Les pilles et accumulateurs sont caractérisés par plusieurs unités de mesure: le voltage (ou la tension) et la capacité (ou l'ampèrage) sont les deux mesures les plus importantes.
Les unités de mesure utilisés en électricité sont décrites sur cette page. Ce sont évidemment les même unités, mais la description est adaptée.
1.5V |
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- Tension ou voltage (unité: volt) (anciennement: potentiel ou différence de potentiel)
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Le voltage qu'un élément fournit dépend de sa technologie: voici un petit tableau
Technologie Tension Piles classique (zinc-carbone) 1.5V Accus NiHM (Nickel-hydrure de métal) 1.2V Accu Acide-plomb (batterie de démarrage) 2.0V Accu lithium 3.7V Piles bouton lithium 3V La tension des piles classiques est plus élevée que celle des accus, mais la tension chute quand on prend du courant.
La tension des accus NiMH est relativement constante durant toute la durée de la décharge, tandis que celle des accus au plomb diminue au fur et à mesure que l'accu se vide.Pour obtenir une tension plus élevée, on place plusieurs éléments en série. Pour obtenir 6V on place 4 éléments de 1.5V ou 3 éléments de 2V l'un après l'autre.
Les appareils sont conçus pour une tension nominale (par exemple une radio qui fonctionne sur 6V), mais continuent à fonctionner quand la tension diminue, souvent avec une puissance sonore moindre ou une réception moins bonne.
Batteries et accumulateurs
Unités de mesure
Niveau de l'eau
Le potentiel correspond au niveau de l'eau: un réservoir d'eau de 1000l dans un château d'eau à 30m du sol a un potentiel plus élevé que la piscine au premier étage.
Le niveau est toujours mesuré par rapport à un référentiel, par exemple la différence de niveau d'une centrale hydro-électrique, la différence de potentiel entre les deux pôles d'une pile, etc.
6A |
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- Courant ou ampèrage (unité: ampère)
- Le courant est une unité qui n'est pas vraiment utilisée pour caractériser une pile ou accu. Le courant dépend de ce que la charge demande: une petite ampoule demande un courant moins fort qu'une grosse ampoule, alors que c'est la même batterie qui fournit le courant.
Parfoit on indique le courant maximal qu'un accu peut fournir. Pour les batteries d'autos il s'agit de l'unité CCA (Cold Cranking Ampères): c'est l'intensité maximale qu'une batterie froide (-18°C) peut fournir pour faire démarrer le moteur.
Pour les accus on utilise une valeur C qui correspond à la capacité de l'accu. Un courant de charge ou de décharge de 0.1C est égal à un courant d'1/10 de la capacité. C'est important pour certains types d'accus qui ne peuvent pas être chargés trop rapidement (comme les accus nickel-fer).
Quand on demande un courant plus important que ce que l'accu ne peut donner, la tension disponible diminue (ce qui automatiquement diminue le courant dans l'utilisateur). Les fusibles servent à limiter le courant maximal dans des installations où le courant disponible est très élevé (réseau électrique ou grosses batteries).
L'ampèrage correspond au débit ou courant d'eau: une grosse rivière ou un ruisselet. Une rivière qui a un débit important doit avoir un lit plus important pour permettre le passage de toute cette eau: c'est également le cas avec les installations électriques qui ont des cables plus épais quand le courant est plus important.
Quand on prélève beaucoup d'eau dans une rivière, son niveau diminue: c'est également le cas avec les batteries.
Deux fusibles qui sont utilisés dans les appareils électroniques.
2700mAh |
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- Capacité ou charge électrique (unité: ampère-heure ou Ah)
- La capacité d'un accu est souvent indiquée sur l'accu. C'est avec la tension nominale la valeur la plus importante. La capacité est normalement donnée pour une décharge lente (0.1C), ce qui ne correspond pas toujours à la réalité. La capacité disponible est moindre quand on décharge rapidement l'accu (loi de Peukert), l'effet est moins prononcé avec certaines technologies.
La capacité de l'accu diminue légèrement à chaque utilisation (perte d'électrolyte ou usure des électrodes). Il est possible de régénérer certaines batteries, mais le résultat n'est pas garanti.
L'accu perd de sa charge quand il n'est pas utilisé. Cette perte dépend de la technologie utilisée et de la température. Les accus NiMH LSD (low self discharge) sont optimalisés pour avoir une faible auto-décharge.
Correspond à la capacité d'un réservoir (château d'eau ou piscine).
Les fuites du réservoir correspondent à l'auto-décharge des accus.
60W |
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- Puissance et énergie (unité: watt et watt-heure)
- La puissance est le produit de la tension et de l'intensité. Une ampoule de 50W éclaire aussi fort, quel que soit son alimentation électrique: sous 12V l'ampoule consomme 4.2A, sous 230V il suffit de 0.22A. Puisqu'on peut réduire le courant en augmentant la tension, on utilise les tensions les plus élevées possibles selon les impératifs: pour une voiture, une batterie de 12V suffit, tandis qu'un camion a une batterie de 24V. La tension plus élevée permet de réduire le courant nécessaire (et donc l'épaisseur des conducteurs).
Les accumulateurs Nickel-Zinc ont une indication de capacité en Wh, qui, si elle est techniquement correcte, est surtout utilisée pour camoufler le fait que ces accus ont une capacité (en ampère-heure) moindre que la technologie NiMH.
Quand on parle de puissance, il s'agit d'une puissance instantannée. Une ampoule consomme autant. L'énergie, c'est la puissance consommée pendant un certain temps. La puissance se rapporte à une ampoule (qui consomme autant de watt), tandis qu'un accu enmagasine de l'énergie: la faculté de fournir une puissance pendant un temps donné.
La densité d'énergie permet d'évaluer les performances des différentes technologies de stockage. On utilise aussi bien la densité massique en watt-heure par kilogramme de masse (wh/kg) que la densité volumique en watt-heure par litre de volume (wh/l) selon l'application.
C'est le débit d'eau multiplié par la chute de niveau. On obtient la même puissance avec un petit débit mais une forte chute de niveau (chutes d'eau, cascades) qu'avec un fort débit et une faible dénivélation (fleuve tranquille). La puissance est une mesure instantanée.
Energie
C'est la faculté qu'à un réservoir de fournir de la puissance pendant un certain temps. L'énergie dépend du potentiel (chute de niveau) et de la quantité d'eau disponible (capacité du réservoir).
Un réservoir d'une capacité donnée peut se vider rapidement (il débite alors une forte puissance) ou lentement (il produit alors une puissance moindre, mais pendant plus longtemps).
1.5Ω |
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- Résistance (unité: ohm écrit Ω)
- En ce qui concerne les piles et accus, la résistance est une unitée cachée. La résistance interne n'est jamais indiquée sur l'emballage car elle dépend fortement de l'état de charge et de la température ambiante. Elle n'apparait que quand on tire du courant: la tension diminue. Une partie de la tension disponible se perd dans la résistance interne de la pile.
Quand un accu chauffe en charge (et même en décharge), c'est à cause de la résistance interne. Quand un courant circule dans une résistance, il produit un échauffement, et c'est aussi le cas ici. Un accu doit donc avoir la résistance interne la plus faible possible: cela réduit non seulement les pertes, mais permet également à l'appareil alimenté de fonctionner plus longtemps, puisque la tension aux bornes chute moins.
Ce sont les piles salines qui ont la plus grande résistance interne, causée par la présence d'oxide de manganèse, mauvais conducteur. Les piles alcalines qui utilisent également de l'oxide de manganèse réduisent la résistance interne par une structure interne différente. Les accus ont généralement une résistance interne très faible.
C'est la résistance interne qui fait que le rendement d'un accu diminue quand la charge augmente: en effet il y a plus de pertes quand le courant augmente.
La résistance correspond à un étranglement d'une rivière, qui limite la quantité d'eau qui peut passer et qui produit une différence de niveau avant et après l'étranglement. L'étranglement limite également le débit de l'eau disponible en aval.
1C = 0.278mAh |
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- Charge
- La charge (exprimée en coulomb) est une unité dérivée. C'est la quantité d'électricité correspondant à 6.24×1018 électrons. C'est une unité utilisée principalement en électricité statique (les condensateurs, les machines à électriser, etc... rappellez-vous!)
Quand on retrouve cette unité en électronique, c'est pour désigner le rendement coulombique ou l'efficacité d'un accu. Les accus plomb-acide et nickel-fer ont un mauvais rendement coulombique: il faut pomper plus d'électrons dans l'élement pour le recharger, une partie des électrons produisant des réactions parasites. Le rendement est d'environ 50% selon la charge. Les piles alcalines (qui ne sont pas faites pour être rechargées) ont un rendement coulombique très mauvais. Les accus au lithium-ion ont un très bon rendement coulombique de 99%, tandis que les condensateurs ont un rendement coulombique de 100% puisqu'il n'y a pas de réactions chimiques.
Il faut également tenir compte de l'efficacité energétique (rendement en puissance) qui est inférieure au rendement coulombique. Supposons un accu avec un rendement coulombique de 100%. Pendant al charge, la tension monte à 3V. Il faut donc 3W pour le charger avec un ampère. Pendant la décharge, la tension tombe à 2V. L'accu ne fournit donc qu'une puissance de 2W (rendement en puissance de 66%). Le rendement en puissance dépend du courant (charge et décharge).
La capacité (exprimée en Ah) et la charge (exprimée en Coulomb) sont deux unités identiques. Elles correspondent à la capacité du réservoir.
Dans un accu, la capacité correspond au nombre d'électrons qui vont d'un pôle à l'autre. Dans l'électrolyte, cela correpond au nombre d'ions (atomes ou molécules chargées électriquement) qui vont d'une électrode à l'autre.
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