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Critères de choix d’une source d’énergie

Avr 2021 | Expertise

La question du choix d’une source d’énergie autonome est importante lors de la conception d’un nouveau produit.

Plusieurs points doivent être examinés et la réponse est souvent la résultante d’une combinaison de plusieurs critères techniques, financiers, d’usage, d’encombrement, de poids, d’environnement (température…), de disponibilité sur les marchés internationaux ou encore de marketing.  

Choix d’une technologie et d’un format

D’une manière générale, plus la puissance à fournir est élevée, plus on est dans le domaine des accumulateurs. Et inversement pour les piles.  
  • Sachant, que pour un type d’appareil donné, les progrès technologiques peuvent modifier ce schéma : l’exemple le plus concret, étant dans le monde de la photo, où les appareils présents sur le marché ont souvent oscillé entre piles et accumulateurs.
  • Certains produits ne peuvent être raisonnablement alimentés que par une pile (télécommande, pendulette,…), d’autres que par un accumulateur (ordinateur portable, véhicule électrique…). En revanche pour d’autres appareils, la réponse n’est pas évidente (appareil photo, baladeur MP3…), et doit être examinée avec attention.
 

Les 3 critères les plus importants pour définir une pile ou un accumulateur sont : le système électrochimique, la plage de tension et la capacité.

1. Le système électrochimique : il définit le cadre général (tension nominale, caractéristiques générales de décharge, auto-décharge, mode de charge,…). Il faut se reporter aux caractéristiques générales de chaque technologie (voir paragraphe 3).
2. La plage de tension : elle correspond aux variations de tension acceptables par l’appareil. Elle est bornée par une tension maxi et une tension mini. Il est important de prendre en compte les fausses compatibilités entre systèmes électrochimiques différents : ainsi, il est généralement considéré qu’un appareil conçu pour fonctionner avec des piles alcalines AA peut fonctionner avec des piles primaires ou rechargeables : tout est compatible. Or, si on observe les tensions, on note que la tension nominale est de :
Alcaline : 1,5V  /  Li Fe S2 : 1,6V  /  NiMH : 1,2V.
Donc, en cas de mise en série de plusieurs piles (ce qui est un cas très fréquent), on peut dépasser le seuil de tension maximum autorisé avec un risque de surtension (pile alcaline au lieu de NiMH : écart de tension = 0,3V par pile), ou à l’inverse ne pas démarrer le système car en dessous du seuil de tension minimale.
Exemple : Les accumulateurs dits « 9V » NiMH, sont constitués, suivant les fabricants, soit de 6 éléments 1,2V en série (comme leurs homologues alcalins), soit de 7 éléments. Dans le premier cas, la tension de l’accumulateur est de 7,2V, dans le deuxième cas de 8,4V au lieu de 9V.
Si l’utilisateur final ne prend pas en compte cette particularité, et que la tension de coupure (tension minimum) de l’appareil est proche de 8V, il y a un risque de non fonctionnement.
3. La capacité :
Elle s’exprime en Ah (ampère heure) ou en mAh (milli ampère heure). Dans le système international (SI), l’unité de mesure officielle est le Coulomb, mais les pratiques de la profession ont adopté l’Ampère heure comme unité.
Elle mesure la quantité d’énergie disponible dans la pile.
La capacité restituée et la capacité nominale ne sont pas identiques (notion de rendement) : ceci est particulièrement vrai pour la plupart des piles et peu sensible pour la plupart des piles rechargeables.
Elle dépend de plusieurs facteurs : de la quantité de matières actives (volume de la pile), et du système électrochimique.
Pour une pile donnée, la capacité dépend de 4 paramètres prépondérants :
  • le régime de décharge (valeur du courant de décharge)
  • le mode de décharge (continu ou discontinu)
  • la tension minimale (cut-off voltage)
  • la température

Une question souvent posée est : pourquoi la capacité n’est jamais indiquée sur les piles primaires ? Il y a plusieurs réponses :
  • Les normes internationales (IEC, ANSI) qui existent depuis 1950 n’ont jamais spécifié qu’il fallait indiquer la valeur des capacités, pour éviter les confusions sur l’interprétation de ces valeurs
  • Le risque de confusion et de mauvaise interprétation est énorme pour le développeur et pour l’utilisateur, qu’il soit professionnel ou grand public.

Voici un exemple réel basé sur une pile LR6/AA neuve pour un appareil photo numérique :

 
  Radio Télécommande Jouet Photo flash Photo numérique
Test 43 Ohms 24 Ohms 3.9 Ohms 1000 mA 1500/650mW
Pile A 2700mAh 2500mAh 2350mAh 1380mAh 320mAh
Pile B 2800mAh 2600mAh 2400mAh 1000mAh 180mAh
Pile C 2500mAh 2300mAh 2200mAh 1500mAh 400mAh
Si on prend le « critère » sur lequel est choisie la capacité dans le cas de petits accumulateurs NiMH ou NiCd, il est évident que les piles A, B et C seraient marquées respectivement : 2700mAh, 2800mAh et 2500mAh avec les niveaux de prix et positionnement marketing correspondants.
Quelle pile choisir ? La pile B qui a la plus forte capacité annoncée, 2800mAh ? Certainement pas, puisqu’elle donne les résultats les plus mauvais dans une application photo numérique. Si l’on tient compte d’autres facteurs comme l’auto-décharge ou la température, les résultats sont encore différents :  

Reprenons l’exemple ci-dessus : les piles ont cette fois été stockées pendant 1 an à 20°C :
  Radio Télécommande Jouet Photo flash Photo numérique
Test 43 Ohms 24 Ohms 3.9 Ohms 1000 mA 1500/650mW
Pile A 2565mAh 2375mAh 2233mAh 1311mAh 302mAh
Pile B 2520mAh 2340mAh 2160mAh 900mAh 162mAh
Pile C 2125mAh 1955mAh 1870mAh 1275mAh 340mAh

Quelle pile choisir ? La pile A qui a la plus forte rétention de capacité ? Pas forcément, puisque la pile C donne de meilleurs résultats dans une application photo numérique ! 

Conclusion : La capacité d’une pile n’est pas une valeur intrinsèque. C’est une donnée à utiliser avec beaucoup de circonspection, en tenant en compte l’ensemble des critères cités ci-dessus et non seulement un seul.Le sujet est souvent évoqué en comparaison avec les piles rechargeables qui elles indiquent leur capacité sur leur emballage. Ne pas se méprendre : la valeur indiquée par les accumulateurs n’est que leur capacité à régime très lent, donc une donnée très incomplète.