Batterie d'accumulateurs

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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 ou cellule.

On appelle ainsi batteries les accumulateurs rechargeables destinées aux appareils électriques et électroniques domestiques.

Accumulateur simple, que l'on peut monter en série pour former une batterie.

Vocabulaire

En français, le mot batterie désigne déjà un ensemble d'accumulateurs électrique^[1].

L'expression anglaise "battery pack" se traduit donc en français par "ensemble d'accumulateurs" ou plus simplement par batterie. La traduction rapide pack de batterie ou encore pack batterie est donc à éviter puisqu'il s'agit à la fois d'un anglicisme et d'un pléonasme.

Les différents types d'accumulateurs

Densité d'énergie de quelques acumulateurs

Les batteries nécessaires aux voitures électriques mais également aux voitures hybrides ont suivi une évolution technologique continue et les progrès sont importants ; malheureusement actuellement, aucune solution n'est entièrement satisfaisante. Certaines de ces batteries sont d'un usage commun avec d'autres secteurs comme l'éolien ou le solaire.

Les recherches et découvertes en cours sont très prometteuses, au point que certains fabricants de batteries promettent une autonomie des voitures électriques de 800 km pour la décennie^[2], grâce a la batterie lithium air^[3].

Batterie d'accumulateurs expérimentale 50Ah / 30V pour véhicule spatial

Alors que les batteries au plomb ont une capacité de 30 Wh par kg, d'autres types se sont développés^[4] :

• Nickel - cadmium (Ni - Cd), 50 Wh par kg
• Nickel - zinc (Ni - Zn), 80 Wh par kg
• Nickel Métal Hydrure (NiMH), 75 Wh par kg
• Plomb 2^e génération (2006), 75 Wh par kg^[5]
• Sodium - chlorure de nickel, Système zébra, 85 Wh par kg
• Lithium - ion 1^re génération (1992), 90 Wh par kg
• Sodium - soufre (Na - S), 107 Wh par kg
• Lithium Métal Polymère (LMP) (2004), 110 Wh par kg
• Lithium polymère (Li - Po), 120 Wh par kg
• Lithium - ion 2^e génération (2000), 150 Wh par kg
• Zinc - argent (2007), 200 Wh par kg^[6]
• Lithium - ion - manganèse; également dénommée lithium - manganèse (2007), 300 Wh par kg [6]
• Lithium - soufre (Li - S) (2007), 300 Wh par kg
• Lithium - vanadium, + de 300 Wh par kg, présentée par Subaru en 2007^[7]
• Lithium - air ou lithium - oxygène, en cours de développement (2010), + de 500 Wh par kg^[8]

Et pour 2020 :

• Supercondensateur à la poudre de céramique - aluminium (EEStor aux États-Unis)^[2],[9] : ils devraient être utilisés dans un premier temps pour les voitures électriques, puis plus tard pour le stockage d'énergie appliqué à l'éolien et au solaire.
• Condensateurs - lithium - ion (FHI) : en essai au Japon.

Article détaillé : Accumulateur électrique.

La configuration de la batterie

Le choix de la configuration

Les accumulateurs sont bien souvent câblés en série afin d'obtenir la tension de batterie souhaitée. Pour augmenter le courant disponible, il est également possible de recourir à un montage en parallèle des cellules.

Le propre de la batterie d'accumulateur est donc d'augmenter la tension et/ou le courant disponible afin de correspondre aux caractéristiques d'une alimentation donnée.

La combinaison des deux techniques peut être faites en :

• en plaçant en parallèle plusieurs blocs de cellules en séries
• en plaçant en série plusieurs blocs de cellules en parallèles

Notation série (S) et parallèle (T)

Afin de simplifier les descriptions de montage des batteries d'accumulateurs, une notation usuelle est employée :

• Une batterie de 6 cellules en série est notée 6S
• Une batterie de 2 cellules en parallèles est notée 2T
• Une batterie de 2 blocs en parallèle de 6 cellules en série est notée 2T6S
• etc.

Utilisation

• Les 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.
• Dans les alimentations sans interruption, elles stockent l'énergie permettant de suppléer de quelques minutes à quelques heures à une coupure de courant
• Elles permettent le démarrage du groupe diesel d'une alimentation de secours
• Les batteries sont utilisées dans de nombreux appareils électroniques autonomes comme par exemple les téléphones mobiles, les baladeurs numériques, etc.
• Pour la traction des véhicules électriques, des batteries souvent de techniques autres que le plomb et d'une tension supérieure sont utilisées, afin de limiter les courants en jeu.
• Les batteries solaires sont des batteries orientées pour un fonctionnement avec des panneaux photovoltaïques : durée de vie, propriétés électriques et anticorrosion, entretien^[10].

Charge des batteries

Indicateurs de charge

La mise en charge des batteries est une opération primordiale pour que les batteries conservent leurs caractéristiques initiales.

On peut évaluer dans certains cas le niveau de charge d'une batterie en mesurant sa tension à vide (sans charge). Par exemple pour une batterie au plomb de tension nominale 12 V :

• 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 déchargée ou en mauvais état.

Dans le cas de techniques plus récentes, comme le NiMh ou le Lithium, des méthodes plus élaborées sont nécessaires pour vérifier le niveau de charge, ce qui nécessite l'utilisation de chargeurs adaptés. Pour ces techniques, 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, ($\frac{d_v}{d_t}$ ou $\frac{d_v^2}{d_t^2}$).

Précautions de mise en charge

• La charge de batteries en parallèle est déconseillée, car chaque batterie est spécifique et va évoluer différemment suivant son état de charge initial, son âge, ses caractéristiques intrinsèques. Il est donc important qu'une batterie en charge soit reliée uniquement à une source de courant.
• La charge en série doit être effectuée uniquement sur des batteries de mêmes caractéristiques et dans un état de charge identique.
• De manière générale, la charge des batteries de façon unitaire doit être privilégiée.
• La durée de charge peut être approximativement calculée en fonction du courant de charge et de la capacité de la batterie : pour une batterie neuve totalement déchargée : Capacité (en A.h) = Courant de charge (en A) x Temps de charge (en h).
• Le rendement de charge (énergie stockée / énergie injectée pour la charge de la batterie) est inférieur à 1, en particulier en raison de la résistance interne à la batterie ; ce rendement dépend de l'intensité de courant utilisée pour la charge, il décroît quand l'intensité croît.
• La capacité doit être divisée par les facteurs de dépréciations en température (DT) et en charge/décharge (Dch).

Par exemple DT=0,01053.T+0,73671 pour des batteries plombs. (DT>1 si T>25°C ; DT<1 si T<25°C). De même, Dch =20/30 par exemple si le courant nominal est de 20A alors que le courant de décharge réel est de (30A) (cas des charges rapides).

Régénération de batterie

Les batteries plomb ouvert (chariots élévateur, nacelles etc...) ont une durée de vie limitée à environ 1.500 cycles. Lors du stockage et de la restitution de l'énergie au cours de cycles d'utilisation normaux, des cristaux de sulfate s'accumulent graduellement sur les électrodes, empêchant la batterie de fournir efficacement du courant. Les cristaux "étouffent" en fait la batterie. Même une charge de désulfatation n'empêche pas toujours que l'on doive remplacer la batterie après quelques années.

La sulfatation est une des causes de vieillissement d'une batterie au plomb qui ont été déchargées pendant un certain temps avant la recharge, mais il y a aussi un autre facteur de vieillissement qui est la transformation au cours des cycles de charge/décharge de la matière active de l'électrode positive. Celle-ci est constitué de dioxyde de plomb PbO2 qui cristallise sous 2 formes différentes (α-PbO2 et β-PbO2) dont une forme est constituée de petits cristaux, elle se transforme au cours des cycles en l'autre forme dont les cristaux sont plus gros, ce qui génère un gonflement de l'électrode qui se désagrège.

Notes et références

1. ↑ http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/batterie/8410
2. ↑ ^{a et b} www.nanoquebec.ca/nanoquebec_w/site/fiche/7322
3. ↑ [1]
4. ↑ diaporama complet sur le fonctionnement et différents exemples récents de batteries et accumulateurs, une ressource Ecole Normale Supérieure - DGESCO
5. ↑ [2]
6. ↑ [3]
7. ↑ [4]
8. ↑ [5]
9. ↑ fr.gizmodo.com/2007/01/23/les_batteries_eestor_trouvent
10. ↑ (fr)surtec - Batterie solaire

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• « Les batteries d'accumulateur », sur Wikibooks (livres pédagogiques)

Articles connexes

• Accumulateur électrique
• Batterie au plomb
• Accumulateur lithium
• Accumulateur nickel-zinc
• Batterie oléo-pneumatique
• Effet mémoire
• Pile électrique
• LiPo
• SCiB

Liens externes

• Maintenance et utilisation d'une batterie de voiture
• Voir un schéma détaillé d'une batterie d'automobile
• Les accus rechargeables, théorie et pratique
• Comment choisir la bonne batterie [PDF]