Charger des supercondensateurs en série

6 supercondensateurs serie

6 supercondensateurs en série avec circuit d'équilibrage de tension

La plupart des supercondensateurs du commerce ont une tension de travail de 2,7V. On est loin des 500V que peuvent atteindre certains condensateurs électrolytiques (cf. Non, un supercondensateur n'est pas un condensateur). Pour de nombreuses applications, il est donc indispensable de mettre en série des supercondensateurs. En effet, l'utilisation des supercondensateurs dans des applications de forte puissance ne peut se faire qu'en associant plusieurs éléments en série et/ou en parallèle pour pouvoir atteindre des tensions et des courants importants.

Il est donc important de savoir comment se comportent les supercondensateurs lorsqu'ils sont connectés en série ou en parallèle. Nous allons par ailleurs voir qu'il est souvent indispensable d'utiliser un système d'équilibrage de tension lorsque l'on connecte des supercondensateurs en série.

Tension et capacité

En parallèle, les capacités des supercondensateurs s'additionnent :
Csys = C1 + C2       (100 Farads 2.7V + 100 Farads 2.7V = 200 Farads 2.7V)

En série, les tensions s'additionnent et la capacité totale du module diminue :
Csys = Ccell/n      (100 Farads 2.7V + 100 Farads 2.7V = 50 Farads 5.4V)

Il est fortement conseillé de ne mettre en série que des supercondensateurs semblables et de même capacité. Cependant, la capacité réelle peut fortement différer de la capacité affichée sur un supercondensateur (la tolérance est parfois de -20% à +20%) et peut évoluer avec le temps. Il est donc utile de savoir comment calculer la capacité totale d'un système fait de plusieurs supercondensateurs de capacité différente.

Calcul de capacité totale :   1/Csys = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn
Avec 100F et 50F :   1/Csys = 1/100 + 1/50 = 3/100      Csys = 100/3 = 33 Farads

Nous verrons par la suite que cette formule peut être utile pour choisir un circuit d'équilibrage de tension adapté.

La mise en série de supercondensateurs diminue la capacité globale, mais la tension augmente également et donc la quantité d'énergie stockée dans deux supercondensateurs mis en parallèle ou en série reste la même :
W = 1/2 CV²          (1/2 x 200 x 2.7² = 729 Joules   -----   1/2 x 50 x 5.4² = 729 Joules)

Résistance série : ESR

Les supercondensateurs ont l'avantage d'avoir une très faible résistance série (ESR), mais il faut penser au fait que l'ESR change lorsque des supercondensateurs sont connectés ensembles.

En parallèle, l'ESR diminue :
ESRsys = ESRcell / n
2 supercondensateurs 100 Farads avec une ESR de 4 mΩ = module avec ESR de 2 mΩ

En série, les résistances série s'additionnent :
ESRsys = ESRcell x n
2 supercondensateurs 100 Farads avec une ESR de 4 mΩ = module avec ESR de 8 mΩ

Courant de fuite

Le courant de fuite est un des mécanismes de l'autodécharge.

En parallèle, les courants de fuite des supercondensateurs s'additionnent :
2 x 100F avec courant de fuite de 0,3mA connectés en parallèle = courant de fuite global de 0,6mA [1].

En série, le courant de fuite du module est égal au courant de fuite du supercondensateur ayant le courant de fuite le plus élevé du module, hors système d'équilibrage. Mais il faut justement faire attention à ce dernier point, car les systèmes d'équilibrage de tension peuvent affecter fortement le courant de fuite, notamment avec les systèmes d'équilibrage passifs (Cf. Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs).

Utilité d'un système d'équilibrage de tension

La mise en série de supercondensateurs ne peut être réalisée simplement à cause des dispersions des paramètres de chaque cellule. Ces dispersions sont dues aux températures, aux vieillissements et aux paramètres de fabrication qui peuvent être différents pour chaque cellule. Ces trois raisons conduisent à des déséquilibres de tension entre chaque supercondensateur. De plus, la non-linéarité de la capacité du supercondensateur peut influencer indirectement le déséquilibre.

Pour palier ce problème, il faut privilégier la mise en série de supercondensateurs les plus identiques possibles (même marque, même date de fabrication, même capacité, même condition de stockage...) et il faut utiliser un système d'équilibrage des tensions [2].

Dans un module de supercondensateurs, il existe trois types principaux de déséquilibre de tension selon son origine :

  • Déséquilibre dû aux courants de fuite différents
  • Déséquilibre dû aux capacités différentes
  • Déséquilibre dû aux résistances série différentes (ESR)

Pour comprendre les mécanismes de l'autodécharge et le courant de fuite des supercondensateurs, voir notre article :
Autodécharge des supercondensateurs et courant de fuite

Choisir des supercondensateurs identiques est essentiel, mais pas suffisant. En effet, rien que le vieillissement d'un supercondensateur provoque une augmentation de sa résistance série et de son courant de fuite et une diminution de sa capacité. Hors le vieillissement peut toucher différemment les supercondensateurs d'un même module.

Notons que pour les accumulateurs également, il est conseillé de mettre en série des accumulateurs identiques, même pour des piles AA rechargeables. Ainsi, la mise en série de piles AA différentes diminue leur durée de vie. Mais il est vrai qu'une pile AA rechargeable n'est pas vendue au même prix qu'un supercondensateur.

L'équilibrage des tensions est d'autant plus important pour les supercondensateurs que l'un des points forts de ces systèmes est leur grande cyclabilité et il serait dommage d'en diminuer la durée de vie en assurant pas un bon équilibrage des tensions.

Les risques d'un mauvais équilibrage des tensions

Les caractéristiques "constructeur" des supercondensateurs font apparaître deux tensions. La première, appelée tension de travail (souvent à 2,7V), peut être appliquée pendant la durée de vie du supercondensateur sans dommage. La seconde Umax (souvent à 2,85V), préjudiciable aux composants, appelée tension maximum absolue ou "Surge Voltage", peut être appliquée seulement pendant quelques centaines de millisecondes. Quand un supercondensateur est soumis à une tension maximum absolue, l'électrolyte organique dans la cellule se décompose rapidement.

A défaut d'équilibrage, une surtension peut apparaître sur un des supercondensateurs et peut donc engendrer, soit la dégradation progressive de la cellule qui affecte sa durée de vie en diminuant sa capacité et en augmentant sa résistance série, soit la destruction du composant (l'électrolyte organique dans la cellule commence à se décomposer, produisant des produits gazeux ainsi qu'une accumulation de pression jusqu'à la destruction du composant). Par ailleurs, il faut noter que l'espérance de vie totale d'un module de supercondensateurs est égale à la plus faible espérance de vie de la cellule la plus critique.

L'équilibrage des cellules est nécessaire à tout moment

Un déséquilibre de tension peut se faire à cause de résistances série différentes, de capacités différentes, mais aussi à cause d'un courant de fuite différent. Lorsque les supercondensateurs d'un module ont des ESR et des capacités identiques, il peuvent être rechargés convenablement pour atteindre une tension sans déséquilibre. Malgré cela, des courants d'autodécharge différents peuvent avec le temps déséquilibrer les tensions aux bornes des cellules. La tension aux bornes des cellules ayant une autodécharge élevée décroît plus rapidement que la tension des autres cellules et peut entraîner une surtension sur les autres cellules.

L'équilibrage des cellules est donc important lors de la charge, lors de la décharge, mais aussi une fois le module chargé et non utilisé...

Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs

Selon les besoins, différents circuits d'équilibrage peuvent convenir. Chaque type de circuit d'équilibrage ayant des avantages et des inconvénients, nous avons consacré un article entier pour décrire les principaux systèmes d'équilibrage de tension :

Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs

Les systèmes d'équilibrage vus dans l'article :

  • Equilibrage par simple résistance
  • Equilibrage par Diode zener
  • Résistance commandée
  • SAB MOSFET
  • Convertisseur Buck-Boost
  • Convertisseur Flyback à secondaires distribués
  • Convertisseur Forward à bobinage distribués
circuit equilibrage supercondensateurs

Exemple de circuit d'équilibrage pour 6 supercondensateurs 3000F

Quid des petits modules de supercondensateurs vendus dans le commerce ?

Choisir le bon circuit d'équilibrage pour connecter ses supercondensateurs en série n'est pas toujours simple. Par ailleurs, certains circuits sont équipés de connecteurs comme avec l'exemple ci-dessus et d'autres se vissent sur de gros supercondensateurs. Mais souvent, ils faut souder les supercondensateurs sur les cartes d'équilibrage et il faut alors faire attention à faire des soudures rapides (moins de 3 secondes) et à moins de 300°C pour ne pas endommager l'électrolyte des supercondensateurs.

Il est donc tentant de se procurer des modules de supercondensateurs tout faits. Mais que valent-ils ?

On peut sans problème acheter des modules de marque connue comme Maxwell qui fournit des fiches produit précises permettant de connaître les caractéristiques de chaque module :

Module Maxwell BMOD0058 16V 58F

Les supercondensateurs 5,5V

Les supercondensateurs 5,5V vendus dans le commerce sont en réalité composés de 2 supercondensateurs reliés en série.

Attention car les petits supercondensateurs 5,5V sont prévus principalement pour faire office d'alimentation de secours. Ils n'ont donc pas besoin et ne doivent pas être chargés avec une intensité de courant élevée si on ne souhaite pas diminuer leur durée de vie.

Exemple de supercondensateur pour alimentation de secours : le NEC FYD 1F 5,5V



Avec les supercondensateurs 5,5V de plus grande capacité, il est beaucoup plus clair qu'ils sont constitués de 2 supercondensateurs en série :

supercondensateurserie ouvert

Supercondensateur 10F 5,5V composé de 2 supercondensateurs 20F 2,7V reliés en série

Attention, car ils ne sont la plupart du temps pas équipés d'un système d'équilibrage de tension, ou alors très sommaire. L'avantage est que les supercondensateurs ainsi reliés viennent forcément de la même ligne de production et ont été fabriqués en même temps et stockés de la même manière et au même endroit, ce qui limite la disparité des paramètres entre ces supercondensateurs. Il vaut mieux tout même conserver une bonne marge de sécurité pour charger ces supercondensateurs. Ainsi, pour une intensité de charge de 1 ampère, il est préférable de stopper le chargement à 4,5V (22% de marge de sécurité). Mais sans équilibrage de charge, il ne faudra pas s'étonner de constater une faible durée de vie pour ces supercondensateurs à bas prix...


Articles complémentaires :
- Comment charger un supercondensateur ?
- Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs

Sources :

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