Les condensateurs lithium-ion peuvent vous aider à fournir une alimentation de haute qualité dans les environnements difficiles

Si vous avez déjà travaillé sur des solutions d'alimentation distribuée en utilisant des batteries rechargeables ou des supercondensateurs électriques à double couche (EDLC), vous connaissez leurs limites. Les batteries impliquent des compromis liés aux performances environnementales, à la taille du système et à la sécurité, ce qui augmente les coûts et réduit leur efficacité. Les EDLC peuvent résoudre certains de ces problèmes, mais n'ont tout simplement pas la capacité énergétique requise pour de nombreuses applications.

Pour pallier ces limites, vous pouvez vous tourner vers les condensateurs lithium-ion (LIC), également appelés supercondensateurs hybrides. Si vous ne les connaissez pas encore, les LIC sont des dispositifs asymétriques qui regroupent deux technologies différentes : la cathode est comme un supercondensateur et l'anode est semblable à une batterie Li-ion (Figure 1). Leur structure asymétrique rend les LIC parfaitement adaptés aux applications de qualité d'alimentation qui peuvent tirer parti de densités d'énergie et de puissance élevées, d'une robustesse environnementale et d'une durabilité.

Figure 1 : Les LIC regroupent deux technologies différentes dans une structure asymétrique ; l'anode est semblable à une batterie Li-ion et la cathode est comme un supercondensateur. (Source de l'image : Eaton)

Les LIC peuvent fournir une alimentation de secours et une protection contre les baisses soudaines de tension pendant les pics de consommation. Dans les systèmes industriels comme les usines de produits chimiques et la fabrication de semi-conducteurs, même une brève perturbation de la qualité de l'alimentation peut entraîner un temps d'arrêt coûteux. Les microcoupures et les pannes de courant peuvent perturber le fonctionnement des mémoires caches, des systèmes RAID et des serveurs de stockage au sein des data centers.

Prenons trois exemples de LIC adaptés à une utilisation dans des applications de protection de la qualité de l'alimentation en périphérie, proposés par Eaton, Taiyo Yuden et Tecate Group et étudions certaines considérations de conception à prendre en compte lors de l'utilisation de LIC.

LIC répertoriés pour un fonctionnement jusqu'à -25°C

De nombreux LIC présentent une plage de températures de fonctionnement de -15°C à +70°C, mais si votre application a besoin de fonctionner dans un environnement plus froid, Eaton propose le HSL1016-3R8306-R, un LIC de 30 farads (F) répertorié pour un fonctionnement jusqu'à -25°C (Figure 2). Ce LIC est répertorié pour plus de 250 000 cycles de charge à une température ambiante de 20°C et présente une durée de vie sans maintenance pouvant atteindre 20 ans. Il fournit une densité d'énergie jusqu'à huit fois supérieure aux supercondensateurs standard.

Figure 2 : Le HSL1016-3R8306-R est un LIC de 30 F qui fonctionne jusqu'à -25°C et est répertorié pour plus de 250 000 cycles de charge à une température ambiante de 20°C. (Source de l'image : Eaton)

LIC pour un fonctionnement haute température

Le LIC 100 F LIC1840RH3R8107 de Taiyo Yuden répond aux besoins des environnements industriels et extérieurs chauds. Il est répertorié pour un fonctionnement jusqu'à +85°C avec une résistance série équivalente (ESR) de 75 milliohms (mΩ) (Figure 3). Ce LIC présente une plage de tensions de fonctionnement de 2,2 volts (V) à 3,8 V à +85°C, et de 2,5 V à 3,5 V à +105°C, ce qui le rend parfaitement adapté à une utilisation à hautes températures. Il présente des taux de dégradation de capacité plus faibles et des changements de résistance interne améliorés lorsqu'il est utilisé à des températures élevées.

Figure 3 : Le LIC1840RH3R8107 est un LIC haute température qui prend en charge 3,8 V jusqu'à +85°C. (Source de l'image : Taiyo Yuden)

450 F pour les applications haute énergie

Si vous concevez une application qui peut tirer parti d'une haute densité d'énergie, le TPLC-3R8/450MR18X40 de 450 F de Tecate Group peut tout à fait vous convenir. Il s'agit du plus grand dispositif au sein de la gamme de 18 LIC de l'entreprise (Figure 4). Ce dispositif fournit 2,25 ampères (A) de courant continu avec une valeur de crête de 14,1 A. Il mesure 18 millimètres (mm) de diamètre et 40 mm de haut, et pèse 18 grammes (g). Le TPLC-3R8/450MR18X40 a une durée de vie estimée de 500 000 cycles et une endurance de 1000 heures lorsqu'il fonctionne à sa tension nominale et à sa température de fonctionnement maximum.

Figure 4 : Le TPLC-3R8/450MR18X40 de 450 F (au fond et au milieu) est le LIC qui offre la plus grande capacité au sein de la série TPLC de Tecate Group. (Source de l'image : Tecate Group)

Conception avec des LIC

Comme les autres supercondensateurs, les LIC présentent des tensions qui varient de manière linéaire en fonction de leur état de charge. Dans les applications qui nécessitent une tension de fonctionnement stable d'une seule cellule, un convertisseur élévateur de tension est requis. Les conceptions qui utilisent plusieurs LIC connectés en série peuvent souvent tirer parti d'un convertisseur abaisseur pour stabiliser la tension.

Contrairement à d'autres supercondensateurs qui peuvent se décharger jusqu'à 0 V, les LIC sont généralement limités à une tension de décharge minimum de 2,2 V afin de prévenir tout dommage, ce qui nécessite un système de gestion de cellules (CMS) pour un fonctionnement fiable. Le CMS arrête de décharger les LIC à environ 2,2 V et maintient l'équilibre des tensions de cellules dans les conceptions dotées de plusieurs cellules en série. Tandis que les EDLC se déchargent typiquement en 30 secondes (s) environ, les LIC se déchargent en quelques minutes, ce qui constitue une distinction importante dans les solutions de qualité d'alimentation en périphérie.

La durée de vie d'un LIC est directement liée à la tension appliquée et à la température de fonctionnement. Les températures plus élevées et les tensions de fonctionnement plus élevées réduisent la durée de vie des LIC. Le paramètre principal pour maximiser la durée de vie consiste à réduire la tension de fonctionnement, ce qui peut se faire en utilisant plusieurs cellules en série.

Conclusion

Les LIC constituent une excellente troisième option lors de la conception de solutions de qualité d'alimentation distribuée pour les environnements difficiles. Leur structure hybride combine les aspects des batteries Li-ion et des EDLC dans un seul dispositif. Ils offrent une longue durée de vie et de hautes densités d'énergie, et leur décharge étendue sur plusieurs minutes au lieu de quelques secondes peut constituer une distinction importante dans les solutions de qualité d'alimentation en périphérie. Les LIC peuvent produire des solutions plus compactes, plus robustes et plus sûres. Bien entendu, de bonnes pratiques de conception système sont nécessaires pour en tirer le meilleur parti.