Test comparatif de différentes piles alcalines 1,5 V au format LR06 - Année 2006

Problématique: Quelle source d'énergie choisir pour alimenter l'appareillage électronique embarqué dans la nacelle du ballon stratosphérique ?

Cette page se décline en plusieurs rubriques et fait partie du site ballonsonde.com .Vous pouvez accéder directement aux éléments suivants et plus particulièrement au Test complet de 17 piles 1,5V LR 06 réalisé en 2010

Introduction :

Pour fonctionner, l'appareillage électronique embarqué dans la nacelle a besoin d'une source d'énergie.

Une pile de bonne qualité doit avoir une résistance interne faible, présenter à ses bornes une tension constante au cours de son utilisation et surtout délivrer une quantité d'électricité importante (capacité) . Cette capacité , exprimée en mA.h , est indiquée pour les accumulateurs ( Ni-Cd ou Ni-MH ) mais n'est jamais indiquée pour les piles . C'est pourtant une donnée précieuse.

Il faut savoir que les piles, alcaline ou saline , ont une réserve d'énergie épuisable et non renouvelable. Donc, au cours de son utilisation, la tension délivrée va décroître jusqu'à atteindre un seuil limite où la tension disponible ne sera plus compatible avec nos expériences.

La source d'énergie est un paramètre extrêmement important dans l'étude des ballons sondes. En effet, un émetteur VHF communique en temps réels les données de nos expériences mais également la position GPS de la nacelle. Afin de mettre toutes les chances de notre côtés pour récupérer la nacelle, il est nécessaire que l'émetteur puisse être alimenté le plus longtemps possible pour faciliter son repérage si celui-ci se retrouvait perdu en pleine nature.

De même, la masse des piles est également un critère important. Une pile 1,5V format LR20 présente une autonomie intéressante mais sa masse (146 grammes) est monstrueusement élevée face à la masse maximale admissible pour la nacelle (2500 grammes).

Le but de ce test réalisé en 2006 est de dénicher la perle rare : la pile présentant la masse la plus faible et l'autonomie la plus importante.

1 - Appareil photo KODAK

L'appareil photo numérique KODAK doit être alimenté sous une tension de 3 V . Lors de son fonctionnement, dans l'attente d'une prise de vue avec écran éteint et flash désactivé , il absorbe un courant I = 0,28 A. Lors de la prise d'une photographie, l'acquisition de la photographie et le transfert sur carte mémoire génère un pic de courant d'une valeur I = 0,35 A pendant 5 à 6 secondes environ.

Photographie de l'appareil KODAK avec les fils ( rouge et noir ) permettant l'alimentation par une source d'énergie extérieure. Les fils verts permettent de déclencher la prise de vue sans être obligé d'appuyer sur le déclencheur.

Notons que la tension nécessaire au fonctionnement de l'appareil photo numérique ne doit jamais descendre en dessous de la valeur minimale U = 2,8V. En dessous de cette valeur, le fonctionnement de l'appareil n'est plus assuré ( le voyant de fonctionnement passe du vert au rouge et l'appareil se met en veille ). Il est donc impératif de ne jamais descendre en dessous de la valeur U = 2,8V.

2 - Test des piles 4,5 V

Dans la majorité des projets ballon sonde, cette source d'énergie est produite à l'aide de 2 piles de 4,5V montées en série. La tension de 9V ainsi obtenue permet d'alimenter l'émetteur VHF fourni par le CNES. Ce dernier intègre un régulateur 5V qui permettra également d'alimenter d'autres montages électroniques ( capteur de température, capteur de pression ..... ).

Cependant, l'utilisation de 2 piles de 4,5V trouve vite ses limites lorsque nous sommes confrontés à des contraintes de masse et de consommation énergétique.

Contrainte de consommation énergétique : L'autonomie des piles 4,5V n'est pas suffisante pour alimenter des appareils énergivores comme l'appareil photo numérique ( qui demande de plus une tension de 3V ) ou le récepteur GPS embarqué dans la nacelle.

Contrainte de masse : Pour palier à la faible autonomie des piles 4,5V ( une pile 4,5V n'est autre que 3 piles LR06 montées en série ), il serait tentant de placer plusieurs associations de piles pour subvenir à la consommation des appareils cités précédemment. Or, d'après le cahier des charges du CNES, la nacelle ne doit pas dépasser une masse critique de 2,5 kg. A raison de 160g environ par piles 4,5V, cette solution ne s'avère pas judicieuse et l'on risque de voir disparaître des expériences pour laisser place aux piles.

A titre d'information, voici les résultats des tests effectués sur différentes piles 4,5V aux cours de nos essais de qualification.

Nous avons testé 8 piles de technologies ( saline, alcaline ) et marques différentes ( Carrefour, Energizer, Varta, Duracell ... ).

Chaque pile débitait sur une résistance de 5 ohms soit un courant d'environ 0,9A ( la tension aux bornes de la pile n'est pas constante lorsque cette dernière délivre un courant et s'épuise ).Une carte d'acquisition et un logiciel spécialisé ( Synchronie ) ont permis de relever en temps réel l'évolution, en fonction du temps, de la tension aux bornes de chaque pile.

Les piles alcalines présentent sensiblement les mêmes caractéristiques. Notons que la pile VARTA HIGH ENERGY s'effondre brutalement au bout de 3h40 alors que sa tension de départ était sensiblement plus élevée que les autres piles alcalines. Même si nous n'utiliserons finalement pas les piles 4,5 V pour notre projet, nous saurons au moins quelle pile utiliser pour d'autres applications. Les piles salines seront écartées d'office et l'on se demande d'ailleurs pourquoi ces dernières sont encore fabriquées et commercialisées. Notons que la pile du distributeur Carrefour se comporte mieux que la pile du constructeur duracell. Comme quoi !

Bref, il faut donc trouver une nouvelle source d'énergie permettant de concilier la masse la plus faible possible avec la plus grande quantité d'énergie disponible. La tension disponible doit, de plus, être compatible avec les différents niveaux de tensions requis pour les expériences ( appareil photo = 3V, GPS = 5V, émetteur VHF Kiwi = 9V ).

3 - Test des piles 1,5 V

L'appareil photo numérique KODAK doit être alimenté sous une tension de 3 V . Il consomme en fonctionnement un courant I = 0,28A. Ce type d'appareil est prévu pour être alimenté à l'aide de 2 piles de 1,5 V format LR06 ( AA ) placées en série. En toute logique, la solution envisagée pour alimenter l'appareil dans la nacelle consiste donc à placer 2 piles de 1,5 V en série pour réaliser cette opération

Photo d'une pile 1,5V format LR06 (également format AA )

D'office, nous éliminons les piles LR06 à l'autonomie trop faible. Nous nous intéressons aux piles de format supérieur LR14. Nous présentons donc ci-dessous le test de qualification des piles 1,5 V LR14 que nous souhaitons utiliser pour alimenter l'appareil. Chaque pile débite sur une résistance de 5 ohms censée simuler le comportement de l'appareil photo numérique ( ce qui représente un courant de 300 mA correspondant à la consommation de l'appareil KODAK ).

Les piles alcalines présentent toutes les mêmes caractéristiques, notons l'excellente performance de la pile CORA Active qui se détache du lot en conservant pendant toute l'étude une tension supérieure de 0,1V aux autres piles. Une fois de plus, il semble inutile de se focaliser sur des piles de marques, les piles de distributeur font aussi bien, voire mieux !

On remarque que la tension aux bornes d'une pile 1,5V décroît assez rapidement au début de sa décharge.

Nous voici donc confrontés à un nouveau problème : l'appareil photo numérique demande une tension minimale de 2,8 V pour fonctionner. En dessous de ce seuil, il se coupe et se met en veille automatiquement. Même dans le meilleur des cas avec la pile CORA Active, cela nous laisse une autonomie de 4000 secondes soit un peu plus d'une heure : largement insuffisant pour un vol de 3 heures. Les utilisateurs de ce type d'appareil auront déjà remarqués l'autonomie limitée associée à l'utilisation de ce type de piles.

Conclusion : Nous n'utiliserons pas de piles LR14 1,5V ( 66 grammes l'unité ) pour alimenter l'appareil photo. Nous pourrions envisager d'utiliser des piles de capacité supérieures comme les piles LR20 ( 146 grammes l'unité ) mais la masse maximale autorisée pour la nacelle ( 2,5 kg ) nous contraint à renoncer à cette solution. Pour information, l'appareil photo numérique possède une masse de 148 grammes soit la même masse qu'une pile alcaline LR20 !

Cette photographie présente les 3 formats de piles disponibles. De gauche à droite ( du plus petit au plus grand ), on trouve les formats : LR06 ( aussi format AA ) - LR14 ( C ) - LR20 ( D )

Il va donc falloir trouver, encore une fois, une nouvelle source d'énergie avec la triple contrainte suivante : Autonomie plus importante, masse réduite et tension constante lors de l'utilisation. Cela existe t-il ?

4 - Piles au lithium

Les piles au lithium présentent, au premier abord, 2 propriétés étonnantes : la masse et le prix ! En effet, chaque pile coûte environ 3 euros pour une masse incroyablement réduite de seulement 15 grammes ( soit 42% inférieure à une pile alcaline de même format ). Nous voila reparti pour notre test de qualification.

Photographie d'une pile lithium et d'une pile alcaline. La pile lithium présente le même format que la pile alcaline LR06 mais avec une masse réduite, une capacité supérieure et un prix plus élevé.

Conditions du test :

Nous avons testé 2 piles lithium format LR06 ( marque Energizer ) et une pile alcaline de même format de marque CORA Activée. Alors que j'écrivais précédemment que les piles lithium étaient relativement chères , je suis tombé par chance sur une promotion : le lot de 4 piles lithium Energizer pour 7,80 Euros "seulement" soit moins de 2 Euros la pile.

Remarquez au passage la date limite d'utilisation : 2021. J'ai donc encore 14 années pour utiliser mon pack de pile.

Voici le détail du test :

Nous avons simulé le fonctionnement de notre appareil photo numérique Kodak à l'aide d'une résistance de 5,4 ohms. Le courant absorbé ( sous U = 1,5V ) est donc I = 0,28 A. Une pile lithium et une pile alcaline ont été testées avec cette charge.

Nous avons également simulé de fonctionnement de 2 appareils numériques à l'aide de 2 résistances de 5,4 ohms placées en parallèle. Le courant absorbé est donc le double du précédent soit 0,56 A. Seule une pile lithium a été testée avec cette charge. Nous décrivons ci-après les raisons qui nous ont poussé à faire ce teste.

Voici donc les résultats , ils sont conformes à nos attentes :

Test des piles débitant sur un seul appareil KODAK :

La tension aux bornes de la pile lithium atteint le seuil fatidique de 1,4 V au bout de 5h32 minutes. Ce qui est largement suffisant pour envisager le fonctionnement de l'appareil ( qui nécessite 2 piles ) pendant l'ascension et la descente de la nacelle. Le seuil 1,2 V ( incompatible avec les caractéristiques de notre appareil ) est atteint pour une durée presque deux fois supérieure : 10h39min. Pour information, la pile alcaline CORA aborde ce seuil au bout de seulement 5h26min.

Maintenant, nous souhaitons embarquer 2 appareils photo numérique dans notre nacelle. Pour des questions de masse, nous n'allons pas dédoubler l'alimentation. Effectuons donc un test pour savoir si une pile est capable d'alimenter 2 appareils.

Contact

Je me ferai un plaisir de répondre à vos questions concernant les thèmes développés sur le site :

Informations@ballonsonde.com