SOMMAIRE 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.
Tension électrique CARACTÉRISTIQUES 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
Energie stockée CARACTÉRISTIQUES 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).
Recyclage en fin de vie CARACTÉRISTIQUES 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.
Ni-Cd (Nickel-cadmium) Différentes technologie 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 Plomb/acid e Durée de vie Densité massique en Densité volumique en Tension d'un puissance en pointe(massique) en auto-décharge par (nombre de Wh/kg Wh/L élément W/kg mois recharges) 30-50 75-120 2 V 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 120-140 190-220 3,2V 800 2000 5% phosphate) LMP (lithium metal 110 110 2,6V 320?? polymer) 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 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 Alternateur Eolienne 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.
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.