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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