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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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
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
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
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
Diagramme de Ragone
Introduction
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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)
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600 supercondensateurs
Poids: environ 450 kgVolume: 1900 x 950 x 455 mm
MITRAC Bombardier Transport
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Dresden depuis Septembre 2002
SITRAS® SES Siemens TS
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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
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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 ?
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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)
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
• 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. …
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
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Collecteur
SéparateurÉlectrolyte
ÉlectrodeRc Re + Ri
Rp
Cdl Cdl Rc
Collecteur
SéparateurÉlectrolyte
ÉlectrodeCollecteur
SéparateurÉlectrolyte
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…
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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
Modélisation des supercondensateurs
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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
Modélisation des supercondensateurs
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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
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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
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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
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+
+
+
+
-
-
-
-
+
-
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
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Récupération de l’énergie de freinage
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
Éléments dissipatifs
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
⇒• 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
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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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
-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
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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 …)
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Résultats expérimentaux
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Schéma de principe d’une alimentation électrique hybride
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
Convertisseur DC/DC
réversible
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
PàC
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
Convertisseur DC/DC
M
SupercondensateursConvertisseur DC/DC réversible Convertisseur
DC/AC réversibleMoteur
Batteries
Hybridation avec des batteries
• Commande + gestion de l’énergie ⇒ augmentation des performances de l’alimentation
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IGBT Supercondensateurs
Bobines
Batteries
carte de mesures et de commande
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• Systèmes multi-sources:
P = 2 kW / 10s
Ve
L
C
PWM1
Vsc
L
C
PWM2
Bus 42V
PWM3
CHARGE
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
• Systèmes multi-sources:
Ve
L
C
PWM1
Vsc
L
C
PWM2
Bus 42V
PWM3
CHARGE
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
Résultats expérimentaux
• Courant demandé par la charge
• Tension bus continu et tension supercondensateurs
• Courant des supercondensateurs
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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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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 tempsU(V)
P (W)
Vscap
Vbus
Vpàc
Pscap
Pcharge
Ppàc
Temps (s) Temps (s)
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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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
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Gestion thermique
Modélisation d’un module
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Gestion thermique
Module de supercondensateurs 4 x 5 cellules
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
Journée énergie - 15 mai 2008Micro Nano Sciences & Systèmes
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
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