Réflexions sur la conception d'une jauge de batterie pour accu plomb

[mweber]

Bonjour à tous,

Je souhaite réaliser un "capacimètre" capable d'estimer le nombre d'ampères-heures restant dans une batterie au plomb (En fait c'est une tache plus complexe qu'il n'y parait).

Ma cible: 1 batterie 12V 105Ah / C20h Gel Dryfit tension de fin de charge 14V5 (cycle use) (je n'en sais pas plus...)

Elle est chargé par un panneau solaire (Imax 10A) et branchée sur des circuits utilisation consommant entre 2 et 11 A) + un chargeur pour les longues soirées d'hiver... Sinon 105 Ah ne suifferaient pas.)

Il n'est pas possible de déconnecter la batterie du circuit utilisation (pour mesurer sa tension à vide par ex).

Je souhaite vous présenter l'état d'avancement de mon projet (notamment des portions algorithmique pour utiliser sur un microcontrôleur), si cela peux aider, et peut être pourrez-vous combler certaines de mes interrogations.

Bon pour faire simple en gros l'idée c'est de fabriquer un truc ressemblant à ça :

http://www.xantrex.com/power-product...y-monitor.aspx
ou ça :
http://www.smartgauge.co.uk/smartgauge.html

Pourquoi ne pas l'acheter me direz-vous ?

Parce-que :
- C'est cher
- J'intègre le truc dans un montage plus complexe
- J'adore comprendre par moi-même et réaliser les choses
- Je ne recherche pas la précision absolue

Il y a plein de truc intéressant sur le site http://www.smartgauge.co.uk/sgvahrs.html


Je mesure :
- I_batt : Le courant entrant et sortant de la batterie
- U_batt : sa tension (a charge, car on ne va pas débrancher la batterie de son circuit!! donc pas le choix).


Mes constantes connues :
- La capacité de la batterie lorsqu'elle est neuve, exprimée en Ampères-heures :
constante CAPA_TOT_BATT_NEUVE 105

- Le coefficient de Peukert donné par le fournisseur de batterie, qui spécifie selon une formule (non linéaire) que la capacité apparente de la batterie diminue d'autant plus que le courant débité par la batterie est important :
constante PEUKERT_COEF 1.25

- La durée de décharge annoncée par le constructeur pour C (écrit sur la batterie, exprimée en heures, généralement 10h ou 20h):
constante BATT_TAUX_DECHARGE 20


Mes variable globales :
- La capacité de la batterie à l'heure actuelle, exprimée en Ampères-heures : Par ex 51 Ah => Elle à perdue 50 % de CAPA_TOT_BATT_NEUVE:
CAPA_TOT_BATT_REEL

- La capacité restante dans la batterie, exprimée en Ampères-heures. nombre positif:
C_batt

- Le courant débité / entrant dans la batterie, exprimée en Ampères. Débité => I < 0 :
I_batt

- La tension aux bornes de la batterie, exprimée en Volts:
U_batt

Au début, j'assume (pourquoi pas ? ) que ma batterie est neuve et pleine, donc :

CAPA_TOT_BATT_REEL = CAPA_TOT_BATT_NEUVE;
C_batt = CAPA_TOT_BATT_REEL;

Je décompose le truc en 4 parties :

1) La charge (I_batt > 0)
2) La décharge (I_batt < 0)
3) La détection de batterie pleine
4) La détection de batterie vide

Bien sur Ces paramètres dépendent du type de batterie et de sa santé...

1) La charge
Ici j'ai un "doute". J'ai lu que le rendement lors de la charge de la batterie est de 90 % => 0.9 :
D'où

si (I_batt > 0)    C_batt = C_batt + (I_batt * 0.9) / 1800;

(1800...? car je fais ce calcul et une mesure de I_batt tout les 2 secondes)

Ce rendement est t'il correct ? t'il ? Vu que le courant de charge est fournit par un panneau solaire (donc au maxi 10 A pour une batterie de 105 Ah) faut t'il s'en inquiéter ? y a t'il un effet Peukert lors du chargement à prendre en compte ?


2) La décharge
La je maitrise mieux

  
// Estime les Ampères-heures entrant et sortant des batteries
// Notez que j'inverse le signe du courant car à la décharge il est négatif, or si je fait une puissance 1,25 d'un nombre négatif, c'est impossible (racine d'un nombre négatif). temp1 temp2 temp3 sont des variables temporaires pour décomposer le calcul (ce sont des flottants)
La formule vien d'ici: http://www.smartgauge.co.uk/peukert_depth.html
  si (I_batt < 0)
    {
    temp1 =  pow(-I_batt, PEUKERT_COEF);
    temp2 =  pow((CAPA_TOT_BATT_REEL / BATT_TAUX_DECHARGE), (PEUKERT_COEF - 1));
    temp1 =  temp1 / temp2;
    C_batt = batt  - (temp1 / 1800);
    }

Remarques :
pow(X, Y) réalise l'opération : X puissance Y, encore noté parfois X^Y.
(1800...? car je fais ce calcul et une mesure de I_batt tout les 2 secondes)
Ça ça marche bien...


3) La détection de batterie pleine
Humm,
Si la batterie atteins 14V5, elle a rejoins sa capa maximale..

si (U_batt >= 14.5)                   C_batt = CAPA_TOT_BATT_REEL;

Le Xantrex, lui (cf son mode d'emplois en français) prends en compte en plus le courant de fin de charge, mais je ne vois pas l'intéret car si la batterie débite un peu en même temps qu'elle est quasi chargée, ce courant ne veut rien dire ?


4) La détection de batterie vide
Là c'est plus sioux... car comment définir (sans pèse acide, la batterie est au gel ha ha !) qu'une batterie est vide ?
J'ai trouvé un compromis en appliquant en façon empirique une tension de fin de décharge en fonction du courant débité...
En gros :
Si i_batt est nul, on dis que l'on est a plat à 11v5
Si l'on tire 10A, il faut que la batterie descende à 10V5 pour dire que l'on est à plat, etc..

  si((I_batt <= 0) ET (U_batt <= (11.5 + I_batt * 0.1)))  // Détermine si on à atteint la décharge complète:modo:
    {
    CAPA_TOT_BATT_REEL = CAPA_TOT_BATT_REEL - C_batt;  // (remarque *)

    C_batt = 0;
    }

remarque *
Ici je me rends (éventuellement) compte qu'il est censé me rester des Ampères heures en réserve dans la batterie (si C_batt > 0)
Si c'est le cas, on considère que la capacité d'origine de la batterie est amoindrie (elle vieillit la pauvre) et donc on ajuste CAPA_TOT_BATT_REEL pour tout les prochains calculs !


=> Ce qui permet d'obtenir un état de santé de la batterie en faisant :

  variable Sante_batt =  CAPA_TOT_BATT_REEL * 100.0 / CAPA_TOT_BATT_NEUVE;

Voila bien sur le code n'est pas complet mais ça donne une bonne source d'inspiration

Le calcul de la résistance interne de la batterie peut t'il aider également dans l'une ou plusieurs des 4 étapes, sachant que si le courant varie, la tension également, donc on peu estimer à quelques instants intervalle la résistance interne....

En espérant aider certains et Merci pour vos lumières,

Matthieu
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[DAUDET78]

Perso, je pense que tous ces machins de mesure sont du pipeau et n'engraissent que les vendeurs.

[PIXEL]

attendons HULK , si il ne fait pas une syncope....

[invitee6c3c18d]

une batterie plomb se décharge toute seule, lentement mais surement. Tu en tiens compte dans ton estimation ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[PIXEL]

d'autre part , sa capacité se réduit à l'usage

[mweber]

Héhé merci plein de remarques en quelques minutes....ce sujet passionne

d'autre part , sa capacité se réduit à l'usage

C'est pris en compte, la variable CAPA_TOT_BATT_REEL versus CAPA_TOT_BATT_NEUVE

une batterie plomb se décharge toute seule, lentement mais surement. Tu en tiens compte dans ton estimation ?

Non, je considère le fait qu'elle sera "complètement", (c'est à dire en respectant les cycles de décharge max) chargée ou déchargée au moins toute les semaines, ce qui resynchronise le compteur. Ce serait faisable d'en tenir compte malgré tout, si tu as des donnés la dessus (je considère la température fixe de 15 °C).

Perso, je pense que tous ces machins de mesure sont du pipeau et n'engraissent que les vendeurs.

Surtout dans le monde du nautisme ou certains bidules tout bêtes sont vendus une fortune (ex décodeur NMEA)

[zibuth27]

hello,

tu compte sur 4 phases



1) charge
tu comptes ne prendre en compte que le courant
et tu t'arrêtes lorsque tu as rempli en fonction des pertes du rendement
cela suppose le rendement connu (?) et qu'il ne varie pas en fonction de l'âge de la batterie (?)

2) décharge
c'est bien de prendre en compte Peukert, mais quelle est la précision de ce coefficient en fonction de la batterie et de son usure ?

3) batterie pleine
détection de tension, mais encore cela dépend de sa techno (gel, merdonium ajouté dans le plomb)

4) batterie vide
tu prends en compte la tension et le courant , OK

• tu oublies la température qui agit sur tous ces paramètres (juste cité en fin pour mieux l'éliminer. ta batterie est réellement dans un endroit thermostaté ? sinon big surprises)
• tu oublies le régime de charge : à 13.8V en floating la batterie n'est jamais chargée et finit par sulfater
• tu oublies la déstratification, la seule vraie indication de l'état de charge est la concentration de l'électrolyte, pour éviter la différence de concentration d'acide entre le haut et le bas du même élément, on surcharge à 105-110% (en permanence en auto)
• tu oublies l'égalisation, car même si tous les éléments sont nés égaux, ils ne finissent pas égaux, notamment en fonction des échauffements internes (dont le courant alternatif équivalent, facteur limitatif important des fabricants, peu utilisé dans les chargeurs), il faut donc monter la tension pour que chaque élément chargé serve de zener et charge les éléments plus faibles (opération à faire entre 3 et 6 mois)

charger une batterie la fait chauffer (surtout avec un ripple current) et tes calculs deviennent faux

ta jauge est-elle associée à un chargeur intelligent et comment prend-elle en compte les phases d'égalisation et de déstratification?


saluts

[mweber]

Salut zibuth27,

cela suppose le rendement connu (?) et qu'il ne varie pas en fonction de l'âge de la batterie (?)

C'est justement ma question ! A défaut d'infos je ne sais pas trop quoi faire d'autre

c'est bien de prendre en compte Peukert, mais quelle est la précision de ce coefficient en fonction de la batterie et de son usure

Donnée constructeur... comment évolue t'il avec le temps ? Je ne sais pas, mais je recalcule en fonction de la capacité réduite due au vieillissement... après on ne peut pas faire de miracles ça reste une indication, pas parfaite mais j’essaye de m'en approcher

détection de tension, mais encore cela dépend de sa techno (gel, merdonium ajouté dans le plomb)

Idem, donnée constructeur et ce que rentre en paramètre la personne....

tu oublies la température qui agit sur tous ces paramètres (juste cité en fin pour mieux l'éliminer. ta batterie est réellement dans un endroit thermostaté ? sinon big surprises)

Une cave enterrée !

tu oublies le régime de charge : à 13.8V en floating la batterie n'est jamais chargée et finit par sulfater

Comment ca ? Je pige pas là ?

tu oublies la déstratification, la seule vraie indication de l'état de charge est la concentration de l'électrolyte, pour éviter la différence de concentration d'acide entre le haut et le bas du même élément, on surcharge à 105-110% (en permanence en auto)

Ici je bosse avec du gel, on peux pas déstratifier.

tu oublies l'égalisation, car même si tous les éléments sont nés égaux, ils ne finissent pas égaux, notamment en fonction des échauffements internes (dont le courant alternatif équivalent, facteur limitatif important des fabricants, peu utilisé dans les chargeurs), il faut donc monter la tension pour que chaque élément chargé serve de zener et charge les éléments plus faibles (opération à faire entre 3 et 6 mois)

C'est le taff du (bon) chargeur

[mweber]

Salut zibuth27,

Comment du batterie en foating à 13V8 peut t'elle sulfater ?

A+

Matt

[zibuth27]

hello,

désolé de ne pouvoir répondre aussi vite que tu le souhaites

je ne parle que de batteries plomb-acide à électrolytique liquide

Une des docs les plus poussées dont je dispose vient du DOE ministère de l'énergie US. On devrait pourtant avoir des bonnes docs en France avec tous les centraux téléphoniques et les sous-marins classiques qui en utilisent depuis des décennies !

la cycle charge-décharge est donné par le doc DOE-HDBK-1084 (à 25°C)
on y constate que la charge totale est atteinte à plus de 15V/batt
mais que 50% de la charge sont atteints pour une tension de 13.8V. Quand une batterie n'est pas complètement chargée, elle sulfate à moyen terme, ce qui m'a aussi été confirmé par un dir technique chez Yuasa.
(pour le lire, reporter le croisement de la courbe volts per cell vers la droite pointillée "Amperes per hour returned" )
la charge classique voiture à 14.4V correspond à une tension supérieure à 14.34V (gassing voltage de la table Sandia) au-delà de laquelle on a génération de gaz, donc déstratification
je ne connais de batterie gel que celle d'origine de ma moto BMW R1200 et dont le régulateur est spécifié à 14.0V, quand j'ai monté une batterie à liquide (le tiers de la pièce d'origine BMW, avec plus de courant disponible pour le démarrage), ma batterie ne chargeait que très partiellement (5 minutes max de codes moteur arrêté), j'ai donc du modifier l'alternateur

je peux t"envoyer en MP les images ou docs originaux, et si tu obtiens (ou quelqu'un) des docs de ce niveau pour des batteries gel, peux-tu me les transmettre. je renvoie demain une meilleure image du DOE


saluts

[zibuth27]

hello,

avec l'image c'est plus clair


saluts

[mweber]

Salut zibuth27,

Pas de soucis! Je ne suis pas non plus pressé, c'est déja très gentil de consacrer du temps à me répondre

Merci pour ces infos complémentaires...

De mon coté je n'ai mal heureusement pas grand chose en techno gel (je pense que tu en sais autant que moi), par contre me me suis documenté sur les
batteries Li-Ion et LiPoFe, notamment sur la durée de vie des Li-Ion qui est inversement proportionnel
(enfin c'est +/- logarithmique) à leur tension de fin de charge (expérience comparative vécue avec 2 batteries identiques)...
Ce qui fait le bonheur des vendeur de batteries de PC portables

D’où une certaine pollution par obsolescence programmée... mais je suis sans doute mauvaise langue et on sort du sujet

A bientot, Si je trouve de la doc, je la posterai sur le forum..

Matt

[zibuth27]

hello,

sulfatation:
Battery-university ne dit que la même chose
BU-804b: Sulfation and How to Prevent it
Applying ways to minimize sulfation.
"Sulfation occurs when a lead acid battery is deprived of a full charge."

batterie gel:
tant qu'on ne touche pas aux électrodes, l'électrochimie devrait être la même, jusqu'au dégazage, interdit (14,34V @25°C)

s'il y a dégazage, c'est une perte d'eau de l'électrolyte donc concentration rapide, avec les corrosions qui vont bien
on ne peut donc la charger complètement, on espère juste que les Ah déclarés en tiennent compte

lithium:
attention au fait qu'elles ne supportent absolument pas la charge prolongée : il doit y avoir cessation de charge dès que le courant descend à 3 ou 5% de c
si tu veux les laisser en tampon (usage typique auto) tu ne peux les charger qu'à 20% soit 3.45V par élément (en recalculant depuis les docs Sonnenschein, un des rares fabricants qui en parle, et donne des valeurs). Ça coûte très cher !


saluts

[invite03481543]

Bonjour,

tout d'abord les jauges de charge ne sont pas du pipeau, ce n'est pas parce qu'on ne sait pas qu'il faut dénigrer.
Juste qu'il y a de tout et surtout beaucoup de n'importe quoi en circulation, c'est la grande mode.
Par exemple dans une voiture électrique il y a des jauges très performantes et encore heureux.

Pour une batterie au plomb il faut faire intervenir un coefficient nommé l'effet Peukert qui, comme son nom ne l'indique pas, altère la valeur de charge disponible selon le niveau de courant débité d'après la fameuse loi de Peukert: C=I^k*t, k étant le coefficient de Peukert.
On y voit que la linéarité classiquement appliquée C=I*t n'est pas de mise.

A noter que l'effet Peukert est quasi inexistant sur une batterie lithium.

Donc pour connaitre ce coefficient soit il est indiqué par le fabriquant (rarement), soit on le détermine par expérimentation, c'est plus long mais plus fiable.
Pour cela il faut faire cycler la batterie en charge et décharge à différents niveaux de courants puis on déduit les coefficients de Peukert pour les différents niveaux de courants que l'on met dans une table qui sera exploitée par le calculateur.

Pour faire une jauge fiable ça ne suffit pas, la capacité d'une batterie varie aussi en fonction de sa température, du régime d'utilisation (courant constant, courant impulsionnel, puissance constante,...), de la température ambiante, de son nombre de cycles, du temps de non utilisation, de sa méthode de charge, etc.
Il faut bien retenir qu'une batterie est un système non-linéaire.

Il faut donc corréler tout ça, soit par une méthode expérimentale, soit par des outils mathématiques avancés selon un modèle à définir.
Pour faire une jauge acceptable pour un amateur la méthode par corrélation de tables expérimentales est suffisante et peut garantir une précision honorable, mieux que +/-10% d'erreur, avec une bonne électronique de mesures et de la rigueur dans les relevées on arrive à +/-5%.
Les jauges de véhicule électrique sont précises à +/-1% mais utilisent des algorithmes complexes de type prédictif ou stochastique, emploi d'observateurs d'états, filtres de Kalman, etc.
Bon nombre d'années et d'études poussées ont été mené pour aboutir à de tels résultats, et continu encore d'ailleurs de nos jours.
Aujourd'hui c'est surtout le SOH (état de santé) qui monopolise la recherche.

[DAUDET78]

Perso, je pense que tous ces machins de mesure sont du pipeau et n'engraissent que les vendeurs.

tout d'abord les jauges de charge ne sont pas du pipeau, ce n'est pas parce qu'on ne sait pas qu'il faut dénigrer.
Juste qu'il y a de tout et surtout beaucoup de n'importe quoi en circulation, c'est la grande mode.

Donc tu es bien en accord avec moi !

Par exemple dans une voiture électrique il y a des jauges très performantes et encore heureux.

sauf que ce genre de technologie n'est pas accessible au bricoleur éclairé

Les jauges de véhicule électrique sont précises à +/-1% mais utilisent des algorithmes complexes de type prédictif ou stochastique, emploi d'observateurs d'états, filtres de Kalman, etc.
Bon nombre d'années et d'études poussées ont été mené pour aboutir à de tels résultats, et continu encore d'ailleurs de nos jours.

Donc tu es bien en accord avec moi !