Contribution à la modélisation et à la gestion thermique des batteries Lithium-ion pour des véhicules électriques

Battery electrical vehicles analysis of thermal modelling and thermal management

• Auteur / Autrice : Ahmadou Samba
• Direction : Hamid Gualous, Joeri Van Mierlo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Rael
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hamid Gualous, Joeri Van Mierlo, Stéphane Rael, Brayima Dakyo, Daniel Hissel, Hasna Louahlia-Gualous, Noshin Omar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brayima Dakyo, Daniel Hissel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Thermique

Modèles mathématiques

Ions

Lithium

Batteries

Résumé

L’avancée de la recherche sur les batteries a conduit à une utilisation massive des batteries Lithium-ion de grande capacité dans les véhicules électriques. De tels designs, en grand format, ont l'avantage de réduire le nombre de cellules interconnectées dans les packs de batteries. Dans les applications de transport, le temps de recharge des batteries constitue un frein au développement des véhicules électriques. L'augmentation du courant de charge peut soumettre à la batterie à des situations très critiques et peut ainsi entrainer une augmentation considérable de sa température. En long terme, ces phénomènes peuvent conduire à la réduction de sa durée de vie ainsi que ses performances et dans certains cas à l’emballement thermique. Afin d’éviter de telles situations, il est nécessaire d’optimiser la gestion thermique de manière à maintenir la batterie dans une gamme de températures de fonctionnement sûre. Ceci passe par la mise en place d’un modèle thermique capable de prédire la température d’une cellule et d’un pack de batterie à différentes conditions de fonctionnement et ensuite proposer différentes stratégies de refroidissements. Compte tenu de la forme et des dimensions du type de batterie utilisé (batterie « pouch ») un modèle électro-thermique est développé afin de prédire la distribution de température de la cellule, ce modèle nécessite moins de paramètres d'entrée et possède une grande précision. En outre, un nouvel outil d'estimation des paramètres thermiques a été développé. Le comportement thermique de la batterie, soumise à des conditions de fonctionnements extrêmes, a été étudié avec ce modèle. De ces résultats, on remarque que la cellule de batterie présente une distribution thermique non-uniforme lorsque celle-ci est parcourue par des courants de grandes amplitudes. Ce constat nous amène à étudier le design des batteries de type « pouch » afin d’élire celle qui présente une distribution thermique et électrique plus uniformes. Pour se faire un modèle 3D électrochimique-thermique a été développé. Enfin, différentes stratégies de gestion thermique des batteries telles que: le refroidissement actif par liquide et passif utilisant un matériau à changement de phase (liquide-solide à changement de phase) incorporé dans une mousse d'aluminium, ont été étudiées puis comparés en appliquant un cycle de conduite, provenant d’un véhicule tout électrique de la gamme Peugeot. L'objectif principal est de réduire la complexité, le poids, le volume, le coût et également de maintenir à un haut niveau de sureté de fonctionnement du module de batterie

Advanced research on rechargeable Lithium-ion batteries has allowed for large format and high-energy batteries to be largely used in Battery Electric Vehicles (BEVs). For transportation applications, beside limitations of driving range, long charging time is still considered as an important barrier for a wide use of BEVs. The increase of the charging current amplitude may however subject the battery to stressful situations and can significantly increase the temperature of the battery. These phenomena reduce the battery’s lifetime and performances and in worst-case scenario, thermal runaway can occur. To avoid this, there is a need for an optimized thermal management in order to keep the battery in a safe and beneficial range of operating conditions. Firstly, in this PhD dissertation a two-dimensional electrical-thermal model has been developed to predict the cell temperature distribution over the surface of the battery. This model requires less input parameters and still has high accuracy. In addition, a novel estimation tool has been developed for estimation of the thermal model parameters. Furthermore, the thermal behavior of the proposed battery has been investigated at different environmental conditions as well as during the abuse conditions for assessment of thermal stability of the battery. Taking into account the harsh thermal distribution, an advanced three-dimensional electrochemical-thermal model has been developed in order to investigate the impact of the cell design on the thermal, voltage and current distributions in order to avoid high non-homogenous distribution. The developed model allows us to optimize the cell design, in order to achieve the longest lifetime and high performances of battery cell. Finally, different thermal management strategies such as liquid cooling and passive cooling using phase change material embedded in an aluminium-foam (liquid-solid phase change) have been investigated and compared in depth by applying real BEV drive cycles. The main objective of this study is to decrease the complexity, the weight, the volume and the cost and to maintain high safety according to the best strategy.