Caractérisation électrothermique et modélisation associée de modules supercondensateurs hybrides destinés à des applications de stockage embarqué

par Zeineb Chabrak (Chabrak Payet)

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Alexandre De bernardinis et de Pascal Venet.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec SATIE - Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , TEMA - Technologies pour l'Electro-Mobilité Avancée (equipe de recherche) et de Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    La thèse explorera le comportement de dispositifs innovants de stockage d'énergie, les supercondensateurs hybrides, mixtes énergétiques au niveau des performances entre les batteries au lithium et les condensateurs de puissance, et destinés à une application de stockage embarqué. En l'état actuel de nos connaissances il semble que très peu de travaux existent et soient publiés sur ces composants et leur comportement physique. La thèse ambitionne trois axes de travaux qui nous paraissent incontournables : (i) caractérisations électrothermiques statique et comportement en dynamique, (ii) vieillissement, et (iii) modélisation numérique associée. Les travaux comprendront dans un premier temps des caractérisations électriques effectuées sur des cellules électrochimiques unitaires pour différents niveaux de courant, puis pour des assemblages de plusieurs éléments en série. Ces caractérisations statiques seront associées à une spectroscopie d'impédance fréquentielle pour déterminer les paramètres physiques internes comme la résistance équivalente série ou la capacitance. Dans un second temps, une caractérisation au niveau thermique, pour différentes températures des modules sera réalisée. Ensuite une étude du comportement dynamique des composants hybrides sous contraintes représentatives (électriques et thermiques) d'une application embarquée (véhicule électrique, assistance électrique, récupération au freinage des véhicules, des trains…) sera effectuée. Pour cela, des cycles dynamiques préalablement définis, seront appliqués aux cellules. Ces assemblages pourront ensuite être placés dans une enceinte thermique à profils de température programmables. Les travaux de thèse pourront évoluer ensuite vers une étude du mécanisme de vieillissement de ces composants en parallèle aux méthodologies de caractérisation. L'approche expérimentale forte de cette thèse sera couplée à une modélisation électrique et thermique de ces nouveaux composants dans le but de renseigner des modèles comportementaux. Une comparaison et corrélation pourra être faite sur les résultats obtenus avec les composants de stockage hybrides par rapport aux supercondensateurs classiques dont le laboratoire TEMA a une expertise approfondie. Une collaboration avec des chercheurs du laboratoire Ampère, Lyon, sur l'aspect modélisation et vieillissement pourra être envisagée dans la cohérence des actions au sein du laboratoire. Cette thèse permettra en outre de renforcer et valoriser les travaux sur la thématique du stockage à TEMA.

  • Titre traduit

    Electro-thermal caracterization and associated modeling of hybrides supercapacitors for on-board storage applications.


  • Résumé

    The Ph.D. thesis will explore the behavior of innovative energy storage components, the hybrid energy-mixed supercapacitors at their level of performances between lithium-ion batteries and classical power capacitors, and which were intended for application of on-board storage. In the present state of knowledge it seems that very few works exist and are published on these components and their physical behavior. The Ph.D. thesis aspires to develop three axes of works which seem for us being of major interest: i) electro thermal characterizations in static and dynamic behavior, ii) ageing, and iii) associated numerical modeling. The work will first include electric characterizations performed on single electrochemical cells for various amplitudes of current, then for assemblies of several elements in series. These static characterizations will be associated with a frequential impedance spectroscopy in order to determine the internal physical parameters such as the serial resistance or the capacitance. Secondly, a characterization at the thermal level, for various temperatures of the modules will be realized. Then, a study of the dynamic behavior of the hybrid components under representative constraints (electric and thermal) of an embarked application (electric vehicle, electric assistance, energy recovery during the braking of vehicles, metro, trains …) will be made. For that purpose, dynamic cycles previously beforehand defined, will be applied to cells units. These assemblies can then be placed in a thermal chamber unit enabling programmable temperature profiles. The thesis research can evolve then towards a study of the mechanism of ageing of these components in parallel with the methodologies of characterization. The strong experimental approach of this Ph.D. thesis will be coupled with an electric and thermal modeling of these new components with the aim of developing and enhancing behavioral models. A comparison and a correlation can be made on the obtained results with the hybrid storage components with respect to the classical supercapacitors for which the laboratory TEMA of IFSTTAR has a thorough expertise. Collaboration with researchers of the Ampere laboratory (CNRS Lyon) on the aspects of modeling and ageing can be envisaged in the coherence with the scientific axis of the IFSTTAR / SATIE TEMA laboratory.