Supercondensateurs
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h1 Caractérisation, modélisation et intégration des supercondensateurs dans des applications embarquées Hamid Gualous Université de Caen - IUT de Cherbourg Laboratoire LUSAC Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Diapositive 1 h1 hgualous; 05/11/2002 Plan • Introduction • Principe de fonctionnement des supercondensateurs • Caractérisation et modélisation des supercondensateurs • Dimensionnement des modules de supercondensateurs • Equilibrage des super condensateurs • Application des super condensateurs • Management thermique Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Introduction 1000 Li-ion 10h Energie massique (Wh/kg) 100 0,1h 1h 36sec PAC Pb-acide Ni/Cd 3,6sec 10 Supercondensateurs 1 36msec 0,1 Condensateur 0,36sec 0,01 10 100 1000 10000 Puissance massique (W/kg) Diagramme de Ragone Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Caractéristiques des éléments de stockage Condensateur électrolytique Supercondensateur Batterie Pb Temps de charge µs < t < ms 1s < t < 30s 1h < t < 5h Temps de décharge µs < t < ms 1s < t < 30s 0,3h < t < 3h Rendement Charge/Décharge > 95% 85% < η < 98% 70% < η < 85% Puissance massique (W/kg) > 105 104 < 103 Energie massique (Wh/kg) 10-3 < E < 10-1 1 < E < 10 10 < E < 100 Durée de vie Nombre de cycle 1010 106 103 Tableau comparatif des caractéristiques des éléments de stockage de l’énergie électrique Batteries + supercondensateurs ⇒ densité d’ énergie et densité de puissance élevées Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Pics de puissance Régime transitoire Super Supercondensateurs condensateurs Récupération de l’énergie Charge si nécessaire Batteries, Batteries, pileààcombustible combustible pile … … Régime permanent Puissance continue • Puissance instantanée + quantité d’énergie stockée = augmentation des performances de l’alimentation hybride Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 FC Hybrid Electric Vehicle by Michelin & PSI Key figures 30 kW FC and 45 kW supercaps for 14-20 s acceleration Weight 850 kg Top speed 130 km/h 0-100 km/h in 12 s Vehicle range 400 km 4 passengers car Hy-Light (Oct 12 2004) Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 MITRAC Bombardier Transport 600 supercondensateurs Poids: environ 450 kg Volume: 1900 x 950 x 455 mm Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 SITRAS® SES Siemens TS Dresden depuis Septembre 2002 Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 SITRAS® SES Siemens TS Tension Nominale Supercondensateurs Energie stockée Economies d'énergie par h Puissance max Rendement Température DC 750 V 1344 2,3 kWh 65 kWh/h 1 MW 95 % –20 to 40 °C Rack composé de 42 cellules (2600F) Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Supercondensateurs ? Condensateur Supercondensateur A > 1’000 m2 (film poreux) d ~10 Å U 1 - 3 V, décomposition de électrolyte R très faible (<1mΩ) Capacité jusqu’à 5000F et plus Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Supercondensateurs ? • 3 technologies des supercondensateurs : 1) Supercondensateur à base de charbon actif Faible résistance interne • Électrolyte aqueux Faible tension (1,2 V) Résistance interne plus élevée • Électrolyte organique Tension plus élevée (3 V) 2) Supercondensateurs à base d’oxyde métallique RuO2 (très faible résistance interne, en milieu acide H2SO4 , coût élevé) 3) Supercondensateurs à base polymère ( en stade de développement, coût élevé, problème de cyclabilité …) Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Supercondensateurs Séparateur Charbon actif Aluminium Structure d’un supercondensateur État Déchargé État chargé ¾ Principe basé sur les propriétés capacitives de l ’interface charbon actif-électrolyte ¾ Stockage de l ’énergie effectué par distribution des ions de l ’électrolyte à l ’interface ¾ Stockage d’énergie électrostatique (pas de réaction chimique) ¾ Capacité jusqu’à 5000F et R < 1 mΩ , tension 2.7V, courant de CC peut atteindre 4000A Phase vapeur Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 • Avantages des supercondensateurs 1. 2. 3. 4. Densité de puissance élevée Durée de vie importante (plus de 5000000 de cycles de charge/décharge Etat de charge facile à gérer (linéaire en fonction de la tension) … • 1. 2. 3. 4. Inconvénients des super condensateurs Faible densité d’énergie Tension maximale très faible par cellule (2,7V) pour la technologie charbon actif Electrolyte dangereux (acétonitryle) … Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Caractérisation Spectroscopie d’impédance Intégration des supercondensateurs ⇒ caractérisation + modélisation Charge/décharge à courant constant Spectroscopie d’impédance 6,00E-04 5,00E-04 4,00E-04 ESR(Ohm) 1. 2. 3,00E-04 2,00E-04 1,00E-04 1,00E-02 1,00E-01 0,00E+00 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 Fre que ncy (Hz) Résistance série en fonction de la fréquence Résistance équivalente série dépend de la fréquence Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Caractérisation 400 Capacité [F] 300 Cellule 350F 200 100 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 Fréquence [Hz] Capacité en fonction de la fréquence On distingue trois zones : • Basse fréquence C est pratiquement constante • Zone de transition (0.1Hz< f<50Hz) forte décroissance de C Domaine d’utilisation • Zone HF la capacité est pratiquement nulle Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Caractérisation 0,007 T= - 20 °C 400 0,006 300 T= - 10 °C ESR (Ω ) Capacité (F) T= - 20 °C T= 0 °C 200 T= 20 °C T= 40 °C 100 T= - 10 °C 0,005 T= 0 °C 0,004 T= 20 °C T= 40 °C 0,003 T=60 °C 0,002 T=60 °C 0,001 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Fréquence (Hz) 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Fréquence (Hz) capacité et résistance série d’un supercondensateur de capacité 350 F en fonction de la fréquence pour différentes températures (1 + exp( − K T ⋅ ∆T) R = R TA ⋅ 2 RTA : résistance à 20°C KT = 0,025 K-1 Variation de la capacité en fonction de la température est négligeable Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Caractérisation C en fonction de la tension Résistance équivalente en fonction de la tension 450 14 400 300 10 mHz 250 100 mHz 200 150 1 Hz 1 mHz ESR [mOhm] Capacité [F] 12 1 mHz 350 10 10 mHz 8 6 100 mHz 4 1 Hz 100 10 Hz 50 2 10 Hz 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 Tension [Vdc] 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tension [Vdc] ¾ C est non linéaire en fonction de la tension ¾ Fréquence augmente ⇒ la dépendance de C décroît ¾ ESR ne dépend pas de la tension ¾ Résistance de fuite dépend de la tension Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Modélisation des supercondensateurs Électrolyte Séparateur Collecteur Électrode Rc Cdl Re + Ri Cdl Rc Rp ¾ Modèle à deux branches RC ¾ Modèle basé sur la spectroscopie d’impédance (plusieurs branches RC) ¾ Modèle basé sur une ligne de transmission ¾… Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Modélisation des supercondensateurs Modèle de Zubieta Résistance de fuite Branche principale Branche lente C1 = C0 + k V1 •Branche "principale": évolution de l’énergie durant la charge ou la décharge (énergie rapidement stockée ou utilisée) •Branche "lente": complète la première et décrit la redistribution interne Variation des éléments du modèle en fonction de la température Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Modélisation des supercondensateurs CR’ Circuit 3 RP2 RP1 CP2 CP1 RT R T = R TA ⋅ RT RF Circuit 2 Autodécharge Circuit 1 C0 RTA : résistance à 20°C KT = 0,025 K-1 CR Zone de transition 0.1 Hz<f<50Hz (1+exp(−KT ⋅∆T) 2 Basse fréquence ¾ Paramètres du modèle ⇒ Essais expérimentaux ⇒ Réponse en fréquence • Différentes tensions • Différentes températures Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Dimensionnement Cahier des charges Puissance, durée P la puissance fixée par le cahier des charges. ∆t temps de décharge des supercondensateurs. Calcul des paramètres de dimensionnement Umax : tension maximale du module de supercondensateurs. Umin : tension minimale généralement Umin= Umax/2, Choix de l’élément supercondensateur I : courant moyen de décharge des supercondensateurs. •P la puissance fixée par le cahier des charges. Ct : capacité totale du module de supercondensateurs. Calcul de Nsérie R : résistance série équivalente totale des super U max − U min = I ∆t + RI Ct Ct = C ( Nsérie / Nparallèle) Calcul de Nparallèle Non Equation Vérifiée ? Oui R = ESR ( Nsérie / Nparallèle) Fin Imax = P/Umin et Imin = P/Umax, I=(Imax+Imin)/2 Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Equilibrage • Module de supercondensateurs ⇒ Nécessité d’un circuit d’équilibrage • Déséquilibre entre les niveaux de tension des cellules ⇒ 1. Vieillissement prématuré des cellules 2. Dégradation des performances énergétiques du module 3. Risque d’ouverture des cellules si la tension est élevée Equilibrage passif : résistance de dissipation Equilibrage actif : circuit électronique de puissance Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Equilibrage Système d’équilibrage sur 4 SC Le principe de ce système est de dévier une partie du courant Très bonne dynamique Très couteux et encombrant si le courant est élevé Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Equilibrage Circuit d’équilibrage actif faible courant pour compenser les pertes dues au courant de fuite + + (b) A Circuit d’équilibrage A et B + B + Circuit d’équilibrage B et C C + Circuit d’équilibrage C et D D - Circuit d’équilibrage D et E Circuit d ’équilibrage Actif Maxwell E - Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Récupération de l’énergie de freinage • Récupération de l’énergie de freinage à l’aide des supercondensateurs ⇒ Augmentation du rendement Augmentation de l’autonomie • Pour un cycle urbain Réduction de 20% à 30% de la consommation Supercondensateurs Convertisseur DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible Moteur Besoin d’un convertisseur DC/DC et d’un élément dissipatif M Éléments dissipatifs Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Démarrage d’un moteur thermique • Batterie remplacée par des supercaps • 6 cellules de 2600 F • Cequi = 433 F • ESR = 3.6 mΩ • Vmax = 15 V • Poids : 3.15 kg Supercondensateurs Batterie Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Résultats expérimentaux Ultracapacitors Voltage 300 16 Istart 200 Ialternator 150 Vscap (V) Current (A) 250 100 50 8 6 4 2 0 -50 14 12 10 0 50 100 150 200 0 0 20 60 80 100 120 140 160 Ti m e(s) Tim e (s) Courant et tension lors du démarrage 40 Tension des supercondensateurs • Les supercondensateurs sont intégrés sans modification de la configuration du véhicule • Nombre de cycle élevé comparé par rapport aux batteries • Supercondensateurs en parallèle avec une petite batterie ⇒ performances élevées mais coût élevé également Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Supercondensateurs en parallèle avec une batterie 5 supercondensateurs en série Vn = 12V C = 675 F R = 3 mΩ Batterie 12V, 90 Ah Data acquisition Moteur électrique 300 W • Supercondensateurs fournissent les pics de puissance (accélération, démarrage …) • Récupération de l’énergie de freinage • Batteries fournissent l’énergie Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Résultats expérimentaux 20 30 Iscap (A) 25 Vbatt Vbatt (V) 20 I moteur(A) Ibat (A) 15 Current (A) Voltage (V) Vscap(V) 15 10 10 5 5 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 Time (s) 40 60 80 100 Time (s) Tensions et courants des supercondensateurs, batterie et du moteur en fonction du temps • Le moteur utilisé est un motoventillateur pour véhicule • Lors du démarrage du moteur les transitoires sont absorbés par les super condensateurs • Le courant de la batterie est faible au démarrage et dépend de l’état de charge des supercondensateurs Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Hybridation avec des batteries Supercondensateurs Convertisseur DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible Moteur M PàC Batteries Convertisseur DC/DC réversible Schéma de principe d’une alimentation électrique hybride • Commande + gestion de l’énergie ⇒ augmentation des performances de l’alimentation Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Bobines Batteries carte de mesures et de commande IGBT Supercondensateurs Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 • Systèmes multi-sources: Bus 42V L Ve PWM1 C CHARGE L PWM3 PWM2 Vsc C P = 2 kW / 10s Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 • Systèmes multi-sources: Bus 42V L Ve PWM1 C CHARGE L PWM3 PWM2 Vsc C Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Résultats expérimentaux • Courant demandé par la charge • Tension bus continu et tension supercondensateurs • Courant des supercondensateurs Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 APU Pile à combustible (Puissance limitée) Supercondensateur Cahier des charges Régime permanent Pics de puissance Puissance charge (W) Puissance PàC (W) Puissances avec un facteur d’échelle 1 kW 10 s 300 W 100 W t0 t0+70 t0+140 Temps (s) Eviter les variations importantes de puissances instantanées au niveau de la pile à combustible Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Résultats expérimentaux Puissance en fonction du temps U(V) 400 30 Vscap 24 Ppàc 18 Vbus 0 12 Temps (s) 250 200 150 0 -800 100 6 50 Pscap 0 -400 Vpàc 400 Pcharge 350 800 Tension en fonction du temps 300 P (W) Temps (s) Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Véhicule pile à combustible Problème de l’optimisation et gestion d’énergie ⇒ déterminer la puissance de référence de la PàC et des super condensateurs Dynamique du système: Convertisseur unidirectionnel dc/dc Bus continu = dQ sc = − I sc dt Pile à combustible Fonction coût à optimiser sur un cycle de fonctionnement [t0, tf]: = Charge Pch Ppac Convertisseur bidirectionnel dc/dc = Supercondensateurs t f E pac = ∫ Psc = P pac dt t0 tf E pac ⎛ Q 2⎞ = ∫ ⎜⎜ Pch − sc I sc + Rsc I sc ⎟⎟dt Csc ⎠ t0 ⎝ Contraintes sur le fonctionnement de la pile Ppac min ≤ Ppac ≤ Ppac max et dP pac dt ≤ c ac Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Gestion de l’énergie Simulation sur un cycle européen NEDC Vitesse (Km/h) 140 120 Vt [km/h] Profil de vitesse et poids du véhicule 100 Profil NEDC 80 60 40 20 0 0 200 400 Puissance (kW) 60 600 Temps [s] Pch Ppac Psc 40 [kW] [kW] [kW] 800 1000 Pch Ppac Psc 1200 [kW] [kW] [kW] Puissance de la pile à combustible Puissance du dispositif de stockage Algorithme de gestion de l’énergie 20 0 -20 -40 -40 0 1000 200 1050 400 600 1100 Temps [s] 800 11501000 1200 Répartition optimale des puissances à chaque instant en fonction de l’utilisation Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Aspect thermique des supercondensateurs Environnement thermique Contraintes électriques Variation de la température d’un supercondensateur Pic de courant élevé et répétitif ¾ Température élevée ⇒ Points chauds au niveau de la connectique ⇒ Vieillissement prématuré ⇒ Variation de la résistance série et de la résistance de fuite ⇒ Détérioration de l’électrolyte ¾ Mise en série parallèle des supercondensateurs ⇒ Gestion des flux thermiques ⇒ Équilibrage Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Modèle thermique Modèle thermique d’un supercondensateur + convection Température de fonctionnement -40 °C, +65 °C Resistance électrique ESR = 0.47 mΩ Resistance thermique Rth = 4.5 °C/W Capacité thermique Cth = 286 Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Gestion thermique Modélisation d’un module Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Gestion thermique Module de supercondensateurs 4 x 5 cellules Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Gestion thermique 400 45 I P 40 300 35 30 Power [W] Current [A] 200 100 0 25 20 15 10 -100 5 -200 0 200 400 600 800 Time [s] 1000 1200 1400 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time [s] Courant et puissance du module de supercondensateurs durant un cycle NEDC Pour véhicule éclectique ou hybride Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Gestion thermique 100 40 Tmax Tmin 95 90 Temperature [°C] Temperature [°C] 85 80 75 70 35 Tmax Tmin 30 65 60 55 25 50 0 100 200 300 400 Time [min] 500 Température maximale et température minimale : Convection naturelle 0 100 200 300 400 Time [min] 600 500 600 Température maximale et température minimale : Convection forcée Dans ce cas le refroidissement est nécessaire Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008 Merci de votre attention Micro Nano Sciences & Systèmes Journée énergie - 15 mai 2008
