Les supercondensateurs. Pascal VENET

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1 Les supercondensateurs Pascal VENET 1

2 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

3 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

4 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 Maxwell 3000 F, 2,7 V Batscap 2600 F, 2,7 V Nesscap 5000 F, 2,7 V 4

5 Présentation des supercondensateurs Diagramme de Ragone Energie 100 massique (Wh/kg) ,1 10 h 1 h 6 min 36 s 3,6 s 0,36 s Accumulateurs Supercondensateurs Condensateurs 36 ms 3,6 ms 0,36 ms Accumulateurs Sources d énergie Supercondensateurs Sources de puissance 0, Puissance massique (W/kg) 5

6 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 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

7 Applications des supercondensateurs Ouverture d'urgence des portes des Airbus A380 Orientation des pales des éoliennes Chariots élévateurs 7

8 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

9 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

10 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Pile à combustible + superc (Prototype Bora) (Concept car Honda FCX) 10

11 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Bluecar : Bolloré & Pininfarina Batteries Lithium Métal Polymère + superc 11

12 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules électriques Microbus du fabriquant Gruau & Bolloré Hybrides ou 100% électrique Batteries Lithium Métal Polymère + superc 12

13 Applications des supercondensateurs Exemples véhicules hybrides Bus Scania Hybride moteur diesel éthanol + superc Toyota Supra HV-R Moteur thermique + superc (2007 : Victoire scratch aux 24 heures de Tokachi) 13

14 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,

15 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

16 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

17 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Sans supercondensateur 17

18 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Avec supercondensateurs 18

19 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

20 Applications des supercondensateurs Transport urbain Principe du Biberonnage Station 1 Station 2 SC SC M M SC Recharge rapide 20

21 puissance (kw) Applications des supercondensateurs Transport urbain phases de la traction Temps Biberonnage Marche sur l erre Biberonnage Accélération Freinage par récupération Accélération 21

22 Rappel sur les condensateurs Diélectrique L énergie stockée 1 W C AK 2 U. 2 avec C AK S 0r e Anode + S Cathode - S r Pour W e Lié aux propriétés du matériau et à sa rigidité diélectrique e U U Types usuels de condensateur Matériau diélectrique r Rigidité diélectrique e v (kv/cm) Epaisseur du diélectrique e min Tensions nominales (V) Films Plastique 2,1 à à ,9 à 6 m 10 à 10 4 Electrolytique AL 2 O 3 8 à à ,02 à 0,7 m 10 à

23 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

24 Rappel sur les condensateurs Condensateurs électrolytiques à l aluminium à électrolyte liquide Composant élémentaire Composant complet Cathode réelle Electrolyte Anode Feuille d aluminium + - Cathode apparente Feuille d aluminium Bandes de Bandes de connexion connexion Soupape de sécurité de l anode de la cathode Bornes de connexion Papiers Bandes de connexion Diélectrique Al 2 O 3 Oxyde d alumine (Al 2 O 3 ) Support d électrolyte Papier imprégné d électrolyte Anode Bobinage des électrodes et du papier Cathode apparente 24

25 Rappel sur les condensateurs Condensateurs à films polypropylène métallisés Soudure Connexion de sortie Schoopage Mandrin e m e p Métallisation Anode Métallisation Cathode Films polypropylène Métallisation renforcée 25

26 Rappel sur les condensateurs Modèles des condensateurs Schémas électriques équivalents CAK : capacité idéale anode cathode ; C AK R l R p C AK (T, U) R p (T, U) R l (T, f) L R p : représente les pertes dans le diélectrique et les fuites entre les deux électrodes (associé à I L ) R l : résistance des connexions et électrodes L : inductance connexions et enroulements C ESR ESL C (T, U, f) ESR (T, U, f ) R p n a une influence qu aux fréquences basses C : capacité série ESR : résistance équivalente série ESL : inductance équivalente série = L 1 Z ESR j ESL C 2 Pour T et U données : ESR = cste f r 1 C = cste ESL.C 26

27 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur électrolytique à l aluminium 4700 F / 500 V Z () 10 1 Z () Z Z ESR 2 1 ESL C 2 1 f r 2 ESL C. f (Hz) E+08 0,1 ESR 0,01 0,001 Z mesuré Z simulé 1/(C.) ESL. C = 4350 F ESR = 11,3 m ESL = 19 nh 27

28 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur à films polypropylène métallisés 10 F / 250 V Z () 1 f r 2 ESL C. Z simulé 1 Z mesuré 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

29 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 Dioxyde de rethinium (R u O 2 ) Dioxyde d iridium (I r O 2 ) de polymères conducteurs 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

30 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

31 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

32 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

33 Supercondensateurs à double couche électrique Formation aux interfaces électrode solide / électrolyte liquide d une zone de charge d espace appelée double couche électrique L électrolyte : Stockage d énergie électrostatique (pas de réaction chimique) 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

34 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 m 2 /g Assemblage et connexion Séparateur Collecteur de courant Bobinage Languettes Charbon actif 34

35 Méthodes de caractérisation des supercondensateurs Caractérisation temporelle Mesures temporelles en courant et tension lors de charge ou/et décharge 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) Caractérisation fréquentielle Application d une faible tension sinusoïdale superposée à une tension continue et analyse de l amplitude et du déphasage du courant Avantages : Précision Connaissance du comportement dynamique du composant Inconvénients Nécessite un spectromètre d impédance Niveaux de courants injectés Modèles simples Complémentarité Modèles riches 35

36 Cdl (F) Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de la capacité de la double couche C dl Electrolyte Electrode Couche diffuse Mesures Relation 2400 Couche compacte 1 C dl C 1 Comp 1 C diff C 1 Comp 1 c ch. U/ u K K ,5 1 1,5 2 2,5 3 U(V) 36

37 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle à simple pore L Hypothèse sur le structure de l électrode poreuse C dl /2 C dl /2 C dl /2 R s C dl R R 1 2 R. R 2 el el 1 R Z p 2 R. 2 R n R n 2 R. 2 n Rel Z P.coth j C. j C. C dl : capacité de la double couche R el : résistance liée à l accessibilité des pores par l électrolyte R s : résistances séparateur + électrolyte + électrodes + collecteurs + connexions + contact L : inductance connexions et enroulements el 2 dl dl R el 37

38 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Circuit RLC Modèle à simple pore Mesures f = 10 mhz f Circuit RLC L R C f 50 Hz f 1 khz Modèle à simple pore C dl /2 C dl /2 C dl /2 L R s C dl R 1 R 2 R n R 1 2 R. el el R R. 2 R n 2 R. n el

39 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle à simple pore L C dl /2 C dl /2 C dl /2 R s C dl R 1 R 2 R n Caractérisation fréquentielle 1/(C dl ) R 1 2 R. el el R R. 2 R n 2 R. n el 2 2 R s R el /3 -L 39

40 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle à simple pore L C dl /2 C dl /2 C dl /2 R s C dl R 1 R 2 R n 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 U (V) Charge Mesures Repos t (s) R Modèle à simple pore Décharge 2 R. el el 1 R R. 2 R n 2 R. n el 2 2 Modèle à Mesures simple pore Circuit RLC f = 10 mhz f 50 Hz f 1 khz 40

41 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 C dl1 /2 C dl1 /2 C dl1 /2 L R s C dl1 R 11 R 12 R 1n Classe de pores correspondant à Z p1 R ij 2 R. j eli 2 2 C dl2 C dl2 /2 R 21 C dl2 /2 R 22 C dl2 /2 R 2n Classe de pores correspondant à Z p2 C dl3 /2 C dl3 /2 C dl3 /2 C dl3 R 31 R 32 R 3n Classe de pores correspondant à Z p3 41

42 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

43 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle simple pore modifié L R p R s C dl R C dl /2 R 1 2 R. C dl /2 R 2 el el 1 R R r 2 R. 2 C r R n C dl /2 R n 2 R. n el 2 2 En BF = Prise en compte du phénomène de redistribution des charges avec R r C r Modèle simple pore modifié Mesures f = 10 mhz En HF = Prise en compte de l effet de peau f = 10 khz 43

44 Cdl (F) Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation temporelle Modèle à 2 branches L R p R s C dl R 1 R C dl /2 C dl /2 C = C 0 +k.v 2 R. R 2 el el 1 R 2 2 v R. 2 R r C r R n C dl /2 R n 2 R. n el 2 2 u(t) Mesures 2600 u(t) 2400 Caractérisation temporelle Autodécharge 2200 Modèle à deux branches Tension(V) ,5 Modèle 1 à 1,5 2 branches 2 2,5 3 u R f R S v R r C=C 0 +k.v C r Mesures 44

45 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 Réactions d oxydoréduction aux interfaces électrodes électrolyte Décroissance assimilée à une exp. 1 de quelques heures Autodécharge causée par la perte de charges à travers la double couche électrique 2 de plusieurs 100 h à plusieurs 1000 h heures U 0 U 0 2 u(t) expérimentale u 2 (t) = U 02 exp(-t/ 2 ) U 01 u 1 (t) = U 01 exp(-t/ 1 ) 45

46 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de l autodécharge R s u R f2 u 2 C 2 =C 02 +k 2.u 2 R r v R f1 u 1 C 1 C r Inconvénient de ce modèle C 1 et C 2 en série = pas de véritable sens physique U 0 u(t) expérimentale U 0 R s 2 u 2 (t) = U 02 exp(-t/ 2 ) u C ox R fox R f v C=C 0 +k.v R r C r U 01 u 1 (t) = U 01 exp(-t/ 1 ) 46

47 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 Dégradation de l électrolyte et des impuretés ESR C Défaillances liées à l assemblage collecteur - charbon actif Dégradation du liant ESR 47

48 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

49 Equilibrage des supercondensateurs Évaluation des performances des circuits d équilibrage Rendement énergétique du système d équilibrage Energie stockée dans les supercondensateurs Durée de vie t d W W sc W sc eq Energie dissipée dans le circuit d équilibrage Modèle d Eyring : t d (T,V ) E A.exp k T. a BV. 49

50 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d équilibrage dissipatifs Passifs purs Usc (V) U sc2 U SC1 SC 1 U sc1 SC 2 U SC SC1=C SC2=0,8.C U SC2 Avec des résistances de faible valeur : Temps pour équilibrer le système réduit Rendement de l ensemble faible t (s) 50

51 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d équilibrage dissipatifs à résistances commandées Usc (V) U sc2 U SC1 SC 1 U sc1 U SC SC SC1=C SC2=0,8.C U SC2 SC 2 Résistances de faible valeur mises en parallèle temporairement : Temps pour équilibrer le système réduit Rendement de l ensemble pas trop affecté t (s) 51

52 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d équilibrage non dissipatifs hacheurs à stockage inductif (de type Buck-Boost) Usc (V) U sc2 U SC1 U SC1 SC 1 SC 1 U sc1 U SC2 U SC2 SC 2 SC 2 U SC U SC SC1=C SC2=0,8.C Temps pour équilibrer le système très réduit Rendement de l ensemble élevé t (s) 52

53 Equilibrage des supercondensateurs Performances des circuits d équilibrage Type de Système d équilibrage Sans système d équilibrage Circuit passif avec R=50 Circuit à résistances commandées R=1 Convertisseur Buck-Boost Capacité de SC1=C U SC1 SC 1 U SC1 SC 1 U SC1 SC 1 U SC1 SC 1 Capacité de SC2=0,8.C U SC2 SC 2 U SC U SC2 SC 2 U SC U SC2 SC 2 U SC U SC2 SC 2 U SC Durée de vie du module 1,4 années 3,5 années 6,0 années 6,0 années module %

54 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC 54

55 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC DC DC 55

56 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC DC DC PC H2 56

57 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC DC DC Caténaires 57

58 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC DC DC DC DC AC DC Résistances de freinage Caténaires GS 3 MTh 58

59 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC AC MAS 3 DC DC DC DC Limites de courant, di/dt, Gestion d énergie entre les différents convertisseurs Lois de vieillissement des syst. de stockage 59

60 Utilisation des supercondensateurs Exemple de structure des systèmes avec supercondensateurs et batteries 60

61 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

62 MERCI pour votre attention 62