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Sciences de l’ingénieur cours 3 Lycée Durzy 1SI Loi d’ohm : stockage de l’énerg

Sciences de l’ingénieur cours 3 Lycée Durzy 1SI Loi d’ohm : stockage de l’énergie la batterie Page 1/5 I- Introduction On distingue plusieurs types de batteries (ou accumulateurs) (Une pile ne se recharge pas contrairement à une batterie) a- Les deux principaux critères de performance d’un accu- mulateur sont :  La densité massique d’énergie en W.h / kg : Ce critère permet d’évaluer la quantité d’énergie qui peut être stockée par l’accumulateur pour une masse donnée.  La densité massique de puissance en W / kg : Ce critère permet d’évaluer la puissance disponible pour une masse donnée, (c’est-à-dire la vitesse à laquelle on transfère l’énergie vers l’accumulateur, ou à partir de l’accumulateur). Le diagramme de Ragone permet de comparer les différentes technologies d’accumulateur : Parmi les plus courantes, on citera : Alors que les batteries au plomb ont une densité massique de 30 Wh/kg, d'autres types se sont développés6 :  Nickel - cadmium (Ni - Cd), 50 Wh/kg ;  Nickel - zinc (Ni - Zn), 80 Wh/kg ;  Nickel Métal Hydrure (NiMH), 75 Wh/kg ;  Plomb 2e génération (2006), 75 Wh/kg7 ;  Sodium - chlorure de nickel, Système zébra, 85 Wh/kg ;  Lithium - ion 1re génération (1992), 90 Wh/kg ;  Sodium - soufre (Na - S), 107 Wh/kg ;  Lithium Métal Polymère (LMP) (2004), 110 Wh/kg ;  Lithium polymère (Li - Po), 120 Wh/kg  Lithium - ion 2e génération (2000), 1258à 150 Wh/kg  Zinc - argent (2007), 200 Wh/kg9  Lithium - ion - manganèse ; également dénommée lithium - manga- nèse (2007), LiMn, 300 Wh/kg10  Lithium - soufre (Li - S) (2007), 300 Wh/kg  Lithium - vanadium, + de 300 Wh/kg, présentée par Subaru en 200711  Lithium - air ou lithium - oxygène, en cours de développement (2010), entre 1 700 et 2 400 Wh/kg en pratique, théorique de 5 000 Wh/kg 12  Supercondensateur à la poudre de céramique - aluminium (EEStor aux États-Unis)4,13 : Les supercondensateurs sont essentiellement uti- lisés pour le stockage de l'énergie dans les domaines de l'automobile (voitures électriques), du ferroviaire (stockage de l'énergie de freinage) et les énergies renouvelables (éolien et solaire notamment). Horizon 2020 :  Condensateurs - lithium - ion (FHI) : en essai au Japon. En 2016 peu de voitures électriques peuvent dépasser 400 km sans recharge en usage standard. Les Batteries ou les accumulateurs Sciences de l’ingénieur cours 3 Lycée Durzy 1SI Loi d’ohm : stockage de l’énergie la batterie Page 2/5 b- Capacité d’une batterie : La capacité d'une batterie s'exprime en Ampère.Heure ou 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) donc en fait peut fournir 1200mA pendant 1heure 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'accumula- teur, ex : - 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. 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 beau- coup dans des téléphones mobiles, des caméscopes, des ordinateurs portables et des applications professionnelles. II- Charge et décharge d’une batterie Suivant le type de batteries, les courbes de charge 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) : 1-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'oxy- gène dans les éléments. A 0,1xIn (Inominale), au bout de 14 h de surcharge les éléments commencent à se détruire. L'idéal pour tester précisément la fin de charge d'une batterie Cd-Ni c'est de dé- tecter 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). 2-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. Vb : Evolution de la tension batterie en fonction du temps Ich : Courant de charge de la bat- terie - + E FIN de charge Sciences de l’ingénieur cours 3 Lycée Durzy 1SI Loi d’ohm : stockage de l’énergie la batterie Page 3/5 3-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 du- rée (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 natu- relles( 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 appli- qué pendant quelques heures. Ce mode de charge est actuellement proposé par la plupart des composants spécialisés du domaine. Ce fonctionnement est ac- compagné de plusieurs systèmes de sécurité qui coupent la charge et permet- tent de protéger vos éléments. (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. Sciences de l’ingénieur cours 3 Lycée Durzy 1SI Loi d’ohm : stockage de l’énergie la batterie Page 4/5 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 uploads/Science et Technologie/ 2-batteries2017-pdf.pdf