Preuve de concept d'un dispositif de stockage d'énergie pour applications dans des convertisseurs de puissance

Ce mémoire traite d'un dispositif de stockage d'énergie utilisant des supercondensateurs. Ce dispositif, lorsque utilisé en plusieurs exemplaires commutés et reliés en série, permet de créer divers types de convertisseurs de puissance. L'usage de supercondensateurs dans le principe de fonctionnement de ces convertisseurs de puissance leur permet de combiner les fonctions de conversion de puissance et de stockage d'énergie dans un seul dispositif. L'objectif principal de ce mémoire est de démontrer la faisabilité du concept présenté. C'est-à-dire montrer que les modules individuels fonctionnent tel qu'anticipé, et qu'il est possible de réaliser des convertisseurs de puissance fonctionnels en utilisant plusieurs de ces modules. Le principe de la double couche électrochimique, sur lequel repose le fonctionnement des supercondensateurs, permet à ces derniers d'accumuler substantiellement plus d'énergie que les condensateurs conventionnels. De plus, ils ont une densité de puissance supérieure à celle des batteries conventionnelles. Cela est dû au fait que le fonctionnement des batteries repose sur des réactions chimiques, un processus relativement lent. Par contre, les supercondensateurs sont limités par la tension qu'ils peuvent atteindre, soit environ 2,7 V généralement. On doit alors en relier plusieurs en série afin d'obtenir des tensions plus élevées. Or, cela pose problème car la variabilité des capacités réelles d'un condensateur à un autre fera varier les tensions atteintes dans chacun d'eux. Il y a alors risque de dépasser les limites de tensions. Cependant, le principe de fonctionnement du dispositif dont il est question ici permet de gérer les tensions, ce qui élimine ce problème. Le coeur du projet réside dans le module de puissance. Celui-ci est composé de supercondensateurs et des semiconducteurs servant d'interrupteurs. Le circuit repose sur le concept de supercondensateurs commutés, reliés en série. La commutation permet d'inclure ou de retirer individuellement tout supercondensateur de la série, ce qui fait varier la tension aux bornes de la série en conséquence. Les commutations sont commandées par un microcontrôleur. De plus, le design du dispositif retenu dans le cadre de cette recherche contient un circuit de commande et de protection. Chacune des séries de supercondensateur constitue une « branche ». Un convertisseur peut être réalisé en faisant fonctionner une ou plusieurs branches en parallèle, selon la topologie retenue. Les tests effectués pendant le projet ont porté sur une topologie à trois branches.

Abstract

This dissertation presents an energy storage device which uses ultracapacitors. This device, when used in several series connected and commutated units enables the creation of different types of power converters. The use of ultracapacitors in those power converters allows them to combine the functions of power conversion and of energy storage in one single device. The main objective of this dissertation is to demonstrate the feasability of the concept, which means showing that individual modules work as they are expected to, and that it is possible to make power converters by connecting several of these devices in series. The electrochemical double layer concept, on which ultracapacitors rely, allows them to store much more energy than conventional capacitors. Ultracapacitors also have a much higher power density than conventional batteries. This is due to the fact that conventional batteries rely on chemical reactions, which is a relatively slow process. One the other hand, the tension that ultracapacitors can handle is limited to low values, typically around 2,7 V. They must therefore be connected in series in order to attain higher voltages. This can be problematic because the variability of capacity from one ultracapacitor to another will result in varying tensions in each of them. There is then a risk that the tension might exceed the limit in one or more of them. However, the operating principle of the device allows managing the tensions in each ultracapacitor, which solves this problem. The basic building block of the invention is the power module. It is composed of ultracapacitors and semiconductors acting as interruptors. The concept of commutated ultracapacitors connected in series is at the heart of the operating principle of the circuit. Each ultracapacitor can either be added or removed from a branch of ultracapacitors connected in series. This is done by the commutation of the semiconductors used as interruptors. This results in the ability to control at will the resulting tension between the two ends of a branch. The commutations are controlled by a microcontroler chip. The design of the device, as used in this research, also contains a control and protection circuit. A converter can be made by using one or several branches in parallel. The tests made for this research used a topology consisting of three branches. In this topology, there is always one of the branches connected to the input, another connected to the output, and the third branch acts as a buffer.