Eaton Electronics figure parmi les principaux fournisseurs de supercondensateurs. Sa gamme de produits comprend des dizaines de séries, conçues dans différents formats (des miniatures aux modules destinés aux véhicules utilitaires). L'entreprise propose des composants fabriqués selon des technologies classiques ainsi que des solutions innovantes et brevetées, développées dans ses laboratoires. Ce portefeuille offre un large éventail de possibilités aux concepteurs et fabricants d'appareils électriques et électroniques. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des supercondensateurs Eaton disponibles dans notre catalogue, ainsi que des exemples d'applications et des solutions de conception recommandées par le fournisseur.

Cet article aborde des sujets tels que :

• Différences de construction entre les types de supercondensateurs
• Composants de la série Eaton et leurs caractéristiques
• Avantages des solutions hybrides
• Supercondensateurs pour appareils IoT et applications connexes
• Condensateurs conçus pour les circuits de puissance élevée
• Bonnes pratiques d'utilisation des supercondensateurs
• Méthodes d'équilibrage des alimentations électriques
• À quoi servent les supercondensateurs dans les systèmes IoT et LoRa ?
• Prolonger la durée de vie des batteries des véhicules électriques

Supercondensateurs Eaton : gamme et caractéristiques

Le principal atout des supercondensateurs Eaton réside dans leur diversité. Celle-ci se manifeste à plusieurs égards : la gamme comprend des composants aux capacités, dimensions et, par conséquent, aux applications variées. De plus, Eaton garantit des caractéristiques diversifiées à ses produits, notamment des modèles à faible ESR, des composants supportant des tensions élevées, une large plage de tolérance thermique (de -40 à +85 °C), et bien plus encore.

Division basée sur les caractéristiques structurelles

La composition de l'électrolyte utilisé dans les supercondensateurs influe considérablement sur leurs performances. L'offre d'Eaton se divise en plusieurs groupes selon ces critères, dont trois décrits ci-dessous et des solutions hybrides, qui font l'objet d'une section distincte.

carbonate de propylène

Utilisé en série (B, HB, KR et KW), le carbonate de propylène est un composé ininflammable et respectueux de l'environnement, doté d'excellentes propriétés thermiques lui permettant de fonctionner de -25 °C à 70 °C. Ces condensateurs ne sont soumis à aucune restriction de transport. Leur principal inconvénient réside dans leur tension de charge maximale relativement faible de 2,5 V.

Acétonitrile

L'acétonitrile permet d'obtenir une capacité nettement supérieure (jusqu'à 80 % de plus), des tensions jusqu'à 2,7 V et une résistance série équivalente (ESR) plus faible. Les composants utilisant cet électrolyte supportent des températures plus basses (jusqu'à -40 °C). Cependant, ils dégagent des fumées toxiques en cas d'incendie, ce qui impose certaines restrictions d'utilisation. L'acétonitrile est utilisé en série dans des modèles tels que HV, XV, XL60 2,7 V, XVM et XLM.

Formulations exclusives d'Eaton

Les supercondensateurs des séries TV, XT et XL60 3.0V contiennent des électrolytes exclusifs qui garantissent des performances optimales. Ces composants sont légèrement plus chers, mais offrent une capacité élevée, un faible courant de fuite, une faible ESR, des tensions jusqu'à 3 V et la plus haute densité de puissance disponible.

Résumé de la série Eaton

Pour mieux comprendre la gamme diversifiée de supercondensateurs proposée par Eaton, il est utile d'examiner la segmentation de ses composants par série. Chaque série possède non seulement des caractéristiques de construction uniques, mais est également optimisée pour des applications spécifiques.

Supercondensateurs cylindriques standard

Dans de nombreux circuits, tels que les convertisseurs et les systèmes de stabilisation de tension, les supercondensateurs sont principalement utilisés pour leur capacité élevée et leur faible résistance série équivalente (ESR ). Ces applications nécessitent des composants cylindriques standard montés par la technologie THT (traversant). Les séries B, HB et HV représentent les produits les plus courants d'Eaton dans cette catégorie.

Série 
B1010-2R5155-R

Série
HB1840-2R5606-R

Série
HV1325-2R7156-R

Les série B conviennent aux circuits des alimentations sans interruption (ASI), des alimentations à découpage et des systèmes de réseauséries HB et HVoffrent des composants à capacité plus élevée (jusqu'à 110 µF), idéaux pour les applications exigeantes telles que les systèmes d'énergie renouvelable (solaire), les transmetteurs de puissance et, grâce à leur faible courant de fuite et leur plage de tolérance thermique de -25 °C à 85 °C, les compteurs de gaz et d'eau, ainsi que d'autres appareils de mesure ou capteurs équipés de modules de communication sans fil.

Technologie hybride

La technologie de supercondensateurs hybrides brevetée d'Eaton utilise deux types d'électrodes : l'une conçue comme un condensateur standard et l'autre similaire à celle des batteries. Il en résulte des caractéristiques exceptionnelles, notamment une durée de vie pouvant atteindre 20 ans dans des conditions optimales.

Série
HS1016-3R8306-R

Série  
HSL1016-3R8306-R

L'un des principaux atouts des condensateurs hybrides est leur fonctionnement sans entretien. Associés à des batteries classiques, ils constituent une excellente source d'alimentation pour les appareils distants (capteurs, compteurs) grâce à leur faible courant de fuite . Leur faible résistance série équivalente (ESR) les rend particulièrement adaptés aux circuits exigeant une puissance importante, tels que les alimentations de secours pour équipements industriels, dispositifs médicaux ou systèmes d'alarme .

Versions discrètes et miniatures

Les supercondensateurs constituent une source d'énergie additionnelle idéale pour les applications nécessitant un courant relativement élevé pendant de courtes périodes ou de manière intermittente. Cette caractéristique est exploitée, par exemple, dans les dispositifs de l'Internet des objets (IoT), où le composant est chargé par un faible courant provenant de cellules solaires, de générateurs ou de batteries, puis utilisé pour alimenter un module RF, un émetteur de signal, un actionneur ou d'autres composants de forte puissance.

Série  
KR-5R5H224-R

Série 
KVR-5R0V155-R

Série KW      
KW-5R5C224-R

Eaton propose des condensateurs extra-plats et des piles bouton pour les circuits de secours IoT et RTC (ainsi que les composants miniatures décrits ci-dessous). Ils fonctionnent sous 5 V ou 5,5 V CC, avec des capacités allant de 0,1 F à 1,5 F.Leurs broches sont conçues pour un montage THT pas de 5 mm ou 10 mm.

PHB-5R0V305-R
  PB et PHB

Série 
PHV-5R4H505-R

PHVL-3R9V505-R
 Série PHVL

Série  
PM-5R0V104-R

Des supercondensateurs compacts sont également disponibles au format rectangulaire, avec des capacités allant jusqu'à 5 F.Les modèles de la série PHVL sont particulièrement remarquables : ils affichent le courant de fuite le plus faible (seulement 1 µA) et une plage de tolérance thermique de -40 °C à 85 °C. Ces performances exceptionnelles les rendent idéaux pour des applications telles que l'alimentation d'horloges RTC et de mémoires volatiles, ainsi que pour la fourniture d'un courant de secours/stabilisation lors des changements de source d'alimentation dans les appareils rechargeables.

Capacité et tension de fonctionnement améliorées

Les condensateurs des séries XL60, XV et XB se distinguent par leur capacité élevée. Ces composants sont conçus pour les applications de puissance et les circuits à courant élevé, tels que les modules de freinage régénératif des véhicules électriques (VE, hybrides), les démarreurs et les circuits de machines industrielles, entre autres.

XL60-2R7308T-R
 Série XL60 (puissance 1kF, 2,7V)

XV3560-2R7407-R
Série XV (300…600F, 2,7V)

XB3585-2R5607-R
(300…600F, 2,5V)

La capacité la plus élevée disponible (3 kF à 2,7 V CC) se trouve dans la série XL60. Ces supercondensateurs cylindriques à bornes à visgarantissent une résistance de connexion minimale et peuvent ainsi fournir des courants très élevés. Ils présentent également un rendement élevé (supérieur à 98 %). Le fabricant les recommande pour les applications les plus exigeantes, notamment les engins lourds (grues, équipements de construction et miniers) et les camions. Leur capacité élevée les rend particulièrement adaptés à la suppression des fluctuations de tension dans les circuits d'alimentation.

Série  
TV1020-3R0605-AP (3V, 3,3…100F)

TVA1840-3R0606-R
   Série TVA (3V, 25…100F)

Dans sa gamme de condensateurs pour téléviseurs, Eaton utilise des matériaux conçus pour atteindre une densité de puissance et une capacité maximales (jusqu'à 100 F) tout en éliminant les substances nocives pour l'environnement. De plus, les composants TVA sont conformes à la norme AEC-Q200, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans l' automobile. Ils sont particulièrement utiles comme sources d'alimentation autonomes ou associés à des batteries traditionnelles pour alimenter les systèmes de verrouillage centralisé et les enregistreurs. Leur utilisation est également prévue dans de circuits intégrés, qui alimentent les composants des véhicules (y compris les véhicules récents équipés d'un système 48 V CC).

Paquets XLR

Les supercondensateurs XL60 décrits ci-dessus sont proposés pré-assemblés en usine sous la marque XLR. Un module peut être conçu pour des tensions de 16,2 V, 48,6 V ou 51,3 V CC (selon le modèle) et offre une capacité de 160 µF à 500 µF. Chaque module est intégré dans un boîtier compact doté d'un circuit d'équilibrage assurant une protection contre les surtensions et la surchauffe. Ces produits sont destinés à des secteurs tels que le transport de marchandises et les transports publics (routiers, ferroviaires et maritimes) ainsi que les engins lourds. Grâce à leur capacité combinée et à leurs performances exceptionnelles, les condensateurs XL60 peuvent remplacer d'autres sources d'alimentation, permettant ainsi de réduire les coûts d'exploitation et le bruit, et d'améliorer la stabilité des réseaux électriques.

XLR-16R2507-R
Ce boîtier comprend des connecteurs à vis haute intensité et un câble de surveillance.

Caractéristiques spécifiques et considérations de conception

L'utilisation de supercondensateurs dans les circuits requiert des considérations similaires à celles des condensateurs de plus faible capacité, mais ces composants servent également à stocker des réserves d'énergie plus importantes pendant des périodes plus longues. Ceci implique des contraintes supplémentaires à prendre en compte lors de la conception des circuits et des dispositifs.

Protection du forfait de base

Premièrement, le circuit doit garantir que les condensateurs sont protégés contre les tensions de polarité inverse, ce qui signifie qu'il doit inclure des diodes redresseuses pour contrôler le flux de courant.

Dégradation prématurée

En raison de leurs hautes performances et de la dégradation de l'électrolyte dans les supercondensateurs, il est essentiel de prendre en compte, dès la conception, l' évolution des caractéristiques nominales des composants au fil du temps, due au vieillissement et à l'utilisation. Naturellement, ces modifications sont lentes : pour les composants de marque Eaton, il convient de les considérer sur une période de 10 ans. Par conséquent, il est conseillé d'anticiper une réduction de 20 % de la capacité et une augmentation de 1,7 fois de la résistance série équivalente (ESR) pour des applications telles que les circuits d'alimentation sans coupure (UPS) ou les dispositifs médicaux. Pour les contrôleurs de machines industrielles et les alimentations, la tolérance doit être fixée à -30 % de la capacité et à un doublement de l'ESR, tandis que pour les systèmes automobiles (où les condensateurs sont soumis à une utilisation intensive), il est recommandé de prévoir une réduction de 50 % de la capacité et un triplement de l'ESR.

Sélection de la tension appropriée

Plusieurs facteurs, comme la température de fonctionnement, influent sur la dégradation ; cependant, la tension maximale à laquelle les condensateurs fonctionnent est le facteur le plus déterminant. La meilleure façon de prolonger la durée de vie des composants est de maintenir la tension en dessous de sa valeur nominale (idéalement autour de 85 %) et d’utiliser des dispositifs de décharge pour les condensateurs lorsque le stockage d’énergie n’est pas nécessaire (par exemple, après l’arrêt d’une machine).

Considérations thermiques

Comme mentionné précédemment, les températures élevées affectent également la durée de vie des supercondensateurs. Lors de la conception du dispositif, il est important de prendre en compte ce phénomène et de positionner les composants de manière optimale d'un point de vue thermique. Cela implique principalement d'éloigner les condensateurs des sources de chaleur courantes du circuit, telles que les transistors, les amplificateurs, les inductances, etc.

Connexion du condensateur et équilibrage du boîtier

De par leurs caractéristiques, les supercondensateurs sont limités à des tensions relativement basses (généralement 2,7 V, jusqu'à un maximum de 3 V). Cette tension étant insuffisante pour la plupart des applications, les composants sont connectés en série dans des boîtiers. Deux problèmes majeurs doivent alors être résolus. Premièrement, compte tenu de leur sensibilité thermique, il est crucial d'assurer une répartition uniforme de la température entre les composants. Ceci évite la dégradation prématurée de tout élément, qui pourrait entraîner une coupure de courant. Le second problème concerne l'équilibrage du boîtier, qui garantit un niveau de charge/décharge uniforme pour les condensateurs. Sans un tel système, la durée de vie des condensateurs peut être réduite à seulement 20 à 50 % de leur durée de vie initiale.

Les méthodes d'équilibrage se divisent en méthodes dissipatives, qui impliquent une dissipation d'énergie contrôlée ( systèmes passifs et actifs), et en méthodes non dissipatives (directes et indirectes), qui utilisent des circuits de régulation de tension complexes tels que des stabilisateurs ou des convertisseurs. Le choix de la solution dépend non seulement de la volonté d'allonger la durée de vie du dispositif, mais aussi de facteurs tels que le rapport coût-efficacité et les capacités de production. Les principales caractéristiques de ces méthodes sont présentées ci-dessous.

• Un équilibreur passif maintient la durée de vie des condensateurs entre 70 et 90 %, ce qui en fait la solution privilégiée pour les systèmes à cycles de charge-décharge peu fréquents (au moins quotidiens) et à température ambiante stable. Ces systèmes utilisent des résistances ou des diodes Zener connectées en parallèle avec les condensateurs individuels du boîtier. Lors de l'utilisation de diodes, il est conseillé de refroidir les composants. Les résistances doivent avoir la valeur la plus faible possible, à condition que le courant qui les traverse ne dépasse pas 10 fois le courant de fuite nominal du condensateur.
• Les systèmes actifs, basés sur des amplificateurs opérationnels, offrent des coûts de mise en œuvre réduits. Ils conviennent aux boîtiers dont la capacité des cellules individuelles ne dépasse pas 100 F. Eaton a développé et breveté un dispositif d'équilibrage propriétaire (dont le schéma est librement accessible aux personnes intéressées), optimisé pour une utilisation avec ses supercondensateurs. Eaton propose également une variante de ce dispositif pour les boîtiers haute puissance nécessitant des composants de capacité supérieure à 100 F.
• Les méthodes non dissipatives nécessitent souvent des circuits intégrés dédiés. De nombreux produits de ce type sont disponibles dans le commerce, spécifiquement adaptés aux caractéristiques des supercondensateurs. Ils intègrent des limiteurs de tension qui prennent en compte la température ambiante et surveillent l'usure de chaque condensateur (par exemple, en générant un signal indiquant une réduction de capacité). L'équilibrage des composants peut également être réalisé à l'aide de circuits basés sur des régulateurs de tension buck-boost.

Exemples d'application

Le texte mentionne fréquemment des applications typiques des supercondensateurs, résumées ici avec des exemples plus détaillés. Ces applications se répartissent en deux catégories : les circuits nécessitant une puissance élevée et ceux où le supercondensateur sert de source d’énergie compacte.

Les applications haute puissance comprennent principalement les dispositifs de récupération et de distribution d'énergie sur de courtes périodes. On peut citer comme exemples les démarreurs de moteurs, les alimentations sans interruption (ASI), les systèmes de freinage régénératif des véhicules électriques et les circuits de stockage d'énergie temporaire dans les centrales électriques. Ces dispositifs exploitent la capacité du supercondensateur à absorber et à fournir rapidement de fortes impulsions d'énergie. Le second type d'application est presque opposé : il s'agit de circuits fonctionnant à très faible courant (par exemple, des capteurs distants) qui restent parfois inactifs pendant plusieurs jours et se réactivent périodiquement pour effectuer des tâches spécifiques ( transmission de données, activation d'un servomécanisme, etc.). Dans ce cas, le supercondensateur sert de source d'alimentation de secours.

Applications de communication IoT

Les dispositifs distants (par exemple, les capteurs de terrain, les compteurs d'eau/de gaz à télérelève) doivent intégrer des modules de communication, tout comme les circuits IoT dont la fonction principale est la transmission de données. L'utilisation Bluetooth ou Wi-Fipeut ne pas apporter d'avantages significatifs ; toutefois, ces normes présentent des limitations. Le Bluetooth a une portée limitée (quelques mètres), tandis que le Wi-Fi nécessite une alimentation constante des circuits à plusieurs centaines de milliampères, ce qui n'est pas optimal pour de nombreuses applications. C'est pourquoi des solutions alternatives telles que LoRa ( Long Range) et NB (Narrow Band). Ces technologies permettent une transmission de données périodique (par exemple, une fois par jour) sur de longues distances. Ainsi, les dispositifs émetteurs restent en veille la plupart du temps, ne s'activant que pour collecter des données (relevés de capteurs, géolocalisation, etc.) ou les transmettre à un dispositif de surveillance.

Dans de tels projets, l'association de batteries et de supercondensateurs présente des avantages indéniables : la cellule fournit de très faibles doses d'énergie (50 µA) pour maintenir le fonctionnement du circuit (pendant plusieurs années, comme pour les compteurs d'eau). Le supercondensateur, quant à lui, alimente uniquement le module de communication, garantissant une portée maximale. Cette configuration offre plusieurs avantages : elle peut fonctionner à très basse température (les supercondensateurs ont une meilleure tolérance thermique). La réduction de la charge de la batterie (souvent sous la forme d'une seule cellule ou d'une pile bouton) prolonge sa durée de vie (et pas seulement le nombre de cycles de charge). De plus, si l'énergie est fournie par l'intermédiaire, par exemple, de petites cellules photovoltaïques, la charge d'une batterie lithium-ion nécessiterait un convertisseur régulateur de charge, alors qu'un circuit analogue pour les supercondensateurs est beaucoup plus simple et engendre moins de pertes.

Durée de vie prolongée des ensembles pour véhicules électriques

Les installations de recherche d'Eaton ont permis à l'entreprise de mener des études approfondies sur le développement des transports électriques. Ces études portaient sur les avantages attendus du remplacement du système énergétique « classique », utilisant uniquement des batteries lithium-ion (ou des piles à combustible à hydrogène), par une solution hybride combinant un pack de batteries et un pack de supercondensateurs. Tandis que les premières sont conçues pour une densité énergétique élevée (c'est-à-dire une capacité importante), les seconds excellent en termes de densité de puissance. La solution optimale consiste donc à puiser de l'énergie dans les deux sources, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur : les batteries fournissent du courant en régime stabilisé ou lors d'accélérations douces, tandis que les supercondensateurs assistent l'équipe lors des changements de vitesse brusques (en fournissant ou en stockant efficacement l'énergie issue du freinage régénératif). Les spécialistes d'Eaton ont conclu que la durée de vie prévue de quatre ans des batteries utilisées dans les véhicules utilitaires (fourgonnettes et véhicules utilitaires tels que les chariots élévateurs) pourrait être doublée grâce à l'utilisation d'un système énergétique hybride. De plus, cela permettrait de réduire la taille du pack de batteries, ce qui se traduirait par une réduction du poids du véhicule et des coûts d'exploitation (ou une rentabilité accrue dans le cas des véhicules de transport).

Article fourni par Transfer Multisort Elektronik Sp. z oo