité de courant qu'une batterie peut fournir à 80 °F (27 °C). La valeur nominale est définie comme le courant qu'une batterie au plomb à cette température peut fournir pendant 30 secondes et maintenir au moins 1,2 volts par cellule (7,2 volts pour une batterie de 12 volts).

Réserver des minutes de capacité (RCM ou RC)

La capacité d'une batterie à supporter une charge électrique minimale indiquée ; il est défini comme le temps (en minutes) pendant lequel une batterie au plomb à 80 °F (27 °C) fournira en continu 25 ampères avant que sa tension ne descende en dessous de 10,5 volts.

Taille de groupe

La taille du groupe Battery Council International (BCI) spécifie les dimensions physiques d'une batterie, telles que la longueur, la largeur et la hauteur. Ces groupes sont déterminés par l'organisation.

Codes de date

  • Aux États-Unis, il existe des codes sur les batteries pour aider les consommateurs à en acheter une récemment produite. Lorsque les batteries sont stockées, elles commencent à perdre leur charge ; cela est dû à des réactions chimiques non productrices de courant des électrodes avec l'acide de la batterie. Une batterie fabriquée en octobre 2015 aura un code numérique de 10-5 ou un code alphanumérique de K-5. "A" est pour janvier, "B" est pour février, et ainsi de suite (la lettre "I" est ignorée).
  • En Afrique du Sud, le code sur une batterie pour indiquer la date de production fait partie du boîtier et coulé dans le coin inférieur gauche du couvercle. Le code est le numéro de l'année et de la semaine (AAAA), par exemple 1336 correspond à la semaine 36 de l'année 2013.

Utilisation et entretien

L'excès de chaleur est une cause principale des pannes de batterie, comme lorsque l'électrolyte s'évapore en raison de températures élevées, diminuant la surface effective des plaques exposées à l'électrolyte et entraînant une sulfatation. Les taux de corrosion des grilles augmentent avec la température. De plus, les basses températures peuvent entraîner une panne de la batterie.

Si la batterie est déchargée au point où elle ne peut pas démarrer le moteur, le moteur peut être démarré via une source d'alimentation externe. Une fois en marche, le moteur peut recharger la batterie, si l'alternateur et le système de charge ne sont pas endommagés.

La corrosion aux bornes de la batterie peut empêcher une voiture de démarrer en raison de la résistance électrique , qui peut être évitée par l'application appropriée de graisse diélectrique .

La sulfatation se produit lorsque les électrodes sont recouvertes d'une couche dure de sulfate de plomb, ce qui affaiblit la batterie. La sulfatation peut se produire lorsque la batterie n'est pas complètement chargée et reste déchargée. Les batteries sulfatées doivent être chargées lentement pour éviter tout dommage.

Les batteries SLI (démarrage, éclairage et allumage) ne sont pas conçues pour une décharge profonde et leur durée de vie est réduite lorsqu'elles y sont soumises.

Les batteries de démarrage ont des plaques conçues pour une surface accrue et donc une capacité de courant instantané élevée, tandis que les types marins (hybrides) et à cycle profond auront des plaques plus épaisses et plus d'espace au bas des plaques pour que le matériau de plaque usagé se rassemble avant de court-circuiter la cellule.

Les batteries de voiture utilisant des plaques plomb-antimoine nécessitent un appoint régulier avec de l'eau pure pour remplacer l'eau perdue en raison de l' électrolyse et de l'évaporation. En changeant l'élément d'alliage en calcium, des conceptions plus récentes ont réduit le taux de perte d'eau. Les batteries de voitures modernes ont des besoins d'entretien réduits et peuvent ne pas fournir de bouchons pour l'ajout d'eau aux cellules. De telles batteries incluent de l'électrolyte supplémentaire au-dessus des plaques pour tenir compte des pertes pendant la durée de vie de la batterie.

Certains fabricants de batteries incluent un hydromètre intégré pour indiquer l'état de charge de la batterie.

Un câble de démarrage positif (rouge) connecté à la borne de la batterie. Une fenêtre d'hydromètre en option est visible par la pince à cavalier unique. Le cavalier négatif noir n'est pas représenté.

Le principal mécanisme d'usure est la perte de matière active des plaques de la batterie, qui s'accumule au fond des cellules et qui peut éventuellement court-circuiter les plaques. Cela peut être considérablement réduit en enfermant un jeu de plaques dans des sacs séparateurs en plastique, fabriqués à partir d'un matériau perméable. Cela permet à l'électrolyte et aux ions de passer à travers, mais empêche l'accumulation de boues de ponter les plaques. La boue se compose en grande partie de sulfate de plomb, qui est produit aux deux électrodes.

Impact environnemental

Le recyclage des batteries automobiles réduit le besoin de ressources nécessaires à la fabrication de nouvelles batteries, détourne le plomb toxique des décharges et prévient le risque d'une élimination inappropriée. Une fois qu'une batterie plomb-acide cesse de contenir une charge, elle est considérée comme une batterie plomb-acide usagée (ULAB), qui est classée comme déchet dangereux en vertu de la Convention de Bâle . La batterie de voiture de 12 volts est le produit le plus recyclé au monde, selon l' Environmental Protection Agency des États-Unis . Aux États-Unis seulement, environ 100 millions de batteries automobiles sont remplacées chaque année, et 99 % d'entre elles sont recyclées. Cependant, le recyclage peut être effectué de manière incorrecte dans des environnements non réglementés. Dans le cadre du commerce mondial des déchets , les ULAB sont expédiés des pays industrialisés vers les pays en développement pour le démontage et la récupération du contenu. Environ 97 pour cent du plomb peut être récupéré. Pure Earth estime que plus de 12 millions de personnes du Tiers-Monde sont affectées par la contamination au plomb provenant du traitement ULAB.

Voir également

Les références

Liens externes