See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/264449919 Applications des supercondensateurs Article · January 2007 CITATIONS READS 12 5,843 2 authors: Roland Gallay Hamid Gualous Garmanage Université de Caen Normandie 64 PUBLICATIONS 2,407 CITATIONS 250 PUBLICATIONS 4,206 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Small particles View project Metallized Film Capacitor View project All content following this page was uploaded by Hamid Gualous on 18 February 2015. The user has requested enhancement of the downloaded file. SEE PROFILE Applications des supercondensateurs par Hamid GUALOUS Maître de Conférences HDR, Laboratoire L2ES-FC_Lab Belfort et Roland GALLAY Responsable R & D Maxwell Technologies Rossens Suisse 1. 1.1 1.2 Caractérisation et performance des supercondensateurs ........... Modélisation ................................................................................................ Caractérisation ............................................................................................. 1.2.1 Réponse en fonction de la fréquence ............................................... 1.2.2 Comportement en fonction de la tension ......................................... 1.2.3 Comportement thermique ................................................................. 1.2.4 Analyse temporelle............................................................................. 2. 2.1 2.2 Dimensionnement et équilibrage des supercondensateurs......... Dimensionnement ....................................................................................... Équilibrage ................................................................................................... — — — 4 4 5 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Applications .............................................................................................. Démarrage d’un moteur thermique ........................................................... Alimentation d’un alternodémarreur 42 V ................................................. Association batterie – supercondensateurs .............................................. Association pile à combustible – supercondensateurs ............................ 3.4.1 Alimentation auxiliaire de puissance (APU)..................................... 3.4.2 Véhicule pile à combustible et supercondensateurs ....................... Tramway ....................................................................................................... Stockeur d’énergie embarqué .................................................................... — — — — — — — — — 6 6 8 8 9 9 11 11 12 4. Conclusion ................................................................................................. — 12 Pour en savoir plus ........................................................................................... D 3 335 - 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 4 Doc. D 3 335 e dossier traite de la caractérisation et des applications des supercondensateurs sollicités par des contraintes électriques, thermiques et dynamiques, avec une attention particulière pour le domaine du transport terrestre. Les différentes études réalisées montrent d’une part que le supercondensateur se comporte comme un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de l’ordre de 1 Hz, et d’autre part que sa résistance série et sa capacité varient en fonction de la fréquence, de la température et de la tension appliquée à ses bornes. Ses caractéristiques électriques sont celles d’un système complexe qui nécessite la redéfinition de la notion de capacité. Des exemples sont donnés pour le dimensionnement de modules de supercondensateurs. On trouve actuellement sur le marché des supercondensateurs dont la capacité se situe entre 0,1 et 5 000 F. La tension d’utilisation, impérativement limitée par la tension de dissociation du système électrochimique, est de 1,2 V dans le cas d’un électrolyte aqueux et de 2,3 à 2,85 V dans le cas d’un électrolyte organique. En règle générale, ces composants sont utilisés entre leur tension nominale et la moitié de cette valeur pour des raisons de rendement des circuits électroniques alimentés. Des informations générales plus détaillées peuvent être trouvées dans le dossier [D 3 334]. C Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 D 3 335 − 1 _______________________________________________________________________________________________ 1. Caractérisation et performance des supercondensateurs Capacité (F) APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS 1.1 Modélisation 400 300 200 100 La pratique montre qu’un modèle simplifié permet de décrire d’une manière fidèle le comportement électrique d’un supercondensateur. Ce modèle est composé de deux branches. La modélisation est détaillée dans les références [1] [2] [3] [4] [5] et dans la thèse [23]. 1.2 Caractérisation 0 10–2 10–1 1 10 102 103 104 105 Fréquence (Hz) Figure 1 – Évolution de la capacité d’une cellule 350 F en fonction de la fréquence ESR (mΩ) Des développements récents dans le domaine des supercondensateurs ont montré que l’on doit faire appel à des modèles élaborés pour décrire leur comportement. Il est indispensable de tenir compte des différents paramètres que sont la fréquence, la tension et la température. 5 4 3 La norme CEI 62391 « Condensateurs à double couche pour utilisation en électronique » est le premier document définissant une méthodologie de mesure et de caractérisation des supercondensateurs. Elle définit aussi bien les essais électriques, que mécaniques et environnementaux. La caractérisation électrique des supercondensateurs fait appel à des techniques de mesure très délicates à cause de leur impédance extrêmement faible. Leur capacité se situe dans la gamme de 1 à 5 000 F. Leur impédance correspondante, évaluée à 1 Hz, est de l’ordre de 10–4 à 10–1 Ω. Ces valeurs sont de l’ordre de grandeur de la résistance série. Pour mesurer l’impédance réelle et imaginaire d’un composant, il est absolument indispensable d’utiliser une technique de mesure à 4 fils. Le principe étant d’injecter un courant calibré à travers le condensateur et de mesurer, à l’aide d’un circuit à haute impédance, la chute de potentiel occasionnée directement aux bornes du condensateur. De cette manière, on s’affranchit des pertes ohmiques dans les connections ; ces dernières ayant tendance à évoluer au cours du temps. Le circuit d’injection du courant doit avoir une section suffisante pour ne pas induire d’échauffement. Les deux circuits doivent être absolument isolés et indépendants l’un par rapport à l’autre. Deux méthodes couramment utilisées pour caractériser les grandeurs électriques des supercondensateurs sont présentées dans les paragraphes 1.2.1 et 1.2.4. 1.2.1 Réponse en fonction de la fréquence La spectrométrie d’impédance permet de mesurer la partie réelle et imaginaire de l’impédance pour une gamme de fréquence donnée. En général, les spectres de fréquence sont mesurés de 0,01 Hz à 1 kHz [6]. Sur la base d’un spectre fréquentiel, le spécialiste peut déterminer l’origine physique des impédances obtenues. Le spectre de la capacité (figure 1) dépend principalement des propriétés du charbon actif. La capacitance est maximale à très basse fréquence lorsque toute la surface disponible sur le charbon a le temps d’être atteinte par les ions. Si beaucoup de surface se situe au fond de pores, profonds et étroits, la capacité chute rapidement à mesure que la fréquence augmente. La résistance série ESR du supercondensateur est due à plusieurs éléments : — la résistance électronique des conducteurs, du collecteur et la résistance de contact à l’interface collecteur charbon Rc ; D 3 335 − 2 2 1 10–2 10–1 1 10 102 103 104 105 Fréquence (Hz) Figure 2 – Variation de la résistance série d’une cellule de 350 F en fonction de la fréquence — la résistance électronique dans le charbon Re ; — la résistance ionique dans l’électrolyte Ri . Rp est la résistance liée au courant de fuite dans le supercondensateur. La variation de la résistance série d’une cellule de 350 F en fonction de la fréquence est donnée sur la figure 2. La résistance série équivalente du supercondensateur est constituée par la résistance du charbon actif Re en série avec la résistance ionique Ri dans l’électrolyte qui sont en parallèle avec la résistance de fuite Rp (figure 3). À très basse fréquence, la résistance série équivalente est dominée par la contribution de la résistance parallèle. Cette dernière évolue rapidement en fonction du temps d’application de la tension. Ce phénomène peut être mis en évidence par une mesure de l’autodécharge ou une mesure du courant de fuite [D 3 334, figure 2a] en fonction du temps. Les informations concernant l’électrolyte sont visibles uniquement à basse fréquence, dans le domaine des millihertz. À plus haute fréquence, les ions n’ont pas la dynamique nécessaire pour suivre les oscillations du champ électrique. Les ions étant immobiles, ils ne dissipent pas d’énergie et par conséquent la résistance ionique est nulle. À très haute fréquence, seule la partie électronique de la résistance est visible. Dans le domaine haute fréquence, la mesure est perturbée par l’inductance du circuit de mesure. La résistance série due aux conducteurs est déterminée à haute fréquence, typiquement 1 kHz. 1.2.2 Comportement en fonction de la tension Les spectromètres d’impédance les plus sophistiqués permettent de superposer une tension continue à la composante alternative de mesure. Cette méthode présente l’avantage de mesurer les paramètres des supercondensateurs dans leurs conditions d’utilisation réelle. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 Séparateur – – – Électrolyte + Collecteur Ion négatif + + + + + + + + ++ – –– – –– – – – – – – –– – – – + + + + + + + ++ + Charbon actif Capacité (F) _______________________________________________________________________________________________ APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS 450 1 mHz 400 350 10 0 mH mHz 300 – 100 mHz 250 200 Ion positif 150 1 Hz 100 50 Électrode 10 Hz 0 Rc Cdl Re + Ri Cdl 0 Rc 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tension (V) Rp Cdl est la capacité de la double couche électrique Figure 4 – Variation de la capacité d’un supercondensateur de capacité 350 F en fonction de la tension pour différentes fréquences (Doc. Maxwell) La figure 4 montre une forte variation de la capacité différentielle Ciu en fonction de la tension appliquée U à basse fréquence : Ciu = Co + 2 K |U | avec Co ESR (mΩ) Figure 3 – Schéma équivalent d’un supercondensateur avec localisation des résistances 14 10 capacité lorsque la tension appliquée aux bornes du supercondensateur est nulle. 8 Exemple : dans le cas d’un supercondensateur de capacité 350 F, la capacité sans polarisation est de 230 F. Le facteur K de variation de la capacité nominale est de 32 F/V. 6 La figure 5 met en évidence le comportement de la résistance série ESR en fonction de la tension. La mesure à 1 mHz est perturbée par sa durée. Le courant de fuite diminuant rapidement au début de la polarisation, les valeurs dépendent de l’ordre dans lequel sont effectuées les mesures. Pour s’affranchir de ce problème, il suffit d’étudier un supercondensateur qui a déjà subi une longue polarisation. De cette manière, les variations dues à la durée de sollicitation pendant la mesure deviennent négligeables. 2 Dans un supercondensateur, il n’est pas possible d’éliminer toutes les impuretés présentes. Ces dernières subissent une réaction d’oxydation si le potentiel du pôle positif est supérieur à leur potentiel d’oxydation. Plus la tension appliquée aux bornes du supercondensateur est élevée, plus le nombre de types d’impuretés concernées par ce phénomène est important. Ce phénomène se traduit par un courant de fuite plus important, ou autrement dit, une résistance parallèle plus petite, ou encore une résistance série équivalente plus élevée. Ce résultat est analogue à celui observé lorsque l’on mesure la résistance série à partir du saut de tension effectué lors d’une variation abrupte de courant : à U n /2, le saut de tension est plus petit qu’à U n . La diminution de la résistance série en fonction de la fréquence a déjà été discutée dans le cas de l’analyse fréquentielle (§ 1.2.1). 1.2.3 Comportement thermique Certaines applications nécessitent de bonnes performances à basse température. Pour y parvenir, il est essentiel de choisir un solvant qui reste suffisamment fluide pour garantir une bonne mobilité ionique. 1 mHz 12 100 mHz 4 1 Hz 10 Hz 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tension (V) Figure 5 – Variation de la résistance série d’un supercondensateur de capacité 350 F en fonction de la tension pour différentes fréquences (Doc. Maxwell) La figure 6 met en évidence que la résistance série croît à mesure que la température diminue. Cet effet est spécialement marqué à basse fréquence dans le domaine d’utilisation des supercondensateurs. L’usage du propylène carbonate (PC) plutôt que de l’acétonitrile (AN) comme solvant conduit à une augmentation proportionnellement 5 fois plus importante. La mobilité ionique dans le supercondensateur augmente avec la température. Les ions éprouvent moins de difficultés pour atteindre les parties de la surface les plus inaccessibles. Pour une fréquence donnée, à haute température, la capacité est par conséquent plus élevée tandis que la résistance série est plus faible. À très basse fréquence, la variation de capacité est très faible car toute la surface est déjà accessible à basse température. La variation de la résistance série décroît à mesure que la fréquence augmente. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 10 mHz D 3 335 − 3 Capacité (F) APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS _______________________________________________________________________________________________ Branche principale 400 Branche lente R1 300 R2 200 U sc C1 U1 C2 U2 100 ESR (mΩ) 0 10–2 10–1 1 10 102 103 104 Fréquence (Hz) Figure 7 – Schéma électrique équivalent d’un supercondensateur 7 6 2. Dimensionnement et équilibrage des supercondensateurs 5 4 3 2 1 2.1 Dimensionnement 0 10–2 10–1 1 10 102 – 20 °C 20 °C – 10 °C 40 °C 0 °C 60 °C 103 104 Fréquence (Hz) Figure 6 – Évolution de la capacité et de la résistance série d’un supercondensateur de capacité 350 F en fonction de la fréquence pour différentes températures Un module de supercondensateurs est dimensionné selon un cahier des charges établi en fonction de la puissance demandée et de la durée pendant laquelle le module doit fournir cette puissance. La méthodologie de dimensionnement est illustrée par le diagramme de la figure 8. Cette méthode consiste à : — fixer les niveaux des tensions et des courants nominaux ; — déterminer la capacité totale du module de supercondensateurs à utiliser ; — déterminer le nombre d’éléments à mettre en série N série et en parallèle N parallèle . On définit les paramètres suivants : P puissance fixée par le cahier des charges ; ∆t durée pendant laquelle le module de supercondensateurs fournit la puissance demandée (temps de décharge) ; U maxtension maximale du module de supercondensateurs ; U mintension minimale du module de supercondensateurs, généralement U min = U max /2, car lorsque le module de supercondensateurs se décharge entre U max et U max /2, 75 % de la puissance électrique stockée est consommée ; I courant moyen de décharge des supercondensateurs ; Ct capacité totale du module de supercondensateurs ; R résistance série équivalente totale des supercondensateurs. Expérimentalement il ressort que R i , la résistance de l’électrolyte du supercondensateur en basse fréquence, varie selon la relation : 1 + exp ( – k T ∆ T ) R i = R iA ----------------------------------------------2 avec (1) R iA valeur de la résistance de l’électrolyte à température ambiante, ∆T différence entre la température de fonctionnement et la température ambiante, kT coefficient de dépendance kT = 0,025 oC–1 [7]. de la température, La capacité totale et la résistance interne R du module de supercondensateurs sont calculées d’après le nombre de cellules mises en série ou en parallèle. Ces deux paramètres sont donnés par : 1.2.4 Analyse temporelle La procédure d’identification des paramètres du modèle à deux branches d’un supercondensateur repose sur l’analyse de la variation de la tension aux bornes du supercondensateur. Durant la phase de charge, ce sont les paramètres de la branche principale (figure 7) qui sont identifiés. Lorsque la charge est terminée, la redistribution interne de l’énergie aux bornes du composant permet de déterminer les paramètres de la branche lente. Cette procédure est viable dans l’hypothèse où les constantes de temps sont éloignées (R 2 C 2 R 1 C 1) et cela, pour éviter que la branche lente n’influence le cycle de charge. Ces paramètres sont déterminés expérimentalement à partir de la charge et de la décharge des supercondensateurs à courant constant. Généralement, on utilise un banc d’essai à base d’un hacheur dévolteur régulé en courant. La procédure d’identification des paramètres du modèle à deux branches est décrite dans les références suivantes [1] [2] et dans la thèse [24]. D 3 335 − 4 et avec Ct = C (N parallèle /N série) (2) R = ESR (N série /N parallèle) (3) C capacité, ESR résistance série des cellules de supercondensateur utilisées pour construire le module, N série nombre d’éléments en série, N parallèle nombre d’éléments en parallèle. Pour déterminer N série , il suffit de diviser la tension U max à atteindre par la tension maximale admise par un élément supercondensateur. Pour des profils de température et de durée données, l’équation régissant la variation de la tension aux bornes du module de supercondensateurs est donnée par : ∆t U max – U min = I -------- + RI Ct (4) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 _______________________________________________________________________________________________ APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS Cahier des charges Puissance, durée Vcc Non Equation (4) vérifiée ? Supercondensateur 1 R6 masse – R2 – + R4 Vee Q2 Supercondensateur 2 – Calcul de Nsérie Calcul de Nparallèle Q1 + Calcul des paramètres de dimensionnement Choix de l’élément supercondensateur + R3 R1 R5 Figure 9 – Schéma de principe d’un circuit d’équilibrage actif Maxwell Oui Fin + Les caractéristiques des supercondensateurs font apparaître deux tensions. La première, appelée tension de travail, peut être appliquée pendant la durée de vie du supercondensateur sans dégradation ni dommage. La seconde, préjudiciable aux composants, appelée tension de crête, peut être appliquée pendant quelques centaines de millisecondes. Cependant, quand un supercondensateur est soumis à une tension de crête, l’électrolyte organique dans la cellule commence à se décomposer en un produit gazeux. Si cette tension appliquée aux bornes du composant persiste, la pression va s’accumuler jusqu’à la destruction du composant. L’analyse et l’étude réalisées sur le comportement des supercondensateurs lors de leurs associations montrent la nécessité d’un circuit d’équilibrage afin de répartir équitablement la tension sur chaque cellule. C’est pourquoi, les différents constructeurs offrent deux types de circuit d’équilibrage, passif et actif. 2.2 Équilibrage a. Équilibrage passif Le circuit d’équilibrage passif est le plus simple à mettre en œuvre. Il est constitué d’une résistance en parallèle sur chaque cellule supercondensateur dans un module. La valeur de la résistance d’équilibrage est déterminée par le rapport de la tension nominale du supercondensateur au courant que l’on souhaite dévier par cette résistance. L’idéal est de dévier le courant de charge du module de supercondensateur qui est en général élevé (> 100 A) pour des applications transport. Cela pose un problème pour le dimensionnement de la résistance. De plus, la mise en parallèle de la résistance d’équilibrage avec une cellule supercondensateur augmente le courant de fuite de ce dernier. Si on adopte cette solution d’équilibrage, il faut faire un compromis entre les dimensions de la résistance, son coût et le courant dévié. En général, on choisit un courant dévié de l’ordre de quelques ampères. b. Équilibrage actif Le circuit d’équilibrage actif est une version plus complexe que le circuit passif. Il est constitué généralement d’un circuit électro- Circuit d’équilibrage B et C + B – + C – + D – E – – Figure 10 – Branchement du circuit d’équilibrage nique de puissance placé en parallèle avec le supercondensateur. Il permet de dévier le courant lorsque la tension aux bornes du supercondensateur avoisine la tension maximale admissible. L’inconvénient principal de ce circuit est son coût très élevé (pratiquement le même coût qu’un supercondensateur). Il existe un autre circuit d’équilibrage actif faible courant pour compenser les pertes dues au courant de fuite. Le coût de ce circuit est très faible par rapport aux précédents, le circuit se place entre deux supercondensateurs. S’il y a N cellules de supercondensateurs, il faut N – 1 circuits d’équilibrage. Son schéma est donné sur la figure 9. Le principe de fonctionnement de ce circuit est basé sur la comparaison entre la tension des deux cellules de supercondensateurs ; le signal à la sortie du comparateur commande les transistors complémentaires Q1 et Q2 , permettant ainsi la déviation du courant d’une cellule à l’autre. Cependant, la déviation totale du courant de charge est très onéreuse, compte tenu de sa valeur relativement élevée (quelques dizaines jusqu’à une centaine d’ampères). En général, le courant dévié ne dépasse pas quelques ampères pour réduire le coût du circuit d’équilibrage. Le principe d’utilisation de ce circuit est donné sur la figure 10. On considère un module de 5 supercondensateurs en série par exemple, nommés respectivement A, B, C, D et E. Chaque groupe de deux cellules consécutives est équilibré par un circuit. L’avantage Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 Circuit d’équilibrage actif Maxwell Circuit d’équilibrage D et E Pour déterminer le courant moyen I, on utilise les expressions suivantes : I max = P /U min et I min = P /U max I = (I max + I min)/2 (5) A Circuit d’équilibrage C et D Figure 8 – Algorithme décrivant le dimensionnement d’un module de supercondensateurs à partir de la puissance demandée Circuit d’équilibrage A et B + D 3 335 − 5 APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS _______________________________________________________________________________________________ de ce circuit est principalement son faible coût car il est constitué d’une électronique faible courant. En conclusion, l’équilibrage est indispensable dans un module de supercondensateurs. Il peut être passif ou actif. Le premier étant simple et moins onéreux, mais il augmente le courant de fuite du supercondensateur. Le second est plus adapté, et son efficacité est liée au courant dévié : plus ce dernier est élevé, plus le circuit d’équilibrage est performant. Batterie de faible puissance Chargeur embarqué Pack SC. 12 V Démarreur moteur diesel Régulation Alternateur + redresseur 3. Applications Les applications envisagées pour les supercondensateurs regroupent : — l’automobile, en particulier les nouvelles architectures de chaîne de traction hybride ; — le transport collectif urbain : bus, tramways, métros, trains... ; — les applications industrielles telles que les alimentations sans interruptions, les alimentations de secours, appareils de mesures... ; — l’électronique domestique : appareils photos... ■ Sur le segment de l’automobile, la technologie des supercondensateurs satisfait les fonctions : — de démarrage, en particulier avec des contraintes à basse température ; — d’organe de puissance des chaînes de traction hybride (assistance aux accélérations et récupérations de l’énergie) ; — d’alimentation des organes auxiliaires. Le concept de véhicule hybride parallèle, utilisant un moteur électrique comme complément au moteur thermique sur des durées de quelques secondes, est appelé à se développer de façon massive. En effet, il répond aux aspirations de réduction de consommation et d’émissions, d’électrification croissante des équipements et d’intégration de nouvelles fonctions de confort. L’utilisation des supercondensateurs est particulièrement adaptée aux nouvelles fonctions de la chaîne de traction (filtrage des appels de puissance, stop & go, accélération, récupération d’énergie au freinage...). Ces fonctions exigent des appels de puissance importants pendant quelques secondes et une durée de vie de l’élément de stockage d’énergie de plusieurs centaines de milliers de cycles. Parmi les solutions à l’étude pour satisfaire ce type de cahier des charges, les supercondensateurs se présentent comme l’une des technologies les plus prometteuses. ■ Sur le segment du transport collectif urbain : — les supercondensateurs permettent d’améliorer le rendement énergétique des tramways et métros en permettant la récupération de l’énergie de freinage, ce qui autorise une augmentation du trafic sans investissement réseau et réduit le coût de possession ; — de nouveaux concepts sont à l’étude, dont le tramway sans caténaire fonctionnant avec l’énergie de supercondensateurs embarqués, rechargés en station et pendant le freinage, ce qui permet de réduire de façon conséquente les investissements en infrastructure et répond aux attentes d’une meilleure intégration dans le paysage urbain ; — l’application des principes d’hybridation automobile aux bus urbains permet de réduire la consommation de plus de 30 % et de satisfaire les exigences des politiques d’urbanisme et de transport. ■ Sur le segment des trains, plusieurs applications sont envisagées pour optimiser la gestion de l’énergie. Le remplacement des batteries de démarrage des locomotives diesel par des supercondensateurs permet d’accroître la fiabilité et de réduire le coût de possession en augmentant la durée de vie et en réduisant la maintenance associée. Dans ce paragraphe 3, deux exemples sont traités. Le premier concerne le démarrage d’un véhicule standard dans lequel les super- D 3 335 − 6 Figure 11 – Schéma de principe des essais de démarrage sur un moteur thermique condensateurs sont intégrés sans modifications de la configuration initiale du véhicule. Le second exemple est consacré au démarrage avec un alternodémarreur alimenté sous 14 V ou 42 V. 3.1 Démarrage d’un moteur thermique L’avantage principal du supercondensateur par rapport à la batterie dans cette application, est qu’il peut supporter plusieurs dizaines de milliers de cycles de charge/décharge à des courants très élevés. Les batteries sont limitées à seulement quelques centaines de cycles avec des courants plus faibles. Par ailleurs, dans le cas du démarrage d’un moteur thermique, la batterie est extrêmement sollicitée ce qui oblige les constructeurs à les dimensionner pour une forte puissance. Dans cette application, une batterie de faible puissance suffit car elle est uniquement utilisée lors de la première charge (à faible courant) des supercondensateurs. En effet, lorsque le moteur est lancé, c’est l’alternateur du véhicule qui charge les supercondensateurs ; il en résulte donc une diminution de la taille de la batterie et une plus grande longévité de fonctionnement de celle-ci. Le schéma de principe d’un démarrage de moteur thermique à l’aide des supercondensateurs est représenté sur la figure 11 [8]. Dans cette configuration, l’alternateur et le démarreur sont séparés. L’alternateur permet de charger le module de supercondensateurs lorsque le véhicule est en marche. Le démarreur est alimenté directement par le module de supercondensateurs. Lorsque le conducteur souhaite démarrer, deux cas se présentent : soit les supercondensateurs sont chargés et le véhicule démarre ; soit ils sont déchargés et c’est la batterie qui va les charger pendant quelques dizaines de secondes à faible puissance et à courant constant. Le démarrage du véhicule peut être ainsi effectué à partir du module de supercondensateurs. Lorsque le véhicule fonctionne, son alternateur permet de recharger les supercondensateurs. Dans ce schéma, les démarreurs automobiles sont généralement constitués d’un moteur à courant continu à excitation série et d’un relais de démarrage assurant la mise en contact du pignon rotor avec la couronne du volant moteur et l’alimentation du démarreur. Exemple Prenons le cas d’un moteur diesel à démarrer dont les caractéristiques sont : — couple résistant au démarrage environ 200 N · m, vitesse minimale de lancement de 150 tr/min ; — démarreur environ 450 tr/min au démarrage du moteur thermique ; — couple du démarreur C dém = 200/3 = 66,67 N · m ; tension 14 V, temps de démarrage moins de 2 s. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 avec Pu puissance électrique utile qui permet de démarrer le moteur thermique, ω vitesse angulaire du moteur électrique environ (450 tr/min), on a l’application numérique suivante : ω = 450 × 2π/60 = 47 rad/s d’où Pu = 66,67 × 47 = 3 133 W. Si on tient compte des pertes dans le dispositif, la puissance du module de supercondensateurs qui alimente le démarreur doit être d’environ 3,5 kW. Avec une tension de 12 V, on obtient un courant de l’ordre de 300 A, pour démarrer le moteur thermique. En utilisant ces données et la méthodologie de dimensionnement présentée au paragraphe 2.1, on obtient un module de supercondensateurs ayant les caractéristiques suivantes : 14 — tension maximale 14 V ⇒ N série = ------------ , soit 6 cellules de 2,5 supercondensateurs de tension 2,5 V chacune en série ; — le courant de démarrage est élevé (environ 300 A), il faut donc choisir des cellules dont la résistance série (ESR ) est la plus faible possible (2 000 F avec ESR = 0,35 mΩ, par exemple) ; — on fixe ∆U = 4 V, c’est-à-dire que le moteur thermique peut démarrer avec une tension comprise entre 14 et 10 V. La relation de dimensionnement donne : Ct = (I ∆t )/(∆V – N série ESR I ) = (300 × 2)/(4 – 0,000 35 × 6 × 300) = 178 F Le choix de 6 cellules de 2 000 F en série donne une capacité totale de 2 000/6 = 333 F. L’encombrement du module est : — masse 2,4 kg ; — volume environ 2,24 dm3. Le fait de démarrer le moteur thermique à l’aide d’un module de supercondensateurs permet de diminuer considérablement la puissance et l’encombrement de la batterie, qui a pour rôle de charger les supercondensateurs en cas de besoin. Le poids de la batterie peut être divisé par un facteur 5. Exemple : reprenons le même véhicule diesel qui effectue 10 démarrages par jour, avec une puissance d’environ 3,5 kW pendant 2 s par démarrage. Cela nécessite donc 7 kJ par démarrage est 70 kJ au total. Pour fournir une puissance de 3,5 kW, une batterie acide-plomb, dont la densité de puissance est d’environ 200 W/kg, pèse environ 18 kg. Avec une densité d’énergie de la batterie de l’ordre de 100 kJ/kg, l’énergie totale de la batterie est de 100 × 18 = 1 800 kJ. Cela est suffisant pour les 10 démarrages du moteur thermique par jour, par contre la masse est excessive. En réalité, les batteries utilisées sont optimisées en puissance et par conséquent la masse est plus faible (plus de 10 kg). Cependant, cette masse reste plus élevée que dans le cas d’usage d’un module de supercondensateurs pour lesquels, nous avons vu qu’un poids d’environ 2,4 kg est suffisant pour obtenir 3,5 kW. L’utilisation des supercondensateurs permet donc de diminuer l’encombrement de la source de puissance pour le démarrage. En mettant une batterie de faible puissance et par conséquent légère, simple, moins encombrante et de coût plus faible, on peut avoir une alimentation hybride optimisée en terme de puissance, durée de vie, et encombrement. La masse de ce dispositif est d’environ 4 à 5 kg contre une masse de plus de 10 kg pour la solution batterie de démarrage. Concernant le coût, il est plus élevé pour la solution supercondensateurs. Cependant, l’accroissement de la durée de vie permet de réduire le coût de possession. 300 16 Usc 12 200 10 150 8 100 Idémarrage 6 50 4 0 2 Ialternateur – 50 0 20 40 60 80 100 120 140 0 160 180 Temps (s) Figure 12 – Évolution temporelle de la tension et du courant dans le module de supercondensateurs lors de trois démarrages d’un véhicule à essence En terme de masse, en remplaçant la batterie par le système à base de supercondensateurs et une petite batterie, on peut réduire par un facteur au moins égal à 2. Exemple : parmi les expériences réalisées, on peut citer le démarrage d’un véhicule à essence (figure 12) avec un module de 6 cellules supercondensateurs Maxwell de capacité 2 600 F en série ; les caractéristiques de ce module sont : — capacité totale : 433 F ; — résistance équivalente série : 3,6 mΩ ; — tension maximale : 15 V ; — masse : 3,15 kg ; — volume : 3 dm3. Les résultats suivants ont été obtenus avec un véhicule réel dans lequel la batterie a été remplacée par le module de supercondensateurs dont les caractéristiques sont décrites ci-avant. La figure 12 représente l’évolution de la tension et du courant du module de supercondensateurs en fonction du temps, lors des différents démarrages consécutifs. Ces résultats montrent que le courant débité pendant le démarrage est de l’ordre de 200 A à 250 A, et que l’alternateur charge les supercondensateurs en un temps très court (30 à 40 s). Pour mieux observer la charge des supercondensateurs, le premier démarrage a été réalisé avec une tension du module d’environ 11 V au départ. On constate que le module de supercondensateurs se charge rapidement lorsque le véhicule est à l’arrêt. Cela montre que le module de supercondensateurs dimensionné ci-dessus est suffisant pour effectuer plusieurs démarrages dans la journée (plus de 5 démarrages). Si on considère que le véhicule est utilisé le matin pour aller au travail et le soir pour rentrer au domicile, il faut que les supercondensateurs soient capables de fournir la puissance nécessaire après 12 h d’arrêt pour démarrer le moteur thermique. Cela dépend donc de leur autodécharge, point traité dans le dossier [D 3 334] des Techniques de l’ingénieur et modélisé dans la référence [9]. Pour le segment des trains, plusieurs applications sont envisagées pour optimiser la gestion de l’énergie. Le remplacement des batteries de démarrage des locomotives diesel par des supercondensateurs permet d’accroître la fiabilité des composants et de réduire le coût de maintenance en augmentant leur durée de vie et en réduisant la maintenance associée. Des études menées en Suisse [10] ont montré que l’on peut réduire la masse des éléments de stockage en remplaçant les batteries par des supercondensateurs ; de plus, ces derniers permettent de mieux récupérer l’énergie Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 14 250 Tension (V) Avec un réducteur mécanique entre le démarreur et le moteur thermique d’environ 3, et une vitesse minimale de lancement du moteur thermique de 150 tr/min, celle du démarreur électrique est d’environ 450 tr/min. En utilisant la relation : Pu = C dém ω Courant (A) _______________________________________________________________________________________________ APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS D 3 335 − 7 APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS _______________________________________________________________________________________________ du freinage. Des études ont également été menées en Allemagne par Siemens pour le démarrage des locomotives diesel par des supercondensateurs ; elles ont montré que la masse des batteries qui était d’environ 160 kg a été remplacée par environ 32 kg de supercondensateurs pour assurer la même fonction. SupercondenConvertisseur sateurs DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible Moteur M 3.2 Alimentation d’un alternodémarreur 42 V Pour répondre à une demande de puissance de plus en plus importante à bord des véhicules, une solution consiste donc à remplacer le démarreur et l’alternateur par une machine réversible appelée alternodémarreur [11]. Ce système doit être alimenté à partir d’un bus 42 V pour répondre au besoin d’une puissance relativement élevée en régime transitoire (démarrage, assistance aux accélérations, récupération de l’énergie lors du freinage...). Les supercondensateurs sont adaptés à ce type d’application. Les fonctions que l’alternodémarreur peut réaliser, telles que « Stop & Go », freinage récupératif et assistance du moteur thermique, sont possibles avec des rendements élevés et procurent des gains de consommation compris entre 5 et 15 % tout en améliorant le niveau de confort et l’agrément de conduite du véhicule. Si on se base sur les phases les plus importantes de cette application en terme de demande de puissance, pendant un temps relativement court (démarrage, assistance aux accélérations et récupération de l’énergie), il faut dimensionner le module de supercondensateurs en fonction de la puissance et des niveaux de tension à ses bornes. ■ En considérant une accélération de 1 m/s2 pour atteindre une vitesse de 50 km/h en 10 s en milieu urbain avec un véhicule de 1 000 kg, la puissance nécessaire est d’environ 14 kW [12]. On utilise l’algorithme de dimensionnement des supercondensateurs, pour les deux exemples suivants. Exemple 1 S i U max est fixée à 38 V : I max = P max /(U max /2) = 736 A I min = P max /U max = 368 A I moy = 553 A et que l’on néglige dans un premier temps la chute de tension liée à la résistance série des supercondensateurs, la capacité totale du module de supercondensateur est d’environ 291 F. Le nombre de supercondensateurs en série est fixé par le choix de la tension U max . En effet, pour atteindre une tension maximale de 38 V, il faut 38/2,5 = 15 cellules de supercondensateurs. À cause de la résistance série et de l’encombrement, on choisit dans un premier temps des composants de 2 600 F. On obtient donc 291 F = 2 600 (N p /N série ), N série et N p étant des entiers naturels positifs. En remplaçant N série par 15 dans l’expression précédente, on obtient N p = 2. En utilisant l’équation (4), on obtient Ct = 334 F, et en utilisant l’équation (2) on obtient 346 F. Le module est constitué de deux blocs en parallèle, chaque bloc contient 15 cellules en série. Cependant, il faut remarquer que pour adapter les niveaux des tensions et des courants entre le module de supercondensateurs et le bus continu, il faut un convertisseur DC/DC réversible gérant des courants très élevés. Cela nécessite une électronique de puissance relativement coûteuse. Une autre solution consiste à élever la tension du bus continu ou choisir un module de supercondensateurs avec une tension U max /2 supérieure à 42 V. Exemple 2 On choisit U max = 100 V et U min = 50 V, ce qui donne un courant moyen de 210 A. Pour atteindre 100 V, il faut 40 cellules. Si on choisit des composants de 2 600 F, on obtient C t = 2 600/40 = 65 F. En utilisant l’équation (4), le calcul donne une capacité totale de l’ordre de 48 F. D 3 335 − 8 Éléments dissipatifs Figure 13 – Schéma de principe de la récupération de l’énergie par supercondensateurs L’avantage de cette solution vient du fait que le courant débité par le module de supercondensateurs est environ deux fois plus faible que dans le cas précédent. Par contre, la tension est relativement élevée par rapport à la première solution. On peut également augmenter la tension du bus continu. Un exemple est traité dans le paragraphe 3.3. ■ La récupération d’énergie lors du freinage à l’aide des supercondensateurs permet d’améliorer le comportement dynamique du véhicule, d’augmenter son rendement et de réduire sa consommation en carburant. Le système de freinage d’un véhicule hybride à récupération d’énergie à l’aide de supercondensateurs doit être composé d’un système de freinage électrodynamique associé à un système de freinage mécanique. La figure 13 montre le schéma de principe pour la récupération de l’énergie à l’aide d’un module de supercondensateurs. Lorsque le freinage est actionné, le moteur électrique de traction fonctionne en génératrice et renvoie l’énergie dans les supercondensateurs. Leur charge est réalisée par l’intermédiaire du convertisseur DC/DC réversible intercalé entre les supercondensateurs et le convertisseur DC/AC alimentant le moteur électrique. On peut également récupérer l’énergie potentielle du véhicule lors d’une descente. Cette énergie récupérable peut être plus ou moins importante. La récupération dépend également de l’état de charge des supercondensateurs. Un système de dissipation de l’énergie électrique est obligatoire lorsque les supercondensateurs sont pleinement chargés. Le pilotage et la gestion de la récupération de l’énergie sont assurés par une électronique de commande. Le système de freinage mécanique est utilisé en cas de nécessité. Des études et des expériences ont été réalisées, elles ont montré que l’on peut réduire, pour un cycle urbain, la consommation de combustible pour un véhicule moyen de 20 à 30 % avec le principe de récupération d’énergie à supercondensateurs [13]. 3.3 Association batterie – supercondensateurs Les avancées technologiques dans le domaine de la motorisation électrique et des éléments de stockage de l’énergie ont permis que les véhicules hybrides soient une solution pour lutter contre la pollution liée aux transports en attendant les véhicules à pile à combustible. Les éléments de stockage de l’énergie électrique doivent posséder une densité de puissance élevée pour procurer des capacités Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 _______________________________________________________________________________________________ APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS Exemple Prenons un véhicule hybride (hybridation au niveau de la motorisation et au niveau des alimentations électriques) dont la masse est d’environ 1 500 kg avec les caractéristiques suivantes : — puissance du moteur thermique environ 45 kW ; — moteur électrique environ 35 kW ; — vitesse maximale en mode électrique 50 km/h en ville avec une assistance aux accélérations en dehors de la ville (0 à 100 km/h en 15 s, par exemple). On considère que l’alimentation électrique est composée d’un ou plusieurs modules de supercondensateurs et d’un module de batteries. Ces deux éléments doivent alimenter, respectivement en régime transitoire et en régime permanent, un bus continu 400 V. Le principe de fonctionnement est le suivant : en milieu urbain les supercondensateurs fournissent la puissance nécessaire pendant les phases d’accélération, les batteries assurent la puissance en régime permanent. La récupération de l’énergie lors des décélérations se fait en priorité à l’aide des supercondensateurs, puisqu’ils possèdent un rendement de charge/décharge supérieur à 95 % avec des courants relativement élevés. Les batteries sont également utilisées pour récupérer de l’énergie. L’adaptation des niveaux des tensions et des courants entre le bus continu et les deux dispositifs de stockage de l’énergie électrique s’effectue à l’aide de deux convertisseurs statiques DC/DC [D 3 167]. Ils fonctionnent en mode survolteur lorsque les batteries ou les supercondensateurs fournissent l’énergie et en mode dévolteur dans le cas inverse. La régulation en tension du bus continu peut être assurée en utilisant un correcteur PI (Proportionnel Intégral) ou autres (logique floue, réseau de neurone...). La figure 14 montre le schéma de principe de cette alimentation. Batteries L1 + C1 PWM2 – Charge Bus continu 400 V PWM1 PWM3 Supercondensateurs d’accélération suffisantes et pour être capable de récupérer l’énergie au freinage. La densité d’énergie (exprimée en Wh/kg) doit être importante pour garantir une autonomie suffisante sans entraîner une surcharge pondérale excessive. Enfin, le nombre de cycles charge-décharge que peut supporter l’élément de stockage est un paramètre important pour sa durée de vie en utilisation réelle. Les supercondensateurs possèdent toutes ces caractéristiques qui manquent aux batteries pour améliorer les performances du véhicule hybride. En effet, il peut être équipé de deux systèmes de stockage d’énergie, d’une part un réservoir de carburant et d’autre part des batteries et des supercondensateurs. L’hybridation conduit donc à de nombreuses voies d’optimisation de l’utilisation de l’énergie à bord du véhicule. Le véhicule hybride permet de réduire considérablement les émissions de polluants (un fonctionnement tout électrique est même possible en ville, par exemple) ainsi que la consommation (réduction de 40 à 50 % envisageable). Il faut cependant souligner que l’hybridation conduit à embarquer deux systèmes de motorisation distincts, un système de stockage de l’énergie électrique (batteries ou supercondensateurs ou les deux) et de l’électronique de puissance. Cela correspond à un surcoût, lié à ces éléments de stockage et à l’électronique de puissance et à une augmentation non négligeable du poids du véhicule. L2 + PWM4 – C2 PWM Pulse Width Modulation Figure 14 – Schéma de principe de l’alimentation hybride assistée, multimédia...), à laquelle devra répondre une augmentation de la puissance installée dans les véhicules (on estime ainsi à près de 5 kW la puissance crête nécessaire pour faire fonctionner les auxiliaires électriques d’un véhicule haut de gamme en 2010). Si l’on s’en tient à la solution technologique actuelle : alternateur entraîné mécaniquement par le moteur thermique associé à une batterie, cela implique une consommation supplémentaire de carburant de l’ordre de 1,5 l/100 km. Cette solution n’est pas compatible avec la nécessité de réduire la consommation énergétique et les émissions polluantes. Ainsi une source auxiliaire de puissance électrique (Auxiliary Power Unit, APU) présentant un rendement bien supérieur, peut-elle être une solution techniquement intéressante. Cette alimentation comporte une pile à combustible et un module de supercondensateurs. Ces derniers sont utilisés pour fournir la puissance en régime transitoire. La pile à combustible est dimensionnée pour le régime permanent. De plus, le temps de réponse de la pile en terme de puissance est limité par la constante de temps des auxiliaires [14] [15] [16]. Une autre application concerne le véhicule à pile à combustible où l’énergie primaire est remplacée par l’hydrogène. Les supercondensateurs sont utilisés en parallèle à la pile à combustible pour fournir la puissance lors des accélérations, pendant les phases transitoires, et pour récupérer l’énergie du freinage. Cette solution offre l’avantage de réduire l’encombrement et le coût de la pile. Ces deux applications sont traitées à travers les deux exemples suivants. 3.4 Association pile à combustible – supercondensateurs Les piles à combustible font actuellement l’objet de nombreux développements. Elles présentent plusieurs avantages de principe tels que des émissions de polluants très faibles, et potentiellement des émissions de CO2 également modestes, à condition que la production d’hydrogène ne soit pas elle-même génératrice d’émissions trop importantes. Des applications dans le domaine du transport utilisant une pile à combustible et des supercondensateurs comme tampon de puissance sont envisageables. En effet, l’augmentation du niveau de confort réclamée par les utilisateurs va conduire à une augmentation significative de la puissance consommée par les auxiliaires (climatisation, direction 3.4.1 Alimentation auxiliaire de puissance (APU) L’exemple suivant présente l’étude d’une APU hybride de 1 000 W. Elle est constituée d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM Proton Exchange Membrane) et d’un module de supercondensateurs [15] [17] [18]. La figure 15 présente le schéma de principe de la structure réalisée. Dans cette application, le module de supercondensateurs est constitué de 12 cellules. La capacité d’une cellule est de 1 400 F. Ce module permet de fournir jusqu’à 1 500 W pendant 20 s. La pile à combustible permet de fournir environ 500 W en régime permanent. La tension du bus DC est fixée à 14 V. La conception du système de la figure 15 s’appuie sur un cahier des charges adapté à la puissance appelée par un système de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 D 3 335 − 9 APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS Circuit de précharge _______________________________________________________________________________________________ Ipac Iscap Icharge Upac Ubus Uscap Pile à combustible Hacheur élévateur Charge Hacheur dévolteur Module de supercondensateurs Indices pac pile à combustible scap supercondensateurs Puissance charge Tensions (V) Puissance Figure 15 – Schéma de principe de la structure série de l’APU réalisée 1 kW Puissance pile à combustible 300 W 100 W 30 25 Uscap 20 Ubus 15 t0 t0 + t1 10 Temps (s) Upacac 5 Figure 16 – Profil de puissance appelée sur le banc de test de l’APU 0 0 Cette étude a permis de montrer la faisabilité d’une alimentation auxiliaire de puissance APU. L’intégration dans un véhicule pose encore un double problème : la réduction de volume par l’optimisation des composants de stockage et la compacité de la pile à combustible. De nombreux auxiliaires doivent être intégrés et dimensionnés en fonction des besoins réels. Les piles à combustible n’ont pas encore atteint la maturité nécessaire, mais on peut raisonnablement espérer que les problèmes d’humidification, de compression d’air seront résolus par des membranes adaptées et par l’élévation de la température du cœur de la pile. La solution PEM se heurte à une difficulté supplémentaire puisque la pile est alimentée en hydrogène, exigeant deux types d’énergie primaire distincts, soit directement de l’hydrogène, soit de l’essence ou du gazole ; un réformeur permet de supprimer le stockage d’hydrogène en le fabriquant in-situ mais avec émission de CO2 . D 3 335 − 10 200 300 400 500 600 700 800 Temps (s) 90 70 Icharge 50 30 Ipac ac 10 – 10 Iscap _ ca – 30 – 50 0 Puissance (W) La figure 17 présente l’évolution des tensions, des courants et des puissances de la pile à combustible (indice pac), des supercondensateurs (indice spac) et du bus continu (indice bus) de l’APU. Les résultats présentés sont conformes au cahier des charges (voir notations des grandeurs sur la figure 15). Courant (A) chauffage par aérotherme dans un véhicule, lequel présente une dynamique très contraignante. En effet, 5 kW sont appelés pendant une durée relativement brève (10 s) pour alimenter les résistances de chauffage. Ensuite, 500 W seulement sont nécessaires pour faire tourner les ventilateurs qui soufflent l’air ainsi réchauffé dans l’habitacle pendant le reste du cycle. Pour des raisons pratiques, le prototype a été réalisé avec un facteur d’échelle. La figure 16 présente les profils de charge de ce dispositif. Le module de supercondensateurs fournit un pic de puissance de 1 kW pendant une durée (∆t ) allant jusqu’à 30 s, la tension à ses bornes ne devant pas chuter en-dessous de 50 % de sa valeur maximale. La pile à combustible fournit une puissance d’environ 300 W pour charger les supercondensateurs et pour alimenter les auxiliaires en régime permanent. La tension de sortie de l’APU est régulée à 14 V. 100 100 200 300 400 500 600 700 800 Temps (s) 1 000 Pcharge 500 PpacPac 0 Pscap – 500 – 1 000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temps (s) Figure 17 – Évolution des grandeurs de l’APU en fonction du temps Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 _______________________________________________________________________________________________ APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS 3.4.2 Véhicule pile à combustible et supercondensateurs Le développement des véhicules à pile à combustible nécessite : — la création d’un réseau de distribution d’hydrogène ; — l’augmentation de la durée de vie de la pile à combustible qui est actuellement relativement faible (quelques milliers d’heures) ; — la résolution du problème de stockage de l’hydrogène à bord du véhicule ; — la réduction du coût qui est aujourd’hui trop élevé à cause des matériaux utilisés ; — l’optimisation du rendement des piles à membrane polymère qui est très faible aujourd’hui notamment à cause de la consommation des auxiliaires. Tous ces verrous technologiques qui restent à lever montrent que probablement le véhicule à pile à combustible ne sera effectif que vers les années 2020, voire au-delà. D’un point de vue technique, plusieurs prototypes ont été réalisés. On peut citer par exemple le véhicule Hy-Light de Michelin, la Bora Hi-Power de Volkswagen [19]. Exemple On considère un véhicule utilisant une pile à combustible en régime permanent associée à des supercondensateurs pour les pics de puissance (accélération et récupération de l’énergie de freinage) avec les caractéristiques suivantes : — masse environ 1 500 kg ; — puissance de la pile à combustible environ 48 kW ; — accélération de 0 à 100 km/h en 15 s ; — puissance en régime transitoire (fournie par les supercondensateurs) 50 kW pendant 15 s ; — tension du bus continu fixée à 400 V. Pour dimensionner le module de supercondensateurs et les éléments du convertisseur DC/DC associés, on considère une puissance de 50 kW pendant 15 s. Le module de supercondensateurs se charge et se décharge entre 360 V et 180 V. En utilisant la méthode de dimensionnement présentée au paragraphe 2.1 et en utilisant un supercondensateur de tension nominale 2,55 V et de capacité 2 600 F, on obtient un module de 142 supercondensateurs en série, soit une capacité totale d’environ 18 F. Le courant moyen est d’environ 208 A. La figure 18 montre le schéma de principe de l’alimentation hybride (pile à combustible – supercondensateurs) pour la traction électrique. Le convertisseur DC/DC côté pile à combustible est unidirectionnel et fonctionne en mode élévateur de tension. Le convertisseur côté supercondensateurs fonctionne en survolteur lorsque les supercondensateurs sont sollicités en régime transitoire, et en dévolteur lorsque l’on récupère l’énergie de freinage ou lorsque l’on charge les supercondensateurs à partir de la pile à combustible. Le courant débité par les supercondensateurs est relativement important ; une étude de la dissipation thermique est indispensable. Exemple Si on prend le véhicule Hy-Light de Michelin [20], les données sont : — masse environ 850 kg ; — puissance de la pile à combustible 30 kW ; — accélération de 0 à 100 km/h en moins de 12 s ; — puissance des supercondensateurs 30 à 45 kW/15 à 20 s ; — 95 supercondensateurs en série, le module se décharge entre 250 V et 125 V ; — tension du bus continu fixée à 400 V. 3.5 Tramway Les autorités de quelques villes européennes telles que Cologne, Dresde et Madrid, ainsi que de Portland Oregon, aux États-Unis, ont décidé d’introduire des systèmes de stockage à base de super- SupercondenConvertisseur sateurs DC/DC réversible Moteur M Pile à combustible Convertisseur DC/DC unidirectionnel Figure 18 – Schéma de principe d’une alimentation hybride (pile à combustible – supercondensateurs) pour la traction électrique Figure 19 – Module de supercondensateurs dédié à la récupération de l’énergie de freinage pour un tramway condensateurs pour récupérer l’énergie de freinage dans le domaine du transport ferroviaire urbain. Le système, développé par les ingénieurs de Siemens Transportation Systems, construit sous le nom de « SITRAS® SES » [21], équipe des sous-stations du réseau d’alimentation. Son introduction à Dresde et à Portland en 2002 a permis d’effectuer des économies de plus de 30 % sur la consommation énergétique du système. Le principal intérêt réside cependant dans la stabilisation du réseau d’alimentation électrique, car le stockeur fournit localement les pics de puissance réclamés lors de la phase de démarrage des trams. Exemple Les supercondensateurs de Maxwell, qui sont utilisés dans le système « SITRAS® SES », sont caractérisés par une capacité de 2 600 F, une résistance interne de 0,6 mΩ et une tension d’utilisation de 2,5 V. Le stockeur d’énergie de 64 F, composé de 1 300 cellules, est conçu pour une tension nominale de 750 V (figure 19). Avec la cabine, le convertisseur et l’électronique de contrôle, le système occupe un volume de 2,8 m × 2,9 m × 2,8 m et pèse 5,5 t. Il fournit une puissance maximale de 1 MW dans un rayon de 3 km. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008 Convertisseur DC/AC réversible D 3 335 − 11 APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS _______________________________________________________________________________________________ Dans le cas de transport souterrain (métro), l’avantage est encore plus marqué. Lors du freinage, l’énergie du véhicule ne peut pas toujours être réinjectée dans le réseau, comme en soirée lorsque le nombre d’utilisateurs est faible. Dans un réseau, seul 60 % de cette énergie en moyenne peut être reprise par le réseau. L’énergie étant emmagasinée dans les supercondensateurs plutôt que dissipée sous forme de chaleur dans des résistances, l’élévation de température environnementale se trouve fortement réduite [21]. Exemple Les opérateurs qui ont mis en place un système « SITRAS® SES » réalisent des économies de coûts de fourniture d’énergie pouvant se monter jusqu’à 150 000 € par année [21]. Parallèlement à cette économie financière, le système évite l’émission équivalente de plus de 300 t de CO2 . 3.6 Stockeur d’énergie embarqué Lorsqu’il est question d’économie d’énergie de freinage de système de transport léger ou de réduction de l’intensité des pics de puissance dans un réseau, les ingénieurs se trouvent devant le choix, soit de placer le stockeur d’énergie à bord du véhicule, soit de le laisser fixe dans une sous-station du réseau. Exemple Bombardier teste un système économiseur d’énergie « MITRAC® » [22], sur un tramway de la ville de Mannheim, depuis septembre 2003. Il est équipé d’un stockeur d’énergie capacitif se trouvant dans un conteneur de 1,9 m × 0,95 m × 4,5 m, pesant 450 kg, placé sur le toit du tram. Sa tension nominale est de 750 V. La figure 20 montre une photo du dispositif en toiture. L’économie annuelle d’énergie se monte à 30 000 €, sans compter les gains effectués sur les investissements rendus nécessaires pour renforcer la puissance du réseau. À l’avantage économique s’ajoute encore l’amélioration de la situation environnementale, liée à la réduction d’émission de CO2 . La résistance entre la sous-station et le véhicule augmente à mesure que la distance les séparant en fait de même. Pour un courant typique de 1 000 A, la chute de potentiel, vue par le tram à l’endroit le plus éloigné de l’alimentation, est de l’ordre de 100 V. Grâce aux supercondensateurs, cette chute de potentiel diminue proportionnellement. En plus du gain en stabilité de tension, le système profite de la réduction des pertes ohmiques dans la caténaire. Des mesures ont démontré qu’avec un stockeur capacitif embarqué, les pointes de puissance échangées avec le véhicule sont réduites de 40 %. Ce résultat se traduit par un choix conceptuel pour dimensionner l’infrastructure : soit les sous-stations peuvent être davantage éloignées les unes des autres en gardant les performances et des coûts d’exploitation constants, soit ces dernières sont améliorées en maintenant les caractéristiques de l’infrastructure. Les calculs montrent que la distance entre les sous-stations pourrait être augmentée jusqu’à 60 %. D 3 335 − 12 Figure 20 – Système MITRAC utilisant les supercondensateurs pour le stockage de l’énergie 4. Conclusion Les supercondensateurs sont utilisés comme source pour les demandes de fortes puissances pendant quelques secondes jusqu’à quelques dizaines de secondes. Ils peuvent supporter un nombre de cycles de charge/décharge environ 1 000 fois plus élevé que les batteries. De plus, ils peuvent fournir ou absorber un courant très élevé, ce qui est très important pour la récupération de l’énergie lors du freinage par exemple. Tous ces avantages font que les supercondensateurs sont utilisés dans de nombreuses applications aujourd’hui et permettent d’augmenter le rendement des systèmes dans lesquels ils sont intégrés, en particulier le véhicule hybride et à pile à combustible. Cependant, l’inconvénient majeur de ces éléments de stockage tampon de puissance est leur prix encore relativement élevé. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Dossier délivré pour HRNJEZ ANDJELKA 17/09/2008
