Batterie de voiture 12V: Le fonctionnement

La batterie de voiture au plomb 12V. Ces batteries volumineuses et assez lourdes sont utilisées dans tous les véhicules à moteur thermique de la planète. Ils sont une partie essentielle du véhicule. Alors, que fait-il et comment ça marche? C’est ce que nous allons couvrir dans cet article

C’est quoi une batterie de voiture?

La batterie de voiture 12V ressemble à quelque chose comme ça.

Ceci est une batterie au plomb. Nous l’appelons une batterie au plomb, car à l’intérieur de l’unité se trouvent des plaques de plomb qui sont immergées dans un acide. Cela crée une réaction chimique qui libère de l’énergie et nous fournit une tension et un courant.

La batterie de voiture stocke donc de l’énergie sous forme d’énergie chimique. Il ne stocke pas d’électricité. Cette énergie chimique est convertie en énergie électrique chaque fois que nous en avons besoin. Cette batterie est également rechargeable, si nous alimentons la batterie de voiture en électricité, nous pouvons inverser la réaction chimique et recharger la batterie.

Ces types de piles peuvent fournir de grandes quantités de courant, en particulier par rapport aux piles alcalines domestiques classiques plus petites.

Pourquoi une batterie est-elle utilisée dans une voiture?

La batterie de voiture se trouve dans le compartiment moteur de la voiture. La batterie de voiture est d’abord utilisée pour démarrer le moteur et elle le fait en fournissant de l’électricité à un petit moteur électrique connu sous le nom de démarreur. Il fournit également de l’électricité au système d’allumage pour démarrer la combustion du carburant.

Le démarreur engage un petit engrenage sur le volant du moteur. Il fait tourner celui-ci pour faire tourner le vilebrequin qui démarre le moteur à combustion, le petit engrenage se désengage alors et le moteur tourne tout seul. 

Le démarreur doit fournir une force énorme pour pouvoir faire tourner le volant, de sorte que le démarreur tire un courant extrêmement important, peut-être des centaines d’ampères, mais pendant seulement quelques secondes. Ce courant important va réduire l’énergie stockée dans la batterie. Nous devons donc le recharger.

Un alternateur est connecté au moteur. L’alternateur est mis en rotation par le moteur et à mesure qu’il tourne, il génère de l’électricité. Celui-ci est réinjecté dans la batterie de voiture pour la recharger.

Pendant que le moteur tourne, l’alternateur recharge la batterie de voiture, mais il fournit également l’énergie électrique pour des choses telles que l’éclairage et le système de musique. 

Lorsque la demande d’électricité dépasse ce que l’alternateur peut fournir, la batterie fournira la puissance supplémentaire, ce qui draine à nouveau la batterie de voiture.

Si le moteur est arrêté, l’alternateur s’arrête de tourner et recharge la batterie, de sorte que la batterie fournira la pleine puissance électrique jusqu’à ce qu’elle soit morte. 

À ce stade, la batterie ne peut pas fournir assez d’électricité pour démarrer le moteur, nous devons donc redémarrer la voiture.

Les Principales parties

Jetons un coup d’œil aux principales parties d’une batterie de voiture et nous comprendrons ensuite comment cela fonctionne.

Tout d’abord, nous avons le boîtier en plastique qui maintient tous les composants internes en place. Sur le dessus, nous avons le couvercle en plastique et il y a deux bornes, une positive et une négative qui s’appellent les bornes terminales.

En retirant le couvercle, nous pouvons voir à l’intérieur. Notez que le boîtier est divisé en 6 chambres séparées, chacune séparée par une paroi en plastique. Chaque chambre est connue sous le nom de cellule. 

Chaque cellule génère environ 2,1 volts de courant continu. Chaque cellule est connectée en série, le négatif d’une cellule est connecté au positif de la cellule suivante, pour nous donner une tension totale d’environ 12,6V.

C’est la même chose que si vous connectez des piles alcalines domestiques ensemble, leurs tensions s’additionnent pour fournir une tension totale plus élevée.

Chaque cellule est connectée via une sangle de plaque, qui est faite de plomb. Ceux-ci sont soudés ensemble à travers la paroi en plastique pour former la connexion.

En regardant la batterie de ce point de vue, nous voyons que le courant circule à travers les cellules de la batterie de voiture du positif au négatif, et cela utilise la théorie conventionnelle du courant. Ce qui se passe réellement, c’est que les électrons circulent dans la direction opposée du négatif au positif.

Notez qu’il y a deux sangles de plaque dans chaque cellule. Un positif et un négatif. Celles-ci sont appelées sangles de plaque car chaque sangle est reliée à un certain nombre de plaques, qui sont des feuilles de plomb.

Les plaques sont formées en structures de type grille qui maximisent la surface. Les grilles sont enduites d’une pâte d’oxyde de plomb. La pâte est l’endroit où se produit la réaction chimique et nous verrons cela un peu plus loin dans l’article. 

La pâte agit un peu comme une éponge et va absorber une partie du liquide électrolyte, ce qui améliore les performances de la batterie de voiture. La taille de la plaque détermine la quantité de courant qu’une batterie de voiture peut fournir, mais elle ne change pas la tension. 

Les matériaux utilisés et le nombre de plaques déterminent la tension produite par chaque cellule. La grille maintient la pâte en place pour assurer une distribution uniforme du courant à travers la plaque et aide à transporter les électrons hors de la batterie de voiture et autour du circuit électrique.

La plaque négative est l’anode et c’est une plaque de plomb pur, bien que de petites quantités d’additifs soient ajoutées pour durcir le plomb et le protéger de la corrosion. La plaque positive est la cathode et elle est faite d’oxyde de plomb. 

Les plaques sont faites de matériaux différents pour former la réaction chimique et libérer des électrons. Nous ne voulons pas que les plaques positives et négatives entrent en contact l’une avec l’autre, cela court-circuiterait la batterie. 

Donc, à la place, nous plaçons chaque plaque positive dans un séparateur d’enveloppe. Il s’agit d’un matériau poreux qui permet aux ions de s’écouler sans que les matériaux n’entrent en contact direct les uns avec les autres.

Les plaques positives et négatives sont placées entre elles avec un petit espace entre chacune. La chambre est alors remplie d’un liquide électrolyte d’acide sulfurique et d’eau. Par conséquent, la batterie de voiture est appelée une batterie au plomb.

Principes fondamentaux de l’électricité

Nous voulons récapituler rapidement les principes de base de l’électricité afin que vous compreniez la partie suivante du fonctionnement de la batterie de voiture.

L’électricité est le flux d’électrons dans un circuit. Nous avons besoin de beaucoup d’électrons pour circuler dans la même direction à travers un fil afin de pouvoir placer des objets sur le chemin des électrons tels que les ampoules. Les électrons devront passer par là et comme ils le font, ils produisent de la lumière. Lorsque beaucoup d’électrons circulent dans le même sens, appelez bien ce courant.

Chaque matériau est composé d’atomes. Les atomes ont différents nombres de protons, de neutrons et d’électrons, ce qui rend le matériau différent. Certains matériaux comme le cuivre ont un électron qui est libre de se déplacer vers d’autres atomes. Si nous connectons une alimentation telle qu’une batterie au fil de cuivre, la tension poussera les électrons et ils se précipiteront pour atteindre la borne positive de la batterie.

Nous avons dit que les électrons circulaient du négatif vers le positif. C’est ce qu’on appelle le flux d’électrons, c’est une théorie du fonctionnement de l’électricité et de ce qui se passe réellement. Mais, vous pourriez être habitué à voir le courant conventionnel qui va du positif au négatif, c’est la théorie originale qui est connue sous le nom de courant conventionnel. 

Cependant, nous utilisons encore à ce jour la théorie conventionnelle du courant lors de la conception de circuits électriques. Si nous regardons ce circuit simple, nous devons toujours supposer que le courant passe du positif au négatif, mais les ingénieurs et les scientifiques savent que les électrons circulent dans la direction opposée. 

Les formules électriques que nous utilisons donneront toujours les mêmes réponses quelle que soit la façon dont l’électricité circule, donc cela n’a pas vraiment d’importance.

Il existe deux types d’électricité, le courant continu CC que nous obtenons à partir de batteries. Les électrons de ce type sont poussés dans une direction. C’est donc ce qu’on appelle le courant continu. Pensez à cela comme à de l’eau qui coule sur une rivière. 

L’autre type d’électricité est le courant alternatif ou alternatif, ce que vous obtenez des prises de courant dans vos maisons. Dans ce type, les électrons sont poussés et tirés constamment vers l’avant et vers l’arrière. Pensez à ce type comme à la marée de la mer qui entre et sort.

Lorsque nous mélangeons certains matériaux ensemble, nous pouvons provoquer des réactions chimiques. C’est à ce moment que les atomes d’un matériau interagissent avec les atomes d’un autre matériau. Au cours de cette interaction, les atomes se lieront ou se briseront. Les électrons peuvent également être libérés ou capturés par les atomes au cours de la réaction.

Lorsque nous parlons d’atomes, vous entendrez généralement le terme ion utilisé. Un ion est un atome qui a un nombre inégal de protons ou d’électrons. Un atome a un changement neutre quand il a le même nombre de protons et d’électrons, car les protons sont modifiés positivement et les électrons sont chargés négativement, ils s’équilibrent donc. Si l’atome a plus d’électrons que de protons, c’est un ion négatif. Si l’atome a plus de protons que d’électrons, c’est un ion positif.   

Lorsque nous parlons d’atomes, vous entendrez généralement le terme ion utilisé. Un ion est un atome qui a un nombre inégal de protons ou d’électrons. Un atome a un changement neutre quand il a le même nombre de protons et d’électrons, car les protons sont modifiés positivement et les électrons sont chargés négativement, ils s’équilibrent donc. Si l’atome a plus d’électrons que de protons, c’est un ion négatif. Si l’atome a plus de protons que d’électrons, c’est un ion positif.   

Comment ça fonctionne

Plutôt que d’essayer de comprendre cette construction complexe, nous allons la simplifier à ce simple modèle de cellule avec une seule cathode et anode.

Dans cette cellule, nous avons le liquide électrolyte qui est 1/3 d’acide sulfurique et 2/3 d’eau.

Nous avons l’électrode positive qui est la cathode, elle est faite d’oxyde de plomb (PbO ₂ )

On a alors l’électrode positive qui est l’anode, elle est en plomb pur (Pb)

Lorsque ces matériaux sont combinés, nous allons avoir une petite réaction chimique entre les atomes. 

La borne positive de la cathode de l’oxyde de plomb (PbO ₂ ) va réagir avec le sulfate (SO ₄ ^-2 ) dans l’électrolyte, cela formera une couche de sulfate de plomb (PbSO4) sur la borne de la cathode. Au cours de cette réaction, un ion oxygène (O ₂ ^-2 ) est éjecté de la cathode dans l’électrolyte.

 Une fois dans l’électrolyte, ces ions oxygène se combineront avec les ions hydrogène (H +) pour former de l’eau (H ₂ O).

Dans le même temps, les atomes de plomb sur l’anode vont réagir avec les ions sulfate (SO ₄ ^-2 ) dans l’électrolyte. Cette réaction créera une couche de sulfate de plomb (PbSO ₄ ) autour de l’électrode. Au cours de cette réaction, deux électrons sont libérés et se rassemblent dans la borne négative.

Si vous pensez à un aimant, les extrémités opposées s’attirent et les extrémités semblables se repoussent. Les électrons sont chargés négativement et donc ils se repoussent, et ils sont attirés vers la borne positive qui a moins d’électrons. Mais, ils ne peuvent pas atteindre cela. 

Si nous fournissons un chemin pour les électrons, comme un fil, les électrons passeront à travers celui-ci pour atteindre la borne positive. Nous pouvons ensuite placer des objets tels qu’une lampe sur le chemin de ces électrons et les utiliser pour faire des travaux tels que l’éclairage de la lampe.

Tant que le chemin existe, la réaction chimique se poursuit, mais cela ne durera pas éternellement. Les produits chimiques nécessaires à la réaction s’épuisent. L’acide devient dilué et plus faible et une accumulation de sulfate de plomb recouvre les deux électrodes, cela signifie que les matériaux deviennent plus similaires et que la réaction chimique devient plus difficile à réaliser.

Mais heureusement, cette réaction chimique peut être inversée, donc si nous alimentons la batterie en électricité à partir de l’alternateur, nous pouvons commencer à inverser la réaction.

Les électrons pénètrent dans la borne négative et se rejoignent avec le sulfate de plomb, libérant le sulfate dans l’électrolyte pour ne laisser que du plomb sur la plaque négative. Les ions de gonflement pénètrent dans l’électrolyte et se combinent avec l’ion hydrogène pour libérer l’ion oxygène de sorte que l’acide électrolytique devient plus fort. 

L’ion oxygène se combine avec le plomb pour créer de l’oxyde de plomb et cela libère le sulfate dans l’électrolyte, le rendant à nouveau plus fort.

Si nous laissons la batterie se décharger complètement trop longtemps ou trop souvent, il devient très difficile d’inverser la réaction chimique. De plus, la couche de sulfate pourrait se détacher des électrodes et s’acclimater au bas de la batterie, ce qui signifierait qu’elle ne participe plus à la réaction chimique, donc la batterie de voiture doit être réparée ou remplacée.

Ainsi, lorsque nous regardons la batterie de voiture, cette réaction chimique se produit entre chaque plaque dans chaque cellule pour fournir les centaines d’ampères de courant pour démarrer le démarreur et également fournir la tension pour alimenter les lumières, etc. Ceci est ensuite rechargé par l’alternateur .

Test d’une batterie de voiture avec un multimètre

Pour tester la tension d’une batterie de voiture, nous passons simplement au réglage de tension CC sur notre multimètre, puis connectons le fil rouge au positif et le fil noir au négatif. Nous devrions voir une tension d’environ 12,6 V si elle est inférieure à 12, la batterie ne fonctionne pas correctement.

Lorsque nous démarrons la voiture, la tension va chuter car le démarreur tire une énorme quantité de courant. La tension descendra à environ 11 volts, si elle descend en dessous d’environ 10 volts, la batterie de voiture ne fonctionne pas correctement.

Une fois le moteur en marche, l’alternateur devrait produire de l’électricité et nous devrions donc voir une tension plus élevée d’environ 14 volts, car l’alternateur recharge la batterie de voiture et la tension doit être plus élevée pour aider à forcer les électrons à revenir et à inverser le produit chimique.