Savoir ce qu’il reste de courant utilisable dans une batterie est une information précieuse qui porte un nom : c’est l’état de charge qu’on peut parfois trouver sous l’appellation anglaise SoC (state of charge). On peut aussi parler de profondeur de décharge (DoD) qui est la mesure contraire mais donne en fait la même information (un SoC de 60% correspond à un DoD de 40%).
Aucune fiabilité
Malheureusement, les appareils de mesure grand public censés nous fournir cette information ne sont pas fiables. La raison est que la majorité d’entre eux essaient d’évaluer l’état de charge en se basant sur une mesure de la tension (voltage). On sait que cette tension diminue quand la charge baisse. Par exemple, avec une batterie acide-plomb, elle est de 12,6-12,7 V à 100% de charge et de 11,9 V à 40% (mesure effectuée au repos). Le problème est qu’une mesure qui demande 4 h ou plus sans utilisation pour être vraiment précise n’est pas d’un grand secours sur le terrain, où la tension instantanée est affectée par plusieurs facteurs tels que l’intensité du courant de décharge ou la température. La tension ne sera pas la même si la batterie est en cours d’utilisation, si on vient juste de couper le moteur ou si on l’a laissé reposer pendant quelque temps. Bien qu’imprécis, ce système reste néanmoins exploitable avec les batteries plomb. Mais avec les batteries au lithium, c’est encore pire car la courbe de décharge est quasi plate et l’estimation de l’état de charge ou décharge par voltmètre devient très hasardeuse. C’est particulièrement vrai avec la technologie LiFePO4, la plus employée pour les batteries de bateau, qui a une courbe de décharge ultra-plate. C’est un atout en termes d’utilisation, avec un courant quasi constant et stable, mais ça rend l’évaluation de l’état de charge délicate.
Crédit photo : Michel Tarragnat
Mauvaise surprise
Les nouveaux utilisateurs de cette technologie sont toujours surpris de pêcher toute une journée au moteur électrique pour constater en fin de session que la jauge à voltmètre affiche une décharge de quelques pourcents seulement. La première réaction est de se dire « Seulement 5% utilisés en une journée ? Je vais pouvoir tenir des jours sans recharger! » Oui… mais en fait non! C’est juste qu’un voltmètre est incapable d’évaluer correctement l’état de charge d’une batterie au lithium, et que son étalonnage est très délicat. On observe la même imprécision en fin de décharge, quand la batterie est presque vide. La jauge affiche encore 30% et puis, en un rien de temps, la tension s’effondre et on perd 10% de charge toutes les cinq ou dix minutes avant que le BMS (contrôleur électronique) ne se décide à couper : c’est la panne alors qu’on pensait avoir encore deux bonnes heures d’autonomie. Avant de crier au scandale et pour mieux comprendre ces phénomènes, il faut bien considérer cette fameuse courbe de décharge, propre à chaque technologie d’accumulateur. Elle donne l’état de charge théorique de la batterie à un instant t en fonction du voltage (mesure faite au repos). Sur notre graphique, qui donne ces courbes pour des batteries plomb (en bleu) et LiFePo4 (en rouge), on constate que la batterie plomb (à décharge lente) a une courbe parfaitement linéaire, c’est-à-dire que le voltage diminue régulièrement tout au long de la décharge utile (100 à 20%).
Crédit photo : Michel Tarragnat
Trop hasardeux
La batterie Lithium LiFePO4, elle, a au contraire une courbe plate sur la majeure partie du cycle de décharge. La tension baisse rapidement en début et en fin de décharge mais ne diminue quasiment pas entre 80 et 20% (-0,05 V tous les 10%). C’est ce qui explique qu’il soit hasardeux d’estimer l’état de charge d’une batterie lithium à partir du voltage, les écarts sont trop faibles. La mesure par coulomètre (qui compte la quantité de courant sortante) est nettement plus pertinente pour ce type de batterie, comme j’ai déjà eu l’occasion de l’expliquer. Mais ça coûte plus cher... Si vous avez une jauge par voltmètre, ne vous y fiez donc pas aveuglément. À partir de 20-30%, attendez-vous donc à une baisse rapide.
Les variations d'intensité
Le graphique ci-dessus indique la capacité d’une batterie plomb variant avec l’intensité du courant demandé. On pourrait penser qu’une batterie de 100Ah peut délivrer 5A pendant 20h ou 25A pendant 4h. Or, ce raisonnement ne tient pas compte de ce que l’on appelle l’effet Peukert qui dit que la quantité totale d’énergie disponible diminue quand le courant augmente. La capacité indiquée par le fabricant s’entend donc pour un courant donné, qui est normalement indiqué sur l’étiquette. Par exemple C20 ou 20h: c’est un courant dont l’intensité est du 1/20 de la capacité. Une batterie étiquetée 100Ah C20 aura donc une capacité de 100Ah si on tire 5Ah pendant 20h. Si on tire plus, la capacité diminue, si on tire moins, elle augmente. Ce phénomène est moins marqué avec les lithium dont la chimie est plus rapide. La capacité est peu impactée par l’intensité demandée.
La température
Sur le graphique ci-dessus, on tient compte de la température, catalyseur des réactions chimiques. Une augmentation de 10°C double la vitesse des réactions. L’augmentation de la température permet donc une amélioration de la capacité de la batterie et vice-versa, de sorte que la capacité réelle est en fait assez fluctuante. Les fabricants donnent généralement la capacité pour une température de 20 ou 25°C. Une 100Ah à 25°C fera 85Ah à 0°C mais 110Ah à 40°C, etc. Mais attention cependant, si l’augmentation de cette température améliore en effet la capacité de la batterie, sa vitesse d’autodécharge est accrue ainsi que son vieillissement.
