8-13 Batteries et systèmes électriques (motoplaneurs)
Batteries et systèmes électriques
Les planeurs purs et motoplaneurs utilisent des batteries pour s'approvisionner en électricité lors du vol. Le pilote peut être amené à manipuler une batterie, à la mettre en charge, ou utiliser des connexions pour permettre un démarrage avec une batterie externe. Un niveau de connaissance minimal sur le sujet est nécessaire pour sécuriser ses actions.
Généralités en électricité
Une tension électrique : C'est la force que possède chacun des électrons pour aller d'un endroit à un autre. L'unité de mesure de la tension est le Volt (symbole : V). Une tension faible (<12Volts) ne représente quasiment aucun danger. Une tension importante (>50Volts) est dangereuse car les électrons auront l'énergie suffisante pour traverser le corps humain et y faire des dégâts. Une haute tension (>1000Volts) est très dangereuse car les électrons ont suffisamment d'énergie pour traverser une mince couche d'air : il est possible de s’électrocuter sans toucher le conducteur !
- ordre de grandeur : La tension entre les deux bornes d'une batterie automobile ou d'une batterie de planeur est de 12Volts.
- La tension dans un système de motorisation electrqie de planeur ou de voiture peut atteindre plusieurs centaines de volts (attention danger !)
- La tension envoyé sur une bougie d'allumage est de l'ordre de 10 000 volts et permet aux électrons de franchir un petit espace d'air, donc de faire une étincelle. Les gaines isolantes des fils qui transportent ces tensions élevés sont très épaisses pour pouvoir garder leur propriété isolante.
Le courant électrique : C'est le déplacement des électrons dans un matériau conducteur. Il est analogue au débit d'un fluide dans un tuyau. L'unité de mesure de l'intensité du courant est l'Ampère (symbole :A). Le risque bien connu associé à l'intensité est de faire circuler un courant trop important dans un fil d'un diamètre trop petit : le fil va s'échauffer jusqu'à prendre feu.
- ordre de grandeur : dans les planeurs, il faut un fil de cuivre d'un diamètre de 1.13mm (section de 1mm²) pour permettre le passage d'un courant d'une intensité de 3 à 5 ampères en toute sécurité.
La Résistance électrique d'un matériau : les matériaux s'oppose plus ou moins au passage d'un courant électrique. Le cuivre et l'aluminium s'y oppose très peu (résistance faible), le graphite s'y oppose fortement (résistance moyenne), le plastique s'y oppose complètement (résistance infini - isolant). La résistance électrique se mesure en Ohm (symbole : Ω).
Représentation du courant électrique positif (en haut) et négatif (en bas)
L'interaction en la tension (volts), la résistance (ohms), et le courant (amps)
Le Champ magnétique : La circulation d'un courant électrique dans un câble génère un champ magnétique, et réciproquement un champ magnétique (qui varie) peut induire la circulation d'un courant électrique (phénomène d'antenne).
- Une antenne radio placé à côté d'un gros fil d'alimentation n'est pas une bonne idée : l'antenne va capter le champ magnétique généré par le fil d'alimentation.
- Un compas magnétique doit être placé loin des gros fils d'alimentations électriques.
- Un microprocesseur génère beaucoup de perturbation magnétique. Pour ne pas polluer les autres appareils, il est généralement blindé (enfermé dans un caisson métallique).
- Certaines batteries portatives "power bank" peuvent générer des parasites, parfois audible via la radio VHF.
courant alternatif et courant continu
- Le courant continu est un type d'alimentation sont le sens est constant. C'est, par exemple, le type de courant délivré par les piles, les batteries.
- Le courant alternatif est un type d'alimentation électrique qui change de sens de manière cyclique. C'est, par exemple, le type de courant délivré par un alternateur.
Pourquoi ces deux types de courant ? Parce que certains équipements électriques préfèrent l'un ou à l'autre! Grossièrement, l'alternatif est très pratique pour les machines tournantes (alternateur, moteur électrique) et l'abaissement ou l'élévation de tension (transformateur électrique), alors que le continu est pratique pour le stockage et l’électronique (batteries, PC, téléphones....etc). Les éléments chauffants s’accommodent très bien des deux types (chauffage électrique, résistance chauffante...). Aujourd'hui, les technologies modernes permettent de convertir efficacement l'un à l'autre :
- Le courant alternatif d'un alternateur doit être converti avant de pouvoir recharger la batterie d'un motoplaneur
Pour associer deux éléments en parallèle, parmi tous les éléments à vérifier préalablement, il faut vérifier que le type (continue ou alternatif) et la valeur de la tension (en Volts).
- Par exemple, pour démarrer un motoplaneur avec une source d'énergie extérieure (groupe de parc, batterie externe...), il faut vérifier que la source extérieur est compatible avec le circuit de l'aéronef !
Électricité statique
L'électricité statique est une charge électrique, de très forte tension mais de très faible capacité (faible danger pour l'homme). L'électricité statique est souvent le résultat de frottements entre deux éléments plutôt isolant, l'un arrache des électrons à l'autre et le caractère isolant fait que les charges ne circulent pas et s'accumulent. Ces charges s'évacueront dès qu'elles trouvent un chemin plus ou moins conducteur, en créant un petit arc électrique le cas échéant (la "joutte" lorsqu'une personne touche un élément chargé). La présence d'électricité statique n'est pas une bonne chose et sur un aéronef, tout est fait pour qu'un chemin conducteur de "décharge" existe en permanence afin qu'aucune accumulation ne puisse se produire :
- Sur les aéronefs, toutes les pièces métalliques sont généralement reliés entre elles par des "tresses de masses".
- Sur les aéronefs métalliques, il existe des déperditeurs d'électricité statique pour évacuer les charges durant le vol.
- Lors de l'avitaillement, l’aéronef est connecté au sol via un câble pour décharger toute l'électricité statique avant d'approcher le pistolet à carburant.
En l'absence de ces dispositifs l'électricité statique se déchargera de manière aléatoire à travers un chemin non maitrisé, en créant potentiellement de petits arcs. Ces décharges spontanées peuvent à l'origine de perturbation des systèmes électriques et radios, et à l'origine d'incendie en présence de combustible.
Déperditeurs électrostatiques utilisés en aviation générale
Déperditeur électrostatique moderne pour aviation commerciale
Déperditeurs électrostatiques sur une aile d'avion de ligne
la foudre
La foudre est le déchargement soudain de l'énergie électrique accumulée dans un nuage (vu l'épaisseur d'air traversé, il est facile de conclure à la tension colossale qui règne juste avant la décharge). Mais c'est le très fort courant circulant très brièvement dans la foudre qui occasionne des dégâts : Destruction des éléments trop petit là où passe la foudre au sol (fondus ou brulés), et génération d'un champ magnétique important à proximité du passage de la foudre qui peuvent détruire les équipements mal protégés.
Parmi les stratégies de protection contre la foudre :
- créer un chemin d’éléments conducteurs suffisamment important pour permettre la circulation du courant sans dommage (tresses de masses sur un aéronef, paratonnerre au sol...)
- Blinder les équipements fragiles pour les protéger des champs magnétiques, mais aussi ajouter des protections contre les surtensions créées par ces champs magnétiques.
Les batteries
- type et technologies : Au plomb, au plomb gélifié, au lithium...etc. Chacune a ses avantages. Le pilote planeur doit veiller attentivement à utiliser son type de batterie avec tous les accessoires compatibles avec ce type (exemple : chargeur spécifique pour batterie lithium).
- la tension de la batterie : généralement 12Volts de tension nominale pour les planeurs. Attention à ne pas installer ou connecter une batterie 24volts !
- la capacité : elle s’exprime en "Ampère x Heure" (symbole Ah). Une batterie de 12Ah est capable de fournir 12Ampères durant 1 heure, ou 6ampères pendant 2 heures, ou 0.5 ampères pendant 24heures...etc
- le courant maximum : caractéristique souvent oubliée, c'est ce qui fait la différence entre batterie de planeur (décharge lente, alimenter quelques instruments plusieurs heures : courant max de l'ordre de 10 à 50 ampères) et une batterie pour motoplaneur (pic de décharge pour alimenter un démarreur durant 10s : courant max de l'ordre 100 à 500 ampères).
Suivant les technologies une batterie sera apte supporter un certain nombre de cycle de charges. En atteignant ce nombre, la capacité de la batterie diminue. La température est un élément qui impacte fortement le fonctionnement d'une batterie. Une température basse "engourdie" la batterie (les réactions chimiques qui génèrent le courant sont ralenties) qui semblera alors déchargée plus tôt que prévue. Une température trop élevée peut détruire la batterie, et pour certaines occasionner un incendie.
Toutes ces caractéristiques doivent être scrutées par le pilote afin d'utiliser correctement la batterie. Notamment pour utiliser le chargeur adapté, et connaitre les risques et actions à mener en cas de surchauffe ou d'incendie.
Batterie de démarrage pour motoplaneur : technologie plomb, 12volts, capacité 14Ah, courant max 190A.
Batterie classique de planeur : technologie lithium, 12Volts, capacité 12Ah, prévue pour décharge profonde.
Composants électriques
Interrupteur : Équipement actionné à la main pour relier un équipement à un autre. Allumer ou éteindre un équipement.
Relais : C'est un interrupteur actionné par un dispositif électrique. Souvent utilisé pour commuter des puissances importantes (fort courant, gros câbles...). Dans le cas d'un aéronef, il permet par exemple d'utiliser un petit interrupteur au tableau de bord, connecté via des petits fils jusqu'au relais de forte puissance, qui est installé loin des équipements sensibles et plus proches des servitudes qu'il doit alimenter.
Fusible : Équipement de protection. Un fil de taille calibré fond lorsqu'un courant trop important le traverse, ce qui déconnecte d'alimentation électrique avant qu'une surchauffe ne survienne ailleurs. Il faut alors remplacer le fusible par un neuf.
Disjoncteur ou Breaker en Anglais : Équipement de protection. C'est un interrupteur qui déconnecte l'alimentation automatiquement si le courant dépasse la valeur nominale du breaker. Il a le même rôle qu'un fusible mais le breaker peut se réenclencher quasi-immédiatement par le pilote sans besoin d'un consommable de remplacement.