On continue la présentation amorcée dans cet article. On va parler des différentes technologies de piles. Puis, on abordera d’autres sujets comme le couplage de pile (série/parallèle), les packs piles propriétaires et leurs copies.
Différents types de piles/ batteries
Petit historique
source : « Handbook of batteries »
La pile Leclanché, c’est un autre nom des piles salines. Ce graphique permet de répondre à la question : pourquoi utilise-t-on toujours des piles à usage unique alors qu’il existe des batteries rechargeable? C’est parce que la quantité d’énergie qui peut être stocké dans une pile est bien supérieure à celle qui peut être contenue dans une batterie pour un poids équivalent. Il y a également d’autres facteurs à prendre en compte comme l’auto-décharge et la gamme de température de fonctionnement.
Comparaison des types de piles les plus courants dans l’électronique grand public (et les systèmes d’alarme)
Les technologies de piles au lithium sont déjà assez anciennes, puisqu’elles sont toutes citées dans un article de 1994. On y trouve des détails sur le fonctionnement de chaque technologie.
Aujourd’hui, les principales technologies dans les piles grand public sont:
- piles salines : en général les moins, cher, avec une faible densité énergétique et une forte auto-décharge. Elles ne sont donc pas recommandées pour des systèmes d’alarme. On ne veut pas changer les piles tous les mois! Fonctionne dans la gamme [-5°C; +45°C].
- piles alcalines : prix intermédiaire, avec une auto-décharge un peu plus faible et une meilleure densité énergétique. La tension en charge est d’environ 1.5V sur une pile neuve. Fonctionne dans la gamme [-20°C; +55°C].
- Li-FeS2 : piles lithium dite « compatible » avec les piles alcalines. La tension en charge est d’environ 1.6V sur une pile neuve. Par rapport aux piles alcalines, elles présentent une meilleure densité énergétique et une auto-décharge plus faible. Leur prix est plus élevé que pour les piles alcalines. Fonctionne dans la gamme [-20°C; +60°C].
- Li-MnO2 : utilisée principalement au travers des formats de piles « boutons ». On les trouve en format pile « bâton » pour des applications industrielles. Attention : ne pas mettre une pile Li-MnO2 dans un produit prévu pour des piles alcalines! La tension de 3V environ d’une pile Li/MnO2 n’est pas compatible avec un produit conçu pour fonctionner à 1.5V. Fonctionne dans la gamme [-20°C; +55°C].
- Li- SOCl2: utilisé principalement pour des applications industrielles, qu’on retrouve dans l’alarme. Fonctionne dans la gamme [-60°C; +85°C] avec une tension de 3V environ.
Il y a également la technologie Li-SO2, mais que je n’ai jamais vu dans des applications d’alarme.
Courbes de décharge
La tension, donnée est toujours la tension en charge (quand la pile débite du courant). Pour une pile alcaline neuve, on peut observer une tension « circuit ouvert » de 1.8V mais d’ 1.5V uniquement circuit « fermé ».
On voit que les courbes de décharge des piles lithium, il est assez difficile d’avoir une idée de la quantité d’énergie restante en fonction de la tension (surtout pour les piles Li/SOCl2), c’est pour cela qu’il existe des circuits dédiés pour monitorer la consommation, comme le MAX17201 (AppNote, datasheet), mais ces circuits ont une consommation qui peut être assez élevée (9µA). Attention, quand on voit la courbe de décharge du Li/SOCl2, on peut imaginer avoir une pile « parfaite »,mais il ne faut pas regarder la courbe de décharge sans regarder la courbe ci-dessous de variation en fonction de la charge et la température. En plus, il ne faut pas oublier qu’on a en plus de la dispersion (voir article précédent).
Sur le graphique ci-dessus on constate qu’en fonction de la charge, à 20°C environ, on peut avoir une variation de 500mV sur la tension délivrée par la batterie, et que pour un courant délivré de 60mA, entre -10°C et +55°C, on a une variation de 300mV environ.
On comprend aussi qu’il y a de nombreux effets non-linéaires, et que le modèle générateur de tension parfait + résistance interne qu’on voit au lycée montre vite ses limites.
Couplage : série / parallèle / alterné
Il y a principalement trois types de couplage possible série, parallèle, alterné : comme un petit schéma vaut mieux qu’un long discours :
Le schéma « série » est très utilisé car il permet d’augmenter la tension fournie au système (ici R1). Par contre, le courant qui sera débité au maximum sera celui pouvant être délivré par une seule des deux piles. Il permet à partir de deux piles alcaline 1.6V d’obtenir une tension de 3.2V environ. Il a pour principal défaut que si l’une des deux piles lâche, l’alimentation est rompue. Par exemple les piles du détecteur d’ouverture de Netatmo sont en série.
Le schéma « parallèle » qui permet de délivrer un courant qui est la somme des courants délivrable par chacune des piles. La tension sera celle d’une seule pile. Attention, ne pas reproduire le schéma ci-dessus directement, il est dangereux! En effet, il nécessite d’autres éléments comme une paire de diodes schottky, ou des composants dit « diodes idéales » comme le LTC4451 pour éviter qu’une pile se décharge dans l’autre. Imposer un courant inverse dans une pile peu conduire à un échauffement, voir un incendie.
Le schéma « alterné » où, on tourne toujours sur une seule pile, alternativement l’une et l’autre. Ce schéma permet de tourner sur une seule pile si l’autre est défectueuse ou absente. Si on ajoute de l’électronique pour le détecter.
On peut avoir des schémas qui combinent les 3 types d’association. Par exemple la sirène de Netatmo met en parallèle deux groupes de deux piles alcalines en série. On a donc 4 piles au total.
Les packs propriétaires
Les marques d’alarme « premium » (Delta dore et Daitem par exemple ) utilisent des packs propriétaires qui leurs permettent de garantir l’autonomie de leur produits en garantissant les piles utilisées. Les entreprises d’alarme ne fabriquent pas elles-mêmes les piles, dans ces packs vous trouverez donc des piles « classiques » fabriquées par d’autres entreprises. Si on prend comme exemple le pack BAT CS 8000 vendu sur le site de Delta-Dore environ 100€, on voit rapidement qu’il est construit autour de la pile LSH20 de chez Saft (deux piles LSH20 en parallèle pour avoir une énergie de 26Ah et une tension de 3.6V). On trouve les piles à environ 20€/pièce sur internet. Attention car le pack peut également contenir des éléments de sécurité (diodes par exemple).
Les copies de pack propriétaires
Les packs propriétaires sont assez cher, une société française est assez connue pour ses pack « compatibles » : BatSecur. Il y existe d’autres fabriquants « européen » de packs compatibles.
On peut trouver sur internet des packs « Originaux » et « Batsecur » à des prix défiants toute concurrence. J’ai vu des rapports deux voir plus sur les prix affichés sur d’autres sites. Attention, il peut s’agir de contrefaçon, et rien ne dit qu’à l’intérieur des packs se trouve des piles équivalentes à celles des packs originaux. Pas forcément les mêmes fabricants ni les mêmes technos, rien ne dit que ça marchera chez vous en plein hivers! Il peut également s’agir de « vieux « stocks bradés de produits « officiels ». Attention à l’auto-décharge, renseignez vous sur les dates-codes de production.
Méfiez-vous des trop bonnes affaires.
En général, sur les contrefaçons, la mécanique du pack est légèrement différente. On peut aussi voir des différences sur les étiquettes.
Récap’
On a donc vu différentes technologies, avec leurs particularités. Ensuite, on a parlé du couplage (série/parallèle/alterné), et compris qu’il fallait éviter qu’une pile se décharge dans l’autre quand elles sont en parallèle. On a vu enfin les packs propriétaires et leurs copies. Il reste encore plein de sujets à aborder sur les piles. Je ferais peut-être encore un topo avec les principales marque de piles, et parler de comment gérer la fin de vie des piles dans les applications d’alarme…
Bonus : des liens en plus
Conseils de saft pour le choix d’une pile lithium thiorure chlonyle (en anglais).
Le site batteryuniversity.com donne plein d’infos sur les piles et les batteries (en anglais)
Présentation sur la sécurité des batteries et les coûts associés au rappel (en anglais).