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ECOLE SUPERIEUR POLYTECHNIQUE

MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : MACHINES ELECTRIQUES

du diplôme de Licence en Génie

Electrique

LES DIFFERENTES APPLICATIONS

DES SUPERCONDENSATEURS

Présenté par :

MANATSARA Marcellin Alise Christophe

Encadreur :

Monsieur RAVALOMANANA Olivier,

Promotion 2016

ECOLE SUPERIEUR POLYTECHNIQUE

MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : MACHINES ELECTRIQUES

Mémoire iplôme de Licence en Génie

Electrique

LES DIFFERENTES APPLICATIONS

DES SUPERCONDENSATEURS

Présenté par :

MANATSARA Marcellin Alise Christophe

Président :

M. RANDRIANARIVAO Dannet (Maitre de conférences)

Encadreur :

M. RAVALOMANANA Olivier

Examinateur :

M. RABENJARIVELO Patrice

Soutenue le 28 Septembre 2017

Promotion 2016

i

FISAORANA

" Misaotra any sy fitsimbinany nandritra ny fanaovako ity asa fikaroahana ity ». Nefa tsy tontosa izany raha tsy teo ny olona maro nanampy ahy, ka isaorako indrindra ireto olona manaraka ireto :

Voalohany :

- Andriamatoa ANDRIANAHARISON Yvon, profesiora sady talen-tsekoly ambony

Politekinika eto Antananarivo ;

- Andriamatoa RAMAROZATOVO Vonjy, mpampianatra mpikaroka sady mpitantana ny lalam-piofanana herinaratra ; - Andriamatoa RANDRIANARIVAO Dannet, mpampianatra mpikaroka sady filohany fitsarana ny asa ; - Andriamatoa RAVALOMANANA Olivier, mpampianatra, mpitarika sady mpanoro hevitra izy na dia eo aza ny andraikitra maro sahaniny. - Andriamatoa RABENJARIVELO Patrice, mpampianatra sady mpitsara. - Ireo mpampianatra sy mpanabe piofanana herinaratra. Tsy adino ihany koa ireo fianakaviana indrindra ny raiaman-dreny izay tsy nitsahatra nanohana ara-kevitra sy ara-moraly ary ara-bola nandritra ny taona maromaro nianarana tety. Raha tsy teo izy ireo tsy vita izao asa izao. Eo ihany koa ianareo namana sy ny mpiara-mianatra izay nanolo-kevitra ity. Ary koa ianareo rehetra izay nanampy nivantana na ankolaka ka nahatontosa izao asa izao. iii

REMERCIEM ENTS

" Je grâce et sa bonté durant la réalisation de ce mémoire ». -être réalisé que sans la participation des nombreuses personnes. Ainsi

En premier lieu, à :

- Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Professeur titulaire (ESPA) - Monsieur RAMAROZATOVO Vonjy, Maitre de Conférences, Responsable de la mention Génie Electriqueement de notre soutenance au sein du département ; - Monsieur RANDRIANARIVAO Dannet, Maitre de Conférence, enseignant au sein du département Génie Electrique, soutenance de mémoire ; - Monsieur RAVALOMANANA Olivier, Enseignant à , en tant que rès disponible tout au long de la réalisation ; - Monsieur RABENJARIVELO Patrice, Enseignant au sein du département qui accepté de juger mon travail : admiration dans ce rapport A toute ma famille surtout à mes parents pour tous ce it pour moi durant ces années, pour leur soutient morale et financière ? Sans votre aides ce travail est inachevable. contributions à la réalisation de ce travail. iv

TABLES DES MATIERES

FISAORANA ............................................................................................................................. ii

REMERCIEM ENTS ................................................................................................................ iii

TABLES DES MATIERES ...................................................................................................... iv

LISTES DES TABLEAUX ....................................................................................................... ix

LISTES DES NOTATIONS ...................................................................................................... x

INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................ ii

CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR LES SUPERCONDENSATEURS................................. 3 I.1 ................................................... 3 I.1.1 Premier production et commercialisation des supercondensateurs ...................... 3

I.1.2 Technologie en développement ............................................................................ 4

I.2 LES DIFFERENTS SYSTEMES DE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE DE

........................................................................................................................... 5

I.2.1 Le stockage faradique ........................................................................................... 5

I.1.1 Le stockage capacitif ou non faradique ................................................................ 8

I.1.1.1 Le condensateur diélectrique ........................................................................ 8

I.1.1.2 Supercondensateur (ultracondensateur) ........................................................ 9

I.2 LES STRUCTURES DES SUPERCONDENSATEURS ........................................... 9

I.2.1 Constitutions ......................................................................................................... 9

I.2.2 ...................................................... 11

I.2.3 Performance du supercondensateur .................................................................... 11

I.2.3.1 Cycle ........................................................................................................... 12

I.2.3.2 Charge ......................................................................................................... 12

I.2.3.3 Décharge ..................................................................................................... 12

I.2.4 Classification des supercondensateur ................................................................. 12

I.2.4.1 Supercondensateurs électrostatiques ........................................................... 13

I.2.4.2 Supercondensateurs pseudo-capacitifs ........................................................ 13

I.2.4.3 Supercondensateurs Hybrides ..................................................................... 14

CHAPITRE II : CONNAISSANCE SUR LES CARACTERISTIQUES ET LES APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS ............................................................. 15 II.1 LES MATERIAUX DE CONSTITUTION .............................................................. 15 II.1.1 ....................................................................................... 15

II.1.1.1 Charbon actif ............................................................................................... 16

II.1.1.2 Le graphène ................................................................................................. 18

II.1.1.3 Le carbone dérivé de carbure ...................................................................... 18

v

II.1.1.4 Conclusion .................................................................................................. 19

II.1.2 Les électrolytes ................................................................................................... 19

II.1.2.1 Les électrolytes aqueux ............................................................................... 20

II.1.2.2 ............................................................................... 20

II.1.2.3 Les liquides ioniques ................................................................................... 21

II.2 MODELISATION DES COMPORTEMENTS DU SUPERCONDENSATEUR .... 21

II.2.1 Modélisation de la couche double ...................................................................... 21

II.2.2 Modèle à deux branches ..................................................................................... 22

II.2.2.1 Identification des paramètres ...................................................................... 23

II.2.2.2 Paramètres de la branche rapide ................................................................. 24

II.2.2.3 Paramètres de la branche lente .................................................................... 26

II.2.2.4 Conclusion .................................................................................................. 27

II.3 APPLICATION DES SUPERCONDENSATEURS................................................. 28

II.3.1 Véhicule tout Electrique ..................................................................................... 29

II.3.1.1 Infrastructure de recharge ........................................................................... 31

II.3.2 Véhicule Hybride Electrique .............................................................................. 32

II.3.2.1 Véhicules microhybrides ............................................................................ 33

II.3.2.2 Véhicule hybrides séries ............................................................................. 33

II.3.2.3 Véhicule hybride parallèle .......................................................................... 34

II.3.2.4 Véhicule hybrides séries/ parallèle ............................................................. 35

II.3.2.5 Remarque .................................................................................................... 36

II.3.3 ................................................................ 37

II.3.4 ........................................................................................... 37

Chapitre III : DISCUSSION SUR LES SYSTEMES DE STOCKAGE ................................. 38 III.1 ANALYSE DE COMPORTEMENT THERMIQUE ............................................ 38

III.1.1 La non-linéarité de la capacité ........................................................................... 38

III.1.2 Observation du comportementale en régime charge-décharge .......................... 38

III.1.3 .................... 39

III.1.3.1 Identification des pertes Joule ..................................................................... 41

III.1.4 Analyse des comportements électrochimiques .................................................. 42

III.2 VIEILLISSEMENT DES SUPERCONDENSATEURS ....................................... 42

III.2.1 Loi de vieillissement .......................................................................................... 42

III.2.2 .............................................................................. 43

III.2.3 Phénomène de régénération des performances .................................................. 45

vi

III.2.4 Autodécharge des supercondensateurs ............................................................... 46

III.2.5 Supercondensateur par rapport aux autres éléments de ........ 48

III.2.6 Points améliorés ................................................................................................. 51

CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 52

ANNEXE 1 ............................................................................................................................... II

ANNEXE 2 ............................................................................................................................... II

ANNEXE 3 ............................................................................................................................... V

vii

LISTES DES FIGURES

Figure I.1 : Supercondensateurs ................................................................................................. 5

Figure I.2 : Représentation schématique du fonctionnement de la pile Daniel lors de la décharge

.................................................................................................................................................... 6

Figure I.3

-ion ........................................................................................................... 7

Figure I.4 : Structure du condensateur ....................................................................................... 8

Figure I.5 : Structure du supercondensateur ............................................................................ 10

Figure II.1 : Structure du supercondensateur vue microscopique ............................................ 15

Figure II.2 trode en charbon actif .................................. 17

Figure II.3 : Supercondensateurs Maxwell DuraBlue .............................................................. 17

Figure II.5 : Structure Carbones dérivés de carbures ............................................................... 19

Figure II.6 : Supercondensateur SkelCap de Skeleton Technologies ...................................... 19

Figure II.7: Modèle énergétique à deux branches de de R. Bonert et L. Zubieta ................... 22

Figure II.8 ........................................... 23

Figure II.9 : Modèle équivalent durant la phase de charge ...................................................... 24

Figure II.10 : Identification des paramètres de la branche principale ...................................... 25

Figure II.11: Modèle équivalent durant la phase de redistribution .......................................... 26

Figure II.12: Mesure de la pente initiale de la réponse en tension

Figure II.13 : Divers supercondensateurs commercialisés ....................................................... 29

Figure II.14 : Architecture du VE ............................................................................................ 30

Figure II.15 : Autobus tramway .............................................................................................. 30

Figure II.16: Bus 100 % électrique rechargeable ..................................................................... 31

Figure II.17 : Architecture du véhicule hybride série .............................................................. 33

Figure II.18 : Bus hybride Scania ............................................................................................. 34

Figure II.19 : Architecture du véhicule hybride parallèle ........................................................ 35

Figure II.20 : Autobus hybride parallèle " New Flyer » .......................................................... 35

Figure II.21 : Véhicules hybride série/parallèle " ISE » .......................................................... 36

Figure III.1 : Evolution du courant en fonction du niveau de tension...................................... 38

Figure III.2

charge/décharge ........................................................................................................................ 39

Figure III.3 ................................................ 40 viii

Figure III.4 : Cyclage de charge et décharge utilisé pour obtenir le régime thermique

stationnaire ............................................................................................................................... 40

Figure III.5 : Energie échangée en régime stationnaire thermique avec le supercondensateur en

cours de cycle ........................................................................................................................... 41

Figure III.6 ...................................... 43

Figure III.7 : Variation de la capacité et ESR du supercondensateur 300A et 400A ............... 45

Figure III.8 .............. 46

Figure III.9 :

stockage .................................................................................................................................... 49

Figure III.10 : Prix des supercondensateurs Maxwell .............................................................. 51

Figure A.1 -réduction dans un accumulateur électrochimique ix

LISTES DES TABLEAUX

Tableau 1 : Caractéristiques des premiers supercondensateurs commercialisés. ....................... 3

Tableau 2 : Caractéristique des éléments des supercondensateurs commerciaux ...................... 4

Tableau 3 : Caractéristiques des supercondensateurs ESMA .................................................... 5

Tableau 4 : Les différentes structures du carbone .................................................................... 15

Tableau 5 : Performance des principaux électrolytes ............................................................... 20

Tableau 6 : Estimation des contraintes des cycles urbains traction-freinage. .......................... 36

Tableau 7 : : Evolution du rendement énergétique en fonction du nombre de cycle ............... 45

Tableau 8

stockage .................................................................................................................................... 48

Tableau 9 : Tableau comparatif entre la batterie Li-ion et les supercondensateurs ................. 49

Tableau A.1 : Les caractéristiques des technologies de baterrie ............................................... V

x

LISTES DES NOTATIONS

İ0 : Permittivité du vide [F.m-1]

AC : Alternative Courant

C : Capacité [F]

CSC : Capacité du supercondensateur classique [F]

Ce : Capacité équivalente [F]

CDC : Carbone dérivé de carbure

CTH : Capacité thermique

DC : Direct Courant

E : Energie [J]

ESR : Resistance Série Equivalente

EDLC : Electric Double Layer Capacitor

f.é.m. : Force électromotrice

I : Intensité du courant [A]

L : inductance

LIC : Lithium-Ion Capacitor

NEC : Nippon Electric Company

Pdis : Puissance dissipées [W]

PVI : Power Véhicule Innovation

Q : Quantité de charge [C]

R ȍ

Rp : Résistance de fuite

RTH : Résistance thermique

S : Surface des électrodes [m2]

SOHIO : Standard Oil Company Of Ohio

U : Tension aux bornes de la capacité [V]

T : Température [K]

VE : Véhicule Electrique

VEH : Véhicule Electrique Hybride

1

INTRODUCTION GENERALE

La forte croissance démographique mondiale

mondiale en énergie. Ainsi, les réserves des facteurs de changement climatique mondiale. Les études actuelles sont basées sur les énergies renouvelables. Ces technologies de s questions majeures un moment infini ? Comment maintenir un besoin constant face au changement climatique ?

La conjugaison de ces deux éléments rend ainsi incontournable le développement du système

des stockages dénergie, comme les accumulateurs électrochimiques ou les batteries et les supercondensateurs qui notre vif de sujet.

La libération du secteur électrique offre des opportunités pour les ingénieurs et les

techniciens, surtout dans les domaines automobiles. Ce mémoire intitulé : " les différentes applications des supercondensateurs choisir les éléments de composant et mise en place des supercondensateurs aux niveaux des voitures électriques. rtera trois parties distinctes, dans la première

partie on présente la généralité sur les systèmes de stockage électrochimique puis la seconde

istiques et les applications des supercondensateurs et dans la troisième partie, les discussions pour les différents systèmes en comparant le supercondensateur par rapport aux autres éléments de stockage. 3 CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR LES SUPERCONDENSATEURS

I.1 SUPERCONDENSATEUR

I.1.1 Premier production et commercialisation des supercondensateurs [1], [2], [3] Helmholtz propose le premier modèle de double couche en 1879, mais le premier brevet sur les condensateurs à double couche électrochimique (EDLC par la société General Electric à Becker. à basé des électrodes dans un électrolyte aqueux de H2SO4. Quelques années plus tard, à partir 1962méricaine SOHIO recherche le lien -électrolyte. En 1975, NEC reprend les licences de SOHIO, pour des applications ne

nécessitant que de faible énergie. A partir 1982, NEC débute ses premières éléments

supercondensateurs faisant intervenir en plus du stockage de double couche par stockage

pseudo-capacitif. A cette époque, ce sont les électrodes en charbon actif et à électrolyte aqueux

ou organique de petite dimension (capacité de quelques farads, énergie spécifique modeste de

kg-1). Les trois sociétés premiers productrices des gammes du supercondensateur de signal ce sont : Panasonic, Nec/Tonkin et Elna, sous la dénomination respective de Gold Capacitor, Super

Capacitor et Dynacap. Nous résumons les caractéristiques des principaux de ce type du

supercondensateur comme indique dans le tableau ci-dessous : Tableau 1 : Caractéristiques des premiers supercondensateurs commercialisés.

Constructeur

(Dénomination)

Matsushita

(Gold Capacitor) NEC (Super Capacitor)

Elna/Asahi Glass

(Dynacap)

Charbon actif Charbon actif Charbon actif

Electrolyte Organique Acide sulfurique Organique

Tension nominale 1,8 V à 5,5 V 3,5V à 11V 2,4V à 6,3V Gamme de capacité 0,022 F à 2,2 F 0,022 F à 2,2F 0,033F à 2,2F 4

I.1.2 Technologie en développement

Le développement de principale caractéristique des dispositifs carbonés se remarque depuis les années 80. ntreprise Russe ECOND produit des supercondensateurs

" PScap » qui envisage leur application dans les véhicules électriques ou Hybrides. En 1988,

initialement par la technoles applications militaires (Evans (Etats-Unis), Pinnacle Research Institute (Etats-Unis) et Dornier (Allemagne)).

Les sociétés Maxwell et Epcos sont orientées vers les dispositifs de puissance dont ses gammes

sont respectives BoostCap et UltraCap sous forme cylindrique et prismatique. Ces deux sociétés utilisent à base de charbon actif pulvérulent que celle à base de brevet Maxwell 500F. Il

devenait leader mondial sur les marchés aux années 90 grâce à des séries des caractères 5 F à

3 s performances plus élevées

pour les applications industrielles de puissance. Plusieurs sociétés ont réalisé des séries pour

augmenter leurs caractéristiques. Exemple : Panasonic produit des condensateurs EDLC nommés : " UpCap » (capacité 2 000F pour une tension 2,3 V) pour viser les applications automobiles électriques. Au début des années 2 000, un groupe Bolloré propose une gamme équivalent aux caractéristiques de Maxwell : " BatsCap ». De nos jours, nombreuses recherches sont menées sur leurs compositions afin . Le marché offre des supercondensateurs dont les capacités vont de quelques Farads à 5 000 Farads. Voici un tableau récapitulatif des supercondensateurs avec leurs caractéristiques. Tableau 2 : Caractéristique des éléments des supercondensateurs commerciaux

Fabricant Tension

(V)

Capacité

(F) ESR

Energie

Spécifique

(Wh/kg)

Puissance

Spécifique

(W/kg) Poids (kg)

Maxwell(USA) 2,7 3 000 0,48 6 12 000 0,51

Ness (Corée) 2,7 3 640 0,30 4,2 928 0,65

Asahi Glass(Japon) 2,7 1 375 2,5 4,9 390 0,21

Panasonic(Japon) 2,5 1 200 1,00 2,3 514 0,34

Epcos(Allemagne/Japon) 2,7 3 400 0,45 4,3 760 0,6

BatsCap (France) 2,7 2 600 0,35 5,3 20 000 0,5

5 Figure I.1 : a) BoostCap assemblée par Maxwell ; b) BatsCap

Les supercondensateurs à électrode carbonée sont encore perfectibles, pour optimiser les

électrodes et les électrolytes de ces composants. Ces travaux sont menés au sein des différentes

sociétés plus de 10 Wh.kg-1 et des puissances de -1. Par ailleurs, ESMA utilise des matières aqueuses avec deux supercondensateurs en séries. Tableau 3 : Caractéristiques des supercondensateurs ESMA

Fabricant Tension

(V)

Capacité

(F)

Energie

Spécifique

(Wh/kg)

Puissance

Spécifique

(W/kg) Poids (kg)

Esma 1,7 80 000 9 500 2,8

I.2 LES DIFFERENTS SYSTEMES DE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE DE [3], [4], [5] On distingue principalement deux types de stockage de charge : le stockage faradique et le stockage capacitif.

I.2.1 Le stockage faradique

Les systèmes faradiques mettent en jeu des réaction -réduction (rédox) constituant les électrodes. Des ils sont consommés à la cathode (réduction). 6 : La pile Daniel Figure I.2 : Représentation schématique du fonctionnement de la pile Daniel lors de la décharge. On distingue généralement deux types de générateur électrochimique :

Les piles : chargés à leur état

cas des piles alcalines ou des piles primaires ou lithiums. En ce qui concerne la pile à

Les accumulateurs électrochimiques : ils permettent de stocker sous forme -acide, Ni-Métal Hybride, Nickel-Cadmium, ou des accumulateurs au Li-ion. Dans cette mémoire, seul le fonctionnement des accumulateurs Li-ion sera présenté. -ion

Au long du ܺܫܺ

progresser les connaissances sur le stockage accumulateur » ou communément des batteries. En 1977, Stanley Whttinghan invente B. Goodenough utilise pour la première fois un oxyde lamellaire de cobalt, ܮ݅ܥ݋ܱ Cu0 Zn0 e-

Pont salin (jonction ionique)

e-

Zn0> Zn2 + 2e-

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