Pourquoi Combiner Les Batteries Lithium-Ion Et Les Supercondensateurs ? Optimiser Le Hess Pour La Puissance Et La Longévité

Le moteur fondamental de la combinaison des batteries lithium-ion et des supercondensateurs dans un système de stockage d'énergie hybride (HESS) est la nécessité de combler le fossé entre la capacité d'énergie à long terme et la fourniture de puissance immédiate. Alors que les batteries lithium-ion excellent dans le stockage de grandes quantités d'énergie pour une utilisation prolongée, les supercondensateurs excellent dans la libération rapide d'énergie. En intégrant les deux, les ingénieurs créent un système capable de maintenir de longues durées de fonctionnement tout en satisfaisant simultanément les demandes de puissance intenses et instantanées des charges dynamiques telles que les moteurs électriques.

La valeur fondamentale de cette architecture hybride réside dans sa nature complémentaire : la batterie agit comme un réservoir profond pour l'endurance, tandis que le supercondensateur fonctionne comme un tampon à haute vitesse pour gérer les pics de puissance, protégeant ainsi efficacement la batterie du stress.

Exploiter la physique complémentaire

Pour comprendre pourquoi cette combinaison est efficace, il faut examiner les caractéristiques physiques distinctes de chaque composant.

Le rôle de la haute densité d'énergie

Les batteries lithium-ion fournissent au système une densité d'énergie élevée.

Cette propriété est responsable de l'endurance du système, lui permettant de fournir de l'énergie sur une longue durée. La batterie est le « coureur de marathon » du duo, garantissant que l'application reste opérationnelle pendant de longues périodes sans recharge.

Le rôle de la haute densité de puissance

Les supercondensateurs fournissent au système une densité de puissance élevée.

Contrairement aux batteries, qui libèrent l'énergie de manière constante, les supercondensateurs peuvent se décharger et se recharger rapidement. Cela en fait le « sprinter » idéal, capable de gérer des rafales de courant soudaines et intenses qui submergeraient autrement une batterie autonome.

Résoudre le défi de la charge dynamique

Dans les applications pratiques, telles que celles impliquant des moteurs à courant continu sans balais (BLDC), les besoins en puissance sont rarement constants.

Gestion du démarrage et de l'accélération

Les moteurs nécessitent beaucoup plus de puissance pendant le démarrage et l'accélération que pendant le fonctionnement stable.

Le système hybride achemine ces demandes de courant élevé instantanées vers le supercondensateur. Cela garantit que le moteur reçoit la puissance immédiate dont il a besoin pour accélérer sans provoquer de chute de tension ou de baisse de performance de l'alimentation principale.

Protection de la santé de la batterie

Tirer des courants élevés directement d'une batterie lithium-ion peut être préjudiciable à sa chimie interne.

En déchargeant les pics de charge sur le supercondensateur, la configuration HESS agit comme un tampon protecteur. Cela atténue considérablement l'impact des courants élevés sur les cellules de la batterie, préservant ainsi leur capacité et prolongeant la durée de vie globale du pack de batteries.

Comprendre les compromis du système

Bien qu'un système hybride offre des performances supérieures, il est conçu pour surmonter les limitations spécifiques inhérentes au stockage d'énergie à source unique.

Les limites des batteries autonomes

S'appuyer uniquement sur les batteries lithium-ion pour les applications à haute puissance entraîne souvent des systèmes surdimensionnés et inefficaces. Pour gérer les courants de pointe sans supercondensateur, le pack de batteries devrait généralement être beaucoup plus grand que nécessaire juste pour répondre à l'exigence de puissance, ce qui entraîne un poids et un volume gaspillés.

Les limites des supercondensateurs autonomes

Inversement, un système ne reposant que sur des supercondensateurs manquerait d'endurance. Bien qu'ils puissent fournir une puissance massive, ils ne peuvent pas stocker suffisamment d'énergie pour maintenir les opérations pendant des durées pratiques, ce qui les rend inadaptés comme source d'énergie principale.

Faire le bon choix pour votre conception

Lors de la conception d'un système d'alimentation, la décision de mettre en œuvre un HESS dépend du profil spécifique de votre charge.

Si votre objectif principal est l'endurance en régime permanent : Privilégiez le composant lithium-ion pour maximiser la densité d'énergie pour l'approvisionnement à long terme, en utilisant le supercondensateur uniquement s'il existe des fluctuations mineures.
Si votre objectif principal est la performance dynamique : Exploitez la haute densité de puissance du supercondensateur pour gérer les démarrages fréquents, les accélérations agressives ou les charges pulsées sans dégrader la batterie principale.

En fin de compte, la combinaison de ces technologies vous permet de découpler les exigences énergétiques des exigences de puissance, garantissant ainsi à la fois des performances de pointe et une longévité maximale des composants.

Tableau récapitulatif :

Caractéristique	Batterie Lithium-ion	Supercondensateur	Rôle dans le HESS
Densité d'énergie	Élevée	Faible	Fournit une endurance à long terme
Densité de puissance	Faible	Élevée	Gère les rafales de courant rapides
Durée de vie en cycle	Modérée	Excellente	Absorbe le stress pour prolonger la durée de vie du système
Temps de réponse	Plus lent	Instantané	Lisse les pics de charge dynamiques

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Références

Zeynep Tüfek, Emrah Çetin. Investigation of the Power System Including PV, Super Capacitor and Lithium‐Ion Storage Technologies Under BLDC Motor Load. DOI: 10.1002/bte2.20240064

Cet article est également basé sur des informations techniques de Kintek Press Base de Connaissances .