Prise en compte des modes de vieillissement dans la modélisation des performances de batteries lithium-ion pour l’évaluation de leur durée de vie en usage automobile

Aging modes taking into account in the modeling of lithium-ion batteries performance for lifetime assessment in automotive usage

• Auteur / Autrice : Issam Baghdadi
• Direction : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/07/2017
• 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 : Olivier Briat, Marie-Cécile Péra, Christine Lefrou, Christophe Forgez, Pascal Venet, Geneviève Duchamp, Philippe Gyan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Lefrou, Christophe Forgez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Batteries lithium-ion

Automobiles électriques

Mots clés libres

Batteries au lithium

Viellissement

Modélisation

Assemblages

Stratégies d'usage

Diagnostic

Lithium batteries

Aging

Modeling

Battery pack

Strategies of usage

Diagnosis

Résumé

L’électrification des moyens de transport est de plus en plus importante. Sa mise en œuvre nécessite des systèmes de stockage de l’énergie plus performants, moins coûteux, et plus sûrs. Actuellement, les batteries lithium-ion équipent la majorité de ces véhicules innovants. Toutefois, ces systèmes sont complexes, onéreux, et leur performance se dégrade au cours du temps. Leur durabilité constitue donc un enjeu majeur.Son estimation est complexe car elle ne dépend pas que des kilomètres parcourues mais des conditions d’usage. Actuellement, les outils de prédiction de durée de vie des batteries sont simplificateurs ou pas compatible avec l’usage automobile.L’objet de ces travaux consiste à développer un outil de simulation capable de reproduire le comportement électrique, thermique, et de vieillissement d’un pack batteries au cours de sa vie. Cet outil doit permettre l’optimisation de la conception et l’usage des packs afin d’augmenter leur durabilités. Des campagnes d’essais ont permis de calibrer et de valider des modèles électrothermiques au niveau de la cellule puis à l’échelle de l’assemblage. De même, la mise en place et l’analyse de tests de vieillissement accélérés ont permis de développer une loi de vieillissement et de mettre en avant un optimum d’usage.Le comportement du pack a été par la suite testé dans différentes conditions d’usage par l’intermédiaire d’un simulateur de scénario. Des stratégies de conception et de recharges ont été donc proposées et vérifiées par simulation.

Lithium batteries are key solutions as power storage systems for several applications including portable devices, aviation, space, and electrified vehicles. Their success is principally due to their high power and energy density. Therefore, several researchers are attempting to develop more powerful, cheaper, longer-lived and more secure batteries. One drawback of lithium batteries is their durability: lithium batteries’ energy and power capability decrease over time. The degradation rate is sensitive to operating conditions. A crucial step towards the large-scale introduction of electrified vehicles in the market is to reduce the cost of their energy storage devices.The aim of this study is to develop a simulation tool at the pack level able to reproduce its electro-thermal-aging behavior overtime. Thanks to an accelerated aging tests and experimental approach the models are calibrated and coupled with a usage scenario simulator at the vehicle level. The behavior of the pack is thus studied under different conditions and simulations were compared and discussed. Strategies of usage and charging were then proposed and validated by simulation.