Première partie les piles

Nos maisons sont remplies de capteurs et autres modules qui remontent sans cesse des informations à notre centrale domotique. Certains capteurs sont alimentés sur secteurs, mais la plupart utilisent des piles ou encore des batteries comme source d’alimentation.

J’ai démarré la rédaction d’un article qui me semblait devenir trop volumineux, j’ai donc décidé de le découper en 3 parties.

Les buts de ces articles consistent à couvrir ces différents sujets:

• expliquer les différences entre les piles et les batteries,
• comparer les différents types de piles,
• comparer les différents types de batteries,
• comprendre et interpréter la vue équipements de jeedom,
• vous montrez comment prolonger la vie de vos piles et batteries dans vos équipements,
• comment remiser les piles et batteries sans danger,
• vous guidez dans vos futurs achats de ces consommables.

La première partie se concentrera sur les piles, la seconde sur les batteries pour arriver à une 3^ème partie sur l’aspect utilisation. Donc les 2 premiers seront très théoriques et le dernier de la mise en pratique.

Introduction

Étant de formation en électronique, j’ai eu l’occasion de m’attarder à plusieurs reprises sur la problématique de l’alimentation de capteurs, circuit de charge, de la veille prolongée des équipements et des différentes possibilités d’utilisation de pile ou batterie. Dans mon premier emploi, j’ai participé à la réalisation d’un vérificateur automatique de batteries. Il permettait entre autre de s’assurer de la capacité d’une batterie et aussi d’en éliminer l’effet mémoire.

Pour la partie chimie et comportement des piles et batteries, j’ai demandé de l’aide à Brice, ancien ingénieur en Aéronautique, qui a également travaillé plusieurs années en tant qu’Ingénieur commercial dans le développement et la fabrication de batteries sur mesure. Brice œuvre maintenant dans la domotique, il a monté la boutique Ma Maison Intelligente en Novembre dernier avec un joli showroom de 50m² dans la région de Nantes. La boutique met en avant la domotique sans fil et filaire basée principalement sur Jeedom. Ma Maison Intelligente propose la vente au détail des produits bien connus dans nos systèmes (Fibaro, zipato, Aeon-Labs …) mais sa spécialité est dans la mise en œuvre de solution domotique sur mesure allant du conseil à l’installation complète.

Je tiens à remercier Brice pour son aide et support à la rédaction de cet article.

La différence entre une pile et une batterie

Selon votre pays la distinction en pile et batterie, aussi appelées accumulateur, n’est pas toujours la même. Nous allons déjà ici nous concentrer à un équipement fournissant de l’électricité. Donc pas de batterie d’artillerie ni de pile de journaux.

Le terme batterie a commencé à être utilisé comme raccourci de batterie d’accumulateurs, soit un ensemble d’éléments rechargeables stockant et fournissant de l’électricité.

La pile désigne à l’origine un ensemble de pièces empilées les unes sur les autres, qui produisent de l’électricité à la suite d’une réaction chimique, mais de façon non réversible contrairement aux batteries.

De nos jours, seule la capacité à être rechargées différencie les batteries qui sont rechargeables et les piles à usage unique.

Si on veut titiller sur les définitions, la plupart des piles ne sont pas des piles puisqu’elles ne contiennent qu’un seul élément, en général de 1,5 V. Dans la même idée, la plupart des batteries ne sont pas des batteries car elles ne contiennent elles non plus qu’un seul élément, souvent de 1,2 V. Une batterie de voiture de 12V, elle, est une vraie batterie.

Nous allons donc, pour simplifier, nous concentrer que sur le volet usage unique pour les piles et rechargeable pour les batteries.

Pour l’anecdote, de la terminologie selon le pays, le vérificateur de batteries, s’appelait le V.A.P. pour vérificateur automatique de piles, au Québec on parle de piles rechargeables ! Donc à l’ouest de la définition.

Les types de piles

Autrement appelé stockage d’énergie primaire, les piles sont constituées d’une électrochimie non rechargeable. Les chimies utilisées entraînent automatiquement des caractéristiques différentes de tension nominale et de capacité. Mais elles entraînent également des réactions très différentes en fonction des températures, des courants et des formats (plates ou cylindriques).

Quelques caractéristiques principales à savoir :

La tension nominale

La tension nominale est la valeur moyenne correspondent à l’évolution de la tension au cours de la vie d’une pile. Ainsi quand on sait qu’une pile alcaline fait 1,5V de tension nominale, alors il n’est pas rare d’en trouver à 1,65V quand elles sont neuve et 1,3V quand elles sont mortes (la courbe n’est pas forcément très linéaire).

La capacité

Il s’agit ni plus ni moins de la quantité d’énergie stockée dans la pile. Elle s’exprime en mAh ou Ah. Donc une pile de 1000mAh serait vidée en théorie en 1000h sous un courant de 1mA.

La lecture de la capacité peut se faire de deux façons différentes : lecture de la tension ou par colorimétrie.

La lecture de la tension doit se faire à vide, donc sans charge.

Certaines chimies ont des caractéristiques qui font que la tension varie proportionnellement en fonction de la capacité restante. Lorsque l’on lit la tension on peut en déduire l’énergie restante. La précision de cette mesure est entre 5 et 10% par rapport à la réalité.

Attention : une chimie ne permet pas d’utiliser cette mesure, pour déterminer la capacité restante: le Chlorure de thionyle (Li-SOCl2). Toutes les piles en 3,6V utilisent cette chimie, dont par exemples la fameuse pile ER14250 que vous retrouvez installée dans les capteurs de portes FGK101.

C’est donc pour cette raison que le pourcentage restant envoyé peut passer de 100% à 80% en quelques jours, puis stagner une année sur les 75% pour tomber morte, 0%, du jour au lendemain sans crier garde.

La colorimétrie est une technique plus pointue qui nécessite une électronique qui mesure en temps réel le courant sortant de la pile. La précision est alors au mAh. Cette technique n’est jamais utilisée dans nos capteurs et produits domotique car le circuit électronique est bien plus complexe à mettre en œuvre donc plus coûteux et ce système possède sa propre consommation donc cela engendrerait une pile plus grosse finalement pour un même usage.

La résistance interne

Cette résistance influence la capacité de la pile à décharger un fort courant dans le système, cette donnée est très importante pour les émissions de donnée radio. Donc un effet direct dans nos cas d’utilisation suivant la fréquence de réveil d’un capteur et ou de sa sollicitation en rapport de mesure. On utilise tout simplement la formule U=R x I  ce qui signifie que si la tension ne bouge pas et que la résistance monte alors le courant maximum possible faiblira.

De manière générale, plus la température diminue plus la résistance monte (et ce n’est pas linéaire mais exponentiel) et ceci quel que soit la chimie utilisée. Certaines chimies sont cependant légèrement moins sensibles à cela notamment le lithium.

La passivation

La passivation est un phénomène très rarement connu. Il s’agit d’un effet de cristallisation de l’électrolyte à l’intérieur de la pile qui génère donc une augmentation de la résistance interne. La passivation se produit lors de longs stockages ou lors de températures importantes (>25°C). Cette passivation dépend de la chimie utilisée et bien sûr du fabricant de la pile car il ce phénomène est très difficile à maîtriser en fabrication. Les chimies les plus impactées sont l’alcalin et le chlorure de thionyle (Li-SOCl2).

Pour contrer ce phénomène, il faudrait stocker à très froid ou faire vibrer la pile afin de casser la membrane de cristaux. L’application de courants réguliers ou importants peut aussi détruire cette passivation mais cela entraîne automatiquement une perte de capacité.

L’auto-décharge

L’auto-décharge comme son nom l’indique est une décharge automatique de la pile même non utilisée. Ce phénomène va peut aller de 1% par mois pour l’alcalin par exemples à 1% par an pour certaine pile au lithium.

Cela va de même en fonction de la température plus il fait froid moins cette donnée est importante. D’où la conservation de toutes les électrochimies en congélateur.

La construction de la pile

La construction de la pile joue énormément sur ses caractéristiques. Le courant de court-circuit notamment et la capacité. Pour faire simple, plus il y a d’électrode plus il y a de courant et inversement plus il y a d’électrolyte plus il y a de capacité. Ce qui donne que les piles cylindriques type LR6, LR3, LR20 sont bien plus puissantes que les piles plates (type CR2030, 2430, 2450) proportionnellement à la capacité bien sûr.

Comparatif des principales chimies en relation avec les caractéristiques

Sur la base des caractéristiques préalablement énumérés voici un comparatif entre les différents types de chimie de pile.

Améliorer la durée de vie de vos piles

Pour améliorer la durée de vie de vos piles on recommande :

• Les stocker à froid de préférence, permet de ralentir leurs vieillissements. Au minimum évitez de les stocker température supérieur à 20°C.
• Ne pas faire trop de grande réserve. L’auto-décharge joue contre vous, spécialement dans le cas des alcalines qui sont plutôt simple a se procurer.
• Prendre des piles de qualités, même si généralement plus cher. Je préfère payer le double un pile qui va durer 2 à 3 fois plus longtemps dans mon capteur. On a moins de maintenance à effectuer et notre domotique s’en porte mieux.

Revenons sur les le Chlorure de thionyle (Li-SOCl2) avec le cas concret des ER14250 utilisées entre autre dans les Fibaro FGK101. Elles sont sujettes au phénomène de passivation et c’est d’autant plus probable selon l’origine des piles. Il va de soi que le risque de passivation sur des piles acheté très bon marché (aliexpress et autre grossiste Chinois) on a plus de chance d’avoir ce défaut du aux contrôles qualités lors de leur confection. Bien qu’on vous recommande d’éviter d’acheter des copies de piles, l’attrait financier souvent peut nous gagner. Vous pouvez diminuer la passivation en brisant la cristallisation: il vous suffit de tapoter doucement sur une table (la faire vibrer) la pile avant de l’installer dans votre capteur. Le fait de le tapoter de cette façon, la cristallisation peut partiellement se briser sans endommager la pile pour autant. 

Conclusion

Nous venons de compléter ce premier article sur les piles et batteries. La matière est très théorique, mais pour arriver à couvrir le sujet dans son intégralité  j’ai opté pour cette approche.

Nous avons donc couvert les différences entre les piles et les batteries. Nous avons expliqué les différentes caractéristiques importantes des piles ainsi que la relation de ces caractéristiques selon le type de chimie utilisées lors de leurs conceptions. Et pour terminer quelques bonnes pratiques d’usage sur les piles.

Maintenant que l’on a vu les différentes caractéristiques des piles, certains d’entre vous seront embêtés par jeter les piles à chaque utilisation. On sait et on le verra dans le prochain article qu’il existe des batteries avec des capacités et des tensions « proches » des piles. Alors, Peut-on remplacer une pile par une batterie? Quelles conséquences ? 

A suivre …