FR2955000A1 - Dispositifs de regeneration de batteries - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régénération pour batteries au plomb permettant d'éliminer la quasi totalité des agrégats de sulfate de plomb susceptible de s'être formés en surface des plaques de plomb ou dans la solution électrolytique. Ce dispositif, particulièrement rapide et performant, permet d'effectuer des opérations de régénération dans des conditions de sécurité optimisées, et ce en supprimant la plupart des risques d'atteinte à l'environnement; Il prévoit l'utilisation d'un générateur de courant pulsé (1) injectant des courants de fréquence comprises entre 85.000 et 120.000 Hz selon des séquences de 4 à 10 nanosecondes espacées de 8 à 12 secondes. Ce générateur de courant pulsé alimente une ligne principale (2) laquelle alimente plusieurs lignes secondaires (4) par l'intermédiaires de boitiers de dérivation (3), les dit boitiers de dérivation comportant des moyens d'analyse en temps réel de l'état des batteries (5) raccordées aux lignes secondaires (4) connectées à chaque boitier et les moyens de régulation en temps réel des signaux envoyés à ces batteries.

Description

L'invention concerne le stockage de l'énergie électrique et, plus particulièrement, les moyens d'assurer les opérations de régénération et de recharge des batteries utilisées pour stocker et pour restituer cette énergie. Il est connu de régénérer les batteries, et notamment les batteries comportant une pluralité de plaques de plomb ou d'alliage de plomb. Ces batteries sont sujettes aux phénomènes de sulfatation, qui sont en fait une accumulation de sulfate de plomb, accumulation qui se produit lors de chaque décharge de la batterie et qui se résorbe lors des charges. Il se trouve que dans certaines circonstances, par exemple une décharge prolongée ou trop importante, une élévation prolongée de la température ou encore une gazéification partielle de l'électrolyte, des agglomérats stables de sulfate de plomb peuvent se former. Ces agglomérats, lorsqu'ils dépassent une masse critique de quelques grammes, ne sont plus dissous spontanément lors des opérations de recharge. Ils diminuent la capacité des batteries affectées d'une part en diminuant à due proportion les surfaces des électrodes actives et d'autre part en réduisant la conductivité électrique de ces composants. On constate que les causes de dégradation des performances liées à la présence du sulfate de plomb dans les batteries résident d'une part dans la diminution de la surface d'échange des électrodes « occultées » par la présence de plaques de sulfates et d'autre part dans les phénomènes de court circuit qui peuvent être la résultante de la présence de boues de sulfate au fond des batteries, lesdites boues étant faiblement conductrices mais l'étant suffisamment pour provoquer une mise en court circuit partiel des électrodes de plomb. Un moyen connu de réduire et/ou de supprimer ces accumulations indésirables de sulfate de plomb consiste à soumettre la batterie non plus à un courant continu mais à un courant pulsé d'une fréquence supérieure à 1 Mégahertz. Ces ondes de courant pulsé, de faibles durées et espacées les unes des autres par des périodes de non alimentation électrique, ont pour effet de provoquer des collisions entre les ions de soufre et les plaques, ce qui détruit les agrégats de sulfate de plomb. Ces procédés sont notamment décrits dans les textes WO 9428610 et EP 0704113 publiés en 1993 au nom de WIHK BERNT qui décrit le principe de base de traitement par des séquences de courant ou encore WO 0077911 au nom de HOLGIA AKTIEBOLAG publié en 2000 qui décrit un asservissement du courant de régénération envoyé dans une batterie en fonction de la qualité et/ou de la quantité de courant traversant la dite batterie. Un autre moyen connu utilisé pour régénérer des batteries au plomb dont les performances ont sensiblement diminué consiste à vidanger les solutions acides que contiennent ces batteries, à rincer ces batteries avec de l'eau distillée et à remplacer l'électrolyte par un liquide adapté à l'état de la batterie, liquide qui peut être soit de l'eau distillée, soit de l'eau additionnée de glycol (pour éviter la baisse des performances à température négative) soit une solution acide dont le ph sera choisi en fonction de l'état des électrodes de plomb. On constate que la mise en oeuvre de la méthode basée sur la génération d'un train d'impulsions de fréquence adaptée nécessite soit de disposer d'un générateur par batterie traitée, soit d'un générateur global susceptible d'être raccordé à plusieurs batteries raccordées en série ou en série parallèle à ce générateur. La solution faisant appel à un générateur par batterie n'est pas compatible avec une exploitation du procédé à une échelle significative, notamment dans le cadre d'activités commerciales professionnelles. Si on veut pouvoir régénérer plusieurs batteries avec un seul et même générateur d'impulsions, il est connu de brancher ces batteries soit en série soit en série parallèle à ce générateur. Ce mode opératoire pose plusieurs problèmes. En premier lieu si une batterie est totalement hors service (non passante) toutes les batteries situées sur la même boucle série ne seront pas traitées. Si par ailleurs une batterie est trop passante (plaques en court circuit), des élévations de températures significatives peuvent se produire au niveau de cette batterie durant le traitement, élévation qui peuvent provoquer des dégagements importants d'hydrogène (un gaz particulièrement inflammable et explosif, pouvant provoquer une combustion vive et spontanée au contact de l'air) et/ou de vapeurs acides. Par ailleurs, ce traitement en série ou en série parallèle ne permet pas de détecter le niveau de qualité initial de chaque batterie, pas plus qu'il n'est compatible avec la détection en temps réel de l'évolution de l'état de chaque batterie et notamment de la détermination de la survenance de la fin du process de régénération pour telle ou telle batterie. Ceci conduit à un traitement « moyenné » de chacune des batteries raccordées au régénérateur et donc à des opérations de recharges / régénération incomplètes, souvent peu performantes, toujours dangereuses pour l'environnement (consommation excessives de courant, émanation de vapeurs acides, échecs de la régénération de certaines batteries qui doivent finalement être mises en décharge) et parfois même dangereuses pour les opérateurs ou le voisinage (émanation de vapeurs acides, risques d'incendie, etc...). L'invention se différencie des procédés connus dans l'art antérieur, notamment en ce qu'elle propose un procédé et les moyens de mise en oeuvre du dit procédé dans lequel le générateur débite sur une ligne principale se divisant en une pluralité de lignes secondaires, l'interconnexion conditionnelle entre la ligne principale et chacune des lignes secondaires étant réalisée par des boitiers spécifiques, lesquels ouvrent et ferment les circuits en fonction d'informations provenant de chaque batterie ou groupe de batteries traités. Contrairement aux textes antérieurs, les informations prises en compte ne sont pas le courant passant du générateur vers la ou les batteries traitées mais des informations spécifiques et caractérisantes comme la température, la résistivité, ou encore les émissions de gaz. II s'agit donc d'une régulation différenciée permettant un traitement adapté à chaque batterie ou ligne de batteries et piloté en fonction d'informations spécifiques permettant d'optimiser le traitement et de sécuriser le mode opératoire tout en limitant les impacts potentiels à l'environnement. L'invention se démarque également des approches traditionnelles, et y compris de leurs variantes les plus sophistiquées en ce qu'elle procède d'une approche globale de la problématique des opérations de régénération et de recharge des batteries défaillantes ou considérées comme telles. Elle propose en effet de réaliser des centrales de régénération composées d'une part d'un générateur de courant pulsé et d'autre part d'une pluralité de boitiers de connexion, chaque boitier comportant des liaisons permettant le branchement de la batterie à traiter, des moyens de prise d'informations au niveau de la batterie, ainsi que des moyens de calcul et/ou d'analyse. Dans un mode de réalisation particulièrement performant et avantageux, ces boitiers pourront en outre comporter les moyens d'aspirer et/ou de réinjecter les solutions électrolytiques contenues dans les batteries.

Un objectif essentiel de l'invention est de rationaliser, de sécuriser et de faciliter les opérations de régénérations de batteries. Un autre objectif de l'invention est de permettre un taux de succès (pourcentage de batteries effectivement régénérées et réparées dans un lot donné) nettement supérieur à celui obtenu avec les procédés et dispositifs classiques. Un objectif complémentaire est de réduire les temps d'intervention et les prix de revient des opérations de régénération et de recharge de batteries. Un objectif complémentaire consiste à éviter tout risque de détérioration même partiel des composants des batteries en s'assurant que les élévations de températures subies par ces composants restent limitées et contrôlées en temps réel.

Un objectif essentiel consiste à éliminer tout risque d'explosion et à réduire ou annuler toute possibilité d'émission de gaz toxique ou dangereux dans l'atmosphère, donc à diminuer les impacts potentiellement négatifs sur l'environnement des opérations de régénération et de recharge de batteries.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints en utilisant un générateur d'impulsions configuré de telle façon qu'il génère un courant de fréquence comprise dans une fourchette de 85.000 à 120 000 Hz, sur des durées d'environ 4 à 10 nanosecondes espacées d'environ 10 secondes. Ces valeurs sont représentatives d'un mode de réalisation préférentiel des générateurs d'impulsions préconisés dans le cadre de l'invention ; elles ne correspondent à un optimum d'efficacité que si et seulement si le générateur est complété par les dispositions caractérisantes de l'invention décrite et revendiquée, comportant notamment des boitiers de dérivation actifs.

Les dispositifs connus dans l'état de l'art prévoient de brancher plusieurs batteries en série, ou, dans certains cas, en série et parallèle sur un générateur d'impulsion. Ceci implique d'une part que toutes les batteries placées sur une même ligne en série ne bénéficient d'aucun traitement de régénération dès lors que l'une des batteries de cette ligne série est non passante et d'autre part que chacune des batteries placées sur une ligne série est soumise aux mêmes intensités, si bien que certaine sont sur-traitées alors que d'autres le sont insuffisamment.

Pour mémoire, les batteries que l'on cherche à régénérer peuvent se trouver dans différents états : 1) état satisfaisant, aucune action de régénération nécessaire. 2) état compatible avec une régénération électrique par courant pulsé de faible durée (le plus souvent plaques en bon état mais léger dépôt de sulfate de plomb recouvrant les plaques) 3) état compatible avec une régénération électrique par courant pulsé de longue 30 durée (plaques en relativement bon état mais important dépôt de sulfate de plomb recouvrant les plaques) 4) état incompatible avec une régénération par courant pulsé. Ce dernier cas peut lui même recouvrir plusieurs situations 41) dépôt de sulfate de plomb formant une épaisseur en fond de cuve suffisante pour mettre plusieurs éléments en court-circuit. 42) électrolyte non conforme (densité inférieure à 25 degrés baumé) ou de niveau insuffisant 43) plaques physiquement déformées en contact les unes avec les autres. 44) plaques dessoudées / liaison interrompues entre les plaques et les collecteurs et/ou entre les collecteurs et les cosses.

On comprend dès lors que, selon l'état de chaque batterie, le process de régénération peut être plus ou moins efficace voire, dans certain cas, impossible. II suffit en effet qu'une des batteries placées en série soit non passante (cosse ou collecteur dessoudé du fait des vibrations subies par la batterie) pour que le courant ne puisse pas circuler dans la ligne. Par ailleurs, la répartition des densités de courant dans chaque batterie de la ligne se fait de façon aléatoire, la conductivité de chaque batterie évoluant au fur et à mesure de la dissolution des sulfates dans l'électrolyte sous l'action du courant pulsé.

En conséquence, pour pallier à ces inconvénients, avec les produits et procédés connus, l'opérateur doit : - vérifier individuellement chaque batterie avant de procéder au branchement. - Régler la densité de courant dispensé dans chaque ligne en fonction du cas le plus défavorable (c'est à dire au niveau supportable par la batterie la plus abîmée en début de process de régénération). 25 Ces contraintes ont pour conséquence de limiter le courant dispensé par les générateurs à des valeurs faibles (typiquement 5 ampères au plus) et, en conséquence, d'imposer une durée de régénération longue donc dispendieuse (typiquement 24 heures)

Pour résoudre ces difficultés, et dans le but de rationaliser, de diminuer la durée et le 30 coût, d'améliorer la sécurité de fonctionnement et d'augmenter l'efficacité des process de régénération des batteries l'invention propose, pour faciliter et sécuriser les opérations de branchement en série, de munir les lignes d'une pluralité de boitiers connecteurs munis dispositifs électroniques et électromécaniques leur permettant de : 35 - Laisser passer le courant directement si aucune batterie n'est connectée.20 Indiquer l'état initial de la batterie connectée (passante / non passante / court-circuit / tension / taux de charge / autre : indications non exhaustives et non limitatives). Les indicateurs pourront être analogiques ou numériques. Ils comporteront préférentiellement des leds de couleurs et seront utilement complétés par des indicateurs sonores. Indiquer l'évolution de l'état de la batterie connectée durant l'évolution du process. Laisser passer le courant en dérivation sans alimenter la batterie connectée si la dite batterie se trouve soit hors d'usage (en court-circuit ou en circuit interrompu) soit dans un état de régénération satisfaisant (seuil possiblement réglable). Cette caractéristique permettra de traiter l'intégralité des batteries présentes sur une ligne, y compris dans le cas de défaillance de où l'une ou plusieurs de ces batteries; elle a également pour effet d'optimiser la distribution du courant pulsé, qui sera dirigé vers les seules batteries nécessitant un traitement et donc de raccourcir les temps de traitement tout en diminuant la consommation de courant. Dans une variante avantageuse, la connexion sera différentielle et chaque boîtier comportera un dispositif électronique permettant d'ajuster la quantité de courant délivrée à la batterie qu'il desservira.

L'invention permet la connexion d'un nombre important de batteries, pouvant atteindre une centaine, à un seul générateur de courant pulsé, en donnant l'assurance que toutes seront alimentées, y compris dans le cas où une partie des batteries se révélerait déficiente. Les fonctionnalités des boîtiers sont en effet telles que, en l'absence de connecteurs, le passage du courant est direct dans la ligne, alors qui si les connecteurs sont en place le courant passe par la batterie (branchement série conservé, fonction obtenue par un dispositif électromécanique simple), sauf dans le cas où la batterie concernée est détectée comme défaillante ou suffisamment traitée auquel cas le passage direct est rétabli au niveau du connecteur (fonction électronique).

De façon avantageuse, les boîtiers selon l'invention seront dotés de détecteurs infra rouge ou d'une sonde de température permettant la détection d'éventuels échauffements anormaux de la batterie connectée puis le déclenchement d'une action corrective de type interruption ou diminution de l'intensité du courant délivré.

En complément, ces boitiers pourront être munis de détecteurs de présence de gaz potentiellement explosif et plus particulièrement de l'hydrogène dégagé par hydrolyse. La détection d'une teneur en gaz supérieure à un seuil préréglé provoquera une interruption immédiate du traitement, ladite interruption étant déclenchée au niveau du boitier pilotant la batterie ou le groupe de batteries concernées.

En complément des dispositifs décrits ci-dessus, et pour permettre le traitement d'un plus grand nombre de batteries en ce compris la récupération de celles qui n'auront pu faire l'objet du traitement de base, l'invention propose de munir chaque boitier connecteur des moyens permettant d'effectuer l'extraction, le nettoyage par filtration, le dosage et, si nécessaire, les apports de produits complémentaires ainsi que la réintroduction des solutions aqueuses électrolytiques dans les batteries. Le cycle d'extraction / nettoyage / régénération sera avantageusement piloté par les dispositifs de régulation contenus dans le boitier, en fonction de l'évolution des paramètres électriques et / ou thermiques détectés.

On sait que l'adjonction d'une petite quantité de base forte (quelques ml) suffit à provoquer un précipité des sulfates et contribue à restaurer la conductivité de surface des plaques de plomb. C'est la raison pour laquelle on choisira de placer au moins une pompe péristaltique dans chaque boitier de connexion. Cette pompe sera munie d'un tube d'aspiration, tube dont l'extrémité libre sera placée dans la cuve de la batterie connectée au boitier. Avant la pompe, on placera un filtre qui permettra de retenir les boues et impuretés, notamment les agrégats de sulfate de plomb contenus dans le liquide. A la sortie de la pompe, on placera avantageusement une unité d'analyse ou de dosage de la solution, par exemple une mesure de ph ou de conductivité électrique ; fonction des résultats de ce dosage, un complément d'eau déminéralisée, de solution acide ou basique pourra être apporté à la solution électrolytique, laquelle sera finalement réintroduite dans la batterie. Selon ces dispositions, le liquide sera extrait grâce aux propriétés de la pompe péristaltique (ou d'un autre dispositif de pompage spécialement adapté). Il fera l'objet d'un traitement par filtration qui permettra d'éliminer les sulfates en suspension ; l'acidité pourra être ajustée au moyen de pH-mètres automatiques asservis et d'ajout d'eau distillée ou d'acide de façon à atteindre la densité souhaitée. Le liquide extrait puis corrigé sera réintroduit dans la batterie. Pour parfaire le traitement, on prévoira avantageusement de placer tout ou partie des batteries sur des socles vibrants, de façon à faciliter le décollement des agrégats de sulfate de plomb et par voie de conséquence d'accélérer le processus de régénération.35 L'invention sera mieux comprise si on se rapporte aux figures ci-jointes illustrant des modes de réalisation préférés et dans lesquelles :

La Figure 1 représente un dispositif de régénération de batteries selon l'invention. La Figure 2 représente une vue de détail d'un boitier de dérivation équipant un dispositif de régénération de batteries selon l'invention.

On voit sur la Figure 1 que le dispositif selon l'invention se compose d'un générateur de lo courant pulsé (1), lequel générateur alimente une ligne principale (2) qui comporte plusieurs boitiers (3) de dérivation, ces boitiers permettant de délivrer le courant électrique vers autant de lignes secondaires (4). Chaque ligne secondaire (4) alimente soit une seule batterie (5) soit plusieurs batteries (5). Dans ce dernier cas, les batteries raccordées à un même boitier sont branchées en série. Le dispositif selon l'invention 15 comporte en outre les moyens (11) de collecter les gaz susceptibles d'être émis par les batteries en cours de traitement ; ces moyens (11) seront avantageusement dotés d'un analyseur de gaz (12), ledit analyseur sera apte à interrompre le processus de traitement des batteries à partir du moment où une quantité de gaz, et notamment d'hydrogène, supérieure à un seuil donné sera détectée. Pour favoriser le décollement des agrégats de 20 sulfate de plomb, certaines parmi les batteries traitées pourront être placés sur des socles vibrants (13), les dits socles vibrants étant mis en fonction à partir du boitier (3) pilotant et alimentant la ou les batteries qu'ils supportent, et ce en fonction des informations sur l'état de la batterie recueillies par ce même boîtier de dérivation (3).

25 La Figure 2 montre une représentation d'un boitier (3) selon l'invention. Ce boitier est connecté d'une part à une ligne principale (2) et d'autre part à une ligne secondaire (4). La ligne secondaire (4) est connectée ou non à la ligne principale (2) en fonction des informations sur l'état de la batterie ou du groupe de batteries connecté au boitier (3). Ces informations sont par exemple la résistivité, information collectée par la ligne 30 secondaire (4). On a vu que la température de la batterie traitée constituait une information importante, qui peut avantageusement être prise en compte pour réguler ou interrompre le processus de traitement. Cette information sera collectée au niveau des boitiers (3) soit par une sonde de température (10) immergée dans la première batterie reliée au boitier concerné, soit par un détecteur infrarouge (20) placé sur l'une de parois 35 du boitier et orienté vers une des parois de cette batterie. En plus de ses fonctions5 électriques (ouverture et fermeture des connections entre la ligne principale (2) et la ligne secondaire (4) en fonction des informations recueillies ; affichage des informations sur l'état des batteries en cours de traitement) le boitier (3) selon l'invention contiendra avantageusement des moyens de pompage et de traitement de la solution électrolytique contenue dans les batteries. Ces moyens seront par exemple une canalisation d'extraction (6) un filtre (7) une pompe (8) préférentiellement de type péristaltique et une canalisation de rejet (9). Ils pourront être complétés par des moyens d'analyse de la solution électrolytique, et notamment de mesure du ph, ainsi que par des dispositifs permettant de modifier la composition de cette solution (injection d'acide, de base ou d'eau déminéralisée).

On voit que les dispositifs de régénération de batteries selon l'invention comportent un générateur de courant pulsé (1) et une ligne principale d'alimentation électrique (2) à partir de laquelle sont alimentées une pluralité de batteries (5), Ils sont caractérisés en ce que chaque batterie (5) est connectée à la ligne principale (2) par l'intermédiaire d'une ligne secondaire (4) reliée à la ligne principale (2) par l'intermédiaire d'un boitier de dérivation (3) le dit boitier de dérivation (3) comportant au moins des moyens d'analyse de l'état de la batterie et les dits moyens d'analyse pilotant qualitativement et quantativement le courant dirigé depuis la ligne principale (2) vers la ligne secondaire (4).

Selon l'invention, le générateur de courant pulsé délivrera dans la ligne principale d'alimentation électrique (2) un courant dont la fréquence sera comprise entre 85.000 et 120.000 Hz, et ce selon des séquences de 4 à 10 nanosecondes espacées de 8 à 12 secondes. Ces fréquences et ce séquençages ont en effet été identifiés comme permettant de briser les agrégats de sulfate de plomb, de les désolidariser des plaques sans détruire ces dernières ni sans les exposer à des températures trop importantes.

Ce séquençage et ces fréquences seront appliqués à la ligne principale (2) et dérivés partiellement en temps réel vers les lignes secondaires (4) en fonction des informations fournies par les moyens d'analyse de l'état des batteries (5) contenus dans les boitiers (3) lesquels moyens comportent, outre un dispositif de mesure de la résistance des batteries (3), et de façon particulièrement avantageuse du point de vue de l'efficacité et la sécurité de fonctionnement de dispositif, au moins un dispositif de mesure de la température de la batterie (5) connectée au dit boitier (3). Selon une caractéristique essentielle de l'invention, chaque boitier (3) comportera des moyens d'analyse en temps réel de l'état d'au moins une batterie connectée à la ligne secondaire (4) qu'il alimente. 2955000 Io Chaque boitier comportera également les moyens de réguler en temps réel les signaux envoyés dans la ligne secondaire (4) qu'il pilote.

Pour améliorer encore l'efficacité du dispositif, au moins une partie des boitiers (3) 5 comporteront une pompe péristaltique (8) reliée en amont à une canalisation d'aspiration (6) et en aval une canalisation de rejet (9), les extrémités libres des dites canalisations étant immergées dans la batterie (5) traitée.

Une autre amélioration des performances sera obtenue en plaçant au moins une partie 10 des batteries sur des socles vibrants (13) pilotés par les boitiers (3). L'action de ces socles vibrants permettra en effet de faciliter la désolidarisation des agrégats de sulfate de plomb et des plaques de plomb sur lesquelles ils se sont formés. Ces fragments d'agrégats, ou du moins la partie qui ne se dissoudra pas spontanément dans la solution électrolytique pourront être extraits de la batterie par la pompe péristaltique (8) et seront 15 alors piégés par le filtre (7) placé en aval de la dite pompe (8) dans le sens de circulation de la solution électrolytique.

Pour améliorer encore la sécurité du dispositif, on choisira de placer tout ou partie des batteries (5) sous une hotte d'aspiration (11) la dite hotte d'aspiration étant munie de 20 moyens d'analyses (12) des gaz émis par les batteries (5), et les dits moyens d'analyse (12) des gaz étant reliés à chacun des boitiers (3) ou, à défaut, à un interrupteur apte à ouvrir la ligne électrique principale (2) en cas détection d'un dépassement d'un seuil préréglé.