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Le guide pour comprendre les batteries

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La santé des batteries de votre système UPS/ ou de chargeur
continu (48/127/220 VDC) est vitale.
Consultez notre livre blanc directement via notre site pour
approfondir vos connaissances.

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Batterie Onduleurs 4
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Les batteries

BSAV est un spécialiste des batteries, et propose :

  • • De dimensionner les batteries dont vous avez besoin :
    Calcul d’autonomie, prise en charge des contraintes de masses (en fonction de la résistance du sol), de dimensions (par rapport au local dédié).
  • • De fournir, poser, mettre en service, les batteries sur tous les types d’UPS/chargeurs de toutes les marques, de toutes les puissances, présentes sur le marché.
    Partenaire de différents fabricants de batteries, BSAV détermine les batteries qui conviennent à votre installation.
  • • Pour les gros systèmes d’onduleurs, les batteries représentent un budget conséquent.
    Malheureusement, ce budget doit être renouvelé, en raison d’une durée de vie des batteries limitée.
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Les problèmes :

Dans nos sociétés modernes, mobiliser régulièrement des coûts d’acquisition (le fameux CAPEX, tiré de l’anglais Capital Expenditure) relève souvent de l’exploit.
Une fois cet exploit réalisé, il faut consulter différentes entreprises pour entreprendre l’échange des batteries.
A moins d’être un expert en batteries, le seul critère bien souvent retenu (connu de tous) est le coût d’acquisition. Etes-vous sûr que ce seul critère suffit ?
N’est-il pas plus « rentable » de payer un peu plus cher des batteries qui dureront 2 à 3 années de plus ?

Rouages bleus
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La solution BSAV

Ne plus être propriétaire des batteries et payer l’utilisation.

Comment faire?
Payer mensuellement la fonction batteries.
Vous avez du mal à intégrer ce concept ?
Et si vous pensiez à votre parc automobile ?
Nombre de sociétés ont opté pour le leasing, afin de se
débarrasser des contraintes liées à la possession, l’entretien,
le financement etc…

Pour vos batteries, opter pour le leasing qui permet de
connaitre précisément le coût, de conserver la trésorerie, et
de réaliser une charge de fonctionnement (déductible) dans
votre bilan comptable.

Main dessinant une ampoule
Bande bleue
Batteries

La batterie (qui désigne ici une chaîne d’éléments connectés en série et/ou en parallèle) est l’élément vital pour le bon fonctionnement d’une alimentation sans coupure (UPS /ou ASI/ou onduleur: ces termes désignent le même appareil).

Sans batterie, point de salut ! L’UPS devient pratiquement inutile : En effet, en cas de disparition de l’alimentation secteur, la puissance de la batterie est sollicitée (transformée en puissance alternative par l’UPS) pour continuer à fonctionner. Sans cette énergie de substitution, c’est la coupure !
Pourtant, vous avez choisi l’UPS pour éviter toute interruption de fonctionnement de vos récepteurs (le plus souvent bardés d’informatique).

Les batteries représentent une part importante du coût total d’un UPS. Un soin particulier doit être accordé à l’entretien, mais avant tout au choix des batteries lors de l’acquisition : Fiabilité, qualité de construction, durée de vie …

Trop souvent, ce choix est masqué par l’envie de payer le moins cher possible.
Or, s’équiper de batteries non fiables, présentant une durée de vie très limitée peut finalement coûter très cher : Il faudra changer les batteries plus souvent, ce qui en fonction des difficultés de manutention/transport, peut vite devenir onéreux.
Par analogie avec l’automobile, l’onduleur représente le véhicule, et la batterie, les pneus qui vous permettent de rouler.
Choisissez- vous systématiquement pour votre sécurité et votre confort, les pneus les moins chers ?

La majorité des UPS utilisent majoritairement des batteries plomb-acide étanches.
Leur particularité est de fournir beaucoup de puissance, pendant un temps relativement court (en moyenne 10 minutes).
Techniquement, il n’est pas adapté de calculer votre batterie UPS en Ampères/heures (une notion connue de tous), puisque la batterie ne pourra pas « s’exprimer » longtemps (10 minutes).
Vous devrez raisonner en Watts/minutes, ce qui réserve quelques surprises aux Ampères/heures.

Le marché accueille aujourd’hui, des batteries lithium-ion.
Bien que performante, cette technologie pose des problèmes de stabilité (le lithium est très inflammable), de recyclage (difficile), et de matières premières (terres rares dont l’exploitation est réputée être une catastrophe écologique). Les progrès sont en cours …

La technologie récente plomb pur a relancé l’intérêt du plomb en raison de son rapport prix/performances pour les applications UPS (beaucoup de Watts fournis en décharge dite rapide).

Les batteries UPS du marché présentent une durée de vie de 5 à 10 ans.
De par leur conception, toutes les batteries commencent à vieillir dès la sortie d’usine.
Pour les éléments au plomb, ce sont les grilles (de plomb) qui rentrent en oxydation dès l’empâtement nécessaire au fonctionnement.
Cependant, la durée de vie des batteries est influencée par différents facteurs.

Batterie onduleurs.png
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DURÉE DE VIE DE LA CONCEPTION DE LA BATTERIE PAR RAPPORT À LA DURÉE DE VIE RÉELLE

Pour les batteries, les fabricants annoncent une durée de vie
de 5 ou 10 ans, selon les normes EUROBAT (Association des
fabricants européens de batteries automobiles et
industrielles).
En réalité, une batterie est considérée en fin de vie, quand sa
capacité tombe en dessous de 80% de sa capacité nominale.

Une batterie d’une durée de vie de conception de 10 ans,
durera bien 10 ans (sous conditions de fonctionnement
idéales). Cependant, ses performances seront réduites au
cours des dernières années, ce qui peut poser des problèmes
pour une application UPS.
La durée de vie réelle de la batterie dépend de plusieurs
facteurs : La température de fonctionnement et de stockage,
les niveaux de décharge (la tension d’arrêt), et le nombre de
cycles (charge/décharge).

Indépendamment de ces facteurs « externes », la capacité
d’une batterie « durée 10 ans » passe en- dessous de la
capacité de 100 % à l’année 6 (voir graphique capacité/
temps).

Pendant les 4 années restantes, la capacité tombera à 80% :
l’autonomie de l’UPS diminuera dans les mêmes proportions.

Graphique batterie 5 ans

Beaucoup de clients UPS /chargeurs remplacent les batteries « durée 10 ans » au bout de 7 à 8 ans, afin de ne pas affecter l’autonomie.
La courbe est identique (avec une échelle différente) pour les batteries "durée 5 ans".
Ces dernières sont remplacées généralement au bout de 3 à 4 ans.

La fiabilité des composants (dont la batterie d’accumulateurs) est représentée par une courbe dite « en baignoire ».
Cette courbe représente l’évolution du taux de panne d’un matériel, en fonction de son cycle de vie :

Évolution du taux de panne en fonction du cycle de vie
Outils
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Les facteurs externes qui perturbent la durée de vie des batteries:

1. LA TEMPÉRATURE

Courbe durée de vie en fonction de la température de fonctionnement

Courbe durée de vie en fonction de la température de fonctionnement (doc EUROBAT)

Une température de fonctionnement élevée, est la cause la plus fréquente des
défaillances prématurées des batteries d’accumulateurs.

Plus la température est importante, plus la réaction chimique dans la batterie est
rapide : les grilles se dessèchent, entrainant une perte de matière active, d’eau et
l’augmentation de la corrosion (qui s’oppose au passage du courant).
Les batteries plomb-acide étanches doivent fonctionner à une température
optimale de 20 à 25 °C.
La durée de vie prévue sera divisée par DEUX, pour chaque palier de température
de 10 °C au-dessus des 20 à 25°c préconisés.

Les écarts de température (par exemple en fonction des saisons) affectent peu la
durée de vie de la batterie.
Il sera possible d’ajuster la tension de floating de l’élément en fonction de la
température, mais cela n’aura qu’un effet minime sur la durée de vie.

Batterie inclinée

2. Fréquence et profondeur de décharge

Sollicitées en décharge pour alimenter l’UPS pendant une absence du réseau d’alimentation, les batteries sont ensuite rechargées par le chargeur intégré, pour offrir une « protection « à la prochaine décharge.

Cette opération est appelée « un cycle ».

Une batterie est conçue pour supporter un nombre de cycles plus ou moins important.
Chaque cycle charge/décharge réduit légèrement la capacité de la batterie, proportionnellement à la profondeur de décharge.
Une batterie partiellement déchargée supporte plus de cycles, qu’une batterie complètement déchargée à chaque fois.

Nombre de cycles en fonction de la profondeur de décharge

Nombre de cycles en fonction de la profondeur de décharge

Longue période en état « déchargé »

Ne pas laisser une batterie complètement déchargée.
Stocker longtemps une batterie déchargée dégrade celle-ci : Une sulfatation interne est créée, ce qui endommage la batterie. Même après une recharge, les performances nominales ne seront plus jamais atteignables.

Long stockage des batteries avant utilisation :

Même inutilisées, les batteries se déchargent dans leur résistance interne : c’est pourquoi il ne faut pas stocker des batteries trop longtemps.

Après un stockage prolongé (4 à 6 mois), il est conseillé de recharger les batteries conformément aux directives du fabricant.

Courant d’ondulation

Rarement évoquée, l’ondulation en courant alternatif (liée à la qualité du filtrage du redresseur/chargeur/ onduleur) est un facteur important. Plus cette ondulation est élevée, plus vous accélérez le vieillissement des batteries.

Il est judicieux de veiller à la qualité du filtrage continu (condensateurs, selfs) du chargeur /onduleur pour assurer une longue vie aux batteries d’accumulateurs.

Pièces de puzzle qui s'assemblent
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LES PROBLÈMES LES PLUS COURANTS QUI ONT UN
IMPACT SUR LA DURÉE DE VIE DE LA BATTERIE

Si l’un des problèmes mis en évidence ci-dessus n’est pas rapidement détecté, puis
résolu, un « effet domino » qui accélère la défaillance d’autres batteries dans le
même système, va altérer profondément la santé des batteries.

Corrosion :

Cela se produit avec une batterie qui est en service depuis plus longtemps que sa durée de vie prévue. Au fil du temps, les réactions chimiques normales à l’intérieur de la batterie provoquent de la corrosion, par exemple l’excrétion de plomb des plaques.

Bien que ces réactions puissent être ralenties, elles ne peuvent pas être arrêtées. En raison de la conception compacte de la plupart des batteries modernes, la corrosion du réseau peut souvent entraîner des courts-circuits.

Sulfatation:

La sulfatation augmente la résistance interne de la batterie, ce qui réduit la capacité de la batterie à recevoir une charge : Le cycle de charge est plus long.
Si le degré de sulfatation n’est pas trop élevé, les batteries peuvent être récupérées en les chargeant à un courant plus élevé pendant environ 12 heures. Cependant, ce courant de charge plus élevé générera de la chaleur supplémentaire.
Si la batterie ne se rétablit pas, il faudra la remplacer.

Courts-circuits

Lorsque la pâte sur la plaque positive devient poreuse, une perte de contact est engendré entre le positif et la grille.
Pendant la décharge, si la pâte "détachée" circule et entre en contact avec les plaques de la batterie, la cellule entrera en court-circuit.

Dessèchement:

Appelé aussi perte d’eau. Créée par la surcharge, qui augmente la concentration d’acide dans l’électrolyte.
Au fur et à mesure que la batterie produit du gaz, elle perd de l’eau.
Cette dernière entraîne une diminution de la capacité au fil du temps. Le dessèchement, se traduit par une augmentation du taux d’autodécharge, de sulfatation, et
finira par provoquer une défaillance du séparateur, et donc de la batterie.

Température excessive
(très fréquent)

L’ augmentation de la température de la batterie , libère de l’énergie qui provoque une nouvelle augmentation de la température (effet d’avalanche:quand la température augmente, la résistance interne diminue, et donc le courant augmente encore pour encore créer un échauffement etc...).
La batterie étanche comporte des soupapes de sécurité, mais la température à l’intérieur de la batterie est si élevée qu’elle ne peut pas s’échapper par ces soupapes.
L’emballement thermique va faire ,au mieux, gonfler les batteries (qui vont visuellement se déformer).
Au pire, un incendie limité à l’élément concerné se déclenchera, ce qui ouvrira électriquement la tension , et interrompera ce désagréable phénomène.

Batterie brûlée

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COMMENT entretenir et retarder une défaillance de la batterie ?

Plusieurs points doivent être surveillés :

L’entretien :

Aide à maximiser la durée de vie d’une batterie UPS, et à minimiser le risque de défaillance.
Les batteries nécessitent une maintenance rigoureuse pour tout système à base d’UPS.
Un test de décharge (au moins) annuel, doit être réalisé.
Chaque batterie sera (si possible) individuellement mesurée.
Tout problème détecté suffisamment tôt, permettra une action rapide, ce qui limitera les risques de défaillance.
Une inspection visuelle poussée des bornes et des connexions, visera à mettre en évidence des éventuels fissures, fuites ou gonflements.
Les techniciens veilleront à :
- resserrer les connexions inter batteries (si besoin).
- nettoyer les batteries.

Certains clients optent pour le monitoring des batteries (nommé aussi scrutation) permanent.
Ce dispositif performant, qui surveille chaque élément (un boitier de surveillance par batterie) donne en temps réel l’état (charge/décharge/température/résistance interne etc...) pour profiter d’une batterie en bon état de fonctionnement.

Penser à la température de fonctionnement des batteries:

Les UPS sont conçus pour fonctionner en toute sécurité, à des températures comprises entre 0 et 40 ° C.
Les batteries ne supportent pas une aussi grande amplitude.
Si les batteries sont internes à l’UPS ou stockées dans la même pièce, le maintien d’une température constante entre 20 et 25 ° C prolongera la durée de vie de la batterie.

La solution idéale consiste à installer les batteries dans une salle de batterie dédiée.
Si les conditions de température l’exigent, la salle "batteries" sera climatisée et contrôlée en humidité.

Le montage des batteries est important: Trop proches (les uns contre les autres) les blocs de batterie n’auront pas assez d’espace pour la dissipation de la chaleur.
Un léger espacement évitera les conséquences de l’emballement thermique si un bloc se met en court-circuit.

Même si la "mode" est aux belles armoires batteries toutes compactes, aux couleurs de l’UPS, il est techniquement plus judicieux, pour les systèmes conséquents (où le budget batterie est très élevé), d’adopter un montage sur un chantier.
Le nom "chantier" désigne ici une étagère spéciale (adaptée au poids) , consituée d’échelles à plusieurs niveaux, sur lesquelles sont montées des traverses (appelées longrines).
Avec le chantier, les batteries sont visibles, espacées, aérées, et plus faciles à remplacer !

Un exemple de batteries montées sur un chantier

Local de batteries

CONCLUSION :

La batterie est (contrairement aux apparences) un générateur complexe.
Prédire la défaillance des batteries, avec tous les facteurs de détérioration, n’est pas aisé.

Pensez à bien entretenir (surveiller) les batteries et anticiper leur changement avec un coefficient de sécurité :
Par exemple, prévoir le remplacement des batteries à durée de vie 10 ans , aubout de 7 à 8 ans (voir nos explications en début d’article).