Puissance et énergieFondamentaux

Rendement, pertes et bilan de puissance

Établissez un bilan de puissance d’un système alimenté sur batterie : puissance d’entrée et de sortie, rendement, dissipation thermique, énergie disponible et autonomie réaliste.

Niveau

Intermédiaire

Temps de lecture

16 min

Norme ou source principale

IEC 80000-6, principes de conservation de l’énergie et fiches techniques des convertisseurs et cellules

Dernière vérification

13 septembre 2026

Outil associé

Calculateur d’autonomie de batterie

Rédaction et revue techniqueElectroDesignForge Engineering Team

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À retenir : un équipement alimenté sur batterie ne reçoit jamais toute l’énergie stockée dans la cellule. À chaque étage, une partie de la puissance devient chaleur ou est consommée au repos. Un bilan de puissance relie la charge utile à la puissance d’entrée, à la dissipation et, finalement, à l’autonomie.

Référence rapide

Dans un bilan simple en courant continu, utilisez des puissances moyennes :

P = V × I
η = Pout / Pin
Pin = Pout / η
Ploss = Pin − Pout = Pin × (1 − η)
E = P × t
t = E / P

Le rendement doit être exprimé comme un nombre compris entre 0 et 1 dans les formules : 90 % = 0,90.

1. Puissance d’entrée, puissance de sortie et conservation de l’énergie

Un convertisseur, un régulateur, un câble ou un circuit de protection ne crée pas d’énergie. Il répartit la puissance prélevée entre la charge utile et les pertes :

Pin = Pout + Ploss

Pour un régulateur qui fournit 5 V à 1 A, la charge reçoit 5 W. Si son rendement au point de fonctionnement est 90 %, il faut prélever davantage que 5 W à la batterie :

Pout = 5 V × 1 A = 5 W
Pin = 5 W / 0,90 = 5,56 W
Ploss = 5,56 W − 5 W = 0,56 W

Les 0,56 W ne disparaissent pas : dans cet exemple, ils deviennent principalement de la chaleur dans le régulateur et ses composants associés. La batterie doit donc fournir 5,56 W, et non 5 W.

Attention aux domaines de tension

Le courant ne se conserve pas à travers un convertisseur lorsque les tensions d’entrée et de sortie sont différentes. C’est la puissance qui doit être comparée. Un abaisseur 12 V → 3,3 V qui fournit 1 A en sortie délivre 3,3 W ; à 90 % de rendement, son courant d’entrée idéalise à environ 0,306 A, pas 1 A :

Pin = 3,3 W / 0,90 = 3,67 W
Iin = 3,67 W / 12 V = 0,306 A

Pour un système à plusieurs rails, calculez d’abord la puissance de chaque rail, puis remontez étage par étage jusqu’à la batterie.

2. Calculer le rendement sans ambiguïté

Le rendement compare une sortie utile à une entrée totale :

η = Pout / Pin
η (%) = 100 × Pout / Pin

Il n’est pertinent qu’à un point de fonctionnement défini : tension d’entrée, tension de sortie, courant, mode de commande, température et composants. Une fiche technique peut annoncer 95 % au sommet de la courbe, alors que le produit passe la majorité de son temps à 15 µA, où le courant de repos domine.

Ne confondez pas rendement et faible dissipation absolue. À 95 %, un étage de 100 W perd encore 5,26 W : c’est souvent un enjeu thermique majeur.

3. D’où viennent les pertes ?

Les mécanismes varient avec l’architecture, mais le bilan doit les capturer même lorsqu’ils ne sont pas séparés dans le premier calcul.

Un régulateur linéaire est un cas particulièrement lisible. De 12 V à 5 V sous 200 mA :

Pout = 5 V × 0,2 A = 1 W
Ploss = (12 V − 5 V) × 0,2 A = 1,4 W
η = 1 W / 2,4 W = 41,7 %

Il peut être acceptable pour un courant très faible, mais un convertisseur abaisseur est généralement nécessaire lorsque cette perte affecte l’autonomie ou la température.

4. Dissipation et température : le deuxième bilan à faire

La puissance perdue produit une élévation de température. En première approximation :

ΔT ≈ Ploss × θJA
Tj ≈ Ta + ΔT

où θJA est la résistance thermique jonction-ambiante dans les conditions réelles du PCB, T_a la température ambiante et T_j la température de jonction estimée. Cette approximation est utile pour un ordre de grandeur, mais la valeur θJA dépend fortement du boîtier, du cuivre, des vias thermiques, du flux d’air et des composants voisins.

Exemple : un convertisseur perd 0,8 W sur une carte dont la résistance thermique effective est estimée à 45 °C/W. L’élévation approximative est 36 °C. À 40 °C ambiants, la jonction peut donc approcher 76 °C avant de considérer les marges, les pointes ou l’échauffement des voisins.

Vérifiez toujours la température maximale de jonction, le déclassement de l’inductance et des condensateurs, ainsi que le comportement en surcharge. La meilleure optimisation d’autonomie peut aussi être une amélioration de fiabilité.

5. De l’énergie de la batterie à l’autonomie

La capacité Ah n’est pas directement un budget d’énergie si la tension varie. Utilisez les watt-heures :

Ebatt nominale (Wh) ≈ Vnominale × capacité (Ah)
Eutile = Ebatt nominale × facteur de capacité × rendement total × marge disponible
t ≈ Eutile / Pcharge moyenne

Le « rendement total » doit inclure tous les étages traversés. Avec deux étages à 92 % puis 90 % :

ηtotal = 0,92 × 0,90 = 0,828 = 82,8 %

On multiplie les rendements, on ne les additionne pas. Les autres facteurs représentent par exemple la capacité réellement récupérable à froid, le vieillissement, l’auto-décharge et la réserve imposée avant coupure.

Exemple complet : capteur sur batterie

Une batterie de 3,7 V et 2 Ah stocke approximativement 7,4 Wh. Le produit consomme en moyenne 0,40 W sur son rail utile. On suppose 85 % de capacité utilisable à la température visée, un convertisseur à 90 % et 10 % de réserve avant coupure.

Eutile = 7,4 Wh × 0,85 × 0,90 × 0,90 = 5,09 Wh
t = 5,09 Wh / 0,40 W = 12,7 h

Diviser 2 Ah par le courant de charge peut produire un résultat très différent, car le convertisseur, la variation de tension et les réserves ne sont alors pas représentés.

6. Construire un bilan de puissance exploitable

Commencez avec une table qui distingue les rails et les états de fonctionnement. Ne cachez pas les courants de repos ou les charges occasionnelles dans une seule valeur moyenne.

La puissance d’entrée de chaque ligne devient la puissance de sortie utile de l’étage précédent. Pour des charges cycliques, calculez l’énergie par cycle (Ecycle = P × durée) et divisez par la durée totale du cycle. Cette méthode est plus sûre qu’une moyenne visuelle de courants très éloignés.

7. Méthode de vérification sur prototype

1. Listez chaque rail, chaque convertisseur, chaque charge permanente et chaque état temporaire.
2. Mesurez tension et courant au bon endroit ; convertissez en puissance avant de comparer deux domaines de tension différents.
3. Relevez le rendement et le courant de repos dans les conditions réelles, en incluant le mode veille ou burst du régulateur.
4. Additionnez les puissances de sortie, remontez vers la batterie et comparez le résultat au courant réellement mesuré à la batterie.
5. Contrôlez les pointes : la puissance moyenne prédit l’énergie, mais le courant de pointe et l’impédance de source décident souvent du brownout.
6. Mesurez les températures à l’ambiante haute et vérifiez les courbes de déclassement des composants.
7. Validez l’autonomie sur un cycle représentatif, à la température basse et avec une cellule vieillie ou une marge équivalente.

Pièges fréquents

Outil associé

Ouvrir le Calculateur d’autonomie de batterie pour répartir un cycle en plusieurs modes, identifier les charges dominantes et estimer l’autonomie avec une capacité réellement disponible.

Sources

• IEC 80000-6 — Grandeurs et unités : électromagnétisme.
• BIPM — The International System of Units (SI Brochure).
• Fiche technique du convertisseur retenu : courbes de rendement, courant de repos, limites thermiques et conditions d’essai.
• Fiche technique de la cellule : courbes de décharge, capacité selon température et courant, impédance interne et tension de coupure.