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Je tiens tout d'abord ă edžprimer toute ma gratitude ă mon directeur de thğse, le professeur
sujet de thğse, tout en me laissant une grande libertĠ et en me faisant l'honneur de me déléguer plusieurs responsabilités.Mes remerciements intenses vont également à mon co-encadrant de thèse, le docteur
J'edžprime ma ǀiǀe reconnaissance au Professeur Brayima DAKYO et au professeur StéphaneRAEL, que je remercie infiniment pour aǀoir acceptĠ de rapporter et d'edžaminer ce traǀail de
thèse. J'adresse mes profonds remerciements au professeur Rachid OUTBIB pour avoir accepté deprésider mon jury de thèse et au docteur Roland GALLAY, pour avoir fait l'honneur de
participer à ma soutenance. Je tiens à exprimer ma sympathie à tous les membres du laboratoire FC-LAB, pour leurs encouragements et pour leurs amitiés, qui ont rendu mon travail plus facile et plus agréable.Je vous en remercie tous !
Jamais je ne remercierai assez mon Ġpouse Arzu K7L74 deǀenue AL474EK il y 13 ans, qui estma moitié, ma vie, celle qui a donné naissance à nos trois filles Sinem (12ans), Melis (9ans),
et birin (5ans). Elles sont la prunelle de mes yeux !!! Mon épouse a été le commencement de notre réussite, elle m'a apportĠ rigueur et m'a soutenu dans nos moments les plus difficiles, m'aime comme je l'aime !!! et ce, sans en attendre un retour.J'espğre avoir à mon tour inspiré, motivé et encouragé, da ns mes fonctions d'oncle, mes 11
nièces et 9 neveux à travers ma soutenance de thèse qui restera un moment inoubliable de ma vie. Je finirais par dédicacer ce titre de docteur à mon père qui attendait ce moment depuis mon plus jeune âge et à ma mère qui est la plus magnifique en tous sens du terme.Pour l'humanitĠ,
SCIENCE SANS CONSCIENCE N'EST YUE RUINE DE L'ME,
François RABELAIS
FRQPULNXPLRQ j O·pPXGH GX YLHLOOLVVHPHQP HP j O·LQPpJUMPLRQ GHV VXSHUŃRQGHQVMPHXUV GMQV XQH CPE haute tension pour des applications véhicule électrique
1 Contribution ă l'Ġtude du ǀieillissement et ă l'intĠgration des supercondensateurs dans une chaîne de propulsion électrique (CPE) haute tension pour des applications véhicule électriqueListe des figures .............................................................................................. 5
Liste des tableaux .......................................................................................... 10
Introduction générale .................................................................................... 12
Chapitre I : Généralités sur les supercondensateurs ..................................... 16
I.Introduction ............................................................................................ 17
I.1. Technologies et structures des supercondensateurs ............................................................ 21
I.2. Les constituants du supercondensateur ............................................................................... 24
I.2.1. Les électrodes ................................................................................................................ 24
I.2.1.1. Présentation des technologies .................................................................................. 24
I.2.1.2. Technologies de fabrication ...................................................................................... 24
I.2.1.3. L'aǀantage du charbon actif ...................................................................................... 25
I.2.2. Les électrolytes .............................................................................................................. 26
I.2.2.1. Présentation des familles .......................................................................................... 26
I.2.2.2. Présentations et explications des paramètres physiques ......................................... 26
I.2.2.2.1. Les solutions et les solvants ................................................................................ 26
I.2.2.2.2. Variation de la conductivité ionique ................................................................... 27
I.2.2.2.3. Potentiel de l'Ġlectrolyte ..................................................................................... 29
I.2.2.2.4. Interface électrode électrolyte............................................................................ 29
I.2.3. Les séparateurs .............................................................................................................. 30
I.3. Commercialisation des supercondensateurs ........................................................................ 33
I.3.1. Exemples de produits commercialisés par la société Maxwell Technologies ............... 35
FRQPULNXPLRQ j O·pPXGH GX YLHLOOLVVHPHQP HP j O·LQPpJUMPLRQ GHV VXSHUŃRQGHQVMPHXUV GMQV XQH CPE haute tension pour des applications véhicule électrique
2I.4. Modélisation et identification des paramètres des supercondensateurs ............................ 37
I.4.1. Modèle de base RC ........................................................................................................ 37
I.4.2. Modèle à deux branches de Zubieta ............................................................................. 38
I.4.2.1. Détermination des paramètres du modèle ............................................................... 41
I.4.2.1.1. Paramètres de la branche principale .................................................................. 41
I.4.2.1.2. Paramètres de la branche lente .......................................................................... 42
I.4.2.2. Limites du modèle à deux branches .......................................................................... 44
I.4.3. Modèles tenant compte du comportement en fréquence en fonction de la nature despores des électrodes ..................................................................................................................... 45
I.4.4. Modèle à constantes réparties de Belhachemi ............................................................. 46
I.4.5. Modèle fréquentiel de Buller ........................................................................................ 47
I.5. Généralités sur le vieillissement des supercondensateurs ................................................... 50
Chapitre II : Contribution à la caractérisation des supercondensateurs en vue de leur intégration dans des applications embarquées .................................. 52 II.Introduction : .......................................................................................... 53
II.1. Méthodes de mesure de ESR et de la capacité des supercondensateurs ............................. 55
II.1.1. Mesure en mode DC ...................................................................................................... 55
II.1.1.1. Présentation des différentes méthodes utilisées ...................................................... 55
II.1.1.1.1. Méthode I ............................................................................................................ 55
II.1.1.1.2. Méthode II ........................................................................................................... 56
II.1.1.1.3. Méthode III .......................................................................................................... 58
II.1.1.2. PrĠsentation du banc d'essai et de l'interface Labǀiew. ........................................... 59
II.1.1.3. Résultats et validations expérimentaux .................................................................... 60
II.1.1.3.1. Mesure de la capacité ......................................................................................... 64
II.1.1.3.2. Mesure de ESR ..................................................................................................... 66
II.1.1.4. Analyse et interprétation physique de la caractérisation en mode DC .................... 69
II.1.1.4.1. Capacité équivalente en mode DC ...................................................................... 69
II.1.1.4.2. Résistance série équivalente en mode DC .......................................................... 70
II.1.1.4.3. Influence du temps d'attente sur la mĠthode II ................................................. 70
II.1.1.4.4. Conclusion ........................................................................................................... 71
II.1.2. Mode de mesure AC par spectroscopie d'impĠdance (EIS) .......................................... 72
II.1.2.1. Présentation du banc de mesure EIS ......................................................................... 74
II.1.2.2. Résultats et validations expérimentaux .................................................................... 76
II.1.2.2.1. Mesure de la capacité ......................................................................................... 79
FRQPULNXPLRQ j O·pPXGH GX YLHLOOLVVHPHQP HP j O·LQPpJUMPLRQ GHV VXSHUŃRQGHQVMPHXUV GMQV XQH CPE haute tension pour des applications véhicule électrique
3II.1.2.2.2. Mesure de ESR ..................................................................................................... 82
II.1.2.3. Analyse et interprétation physique de la caractérisation en mode AC ..................... 87
II.2. Comparaison des modes DC et AC ........................................................................................ 89
II.3. Caractérisation énergétique et thermique 91II.3.1. Modèle Puissance .......................................................................................................... 91
II.3.2. Modèle thermique ........................................................................................................ 93
II.4. Réversibilité des supercondensateurs................................................................................... 97
II.5. Conclusion ........................................................................................................................... 102
Chapitre III : Étude du vieillissement accéléré des supercondensateurs ...... 103 III.Introduction .......................................................................................... 104
III.1. Vieillissement en floating .................................................................................................... 106
III.1.1. Principe ........................................................................................................................ 106
III.1.2. Protocole de vieillissement ......................................................................................... 106
III.1.3. Résultats et Analyses ................................................................................................... 107
III.1.3.1. Vieillissement en floating à tension nominale 2,7V ................................................ 107
III.1.3.1.1. Loi Arrhenius ..................................................................................................... 111
III.1.3.1.2. Estimation de la durée de vie ............................................................................ 114
III.1.3.2. Vieillissement en floating à 2,3V ............................................................................. 115
III.1.3.2.1. Estimation de la durĠe de ǀie par la loi d'Arrhenius ă 2,3V .............................. 116
III.1.3.3. Vieillissement en floating à 1,9V ............................................................................. 118
III.1.3.3.1. Estimation de la durĠe de ǀie par la loi d'Arrhenius ă 1,9V .............................. 119
III.1.4. Récapitulatif des durées de vie ................................................................................... 119
III.2. Vieillissement en cyclage ..................................................................................................... 123
III.2.1. Principe et choix du courant de cyclage ...................................................................... 123
III.2.2. Protocole de vieillissement ......................................................................................... 124
III.2.3. Résultats et Analyses ................................................................................................... 125
III.2.3.1. Résultats des essais AC ............................................................................................ 125
III.2.3.2. Résultat en essai DC ................................................................................................ 130
III.2.3.2.1. Mesure par le protocole de la méthode I ......................................................... 130
III.2.3.2.2. Mesure par le protocole de la méthode II (BMW) ............................................ 131
III.2.3.3. Comparaison des mesures du mode AC et du mode DC ......................................... 133
III.2.3.4. Essai à puissance constante .................................................................................... 135
III.3. Conclusion ........................................................................................................................... 137
FRQPULNXPLRQ j O·pPXGH GX YLHLOOLVVHPHQP HP j O·LQPpJUMPLRQ GHV VXSHUŃRQGHQVMPHXUV GMQV XQH CPE haute tension pour des applications véhicule électrique
4 Chapitre IV : Apport des supercondensateurs associés aux batteries dans une chaîne de propulsion électrique (CPE) haute tension ................................... 138IV. Introduction .......................................................................................... 139
IV.1. Topologies d'association des supercondensateurs aǀec des batteries dans une CPE ........ 140
IV.1.1. Association via des convertisseurs .............................................................................. 140
IV.1.2. Association directe ...................................................................................................... 142
IV.2. Modèle de batteries et de supercondensateurs pour simuler la CPE ................................. 143
IV.1.3. Principe et enjeu .......................................................................................................... 143
IV.1.4. Modèle de batteries .................................................................................................... 143
IV.1.5. Modèle de supercondensateurs .................................................................................. 145
IV.1.6. Description de la chaîne de propulsion du véhicule électrique .................................. 146
IV.1.7. Caractéristiques des éléments de la CPE ..................................................................... 147
IV.1.8. Essais, analyse et validation des performances de la CPE ........................................... 149
IV.1.8.2. Essais de mise en Ġǀidence de l'apport des supercondensateurs .......................... 150
IV.1.8.3. Comportement de l'unitĠ de stockage de la CPE en simulation ............................. 153
IV.2. Conclusion ........................................................................................................................... 155
Conclusion générale .................................................................................... 156
BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................... 161
Liste des figures 5
LISTE DES FIGURES
FIGURE 1 : DIAGRAMME DE RAGONE (GUALOUS, ET AL., 2003) ...................................................................................... 19
FIGURE 2 : STRUCTURE D'UN SUPERCONDENSATEUR (GUALOUS, ET AL., 2004) .................................................................. 23
FIGURE 3 : STRUCTURE MICROSCOPIQUE D'UNE ÉLECTRODE AU CHARBON ACTIF (POROSITÉ DE TYPE CYLINDRIQUE) ...................... 25
FIGURE 4 : STRUCTURE MICROSCOPIQUE D'UNE ÉLECTRODE EN TISSU ACTIVÉ ........................................................................ 25
FIGURE 5 : CONDUCTIVITÉ SPÉCIFIQUE DES ÉLECTROLYTES DE SÉRIE 400 ET 500 EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE (KOCH, 2004) 28
FIGURE 6 : CONDUCTIVITÉ À 25°C DE L'ÉLECTROLYTE NET4CF3SO3 DANS L'ACÉTONITRILE POUR DIFFÉRENTES CONCENTRATIONS EN
SEL. ................................................................................................................................................................ 28
FIGURE 7 : VOLTAMPÉROGRAMME D'UNE ÉLECTRODE DE PLATINE DANS L'ÉLECTROLYTE NET4CF3SO3 1M DANS CH3CN. ............. 29
FIGURE 8 : INFLUENCE DE L'ÉPAISSEUR DU SÉPARATEUR (PAPIER POREUX & PPE) SUR LA RÉSISTANCE SÉRIELLE DE LA CELLULE. ........ 32
FIGURE 9 : BOITIERS DES DIFFÉRENTES GAMMES FABRIQUÉES PAR MAXWELL ......................................................................... 35
FIGURE 10 : MODÈLE DE BASE DE SUPERCONDENSATEUR - PROFIL DE DÉCHARGE À COURANT CONSTANT ................................... 38
FIGURE 11 : MODÈLE ÉLECTRIQUE DES SUPERCONDENSATEURS ........................................................................................... 39
FIGURE 12 : EVOLUTION DE LA TENSION DE LA CELLULE BCAP0010-2600F "COURANT DE CHARGE 100A" ............................... 40
FIGURE 13 : CAPACITÉ EN FONCTION DE LA TENSION DE CHARGE POUR LES CELLULES DE 650F, 1500F ET2600F ......................... 40
FIGURE 14 : EVOLUTION DE LA TENSION DE LA CELLULE BCAP0010-2600F "COURANT DE CHARGE 100A" ............................... 43
FIGURE 15 : REPRÉSENTATION POREUSE D'ÉLECTRODE COMME LIGNE DE TRANSMISSION DE CINQ ÉLÉMENTS (KÖTZ, ET AL., 1999) 45
FIGURE 16 : CIRCUIT DU MODÈLE À LIGNE DE TRANSMISSION REPRÉSENTANT LE PHÉNOMÈNE DE REDISTRIBUTION DES CHARGES ...... 46
FIGURE 17 : CIRCUIT DE BASE DU MODÈLE FRÉQUENTIEL .................................................................................................... 48
FIGURE 18 : APPROXIMATION DE L'IMPÉDANCE DE L'ÉLECTRODE POREUSE À L'AIDE DU SCHÉMA ÉQUIVALENT (LE NOMBRE DE
PARAMÈTRE SE RÉDUIT À 2) ................................................................................................................................. 48
FIGURE 19: PHOTOGRAPHIE AFM DU CHARBON ACTIF VIEILLI COMPARÉ À L'INITIAL ................................................................ 50
FIGURE 20: DISTRIBUTION DES MICROPORES SUR LE CHARBON ACTIF .................................................................................... 51
FIGURE 21: SCHÉMA DE PRINCIPE D'IDENTIFICATION DES PARAMÈTRES EN UTILISANT LA MÉTHODE I. .......................................... 56
FIGURE 22: SCHÉMA DE PRINCIPE D'IDENTIFICATION DES PARAMÈTRES SELON MÉTHODE II. ..................................................... 57
FIGURE 23: SCHÉMA DE PRINCIPE D'IDENTIFICATION DES PARAMÈTRES SELON MÉTHODE III. .................................................... 59
FIGURE 24: SCHÉMA DU BANC D'ESSAI. .......................................................................................................................... 60
Liste des figures 6
FIGURE 25 : ESSAI SUIVANT LA MÉTHODE I SUR UNE CELLULE DE 310F ET DE 1500F .............................................................. 60
FIGURE 26 : ESSAI SUIVANT LA MÉTHODE II SUR UNE CELLULE DE 310F ET DE 1500F ............................................................. 61
FIGURE 27 : ESSAI SUIVANT LA MÉTHODE III SUR UNE CELLULE DE 310F ET DE 1500F ............................................................ 61
FIGURE 28: CAPACITÉ DES DIFFÉRENTES MÉTHODES OBTENUES EN FONCTION DU COURANT POUR UNE CELLULE DE 310F. .............. 62
FIGURE 29: RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE DES DIFFÉRENTES MÉTHODES OBTENUES EN FONCTION DU COURANT POUR UNE CELLULE
DE 310F. ......................................................................................................................................................... 62
FIGURE 30: CAPACITÉ DES DIFFÉRENTES MÉTHODES OBTENUES EN FONCTION DU COURANT POUR UNE CELLULE DE 1500F. ............ 63
FIGURE 31: RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE DES DIFFÉRENTES MÉTHODES OBTENUES EN FONCTION DU COURANT POUR UNE CELLULE
DE 1500F. ....................................................................................................................................................... 64
FIGURE 32 : GRAPHE DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE POUR PLUSIEURS SUPERCONDENSATEURS EN FONCTION DU COURANT ET POUR LES
MÉTHODES
I ET II ............................................................................................................................................... 65
FIGURE 33 : TRACÉ DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE CALCULÉE AVEC LA MÉTHODE I EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR UNE
CELLULE DE
2600F............................................................................................................................................ 66
FIGURE 34 : VARIATION DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS AVEC LES MÉTHODES I, II ET
III................................................................................................................................................................... 67
FIGURE 35 : TRACÉ DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE CALCULÉE AVEC LA MÉTHODE I EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR
UNE CELLULE DE
2600F...................................................................................................................................... 68
FIGURE 36 : PROTOCOLE DE MESURE POUR LES ESSAIS SUIVANT MÉTHODE II EN FONCTION DU TEMPS D'ATTENTE VARIABLE ........... 71
FIGURE 37 : MESURES DE C ET DE ESR POUR DIFFÉRENTS TEMPS D'ATTENTE. ........................................................................ 71
FIGURE 38: PHOTOGRAPHIE DE LA SPECTROSCOPIE D'IMPÉDANCE ....................................................................................... 75
FIGURE 39 : PHOTOGRAPHIE REGROUPANT LES CONNECTIQUES DE MESURE EN QUADRATURE DE LA PUISSANCE. ........................... 76
FIGURE 40 : TRACÉ DE NYQUIST POUR UNE CELLULE DE 310F ............................................................................................ 77
FIGURE 41: ESR ET C EN FONCTION DE LA FRÉQUENCE POUR UNE CELLULE DE 310F. .............................................................. 78
FIGURE 42: ESR ET C EN FONCTION DE LA FRÉQUENCE POUR UNE CELLULE DE 1500F. ............................................................ 79
FIGURE 43 : TRACÉ DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MESURÉE À TENSION NOMINALE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS POUR
UNE PLAGE DE FRÉQUENCE ALLANT DE 10MHZ À 10 HZ ........................................................................................... 79
FIGURE 44 : TRACÉ DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS EN FONCTION DE LA TENSION
POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ.......................................................................................................................... 80
FIGURE 45 : TRACÉ DE CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR UNE CELLULE DE 2600F EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LA
FRÉQUENCE DE 10 MHZ ...................................................................................................................................... 82
Liste des figures 7
FIGURE 46 : TRACÉ DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE MESURÉE À TENSION NOMINALE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS
POUR UNE PLAGE DE FRÉQUENCE ALLANT DE 10MHZ À 10 KHZ ................................................................................. 83
FIGURE 47 : TRACÉ DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS EN FONCTION DE LA
TENSION POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ ............................................................................................................. 85
FIGURE 48 : TRACÉ DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR UNE CELLULE DE 2600F EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE
POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ.......................................................................................................................... 86
FIGURE 49 : MODÈLE RC D'UN SUPERCONDENSATEUR ...................................................................................................... 91
FIGURE 50 : COMPARAISON DU CALCUL THÉORIQUE ET EXPÉRIMENTAL POUR UNE DÉCHARGE À PUISSANCE CONSTANTE ................. 93
FIGURE 51 : VARIATION DE LA TEMPÉRATURE EN FONCTION DU TEMPS POUR UN ESSAI DE CHARGE DÉCHARGE À COURANT CONSTANT
DE 200MA/F SUR UNE CELLULE DE 310F. ............................................................................................................. 94
FIGURE 52 : ZOOM SUR LA VARIATION DE LA TEMPÉRATURE EN FONCTION DU TEMPS POUR UN ESSAI DE CHARGE DÉCHARGE À
COURANT CONSTANT DE 200MA/F SUR UNE CELLULE DE 310F .................................................................................. 95
FIGURE 53: C SUR UNE PLAGE DE TENSION POUR DIVERSES FRÉQUENCES POUR UNE CELLULE DE 310F ET 1500F ......................... 97
FIGURE 54: C SUR UNE PLAGE DE TENSION POUR DIVERSES FRÉQUENCES POUR UNE CELLULE DE 310F ET 1500F ......................... 98
FIGURE 55 : TRACÉ DE BODE ET DE NYQUIST DE LA CELLULE DE 2600F POUR UNE TENSION NOMINALE DE 2,7V ET -2,7V EN MODE AC
...................................................................................................................................................................... 98
FIGURE 56 : TRACÉ DE BODE ET DE NYQUIST DE LA CELLULE DE 1500F POUR UNE TENSION NOMINALE DE 2,7V ET -2,7V EN MODE AC
...................................................................................................................................................................... 99
FIGURE 57 : REPRÉSENTATION DE LA SURFACE DE CONTACT ENTRE L'ÉLECTRODE ET L'ÉLECTROLYTE. ......................................... 100
FIGURE 58 : PROTOCOLE DE MESURE POUR LE VIEILLISSEMENT ACCÉLÉRÉ EN FLOATING .......................................................... 107
FIGURE 59 : DIAGRAMME DE NYQUIST POUR UN VIEILLISSEMENT D'UNE CELLULE DE 2600F À 65°C ET À 2,7V ......................... 108
FIGURE 60 : DIAGRAMME DE NYQUIST POUR UN VIEILLISSEMENT D'UNE CELLULE DE 2600F À 70°C ET À 2,7V ......................... 108
FIGURE 61 : VARIATION DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE DES SUPERCONDENSATEURS VIEILLIS À 2,7V (ESSAI AC À 10MHZ) ........... 109
FIGURE 62 : VARIATION DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE DES SUPERCONDENSATEURS VIEILLIS À 2,7V (ESSAI AC À 1KHZ) .... 110
FIGURE 63 : PHOTOGRAPHIE DE LA SORTIE DU SEL PAR LA BORNE POSITIVE DU SUPERCONDENSATEUR LORS D'UN VIEILLISSEMENT À
70°C ............................................................................................................................................................ 110
FIGURE 64 : CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MOYENNE VIEILLI À 2,7V À LA TEMPÉRATURE DE 65°C ET 70°C ET OBTENU POUR UNE
FRÉQUENCE DE 10MHZ .................................................................................................................................... 113
FIGURE 65 : DURÉE DE VIE D'UNE CELLULE DE 2600F POUR UN VIEILLISSEMENT À 2,7V EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE ......... 114
FIGURE 66 : VARIATION DE CÉQUI POUR LA CELLULE N°1 À 10 MHZ .................................................................................. 116
Liste des figures 8
FIGURE 67 : DURÉE DE VIE D'UNE CELLULE DE 2600F POUR UN VIEILLISSEMENT À 2,3V EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE ......... 117
FIGURE 68 : VARIATION DE CÉQUI POUR LA CELLULE N°7 DE 2600F À 10 MHZ ................................................................... 118
FIGURE 69 : DURÉE DE VIE D'UNE CELLULE DE 2600F POUR UN VIEILLISSEMENT À 1,9V EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE ......... 119
FIGURE 70 : RÉCAPITULATIF DE L'ESTIMATION DE LA DURÉE DE VIE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LES TENSIONS DE 2,7V,
2,3VET 1,9V DE LA CELLULE DE 2600F .............................................................................................................. 120
FIGURE 71 : RÉCAPITULATIF DE L'ESTIMATION DE LA DURÉE DE VIE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LES TENSIONS DE 2,3V ET
1,9VDE LA CELLULE DE
310F............................................................................................................................ 120
FIGURE 72 : RÉCAPITULATIF DE L'ESTIMATION DE LA DURÉE DE VIE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LES TENSIONS DE 2,3V ET
1,9VDE LA CELLULE DE
120F............................................................................................................................ 121
FIGURE 73 : RÉCAPITULATIF DE L'ESTIMATION DE LA DURÉE DE VIE NORMALISÉE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LES TENSIONS
DE 2,3V ET 1,9V POUR LES CELLULES DE 2600F, 310F, 120F ................................................................................ 122
FIGURE 74 : RÉCAPITULATIF DE LA DURÉE DE VIE MOYENNE NORMALISÉE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR LES TENSIONS DE
2,3VET DE 1,9V ............................................................................................................................................ 122
FIGURE 75 : ESSAI THERMIQUE EN CYCLAGE À COURANT CONSTANT DE 62A POUR UNE CELLULE DE 310F ENTRE VNOM ET VNOM/2
.................................................................................................................................................................... 123
FIGURE 76 : PROTOCOLE DE MESURE DU VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE ................................................................................ 124
FIGURE 77 : DIAGRAMME DE NYQUIST POUR LE VIEILLISSEMENT PAR CYCLAGE D'UNE CELLULE DE 310F ................................... 126
FIGURE 78 : PRINCIPE DE DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES DU MODÈLE ÉLECTRIQUE (HAMMAR, 2006) ............................. 127
FIGURE 79 : DIAGRAMME DE NYQUIST ZOOMÉ SUR RS ET REL/3 ...................................................................................... 127
FIGURE 80 : VARIATION DE CÉQUI, ESR SUIVANT LE VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE MESURÉ EN MODE AC ................................... 128
FIGURE 81 : VARIATION DE CÉQUI POUR UNE CELLULE DE 310F VIEILLI EN CYCLAGE .............................................................. 130
FIGURE 82 : COURBES DE CCH ET ESRMAXWELL POUR UN VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE D'UNE CELLULE DE 310F ............................. 131
FIGURE 83 : COURBES DE CDÉCH ET ESRBMW POUR UN VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE D'UNE CELLULE DE 310F ............................... 132
FIGURE 84 : COMPARAISON DES MESURES DE C OBTENU LORS DU PROTOCOLE DE VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE .......................... 133
FIGURE 85 : COMPARAISON DES MESURES DE ESR OBTENUES LORS DU PROTOCOLE DE VIEILLISSEMENT EN CYCLAGE ................... 134
FIGURE 86 : RELEVÉS DES COURBES DE PUISSANCE EN FONCTION DU CYCLAGE POUR LES TENSIONS ALLANT DE 2,5V À 1V ............ 135
FIGURE 87 : TEMPS DE DÉCHARGE À PUISSANCE CONSTANTE ENTRE VMAX ET VMAX/2 ......................................................... 136
FIGURE 88 : ASSOCIATION BATTERIES/SUPERCONDENSATEURS AVEC DEUX CONVERTISSEURS DC-DC ....................................... 140
FIGURE 89 : ASSOCIATION BATTERIES ET SUPERCONDENSATEURS AVEC CONVERTISSEUR DC-DC .............................................. 141
Liste des figures 9
FIGURE 90 : ASSOCIATION SUPERCONDENSATEURS ET BATTERIES AVEC CONVERTISSEUR DC-DC .............................................. 141
FIGURE 91 : ASSOCIATION BATTERIES ET SUPERCONDENSATEURS SANS CONVERTISSEUR ......................................................... 142
FIGURE 92 : MODÈLE DE SIMULATION DE L'ÉLÉMENT DE STOCKAGE ................................................................................... 143
FIGURE 93 : MODÈLE SIMULINK DE LA BATTERIE ............................................................................................................ 143
FIGURE 94 : COURBE DE DÉCHARGE DU FABRICANT DE LA CELLULE LFP SP-60AHA .............................................................. 144
FIGURE 95 : COURBES DE DÉCHARGE DU MODÈLE " SIMPOWERSYSTEM » DE LA CELLULE LFP SP-60AHA ................................ 145
FIGURE 96 : MODÈLE SIMULINK DU SUPERCONDENSATEUR .............................................................................................. 145
FIGURE 97 : LOOKUP TABLE DE LA CAPACITÉ DU PACK EN FONCTION SA TENSION PACK ........................................................... 145
FIGURE 98 : MODÈLE SIMULINK DE LA CAPACITÉ VARIABLE............................................................................................... 146
FIGURE 99 : PLATEFORME D'ESSAI BATTERIES-SUPERCONDENSATEURS ............................................................................... 146
FIGURE 100 : PLATEFORME D'ESSAI BATTERIES-SUPERCONDENSATEURS ............................................................................. 147
FIGURE 101 : CARACTÉRISTIQUES COUPLE/VITESSE ET FEM/VITESSE DU MSAP.................................................................... 148
FIGURE 102 : PRINCIPE DE VALIDATION DE LA CARTE D'ACQUISITION .................................................................................. 149
FIGURE 103 : RÉSULTATS DE VALIDATION DE LA CARTE D'ACQUISITION ............................................................................... 150
FIGURE 104 : SCHÉMA DE PRINCIPE DU BANC DE TEST ..................................................................................................... 150
FIGURE 105 : PROFIL DE CHARGE ................................................................................................................................ 151
FIGURE 106 : PROFIL DE ROULAGE 1 AVEC LE PACK DE BATTERIES (ESSAI1) .......................................................................... 152
FIGURE 107 : PROFIL DE ROULAGE 1 AVEC LES PACKS DE BATTERIES ET DE SUPERCONDENSATEURS (ESSAI2)............................... 152
FIGURE 108 : PROFIL DE ROULAGE 2 AVEC LES PACKS DE BATTERIES ET DE SUPERCONDENSATEURS (ESSAI3)............................... 153
FIGURE 109 : PROFIL DE ROULAGE 1 (ESSAI2) RÉSULTATS DES SIMULATIONS ....................................................................... 154
FIGURE 110 : PROFIL DE ROULAGE 1 (ESSAI2) RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ......................................................................... 154
Liste des tableaux 10
LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 1 : COMPARAISON ENTRE QUELQUES ÉLÉMENTS DE STOCKAGE DE L'ÉNERGIE (GUALOUS, ET AL., 2004) ...................... 18
TABLEAU 2 : CONDUCTIVITÉ D'ÉLECTROLYTES ORGANIQUES (1MOL.L-1, À 25°C) EN MS/CM ................................................... 27
TABLEAU 3 : L'ÉLECTRODE " A » A DES PORES PLUS GRANDS QUE L'ÉLECTRODE " B » ............................................................. 30
TABLEAU 4 : FABRICANTS DE SUPERCONDENSATEURS ACTUELS ............................................................................................ 34
TABLEAU 5 : PRODUITS COMMERCIALISÉS PAR MAXWELL EN 2012 ..................................................................................... 36
TABLEAU 6: TABLEAU DES VALEURS ET DES ERREURS RELATIVES DE C ET ESR POUR LA CELLULE DE 310F. .................................... 61
TABLEAU 7: TABLEAU DES VALEURS ET DES ERREURS RELATIVES DE C ET ESR POUR LA CELLULE DE 1500F. .................................. 63
TABLEAU 8 : VARIATION DE LA CAPACITÉ POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS AVEC LES MÉTHODES I & II ............................ 64
TABLEAU 9 : VARIATION DE LA CAPACITÉ CALCULÉ AVEC LA MÉTHODE I EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR UNE CELLULE DE
2600F ............................................................................................................................................................ 65
TABLEAU 10 : VARIATION DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS AVEC LES MÉTHODES I, II ET
III................................................................................................................................................................... 67
TABLEAU 11 : VARIATION DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE CALCULÉE AVEC LA MÉTHODE I EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE
POUR UNE CELLULE DE 2600F ............................................................................................................................. 68
TABLEAU 12 : DONNÉES DE ESR ET C EN FONCTION DE FRÉQUENCE UTILE POUR UNE CELLULE DE 310F. ..................................... 78
TABLEAU 13 : DONNÉES DE ESR ET C EN FONCTION DE FRÉQUENCE UTILE POUR UNE CELLULE DE 1500F. ................................... 78
TABLEAU 14 : VALEUR DE CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS EN FONCTION DE LA TENSION
POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ.......................................................................................................................... 80
TABLEAU 15 : VALEUR DE CAPACITÉ ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR UNE CELLULE DE 2600F EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE POUR
LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ .................................................................................................................................. 81
TABLEAU 16 : VALEUR DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR DIFFÉRENTS SUPERCONDENSATEURS EN FONCTION DE LA
TENSION POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ ............................................................................................................. 84
TABLEAU 17 : VALEUR DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE MESURÉE POUR UNE CELLULE DE 2600F EN FONCTION DE LA
TEMPÉRATURE POUR LA FRÉQUENCE DE 10 MHZ ..................................................................................................... 86
TABLEAU 18 : VALEUR DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE VIEILLIE À TEMPÉRATURE CONSTANTE À 2,7V EN FONCTION DU TEMPS ........ 112
TABLEAU 19 : DURÉES DE VIEILLISSEMENT POUR DIFFÉRENTS LOTS DE SUPERCONDENSATEUR .................................................. 115
TABLEAU 20 : RÉCAPITULATIF DES VALEURS DE PARAMÈTRES ESR ET C ÉQUIVALENT MESURÉ EN MODE AC ............................... 115
Liste des tableaux 11
TABLEAU 21 : RÉCAPITULATION DU TEMPS MOYEN DE DÉFAILLANCE OBTENU PAR EXTRAPOLATION .......................................... 116
TABLEAU 22 : DURÉES DE VIEILLISSEMENT POUR DIFFÉRENTS LOTS DE SUPERCONDENSATEUR .................................................. 118
TABLEAU 23 : RÉCAPITULATION DU TEMPS MOYEN DE VIEILLISSEMENT OBTENU PAR EXTRAPOLATION ....................................... 119
TABLEAU 24 : TABLEAU RÉCAPITULATIF DES VALEURS DE RÉSISTANCE ET DE CAPACITÉ EN FONCTION DU CYCLAGE ........................ 128
TABLEAU 25 : VALEURS DES MESURES DES PARAMÈTRES DE LA CELLULE 310F LORS DE LA CHARGE À COURANT CONSTANT ........... 131
TABLEAU 26 : VALEURS DES MESURES DES PARAMÈTRES DE LA CELLULE 310F LORS DE LA CHARGE À COURANT CONSTANT ........... 133
TABLEAU 27 : VALEURS DU TEMPS DE DÉCHARGE À PUISSANCE CONSTANTE ENTRE VMAX ET VMAX/2 ...................................... 136
TABLEAU 28 : PARAMÈTRES DU MODÈLE " SIMPOWERSYSTEM » DE LA CELLULE LFP SP-60AHA ........................................... 144
TABLEAU 29 : CARACTÉRISTIQUE DES ÉLÉMENTS DE L'UNITÉ DE STOCKAGE DE LA CPE ........................................................... 147
TABLEAU 30 : CARACTÉRISTIQUES DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANT PERMANENT ......................................................... 147
TABLEAU 31 : CARACTÉRISTIQUES DU VARIATEUR DE VITESSE ............................................................................................ 148
Introduction Générale 12
Introduction générale
Introduction Générale 13
Face au développement de la production décentralisée de l'énergie électrique, l'insertion de
sources intermittentes (éolienne, solaire photovoltaïque...) implique la disponibilité de
moyens qui permettent le stockage de l'électricité en quantité suffisante dans des conditions
d'exploitation et de coût compatible avec un usage industriel.Ce stockage de l'énergie électrique est principalement réalisé par les accumulateurs
électrochimiques qui permettent avec une assez bonne efficacité d'absorber et de restituerl'Ġnergie accumulĠe. Cependant la durée de vie et la rapidité de recharge restant
insuffisantes pour certaines applications, il est nécessaire de combiner ces accumulateurs àd'autres dispositifs complémentaires pour améliorer l'efficacitĠ et la longévité de
l'ensembleÀ cet effet, le supercondensateur qui est connu pour sa capacité à stocker et délivrer
rapidement un courant très élevée (forte puissance) grâce à sa très faible résistance série
équivalente (quelques milli ohms), permet de répondre à ce besoin. Par ce fait, une
association accumulateur/supercondensateur verra accroitre les performances de l'unitĠ de stockage. L'intĠrġt croissant des supercondensateurs est notamment localisĠ dans les applications de transports. Ces applications incluent la voiture électrique (comme stockeur " de puissance »entre les actionneurs et les batteries), mais aussi tous les cas de stockage d'Ġnergie
électrique dans des conditions climatiques extrêmes (par exemple : démarreur dede plus en plus utilisés pour récupérer l'énergie du freinage (système KERS). Certaines
voitures ă l'instar des Citroģn C4, C5 ou des Peugeot 308, 508 les utilisent pour alimenter leur système Stop & Start permettant un redémarrage automatique du moteur afin d'économiser du carburant. De ce fait, l'apport des supercondensateurs n'est plus ă dĠmontrer. Cependant, plusieursd'autre part leur vieillissement. Ainsi, plusieurs études sont et ont été menées pour apporter
Introduction Générale 14
une réponse sur la manière dont vieillissent ces composants (EL BROUJI, 2009) (LAJNEF,2006).
Cette thèse abordera la problématique du vieillissement des supercondensateurs ainsi que leur mise en application dans une chaîne de propulsion électrique haute tension.Un Ġtat de l'art des éléments constituants le supercondensateur est présenté. Les études
portées sur différents essais de caractérisation et de vieillissement mettront l'accent sur l'aspect pluridisciplinaire de ce composant et orienteront les axes de recherche pour la c ompréhension des phénomènes responsables du vieillissement. Ces travaux de recherche ab outiront ă la proposition d'une estimation de la durée de vie des supercondensateurs. Dans un premier chapitre, une présentation exhaustive des éléments constitutifs du su percondensateur sera donnée. Ils seront détaillés afin d'apprĠhender leurs caractéristiques et leurs limites physiques, ce qui permettra une première approche à la compréhension des causes du vieillissement liée au comportement de ces éléments.Un second chapitre sera dédié à la caractérisation et à la méthodologie de mesures prenant
en compte l'influence d es paramètres physiques appliqués au supercondensateur. L'enjeuétant de dissocier l'incertitude de la mesure,
des caractéristiques du supercondensateur. Cesincertitudes seront quantifiées et des critiques seront apportés sur les méthodes de mesures
en modes dynamiques et statiques dites respectivement AC et DC.Dans le troisième chapitre, il sera établit un protocole permettant de minimiser les
perturbations lors des mesures. Ce protocole introduit une fiabilité et permet unerépétabilité des mesures, ce qui favorise une étude du vieillissement accéléré par floating et
par cyclage pour déterminer la sureté de fonctionnement des supercondensateurs. Unecorrélation entre ces deux modes de vieillissements accélérés pour aboutir à une
n ormalisation du phénomène de vieillissement des supercondensateurs. En fin, le dernier chapitre traitera de l'utilisation des supercondensateurs comme sourceauxiliaire associée aux batteries dans une chaîne de propulsion pour véhicule électrique. Il
Introduction Générale 15
s'agira de mettre en Ġǀidence l'apport des supercondensateurs dans une telle application.Pour ce faire, un véhicule initialement pourvu de batteries sera aménagé pour intégrer des
supercondensateurs. Les deux sources seront mis es en p arallğle p our s'a ffranchir d es problèmes complexes de contrôle des convertisseurs de puissance. Les résultats expérimentaux confrontés aux résultats des simulations montreront que dans une telle association, les supercondensateurs absorbent et fournissent l'Ġnergie pour les sollicitations permet de disposer d'une unitĠ de stockage trğs performante, et complémentaire. On peutciter ă titre d'edžemple, le ǀĠhicule utilitaire COLIBUS fabriqué par la société HELEM, dont le
pack d'Ġnergie nommĠ Pcube, conçu par Nexter Electronics, permet d'augmenter l'autonomie du véhicule de 50% et la durée de vie des batteries de plus de 30%, par rapport Généralités sur les supercondensateurs 16Chapitre I :
Généralités sur les supercondensateurs
Généralités sur les supercondensateurs 17Chapitre I :
Généralités sur les supercondensateurs
I.Introduction
Le supercondensateur possède une puissance instantanée plus importante que celle des batteries et une énergie plus grande que celle des condensateurs classiques. Sa durée de vieest plus élevée que celle des batteries (plusieurs centaines de milliers de cycles). Le
diagramme de Ragone (Figure 1) reprĠsente les diffĠrents systğmes de stockage d'Ġnergie électrique dans le plan puissance spécifique/énergie spécifique. Ce diagramme montre queles condensateurs électrolytiques possèdent une très grande densité de puissance mais une
très faible énergie spécifique. Ils sont utilisés généralement pour des constantes de temps
inférieures à quelques centaine de ms. Les batteries ont une densité de puissance très faible
et une énergie spécifique élevée. Elles peuvent être utilisées avec une constante de temps
d'Ġnergie et non pas un ĠlĠment de stockage. Entre les batteries et les condensateurs
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