Brevet FR3129789A1 — publié le 20230602

Dispositif d’équilibrage de tension de supercondensateurs mis en série L’invention concerne un dispositif (10) d’équilibrage de tension comprenant une pluralité d’étages (11) connectés en série, chaque étage comprenant : un supercondensateur (12) ; une première branche de circuit (20) mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit (20) comportant une première résistance (21) mise en série avec au moins une diode (22) dans le sens passant. Figure pour l’abrégé : Fig. 5 Dispositif d’équilibrage de tension de supercondensateurs connectés en série La présente invention concerne le domaine de l’équilibrage de tension d’une pluralité de supercondensateurs mis en série. L’invention concerne également les dispositifs de stockage d’énergie électrique de secours, et plus particulièrement les dispositifs de stockage d’énergie électrique d’ultime secours à base de supercondensateurs. Les dispositifs de stockage d’énergie électrique de secours sont maintenus sous tension et restent en attente en cas d’urgence. Ils doivent être disponibles et prêts à fonctionner lorsque le secours est nécessaire. Les dispositifs de stockage d’énergie d’ultime secours peuvent par exemple alimenter les démarreurs de groupes diesels de secours, les moteurs des éoliennes ce qui permet de mettre les pales en drapeau en cas de disparition du réseau et de freiner puis de bloquer la rotation, ou encore les pompes de refroidissement des réacteurs de centrales nucléaires ou installations industrielles où l’évacuation de la chaleur générée ou stockée est critique. Une des particularités des dispositifs de stockage d’énergie à base de supercondensateurs pour le secours consiste à faire faire aux supercondensateurs très peu de cycles de charge/décharge au cours de leur vie, comparativement aux valeurs d’un à deux millions de cycles que ces composants peuvent réaliser. Une autre des particularités de ces dispositifs tient en ce que leur état principal est un état d’attente sous tension, et ils doivent pouvoir fournir une puissance élevée lors d’une sollicitation pour le secours en énergie électrique. Les supercondensateurs sont des composants de stockage d’énergie électrique ayant des énergies massiques relativement faibles, typiquement de l’ordre de quelques watts heure par kilogramme, inférieures d’au moins un facteur dix à celles caractéristiques des batteries, mais pouvant délivrer de fortes puissances. Leurs puissances massiques sont de l’ordre de quelques kilowatts heure par kilogramme. Les supercondensateurs présentent aussi l’avantage d’avoir une plage de températures de fonctionnement plus étendue que les batteries, en particulier pour les températures négatives. Le stockage de l’énergie dans les supercondensateurs s’effectue sous forme électrostatique à l’interface entre une électrode de graphite de très grande surface et un électrolyte. La tension maximale est limitée, typiquement à 2,7 V, pour ne pas dégrader l’électrolyte par électrolyse. Pour obtenir de plus hautes tensions, les supercondensateurs sont mis en série. Les supercondensateurs en série doivent être tous de même capacité et chargés sous des tensions identiques. Par conséquent, les supercondensateurs mis en série doivent avoir une faible dispersion en valeur de capacité vis-à-vis de leur tolérance de fabrication. En outre, il est nécessaire d’assurer l’équilibrage en tension de la mise en série pour que les supercondensateurs soient tous chargés à une même tension. Lorsqu’une pluralité de supercondensateurs est mise en série, les supercondensateurs sont parcourus par un même courant qui les charge et les décharge. Ce courant n’est pas la cause de déséquilibres en tension. Mais la dispersion des courants de fuite des supercondensateurs peut causer des déséquilibres en tension au sein de la pluralité de supercondensateurs en série. Si un supercondensateur a un courant de fuite inférieur à celui des autres supercondensateurs avec qui il est en série, la tension va augmenter à ses bornes. A l’inverse, si un supercondensateur a un courant de fuite supérieur à celui des autres supercondensateurs, la tension va chuter à ses bornes. Dans de nombreuses applications, les supercondensateurs assurent l’alimentation de fonctions de sécurité pour lesquels les critères de fiabilité et de disponibilité sont extrêmement importants. L’électronique associée aux supercondensateurs pour assurer la fonction d’équilibrage en tension doit donc être très fiable et/ou très disponible. La fiabilité est généralement assurée par des fonctions simples mettant peu de composants en œuvre. Une disponibilité élevée est généralement assurée par de la redondance. La fiabilité est alors diminuée en raison du nombre de composants utilisés, plus important du fait de la redondance. En revanche, la fonction à remplir continue à être opérationnelle en cas de défaillance sur une partie de l’électronique, puisque d’autres parties sont susceptibles d’assurer la fonction en redondance. Le niveau de disponibilité peut être très élevé : toutes les parties électroniques en redondance doivent être défaillantes simultanément pour que la fonction ne puisse plus être remplie. Une solution simple et fiable connue de l’état de l’art pour assurer l’équilibrage en tension d’une mise en série de supercondensateurs consiste à mettre des résistances de valeurs identiques en parallèle sur chacun des supercondensateurs. Ces résistances sont parcourues par des courants supérieurs d’un facteur 10 ou 20 au courant de fuite maximum des supercondensateurs. Cette solution est représentée à la . Chaque supercondensateur 1 est associé à une résistance 2 mise en parallèle, les résistances 2 ayant toutes des valeurs identiques. La présence d’une résistance en parallèle parcourue par un courant beaucoup plus élevé que le courant de fuite va fortement limiter la variation de tension due à la différence de courant de fuite. C’est en effet la résistance qui va être traversée principalement par la différence de courant de fuite et qui aura donc à ses bornes une augmentation ou une diminution de tension égale à sa valeur multipliée par la différence de courant de fuite. Cette solution résistive est très fiable car le taux de défaillance des résistances est faible. Cependant, elle entraîne une perte d’énergie en continu qui doit être compensée par une alimentation électrique, et un échauffement dû à la dissipation thermique de cette énergie. Dans le cas d’un dispositif de secours, il est donc nécessaire de fournir en permanence l’énergie dissipée par les résistances et d’évacuer la chaleur générée par celles-ci. D’autres dispositifs d’équilibrage en tension existent, par exemple basés sur des circuits électroniques qui comparent la tension d’un supercondensateur à celle de l’un de ses voisins dans la mise en série et égalisent les tensions. Une autre solution connue consiste à utiliser un convertisseur d’électronique de puissance pour échanger de l’énergie entre un supercondensateur et l’un de ses voisins dans la mise en série si les tensions de ces deux supercondensateurs ne sont pas égales. De nombreuses variantes de ces circuits électroniques existent, mais elles présentent l’inconvénient d’un risque de défaillance augmenté du fait du nombre de composants utilisés. En outre, les conséquences d’une défaillance sont plus graves que celles amenées par la défaillance d’une résistance. Il est vrai que la valeur d’une résistance peut évoluer ou que le film conducteur peut se couper : la résistance se comporte alors comme un circuit ouvert. En revanche, le risque de mise en court-circuit est très faible, voire nul. Pour des électroniques d’équilibrage plus complexes, le risque de court-circuit provoqué par la défaillance d’un composant est significativement plus élevé. Cela peut provoquer un court-circuit du supercondensateur concerné. Ainsi, outre la défaillance de la mise en série de supercondensateurs, ce défaut peut provoquer un départ de feu électrique. En résumé, l’équilibrage des tensions des supercondensateurs mis en série par des résistances de valeurs identiques placées en parallèle de chaque supercondensateur offre une très bonne fiabilité, avec des modes de défaillance qui ne sont pas critiques. En comparaison, les solutions électroniques plus complexes sont d’une fiabilité moindre et peuvent être assujetties à des modes de défaillance dangereux pour le dispositif de stockage. L’équilibrage en tension est un besoin existant également dans le domaine des accumulateurs électrochimiques, et en particulier des accumulateurs électrochimiques Lithium-ion. Toutefois, le besoin d’équilibrage des accumulateurs est très différent de celui supercondensateurs. Du fait des très faibles courants d’autodécharge des accumulateurs Lithium-ion par rapport à l’énergie stockée, il n’est pas nécessaire d’alimenter et de maintenir sous tension des accumulateurs Lithium-ion pour compenser les courants d’autodécharge. Des accumulateurs Lithium-ion de bonne qualité peuvent conserver leur énergie électrique pendant plusieurs années. Lors d’une phase de recharge, l’équilibrage en tension consiste à limiter la tension maximale des accumulateurs à un seuil choisi et à amener tous les accumulateurs à ce seuil. Classiquement, l’équilibrage de tension des accumulateurs Lithium-ion utilise des circuits électroniques complexes. Par exemple, la solution la plus répandue consiste à mesurer la tension de chacun des accumulateurs Lithium-ion mis en série, arrêter la charge lorsqu’un des accumulateurs atteint le seuil maximum en tension choisi, décharger les accumulateurs de plus haute tension jusqu’à atteindre la tension des accumulateurs de plus basse tension par fermeture de transistors pour permettre le passage d’un courant de décharge au travers d’une résistance de décharge. La recharge reprend alors jusqu’à ce que tous les accumulateurs Lithium-ion atteignent le seuil en tension choisi. Tous les accumulateurs en série sont alors équilibrés en tension à la valeur de seuil choisie. L’équilibrage en tension des accumulateurs Lithium-ion tel que décrit nécessite une électronique de gestion complexe, dont la fiabilité est limitée du fait du nombre de fonctions électroniques à réaliser. D’autre part, l’équilibrage en tension réalisé, qui atteint une limite en tension aux bornes de chaque accumulateur, n’est pas adapté aux supercondensateurs mis en série. En effet, il n’est pas seulement nécessaire de limiter la tension maximale aux bornes des supercondensateurs. Il faut également que les tensions aux bornes de chacun des supercondensateurs soient identiques quel que soit le niveau d’énergie et quel que soit le niveau de tension global aux bornes de la mise en série, pour optimiser la restitution d’énergie. Il est en outre nécessaire qu’en cas de décharge complète, les supercondensateurs soient seulement déchargés jusqu’à zéro volt et non inversés en tension, c’est-à-dire chargés en inverse avec apparition d’une tension négative à leurs bornes. Pour réaliser l’équilibrage de tension de supercondensateurs en série avec une électronique simple et fiable et dissipant une puissance réduite par rapport à la solution avec une résistance en parallèle à chaque supercondensateur, il est connu de placer en parallèle de chaque supercondensateur de la mise en série une branche constituée d’une résistance en série avec une diode Zener dont la tension d’écrêtage est inférieure à la tension maximale des supercondensateurs. Cette solution est décrite dans la demande de brevet JP2004222438A et illustrée à la : un ensemble 6 constitué d’une diode Zener 5 en série avec une résistance 3 est placé en parallèle de chacun des supercondensateurs 1a, 1b. Les diodes Zener sont des composants qui permettent un écrêtage en tension. Leur fonctionnement est basé sur deux phénomènes physiques différents selon leur niveau de tension. Au-delà de 6 volts, les diodes dites « diodes Zener » utilisent en réalité le phénomène physique de l’avalanche, qui permet un écrêtage en tension très franc avec peu de courant de fuite en-dessous du seuil de tension, et peu d’élévation de tension en fonction du courant au-dessus du seuil de tension. Ceci s’observe par des caractéristiques de droites verticales dans les figures 3 et 4. La représente l’intensité du courant (en mA) en fonction de la tension (en V) aux bornes d’une diode Zener, pour une tension comprise entre 0 et 12 V. La représente l’intensité du courant (en mA) en fonction de la tension (en V) aux bornes d’une diode Zener, pour une tension comprise entre 12 V et 91 V. On observe donc une variation de tension limitée pour plusieurs ordres de grandeur de variation du courant. En-dessous de 6 V, les diodes Zener fonctionnent par effet Zener. Sous le seuil de tension de la diode Zener, il existe déjà un courant de fuite notable. Par exemple, pour une diode Zener de seuil de tension 1,8 V mesuré au courant de test de 50 µA, le courant de fuite maximum spécifié par le constructeur est de 7,5 µA pour une tension de 1 V seulement, éloignée du seuil de tension. Au-delà du seuil de tension spécifié, la tension croît fortement au fur et à mesure de l’augmentation de l’intensité du courant. La tension est mal écrêtée. Une résistance apparente de valeur élevée et variable, car dépendante du courant, existe. Cette résistance apparente n’est pas spécifiée ni en valeur, ni en évolution en fonction de la température. Sur la courbe du composant de plus faible tension, on observe que la tension croît de 0,5 V de 0,1 mA à 1 mA, puis de nouveau de 0,5V de 1 mA à 10 mA. Dans la première plage, la résistance apparente est de l’ordre de 500 ohms et de 50 ohms dans la seconde. Une diode « dite Zener » de seuil de tension supérieur à 6 V fonctionne en régime d’avalanche et constitue un écrêteur en tension efficace et de faible résistance interne. L’ajout d’une résistance en série permet de donner une pente de la tension en fonction du courant parfaitement maitrisée et précise définie par la valeur de la résistance. Une diode Zener de seuil de tension inférieur à 6 V fonctionnant par effet Zener ne constitue pas un écrêteur en tension efficace et de faible résistance interne. L’ajout d’une résistance en série ne permet pas de maîtriser la pente de la tension en fonction du courant du fait de la résistance apparente de la diode Zener qui dépend fortement du courant et n’est spécifiée ni en valeur ni en variation en fonction de la température. Pour l’application d’équilibrage de tension de supercondensateurs mis en série, le seuil de tension nécessaire correspond généralement à une diode Zener fonctionnant par effet Zener, c’est-à-dire inférieur à 6 V. L’utilisation d’une diode Zener telle que décrite par la demande JP2004222438A présente l’avantage de dissiper une puissance inférieure à la solution résistive tout en ayant la même résistance apparente. Autrement dit, un écart de courant de fuite d’un supercondensateur par rapport aux autres supercondensateurs donnera lieu à la même variation de tension que pour la solution résistive mais dissipera une puissance inférieure. Par exemple, si l’écrêtage en tension de la diode Zener correspond aux deux tiers de la tension de fonctionnement des supercondensateurs, la résistance sera soumise au tiers de cette tension et sera traversée par un courant égal au tiers de celui de la solution résistive. La puissance dissipée sera ainsi divisée par trois. Cependant, cette solution présente des inconvénients majeurs. Tout d’abord, la diode Zener est utilisée dans son sens bloqué, et écrête donc en tension à une valeur qui dépend de l’épaisseur de ses couches. La valeur de tension seuil est alors très sensible à la tolérance de fabrication des épaisseurs de jonction de la diode. Les performances en précision du seuil de tension sont limitées par la tolérance de fabrication des diodes Zener, qui est typiquement de l’ordre de 5%. Par exemple, avec une tolérance de +/- 5%, une diode Zener de 1,8 V, telle que la diode de référence MMSZ49781 du fabricant ON Semiconductor, possède une variation du seuil de tension possible de 180 mV, ce qui est prohibitif pour l’application visée par l’invention. De plus, lorsque la tension aux bornes des supercondensateurs est inférieure à la tension de la diode Zener, l’équilibrage en tension ne fonctionne pas. Enfin, l’écrêtage en tension est de qualité insuffisante pour les faibles tensions, inférieures à 6 V. Les diodes Zener peuvent être triées pour minimiser la dispersion de leurs seuils de tension, mais cela se fait au prix d’un coût accru par l’opération de tri et par la non-utilisation des composants qui ne respectent pas la tolérance choisie. Il est envisageable de remplacer les diodes Zener par des composants appelés diodes Zener programmables ou références de tension ajustables. Les diodes Zener programmables sont des circuits intégrés analogiques qui s’alimentent par les bornes et comparent la tension aux bornes divisé par un pont de résistance externe à une référence de tension de précision de type référence de bande interdite. Une référence répandue de diode Zener programmable est le composant connu sous la dénomination TL431. Son seuil interne est de 2,5 V. Toutefois, une diode Zener programmable, bien que plus précise, est moins fiable qu’une diode Zener car elle est constituée d’un circuit intégré regroupant plusieurs fonctions : référence de tension de type référence de bande interdite, amplificateur opérationnel monté en comparateur de tension, transistors amplificateurs de courant. Une diode Zener programmable a donc une probabilité de défaillance plus élevée qu’une diode Zener, une résistance ou une diode à jonction. Il existe donc un besoin pour une solution d’équilibrage en tension d’une pluralité de supercondensateurs mis en série, qui remédie aux inconvénients de l’art antérieur, notamment en minimisant la puissance perdue et la chaleur générée, tout en assurant un niveau de fiabilité élevé. Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif d’équilibrage de tension, comprenant une pluralité d’étages connectés en série, chaque étage comprenant : un supercondensateur ; une première branche de circuit mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit comportant une première résistance mise en série avec au moins une diode dans le sens passant. Par « diode dans le sens passant » ou « sens direct », on entend dans le cadre de l’invention que l’anode de la diode (ou de la mise en série de plusieurs diodes) est reliée au pôle positif du supercondensateur et la cathode de la diode (ou de la mise en série de plusieurs diodes) est reliée au pôle négatif du supercondensateur. L’invention consiste donc essentiellement à réaliser la fonction d’équilibrage en tension au moyen d’une résistance mise en série avec une ou plusieurs diodes en sens passant dans une branche de circuit parallèle à chaque supercondensateur. Lorsque la tension aux bornes du supercondensateur est supérieure au seuil de tension de la(des) diode(s) en sens passant, cette dernière devient passante et un courant peut circuler dans la première branche de circuit. Cela permet de réaliser l’équilibrage de tension pour les tensions supérieures au seuil de la (des) diode(s). Les diodes dans le sens passant, ou sens direct, ne sont pas une solution connue pour réaliser des écrêteurs car la tension à leur borne dépend directement du courant. Le modèle idéal de la diode est donné par l’équation de Shockley : U est la tension aux bornes de la diode, k est la constante de Boltzmann, q est la charge de l’électron, T est la température, U t est la tension thermique égale à kT/q, I s est le courant de saturation de la diode. On voit ainsi qu’une diode en sens direct a une tension qui croît selon le logarithme du courant et n’est donc pas indépendante du courant. Bien qu’une diode dans le sens direct ne soit pas un écrêteur de tension performant du fait de la dépendance de la tension au courant, son utilisation dans l’application est possible grâce à la résistance mise en série dont la valeur est très supérieure à la résistance apparente de la diode pour le courant d’écrêtage. La précision de la tension seuil de l’écrêtage est alors améliorée par rapport à la solution selon l’état de l’art mettant en œuvre une diode Zener, et la puissance perdue est fortement diminuée par rapport à la solution de l’état de l’art consistant à mettre une résistance en parallèle à chaque supercondensateur. L’invention permet donc d’assurer de bonnes performances en équilibrage de tension tout en minimisant la puissance perdue. Selon un mode de réalisation avantageux, la première branche du circuit comporte trois diodes dans le sens passant. De préférence, l’au moins une diode est choisie de sorte qu’un mode de défaillance de la diode est le court-circuit. Autrement dit, on préfère utiliser une technologie de diodes qui minimise le risque de défaillance en circuit ouvert. En effet, un mode de défaillance de type court-circuit n’est pas critique pour le fonctionnement du dispositif. Cela entraîne une baisse de la tension aux bornes du supercondensateur, qui stockera alors moins d’énergie, impactant la quantité d’énergie pouvant être délivrée par un dispositif de stockage d’énergie comportant le dispositif d’équilibrage de tension. Le dispositif de stockage d’énergie sera toutefois fonctionnel. Au contraire, en cas de mode de défaillance d’une diode en circuit ouvert, la tension va augmenter fortement aux bornes du supercondensateur car le courant ne peut plus circuler dans la première branche. Ce courant va surcharger le supercondensateur et provoquer l’électrolyse de l’électrolyte, causant une dégradation rapide du supercondensateur. La défaillance du supercondensateur va provoquer la défaillance globale de la mise en série de supercondensateurs, qui ne pourra plus assurer une fonction de secours. Avantageusement, l’au moins une diode est une diode à jonction, de préférence une diode silicium à jonction. Dans un mode de réalisation particulier, l’au moins une diode est mise en parallèle avec au moins une autre diode. Ainsi, en cas de défaillance de type circuit ouvert de l’une des diodes, un courant pourra toujours circuler dans la première branche de circuit par une diode mise en parallèle avec la diode défaillante. Selon une caractéristique avantageuse, la première résistance a une valeur comprise entre le cinquième et le cinquantième, de préférence entre le dixième et le vingtième, d’une tension de service du supercondensateur divisée par un courant de fuite maximum prédéterminé du supercondensateur. Selon un mode de réalisation préféré, chaque étage comporte en outre, en parallèle du supercondensateur et de la première branche de circuit, une deuxième branche de circuit comportant une deuxième résistance. La deuxième résistance permet avantageusement de réaliser un équilibrage en tension pour des courants de fuite faibles, lorsque la tension aux bornes du supercondensateur est inférieure à la tension de seuil de la mise en série de diodes en sens passant. De préférence, la deuxième résistance a une valeur comprise entre 5 et 20 fois la valeur de la première résistance. L’invention concerne également sur un dispositif de stockage d’énergie électrique de secours comportant un dispositif d’équilibrage de tension selon l’invention. D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. la représente un premier dispositif d’équilibrage en tension selon l’art antérieur. la représente un deuxième dispositif d’équilibrage en tension selon l’art antérieur. la est un graphique représentant le courant en fonction de la tension aux bornes d’une diode Zener. la est un graphique représentant le courant en fonction de la tension aux bornes d’une diode Zener pour une gamme de valeurs de tension différente de celle de la . la est un schéma d’un mode de réalisation du dispositif selon l’invention. Dispositif (10) d’équilibrage de tension, comprenant une pluralité d’étages (11) connectés en série, chaque étage comprenant : un supercondensateur (12) ; une première branche de circuit (20) mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit (20) comportant une première résistance (21) mise en série avec au moins une diode (22) dans le sens passant. Dispositif selon la revendication 1, la première branche de circuit comportant trois diodes (22) dans le sens passant. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’au moins une diode (22) étant choisie de sorte qu’un mode de défaillance de la diode est le court-circuit. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’au moins une diode (22) étant une diode à jonction, de préférence une diode silicium à jonction. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’au moins une diode (22) étant mise en parallèle avec au moins une autre diode. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, la première résistance (21) ayant une valeur comprise entre le cinquième et le cinquantième, de préférence entre le dixième et le vingtième, d’une tension de service du supercondensateur divisée par un courant de fuite maximum prédéterminé du supercondensateur. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, chaque étage comportant en outre, en parallèle du supercondensateur et de la première branche de circuit (20), une deuxième branche de circuit (30) comportant une deuxième résistance (31). Dispositif selon la revendication précédente, la deuxième résistance (31) ayant une valeur comprise entre 5 et 20 fois la valeur de la première résistance (21). Dispositif de stockage d’énergie électrique de secours comportant un dispositif d’équilibrage de tension selon l’une des revendications précédentes.