Microsoft Word Viewer - piles et accumulateurs

PILES, ACCUMULATEURS ET BATTERIES
(en anglais, un seul mot pour ces trois termes : battery)
Un peu d’histoire : En 1794, le physicien Alessandro Volta fait sa première grande découverte ! Il
s'agissait d'un appareil qui, après avoir été chargé, pouvait transmettre un courant électrique continu. Mais
Volta qui suivait depuis quelques années les travaux de son ami Galvani, pousse ses recherches plus loin
et en 1800 c'est la réussite. Il découvre l'existence d'un courant électrique, lorsque deux métaux différents
sont mis en contact dans une solution d'eau salée. C'est la création de la première pile.
Repères chronologiques :
1800 : création de la première pile à usage unique par A. Volta.
1850 : invention des premières batteries au plomb.
1866 : invention de la pile sèche (ancêtre de la pile saline) par l'ingénieur Georges Leclanché.
1880 : production industrielle des batteries au plomb.
1899 - 1901 : invention de l'accumulateur au nickel cadmium par Junger et Edison.
1930 - 1940 : apparition sur le marché des premières piles à l'oxyde d'argent et au mercure.
1940 - 1950 : mise au point de la première pile alcaline par Samuel Robbins (soutenu par la firme
américaine Mallory - Duracell aujourd'hui). Ses performances sont nettement supérieures à celles des
piles salines.
Années 1970 : développement des accumulateurs au nickel cadmium (NiCd) et au nickel métal hydrure
(NiMH) pour la technologie spatiale. Ils sont massivement distribués sur le marché dès 1992.
Années 1990 : Elimination progressive de l’usage du mercure (Hg) dans les piles et accumulateurs.
Années 2000 : Développement de la technologie de l'accumulateur au lithium et des piles à combustible.
Un milliard de piles consommées par an, rien qu’en France.
Obligation de recyclage des piles et accumulateurs dans l’union européenne.
Elimination progressive de l’usage du cadnium (Cd) dans les piles et accumulateurs.
Capacité : Les piles et accumulateurs sont des dispositifs électrochimiques capables de stocker de
l’énergie sous forme chimique et de la restituer sous forme électrique continu. Les piles ne peuvent pas
être rechargées (on les recycle quand elles sont usagées) alors que les batteries et accumulateurs sont
rechargeables (un nombre limité de fois et avec un chargeur spécifique pour chaque technologie).
La capacité de ces composants C10 = I.t est donnée en ampère.heure (Ah) ou en milliampère.heure (mAh).
Il s’agit d’une quantité d’électricité et, dans le système international (S.I), son unité est le coulomb (C) ;
1Coulomb = 1Ampère x 1Seconde.
Q1 - Convertir 1 Coulomb en milliampère.heure, 1 C = ……….…….. en mAh.
Q2 - Convertir 1 Ampère.heure en Coulomb,
1Ah = …………….. en C.
Q3 – Calculer l’énergie (en Wh) stockée dans un accumulateur de capacité 1800 mAh et de tension à vide
1,2 V, énergie = …………. Wh.
Q4 - Un accumulateur de capacité C10 = 1000 mAh pourra fournir un courant C10 / 10 h = …….. mA
pendant ……… heures, mais ne pourra pas fournir 1000 mA pendant 1 heure (une décharge trop rapide
de batterie entraîne une baisse de sa capacité, c’est l’effet Peukert).
Q5 - En réalité, la capacité d’un accumulateur n’est donc pas constante mais dépend de l’ampérage
délivré. On donne en figure 1 la capacité d’une batterie au plomb 12 V. Pour cette batterie, compléter le
tableau ci-dessous.
Courant de décharge (A)
Capacité de la batterie (Ah)
Durée de la décharge (h)
10
20
40
90
190
Remarque : la notation de la capacité pour 10 heures de décharge d’une batterie peut être notée suivant les
constructeurs par C10 ou C/10.
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Figure 1 : capacité réelle d’une batterie au plomb.
Q6 – Citez une application où l’on utilise une batterie sous fort ampérage pendant un temps très court :
……………………………………………………………………………………………………………..
Symbolique :
Remarque : les
symboles peuvent
varier suivant les
logiciels.
+
+
pile ou
accumulateur
batterie
Petit exercice sur l’autonomie d’une batterie : La batterie d'une automobile possède les caractéristiques
suivantes : force électromotrice E = 12 V et capacité Q = 40 Ah. Lors d'un stationnement, les quatre
feux-de-position sont restés allumés 15 heures. Un feux-de-position consomme 8 W pour une tension
nominale de 12 V.
Q7 – Ci-contre, faire un schéma
électrique ne comportant que les
parties électriques sous tension
de la voiture, c’est à dire la
batterie et les quatre feux-deposition.
Q8 - En supposant que les grandeurs électriques ne varient pas dans le temps, calculer :
la puissance débitée par la batterie ; Pbat = ………………… W.
le courant total débité par la batterie, Ibat = …………………. A.
la quantité de courant (en Ah) délivrée par la batterie en 15 h, Q15 = ……………………. Ah.
la valeur de l'énergie (en Wh) transférée aux feux-de-position en 15 h, E15 = …………….. Wh.
Q9 - Quelle est l’énergie maximale disponible dans la batterie ? Emax = ……………… Wh
Le conducteur pourra-t-il démarrer normalement à son retour ?
Q10 - Quelle devrait être la capacité de la batterie pour que cet incident n'entraîne pas une décharge de
plus de 50 % de l’accumulateur ? Q = ……………… Ah.
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Groupements :
Q11 - Beaucoup de systèmes autonomes utilisent comme source d’énergie, des piles, des accumulateurs
ou des batteries. Citez trois exemples de ces systèmes :
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
Q12 - Pour adapter les niveaux de tension ou les capacités, on est parfois amené à grouper des piles ou
des accumulateurs. Compléter le document réponse 1.
Dans la pratique :
Les groupements série sont très utilisés. Ils sont formés grâce à des connexions dans les compartiments de
piles des appareils (figure 2), mais on les trouve aussi vendus sous forme de pack (figure 3).
Figure 2 : extrait d’une notice de clavier sans fil.
Figure 3 : pack d’accumulateurs.
Q13 – Un accumulateur NiMH seul a une tension de 1,2 V. Le pack présenté en figure 3 est un pack série
d’accumulateurs NiMH pour modélisme, de tension 7,2 V et de capacité 2200 mAh. Combien
d’accumulateurs montés en série y a-t-il dans ce pack ? Nombre d’accumulateurs = …….
Les groupements parallèles sont moins utilisés car ils posent des problèmes d’équilibre au niveau des
tensions. Pour s’en rendre compte, simulons le fonctionnement d’un accumulateur NiMH monté en
parallèle avec une pile alcaline.
Q14 – Ouvrir le fichier « accu_paralleles.mdl » (l’ouverture se fait sous Matlab/Simulink). Compléter le
document réponse 2.
Il existe aussi des groupements « mixtes » (ni série, ni parallèle). Par exemple, le groupement 2S3P
(appelé parfois aussi 3P2S) du document réponse 1 est dénommé ainsi car il est formé de 3 branches en
parallèle, chaque branche étant formé elle-même de 2 accumulateurs en série.
Q15 – La figure 4 présente un pack d’accumulateurs pour
modélisme en Lithium-Polymère (LiPo). Ce pack a une
capacité de 5000 mAh pour une tension de 7,4 V. Il est formé
à l’aide d’accumulateurs LiPo de 2500 mAh pour 3,7 V.
Préciser le groupement des accumulateurs.
Groupement : ……………………. (répondre sous la forme
xSyP avec x et y des nombres entiers).
figure 4 : pack d’accumulateurs
De façon générale, lorsque l’on fait des groupements de piles, d’accumulateurs ou de batteries,
on ne doit pas mélanger ni les technologies, ni les capacités, et ce quelque soit le type de groupement.
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DOCUMENT REPONSE 1 : groupements d’accumulateurs
Petits rappels sur les lois de Kirchhoff :
Utiliser la loi des nœuds pour énoncer une relation
mathématique entre les courants I1, I2, I3 et I4 :
I3
I1
I1
I4
I2
V1
………………………………………………………
Utiliser la loi des mailles pour énoncer une relation
mathématique entre les tensions V1, V2, V3 et V4 :
I2
V2
………………………………………………………
V4
I4
I3
V3
Maintenant au boulot !
Accumulateur NiMH utilisé pour les groupements
de ce tableau :
+
+
tension 1,2 V
capacité 800 mAh
+
énergie stockée : ……….. (Wh)
+
+
+
+
type de groupement (série ou parallèle)
………………………………………..
tension aux bornes de groupement (V)
………………………………………..
capacité totale du groupement (mAh)
………………………………………..
énergie stockée par le groupement (Wh)
………………………………………..
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
type de groupement (série ou parallèle)
………………………………………..
tension aux bornes de groupement (V)
………………………………………..
capacité totale du groupement (mAh)
………………………………………..
énergie stockée par le groupement (Wh)
………………………………………..
type de groupement (série ou parallèle)
………………………………………..
tension aux bornes de groupement (V)
………………………………………..
capacité totale du groupement (mAh)
………………………………………..
énergie stockée par le groupement (Wh)
………………………………………..
type de groupement (série ou parallèle)
………………………………………..
tension aux bornes de groupement (V)
………………………………………..
capacité totale du groupement (mAh)
………………………………………..
énergie stockée par le groupement (Wh)
………………………………………..
type de groupement :
ni série, ni parallèle mais nommé 2S3P
tension aux bornes de groupement (V)
………………………………………..
capacité totale du groupement (mAh)
………………………………………..
énergie stockée par le groupement (Wh)
………………………………………..
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DOCUMENT REPONSE 2 : simulation de fonctionnement et interprétation.
Modèle équivalent des accumulateurs :
Les accumulateurs présents dans cette simulation ont le même modèle,
présenté en figure 5 ci contre. V0 est la tension à vide et R0 est la résistance
interne. Dans le schéma à simuler sous Matlab/Simulink, double cliquer sur
les accumulateurs pour noter leurs caractéristiques :
- accumulateur NiMH : V0 = ………………… et R0 = …………………
- pile alcaline : V0 = ………………… et R0 = …………………
R0
+
V0
figure 5 : modèle d’un
accumulateur seul
Simuler le fonctionnement
en cliquant sur le bouton
« start simulation »
puis noter les résultats
affichés directement sur la
figure 6.
figure 6 : Schéma de simulation.
Modèle de la charge
à alimenter
figure 7 : montage réel.
On précise qu’une valeur
affichée
est
positive
lorsque le courant mesuré
rentre par la patte + de la
sonde de courant.
Le montage réel est donné
en figure 7. Repérer la pile
alcaline,
l’autre
sera
l’accumulateur
NiMH.
Reporter les résultats de la
simulation en indiquant,
sur le montage, les sens
des courants ainsi que
leurs valeurs. Préciser
parmi
les
trois
composants,
lesquels
fonctionnent en générateur
et lesquels fonctionnent en
récepteur.
composant(s) en fonctionnement générateur :…………………………………………………….
composant(s) en fonctionnement récepteur :……………………………………………………...
L’alimentation de la charge vous semble-t-elle satisfaisante ? Pourquoi ?
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
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