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
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Usc1 Usc2
Uscn
Umod
Fig. 5-2 : Module de supercondensateurs avec n
cellules en séries
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