supercondensateurs
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Les supercondensateurs Pascal VENET 1 PLAN Présentation des supercondensateurs Applications des supercondensateurs Rappel sur les condensateurs Les différentes familles de supercondensateurs Supercondensateurs à double couche électrique Caractérisation et modélisation Vieillissement Équilibrage des supercondensateurs Utilisation des supercondensateurs Conclusion 2 Présentation des supercondensateurs Supercondensateur = • Supercapacité, • Condensateur à double couche électrique, • Electrical Double Layer Capacitor, • Supercapacitor, • Ultracapacitor, • Gold capacitor, • Electrochemical capacitor, •… Supercondensateurs = composants à supercapacité : de quelques F à quelques milliers de F (à comparer avec quelques mF à quelques dizaines de mF pour les gros condensateurs électrolytiques) 3 Présentation des supercondensateurs Maxwell 4 F, 2,5 V Maxwell 350 F, 2,7 V Vina Technology de 10 F à 220 F, 2,5 V Nesscap 5000 F, 2,7 V Maxwell 3000 F, 2,7 V Batscap 2600 F, 2,7 V 4 Présentation des supercondensateurs Diagramme de Ragone 10 h 10000 1h 6 min 36 s 3,6 s Accumulateurs 1000 0,36 s Accumulateurs Energie 100 massique (Wh/kg) 10 36 ms Supercondensateurs 1 Sources d’énergie 3,6 ms Supercondensateurs 0,36 ms Condensateurs 0,1 Sources de puissance 0,01 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 Puissance massique (W/kg) 5 Présentation des supercondensateurs Avantages des supercondensateurs Courants de charge et décharge élevés (jusqu’à quelques 100 d’A pour les gros éléments) Faible durée de charge et décharge (de l’ordre de 1 s à quelques 10 s) Durée de vie ou nombre de cycles élevés ( quelques 100 000 cycles) par rapport aux accumulateurs Inconvénients des supercondensateurs Tension par élément limitée à 3 V Composants pouvant contenir de l’acétonitrile (inflammable et explosif) Comportement non linéaire du composant 6 Applications des supercondensateurs Ouverture d'urgence des portes des Airbus A380 Orientation des pales des éoliennes Chariots élévateurs … 7 Applications des supercondensateurs Électronique grand public : – Sauvegarde de mémoire – Assiste les batteries dans les équipements portatifs – … Tournevis rechargeable en 90 secondes Fournir les appels de puissance instantanée dans les Alimentations Sans Interruption (microcoupures de qq s) Démarrage des groupes électrogènes Récupération de l’énergie humaine : escalier (< 10 W / pas), appareil portatif se rechargeant par mouvement des bras… … 8 Applications des supercondensateurs Domaine du transport Récupération de l’énergie de freinage Alimentation des fonctions stop & go, direction assistée électrique… Véhicules électriques (batteries ou pile à combustible + supercondensateurs) ou hybrides 9 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Pile à combustible + superC (Prototype Bora) (Concept car Honda FCX) 10 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Bluecar : Bolloré & Pininfarina Batteries Lithium Métal Polymère + superC 11 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Microbus du fabriquant Gruau & Bolloré Hybrides ou 100% électrique Batteries Lithium Métal Polymère + superC 12 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules hybrides Bus Scania Toyota Supra HV-R Hybride moteur diesel éthanol + superC Moteur thermique + superC (2007 : Victoire scratch aux 24 heures de Tokachi) 13 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules micro hybrides Micro-hybridation (Stop & Start) Système développé par Valeo pour PSA Système e-HDi • Citroën C4, C5 • Peugeot 308, 508 14 Applications des supercondensateurs Problématique du transport urbain (tramway, trolleybus, métro) Objectifs Transport propre Amélioration de l’efficacité énergétique Diminution de la pollution visuelle urbaine Minimisation des prix d’investissement et d’exploitation 15 Applications des supercondensateurs Problématique du transport urbain Solution 1 Récupérer l’énergie de freinage par supercondensateurs Exemple sur les trolleybus (IRISBUS) Permet de s’affranchir des coupures d’alimentation de la ligne aérienne pour les trolleybus Pour rendre le véhicule autonome sur quelques centaines de mètres 16 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Sans supercondensateur 17 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Avec supercondensateurs 18 Applications des supercondensateurs Problématique du transport urbain Solution 2 Traction électrique autonome entre deux stations basée sur un stockage d’énergie par supercondensateurs. Recharge rapide des supercondensateurs en stations pendant l’arrêt 19 Applications des supercondensateurs Transport urbain Principe du Biberonnage Station 1 Station 2 SC SC M M SC Recharge rapide 20 Applications des supercondensateurs Transport urbain 400 puissance (kW) 200 phases de la traction Tem ps 0 -200 -400 -600 1- 0 Biberonnage Accélération 1 Marche sur l’erre 2 3 4 Biberonnage Freinage par récupération Accélération 21 Rappel sur les condensateurs Diélectrique L’énergie stockée W S Cathode - Anode + e 1 CAK .U2 2 avec CAK 0 r S e r S Pour W U e Lié aux propriétés du matériau et à sa rigidité diélectrique U Types usuels de condensateur Matériau diélectrique r Rigidité diélectrique ev (kV/cm) Epaisseur du diélectrique emin Tensions nominales (V) Films Plastique 2,1 à 6 600 à 4500 0,9 à 6 m 10 à 104 Electrolytique AL2O3 8 à 10 6600 à 7700 0,02 à 0,7 m 10 à 500 22 Rappel sur les condensateurs r S Pour W U e Diélectrique ou support d’électrolyte Diélectrique ou support d’électrolyte Armatures Armatures Condensateurs électrolytiques à l’aluminium Surface de l’anode sur laquelle est déposé par électrolyse l’oxyde gravée Surface effective S = (20 à 100) X Surface apparente 23 Rappel sur les condensateurs Condensateurs électrolytiques à l’aluminium à électrolyte liquide Composant élémentaire Cathode réelle Electrolyte Anode Feuille d’aluminium + - Cathode apparente Feuille d’aluminium Al2O3 Diélectrique Oxyde d’alumine (Al2O3) Support d’électrolyte Papier imprégné d’électrolyte Composant complet Bandes de Bandes de connexion connexion Soupape de sécurité de la cathode de l’anode Bornes de connexion Papiers Bandes de connexion Bobinage des électrodes et du papier Anode Cathode apparente 24 Rappel sur les condensateurs Condensateurs à films polypropylène métallisés Connexion de sortie Soudure Mandrin ep Schoopage em Films polypropylène Métallisation Anode Métallisation Cathode Métallisation renforcée 25 Rappel sur les condensateurs Modèles des condensateurs Schémas électriques équivalents CAK Rl L Rp CAK(T, U) – CAK : capacité idéale anode cathode ; – Rp : représente les pertes dans le diélectrique et les fuites entre les deux électrodes (associé à IL) – Rl : résistance des connexions et électrodes Rp(T, U) Rl(T, f) – L : inductance connexions et enroulements – C : capacité série C C (T, U, f) ESR ESL – ESR : résistance équivalente série – ESL : inductance équivalente série = L ESR (T, U, f ) Rp n’a une influence qu’aux fréquences basses 1 Z ESR j ESL C fr 1 2 ESL.C Pour T et U données : ESR = cste C = cste 26 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur électrolytique à l’aluminium 4700 F / 500 V 10 Z () 1 Z Z ESR ESL C Z () 2 2 fr 1 1 10 100 0,1 1000 10000 1 2 ESL.C 100000 f (Hz) 1000000 10000000 1E+08 Z mesuré ESR 0,01 Z simulé 1/(C.) ESL. 0,001 C = 4350 F ESR = 11,3 m ESL = 19 nH 27 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur à films polypropylène métallisés 10 F / 250 V 1000 Z () fr 100 1 2 ESL.C Z simulé 10 Z mesuré 1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 100000000 f (Hz) 0,1 0,01 ESR ESL. 1/(C.) 0,001 C = 9,93 F ESR = 10,0 m ESL = 32,8 nH 28 Les différentes familles de supercondensateurs Comme pour les condensateurs électrolytiques, les supercondensateurs comprennent deux électrodes et un électrolyte. 3 principales catégories de supercondensateurs. Électrodes composées : de charbon actif d’oxydes métalliques de polymères conducteurs Dioxyde de rethinium (RuO2) Dioxyde d’iridium (IrO2) Pas de transfert de charges mais interactions électrostatiques Transfert de charges par oxydoréduction lors des phases de charge décharge Transfert de charges lié au processus de dopage dédopage Problème de coût Non finalisé industriellement 29 Supercondensateurs à double couche électrique Supercondensateurs à électrodes en charbon actif les plus développés industriellement compte tenu : de leur grande surface spécifique (cf. ci-dessous) du faible coût, de la matière première et du procédé industriel de fabrication. Particularités des supercondensateurs : Pas de diélectrique mais présence d’une double couche électrique jouant ce rôle Capacité non linéaire et modèles comportementaux spécifiques Capacité se dégradant rapidement en fonction de la fréquence (composant réservé au domaine exclusif du stockage d’énergie) 30 Supercondensateurs à double couche électrique Électrolyte Séparateur Collecteur de courant (feuilles d’aluminium) Cation de l’électrolyte Anion de l’électrolyte Électrodes en charbon actif Charges électroniques dans l’électrode 31 Supercondensateurs à double couche électrique Le séparateur : Pour éviter le contact entre les deux électrodes et donc le courtcircuit Conducteur ionique et isolant électronique poreux afin de faciliter le transfert ionique de l'électrolyte vers les électrodes. A base de polymère ou de papier. 32 Supercondensateurs à double couche électrique Formation aux interfaces électrode solide / électrolyte liquide d’une zone de charge d’espace appelée double couche électrique Stockage d’énergie électrostatique (pas de réaction chimique) L’électrolyte : Par principe même, la tenue en tension de ce composant est limitée à quelques volts (décomposition de l’électrolyte par oxydoréduction) Électrolyte aqueux : • Conductivité élevée • Tension faible 1 V Électrolyte organique (Acétonitrile) : • Conductivité plus faible • Tension plus élevée 3 V • Inflammable et explosif (lorsque la concentration atteint entre 3 et 16 % du volume de l’air) 33 Supercondensateurs à double couche électrique Capacité du supercondensateur de nature volumique – Epaisseur de la double couche de quelques nanomètres – Surface des électrodes jusqu’à 2000 à 3000 m2/g Assemblage et connexion Séparateur Collecteur de courant Bobinage Languettes Charbon actif 34 Méthodes de caractérisation des supercondensateurs Caractérisation fréquentielle Caractérisation temporelle Mesures temporelles en courant et tension lors de charge ou/et décharge Avantages : Avantages : – Simplicité de mise en oeuvre – Fonctionnement du composant à des niveaux de courant proches des applications Inconvénients – Précision (méconnaissance des différentes constantes de temps) Modèles simples Application d’une faible tension sinusoïdale superposée à une tension continue et analyse de l’amplitude et du déphasage du courant – Précision – Connaissance du comportement dynamique du composant Inconvénients – Nécessite un spectromètre d’impédance – Niveaux de courants injectés Complémentarité Modèles riches 35 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de la capacité de la double couche Cdl Electrolyte 3200 Couche diffuse 2800 Cdl (F) Electrode Mesures Relation 3000 2600 2400 Couche compacte 1 1 1 1 1 Cdl C Comp Cdiff C Comp cK .chU / uK 2200 2000 0 0,5 1 1,5 U(V) 2 2,5 3 36 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore Hypothèse sur le structure de l’ électrode poreuse Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 Rs Cdl L Rn R2 R1 R1 2.Rel 2 R2 Zp – – – – 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 ZP Rel .coth j.CdlRel j.Cdl Cdl : capacité de la double couche Rel : résistance liée à l’accessibilité des pores par l’électrolyte Rs : résistances séparateur + électrolyte + électrodes + collecteurs + connexions + contact L : inductance connexions et enroulements 37 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle à Mesures simple pore Circuit RLC Circuit RLC f = 10 mHz R L C f f 50 Hz f 1 kHz Modèle à simple pore L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 2.Rel 2 R2 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 38 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore Rs L Caractérisation fréquentielle Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 1/(Cdl) 2.Rel 2 R2 2.Rel 2 2 2 Rn 2.Rel n2 2 Rs Rel/3 -L 39 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 U (V) 2.Rel Modèle à simple pore Mesures Charge 0 10 Repos 20 2 R2 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 Circuit RLC Modèle à Mesures simple pore f = 10 mHz f 50 Hz Décharge 30 f 1 kHz t (s) 40 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle multi-pores Prise en compte du phénomène de redistribution en considérant différentes classes de pores de pénétrabilités différentes Rs L Cdl1 Cdl1/2 R11 Rij 2.Reli j2 2 Cdl2 Cdl3 Cdl2/2 Cdl1/2 R12 Cdl2/2 Cdl1/2 R1n Classe de pores correspondant à Zp1 Cdl2/2 R21 R22 R2n Cdl3/2 Cdl3/2 Cdl3/2 R31 R32 R3n Classe de pores correspondant à Zp2 Classe de pores correspondant à Zp3 41 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle multi-pores Caractérisation fréquentielle + Mesures Modèle multi-pores f = 10 mHz f = 1 kHz 42 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle simple pore modifié L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn Rp R1 2.Rel 2 R2 Rr 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 Cr En BF = Prise en compte du phénomène de redistribution des charges avec Rr Cr Modèle simple pore modifié f = 10 mHz Mesures En HF = Prise en compte de l’effet de peau f = 10 kHz 43 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation temporelle – Modèle à 2 branches Rs Cdl Cdl/2 C = C0+k.v Rp R1 2.Rel 2 R2 v Rr u(t) 3200 Rn R2 R1 Caractérisation temporelle Cdl/2 2.Rel 2 2 2 Rn 3000 2.Rel Cdl (F) L Cdl/2 2 2 n 2800 Mesures 2600 u(t)2400 Cr Modèle à deux branches 2200 Tension(V) 2000 0 RS u Rf Rr v C=C0+k.v Autodécharge Cr 2 branches 0,5 Modèle 1 à 1,5 2 2,5 3 Mesures 44 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de l’autodécharge Autodécharge liée aux imperfections des électrodes et de l’électrolyte et à la présence d’impuretés 2 mécanismes d’autodécharge Autodécharge causée par la perte de charges à travers la double couche électrique 2 de plusieurs 100 h à Réactions d’oxydoréduction aux interfaces électrodes électrolyte Décroissance assimilée à une exp. 1 de quelques heures U0 u(t) expérimentale U0 2 plusieurs 1000 h heures U01 u2(t) = U02 exp(-t/2) u1(t) = U01 exp(-t/1) 45 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de l’autodécharge Rs Rf2 u Rf1 Inconvénient de ce modèle C1 et C2 en série = pas de véritable sens physique u Cox Rf v Rr C=C0+k.v Cr C2=C02+k2.u2 u1 C1 Rr v Cr u(t) expérimentale U0 2 Rs Rfox U0 u2 U01 u2(t) = U02 exp(-t/2) u1(t) = U01 exp(-t/1) 46 Vieillissement des supercondensateurs Mécanismes de vieillissement – Défaillances liées au blocage de la porosité • Si U > 1,23 V, électrolyse de l’eau inhérente au procédé de fabrication eau + gaz dégagés bouchent les pores ESR C • Dégradation de l’électrolyte et des impuretés – Défaillances liées à l’assemblage collecteur - charbon actif • Dégradation du liant ESR 47 Equilibrage des supercondensateurs Tension maximale d’utilisation d’un supercondensateur à électrolyte organique limitée autour de 3 V (au-delà l’électrolyte se décompose par oxydo-réduction) Mise en série de plusieurs composants = module Nécessité d’un système d’équilibrage – Dispersions des caractéristiques entre chaque composant dues : • aux tolérances sur les paramètres compte tenu du procédé de fabrication • à la différence de température à laquelle peuvent être soumis des composants d’un même module • à la non similitude du vieillissement entre les composants d’un même module 48 Equilibrage des supercondensateurs Évaluation des performances des circuits d’équilibrage Rendement énergétique du système d’équilibrage Energie stockée dans les supercondensateurs Wsc Weq Energie dissipée dans le circuit d’équilibrage Wsc Durée de vie td Modèle d’Eyring : E t d (T ,V ) A. exp a B.V k .T 49 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage dissipatifs – Passifs purs Usc (V) Usc2 USC1 SC1 Usc1 USC USC2 SC2 Avec des résistances de faible valeur : – Temps pour équilibrer le système réduit – SC1=C SC2=0,8.C t (s) Rendement de l’ensemble faible 50 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage dissipatifs – à résistances commandées Usc (V) Usc2 USC1 USC2 Usc1 SC1 USC U SC SC1=C SC2=0,8.C SC2 Résistances de faible valeur mises en parallèle temporairement : t (s) – Temps pour équilibrer le système réduit – Rendement de l’ensemble pas trop affecté 51 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage non dissipatifs – hacheurs à stockage inductif (de type Buck-Boost) Usc (V) Usc2 USC1 USC1 SC1 Usc1 SC1 USC U USC2SC2 USC SC2 SC1=C SC2=0,8.C SC2 – Temps pour équilibrer le système très réduit t (s) – Rendement de l’ensemble élevé 52 Equilibrage des supercondensateurs Performances des circuits d’équilibrage Type de Système d’équilibrage Sans système d’équilibrage Capacité de SC1=C SC1 USC1 USC1 USC SC2 Convertisseur Buck-Boost USC1 SC1 SC1 USC USC SC2 USC2 Circuit à résistances commandées R=1 SC1 USC1 Capacité de SC2=0,8.C Circuit passif avec R=50 USC2 USC2 SC2 USC USC2 SC2 Durée de vie du module 1,4 années 3,5 années 6,0 années 6,0 années module % 100 77 91 93 53 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC 3 DC DC 54 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC 55 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC PC H2 56 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC Caténaires 57 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC DC DC DC Caténaires Résistances de freinage DC 3 DC AC DC GS 3 MTh 58 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC DC DC Limites de courant, di/dt, … 3 Gestion d’énergie entre les différents convertisseurs DC Lois de vieillissement des syst. de stockage 59 Utilisation des supercondensateurs Exemple de structure des systèmes avec supercondensateurs et batteries 60 Conclusion Densité de puissance élevée Capacité d ’emmagasiner et de restituer de l ’énergie à cadence élevée Durée de vie élevée par rapport aux accumulateurs Aujourd’hui, le marché mondial est constitué par les supercondensateurs à électrolyte organique (acétonitrile inflammable et explosif) jusqu’à 5000 F ; 2,7 V Supercondensateurs avec de nouveaux matériaux étudiés en recherche (nanotubes de carbone) 61 MERCI pour votre attention 62
