Les types d`accumulateurs

Sciences de l’Ingénieur
Fiche de cours n°13
Les accumulateurs
professeur : G. Maléjacq
Schéma équivalent d’une source de tension
Tous les générateurs de tension peuvent admettre un schéma équivalent constitué d’une source de tension
idéale en série avec une résistance.
Is
R
Is
US
U0
US
Pile, accus …
Schéma équivalent
U0 est appelée f.e.m (force électromotrice) ou tension à vide. Elle est définie lorsque la source ne débite
pas de courant (Is = 0).
R est la résistance interne de la source.
Une source de tension idéale présente une résistance interne nulle. Le courant de sortie n’est donc pas
limité, la tension de sortie reste donc constante quelle que soit la valeur du courant de sortie.
D’après la loi des mailles :
Us=U0 – I . Is
Us
U0
Uo /R est le courant maximal
Il est vu en court-circuitant la source
Si Is = 0 alors Us=U0 (tension à vide )
R = ∆Us / ∆Is
Uo / R
Is
Quelle est la différence entre une batterie automobile et une petite pile de 12 V ?
-
Même f.e.m !
Résistance interne négligeable sur une batterie.
Courant de court-circuit (Imax) de plusieurs centaines d’ampères sur une batterie pour une dizaine
d’ampères sur une pile.
Quantité d’énergie stockée plus importante dans une batterie
Les types d'accumulateurs
Les termes "batterie" ou "accumulateur" désignent des "petits réservoirs" qui peuvent emmagasiner de
l'énergie sous forme chimique pour la restituer ultérieurement. C’est un mélange appelé "électrolyte" qui
permet d'accumuler ou de restituer cette énergie.
Les électrolytes les plus utilisés actuellement sont :
- Pour les batteries au plomb : Mélange Plomb/Acide
- Pour les accus au nickel qui sont aujourd'hui les plus répandus :
Ni-Mh : nickel-métal hydrure et Ni-Cd Nickel-cadmium
- Pour une génération plus légère et plus performante : lithium-ion et lithium polymère
On lui donne le nom de batterie quand l’accumulateur est composé de plusieurs éléments
Le terme accumulateur est plus général et sert aussi bien pour un élément ou pour une batterie.
Les caractéristiques d'un élément d'accumulateur
•
La technologie : C'est la nature de l'électrolyte contenu dans l'accu.
•
La capacité de l'élément ou Capacité nominale: C'est la quantité d'électricité qu'il est capable de
restituer lorsqu'il est chargé. Cette capacité est exprimée en Ampères Heure (symbole : Ah) ou
pour les petits accus en milliAmpères heures (mAh).
1Ah : Débit possible de 1A pendant 1H
La tension de l'élément :
ou de 0,5 A pendant 2 h …
C'est la différence de potentiel entre les deux
Tension
pôles + et -. Pour un accus au nickel elle
évolue de 1,35 V (environ) lorsque l'élément
1,4 V
est complètement chargé, à 1 Volt environ
lorsque l'élément est complètement
1,2 V
déchargé. On considère pour les calculs la
tension nominale "fixe" à 1,2 Volts.
1V
•
•
Energie stockée :
Energie en Wh (ou en joule) : Capacité x tension
1Wh=1Vx1Ax1h =1Ahx 1V
•
0,8V
Charge
100%
75%
50%
25%
0
Le volume physique de l'élément :
Proportionnel à la capacité pour une technologie donnée. Les éléments sont généralement
cylindriques. Pour des raisons de compatibilité il existe des tailles ou formats standard
correspondant pour certaines aux formats des piles R03, R6, R14 & R20.
L'énergie massique
Il est intéressant d'avoir une idée de l'ordre de grandeur de l'énergie massique. Cette énergie s'exprime
traditionnellement en Joule/Kg ou Wh/Kg
Exemple d’une batterie plomb classique :
Tension 12 V, capacité 135 Ah, masse (poids) 48 kg
L'énergie massique est de V * C / P soit : 12 * 135 / 48 = 35 Wh/kg environ.
Exemple d'un accumulateur NiMh de type R6 :
Tension 1,2 V, capacité 1,5 A.h, masse 25 grammes
Énergie massique 1,5 * 1,2 / 0,025 = 72 Wh/kg
Pour information:
T.E.P (Tonne Equivalent Pétrole) : 1 T.E.P = 11 600 kWh = 42 Gjoules = 1010 cal (10 milliards de calories)
Essence ou fuel = 15 000 Wh/kg
Hydrogène = 34 000 Wh/kg
Bois 5000 Wh/kg
Pile à combustible = 120 Wh/kg
La charge d'un accumulateur
Charger un élément, c'est faire passer entre ses bornes un courant électrique continu (permanent). C'est
ce courant qui modifie la structure interne de la chimie contenue dans l'élément de façon à ce que celle-ci
stocke de l'énergie. On applique normalement pour cela un courant égale à 1/10 ème de la capacité de
l'élément.
En théorie il faudrait appliquer ce courant pendant 2Ah / 0,2A = 10 h. Mais la réaction chimique de la
charge a des pertes et le rendement est proche de 70%. Un courant au 1/10ème doit donc être maintenu
pendant au moins 14 h pour charger un élément.
On souhaite charger un élément 1,2 V , 900 mAh à partir d’une source de tension de 10 V.
Schéma électrique possible :
Lorsque l'élément est déchargé il présente une tension
d'environ 1 Volt, lorsqu’il est à la fin de la charge elle est
à 1,45 Volts. Si la charge n’est pas arrêtée, le courant
injecté n’est plus stocké et l'élément commence à
s'échauffer. On constate alors une légère baisse de la
tension aux bornes de l'accumulateur. C'est à cet instant
que correspond l’indicateur de fin de charge que l'on
nomme Delta Peak ou -dV/dt (qui se traduit
mathématiquement par le changement de pente de la
courbe de charge).
Tension
1,6 V
1,4 V
1,2 V
Décroissance
de la tension
DANGER !
1V
0,8V
Charge
Croissance de la tension
Si on maintient ensuite le courant de charge, l'accu entre
en surcharge, ce qui provoque son échauffement. Pour
la technologie Ni-Cd cela entraîne une usure prématurée
de l'élément, et pour le Ni-MH cela provoque une destruction partielle de l'élément. La technologie NiMH est très sensible aux surcharges.
Application : Choix d'une batterie d'accumulateurs
Conception d’une batterie :
Vous allez caractériser une batterie afin d’alimenter pendant 1 heure 30 au moins, un système
quelconque fonctionnant sous une tension de 12 Volts et absorbant une puissance de 30 Watts.
Déterminer :
- La capacité de la batterie.
- Le câblage de la batterie avec des accumulateurs de type R20.
- Le câblage de la batterie avec des accumulateurs de type R14.
Accumulateurs CdNi
Accumulateurs à électrodes frittées rechargeables au min. 1000 fois et non polluants. Les accumulateurs au Cd-Ni doivent être chargés avant la première
utilisation.
Fig. 1
TYPE
R3 (AAA)
R6 (AA)
R6 (AA)
R14 (C)
R20 (D)
Fig. 2
Tension
1.2 Vcc
1.2 Vcc
1.2 Vcc
1.2 Vcc
1.2 Vcc
Fig. 3
Capacité
300 mAh
800 mAh
750 mAh
2.5 Ah
4.5 Ah
Condition.
blister de 2
blister de 4
blister de 4
blister de 2
blister de 2
Fig. 4
Dim. (mm)
10.5 x 44
14.5 x 50
22.4 x 41
26.0 x 50
34.0 x 61
Fig. 5
Fig.
1
2
3
4
5
Prix ttc
4.90 €
7.00 €
11.00 €
10.90 €
15.80 €
Exercice :
La batterie d'une automobile possède les caractéristiques suivantes :
•
•
force électromotrice : E=12 V.
capacité: Q=40 Ah.
Lors d'un stationnement, les quatre feux-de-position ayant chacun une puissance de 8 W sont restés
allumés 24 heures.
1. En supposant que les grandeurs électriques ne varient pas, calculer :
• Le courant débité par la batterie.
• La quantité de courant (en Ah) délivrée par la batterie en 24 h.
• La valeur de l'énergie (en Wh) transférée aux feux-de-position en 24h.
2. Quelle est l’énergie maximale disponible dans la batterie ? Le conducteur pourra-t-il démarrer
normalement à son retour ?
3. Quelle devrait être la capacité de la batterie pour que cet incident n'entraîne pas une décharge de plus
de 50 % de l’accumulateur ?