Technologie: Alternateur et batteries au lithium – Comment le moteur devient une centrale électrique

C'est une fraîche matinée de printemps dans l'archipel de Stockholm. Le Linjett 36 offre tout le confort d'un chez-soi : réfrigérateurs, congélateurs, chauffage, alimentation 230 volts, sans oublier tout un arsenal d'équipements électroniques de navigation. Au cours des dernières 24 heures, nous avons délibérément consommé beaucoup d'énergie. Le moniteur de batterie indique un niveau de charge d’environ 70 %. Les appareils ont puisé pas moins de 120 ampères-heures dans la batterie au lithium. Dix minutes plus tard, après un court trajet au moteur à travers l’archipel, l’écran affiche déjà près de 40 ampères-heures rechargés. C'est à peu près autant que ce que la Linjett consomme en 24 heures sans notre attitude dépensière du « on allume tout ».

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Ce qui fonctionne là-bas, dans le compartiment moteur, n’est pas un alternateur ordinaire. Il s’agit d’un système haute performance refroidi à l’eau, mis au point par le développeur suédois Dan Kimblad, qui démontre tout ce qu’il est possible de réaliser en optimisant systématiquement la recharge via l’alternateur. L'alternateur alimente en permanence la batterie à raison de 250 ampères tout en restant à peine tiède ; le redresseur, lui aussi refroidi à l'eau, est installé séparément ; l'eau de refroidissement est prélevée sur le moteur et circule à travers son propre petit échangeur thermique. Ce système représente l’une des extrémités d’un large spectre. L’autre extrémité est bien connue de la plupart des propriétaires : un alternateur de série issu de l’industrie automobile, un nouveau pack de batteries au lithium et l’espoir secret que tout cela fonctionne ensemble d’une manière ou d’une autre. La plupart du temps, ce n’est tout simplement pas le cas.

Pourquoi les grands gisements de lithium créent de nouveaux problèmes

Les grandes batteries LiFePO4 permettent de réaliser à bord de nombreuses tâches qui étaient auparavant réservées au réseau électrique du port : cuisson par induction, lave-linge ou lave-vaisselle. Le confort augmente, mais les besoins en énergie aussi. Un yacht bien équipé, doté d’une capacité de batterie au lithium de 400 à 500 ampères-heure, consomme facilement entre 100 et 150 ampères-heure par jour en navigation. Or, cette énergie doit également être réinjectée dans la batterie, de préférence sans dépendre du courant de quai. Le souhait de nombreux propriétaires est évident : utiliser ces temps de fonctionnement du moteur, de toute façon nécessaires, de la manière la plus efficace possible pour recharger la batterie. C’est précisément là que réside le problème. En effet, l’alternateur, censé effectuer ce travail, n’est pas conçu pour cette tâche précise.

« Les alternateurs montés en série sur les moteurs de bateaux proviennent presque sans exception du secteur automobile », explique Michael Kögel, de chez Philippi, l’un des fabricants allemands les plus expérimentés de composants électriques embarqués. Dans une voiture, l’alternateur remplit une fonction assez simple : après le démarrage du moteur, il restitue les quelque cinq ampères-heures que le démarreur a prélevés sur la batterie. Il alimente ensuite le réseau de bord pour des consommateurs de faible puissance. Le tout est optimisé en termes de coûts.

La valeur en ampères indiquée sur la plaque signalétique correspond à la puissance de pointe lorsque l'alternateur est à froid, et non à une puissance continue. La comparaison de Kögel est très pertinente : c'est comme pour un moteur dont la zone rouge se situe à 6 000 tours/minute – dans la pratique, on roule plutôt entre 3 000 et 4 000. Le principal problème est la chaleur dissipée. Les alternateurs de série atteignent rarement un rendement supérieur à 60 %. Cela signifie que, pour chaque kilowattheure mécanique transmis à l’alternateur par la courroie, au moins 40 % sont convertis en chaleur avant même qu’un seul ampère n’atteigne la batterie. C'était déjà un problème avec les batteries au plomb, et ce bien que leur résistance interne élevée limitait automatiquement le courant de charge et protégeait ainsi l'alternateur contre lui-même.

Pourquoi le lithium soumet l'alternateur à une charge continue

​Le passage aux batteries au lithium modifie fondamentalement les conditions de fonctionnement de l'alternateur. Les batteries LiFePO4 présentent une résistance interne extrêmement faible, que le banc soit chargé à 10, 50 ou 80 %. Elles absorbent tout ce que le système peut fournir, parfois pendant des heures, jusqu’à ce qu’elles soient chargées à près de 95 %. L’alternateur fonctionne à pleine puissance dès le démarrage du moteur. Et il reste à ce niveau tant que le moteur tourne. Un simple calcul permet de comprendre ce que cela implique sur le plan thermique. Un alternateur qui délivre 80 ampères à 14,4 volts génère une puissance électrique d'environ 1,2 kilowatt. Avec un rendement de 60 %, la courroie doit fournir deux kilowatts de puissance mécanique pour cela.

La différence de 800 watts est transformée en chaleur à l'intérieur de l'alternateur, et c'est précisément là que réside le problème. Sur un alternateur de série, un seul ventilateur souffle de l'air sur les enroulements du stator, le rotor et le bloc de diodes redresseurs situé à l'arrière, qui est la partie la plus vulnérable sur le plan thermique. Sous une charge continue de batteries au lithium, la température du boîtier dépasse rapidement les 100 degrés Celsius. Dans le meilleur des cas, le régulateur réduit rapidement la puissance de l'alternateur.

Sur les 80 ampères indiqués sur la plaque signalétique, il ne reste peut-être plus que 40 ampères qui parviennent à la batterie au bout de quelques minutes. En dix minutes de fonctionnement du moteur, on parvient à recharger un peu moins de six ampères-heures.

Pour les batteries au plomb, un régulateur externe haute performance promettait une amélioration. Associé à des batteries au lithium, il ne résout pas le problème. Le régulateur externe détecte que le bloc de batteries au lithium est à plat et fait immédiatement passer l'alternateur à sa puissance maximale – soit 70 à 80 ampères pendant un court instant. Comme l'alternateur de série n'est pas conçu pour supporter thermiquement cette charge continue, sa température dépasse rapidement les 130 degrés. Le régulateur doit alors réduire le courant, souvent à seulement 25 à 35 ampères. C'est nettement moins que ce que la batterie au lithium pourrait absorber.

​Le B2B-Charger : une solution simple et souvent adaptée

Pour résoudre le problème de température, il est donc préférable d'associer le régulateur de série à un chargeur batterie à batterie. Alors que le chargeur B2B assure une courbe de charge adaptée aux batteries au plomb et permet ainsi d’injecter davantage d’énergie dans la batterie, il agit comme un « videur » électronique pour les batteries au lithium : quel que soit le niveau de décharge de la batterie et son « appétit », celle-ci reçoit uniquement le courant réglé et pas plus. L'alternateur fonctionne en permanence à 50 à 60 % de sa puissance nominale et ne surchauffe pas. Sur les trajets courts de moins de 15 minutes, le régulateur externe s'avère avantageux. En cas d'utilisation prolongée, cet avantage s'inverse.

Un régulateur externe haute performance nécessite un alternateur conçu pour un fonctionnement en continu. Ces alternateurs haute performance, proposés par Balmar, Electromaax, Arco Marine ou Mastervolt, sont dotés de conducteurs en cuivre plus épais avec un taux de remplissage plus élevé, de matériaux isolants plus résistants à la chaleur, de roulements plus robustes et, souvent, de deux ventilateurs de refroidissement qui augmentent considérablement le débit d'air. De plus, le redresseur est surdimensionné et bénéficie d’un meilleur refroidissement. De nombreux systèmes haute performance le délocalisent systématiquement : il s’agit d’un redresseur externe (Remote Rectifier) installé dans un emplacement mieux ventilé du compartiment moteur et pouvant être refroidi séparément. Le système suédois de Kimpower va encore plus loin : l’alternateur et le redresseur externe partagent leur propre circuit de refroidissement à eau. Résultat : une température de surface de 44 degrés en fonctionnement continu, contre plus de 100 degrés pour les systèmes refroidis par air.

​La courroie est souvent le prochain goulot d'étranglement

À très haute puissance, la transmission par courroie devient rapidement un goulot d'étranglement mécanique. Jusqu'à environ 100 ampères de puissance d'alternateur, une courroie trapézoïdale standard convient. Les alternateurs plus puissants nécessitent non seulement un moteur diesel suffisamment puissant, mais aussi des courroies trapézoïdales crantées et de nouvelles poulies. Pour Yanmar, Volvo et certains autres constructeurs, il existe des kits de conversion prêts à l'emploi proposés par Balmar ou Electromaax, pour lesquels il faut prévoir un budget d'environ 600 à 900 euros. Un piège important : si la pompe de circulation d’eau de refroidissement est entraînée par le même circuit de courroie, la tension élevée de la courroie peut endommager ses roulements ; un système de courroie séparé pour l’alternateur haute performance constitue alors la solution la plus sûre. Les moteurs plus récents sont généralement équipés de série de courroies trapézoïdales crantées, ce qui facilite la conversion.

Le BMS, un piège mortel

Le « load dump » est le nom donné au phénomène qui se produit lorsque le système de gestion de batterie (BMS) d'une batterie au lithium déclenche une coupure d'urgence et désactive brusquement la batterie, alors qu'un courant de charge élevé circule, que ce soit en raison d'une surtension, d'une surchauffe ou de défaillances des cellules. Le problème réside dans l’énergie stockée dans le champ magnétique de l’alternateur. Celle-ci ne pouvant plus être réinjectée dans la batterie, elle doit être évacuée quelque part. La tension dans le réseau de bord grimpe brusquement jusqu’à 100 volts. Les premiers composants touchés sont presque toujours les diodes redresseurs de l’alternateur, qui sont détruits par cette pointe de tension.

La solution la plus sûre est un système au lithium équipé d'un BMS communiquant en externe : celui-ci avertit le régulateur d'alternateur suffisamment à l'avance avant de se désactiver. Les systèmes Victron avec BMS externe ou Mastervolt offrent cette interface. Si vous optez pour des batteries au lithium « drop-in » sans communication BMS externe, vous devez prévoir des modules de protection contre les chutes de charge externes, tels que ceux proposés par Balmar ou Sterling Power, par exemple. Un « load dump » peut également se produire sans batteries au lithium, en raison de câbles mal fixés ou de la coupure du système électrique du moteur pendant son fonctionnement.

L'offre s'étend des produits bon marché aux produits haut de gamme

Pour la conversion vers des alternateurs haute performance, le marché propose des solutions dans des plages de puissance allant de 100 à 250 ampères et à des prix compris entre 2 500 et environ 8 000 euros. Balmar, une marque bien établie depuis des décennies, propose pour la plupart des moteurs des combinaisons adaptées d'alternateurs haute performance et de régulateurs externes. Il en va de même pour Electromaax, Mastervolt et Arco Marine. Leurs régulateurs Zeus et Omega comptent parmi les modèles les plus performants et peuvent également être combinés avec d'autres alternateurs.

Le nec plus ultra – bien que coûteux – semble être actuellement la solution produite en petite série par Kimpower. Grâce à une dissipation thermique inégalée, elle est capable de fournir la puissance continue la plus élevée.

Aperçu des solutions

​Le chargeur B2B : peu puissant, mais fiable

Le chargeur « batterie à batterie » est la solution la plus simple et, pour de nombreux propriétaires, la plus adaptée au problème de recharge des batteries au lithium avec l'alternateur d'origine. Il n'augmente pas la puissance de charge, mais protège l'alternateur. Côté entrée, il impose à l'alternateur une charge constante et régulée, quel que soit le niveau de décharge et la consommation du banc de batteries au lithium. Côté sortie, il fournit une courbe de charge optimisée pour le LiFePO₄. Afin de ne pas surcharger l’alternateur, le courant d’entrée ne doit pas dépasser de beaucoup environ la moitié du courant nominal de l’alternateur. Divers fabricants, capacité : 40 A, à partir de 330 euros.

​​Alternateur d'appoint : indépendant et performant

Au lieu de remplacer l'alternateur de série, un deuxième alternateur – généralement un modèle haute performance – est monté sur le moteur. L'avantage réside dans la séparation systématique des systèmes : le système électrique du moteur n'est pas modifié. Le banc de charge est chargé directement par l’alternateur supplémentaire via son propre régulateur haute performance. Aucun chargeur B2B n’est nécessaire. Dans le cas de batteries au lithium « drop-in » sans BMS communicant, il convient de prévoir un module externe de protection contre les chutes de charge. L'inconvénient réside dans l'encombrement supplémentaire et le support nécessaire, qui devra éventuellement être fabriqué sur mesure. Coût : 170 A, à partir de 2 500 euros.

​Puissance maximale : l'alternateur refroidi à l'eau

Si vous souhaitez une puissance de charge supérieure à celle que peut fournir l'alternateur de série en mode B2B, remplacez-le par un alternateur haute performance. Celui-ci est conçu pour une charge continue. Pour les moteurs Yanmar et Volvo courants, il existe des kits de conversion adaptés proposés par Arco, Balmar, Electromaax et d'autres fabricants. Dans l'idéal, cet alternateur recharge directement la batterie de service : la batterie de démarrage peut être alimentée par un chargeur B2B. Le système haut de gamme est celui de Kimpower, refroidi à l'eau : développé par le Suédois Dan Kimblad, il fonctionne avec un alternateur spécial et un redresseur externe, lui aussi refroidi à l'eau. Résultat : un courant de charge continu de 220 à 250 ampères à une température d’environ 44 degrés. Kimpower est disponible en option sur les yachts Linjett (supplément de 7 900 euros) ; des kits de conversion pour les moteurs Yanmar et Volvo sont disponibles sur demande. Pour plus d'informations : kimpower.se

​Suggestions de lecture

Théorie et pratique de l'électricité embarquée par Jens Feddern aborde le réseau électrique embarqué dans toute son étendue. L'accent est mis sur la production d'électricité, les batteries, les procédés de recharge et la distribution de l'énergie électrique à bord. Cet ouvrage fournit les bases techniques indispensables, en particulier aux lectrices et lecteurs qui souhaitent comprendre comment la batterie, l'alternateur et la technologie de recharge s'articulent au sein d'un même système.

Un système électrique de bateau parfait L'ouvrage d'Andy Johnson met davantage l'accent sur l'installation pratique à bord et la mise en place soignée des systèmes électriques. L'architecture globale de l'alimentation électrique est prise en compte. Ceux qui souhaitent passer d'un problème ponctuel lié à l'alternateur à une vision d'ensemble du système électrique du bateau trouveront ici un cadre pratique plus large.

​Une grande batterie au lithium, beaucoup de confort, des attentes élevées : l'alternateur embarqué est-il le goulot d'étranglement le plus sous-estimé dans de nombreuses conversions ? Donnez votre avis dans les commentaires.