À bord d’un voilier, lorsque nous souhaitons un peu d’autonomie, nous avons deux principales choses à gérer : L’eau douce et l’énergie. Dans cet article, je vais évoquer un aspect évidemment essentiel au sujet de l’énergie à bord : les batteries. En effet, il y a de nombreux autres aspects concernant l’énergie à bord : Panneaux solaires, éoliennes, alternateurs, consommation du bord… Avec mes nouvelles expériences et les récentes évolutions des technologies de batterie (avec en particulier les batteries « lithium » que nous avons eu l’occasion de tester en septembre 2020 à bord d’un Sun Odyssey 410 tout neuf), cet article a vocation à être mis à jour de temps en temps, et à devenir… plus long.
Importance des batteries à bord
Pourquoi est-ce si important, les batteries ? Pour deux bonnes raisons. D’abord pour le confort. Il est quand même ennuyeux que sur des voiliers modernes beaux et chers de ne plus avoir de batterie au petit matin sous prétexte que l’on a laissé tourné le frigo toute la nuit. Sur un voilier, cela ne tient pas la route de devoir démarrer un moteur diesel 5 ou 6 heures par jour pour étaler sa consommation d’énergie. C’est pourtant le cas de beaucoup de voiliers sur lesquels j’ai travaillé. Y compris sur de grands catamarans vendus allègrement le million d’euros. Sur ces navires mal équipés, l’autonomie c’est… La quantité de gasoil embarqué ! Et parfois elle ne dépasse pas une semaine. C’est nul, inefficace et illogique. Ce sont des économies de bouts de chandelle faîtes au départ qui reviennent bien plus cher au final.
Deuxième raison, c’est important de se pencher sur ce sujet aussi pour des raisons évidentes de sécurité. Bien sûr, il faut toujours être en mesure de démarrer le moteur d’un voilier pour se sortir d’une situation périlleuse. La panne de batterie au démarrage est un classique des pannes faciles à éviter. Il convient donc d’acheter du bon matériel et de le monter correctement, avec les sécurités qui vont bien. Et puis il y a les risques liés à la technologie de la batterie elle-même et à son utilisation. Car une batterie peut très bien déclencher un incendie, voire même exploser.
Notions de base concernant les batteries
Une batterie est donc une réserve d’énergie qui fonctionne grâce aux réactions chimiques de plaques métalliques plongées dans un liquide appelé « électrolyte ». Les technologies sont assez variées et évoluent assez rapidement, mais on parle toujours de plaques, de cathode, d’anode et d’électrolyte (70% d’eau - 30% d’acide). L’usure d’une batterie est donc bien liée à son utilisation plus ou moins active (usure des plaques). Moins on la sollicite, moins elle s’use, évidemment cela parait logique. C’est important de bien garder cela en tête lorsque l’on veut dimensionner son parc de batterie pour un voilier de croisière ou à fortiori pour un voilier de voyage. En tout cas, une batterie neuve (ou moins neuve mais en bon état) doit avoir une tension d’environ 12,7 Volt au repos. On peut considérer la batterie au repos entre 12,65V et 12,75V comme chargée. Et cette tension, elle doit la garder dans le temps. L’outil de base est donc le « voltmètre », ou le « multimètre » pour contrôler tout ça.
Avoir un bon multimètre et tester
Achetez un multimètre de bonne qualité pour avoir des informations fiables et précises ! Les multimètres « premier prix » donnent parfois des données fantaisistes, certains sont équipés de piles introuvables, j’en ai même vu qu’on ne pouvait pas ouvrir. Avec cet outil, tester une batterie est assez facile : une fois chargée, vous la laissez au repos, plusieurs jours ou plusieurs semaines. Si au bout de quelques jours, et d’autant plus au bout de deux ou trois semaines, la tension est toujours entre 12,65 V et 12,7 V, c’est que cette batterie est à priori en bon état. En tout cas, une batterie en dessous de 11V est la plupart du temps bonne à jeter, la charge ne tiendra plus longtemps. C’est pourquoi il faut éviter de trop tirer dessus dès le début. Si possible, évitez de descendre en dessous de 12V. Cela permet de préserver une batterie et de la garder en bon état beaucoup plus longtemps.
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Usage et installation des batteries à bord
Avant l’achat il convient donc de s’informer un peu, d’autant plus que l’objectif est de ne pas être obligé de changer son « parc » trop souvent. Bien dimensionné et correctement utilisé, un parc de batterie peut sans problème tenir 7-8 ans ou plus. Première chose à savoir, le fait est que l’on n’utilise pas les batteries du bord pour les mêmes usages. Les deux principales utilisations sont : les batteries de « servitudes », elles sont souvent plusieurs à bord d’un croiseur classique, elles sont utilisées pour le matériel de navigation, le froid (frigo-congélo), les lumières, l’autoradio, le confort d’une manière générale… Ces batteries seront sollicitées « en douceur » sur de longues durées. La batterie de « démarrage » qui est exclusivement dédiée au démarrage du moteur. Cette batterie est différente, car on lui demande uniquement de délivrer une grande puissance pendant quelques secondes, pour démarrer un gros moteur diesel. Ces batteries sont bien entendu séparées, afin qu’une consommation excessive de « confort » ne puisse pas vider la batterie de démarrage du moteur. Un coupe batterie permet cependant, en cas de besoin, de coupler toutes les batteries, afin d’aider la batterie de démarrage si elle venait à être défaillante.
Le nombre de cycles
Le « nombre de cycles » correspond au nombre de fois où l’on peut recharger et décharger la batterie. On constate rapidement que plus on tire sur une batterie, moins elle pourra donner de cycles. Moins je décharge mes batteries et plus longtemps elles vivront. N’utiliser que 20% ou 30% des capacités d’une batterie va considérablement augmenter sa durée de vie. C’est pourquoi un parc surdimensionné est une bonne idée en croisière, tant pis pour le poids, on n’est justement pas en régate ! En effet, dans les livres on recommande de ne pas vider ses batteries à plus de 50%. En fait, je considère que c’est encore trop. Pour ma part, j’ai dimensionné mon parc de servitude afin que la tension ne descende jamais en dessous de 12,4 V. En gros j’utilise moins de 50% de mon parc de servitudes pour augmenter sa durée de vie. Sachez que les batteries offrant le plus grand nombre de cycles à 50% sont des batteries à électrolyte gélifiée qui peuvent dépasser 2500 cycles. Leur durée de vie dépasse 10 ans !
Batteries Gel ou AGM pour les servitudes
Sans vouloir évoquer tout ce qui existe sur le marché, je veux ici évoquer les deux technologies les plus répandues à bord de nos voiliers de croisière ou de voyage. Il s’agit des batteries « AGM » (Absorbed Glass Mat) et des batteries « Gel ». Pour ma part, d’après mon expérience, mais aussi sur le papier, les batteries Gel sont les plus adaptées et ce sont celles qui présentent la plus grande longévité. À condition de ne pas leur demander de charges/décharges rapides. Les batteries AGM ont en effet quelques avantages, elles supportent mieux les charges/décharges rapides et leur coût est très légèrement inférieur. En tout cas sur un voilier, des batteries de servitudes sont utilisées en grande partie pour faire fonctionner ce qui, de très loin, consomme le plus sur 24 heures : le groupe froid. La batterie « Gel » est donc celle que je vous recommande vivement. Dans une batterie dite « Gel », l’électrolyte est gélifié par l’ajout de gel de silice. Dans une batterie dite « AGM », l’électrolyte est immobilisée, ou « absorbée » dans des « buvards » en fibre de verre insérés entre les plaques.
Calcul de la consommation du bord et du parc de batterie nécessaire
C’est là que vous utilisez la fameuse formule, que vous devez absolument connaître : P = UI. P c’est la puissance en Watt, U c’est la tension en Volt, et I c’est l’intensité en Ampère. Donc I = P/U. Multipliez la puissance et l’intensité par le nombre d’heures d’utilisation sur 24 heures, et hop, vous savez ce que consomme votre ampoule chaque jour. En voyage, vous passez le plus clair de votre temps au mouillage. Donc dans ces conditions, pilote auto, VHF, radar, sondeur, GPS restent éteints. Nos ampoules LED consomment 10 fois moins, entre 0,1 et 0,2 Ampères. Il reste les PCs et autres tablettes, mais leur consommation sur 24 heures reste assez faible. Vous l’aurez compris : 90% du problème de l’énergie, c’est… Le frigo ! Un frigo au compresseur performant et bien refroidi, avec un évaporateur adapté et un compartiment froid hyper isolé répond en grande partie à tous les problèmes d’énergie à bord !
Taille du parc de batteries de servitude
Il est recommandé d’avoir deux fois la consommation journalière. Pour ma part, j’ai doublé cette sécurité, j’ai installé deux batteries de 200 Ah, donc 400 Ah, pour une consommation d’environ 100Ah. Ce choix nous permet de passer des jours et des semaines au mouillage comme en navigation, avec congélateur et plusieurs heures de PC, autoradio ou autres éléments de confort, sans jamais avoir de souci de batterie. La tension de nos batteries de servitudes ne descend presque jamais en dessous de 12,4V. Le jour elles se chargent grâce à nos panneaux solaires (240 Watts) et la nuit elles étalent le congélateur sans problème. Conclusion, n’hésitez pas à surdimensionner votre parc de batterie (consommation x3 ou x4), et investissez dans des panneaux solaires !
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Choix et branchement des batteries de servitudes
Si vous voulez les avoir au meilleur prix, il faut si possible acheter ses batteries dans des magasins prévus pour les terriens. Ce sont les mêmes batteries que pour les bateaux, mais elles y sont moins chères. Ensuite, préférez les marques réputées : MasterVolt ou Victron par exemple sont à priori des valeurs sûres. De surcroît, préférez deux batteries de 200 Ah à 4 batteries de 100 Ah. Au final vous avez effectivement 400 Ah, mais le câblage, les branchements, les allers-retours d’un parc à 4 batteries feront perdre de la puissance et il y aura forcément des déséquilibres entre les batteries. Attention au poids, une batterie de 200 Ah peut peser près de 70 kilos, alors il faut prévoir l’emplacement. Elles doivent être fixées de façon à ne pas traverser le roof ou basculer en cas de chavirage, elles ne doivent pas pouvoir glisser. Rien ne doit pouvoir toucher les cosses (grave risque d’incendie si le plus et le moins entrent en contact). Et elles ne doivent pas être trop confinées.
Méthodes de recharge : L'alternateur et les systèmes intelligents
Lorsque vous démarrez le moteur de votre bateau, l'alternateur se met en marche et devient la principale source de charge des batteries marines. Il convertit l'énergie mécanique du moteur en énergie électrique, qui recharge la batterie et alimente les systèmes de bord. De nombreux bateaux utilisent des alternateurs similaires à ceux des voitures, mais les alternateurs marins sont conçus différemment pour résister à des conditions plus difficiles : exposition à l’eau salée, vibrations et utilisation prolongée. Pour les plus grands bateaux ou ceux disposant de plusieurs batteries, un système à double alternateur est courant. Les régulateurs de tension contrôlent la tension de sortie de l'alternateur, maintenant ainsi la tension adéquate pour charger les batteries en toute sécurité sans les endommager. Les systèmes de charge marins comprennent souvent des Relais de charge automatique (RCA) ou Relais de détection de tension (VSR). Ces dispositifs intelligents connectent et déconnectent automatiquement les batteries en fonction de leur tension. Ainsi, vos batteries de démarrage et auxiliaires se chargent efficacement sans câblage supplémentaire ni intervention manuelle.
Chargeurs de batterie embarqués et recharge à quai
Les chargeurs de batteries marines embarqués sont au cœur de la plupart des systèmes de charge de batteries de bateaux. Ces dispositifs intégrés convertissent le courant alternatif du quai ou du générateur en courant continu contrôlé afin de charger vos batteries marines de manière sûre et efficace. Lorsque vous branchez votre bateau à une borne d'alimentation à quai dans un port de plaisance, vous vous connectez généralement à une alimentation de 110 V ou 220 V CA. Cette alimentation à quai alimente votre chargeur de batterie marine embarqué, conçu pour convertir ce courant alternatif en courant continu. Les chargeurs intelligents sont désormais la norme : ils ajustent automatiquement la tension et le courant grâce à plusieurs phases de charge, comme la charge rapide, l’absorption et le maintien de charge. Cela protège vos batteries contre la surcharge et prolonge leur durée de vie. Les bateaux plus anciens peuvent encore être équipés de chargeurs ferro-résonants ou « basiques » qui délivrent un courant constant sans réglage. Ces chargeurs peuvent surcharger ou sous-charger les batteries marines, notamment les batteries au plomb, ce qui les endommage à long terme.
Systèmes de recharge par panneaux solaires
De nombreux plaisanciers optent pour des systèmes de recharge solaire afin de maintenir la charge de leurs batteries marines, notamment lors de longs mouillages, de stockage à sec ou de navigations en pleine nature sans accès à l'électricité du quai. L'énergie solaire est une solution propre et silencieuse pour préserver la durée de vie des batteries sans avoir à faire tourner le moteur ni un générateur. Les panneaux flexibles sont légers et épousent la forme des surfaces des bateaux, ce qui les rend idéaux pour les petits bateaux ou les espaces restreints. Les panneaux rigides sont plus lourds mais plus durables et efficaces, parfaits pour les grands bateaux ou les points de fixation fixes sur les cabines et les ponts. Les contrôleurs MPPT (Suivi du point de puissance maximale) sont le choix le plus judicieux : ils ajustent la tension pour obtenir le maximum d'énergie de vos panneaux, ce qui est particulièrement utile en cas de variations d'ensoleillement. Les contrôleurs PWM (Modulation de largeur d'impulsion) sont plus simples et moins chers, mais moins efficaces, surtout avec des batteries au lithium.
Spécificités des batteries au lithium et BMS
Les batteries marines au lithium, comme les LiFePO4, ont une plage de tension plus étroite pendant la charge. Elles utilisent un système de gestion de batterie (BMS) pour se protéger contre la surcharge, la décharge excessive et les températures extrêmes. Les chargeurs anciens ou génériques peuvent surcharger les batteries au lithium, ce qui risque de les endommager ou de réduire leur durée de vie. Utilisez des chargeurs conçus ou programmés spécifiquement pour les batteries marines au lithium. Évitez les chargeurs automobiles ou à plomb-acide standard, sauf s'ils disposent d'un réglage pour batteries au lithium. Un chargement correct prolonge la durée de vie de votre batterie et assure la sécurité et la fiabilité de votre installation sur l'eau. Pour les bateaux équipés de batteries marines au lithium, les systèmes de charge solaire fonctionnent très bien, mais nécessitent des contrôleurs capables de gérer le profil de charge spécifique des batteries au lithium afin d'éviter tout dommage.
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Méthodes de recharge alternatives et spécialisées
Si vous naviguez en mer ou loin de toute source d'alimentation électrique à quai, un groupe électrogène portable associé à un chargeur de batterie marine de qualité constitue une solution de secours fiable. Les voiliers utilisent souvent des éoliennes pour maintenir la charge de leurs batteries au mouillage ou en navigation. Les éoliennes fournissent une énergie stable et silencieuse et fonctionnent bien avec d'autres sources d'énergie renouvelables comme le solaire. Les alternateurs de bateaux classiques ne sont pas conçus pour les batteries au lithium, qui nécessitent un profil de charge spécifique. Un chargeur CC-CC intervient alors, convertissant la tension et le courant de sortie de l'alternateur en la tension et le courant parfaitement adaptés aux batteries au lithium. Cela protège ces dernières, améliore leur rendement et permet une charge sûre même lorsque l'alternateur n'est pas régulé.
Installation et maintenance des systèmes de charge
Dans ce guide, les experts de topRik expliquent comment éviter les erreurs lors de la connexion d’un chargeur pour batteries de traction marine. Avant de commencer la connexion, lisez attentivement les instructions du chargeur lui-même et des batteries utilisées. Nous recommandons d’établir un schéma de connexion si le chargeur doit être installé en permanence sur le yacht. Seuls des conducteurs en cuivre multibrins sont utilisés sur les bateaux. L’isolation doit être résistante à l’huile et son matériau ne doit pas soutenir la combustion en l’absence de flamme. Utilisez toujours des cosses pour les connexions. Ne pas enrouler les extrémités des fils dénudées autour des vis ou les appuyer contre la plaque de borne. La vis peut se desserrer en raison des vibrations, et la résistance de connexion augmentera. Une résistance accrue provoquera un échauffement du contact et pourrait éventuellement causer un incendie. Utilisez des cosses de câble de type anneau ou fourche. Dans les connexions électriques sur un bateau, la soudure est autorisée, mais elle ne doit pas être le seul moyen de connecter le fil à la borne. La borne doit également être sertie. N’utilisez jamais de boulons et d’écrous pour connecter les fils sur un bateau !
Précautions d'installation et sécurité électrique
Le principal critère lors du choix d’un emplacement pour installer un chargeur est l’accessibilité, surtout s’il s’agit d’un appareil nécessitant un basculement manuel pour respecter l’algorithme de charge. La ventilation est importante non seulement pour les batteries au plomb avec électrolyte liquide. Il convient de noter que les chargeurs AC-DC et DC-DC étanches n’ont généralement pas de refroidissement forcé et chauffent pendant leur fonctionnement. Ces appareils sont refroidis par convection et transfert de chaleur. Avant de commencer les travaux d'installation, il est conseillé de couper toutes les sources d'alimentation de tous les équipements électriques du yacht. Connectez les fils du chargeur aux bornes de la batterie. Cependant, des erreurs peuvent se produire. Cela peut entraîner une inversion de polarité ou une inversion de la batterie, ce qui peut provoquer un court-circuit, endommager la batterie ou même provoquer une explosion. Les chargeurs modernes ont souvent deux ou trois sorties. Aucun relais d'isolation n'est nécessaire pour distribuer le courant provenant de ces appareils. Cependant, si le système prévoit la charge des batteries à partir du générateur du moteur, un relais d'isolation est installé.
Évolution de la navigation électrique
Les systèmes d'alimentation à quai sont très importants pour la navigation électrique, car ils fournissent une source d'électricité fiable pour les bateaux à quai. En réduisant la consommation de carburant des bateaux à quai, ils minimisent considérablement l'impact environnemental de la navigation de plaisance. Pour recharger efficacement les bateaux électriques, il est important de comprendre la différence entre la charge en courant alternatif (CA) et la charge en courant continu (CC). La charge en courant alternatif, disponible aux niveaux 1 et 2, utilise des prises standard de 120 volts ou de 208-240 volts, respectivement. La charge rapide en courant continu, également connue sous le nom de niveau 3, convertit directement le courant continu à la station, contournant ainsi les limites du chargeur embarqué pour une charge plus rapide. La plupart des batteries de bateaux modernes sont désormais compatibles avec le système de charge combiné (CCS), c'est-à-dire avec les stations à courant alternatif et à courant continu.
Gestion de l'énergie et avenir technologique
Les systèmes de charge intelligents révolutionnent la charge des bateaux grâce à leurs chargeurs de batterie intégrés, en offrant une solution de gestion de l'énergie tout-en-un, qui remplace les méthodes traditionnelles. Les systèmes modernes de gestion de la batterie (BMS) permettent la communication entre le système de charge et d'autres systèmes embarqués, ce qui permet des ajustements en temps réel pour améliorer les performances et la sécurité de la batterie. La charge rapide en courant continu change la donne dans le monde de la navigation électrique. L'une des préoccupations les plus pressantes des propriétaires de bateaux électriques est l'angoisse de l'autonomie, c'est-à-dire la crainte d'être bloqué sur l'eau à cause d'une batterie déchargée. Pour garantir la longévité et le bon fonctionnement de la batterie de votre bateau électrique, vous devez la nettoyer et l'entretenir régulièrement. Un système de gestion de la batterie (BMS) est un outil essentiel pour préserver la santé de la batterie de votre bateau. En fournissant des données sur les niveaux de charge, la température et la tension, un BMS permet d'éviter une défaillance précoce de la batterie.
Optimisation des phases de charge
Les chargeurs de batterie modernes fonctionnent selon un processus de charge en plusieurs étapes, garantissant une recharge efficace, rapide et fiable. Ce processus est défini par la courbe IUoU, qui décrit les différentes phases de charge : phase de courant constant (phase I), phase de tension constante (phase U) et phase de maintien (phase oU), avec une tension réduite. Lors de cette première étape, la batterie est rechargée avec un courant constant. La tension augmente progressivement, en raison de la montée de la résistance interne de la batterie au fur et à mesure de sa charge. Cette phase permet de restaurer environ 75 à 85% de la capacité totale. Dès que la tension de fin de charge est atteinte, par exemple 14,4V pour une batterie au plomb-acide, le chargeur passe en mode tension constante. La tension reste stable, tandis que le courant de charge diminue progressivement. Une fois la batterie entièrement rechargée, le chargeur réduit la tension, généralement à une valeur comprise entre 13,5 et 13,8V.
Rôle de l'alternateur et régulateurs externes
La méthode la plus simple pour recharger des batteries consiste à utiliser l’alternateur pendant la navigation moteur. L’alternateur produit du courant qui est directement envoyé dans la batterie du bateau pour assurer la charge. Les régulateurs internes standard de nombreux alternateurs fournissent généralement une tension de sortie fixe d’environ 14V. Pour les batteries AGM ou lithium modernes, cela est souvent insuffisant. De plus, suite à une chute de tension au niveau d’un répartiteur à diodes, seulement 13 V arrivent effectivement à la batterie. La recharge régulière des batteries de bord à l’aide de chargeurs de batterie haute qualité raccordés au courant de quai réduit les problèmes potentiels et protège efficacement les batteries connectées. Des régulateurs d’alternateur externes permettent une charge en plusieurs phases des batteries même en navigation.
Autonomie énergétique par l'énergie solaire
Opter pour la recharge de la batterie du bateau par énergie solaire prend tout son sens lorsque ni le courant de quai ni la charge via moteur et alternateur ne sont disponibles. De nombreux navigateurs choisissent d’alimenter leur batterie de bord à l’énergie solaire de façon continue, silencieuse et sans émission. Les panneaux solaires pour bateaux fournissent une tension comprise entre 16 et 18 volts. Des régulateurs et diodes sont indispensables pour éviter les surtensions et empêcher tout retour de courant vers la batterie. La puissance d’un panneau dépend du type de cellules et de sa surface. En raison d’une orientation rarement optimale vers le soleil, le rendement réel atteint environ 60% de la puissance nominale. La possibilité de recharger une batterie de bord à l’énergie solaire offre une grande autonomie, en particulier sur les petites unités, sans recourir au moteur ni au raccordement au quai.
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