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Etude et modelisation des supercondensateurs

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par Yasser Diab
Damas - Doctorat 2009
  

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5. Évaluation des

performances des modules de

supercondensateurs

5. Évaluation des performances des modules de

supercondensateurs

5.1. Introduction

La tension maximale des supercondensateurs étant limitée pour des raisons physiques à une tension de 3 V, une mise en série des supercondensateurs est indispensable. En effet, l'utilisation des supercondensateurs dans des applications de forte puissance ne peut se faire qu'en associant plusieurs éléments en série et/ou en parallèle pour pouvoir atteindre des tensions et des courants importants. Nous pouvons rencontrer cette association dans les véhicules électriques, les véhicules hybrides, les alimentations sans interruption, ...

La mise en série de cellules (supercondensateur élémentaire) ne peut être réalisée simplement à cause des dispersions des paramètres de chaque cellule. Ces dispersions sont dues aux températures différentes, aux vieillissements différents et aux paramètres de fabrication pouvant exister sur chaque cellule. Ces trois raisons conduisent à des déséquilibres de tensions entre chaque cellule. De plus, la non-linéarité de la capacité du supercondensateur peut influencer indirectement le déséquilibre. Ainsi, les tensions aux bornes de supercondensateurs lors des cycles de charge/décharge peuvent être déséquilibrées. Pour palier ce problème, il faut utiliser un système d'équilibrage des tensions. Afin d'analyser et d'évaluer ces systèmes, nous proposons de définir quelques concepts liés à leur performance tel que le rendement énergétique.

Une estimation de la durée de vie du supercondensateur en fonction des diverses contraintes appliquées est possible. Nous allons présenter dans ce chapitre une évolution de la durée de vie basée sur les résultats du vieillissement mené par le fabricant EPCOS en fonction des contraintes électrique et thermique.

Dans l'objectif de généraliser les résultats des performances du système d'équilibrage et de proposer des solutions d'équilibrage adéquates aux applications, nous définissons quelques applications types. Ces dernières peuvent représenter deux types principaux d'applications du supercondensateur : avec un rapport cyclique bas et avec un rapport cyclique élevé.

5.2. Conception et performance des modules de

supercondensateurs

5.2.1. Dimensionnement des modules

Pour dimensionner un système de supercondensateurs correctement un certain nombre de facteurs doivent être connus : les tensions maximum (Umax) et minimum (Umin), les courants moyen (Imon) et de crête, la puissance, la durée de fonctionnement, etc. [146-148].

La capacité totale d'un module Cmod peut être calculée par les grandeurs mentionnées cidessus. Le nombre de cellules à mettre en parallèle np et en série n est calculé comme suit :

n = Umax/UN 5-1
np = Cmod. n / C 5-2

où,

Umax est la tension maximum du module,

C est la capacité d'une cellule de supercondensateur.

Nous présentons sur la figure 5-1 des exemples de module de supercondensateurs pour divers fabricants.

Fig. 5-1 : Photo des systèmes et modules des supercondensateurs

Afin d'analyser la théorie de la performance du module de supercondensateurs, nous considérons que le système de supercondensateurs est composé de n cellules en série (cf. fig. 5-2). Pour la modélisation, nous considérons que le supercondensateur est modélis é par ses trois paramètres : C, une résistance série approximée à ESR et une résistance de fuite Rf.

Rf1 Rf2 Rfn

ESRl Cl ESR2 C 2 ESR C

n n

 

Usc1 Usc2 Uscn

Umod

Fig. 5-2 : Module de supercondensateurs avec n cellules en séries

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