Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs

circuit equilibrage supercondensateurs

Circuit d'équilibrage de tension pour 6 supercondensateurs 3000F

Lorsque l'on met plusieurs supercondensateurs en série, il est important d'utiliser un circuit d'équilibrage de tension. Pour comprendre le comportement de super-condensateurs mis en série et pour apprécier l'utilité d'un circuit d'équilibrage, l'article Charger des supercondensateurs en série est à lire en premier lieu.

Il existe de nombreux circuits permettant de réaliser un équilibrage de tension : de la simple résistance en parallèle aux circuits sophistiqués utilisant des convertisseurs buck-boost, en passant par le SAB MOSFET (Supercapacitor Auto Balancing Mosfet).

Applications à rapport cyclique bas et à rapport cyclique élevé

Chaque type de circuit d'équilibrage a ses avantages et ses inconvénients. L'utilisation d'un circuit plutôt qu'un autre dépendra des besoins qui diffèrent selon le type d'application. On distingue notamment les applications à rapport cyclique bas et celles avec un rapport cyclique élevé.

Les alimentations sans interruption par exemple utilisent des supercondensateurs qui restent chargés longtemps avant d'être déchargés par un courant relativement faible. Il s'agit d'une application avec un rapport cyclique bas. Dans ce type d'application, le déséquilibre des tensions des supercondensateurs est engendré lentement, avec une constante de temps élevée et avec un faible effet d'autoéchauffement.

D'autres applications comme la récupération d'énergie par freinage dans un véhicule nécessitent un équilibrage de tension très rapide, car un freinage extrême peut faire appel à un courant de charge très élevé qui peut vite engendrer une surtension sur des supercondensateurs s'ils ne sont pas rapidement équilibrés. Pour de gros systèmes à utilisation fréquente et rapide (rapport cyclique élevé) comme les bus électriques, les supercondensateurs embarqués peuvent monter rapidement en température, ce qui peut diminuer leur durée de vie. Dans ce type d'application, un système de refroidissement comme une ventilation forcée est alors nécessaire [1].

Avec la non-homogénéité d'une ventilation forcée, les températures des cellules d'un même module peuvent vite devenir différentes. Hors la dispersion en température des cellules, même avec une faible valeur, peut conduire à des tensions de cellules non égales à long terme, car la résistance ESR et l'autodécharge varient considérablement en fonction de la température. On sait par ailleurs qu'une faible différence de température peut conduire à des vieillissements très différents des cellules, et donc entraîner des différences de capacité. Raison de plus pour avoir un équilibrage de tension très rapide lorsqu'on utilise des courants de charge élevés.

Les causes principales de déséquilibre de tension

Nous avons vu que dans un module de supercondensateurs, il existe trois causes principales pouvant provoquer un déséquilibrage des tensions :

  • des courants de fuite différents
  • des capacités différentes
  • des résistances série différentes (ESR)

Avec une disparité du courant de fuite, une fois qu'un module de supercondensateurs est chargé, la cellule avec le courant de fuite le plus élevé va se décharger plus rapidement et augmenter la tension des autres cellules.

Dispersion de capacité

Dans le cas d'une dispersion de la capacité, la cellule ayant la capacité la plus faible se charge plus vite que les autres.

Par exemple, si deux supercondensateurs 10F sont connectés en série, avec le premier qui a une capacité réelle 20% supérieure à sa capacité nominale (C1 = 12F) et le second qui a une capacité de 10% inférieure à sa tension nominale (C2 = 9F), alors la distribution de tension pour chaque supercondensateur (dans le pire des cas) peut se calculer ainsi :

Vscx = Vsupply x Csys / Cscx

Rappel de la formule de calcul de la capacité totale d'un système fait de plusieurs supercondensateurs en série : 1/Csys = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn

1/Csys = 1/C1 + 1/C2 = 1/12 + 1/9 = 0,194      Csys = 1 / 0,194 = 5,15

Avec une tension de charge Vsupply = 5.4V :

Vsc1 = 5,4 x 5,15 / 12 = 2,31V
Vsc2 = 5,4 x 5,15 / 9 = 3,09V

Pour éviter cette surtension qui va au-delà de la tension maximum absolue (surge voltage), il faut soit utiliser un circuit d'équilibrage très rapide, soit conserver une marge de tension en ne chargeant les supercondensateurs qu'à une tension de 10% inférieure à leur tension nominale.

Dans une application à rapport cyclique bas, les différences de courants de fuite sont les plus problématiques, mais les déséquilibres de capacités ne doivent pas non plus être trop importants. Avec les applications à rapport cyclique élevé, ce sont les déséquilibres de capacités qui sont déterminants pour l'équilibrage des tensions.

Dans les deux cas, la différence de résistance série est un facteur peu important dans le déséquilibrage de tension entre chaque cellule et celle-ci peut donc être négligée par rapport aux autres causes de déséquilibre de tension.

Au delà de ces considérations, les systèmes d'équilibrage de tension peuvent être classés dans deux catégories différentes : les circuits dissipatifs et les circuits non dissipatifs.

Circuits d'équilibrage dissipatifs

La solution d'équilibrage dissipative consiste à dissiper une partie de l'énergie stockée dans le supercondensateur à tension élevée. La dissipation de cette énergie excessive ramène la surtension à une valeur de fonctionnement correcte. Dans certaines applications, il n'est pas nécessaire d'équilibrer les tensions instantanées des cellules mais seulement de réduire la surtension Umax à la tension nominale.

Systèmes d'équilibrage passifs

Résistances d'équilibrage

equilibrage resistances

Dans la solution passive, une résistance d'équilibrage est placée en parallèle aux bornes de chaque cellule. Le mécanisme de ce type d'équilibrage est simple par son principe : un courant parcourt toujours la résistance d'équilibrage connectée à ses bornes. Plus la tension est forte, plus le courant dans la résistance d'équilibrage est important, ce qui permet d'homogénéiser les tensions aux bornes des différents composants.

Ce type d'équilibrage a le mérite d'être simple et particulièrement bon marché. Mais outre le fait qu'il accroît les pertes énergétiques par courant de fuite, et qu'il accélère par conséquent l'auto-décharge, il a le travers de n'être efficace qu'en régime quasi-stationnaire avec rapport cyclique bas. Les constantes de temps associées à l'équilibrage passif sont en effet importantes et incompatibles avec les exigences de rapidité d'un équilibrage dynamique.

Avec ce système et pour les applications à rapport cyclique bas et à charge lente, un module de supercondensateurs peut atteindre une espérance de vie de 10 ans avec un rendement d'environ 60% (pour un choix de valeur de résistance adéquat et dans un cadre d'utilisation adéquat).

En général, on utilise des valeurs de résistance donnant un courant de fuite au moins 10 fois supérieur au courant de fuite du module de supercondensateurs (Ifuite) pour permettre un équilibrage de tension correct. On choisit alors des résistances avec une tolérance de 1% et on calcule leur valeur à partir de la tension maximale (Umax) que pourrait atteindre un supercondensateur en fin de charge dans un module déséquilibré [2] :
R = Umax / (10 x Ifuite)

Avec Umax = 2,8V et Ifuite = 5mA :
R = Umax / (10 x Ifuite) = 2,8 / (10 x 5) = 56 Ω

Ce système d'équilibrage augmente fortement le courant de fuite du module de supercondensateurs et n'est donc pas adapté pour les applications de récupération d'énergie.

Diodes zener

equilibrage diodes zener

Il est possible d'utiliser des diodes Zener en remplacement des résistances pour un système d'équilibrage passif. Celles-ci doivent équilibrer la tension des supercondensateurs selon leur tension Zener. Le mécanisme de cet équilibrage est lié à une perte d'énergie dans les diodes Zener.

La difficulté majeure de ce système d'équilibrage est essentiellement de trouver les diodes Zener qui conviennent pour une application donnée (en tension et en intensité de courant).

Systèmes d'équilibrage actifs

Résistances commandées

equilibrage resistances commandees

On peut améliorer les performances dynamiques de l'équilibrage passif en augmentant considérablement le courant de fuite à un niveau "voisin" du courant de charge, donc en diminuant dans les mêmes proportions la résistance de décharge. Laquelle, pour des raisons évidentes de rendement énergétique, ne doit pas être connectée en permanence à l'élément de stockage. [3]

equilibrage 1 supercondensateur

Dans ce système d'équilibrage, un interrupteur actif est mis en série avec la résistance d'équilibrage. Ce dispositif est relié en parallèle avec chaque supercondensateur. Lorsque la tension du composant dépasse une valeur donnée, l'interrupteur est fermé, ce qui permet à un courant de parcourir la résistance d'équilibrage (comme dans le cas de l'équilibrage passif). Ensuite, l'interrupteur est ouvert lorsque la tension aux bornes de la cellule surveillée revient à une valeur de référence.

equilibrage 5 supercondensateurs

Ce système d'équilibrage se compose d'un circuit principal comprenant un dispositif actif de commutation tel qu'un transistor bipolaire ou MOSFET associé à la résistance d'équilibrage, un circuit de commande, et un autre de détection. La commande de l'interrupteur est choisie de telle façon qu'un minimum d'énergie soit dissipée dans les résistances d'équilibrage. L'interrupteur est fermé quand la tension du supercondensateur dépasse une valeur seuil. Cette solution d'équilibrage permet de contrôler l'énergie dissipée dans les résistances d'équilibrage, ce qui améliore fortement le rendement énergétique du système par rapport à un équilibrage passif par simple résistance (87% au lieu de 60%). L'espérance de vie atteint là aussi 10 ans [1].

equilibrage 6 supercondensateurs

L'intérêt de cette solution est de prendre des valeurs faibles de résistances d'équilibrage pour réaliser l'équilibrage le plus rapidement possible. Cependant, pour des considérations de puissance dissipée dans cette résistance, la valeur de cette dernière ne pourra pas être trop faible.

En cas de besoin, il faut utiliser des circuits explicitement prévus pour supporter des courants forts.


SAB MOSFET

ald8100 ald9100

Des transistors MOSFET peuvent être utilisés en remplacement du transistor et de la résistance d'équilibrage. Fin 2013, la société Advanced Linear Devices a annoncé la sortie de transistors Mosfet spécialisés dans l'équilibrage de tension des supercondensateurs : les Supercapacitor Auto Balancing mosfet série ALD8100xx et ALD9100xx.

Les SAB MOSFET sont notamment très intéressants pour les applications de récupération d'énergie, car ils consomment très peu d'énergie. Un ALD8100 contient 4 mosfets permettant d'équilibrer 4 supercondensateurs, tandis qu'un ALD9100 contient 2 mosfets. Pour équilibrer plus de supercondensateurs, il suffit d'utiliser plusieurs SAB MOSFET.

connexions ald8100

Chaque mosfet est mis en parallèle avec un supercondensateur et est prévu pour laisser passer le courant au delà d'un certain seuil. Un ALD810025 a 4 mosfets avec une tension de référence de 2.5V, alors qu'un ALD810024 a des mosfets avec une tension de référence de 2,4V. Un mosfet commence à laisser passer un tout petit peu de courant à 0,3V en dessous de sa tension de référence. Au dessus, le courant augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la tension.

schema connexions ald8100

Au final, un SAB MOSFET prend très peu de place et ne consomme donc quasiment rien lorsque la tension du supercondensateur est à 0,3V en dessous de sa tension de référence. Avec les résistances commandées, le circuit d'équilibrage prend plus de place et les AOP utilisés consomment toujours un petit peu de courant.

Attention tout de même, car un SAB MOSFET est limité à une intensité de courant de 80mA maximum. Si on veut pouvoir protéger des supercondensateurs avec un courant 10 fois supérieur au courant de fuite, il ne faut pas prendre des supercondensateurs ayant un courant de fuite supérieur à 8mA. Aucun problème pour les petits supercondensateurs, mais les supercondensateurs de 3000 Farads peuvent dépasser 8mA de courant de fuite.

Le SAB MOSFET est donc une très bonne solution pour les applications de récupération d'énergie avec rapport cyclique bas.

Voir les articles et documentations suivantes :

Circuits d'équilibrage non dissipatifs

Pour limiter l'énergie perdue dans le système d'équilibrage et pour avoir un équilibrage très rapide, il existe par ailleurs des structures basées sur l'utilisation de convertisseurs statiques permettant de transvaser le surplus d'énergie des supercondensateurs en surtensions sur les supercondensateurs sous alimentés.

Convertisseur Buck-Boost

equilibrage buck boost

Le principe général est de transférer l'énergie du supercondensateur présentant une tension élevée vers celui présentant une tension base, en passant par l'intermédiaire d'une inductance.

Bien paramétré, ce système permet à la tension aux bornes des supercondensateurs de s'équilibrer très rapidement. Ceci permet d'obtenir une espérance de vie de 19 ans et un rendement énergétique élevé de 92%. Cependant, l'effet de la transmission d'énergie par les supercondensateurs peut devenir un inconvénient en terme d'énergie dissipée lorsqu'un grand nombre de supercondensateurs sont en série. L'inconvénient principal de ce circuit est son coût très élevé.

Circuit d'équilibrage buck-boost

Convertisseur Flyback à secondaires distribués

equilibrage flyback

Cette solution est basée sur le transfert de l'énergie du supercondensateur ayant une tension élevée directement vers celui ayant la tension la plus basse. Un convertisseur statique principal centralisé (flyback multi-sorties) est lié avec un transformateur. Ce convertisseur fonctionne dès qu'une différence de tension est détectée, le transistor T conduit d'abord, permettant au primaire du transformateur de stocker l'énergie. Par la suite cette énergie magnétique va être distribuée au secondaire du transformateur relié au supercondensateur présentant la tension la plus basse lorsque le transistor est ouvert (l'énergie stockée entraîne la conduction des diodes au secondaire).

Convertisseur Forward à bobinage distribués

Une autre solution combine les deux circuits décrits précédemment. L'énergie est transférée directement sans passer par des supercondensateurs intermédiaires. Dès qu'une différence importante de tension entre les supercondensateurs est détectée, le transistor correspondant est fermé. L'énergie va alors passer vers les autres supercondensateurs via les diodes et le transformateur.

Les deux dernières solutions équilibrent les tensions instantanément, comme pour la solution du convertisseur Buck-Boost. Cependant, les pertes dans le transformateur sont assez importantes et diminuent fortement le rendement énergétique du système global. Les deux dernières solutions ne sont pas employées avec les supercondensateurs car elles sont coûteuses en termes de composants magnétiques et de composants.

Il existe encore d'autres solutions d'équilibrage, mais celles-ci sont très complexes et coûteuses. Elles sont donc très rarement utilisées.

Equilibrage de tension en vidéo

Voici une vidéo montrant une carte d'équilibrage de tension en fonctionnement. Les indicateurs LED de la carte permettent de visualiser son activité :

Sources :

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