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.

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:

DEFINITIONS

En parallèle: + de courant

En série:

+ de tension

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).

DEFINITIONS

Domaines d’utilisationLes 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.

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.

Domaines d’utilisation

CARACTÉRISTIQUES

Tension électrique

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

CARACTÉRISTIQUES

Energie stockée

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).

CARACTÉRISTIQUES

Recyclage en fin de vie

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).

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

Différentes technologie

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)

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.

Différentes technologie

COMPARAISON

Type Densité massique en

Wh/kg

Densité volumique en

Wh/L

Tension d'un

élément

puissance en pointe(massique) en

W/kg

Durée de vie

(nombre de

recharges)

auto-décharge par

mois

Plomb/acid

e 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

phosphate)

120-140 190-220 3,2V 800 2000 5%

LMP

(lithium

metal

polymer)

110 110 2,6V 320 ? ?

Li-Air 1500-2500 ? 3,4 V 200 ? ?

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

COMPARAISON

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

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.

Eolienne

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 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.

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

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.