Evaluation des performances et du vieillissement des éléments de stockage d’énergie électrochimiques pour l’usage aéronautique

Performance and ageing quantification of electrochemical energy storage elements for aeronautical usage

• Auteur / Autrice : Yuanci Zhang
• Direction : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 15/03/2019
• 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 : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat, Corinne Alonso, Christophe Forgez, Pascal Venet, Delphine Riu, Loïc Boulon, Fabio Coccetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Forgez, Pascal Venet
• DOI : 10.70675/496ca00az5696z4171zbb0fzed0e3ed5c479

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Supercondensateurs

Avions -- Équipement électronique

Fiabilité

Détérioration

Mots clés libres

Batteries lithium

Supercondensateurs

Lithium-ion capacitors

Performance

Basse température

Vieillissement calendaire

Cyclage actif

Tests abusifs

Modèle électro-thermique

Ragone non-isotherme

Loi de vieillissement

Estimation de SOH

Capacité incrémentale

Profil aéronautique

Lithium batteries

Supercapacitors

Lithium-ion capacitors

Performance

Low temperatures

Calendar ageing

Power cycling

Abuse testing

Electro-thermal model

Non-isothermal Ragone plot

Ageing laws

SOH estimation

Incremental capacity

Aeronautical profile

Résumé

Dans un contexte de progression du stockage d’énergie sous forme électrochimique dans les transports, notamment dans l’aéronautique, les problématiques de performance, de fiabilité, de sureté de fonctionnement et de durée de vie du stockeur sont essentielles pour utilisateurs. Cette thèse se focalise ces voltes pour l’avion plus électrique. Les technologies étudiées correspondent à des éléments commerciaux de dernière génération de type Lithium-ion (NMC/graphite+SiO, NCA/graphite, LFP/graphite, NMC/LTO), Lithium-Soufre (Li-S), supercondensateur et hybride (LiC). Une première partie de ce manuscrit s’attache à la quantification des performances des différents éléments dans l’environnement aéronautique [-20°C, 55°C] et pour l’usage aéronautique. Un modèle comportemental de type électro-thermique est développé et validé. La seconde partie est consacrée à la quantification du vieillissement des différents éléments. Les résultats de vieillissement calendaire et en cyclage actif sont présentés ainsi que ceux des tests abusifs. Une méthode d’estimation de l’état de santé (SOH) des éléments basés sur l’analyse de la capacité incrémentale (ICA) est proposée. Enfin, l’évaluation de la robustesse des éléments de stockage lors de tests de vieillissement accéléré avec un profil spécifique à l’usage aéronautique est proposé. Les modèles de vieillissement et la méthode d'estimation de SOH proposés précédemment sont utilisés ici pour évaluer l'impact de la température sur la vitesse de dégradation et pour estimer le SOH des cellules vieillies à l’aide de ce profil aéronautique.

In the context of progress in the electrochemical energy storage systems in the transport field, especially in the aeronautics, the issues of performance, reliability, safety and robustness of these elements are essential for users. This thesis is focused on these issues for the more electric aircraft. The technologies studied correspond to the latest generation commercial elements of Lithium-ion batteries (NMC/ graphite + SiO, NCA/graphite, LFP/graphite, NMC/LTO), Lithium-Sulfur (Li-S), Supercapacitor and Lithium-ion capacitors. The first part of this manuscript is dedicated to the performance quantification of the different electrochemical energy storage elements in aeronautical environment [-20°C, 55°C] and usage. An efficient and accurate electro-thermal model is developed and validated. The second part is devoted to the calendar and power cycling ageings as well as to the presentation of abuse testing results. A State Of Health (SOH) estimation based on incremental capacity analysis method is proposed. Finally, the robustness of the storage elements during accelerated ageing tests with a specific profile for the aeronautical usage is evaluated. The ageing models and SOH estimation methods proposed in the previous sections are used here to evaluate the impact of temperature on the degradation rate and to estimate the SOH of the cells with this aeronautical profile.