Analyse des mécanismes de vieillissement des cellules Li-ion utilisées pour les batteries de traction des véhicules électriques et développement de concepts de diagnostic appropriés pour l'évaluation rapide de l'état de la batterie

Analysis of aging mechanisms in Li-ion cells used for traction batteries of electric vehicles and development of appropriate diagnostic concepts for the quick evaluation of the battery condition

• Auteur / Autrice : Christian Schlasza
• Direction : Abdellatif Miraoui, Reiner Kriesten
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard en cotutelle avec Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. SET - irtes.set
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Luiz Lopes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benedikt Schmülling, David Bouquain, Daniela Chrenko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Benbouzid, Serge Pélissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais accélérés (technologie)

Durée de vie (ingénierie)

Véhicules électriques

Batteries lithium-ion

Piles électriques

Mots clés libres

Li-ion

Mécanismes de vieillissement

State-of-Health SOH

Vieillissement accéléré des batteries

Mesure d'impédance

LFP

Lithium fer phosphate

Batterie de traction

Véhicule électrique

Li-ion

Aging mechanisms

State-of-Health SOH

Accelerated battery aging

Impedance measurement

LFP

Lithium iron phosphate

Traction battery

Electric vehicle

Résumé

Dans cette thèse, les mécanismes de vieillissement des cellules Li-ion sont analysés sur un niveau théorique,assisté par une AMDEC (Analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité). L'accent est mis surla famille des cellules lithium fer phosphate (LFP) utilisées comme batteries de traction dans les applicationsvéhicules électriques.L'objectif de la partie xpérimentale de cette thèse est le développement d'un concept d'un outil de diagnostic pourla détermination rapide d'état de la batterie. Une expérience de vieillissement accélérée est réalisée avec un groupede cellules LFP de haute capacité (70Ah). Les cellules sont analysées en utilisant des méthodes de mesured'impédance dans les domaines temporel et fréquentiel. La pectroscopie d'Impédance Électrochimique (SIE, ouEIS en anglais) s'est trouvée être un bon outil pour révéler des informations intéressantes sur l'état de santé (Stateof-Health, SOH) de la batterie.Des modèles de batterie sont utilisés pour l'interprétation des résultats de mesure. En comparant différents modèlesdu circuit équivalent (ECMs), un modèle est choisi. Ce modèle est utilisé pour la détermination du SOC et étendupour la détermination du SOH. Un concept pour la détermination du SOH est développé, permettant uneapproximation de la capacité de la batterie dans une période de temps de moins de 30s, si les onditions de labatterie et d'environnement, comme la température et l'état de charge de la batterie, sont connus.

In this thesis, the aging mechanisms withing Li-ion cells are analyzed on a theoretical level, supported by an FMEA(Failure ode and Effects Analysis). The focus lies on the group of lithium iron phosphate (LFP) cells used fortraction batteries in electric vehicles. Scope of the experimental part of the thesis is the development of a diagnosticconcept for the quick battery state determination. A group of high capacity LFP cells (70Ah) designed for tractionpurposes in electric vehicles is aged artificially and investigated afterwards by impedance measurements in the timeand frequency domain. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is found to reveal interesting information onthe battery's State-of-Health (SOH).For the interpretation of the measurement results, battery models are employed. Different equivalent circuit models(ECMs) are compared and an appropriate model is chosen, which is used for the SOC (State-of-Charge)determination and extended for the SOH (State-of-Health) determination. An SOH determination concept isdeveloped, which allows the approximation of the cell capacity in less than 30s, if the battery and environmentalconditions, such as the temperature and the cell's SOC, are known.