Estimation de l’état interne d’une batterie lithium-ion à l’aide d’un modèle électrochimique

par Pierre Blondel

Thèse de doctorat en Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique

Sous la direction de Stéphane Rael et de Romain Postoyan.

Soutenue le 10-01-2019

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine , en partenariat avec Centre de recherche en automatique (Nancy) (laboratoire) et de Groupe de recherche en électrotechnique et électronique de Nancy (Vandoeuvre-les-Nancy, Meurthe-et-Moselle) (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Hissel.

Le jury était composé de Isabelle Queinnec, Gildas Besançon, Domenico Di Domenico.

Les rapporteurs étaient Isabelle Queinnec, Gildas Besançon.

mots clés

• Batteries Li-ion
• Modèle électrochimique
• Observateur non-linéaire
• Tests expérimentaux
• Transition énergétique
• Accumulateurs au lithium
• Analyse électrochimique
• Observateurs d'états (mathématiques)
• Plan d'expérience
• Transition énergétique

Résumé

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique

mots clés

• Lithium-ion batteries
• Electrochemical models
• Nonlinear observer
• Test on experimental data
• Energetic transition

Titre traduit

State estimation of a lithium-ion battery based on an electrochemical model

Résumé

Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity