Cours accumulateurs - Batteries

Les Batteries Rechargeables
I- Introduction
On distingue plusieurs types de batteries (ou accumulateurs) . Parmi les
plus courantes, on citera :
Les batteries au plomb
Les batteries Ni-Cd (Nickel cadmium)
Les batteries Ni-MH (Nickel Hydrure Métallique - ou encore Nickel Hybride)
Les batteries Lithium-ion
La capacité d'une batterie s'exprime en Ampère.Heure ou éventuellement en
Watt.Heure. Le Watt.Heure étant le produit de l'Ampère.Heure par la tension
de la batterie.
Exemple : Batterie 7,2V 1200mAh
Signifie : Tension de service : 7,2V , Capacité Q = 1200mAh (Q = i * t ,
avec i courant constant) En réalité, une batterie est constituée d'élément de bases . La tension de
la batterie est donc un multiple de la tension de l'élément de base.
Cette tension nominale, mesurée à vide, dépend de la technologie de
l'accumulateur.
L'accumulateur au plomb a une tension nominale de 2V par élément.
Elle est de 1,2V pour les accumulateurs nickel/cadmium (Ni/Cd) ou
nickel/hydrure métallique (Ni/MH). L'accumulateur Lithium Ion a une tension
nominale de 3,6V, trois fois la tension d'un accu Ni/Cd. Cette tension,
dite nominale, est une tension qui constitue une moyenne. En effet, en
début de décharge, la tension est plus haute qu'à la fin !
Une batterie Ni-Cd ou Ni-MH de 7,2V (6*1.2V) chargée fait en réalité 7,8V à
8V .
Une batterie au plomb (de voiture par exemple) de 12V (6*2V) chargée sera
de 12,6V
(6*2,1V) (un peu plus si elle vient juste d'être chargée)
Un élément important dans le choix d'une source d'énergie autonome est la
masse à embarquer. Pour des raisons évidentes, le plomb reste
l'accumulateur le plus lourd, on l'évitera autant que possible et on le
réservera à des applications fixes. Le plus léger, à capacité égale, est
l'accumulateur Li-ion, on le rencontre beaucoup dans des téléphones
mobiles, des camescopes, des ordinateurs portables et des applications
professionnelles.
II- Charge et décharge d'une batterie
Suivant le type de batteries, les courbes de charges et de décharge sont
variables. Un (bon) chargeur de batterie ne doit pas se limiter à un simple
générateur de courant constant ...
Etudions par exemple le cas de l'accumulateur Ni-Cd (nickel Cadmium) :
LA CHARGE Ni-Cd (Nickel Cadmium)
La charge Normale doit normalement se faire à courant constant au 1 / 10
ème du courant nominal de la batterie sous une tension disponible d'au
moins 1,45 V par élément (minimum pour que ça charge). Ce courant doit être
maintenu pendant environ 14 heures lorsque au départ la batterie est
complètement déchargée.
Durant la charge la tension de la batterie va augmenter d'abord rapidement
puis plus lentement jusqu'à atteindre un maximum de tension d'environ 1,4 V
/ élément. La charge est alors terminée.
Ensuite, si la batterie reste alimentée avec le même courant, Il y aura
surcharge. La tension va commencer à baisser, la batterie n'accumule plus
d'énergie et le courant qui la traverse se dégage en chaleur : C'est le
moment où la batterie commence à chauffer. Il y a, à ce moment là, la
production d'hydrogène et d'oxygène dans les éléments. A 0,1 In, au bout de
14 h de surcharge les éléments commencent à ce détruire.
L'idéal pour tester précisément la fin de charge d'une batterie Cd-Ni c'est
de détecter le -dV/dt, c'est à dire le moment où la tension de la batterie
a atteint son maximum et où cette tension commence à baisser. Cette méthode
est fortement conseillée pour les charges rapides et accélérées. D'autres
solutions sont possibles. On utilise aussi couramment la détection du
niveau de la tension théorique de fin de charge (1,4 V / élément).
[pic] La charge accélérée s'effectue au 1/5 ème du courant nominal de la batterie
pendant 6 à 7 heures maximum. La surcharge ne doit pas dépasser 40 mn sous
peine de destruction des éléments. . Cette charge est assez rapide mais de
moins bonne qualité qu'une charge normale.
La charge rapide s'effectue à la valeur du courant nominal de la batterie
pendant 1 heures maximum. La surcharge est interdite à ce taux de charge.
ATTENTION tous les accumulateurs ne supportent ce type de charge.
Attention, pour les charges accélérée et rapide, vous devez posséder un
chargeur à détection et coupure automatique de fin de charge (-dV/dt) . De
plus la batterie doit être impérativement complètement déchargée avant la
charge.
La charge permanente s'effectue au 1/20ème du courant nominal de la
batterie sans limitation de durée (pas une semaine quand même ). La
batterie se charge, mais ne s'échauffe pas après la fin de charge (courant
plus faible).
Le courant d'entretien : Une batterie a tendance à ce décharger
naturellement. Après une charge il est possible de lui appliquer un courant
de 1 /100ème du courant nominal indéfiniment pour maintenir son état de
charge au maximum. Ce courant ne charge pas la batterie il compense
simplement les pertes naturelles( 99 % de la capacité initiale au bout de
10 jours, 90 % au bout de 30 jours).
La solution rapide et de bonne qualité est de combiner une charge rapide ou
accélérée avec une charge permanente en fin de cycle. La détection du
-dV/dt (3) entraîne la diminution du courant de charge à 1/20ème de In, qui
sera appliqué pendant quelques heures. Ce mode de charge est actuellement
proposé par la plupart des composants spécialisés du domaine. Ce
fonctionnement est accompagné de plusieurs systèmes de sécurité qui coupent
la charge et permettent de protéger vos éléments.
|[pic] |(1) Temporisation sur la |
| |détection de fin de charge |
| |pour évité qu'elle ne se |
| |déclenche dès le début de la |
| |charge. |
| |(2) Détection de tension max |
| |de 1,95 V/élément. |
| |(4) Limitation du courant de |
| |charge si la tension est |
| |inférieure à 0,8 V/élément. |
| |(8) Compteur de temps |
| |limitant la charge rapide ou |
| |accélérée à 150 % de la |
| |capacité |
| |(9) Détection de l'élévation |
| |de température des éléments. |
| |Pour cela la batterie doit |
| |être préalablement équipée |
| |d'un capteur de température. |
LA DECHARGE Ni-Cd (Nickel Cadmium)
Quand on parle de décharger complètement une batterie cela sous entend bien
sur de ne pas descendre en dessous de 1 V / élément. Ceci est la tension
minimum en dessous de laquelle l'élément ne doit jamais descendre sous
peine de destruction partielle, voire complète. La décharge se déroule en
trois phases. Premièrement une chute rapide de la tension vers la valeur de
1,2V/élément. Puis une longue plage ou la tension reste stable à cette
valeur. Et enfin une avalanche de la tension de l'accu. C'est là qu'il faut
stopper rapidement la décharge avant la destruction. La proportion de la
longueur de ces phase est fonction du courant débité.
[pic]
(Dry cell : piles classiques non rechargeables) III- Critères de choix d'une batterie Avantages du NiMh par rapport au NiCd
Tout d'abords l'environnement : Le NiMH (Nickel Hybride ou Nickel Hydrure
Métallique suivant les appellations) ne contient pas de Cadmium hautement
polluant La Capacité : Pour un même volume un accu NiMH a environ (suivant les
modèles) 40 % de capacité en plus qu'un accu NiCd Les accus NiMH sont très peu sensibles à l'effet mémoire. (L'effet
« mémoire » se caractérise par une perte de capacité au bout d'un certain
nombre de cycles de charge/décharge. En pratique, il faut complètement
décharger sa batterie avant de la rechargée pour éliminer le problème -
l'effet mémoire n'est pas irréversible -) Avantages du NiCd par rapport au NiMh Le NiCd supporte des pointes de courant en décharge très importantes
jusqu'à 10 x In ce qui n'est pas possible avec du NiMH Le NiCd supporte la surcharge (à In/10) après la fin de charge,
contrairement au NiMH qui est très sensible à ce niveau. La détection de
fin de charge est donc très importante pour le NiMH sous peine de
destruction partielle, donc : utilisation d'un chargeur intelligent (à
micro-contrôleur) alors que pour le NiCd on peut rester dans le rustique.
Le Ni-Cd présente une autodécharge naturelle beaucoup plus faible que le Ni-
MH Les batteries Lithium-ion : Avantages :
Haute densité énergétique (4x le plomb, 3x le Ni-Cad, 2x le Ni-Mh).
Poids beaucoup plus faible que Ni-Cd ou Ni-Mh.
La tension varie légèrement, mais constamment, en fonction de l'état de
décharge (de 4 à 3,3V/ élément environ).
Une simple mesure de la tension à vide de la batterie indique son état de
charge.
Encombrement moindre.
Pas d'effet mémoire
Autodécharge très faible (5% par mois).
Pas de pollution par métaux lourds. Désavantages :
Prix plus élevé.
Impossible d'assembler soi même le pack.
Résistance interne un peu plus élevée que celle du Ni-Cad.
Puissance en fortes pointes plus faible.
IV- Dimentionnement d'une batterie
Exemple 1
On souhaite faire fonctionner un moteur électrique de modèle réduit 12W ,
7.2V pendant 90 minutes. Quelle devra être la capacité Q (en A