Surveillance du courant de flottement : un aperçu complet
La durée de vie d’une batterie au plomb-acide n’est pas infinie en raison de la dégradation naturelle de certaines propriétés électrochimiques au fil du temps. Le mode d’utilisation et d’entretien de la batterie a un impact majeur sur son cycle de vie. Dans cet article, nous couvrons les bases de la surveillance du courant de flottement et expliquons pourquoi cela est devenu essentiel de nos jours.
Introduction
Espérance de vie des batteries VRLA
Mécanismes de défaillance des batteries VRLA
Quelle est la valeur typique du courant de flottement ?
Comment déterminer la valeur nominale du courant de flottement ?
Comment établir les seuils haut et bas du courant de flottement ?
Six comportements de courant de flottement à surveiller
Le meilleur outil pour mesurer le courant de flottement
1. Introduction
Les batteries stationnaires au plomb sont utilisées à travers le monde pour assurer une alimentation de secours critique dans les systèmes UPS / centres de données, télécommunications, services publics d’électricité, appareillages de commutation, et plus récemment dans les systèmes de stockage d’énergie (ESS). La technologie VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) domine aujourd’hui le marché, en remplacement de la technologie VLA (Vented Lead-Acid), grâce à ses nombreux avantages :
Faible ou absence de maintenance et conception étanche
Faible encombrement et densité de puissance élevée
Longue durée de stockage avec faible autodécharge
Cependant, malgré leurs avantages, les batteries VRLA nécessitent une gestion rigoureuse pour maximiser leur durée de vie, optimiser leur performance, et garantir une alimentation fiable en cas de panne de courant.
Elles existent en deux types : AGM (Absorbed Glass Mat) et Gel. Leur durée de vie dépend du type, de la qualité des matériaux, du design et du processus de fabrication. Toutefois, certains facteurs peuvent réduire considérablement leur état de santé (SoH) et provoquer des défaillances prématurées, notamment :
Le processus de sélection, de stockage, d’installation et de mise en service
L’environnement d’exploitation (température ambiante, tension de flottement, courants ondulés)
Les applications (cycles, profondeur de décharge, taux de décharge élevé)
La gestion et l’entretien (techniques de charge, égalisation, maintenance préventive)
2. Espérance de vie des batteries VRLA
Dans les applications stationnaires telles que les systèmes télécoms 48 Vdc, postes 125 Vdc, ou UPS, les batteries VRLA sont maintenues en charge continue pour compenser l’autodécharge et garantir une pleine charge disponible.
On pourrait penser qu’une batterie VRLA aurait une durée de vie infinie, surtout si elle est rarement sollicitée, mais ce n’est pas le cas. Les fabricants indiquent une durée de vie théorique de 5, 7, 10 ou 15 ans, parfois plus.
La capacité (Ah) diminue avec le temps à cause de réactions chimiques internes, notamment la corrosion des grilles et l’assèchement de l’électrolyte. Ces phénomènes sont fortement influencés par des intensités de courant de flottement anormales.
3. Mécanismes de défaillance des batteries VRLA
Avant d’examiner les mécanismes de défaillance, il est essentiel de :
Sélectionner des batteries adaptées à chaque application
Mettre en place une maintenance rigoureuse par un personnel qualifié
Disposer d’un programme de maintenance préventive conforme aux normes PRC-005 et IEEE 1188, incluant la surveillance mensuelle de la tension de flottement par cellule, du courant de charge, de la température ambiante et du courant de flottement par chaîne.
Principaux mécanismes de défaillance :
Température ambiante et tension de flottement élevées : Pour chaque hausse de 10 °C, le courant de flottement double. Idem si la tension augmente de 0,05 V/cellule. Un excès entraîne une surcharge, favorisant la corrosion des grilles.
Corrosion des grilles : Provoquée par l’oxydation naturelle du plomb. Favorisée par le cyclage excessif, la température élevée et la surcharge.
Assèchement ou perte de compression : L’accumulation de gaz due à la chaleur ou à la surcharge entraîne l’ouverture de la soupape, le rejet de gaz, et l’assèchement de l’électrolyte, menant à un emballement thermique.
Charge incorrecte – surcharge : Paramétrage erroné du chargeur ou défaillance peuvent endommager les cellules. Une surcharge accélère considérablement le vieillissement.
Charge incorrecte – sous-charge : Tension trop basse ou courant insuffisant durant la phase de charge. Cela provoque la sulfatation, augmente la résistance interne et diminue la capacité.
Court-circuit interne : Causé par la formation de dendrites ou des plaques gonflées qui se touchent.
Emballement thermique : Peut provoquer incendie ou explosion. Il est causé par l’interaction entre la température interne et le courant de flottement. Détection possible en surveillant continuellement le courant de flottement par chaîne.
4. Quelle est la valeur typique du courant de flottement ?
Le courant de flottement est celui requis pour maintenir la batterie complètement chargée, compensant l’autodécharge sous tension constante.
La chimie de la batterie, son design, sa capacité (Ah), et sa fabrication influencent ce courant. Il varie donc selon le modèle. Malheureusement, les fabricants ne publient pas toujours cette valeur dans leurs fiches techniques. Elle peut être déduite à partir de courbes de Tafel (courant de flottement vs tension moyenne par cellule à une température donnée), mais cette méthode est complexe. Il est donc recommandé de demander directement cette valeur nominale au fournisseur.
5. Comment déterminer la valeur nominale du courant de flottement ?
Des lignes directrices empiriques ont été établies par Kyle D. Floyd (Covenant Service Company) et Éric Boisvert (Multitel Inc.). Il existe deux règles : une pour les batteries AGM, une autre pour les batteries Gel.
Ces recommandations tiennent compte de :
La température ambiante (10 °C à 35 °C)
La tension de flottement (2,25 V/cell à 2,35 V/cell)
Le taux de décharge sur 8 heures (1,75 V/cell à 25 °C)
Exemple
Pour une batterie de type AGM d’une capacité nominale de 80 Ah à un taux de décharge sur 8 heures à 1,75 V/cellule, on peut s’attendre au courant de flottement suivant, estimé à 2,30 V/cellule et 25 °C. Une tolérance de ±33 % s’applique au multiplicateur utilisé :
Courant de flottement typique = 1,6 mA/Ah × 80 Ah = 128 mA ± 42 mA
6. Comment déterminer les seuils haut et bas du courant de flottement ?
Si les batteries sont installées dans un environnement non climatisé, il est recommandé d’activer la fonction de compensation en température, disponible sur la plupart des redresseurs et chargeurs actuels. Cette fonction permet de maintenir le courant de flottement autour de sa valeur nominale, tout en réduisant la génération de chaleur interne au sein de la batterie.
Lorsque la compensation en température est activée, que l’air conditionné soit présent ou non :
Utiliser un multiplicateur de 3x le courant de flottement nominal à 25 °C, avec une tension de flottement réglée pour 25 °C.
Lorsque la compensation en température est désactivée (en raison de la présence d’un système de climatisation contrôlé) :
Utiliser un multiplicateur de 6x le courant de flottement nominal à 25 °C, en utilisant la tension de flottement minimale recommandée.
Ces seuils sont des recommandations pour la détection précoce d’un emballement thermique. L’utilisateur doit toutefois adapter ces limites selon son application, son niveau de tolérance au risque, et la fréquence des interventions techniques (visites sur site).
7. Six comportements du courant de flottement à surveiller
Un autre fait important : le courant de flottement fait partie du triangle de la loi d’Ohm (V = I × R), ce qui signifie que la tension de flottement par cellule, la résistance interne, et le courant de flottement sont interdépendants.
Il est essentiel de garder cela à l’esprit lors de l’évaluation de l’état de la batterie à partir du courant de flottement et d’autres paramètres associés.
| Float Charging Current behaviors | Range (mA) | Possible problem root cause and implication |
|---|---|---|
Steadily higher float current than usual |
2x times higher than the nominal float current value |
A higher float current value than normal can be an indication of a float voltage set too high, operating at higher temperatures than usual, presence of a ground fault on a floating battery system or it may indicate failing cells within the battery string. The internal battery problem could be dry outs, shorted cells or others. |
Steadily lower float current than usual |
1.5x times lower than the nominal float current value |
A lower float current can be indicative of a problem with the rectifier, float voltage set to low or charger system, a loss of integrity with battery connection’s not to be confused with a lack of float current which will indicate an open circuit (See below). |
Non-presence of float current or excessively low |
DC float current between 0 to 10mA |
An absence of float current will indicate an open circuit between the charging system and the battery string. Sometimes due to intrusive maintenance practises on UPS batteries and substation battery systems (125Vdc), battery disconnect operation or a rectifier/charger malfunction. |
Significant upsurge of the float current |
3x to 6x times higher the nominal float current value within a 2-to-16-week period. |
An upward surge of float current over a few weeks will be indicative of a thermal runaway event in progress. Thermal runaway events occur in rare cases when the root cause condition is not investigated in a timely fashion. |
Trending float current over time for battery aging |
Pairing float current trending with internal ohmic measurements |
As a battery ages, the cell deteriorates and with time causes the battery internal resistance to increase. One can expect the float current to ramp up in time as more current is required to move through the increasing battery internal resistance. An increase in float current can be a reliable indicator of battery faults and should be taken in consideration along with “internal ohmic measurements” which is the most accurate parameter to calculate the battery SoH (State Of Health) |
Replaced SG (Specific Gravity) for SoC (State of Charge) determination |
Float current is the current flowing into a fully charged battery. |
Since the early 2000, float current measurements have been accepted for determining SoC (State of Charge) of VLA and VRLA batteries (see IEEE-450). As hygrometers are not easy to use and testing is time consuming, SG measurements can be replaced by float current measurements. Float current has an advantage in that it provides an indicator of the entire battery string, while specific gravity is measured on a cell-by-cell basis. |
8. Le meilleur outil pour mesurer le courant de flottement
Une mesure précise, répétable, fiable et non intrusive du courant de flottement n’est pas aussi simple qu’elle n’y paraît avec les techniques de mesure standard (multimètre numérique avec sonde ampèremétrique, shunt de 50 mV ou transducteur de courant à effet Hall en courant continu). Pour des résultats optimaux, les spécifications suivantes sont recommandées :
Précision de 0,05 % F.S. avec une résolution de 1 mA
Plage de mesure de 0 à 5 A, avec détection de polarité
Capacité de supporter des courants de charge/décharge allant jusqu’à 2000 A sans accumulation d’hystérésis
Une solution idéale : la FCCP de Multitel
La mesure de la composante DC du courant de flottement peut devenir une tâche facile grâce à la FCCP de Multitel, une sonde utilisant une technique de mesure brevetée basée sur un transducteur à noyau fendu, combiné à un filtrage numérique exclusif.
Avantages clés :
Ouverture large du noyau ferrite : permet une mesure sécuritaire et non intrusive sur des conducteurs de courant de petite ou grande taille, sans devoir ouvrir le circuit batterie.
Logiciel embarqué :
Reconnaît automatiquement la polarité des courants de décharge et de recharge lors d’une décharge normale de la batterie.
Procédure d’auto-calibration intégrée pour éliminer l’influence du champ magnétique terrestre.
Seuils compensés en température avec temporisations.
Alarmes intelligentes de courant de flottement (haut ou bas), générées via contacts relais Form-C.
Sortie analogique : permet de suivre l’évolution du courant de flottement dans le temps (tendance).
Compatibilité avec les systèmes de surveillance de batteries (BMS) pour une évaluation complète de l’état de santé (SoH) lors des décisions de remplacement.
Conformité aux normes et recommandations :
La FCCP est utilisée par les opérateurs de batteries dans les télécommunications et les services publics d’électricité pour se conformer à plusieurs normes et recommandations, dont :
IEEE-1881
NERC PRC-005-6
NERC TPL-001-5
IFC 602.8
NFPA 1, Article 52
Conçue pour tous les environnements
La FCCP est conçue pour être utilisée aussi bien dans des armoires télécom non climatisées en bordure de route que dans des systèmes UPS de grande capacité situés dans des centres de données.
Precision
Capable de mesurer entre 0 et 5 A avec un incrément de 1mA
Alarmes Intelligentes
Ne génère pas d’alarmes lors d’un événement de décharge/recharge de la batterie
Tendances
Signal de sortie analogique linéaire permettant une intégration facile avec les systèmes de surveillance de batteries ou les enregistreurs de données
Non-intrusive
Un transducteur à noyau fendu permet une installation facile sans ouvrir le circuit de la batterie
Insensible au bruit et aux variations de température
Une technique de mesure unique associée à un filtrage numérique élimine les ondulations AC pour fournir une composante DC pure
État de la Charge (SoC)
Le courant de flottement DC est le paramètre privilégié pour déterminer l’état de charge (SoC) de la batterie
Auto-Calibration
Protection des systèmes de secours sur batteries de petite à moyenne taille contre l’emballement thermique sur le site du client
Alimentation d'Entrée Flexible
Le contrôleur est adapté aux configurations des secteurs des télécommunications, du ferroviaire et des services publics d’électricité
Prevention de l'Emballement Thermique
Le courant de flottement est le paramètre de référence en matière de prévention de l’emballement thermique
Détection de Circuit Ouvert
Aide les services publics d’électricité à se conformer à la norme TPL-001-5 de la NERC pour les batteries d’alimentation DC à chargeur unique
Mesures de Délais
Bénéficiez de mesures continues du courant de flottement en courant continu (DC)
100% Compatible
Le contact sec de type “C” assure la compatibilité avec tout dispositif de télémesure à distance du réseau