6. etude de la batterie d`accumulateurs

TEC
G EL
BEP A
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE
ELECTRIQUE
1. CONSTITUTION
1.1. Frontière d’étude (figure 1-1).
Vers consommateurs
alimentés en +APC
Témoin de c harge
Contacteur à clé
Fusible
Vers consommateurs
alimentés en +AVC
Fusible
Alte rnateur à régulateur
incorporé
Batterie d’accumulateurs
Vers démarreur
Figure 1-1
+ APC : + aprés contact
+ AVC : + avant contact
Composants internes au système :
Alternateur à régulateur incorporé
Batterie d’accumulateurs
Témoin de charge
Contacteur à clé
Fusibles
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-1-
1.2. Circuit électrique (figure 1-2).
M 000 : point de masse repère 000
BB00 : batterie d’accumulateurs
BMF 1 : boîte maxi-fusibles repère 1
MF2 : maxi-fusible F2
CA00 : contacteur antivol à clé
: liaisons électrique entre
composants du système.
BF00 : boîte à fusibles
4 : témoin de charge sur combiné
1010 : démarreur
1020 : alternateur à régulateur incorporé
Figure 1-2 : SCHEMA ELEC TRIQUE - Extrait docume ntation Pe ugeot 106
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-2-
1.3. Représentation schématisée (figure 1-3).
Alte rnateur à régulateur incorporé
Vers consommateurs alime ntés e n + AVC
12V
2
1
Batterie
d’accumulateurs
Contacteur
antivol à c lé
Vers
consommateurs
alimentés en +
APC
3
Lampe témoin
de charge
1 : alternateur (générateur électro-dynamique)
2 : redresseur
3 : régulateur de tension
Figure 1-3
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-3-
2. BILAN ENERGETIQUE
2.1. Moteur thermique à l’arrêt ou pendant la phase de démarrage.
I batt
Alternateur
Batterie
d’accumulateurs
Ic
Consommateurs
électriques
I batt = Ic
Ic : courant demandé par les consommateurs.
Dans ce cas l’énergie électrique demandée par les consommateurs est
fournie par la batterie d’accumulateurs qui se décharge. La valeur du
courant (Ic) dépend de la demande des consommateurs en service.
L’énergie et la puissance électrique
consommateurs ont pour expressions :
fournies
par
la
batterie
aux
avec :
W = U batt. Ic . t
W : énergie électrique fournie par la batterie aux
consommateurs en Joule (J).
U batt : tension batterie en volts (V).
Ic : intensité du courant demandé par les
consommateurs (délivré par la batterie) en ampère (A).
t : temps pendant lequel le c ourant Ic est fourni par la
batterie aux consommateurs, en secondes.
P = U batt. Ic
P : puissance électrique fournie au consommateurs en
watts (W).
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-4-
2.2. Moteur thermique en fonctionnement, consommateurs en service.
I ch
I batt
Alternateur
Batterie
d’accumulateurs
Ic
Consommateurs
électriques
Ich = Ic + I batt
Ic : courant demandé par les consommateurs.
Ich : courant délivré par l’alternateur.
I batt : courant de charge de la batterie d’accumulateurs.
Dans ce cas l’énergie électrique fournie par l’alternateur permet de
répondre à la demande des consommateurs et de charger la batterie
d’accumulateurs.
La valeur du courant de charge (Ich) délivré par l’alternateur dépend de la
demande des consommateurs et de l’état de charge de la batterie.
L’énergie et la puissance électrique fournies par l’alternateur ont pour
expressions :
W = U ch. Ich . t
W : énergie électrique fournie par l’alternateur en Joule
(J).
U ch : tension de charge en volts (V).
Ich : intensité du courant fourni par l’alternateur en
ampère (A).
t : temps pendant lequel le courant Ich est fourni, en
secondes.
P = U ch. Ich
P : puissance électrique fournie par l’alternateur en
watts (W).
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-5-
2.3. Exercices.

Un véhicule est à l’arrêt pendant 45 minutes, contacteur à clé en
position « ON », moteur à l’arrêt, consommateurs électriques en
service.
L’intensité du courant absorbée par les consommateurs en service et
de 4A sous une tension de 12,8V.

−
Calculez la puissance
consommateurs.
et
l’énergie
électrique
fournie
aux
−
Quel composant du système de production et de stockage de
l’énergie électrique fourni l’énergie électrique ?
Sur un véhicule les mesures suivantes sont réalisées moteur
tournant avec des consommateurs en service.
Tension aux bornes de la
batterie.
12,8V
Intensité du courant
absorbé par les
consommateurs.
Intensité du courant de
charge de la batterie
d’accumulateurs
15A
2,5A
−
Déterminez quelle est l’intensité du courant
l’ensemble alternateur redresseur régulateur.
−
Calculez la puissance électrique fournie par l’alternateur.
−
Calculez la puissance électrique fournie aux consommateurs en
service.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
délivré
par
-6-
3. RAISON D’ETRE DU SYSTEME
3-1 Problème posé.
Pour fonctionner les consommateurs électriques de bord ont besoin
d’énergie électrique que le moteur thermique soit à l’arrêt ou en
fonctionnement.
3-2 Raison d’être.
Fournir de l’énergie électrique aux consommateurs électriques du
véhicule.
Cette énergie doit être disponible :

Moteur thermique à l’arrêt : en quantité suffisante pour
permettre la mise en route du moteur par l’intermédiaire du
système de démarrage.

Moteur thermique en fonctionnement : en quantité suffisante
pour répondre à la demande des consommateurs et
reconstituer la réserve d’énergie en rechargeant la batterie
d’accumulateurs.
Expression de l’énergie électrique fournie aux consommateurs :
W = U . Ic . t
W : énergie électrique fournie aux consommateurs en
Joule (J).
U : tension en volts (V).
Ic : intensité du courant demandé par les
consommateurs en ampère (A).
t : temps pendant lequel le courant Ic est fourni aux
consommateurs, en secondes.
Ordre de grandeur des variables :
U : ~ 12,5 V moteur à l’arrêt à ~ 14,5 V moteur tournant.
Ic : variable de quelques milliampères à 120A au démarrage1.
t : dépend du temps de mise en service des consommateurs du
courant Ic.
Valeur d’intensité variable suivant la motorisation (cylindrée et essence ou diesel)
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
1
-7-
4. ECHANGES A LA FRONTIERE DU SYSTEME
Information marche/arrêt
(action conducteur)
Energie é lectrique
fournie aux consommateurs
Information
d’état, visuelle
Vers consommateurs
alimentés en +APC
Air à T° ambiante
Energie mécanique
Fusible
Energie
électrique
Contacteur à clé
prélevée sur le vilebrequin
fournie aux
consommateurs
Témoin de charge
Fusible
Alternateur à
régulateur incorporé
Vers consommateurs
alimentés en +AVC
Batterie d’accumulateurs
Air à T°> T°
ambiante
Vers démarreur
Energie é lectrique
fournie aux consommateurs
Energie calorifique
dégagée par effet Joule
Echanges énergétiques
Echanges infor mationnels
Echanges de matière
+ APC : + aprés contact
+ AVC : + avant contact
Figure 4-1
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-8-
Bilan des échanges du système avec son environnement.
Nature de
l’échange
Energétique
Matière
Informationnel
Entrée
Sortie
Energie électrique
fournie
aux
consommateurs
Energie mécanique
prélevée sur le
vilebrequin
Air à température
ambiante
Information
marche/arrêt
(action
conducteur)
Système de
production
et de
stockage de
l’énergie
électrique
« PEUGEOT
106 »
Energie calorifique
dissipée par effet
Joule
Air à température
> à température
ambiante
Information
d’état, visuelle
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
-9-
5. REPRESENTATION FONCTIONNELLE DU SYSTEME

Approche externe du système – Fonction globale.
Demande des consommateurs
Information marche/arrêt
(action conducteur)
Consigne te nsion de régulation
Air à température
ambiante
Information d’état
(visuelle)
TRANSFORMER L’ENERGIE
MECANIQUE EN ENERGIE
ELCTRIQUE disponible pour
répondre à la demande des
Air à température >
à T° ambiante
Energie calorifique
(effet Joule)
consommateurs
A-0
Matière d’oeuvre à la
sortie
Matière d’oeuvre à
l’entrée
Energie mécanique
prélevée sur le
vilebrequin
Système de production et de
stockage de l’énergie électrique
« PEUGEOT 106 »
Energie électrique
fournie aux
consommateurs
Variables d’entrée :

Matière d’œuvre à l’entrée du système : c’est l’énergie mécanique
prélevée sur le vilebrequin.

Air à température ambiante : C’est l’air à température ambiante qui
rentre dans l’alternateur (généralement par la partie arrière).
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 10 -
Variables de sortie :

Matière d’œuvre à la sortie du système : c’est l’énergie électrique fournie
aux consommateurs.

Information d’état (visuelle) : cette information est donnée par l’allumage
du témoin de charge, elle permet au conducteur d’être informé d’un
défaut de fonctionnement du système de production d’énergie
(alternateur).

Air à température
l’alternateur l’air se
chaleur dégagée par
(inducteur, induit et
dans l’alternateur.

Energie calorifique dégagée par effet Joule : il y a dissipation de chaleur
par effet joule lorsque un composant parcouru par du courant possède
une résistance interne. La batterie est à l’origine de ce dégagement de
chaleur.
> à la température ambiante : en traversant
charge de chaleur, sa température augmente. La
effet Joule2 des composants internes de l’alternateur
ponts redresseur) est véhiculée par l’air qui circule
Contraintes de pilotage :

Demande des consommateurs : la demande en énergie électrique des
consommateurs définie :

La quantité d’énergie fournie par la batterie lorsque le moteur
thermique est à l’arrêt.

La quantité d’énergie mécanique transformée en énergie
électrique par l’alternateur lorsque le moteur thermique est
en fonctionnement.

Information marche/arrêt (action conducteur) : la mise en énergie du
témoin de charge et suivant les montages du régulateur de tension est
assurée par le contacteur à clé.

Consigne tension de régulation : c’est une contrainte de configuration du
système qui est définie par construction, elle détermine la tension
maximale qui peut être délivrée par l’alternateur.
Il y a dissipation de chaleur par effet joule lorsque un composant parcouru par du courant
possède une résistance interne.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 11 2
En maintenance le contrôle des caractéristiques de la matière d’œuvre
de sortie permet de valider la conformité du système.
Les contrôle à mettre en œuvre sont :

Moteur thermique à l’arrêt : contrôle de l’état de charge de la
batterie d’accumulateurs.

Moteur thermique en fonctionnement : contrôle de la tension et de
l’intensité du courant de charge de l’alternateur.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 12 -
6. ETUDE DE LA BATTERIE D’ACCUMULATEURS
6.1. Relation avec le milieu environnant.
vers boîte maxi-fusibles
Borne -
Borne +
Mise à la masse sur
caisse et moteur
vers relais démarreur
et borne + alternateur
Batterie d’ac c umulateurs
6.2. Représentation schématisée.
12 V
+
-
+
-
Représentation schématisée d’une batterie d’accumulateurs, de tension
nominale 12V.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 13 -
6.3. Raison d’être.
Fournir de l’énergie électrique aux consommateurs du véhicule lorsque le
moteur thermique est à l’arrêt et stocker l’énergie électrique lorsque le
moteur thermique est en fonctionnement.
6.4. Fonction globale.
Charge : Transformer l’énergie électrique en énergie chimique stockée
dans la batterie d’accumulateurs.
Décharge : Transformer l’énergie chimique stockée en énergie électrique
pour alimenter les consommateurs du véhicule.
6.5. Constitution d’une batterie d’accumulateurs.
1
2
1 : borne
3
2 : orifice de remplissage
3 : rampe de bouchons
4 : barrette de connection
5 : élément
4
6 : séparateur
7 : plaque
8 : bac en polypropylène
5
8
9
7
9 : chambre de décantation
6
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 14 -

Constitution d’un élément.
La tension nominale d’un élément est de 2 volts.
Plaque négative
(plomb spongieux Pb)
Plaque positive
(péroxyde de
plomb PbO2)
Remarque : Toutes les plaques
sont constituées d’un cadre en
alliage de plomb et d’un grand
nombre de mailles formant des
compartiments
remplis
de
matière
active
(plaque
négative Pb, plaque posit ive
PbO2).
Séparateur
Barrette de couplage entre éléments
Borne -

Borne +
Couplage des éléments.
Les éléments sont couplés en série, une batterie composée de trois
éléments a une tension nominale de 6volts.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 15 -

Composition de l’électrolyte.
Les plaques de chaque élément de la batterie sont immergées dans un
liquide appelé électrolyte. L’électrolyte est un mélange d’eau (H2O) et
d’acide sulfurique (H2SO4) dont la masse volumique est de l’ordre de
1280 g/dm3 lorsque la batterie est chargée.
6.6. Caractéristiques d’une batterie d’accumulateurs.
12 V : Tension nominale de la batterie
Cette tension est fonction du nombre d’éléments qui
compose la batterie. Comme chaque élément a une
tension nominale de 2V, une batterie de 12 volts est une
association de 6 éléments couplés en série.
45 Ah : Capacité nominale de la batterie (en
ampère-heure)
12V 45Ah 250A
C’est la quantité d’électricité que peut restituer la
batterie sans recharge. Elle est proportionnelle à la
surface des plaques et à la porosité de la matière active
qui les constituent.(échanges chimiques)
La capacité nominale est donnée pour une décharge en 20 heures,
l’électrolyte étant à une température de 27°C, sans que la tension finale
de décharge ne soit inférieure à 1,75V par élément (norme D.I.N) En
divisant la capacité par 20 on obtient le courant de décharge en 20
heures.
Q : quantit é d’électricité en A.h
Q = I t
I : Intensité du courant en A
t : temps en heure
250 A : Courant d’essai à basse température
Il définit la valeur de l’intensité du courant de décharge de la batterie
d’accumulateurs lorsque celle-ci est à une température de -18°C et sans
que la tension de décharge ne soit inférieure à 1 volt par élément au bout
de 180 secondes. Sa valeur permet de juger l’aptitude au démarrage de la
batterie.
Exemple : une batterie de 45Ah est capable de fournir un courant de
2,25A pendant 20 heures.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 16 -
6.7. Référent de conformité.
Caractéristiques permettant de valider l’état de charge d’une batterie.
2,1 à 2,3 volts par élément
Tension à vide E (ou f.e.m)
U telle que E – U soit  0,4 volts
Tension U pour I = 3  capacité
par élément.
Densité de l’électrolyte
1,280
6.8. Mise en charge d’une batterie.
La mise en charge d’une batterie d’accumulateurs permet de rétablir sa
capacité de charge initiale. La quantité d’électricité restituée à la batterie
durant la charge dépend de la valeur du courant de charge et de la durée
de la charge.

Courant de charge :
Charge lente : le courant de charge est de l’ordre de 1/20ème de la
capacité.
Charge normale : le courant de charge (In) est de l’ordre de 1/10ème de
la capacité.
Charge rapide : le courant de charge (Ir) est cinq fois plus élevé que le
courant d’une charge normale (Ir = In × 5).

Temps de charge :
Il dépend de la valeur du courant de charge choisi et doit permettre de
restituer la capacité de charge initiale de la batterie.
Exemple :
Capacité nominale 55Ah
Courant de charge (A)
Temps de charge (h)
Charge lente
Charge normale
Charge rapide
2,75A
5,5A
27,5A
20 h
10h
2h
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 17 -

Indices de fin de charge :
Courant de
charge (A)
Tension
batterie/élément (V)
2,6
2
2,4
dégagement gazeux
1
2,2
2
0
2
4
6
8
10
Temps (h)
-
Courant de charge de faible valeur (tend vers 0).
-
Tension batterie augmente (~ 2,4 à 2,6V/élément).
-
Bouillonnement
de
l’électrolyte
(dégagement
gazeux :
hydrogène des plaques – et oxygène des plaques +).
6.9. Spécificités des batterie sans entretien.
Des mesures liées à la conception des plaques (matériaux, dimensions) et
à la densité de l’électrolyte (1,30 à 1,32) ont permis de réduire :
−
l’encombrement à capacités égales.
−
la consommation d’eau.
−
les phénomènes de décharge spontanée.
−
le sulfatage des plaques après stockage prolongé.
6.10. Réglementation liée aux interventions sur batterie
d’accumulateurs au plomb.
Voir « TD Réglementation lié aux interventions …… ».
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
- 18 -
7. DECOMPOSITION FONCTIONNELLE DU SYSTEME

Approche interne – Graphe fonctionnel niveau A0.
SY STEME DE PRODUC TION ET STOC KAGE DE L’ENERG IE ELECTRIQUE
Info marche/arrêt
(action conducteur)
Consigne tension
de régulation
Contexte A-0
Demande des consommateurs
Info U batterie
Info U batterie
INTERROMPRE ET
ETABLIR CIRCUIT
INFORMATIONNEL
A3
Contacteur à clé
COMPARER ET
TRADUIRE
Info U charge
Information
d’état visuelle
A4
Témoin de charge
Air à température
> à T°ambiante
Air à température
ambiante
Energie
mécanique
prélevée sur le
vilebrequin
TRANSFORMER
L’ENERGIE
MECANIQUE EN
ENERGIE ELECTRIQUE
A1
Alternateur à régulateur
incorporé
STOCKER ET
RESTITUER L’ENERGIE
ELECTRIQUE
A2
Batterie
d’accumulateurs
Energie calorifique
par effet Joule
Energie électrique
fournie aux
consommateurs
TRANSFORMER L’ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE ELEC TRIQUE disponible pour répondre à
la demande des consommateurs.
SYSTEME DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
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