Etudes des phénomènes thermiques dans les batteries Li-ion.

Study of thermal phenomena in Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Charles-Victor Hémery
• Direction : Philippe Marty, Franck Pra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 12/11/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Systèmes Thermiques
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Lallich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Didierjean, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Analyse thermique

Mots clés libres

Batterie Li-ion

Sources de chaleur

,couplage thermo-électrochimique

Module de batterie

Système de management thermique de batterie

Matériau à changement de phase

Li-ion battery

Heat sources

Thermo-electrochemical coupling

Battery module

Battery thermal management system

Phase Change Material

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude thermique des batteries Li-ion en vue d'une application de gestion thermique pour l'automobile. La compréhension des phénomènes thermiques à l'échelle accumulateur est indispensable avant de réaliser une approche de type module ou pack batterie. Ces phénomènes thermiques sont mis en évidence à partir d'une modélisation thermique globale de deux accumulateurs de différentes chimies, en décharge à courant constant. La complexité du caractère résistif de l'accumulateur Li-ion a mené au développement d'un modèle prenant en compte l'interaction entre les phénomènes électrochimiques et thermiques, permettant une approche prédictive de son comportement. Enfin la réalisation de deux boucles expérimentales, de simulation de systèmes de gestion thermique d'un module de batterie, montre les limites d'un refroidissement classique par air à respecter les critères de management thermique. En comparaison, le second système basé sur l'intégration innovante d'un matériau à changement de phase (MCP) se montre performant lors de situations usuelles, de défauts ou encore lors du besoin d'une charge rapide de la batterie.

This work relates to the thermal study of Li-ion batteries in order to develop an optimized battery thermal management system. The understanding of thermal phenomena at cell scale is essential before to undertake an approach of the battery module or pack. Galvanostatic discharges of two kind of Li ion cells are modeled to highlight thermal phenomena. The complexity of the resistive behavior of Li-ion cell led to the development of an electrochemical-thermal coupled model to get a predictive approach. Then, two experimental tests benches were designed so as to compare two battery thermal management systems (BTMS). Restrictions of air cooling highlight its disability to achieve thermal management criteria. Innovative integration of a phase change material (PCM) was then tested under several uses of the battery module. This new BTMS showed really promising performances during intensive driving cycles, failure tests, and when a fast charge is needed.