Faire fonctionner les supers condensateurs

(Dernière mise à jour le: 26 janvier 2022)

Il existe une variété d’applications modernes dans lesquelles les supers condensateurs sont de meilleurs candidats que les batteries ou les condensateurs ordinaires.

Les supercondensateurs ne sont pas nouveaux. Développées pour la première fois dans les années 1950, des versions commerciales ont été commercialisées il y a plus de 40 ans. À cette époque, les supercondensateurs n’étaient certainement pas sur la voie rapide de l’application pratique. Ils étaient chers, avaient des tensions de fonctionnement assez faibles et étaient surpassés par d’autres approches plus économiques.

 Conception Electronique Techniques
Les supercaps sont disponibles dans une variété de tailles d’emballage.

Peu à peu, les choses ont changé. Les supercondensateurs (alias ultra-condensateurs ou condensateurs EDLC) sont devenus très pratiques. Leurs capacités et leurs performances se sont considérablement améliorées, avec des tensions de fonctionnement, une capacité et une capacité à conserver une charge plus élevées. Dans de nombreuses applications, ils constituent désormais l’approche de choix.

Alors que la plupart des ingénieurs ont une compréhension de base des supercaps, relativement peu les ont utilisées. Il est donc utile de discuter des applications qui conviennent le mieux aux supercondensateurs et des avantages et inconvénients de la technologie par rapport aux batteries ou en combinaison avec des batteries.

La technologie des batteries au lithium-ion continue de dominer les marchés mondiaux et le restera dans un avenir prévisible. Mais les technologies alternatives de stockage d’énergie comme les supercondensateurs sont de plus en plus acceptées comme des options sûres, évolutives, efficaces et durables. Au lieu de compter sur des produits chimiques pour le stockage de l’énergie, comme pour les batteries, les supercondensateurs stockent l’énergie de manière électrostatique et ne vieillissent ni ne s’usent de la même manière que les batteries. L’électrode sèche utilisée dans les supercondensateurs a une longue durée de vie et peut être fabriquée à partir d’une variété de matériaux avancés tels que les nanotubes de carbone, le graphène et les aérogels de carbone.

Les supercondensateurs présentent des avantages évidents par rapport aux batteries car ils ont une large plage de températures de fonctionnement, ainsi que des temps de charge et de décharge courts. Les temps de charge/décharge courts sont dus à leur résistance interne minimale. Ils peuvent être parcourus des centaines de milliers, voire un million de fois. Il est également plus sûr de stocker l’énergie dans un champ électrique plutôt que chimiquement, diminuant ainsi le risque d’événements thermiques. Au total, les supercaps ont une durée de vie comprise entre 10 et 15 ans.

Comparaison des technologies de stockage d’énergie

Les supercondensateurs hybrides LIC (condensateur lithium-ion) peuvent être chargés et déchargés jusqu’à 500 000 cycles ; le chiffre est d’un million de cycles pour les supercaps classiques. (Les LIC sont appelés hybrides car l’anode est la même que celle utilisée dans les batteries lithium-ion tandis que la cathode est la même que dans les supercondensateurs.) Et contrairement aux batteries, la capacité de stockage d’énergie des supercondensateurs ne se dégrade pas à chaque cycle de charge/décharge.

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Voici comment les propriétés des supercondensateurs, des supercondensateurs LIC hybrides et des batteries lithium-ion s’empilent.

Les supercondensateurs constituent une technologie clé pour la préservation de l’environnement : ils fournissent de courtes rafales de puissance élevée qui sont utiles dans les véhicules électriques et les applications de réseau. Les supercondensateurs peuvent fournir une alimentation principale, une alimentation de secours ou une alimentation par impulsions. Contrairement aux batteries, les supercaps ont la même efficacité lors de la charge ou de la décharge. Cette propriété permet au supercondensateur de se recharger rapidement sans limitation de courant, à condition que le courant soit dans les valeurs nominales du supercondensateur.
Les supercondensateurs sont proposés dans une gamme complète de valeurs de capacité, dans des configurations monocellulaires ou modulaires. Les modules Supercap permettent des tensions ou capacités de travail pratiquement illimitées. En conséquence, les applications supercap couvrent des niveaux de milliampères ou de milliwatts jusqu’à plusieurs centaines d’ampères ou plusieurs centaines de kilowatts.

Les condensateurs électrolytiques sont depuis longtemps des composants essentiels des alimentations sans coupure. Les condensateurs permettent à l’onduleur de démarrer rapidement, tandis que les batteries plomb-acide et lithium-ion gèrent les besoins en énergie pour une sauvegarde soutenue. Mais les supercondensateurs peuvent fournir un stockage en vrac avec moins de volume et moins de composants. Ils sont devenus une alternative sans entretien aux batteries au plomb et au lithium-ion pour les applications d’alimentation à court terme et de pont. Par example:

Dans les centres de données et le cloud computing, les systèmes UPS basés sur des supercondensateurs peuvent fournir de manière fiable 15 à 30 secondes d’alimentation. Leurs larges plages de température et leur sécurité font de ces systèmes des candidats pour une utilisation dans les hôpitaux et d’autres applications de sauvegarde critiques. Les nouvelles conceptions éliminent également les coûts élevés associés à la maintenance et au remplacement des batteries.
Dans la fabrication de produits électroniques/semi-conducteurs, deux secondes de temps de passage sont requises par SEMI F47. Ici aussi, les avantages de la fiabilité à long terme (cycles d’alimentation 500K +), du fonctionnement sans maintenance et de la flexibilité de conception ont été reconnus.

Les supercondensateurs sont devenus une bonne source d’alimentation de secours pour les terminaux de données sans fil compatibles Internet. Dans l’industrie automobile, ils prennent en charge l’analyse innovante, l’informatique décisionnelle, l’identification des conducteurs, la localisation et la gestion des données. Les supercondensateurs étendent la connectivité des appareils en fournissant une alimentation extrêmement fiable pour capturer et transmettre des données en temps réel si l’appareil est déconnecté de manière inattendue.

Dans une autre application récente, CDE a travaillé avec un fabricant de lecteurs de codes-barres à utiliser dans les systèmes de point de vente (POS). Ces scanners portables intègrent une gestion de la consommation d’énergie pour prolonger la durée de vie globale de la batterie, fournir des fonctions de dernière minute et une prise en charge du remplacement à chaud de la batterie. Les supercondensateurs CDE contribuent à l’efficacité énergétique des scanners en réduisant la consommation d’énergie, ce qui permet d’économiser environ 20 % à 30 % de la puissance de la batterie. Selon le produit, l’alimentation de secours est fournie par des tailles de cellule unique allant de 1,5 à 110 F et par des assemblages personnalisés avec des câbles et des connecteurs pré-attachés. La même approche adoptée dans ces scanners peut être appliquée à divers types d’instruments portables.

Les supercaps jouent également un rôle dans les systèmes automatisés de stockage et de récupération des entrepôts (ASRS). L’utilisation de supercondensateurs comme source d’alimentation dans les navettes et les navettes 3D réduit les pannes du système et les besoins de maintenance causés par les interruptions de la source d’alimentation. Les supercondensateurs peuvent également fournir une puissance de crête lorsqu’ils sont utilisés en conjonction avec des sources d’alimentation traditionnelles pour surmonter l’inertie de démarrage, permettant des sources d’alimentation principales plus petites. Ici aussi, nous constatons des avantages similaires à d’autres applications, notamment une charge/décharge rapide, un fonctionnement sans maintenance (pas de temps d’arrêt programmé), une flexibilité de conception et une large plage de températures de fonctionnement de -40 à 85 °C.

Dans la quête d’objectifs énergétiques nets sans carbone, l’utilisation de supercondensateurs à l’appui des batteries peut rendre les systèmes de stockage hybrides efficaces et flexibles, réduisant ainsi le coût total de possession et l’impact environnemental global. Un stockage d’énergie plus important nécessite généralement des modules de supercondensateurs.

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Lorsqu’un supercap se charge, les électrodes commencent à attirer les ions de polarité opposée. L’électrode positive attire les ions ou charges négatifs et l’électrode négative attire les ions ou charges positifs. En conséquence, les ions ou charges positifs créent une couche près de l’électrode négative et les ions négatifs créent une couche près de l’électrode positive. Comme deux couches sont formées par les porteurs de charge électrique, les supercondensateurs sont parfois appelés condensateurs électriques à double couche (EDLC). Lorsque nous connectons une charge à travers le supercondensateur, les ions commencent à se distribuer à travers la solution d’électrolyte et passent à l’état mixte.

Une seule cellule de supercondensateur fonctionne à une tension relativement basse, de sorte que de nombreuses applications nécessitent plusieurs cellules en série pour réaliser la tension requise. Il est nécessaire d’empêcher les cellules individuelles de dépasser leur tension nominale, une tâche compliquée par le fait que chaque cellule a une légère tolérance de capacité et de résistance.

La procédure pour maintenir les cellules supercap en dessous de leur tension nominale est appelée équilibrage. L’équilibrage peut être actif ou passif. L’équilibrage passif n’implique aucune variation de la régulation de tension en fonction de l’état de l’ultracondensateur. La méthode la plus typique d’équilibrage passif utilise des résistances en parallèle avec les condensateurs. En revanche, l’équilibrage de tension actif est préféré pour les applications avec une source d’énergie limitée ou un niveau élevé de cyclage. Un circuit actif tire généralement un courant beaucoup plus faible que l’équilibrage résistif lorsqu’il est en régime permanent. Et cela ne nécessite des courants plus importants que lorsque la tension de la cellule est déséquilibrée.

En résumé, les supercondensateurs fournissent des rafales de puissance rapides et fiables sur des centaines de milliers à des millions de cycles de service, même dans des conditions exigeantes. Les supercondensateurs sont des candidats pour des applications allant des éoliennes et des transports en commun aux véhicules hybrides, à l’IoT, à l’électronique grand public, aux compteurs intelligents, à la télématique et aux équipements industriels.


Source : Power Electronic Tips

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