Le principe général de ce système est de fournir une source d'alimentation électrique stable que l'on puisse utiliser pour alimenter des appareils électroniques tels que des Raspberry pi ou des équipements réseaux. Pour cela nous utiliserons des batteries, de façon à permettre un système mobile, utilisable n'importe ou avec ou sans réseau électrique. Les batteries devront être rechargeables pour des raisons évidentes de ré-utilisabilité du système, mais aussi afin de permettre à un système déployé hors réseau électrique fixe de pouvoir être rechargé par des sources disponibles sur place, par exemple des panneaux solaires, un générateur à manivelle, ou encore une éolienne.

Nous allons maintenant justifier les choix technologiques effectués pour ce système.

Au cœur du système se situent les batteries, ou accumulateurs électriques. Il conviendra donc de les dimensionner correctement de façon à permettre au système de fonctionner suffisamment longtemps pour les missions ponctuelles qui lui sont assignées, mais également pour pouvoir tenir assez longtemps entre deux charges (par exemple, passer la nuit complète dans le cas de l'utilisation de panneaux solaires) pour pouvoir maintenir le service dans le cadre d'une utilisation continue.

Divers paramètres entrent en compte :

• La capacité des batteries;
• leur coût;
• leur encombrement (masse et volume), et donc la densité énergétique de la batterie;
• les caractéristiques électriques de celles ci (tension et intensité);
• la complexité d'utilisation;
• la résistance de l'ensemble.

Nous retiendrons principalement deux solutions : les batteries au lithium, comme celles équipant les téléphones portables, les ordinateurs portables et tablettes, ou encore les véhicules électriques, et les batteries au plomb comme celles que l'on trouve dans les onduleurs ou les véhicules à moteurs thermiques.

Les batteries au plomb ont l'avantage d'être particulièrement solides, et résistantes au mauvais traitements, avec des capacités importantes pour un coût modéré. En revanche, elles particulièrement lourdes pour une capacité donnée, et ne doivent pas être déchargées de plus de 50% sous peine de diminuer leur capacité totale.

Les batteries au lithium sont plus complexes à exploiter, et souvent disponibles dans des capacités inférieures, mais fournissent une densité énergétique considérablement plus importante et peuvent être utilisée quasiment jusqu'à épuisement sans perte de capacité.

A titre de comparaison, la densité énergétique d'une batterie au plomb varie entre 20 et 40 Wh par kilogramme, contre 100 à 300 pour une batterie au lithium. Pour une masse donnée, on peut donc stocker 5 à 10 fois plus d'énergie dans une batterie lithium. En terme de volume, on conserve des rapports comparables.

En pratique, lorsque l'on souhaitera une très grande capacité (plusieurs centaines de Watt-heures) à faible coût, sans se préoccuper de l'encombrement, les batteries au plomb seront une bonne solution. Pour des capacités plus modérées, les batteries lithium seront généralement préférables si l'on doit prendre en compte l'encombrement.

Nous ne considérerons pas les batteries au nickel (NiMH, NiCD, etc), principalement disponible en formats AA et AAA et ne fournissant pas une capacité suffisante, à moins de construire des ensembles comportant énormément d’éléments.

En résumé, si l'on souhaite une batterie à forte capacité, et que l'encombrement n'est pas un problème, les batteries au plomb constituent une solution économique. Dans la plupart des autres cas, les batteries au Lihium sont plus efficaces et préférables.

Nous développerons ici davantage les techniques mises en œuvre dans un système basé sur des batteries lithium, mais il est bien sur possible d'adapter l'ensemble à d'autres technologies de batteries.

Plutôt que d'utiliser des régulateurs linéaires, les moins chers, nous utilisons des régulateurs à découpage. Ceux ci sont en effet plus efficace, ce qui signifie qu'ils gaspillent moins d'énergie que les modèles linéaires. On obtient généralement des efficacités de 80 à 90%, ce qui signifie que nous pouvons utiliser réellement 80 ou 90% de l'énergie disponible pour alimenter notre système.

fichier fzz pour ouvrir le schéma dans Fritzing

Version PDF du schéma.