Batteries, piles, accus ...

[zeltron]

Bonjour,

je vois que, désormais, une rubrique à été ouverte au sujet des batteries (ou de manière générale , de sources d'énergies autonomes fournissant du courant électrique à partir de réaction électrochimique) et c'est un sujet intéressant
Nombreuses sont les applications de LED autonomes alimentées par batteries , et il est intéressant d'en savoir plus sur ces dernières

Comme personne n'as encore posté ici "j'ouvre le bal" avec un petit topo général sur toutes les sortes de batteries d'accumulateur , ou de piles électriques, qu'on peut trouver dans le domaine "grand public".

tout dabord, et bien que ça semble évident , je précise que :
-une pile est un générateur électrochimique "non réversible" , qui ne sert qu'une fois et ne se recharge pas , il doit normalement ête jeté lorsqu'il est déchargé ...bien que certaines piles (spéciales) puisse être "régénérées" , de manière générale il ne faut pas tenter de recharger des piles avec un chargeur d'accu
-un accumulateur (ou "accu" , ou "pile rechargeable" ) est un générateur électrochimique "réversible" , qui peut resservir un grand nombre de fois, en le rechargeant , ceci en faisant circuler un courant en sens inverse , de valeur approprié , dans l'accu , au moyen d'un chargeur d'accu prévu pour

Abordons dabord les piles ...

En matière de types et de technologies de piles on trouve :

-la pile saline :
C'est la plus ancienne et la moins chère des piles, mais aussi la plus médiocre.
L' electrolyte est du chlorure d'ammonium (électrolyte salin d'ou le nom de pile saline)
Ces piles délivrent 1,5V , et sont a réserver à des applications peu exigeantes ( éclairage à usage occasionnel, horloges électrique, jouets ... )
Avantages : elles sont bon marché et tres courantes
inconvénients : leur tension de décharge varie beaucoup, elles peuvent difficilement délivrer des courants de décharge élevés, s'avère assez inadapté a des appareils électronique exigeants, et elles ne dure pas longtemps...

- la pile alcaline :
C'est une pile un peu plus récente quoique existant depuis environ 50 ans , et un peu plus couteuse , et également tres courante...
L'electrolyte est de d’hydroxyde de potassium (electrolyte alcalin d'ou le nom
Ces piles délivrent 1,5V à 1,6V , et peuvent délivrer des courants plus importants et pendant des durées plus longues (elles conviennent bien à des usages plus exigeants, appareils photos, flash, balladeurs , lampes portatives lorsqu'une longue durée est souhaitée...)

Avantages : durée de service bien plus longue (généralement 3 à 4 fois la durée d'une pile saline), tension de décharge plus stable , bonne conservation et faible autodécharge .
inconvénient : prix plus élevée

Pour mémoire, et a propos des piles alcalines, je cite les piles au mercure :
c'est une variante de la pile alcaline, qui délivre 1,35V, qui permettais de réaliser des tres petites piles , tout en ayant une grande autonomie, mais plus délicate à fabriquer, couteuses, et surtout extrèmement toxiques et polluantes ( ces piles ne sont plus fabriquées )

-Les piles au lithium :

Ces type de piles, assez récentes, délivre a volume égal beaucoup plus d'énergie que toutes les précédentes, mais sont couteuses, et peu répandues dans les tailles standards ou réservé à des usages spéciaux
il existe des piles au lithium soit du type "normal" délivrant 3 à 3,7V (habituellement utilisées sur les carte mère de PC , certaines calculatrices, ou certains appareils photo) et des piles au lithium dites L91 spécialement fabriquées pour délivrer 1,5V et avoir les dimension des piles salines et alcalines standards (permettant leur remplacement direct)
Ces piles sont d'une technique assez complèxe qu'il serait trop long d'expliquer ici
Ces piles conviennent tres bien a des applications électroniques ou informatiques exigeantes , ou lorsqu'on recherche une grande autonomie et un encombrement tres faible
Avantages : capacité tres grande , de l'ordre de 2 à 3 fois les piles alcalines , ou 8 à 10 fois les piles salines, tension de décharge tres stable, tension élevé et bien adapté aux applications à LED , longue autonomie sous un faible encombrement
inconvénients : prix élevé , durée de conservation variable pas toujours bien maitrisée (peuvent durer plusieurs années , mais certaines peuvent "se garder" 3 ans et d'autres 12 ans ) possibilité de confusion d'une pile litium 3,7V avec une 1,5V (risque de surtensions)

Les accus, batteries, etc seront abordé dans le message suivant

Zelt

[zeltron]

Abordons maintenant les accus et batteries

Tout dabord , on désigne généralement par batterie un ensemble d'accumulateurs, et par accu un élément seul...


- les accus ou batterie au plomb :

C'est le type le plus ancien , connu depuis longtemps , d'accumulateur, c'est ce type d'accumulateur qui équipe quasiment toutes les voitures , sauf cas particulier et tres récent de voitures hybrides
L'electrolyte est de l'acide sulfurique, les électrodes sont en plomb (ces accus sont de ce fait tres lourds et polluants)
La tension délivré est de 2V , et reste assez stable, le courant délivré peut être tres élevé .
Ces accus ne doivent pas être stocké déchargés , si il ne sont pas rechargés assez tot il peuvent se sulfater en quelques semaine, ou geler par temps froid
Ces accus se chargent à tension constante d'environ 2,3V par élément d'accu , le courant de charge dépend de la batterie, n'as pas besoin d' être régulé , il devra être de l'ordre de 1/10 de la capacitée et s'abaisse au fur et à mesure de la charge, la charge s'effectue dans ces conditions en environ 12h

Avantage : type d'accu tres courant, robuste, relativement peu couteux par rapport à l'énergie délivré, dont la tension de décharge demeure assez stable, et qui peut délivrer des courant tres élevés (notamment pour le démarrage du moteur d'une voiture, ou pour les onduleurs pour PC ) peuvent se recharger avec un chargeur tres simple .
inconvénients : poids élevé , utilise des matières tres polluantes, risque de projection d'acide avec les batteries à bouchons , doit être assez fréquemment rechargé et ne doit pas être stocké déchargé, craint le gel lorsq'il est déchargé .

Les accu cadmium nickel :

Ces accus , également tres courants, existe depuis plusieurs dizaines d'années, dans les mêmes format que les piles et peuvent les remplacer sous reserve que l'appareil accepte que 1,2V au lieu de 1,5V, et sont relativement peux couteux, et tres fiables (on les utilise en éclairage de secours, en sécuritée incendie, ou systèmes d'alarme).
L'electrolyte est, comme dans les piles alcaline , de l'hydroxyde de potassium, les électrodes sont du nickel et du cadmium (ce dernier est une matière tres polluante)
Ces accus délivrent 1,2V , ont une bonne capacitée par rapport au plomb, mais modeste par rapport aux technologies plus récentes, et peuvent fournir des courants élevés , mais ont un "effet mémoire" (il faut éviter de stocker ou de recharger un accu Ni - Cd partiellement déchargé , et comme si il se "souvenais" de l'état de décharge partiel , il ne retrouve plus sa capacité d'origine ) il faut que il soit :
-soit totalement chargé (au dessus de 1,2V et en dessous de 1,45V)
-soit totalement déchargé , mais pas à 0V (a partir de 0,6 et jusqu'a 1V)
(un accu partiellement déchargé doit être déchargé jusq a la fin, puis rechargé entièrement avant usage, d'ou la fonction déchargeur des chargeur d'accu Ni- Cd )
La charge s'effectue à courant constant , avec une tension supérieure à la tension de fin de charge, et un courant régulé à la valeur préconisé ( ou par défaut, et pour une charge lente, 1/10 eme de la capacitée , la charge dans ces conditions doit durer environ 14 h)
Dans ces conditions, convenablement rechargés, ces accus vieillissent bien et se conservent longtemps .

Avantage : prix peu élevé, peut remplacer les piles , fiabilitée élevée et bonne durée de conservation moyennant certaines précautions d'emploi (voir ci dessus) courant délivré élevé , supporte assez bien les surcharges, conviennent bien même pour appareils servant peu fréquemment, ne craint pas le gel .
inconvénients : polluant , capacité assez limitée, ne délivre que 1,2V, effet mémoire nécessitant certaines précautions de stockage et de recharge .

Les accus Nickel métal-hydrure :

ces accus semblables au Ni-Cd ci dessus, penvent remplacer les piles avec les mêmes limites (tension de 1,2V) coutent un peu plus cher, mais ont une plus grande capacitée et sont moins polluants
L'électrolyte est le même que les accu Ni-Cd , mais il n'y as pas d'électrode en cadmium, mais une électrode de métal "hydruré" (d'ou leur nom)
Ces accus délivrent 1,2V , ont une capacitée plus élevée, mais une résistance interne un peu plus grande que les Ni-Cd (tension de décharge moins stable sur appels de courant) par ailleurs il nécessite un chargeur spécifique (charge à courant constant et à tension contrôlé , de préférence automatiquement par un "processeur" de charge) et supporte moins bien les surcharges (le chargeur doit délivrer un courant plus grand que pour les Ni-Cd , et détecter la fin de charge, et s'arrêter automatiquement lorsque celle ci est atteinte) et il unt un courant d'autodécharge plus grand et se conserve un peu moins longtemps :|

Avantage : peuvent remplacer les piles si l'appareil accepte 1,2V au lieu de 1,5V , plus grande capacitée donc plus grande autonomie, moins polluants , n'ont pas d'effet mémoire, ne craint pas le gel
inconvénient : prix plus élevé, nécessité d'un chargeur spécifique, durée de vie un peu moins longue ( de l'ordre de 8 à 10 ans si bien entretenu avec un bon chargeur) ou beaucoup moins longue si mal rechargés ( de l'ordre de 2 à 3 ans si le chargeur utilisé est inadapté !) déconseillé pour des appareils servant rarement (du fait de leur autodécharge et de leur moin bon vieillisement)

Les accus Lithium :

comme les piles au lithium, il en existe plusieurs variantes, et ils sont d'une techologie assez complexe, suivant que les électrodes sont en lithium métallique, ou en graphite avec "lithium ionique" (lithium-ion)
ces accus ont une capacitée tres supérieure a tous les autres , mais sont , comme les piles du même nom, délicats à fabriquer, couteux , et ont une durée de vie longue mais assez variable et pas toujours bien maitrisé
ils délivrent de manière générale 3,5 à 3,7 V , avec une tension de décharge tres stable
il nécessite un chargeur spécifique (il ne faut surtout pas utiliser d'autre chargeur que ceux prévu pour, risque de détérioration, voire d'explosion) et un protocole de charge précis (ne pas surcharger, respecter scrupuleusement les instructions d'emploi) et nécessite souvent une période "de rodage" (il n'atteigne leurs performances optimales qu'apres quelques cycles charge-utilisation) et craignent l'eau

avantage : capacitée tres importante, tension élevée et tres stable, bien adapté aux applications électroniques exigeantes ( téléphonie mobile, informatique ...) et aux LED (tension bien adapté aux LED blanches) ,tres grande autonomie sous un faible encombrement .
inconvénient : prix élevée, durée de vie pas toujours bien maitrisé, recharge assez édélicate" , nécessité d'un chargeur spécifique , précautions d'emploi, risques encourus en cas de recharge avec un chargeur inadapté ou d'utilisation dans l'eau ...

Pour donner un ordre d'idée des performances relatives de diverses technologies pour une même taille :
un élément de taille AA (type pile "baton" classique, taille normalisé R6 ) fera :
environ 400mAh en pile saline bas de gamme
environ 1500 à 1800mAh en pile alcaline ordinaire
500 à 700mAh en cadmium nickel
1600 à 2000mAh en nickel métal hydrure
environ 3000mAh en lithium
(nota : il n'existe pas d'élément AA en technologie plomb !)

Il existe d'autres technologies , mais que je ne développerais pas ici
Certaines technologies , anciennes, sont obsolètes et ont été abandonnées depuis longtemps ...
D'autres , nouvelles, sont complètement inusitées dans le domaine grand-public, ou pas encore au point ...

Zelt

[lddw]

Bravo pour ces informations !

Veux tu rajouter la formule qui donne le temps d'utilisation d'une pile en fonction de sa capacité et de la consommation de l'appareil.
Ca pourrait être utilie pous savoir combien de temps on peut utiliser des LED avec un accumulateur.

[admin]

Capacité = Intensité * Temps d'utilisation

Vous pouvez même compter le nombre d'électrons qui circulent car :
Capacité = nombre d'électrons * F (constante de Faraday)

[zeltron]

La capacité d'un accu, d'une pile, d'une batterie... s'exprime en Ah (Ampère heure) ou mAh (milliampère heure)

pour obtenir la durée de fonctionnement (théorique) il suffit de diviser la capacitée de l'accu ou la batterie par l'intensité consommée par l'appareil récepteur à alimenter (c'est pas bien compliqué ... ) .
t(h) = C(Ah)/I(A)

si on as la puissance consommé , en watts, au lieu de l'intensitée, faire I=P/U

exemple théorique simple de calcul de durée :
Soit une lampe de 6V3 W connectée sur une batterie de 6V 4Ah on vent savoir la durée d'éclairage théorique de la lampe de 3W jusqu' a décharge totale .

I= 6/3 = 0,5A
t= 4/0,5 = 8 h

En pratique, comme tout n'est pas parfait (perte dues à la résistance interne de la batterie, chute de tension ...) et comme le récepteur alimenté peut avoir une tension minima de fonctionnement ( notamment dans le cas de LED il y as une tension de seuil en deça de laquelle cela ne fonctionne plus ) le résultat pratique sera souvent légèrement inférieur ...

vous pourrez vérifier expérimentalement et aisément vous même ces calculs en faisant l'expérience ...avec une batterie de bloc sécurité Legrand 60865 (elles font 6V 4Ah) et des ampoules de vélo

(vous noterez probablement moins de 8 h )


Pour ne pas être surpris , on conseille de surdimensionner la capacitée de la batterie de 25 à 30 % pour des applications courantes peu critique ( torche ou frontale à LED, balladeur MP3, jouets ...) ou de la doubler pour des applications de sécuritée critique ( système d'alarme anti-intrusion, blocs autonomes d'éclairage de sécuritée, équipements de détection d'incendie ou de gaz ... )

Exemple un peu plus compliqué de calcul de capacitée de la batterie nécessaire a l'alimentation d'une frontale :
soit une frontale équipée de 5 LED en parrallèle fonctionnant sous 3,2V , consommant 20mA chaque, porté par un athlète amateur valant 3h30 au marathon, et voulant courir les 100 km de Millau (ayant lieu en septembre ) , le départ de l'épreuve est à 10h , on considère qu'il fait nuit à 20h, et que le temps mis pour terminer la course est de 3,2 fois son temps au marathon + 1h compte tenu du dénivelé (on compte approximativement 1h de + pour 1000m de dénivelé) , par ailleurs on considère que le coureur n'a pas de suiveur et perd 1 min par ravitaillements et on veut déterminer les caractéristiques minima de la batterie :
( nombre d'élément nécessaire et leur capacitée avec un coefficient de sécurité suffisant )

intensitée consommée I= 5*20mA =100mA ou 0,1A

durée théorique estimé de course (pour 3h30 au marathon soit 3,5 h en décimal) 3,2 *( 3,5h) +1h = 12h15 environ

durée des ravitaillements ( 20 ravitaillements sont prévu sur les 100 km de Millau) 20*1 =20 min

durée estimée totale 12h15+20 = 12h35

durée d'éclairage de la frontale (on suppose l'allure de course constante pour simplifier ) = durée totale - durée du jour 12h35- (20-10) =12h35 - 10 = 2h35

capacitée de la batterie c= t*1 =2h35 (soit 2,6 h environ en décimal) * 100mA (soit 0,1A) 2,6*0,1 = 0,26Ah ou 260 mAh

on applique un coefficient de sécurité de 30 % : 0,26 + 30% = 0,338 Ah

Nombre d'élément nécessaire pour U > 3,2 V : 3 éléments de 1,2V =3,6V

la batterie doit faire théoriquement 3,6V et 0,338Ah

En pratique on constate par exemple qu' une batterie de 3 éléments NiCd AAA (1,2V 200mAh ) ne convient carrément pas , une batterie de 3 élements NiMh de même format (1,2V 500mAh) conviendra ... mais sans trop se permettre de finir son 100 bornes "à la ramasse" (pour le non initié, je met en garde vis a vis de la difficultée de l'épreuve , le temps réalisé peut parfois s'avéré tres loin de celui de la belle théorie et des calculs !) des piles alcalines (1,5V et environ 1000mAh) conviendront avec une large sécuritée , si on fait les 30 derniers km (mais pas + quand même ) en marchant (30km à 6km/h =5h ... avec 1000mAh et 200mA consommé ça passerais...)

Pour ma part, et ayant fait l'épreuve (et par la même , vérifié par la pratique ces calculs !) j'ai fait 12h52 au 100 km ... et la batterie qui étais constitué d'élémentsNiMh , as tenu jusqu'au bout ...avec encore une bonne luminositée et de la réserve !

pour faire vous même cette expérience là et vérifier les calculs ce sera moins facile (ceci dit c'est une tres belle expérience ) et si trouver des accus "AAA" est facile ... pour la suite il vous faudra déja une idée précise de votre temps sur marathon (ce qui suppose d'en avoir déja couru plusieurs) un sérieux entrainement, et un moral d'acier ...
Si cela vous tente, ou par curiositée ( et c'est plus du domaine de l'athlétisme que de l'électronique) vous trouverez de plus amples conseils en cliquant ici

bon courage

Zelt

[zeltron]

... Et maintenant qu'on as parlé de batteries et de leurs utilisations ... jusqu'a les avoir mises "à plat" , il va peut être falloir parler ... des chargeurs

Zelt

[zeltron]

Alors, j'en parle ...de ces chargeurs, ou quelqu'un se dévoue

... Ou faut mettre un chargeur dans l' clairon (expression qui comment à devenir désuette) ça dort

Zelt

[admin]

Je ne m'y connais pas du tout en chargeur... donc je te laisse faire

[zeltron]

Bonjour,

me revla donc pour parler des chargeurs de batteries ... puisque une fois qu'on as déchargé son accu ou sa batterie il faut bien la recharger , et comme dit dans l'exposé sur les tyes d'accu , il faut un chargeur approprié pour chaque type d'accu ...

voyons dabord les accus et batterie au plomb .

Pour les accus et batterie au plomb (type batterie auto , ou type batterie d'onduleur de PC ) , qui sont assez rustiques, et qui constitue le cas le plus simple :
-la charge s'effectue "a tension constante" ou a peu pres , a raison de 2,35 à à 2,4V par élément , pendant 10 à 12 h avec un courant de charge de l'ordre de 1/10 de la capacitée, et qui décroit au fur et à mesure de la charge...
Pour une batterie de voiture de modèle courant (12V 50Ah) il faut fournir 14 à 14,4V avec un courant de 5A, le moyen le plus simple est d'utiliser un montage comprenant un transformateur délivrant environ 14 à 15V , suivi d'un pont redresseur, et d'un disjoncteur pour couper le courant si il devient excessif ...
(c'est ainsi que sont concu les chargeurs simples et basiques vendu en grande surfaces, ou qu'on trouve dans les brocantes ... il suffit d'acheter un des chargeurs de ce type, ou de réaliser ce chargeur , ce qui est tres simple , en reliant le primaire du transfo au secteur avec un fusible de 0,63 à 1A, de relier le secondaire aux cosses "alternatif" d'un pont redresseur d'au moins 6 à 10A , de relier le "+" du pont a la borne "+" de la batterie avec un disjoncteur en série, et de relier le pole "-" a l'autre borne de la batterie ...)
Et de brancher l'appareil pendant 10 à 12 h puis de le débrancher (on peut difficilement faire plus simple, mais on risque d'oublier le chargeur en marche et d'abimer la batterie !)

Ces batteries produise, surtout en fin de charge, des gaz explosifs, il ne faut pas approcher une flamme , ni souder à l'arc, ni fumer, a coté d'une batterie en charge !

Pour faire mieux, pour pouvoir régler la tension, le courant , et éviter les conséquences néfaste d'un oubli par intervention d'un arret automatique ou une charge d'entretien , on peut partir du montage de base ci dessus et y ajouter un peu d'électronique , voire ce site avec de nombreux schémas et photos à l'appui :

http://perso.orange.fr/michel.terrier/r ... rgeurs.htm

voila donc pour les batteries au plomb ...

Maintenant voyons les accus Ni-CD , et Ni-Mh

La charge s'effectue à courant constant tant pour les Ni-Cd que les Ni-Mh (avec un courant plus grand pour les Ni-Mh), la tension de l'accu déchargé doit être normalement de 0,6 à 1,1V (si accu entièrement déchargé déchargé) et la tension de fin de charge est de 1,45V environ par élément
Le courant de charge requis est indiqué par le constructeur, et pour une charge lente il est de 1/10 eme de la capacitée
(pour la charge rapide, bien respecter les courants et durées, et ne pas charger en charge rapide des accus non prévu pour cela , je ne donne pas de valeurs, celles ci peuvent être différentes suivant les marques et modèles !)
Pour les accus Ni Cd , je rappelle qu'il ne faut pas stocker ni recharger un accu partiellement déchargé, ils doivent être dabord totalement déchargés, puis totalement rechargé pour éviter l'effet mémoire Ces accus nécessitent un chargeur prévu pour (et faisant éventuellement déchargeur avant de recharger), et quelques précautions d'emploi , on peut acheter le chargeur adéquat, ou le réaliser , voire , a cette adresse , le schéma d' un montage de chargeur pour accu Ni-Cd "anti effet mémoire" ( pouvant servir aussi pour les Ni-Mh ) ici :

http://users.swing.be/gonzague.colpaert/charg.html

Enfin , pour les accus lithium :
ces accus ont le meilleur rapport capacité volume poids et les meilleures performances, mais sont aussi les plus délicats et supportant le moins les surcharges et fausses manoeuvres ...je conseille vivement d'utiliser les chargeurs prévu pour et de bien suivre les recommandation du constructeur de la batterie ou de l'appareil contenant cette batterie, et déconseillerais de réaliser soi même le chargeur .
Ces batteries nécessitent généralement une période de rodage, elle ne donnent leur "plein rendement" et toute leurs capacitées qu'apres quelques cycles charge-décharge ( bien suivre les indications données si il y as lieu, et ne pas s'étonner lors des premieres mises en service de voire leur autonomie être médiocre puis s'améliorer)... Par ailleurs elles peuvent être tres vite détériorées ( ce qui est d'autant plus ralant qu'elles valent cher !) voire peuvent exploser (et projeter des substances dangeureuses) si elles sont chargé avec un chargeur trop fort, ou non prévu pour pour, ou comportant une anomalie pour cause de réalisation baclée ou d'erreur !

Pour toutes les batteries, et en cas de stockage prolongé (plusieurs mois sans s'en servir) , il faut éviter de les oublier dans l'appareil qui les contient (ils ou elles peut(peuvent) a la longue produire une oxydation des bornes , ou des fuites d' électrolyte ... qui risque de corroder les contacts ) et ne pas les laisser se décharger au dessous d'un certain seuil et notamment pas attendre que la tension descende jusqu'a 0V ! (vérifier de temps en temps avec un voltmètre , si la tension devient trop basse , recharger immédiatement) une batterie arrivé à 0V ou proche de 0V est à ce stade en général irrécupérable !

Certains chargeurs automatiques controlent en permanence la tension, et effectue une charge d'entretien dès que celle ci descend , évitant que celle ci ne descende juqu'a à 0V ... on peut dans ce cas la, laisser plusieurs mois la batterie sur le chargeur sans surveillance

En bref, et pour finir, il faut :
-se méfier des chargeurs trop basiques, et si on en utilise, il ne faut pas dépasser la durée de charge préconisée .
- toujours utiliser un chargeur prévu pour le type d'accu à charger si on tient a la vie de ses accus .
- veiller lorsqu'on utilise des accu cadmium nickel (Ni-Cd ) à ne pas les charger ou les stocker "a moitié vide" , il faut qu'il soient ou bien complètement déchargé ou bien complètement chargés
- veiller en cas de non utilisation prolongé , a sortir les accu de l'appareil qui les contient, et a ne pas laisser la tension descendre jusqu'a 0V

Zelt

[Termi87]

Merci pour ces info Zelt