Caractérisation et modélisation d`une batterie

Caractérisationetmodélisationd’unebatterie
-Les parties avec un trait à gauche sont à préparer obligatoirement avant votre venue en TP. L'ensemble du TP est à lire et étudier avant de venir en TP. OBJECTIFS
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‐ Comprendre et savoir exploiter les données contenues dans une datasheet de batterie. ‐ Connaître les principaux paramètres qui influent sur la quantité d’énergie que peut fournir une batterie. ‐ Savoir mesurer les principales grandeurs permettant de caractériser une batterie et de définir un modèle électrique équivalent. ‐ Savoir exploiter les données mesurées pour réaliser des estimations permettant de dimensionner correctement un système alimenté par des batteries.. Durant ce TP, deux technologies de batteries (Plomb et Ni‐MH) seront étudiées en parallèle et comparées. Figure 1. Batterie Plomb 12 V – 1,2 Ah Conrad
Figure 2. Batterie Ni-MH 3,6 V – 80 mAh Varta
BIBLIOGRAPHIE
Biblio sur les batteries : répertoire : Biblio_Accumulateurs Doc technique batteries: répertoire : docs_techniques_Accumulateurs Rem : Chaque accumulateur 3V80H utilisé est composé de trois accu V80H en série montés dans un même boitier. MATERIELSETLOGICIELS
 Une batterie Plomb  Une platine équipée de trois accumulateurs Ni‐MH (avec un système de décharge, désactivé quand l'interrupteur est vers le haut)  Une platine équipée d’un régulateur de courant de type LT3080 et d’un interrupteur (MOSFET).  Une double alimentation de tension avec limitation en courant.  Une carte d’acquisition National Instrument 6008.  Une pince ampèremétrique pour mesurer le courant.  Un PC avec Labview.  Un oscilloscope. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 PREPARATION
Voir documents fournis en annexes pour la théorie sur les accumulateurs. Questions : 1/ A partir des données constructeurs, et des informations données dans la partie théorique préciser les méthodes de charge et les précautions de décharge à respecter. 2/ A partir des données constructeurs des batteries (Plomb et Ni‐MH), déterminez pour chacune d’elles les caractéristiques suivantes : ‐ tension nominale, ‐ courant max de décharge, ‐ courant de charge, ‐ capacité nominale, ‐ résistance interne. 3/ Déterminez approximativement les temps de charge et de décharge pour des valeurs typiques (ch et dech à 1C). 4/ Déterminez les principaux paramètres dont dépend la capacité d'une batterie. MANIP
On souhaite déterminer expérimentalement les paramètres du modèle électrique des batteries (Plomb et Ni‐MH) à votre disposition. Pour cela, vous allez étudier dans cette partie expérimentale la phase de décharge et de charge des deux types de batteries. ETUDE CHARGE/DECHARGE ACCUMULATEUR NimH. Principe de la manipulation. Le schéma ci‐dessous permet de comprendre comment la charge et la décharge sont réalisées pour un courant de décharge de 70mA , un courant de charge de 35 mA, un accu NimH. Figure 3. Schéma de principe pour la décharge
Figure 4. Schéma de principe pour la charge
1/ Phase préalable 1 : réglage du courants iLT. Sur la maquette du LT3080, on impose V_CTRL = 5V => K fermé. On alimente cette maquette sous 6 Volts, le courant débité est affiché sur l'alimentation. On règle la valeur du courant ILT grâce au potentiomètre de cette maquette à 70 mA. Remarque : attention si le potentiomètre n'a aucun effet sur le courant, c'est que le courant est limitée par l'alimentation et non par le LT3080 => il faut augmenter la valeur max du courant de l'alimentation. 2/ Phase préalable 2: réglage du courants iALIM. Réglage de l'alimentation réglable (source de tension avec limitation de courant) a‐ Les deux boutons de réglage de l'alimentation (V et I) sont initalement réglés à zéro. b‐ L'alimentation ne débitant pas (circuit ouvert), on règle la tension à 3,6 V. c‐ L'alimentation est maintenant court‐circuitée. d‐ On augmente le courant de court‐circuit jusqu'à la valeur désirée (35 mA). e‐ On enlève le court‐circuit, l'alimentation est prête à être utilisée. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 Remarque : L'alimentation fonctionnera toujours en en limitation de courant et donc en source de courant constant durant les manipulations. 3/ Phase de décharge à I=cte. Pour fermer K, on impose V_CTRL = 5V => K fermé. L'alimentation stabilisée fonctionne toujours en limitation de courant. On a donc : iSC = ‐ iLT = ‐70mA. 4/Phase de charge (I,V). on impose V_CTRL = 0V => K ouvert . L'alimentation stabilisée à été réglée à 14,0 V et à un courant max de 35 mA. La tension aux bornes de l'alim est imposée par la batterie => l'alim stabilisée fonctionne en limitation de courant iSC = iALIM = 35mA. Cette phase dure tant que la tension aux bornes de la batterie est en dessous 13,6 V. Dès que cette valeur est atteinte, l'alim passe en mode régulation de tension et le courant diminue jusqu'à s'annuler. Mise en place des mesures. On souhaite enregistrer les grandeurs vSC(t) et iSC(t) sur l'ordinateur via une carte Ni 6008 ou 6009 ou directement sur l'oscillo (mode Roll). Pour cela : sur l'oscillo sur carte d'acquisition vSC mesure directe de VSC mesure RSE voie0 sur carte acquisition iSC pince ampèremétrique (cal 100 mV/A) avec 10 tours => on obtient mesure RSE voie 1 sur 1V/A et mesure de la tension en sortie de la pince sur l'oscillo carte acquisition faire le schéma complet avant de câbler l'ensemble. Manipulation . Compte tenu des caractéristiques des accumulateurs utilisés, choisir le courant de décharge et de charge correctement et réaliser le cyclage, décharge, charge. Enregistrer les mesures dans un fichier. ETUDE CHARGE/DECHARGE ACCUMULATEUR Pb. Pour la batterie Plomb, on souhaite aussi réaliser un cyclage de la batterie. Faute de temps, chaque groupe choisira d’étudier la décharge de cette batterie pour une valeur de courant différente : 0,5 A (décharge à 0,5 C) ou 1A (décharge à 1 C). La charge sera réalisée avec un chargeur du commerce. Comme pour les NimH, les mesures seront enregistrées dans un fichier. ANALYSEDESMESURES
Pour l'accumulateur NimH Tracer le graphe i(t) et v(t) pour la décharge et la charge. Calculer l'énergie fournie par les accumulateurs lors de la décharge. En déduire la capacité de l'accu. Calculer l'énergie reçue par les accumulateurs lors de la charge. Calculer le rendement des accumulateurs sur un cycle et par rapport à la capacité nominale donnée par le constructeur. Déterminer les pertes totales. Tracer la capacité de chacun des accumulateurs en fonction du courant de décharge. Conclure (source d’énergie, source de puissance). En vous aidant des courbes de capacités en fonction du courant de décharge, estimez le temps que va mettre la batterie à se décharger complètement si on la fait débiter sur une charge consommant 10 mW et sur une charge consommant 1W. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 Pour l'accumulateur Pb a) Modèle électrique de la batterie au plomb : A partir de la mesure de la tension aux bornes de batterie à vide puis lors des premières secondes de la décharge et du courant de décharge, déterminez le modèle électrique équivalent de la batterie au plomb. b) Energie restituée : Tracer l’évolution temporelle de la tension aux bornes de la batterie et du courant de décharge. Calculer et tracer l’évolution temporelle de la puissance dissipée dans la charge résistive. Calculer l’énergie fournie par la batterie lors de la décharge. Calculer le rendement de la batterie par rapport à la capacité nominale donnée par le constructeur. Calculer l’énergie perdue dans la résistance série équivalente de la batterie. Conclure. Remerciements à David Buso, Nicolas Naudé et Cédric Renaud; le sujet de ce TP est très
largement inspiré d'un TP qu'ils ont mis en place avec les M1.CESE.
V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013