Amélioration de la sûreté de fonctionnement des dispositifs de stockage d'énergie

Les travaux de recherche évoqués dans ce mémoire concernent l'amélioration de la sûreté de fonctionnement (c'est à dire la fiabilité, la disponibilité, la maintenabilité et la sécurité) des dispositifs de stockage d'énergie. Les études traitées à ce jour se rapportent aux condensateurs et aux supercondensateurs. Le titre de ce mémoire est volontairement plus général afin de montrer que ces travaux ne demandent plus qu'à être élargis aux batteries.Compte tenu de leur capacité à stocker de l'énergie sous forme de charges électrostatiques, les condensateurs sont des composants passifs indispensables dans les circuits d'électronique de puissance.Les condensateurs électrolytiques sont parmi les condensateurs les plus utilisés (plus d'un tiers du marché mondial des condensateurs) car ils associent, une forte capacité par unité de volume, une tension de fonctionnement pouvant atteindre plusieurs centaines de volts et un prix avantageux. Leur principal défaut est leur taux de défaillance relativement élevé par rapport aux autres constituants des circuits électroniques. L'amélioration de leur fiabilité et la pratique de la maintenance prédictive (prévision des pannes) est donc fondamentale pour la disponibilité des systèmes dans lesquels ils sont employés.Les autres condensateurs largement utilisés dans le domaine de l'électronique de puissance, grâce à leur faible coût et à leur propriété d'auto-cicatrisation, sont les condensateurs à films polypropylène métallisés. Compte tenu du risque d'inflammation en cas de défaut, l'amélioration de la sûreté de fonctionnement de ces composants est primordiale.Aujourd'hui, le stockage de l'énergie électrique constitue un axe de recherche majeur pour les applications de la traction électrique dans le cadre d'un développement durable pour les transports. La recherche sur des générateurs électrochimiques de nouvelle génération, tels que les supercondensateurs, s'avère nécessaire au développement de véhicules électriques et hybrides. Comme tous les générateurs électrochimiques, ces composants présentent une période d'usure préjudiciable pour leur durée de vie. De plus la majorité de ces composants comporte un électrolyte à base d'acétonitrile, un composé inflammable et explosif. L'étude de leur sûreté de fonctionnement est donc, là aussi, fondamentale.Deux approches en interaction forte afin de concourir à l'objectif d'amélioration de la sûreté de fonctionnement de ces composants, sont considérées : la fiabilité et le diagnostic. La préoccupation majeure dans la démarche « fiabilité » est de suivre et d'analyser les défauts et le vieillissement des composants afin d'en prévoir leurs défaillances. Cette connaissance des défaillances peut alors rétroagir sur la conception afin d'en améliorer la fiabilité. Le diagnostic par l'intermédiaire de mesures et de méthodes adéquates doit assurer la détection de pannes ou du vieillissement des composants, la finalité recherchée étant la maintenance prédictive.La sûreté de fonctionnement est fortement liée aux caractéristiques technologiques des composants. Le chapitre 1 présente donc les différents constituants des condensateurs, l'assemblage de ceux-ci et la technologie utilisée pour leur fabrication. Grâce à l'élaboration de schémas électriques équivalents liés aux différents éléments constituant le condensateur, le comportement de ce dernier et les influences des paramètres électriques et thermiques sont analysés.Le chapitre 2 reprend les mêmes études appliquées au supercondensateur. Ce composant est particulier puisque son principe ne repose pas sur la présence d'un diélectrique mais sur celui de la double couche électrique qui se crée à l'interface entre une électrode solide (matériaux poreux tels que le charbon actif) et un électrolyte liquide en présence d'un champ électrique. C'est l'épaisseur de la double couche électrique de quelques nanomètres (liée aux diamètres des molécules du solvant) qui définit la capacité du composant qui est non linéaire. Les différentes caractérisations des supercondensateurs permettent de réaliser différents schémas équivalents spécifiques à ce type de composant en fonction de son utilisation et des paramètres électriques et thermiques. Le chapitre 3 aborde le problème de la fiabilité des condensateurs et supercondensateurs. Pour contraindre les différents éléments constituant les condensateurs, différents tests de vieillissement accéléré sont élaborés et corrélés aux mécanismes de défaillances associés. Ainsi, pour les condensateurs à films polypropylène métallisés par exemple, il est montré, à qualité de fabrication égale, la meilleure fiabilité du condensateur plat par rapport à son équivalent long. Un des principaux objectifs est aussi de connaître les dérives des paramètres caractéristiques des composants en fonction de leurs mécanismes de vieillissement. Les influences de celles-ci sont reportées sur les schémas équivalents spécifiques aux composants. Pour les supercondensateurs les systèmes d'équilibrage nécessaires pour leur mise en série sont aussi étudiés vis-à-vis de leur fiabilité.Le chapitre 4 traite de l'aspect diagnostic. Compte tenu de l'existence d'une période d'usure, la défaillance des condensateurs électrolytiques ou des supercondensateurs prend un caractère systématique. Afin d'éviter des frais liés à une maintenance préventive systématique effectuée selon un échéancier établi, une maintenance prédictive est appliquée aux composants. Celle-ci permet de connaître l'état de vieillissement des condensateurs et ainsi le changement de ceux-ci peut être programmé à un moment opportun. L'état de vieillissement des condensateurs est représenté par la résistance équivalente série (ESR) qui évolue en fonction du temps, de la température et de la fréquence selon une loi déterminée. Un condensateur intelligent intégrant un système électronique économique capable de signaler l'instant adéquat où le condensateur doit être changé a été réalisé et breveté. Par l'analyse de la tension, du courant et de la température boîtier du composant et des lois de vieillissement simples, le système détecte la dégradation évolutive des condensateurs. Pour finir, la partie conclusion et perspectives présentent les évolutions à attendre des composants passifs, les nouvelles applications liées au stockage d'énergie envisageables grâce aux supercondensateurs et les recherches à envisager pour améliorer la sûreté de fonctionnement des dispositifs de stockage de l'énergie