QCM : Batteries et systèmes photovoltaïques — 29 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle caractéristique explique l’intérêt des batteries plomb-acide dans certaines installations malgré leur faible énergie massique ?

Leur rendement proche de celui des batteries lithium-ion
Leur nombre de cycles très supérieur aux technologies récentes
Leur coût réduit et leur technologie éprouvée
Leur énergie massique élevée et leur faible encombrement

Leur coût réduit et leur technologie éprouvée

Explication

Les batteries plomb-acide restent intéressantes grâce à leur faible coût et à une technologie bien maîtrisée, avec un risque incendie généralement plus faible. Leur énergie massique limitée les rend toutefois plus encombrantes que les batteries lithium-ion.

2. Une application exige une faible perte d’énergie pendant la conversion et une longue durée d’utilisation : quelle technologie présente l’avantage le plus net ?

La batterie plomb-acide, grâce à sa durée de vie de 5 à 20 ans
La batterie plomb-acide, grâce à son rendement de 70 à 85 %
La batterie lithium-ion, grâce à une autodécharge de 3 à 5 % par mois
La batterie lithium-ion, grâce à son rendement de 90 à 95 %

La batterie lithium-ion, grâce à son rendement de 90 à 95 %

Explication

Les batteries lithium-ion combinent un rendement de 90 à 95 % et une durée de vie généralement supérieure à celle des batteries plomb-acide. Le rendement de ces dernières se situe plutôt entre 70 et 85 %, tandis que leur autodécharge est plus élevée.

3. Quelle technologie offre généralement le plus grand nombre de cycles de charge-décharge parmi les catégories suivantes ?

La batterie lithium-ion, avec environ 200 à 500 cycles
La batterie lithium-ion, avec environ 800 à 6000 cycles
La batterie plomb-acide, avec environ 200 à 500 cycles
La batterie plomb-acide, avec environ 800 à 6000 cycles

La batterie lithium-ion, avec environ 800 à 6000 cycles

Explication

Les batteries lithium-ion atteignent environ 800 à 6000 cycles, contre 200 à 500 pour les batteries plomb-acide. Les batteries LFP peuvent même atteindre environ 8000 cycles.

4. Quelle association décrit correctement la chimie LFP ?

Cathode NMC, anode métallique et énergie massique très élevée
Cathode LCO, anode en silicium et usage réservé aux appareils compacts
Cathode LiFePO₄, anode en graphite et longue durée de vie
Cathode en oxyde de plomb, anode en graphite et faible rendement

Cathode LiFePO₄, anode en graphite et longue durée de vie

Explication

La chimie LFP associe une cathode en phosphate de fer lithié LiFePO₄ à une anode en graphite et offre environ 2000 à 8000 cycles. Elle convient notamment aux véhicules, au stockage stationnaire et aux applications solaires ou UPS.

5. Pour quelle application la chimie NCA est-elle particulièrement adaptée compte tenu de son énergie massique élevée mais de sa durée de vie plus limitée ?

Les appareils compacts nécessitant une chimie LCO à faible énergie massique
Le stockage stationnaire privilégiant un très grand nombre de cycles
Les systèmes plomb-acide destinés aux démarrages fréquents
La motorisation électrique et certains équipements médicaux

La motorisation électrique et certains équipements médicaux

Explication

La chimie NCA offre une énergie massique d’environ 200 à 260 Wh/kg et trouve des applications dans la motorisation électrique et les équipements médicaux. Sa durée de vie d’environ 500 cycles la distingue de la chimie LFP, davantage orientée vers la longévité.

6. Quels constituants caractérisent correctement une batterie plomb-acide ?

Un électrolyte sulfurique aqueux, une anode en oxyde de plomb et une cathode en plomb
Un électrolyte carbonaté, une anode en graphite et une cathode en phosphate de fer lithié
Un électrolyte alcalin, une anode en nickel et une cathode en cadmium
Un électrolyte sulfurique aqueux, une anode en plomb et une cathode en oxyde de plomb

Un électrolyte sulfurique aqueux, une anode en plomb et une cathode en oxyde de plomb

Explication

Une batterie plomb-acide contient un électrolyte d’acide sulfurique aqueux, une anode en plomb et une cathode en oxyde de plomb. La confusion fréquente consiste à inverser les matériaux des deux électrodes.

7. Que se produit-il dans une batterie pendant la décharge ?

L’anode se réduit, consomme les électrons et les ions restent dans l’électrode
La cathode se réduit, bloque les électrons et les ions quittent l’électrolyte
La cathode s’oxyde, libère des électrons et les ions vont vers l’anode
L’anode s’oxyde, libère des électrons et les ions vont vers la cathode

L’anode s’oxyde, libère des électrons et les ions vont vers la cathode

Explication

Pendant la décharge, l’anode s’oxyde et fournit des électrons au circuit externe, tandis que la cathode les capte et se réduit. Les ions se déplacent simultanément dans l’électrolyte de l’anode vers la cathode.

8. Quelle équation représente la réaction globale de décharge d’une batterie plomb-acide ?

PbO2+4H3O++Pb→2Pb2++6H2O\mathrm{PbO_2 + 4H_3O^+ + Pb \rightarrow 2Pb^{2+} + 6H_2O}
Pb2++6H2O→PbO2+4H3O++Pb\mathrm{Pb^{2+} + 6H_2O \rightarrow PbO_2 + 4H_3O^+ + Pb}
LiFePO4+C→LiC6+FePO4\mathrm{LiFePO_4 + C \rightarrow LiC_6 + FePO_4}
Pb+2H2O→PbO2+4H++2e−\mathrm{Pb + 2H_2O \rightarrow PbO_2 + 4H^+ + 2e^-}

$$\mathrm{PbO_2 + 4H_3O^+ + Pb \rightarrow 2Pb^{2+} + 6H_2O}$$

Explication

La décharge globale d’une batterie plomb-acide s’écrit PbO2+4H3O++Pb→2Pb2++6H2O\mathrm{PbO_2 + 4H_3O^+ + Pb \rightarrow 2Pb^{2+} + 6H_2O}. Les autres expressions correspondent à des demi-réactions, à une chimie lithium-ion ou à l’écriture inversée de la réaction.

9. Lors de la décharge d’une batterie LFP, quelle transformation se produit à l’électrode de graphite ?

Le graphite capte des ions Li⁺ et forme FePO₄
Le graphite convertit les ions Li⁺ en oxygène et en hydrogène
LiFePO₄ libère du lithium, des ions Li⁺ et un électron
LiC₆ libère du lithium, des ions Li⁺ et un électron

LiC₆ libère du lithium, des ions Li⁺ et un électron

Explication

À la décharge, le composé LiC₆ perd son lithium et produit des ions Li⁺ ainsi que des électrons. La transformation de LiFePO₄ concerne l’autre électrode, où le lithium est capté plutôt que libéré.

10. Pourquoi une batterie plomb-acide ne doit-elle généralement pas subir des décharges répétées au-delà d’environ 70 à 80 % de sa capacité ?

Parce que des cristaux isolants de PbSO₄ favorisent la sulfatation
Parce que des gradients de Li⁺ augmentent rapidement sa résistance interne
Parce que le graphite forme des composés irréversibles avec le lithium
Parce que l’électrolyte perd son eau par électrolyse contrôlée

Parce que des cristaux isolants de PbSO₄ favorisent la sulfatation

Explication

Les décharges profondes répétées d’une batterie plomb-acide favorisent la formation de cristaux isolants de PbSO₄, phénomène appelé sulfatation. Les gradients de Li⁺ et la dégradation du graphite concernent plutôt les batteries Li-Ion.

11. Pendant la recharge d’une batterie LFP, quel ensemble de phénomènes décrit correctement l’évolution des électrodes et du circuit externe ?

Les ions Li⁺ retournent vers la cathode, FePO₄ redevient LiFePO₄ et les électrons gardent leur sens
Les ions Li⁺ quittent l’anode, LiC₆ devient FePO₄ et les électrons cessent de circuler
Les ions Li⁺ sont consommés dans l’électrolyte, tandis que les électrodes restent chimiquement inchangées
Les ions Li⁺ retournent vers l’anode, LiFePO₄ redevient FePO₄ et les électrons inversent leur sens

Les ions Li⁺ retournent vers l’anode, LiFePO₄ redevient FePO₄ et les électrons inversent leur sens

Explication

La recharge ramène les ions Li⁺ vers l’anode, transforme LiFePO₄ en FePO₄ et reforme LiC₆ dans le graphite, avec un courant électronique de sens inverse. Le retour des ions vers la cathode décrit la décharge, et non la recharge.

12. Dans un protocole de recharge CC-CV, quelle séquence est appliquée à la batterie ?

Une tension décroissante est appliquée, puis un courant nul dès que la charge commence
Un courant constant est appliqué, puis une tension constante jusqu’à la fin de charge
Une tension constante est appliquée, puis un courant constant jusqu’à la fin de charge
Un courant décroissant est appliqué, puis une tension croissante jusqu’à la fin de charge

Un courant constant est appliqué, puis une tension constante jusqu’à la fin de charge

Explication

Le protocole CC-CV commence par une phase à courant constant, suivie d’une phase à tension constante jusqu’à l’achèvement de la charge. L’ordre tension-courant correspond à une inversion des deux étapes du protocole.

13. Une batterie reste chargée dans un local chaud sans alimenter de récepteur : quelle évolution est la plus probable ?

L’autodécharge diminue, car la chaleur stabilise les réactions internes
L’autodécharge et le vieillissement au repos s’accélèrent, ce qui réduit la capacité
La batterie conserve sa capacité, car aucune charge externe ne circule
La capacité augmente, car l’électrolyte devient davantage conducteur au repos

L’autodécharge et le vieillissement au repos s’accélèrent, ce qui réduit la capacité

Explication

Une température élevée accélère l’autodécharge et le vieillissement au repos, entraînant une perte plus rapide de capacité. L’absence de récepteur empêche une décharge utile externe, mais ne supprime pas les réactions internes.

14. Que désigne la stratification dans une batterie plomb-acide ?

Une diminution identique de la tension dans toutes les cellules
Une répartition non uniforme de la densité de l’électrolyte
Une accumulation uniforme de lithium dans les particules des électrodes
Une séparation mécanique des plaques positives et négatives

Une répartition non uniforme de la densité de l’électrolyte

Explication

La stratification correspond à une distribution non uniforme de la densité de l’électrolyte, avec des zones pauvres et trop concentrées en acide. Les gradients de concentration en Li⁺ relèvent plutôt du comportement des batteries Li-Ion.

15. Dans quelles conditions les gradients de concentration en Li⁺ sont-ils particulièrement susceptibles d’apparaître dans une batterie Li-Ion ?

Pendant une surcharge contrôlée d’une batterie plomb-acide en fin de charge
Lors d’un courant faible, à température modérée et avec une batterie neuve
Après un brassage gazeux destiné à homogénéiser un électrolyte acide
Lors de forts courants, à basse température ou avec le vieillissement

Lors de forts courants, à basse température ou avec le vieillissement

Explication

Dans les batteries Li-Ion, les gradients de Li⁺ sont favorisés par les forts courants, les basses températures et le vieillissement, puis ils augmentent la résistance interne. Le brassage gazeux concerne la réduction de la stratification dans les batteries plomb-acide.

16. Selon la loi de Peukert, que devient généralement la capacité réellement disponible d’une batterie lorsque le courant de décharge augmente ?

Elle devient proportionnelle au courant, avec une durée d’utilisation inchangée
Elle diminue, car la relation entre courant et durée d’utilisation est non linéaire
Elle reste constante, car la capacité nominale ne dépend pas du courant
Elle augmente, car un courant plus élevé extrait davantage de capacité utile

Elle diminue, car la relation entre courant et durée d’utilisation est non linéaire

Explication

La loi de Peukert décrit une capacité disponible qui diminue lorsque le courant de décharge augmente, avec un exposant n>1n>1 traduisant la non-linéarité. La capacité nominale ne garantit donc pas une autonomie indépendante du courant.

17. Une batterie possède une force électromotrice EE et une résistance interne rr. Comment sa tension aux bornes évolue-t-elle pendant la décharge avec un courant II ?

Elle suit approximativement U=E−rIU=E-rI et diminue lorsque II augmente
Elle reste égale à EE, car la résistance interne ne modifie pas la tension
Elle suit approximativement U=r/IU=r/I et devient indépendante de la force électromotrice
Elle suit approximativement U=E+rIU=E+rI et augmente lorsque II augmente

Elle suit approximativement $$U=E-rI$$ et diminue lorsque $$I$$ augmente

Explication

La chute de tension interne vaut environ rIrI, d’où la relation de décharge U=E−rIU=E-rI, avec une résistance typique proche de 10 mΩ10\,\mathrm{m\Omega}. Le signe positif conduirait au comportement opposé à celui observé en décharge.

18. Dans une installation photovoltaïque autonome, quelle fonction relève principalement du régulateur photovoltaïque ?

Gérer la charge et la décharge des batteries tout en indiquant l’état du système
Adapter la fréquence du réseau alternatif aux besoins des appareils
Stocker l’énergie produite par les panneaux pendant les périodes sans soleil
Convertir le courant continu des batteries en courant alternatif utilisable

Gérer la charge et la décharge des batteries tout en indiquant l’état du système

Explication

Le régulateur surveille la charge et la décharge des batteries et fournit des informations sur l’état de l’installation. La conversion du courant continu en courant alternatif relève de l’onduleur, et non du régulateur.

19. Une batterie plomb-acide de type C10 possède une capacité nominale de 100 Ah. Quel courant maximal de charge est typiquement retenu par le régulateur ?

25 A, car la limite correspond à 25 % de la capacité C10
75 A, car la batterie peut recevoir les trois quarts de sa capacité
10 A, car la désignation C10 fixe directement le courant de charge
4 A, car C10 doit être converti en une valeur C4

25 A, car la limite correspond à 25 % de la capacité C10

Explication

Pour une batterie plomb-acide, le courant de charge est typiquement limité à 25 % de C10 ; pour 100 Ah, cela donne 25 A. La désignation C10 et la profondeur de décharge ne donnent pas directement les autres valeurs proposées.

20. Quel type de régulateur permet d’atteindre un état de charge maximal d’environ 100 % dans la comparaison présentée ?

Le régulateur tout-ou-rien
Le régulateur MPPT
Le régulateur MLI
Le régulateur à limitation fixe

Le régulateur MPPT

Explication

Le régulateur MPPT est celui qui permet d’atteindre un état de charge maximal d’environ 100 %. Le tout-ou-rien limite la charge à environ 75 %, tandis que le MLI n’exploite pas toute la puissance photovoltaïque.

21. Quel changement électrique est réalisé par un onduleur photovoltaïque autonome ?

La limitation du courant de charge selon la capacité nominale de la batterie
La régulation de la charge et de la décharge d’une batterie électrochimique
La conversion d’une tension et d’un courant continus en grandeurs alternatives
La transformation d’une tension alternative en courant continu de stockage

La conversion d’une tension et d’un courant continus en grandeurs alternatives

Explication

L’onduleur transforme les grandeurs électriques continues en tension et courant alternatifs. La gestion de la batterie et la limitation de son courant de charge sont des fonctions du régulateur photovoltaïque.

22. Dans un onduleur photovoltaïque autonome, comment s’articulent généralement les tensions d’entrée et de sortie ?

L’entrée et la sortie sont toutes deux continues, avec une tension de 12, 24 ou 48 V
L’entrée alternative vaut 230 V à 50 Hz, et la sortie continue vaut 12, 24 ou 48 V
L’entrée continue vaut 12, 24 ou 48 V, et la sortie alternative vaut généralement 230 V à 50 Hz
L’entrée continue vaut 230 V à 50 Hz, et la sortie alternative vaut 12, 24 ou 48 V

L’entrée continue vaut 12, 24 ou 48 V, et la sortie alternative vaut généralement 230 V à 50 Hz

Explication

Les valeurs 12, 24 et 48 V désignent la tension continue du système, tandis que l’onduleur fournit généralement 230 V efficaces à 50 Hz en sortie alternative. Inverser ces rôles confond les côtés continu et alternatif de l’appareil.

23. Une installation alimente simultanément des appareils totalisant 2 000 W. Quelle puissance nominale est la plus appropriée pour l’onduleur en appliquant une marge de 20 à 30 % ?

Entre 2 000 et 2 100 W
Entre 2 400 et 2 600 W
Entre 1 400 et 1 600 W
Entre 3 500 et 4 000 W

Entre 2 400 et 2 600 W

Explication

La puissance nominale doit couvrir 2 000 W et intégrer une marge de 20 à 30 %, soit une plage de 2 400 à 2 600 W. Une puissance égale à la charge ne tient pas compte des démarrages ni des conditions défavorables.

24. Que représente le facteur GES dans une analyse environnementale ?

La durée pendant laquelle un système fonctionne avant sa fin de vie
La masse de matériaux nécessaire à la fabrication d’un équipement
La quantité totale d’émissions produite par une installation entière
Un coefficient estimant les émissions associées à une unité d’activité

Un coefficient estimant les émissions associées à une unité d’activité

Explication

Le facteur GES est un coefficient d’émission qui associe une activité donnée à une quantité d’émissions exprimée selon une unité de référence. L’émission totale nécessite ensuite de multiplier ce facteur par l’activité correspondante.

25. Une activité consomme 500 kWh avec un facteur GES de 0,4 kgCO₂e/kWh. Quelle quantité d’émissions est calculée ?

500,4 kgCO₂e
125 kgCO₂e
200 kgCO₂e
1 250 kgCO₂e

200 kgCO₂e

Explication

Le calcul applique la relation GES=Activiteˊ totale×Facteur GES\mathrm{GES = Activité\ totale \times Facteur\ GES}, donc 500×0,4=200 kgCO2e500 \times 0,4 = 200\ \mathrm{kgCO_2e}. Le facteur exprimé en kgCO₂e/kWh ne constitue pas à lui seul la quantité totale d’émissions.

26. Quelle séquence décrit correctement les principales étapes prises en compte dans l’ACV d’un système de batteries et de source d’électricité ?

Transport, utilisation, acquisition des matériaux, maintenance, puis remplacement du logiciel
Fabrication et assemblage, utilisation, conception commerciale, vente, puis recyclage administratif
Fin de vie, transport, extraction du produit fini, utilisation, puis production de l’électricité
Matériaux et prétraitement, fabrication et assemblage, transport, utilisation, puis fin de vie

Matériaux et prétraitement, fabrication et assemblage, transport, utilisation, puis fin de vie

Explication

L’ACV suit les étapes matérielles du cycle de vie, depuis l’acquisition et le prétraitement des matériaux jusqu’à la fin de vie, en passant par la fabrication, le transport et l’utilisation. Les autres séquences introduisent des étapes commerciales ou réordonnent le cycle de manière incorrecte.

27. Dans le scénario PV France présenté, quelle phase contribue à la plus grande part des émissions totales de l’ACV ?

La phase d’utilisation, avec environ 67,78 % des émissions
La phase de fabrication, avec environ 32,22 % des émissions
La phase de fin de vie, avec environ 32,22 % des émissions
La phase de transport, avec environ 67,78 % des émissions

La phase d’utilisation, avec environ 67,78 % des émissions

Explication

Dans ce scénario, la phase d’utilisation représente 67,78 % des émissions totales, pour un total ACV de 1858,73 kgCO₂e. Les autres phases ne sont donc pas celles qui portent la part majoritaire indiquée.

28. Un convertisseur doit fonctionner à 120 kHz : quel composant rapide est le plus cohérent avec sa fréquence de commutation industrielle ?

Une diode-Si
Un HEMT-GaN
Un IGBT-Si
Un MOSFET-SiC

Un HEMT-GaN

Explication

Les HEMT-GaN dépassent 100 kHz, ce qui les rend cohérents avec un fonctionnement à 120 kHz. L’IGBT-Si est plutôt associé à une plage d’environ 10 à 20 kHz.

29. Pour une charge de 15 kVA devant fonctionner à 14 kHz, quel choix offre un rendement supérieur tout en restant adapté à cette fréquence ?

L’IGBT-Si
Le MOSFET-Si
Le GTO-Si
Le MOSFET-SiC

Le MOSFET-SiC

Explication

Pour une charge de 15 kVA, le MOSFET-SiC est adapté à toutes les fréquences considérées avec un rendement supérieur. L’IGBT-Si reste adapté jusqu’à environ 16 kHz, mais son rendement est inférieur dans cette comparaison.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 79 flashcards sur Batteries et systèmes photovoltaïques.

Pourquoi les batteries Li-Ion dominent-elles l’électronique portable ?

Elles ont un rendement élevé, un nombre de cycles important et une énergie massique élevée.

Quelles protections nécessitent les batteries Li-Ion ?

Un BMS et des protections contre la surcharge, la décharge profonde et la température.

Quel est l'avantage principal des batteries plomb-acide en coût et sécurité ?

Elles offrent un faible coût et un risque incendie généralement plus faible.

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Approfondir avec la fiche

Consultez la fiche de révision complète sur Batteries et systèmes photovoltaïques.

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