Pendant les vingt dernières années, trois méthodes de base de test rapide de batteries ont émergé : La décharge à C.C (courant continu), la conductance C.A (courant alternatif) et la spectroscopie électrochimique d'impédance (ou l'EIS). Toutes les méthodes sont basées sur la résistance, une caractéristique qui révèle la faculté de la batterie de pouvoir fournir un courant de décharge. La résistance interne donne des renseignements utiles pour détecter les problèmes et pour indiquer lorsqu'une batterie devrait être remplacée. Cependant, la résistance seule ne fournit pas une corrélation linéaire avec la capacité de la batterie. L'augmentation de la résistance de l'accumulateur n'est liée qu'au vieillissement et fournit quelques indications de défaillance.

Lorsqu'on mesure la résistance interne d'accumulateurs VRLA (Valve Regulated Lead Acid = Acide-plomb régulé par soupape) tout neufs d'un même lot, des variations de 8% sont courantes. Le processus de fabrication et les matériaux utilisés ne sont que deux variables parmi les nombreuses possibles qui contribuent à cet écart. Plutôt que de se fier à la lecture d'une résistance absolue, les techniciens d'entretien prennent un " instantané " des résistances des accumulateurs lorsque la batterie est installée, puis mesurent les changements perceptibles alors que les accumulateurs vieillissent. Une augmentation de la résistance de 25% au-dessus de la ligne de base (100%) indique une chute de performance à environ 80%. Les fabricants de batteries honorent une réclamation sous garantie si la résistance interne augmente de 50%.

Avant d'analyser les différentes méthodes de test, rafraîchissons brièvement nos connaissances sur la résistance interne et sur l'impédance, des termes qui sont souvent utilisés incorrectement lorsqu'on parle de la conductibilité d'une batterie.

La résistance est purement résistive et n'a pas de réactance. Il n'y a pas de déphasage arrière parce que la tension et le courant sont à l'unisson. Un élément chauffant est une charge résistive pure. Cela marche aussi bien avec un courant continu (C.C) qu'avec une courant alternatif (C.A).  

La plupart des " charges " à caractère électrique, y compris la batterie, contiennent une composant réactance. La partie réactive de la charge varie avec la fréquence. Par exemple, La réactance capacitive d'un condensateur diminue lorsque la fréquence décroît. Un condensateur est un isolant au courant continu et aucun courant ne peut le traverser. La bobine d'inductance, par contre, agit de façon opposée et sa réactance augmente avec une fréquence croissante. Le courant continu agit comme un court-circuit électrique. Une batterie combine une résistance en ohms, de même qu'une réactance capacitive et inductive. Le terme impédance représente tous ces trois types.

La batterie peut être perçue comme une groupe d'éléments électriques. La Figure 1 illustre le modèle de Randle d'une batterie acide-plomb en termes de résistances et d'une capacité (R1, R2 et C). La réactance inductive est couramment omise parce qu'elle joue un rôle négligeable dans une batterie à basse fréquence.

 

 

Modèle de Randle d'une batterie acide-plomb

 

Figure 1: Modèle de Randle d'une batterie acide-plomb.  

La résistance globale d'une batterie est composée d'une résistance pure en ohms, de même qu'une réactance inductive et capacitive. Les valeurs de ces composants sont différentes pour chaque batterie testée.

 

Méthodes de test rapide d'une batterie et comment elles fonctionnent:

Jetons un oeil désormais sur les différentes méthodes de test d'une batterie et évaluons les points forts et les limitations. Il est important de savoir que chaque méthode fournit une lecture de résistance interne différente lorsqu'on mesure la même batterie. Aucune de ces lectures n'est bonne ou mauvaise. Par exemple, un accumulateur peut très bien donner des lectures de résistance plus élevées avec la méthode de décharge à C.C (courant continu) qu'avec un signal de C.A (alternatif) de 1 000 hertz. Ceci conclut simplement qu'une batterie fonctionne mieux sur une décharge à C.A que sur une décharge à C.C. Les fabricants acceptent toutes les variations à condition que les lectures soient prises sur le même type d'instrument.

Méthode de décharge à C.C.:

La mesure de la résistance pure en ohms est l'une des méthodes de test des plus anciennes et des plus fiables. L'instrument applique une décharge durant quelques secondes. Le courant de décharge varie de 25 à 70 ampères, suivant la taille de la batterie. La chute de tension divisée par le courant donne la valeur de la résistance. Les lectures sont très précises et reproductibles. Les fabricants déclarent des lectures de résistance allant jusqu'à la plage des 10 microhms. Pendant le test, l'appareil chauffe et un refroidissement sera nécessaire entre les mesures si elles sont effectuées de façon continuelle.

 

Méthode de décharge à C.C.

 

Figure 2: Méthode de décharge à C.C.

La vraie intégrité du modèle de Randle ne peut pas être vue. R1 et R2 apparaissent comme une seule valeur en ohms.

 

 

La décharge à C.C fusionne R1 et R2 du modèle Randle en une seule résistance combinée et ignore la capacité. C est un composant très important d'une batterie et représente 1,5 farads par capacité d'accumulateur de 100 ity.

Méthode de conductance à C.A.:

Au lieu de la décharge à C.C, l'instrument injecte un signal de C.A dans la batterie. Une fréquence entre 80 et 100 hertz est choisie pour minimiser la réactance. À cette fréquence, les réactances inductive et capacitive convergent, entraînant un léger " retard " de la tension. Les fabricants d'équipements basés sur la conductance à C.A déclarent des lectures de résistance de batterie allant jusqu'à la plage des 50 microhms La conductance à C.A a gagné de l'élan en 1992 ; Les instruments sont petits et ne chauffent pas lors de leur utilisation.

 

Méthode de conductance à C.A.

 

Figure 3: Méthode de conductance à C.A.

Les composants séparés du modèle de Randle ne peuvent pas être distingués et apparaissent comme un " flou ".

 

La technologie à simple fréquence voit les composants du modèle de Randle comme une impédance complexe, appelée le module de Z. La majorité de la contribution provient de la conductance de la première résistance.

Spectroscopie électrochimique d'impédance (EIS) à multifréquences:

Cadex Electronics a développé une méthode de test rapide basée sur l'EIS. Appelée Spectro™, l'instrument injecte 24 fréquences d'excitation allant de 20 à 2000 Hertz. Les signaux sinusoïdaux sont régulés à 10 mV/accu pour rester dans les limites de la portion linéaire de la batterie (thermal batterie voltage) du couple acide-plomb. Ceci permet des lectures fidèles pour les petites et les grosses batteries.

Méthode Spectro

 

Figure 4: MéthodeSpectro™.

R1, R2 et C peuvent être mesurées séparément, permettant ainsi l'estimation de la conductibilité et de la capacité de la batterie.

 

 

Avec la spectroscopie d'impédance à multifréquences, les trois valeurs de " résistance " du modèle de Randle peuvent être établies.

Un processus breveté évalue les nuances fines entre chaque fréquence pour permettre une analyse approfondie de la batterie.

Spectro™ est la plus complexe des trois méthodes. Le test de 30 secondes traite 40 millions de transactions. L'instrument est capable d'effectuer la lecture jusqu'à un niveau très bas en microhms Mais plus important encore, Spectro™ est capable de fournir la capacité de la batterie en Ah, la conductibilité (CCA) et l'état de charge. Le concept EIS n'est pas nouveau. Dans le passé, les systèmes EIS étaient raccordés à des ordinateurs réservés et divers équipements de laboratoire. Les électrochimistes formés devaient interpréter les données. Des progrès dans le domaine de l'analyse des données a automatisé ce processus et des processeurs de signaux ultrarapides ont concentré la technologie dans un dispositif portable à la main.

 

Mesures de capacité:

La décharge à C.C et la conductance à C.A ont une limitation majeure dans la mesure où ces méthodes ne peuvent pas mesurer la capacité. Avec la demande croissante d'énergie supplémentaire dans les voitures et camions (pour les accessoires) et le besoin d'évaluer la performance des batteries stationnaires d'une façon non perturbante, on a besoin de testeurs qui peuvent estimer la capacité de la batterie. Cadex a réussi à effectuer cette tâche pour les batteries automobiles. La société est en train de travailler pour appliquer cette technologie aux batteries stationnaires. La Figure 5 révèle les lectures de réserve de capacité (RC) de 24 batteries automobiles, disposées du numéro le plus bas au plus haut suivant l'axe horizontal. Les batteries ont d'abord été testées suivant la norme SAE J537, qui comprend une pleine charge, une période de repos et une décharge à 25 A jusqu'à 1,75 V/accu pendant laquelle la réserve de capacité a été mesurée (losanges noirs). Les tests ont ensuite été répétés avec Spectro™ (carrés mauves) à l'aide de matrices spécifiques aux batteries. Les résultats qui en dérivent s'approchent des normes de laboratoire, comme le graphique l'indique.

 

Réserve de capacité de 24 batteries

 

 

Figure 5: Réserve de capacité de 24 batteries avec une matrice spécifique par modèle.

La courbe avec les losanges noirs montre les lectures de capacité dérivés d'une décharge à 25 A. Celle avec les carrés mauves représente les lectures à l'aide de Spectro™. 

 

 

 

 

 

Certaines personnes déclarent qu'il y a une étroite relation entre la conductibilité de la batterie (valeurs en ohms) et la capacité. D'autres disent que les lectures de la résistance interne en ohms n'ont que peu d'intérêt pratique et n'ont pas de relation avec la capacité. La vérité se trouve entre les deux. Une analogie peut être faite avec un médecin qui non seulement prend la température du corps pour déterminer la santé d'un patient mais qui relève également la tension, les niveaux de glucose et les taux de cholestérol. En prenant plus d'une mesure, de meilleures évaluations de la santé peuvent être effectuées.

Pour démontrer la relation entre la résistance et la capacité, Cadex Electronics a effectué des tests approfondis impliquant 175 batteries automobiles, dans lesquels le CCA (Cold Cranking Amps = Intensité de démarrage à froid) a été comparé aux lectures de RC (reserve capacity = réserve de capacité). Le CCA représente la conductibilité de la batterie et est étroitement relié à la résistance interne. La Figure 6 montre les résultats des tests. Les lectures de CCA sont tracées sur l'axe vertical (Y) et RC sur l'axe horizontal (X). Pour faciliter la lecture, les batteries sont représentées en pourcentage de leur valeur nominale et arrangées des numéros bas à hauts sur l'axe des X. is.

 

C.C.A. en fonction de la réserve de capacité

 

 

 

Figure 6: CCA en fonction de la réserve de capacité (RC). 

La résistance interne (représentée par le paramètre CCA) et la capacité ne suivent pas le trait rouge. Les valeurs de résistance à elles seules ne fournissent pas des lectures précises de capacité.

 

 

 

 

 

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Note: Les lectures de CCA et de RC ont été obtenues suivant les normes SAE J537. CCA est défini comme la décharge d'une batterie complètement chargée à -18°C au courant nominal du CCA. Si la tension reste à ou au-dessus de 7,2 V après 30 secondes, la batterie passe le test avec succès. Le RC est basé sur une pleine charge, une période de repos et une décharge à 25 A jusqu'à 1,75 V/accu.

Si la résistance interne (CCA) était une fonction linéaire de la capacité, alors les losanges bleus seraient à proximité du trait rouge de référence. En réalité, les paramètres CCA et RC s'écartent dans les deux directions. Par exemple, la batterie avec un CCA de 90% ne produit un RC que de 38%, alors que le CCA de 71% fournit une capacité énorme de 112% (trait vert en pointillés).

 

A study on rapid-test methods for stationary and automotive batteries
Isidor Buchmann
June 2004

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