Pour stocker l'énergie électrique, les
supercondensateurs sont de plus en plus employés dans différents
secteurs tels que des communications, le transport, etc. L'étude de
l'évolution de leurs paramètres lorsqu'ils sont soumis à
des conditions recréées en laboratoire permet de prédire
leur comportement dans le cas d'applications industrielles. La connaissance du
comportement des supercondensateurs en fonction des contraintes industrielles
est obtenue grâce à différentes méthodes de
caractérisation. Trois techniques de caractérisation
complémentaires sont réalisées :
o une caractérisation par cycle de
charge/décharge à courant constant, à tension constante,
ou à puissance constante.
o une caractérisation par spectroscopie
d'impédance permettant le tracé du diagramme de Nyquist de
l'impédance,
o une caractérisation par
voltampéremétrie cyclique, la capacité étant
montrée comme une dynamique en fonction de la tension
appliquée.
Ces caractérisations permettent de déterminer les
variations de l'impédance des supercondensateurs en fonction de la
tension, du courant, de la fréquence et de la température.
Le supercondensateur engendre des phénomènes
physiques complexes et couplés en temps, tension et température.
Les méthodes de caractérisation des supercondensateurs ne sont
pas jusqu'à présent normalisées et il est difficile de
comparer les résultats obtenus avec ceux des fabricants. C'est pourquoi,
afin d'obtenir des résultats expérimentaux fiables et
reproductifs, nous avons défini, au début de chaque mesure, des
méthodologies de mesure adéquates et adaptées aux
méthodes de caractérisation. Par ailleurs, nous effectuerons une
comparaison des résultats obtenus par les différentes
méthodes et avec les données issues du fabricant.
Le développement à long terme des
supercondensateurs nécessite des modèles élaborés
capables de décrire leurs comportements temporels et dynamiques. Les
supercondensateurs stockent les charges par des processus très
différents de ceux qui surviennent dans les condensateurs classiques.
Les modèles traditionnels utilisés pour décrire le
comportement d'un condensateur sont insuffisants. Il est donc important
d'établir des modèles plus avancés et précis
permettant de décrire leurs comportements en fonctionnement.
Les recherches bibliographiques ont montré qu'il existe
plusieurs modèles de
supercondensateur. Ils se basent sur deux principes :
· microscopique, ces modèles pouvant
représenter précisément les phénomènes
électrochimiques et physiques du composant [36-40].
· circuit électrique équivalent, ils sont
peut-être moins précis mais plus facile à intégrer
dans les logiciels de simulation de circuits [41-43].
Nous nous intéressons dans ce travail à des
modèles de type circuit électrique équivalent pour
représenter les supercondensateurs lors de simulation. Nous en
présentons trois entre- autres : le modèle classique RC, le
modèle à deux branches, et le modèle à simple pore.
Ces modèles peuvent représenter les principaux
phénomènes du supercondensateur par des cellules RC, tels que
l'impédance complexe de pores, la redistribution de charges, etc. Une
étude de ceux-ci montrant leurs avantages, leurs limites ainsi que
l'indentification des leurs éléments sera présentée
en détail. Finalement, leur comparaison permettra d'extraire un
modèle général du supercondensateur.
Le comportement inductif des supercondensateurs dans le
spectre d'impédance à haute fréquence est souvent
observé. Ce comportement est généralement attribué
aux connexions ainsi qu'au profil du parcours du courant au sein du composant.
L'effet inductif dans le supercondensateur est souvent modélisé
par une simple inductance, mais ceci ne correspond pas tout à fait
à son comportement haute fréquence [44-47]. C'est pourquoi, nous
proposons dans ce chapitre une interprétation plus large et une
modélisation du phénomène inductif.
La température peut influencer les différents
critères de performance d'un supercondensateur, à savoir la
capacité, l'ESR, l'énergie stockable et la puissance maximale
déchargeable. L'efficacité de cycle charge/décharge, qui
sera représentée par le rendement coulombien, peut
dépendre aussi de la température. A l'aide des différentes
méthodes de caractérisation présentées,
l'étude de la variation des performances représentées par
les éléments des modèles sera effectuée.
Grâce à un modèle thermique
composé des deux constantes de temps, une estimation de la
température au coeur du supercondensateur est possible. La variation de
la température engendre une variation des éléments du
circuit électrique équivalent. Pour mieux représenter, le
supercondensateur un couplage d'un modèle thermique avec le
modèle électrique est envisagé dans ce chapitre.
L'établissement analytique de la variation des paramètres du
supercondensateur étant très difficile en fonction de la
température, nous proposons une détermination de lois
expérimentales reliant les différents paramètres du
supercondensateur à la température.
Lors du fonctionnement des supercondensateurs, dans un
environnement réel, ceux-ci sont soumis à des contraintes,
thermiques, électriques, etc. ce qui engendre malheureusement une perte
progressive de leurs performances tout en diminuant leur durée de vie.
Nous présentons à la fin de ce chapitre une évolution des
éléments de circuits électriques équivalents lors
d'un vieillissement accéléré réalisé par
"floating".
