Modélisation du vieillissement et détermination de l’état de santé de batteries lithium-ion pour application véhicule électrique et hybride

Aging modeling and state-of-health determination for lithium-ion batteries used in electric and hybrid vehicle applications

• Auteur / Autrice : Akram Eddahech
• Direction : Jean-Michel Vinassa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• 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) - Laboratoire de l'intégration du matériau au système / IMS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Roboam, Bernard Sahut, Olivier Briat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Coquery, Pascal Venet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Modèles mathématiques

Détérioration

Véhicules électriques hybrides

Fiabilité

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batterie lithium

Véhicule électrique et hybride

Vieillissement calendaire

Cyclage actif

Etat de santé

Etat de charge

Spectroscopie d’impédance électrochimique

Recharge CC-CV

Régénération

Tension constante

Système de gestion de batterie

Lithium battery

Hybrid electric vehicle

Calendar aging

Power cycling

State of health

State of charge

Impedance spectroscopy

CC-CV charge

Capacity recovery

Constant voltage

Battery management system

Résumé

Cette thèse se concentre sur la fiabilité des batteries lithium pour des applications véhicules à faible émission en CO2. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques et thermiques, des protocoles et des tests de vieillissement de batteries lithium sous différents modes (cyclage actif, calendaire simple et cyclage/calendaire) ont été mis en œuvre.Une première partie de ces travaux de thèse s’attache à la modélisation et à l’estimation des états de charge et de santé de la batterie.La deuxième partie est consacrée à l’étude du vieillissement calendaire des batteries lithium utilisant la spectroscopie d’impédance comme méthode de caractérisation. Ensuite, une méthode originale pour l’évaluation de l’état santé de la batterie est proposée. Elle est basée sur l’exploitation de l’étape de charge à tension constante lors d’une recharge complète et est donc bien adaptée à une intégration au sein d’un système de gestion de batterie. L’approche introduite est validée sur des données réelles de vieillissement allant jusqu’à deux ans de test.Enfin, une étude du phénomène de régénération de la capacité suite à un vieillissement des batteries de type combiné cyclage/calendaire est menée. Cette dernière partie constitue une ouverture pour le développement de stratégies d’usage des batteries lithium en incluant leur comportement thermique.

In this thesis, we focus on the reliability of lithium batteries used for automotive applications. For this purpose, electric and thermal characterization methodologies as well as aging tests under several modes (calendar, power cycling, calendar/power cycling) are carried out.In a first part of the work, battery modeling and battery state estimation (state-of-charge and state-of-health) are considered.Then, based on periodic characterization from electrochemical impedance spectroscopy, calendar aging is investigated. Next, we proposed an original process for precise battery state-of-health determination that exploits a full recharge and mainly constant-voltage charge step which allows easily its integration within a battery management system. Our experimental results, up to two years real-life data, confirm effectiveness of our technique.Finally, we study the capacity recovery phenomenon occurring due to combined battery aging (calendar/power cycling). This final part is almost dedicated to introduce strategies for battery use presenting at the same time a thermal behavior study.