Les supercondensateurs : une source d’énergie flexible pour les applications de transport exigeantes

Produire de l’énergie pour les applications de transport présente plusieurs défis techniques. Les batteries sont depuis longtemps la source d’énergie de prédilection pour le démarrage des moteurs. Si les accumulateurs au plomb classiques étaient le seul type disponible, des innovations récentes comprenant différentes combinaisons chimiques et méthodes de construction ont permis d’améliorer considérablement la densité de puissance et de réduire leur poids.

Les tramways et les trains de transport public modernes ont besoin d’encore plus d’energie à cause de la variété croissante des systèmes d’information embarqués et de connectivité Wi-Fi. Comme de nombreux véhicules ferroviaires se tournent vers un moteur entièrement électrique, les besoins augmentent encore plus. L’environnement d’exploitation présente également de nombreux défis, notamment le démarrage de moteurs dans des conditions de basse température, ce qui n’est pas facile pour la plupart des batteries d’aujourd’hui.

Cet article examine comment les supercondensateurs constituent une source d’énergie viable et complémentaire pour les applications de transport.

Diversité des systèmes de transport de masse

Notre société est de plus en plus consciente de la consommation d’énergie et de la manière dont nous nous déplaçons d’un point à un autre. Les nouveaux réseaux métropolitains de tramways, de bus et de transports en commun ainsi que les infrastructures ferroviaires existantes font l’objet d’investissements importants, les consommateurs cherchant une alternative aux routes encombrées.

La plupart des grandes agglomérations ont mis en place ou prévu de nouveaux systèmes de transport public qui contribuent à désengorger les villes et à réduire la pollution.

La conception de véhicules de transport public économes en énergie, élégants et rapides impose d’équilibrer le poids total et la capacité de charge des composants de traction et de stockage d’énergie.

Les défis d’alimentation

Les batteries constituent une source idéale de mobilité énergétique. Toutefois, pour les applications de transport modernes et exigeantes, elles ne répondent pas toujours à toutes les exigences. L’adaptation à des charges de courant de crête élevées nécessite plus de batteries que dans des conditions de charge normales, ce qui ajoute du poids et augmente le temps de charge. Les batteries sont encombrantes et nécessitent un temps de charge considérable, ce qui a un impact sur la disponibilité opérationnelle. De même, les batteries sont limitées par les températures ambiantes, en particulier par les extrêmes de températures basses et hautes.

Certains types de batteries se déchargent aussi lentement in situ en raison de leur résistance série équivalente (ESR) interne. L’ESR est également un facteur qui limite la quantité maximale de courant qu’ils peuvent délivrer et entraîne un échauffement de la batterie.

Un autre aspect des batteries est leur cycle de vie. Au cours de leur vie active, elles doivent également faire l’objet d’un contrôle et d’un entretien de routine. Elles ont généralement une durée de vie en service limitée, après quoi leur capacité à stocker et à fournir une charge complète une charge complète se réduit considérablement.

Un autre aspect à prendre en compte lorsque l’on travaille avec des batteries est leur limitation dans les applications à basse température. Elles perdent leur capacité lorsque la température diminue et ne sont donc pas utilisables dans des conditions de froid extrême.

Pour un bus ou un tramway électrique, la capacité de la batterie détermine l’autonomie. Cette autonomie peut être augmentée par des concepts de freinage régénératif en récupérant l’énergie des moteurs lorsque le véhicule décélère. Une quantité importante d’énergie est produite, mais sur une période relativement courte. Pour tirer pleinement parti de cette méthode de production d’énergie, il faut pouvoir la stocker rapidement.

La figure 1 illustre les performances des caractéristiques des batteries au plomb et au lithium-ion comparées à celles d’un supercondensateur.

Figure 1 – Comparaison de deux types de batteries populaires pour le transport et d’un supercondensateur (source : Supreme Power Solutions).

Des innovations récentes dans la technologie des condensateurs ont permis de concevoir des condensateurs relativement compacts avec des valeurs de capacité élevées, appelés supercondensateurs. Ces condensateurs offrent une densité énergétique exceptionnelle – voir la figure 1 – et deviennent une option émergente pour les applications de stockage d’énergie dans les transports. Grâce à leur densité énergétique élevée, à leur charge rapide et à leur courant de décharge élevé, les supercondensateurs sont idéaux pour le démarrage de moteur et le stockage d’énergie régénérative.

Les supercondensateurs et leur adéquation aux systèmes de transport

Les supercondensateurs sont des condensateurs de haute capacité dont les valeurs se chiffrent en dizaines, centaines et milliers de Farads. Ils se comportent comme n’importe quel condensateur électrolytique ordinaire, comme la capacité de se charger et de se décharger rapidement. Cependant, leur faible résistance interne et leur capacité de stockage d’énergie les rapprochent davantage d’une batterie rechargeable. Pour cette raison, les supercondensateurs sont en train de devenir un moyen de stockage d’énergie viable, qui pourrait remplacer les batteries classiques dans certains cas d’utilisation.

Les supercondensateurs du fournisseur spécialisé Supreme Power Solutions (SPSCAP) utilisent un revêtement de charbon actif et un électrolyte organique.

Cette approche permet d’obtenir un condensateur à haute capacité, à faible résistance interne, à faible fuite et à haute fiabilité. La surface élevée d’une électrode en charbon actif poreux et la séparation des charges par une fine couche d’électrolyte créent un condensateur électrique à double couche.

Découvrez ci-dessous quelques exemples de la façon dont les supercondensateurs peuvent être utilisés dans l’industrie du transport :

  • Systèmes de freinage régénératif pour les rames de métro et les tramways.
  • Intégration avec les batteries pour des performances élevées.
  • Démarrage à basse température des locomotives diesel.
  • Équilibrage de la charge de plusieurs unités d’entraînement de wagons pendant une accélération rapide.

Les supercondensateurs peuvent fournir la capacité de charge de pointe instantanée nécessaire au démarrage d’un moteur diesel, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie et réduit les coûts de maintenance et de remplacement.

Parmi les exemples de supercondensateurs de SPSCAP, citons les séries SCE et SCP de forme cyclindrique qui bénéficient d’un faible ESR et d’une durée de vie élevée.

La série SCE – voir figure 2 – présente des capacités comprises entre 100 F et 800 F, avec des options de bornes soudables ou filetées à une extrémité. Grâce à leurs dimensions compactes, les concepteurs de systèmes d’alimentation peuvent les combiner dans des configurations en série et en parallèle pour former des alimentations de secours permettant de fournir une alimentation instantanée.

Figure 2 – La série de supercondensateurs SCE de SPSCAP (source SPSCAP)

Un exemple est le SCE0360C0, un supercondensateur de 360 F, 2,7 V qui mesure 35 mm x 62 mm et a un ESR de max. 3,2 mOhm.

Figure 3 – La série de supercondensateurs SCP de SPSCAP (source SPSCAP)

Un exemple de la série SCP – voir la figure 3 – est le SCP2000C0, un ultracondensateur de 2000 F, 2,7 V. Avec des bornes soudables à chaque extrémité et un cycle de service de plus de 1 000 000, il convient aux solutions de récupération d’énergie, au démarrage des moteurs de locomotives et aux moteurs hybrides. Le SCP2000 mesure 60,8 mm x 108,4 mm et pèse 402 g. Il peut fonctionner dans une plage de températures allant de -40 °C à + 65 °C. Le courant de crête maximum est supérieur à 2000 A, et la capacité de courant continu maximum à ∆40 °C (augmentation de température de 40°C) est de 208 A.

Parmi les nouveautés de la gamme de supercondensateurs de SPSCAP figurent les supercondensateurs CDCL et CDCM. Les nouveaux produits sont disponibles dans une gamme de valeurs de capacité différentes, une tension de travail de 2,85 VDC et des dimensions compactes. Par exemple, la famille CDCL se compose de cinq supercondensateurs avec des valeurs de 650 F, 1200 F, 1500 F et 3000 F.

Pour les applications courantes, comme le démarrage d’un moteur à basse température, un module ultracondensateur prêt à l’emploi constitue une méthode de mise en œuvre rapide et facile. Un exemple est le MDLC0300C0, un modèle de 300F et 24 V dans un boitier robuste de type batterie avec une indice IP65. Cette appareil peut fonctionner jusqu’à -40 degrés C et peut fournir une puissance de démarrage maximale de 45 kW.

Les supercondensateurs : des solutions compactes de stockage d’énergie à haute densité pour le transport

À mesure que notre écosystème de mobilité et de systèmes de transport se diversifie, le besoin de stockage à longue durée de vie, à charge rapide et à haute densité énergétique n’a jamais été aussi grand.

Les supercondensateurs sont rapidement devenus une méthode de stockage d’énergie viable pour la fourniture instantanée d’énergie pour les applications de contrôle de la traction, de récupération d’énergie et de démarrage du moteur. Ils peuvent compléter les batteries existantes pour les pics de charge et les cas d’utilisation d’équilibrage de charges multiples ou devenir la source d’alimentation principale d’une multitude de systèmes embarqués.

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