Moteur à Piles

Comment le moteur alimenté par batterie alimente l’avenir

Un Moteur Alimenté par Batterie, comme son nom l’indique, est un moteur entraîné électriquement qui fonctionne en utilisant une tension et un courant terminaux qui sont “directs”, ou substantiellement constants, tels que ceux fournis par des batteries de stockage.

Les moteurs DC convertissent l’énergie électrique stockée dans la batterie en énergie mécanique pour réaliser un certain type de travail. Contrairement aux moteurs alimentés en courant alternatif (CA), les moteurs électriques alimentés par batterie offrent l’avantage de la portabilité, de la flexibilité et de l’efficacité énergétique.

Bien que presque toute l’énergie électrique qui est générée et distribuée à travers le réseau d’un pays soit faite en utilisant des systèmes à courant alternatif (CA), une grande partie de cette énergie électrique est consommée sous forme de courant continu (CC). Les moteurs électriques alimentés en courant CC sont généralement utilisés dans de nombreux processus de contrôle électronique qui nécessitent un contrôle précis de la vitesse, du couple ou de la position.

Les applications du moteur électrique alimenté par batterie sont vastes. Des petits moteurs CC qui vibrent votre téléphone portable ou une technologie portable, aux petits moteurs alimentés par batterie pour les jouets, les drones et les projets de bricolage, jusqu’aux plus grands moteurs CC industriels à haute puissance pour la robotique et les outils portables, et même aux systèmes aérospatiaux et aux énergies renouvelables.

Pour les amateurs d’électronique, l’interfaçage de sortie des circuits électroniques et des microcontrôleurs de type Arduino utilisant des moteurs CC leur permet de contrôler des applications réelles en faisant bouger des objets. Mais quelle que soit l’application, tous les moteurs alimentés par batterie sont des moteurs alimentés en CC.

Moteur DC Alimenté par Batterie

En gros, les moteurs CC utilisent la force des champs magnétiques pour convertir l’énergie électrique en énergie mécanique avec une efficacité relative. Le champ magnétique interne peut être généré à l’aide de bobines électromagnétiques enroulées, appelées “bobines de champ”, ou par des aimants permanents stationnaires encapsulés dans le corps du moteur.

Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) fonctionnent à l’inverse en utilisant un rotor à aimant permanent et des enroulements de champ électromagnétique. Les véhicules électriques (VE) utilisent couramment des moteurs DC sans balais en raison de leur structure simple, de leur performance fiable et de leur efficacité élevée.

Étant donné que les batteries sont bon marché, relativement sûres, petites et faciles à utiliser, il est logique de les utiliser pour alimenter des moteurs CC par divers moyens. Nous nous rappelons qu’une batterie est un groupe de deux ou plusieurs cellules voltaïques connectées, chaque cellule voltaïque étant composée de deux électrodes métalliques placées dans une solution électrolytique.

Ensuite, les cellules de batterie utilisent des réactions chimiques pour produire de l’électricité, et selon les matériaux que la batterie utilise pour créer ces réactions, différentes tensions et/ou évaluations de puissance en ampères-heures (Ah) seront produites.

Les moteurs CC sont construits sous de nombreuses formes et pour une variété d’applications différentes. Ils varient des petits moteurs CC sans balais tirant juste quelques milliampères (mA), aux moteurs géants de 100 mégawatts (MW) ou plus, opérant à des tensions de 400 à 600 volts. Ils sont également utilisés dans de nombreuses applications électroniques et basées sur des commandes en tant qu’actionneurs, ou pour des applications de contrôle de vitesse et de position. Les moteurs électriques CC sont des machines très polyvalentes et flexibles.

Le moteur alimenté par batterie représente une technologie clé dans la tendance croissante vers des solutions sans fil, portables et écologiques dans de multiples industries. Ils sont vitaux pour le développement de systèmes énergiques efficaces et de dispositifs durables alimentés par batterie où, pour l’électronique grand public, le poids ou la taille est souvent la considération la plus importante.

Caractéristiques clés du moteur alimenté par batterie

La plage de tension des moteurs alimentés par batterie peut varier considérablement en fonction du type, de la taille et de l’application du moteur. Voici une répartition générale des plages de tension courantes :

• ■ Moteurs à basse tension (1,5 V – 12 V)
  • Applications : Petits jouets, électronique de loisir, dispositifs portatifs à faible puissance, appareils portables et robotique simple.
  • Moteurs typiques : Micro moteurs DC, petits moteurs à réduction.
  • Exemples : Moteurs utilisés dans des voitures télécommandées, des ventilateurs alimentés par batterie et de petits robots.
• ■ Moteurs à tension moyenne (12 V – 48 V)
  • Applications : Outils portatifs, trottinettes électriques, drones, vélos électriques et certaines applications automobiles.
  • Moteurs typiques : Plus grands moteurs CC, moteurs sans balais (BLDC).
  • Exemples : Moteurs dans des vélos électriques, drones, perceuses sans fil et dispositifs d’automatisation domestique.
• ■ Moteurs à haute tension (48 V – 400 V+)
  • Applications : Véhicules électriques (VE), machines industrielles, robotique et appareils électriques plus importants.
  • Moteurs typiques : Moteurs BLDC à haute puissance, moteurs pas à pas et moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM).
  • Exemples : Moteurs utilisés dans des voitures électriques, robots industriels, chariots élévateurs électriques et systèmes d’énergie renouvelable (ex. : systèmes de stockage d’énergie solaire et éolienne).

Alimenter des moteurs avec des batteries

La taille physique d’une batterie est directement corrélée à sa capacité de stockage d’énergie. Il est donc essentiel que la batterie choisie pour alimenter un moteur CC fournisse non seulement la tension et le courant requis par le moteur lorsqu’elle est complètement chargée, mais aussi continue à le faire lorsqu’elle atteint une décharge complète.

La puissance nominale du moteur, en chevaux-vapeur ou watts, est calculée à partir de la combinaison de la vitesse, du couple et du cycle de service. Cela établit à son tour les exigences en matière de tension, de courant et de capacité d’une batterie particulière.

Tension de terminal de la batterie

Malheureusement, toutes les batteries ne sont pas créées égales. Il est donc important que la tension de terminal d’une batterie soit de la valeur requise. Par exemple, bien qu’une batterie bouton d’1,5 volt fonctionne très probablement avec un moteur de 3 volts, le moteur produirait de meilleures performances s’il était connecté à une alimentation de 3 V (deux batteries bouton en série).

A l’inverse, un moteur CC de 1,5 volt risque de surchauffer et d’être endommagé s’il est alimenté par une batterie de 3 volts. De plus, une tension réduite fera tourner le moteur plus lentement, réduisant ainsi sa capacité de couple pour entraîner une charge particulière. Le couple est la force qui tend à produire et à maintenir la rotation.

Capacité de stockage d’énergie d’une batterie

Comme la fonction principale d’une batterie est de stocker l’énergie électrique plutôt que la charge électrique, la capacité de stockage d’énergie d’une batterie est un paramètre important. La capacité de stockage d’énergie de toutes les batteries est évaluée en watt-heures (Wh), ampères-heures (Ah) ou milli-ampères-heures (mAh) selon la taille. Cette valeur d’ampère-heure indique combien de temps la batterie fournira continuellement un courant de sortie fixe jusqu’à ce qu’elle soit complètement déchargée.

Par exemple, une batterie de 1,5 V avec une capacité de 2500 mAh fournira 1 mA de courant en continu pendant près de 2500 heures. Cependant, elle ne fournira pas 2,5 ampères de courant pendant une heure complète. Une façon simple de déterminer la capacité de stockage d’énergie de la batterie est de multiplier sa capacité en ampères-heures par sa tension terminale nominale :

Capacité Énergétique – Ampères-heures x Tension de Batterie = Ah x V

Donc pour notre exemple de batterie de 1,5 V, sa capacité d’énergie sera :

Capacité Énergétique – 2500 mAh x 12 V = 3,75 watt-heures

Pour augmenter la capacité de courant lors de l’alimentation de moteurs alimentés par batterie, envisagez d’ajouter une seconde batterie en parallèle. Cela maintiendra la même tension d’alimentation mais augmentera la capacité. En d’autres termes, les batteries connectées en parallèle augmentent la capacité.

Réduction de la tension de terminal de la batterie

Comme la tension de terminal d’une batterie est une caractéristique fondamentale d’une batterie, déterminée par les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la batterie, la tension de circuit ouvert de la batterie diminue à mesure qu’elle se décharge. C’est un aspect négatif des batteries, car il réduit leur efficacité.

Pour un moteur alimenté par batterie en rotation continue, la régulation de la tension de batterie est importante. Ainsi, pour les moteurs CC et les moteurs à réduction, cette réduction de la tension de terminal entraîne une réduction de la puissance de sortie fournie par la batterie, affectant le couple du moteur.

De plus, les moteurs CC peuvent consommer plus de 2,5 fois leur courant normal de fonctionnement continu lorsqu’ils démarrent initialement. Cette augmentation du courant est nécessaire pour surmonter l’inertie de la charge connectée au repos et/ou la friction de tout engrenage connecté, etc.

La grande augmentation du courant de démarrage peut réduire la durée de vie de la batterie davantage qu’un fonctionnement normal continu. Cela est dû au fait qu’au moment où un moteur démarre, l’induit est stationnaire et donc aucune tension de contre-électromotrice n’est générée (V_B-EMF = 0). Ainsi, le seul composant qui limite le courant de démarrage est la résistance de l’induit, qui, dans la plupart des moteurs CC alimentés par batterie, est inférieure à un ohm (1Ω).

Exemple N°1 de moteurs alimentés par batterie

Supposons, par exemple, que nous ayons un moteur CC de 100 watts alimenté à partir d’une batterie de 12 volts qui a une résistance d’induit de 0,4 ohm. Le courant de démarrage résultant serait :

Il est clair que ce grand courant de démarrage de 30 ampères est bien supérieur au courant de pleine charge réel pour le moteur. Ce courant élevé provoquerait très probablement des dommages sévères à la batterie, au collecteur, aux balais ou aux enroulements de bobines. En général, des résistances sont utilisées pour limiter le courant de démarrage initial entre 125 % et 200 % du courant de pleine charge.

Par exemple, si le courant de démarrage du moteur précédent doit être limité à 10 ampères, alors la valeur de la résistance série serait :

Contrôle des moteurs alimentés par batterie

Il existe de nombreuses applications où un moteur CC doit simplement s’arrêter, démarrer et fonctionner dans une seule direction, à une vitesse fixe. Cela peut facilement être réalisé à l’aide d’un simple interrupteur à bascule monopolaire et d’une alimentation électrique, comme illustré :

Contrôle simple d’un moteur CC alimenté par batterie

Ici, le moteur est activé ou désactivé à l’aide d’un interrupteur à bascule monopole simple (SPST). Lorsque l’interrupteur est fermé, l’énergie électrique est fournie par la batterie au moteur, et lorsque l’interrupteur est ouvert, la batterie est déconnectée. La durée pendant laquelle une batterie continuera à fournir de l’énergie jusqu’à ce qu’elle soit déchargée dépend de la capacité en ampères-heures de la batterie et de combien de courant est tiré par le moteur.

Si nous supposons que notre circuit de moteur alimenté par batterie simple est alimenté par une batterie plomb-acide de 12 V, 7 Ah, et que le moteur consomme 3,5 ampères lorsqu’il tourne, alors la batterie ne durerait que 2 heures avant d’être déchargée. Cependant, en réalité, plusieurs autres facteurs affecteront la durée de vie opérationnelle de ce circuit, y compris la réduction de la tension de terminal de la batterie comme discuté ci-dessus.

Nous pouvons faire évoluer cette idée de circuit de contrôle de moteur alimenté par batterie simple en utilisant un transistor semi-conducteur comme appareil de commutation à état solide à la place de l’interrupteur SPST. Les interrupteurs à transistor bipolaire ou à effet de champ sont très courants et très utiles pour commuté des charges de moteur CC. Considérons le circuit suivant.

Contrôle du moteur à transistor

Avec le transistor bipolaire NPN complètement ÉTEINT (coupé), il agit comme un interrupteur ouvert (comme auparavant), donc aucun courant ne circule entre les bornes collecteur et émetteur, et le moteur CC est arrêté.

En passant le transistor complètement ALLUMÉ (saturation), l’interrupteur transistor agit effectivement comme un interrupteur fermé, provoquant ainsi la rotation du moteur.

Remarque : étant un dispositif de commutation à état solide, même lorsqu’il est saturé, il y aura toujours une petite chute de tension aux bornes du transistor, appelée V_CE(SAT). Cette tension varie d’environ 0,1 à 0,5 volts selon le type de transistor.

De plus, contrairement au circuit On/Off SPST ci-dessus, la vitesse du moteur CC dépend de la moyenne du courant qui y circule. Si des impulsions de tension sont appliquées à la borne de base des transistors à des intervalles ajustables, la vitesse du moteur peut être contrôlée.

Bien que le contrôle d’un moteur CC avec un seul interrupteur transistor (ou MOSFET) présente de nombreux avantages permettant de les démarrer et de les arrêter, il a également un inconvénient principal, la direction de rotation est toujours la même. En d’autres termes, c’est un circuit “uni-directionnel”.

Dans de nombreuses applications, nous pourrions avoir besoin de faire tourner le moteur alimenté par batterie dans les deux directions, avant et arrière. Alors, le moteur peut être contrôlé à l’aide de deux relais et d’une paire de contacts relais SPDT entre le moteur et son alimentation, comme illustré.

Contrôle de moteur CC réversible

Ici, la direction de rotation du moteur alimenté par batterie est contrôlée manuellement ou avec un signal logique On/Off ou pulse aux bases de chaque transistor NPN bipolaire. Où : F = Avancer, et R = Reculer.

Veuillez noter que l’un de ces circuits de commutation à transistor peut être mis en œuvre en utilisant un transistor PNP simplement en retournant le circuit. De plus, n’importe quel circuit de moteur alimenté par batterie présenté pour les transistors à jonction bipolaire (BJT) peut être mis en œuvre en utilisant des interrupteurs MOSFET puisque leur fonctionnement est très similaire à celui de l’interrupteur BJT.

Résumé des moteurs alimentés par batterie

Nous avons ici constaté que les moteurs alimentés par batterie sont essentiellement des moteurs CC alimentés par batterie, qui peuvent être propulsés par de petites batteries de type bouton à basse tension, et jusqu’à des batteries lithium de haute tension à usage intensif.

Grâce aux avancées dans la technologie des moteurs CC et des batteries, les dispositifs sans fil peuvent être chargés rapidement, remplaçant toute une gamme d’équipements grand public alimentés par le réseau, des vélos électriques, drones et outils électriques aux véhicules électriques et systèmes d’énergie renouvelable. Le moteur alimenté par batterie est désormais omniprésent dans nos vies modernes.

Les principaux avantages du moteur alimenté par batterie résident dans sa portabilité, sa commodité et sa capacité à fonctionner n’importe où sans alimentation réseau. À mesure que la technologie des batteries continue de s’améliorer, nous constatons que les moteurs électriques alimentés par batterie deviennent de plus en plus puissants et efficaces, menant à encore plus d’applications dans notre vie quotidienne.