Modèle de chargeur générique de batteries et validation expérimentale

Les avancements dans le domaine des batteries ont été considérables au cours des dernières décennies. Une multitude de chimies de batteries se retrouvent maintenant sur le marché et chacune d’entre elles offre son lot d’avantages et d’inconvénients. Certains types de batteries offrent une grande durée de vie. D’autres permettent d’être rechargé très rapidement. Afin de bénéficier de leurs avantages, il est important d’effectuer la recharge d’une batterie de manière optimale.

Lors de la conception d’un système comprenant des batteries, il est parfois difficile de prévoir leurs comportements. Ainsi, afin de faciliter l’implantation de ces systèmes, le répertoire Simscape Electrical présent dans le logiciel de simulation Simulink offre un modèle de batteries basé sur différentes chimies. Au cours des années, ce modèle a vu des améliorations telles que l’ajout de l’effet du vieillissement et de la température. Dans le but de faciliter l’utilisation de ce modèle, il devient essentiel d’ajouter à ce répertoire un modèle de chargeur générique de batteries.

Technique de recharge 

L’objectif de la recharge de batteries est d’augmenter l’état de charge à son point maximal à chaque cycle tout en minimisant la dégradation de la capacité causée par des cycles de recharge déficients. Pour ce faire, il est important de réguler la tension, le taux de charge, les temps pour chaque mode de recharge, la température, la compensation de la température, les charges d’égalisation et les recharges de terminaison (IEEE 1361-2014, 2014).

Il y a cinq techniques standards de recharge de batteries (Dell & Rand, 2001, p. 37) :

1. Courant constant (CC) : le courant est constant tout au long de la recharge. Cette méthode est fiable, peu coûteuse et elle aide au balancement des cellules lors de la surcharge. Cependant, la surcharge causée en courant constant peut être dangereuse pour certaines chimies de batteries.

2. Voltage constant (CV) : le courant change en fonction de la différence de voltage entre le chargeur et la batterie. Ainsi, cette méthode est idéale pour maintenir une batterie chargée puisque le courant tend vers zéro. Cependant, lors de la recharge d’une batterie fortement déchargée, le courant peut être trop élevé. Cette méthode est fiable, peu coûteuse et sécuritaire, mais la durée de recharge est longue.

3. Taper-current : le courant est élevé au départ et se réduit graduellement lorsque la tension de la batterie augmente. Cette méthode est de moins en moins utilisée puisque les courbes de courant et de tension varient d’une batterie à une autre ce qui rend son utilisation plus complexe .

4. Courant constant – tension constante (CCCV) : un courant constant (bulk) est appliqué jusqu’à l’atteinte d’une tension prédéfinie de maintien (float). Ensuite, cette tension constante est appliquée jusqu’à un courant prédéfini qui indique que la batterie est complètement chargée. Parfois, il est requis d’avoir un deuxième niveau de tension (absorption) afin d’accélérer la recharge de la batterie. Afin d’éviter l’usure prématurée de la batterie, cette tension est réduite à la tension float lorsque la batterie est presque complètement rechargée. Cette technique peut causer des problèmes de balancement entre les cellules jusqu’au point d’inversion des pôles. Afin d’assurer la stabilité des cellules, il faut faire des cycles d’égalisation pendant lesquels la tension est légèrement augmentée pendant une période de 12 à 24 heures. Ceux-ci sont programmés pour se répéter à tous les 14 à 60 jours.

5. Pulsé : le courant est appliqué sur la batterie pendant environ une seconde suivie d’une courte période de repos ou même d’une période de décharge encore plus courte. Cette méthode permet de réduire les gradients de concentration d’ions aux électrodes et permet une recharge plus rapide. Toutefois, la complexité d’implantation est grandement augmentée.

Dans le cas de certaines applications spécifiques, il arrive que l’on impose une variation d’une des techniques mentionnées ci-haut. Par exemple, pour les chargeurs de véhicules électriques du type niveau trois, la méthode de recharge est celle en courant constant. Ces chargeurs externes au véhicule permettent d’effectuer la recharge des batteries beaucoup plus rapidement avec des puissances élevées (50-500V, 0-125A). Le véhicule transmet une commande de courant de charge et le chargeur fournit au véhicule la commande reçue. Si le véhicule change la valeur de courant durant la recharge, le chargeur doit modifier son courant. Par conséquent, le véhicule est le maître et le chargeur est l’esclave. Le standard pour ces chargeurs requiert une diode qui limite le sens du courant du chargeur vers le véhicule. Ainsi, le transfert d’énergie du véhicule vers le réseau (V2B) ne peut se faire avec ce type de chargeur de batteries. (IEEE 2030.1.1-2015, 2016).

Spécifications de recharge 

Les spécifications de recharge d’une batterie sont déterminées principalement par la chimie de celle-ci. Ainsi, lorsqu’il est requis de faire la recharge de batterie Ni-Cd, les trois plages de tensions suivantes peuvent être utilisées (IEEE 1106-2015, 2015) :
1) 1,40 V à 1,47 V : Tension de maintien par cellule afin que la batterie demeure chargée;
2) 1,45 V à 1,55 V : Tension de recharge par cellule lorsque la batterie est déchargée;
3) 1,56 V à 1,80 V : Tension de recharge rapide par cellule lorsque la batterie est déchargée.

Cette batterie peut généralement être chargée beaucoup plus rapidement avec des courants élevés puisqu’elle a moins de résistance interne ce qui réduit l’échauffement des cellules (IEEE 1184-2006, 2006).

Pour une batterie ventilée au plomb, celle-ci est considérée chargée lorsque sa tension est supérieure à 2,10 V. La tension de cette batterie augmente avec la densité de l’électrolyte et  diminue avec la température. Lorsque l’on désire maintenir son niveau de charge, la tension doit être de 2,15 V à 2,30 V selon les recommandations des manufacturiers, de l’application et de la température ambiante. Il est aussi possible de maintenir la charge en appliquant un courant de 0,5 A par 1000 Ah sur un taux de huit heures. Le coefficient d’ajustement de la tension en fonction de la température est d’environ -5 mV par cellule par degré Celsius à 25°C (IEEE 1184-2006, 2006).

Pour une batterie scellée au plomb, celle-ci est considérée chargée lorsque sa tension est supérieure à 2,15 V. Sa tension varie en fonction de la densité et de la température de la même manière que les batteries ventilées. La tension de maintien est de 2,20 V à 2,35 V. Il est aussi possible de maintenir la charge en appliquant un courant de 2 A par 1000 Ah sur un taux de huit heures (IEEE 1184-2006, 2006). Le coefficient d’ajustement de la tension en fonction de la température est d’environ -3 mV par cellule par degré Celsius basé sur la température nominale définit par le manufacturier qui est typiquement de 20 °C ou 25 °C. La différence des paramètres de recharge entre les batteries au plomb ventilées et scellées est due à la densité plus élevée de l’électrolyte dans les batteries scellées (IEEE 1189-2007, 2008).

Afin de s’assurer que les batteries au plomb puissent être complètement rechargées, il est commun d’appliquer 10 % plus d’ampères heures que la capacité réelle de la batterie. Ceci permet de compenser pour les pertes résistives internes à la batterie (IEEE 1188-2005, 2006).

Enfin, il existe une multitude de chimies de batteries au lithium. Chacune d’entre elles comporte des avantages et des désavantages. Typiquement, une batterie au lithium sera en mesure d’être rechargée plus rapidement que les autres chimies de batteries mentionnées précédemment. Par contre, les batteries au lithium requièrent l’utilisation d’un système de contrôle de charge (BMS) afin de réduire les risques associés à ce type de batterie tel que l’emballement thermique (Davide, 2011).