Aéronautique : Piles

Cellule principale

La pile sèche est le type le plus courant de pile primaire et ses caractéristiques sont similaires à celles d'une pile électrolytique. Ce type de batterie est essentiellement conçu avec une électrode métallique ou une tige de graphite faisant office de borne (+) de cathode, immergée dans une pâte électrolytique. Cette accumulation électrode⁄électrolytique est ensuite enfermée dans un récipient métallique, généralement en zinc, qui lui-même sert de borne d'anode (-). Lorsque la batterie est dans un état de décharge, une réaction électrochimique se produit entraînant la consommation de l'un des métaux. En raison de cette consommation, le processus de charge n'est pas réversible. Tenter d'inverser la réaction chimique dans une cellule primaire au moyen d'une recharge est généralement dangereux et peut entraîner une explosion de la batterie. 

Ces piles sont couramment utilisées pour alimenter des éléments tels que des lampes de poche. Les piles primaires les plus courantes se trouvent aujourd'hui dans les piles alcalines, les piles à l'oxyde d'argent et les piles au lithium. Les premières cellules carbone-zinc, avec un poteau en carbone comme cathode et une coque en zinc comme anode, étaient autrefois répandues mais ne sont pas aussi courantes. 

Cellule secondaire 

Une cellule secondaire est tout type de cellule électrolytique dans laquelle la réaction électrochimique qui libère de l'énergie est réversible. La batterie de voiture au plomb est une batterie secondaire. L'électrolyte est de l'acide sulfurique (acide de batterie), l'électrode positive est du peroxyde de plomb et l'électrode négative est du plomb. Une batterie plomb-acide typique se compose de six cellules plomb-acide dans un boîtier. Chaque cellule produit 2 volts, donc toute la batterie produit un total de 12 volts.  

Les autres types de chimie de cellule secondaire couramment utilisés sont le nickel cadmium (NiCd), l'hydrure métallique de nickel (NiMH), le lithium-ion (Li-ion) et le polymère lithium-ion (polymère Li-ion).

Les batteries au plomb utilisées dans les avions sont similaires aux batteries automobiles. La batterie au plomb est composée d'une série de cellules identiques contenant chacune des ensembles de plaques positives et négatives. La figure illustre que chaque cellule contient des plaques positives de dioxyde de plomb (PbO2), des plaques négatives de plomb spongieux et un électrolyte (acide sulfurique et eau). Une cellule pratique est construite avec beaucoup plus de plaques que seulement deux afin d'obtenir la sortie de courant requise. Toutes les plaques positives sont reliées entre elles ainsi que tous les négatifs. Comme chaque plaque positive est toujours positionnée entre deux plaques négatives, il y a toujours une ou plusieurs plaques négatives par rapport aux plaques positives.

Entre les plaques se trouvent des séparateurs poreux qui empêchent les plaques positives et négatives de se toucher et de court-circuiter la cellule. Les séparateurs ont des nervures verticales sur le côté faisant face à la plaque positive. Cette construction permet à l'électrolyte de circuler librement autour des plaques. De plus, il fournit un chemin pour que les sédiments se déposent au fond de la cellule.

Chaque cellule est logée dans un boîtier en caoutchouc dur à travers le haut duquel se trouvent des bornes et un trou dans lequel un bouchon d'évent anti-déversement est vissé. Le trou permet d'accéder pour tester la résistance de l'électrolyte et ajouter de l'eau. Le bouchon d'évent permet aux gaz de s'échapper de la cellule avec un minimum de fuite d'électrolyte, quelle que soit la position que l'avion pourrait prendre. En vol en palier, le lest de plomb permet l'évacuation des gaz à travers un petit trou. En vol dos, ce trou est recouvert par le plomb.   

Les cellules individuelles de la batterie sont connectées en série au moyen de bandes de cellules. L'ensemble complet est enfermé dans un boîtier métallique résistant aux acides (boîtier à piles), qui sert de blindage électrique et de protection mécanique. Le boîtier de la batterie a un dessus amovible. Il a également un mamelon de tube de ventilation à chaque extrémité. Lorsque la batterie est installée dans un avion, un tube de mise à l'air libre est fixé à chaque mamelon. Un tube est le tube d'admission et est exposé au sillage. L'autre est le tube d'évent d'échappement et est fixé au puisard de vidange de la batterie, qui est un bocal en verre contenant un tampon de feutre humidifié avec une solution concentrée de bicarbonate de sodium (bicarbonate de soude). Avec cet agencement, le flux d'air est dirigé à travers le boîtier de la batterie où les gaz de la batterie sont captés, neutralisés dans le puisard, puis expulsés par-dessus bord sans endommager l'avion.

Pour faciliter l'installation et le retrait de la batterie dans certains aéronefs, un ensemble de déconnexion rapide est utilisé pour connecter les câbles d'alimentation à la batterie. Cet ensemble relie les fils de la batterie dans l'avion à une prise montée sur le côté de la batterie. La prise recouvre les bornes de la batterie et empêche les courts-circuits accidentels lors de l'installation et du retrait de la batterie. La fiche se compose d'une douille et d'un volant avec un filetage à pas de course. Il peut être facilement connecté au réceptacle par le volant. Un autre avantage de ce montage est que la fiche ne peut être installée que dans une seule position, supprimant la possibilité d'inverser les fils de la batterie. 

La tension de la cellule plomb-acide est d'environ deux volts afin d'atteindre la tension requise pour l'application. Chaque cellule est ensuite connectée en série avec des bandes métalliques de gros calibre pour former une batterie. Dans une batterie typique, telle que celle utilisée dans un avion pour le démarrage, la tension requise est de 12 ou 24 volts. Cette tension est obtenue en connectant respectivement six ou douze cellules ensemble en série et en les enfermant dans une boîte en plastique.

Chaque cellule contenant les plaques est remplie d'un électrolyte composé d'acide sulfurique et d'eau distillée d'une densité de 1,270 à 60 °F. Cette solution contient des ions hydrogène positifs et des ions sulfate négatifs (SO4) qui sont libres de se combiner avec d'autres ions et de former un nouveau composé chimique. Lorsque la cellule est déchargée, les électrons quittent la plaque négative et s'écoulent vers les plaques positives où ils provoquent la décomposition du dioxyde de plomb (PbO2) en ions oxygène négatifs et en ions plomb positifs. Les ions oxygène négatifs se joignent aux ions hydrogène positifs de l'acide sulfurique et forment de l'eau (H2O). Les ions sulfate négatifs se joignent aux ions plomb dans les deux plaques et forment du sulfate de plomb (PbSO4). Après la décharge, la gravité spécifique passe à environ 1.150. 

Caractéristiques de la batterie 

La tension d'une batterie est déterminée par le nombre de cellules connectées en série pour former la batterie. Bien que la tension d'une cellule plomb-acide qui vient d'être retirée d'un chargeur soit d'environ 2,2 volts, une cellule plomb-acide est normalement évaluée à environ 2 volts. Une batterie évaluée à 12 volts se compose de 6 cellules plomb-acide connectées en série, et une batterie évaluée à 24 volts est composée de 12 cellules.  

La cote de batterie la plus courante est la cote ampère-heure. Il s'agit d'une unité de mesure de la capacité de la batterie. Il est déterminé en multipliant un flux de courant en ampères par le temps en heures pendant lequel la batterie est déchargée. 

Une batterie d'une capacité de 1 ampère-heure doit pouvoir fournir en continu un courant de 1 ampère à une charge pendant exactement 1 heure, ou 2 ampères pendant 1/2 heure, ou 1/3 ampère pendant 3 heures, etc., avant d'être complètement déchargé. En fait, la sortie en ampères-heures d'une batterie particulière dépend de la vitesse à laquelle elle est déchargée. Un courant de décharge élevé chauffe la batterie et diminue son efficacité et sa sortie totale en ampères-heures. Pour les batteries d'avion, une période de 5 heures a été établie comme temps de décharge dans la capacité nominale de la batterie. Cependant, ce temps de 5 heures n'est qu'une base de calcul et ne signifie pas nécessairement la durée pendant laquelle la batterie est censée fournir du courant. Dans les conditions réelles de service, la batterie peut être complètement déchargée en quelques minutes, 

La capacité en ampères-heures d'une batterie dépend de sa surface de plaque efficace totale. La connexion des batteries en parallèle augmente la capacité en ampères-heures. La connexion des batteries en série augmente la tension totale mais pas la capacité en ampères-heure. 

Cycle de vie d'une batterie 

Le cycle de vie de la batterie est défini comme le nombre de cycles complets de charge/décharge qu'une batterie peut effectuer avant que sa capacité de charge normale ne tombe en dessous de 80 % de sa capacité nominale initiale. La durée de vie de la batterie peut varier de 500 à 1 300 cycles. Divers facteurs peuvent entraîner la détérioration d'une batterie et raccourcir sa durée de vie. Le premier est une décharge excessive, qui provoque une sulfatation excessive ; deuxièmement, une charge ou une décharge trop rapide qui entraîne une surchauffe des plaques et une perte de matière active. L'accumulation de matière perdue, à son tour, provoque un court-circuit des plaques et entraîne une décharge interne. Une batterie qui reste dans un état faible ou déchargé pendant une longue période peut être endommagée de façon permanente. La détérioration peut se poursuivre jusqu'à un point où la capacité des cellules peut chuter à 80 % après 1 000 cycles. Dans de nombreux cas,    

Méthodes de test des batteries au plomb 

L'état de charge d'un accumulateur dépend de l'état de ses matériaux actifs, principalement les plaques. Cependant, l'état de charge d'une batterie est indiqué par la densité de l'électrolyte et est vérifié par un hydromètre, un instrument qui mesure la gravité spécifique (poids par rapport à l'eau) des liquides.  

L'aréomètre le plus couramment utilisé consiste en un petit tube de verre scellé lesté à son extrémité inférieure de sorte qu'il flotte à la verticale. Dans la tige étroite du tube se trouve une échelle en papier avec une plage de 1.100 à 1.300. Lorsqu'un hydromètre est utilisé, une quantité d'électrolyte suffisante pour faire flotter l'hydromètre est aspirée dans la seringue. La profondeur à laquelle l'hydromètre s'enfonce dans l'électrolyte est déterminée par la densité de l'électrolyte, et la valeur d'échelle indiquée au niveau de l'électrolyte est sa gravité spécifique. Plus l'électrolyte est dense, plus l'hydromètre flotte haut ; par conséquent, le nombre le plus élevé sur l'échelle (1.300) se situe à l'extrémité inférieure de l'échelle de l'hydromètre.

Dans une nouvelle batterie de stockage d'avion entièrement chargée, l'électrolyte est composé d'environ 30 % d'acide et de 70 % d'eau (en volume) et est 1 300 fois plus lourd que de l'eau pure. Lors de la décharge, la solution (électrolyte) devient moins dense et sa densité descend en dessous de 1.300. Une lecture de gravité spécifique entre 1.300 et 1.275 indique un état de charge élevé ; entre 1,275 et 1,240, un état de charge moyen ; et entre 1.240 et 1.200, un état de charge bas. Les batteries d'avions sont généralement de faible capacité mais sont soumises à de fortes charges. Les valeurs indiquées pour l'état de charge sont donc plutôt élevées. Des tests hydrométriques sont effectués périodiquement sur toutes les batteries de stockage installées dans les avions. Une batterie d'avion dans un état de charge faible peut avoir peut-être 50 % de charge restante, mais est néanmoins considéré comme faible face à de fortes sollicitations qui l'épuiseraient bientôt. Une batterie dans un tel état de charge est considérée comme nécessitant une recharge immédiate.

Lorsqu'une batterie est testée à l'aide d'un hydromètre, la température de l'électrolyte doit être prise en considération. Les lectures de gravité spécifique sur l'hydromètre varient de la gravité spécifique réelle à mesure que la température change. Aucune correction n'est nécessaire lorsque la température se situe entre 70 °F et 90 °F, car la variation n'est pas assez importante pour être prise en compte. Lorsque les températures sont supérieures à 90 °F ou inférieures à 70 °F, il est nécessaire d'appliquer un facteur de correction. Certains hydromètres sont équipés d'une échelle de correction à l'intérieur du tube. Avec les autres hydromètres, il faut se référer à une charte fournie par le fabricant. Dans les deux cas, les corrections doivent être ajoutées ou soustraites à la lecture indiquée sur l'hydromètre. 

La gravité spécifique d'une cellule n'est fiable que si rien n'a été ajouté à l'électrolyte, à l'exception de petites quantités occasionnelles d'eau distillée pour remplacer celle perdue à la suite de l'évaporation normale. Prenez toujours les lectures de l'hydromètre avant d'ajouter de l'eau distillée, jamais après. Cela est nécessaire pour laisser le temps à l'eau de bien se mélanger à l'électrolyte et pour éviter d'aspirer dans la seringue de l'hydromètre un échantillon qui ne représente pas la véritable concentration de la solution.

Soyez extrêmement prudent lorsque vous effectuez le test hydromètre d'une cellule plomb-acide. Manipulez l'électrolyte avec précaution car l'acide sulfurique brûle les vêtements et la peau. Si l'acide entre en contact avec la peau, lavez soigneusement la zone avec de l'eau, puis appliquez du bicarbonate de soude. 

Méthodes de charge des batteries au plomb 

Faire passer un courant continu à travers la batterie dans une direction opposée à celle du courant de décharge peut charger une batterie de stockage. En raison de la résistance interne (IR) de la batterie, la tension de la source de charge externe doit être supérieure à la tension en circuit ouvert. Par exemple, la tension en circuit ouvert d'une batterie au plomb à 12 cellules complètement chargée est d'environ 26,4 volts (12 × 2,2 volts), mais environ 28 volts sont nécessaires pour la charger. Cette tension plus élevée est nécessaire pour la charge en raison de la chute de tension dans la batterie causée par la résistance interne. Par conséquent, la tension de charge d'une batterie au plomb doit être égale à la tension en circuit ouvert plus la chute IR dans la batterie (produit du courant de charge et de la résistance interne).    

Les batteries sont chargées par la méthode de tension constante ou de courant constant. Dans la méthode à tension constante, un moteur-générateur réglé avec une tension constante et régulée force le courant à travers la batterie. Dans cette méthode, le courant au début du processus est élevé mais diminue automatiquement, atteignant une valeur d'environ 1 ampère lorsque la batterie est complètement chargée. La méthode à tension constante nécessite moins de temps et de supervision que la méthode à courant constant.

Dans la méthode à courant constant, le courant reste presque constant pendant tout le processus de charge. Cette méthode nécessite plus de temps pour charger complètement une batterie et, vers la fin du processus, présente un risque de surcharge, si l'on n'y prend garde. 

Dans l'avion, la batterie de stockage est chargée en courant continu à partir du système générateur de l'avion. Cette méthode de charge est la méthode à tension constante, car la tension du générateur est maintenue constante grâce à l'utilisation d'un régulateur de tension.

Lorsqu'une batterie de stockage est chargée, elle génère une certaine quantité d'hydrogène et d'oxygène. Comme il s'agit d'un mélange explosif, il est important de prendre des mesures pour empêcher l'inflammation du mélange gazeux. Desserrez les bouchons d'aération et laissez-les en place. Ne laissez pas de flammes nues, d'étincelles ou d'autres sources d'inflammation à proximité. Avant de déconnecter ou de connecter une batterie à la charge, coupez toujours l'alimentation au moyen d'un interrupteur à distance. La figure montre l'équipement de charge de la batterie.  

Piles au nickel-cadmium 

Chimie et Construction 

Les matériaux actifs dans les cellules nickel-cadmium (Ni-Cad) sont l'hydrate de nickel (NiOOH) dans la plaque positive chargée (anode) et le cadmium spongieux (Cd) dans la plaque négative chargée (cathode). L'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium (KOH) à une concentration de 20 à 34 % en poids de KOH pur dans de l'eau distillée.

Les cellules de nickel-cadmium frittées ont des matrices de nickel frittées relativement minces formant une structure de grille de plaques. La structure de la grille est très poreuse et est imprégnée du matériau actif positif (hydroxyde de nickel) et du matériau négatif (hydroxyde de cadmium). Les plaques sont ensuite formées en frittant de la poudre de nickel sur un grillage à mailles fines. Dans d'autres variantes du procédé, le matériau actif dans la matrice frittée est converti chimiquement ou thermiquement en un état actif puis formé. En général, ces cycles d'imprégnation et de formation comportent de nombreuses étapes. Les cellules à plaques frittées minces conviennent parfaitement aux services de charge et de décharge à très haut débit. Les cellules nickel-cadmium à plaque de poche ont la matière active positive ou négative, pressée dans des poches de plaques d'acier nickelées perforées ou dans des tubes. Le matériau actif est piégé en toute sécurité en contact avec un collecteur de courant métallique, de sorte que la perte de matériau actif est largement éliminée. Les conceptions de plaque varient en épaisseur en fonction des exigences de service de cyclisme. La tension de cellule en circuit ouvert typique d'une batterie au nickel-cadmium est d'environ 1,25 volts.

Fonctionnement des cellules nickel-cadmium 

Lorsqu'un courant de charge est appliqué à une batterie au nickel-cadmium, les plaques négatives perdent de l'oxygène et commencent à former du cadmium métallique. La matière active des plaques positives, l'hydroxyde de nickel, s'oxyde de plus en plus. Ce processus se poursuit pendant que le courant de charge est appliqué ou jusqu'à ce que tout l'oxygène soit éliminé des plaques négatives et qu'il ne reste que du cadmium.  

Vers la fin du cycle de charge, les cellules émettent du gaz. Cela se produit également si les cellules sont surchargées. Ce gaz est causé par la décomposition de l'eau dans l'électrolyte en hydrogène sur les plaques négatives et en oxygène sur les plaques positives. La tension utilisée pendant la charge, ainsi que la température, déterminent le moment où le gazage se produit. Pour charger complètement une batterie au nickel-cadmium, un certain dégagement gazeux, même léger, doit avoir lieu; ainsi, de l'eau est utilisée.

L'action chimique est inversée lors de la décharge. Les plaques positives cèdent lentement de l'oxygène, qui est récupéré par les plaques négatives. Ce processus se traduit par la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. Lors de la décharge, les plaques absorbent une quantité d'électrolyte. Lors de la recharge, le niveau de l'électrolyte monte et, à pleine charge, l'électrolyte est à son niveau le plus élevé. Par conséquent, l'eau ne doit être ajoutée que lorsque la batterie est complètement chargée.

La batterie nickel-cadmium est généralement interchangeable avec le type plomb-acide. Lors du remplacement d'une batterie plomb-acide par une batterie nickel-cadmium, le compartiment de la batterie doit être propre, sec et exempt de toute trace d'acide de l'ancienne batterie. Le compartiment doit être lavé et neutralisé avec une solution d'ammoniac ou d'acide borique, laisser sécher complètement, puis peint avec un vernis résistant aux alcalis.

Le tampon dans le bocal de puisard de la batterie doit être saturé d'une solution à trois pour cent (en poids) d'acide borique et d'eau avant de connecter le système de ventilation de la batterie. 

Batteries plomb-acide scellées (SLA) 

Dans de nombreuses applications, les batteries au plomb-acide scellées (SLA) sont de plus en plus utilisées par rapport aux batteries au plomb-acide inondées et aux batteries Ni-Cad. L'une des principales caractéristiques des batteries Ni-Cad est qu'elles fonctionnent bien dans les applications à basse tension, à décharge complète et à cycle élevé. Cependant, ils ne fonctionnent pas aussi bien dans les applications de veille prolongée, telles que les batteries auxiliaires ou de secours utilisées pour alimenter les unités de référence inertielle ou les équipements de secours (gyroscope d'attitude).   

Il est typique lors de l'entretien d'une batterie Ni-Cad de faire correspondre jusqu'à vingt cellules individuelles afin d'éviter le déséquilibre et donc l'inversion des cellules en fin de décharge. Lorsqu'un Ni-Cad s'inverse, une pression et une chaleur très élevées peuvent en résulter. Le résultat est souvent une rupture du joint de pression et, dans le pire des cas, une explosion de la cellule. Avec les batteries SLA, la correspondance des cellules est inhérente à chaque batterie. Les Ni-Cads ont également une caractéristique indésirable causée par une surcharge constante et des décharges peu fréquentes, comme dans les applications de veille. Il est techniquement connu sous le nom de « dépression de tension » et communément, mais à tort, appelé « effet mémoire ». Cette caractéristique n'est détectable que lorsqu'une décharge complète est tentée. Ainsi, il est possible de croire qu'une charge complète existe, alors qu'en réalité ce n'est pas le cas.

La batterie de secours Ni-Cad nécessite un équipement de test relativement compliqué en raison des caractéristiques complexes du Ni-Cad. Les batteries au plomb-acide scellées n'ont pas ces caractéristiques capricieuses et il n'est donc pas nécessaire d'acheter un équipement spécial pour l'entretien des batteries. Certains fabricants de batteries SLA ont inclus dans les batteries un moyen par lequel la batterie peut être testée alors qu'elle est encore installée sur l'avion. Les Ni-Cads doivent faire l'objet d'un test d'énergie programmé sur banc en raison de l'impossibilité de mesurer leur niveau d'énergie sur l'avion et de leur défaut notable de "mémoire". 

La batterie SLA peut être conçue pour alerter le technicien si une batterie est défaillante. De plus, il peut être possible de tester les circuits de détection de panne en activant un bouton de test intégré (BITE). Cette pratique réduit considérablement la paperasse de la FAA et la charge de travail de maintenance.

Batteries lithium-ion 

Les batteries au lithium-ion sont le principal type de batterie pour de nombreux types d'équipements grand public, tels que les téléphones portables, les outils alimentés par batterie et les ordinateurs, mais elles sont désormais également utilisées dans les avions commerciaux et militaires. La FAA a certifié les batteries lithium-ion à utiliser dans les avions et l'un des premiers avions à utiliser la batterie lithium-ion est le Boeing 787. Les trois principaux composants fonctionnels d'une batterie lithium-ion sont les électrodes positives et négatives et l'électrolyte. Généralement, l'électrode négative d'une cellule lithium-ion classique est en carbone. L'électrode positive est un oxyde métallique et l'électrolyte est un sel de lithium dans un solvant organique. Les rôles électrochimiques des électrodes s'inversent entre l'anode et la cathode, selon le sens du courant à travers la cellule. Les batteries au lithium-ion peuvent être dangereuses dans certaines conditions et peuvent présenter un risque pour la sécurité car elles contiennent, contrairement aux autres batteries rechargeables, un électrolyte inflammable et sont également maintenues sous pression. Dans certaines conditions, ils peuvent surchauffer et provoquer un incendie. L'avion Boeing 787 utilise deux grandes batteries lithium-ion 32V à 8 cellules. Ces batteries sont beaucoup plus légères et plus puissantes que les batteries Ni-Cad utilisées dans les avions de taille similaire. Ces batteries peuvent produire 150 A pour la mise sous tension de l'avion. Ces batteries sont beaucoup plus légères et plus puissantes que les batteries Ni-Cad utilisées dans les avions de taille similaire. Ces batteries peuvent produire 150 A pour la mise sous tension de l'avion. Ces batteries sont beaucoup plus légères et plus puissantes que les batteries Ni-Cad utilisées dans les avions de taille similaire. Ces batteries peuvent produire 150 A pour la mise sous tension de l'avion.