Caractérisation et modélisation d`un super condensateur -- --
publicité
Caractérisationetmodélisationd’unsupercondensateur -Les parties avec un trait à gauche sont à préparer obligatoirement avant votre venue en TP. L'ensemble du TP est à lire et étudier avant de venir en TP. -- OBJECTIFS ‐ Utiliser différentes méthodes (temporelle et fréquentielle cf figure 1) pour caractériser une supercapacité. ‐ Analyser les résultats obtenus pour déterminer les paramètres du modèle de la supercapacité. ‐ Effectuer l'analyse énergétique de ces supercapacités. Figure 1. Caractérisations possibles [extrait présentation Pascal Venet 2012http://edeea.ec-lyon.fr/IMG/pdf/Conference_superC_2012.pdf ] BIBLIOGRAPHIE Doc technique supercap : répertoire : docs_techniques_Supercapa Biblio sur les supercapacités : répertoire : biblio_supercap MATERIELSETLOGICIELS Une platine intégrant 2 Capacités PC 10 de 10F/2,5V montées en série + système de décharge. Une platine équipée d’un régulateur de courant de type LT3080 et d’un interrupteur (MOSFET). Une double alimentation de tension avec limitation en courant. Une carte d’acquisition National Instrument 6008. Une pince ampèremétrique pour mesurer le courant. Un PC avec Labview. Un oscilloscope. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 PREPARATION Voir doc PC10 et documents fournis en annexes pour la théorie sur les supercapas. Questions : a‐Modèle équivalent simple de la super capa (modèle à une branche). b‐Pour les deux PC10 en série : Seuil maximum de tension Courant de charge max, min? Polarité des Supercap? Valeur de C, R? pour une capa, c‐Qu'est ce que c'est que la spectroscopie d'impédance? MANIP‐CARACTERISATIONTEMPORELLE On souhaite obtenir un cycle de charge/décharge à courant constant similaire à celui présenté sur la figure ci‐dessous. Figure 2. Exemple de cycle de charge/décharge d'une supercapa PC10. Mise en place de la manipulation. Les deux schémas ci‐dessous permettent de comprendre comment la charge et la décharge sont réalisées. Figure 3. Schéma de principe pour la charge de la supercapacité. Figure 4 Schéma de principe pour la décharge de la supercapacité. 1/ Phase préalable 1: réglage du courant de charge et de décharge Réglage de l'alimentation réglable (source de tension avec limitation de courant) a‐ Les deux boutons de réglage de l'alimentation (V et I) sont initalement réglés à zéro. b‐ L'alimentation ne débitant pas (circuit ouvert), on règle la tension à 5,5 V. c‐ L'alimentation est maintenant court‐circuitée. d‐ On augmente le courant de court‐circuit à la valeur désirée (300 mA). e‐ On enlève le court‐circuit, l'alimentation est prête à être utilisée. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 Remarque : L'alimentation fonctionnera toujours en en limitation de courant et donc en source de courant constant durant les manipulations. 2/Phase de charge. L'alimentation stabilisée à été réglée à 5,5V et à un courant max de 300 mA. La tension aux bornes de l'alim est imposée par la supercapacité => l'alim stabilisée fonctionne en limitation de courant iSC = iALIM = 300mA. Cette phase dure tant que la tension aux bornes des supercapacités n'atteint pas 5,0V. Dès que cette valeur est atteinte, on ouvre le circuit électrique. ATTENTION : ne pas dépasser cette valeur de 5,0 Volts! 3/ Phase de décharge. On Pour fermer K, on impose V_CTRL = 5V => K fermé. On inverse la connection entre l'alim et la supercapa. L'alimentation stabilisée fonctionne toujours en limitation de courant. On a donc : iSC = ‐iALIM = ‐300mA. 4/ Phase de "rangement". Basculer l'interrupteur de la maquette "supercapa" pour décharger complètement les supercapas . Mise en place des mesures. On souhaite enregistrer les grandeurs vSC(t) et iSC(t) sur l'ordinateur via une carte Ni 6008 ou 6009 ou directement sur l'oscillo (mode Roll). Pour cela : sur l'oscillo sur carte d'acquisition vSC mesure directe de VSC mesure RSE voie0 sur carte acquisition iSC pince ampèremétrique (cal 100 mV/A) avec 10 tours => on obtient mesure RSE voie 1 1V/A et mesure de la tension en sortie de la pince sur l'oscillo sur carte acquisition faire le schéma complet avant de câbler l'ensemble. Manipulation . Réaliser un cyclage de la capacité pour au moins 2 cycles complets pour des courants de charge et décharge : Ic = 400mA et 200mA. Enregistrer les mesures pour une utilisation sur un tableur. ANALYSEDESMESURES modélisation 1. Déduire, pour chaque courant de charge, les valeurs de la capacité et de l’ESR (résistance série équivalente). La méthode est expliquée dans la thèse de Dariga Meekhun dont un extrait vous est fourni. 2. Comparer vos mesures avec la documentation du constructeur. 4.Vérifier que les paramètres ne dépendent pas de la phase de fonctionnement, charge ou décharge. 5. Conclure sur les variations éventuelles des paramètres du modèle en fonction du courant de charge. Analyse énergétique 6. Calculer l’énergie maximale stockée par le condensateur. 7. En considérant un condensateur électrolytique aluminium classique de même volume supportant 100V, les constructeurs proposent des capacités de l'ordre de 47µF. Calculer l’énergie maximale stockée par ce type de condensateur et comparer. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 8. A partir de la figure ci‐dessous compléter l'analyse en comparant les énergies et puissances massiques de ces 2 technologies de condensateurs. Conclure. Figure 5. Diagramme de Ragone. 9.Evaluer le rendement énergétique sur le cycle complet à 350mA au moyen du relevé. Pour cela, il est possible d'utiliser le modèle développé ou bien d'effectuer un bilan d'énergie aux bornes du super condensateur. 10. Pour le super condensateur préalablement chargé à sa tension nominale, déterminer la valeur d'une résistance de charge qui permettrait théoriquement de restituer le maximum d'énergie stockée. 11. Pour cette résistance, calculer l'énergie restituée par le condensateur . 12. Pour cette résistance, calculer le courant maximum échangé. Comparer ce courant avec le courant maximal admissible prévu par le constructeur. 13. Conclusion générale sur la validité du modèle proposé. CARACTERISTIONFREQUENTIELLE Afin de mesurer l'impédance d’un condensateur en fonction de la fréquence, plusieurs méthodes et appareillages associés existent : les ponts classiques à équilibrage manuel, ou automatique, la mesure de I, de V et du déphasage, les analyseurs de gain et phase, les analyseurs de réseau vectoriel … Chaque technique a des limitations propres et différentes : plage de fréquence et d'impédance, niveau de courant et de tension, sensibilité aux bruits, facilité d'automatisation ... Principe de mesure Dans le cas de l’utilisation d’un analyseur de gain et de phase, le principe de la mesure est le suivant. On applique une tension sinusoïdale de fréquence variable sur 2 dipôles en série. L’analyseur de gain et de phase permet de mesurer sur deux voies le module et la phase de deux tensions V1 et V2 par rapport à la tension du générateur (figure 6). On peut aussi lui demander d’indiquer la partie réelles et imaginaire du rapport V2/V1. Afin d’obtenir l’image du courant dans l’impédance à caractériser, on introduit en série avec l’impédance à caractériser Zx une résistance de mesure Rm. On choisit cette résistance de façon à obtenir des mesures de tensions équivalentes sur les deux voies V1 et V2, afin que la précision de mesure soit sensiblement la même (mêmes calibres…). V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 Zx Rg + V2 Vg Rm V1 Figure 6. Montage utilisant un analyseur de gain et de phase Solartron Ces dispositifs sont onéreux et les mesures peuvent s’avérer relativement complexes et longues. Nous n’effectuerons donc pas dans ce TP cette mesure. De plus l’intérêt est plus dans l’interprétation des mesures que dans la mesure en elle même. C’est pourquoi nous avons réalisé une caractérisation fréquentielle sur une supercapacité du même type que celle utilisée dans ce TP en utilisant les appareillages présents au laboratoire CIRIMAT [1]. Pour cela, nous avons utilisé deux potentiostat / galvanostat, le premiere est un AUTOLAB [2] de la société Metrohm et le second un SP200 [3] de la société Bio Logics Science Instruments. Ces deux instruments ont permis de mesurer le module et l’argument de l’impédance du supercondensateur de 10 mHz à 1 MHz. Le résultat des mesures est donné sur les pages suivantes. Tracé de la réponse fréquentielle de l'impédance. 1. Grâce aux valeurs mesurées lors de l’étude temporelle, tracer dans Matlab la réponse fréquentielle du module de l’impédance de la super capacité ainsi que l’évolution de sa phase. 2. Comparer la réponse fréquentielle simulée et la réponse fréquentielle mesurée. Remarques : lors de la caractérisation fréquentielle, 1 seul super condensateur a été caractérisé contrairement à vos mesures temporelles avec 2 super condensateurs en série. les relevés expérimentaux du module et de l’argument de l’impédance se trouvent sur votre ordinateur (voir votre enseignant). 3. Compléter votre schéma électrique équivalent de façon à faire apparaitre les éléments que vous avez identifiés sur la réponse fréquentielle mesurée. 4. Déterminer la/les valeurs du/des composants à rajouter sur votre schéma équivalent. 5. Simuler la réponse obtenue et comparer à la réponse fréquentielle mesurée. 6. Comparer les méthodes d’analyse temporelle et fréquentielle. 7. Conclure sur la validité de votre modèle, proposer des méthodes de mesures complémentaires permettant de rendre compte du comportement réel de ce type de condensateur. [1] www.cirimat.cnrs.fr [2] www.ecochemie.nl/export/Homepages/Autolab/download/Applicationnotes/Autolab_Application_Note_EC08.pdf [3] www.bio-logic.info/potentiostat/brochures/20110713_sp200sp240_72dpi.pdf V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013 Figure 7 Caractérisation fréquentielle d’un supercondensateur Maxwell PC10 Remerciements à David Buso, Nicolas Naudé et Cédric Renaud; le sujet de ce TP est très largement inspiré d'un TP qu'ils ont mis en place avec les M1.CESE. V. Boitier A.Belinger / M2CESE option GD2E / Univ. Paul Sabatier Toulouse III / fev‐2013
