Energiemassique (Wh/kg)Energiemassique (Wh/kg)Energiemassique (Wh/kg)Energiemassique (Wh/kg)

Caract

Caract é é risation, mod risation, mod élisation et int é lisation et inté égration des gration des supercondensateurs dans des applications embarqu

supercondensateurs dans des applications embarqu é é es es

Hamid

Hamid Gualous Gualous Universit

Université é de Caen - de Caen - IUT de Cherbourg IUT de Cherbourg Laboratoire LUSAC

Laboratoire LUSAC

Plan

• Introduction

• Principe de fonctionnement des supercondensateurs

• Caractérisation et modélisation des supercondensateurs

• Dimensionnement des modules de supercondensateurs

• Equilibrage des super condensateurs

• Application des super condensateurs

• Management thermique

0,01 0,1 1 10 100 1000

10 100 1000 10000

Puissance massique (W/kg)

Energiemassique (Wh/kg)

Supercondensateurs

10h 1h 0,1h

36sec

3,6sec

0,36sec

36msec Pb-acide Ni/Cd

Li-ion

Condensateur PAC

0,01 0,1 1 10 100 1000

10 100 1000 10000

Puissance massique (W/kg)

Energiemassique (Wh/kg)

Supercondensateurs

10h 1h 0,1h

36sec

3,6sec

0,36sec

36msec Pb-acide Ni/Cd

Li-ion

Condensateur

0,01 0,1 1 10 100 1000

10 100 1000 10000

Puissance massique (W/kg)

Energiemassique (Wh/kg)

Supercondensateurs

10h 1h 0,1h

36sec

3,6sec

0,36sec

36msec Pb-acide Ni/Cd

Li-ion

Condensateur PAC

0,01 0,1 1 10 100 1000

10 100 1000 10000

Puissance massique (W/kg)

Energiemassique (Wh/kg)

Supercondensateurs

10h 1h 0,1h

36sec

3,6sec

0,36sec

36msec Pb-acide Ni/Cd

Li-ion

Condensateur

Diagramme de Ragone

Introduction

Caractéristiques des éléments de stockage

Temps de charge Temps de décharge Rendement

Charge/Décharge Puissance massique (W/kg)

Energie massique (Wh/kg)

Durée de vie Nombre de cycle

Condensateur électrolytique

Supercondensateur Batterie Pb

µs < t < ms µs < t < ms

> 95%

> 10⁵

10^-3 < E < 10^-1

10¹⁰

1h < t < 5h 0,3h < t < 3h

70% < η < 85%

< 10³

1 < E < 10

10³ 10⁶

10 < E < 100 10⁴

85% < η < 98%

1s < t < 30s 1s < t < 30s

Tableau comparatif des caractéristiques des éléments de stockage de l’énergie électrique

Batteries + supercondensateurs ⇒ densité d’ énergie et densité de puissance élevées

Super condensateursSuper condensateurs

Batteries,

pile à combustible

…

Batteries,

pile à combustible

…

Régime transitoire

Régime permanent

Récupération de l’énergie Pics de puissance

Puissance continue Charge si nécessaire

• Puissance instantanée + quantité d’énergie stockée = augmentation des performances de l’alimentation hybride

FC Hybrid Electric Vehicle

by Michelin & PSI

Key figures

ƒ 30 kW FC and 45 kW supercaps for 14-20 s acceleration

ƒWeight 850 kg

ƒ Top speed 130 km/h

ƒ 0-100 km/h in 12 s

ƒ Vehicle range 400 km

ƒ 4 passengers car

Hy-Light (Oct 12 2004)

600 supercondensateurs

Poids: environ 450 kg

Volume: 1900 x 950 x 455 mm

MITRAC Bombardier Transport

Dresden depuis Septembre 2002

SITRAS® SES Siemens TS

Tension Nominale DC 750 V Supercondensateurs 1344 Energie stockée 2,3 kWh

Economies d'énergie par h 65 kWh/h

Puissance max 1 MW

Rendement 95 %

Température –20 to 40 °C

SITRAS® SES Siemens TS

Supercondensateur Condensateur

A > 1’000 m² (film poreux) d ~10 Å

U 1 - 3 V, décomposition de électrolyte R très faible (<1mΩ)

Capacité jusqu’à 5000F et plus

Supercondensateurs ?

Supercondensateurs ?

• 3 technologies des supercondensateurs : 1) Supercondensateur à base de charbon actif

• Électrolyte aqueux

• Électrolyte organique

2)

Supercondensateurs à base d’oxyde métallique RuO₂ (très faible résistance interne, en milieu acide H₂SO₄ , coût élevé)

3)

Supercondensateurs à base polymère ( en stade de développement, coût élevé, problème de cyclabilité …)

Faible résistance interne

Résistance interne plus élevée

Tension plus élevée (3 V) Faible tension (1,2 V)

Phase vapeur

État chargé État Déchargé

¾ Principe basé sur les propriétés capacitives de l ’interface charbon actif-électrolyte

¾ Stockage de l ’énergie effectué par distribution des ions de l ’électrolyte à l ’interface

¾ Stockage d’énergie électrostatique (pas de réaction chimique)

¾ Capacité jusqu’à 5000F et R < 1 mΩ , tension 2.7V, courant de CC peut atteindre 4000A

Supercondensateurs

Aluminium

Charbon actif Séparateur

Structure d’un supercondensateur

•

Avantages des supercondensateurs

1. Densité de puissance élevée

2. Durée de vie importante (plus de 5000000 de cycles de charge/décharge 3. Etat de charge facile à gérer (linéaire en fonction de la tension)

4. …

• Inconvénients des super condensateurs

1. Faible densité d’énergie

2. Tension maximale très faible par cellule (2,7V) pour la technologie charbon actif 3. Electrolyte dangereux (acétonitryle)

4. …

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04

1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03

Fre que ncy (Hz)

ESR (Ohm)

Spectroscopie d’impédance

Résistance série en fonction de la fréquence

Caractérisation

Intégration des supercondensateurs ⇒ caractérisation + modélisation 1. Charge/décharge à courant constant

2. Spectroscopie d’impédance

Résistance équivalente série dépend de la fréquence

Caractérisation

0 100 200 300 400

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Fré que nce [Hz]

Capacité [F]

On distingue trois zones :

• Basse fréquence C est pratiquement constante

• Zone de transition (0.1Hz< f<50Hz) forte décroissance de C

• Zone HF la capacité est pratiquement nulle Cellule 350F

Domaine d’utilisation

Capacité en fonction de la fréquence

0 100 200 300 400

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Fréquence (Hz)

Capacité (F)

T= - 20 °C T= - 10 °C T= 0 °C T= 20 °C T= 40 °C T=60 °C

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Fréquence (Hz) ESR (Ω)

T= - 20 °C T= - 10 °C T= 0 °C T= 20 °C T= 40 °C T=60 °C

capacité et résistance série d’un supercondensateur de capacité 350 F en fonction de la fréquence pour différentes températures

2

T) exp(

R (1

R =

_TA

⋅ + − K

^T

⋅ ∆

^RTA : résistance à 20°C

K_T = 0,025 K^-1

Variation de la capacité en fonction de la température est négligeable

Caractérisation

Caractérisation

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tension [Vdc]

Capacité [F]

1 mHz

10 mHz

100 mHz

1 Hz

10 Hz

0 2 4 6 8 10 12 14

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tension [Vdc]

ESR [mOhm]

1 mHz

10 mHz

100 mHz

1 Hz

10 Hz

¾ C est non linéaire en fonction de la tension

¾ Fréquence augmente ⇒ la dépendance de C décroît

¾ ESR ne dépend pas de la tension

¾ Résistance de fuite dépend de la tension

C en fonction de la tension Résistance équivalente en fonction de la tension

Collecteur

Séparateur Électrolyte

Électrode

Rc Re + Ri

Rp

Cdl Cdl Rc

Collecteur

Séparateur Électrolyte

Électrode Collecteur

Séparateur Électrolyte

Électrode

Rc Re + Ri

Rp

Cdl Cdl Rc

Modélisation des supercondensateurs

¾ Modèle à deux branches RC

¾ Modèle basé sur la spectroscopie d’impédance (plusieurs branches RC)

¾ Modèle basé sur une ligne de transmission

¾ …

Résistance Branche

de fuite principale Branche

lente

•Branche "principale": évolution de l’énergie durant la charge ou la décharge (énergie rapidement stockée ou utilisée)

•Branche "lente": complète la première et décrit la redistribution interne

Variation des éléments du modèle en fonction de la température Modèle de Zubieta

C

₁

= C

₀

+ k V

₁

Modélisation des supercondensateurs

RT

CR

R_T

Circuit 1

Circuit 2 CR’

C0

RF

C_P2

RP2 R_P1 Circuit 3

C_P1

Basse fréquence Zone de transition

0.1 Hz<f<50Hz Autodécharge

¾ Paramètres du modèle ⇒ Essais expérimentaux

⇒ Réponse en fréquence

• Différentes tensions

• Différentes températures

2

T) exp(

R (1

RT = TA⋅ + −K^T⋅∆ RTA : résistance à 20°C K_T = 0,025 K^-1

Modélisation des supercondensateurs

Fin

Cahier des charges Puissance, durée

Calcul des paramètres de dimensionnement

Calcul de N_série

Choix de l’élément supercondensateur

Calcul de N_parallèle Non

Oui Equation Vérifiée ?

•P la puissance fixée par le cahier des charges.

P la puissance fixée par le cahier des charges.

∆t temps de décharge des supercondensateurs.

Umax : tension maximale du module de supercondensateurs.

Umin : tension minimale généralement Umin= Umax/2, I : courant moyen de décharge des supercondensateurs.

Ct : capacité totale du module de supercondensateurs.

R : résistance série équivalente totale des super

Ct = C ( Nsérie / Nparallèle) R = ESR ( N_série / N_parallèle)

Dimensionnement

Ct RI I t U

U

_max

−

_min

= ∆ +

Equilibrage

• Module de supercondensateurs ⇒ Nécessité d’un circuit d’équilibrage

• Déséquilibre entre les niveaux de tension des cellules ⇒ 1. Vieillissement prématuré des cellules

2. Dégradation des performances énergétiques du module 3. Risque d’ouverture des cellules si la tension est élevée

Equilibrage passif : résistance de dissipation

Equilibrage actif : circuit électronique de puissance

Système d’équilibrage sur 4 SC

Equilibrage

Le principe de ce système est de dévier une partie du courant Très bonne dynamique

Très couteux et encombrant si le courant est élevé

+

+

+

+ -

- - -

+

-

Circuit

d’équilibrage B et C Circuit

d’équilibrage A et B

Circuit

d’équilibrage D et E Circuit

d’équilibrage C et D

A

B

C

D

E

+

+

+

+ -

- - -

+

-

Circuit

d’équilibrage B et C Circuit

d’équilibrage A et B

Circuit

d’équilibrage D et E Circuit

d’équilibrage C et D

A

B

C

D

E

(b)

Circuit d ’équilibrage Actif Maxwell

Circuit d’équilibrage actif faible courant pour compenser les pertes dues au courant de fuite

Equilibrage

Récupération de l’énergie de freinage

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

⇒

• Récupération de l’énergie de freinage à l’aide des supercondensateurs Augmentation du rendement

Augmentation de l’autonomie

• Pour un cycle urbain Réduction de 20% à 30%

de la consommation

Besoin d’un convertisseur DC/DC et d’un élément dissipatif

Supercondensateurs Batterie

• Batterie remplacée par des supercaps

• 6 cellules de 2600 F

• Cequi = 433 F

• ESR = 3.6 mΩ

• Vmax = 15 V

• Poids : 3.15 kg

Démarrage d’un moteur thermique

-50 0 50 100 150 200 250 300

0 50 100 150 200

Tim e (s)

Current (A) Istart

Ialternator

-50 0 50 100 150 200 250 300

0 50 100 150 200

Tim e (s)

Current (A) Istart

Ialternator

Ultracapacitors Voltage

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ti m e(s)

Vscap(V)

Ultracapacitors Voltage

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ti m e(s)

Vscap(V)

Courant et tension lors du démarrage Tension des supercondensateurs

⇒ performances élevées mais coût élevé également

• Les supercondensateurs sont intégrés sans modification de la configuration du véhicule

• Nombre de cycle élevé comparé par rapport aux batteries

• Supercondensateurs en parallèle avec une petite batterie

Résultats expérimentaux

Data acquisition

Supercondensateurs en parallèle avec une batterie

• Récupération de l’énergie de freinage

• Batteries fournissent l’énergie

5 supercondensateurs en série Vn = 12V

C = 675 F R = 3 mΩ

Batterie 12V, 90 Ah

Moteur électrique 300 W

• Supercondensateurs fournissent les pics de puissance (accélération, démarrage …)

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Voltage (V)

Vscap(V) Vbatt (V) I moteur(A)

0 5 10 15 20

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Current (A)

Iscap (A) Ibat (A)

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Voltage (V)

Vscap(V) Vbatt (V) I moteur(A)

0 5 10 15 20

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Current (A)

Iscap (A) Ibat (A)

Tensions et courants des supercondensateurs, batterie et du moteur en fonction du temps

• Le moteur utilisé est un motoventillateur pour véhicule

• Lors du démarrage du moteur les transitoires sont absorbés par les super condensateurs

• Le courant de la batterie est faible au démarrage et dépend de l’état de charge des supercondensateurs

Résultats expérimentaux

Schéma de principe d’une alimentation électrique hybride

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

Convertisseur DC/DC

réversible

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

PàC

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

Convertisseur DC/DC

M

Supercondensateurs

Convertisseur

DC/DC réversible Convertisseur DC/AC réversible

Moteur

Batteries

Hybridation avec des batteries

• Commande + gestion de l’énergie ⇒ augmentation des performances de l’alimentation

Bobines

Batteries

• Systèmes multi-sources:

P = 2 kW / 10s

Ve

L

C

PWM1

Vsc

L

C

PWM2

Bus 42V

PWM3

CHARGE

• Systèmes multi-sources:

Ve

L

C

PWM1

Vsc

L

C

PWM2

Bus 42V

PWM3

CHARGE

Résultats expérimentaux

• Courant demandé par la charge

• Tension bus continu et tension supercondensateurs

• Courant des supercondensateurs

Eviter les variations importantes de puissances instantanées

APU

Puissances avec un facteur d’échelle

100 W 1 kW

Puissance charge (W)

Temps (s) 10 s

t0 t0+70 t0+140

300 W

Puissance PàC (W)

Pile à combustible (Puissance limitée)

Supercondensateur

Pics de puissance Régime permanent

Cahier des charges

Résultats expérimentaux

0 6 12 18 24 30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-800 -400 0 400 800

Puissance en fonction du temps Tension en fonction du temps

P (W) U(V)

Vscap

Vbus

Vpàc Pscap

Pcharge

Ppàc

Temps (s)

Temps (s)

Problème de l’optimisation et gestion d’énergie ⇒ déterminer la puissance de référence de la PàC et des super condensateurs

Convertisseur unidirectionnel dc/dc

Supercondensateurs

Pile à combustible Charge

=

=

=

=

Convertisseur bidirectionnel dc/dc

Bus continu

Psc

Pch

Ppac

sc

sc

I

dt

dQ = −

∫

=

t f

t0

pac

pac P dt

E

∫

^⎜⎜_⎝^{⎛ − + ⎟⎟}_⎠^⎞

=

tf

t0

2 sc sc sc

sc sc ch

pac I R I dt

C P Q

E

Dynamique du système:

Fonction coût à optimiser sur un cycle de fonctionnement [t₀, t_f]:

≤

≤

^{dP pac ≤}

Contraintes sur le fonctionnement de la pile

V V é é hicule pile hicule pile à à combustible combustible

Simulation sur un cycle européen NEDC

0 200 400 600 800 1000 1200

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps [s]

V [km/h]t

Vitesse (Km/h)Puissance (kW)

Profil NEDC

Gestion de l’énergie

Profil de vitesse et poids du véhicule

Puissance de la pile à combustible Puissance du dispositif de stockage

Algorithme de gestion de l’énergie

Répartition optimale des puissances à chaque instant en fonction

de l’utilisation

1000 1050 1100 1150 1200

-40 -20 0 20 40 60

Temps [s]

P [kW]

P [kW]

P [kW]

pac ch

sc

0 200 400 600 800 1000 1200

-40 -20 0 20 40 60

Temps [s]

P [kW]

P [kW]

P [kW]

pac ch

sc

Aspect thermique des supercondensateurs

Variation de la température d’un supercondensateur Environnement thermique

Contraintes électriques

Pic de courant élevé et répétitif

¾ Température élevée

⇒ Points chauds au niveau de la connectique

⇒ Vieillissement prématuré

⇒ Variation de la résistance série et de la résistance de fuite

⇒ Détérioration de l’électrolyte

¾ Mise en série parallèle des supercondens

⇒ Gestion des flux thermiques

⇒ Équilibrage

ateurs

Modèle thermique

Modèle thermique d’un supercondensateur + convection

Température de

Resistance électrique ESR = 0.47 mΩ Resistance thermique R_th= 4.5 °C/W

Capacité thermique C_th= 286 fonctionnement -40 °C, +65 °C

Gestion thermique

Modélisation d’un module

Gestion thermique

Module de supercondensateurs 4 x 5 cellules

Gestion thermique

0 200 400

-200 -100 0 100 200 300 400

600 800 1000 1200 1400

Time [s]

I

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Time [s]

Power [W]

P

Current [A]

upercondensateurs durant un cycle NEDC Courant et puissance du module de s

Pour véhicule éclectique ou hybride

0 100 200 300 400 500 600 50

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Time [min]

Temperature [°C]

Tmax Tmin

0 100 200 300 400 500 600

25 30 35 40

Time [min]

Temperature [°C]

Tmax Tmin

Température maximale et température minimale :

Convection naturelle

Température maximale et température minimale :

Convection forcée

Gestion thermique

Dans ce cas le refroidissement est nécessaire