mon-fourgon-aménagé

Sujet sensible pour beaucoup de camping-caristes, souvent mal informés, ne sachant pas toujours comment brancher les batteries dans leur cellule et pour beaucoup, manque total de connaissance en matière d'électricité .

Nous allons tenter d'apporter quelques éclaircissements notamment concernant les types de batteries, leur mode de branchement car il s'agit d'un problème récurent chez les utilisateurs de véhicules de loisirs .

En matière de stockage d'énergie, on trouvera généralement les équipements suivants :

       - une batterie principale, celle du véhicule, appelée aussi batterie porteur et une batterie auxiliaire installée

         dans la cellule,

ou ...

       - une batterie véhicule et deux batteries auxiliaires (mais rarement plus) .

Imaginer une installation électrique à partir de la batterie de démarrage, celle du porteur, est inconcevable .

La batterie du véhicule et celle de la cellule sont de nature différente : l'une est dite de "démarrage" et l'autre "à décharge lente" .

Une batterie à décharge lente est faite pour fournir un courant constant longtemps et une batterie de démarrage ... pour fournir un très fort courant dans un instant bref : ces deux applications sont totalement opposées .

Pour plus de détails voir l'article suivant :   Les types de batteries 

1 . Les différents modes de branchement :

Il existe quatre façons de raccorder ou d'utiliser des batteries dans un camping-car :

       - les batteries sont raccordées en série (Photo 01) : très rare dans les véhicules de loisir,

       - les batteries sont raccordées en parallèle (Photo 02) : cela existe "malheureusement",

       - les batteries sont indépendantes l'une de l'autre : cas très répandu ,

       - les batteries sont couplées par un dispositif de sécurité : installation sécurisée .

Montage des batteries en série :

Photo 01 :    dans un camping-car il est rare, très rare, de trouver ce type de montage parce qu'il ne présente pas d'intérêt ; la tension usuelle étant le 12V, et non le 24V, ce dont on a besoin c'est de l'ampérage !  ... et dans ce cas, l'intensité de courant disponible par l'installation est limitée à celle de la batterie "la plus faible" dans le cas où deux batteries de tension identique mais d'ampérage différent seraient reliées à la queue leu leu !

Montage des batteries en parallèle :

Photo 02 :    il s'agit d'un raccordement théorique pour le différencier du raccordement "série"  mais en réalité il est interdit de relier des batteries en parallèle, sous peine de destruction des éléments (voir article  Batteries en parallèle   ) .

Dans ce cas, pour une puissance identique de 1800 VA ( 12V x 150 A) par rapport au montage "série" et une tension usuelle de 12 V, nous disposons d'un courant nominal de 150 Ah : il n'y a pas photo !

Montage des batteries indépendantes :

Photo 03 :  il existe plusieurs dispositifs permettant la commutation manuelle des batteries de cellule, celui qui figure ci-dessus en est un parmi tant d'autres, le résultat restant identique .    

C'est un cas souvent rencontré sur des camping-cars anciens ou sur ceux dont les coûts sont "tirés vers le bas" .

Beaucoup de camping-cars équipés d'origine d'une seule batterie de cellule font aussi l'objet de transformation par leur propriétaire lors de l'installation d'une seconde batterie auxiliaire, cette solution leur paraissant la plus simple à mettre en oeuvre .

Le commutateur manuel ou souvent appelé "répartiteur de charge" est issu de la plaisance nautique commutant la batterie de démarrage et la batterie de servitude .

Principe d'un commutateur manuel :

Généralement l'installation est articulée autour d'un commutateur à cames, pour la plupart à fonctionnement manuel, disposant de trois positions :

                                         - 1. batterie 1             0 . Arrêt             2 . batterie 2

Pour faire simple, la charge et l'utilisation des batteries varient suivant les positions telles que :

Position 1 :   - la batterie 1 alimente la cellule et est chargée par l'alternateur et la batterie véhicule en roulant,

                            - la batterie 2 est chargée pendant ce temps par le panneau solaire,

Position 0 :   - les deux batteries sont totalement isolées de la cellule et des chargeurs,                       

Position 2  :   - la batterie 2 alimente la cellule et est chargée par l'alternateur et la batterie véhicule en roulant,               

                             - la batterie 1 est chargée pendant ce temps par le panneau solaire .

Quelle que soit la position 1 ou 2, une des deux batteries est en charge pendant que l'autre est en service .

Il est donc recommandé de commuter, régulièrement et manuellement, les deux batteries afin d'éviter des décharges profondes et répétées de celles-ci qui provoqueraient un vieillissement prématuré des éléments internes .

Conclusion :

Dans le mode "séries", les tensions des batteries s'additionnent : par exemple, 2 batteries de 12V 75Ah mises en série donnent une tension d'utilisation de 2 x 12V soit 24 volts et un courant d'utilisation de 75A .

Dans le mode "parallèles", les batteries doivent avoir la même tension : 2 batteries de 12V  75Ah mises en parallèle donnent une tension identique de 12 volts mais un courant d'utilisation de 150A .

Dans le mode "indépendantes", la tension est celle de la batterie utilisée, généralement du 12 volts mais on ne tire profit que d'une seule batterie sur l'installation puisque l'autre est en charge .

Comme dans un camping-car, quel que soit le nombre de batteries, la tension d'utilisation étant toujours du 12V, les camping-caristes  pensant être de bonne foi, affirment que leurs batteries sont raccordées en parallèle.

Souvent elles sont reliées au travers d'un commutateur manuel, comme sur la Photo 03, voire même un boîtier de "sécurité" appelé coupleur/séparateur .

D'où l'amalgame qui en résulte, souvent dans un dialogue de "sourds" .

Inconvénients des commutateurs manuels :                                                                                                          

                  - utilisation de la capacité de stockage d'une seule batterie, l'autre batterie étant en charge,

                  - décharge non contrôlée de la batterie en service,

                  - surcharge non contrôlée de la batterie en charge quand le véhicule roule ; de plus, le courant de charge fourni par l'alternateur n'est pas adapté aux batteries à décharge lente .

Photo 04 :  principe élémentaire d'une recharge de la batterie auxiliaire avec un coupe batterie pour isoler les deux batteries à l'arrêt . Cette installation rudimentaire est à proscrire car elle ne requiert aucun dispositif de sécurité . 

En cas d'oubli d'ouverture du coupe-batterie après un arrêt prolongé du véhicule, les deux batteries se retrouvent branchées en parallèle avec risque de décharge de la batterie moteur et destruction de la batterie la plus faible .               

2 . Le couplage des batteries :

Montage des batteries avec un coupleur séparateur :

Pour connecter et charger deux batteries en même temps, il existe sur le marché des véhicules de loisirs de nombreux dispositifs électroniques

           a) coupleur simple, batterie moteur et batterie cellule :

Photo 05 :    coupleur séparateur basique similaire au schéma de principe de la Photo 04 mais avec un dispositif de sécurité contrôlé par un circuit électronique moulé dans le boîtier .                                                     

Fonction d’un coupleur séparateur :

Le coupleur séparateur a pour fonction principale de mettre en parallèle les deux batteries mais assure à la batterie moteur de ne jamais se décharger complètement, ce qui permet de pouvoir redémarrer le moteur sans problème.

Le coupleur séparateur assure également la charge des deux batteries en donnant la priorité à la batterie moteur, dès lors que la tension de la batterie moteur passe au dessus de 13.5V, les deux batteries sont chargées simultanément.

          b) coupleur séparateur 2 batteries avec sorties de courant :

Photo 06 :     le coupleur séparateur ci-dessus offre plus d'intérêt que le précédent en ce sens qu'il dispose d'une sortie 30A sécurisée, déconnectée quand la tension descend en dessous de 11,5 V . Une autre sortie 30A non sécurisée  "+ Frigo" pour l'alimentation du réfrigérateur, boiler, etc ... et une sortie secours 2A en cas de coupure totale sont disponibles sur ce boîtier .

          c) coupleur séparateur batterie moteur et deux batteries de cellule :

Photo 07 :         ce coupleur séparateur assure le couplage de la batterie principale (batterie véhicule) et des batteries auxiliaires (soit 2 batteries de service) et permet un profil de charge optimisé de type PWM .

 C'est ce coupleur que nous avons choisi et installé dans le fourgon  ( voir photo  Coffre batteries   )      



Montage des batteries avec un coupleur répartiteur :

Différence entre un séparateur et un répartiteur :

Avec le répartiteur, l'alternateur recharge en même temps les 2 batteries.
Le câblage d'origine de l'alternateur du véhicule est à modifier. Des câbles de forte section sont à installer notamment pour la deuxième batterie.

Avec le séparateur, l'alternateur recharge en premier temps la batterie d'origine. Quand celle-ci est rechargée, le séparateur alimente la batterie supplémentaire.
Le câblage d'origine de l'alternateur du véhicule n'est pas modifié. Un seul câble est à prévoir afin d'alimenter la seconde batterie.

 Photo 08 :    schéma de principe d'un coupleur / répartiteur ; le répartiteur oriente la charge venant de l'alternateur vers la batterie la moins chargée, les deux batteries restant totalement isolées . La batterie de service, celle de la cellule, fournira le 12V à l'installation électrique sans décharger la batterie d'origine, la batterie moteur .

 Photo 09 :    schéma de principe d'un coupleur / séparateur (vu et détaillé ci-dessus)

Photo 10 :     répartiteur de charge batterie
 

Photo 11 :  répartiteurs de charge pour une batterie moteur et une batterie auxiliaire (photo de gauche) et une batterie moteur et deux batteries auxiliaires (photo de droite) .

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 Batteries en parallèle :

Beaucoup de camping-caristes pensent avoir leurs batteries raccordées dans un mode dit "parallèle" mais encore est-il bon de savoir si réellement ces batteries sont câblées en parallèle, c'est-à-dire physiquement parlant, avec les bornes positives (+) communes sur un même câble et les bornes négatives (-) aussi ou reliées à la masse commune du châssis (comme sur la Photo 01) .

                                      Photo 01 :   raccordement en parallèle de deux batteries identiques

Ce mode de raccordement reste fortement déconseillé .

On ira jusqu'à dire " INTERDIT " car tôt ou tard, les batteries iront à leur perte voire leur destruction totale .

Le raccordement de la Photo 01 est théorique et ne doit pas être réalisé pour une utilisation permanente .

Et cela ... beaucoup de camping-cariste ne le savent pas ! ... ou bien le découvrent plus tard, à leur dépend .

Dans certains cas, vous pourriez tenter occasionnellement de les raccorder ainsi, mais à condition ...

                                                            - que les batteries soient neuves,

                                                            - que les batteries soient de même capacité, de même marque,

                                                            - qu'il ne s'agisse pas d'une utilisation permanente mais occasionnelle .              

( ... mais nous n'en voyons pas l'intérêt ! )

La raison ? ... un problème de  résistance interne  de chacune des batteries ! ... mais voyons ci-après ...

 En courant continu, tel le 12 volts présent dans nos installations électriques, il faut éviter de raccorder en parallèle des tensions (contrairement aux mises en série qui peuvent s'additionner sans problème) . Occasionnellement, dans certaines conditions, si ces tensions apparaissent rigoureusement identiques : tout cela, à cause des courants de fuite incontrôlés et incontrôlables circulant dans la boucle formée par ces deux batteries .

Par ailleurs, c'est bien ce que recommandent tous les fabricants de batteries ou revendeurs avec les conditions suivantes à respecter :

                                            - si les batteries sont neuves,

                                            - si les batteries sont de marque et de type identiques,

                                            - si les batteries sont issues du même lot de fabrication ! .

Autant dire que dans la réalité les trois conditions ne sont JAMAIS remplies, à l'exception de la seconde condition parfois, quand vous décidez soit de remplacer une batterie défectueuse soit de rajouter une seconde batterie pour en augmenter la capacité de stockage .

En ne respectant pas ces trois conditions, la durée de vie de vos batteries est réduite de moitié voire moins encore, mais rappelez-vous tout de même que ce montage n'est acceptable que pour une demande de puissance ponctuelle .

Aux trois conditions exigées ci-dessus pourrait s'ajouter une quatrième :

                                           - que leur tension aux bornes soit rigoureusement identique .

Dans le cas de deux batteries neuves, cette condition peut être avérée mais dans le cas d'un ajout ou d'un remplacement d'une batterie, les tensions ne seront jamais identiques car avec le temps les plaques internes d'une batterie s'usent ou plutôt se sulfatent, la résistance interne des éléments augmentent et les tensions apparentes aux bornes des batteries diffèrent : d'où les conditions énumérées ci-dessus jamais vérifiées !

Une batterie, au cours de son utilisation, subit des décharges et charges successives entraînant inévitablement la sulfatation des plaques (voir article Définitions) ainsi que la perte de la capacité de charge, une augmentation sensible de sa résistance interne d'où une baisse sensible de la tension aux bornes : tous les paramètres sont liés entre eux ... il en découle donc des exigences impossibles à respecter si l'on veut connecter deux batteries en parallèle .

Résistance interne d'une batterie :

 La résistance interne correspond à la somme de la résistance électrique des matières solides (électrodes, connexions) et de la résistance électrolytique (solution acide dans laquelle sont plongées les électrodes) .

La résistance interne d’une batterie dépend donc :

• de sa capacité (plus le nombre et la surface des plaques augmente, plus la surface d’échange augmente => plus la résistance interne diminue),
• de l’état de charge (lors de la décharge, du sulfate de plomb se forme sur les plaques => la résistance interne augmente),
• de la température (la baisse de la température augmente la viscosité de l’électrolyte => la résistance interne augmente),
• de la densité d’électrolyte (% d'eau et % d'acide pendant la décharge et la charge).

Typiquement, la résistance interne des batteries est comprise entre 5 mΩ et 50 mΩ (0.005Ω et 0.050Ω) . Les fabricants de batterie cherchent cependant à obtenir une résistance interne la plus faible possible car s'il y a résistance interne il y a aussi chute de tension indésirable lors d'un débit conséquent de courant électrique selon la Loi d' Ohm .

 
  fig.01                              fig.02                                                                           fig.03

Une batterie peut être représentée comme sur la figure 01, par un générateur de tension E en série avec sa propre résistance interne Rs : l'ensemble, en électricité théorique, est appelé dipôle actif : cependant l'équation U = E - Rs x I n'est valable que si le générateur débite un courant I sur une charge extérieure comme sur la figure 02 .

En effet, la différence de potentiel ( d.d.p. ) aux bornes de la batterie, la tension U que l'on mesure quand celle-ci n'a pas de charge, est égale à la force électromotrice ( f.e.m. ) générée par ses éléments internes E : pas de charge, donc pas de courant débité, donc pas de chute de tension, on en conclue qu'à vide la tension aux bornes de la batterie est égale à la f.e.m. de cette dernière ( U = E ) .

Lorsqu'on applique une charge, aux bornes de la batterie (voir fig 02), celle-ci fournit un courant I variable en fonction de la charge et la tension aux bornes de la batterie diminue telle que U < E : cette chute de tension apparente aux bornes est due à la résistance interne de la batterie . Si ensuite, on retire cette charge, la tension aux bornes de la batterie retrouve sa valeur initiale .

La résistance interne d'un accumulateur est toujours très faible (de l'ordre de quelques millièmes ou centièmes d'ohm) et négligeable en général, dans les applications numériques ou lorsque la batterie est neuve .

Cette faible résistance interne présente d'ailleurs un inconvénient : quand les deux bornes sont accidentellement, réunies par un conducteur lui-même peu résistant, la résistance totale du circuit reste très faible : l'intensité du courant débité est considérable, l'accumulateur, mis ainsi en court circuit, est rapidement hors d'usage (voir fig.03) .

Un exemple concret : une batterie dont la résistance interne est de l'ordre de 50 mΩ débitera un courant de court-circuit de 12V / 0,05 = 240A et pour une résistance de 5 mΩ un courant 2400A !!! ... autant dire que votre batterie sera détruite avant même d'atteindre ces valeurs .

Que se passe-t-il quand on relie deux batteries en parallèle ?

Rappel : en électricité linéaire que dit la Loi d'Ohm :

La différence de potentiel ou tension U (en volts) aux bornes d'une résistance R (en ohms) est proportionnelle à l'intensité du courant électrique I (en ampères) qui la traverse : ce qui donne l'équation suivante  U = R x I , mais aussi I = U / R et aussi R = U / I .

 

Ci-dessous, la représentation schématique d'une résistance parcourue par un courant :

 

fig.04 :  ... avec U et I orientés en sens opposés

Par convention, pour un courant électrique, la flèche indique le sens de circulation, du positif vers le négatif .

Pour une tension représentant une différence de potentiel, le potentiel le plus élevé est matérialisé par la pointe de la flèche ; de ce fait la tension et le courant sont orientés en sens opposés .

Revenons à nos batteries en parallèle ...

Généralement, pour augmenter votre autonomie d'énergie, vous êtes amené à rajouter une batterie neuve en plus de celle d'origine .

Selon la représentation schématique ci-dessous, supposons que la batterie neuve est E2 avec une résistance interne Rint2 et la batterie d'origine E1, avec une résistance interne Rint1 .

 fig.05 :

Les valeurs des forces électromotrices E1 et E2 et celles des résistances internes Rint1 et Rint2 sont supposées différentes puisque l'on a vu précédemment que ces paramètres se modifiaient avec l'âge de la batterie . En l'absence de charge extérieure, connectée entre les points A et B (éclairage éteint, rien ne fonctionne dans le camping-car) nous allons avoir un courant de circulation dans cette boucle formée par les 2 batteries en parallèle dont il est facile d'en déduire la valeur .

Prenons comme exemple :

- une batterie usagée fournissant 11.8V à vide et une batterie récente fournissant 12.8V, soit juste 1 volt d'écart entre les 2 batteries .

La résistance interne de la batterie usagée serait de 50 mΩ et celle de la batterie neuve d'environ 5 mΩ  .

La loi d'Ohm généralisée donne comme résultat :

I (A) = E1 (V) - E2 (V) / R1 (Ω) + R2 (Ω)   soit   I (A) = 12.8 - 11.8 / 0.055   soit   1V / 0.055 = 18,18 A

... un courant non contrôlé de 18.18A ce n'est pas négligeable !!!

Ce courant circule de la batterie la plus chargée vers la batterie la plus déchargée jusqu'à ce qu'il y ait équilibre entre la charge des deux batteries et que  E1 = E2 : lorsque les deux forces électromotrices ont des valeurs identiques, le courant de circulation disparaît mais votre batterie neuve s'est déchargée au profit de l'ancienne .

En vérité, la situation à l'équilibre n'est jamais atteinte car c'est sans compter sur le phénomène d'auto-décharge des batteries et sur une batterie ancienne ce phénomène est plus marquant .

Phénomène d'auto-décharge ... qu'est-ce que c'est ?

Toutes les batteries au plomb sont soumises à des phénomènes d'auto-décharge plus ou moins importants .

L’origine de l’auto-décharge provient des réactions secondaires se produisant au niveau des électrodes .

Ces réactions secondaires sont nombreuses et plus ou moins prépondérantes les unes par rapport aux autres .

Au niveau de chaque électrode, des réactions d’oxydoréduction peuvent se produire naturellement : en effet, l’anode constituée de plomb (Pb) peut réagir avec les ions H₃O⁺ présents dans l’électrolyte et également, la cathode composée d’oxyde de plomb (Pb0₂) peut réagir avec l’eau H₂0 présente dans l’électrolyte . Les réactions chimiques sont omniprésentes à l'intérieur de votre batterie, que celle-ci soit en service ou stockée, dès lors que l'électrolyte est en contact avec les plaques internes .

           fig.06 : le phénomène d'auto-décharge est sensible à la température ambiante de la batterie

En conclusion, s'il y a auto-décharge il en résulte forcément un déséquilibre des valeurs et le courant de circulation dans la boucle formée par les deux batteries montées en parallèle fluctue jusqu'à s'interrompre définitivement quand les batteries sont H.S. !!!

Donc, on comprend aisément, qu'en l'absence d'un coupleur électronique de sécurité, les deux batteries finiront par s'auto-détruire .

Rappelons que le coupleur électronique sépare les batteries quand la tension aux bornes atteint 11,6 V afin d'éviter la décharge profonde de la batterie .

          fig.07 :  sur le graphique ci-dessus le point critique se situe bien à 11.6V (décharge profonde)

Autre inconvénient d'une recharge incontrôlée :

Quand une batterie est en charge par un processus autre qu'un chargeur de batterie ou un régulateur de charge, la batterie est chargée aux environs des 90% par un courant non régulé et les 10% restants, les plus importants, ne sont pas assurés correctement .

En effet la charge d'une batterie doit respecter les trois phases essentielles qui sont la charge à courant constant puis la charge à tension constante et enfin la mise en floating : ces trois étapes sont importantes pour assurer la longévité de vos batteries .

Elles as surent notamment la "déposition" du plomb sur les électrodes mais aussi l'homogénéisation de l'électrolyte car dans le fond de la cuve, suite à la décharge précédente de la batterie, la densité de l'électrolyte est plus importante qu'à la partie haute des plaques, et maintient un courant de charge suffisant pour compenser les pertes dues à l'auto-décharge .

Une batterie de cellule à décharge lente chargée exclusivement par l'alternateur et de la batterie de démarrage du véhicule n'a pas une grande espérance de vie !

C'est pour cette raison qu'il ne faut pas lésiner sur la qualité du chargeur de batterie embarqué dans votre cellule ou le régulateur de charge de votre panneau solaire : choisissez pour votre chargeur une technologie du type CC/CV (courant constant/tension constante) ou IUoU et pour votre régulateur une technologie PWM voire mieux mais plus chère MPPT .

Les chargeurs de batterie à bas prix sont rudimentaires et composés d'un transformateur et d'un pont réducteur, dépourvus de cette électronique nécessaire à la bonne charge de vos éléments .

fig.08 :  la tension d'un élément varie en fonction de la masse volumique de l'acide quand celui-ci est en charge : la charge complète étant de 2.1V pour une masse volumique de 1250 environ .

fig.09 :  ce graphe est intéressant parce qu'il montre comment la résistivité de l'électrolyte varie en fonction et de la température à l'intérieur de la cuve et de la concentration en acide sulfurique lors d'une charge ou décharge de la batterie .

Autre origine d'un déséquilibre entre deux batteries :

Mais cette résistance interne a son importance, si faible soit-elle, dès lors qu'on rajoute une seconde batterie éloignée de la première : la résistance des câbles qui relient cette batterie, qui peut être du même ordre que la résistance interne des batteries, peut aussi influencer sur le montage en parallèle et créer un déséquilibre entre les deux batteries .

La résistance des conducteurs, la section des câbles qui les relient, font que les tensions aux bornes de la charge, le +12V de votre utilisation, peuvent différer .

Si vous tenez absolument à brancher votre seconde batterie en parallèle avec celle d'origine, en plus des conditions citées précédemment, respectez le couplage comme ci-dessous :

 Bon  ... et Bon

                                           Bon aussi ...

       ...   Mauvais

 ... et voici le résultat ...

 ... ou ça !

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