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RÉSUMÉ
L'objectif de ce texte est de présenter les nouvelles perpectives introduites par le développement des supercondensateurs. Parmi celles-ci sont à noter les divers modes de charge, les architectures autour du hacheur à accumulation capacitive ou encore les montages permettant une capacité par commande linéaire. Une première application est le stockage de l'énergie des sources renouvelables, une autre est l'asservissement d'un système fournissant de la puissance réactive. On retrouve le supercondensateur notamment dans le freinage d'une bicyclette électrique. Enfin, pour clôturer l’article, une étude économique est proposée.
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Michel PINARD : Normalien - Professeur agrégé hors classe - Professeur au Conservatoire national des arts et métiers et à l'ESIEE
INTRODUCTION
Stocker durablement ou non de l'énergie électrique consiste bien souvent à l'emmagasiner sous forme électromagnétique ou électrostatique, car c'est le moyen physique généralement le plus simple. On souhaite récupérer aisément cette énergie, avec le minimum de pertes, et dans un intervalle de temps très court.
L'arrivée des supercondensateurs de capacité largement supérieure à 1 000 F offre à l'ingénieur des perspectives nouvelles, en particulier la possibilité de stocker une énergie importante par élément. Ainsi, un supercondensateur de capacité égale à 1 000 F soumis à une tension d'environ 2,5 V peut emmagasiner une énergie supérieure à 3000 J ; et dans un cycle charge-décharge de période 10 s, la puissance mise en jeu est de l'ordre du kilowatt, ce qui est loin d'être négligeable en Électronique de puissance pour un seul élément de stockage.
À titre de comparaison, il faudrait utiliser une bobine d'inductance 0,1 H traversée par un courant d'environ 250 A pour stocker la même énergie. Le volume et la masse de ce composant seraient alors beaucoup plus importants que ceux du supercondensateur, à énergie emmagasinée équivalente.
Que faire de cette énergie ? En la récupérant facilement, et surtout rapidement, on facilite les échanges de puissance dans les convertisseurs, à condition d'adapter leur architecture.
En la stockant durablement, on dispose d'une réserve de secours ou d'appoint d'autant plus intéressante, que l'autodécharge des supercondensateurs est faible.
Le but de ce dossier est de présenter quelques perspectives envisageables d'utilisation des supercondensateurs, en partant de leurs caractéristiques actuelles, en 2012.
Pour optimiser les cycles charge – décharge, et donc pour exploiter au mieux l'importante énergie stockée, il faut que l'environnement d'une batterie de supercondensateurs soit adapté aux performances de ses composants. On se base sur les caractéristiques fournies par le constructeur. Cette optimisation est aujourd'hui possible en utilisant des convertisseurs de puissance adéquats, équipés de diodes, et surtout de transistors MOSFET ou IGBT.
En définitive, le supercondensateur trouve toute sa place dans de nombreux systèmes automatisés. Des exemples caractéristiques sont présentés.
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MOTS-CLÉS
Supercondenateurs Transport Energies renouvelables Bicyclette électrique Electronique de puissance
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Insertion d'un supercondensateur dans un système complexeArticle inclus dans l'offre
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4. Charge capacitive variable en utilisant des supercondensateurs
4.1 Condensateur équivalent en régime de courant continu ou lentement variable autour d'un point de fonctionnement
4.1.1 Simulation sur un exemple
Considérons encore le condensateur 1 000 F–2,8 V de la société LS.
On utilise un seul condensateur. La fréquence de découpage est f = 100 Hz, car on a vu que ce type de condensateur n'a pas un comportement très performant pour des fréquences plus élevées.
Pour obtenir un bon fonctionnement, il est nécessaire de prévoir un transistor MOSFET de très faible valeur de R DS_ON . On a choisi le transistor IRFS3004-7PPBf de chez International Rectifier. Ce transistor supporte un courant direct de 400 A, une tension à l'état bloqué de 40 V et sa résistance à l'état passant vaut R DS_ON = 0,9 mΩ.
Le deuxième transistor ne sert pas, mais la diode en inverse sert parfois si le montage est légèrement inductif.
L'ondulation prévue est de fréquence 10 Hz. Le rapport fréquence hacheur/fréquence ondulation est donc de 10, ce qui est suffisant pour obtenir un bon fonctionnement comme le montre la simulation la figure 13 b . On constate que la tension U c (t ) aux bornes des deux condensateurs monte « lentement ». Le réglage de la valeur efficace du courant I c et donc du condensateur équivalent se fait par le rapport cyclique du hacheur série. Ce condensateur équivalent peut être considéré en alternatif sinusoïdal à la fréquence 10 Hz.
Le résultat de la simulation de la figure 13 a est présenté à la figure 13 b . Dans ce cas, le courant est important mais on constate une augmentation de la tension U c . Ce montage et la simulation correspondante permettent d'expliquer les résultats expérimentaux indiqués figure 14.
Considérons maintenant le cas de la figure 13 c . Au lieu de placer une composante continue de 9 V comme indiqué à...
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Charge capacitive variable en utilisant des supercondensateurs
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AZAN (J.-L.) - Précis d'électronique. - Éditions Breal (1998).
-
(2) - JENKINS (N.) - Électrotechnique des énergies renouvelables et de la Cogénération (en traduction française). - Éditions Dunod (2008).
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(3) - GUALOUS (H.), BOUQUAIN (D.), BERTHON (A.), KAUFFMANN (J.M.) - Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature. - Journal of Power sources, no 123, p. 86-93 (2003).
-
(4) - BULLARD (G.L.), SIERRA-ALCAZAR (H.B.), LEE (H.L.), MORRIS (J.L.) - Operating principles of the ultracapacitor. - IEEE Transactions On Magnetics, vol. 25, no 1, janv. 1989.
-
(5) - PINARD (M.) - Convertisseurs et électronique de puissance. - Éditions Dunod (2007).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
PSIM logiciel de simulation de systèmes de puissance http://www.powersimtech.com
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs (liste non exhaustive)
SEMIKRON http://www.semikron.com
MAXWELL http://www.maxwell.com
LS UC http://[email protected]
CREE http://www.cree.com/power
INTERNATIONAL RECTIFIER http://www.irf.com
FAIRCHILD http://www.fairchildsemi.com
UWE http://www.uweelectronic.de/fr/gestion-de-temperature/modules-peltier.html
ANALOG DEVICES http://www.analog.com/en/index.html
Capteur puissance réactive
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