ALIMENTATION AUTONOME

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.
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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.
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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
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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.
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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.
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1,5V
1,5V
1,5V
1,5V
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1,5V
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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
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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.
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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.
……………………………………………………………………………………..……………………
……………………………………………………………………………………..……………………
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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.
……………………………………………………………………………………..……………………
……………………………………………………………………………………..……………………
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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.
……………………………………………………………………………………..……………………
……………………………………………………………………………………..……………………
……………………………………………………………………………………..……………………
……………………………………………………………………………………..……………………
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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
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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
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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
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