Modélisation de l'influence de la rapidité de recharge totale ou partielle sur les performances électro-thermiques et la durée de vie des batteries pour applications automobiles

Modeling of the influence of total or partial charge rate on the electro-thermal performances and lifetime of batteries for automotive applications

• Auteur / Autrice : Romain Mathieu
• Direction : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 09/03/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat, Marie-Cécile Péra, Christophe Forgez, Pascal Venet, Valérie Sauvant-Moynot, Geneviève Duchamp, Philippe Gyan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Forgez, Pascal Venet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules électriques

Batteries lithium-ion

Automobiles -- Batteries

Mots clés libres

Batteries lithium-Ion

Véhicule électrique

Modélisation électro-Thermique

Vieillissement

Charge rapide

Optimisation protocole charge

Lithium-Ion Batteries

Electric Vehicle

Electro-Thermal Modeling

Lithium-Ion Batteries

Fast Charging

Charge Protocol Optimization

Résumé

La charge rapide des batteries est un enjeu majeur pour le développement de l’automobile électrique. Côté infrastructure, un déploiement de chargeurs de haute voire très haute puissance est en cours. Ces hautes puissances motivent une recherche sur les batteries, dans l’objectif de réduire significativement leurs durées de charge.Pour une cellule de batterie de caractéristiques données, la puissance de charge est limitée par des considérations électriques, thermiques et de durée de vie. Cette thèse souhaite alors apporter une contribution à la réduction du temps de charge, par une approche numérique de modélisation, simulation et optimisation. Elle compare également 4 références de cellules de différents matériaux et différentes densités d’énergie.Tout d’abord, des modèles du comportement électrique, thermique et de vieillissement 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 l’effet des forts régimes de courant dans différentes conditions thermiques. Ceci a permis d’étendre leurs domaines de validité respectifs.Ensuite, une campagne de vieillissement accéléré est réalisée sur 3 références de cellules. Elle compare l’effet du courant de charge, de la tension de fin de charge et de différentes conditions thermiques sur la dégradation, dans le cadre d’un protocole de charge référence. Les résultats ont permis d’identifier plusieurs stratégies pour la réduction du temps de charge, au niveau du choix d’une référence de cellule, de la gestion thermique, et de l’optimisation du protocole de charge.Enfin, cette dernière stratégie est étudiée. Une méthode de définition par optimisation numérique d’un protocole de charge à plusieurs niveaux de courant constant est développée. Elle se base sur le modèle électro-thermique mis en place. La méthode est utilisée pour définir 5 protocoles de charge optimisés qui sont soumis à des essais de vieillissement accéléré. La dégradation est ensuite comparée à celle observée pour le protocole de charge référence. Dans des conditions comparables au protocole référence, les protocoles optimisés permettent de réduire le temps de charge et/ou la dégradation.

Fast charging of batteries is a major challenge for the development of electric vehicles. A deployment of high power chargers is underway. These high power levels motivate research on batteries, with the aim of significantly reducing their charging times.For a battery cell of given characteristics, the charging power is limited by electrical, thermal and lifetime considerations. This thesis then wishes to make a contribution to the reduction of the charging time, by taking a numerical approach including modeling, simulation and optimization. It also compares 4 cell references of different materials and different energy densities.First, models of the electrical, thermal and aging behavior of a cell are developed separately, then coupled. In a systematic way, the models are presented, their calibration procedures are described, and they are compared with experimental data. Particular attention is paid to the effect of high current regimes under different thermal conditions. This made it possible to extend their respective domains of validity.Then, an accelerated aging campaign is carried out on 3 cell references. It compares the effect of the charging current, the end-of-charge voltage and different thermal conditions on the degradation, within the framework of a reference charging protocol. The results made it possible to identify several strategies for reducing the charging time, regarding the choice of a cell reference, thermal management, and the optimization of the charging protocol.This last strategy is finally studied. A method of definition of a charge protocol, containing several stages of constant current, is developed based on numerical optimization. The method makes uses the electro-thermal model implemented. It is then used to define 5 optimized charging protocols which are subjected to accelerated aging tests. The degradation is compared to that observed for the reference charging protocol. Under comparable conditions with the reference protocol, the optimized protocols make it possible to reduce the charging time and/or the degradation.