LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI ALIMENTER EN ENERGIE ALIMENTATION AUTONOME INTRODUCTION Les sources d’énergie autonome, permettent de fournir de l’énergie à un système sous plusieurs formes, électriques ou mécaniques. Les accumulateurs d'énergie convertissent l'énergie électrique afin de la stocker : Accumulateurs électrochimiques, fonctionnant grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l’énergie électrique en un processus chimique réversible. Accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrostatique : condensateurs ou supercondensateur. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrodynamique : circuit bobiné DIFFERENCES ENTRE PILES ET ACCUMULATEURS À l'origine, le terme pile désignait un dispositif inventé par le savant italien Alessandro Volta, composé d'un empilement de rondelles de deux métaux différents, séparés par des feutres imprégnés d'un électrolyte. Par extension, le mot « pile » désigne toute batterie monobloc non rechargeable. Le terme « batterie » désigne un ensemble d'éléments montés en série pour obtenir une tension souhaitée, dans un boîtier unique. L’ensemble étant rechargeable à partir d’une source externe continue. Remarque : Sources d’énergie classiques des équipements autonomes ou portatifs, les piles et les batteries sont très utilisées dans le monde moderne. Ces sources d’énergie sont très pratiques d’utilisation, mais sont cependant loin de présenter les caractéristiques idéales pour l’alimentation des circuits : Leur tension varie fortement au cours de leur durée de vie, et on leur reproche tout à la fois leur capacité limitée, leur encombrement, leur poids, et leur coût d’utilisation. Les piles ou les accumulateurs fournissent une tension continue. COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 1/1 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Le boîtier d'une pile ou d’un accumulateur abrite une réaction chimique entre deux substances dont l’une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur), et l’autre qui les absorbe (matériau oxydant). Chacune de ces réactions chimiques est dite « demi-réaction ». Chaque demi-réaction survient dans une solution où se produit un échange d'électrons entre les deux substances. Chaque élément du couple oxydant/réducteur est relié à une électrode. Ces électrodes, lorsqu'elles sont reliées à un consommateur électrique, provoquent la circulation d'un courant électrique. La réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons, ions). Une pile fournit donc du courant continu. La borne (-) d'une pile correspond à l'anode où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne (+) d'une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons. Application : Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en piquant dans un citron un clou (en acier galvanisé, recouvert donc de zinc) et un fil électrique dénudé (en cuivre) reliés à une diode électroluminescente. LES PILES Les piles électriques, sont conçues pour un usage unique et donc "jetables", sont qualifiées de "générateurs primaires" en ce sens que l'énergie électrique qu'elles produisent y est introduite une fois pour toutes lors de leur fabrication, sous une forme chimique. Constitution : Un élément de pile est constitué de 2 pièces conductrices ou électrodes (anode et cathode) placées dans un liquide ou un gel conducteur, nommé électrolyte. Ces matières se trouveront progressivement consommés par la réaction chimique qui produit le courant. La force électromotrice (f.e.m.) est la tension qui existe aux bornes de la pile en circuit ouvert. Les piles salines et alcalines ont une f.e.m. de 1,5 V, tandis que celle des piles au lithium varie de 1,5 à 3,6 V. La plupart du temps un « élément » de pile ne produit qu’une tension de l’ordre de 1 à 1,5 volt, et il faut en connecter plusieurs en série pour disposer d’une tension suffisante pour les applications courantes. Différents types de piles : Salines, alcalines, mercure, oxyde d’argent, lithium, zinc-air. Deux systèmes d’identification coexistent en matière de piles : Le marquage international « IEC », bien implanté en Europe, et le code « ANSI », plus répandu dans les pays anglo-saxons. COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 2/2 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Caractéristiques des systèmes électrochimiques LES ACCUMULATEURS Les accumulateurs sont des "générateurs secondaires" , véritables "réservoirs" que l'on remplit lors de chaque recharge, à partir d'une source externe d'énergie électrique continue. Le stockage d’énergie dans des accumulateurs passes par une conversion de l’énergie électrique en énergie chimique. Différents types d’accumulateurs : Au plomb (Pb), Nickel-Cadmium(Ni-Ca), NickelMétal-Hydride (NI-MHI), Nickel-Ion (N-I), Lithium-Ion (Li-Ion), Lithium Polymère (Li-Po). Charge : Il existe différentes façons de charger les accus. De nombreuses précautions doivent être prises concernant la charge des accumulateurs (tension et courant de charge limite). Risques d’explosion (Li-Ion). En général on considère qu’un courant de charge doit être de 1/10e de la capacité de la batterie. Exemple : Une batterie de 4Ah sera donc chargée à 0,4A pendant 10h. Choix d’un accumulateur COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 3/3 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Effet mémoire : Il faut éviter de recharger des accumulateurs qui ont un effet mémoire (CadmiumNickel) si celui-ci n’est pas vide, ce dernier mémorisera la plage de charge entre la capacité " non vidée " et maximale, ce qui réduira sa capacité totale. Jeter des piles ou accus Ayez le bon réflexe, ne jetez ni vos piles ni vos accus à la poubelle. Ils contiennent en effet un assortiment de substances chimiques absolument néfastes pour l'environnement : nickel, cadmium, mercure, plomb, fer, zinc, calcium, aluminium, magnésium, lithium...Un décret qui date de 2001 en rend la collecte obligatoire. Ainsi, les revendeurs de piles grossistes ou détaillants ont l'obligation de procéder à la collecte des piles et accus usagés rapportés par les consommateurs en vue de leur recyclage. DIMENSIONNER LES PILES ET LES ACCUMULATEURS Charge électrique ou capacité La charge électrique ( quantité d'électricité emmagasinée par l'accumulateur), se mesure en Ah ou mAh. Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant par le temps de charge/décharge, en Ah ou mAh, 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. Ne pas confondre charge électrique et énergie stockée (voir ci-dessous). Capacité d’une pile ou d’un accumulateur : C‘est le nombre d’Ampères ou de milli-Ampères que l’accumulateur peut débiter en un temps donné. Capacité C=Ixt C : Capacité en Ah I : courant consommé en A t : temps de décharge en secondes Exemple : Un accumulateur de 10Ah pourra débiter 10A pendant 1h. Ou 5Ah pendant 2h, ou encore 1A pendant 10h, etc… Cela est très théorique car les différents facteurs minorent cette décharge, tel que l’âge de la batterie, la température, la durée et le débit de décharge. Le meilleur rendement étant obtenu en décharge lente voire intermittente. COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 4/4 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Energie stockée L’énergie stockée dans la batterie est égale à sa charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée. L’énergie stockée se mesure usuellement en Watt-heure (Wh) mais l’unité officielle (SI) est le joule. 1 Wh = 3600 J 1 Joule = 0,279 mWh BRANCHEMENT SERIE OU PARALLELE 6V 2700 mAh 2700 mAh Série : C’est le branchement le plus utilisé. La tension totale U sera égale à la somme des tensions des éléments. Le courant I disponible sera dans ce cas égal à celui d’un élément. 1,5V Exemple : Ci-dessous 4 éléments en série de 1,5V 2700mAh délivreront 6V sous 2700mAh 1,5V 1,5V 6V 1,5V 1,5V 10 800 mAh Parallèle : Moins souvent utilisé. 10 800 mAh La tension U disponible sera égale à celle d’un élément. Le courant I disponible sera lui égal à la somme des courants des éléments. Exemple : Ci-dessous 4 éléments en parallèle de 1,2V, 2Ah délivreront 1,2V sous 8Ah. COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME 1,5V 1,5V 1,5V 1,5V Fabrice DESCHAMPS 1,5V 5/5 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Plomb Nickel Cadmium Nickel Métal Hydride Lithium-Ion Lithium-ion Polymère TENSION PAR ELEMENT NOM ABREVIATION CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES ACCUMULATEURS - Les accumulateurs au plomb ont une taille et un poids important. 1,2 V - Pas trop cher - Recharge pas trop difficile. - Très forte intensité charge ou décharge possible. 1,2 V Li-Ion Li-Po EXEMPLE REMARQUE Batteries de démarrage de motos ou de voiture. Batteries de traction pour véhicules. Très utilisé pour les applications citées dans l’exemple - Relativement lourd. - Rapport poids/capacité assez mauvais. - Effet mémoire Important, nécessite des régénérations. Batteries de modélisme, « piles rechargeables ». Un peu dépassé, mais toujours utile. - A taille et poids égal, capacité plus forte. que le NiCd. - Peu d’effet mémoire. - Moins d’intensité disponible que le NiCd. Plus cher que le NiCd. - Recharge un peu plus délicate que le NiCd (risque de surchauffe) - Auto décharge forte. Batteries de modélisme, « piles rechargeables ». Appareils électroménager rechargeables… Très utilisé 3,6 V - Très léger pour une capacité forte. - Faible auto-décharge. - Pas d’effet mémoire. - Cher - Très délicat à la Recharge (dangereux). - Intensité limitée en charge ou décharge. Batteries PC portables, de téléphone mobile, d’appareil photo numérique … Délicat, mais très léger. Tension importante qui permet de n’utiliser qu’un nombre réduit d’éléments. 3,7V - Leur souplesse qui permet de donner à l’accu la forme que l’on veut - Faible poids - Accumulateurs qui offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume) Même utilisation que Li-Ion mais beaucoup plus sures. Assez proche de Li-Ion, mais plus performant. 2V Ni-MH INCONVENIENTS - Pas cher. - Se recharge facilement. - Assez résistantes. Pb Ni-Cd AVANTAGES - Plus cher que Lithiumion - Très délicat à la Recharge (dangereux). - Intensité limitée en charge ou décharge. - Moins de cycles de vie Prix Capacité Variations de tension Effet mémoire Rechargement seulement à vide Surcharge (supporte) Pb faible excellente 1,2 à 1, 4 V non pas obligatoire moyen Ni-Cd assez faible moyenne 1,2 à 1,35V oui pas obligatoire moyen Ni-MH moyen excellente 1,1 à 1,4V non pas obligatoire bien Li-I élevé excellente 1,2 à 1,5V non obligatoire moyen Li-Po élevé excellente 1,2 à 1,5V non obligatoire moyen COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 6/6 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Dans la démarche de conception d’un appareil, le choix des piles ou batteries est à effectuer pour répondre au cahier des charges fonctionnel, en termes d’autonomie et pour garantir un fonctionnement correspondant aux prévisions. Il est également important de respecter l’encombrement prévu. Application 1 On souhaite déterminer la référence d’accumulateurs capables de fournir une tension de 6V à un système qui consomme 50 mA. Données : 20 s / utilisation 10 utilisations / jour. Autonomie souhaitée : 1 semaine Capacité et nombre d'accumulateur : Les accumulateurs fonctionnent par tranche de 1,2V. Si l’on souhaite une tension plus importante, il faut associer des accumulateurs en série. Cinq accumulateurs de 1,2V en série et de même capacité pour obtenir 6V. Calcul de la capacité des accumulateurs : Temps d'utilisation par semaine : 20s x 10 x 7j = 1400s. Quantité d’énergie nécessaire en mAs : C= I x t = 1400s x 50mA = 70 000 mAs Quantité d’énergie nécessaire en mAh : 70 000mAs/3600s =19,44 mAh L'accumulateur doit avoir une capacité de 19,4 mA.h minimum pour assurer l'alimentation de la partie électrique du système. Après observation des différents paramètres ( taille, capacité, prix) dans le tableau comparatif d'accumulateurs ci-dessous provenant de chez VARTA. Type Capacité Taille Prix unité V20HR 22 mA.h Ø15 – 2,2mm 2,75 € V15H 16 mA.h Ø12 - 3mm 3,90€ V40H 43 mA.h Ø12 – 6mm 3,95€ V80H 80 mA.h Ø16 - 6mm 4,50 € V150H 150 mA.h 14 x 6 x 26 mm 3,70 € V250H 250 mA.h Ø25 - 7mm 4,50 € CP300H 300 mA.h Ø25 – 7,5 mm 4,50 € Le choix peut se porter sur les accumulateurs V20HR de diamètre 15 et 2,2 mm d'épaisseur et de 22 mAh en capacité qui pourront être assemblés. COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 7/7 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Application 2 Un système est équipé d’une carte électronique, d’un afficheur et d’un moteur. - Le moteur effectue 5 cycles par jour de 35s et consomme 54 mA. - L‘afficheur est alimenté en continu et à une consommation de 2 mA. - La carte électronique alimentée en continu équipée consomme 0,25 mA. Le cahier des charges fonctionnel impose que le système puisse au moins effectuer 5 cycles de 35 s par jour. Calculer la quantité d’énergie consommée par le moteur en mAh sur une période de 24 heures, pour atteindre ce nombre de cycles. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… A partir des caractéristiques de consommation de la carte électronique et du buzzer, en déduire la quantité d’énergie consommée par cet appareil en mAh sur une période de 24 heures, pour atteindre ce nombre de cycles. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… A partir du critère d’autonomie 3 mois (90 jours), imposé par le cahier des charges fonctionnel, den déduire la capacité totale nécessaire. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… La tension d’alimentation est de6V, choisir le nombre et le type de pile pour alimenter ce système. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 8/8 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Application 3 Un système comporte une carte électronique pour le traitement des données et un moteur pour entraîner la partie mécanique en rotation. - Tension nécessaire au fonctionnement du système: 6V - Autonomie souhaitée : 120 jours - Contraintes d’encombrement : volume maxi 50 cm3 - Consommation carte électronique : 1,2 mA - Consommation moteur : 470 mA - Durée de fonctionnement cumulé par jour : 1min30s Déterminer l’intensité moyenne cumulée par jour, en prenant en compte la durée d’utilisation. ……………………………………………………………………………………..…………………… Calculer la capacité nécessaire des batteries en mAh pour respecter l’autonomie annoncée. Nombre d’heures de fonctionnement cumulé : ……………………………………………. Capacité minimale : ………………………………………………………………………………. Choisir la ou les batteries permettant d’alimenter le système. ……………………………………………………………………………………..…………………… Application 4 La télécommande d’un ouvre portail est alimentée par une pile bouton CR 2016 qui a une capacité de 80 mAh. - Consommation du circuit électronique de la télécommande : 20 mA. - Temps d’utilisation : environ de 2s - Nombre de cycles par jour : 4 utilisations Que signifie la référence CR2016 ? ……………………………………………………………………………………..…………………… Quelle est en cumulé, le temps d’utilisation possible ? ……………………………………………………………………………………..…………………… En déduire l’autonomie en jours de la télécommande. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 9/9 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Application 5 Un système consomme 320 mA pendant son fonctionnement. Le cahier des charges fonctionnel impose qu’il puisse au moins effectuer 8 cycles de 15 s par jour. Calculer la quantité d’énergie consommée par le système en mAh sur une période de 24 heures, pour atteindre ce nombre de cycles. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… A partir du critère d’autonomie 6 mois, imposé par le cahier des charges fonctionnel, de la tension d’alimentation 6V, choisir le nombre et le type de pile pour alimenter ce système. ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… ……………………………………………………………………………………..…………………… COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 10 / 10 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI PRINCIPALES PILES ET ACCUMULATEURS Désignation Pile LR1 N Alcaline Pile LR8 AAAA Alcaline Pile LR3 AAA Alcaline Photo Tension Capacité en mA.h 825 1,5v 1,5v 1,5v 1100 1100 Caractéristique Fort courant de sortie disponible Fort courant de sortie disponible Fort courant de sortie disponible Dimensions en mm /h x L x l Prix en Euros 12 x 30 11 7,5 x 40 3,8 10,5 x 44 2 1 Pile LR6 AA Alcaline 1,5v 2700 Pile LR14 C Alcaline 1,5v 7750 Pile 6F22 J/6LR61 Alcaline 9v 550 Fort courant de sortie disponible 26,5 x 48,5 x 16,5 550 Faible courant de sortie disponible. Faible autodécharge. 24,5 x 5 Pile CR2450 Lithium Pile photo CR123A Manganèse Lithium Pile 7K67 J/4LR61 3v Fort courant de sortie disponible Fort courant de sortie disponible 1300 COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME 26 x 50 500 2 3,7 5 8,5 17 x 34 Faible autodécharge 3v 6v 14,3 x 50,2 Fort courant de sortie 6 35,6 x 48,3 x 9,2 Fabrice DESCHAMPS 5 11 / 11 LYCEE JACQUES PREVERT BAC SSI Manganèse Alcaline disponible Pile 2CR5 245 Manganèse Lithium 6v 1300 Faible autodécharge 45 x 35 x 17 18 Pile CRP2 photo Manganèse Lithium 1400 Faible autodécharge. 36 x 35 x 19 15 6v Accumulateur 1,2 270 Fort courant de sortie disponible 10,5 x 44 4,5 700 Fort courant de sortie disponible 14,3 x 50,2 1,2 600 Fort courant de sortie disponible 10,5 x 44 1,2 AAA/R3 Ni/Cd Accumulateur AA/R6 Ni/Cd Accumulateur AAA/R3 Ni/MH Un site incontournable : 3 6 WWW. ni-cd.net COURS BAC SSI – ALIMENTER - ALIMENTATION AUTONOME Fabrice DESCHAMPS 12 / 12