IBTS-77-RP-1000
Intérêt des supercondensateurs
Les premiers supercondensateurs avaient une résistance série élevée, ce qui induisait un rendement moyen et une puissance spécifique limitée. Au cours des dernières années, on a assisté à un très grand effort de la part des fabricants afin de diminuer la résistance interne, augmenter la capacité de stockage, ainsi que la tension nominale de fonctionnement. La fabrication des composants MAXWELL a commencé avec la gamme 2,3V. Pour cette gamme, la capacité ne dépassait pas 3600F, et le courant 400A. La seconde gamme utilise une tension nominale de 2,5V, ce qui implique une augmentation importante de l’énergie stockée. Ils présentent également des résistances séries bien plus faible, ce qui améliore leur puissance spécifique. Ainsi, un supercondensateur de 5000 F atteint une puissance spécifique de 7,4 kW/kg et une énergie spécifique de 5,1 Wh/kg. Ces résultats ouvrent des perspectives certaines pour construire des systèmes de stockage plus efficaces. Enfin, les composants les plus récents ont une tension nominale de fonctionnement qui atteint actuellement 2.7V.
Les supercondensateurs ont plusieurs atouts pour les applications de traction électrique [C1-12, C1-13]. Leur utilisation comme système de puissance secondaire permet de fournir une source de puissance rapidement disponible lors des phases d’accélération et de freinage.
En effet, la constante de temps des condensateurs est plus faible que celle des générateurs électrochimiques classiques (décharge possible en quelques secondes) et les supercondensateurs sont capables de fournir une puissance importante sur un temps très court [C1-14]. De plus, en cas de limitation énergétique, l’utilisation d’un supercondensateur associé à une batterie permet d’augmenter la durée de vie de cette dernière en évitant les décharges profondes lors des appels de puissance. Enfin, ce genre de dispositif possède une bonne cyclabilité (plus de 5.105 cycles) et une bonne stabilité du fait de l’absence de réactions électrochimiques aux électrodes.
Domaines d’application des supercondensateurs
Actuellement, l’évolution des performances et des coûts des supercondensateurs fait qu’un grand nombre de fabricants de systèmes électriques et de laboratoires de recherche dans le domaine de l’électronique de puissance s’intéressent à l’utilisation de ces composants dans les applications présentant des pics de puissance importants par rapport à la puissance moyenne. On peut distinguer deux principales familles. L’une concerne les systèmes isolés pour lesquels seuls les systèmes de faible puissance émergent, l’autre les systèmes hybrides (multi-sources) plus adaptés aux applications de puissance.
Systèmes isolés
Ce concept est applicable pour alimenter les moyens de transport qui ont une distance inter-arrêt réduite, avec recharge des supercondensateurs lors des arrêts. Il existe plusieurs travaux réalisés dans ce domaine ; on peut citer le travail de collaboration entre le L2EP et ANF BOMBARDIER [C1-20] pour l’alimentation d’un tramway sans caténaire . Le but de ce projet était d’utiliser des batteries de supercondensateurs localisées à la fois en station et dans l’engin de transport afin de réaliser des réservoirs de puissance et d’énergie à recharge et décharge très rapides [C1-21]. Le processus de ravitaillement en station s’opère par échange d’énergie entre les deux batteries de supercondensateurs. Ces dernières permettent des recharges rapides limitées naturellement par le temps d’arrêt en station (environ dix secondes), afin de rendre la recharge « transparente » pour l’usagé.
L’objectif primaire était, bien sûr, de ne plus avoir de fils suspendus en centre ville (avec éventuellement des tronçons avec/sans caténaires), notamment dans les quartiers inadaptés pour l’implantation de système sécurisé avec une alimentation aérienne du tramway.
L’inconvénient de cette solution était le volume important de supercondensateurs embarqués. Dans ce domaine d’application, on peut citer aussi le projet de bus électrique autonome proposé par le laboratoire d’électronique industrielle de l’école polytechnique fédérale de Lausanne [C1-22, C1-23]. Ce projet dont le principe est similaire au précédent avait pour objectif le dimensionnement du système d’alimentation du bus.
Systèmes hybrides
Pour les applications de forte puissance, les supercondensateurs sont principalement employés pour une utilisation de type hybride. Ils présentent ainsi une solution d’hybridation des batteries. Ces dernières sont en général moins performantes en ce qui concerne le démarrage, l’accélération, la récupération d’énergie à cause de leurs puissances spécifiques relativement faibles. Aussi, l’adjonction de supercondensateurs peut permettre d’allonger la durée de vie des batteries et d’améliorer les performances du système.
Les supercondensateurs sont utilisés de façon globale pour fournir les pics de puissance dans les systèmes de distribution d’énergie, qu’ils soient embarqués ou non [C1-24, C1-25, C1-26, C1-27, C1-28].
Couplage réseaux-supercondensateurs : Les supercondensateurs jouent le rôle de compensateur de puissance instantanée en permettant de lisser la puissance fournie par le réseau [C1-29]. Différentes applications ont été étudiées.
On peut citer l’utilisation de supercondensateurs pour l’alimentation des ascenseurs [C1-30, C1-31]. Dans cette application, les supercondensateurs jouent un double rôle : la récupération d’énergie et le lissage de la puissance prise au réseau. On trouve également des travaux sur leur utilisation dans les éoliennes , toujours dans un but de lissage de la puissance fournie au réseau. Dans le domaine de traction électrique, BOMBARDIER TRANSPORT a depuis deux ans mis en essai un système de tramway qui combine une double alimentation (supercondensateurs et caténaires) [C1-33]. Ce système propose une utilisation des supercondensateurs moins contraignante qu’avec le système isolé envisagé au L2EP. Le principe de ce système est d’alterner l’utilisation des deux moyens d’alimentation (supercondensateurs et caténaire). Les supercondensateurs sont utilisés sur des tronçons très courts (intersections, carrefours…) où on supprime la caténaire et dans les phases d’accélération et de freinage avec présence de la caténaire de façon à limiter la puissance fournie par cette dernière. Avec ce système, le gain de consommation affiché est d’environ 30% sur une année.
Hybridation embarquée : Les supercondensateurs représentent une solution alternative vis à vis des batteries. On peut citer à titre d’exemple ce que fait HONDA avec la FCX [C1-34]. Cette voiture électrique regroupe deux systèmes de stockage d’énergie (supercondensateurs et réservoir à hydrogène). La pile à combustible joue le rôle de générateur et les supercondensateurs fournissent les variations de puissance (phase d’accélération/freinage) afin de solliciter de façon limitée la pile durant les phases dynamiques.
Mise en série des éléments supercondensateurs
La faible tension supportée par les supercondensateurs (2,7V au plus actuellement) nécessite leur mise en série pour les applications de puissance. Les fabricants proposent ainsi des modules de supercondensateurs afin d’augmenter la tension de service du système et d’optimiser le rendement de la structure « composant de stockage/convertisseur ». Cette mise en série entraîne l’apparition d’un déséquilibre de tension qui peut accélérer la dégradation des éléments du module s’il n’est pas contrôlé [C1-37]. Ce problème de déséquilibre de tension est dû à la dispersion des caractéristiques de fonctionnement des éléments supercondensateurs. Cette non similitude peut être liée à divers facteurs : fabrication, évolution des caractéristiques, conditions d’utilisation…. Un des points de notre étude concernera la mise en évidence de facteurs influents pour ce comportement. Les fabricants proposent de façon systématique des dispositifs d’équilibrage associés à ces modules afin de gérer ce problème.
Processus de vieillissement des supercondensateurs
L’évolution de la température des éléments supercondensateurs influence de manière directe ou indirecte le vieillissement du module. D’un coté, l’évolution de la température des éléments agit directement sur la dégradation directe des caractéristiques des composants.
D’un autre côté, cette variation de température couplée à un refroidissement non homogène (éléments centraux/latéraux) provoque une disparité de l’évolution des caractéristiques des éléments d’un module. Ceci engendre nécessairement un problème de déséquilibre de tension si aucun moyen d’action n’est mis en place. Le dimensionnement du module supercondensateur passe par le choix des performances voulues pour ce système (coût, volume, rendement, durée de vie). Suivant la performance avantagée, on peut choisir l’une des trois solutions suivantes : Surdimensionner le module supercondensateur : l’utilisation d’un nombre important d’éléments permet de réduire les contraintes électriques (tension, courant) imposées sur le module. En réduisant les contraintes électriques, on baisse de manière indirecte les contraintes thermiques. L’augmentation du nombre d’éléments permet d’augmenter la durée de vie du module au détriment du coût et du volume du système.
Dimensionner au plus juste le module supercondensateur : cette méthode permet de réduire le coût et le volume du module supercondensateur avec une accélération de la dégradation des performances de ce dernier. Le vieillissement dans ce cas est rapide car on pourrait passer d’une durée de vie d’une dizaine d’année à éventuellement quelques mois. Utilisation d’un système d’équilibrage : l’utilisation d’un système d’équilibrage peut être combinée avec l’une des deux possibilités précédentes. Cette méthode assure une dispersion homogène des contraintes électriques sur tous les éléments du module supercondensateur. L’utilisation d’un tel système provoque une diminution du rendement du système et donc de son autonomie dans le cas d’un équilibrage résistif ou bien un coût supplémentaire dans le cas de systèmes utilisant des semi-conducteurs.
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Table des matières
Chapitre I : Supercondensateur : Principe, application et approche de l’étude
I.1.PRINCIPE
I.1.1. MATERIAUX D’ELECTRODES
I.1.2. L’ELECTROLYTE
I.1.3. LE SEPARATEUR
I.2.INTERET DES SUPERCONDENSATEURS
I.3.DOMAINES D’APPLICATION DES SUPERCONDENSATEURS
I.3.1. SYSTEMES ISOLES
I.3.2. SYSTEMES HYBRIDES
I.4.PROBLEMATIQUE DE NOTRE ETUDE
I.4.1. CONTRAINTES AGISSANT SUR LE VIEILLISSEMENT DES SUPERCONDENSATEURS
I.4.2. MISE EN SERIE DES ELEMENTS SUPERCONDENSATEURS
I.4.3. PROCESSUS DE VIEILLISSEMENT DES SUPERCONDENSATEURS
I.5.STRATEGIE DEVELOPPEE
I.5.1. MODELISATION
I.5.2. ETUDE EXPERIMENTALE
I.6.CONCLUSION
Chapitre II : Modélisation et caractérisation des supercondensateurs
II.1.MODELE « CONSTRUCTEUR » RC-CC
II.1.1 IDENTIFICATION DE LA RESISTANCE SERIE (RC) ET DE LA CAPACITE DE
STOCKAGE (CC)
II.1.2. LIMITES DU MODELE RC-CC
II.2.MODELE BASE SUR UNE CARACTERISATION FREQUENTIELLE DES SUPERCONDENSATEURS [C2-10, C2-11]
II.2.1. MODELE FREQUENTIEL
II.2.2. TRANSFORMATION DU MODELE FREQUENTIEL EN UN MODELE CIRCUIT
II.2.3. CARACTERISATION AVEC INJECTION D’UN SIGNAL RICHE EN FREQUENCE
II.2.4. INJECTION D’UN HARMONIQUE 50HZ AVEC LE COURANT DE CYCLAGE
II.3.MODELE TEMPOREL A CONSTANTES REPARTIES (MODELE ANALYTIQUE)
II.3.1. LIMITES DU MODELE ANALYTIQUE
II.4.MODELES A CONSTANTES LOCALISEES
II.4.1. MODELE A DEUX BRANCHES [C2-7]
II.4.2. MODELE MULTI-BRANCHES [C2-14]
II.5.METHODE PROPOSEE POUR L’IDENTIFICATION D’UNE LIGNE DE
TRANSMISSION
II.5.1. LIEN ENTRE LES MODELES CIRCUITS ISSUS DES APPROCHES FREQUENTIELLES ET
TEMPORELLES
II.5.2. LIMITES DU MODELE UTILISE
II.6.APPROCHE ENERGETIQUE DES MODELES [C2-16]
II.6.1. MODELE ENERGETIQUE SIMPLIFIE REQ – CEQ EXTRAIT DE LA LIGNE DE
TRANSMISSION
II.6.2. BILAN SUR LES DIFFERENTS TYPES DE CAPACITES APPLIQUES AUX SUPERCONDENSATEURS
II.6.3. VALIDATION DU MODELE ENERGETIQUE SIMPLIFIE POUR DES ESSAIS A
PUISSANCE CONSTANTE (DIAGRAMME DE RAGONE)
II.7.CONCLUSION
Chapitre III : Etude expérimentale d’un module de supercondensateurs
III.1.LE BANC DE TEST
III.1.1. LES MODULES SUPERCONDENSATEURS
III.1.2. LE CONVERTISSEUR
III.1.3. DESCRIPTION DES ENTREES-SORTIES DU SYSTEME D’ACQUISITION
III.1.4. PRINCIPE DU CYCLAGE
III.2.FONCTIONNEMENT DU BANC EN CYCLAGE
III.2.1. INITIALISATION DU MATERIEL ET DE LA TENSION DES DEUX MODULES
III.2.2. CYCLAGE ET ACQUISITIONS
III.2.3. GESTION DE L’ALIMENTATION AUXILIAIRE
III.2.4. SCRUTATION
III.2.5. GESTION DES DEFAUTS
III.2.6. CONTROLE DE LA TEMPERATURE DES ELEMENTS
III.2.7. FONCTIONNEMENT GLOBAL DU PROGRAMME : EXEMPLE DE CYCLE
III.3.LIMITES DU BANC ET MODELE
III.3.1. LES PERTES DU BANC
III.3.2. PHASES DE FONCTIONNEMENT POUR LA CHARGE DU MODULE TESTE
III.3.3. PREDETERMINATION DES DUREES LIMITES DE CHARGE
III.3.4. MODELE DU BANC
III.3.5. AMELIORATION DES PERFORMANCES DE CYCLAGE DU BANC
III.4.RENDEMENT DES SUPERCONDENSATEURS
III.4.1. COMPARAISON DE L’EXPERIMENTATION ET DU MODELE ENERGETIQUE
SIMPLIFIE
III.5.PRINCIPE DE CARACTERISATION ET CYCLAGE DU MODULE
III.5.1. CYCLE UTILISE POUR LE VIEILLISSEMENT
III.5.2. CYCLE UTILISE POUR LA CARACTERISATION
III.5.3. REPONSE THERMIQUE DU MODULE SUPERCONDENSATEUR
III.6.RESULTATS EXPERIMENTAUX DE CARACTERISATION
III.6.1. DEMARCHE
III.6.2. CARACTERISATION A L’AIDE DU MODELE SIMPLIFIE DE LA LIGNE DE
TRANSMISSION
III.6.3. CARACTERISATION DU MODELE ENERGETIQUE SIMPLIFIE
III.6.4. COMPARAISON DES RESULTATS DE CARACTERISATION OBTENUS AVEC LES
DEUX TYPES DE CYCLES
III.7.ETUDE DU VIEILLISSEMENT
III.7.1. METHODES UTILISEES POUR L’ETUDE DU VIEILLISSEMENT
III.7.2. EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES
III.8.CONCLUSION
Chapitre IV : Les phénomènes lents : Fuites internes et problème du déséquilibre de tension
IV.1.MISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALE DU DESEQUILIBRE
IV.1.1. CONTEXTE DE CETTE ETUDE
IV.1.2. CONFIGURATION MATERIELLE
IV.1.3. PROCEDURE EXPERIMENTALE
IV.1.4. RESULTATS EXPERIMENTAUX
IV.1.5. CORRELATION ENTRE LA TEMPERATURE DES ELEMENTS DU MODULE ET
L’EVOLUTION DE LEUR DESEQUILIBRE DE TENSION
IV.2.INFLUENCE DES PARAMETRES DES MODELES POUR LA MISE EN SERIE.151
IV.2.1. MODELE ENERGETIQUE SIMPLIFIE REQ – CEQ
IV.2.2. MODELE AMELIORE DE LA LIGNE DE TRANSMISSION
IV.3.CONSIDERATIONS SUR LES FUITES
IV.3.1 METHODE DE MESURE
IV.3.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
IV.3.3 REMARQUES SUR LES RESULTATS DES ESSAIS DE FUITE
IV.4. CONCLUSION
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