COMMENT DECOUVRIR LA VRAIE SANTEE DE VOTRE BATTERIE

Reda Coindet

Description

TEL [phone] FAX [phone] Comment découvrir la vraie santé de votre batterie ? Pas facile... Un regard sur les technologies émergentes capables d'estimer la réserve de capacité d'une batterie Isidor Buchmann Cadex Electronics Inc. [e-mail] www.buchmann.ca Février 2004 Le test de la conductance C.A a été introduit en 1992 comme une nouvelle façon de mesurer le CCA (Cold Cranking Amps = Intensité de démarrage à froid) d'une batterie automobile. Cette méthode non perturbante a été acclamée et considérée comme un progrès décisif et, dans une grande proportion, élimine le test de décharge pour mesurer la performance de la batterie. Le test ne dure que quelques secondes ; les lectures sont affichées sous forme de chiffres numériques et un message indique l'état de la batterie. Il n'y a aucune étincelle qui se produit aux bornes de la batterie et l'instrument ne s'échauffe pas. Mais la conductance C.A à simple fréquence a ses limitations. Elle ne mesure pas le CCA suivant les normes SAE et n'offre qu'une approximation au sujet de la faculté de la batterie de pouvoir fournir de l'énergie (niveau de sortie). Ce chiffre de quantité d'énergie relative varie souvent avec l'état de charge (SoC = State of Charge) et d'autres conditions de la batterie. Parfois, une bonne batterie échoue et une autre qui est défectueuse passe le test mais par erreur. Mais son inconvénient le plus important est son ...

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More and Co SARL :59 Avenue de Toulouse 34070 Montpellier. R.C.S. Montpellier B403 495 013

Comment découvrir la vraie santé de votre batterie ? Pas facile...

Un regard sur les technologies émergentes capables d'estimer la réserve

de capacité d'une batterie

Isidor Buchmann

Cadex Electronics Inc.

[e-mail]

www.buchmann.ca

Février 2004

Le test de la conductance C.A a été introduit en 1992 comme une nouvelle façon de mesurer le CCA (Cold

Cranking Amps = Intensité de démarrage à froid) d'une batterie automobile. Cette méthode non perturbante a

été acclamée et considérée comme un progrès décisif et, dans une grande proportion, élimine le test de

décharge pour mesurer la performance de la batterie. Le test ne dure que quelques secondes ; les lectures

sont affichées sous forme de chiffres numériques et un message indique l'état de la batterie. Il n'y a aucune

étincelle qui se produit aux bornes de la batterie et l'instrument ne s'échauffe pas.

Mais la conductance C.A à simple fréquence a ses limitations. Elle ne mesure pas le CCA suivant les normes

SAE et n'offre qu'une approximation au sujet de la faculté de la batterie de pouvoir fournir de l'énergie (niveau

de sortie). Ce chiffre de quantité d'énergie relative varie souvent avec l'état de charge (SoC = State of Charge)

et d'autres conditions de la batterie. Parfois, une bonne batterie échoue et une autre qui est défectueuse

passe le test mais par erreur. Mais son inconvénient le plus important est son incapacité d'effectuer la lecture

de la réserve de capacité (RC). En dépit de ces lacunes, la conductance C.A est devenue une norme

acceptée pour prédire la durée de vie de la batterie et pour déterminer quand remplacer une vieille batterie

avant qu'elle ne vous cause des problèmes.

Quelles sont les différences principales entre les paramètres CCA et RC ? Une lecture élevée de CCA assure

une bonne conductivité de la batterie et fournit une grande capacité/faculté au démarrage. Un CCA élevé va

de pair avec une faible résistance interne de la batterie. La Figure 1 compare un CCA élevé à un grand

robinet ouvert qui permet un écoulement libre.

Figure 1 : Batterie avec un CCA élevé

et une réserve de capacité de 100%.

Une batterie avec un CCA élevé peut

être comparée à un grand robinet ouvert

qui permet un écoulement libre.

La réserve de capacité régit la quantité d'énergie qu'une batterie peut accumuler. Une batterie neuve est

indiquée par le fabricant comme ayant une capacité nominale de 100%. Quand la batterie prend de l'âge, la

réserve de capacité chute et éventuellement elle a besoin d'être remplacée lorsque la réserve de capacité

tombe au-dessous de 70%. La lecture de RC se reporte toujours à une batterie complètement chargée ; L'état

de charge (SoC) ne devrait avoir aucun effet sur la mesure.

Il est possible qu'une batterie fournisse une bonne lecture de CCA et démarre bien un véhicule tout en ayant

une faible réserve de capacité. Mais cette batterie se déchargerait très rapidement si on essayait de soutirer

de l'énergie supplémentaire (par ex. pour les accessoires). La Figure 2 illustre une telle batterie. Le soi- disant

" contenu rocailleux " qui s'accumule lorsque la batterie vieillit est permanent et ce processus est irréversible.

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Figure 2 : Batterie avec un CCA élevé

mais une faible réserve de capacité.

Le démarrage avec cette batterie est bon

mais un soutirage d'énergie

supplémentaire mettra la batterie à plat

rapidement.

La Figure 3 illustre une batterie avec une bonne réserve de capacité mais un faible CCA. Cette batterie a des

difficultés à activer le démarreur et a besoin d'être remplacée même si elle pourrait être utilisée pour des

applications peu contraignantes (avec un courant de décharge faible).

Figure 3 : Batterie avec un faible CCA

mais une réserve de capacité élevée.

Le faible CCA de cette batterie cause un

mauvais démarrage, bien que la réserve

de capacité soit élevée.

Avec une demande croissante pour de l'énergie supplémentaire sur les véhicules, la mesure de l'énergie en

réserve est plus appropriée que le CCA. Le slogan du début (titre de l'article) indique que ce n'est pas une

tâche facile de voir quel est le véritable état de santé d'une batterie et des progrès doivent être réalisés dans

ce domaine. Les testeurs modernes de batteries doivent s'adapter à cette nouvelle exigence et inclure

également la mesure de RC. Les fabricants automobiles européens mettent une emphase importante sur la

réserve de capacité, alors qu'en Amérique du Nord le CCA est encore la norme acceptée pour évaluer la

performance de la batterie. La plupart des testeurs modernes de batteries fournissent les lectures de l'état de

charge (SoC).

La mesure de la réserve de capacité est plus complexe que celle du CCA. Plusieurs méthodes ont été

essayées, y compris la conductance à multifréquences, mais la plupart ont échoué. L'un des principaux

obstacles est le traitement de grosses quantités de données reçues lorsqu'on excite une batterie en injectant

des fréquences multiples et que l'on examine les résultats. La collecte des données est facile ; mais le

problème est de pouvoir utiliser les informations d'une façon pratique. Le manque de microprocesseurs ultra-

rapides et les difficultés de traitement ont fait " caler " ou abandonner les développements de testeurs

élaborés de batteries. À cause de ces raisons, aucune amélioration importante n'a été effectuée dans ce

secteur pendant les douze dernières années. Mais ceci changera peut-être bientôt...

Cadex Electronics a inventé une méthode qui permet le traitement de grosses quantités de données, reçues

grâce à l'EIS (Electro-chemical impedance spectroscopy = Spectroscopie électrochimique d'impédance) à

multifréquences. Déposée sous la marque Spectro™, le système injecte 24 fréquences d'excitation allant de

20 à 2 000 Hertz. Les signaux sont régulés à 10 mV pour rester dans les limites de la portion linéaire de la

batterie (thermal batterie voltage) du couple acide-plomb. Ceci permet des lectures stables pour les petites et

les grosses batteries. Le test dure 20 secondes, pendant lesquelles environ 40 millions de transactions sont

traitées.

Dans la plupart des cas, l'EIS requiert un dispositif spécifique et un ordinateur pour analyser les données

obtenues. Pour pouvoir effecteur de telles analyses dans un appareil portatif, le traitement de signaux

numériques ultra-rapides est utilisé. L'invention de Spectro™ fait l'objet d'un brevet en cours de dépôt aux

États-Unis sous le numéro 20030204328 (par Jörn Tinnemeyer).

Spectro™ a été principalement démontré sur des batteries acide-plomb de 12 V, en particulier dans le

domaine automobile. L'éventail important de batteries automobiles disponibles fournit une excellente plate-

forme pour vérifier cette technologie. La même technologie est également utilisée pour les batteries à base de

nickel et de lithium.

Chez Cadex, pour capitaliser sur la puissance de leur invention, ils sont en train de développer un testeur

portatif de batteries à usage industriel. Le premier modèle (le Cadex CA-12) sera utilisé lors de l'entretien/le

dépannage des batteries automobiles et des programmes de tests " bêta " commenceront dès l'été 2004. Un

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appareil légèrement plus grand est également en cours de développement pour les batteries immobiles (en

général très grosses). Ce modèle - le Cadex CS-12 - est prévu pour l'année 2005.

L'une des caractéristiques les plus importantes de Spectro™ qui différencie Cadex, est sa faculté de pouvoir

indiquer le CCA, la réserve de capacité (RC) et l'état de charge en une seule mesure. L'affichage de RC se

trouve sur la liste des desiderata des fabricants de batteries et des centres de dépannage depuis de

nombreuses années. En fait, ce sera la première fois que de telles informations peuvent être obtenues de

façon non perturbante à l'aide d'un testeur portatif disponible sur le marché. La Figure 4 montre le format de

l'affichage " suggéré ".

Figure 4 : Affichage des valeurs de CCA, RC et SoC.

Pendant le test de 20 secondes, le processeur de signaux numérique traite 40 millions de transactions.

La batterie a besoin d'être chargée pour dérouler le test. La bande-type de test se trouve entre 50% et 100%

pour le SoC. Des tests préliminaires fournissent des résultats stables sur une large plage de températures. Il y

a une bonne immunité au bruit électrique. Les charges parasites allant jusqu'à 30 A ont été essayées sans

effets secondaires notables. De plus Spectro™ apparaît être moins sensible aux charges superficielles que la

conductance C.A à simple fréquence et les lectures de CCA sont plus consistantes. Le testeur tolère une

certaine stratification causée par l'acide mais les adjuvants chimiques peuvent affecter les lectures. La Figure

5 illustre le testeur CA-12, qui ressemble, en taille, à un gros livre.

Figure 5 : Aperçu du testeur rapide de batteries CA-12 de

Cadex pour les batteries.

Les résultats de test sont disponibles sous forme de la

plupart des normes globales. Le RC peut être indiqué en

pourcentage de la capacité nominale ou en temps de

décharge.

Premiers résultats de tests sur la réserve de capacité

La vérification et la répétabilité d'une nouvelle invention prend beaucoup de temps et d'efforts. Pour tester

Spectro™, Cadex a mis sur pied un banc de test composé de batteries automobiles avec des niveaux de

performance divers. La préparation a consisté en une charge complète à saturation, suivie d'une période de

repos de 24 heures et d'une décharge de 25 A jusqu'à 10,50 V (1,75 V/accu), pendant laquelle la réserve de

capacité a été mesurée. Cette procédure a produit une variation des lectures de capacité de +/- 15% parmi

toute la population des batteries. Lorsqu'on compare la capacité obtenue grâce à une décharge classique à

celle obtenue par des moyens non perturbants, on doit prendre en compte la vulnérabilité/sensibilité du couple

acide-plomb.

La Figure 6 compare les réserves de capacité de 38 batteries automobiles choisies au hasard. Les petits

losanges noirs montrent la réserve de capacité obtenue par une pleine décharge ; les petits carrés mauves

représentent les estimations à l'aide de Spectro™ en utilisant une matrice générique.

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Figure 6 : Comparaison des RC de 38 batteries à l'aide d'une matrice générique.

Les losanges noirs indiquent le RC obtenu à l'aide d'une pleine décharge ; les carrés mauves représentent les

estimations à l'aide de Spectro™.

Comment les lectures de RC peuvent être encore améliorées ? Les meilleurs résultats sont obtenus en triant

les batteries suivant leur architecture et la valeur nominale du paramètre CCA. Nous avons développé une

matrice spécifique par modèle et testé un groupe de batteries du même modèle. La Figure 7 indique les

lectures de réserve de capacité obtenues par une décharge complète classique et par Spectro™. Avec des

matrices spécifiques, les lectures sont proches des normes de laboratoires en terme de précision.

Figure 7 : Comparaison des RC de 24 batteries avec une matrice spécifique par modèle.

La courbe avec les carrés mauves (Spectro™) suit celle avec les losanges noirs de très près. Avec des

matrices spécifiques on approche bien les normes de laboratoires.

Bien que les résultats de la Figure 6, et en particulier ceux de la Figure 7, apparaissent très

encourageants, on a besoin de garder en mémoire que Spectro™ n'est pas un testeur universel de

batteries capable de mesurer n'importe quelle batterie qui pourrait se présenter. Il ne peut pas être

comparé à un photocopieur qui reproduit n'importe quel document ou tout objet plat en appuyant

simplement sur le bouton " copie ". Spectro™ a plutôt besoin d'une matrice spécifique de batterie

comme référence. En grande proportion, la qualité de la matrice est celle qui régit la précision

obtenue. Les matrices sont mémorisées dans le testeur et ont besoin d'être sélectionnées ensemble

avec les paramètres comme la valeur nominale en Ah et/ou celle du CCA. Nous sommes en train de

progresser en établissant des matrices génériques qui sont susceptibles d'être utilisées pour les

mesures des paramètres CCA et RC.

Le prix de l'appareil peut aussi être un autre problème. À cause de la complexité ajoutée et d'un

nombre de composants élevé lorsque l'on compare ces facteurs à ceux de la conductance C.A à

simple fréquence, la technologie Spectro™ devra être vendue à un prix relativement plus élevé. Nous

ne sommes pas en concurrence directe avec les fabricants de testeurs de batteries qui sont

actuellement sur le marché ; Nous présentons plutôt une solution pour ceux qui ont vraiment besoin

d'une meilleure technologie et qui trouvent que la méthode courante peut s'avérer insuffisante.

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Sommaire

La technologie a évolué à un point où la mesure de la performance de la batterie grâce à des moyens

non perturbants, deviendra la norme agréée. L'application d'une pleine décharge dans le but d'obtenir

la réserve de capacité fera partie de l'histoire ancienne. La Spectroscopie électrochimique

d'impédance (EIS) à multifréquences avec des algorithmes améliorés du traitement des données

rendra tout cela possible.

L'excitation (et l'examen des résultats) d'une batterie à l'aide de l'EIS à multifréquences non

seulement permet d'obtenir des estimations de RC, mais il améliore également les lectures de CCA.

Plutôt que de mesurer des valeurs vagues qui simulent simplement la faculté d'obtention d'énergie,

comme c'est le cas avec la conductance C.A à simple fréquence, l'EIS si elle est réalisée

convenablement, peut en fait fournir des équivalents CCA réels. De plus, la quantité d'informations

disponibles grâce au procédé à multifréquences (décrit plus haut) améliorera également les

estimations de l'état de charge.

La conductance C.A continuera à jouer un rôle important dans le test des batteries dans le secteur du

dépannage/de l'entretien. Cependant, les utilisateurs sérieux de batteries accueilleront à bras ouverts

l'introduction d'instruments plus évolués. Des applications-types de la nouvelle technologie EIS

évalueront les retours sous garantie dans les industries automobiles, pour évaluer l'état de la durée de

vie de batteries immobiles et vérifier la réserve de capacité pour les batteries dans des applications du

domaine de la défense. L'EIS deviendra aussi indispensable pour vérifier les batteries des chaises

roulantes, des voiturettes de golf, des robots, des bateaux, des chariots élévateurs à fourche, pourvu

qu'une matrice appropriée soit disponible.

À propos de l'auteur

Isidor Buchmann est le fondateur et le P.D.G de la société Cadex Electronics Inc., située à

Vancouver en Colombie Britannique. M. Buchmann a une formation en communications radio et il a

étudié le comportement des batteries rechargeables pendant deux décennies, dans toutes les

applications pratiques de tous les jours. Auteur primé de plusieurs articles et de plusieurs livres au

sujet des batteries, M. Buchmann a présenté des rapports techniques à travers le monde.

Cadex Electronics est un fabricant de chargeurs et d'analyseurs élaborés de batteries et de logiciels

associés sur PC. Pour obtenir des informations sur les produits, veuillez consulter le site Web de

Cadex :

www.cadex.com

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