Fondamentaux de la construction des batteries : cellules, résistance interne et connectivité

Le terme batterie désigne un groupe de composants similaires. Dans le jargon militaire, il fait référence à un groupe de canons ; en électronique, il décrit un ensemble de piles voltaïques combinées pour délivrer une tension et/ou un courant plus élevés qu'une seule pile ne peut fournir.

Les symboles électriques sont intentionnellement simples : une seule pile est représentée par un trait long et un trait court, parallèles l'un à l'autre, avec des fils de connexion.

Un symbole de batterie est juste plusieurs symboles de pile empilés en série, indiquant que les piles sont connectées pour que leurs tensions s'additionnent.

Comme noté précédemment, la tension d'une pile est fixée par sa chimie ; la taille physique de la pile n'altère pas sa tension nominale. Pour atteindre une tension totale plus élevée, les piles doivent être câblées en série, et la tension de sortie de la batterie égale la somme des tensions individuelles des piles. Par exemple, une batterie automobile standard au plomb-acide contient six cellules de 2,0 volts, produisant une sortie nominale de 12,0 volts :

Dans les batteries automobiles, les cellules partagent un seul boîtier en caoutchouc dur. De grosses barres de plomb, plutôt que des fils fins, interconnectent les cellules. Les électrodes et l'électrolyte de chaque cellule sont isolés dans des sections partitionnées du boîtier. Dans les batteries de grande capacité, les électrodes sont souvent de grandes grilles ou plaques métalliques, communément appelées « plaques ».

Pour la simplicité, les symboles schématiques montrent typiquement seulement quatre traits — alternant long/court — même si la vraie batterie en contient beaucoup plus. Occasionnellement, vous verrez un symbole de batterie avec des traits supplémentaires pour dénoter des tensions inhabituellement hautes ; chaque trait représente une plaque de cellule individuelle :

Comment la taille de la batterie influence les performances ?

Bien que la taille d'une cellule n'affecte pas sa tension, elle influence la résistance interne. Les cellules plus grandes fournissent une plus grande surface d'électrode, réduisant la résistance de contact entre électrodes et électrolyte. Une résistance interne plus faible permet à une cellule de délivrer un courant plus élevé à une charge.

En théorie, une cellule est traitée comme une source de tension idéale. En pratique, chaque cellule a une résistance interne qui limite la délivrance de courant. L'exemple suivant illustre cet effet :

Le diagramme pointillé montre une vraie batterie avec 0,2 Ω de résistance interne alimentant une charge de 1 Ω. Une batterie idéale (sans résistance interne) fournirait 10 A (10 V / 1 Ω). La vraie batterie, contrainte par sa résistance interne, ne délivre que 8,33 A. En court-circuit (charge 0 Ω), la source idéale fournirait un courant infini, tandis que la vraie batterie est limitée à 50 A (10 V / 0,2 Ω). La chimie de la cellule délivre toujours 10 V, mais une partie de cette tension chute à travers la résistance interne, réduisant la tension aux bornes disponible pour la charge.

Réduction de la résistance interne par connexion parallèle

Dans de nombreuses applications, la résistance interne d'une batterie est négligeable comparée à la résistance de charge, donc sa performance approxime de près une source idéale. Quand une résistance globale plus faible est requise — pour une capacité de courant plus élevée — les cellules doivent être câblées en parallèle :

Connecter cinq cellules identiques en parallèle produit un équivalent de Thévenin d'une seule source de 2,0 V avec une résistance interne qui est un cinquième de la résistance d'une seule cellule. La tension totale reste 2,0 V, tandis que la capacité de courant augmente car chaque cellule partage le courant de charge.

Récapitulatif

• Une batterie est un groupe de cellules assemblées pour augmenter la tension et/ou la sortie de courant.
• La connexion série (polarité alignée) additionne les tensions des cellules.
• La taille physique de la cellule abaisse la résistance interne, améliorant la délivrance de courant.
• La connexion parallèle réduit la résistance interne équivalente, augmentant le courant disponible.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices : Batteries
• Fiche d'exercices : Théorèmes de Thévenin, Norton, et Transfert de Puissance Maximale