caractérisation, modélisation et intégration des ... · tableau comparatif des caractéristiques...

Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes

CaractCaractéérisation, modrisation, modéélisation et intlisation et intéégration des gration des supercondensateurs dans des applications embarqusupercondensateurs dans des applications embarquééeses

Hamid Hamid GualousGualousUniversitUniversitéé de Caen de Caen -- IUT de CherbourgIUT de Cherbourg

Laboratoire LUSACLaboratoire LUSAC

h1

http://www.unicaen.fr/

http://iutcherbourgmanche.unicaen.fr/

Diapositive 1

h1 hgualous; 05/11/2002




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)

Ener

gie

mas

siqu

e (W

h/kg

)

Supercondensateurs

10h 1h0,1h

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


Ener

gie

mas

siqu

e (W

h/kg

)

Supercondensateurs

10h 1h0,1h

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


Ener

gie

mas

siqu

e (W

h/kg

)

Supercondensateurs

10h 1h0,1h

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


Ener

gie

mas

siqu

e (W

h/kg

)

Supercondensateurs

10h 1h0,1h

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

RendementCharge/Décharge

Puissance massique(W/kg)

Energie massique(Wh/kg)

Durée de vieNombre de cycle

Condensateurélectrolytique

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

103106

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

…

Régimetransitoire

Régimepermanent

Récupérationde 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

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

Weight 850 kg

Top speed 130 km/h

0-100 km/h in 12 s

Vehicle range 400 km

4 passengers car

Hy-Light (Oct 12 2004)




600 supercondensateurs

Poids: environ 450 kgVolume: 1900 x 950 x 455 mm

MITRAC Bombardier Transport




Dresden depuis Septembre 2002

SITRAS® SES Siemens TS




Tension Nominale DC 750 VSupercondensateurs 1344Energie stockée 2,3 kWhEconomies d'énergie par h 65 kWh/hPuissance max 1 MWRendement 95 %Température –20 to 40 °C

Rack composé de 42 cellules (2600F)

SITRAS® SES Siemens TS




SupercondensateurCondensateur

A > 1’000 m2 (film poreux)d ~10 ÅU 1 - 3 V, décomposition de électrolyteR 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)




Phasevapeur

État chargé État Déchargé

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

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

Stockage d’énergie électrostatique (pas de réaction chimique)

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

Supercondensateurs

Aluminium

Charbon actifSéparateur

Structure d’un supercondensateur




• Avantages des supercondensateurs

1. Densité de puissance élevée 2. Durée de vie importante (plus de 5000000 de cycles de charge/décharge3. Etat de charge facile à gérer (linéaire en fonction de la tension)4. …

• Inconvénients des super condensateurs

1. Faible densité d’énergie2. Tension maximale très faible par cellule (2,7V) pour la technologie charbon actif3. 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

Frequency (Hz)

ESR

(Ohm

)

Spectroscopie d’impédance

Résistance série en fonction de la fréquence

Caractérisation

Intégration des supercondensateurs ⇒ caractérisation + modélisation

1. Charge/décharge à courant constant2. 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

Fréquence [Hz]

Capa

cité

[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)

Cap

acité

(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

2T)exp((1R R TA

∆⋅−+⋅= TK RTA : résistance à 20°C

KT = 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]

Cap

acité

[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

[mO

hm]

1 mHz

10 mHz

100 mHz

1 Hz

10 Hz

C est non linéaire en fonction de la tension Fréquence augmente ⇒ la dépendance de C décroîtESR ne dépend pas de la tensionRésistance de fuite dépend de la tension

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




Collecteur

SéparateurÉlectrolyte

ÉlectrodeRc Re + Ri

Rp

Cdl Cdl Rc

Collecteur


ÉlectrodeCollecteur


ÉlectrodeRc Re + Ri

Rp

Cdl Cdl Rc

Modélisation des supercondensateurs

Modèle à deux branches RC Modèle basé sur la spectroscopie d’impédance (plusieurs branches RC)Modèle basé sur une ligne de transmission…




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

C1 = C0 + k V1





RT

CR

RT

Circuit 1

Circuit 2

CR’

C0RF

CP2

RP2 RP1

Circuit 3

CP1

Basse fréquenceZone de transition0.1 Hz<f<50Hz

Autodécharge

Paramètres du modèle ⇒ Essais expérimentaux⇒ Réponse en fréquence

• Différentes tensions• Différentes températures

2T)exp((1R R TAT

∆⋅−+⋅= TK

RTA : résistance à 20°C KT = 0,025 K-1





Fin

Cahier des chargesPuissance, durée

Calcul des paramètres de dimensionnement

Calcul de Nsérie

Choix de l’élément supercondensateur

Calcul de NparallèleNon

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 ( Nsérie / Nparallèle)

Dimensionnement

RICt

tIUU +∆

=− minmax

Imax = P/Umin et Imin = P/Umax, I=(Imax+Imin)/2




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




+

+

+

+

-

-

-

-

+

-

Circuitd’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

+

+

+

+

-

-

-

-

+

-

Circuitd’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 ’équilibrageActif Maxwell

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

Equilibrage




Récupération de l’énergie de freinage

M

SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur

DC/AC réversibleMoteur

Éléments dissipatifs

M



⇒• 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

Éléments dissipatifs



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

Time (s)

Cur

rent

(A)

Istart Ialternator

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200

Time (s)

Cur

rent

(A)

Istart Ialternator

Ultracapacitors Voltage

02468

10121416

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Time(s)

Vsca

p(V

)

Ultracapacitors Voltage

02468

10121416

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Time(s)

Vsca

p(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 sérieVn = 12VC = 675 FR = 3 mΩBatterie 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)

Volta

ge (V

)

Vscap(V)

Vbatt (V)

I moteur(A)

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Curr

ent (

A)

Iscap (A)

Ibat (A)

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Volta

ge (V

)

Vscap(V)

Vbatt (V)

I moteur(A)

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80 100

Time (s)

Curr

ent (

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





Schéma de principe d’une alimentation électrique hybride

M



Convertisseur DC/DC

réversible

M



PàC

M



Convertisseur DC/DC

M



Batteries

Hybridation avec des batteries

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




IGBT Supercondensateurs

Bobines

Batteries

carte de mesures et de commande




• 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





• Courant demandé par la charge

• Tension bus continu et tension supercondensateurs

• Courant des supercondensateurs




Eviter les variations importantes de puissances instantanéesau niveau de la pile à combustible

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 puissanceRégime permanent

Cahier des charges





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 tempsU(V)

P (W)

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 Idt

dQ−=

∫=ft

0tpacpac dtPE

∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

ft

0t

2scscsc

sc

scchpac dtIRI

CQPE

Dynamique du système:

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

maxpacpacminpac PPP ≤≤ acpac c

dtdP

≤

Contraintes sur le fonctionnement de la pile

VVééhicule pile hicule pile àà combustiblecombustible

et




Simulation sur un cycle européen NEDC

0 200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

120

140

Temps [s]

V [km/h]t

Vite

sse

(Km

/h)

Puis

sanc

e (k

W)

Profil NEDC

Gestion de l’énergie

Profil de vitesse et poids du véhicule

Puissance de la pile à combustiblePuissance du dispositif de stockage

Algorithme de gestion de l’énergie

Répartition optimale des puissancesà 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]

pacch

sc

0 200 400 600 800 1000 1200

-40

-20

0

20

40

60

Temps [s]

P [kW]P [kW]P [kW]

pacch

sc




Aspect thermique des supercondensateurs

Variation de la température d’un supercondensateur

Environnement thermique

Contraintes électriques

Pic de courant élevé et répétitif

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

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 Rth = 4.5 °C/W

Capacité thermique Cth = 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 1400Time [s]

I

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Time [s]

Pow

er [W

]

P

Cur

rent

[A]

upercondensateurs durant un cycle NEDCCourant et puissance du module de sPour véhicule éclectique ou hybride




0 100 200 300 400 500 60050

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Time [min]

Tem

pera

ture

[°C

]

TmaxTmin

0 100 200 300 400 500 60025

30

35

40

Time [min]

Tem

pera

ture

[°C

]

TmaxTmin

Température maximale et température minimale :

Convection naturelle

Température maximale et température minimale :

Convection forcée

Gestion thermique

Dans ce cas le refroidissement est nécessaire




Merci de votre attention

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