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Thèse préparée au laboratoire FEMTO-ST, Département Énergie, UMR CNRS 6174

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 Stéphane

RAEL, 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 de

présider 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 est

ma 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 électrique

Liste 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

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2

I.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 des

pores 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

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3

II.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 91

II.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

II

I.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

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4 Chapitre IV : Apport des supercondensateurs associés aux batteries dans une chaîne de propulsion électrique (CPE) haute tension ................................... 138

IV. 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,

2,3V

ET 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

1,9V

DE 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

1,9V

DE 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

2,3V

ET 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 restituer

l'Ġnergie accumulĠe. Cependant la durée de vie et la rapidité de recharge restant

insuffisantes pour certaines applications, il est nécessaire de combiner ces accumulateurs à

d'autres dispositifs complémentaires pour améliorer l'efficacitĠ et la longévité de

l'ensemble

À 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 de

de 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, plusieurs

d'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'enjeu

étant de dissocier l'incertitude de la mesure,

des caractéristiques du supercondensateur. Ces

incertitudes 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 une

répétabilité des mesures, ce qui favorise une étude du vieillissement accéléré par floating et

par cyclage pour déterminer la sureté de fonctionnement des supercondensateurs. Une

corrélation 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 source

auxiliaire 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 misquotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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