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Etude et modelisation des supercondensateurs


par Yasser Diab
Damas - Doctorat 2009
  

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1. Introduction générale

1. Introduction générale

Le développement technologique et la maîtrise de fabrication de nouveaux matériaux ont permis la réalisation des systèmes modernes de stockage d'énergie électrique comme les supercondensateurs. Grâce à leurs caractéristiques électriques intéressantes et leur nombre de cycles de charge/décharge élevé par rapport aux batteries, ils ont connu une grande évolution au cours de ces dernières années. De part, leur capacité de plusieurs milliers de Farads et leur faible résistance série, ces nouveaux composants sont adaptés pour le stockage d'énergie à forte puissance. Ils peuvent être utilisés de façon complémentaire aux batteries ou aux piles à combustible. Cette injection de puissance aux systèmes d'énergie électrique continue améliore les sources d'alimentation dans les applications, comme par exemple les applications terrestres et maritimes.

Ce travail a pour objectif d'analyser quantitativement les performances (capacité, ESR, autodécharge, rendement de décharge/charge...) des supercondensateurs commercialisés issus de différentes technologies lorsqu'ils sont soumis aux contraintes électriques et thermiques en vue de leur intégration dans les systèmes électriques de forte puissance. Les supercondensateurs étudiés sont symétriques à électrolyte organique et à électrodes de charbon.

L'étude proposée dans ce travail sur les propriétés électriques, dynamiques, thermiques et sur le vieillissement de ces nouveaux dispositifs de stockage d'énergie nécessite une compréhension de leur principe physique et de la technologie utilisée pour les fabriquer. Une présentation de ces derniers est faite en détail dans le premier chapitre de ce mémoire. De même, nous présentons les divers secteurs d'applications.

Afin d'évaluer les caractéristiques de ces composants, il est absolument indispensable d'utiliser des techniques de mesure particulières compte tenu de leur faible impédance et des phénomènes physiques et électrochimiques complexes qui régissent leur fonctionnement. De ce fait différentes techniques de caractérisation sont mises en oeuvre : cycle de charge/décharge à courant constant, (à tension constante et à puissance constante), spectroscopie d'impédance

et voltampérométrie. Une étude approfondie sur la comparaison de ces techniques est détaillée dans la première partie du deuxième chapitre.

La représentation du fonctionnement des supercondensateurs dans les systèmes électriques nécessite l'utilisation de modèles élaborés qui peuvent être incorporés dans les logiciels du type circuit. Dans la deuxième partie du deuxième chapitre, nous nous proposons d'analyser les différents modèles existant du supercondensateur. Chaque modèle met en évidence des phénomènes physiques différents comme la redistribution de charges, la répartition des charges dans la double couche, etc. Les éléments de ces modèles sont caractérisés par les techniques mentionnés ci-dessus en fonction de la tension et la température. Ainsi, l'ensemble du travail présenté sur ces modèles permet de démontrer leurs avantages et leurs inconvénients et nous a permis d'extraire un nouveau modèle représentant fidèlement le comportement dynamique du supercondensateur. Une étude électrothermique est envisagée. La modélisation électrique proposée est complétée par un modèle thermique permettant d'estimer l'augmentation de la température dûe à l'autoéchauffement.

Quand les supercondensateurs sont chargés et puis laissés en circuit ouvert, de la même manière que d'autres dispositifs de stockage d'énergie électrique, un phénomène d'autodécharge est observé. Il est important de quantifier cette autodécharge car elle conduit à une diminution de leurs performances en termes d'énergie et de puissance. Celle-ci est un paramètre très important dans les applications nécessitant le stockage de charges à long terme. De plus, elle permet aussi d'indiquer la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication des supercondensateurs.

L'ensemble des mécanismes liés à l'autodécharge n'est pas totalement connu. Ces mécanismes sont complexes et ils ne peuvent pas être expliqués uniquement par le courant de fuite. Nous proposons, dans le troisième chapitre d'une part, d'analyser le phénomène d'autodécharge des supercondensateurs, en fonction des contraintes électrique et thermique et du vieillissement, et d'autre part de trouver un nouveau modèle de type circuit électrique capable de représenter l'autodécharge lors des simulations.

L'inconvénient majeur d'exploiter ces composants est lié à leur tension faible. Il est nécessaire d'en mettre un nombre important en série afin d'obtenir une tension donnée appropriée aux applications. Dans les applications industrielles, des dizaines à des centaines de supercondensateurs sont associés en série pour atteindre la tension souhaitée. Lors du fonctionnement d'un module de supercondensateurs, la dispersion des caractéristiques électriques et thermiques de chaque cellule du supercondensateur conduit à une distribution

non uniforme de tension sur celles-ci. Ceci est préjudiciable en termes de durée de vie des cellules.

La solution pour éviter les surtensions et cette réduction de durée de vie consiste à connecter un système d'équilibrage en parallèle aux bornes des cellules.

Nous proposons, dans le quatrième chapitre, une analyse comparative du point de vue énergie et durée de vie de divers systèmes d'équilibrage utilisés. Certaines définitions telles que le rendement énergétique du système d'équilibrage, le temps d'équilibrage sont proposées dans ce travail pour quantifier l'analyse effectuée. Généralement, les mécanismes du vieillissement des composants de stockage d'énergie électrique sont complexes. Les mécanismes de vieillissement du supercondensateur sont relativement simples, comparés à ceux des batteries, ils sont influencés essentiellement par la tension et la température du composant. Une estimation de la durée de vie des supercondensateurs est effectuée en fonction de la tension et de la température.

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