Introduction aux supercondensateurs

Avec le développement de la société et de l’économie, les gens accordent de plus en plus d’attention à l’énergie verte et à l’environnement écologique. En tant que nouveau type de dispositif de stockage d’énergie, les supercondensateurs attirent de plus en plus l’attention en raison de leurs avantages irremplaçables. Les ingénieurs ont commencé à remplacer les batteries traditionnelles par des supercondensateurs dans certaines conceptions nécessitant des solutions haute puissance et haut rendement. Défauts dans la technologie des batteries Les nouvelles batteries telles que Li-ion et NiMH peuvent fournir une solution fiable de stockage d'énergie et ont été largement utilisées dans de nombreux domaines. Comme nous le savons tous, les batteries chimiques stockent des charges électriques via des réactions électrochimiques, entraînant un transfert de charge de Faraday. Ils ont une durée de vie courte et sont fortement affectés par la température. C'est aussi la difficulté rencontrée par les concepteurs de batteries au plomb (batteries).

Dans le même temps, un courant élevé peut affecter directement la durée de vie de ces batteries. Ainsi, pour certaines applications nécessitant une longue durée de vie et une fiabilité élevée, ces batteries basées sur une réaction chimique présentent diverses lacunes. Caractéristiques et avantages des supercondensateurs Le principe des supercondensateurs n'est pas une technologie nouvelle. La plupart des supercondensateurs courants ont une structure électrique à double couche. Comparé aux condensateurs électrolytiques, ce supercondensateur a une densité d'énergie et une densité de puissance très élevées. Par rapport aux condensateurs traditionnels et aux batteries secondaires, les supercondensateurs ont une capacité de stockage de charge plus élevée que les condensateurs ordinaires et présentent les caractéristiques d'une vitesse de charge et de décharge rapide, d'un rendement élevé, d'une absence de pollution pour l'environnement, d'une longue durée de vie, d'une large plage de températures de fonctionnement et d'une sécurité élevée. . En plus de pouvoir se charger et se décharger rapidement, une autre caractéristique clé des supercondensateurs est leur faible impédance. Ainsi, lorsqu’un supercondensateur est complètement déchargé, il présentera une faible caractéristique de résistance et, s’il n’y a pas de limite, il tirera le courant source possible.

Par conséquent, un chargeur à courant constant ou à tension constante doit être utilisé. Il y a 10 ans, les supercondensateurs ne pouvaient être vendus chaque année qu'en très petites quantités et leur prix était très élevé, de l'ordre de 1 à 2 dollars américains/farad. Désormais, les supercondensateurs ont été fournis sur le marché en grandes quantités en tant que produits standards, et leur prix a été considérablement réduit, avec une moyenne de 0,01. ~0,02$/farad. Ces dernières années, les supercondensateurs ont commencé à entrer dans de nombreux domaines d'application, tels que l'électronique grand public, l'industrie et les transports. La structure des supercondensateurs Bien qu'il existe de nombreux fabricants de supercondensateurs dans le monde, qui peuvent fournir de nombreux types de produits supercondensateurs, la plupart des produits sont basés sur une structure électrique similaire à double couche. La structure des supercondensateurs est similaire à celle des condensateurs électrolytiques. Très similaires, leur principale différence réside dans le matériau des électrodes. Les électrodes des premiers supercondensateurs étaient en carbone. Le matériau de l'électrode en carbone a une grande surface et la capacité dépend de la distance entre la surface et les électrodes. Il peut être très grand, la plupart des supercondensateurs peuvent être au niveau farad et la plage de capacité générale est de 1 ~ 5000F. Utilisation des supercondensateurs Les supercondensateurs ont un large éventail d'utilisations. Associés à des substances à haute densité énergétique telles que les piles à combustible, les supercondensateurs peuvent fournir une libération d'énergie rapide pour répondre à des demandes de puissance élevées, permettant aux piles à combustible d'être utilisées uniquement comme source d'énergie. À l'heure actuelle, la densité énergétique des supercondensateurs peut atteindre 20 kW/kg, ce qui commence à s'emparer de cette partie du marché entre les condensateurs traditionnels et les batteries.

Dans les applications qui nécessitent une fiabilité élevée mais de faibles besoins en énergie, des supercondensateurs peuvent être utilisés pour remplacer les batteries, ou des supercondensateurs et des batteries peuvent être combinés pour des applications ayant des besoins énergétiques élevés, de sorte qu'une taille plus petite puisse être utilisée. , des batteries plus économiques. Les supercondensateurs ont des valeurs ESR très faibles, ce qui leur permet de générer des courants importants et de les absorber rapidement. Comparé au principe de charge chimique, le principe de fonctionnement des supercondensateurs rend les performances de ce produit plus stables et, par conséquent, la durée de vie des supercondensateurs est plus longue. Les supercondensateurs constituent une source d’alimentation idéale pour les appareils nécessitant une charge rapide, tels que les outils électriques et les jouets. Certains produits conviennent à un système hybride batterie/supercapacité. L’utilisation de supercondensateurs permet d’éviter l’utilisation de batteries volumineuses afin d’obtenir plus d’énergie. Un exemple est celui des appareils photo numériques dans l'électronique grand public, où l'utilisation de supercondensateurs permet aux appareils photo numériques d'utiliser des piles alcalines bon marché (plutôt que des batteries Li-ion coûteuses). La plage de tension nominale des cellules de supercondensateur (cellules) est de 2,5 à 2,7 V, de nombreuses applications nécessitent donc l'utilisation de plusieurs cellules de supercondensateur. Lors de la connexion de ces cellules en série, l'ingénieur concepteur doit prendre en compte l'équilibre et la charge entre les cellules. Tout supercondensateur se déchargera à travers la résistance parallèle interne lorsqu'il sera mis sous tension. Ce courant de décharge est appelé courant de fuite, qui affectera l'autodécharge du supercondensateur.

Semblable à certaines technologies de batteries secondaires, les tensions des supercondensateurs doivent être équilibrées lorsqu'ils sont utilisés en série car il existe un courant de fuite et la taille de la résistance shunt interne déterminera la distribution de tension entre les cellules du supercondensateur connectées en série. Lorsque la tension sur le supercondensateur se stabilise, la tension sur chaque unité changera avec le courant de fuite, et non avec la valeur de la capacité. Plus le courant de fuite est grand, plus la tension nominale est faible, au contraire, plus le courant de fuite est faible, plus la tension nominale est élevée. En effet, le courant de fuite provoque la décharge de la cellule du supercondensateur, ce qui abaisse la tension, ce qui affecte à son tour les tensions des autres cellules en série (en supposant que ces cellules en série soient alimentées par la même tension constante). Afin de compenser la variation du courant de fuite, une méthode courante consiste à connecter une résistance en parallèle à côté de chaque unité pour contrôler le courant de fuite de l'ensemble de l'unité. Cette méthode réduit efficacement la variation de la résistance parallèle correspondante entre les unités.

Une autre méthode recommandée est l’équilibrage actif des cellules, dans lequel chaque cellule est activement surveillée et équilibrée les unes par rapport aux autres en cas de changement de tension. Cette approche réduit toute charge supplémentaire sur l'unité, rendant le travail plus efficace. Si la tension dépasse la tension nominale de l'unité, la durée de vie de l'unité sera raccourcie. Pour les supercondensateurs de haute fiabilité, la manière de maintenir la tension dans la plage requise est un point clé, et la tension de charge doit être contrôlée pour garantir qu'elle ne dépasse pas la tension nominale de chaque cellule.