Brevet FR2863400A1 — publié le 20050610

SYSTEME A SUPERCONDENSATEURS ET PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UN TEL SYSTEME L'invention se rapporte au domaine des éléments de stockage d'énergie appelés supercondensateurs. Le principe de fonctionnement des supercondensateurs est similaire à celui des condensateurs classiques, mais leur technologie est proche de celle des batteries d'accumulateurs électrochimiques. Les supercondensateurs offrent ainsi des performances en densité de puissance supérieures à celles des batteries, et des performances en densités énergétiques plus élevées que celles des condensateurs classiques. Les progrès dans la technologie de fabrication des condensateurs a ainsi permis en quelques années de réaliser des supercondensateurs dont la capacité est environ 1000 fois plus grande. Ainsi, aujourd'hui à titre d'exemple, on utilise communément des supercondensateurs de capacité égale à 2600 farads (F). En conséquence, l'utilisation de supercondensateurs dans l'industrie se développe considérablement. On les utilise en particulier dans des applications où il est nécessaire de pouvoir délivrer de forts courants en un temps très réduit ou encore des applications présentant un nombre de cycles charge/décharge élevé. Ils peuvent être utilisés en tant que source d'énergie principale, ou en tant que tampons de puissance, en association avec une autre source d'énergie (par exemple des batteries ou une alimentation issue du réseau de distribution) constituant plutôt un élément d'énergie, avec pour mission de limiter les contraintes en puissance sur cette autre source d'énergie. Les supercondensateurs supportent un nombre de cycles de charge/décharge profondes beaucoup plus élevé que les batteries (50000/80000 pour les supercondensateurs contre 500/1000 pour les batteries). Parmi les applications, on peut citer celles de type tramway. Des supercondensateurs embarqués dans le tramway se chargent en courant depuis le réseau lors des arrêts en station (environ 10 à 15 secondes), et alimentent ensuite le moteur du tramway entre deux stations consécutives. La puissance nécessaire pour recharger les supercondensateurs dans le véhicule peut atteindre 1 à 1,5.106 Watts, ce qui correspond à un courant d'environ 2000 ampères (A) sous 750 volts (V) continu. Cette puissance doit transiter depuis la station vers le véhicule. Une autre application est la fourniture d'énergie aux industries ayant ponctuellement des pointes de consommation. Il est alors fait appel aux supercondensateurs, en complément du courant fourni par le réseau, lors de ces pointes de consommation. Les supercondensateurs sont également utilisés dans des véhicules hybrides (par exemple comportant un moteur thermique/électrique) pour gérer les suppléments de puissance requis lors d'opérations ponctuelles grandes consommatrices de courant: démarrage, accélération, dégivrage de lunette arrière, etc. Ils sont également utilisés dans les ascenseurs. Le nombre de supercondensateurs à assembler est très variable selon les applications. Il peut aller de l'unité au millier. A titre d'exemple, dans une application de type tramway telle qu'indiquée ci-dessus, 2400 supercondensateurs peuvent être embarqués dans le véhicule. Ces supercondensateurs sont communément assemblés en ensembles appelés packs. L'invention concerne plus particulièrement le domaine de systèmes d'assemblage de tels supercondensateurs, constituant des packs. De fortes contraintes existent sur les packs de supercondensateurs, notamment ceux embarqués dans les tramways. En effet, dans ce type d'applications, le pack de condensateurs doit pouvoir être disposé par exemple sous le plancher du véhicule. II doit donc notamment avoir un encombrement réduit (les normes imposent notamment un plancher bas, afin que l'accès des personnes handicapées soit facilité), un poids faible et, disposer d'une structure pour faciliter l'évacuation de la chaleur générée par le fonctionnement des supercondensateurs. Ce dernier problème d'évacuation de la chaleur est particulièrement important. Etant donnée l'amplitude des courants pouvant transiter dans le pack au cours de son utilisation (supérieure à 300 A par supercondensateur), des échauffements se produisent au sein des supercondensateurs eux-mêmes, et également au niveau de leurs bornes de connexion. Ces échauffements nuisent fortement à leur durée de vie. Typiquement une température ambiante de 50 C correspond à une durée de vie du supercondensateur deux fois moins grande qu'une température ambiante de 30 C. Ils peuvent même, s'ils sont mal régulés, provoquer subitement une dégradation irréversible du supercondensateur. Les assemblages usuels de supercondensateurs présentent un certain nombre d'inconvénients. Dans certains cas, ces assemblages sont sous-dimensionnés, et par conséquent se dégradent sous l'effet de l'échauffement, et contribuent même à augmenter cet échauffement. Dans d'autres cas, les solutions de systèmes à supercondensateurs de l'art antérieur ont des dimensions aptes à supporter les valeurs de courant qui transitent. Mais alors, elles sont volumineuses et par conséquent dégradent les performances du pack en terme d'énergie et de puissance volumiques. Par ailleurs, certains des systèmes à supercondensateurs existants ne comportent pas de moyens d'évacuation de la chaleur (et nuisent ainsi à la durée de vie des supercondensateurs). D'autres comportent des moyens complexes, coûteux, volumineux et pouvant nécessiter une maintenance lourde. A titre d'exemple, certains assemblages intègrent des moyens de refroidissement par circulation de liquide. Ceux-ci nécessitent la mise en place de tuyauteries, de pompe de circulation, etc, présentant des inconvénients importants tels que l'augmentation du volume occupé, du poids, et le risque de fuite. Un autre exemple de système à supercondensateurs de l'art antérieur est représenté sur la figure 1. Il permet la connexion en série de 64 supercondensateurs entre les faces en regard de deux plaques isolantes P1 et P2 disposées perpendiculairement aux supercondensateurs. Chacune des deux bornes de connexion 3 de supercondensateur est vissée par l'intermédiaire d'un taraudage dans chacune des plaques isolantes P1, P2 à un circuit de connexion électrique disposé sur la face externe de la plaque et permettant de relier électriquement en série les supercondensateurs. La disposition des supercondensateurs proposée en figure 1 dégrade les performances volumiques (énergie et puissance) mais également massiques (énergie et puissance), étant donné le volume occupé et le poids de l'ensemble. Ce système d'assemblage s'accompagne d'un moyen de refroidissement constitué d'une ventilation V. Cependant cette ventilation engendre un refroidissement hétérogène, et par conséquent une dégradation hétérogène des performances des supercondensateurs: les supercondensateurs les plus éloignés du côté du pack par lequel arrive la ventilation, seront beaucoup moins refroidis (voire quasiment non refroidis) ; leurs performances vont donc se dégrader beaucoup plus rapidement. L'invention vise à proposer une solution de constitution de packs de supercondensateurs qui soit moins affectée par les limitations de l'art antérieur. Un système à supercondensateurs selon l'invention est adapté tout particulièrement à un montage en série de plusieurs blocs de supercondensateurs, chaque bloc comprenant plusieurs supercondensateurs montés en parallèle. Ce type de montage (par rapport au montage en parallèle de plusieurs branches de supercondensateurs, chaque branche comprenant plusieurs supercondensateurs montés en série) réduit de façon importante le risque de surtension et d'éclatement d'un supercondensateur défaillant, tout en limitant la baisse de performance de l'ensemble. Ainsi, suivant un premier aspect, l'invention propose un système à supercondensateurs comportant des blocs liés électriquement en série, chaque bloc comprenant des supercondensateurs liés électriquement en parallèle. Il comporte une pluralité d'éléments rigides en matériau conducteur électrique. La forme de chaque élément rigide est adaptée pour dissiper la chaleur pour refroidir au moins lesdits supercondensateurs. Chaque supercondensateur comporte une première et une seconde borne de connexion. Dans un bloc de supercondensateurs, toutes les premières bornes de connexion, respectivement toutes les secondes bornes de connexion, de chaque supercondensateur du bloc sont fixées à un même premier, respectivement second élément rigide. Un système à supercondensateurs selon l'invention permet ainsi de fournir une structure d'assemblage et d'interconnexion des supercondensateurs, aisée à monter, de faible coût, et nécessitant un entretien très limité. II permet, en outre, le refroidissement des bornes de connexion des supercondensateurs, et par là-même celui des supercondensateurs eux-mêmes, de par les échanges thermiques qu'il favorise. Il rigidifie par ailleurs le montage des supercondensateurs. Il n'y a pas besoin de pièce supplémentaire pour maintenir le montage. Un tel assemblage placé dans le plancher d'un tramway peut supporter le poids des passagers. La fixation des supercondensateurs sur les éléments rigides réalise la mise en parallèle électrique de ces supercondensateurs. Par ailleurs, un tel assemblage occupe un faible encombrement et contribue à optimiser les valeurs d'énergie et de puissance volumiques du pack de supercondensateurs ainsi constitué. Dans des modes de réalisation d'un système selon l'invention, on pourra avoir recours à l'une ou l'autre des dispositions suivantes - les premières ou secondes bornes de connexion de supercondensateurs d'un premier bloc et les premières ou secondes bornes de connexion d'un second bloc adjacent audit premier bloc dans une liaison série, sont connectées à des éléments rigides solidaires et mis en contact; cette disposition permet la mise en série électrique de deux blocs; - la forme d'un élément rigide est adaptée pour dissiper la chaleur par contact avec l'air; - au moins un élément rigide comprend une plaque collectrice et une pluralité d'ailettes de refroidissement; - les supercondensateurs (2) d'un bloc (Bll,BI2) s'étendent le long d'un axe de bloc (Z1), et le premier, respectivement second élément rigide (4) du bloc s'étend dans un premier, respectivement second plan de bloc (P), perpendiculaire audit axe de bloc. - certains au moins des éléments rigides solidaires et mis en contact de fixation d'un premier bloc et d'un second bloc adjacent audit premier bloc dans une liaison série, sont réalisés dans une même pièce, par exemple par moulage; - au moins un des éléments rigides est un élément moulé ; - au moins un des éléments rigides est en aluminium; - au moins une borne de connexion d'au moins un supercondensateur est connectée à l'élément rigide par vissage. Suivant un second objet, l'invention propose un procédé d'assemblage d'un 10 système à supercondensateurs avec des éléments de refroidissement. Ce procédé comporte les étapes suivantes: a) assembler une pluralité de supercondensateurs entre deux éléments de refroidissement rigides et conducteurs, pour une mise en connexion en parallèle desdits supercondensateurs, en formant un bloc de supercondensateurs; b) répéter l'étape a) pour obtenir au moins deux blocs de supercondensateurs; c) assembler les blocs de supercondensateurs en mettant en contact solidaire un premier élément de refroidissement d'un premier bloc avec un second élément de refroidissement d'un second bloc, pour une mise en connexion en série desdits blocs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un système à supercondensateurs de l'art antérieur; le figure 2 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'un système à supercondensateurs selon l'invention; la figure 3 représente le schéma électrique équivalent au système à supercondensateurs représenté en figure 2; la figure 4 représente une vue de face du premier mode de réalisation représenté en figure 1; la figure 5 est une vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation d'un système à supercondensateurs selon l'invention; la figure 6 est une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation d'un système à supercondensateurs selon l'invention; la figure 7 est une vue de dessus d'un quatrième mode de réalisation d'un système à supercondensateurs selon l'invention. Sur la figure 2 est représentée une vue en perspective d'un pack 1 de douze supercondensateurs 2 dans un premier mode de réalisation de l'invention, correspondant au schéma électrique de la figure 3. Une vue de face du pack 1 est représentée sur la figure 4. Les supercondensateurs 2 sont disposés parallèlement le long d'un axe de bloc Z1. Ils comportent à chacune de leurs deux extrémités le long de cet axe Z1 une borne de fixation 3, constituée par exemple d'une tige filetée. Les douze supercondensateurs 2 sont répartis en deux blocs Bli et BI2. Chaque bloc comprend six supercondensateurs 2 liés électriquement en parallèle. Les bornes de connexion 3 des supercondensateurs 2 sont fixées sur des radiateurs 4 s'étendant parallèlement à un plan P orthogonal à l'axe de bloc Z1. Les radiateurs 4 sont des pièces moulées en matériau conducteur rigide et de faible poids, par exemple en aluminium. Ils comportent une plaque collectrice 5 s'étendant parallèlement au plan P. Une pluralité d'ailettes de refroidissement 6 s'étendent, à partir de la plaque collectrice 5 et perpendiculairement au plan P. Dans le bloc Bli, une première borne de connexion 3 de chacun des 25 six condensateurs 2 est fixée à un premier radiateur 4a, par vissage d'une vis 7, au travers d'un trou pratiqué dans la base 5 du radiateur 4. De la même façon, l'autre borne de connexion 3 de chacun de ces six supercondensateurs est fixée à un second radiateur 4b. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, les six supercondensateurs d'un bloc sont disposés de façon matricielle 2x3. Le radiateur 4a présente une forme rectangulaire dans le plan P. Ses dimensions dans le plan P sont telles qu'il couvre la surface, perpendiculaire à l'axe de bloc Z1, couvertes par les six supercondensateurs. Le radiateur 4b est également de forme rectangulaire dans le plan P. Dans le mode de réalisation considéré, un des côtés du rectangle qu'il forme est un peu plus de deux fois plus long que celui correspondant du radiateur 4a. Une première borne de connexion 3 de chacun des six condensateurs 2 du bloc BI2 est fixée au radiateur 4b. L'autre borne est fixée à un radiateur 4c disposé dans le prolongement du radiateur 4a, sans toutefois le toucher. On notera que le radiateur 4c est similaire au radiateur 4a dans le cas d'un pack contenant deux blocs. Il est similaire au radiateur 4b dans le cas d'un pack contenant plus de deux blocs (voir pointillés). Chaque radiateur 4a, 4b, 4c contribue à la mise en parallèle des bornes de connexion des supercondensateurs d'un même bloc. De plus, le radiateur 4b permet la mise en série des deux blocs B11 et BI2, géométriquement dans le plan P et successivement le long d'un axe Z2 du plan P. Dans un autre mode de réalisation, le radiateur 4b pourrait être constitué de deux radiateurs de type 4a dans le prolongement l'un de l'autre suivant l'axe Z1, en contact l'un avec l'autre et de préférence solidarisés à l'aide de fixation (assurant la mise en série électrique). Les supercondensateurs 2 sont ici fixés dans les blocs sous forme de matrices 3x2. Toute autre disposition est possible, par exemple, en rond, en matrice 1x6, ou autre. La forme des radiateurs peut également être variée, en s'adaptant au mieux à l'espace disponible. Avantageusement le pack 1 ainsi réalisé de supercondensateurs 2 peut être muni d'un fond 8 et d'un couvercle 8' en matière isolante représentés sur la figure 2 (et peut servir de plancher bas d'un tramway par exemple). Deux blocs sont ici mis en série. Ce système d'assemblage peut être adapté pour mettre en série le nombre souhaité de blocs, et ce selon la forme géométrique désirée, en fonction par exemple de contraintes d'encombrement définies. Par exemple, la figure 5 est une vue de dessus d'un système d'assemblage 1' selon l'invention, permettant d'assembler en deux rangées huit blocs BI de six supercondensateurs chacun. Chaque rangée est constituée de quatre blocs de condensateurs en série s'étendant le long de deux axes distincts parallèles à l'axe Z2. La liaison en série entre chaque bloc adjacent est réalisée à l'aide d'un radiateur similaire au radiateur 4b, excepté à l'endroit où l'on souhaite effectuer le passage de la première rangée à la seconde rangée. A cet endroit, une borne en aluminium 9 parallèle à l'axe Z1 est fixée entre deux radiateurs similaires au radiateur 4a, pour assurer le contact électrique permettant la mise en connexion électrique en série du dernier bloc de la première rangée et du premier bloc de la seconde rangée. Une plaque isolante 10 est placée entre les deux rangées. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un système d'assemblage 1" selon l'invention, de deux blocs Bli et BI2, avec une disposition géométrique cylindrique des supercondensateurs. Les supercondensateurs 2 de chaque bloc sont cette fois fixés à des 15 radiateurs similaires au radiateur 4a de la figure 2. La liaison série entre deux blocs Bli, BI2 est réalisée par la mise en contact électrique face à face de deux radiateurs 4a délimitant les deux blocs Bli, BI2. Ils sont fixés rigidement l'un à l'autre à l'aide de deux barrettes 12 en aluminium ou autre métal conducteur fixées sur ces radiateurs par quatre vis 13. Un tel système d'assemblage 1" permet ainsi aux blocs en série du pack de s'étendre le long de l'axe de bloc Z1. Sur la figure 7 est représenté un système d'assemblage ri dans un troisième mode de réalisation de l'invention, assemblant en série quatre blocs 25 BI de trois supercondensateurs 2 chacun. La forme des radiateurs 4 est adaptée pour disposer successivement les blocs BI en série selon l'axe Z3 du plan P perpendiculaire à l'axe Z2 (et non le long de l'axe Z2, comme dans le cas des figures 2 et 4). Comme on le constate, un système d'assemblage selon l'invention 30 peut prendre de nombreuses formes modulables, en fonction notamment de l'encombrement que l'on veut lui voit tenir. Un tel système d'assemblage de supercondensateurs cumule donc les avantages de fournir une structure de connexion série et parallèle des supercondensateurs du pack puisqu'il est en matériau conducteur (ailettes et plaque collectrice). II rigidifie le pack et il est d'un coût réduit. Par ailleurs, il permet de refroidir, de par sa structure, le pack et de maintenir une température aux bornes de connexion 3 d'environ 30 C. En effet, la chaleur émise par les supercondensateurs depuis leurs bornes de connexion, est ensuite évacuée en se diffusant vers les ailettes, puis vers l'air (on notera d'ailleurs que la forme des radiateurs peut être très variée, de même que la forme et le nombre des ailettes, pour peu que ces caractéristiques contribuent à une évacuation efficace de la chaleur par des contacts importants avec l'air). Dans un mode de réalisation, un système de ventilation peut en outre être ajouté, avec par exemple l'air pulsé V' dirigé selon Z2 (voir figure 2). D'autres moyens de refroidissement peuvent être ajoutés: par exemple des moyens de circulation d'eau au travers des ailettes etc. Un tel système à supercondensateurs (par exemple représenté en figure 4) peut être assemblé de manière à s'adapter aux contraintes d'encombrement imposées dans les tramways. En effet, les blocs peuvent prendre divers formes (lignes, matrices, cylindres etc), de même que les radiateurs. Comme décrit ci-dessus, on peut faire se succéder les blocs suivant un ou des axes successifs variés et leur faire décrire des formes diverses, en fonction des dispositions relatives des radiateurs entre eux, et des radiateurs par rapport aux blocs. Un système à supercondensateurs selon l'invention peut aisément être inséré sous le plancher de tramways, en toute sécurité, une fois muni d'un fond et d'un plafond isolants fixés sur les radiateurs comme représenté en figure 2. La liaison électrique du système à supercondensateurs selon l'invention à un circuit amont et un circuit aval se fait par exemple par raccordement électrique aux ailettes, ou à la plaque collectrice. REVENDICATIONS 1. Système à supercondensateurs (1;1' ;1") comportant des blocs (B11,B12; BI) liés électriquement en série, chaque bloc comprenant des supercondensateurs liés électriquement en parallèle, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments rigides (4, 4a, 4b) en matériau conducteur électrique, la forme de chaque élément rigide étant adaptée pour dissiper la chaleur pour refroidir au moins lesdits supercondensateurs; et en ce que dans un bloc de supercondensateurs, chaque supercondensateur comportant une première et une seconde borne de connexion (3), toutes les premières bornes de connexion, respectivement toutes les secondes bornes de connexion, de chaque supercondensateur du bloc sont fixées à un même premier, respectivement second élément rigide. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les premières ou secondes bornes de connexion de supercondensateurs d'un premier bloc et les premières ou secondes bornes de connexion d'un second bloc adjacent audit premier bloc dans une liaison série, sont connectées à un même élément rigide ou à des éléments rigides solidaires et mis en contact. 3. Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la forme d'un élément rigide est adaptée pour dissiper la chaleur par contact avec l'air. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 25 lequel au moins un élément rigide comprend une plaque collectrice (5) et une pluralité d'ailettes de refroidissement (6). 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les supercondensateurs (2) d'un bloc (BI1,BI2) s'étendent le long d'un axe de bloc (Z1), et le premier, respectivement second élément rigide (4) du bloc s'étend dans un premier, respectivement second plan de bloc (P), perpendiculaire audit axe de bloc. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un des éléments rigides est un élément moulé. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un des éléments rigides est en aluminium. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une borne de connexion (3) d'au moins un supercondensateur est connectée à 15 l'élément rigide (4) par vissage. 9. Procédé d'assemblage d'un système à supercondensateurs (1;1' ;1") avec des éléments de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) assembler une pluralité de supercondensateurs (2) entre deux éléments de refroidissement rigides et conducteurs (4, 4a, 4b), pour une mise en connexion en parallèle desdits supercondensateurs, en formant un bloc de supercondensateurs (Bu,BI2; BI) ; b) répéter l'étape a) pour obtenir au moins deux blocs de supercondensateurs; c) assembler les blocs de supercondensateurs en mettant en contact solidaire un premier élément de refroidissement d'un premier bloc avec un second élément de refroidissement d'un second bloc, pour une mise en connexion en série desdits blocs. 10. Procédé selon la revendication 9, selon lequel, à l'étape c), le premier élément de refroidissement (4, 4a, 4b) d'un premier bloc et le second élément de refroidissement d'un second bloc sont formés dans une seule pièce. 11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, selon lequel la forme d'un élément de refroidissement (4, 4a, 4b) est adaptée pour dissiper la chaleur par contact avec l'air. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, selon lequel au 10 moins un élément de refroidissement (4, 4a, 4b) comprend une plaque collectrice (5) et une pluralité d'ailettes de refroidissement (6). 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, selon lequel, pour se conformer à des contraintes d'encombrement définies, on adapte la forme de l'assemblage en fonction d'au moins un paramètre parmi la forme des éléments rigides, la disposition des éléments rigides entre eux et par rapport aux blocs de supercondensateurs et la forme des blocs de supercondensateurs. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, selon lequel, pour se conformer à des contraintes d'encombrement définies, on assemble, le long d'un premier axe, une première partie d'une pluralité de blocs (4, 4a, 4b) assemblés en série selon l'étape c), et on assemble, le long d'un second axe différent du premier axe, une seconde partie de ladite pluralité de blocs.