Découvrir le mystère des SuperCaps
Les supercondensateurs ont leur place dans les systèmes électroniques modernes, surtout si vous chargez et déchargez fréquemment la charge ou si vous devez supporter un courant très élevé.
Les condensateurs sont utilisés dans tous les designs, car le découplage est obligatoire dans la plupart des conceptions afin de filtrer tout bruit ou créer un oscillateur. Pour ces condensateurs, une valeur plus grande est exprimée en microfarad, tandis que les valeurs plus petites sont indiquées en picoFarad. L'unité pour le supercondensateur est dans la plage des Farads. Grâce à sa grande capacité, il peut rivaliser avec les batteries lorsqu'une sauvegarde de quelques heures est nécessaire. Ils peuvent également fonctionner en conjonction avec des batteries pour fournir de hauts niveaux de puissance pendant une courte période. Avec ses capacités de courant élevé, il peut aussi être utilisé dans des applications de récolte d'énergie comme les systèmes de freinage et de récupération d'énergie dans les véhicules hybrides. Pour atteindre des valeurs élevées, les supercondensateurs ne peuvent pas utiliser la technologie employée dans les condensateurs standard. Il existe plusieurs types de technologies de supercondensateurs qui peuvent être utilisées, mais celle la plus largement adoptée est connue sous le nom de condensateur à double couche. L'électrolyte organique interne est facile à fabriquer et est plus sûr que les batteries lithium-ion, par exemple. La structure d'un supercondensateur est comme avoir 2 condensateurs en série. Deux électrodes (3) prises en sandwich entre des collecteurs (2) sont séparées par une membrane perméable aux ions (6) avec un électrolyte (5) connectant les deux électrodes. Lorsque les électrodes sont polarisées par une tension appliquée (1), les ions dans l'électrolyte forment une double couche électrique (4) qui est de polarité opposée à la polarité de l'électrode. Ce mécanisme explique le nom des condensateurs à double couche.
Il est possible que la distance entre les deux couches de charge soit extrêmement petite, ce qui signifie que des niveaux de capacitance très élevés sont réalisables. Il existe deux types de condensateurs à double couche résultant de différents mécanismes de stockage de charge :
- Condensateur à double couche électrique : un EDLC stocke l'énergie dans la double couche à l'interface électrode/électrolyte. Dans ce type de condensateur, le matériau d'électrode utilisé pour la construction de la cellule est principalement un matériau à base de carbone
- Condensateur électrochimique à double couche ou pseudo-condensateur : le supercondensateur soutient une réaction faradique entre l'électrode et l'électrolyte dans une fenêtre de potentiel appropriée. Dans ce type de supercondensateur, le matériau de l'électrode est constitué soit d'oxydes de métaux de transition, soit de mélanges de carbone et de métaux d'oxydes/polymères
Un supercondensateur possède des caractéristiques différentes de celles d'un condensateur standard, et quelques points méritent d'être notés :
- Tension maximale : la tension maximale est inférieure à celle des condensateurs standard et se situe souvent dans la plage de 2,5V. Il est possible d'avoir des supercondensateurs avec des tensions plus élevées, mais la durée de vie peut être réduite.
- La durée de vie est limitée par le taux d'évaporation de l'électrolyte liquide. Cette évaporation est fonction de la température, de la charge de courant, de la fréquence des cycles de courant et de la tension. Comme indiqué ci-dessous, la durée de vie peut varier d'un an à plus de 10 ans, selon son utilisation.
- Pour atteindre des tensions de fonctionnement plus élevées pour les supercondensateurs, vous pouvez les placer en série, également appelés empilements.
- Auto-décharge : l'énergie stockée peut diminuer de 50 % en un mois. Cela signifie que le supercondensateur doit être rechargé régulièrement même s'il n'a effectué aucune sauvegarde.
Dimensionnement d'un super condensateur et avantages uniques
Maintenant que nous avons examiné ce qu'est un supercondensateur et comment il est construit, explorons l'idée de les utiliser en remplacement des applications de batteries standard. Comment les dimensionnons-nous pour comparer leurs durées de fonctionnement avec certaines de leurs caractéristiques uniques et quelles forces uniques possèdent-ils ? Une chose à garder à l'esprit lorsque nous examinons la capacité énergétique d'un supercondensateur est qu'il existe une grande différence entre la capacité énergétique maximale et la capacité énergétique effective. La différence entre l'énergie effective et maximale est déterminée par la tension minimale que le système peut utiliser et la conception du supercondensateur, qui dicte sa tension minimale. Les supercondensateurs ne se déchargent pas comme les batteries dans le sens où il y a une tension de sortie relativement stable à mesure que la capacité se vide. Dans une batterie lithium-ion, vous pouvez vous attendre à environ 3,7 volts sur une large plage de capacité de la batterie, mais avec un supercondensateur, vous verrez la tension chuter rapidement à mesure que l'énergie est consommée. Parfois, cette chute de tension peut sembler presque linéaire au fil du temps lorsque la sortie de courant est maintenue constante. En gardant à l'esprit la chute de tension, la capacité énergétique maximale est calculée à l'aide de l'équation Wmax = ½ * Ctotal * V2loaded * 1/3600 où W représente les watts stockés, C est la capacitance totale du supercondensateur, et V est la tension du supercondensateur lorsqu'il est complètement chargé. Cette méthode de mesure de la capacité peut être trompeuse, cependant, comme nous l'avons noté ci-dessus, l'énergie effective du supercondensateur doit être mesurée par rapport à la tension minimale du système. Pour mesurer la capacité énergétique effective, nous utilisons la formule Weff = ½ * Ctotal * (V2max - V2min) * 1/3600.
Voici un petit exemple utilisant un supercondensateur extrêmement grand. J'ai choisi le Eaton Powerstor XL60 de 3000F pour démontrer ce qui se passe lorsque j'augmente la tension minimale du système et combien de capacité utile nous perdons. Et oui, il s'agit bien de 3000 Farads dans un seul supercondensateur, ce n'était pas une erreur de frappe.
Si la conception du système utilisant ce supercondensateur ne peut supporter qu'une entrée minimale de 1,6 V, alors il a perdu 1/3 de l'énergie potentielle stockée dans le supercondensateur. Cet impact peut être pris en compte lors de la conception d'une étape d'entrée de puissance avec un circuit élévateur de tension d'entrée plus large, mais vous devez reconnaître les limitations à l'avance. De plus, en diminuant la tension à la sortie du supercondensateur, vous devez augmenter le courant de sortie pour maintenir une puissance constante, ce qui sollicite davantage les éléments du circuit.
La capacité énergétique peut être un peu décevante, mais le supercondensateur parvient à se distinguer par sa densité de puissance, ce qui signifie qu'il peut gérer de très grands courants de surtension. La capacité à gérer les charges de courant de pointe fait partie de l’aspect condensateur du supercondensateur. Cette capacité est l'une des raisons pour lesquelles les supercondensateurs ont trouvé leur place dans les outils sans fil alimentés par batterie, offrant un tampon pour les surtensions de courant élevé pour aider à visser cette dernière vis en place ou s'assurer qu'il y a suffisamment de couple sur une lame pour une coupe forte et nette. À partir de notre exemple ci-dessus, nous pouvons examiner le même Eaton XL60. Une fois que vous vous plongez dans la fiche technique, vous pouvez constater qu'il peut gérer une sortie continue de 140A, mais ce qui est vraiment frappant, c'est la cote de courant de pointe de 2400A. La gestion du courant est ce qui distingue réellement les supercondensateurs des batteries lithium-ion. Même les supercondensateurs plus petits comme le JUMT1106MHD de Nichicon (qui a une capacité de 10F) peuvent gérer jusqu'à 5A de courant de pointe, et il a même une homologation automobile pour une gamme plus large de températures.
Un autre avantage des supercondensateurs par rapport aux batteries est la diminution de capacité. Lorsque vous faites fonctionner des cellules lithium-ion, elles subissent une usure et perdent de la capacité au fil du temps, ce qui réduit leur durée de vie utile – elles sont souvent conçues pour 300-500 cycles. Les supercondensateurs ne souffrent pas autant des mêmes effets de cycle, et pour le précédent Eaton XL60, il perd moins de 20 % de sa capacité après 1 000 000 de cycles. En plus de cette excellente performance en cycle, vous observez généralement des plages de température utile plus larges dans les supercondensateurs. Les supercondensateurs ont leur place dans les systèmes électroniques modernes, surtout si vous effectuez fréquemment des cycles de charge ou si vous devez supporter une charge de courant très importante. Considérez-les certainement comme un complément aux systèmes de batteries traditionnels et parfois comme un remplacement complet.
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