Electricité, électronique marine, gestion d’énergie


 

L’électricité à bord, c’est simple et facile !
Beaucoup de plaisanciers se posent des questions, en général toujours les mêmes, à propos de leur installation électrique. Pourquoi mes batteries ne durent-elles que quelques années ? Pourquoi se vident-elles alors que rien ne fonctionne ? Pourquoi dois-je faire tourner mon moteur si longtemps pour les recharger ? C’est pour essayer d’y répondre, le plus clairement possible, à l’intention des non initiés que je me permets le présent opuscule (qui n’a pas la prétention d’être un traité complet). Que les professionnels et les initiés me pardonnent certaines simplifications, elle ne sont faites que pour la clarté du récit. Je reste à la disposition de qui souhaiterait des explications complémentaires.

Bien des gens, par ailleurs tous très soigneux en d’autres domaines se contentent d’une installation électrique brouillonne, désordonnée, difficile à réparer en cas de problème, voire dangereuse. L’arrière du tableau électrique ressemble le plus souvent à un plat de spaghettis, rien n’est marqué, il n’existe pas de schéma de cablage et, quand, par malheur, l’on est forcé de l’ouvrir, on prie pour que tout fonctionne encore, une fois le tableau refermé.

Cette situation est, en général, la conséquence d’un processus habituel : déjà, dans la plupart des bateaux de série, l’installation de base est constituée du srict minimum (compression des prix oblige!). Une voire deux batteries, jamais de circuits de réserve au tableau, des connexions réalisées à l’aide des célèbres « cosses à sertir » dont nous reparlerons plus tard. Au fil de la vie du bateau, on a rajouté de l’électronique (beaucoup) un GPS, un navtex, une VHF, etc . On y a mis de la musique, un frigo, un radar, quand ce n’est pas un guindeau électrique ! Alors on s’est dit qu’il faudrait rajouter une batterie, on l’a raccordée en parallèle à la première . Pour charger tout cela on a mis un chargeur 220V un répartiteur de charge et même peut-être des panneaux solaires et/ou une éolienne. On s’est dit que par mesure de sécurité il fallait réserver une batterie au démarrage du moteur. Tout a été raccordé n’importe où, avec du fil de n’importe quelle couleur ou section, avec des « cosses à sertir » (je ne les aime pas), sans modifier le schéma de l’installation. Et en général ces « travaux » furent exécutés par quelqu’un d’autre, voire par plusieurs personnes différentes. Cela « marche » mais on se retrouve avec les problèmes énoncés plus haut et surtout une désagréable sensation d’impuissance.

La première étape du redressement de cette situation est une compréhension claire du phénomène « électricité ».

Une méthode simple est de toujours faire le parallèle avec les phénomènes hydrauliques, c’est beaucoup plus « parlant » et cela peut marcher dans tous les cas. Une batterie est un réservoir d’eau, un fil est un tuyau, un interrupteur est une vanne, etc …

Une batterie est un réservoir d’eau placé à une certaine hauteur, on peut en retirer de l’énergie (barrage, moulin à eau). La quantité d’énergie qu’il (elle) peut fournir est fonction de deux facteurs :

-1) La différence de hauteur entre le réservoir et l’endroit où l’on se trouve. Cela correspond à la pression de l’eau. C’est le voltage de la batterie (on parle aussi de différence de potentiel).
-2) La capacité d’eau du réservoir (en litres), on parle aussi de la capacité d’une batterie et comme pour un réservoir elle est liée à son volume.

Un consommateur d’énergie (une lampe, un appareil électronique, un moteur) est caractérisé par sa résistance interne (sa capacité à laisser passer plus ou moins d’eau). C’est évidemment proportionnel au travail qu’il doit fournir. Un guindeau qui doit remonter une lourde chaîne a besoin de plus de courant (de débit d’eau) qu’une petite ampoule.

Nous arrivons à une notion importante : le débit (en litres par heure) de l’eau correspond au courant (en ampères). Pour faire passer un gros débit d’eau, il faut un gros tuyau, pour faire passer beaucoup d’ampères dans un fil, il faut un gros fil.

Nous avons vu que la pression dans le tuyau (suite à la hauteur du réservoir) correspond au voltage. C’est la tendance plus ou moins forte qu’ont les électrons (l’eau) à vouloir circuler. On les arrête par un interrupteur (une vanne).

Le débit est donc fonction de la pression et de la « demande » du consommateur. Le courant est donc fonction du voltage et de la résistance, nous avons donc retrouvé la base de l’électricité, la loi d’Ohm :

courant (en Ampères) = Tension (en Volts) / résistance (en Ohms)

Maintenant vous pouvez l’oublier, mais de cette loi en découle une autre, plus utile à retenir :

puissance (en Watt) = tension (en Volts) x courant (en Ampères)

Si on a un débit de 50 litres par heure pendant 2 heures, on a consommé 100 litres Voilà la notion de capacité, évidente dans le cas de l’eau. La capacité d’une batterie s’exprime en ampères-heures (ampères fois heures). Une batterie de 100 Amp-H est capable de fournir un courant, par exemple, de 50 ampères pendant 2 heures.

Résumons : une ampoule de 50 W alimentée en 12 V consomme 4,1 A. Si elle brûle pendant 10 heures elle aura soutiré à la batterie 41 AH, soit près de la moitié de la capacité de notre batterie ci-dessus.

Ces notions bien comprises, voyons maintenant ce qui se passe dans notre bateau.

Nous consommons de l’électricité, nous devons ensuite recharger la batterie, mais à la différence d’un vulgaire réservoir d’eau, quand nous avons utilisé 100 AH (ampère-heure), il faut en remettre 130 dans la batterie. Cela est dû aux pertes lors des réactions chimiques. De plus nous ne pouvons pas les remettre trop vite. Une batterie n’accepte, sans dégats, qu’un courant de charge égal, en ampère, à 20% de sa capacité, en ampère-heure. Enfin il faut savoir qu’une batterie ne supporte pas d’être déchargée à moins de 50% de sa capacité totale. Si l’on souhaite disposer de 100 AH, il nous faut 200 AH de capacité, hé oui !

Pour des raisons de sécurité il est bon de diviser la capacité totale d’énergie électrique en deux, voire trois « réservoirs » mais il est, selon moi, et sauf si les batteries sont de nature différente, inutile de consacrer une batterie à l’usage exclusif du moteur et une autre à l’usage exclusif des « services ». Pourquoi ne pas pouvoir se servir de la VHF si la batterie « de service » est morte, et pourquoi ne pas pouvoir faire démarrer le moteur, même si la batterie « moteur » est vide ? C’est comme si un réservoir d’eau était destiné à la cuisine et un autre à la salle de bain. Il est plus simple de pouvoir alimenter l’ensemble des consommateurs du bord à partir de la batterie de son choix par un simple jeu d’interrupteurs. Par la même occasion nous pouvons ainsi choisir vers quelle batterie nous dirigeons le courant de recharge provenant de l’alternateur du moteur, d’un chargeur 220V, d’une éolienne ou d’un panneau solaire. J’expliqurai plus tard le problème des « répartiteurs de charge ».

Autre problème, pour augmenter la capacité de stockage on à souvent tendance à rajouter une ou plusieurs batteries et à les raccorder ensemble « en parallèle » (le + avec le + et le – avec le -). Si les batteries ont le même âge (mieux si elles sont neuves), si elle sont de la même marque, du même type, si elles chauffent et refroidissent de la même façon, si les connexions ont la même résistance … Alors tout va bien pendant un certain temps. Mais tôt ou tard une différence apparaît et ne peut ensuite que s’amplifier. Je m’explique : prenez deux réservoirs d’eau raccordés chacun vers un même robinet mais par des tuyaux de grosseurs différentes; tant que le robinet est fermé, le niveau est le même dans les deux réservoirs. Ouvrez le robinet, celui qui a le plus gros tuyau se vide plus vite. Refermez le robinet, les nivaux alors différents se rééquilibrent via leur liaison. Dans des batteries le résultat est le même, des courants internes circulent entre les batteries et en réduisent la durée de vie. Car les batteries ont un nombre de cycles charge-décharge limité.

Comment faire alors pour augmenter la capacité de batteries sans en mettre plusieurs en parallèle ? Au delà de 200 AH le volume et le poid d’une batterie la rendrait impossible à manipuler. Regardez de près une batterie de 12 Volts, elle est composée de 6 éléments de 2 volts mis en série (les uns derrière les autres, comme les piles rondes dans une lampe de poche). Il existe sur le marché (et même en Tunisie) des éléments de 2 volts séparés, de toutes les capacités, donc de toutes tailles, faciles à disposer car on peut les arranger comme bon nous semble dans les espaces disponibles (et même les dissocier). 6 éléments de 500 AH en série font une batterie de 12V, 500AH.

Parlons des connexions, pour qu’une connexion soit bonne, qu’elle n’oppose pas de résistance, il faut que le contact entre métaux conducteurs soit le plus intime possible sur la plus grande surface possible. Nous utilisons le plus souvent du fil souple composé de nombreux petits fils de cuivre enroulés ensemble. Dans les « cosses à sertir » ce faisceau de petits fils est écrasé dans un tube creux que l’on déforme. Les petits fils sont des cylindres et à leur échelle on peu assimiler la paroi interne de la cosse à un plan. La surface de contact entre un cylindre et un plan n’est qu’une simple ligne. C’est donc déjà un mauvais contact (mais c’est vite fait et ça a l’air propre). Ajoutez à cela, sur un bateau, une corrosion rapide du cuivre nu qui se propagera loin sous l’isolant du fil et vous comprendrez pourquoi je n’aime pas ce mode de connexion. La bonne solution ? Gardons ces cosses mais soudons-les ! Le contact sera parfait, la solidité mécanique bien supérieure, et le cuivre sera protégé de la corrosion, même quelques centimètres sous l’isolant. Même pour des connexions dans des bornes à serrage par vis, un étamage des extrémités nues des fils est une précaution indispensable.

Intéressons-nous maintenant aux moyens de recharge dont nous disposons. Le plus universel est un alternateur monté sur le moteur de propulsion du bateau. Comme tous les autres moyens de charge, il est équipé d’un régulateur pour éviter de surcharger la batterie auquel il est raccordé. Mais, si dans d’autres domaines (radio, hi-fi), nous bénéficions du matériel automobile, dans le cas des régulateurs, nous en sommes victimes. Dans une voiture, où le moteur tourne en permanence, le rôle du régulateur est surtout de protéger la batterie de la surcharge, et pas de la recharger au plus vite. Je m’explique : un régulateur « sent » l’état de charge de la batterie. Un régulateur automobile donne le plein courant de l’alternateur quand la batterie est complètement déchargée, mais dès que la charge augmente, très vite, le courant de charge diminue. Résultat : recharger la batterie prend beaucoup de temps et de plus celle-ci n’est jamais chargée à fond. Rien ne sert de prendre un alternateur plus gros ou d’en mettre un deuxième si c’est pour garder un régulateur « auto ». Il existe des régulateurs « spécial bateau ». Ceux-ci gardent le plein courant de l’alternateur tant que la batterie n’est pas complètement chargée, de plus ils vous informent de la phase de charge en cours par un jeu de diodes de couleur.

Autres moyens : les chargeurs fonctionnant au 220V du quai, voire d’un groupe électrogène embarqué. Sauf certains modèles automobiles bon marché vendus en grandes surfaces, tous sont munis d’un régulateur « intelligent ». Dès que la batterie est chargée, il se contente de la maintenir « au top » et compense automatiquement toute consommation. Normalement, les panneaux solaires et les éoliennes sont eux aussi munis de ce type de régulateur. A défaut, il faut les en équiper.

Nous en revenons aux fameux « répartiteurs de charges » j’ai expliqué que les régulateurs « sentent » l’état de charge de la batterie. Comme si pour remplir un réservoir d’eau, par le bas (en y repoussant l’eau) on devait « sentir » non seulement la hauteur du reservoir lui-même, mais, plus finement, la hauteur de l’eau dans le réservoir. Une hauteur d’eau, c’est une tension, vers 13,8V une batterie est chargée. Un répartiteur de charge entraine une différence de tension de 0,7V. A 13,1V, le régulateur « croit » que la batterie est à 13,8V et arrête la charge alors que la batterie n’est pas encore chargée. De plus, 30A répartis sur trois batteries ne donneront que trois fois 10A. Au total, vous ne gagnez rien en temps de charge ! Si vous tenez absolument à utiliser un répartiteur, il faut, soit en acheter un qui n’implique pas de différence de tension (X Split, mais très cher), soit disposer de régulateurs réglables et les régler en conséquence. Il est intéressant de noter que très peu de catalogues vous préviennent de cela. A ma connaissance seuls Jim Clark (France) et West-Marine (USA) vous mettent en garde. Beaucoup de catalogues vont même jusqu’à vous annoncer des consommations en ampères-heures, alors…

La plupart des installations de série ne proposent sur le tableau qu’un simple voltmètre, il vous donne une vague idée de l’état de charge de la batterie, et encore, à condition d’être très précis. Seul un ampèremètre précis vous donne votre consommation et bien d’autres renseignements. Si vous allumez un feu de mât (une ampoule de 30W) et que votre ampèremètre monte de 2,5A, tout va bien. S’il monte de plus, il y a une perte sur ce circuit. S’il ne monte pas du tout, l’ampoule est grillée ou il y a un mauvais contact. De même un ampèremètre sur les circuits de charge vous indique ce que débite réellement votre alternateur, éolienne ou panneau solaire et, merci les régulateurs, quand vous voyez le courant nettement diminuer, vous savez que votre batterie est pleine. De jolis petits appareils (en fait, un ampèremètre combiné à une montre) vous font même le compte des ampères-heures sortis ou rentrés dans la batterie. Combien de plaisanciers en possèdent sans avoir une idée de ce qu’ils indiquent ?
Résumons nous :
Un minimum de connaissances
Une installation propre, claire et repérée
Des connexions sûres (soudées)
Des fils correctements dimensionnés (5A par mm² de section)
Une capacité suffisante
Pas de batteries en parallèle
Pas de répartiteur de charge
Des ampèremètres partout
A votre service,

Jean-Baptiste