Prise en compte des connexions électriques dans la gestion thermique d'un pack batterie lithium-ion

Taking into consideration the electrical connections in the thermal management of a lithium-ion battery pack

• Auteur / Autrice : Said Madaoui
• Direction : Jocelyn Sabatier, Jean-Michel Vinassa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 16/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Maurice Fadel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angel Cid Pastor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Forgez, Daniela Chrenko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électrothermique

Refroidissement

Chargeurs de batteries

Batteries lithium-ion

Véhicules électriques

Mots clés libres

Véhicule électrique

Batteries

Lithium-ion

Gradient thermique

Modélisation

Électrique

Thermique

Jelly roll

Protocole de charge

Cooling plates

Préchauffage

Refroidissement

Electric vehicle

Batteries

Lithium-ion

Thermal gradient

Modelling

Electrical

Thermal

Jelly roll

Charging protocol

Cooling plates

Preheating

Cooling

Résumé

Le temps de charge est devenu l'une des principales préoccupations limitant le développement des véhicules électriques. Pour contrer ce problème, il est impératif de concevoir des systèmes de gestion thermique adaptés pour préserver la santé des batteries et également raccourcir leur temps de charge.Pour une cellule de batterie présentant des caractéristiques spécifiques, la puissance de charge se trouve contrainte par des aspects électriques et thermiques. Cette thèse se concentre sur l'évaluation et l'optimisation de la gestion thermique d'un module batterie en exploitant le refroidissement à travers la connectique. L'approche basée sur la modélisation est utilisée comme méthode pour examiner cette solution, étayée par des simulations numériques et des tests expérimentaux visant à confirmer la justesse du modèle proposé.Tout d’abord, des modèles du comportement électrique puis thermique d’une cellule sont développés séparément, puis couplés. De manière systématique, les modèles sont présentés, leurs procédures de calibration sont décrites et ils sont comparés à des résultats expérimentaux. Une attention particulière est portée à la modélisation électrothermique de l’enroulement électrodes-séparateur dans l’électrolyte (Jelly roll) présent au cœur de la cellule en proposant un maillage adapté. Ensuite, une campagne d’essais expérimentaux est réalisée pour calibrer le modèle électrothermique d’un module batterie de 12 cellules. Ce modèle est validé grâce à une seconde vague d’essais. Une nouvelle approche de gestion thermique est proposée, où le module de cellules est refroidi non seulement par la plaque de refroidissement inférieure, mais aussi par une deuxième plaque de refroidissement posée sur la connectique de puissance (busbars). À travers des simulations et des tests expérimentaux, cette nouvelle configuration présente des améliorations significatives. La constante de temps thermique est réduite permettant un refroidissement plus rapide du module. De plus, la température maximale atteinte par la batterie lors de la charge avec ce double système de refroidissement est abaissée de quelques degrés Celsius par rapport à l'approche conventionnelle. L'un des avantages clés de cette configuration est que la plaque de refroidissement supérieure agit comme un pont thermique, favorisant l'homogénéisation de la température à l'intérieur du module de cellules. En conséquence, elle devrait conduire à un vieillissement uniforme des batteries, garantissant leurs longévités et leurs performances optimales.Enfin, un profil de charge rapide a été optimisé en suivant le protocole multiniveau (mult-step). Les travaux sur le profil de charge ont pour but de pouvoir simuler une charge rapide et réaliser une comparaison en termes de temps de charge et du gradient thermique entre l'architecture conventionnelle avec refroidissement par plaque en partie inférieure et une nouvelle configuration intégrant une source de refroidissement additionnelle via la connectique.

Charging time has become one of the main concerns limiting the development of electric vehicles. To counter this problem, it is necessary to design suitable thermal management systems to both preserve the health of batteries longer and to be able to shorten their charging time. For a battery cell with specific characteristics, the charging power is constrained by electrical and thermal considerations. This thesis focuses on evaluating and optimizing the thermal management of a battery module by utilizing cooling through the connectors. The model-based design approach is employed as a method to investigate this solution, supported by numerical simulations and experimental tests to validate the accuracy of the proposed model.First, models of the electrical and thermal behaviors of a cell are developed separately and then coupled. The models are systematically presented, their calibration procedures are described, and they are compared with experimental results. Particular attention is paid to the electrothermal modeling of the Jelly roll present at the heart of the cell by proposing a suitable mesh. Then, an experimental test campaign is carried out to calibrate the electrothermal model of a 12-cell battery module. This model is validated through a second wave of tests. A new thermal management approach is proposed, where the battery module is cooled not only by the bottom cooling plate, but also by a second cooling plate located on the busbars. Through simulations and experimental tests, this new configuration presents significant improvements. The thermal time constant is reduced allowing for a faster cooling of the module. In addition, the maximum temperature reached by the battery when charging with this dual cooling system is lowered compared to the conventional approach. One of the key advantages of this configuration is that the upper cooling plate acts as a thermal bridge, promoting temperature homogenization inside the battery module. As a result, it supports a uniform aging process of batteries, ensuring their longevity and optimal performance.Finally, a fast-charging profile has been optimized for two different protocols. The first protocol is the multi-step, and the second involves transforming the discontinuous profile of the multi-step protocol into a smoother profile using splines. The work on the charging profile aims to simulate fast charging and make a comparison in terms of charging time between the conventional architecture based on bottom cooling and a new configuration integrating an additional cooling source via the connectors.