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Yuasa, Kobe,Sonnen-schein et

Varta sontquelques-uns

des innom-brables fabri-

cants d’accumulateursau plomb. Bien que ces accussoient connus depuis de nom-breuses années, leur utilisation

dans les cercles d’amateurs et deconnaisseurs a récemment fait unbond spectaculaire à la suite des chutes de prix dans les magasins de

surplus, dans les ventes de la main à la main et aux puces. Les unités de6 et 12 volts, compactes et faciles à manier, pouvant fournir des puis-

sances jusqu’à 30 Ah, sont accessibles à bon prix, et sont les plus popu-laires. Les accus au plomb SLA peuvent être chargés simplement, avec

un algorithme de charge inhabituel pour lequel nous vous proposons,dans le présent article, un circuit bon marché.

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projet : K. Walraven

chargeur d’accumulateurs

au plomb pour des accus (VR)SLA de 6 et 12 V

ALIMENTATIONS

Des batteries d’accumulateurs auplomb SLA (SLA = Sealed Lead-Acid, àélectolyte gélifiée) et VRSLA (VRSLA= Valve Regulated Sealed Lead-Acid, àélectroyte gélifiée et à soupape desécurité) sont vendus couramment dela main à la main aujourd’hui. Parfois,les accus sont réputés être neufs, etcertains nous sont en effet été présen-tés avec le sceau du fabricant encoreen place sur les cosses. La plupart sonttoutefois le sous-produit d’un« contrat de maintenance » (en géné-ral de surveillance ou relatifs à des ins-tallations informatiques) d’équipe-ments commerciaux.Quelle que soit la source de ces accus,« usagés », « neufs », « issus d’un équi-pement », « reconditionnés » ou« entièrement testés et garantis », ceque vous rapportez à la maison pour50 FF, répond rarement aux capacitésspécifiées par le fabricant. Ceci est dûau fait que ces accus ont été stockéspendant un certain temps sans êtrechargés.Bien que l’achat d’un accu au plombSLA s’apparente toujours quelque peu

à un pari, rappelez-vous que, si vousavez bien marchandé, vous ne devriezpas avoir payé plus qu’un dixième duprix d’origine, et que l’accu que vousremportez chez vous doit avoir encoreune capacité suffisante pour desannées d’usage sans problèmes dansvotre atelier. Si vous n’aimez pas fairedes paris et préférez disposer d’unecapacité complète correspondant àcelle indiquée sur l’engin (la solutionmiracle), alors abandonnez les marchésaux puces et préparez-vous au choc del’annonce du prix officiel d’un accuneuf et garanti.

L E S A C C U S A U P L O M B— G É N É R A L I T É SL’accumulateur au plomb SLA, dansson boîtier de plastique, n’est jamais envérité qu’une évolution de l’accumula-teur à acide liquide inventé à l’originepar Gaston Planté en 1859. La versiongélifiée ou gélifiée avec soupape desécurité, vendue aussi quelque foissous la marque « Gelcell », est utiliséetypiquement pour des équipementsportatifs. Comparé à la batterie ordi-

naire à acide liquide (comme celle devotre voiture, par exemple), l’accu auplomb SLA se remarque par un poten-tiel de surtension inférieur qui doit êtrestrictement observé pendant la chargeafin de rester loin en-dessous duniveau d’émission de gaz qui épuise-rait le liquide. La plupart des accus SLAse fissurent aux alentours de 5 psi, cequi doit être évité à tout prix pour nepas laisser s’échapper des gaz haute-ment corrosifs et inflammables.Une plage de capacité typique desaccus SLA disponibles dans les maga-sins de surplus est comprise entre 4 et30 Ah, et leurs utilisations spécifiquesincluent les alimentation de sauve-garde (UPS = Uninterruptible PowerSupply), les chaises roulantes, les sys-tèmes d’éclairage de secours, les ins-truments biomédicaux, les radios por-tatives et les terminaux de connexionaux satellites. Le concepteur du char-geur décrit dans cet article utilise unaccu de 6 volts et 4 Ah pour alimenterune lampe de casque lors de ses explo-rations spéléologiques.Les avantages des accus au plomb SLA

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101V5

2V

2V5

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2V25

13

990037 - 11

14

2V45

charge de complément charge d'entretien

durée de charge [h]

charge constante

2V252V3

charge = 100%charge = 70%

Ucellule

1 Figure 1. Les fabricants d’accumulateurs au plomb (VR)SLA spécifient cet algo-rithme de chargement. Le choix entre la tension de cellule haute ou basse(lignes marquées respectivement et ) pour entamer la phase de charge decomplément va dépendre principalement du temps disponible pour le charge-ment. Notez que la durée de la phase de charge de complément s’applique uni-quement au chargement de bas niveau (tension de cellule maximum de 2,30 V).

Sulfatation(ou entreposage — sans chargement)Même le plus brillant accu SLA que vous puissiez rame-ner à la maison après un achat de la main à la main peut nepas respecter la capacité (en Ah) fièrement inscrite par lefabricant sur le boîtier en plastique. La raison de la per-formance réduite, due à un métabolisme à l’intérieur del’accu, s’appelle la sulfatation. La sulfatation se produiten faible proportion dans tout accu au plomb, mais dans lecas des accus SLA, le processus est aidé par une longueabsence de tension de charge d’entretien (ou « charge demaintien »), ou de charge de complément occasionnellesurvenue pendant l’entreposage de l’accu.Une méthode simple et non aventureuse d’estimation des

chances de guérison (partielle) de la sulfatation est lamesure de la tension finale de l’accu en charge légère.Une tension de cellule égale ou supérieure à 2,10 V (c’est-à-dire 12,6 ou 6,3 V) est un bon signe de récupération d’aumoins une partie de la capacité perdue.Une autre méthode de restauration de l’accu consiste àappliquer une deuxième charge après la première (enobservant un repos de 24 à 48 heures), et une tension desurcharge de 2,5 V par cellule pendant une à deux heures.Cette dernière méthode demande (1) une extrême pru-dence, (2) une vérification soignée de la température del’accu et (3) des précautions tout aussi intenses contre lerisque que la pression de cellule dépasse le niveau d’ex-plosion (en général vers 5 psi). Ne testez pas cetteméthode chez vous !

sont une faible auto-décharge, l’ab-sence totale du redoutable « effetmémoire », des besoins minimum demaintenance, une rétention de chargetrès élevée et, bien sûr, un prix très bas.Le revers de la médaille, prend laforme des inconvénients de l’accu auplomb SLA; il fait son poids et ne seprête pas de lui-mêmeà un chargementrapide. Il a aussi la den-sité énergétique la plus

faible de toutes les batteries rechar-geables et, plus important, il doit êtreen permanence en état de charge. Sicette dernière condition n’est pas res-pectée, on constate une sulfatation,phénomène qui, selon sa progression,empêche progressivement l’accud’être rechargé ! Enfin, à cause du

plomb contenu dansson boîtier, l’accu SLAdoit être conforme auxréglements édictés par

la législation de votre pays; il vous fau-dra donc en disposer en pensant àvotre environnement.

L ’ A L G O R I T H M E D EC H A R G E M E N TL’algorithme de chargement des accusau plomb SLA est à la base « à limite detension » (plutôt que « à limite d’inten-

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L200

IC1CS

1 5

3 4

2

R6

0Ω56

5W

R3

56k

(6k8)

R7

3k9

(0Ω)

R4

4Ω7

T1

BD711

D4

D5

D6

D7

D8

D10

D9

1N5401

D11

D2D1

D3

R1

10

kR2

10

k

R5

4k

7

R8

10

k

C2

220n

C3

220n

C1

2200µ25V

C4

10µ63V

2k

P1

17V

+A

– A

3V

5

6V28

0V56

990037 - 12

4: REFERENCE

2: LIMITING

5: OUTPUT

1: INPUT

3: GND

L200

GND

12

34

5

D3 ... D8, D10 = 1N4148

2Figure 2. Schéma fonction-nel du chargeur pour desaccumulateurs au plombSLA. Les valeurs entreparenthèses s’appliquentaux accus de 6 V.

990037-1(C) ELEKTOR

C1

C1‘

C2

C3

C4

D1 D2

D3 D

4D

5 D6

D7 D

8

D9

D10

D11

H1

H2

H3

H4

IC1

P1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

T10

+

-A

+A

990037-1

990037-1(C) ELEKTOR

3

Liste des composants

Résistances :R1,R2,R8 = 10 kΩR3 = 56kΩ (6kΩ8 pour 6 V)R4 = 4Ω7 (cf. texte)R5 = 4kΩ7R6 = 0Ω56/5 W (cf. texte)R7 = 3kΩ9 (pour 12 V) ou pont de

câblage (pour 6 V)P1 = ajustable 2kΩ horizontal

Condensateurs :C1 = 2 200 µF/25V radialC2,C3 = 220 nFC4 = 10 µF/63 V radial

Semi-conducteurs :D1,D11 = LED verte à faible courantD2 = LED, rouge à faible courantD3-D8,D10 = 1N4148T1 = BD711IC1 = L200C

Divers :boîtier coulé de 110 (L) x 60 (l) x 30

(h) approximativementmatériel d’isolation pour le L200C4 picots languette de type autoadaptateur secteur

Figure 3. Conceptionde la platine de com-mande (la platine estdisponible dans lecommerce).

sité » comme pour les piles au NiCd ouau NiMH). Normalement, un lentchargement durant 14 à 16 heures estnécessaire pour recharger compléte-ment un accu au plomb SLA.L’algorithme illustré en figure 1 est le« guide officiel », basé sur l’utilisationd’un soi-disant chargeur à étapes mul-tiples. L’algorithme comprend troisphases : (1) la charge courante ; (2) lacharge de complément, (3) la charge d’en-tretien (ou de maintien). Notez bienque la tension sur l’axe vertical est latension de cellule, et non la tensionde l’accu. Un accu au plomb SLA de6 volts a trois cellules, un accu de12 V, six.Pendant les cinq premières heures, ou àpeu près, l’accu se charge avec un cou-rant d’au maximum de 0,5 C ampères(en général 0,2 ou 0,3 C) jusqu’à envi-ron 70% de sa capacité nominale. Les30% restants sont accumulés pendantla phase de charge de complément, quidevrait durer à nouveau cinq heures.Elle commence lorsque la tension de lacellule atteint entre 2,30 et 2,45 V. Cesdeux niveaux représentent respective-ment la plus basse et la plus hauteextrémité, et l’utilisation de l’une ou del’autre est guidée par les avantages etles inconvénients présentés dans letableau 1. D’après les livres, la tensionde charge d’entretien devrait atteindre2,25 V pour un accu de 12 V qui four-nit à peu près 13,5 V.Comme le montre la figure 1, le délaide chargement peut être réduit dequelques heures en utilisant une ten-sion de chargement plus élévée, de2,45 V. La tension de charge d’entretien(phase 3) reste cependant la même, à2,25 V (en général) et peut être appli-quée pendant des années, si nécessaire,

ce qui rend l’accu SLA idéal pour unusage de veille !Rappelez-vous que les résultats ci-des-sus sont issus d’un algorithme, c’est-à-dire d’une construction théorique sug-gérée par l’industrie. Dans la pratique,les accus SLA sont si flexibles et faciles àvivre que des chargeurs multi-étapeavec minuteur incorporé sont rare-ment utilisés.

C I R C U I T C H A R G E U RP R A T I Q U ELe schéma fonctionnel de la figure 2montre un vieux compagnon, le régu-lateur de tension L200. Ni ruses, nipièges – cette unité a été choisie parcequ’elle est bon marché, d’utilisationfacile et largement diffusée. Bien queles cinq diodes insérées dans son cir-cuit de masse provoquent une baissede tension d’environ 3,5 V, elles n’onten principe rien à voir avec la tensionde sortie ni la régulation de l’intensité– elles sont là pour faire coïncider lecoefficient de température du char-geur (–3,85 mV/°C) avec celui d’unaccu SLA type. Ce qui veut dire quevous pouvez sans risques utiliser lechargeur à n’importe quelle tempéra-ture ambiante autorisée pour l’accu(généralement –20 à +40°C ; vérifiezles spécifications du fabricant). Il y aune autre trouvaille : les diodes protè-gent le régulateur L200 contre lesinversions de polarité de la tension desortie. Ne testez pas toutefois pas cettepossibilité chez vous.Pour commencer, l’accu est chargé avecune intensité d’à peu près 0,2 C. Cetteintensité est déterminée par la valeurde R6, voir le tableau 2. La baisse detension résultante dans R4 est suffi-sante pour ouvrir complétement le

transistor T1. Un transistor de puis-sance est utilisé ici parce que presquetoute l’intensité de charge circule à tra-vers la jonction base-émetteur (leBD711 est spécifié pour un maximumde 3 A dans ce but). La diode LED D2s’allume en raison du courant traver-sant T1. Le (petit) courant traversant R3aboutit à faire augmenter la tension desortie de 0,6 V (configuration 12 V) oude 0,3 V (configuration 6 V).Le processus de charge réel diffère decelui annoncé par la théorie de biendes façons. Au début, l’accu « pompe »en utilisant une intensité constante de0,2-0,5 C et la « faible » charge de cel-lule de 2,30 V (c’est-à-dire une tensionde l’accu de 13,8 ou de 6,9 V). Un accu

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Tableau 2. Valeurs des composants

Composant accu SLA de 6 V accu SLA de 12 V Commentaires

R7 Câble 3,9 kΩR3 6,8 kΩ 56 kΩR6 0,45 x I [Ω] 0.45 x I [Ω] Détermine seulement l’intensité max. de chargement. I = 0,2 C à 0,5 C

R4 0,5/0,02 C [Ω] 0,5/0,02 C [Ω]Détermine le seuil de la réduction de tension de cellule à 2,3 V et l’intensité de veilledu chargement. Sélectionnez la valeur la plus proche de E12, l’intensité cible deveille étant 0,02 C.

C = capacité nominale de l’accu (specification Ah )I = intensité initiale de chargement

Tableau 1. Sélection des tensions de cellule maximum

2,30 – 2,35 V par cellule 2,40 – 2,45 V par cellule

vDurée de vie la plus longue, l’accu ne chauffe pas pendant la charge ; chargement autorisé à température ambiante > 30°C

KDurée de chargement plus longue. Une sulfatation peut se produire si aucun chargement périodique. Lecture de la capacité plus difficile et incohérente.

Temps de chargement réduit, plus faiblesrisques de dommages si sous-charge.Lecture de la capacité plus claire et cohérente.

Une surchauffe pendant la charge peutréduire la durée de vie de l’accu.Surcharge si la limite de tension de cellule n’est jamais atteinte.

POWER

QUICK

CHARGE

BATTERY

POLARITY

OK

SEALED LEAD-ACID

BATTERY CHARGER

990037-F

Figure 4. Maquettesuggérée du panneaufrontal de l’enceintemoulée.

4

à plat tirera suffisamment d’intensité(mais jamais plus que ce que R6 déter-mine) pour que le régulateur L200fournisse sa tension de sortie « élevée »de 2,45 V par cellule. Ceci arrivera sirapidement qu’on aura l’impressionque le chargeur fournit 2,45 V/celluletout de suite. Normalement, l’intensitéde charge résultant de (1) l’accu vide et(2) la tension élevée de cellule sera sihaute que le régulateur L200 limiteral’intensité (par R6) et continuera defonctionner de cette manière pendantplusieurs heures. Au fur et à mesureque l’accu se charge, sa tension de cel-lule grimpe jusqu’au niveau de chargede 2,3 ou 2,45 V/cellule. L’intensité decharge tombe alors parce que l’accu nepeut accepter plus d’intensité. Toute-fois, il reste un courant d’intensité suf-fisante pour conserver la conductivitéde T1 (via R4) et pour maintenir ainsila tension de charge élévée.À un certain moment, l’intensité decharge descendra jusqu’à une valeurd’environ 0,02 C. L’accu est alors consi-déré comme « plein ». T1 étant alorsfermé par R4, le régulateur L200 bas-cule vers la tension de cellule la plusbasse, d’à peu près 2,3 V/cellule, quisert de tension « d’entretien ». Le char-geur actuel est « intelligent » en ce qu’ilne produit la tension de charge élevéepas plus longtemps que le strict néces-saire. De plus, en usage de veille, l’accuest automatiquement basculé en modede chargement « rapide » lorsqu’unegrande quantité d’intensité estconsommée par le client final.Si aucune tension n’est appliquée àl’entrée du chargeur, un accu laisséconnecté à la sortie se déchargera à tra-vers cette même sortie. Grâce à la diodeD9, l’intensité de décharge est limitéeà environ 1 mA plus l’intensité traver-sant la diode LED à basse intensité D11(approximativement 2,5 mA). Aucuneraison de s’alarmer !Les accumulateurs SLA étant aller-giques aux grandes variations desniveaux de tension, le circuit a été

muni d’un important condensateurréservoir, C1. Un condensateur pluspetit, C3, a été ajouté pour garder lerégulateur L200 stable dans toutes lessituations.

L A T E N S I O N D ’ E N T R É ED U C H A R G E U RSauf si vous utilisez des accus SLA degrande capacité (C>10 Ah), un adap-tateur de secteur avec une sortie encourant continu est recommandécomme source de tension d’entrée. Engardant en tête la sécurité et lemoindre coût, ce choix est évident. Lechoix de la puissance de l’adaptateurdépend de la capacité de l’accu et de lapatience que vous pouvez déployerpour attendre la fin du cycle completde chargement. Généralement, unadaptateur secteur positionné sur« 12 V » fournira aisément 17 V pourdes charges légères, ce qui est à peuprès suffisant pour le présent circuit.Vérifiez cependant que cette tensionne descend pas en-dessous de 17 Vlorsqu’on tire une intensité de 0,2 C.Par exemple, si vous chargez un accuSLA de 12 V et 4 Ah, l’intensité initialeest de l’ordre de 0,8 A, ce qui nécessiteun adaptateur secteur relativementcostaud. À ce sujet, il n’y a aucuneobjection à réaliser le chargement avecune intensité plus faible. En effet, leprocessus de chargement sera pluslong, mais vous pourrez vous conten-ter d’un adaptateur secteur demoyenne puissance (500 mA).Dans tous les cas où un adaptateur sec-teur risque de tomber en panne de ten-sion et d’intensité de sortie, nous vousrecommandons d’utiliser une alimen-tation électrique régulée positionnéesur 18 V ou une valeur proche. Sinon,construisez une unité d’alimentationspéciale comportant un transformateursecteur dont le secondaire de 15 V estréglé sur 1,4 fois l’intensité maximumrequise, un pont rectifieur et uncondensateur de lissage d’une capacitéd’environ 2 200 SYMBOOL 109 \f

”Symbol” \s 9 µF par ampère. Obser-vez les réglements de sécurité pour lecâblage et les connexions au secteur !

M O N T A G ELe chargeur est monté sur la platinecompacte présentée en figure 3. Cetteplatine est facilement ajustée dans unepetite enceinte moulée qui sert aussi deradiateur pour le circuit intégré IC1. Lerégulateur L200 doit être installé avecun ensemble isolant (plaquette de micaou de plastique). Une suggestion dedessin de face avant vous est proposéeen figure 4.

R É G L A G ENe connectez pas tout de suite un accuà la sortie du chargeur. Appliquezd’abord une tension d’entrée, et véri-fiez qu’elle approche des 17 V (ou 11 Vsi le chargeur est dimensionné pourdes accus de 6 V). À la températureambiante (entre 20 et 25°C), réglez P1pour une tension de sortie de 13,8 V(chargeur 12 V) ou 6,9 V (chargeur6 V). Utilisez un petit morceau de câblepour court-circuiter temporairement lajonction collecteur-émetteur de T1. Latension de sortie doit grimper à 14,4 V(chargeur 12 V) ou 7,2 V (chargeur6 V). Une tolérance de ±0,1 V estacceptable. Si la tension est beaucouptrop forte, augmentez la valeur de R3.Faites l’inverse si la tension est beau-coup trop basse.

U T I L I S A T I O NP R A T I Q U EPrenez l’habitude de respecter l’ordresuivant :

• Observez la polarité de l’accu• Connectez l’accu au chargeur• Vérifiez que D11 s’allume• Appliquez la tension d’entrée au

chargeur

990037-1

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Figure 5. Prototype, prêtpour l’installation dansl’enceinte moulée. Lerégulateur L200 doit êtreprotégé à l’intérieur del’enceinte par des iso-lants pour radiateur.