batteries et les méthodes de charge

SOMMAIRE
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Définitions
Domaines d’utilisations
Caractéristiques
Différentes technologie
Comparaison
Chargeurs
DEFINITIONS
Accumulateur électrique :
Un accumulateur électrique est un dispositif
destiné à stocker l’énergie électrique et à la
restituer ultérieurement.
DEFINITIONS
Batterie d'accumulateurs :Une batterie d'accumulateurs ou
généralement une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques
reliés entre eux de façon à créer un générateur de courant continu de la
capacité et de la tension désirée. Ces accumulateurs même s'ils sont
seuls sont parfois appelés éléments de la batterie.
Exemple d’ensemble d’accumulateur en parallèle et en série:
En série:
+ de tension
En parallèle: + de courant
DEFINITIONS
Pile:
Elément qui ne peut-être rechargé. Les piles
fournissent la quantité d’électricité prévue à
leur fabrication (aucune charge, ni préparation
n'est nécessaire avant utilisation).
Domaines d’utilisation
Les accessoires des véhicules routiers sont alimentés en électricité par
des batteries d'accumulateurs, en général au plomb. La tension de cette
batterie est couramment de:
- 12 Volts sur les automobiles (42 volts pour la prochaine
génération de véhicules), 6 Volts sur certains anciens modèles encore en
circulation.
- 24 Volts pour les poids lourds.
Domaines d’utilisation
Les batteries sont utilisées dans de nombreux appareils
électroniques autonomes comme par exemple les téléphones
mobiles, les baladeurs numériques, appareil photo, etc.
Domaines d’utilisation
Les appareils médicaux et les appareils de sécurité ont
besoin de batteries de secours en cas de coupures
électrique.
Domaines d’utilisation
Pour la traction des véhicules électriques, des batteries
souvent de technologies autres que le plomb et d'une
tension supérieure sont utilisées, afin de limiter les
courants en jeu.
CARACTÉRISTIQUES
Tension électrique
La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. Elle est de l'ordre de
quelques volts pour un élément. Comme en pratique des tensions plus élevées,
typiquement 12, 24 voire 48 V et plus sont requises, il suffit pour augmenter la
tension de raccorder des éléments du même type en série au sein d'une batterie
d'accumulateurs.
Charge électrique
La charge électrique (une quantité d’électrons, parfois appelé à tort dans le
langage courant capacité électrique) est généralement indiqué en (m)Ah
((milli)Ampère(s) pendant une heure) par le constructeur.
Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant par le temps
de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais
l'unité officielle de charge (SI) est le coulomb équivalent à un As (Ampère
pendant une seconde): 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 =
0,278 mAh. Elle n'est comparable que pour des valeurs de tension égales.
CARACTÉRISTIQUES
EXERCICE: Une BAES (Bloc Autonome d’Eclairage de Sécurité) doit
être équipé d’une batterie. L’éclairage fonctionnement en 12 Volt,
consomme 50 mA et doit fonctionner pendant 4 heures.
Calculer les caractéristiques de la batterie?
Vous disposez d’une batterie de charge électrique 0,3 mA.h.
Calculer le nouveau temps d’éclairage?
CARACTÉRISTIQUES
EXERCICE
(correction)
: Une BAES (Bloc Autonome d’Eclairage de
Sécurité) doit être équipé d’une batterie. L’éclairage fonctionnement en 12
Volt, consomme 50 mA et doit fonctionner pendant 4 heures.
Calculer les caractéristiques de la batterie?
Tension: 12V
Capacité: 50 X 4 = 200 mA.h
Vous disposez d’une batterie de charge électrique 0,3 A.h.
Calculer le nouveau temps d’éclairage?
0,3 / 0,05 (50mA = 0,05 A) = 6h
CARACTÉRISTIQUES
Energie stockée
L’énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure) mais l'unité officielle
(SI) est le joule.
1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh. le rapport entre les deux est la tension
(à supposer qu'elle soit stable) par la formule 1 Wh <-> 1 Ah x 1 V <-> 1 A x 1 h x
1 V (valable uniquement en courant continu).
Débit maximum
Le débit maximum, ou puissance en pointe, d'un accumulateur se mesure en
ampère. Il est largement supérieur au débit d'utilisation courante et ne peut être
maintenu sans risques.
Impédance interne
L’impédance interne, exprimée en Ohm, impédance parasite qui limite le courant
de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur
par effet joule une partie de l’énergie restitue. En pratique, on assimile souvent
l'impédance la seule résistance pure.
CARACTÉRISTIQUES
Vieillissement et usure:
Le vieillissement et l'usure entraînent une perte progressive
de la capacité des batteries avec le temps (plusieurs années)
et l'usage (plusieurs milliers de cycles de charge et de
décharge).
CARACTÉRISTIQUES
Recyclage en fin de vie
Le recyclage des batteries est une activité visant à
récupérer les métaux toxiques, rares ou précieux
présents dans les batteries, ou d'autres
composants des batteries (acides notamment).
Différentes technologie
CONDENSATEUR
L'apparition, vers 1995, de condensateurs dont la capacité peut
atteindre quelques centaines de farads permet de réaliser des
substituts aux batteries d'accumulateurs classiques. Les
avantages sont une diminution du poids et un fonctionnement
possible par très grand froid (véhicules polaires). Avec un
inconvénient de taille le prix au Wh stocké nettement plus
élevée.
Différentes technologie
Plomb-acide
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit
du système le plus ancien, mais aussi potentiellement l'un des plus polluants.
C'est le dispositif de stockage d’énergie électrique utilisé dans la plupart des
véhicules automobiles.
Différentes technologie
Ni-Cd (Nickel-cadmium)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V.
Ce couple électrochimique est l'un des plus couramment utilisé depuis plusieurs
décennies pour fabriquer des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils
portatifs.
Ce type d'accumulateur possède un effet mémoire, ce qui impose leur stockage dans
un état déchargé (0,6 V). La fin de charge est caractérisé par une variation de la
tension de charge négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs
automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge
plus importantes (de l'ordre de 10 fois) mais sa décharge naturelle est beaucoup plus
rapide que celle du Ni-MH.
Le cadmium est très polluant.
Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/déharge plus important
que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH (durée de vie
supérieure).
Différentes technologie
Ni-MH (Nickel-métal hydrure)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de
1,2 V.
Ce type d'accumulateur n'incorpore ni cadmium ni plomb et est donc
peu polluant. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 %
à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est trés faible.
La fin de charge est caractéisé par une variation de la tension de
charge trés faiblement négative. C'est ce seuil qui est détecté par les
chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Différentes technologie
Lithium
Les accumulateurs à base de lithium sont d'une technologie récemment mise au point et
en cours de développement intense, présentant un très important potentiel
électrochimique.
On distingue la technologie Lithium métal où l’électrode négative est composé de
lithium métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité), et la
technologie lithium ion, où le lithium reste à l’état ionique.
Les problèmes de sécurité demeurent (prise de feu) en cas de surcharge, de sur
décharge ou de court-circuit. Les accumulateurs lithium-ion sont partiellement remplacé
par les accumulateurs lithium polymère délivrant un peu moins d’énergie, mais beaucoup
plus sur.
La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication,
indépendamment du nombre de cycles de charges.
Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V.
COMPARAISON
Type
Densité massique en
Wh/kg
Densité volumique en
Wh/L
Tension d'un
élément
puissance en pointe(massique) en
W/kg
Durée de vie
(nombre de
recharges)
auto-décharge par
mois
Plomb/acid
e
30-50
75-120
2V
700
400-1200
5%
Ni-Cd
45-80
80-150
1,2 V
?
2000
> 20 %
Ni-MH
60-110
220-330
1,2 V
900
1500
> 30 %
Ni-Zn
70-80
120-140
1,65 V
1000
> 1 000
> 20 %
Na-NiCl2
(ZEBRA)
120
180
2,6 V
200
800
->100%(12%/jour)
Pile
alcaline
80-160
?
1,5-1,65 V4
?
25 à 500
< 0,3 %
Li-ion
150-190
220-330
3,6 V
1500
500-1000
10 %
Li-Po
100-130
?
3,7 V
250
200-300
10 %
Li-PO4
(lithium
phosphate)
120-140
190-220
3,2V
800
2000
5%
LMP
(lithium
metal
polymer)
110
110
2,6V
320
?
?
Li-Air
1500-2500
?
3,4 V
200
?
?
COMPARAISON
EXERCICE:
Calculez le poids mini et maxi de la batterie présentée.
Quel serait le poids mini et maxi d’une batterie avec les même caractéristiques
que la précédente mais de type ni-mh?
COMPARAISON
EXERCICE: (correction)
Calculez la masse mini et maxi de la batterie présentée.
Puissance heure : 12 X 7 = 84 Wh
Pour une batterie Pb Acide la densité massique est de 30-50 Wh/Kg
Donc : Mmini = 84 / 50 = 1,68 Kg et Mmax = 84 / 30 = 2,8 Kg
Quel serait la masse mini et maxi d’une batterie avec les même caractéristiques
que la précédente mais de type ni-mh?
Pour une batterie ni-mh la densité massique est de 60-110 Wh/Kg
Donc : Mmini = 84 / 110 = 763,63g et Mmax = 84 / 60 = 1,4 Kg
CHARGEUR
La mise en charge des batteries est une opération
primordiale pour que les batteries conservent leurs caractéristiques initiales.
On peut évaluer le niveau de charge d'une batterie en mesurant sa tension à vide (sans
charge). Par exemple pour une batterie au plomb :
Une batterie bien chargée a une tension supérieure à 12,6 V.
Une batterie sous 12,4 V peut être mise en charge.
Une batterie à 11,7 V est totalement déchargé ou en mauvais état.
Dans le cas de technologies plus récentes, comme le NiMh ou le Lithium, des méthodes
plus élaborés sont nécessaires pour vérifier le niveau de charge. Pour ces technologies les
chargeurs évaluent le taux de charge en surveillant l’évolution de la tension de charge et en
prenant en compte le courant de charge et le temps.
CHARGEUR
Alternateur
Pour les véhicules le moyen trouvé
pour recharger les batteries sont des
alternateurs. C’est un moteur utilisé
en générateur électrique.
L’alternateur
converti
l’énergie
mécanique, du moteur de la voiture,
en énergie électrique
L’éolienne utilise aussi un
alternateur. L’énergie qui va
faire tourner l’alternateur est le
vent.
L’électricité produite est stocké
dans des batteries.
Eolienne
CHARGEUR
L’énergie solaire photovoltaïque est
une énergie électrique produite au
moyen de panneaux solaires qui
permettent de convertir une partie
de l’énergie solaire en énergie
électrique. L’énergie est toujours
stockée dans des batteries.
Un panneau photovoltaïque est composé de cellules.
Une cellule individuelle ne produit qu’une très faible
puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une
tension de moins d’un volt. Pour produire plus de
puissance, les cellules sont assemblées.
Les connections en série de plusieurs cellules
augmentent la tension pour un même courant, tandis
que la mise en parallèle accroît le courant en
conservant la tension. Le courant de sortie, et donc la
puissance, sera proportionnelle à la surface du module.
CHARGEUR
Cellule multijonction
Les cellules multi-jonction sont composées de différentes couches
qui permettent de convertir différentes parties du spectre solaire et
ainsi d’obtenir les meilleurs rendements de conversion.
Avantages : Rendement inégalé
Inconvénients : Pas d’application commerciale
Cellule en silicium monocristallin
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu’un
seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines
tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d’un
bleu uniforme.
Avantages : Très bon rendement (environ 150 Wc/m²) Durée de vie
importante (+/- 30 ans)
Inconvénients : Coût élevé Rendement faible sous un faible éclairement
Cellule en silicium polycristallin
Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs
cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas
uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.
Avantages : Bon rendement (environ 100 Wc/m²) Durée de vie
importante (+/- 30 ans) Meilleur marché que le moncristallin
Inconvénients : Rendement faible sous un faible éclairement.
Evolution
Une innovation américaine du MIT (2007), la witricity,
permettrait de recharger les batteries sans fils et donc
de les recharger à distance (quelques mètres
uniquement) sans avoir à établir une connexion
physique à une prise électrique.