Diagnostics de l'état de santé et pronostic du vieillissement de packs batteries lithium-ion de seconde vie pour l'étude systémique de micro-réseaux d'énergie

Diagnostics of the state of health and aging prognosis of second-life lithium-ion battery packs for the systemic study of energy microgrids

• Auteur / Autrice : Lucas De oliveira albuquerque
• Direction : Xavier Roboam, Christophe Forgez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 27/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe ENergie Electrique et SYStémique (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Roboam, Christophe Forgez, Pascal Venet, Olivier Briat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Venet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits d'occasion

Transition énergétique

Batteries lithium-ion

Micro-réseaux électriques

Mots clés libres

Lithium-Ion

Li-Ion

Seconde vie

Micro-Réseaux

Tecnico-Économique

Vieillissement

Lithium-Ion

Li-Ion

Second Life

Microgrids

Techno-Economic

Aging

Résumé

La transition énergétique est essentielle pour lutter contre le changement climatique, notamment pour atteindre l'objectif de limiter le réchauffement à 1,5°C fixé par les accords de Paris. Dans ce cadre, la réduction des émissions de carbone dans les transports, en particulier grâce aux véhicules électriques, est une solution clé. Cependant, la fabrication des batteries reste un défi majeur en raison de la forte dépendance aux matériaux rares. Le recyclage et la réutilisation de ces batteries deviennent donc des outils essentiels pour sécuriser l'approvisionnement et limiter les impacts environnementaux. Lorsqu'une batterie de véhicule électrique atteint 75 % de sa capacité initiale, elle est considérée comme étant en fin de vie pour cet usage. Toutefois, elle conserve encore un potentiel énergétique qui peut être utilisé dans d'autres applications, comme le stockage d'énergie stationnaire associé aux sources d'énergie renouvelable, ce qui permet de prolonger son utilisation et de répondre à la demande croissante de solutions de stockage d'énergie. De plus, avec l'augmentation du nombre de véhicules électriques, beaucoup de batteries en fin de vie seront disponibles dans les années à venir, ce qui rend d'autant plus important d'adopter une approche optimisée pour leur seconde vie. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse aux batteries de seconde vie sous plusieurs angles. Une première partie est consacrée à l'étude du vieillissement de ces systèmes à l'échelle du pack, notamment à travers une campagne expérimentale visant à analyser les variations de performance entre les cellules ainsi que leur interaction avec le Battery Management System (BMS). Les résultats montrent que les packs soumis à des cycles profonds de charge et de décharge connaissent une dégradation plus rapide, avec une répartition inégale de l'usure entre les cellules. Ensuite, différentes méthodes de diagnostic ont été étudiées pour évaluer rapidement l'état de santé des batteries et faciliter leur sélection pour des applications de seconde vie. Deux approches basées sur l'analyse incrémentale de capacité (ICA) ont notamment été validées. L'une des deux permet de suivre l'évolution du vieillissement à partir d'une charge ou décharge partielle, offrant ainsi un outil efficace pour le tri et l'assemblage des modules. Par ailleurs, d'autres techniques, comme l'analyse d'impédance, ont été explorées afin de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et d'identifier les limites opérationnelles des batteries réutilisées. Enfin, un modèle de vieillissement a été développé, intégrant l'accélération du processus en fin de vie. Ce modèle a ensuite été intégré dans un outil de simulation de microréseaux afin d'évaluer l'impact des paramètres de vieillissement sur la rentabilité des batteries de seconde vie. L'analyse menée permet d'estimer leur viabilité économique en fonction de leur état initial et de leur évolution au fil du temps. Les travaux réalisés dans cette thèse apportent ainsi plusieurs contributions : la mise en place d'une campagne expérimentale de vieillissement des packs de batteries, l'analyse des disparités internes et de leur influence sur le BMS, le développement et la validation de méthodes de diagnostic adaptées aux batteries de seconde vie, la création d'un modèle prédictif du vieillissement, ainsi que l'étude de l'intégration de ces batteries dans un microréseau, avec une évaluation de leur rentabilité économique. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour optimiser l'utilisation des batteries de seconde vie et favoriser leur intégration dans des microréseaux durables.

The energy transition is crucial in the fight against climate change, especially in order to meet the goal of limiting global warming to 1.5°C as set out in the Paris Agreement. In this context, reducing carbon emissions in transportation, particularly through electric vehicles, is a key solution. However, the production of batteries remains a major challenge due to the high reliance on rare materials. Recycling and reusing these batteries are essential tools to secure the supply chain, ease the pressure on demand, and reduce environmental impacts. When an electric vehicle battery reaches around 75% of its initial capacity, it is considered to be at the end of its life for that use. However, it still retains usable energy potential, which can be applied in other fields, such as stationary energy storage associated with renewable energy production. This extends its life and helps meet the growing demand for energy storage solutions. Furthermore, with the increasing number of electric vehicles, many batteries will reach the end of their first life in the coming years, making it even more interesting. This thesis explores second-life batteries from several perspectives. The first part focuses on studying the aging of these systems at the pack level, especially through an experimental campaign aimed at analyzing the performance variations between cells and their interaction with the Battery Management System (BMS). The results show that packs subjected to deep charge and discharge cycles degrade more quickly, presenting an heterogeneous capacity and resistance distribution across the cells. Next, different diagnostic methods were explored to quickly assess the health of batteries and facilitate their selection for second-life applications. Two approaches, based on incremental capacity analysis (ICA), were validated. One of them tracks aging through partial charge or discharge, providing an effective tool for sorting and assembling modules. Additionally, other techniques, such as impedance analysis, were investigated to better understand the degradation mechanisms and identify the operational limits of repurposed batteries. Finally, an aging model was developed, incorporating the acceleration of the process in the later stages of the battery's life. This model was then integrated into a microgrid simulation tool to evaluate the impact of aging parameters on the profitability of second-life batteries. The analysis helps estimate their economic viability based on their initial condition and how they evolve over time. This thesis contributes to the current literature in a few ways: it sets up an experimental aging campaign for battery packs, analyzes internal disparities and their effects on the BMS, develops and validates diagnostic methods for second-life batteries, creates a predictive aging model, and studies the integration of these batteries into a microgrid, with an assessment of their economic profitability. These findings provide new insights for optimizing the use of second-life batteries and their integration into sustainable microgrids.