ELECTRIC AND ENERGETIC MODELISATION OF SUPERCAPACITORS AND CARACTERISATION METHODS : APPLICATION TO THE CYCLING OF SUPERCAPACITORS MODULE LOW VOLTAGE AND HIGH POWER
Modélisation électrique et énergétique des supercondensateurs et méthodes de caractérisation : Application au cyclage d'un module de supercondensateurs basse tension en grande puissance
Résumé
This document presents a study of the electrical and energetic behaviour of supercapacitors under conditions similar to industrial applications' ones. For that, a test bench has been developed in our laboratory in order to characterize a supercapacitors' module (112F-48V) composed of 24 elements of 2700F/2,3V.
The goal of this work was firstly to evaluate the precision of the existing model about the electrical and energetic characteristics and secondly to improve this precision. For that, two models representing the energetic and electrical behaviour of these components are developed. These models are obtained by a simple identification of the data measured during the cycling tests using frequential and temporal approaches.
Numerous electrical and thermal data are obtained during the cycling test of the module. These data are used to observe the evolution of the equivalent capacity and resistance of several supercapacitor elements of the tested module according to the temperature. For the first 200.000 cycles, the ageing process of supercapacitors and the variation of the module parameters during all the life of this tested module are presented. This study allowed to obtain information about the degradation (R, rs and C) according to the number of cycles carried out.
Finally, the tests of cycling done without balancing device (except the impedance of the measurement system) allow to observe a natural dispersion of the voltage according to the position of the components in the module.
The goal of this work was firstly to evaluate the precision of the existing model about the electrical and energetic characteristics and secondly to improve this precision. For that, two models representing the energetic and electrical behaviour of these components are developed. These models are obtained by a simple identification of the data measured during the cycling tests using frequential and temporal approaches.
Numerous electrical and thermal data are obtained during the cycling test of the module. These data are used to observe the evolution of the equivalent capacity and resistance of several supercapacitor elements of the tested module according to the temperature. For the first 200.000 cycles, the ageing process of supercapacitors and the variation of the module parameters during all the life of this tested module are presented. This study allowed to obtain information about the degradation (R, rs and C) according to the number of cycles carried out.
Finally, the tests of cycling done without balancing device (except the impedance of the measurement system) allow to observe a natural dispersion of the voltage according to the position of the components in the module.
Ce mémoire présente un travail sur le comportement électrique et énergétique des supercondensateurs dans des applications de type traction électrique. Il développe un outil de caractérisation du comportement des supercondensateurs afin de les exploiter dans les applications « courant fort » telles que le transport. Le banc de test développé dans notre laboratoire a permis la caractérisation d'un module de supercondensateurs 112F-48V constitué de 24 composants Maxwell 2700F/2,3V.
En premier lieu, la modélisation du composant nous a paru indispensable pour représenter le comportement de ces composants. Pour cela, deux modèles représentant le comportement énergétique et électrique des supercondensateurs ont été développés. Différentes approches connues ont été confrontées pour aboutir à une méthode simple d'identification, associant des mesures temporelles et fréquentielles.
En utilisant ces modèles, une caractérisation de quatre éléments du module avec un suivi de l'évolution des caractéristiques de chaque élément a été effectuée en fonction de la température. D'autre part, l'observation du vieillissement du module et d'un élément de ce dernier pour les 200.000 premiers cycles a permis de suivre la dégradation des caractéristiques (R, rs et C) des supercondensateurs en fonction du nombre de cycles effectués.
Enfin, un des objectifs initiaux était d'aborder le problème de mise en série du composant afin de l'utiliser en Génie Electrique. Les essais de cyclage réalisés sans dispositif d'équilibrage (hormis les impédances du système de mesure) ont permis d'observer une dispersion naturelle des tensions dépendant de la localisation du composant dans le module.
En premier lieu, la modélisation du composant nous a paru indispensable pour représenter le comportement de ces composants. Pour cela, deux modèles représentant le comportement énergétique et électrique des supercondensateurs ont été développés. Différentes approches connues ont été confrontées pour aboutir à une méthode simple d'identification, associant des mesures temporelles et fréquentielles.
En utilisant ces modèles, une caractérisation de quatre éléments du module avec un suivi de l'évolution des caractéristiques de chaque élément a été effectuée en fonction de la température. D'autre part, l'observation du vieillissement du module et d'un élément de ce dernier pour les 200.000 premiers cycles a permis de suivre la dégradation des caractéristiques (R, rs et C) des supercondensateurs en fonction du nombre de cycles effectués.
Enfin, un des objectifs initiaux était d'aborder le problème de mise en série du composant afin de l'utiliser en Génie Electrique. Les essais de cyclage réalisés sans dispositif d'équilibrage (hormis les impédances du système de mesure) ont permis d'observer une dispersion naturelle des tensions dépendant de la localisation du composant dans le module.
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