Modélisation fractionnaire et identification d'impédance d'accumulateurs électrochimiques

Fractional modeling and impedance identification of electrochemical accumulators

• Auteur / Autrice : Achraf Nasser Eddine
• Direction : Thierry Poinot, Jean-Denis Gabano, Benoît Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique et d'automatique pour les systèmes - LIAS (Poitiers ; 2012-.....) - Laboratoire d'Informatique et d'Automatique pour les Systèmes / LIAS
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Pélissier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinot, Jean-Denis Gabano, Benoît Huard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Forgez, Jocelyn Sabatier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accumulateurs

Spectroscopie d'impédance

Systèmes fractionnaires

Modèles non linéaires (statistique)

Représentation parcimonieuse

Mots clés libres

Batteries

Modèles fractionnaires

Identification

Algorithmes à erreur de sortie

Optimisation

Chronopotentiométrie

Spectroscopie d'impédance

Batteries

Fractional models

System identification

Output error algorithms

Optimization

Chronopotentiometry

Impedance spectroscopy

Résumé

L’impédance d’un accumulateur électrochimique est principalement caractérisée par trois phénomènes : la conduction électronique, le transfert de charge et la diffusion ionique. La modélisation de ces phénomènes fait intervenir des fonctions de transfert non rationnelles et non directement simulables dans le domaine temporel. Leur approximation par des modèles fractionnaires (ou modèles d’ordre non entier) devient alors judicieuse pour estimer les caractéristiques de l’impédance à partir non seulement de mesures fréquentielles (spectroscopie), mais aussi de mesures temporelles (chronopotentiométrie). La chronopotentiométrie permet en effet de s’affranchir des contraintes de la spectroscopie pour laquelle les mesures nécessitent un équipement plus complexe et des durées d’acquisition plus longues, en particulier aux basses fréquences. Des stratégies d’identification de ces modèles ont été développées et appliquées expérimentalement sur une cellule électrochimique de type Ferri ferrocyanure ainsi que sur des accumulateurs Lithium-ion et Nickel Métal-Hydrure. Les essais de caractérisation de ces éléments sont effectués à différents états de charge et les résultats obtenus montrent l’intérêt et la pertinence de la méthodologie utilisée.

The impedance of an electrochemical accumulator is mainly characterized by three phenomena: the electronic conduction, the charge transfer and the ionic diffusion. The modeling of these phenomena involves non-rational transfer functions that cannot be directly simulated in the time domain. Then, their approximation by fractional models (also known as non-integer order models) becomes relevant to estimate the impedance characteristics from not only frequency measurements (spectroscopy), but also time measurements (chronopotentiometry). Moreover, the long-time required by the spectroscopy to measure at low frequencies, as well as the complexity of the equipment used can be avoided by using chronopotentiometry. Models identification strategies have been developed and validated experimentally on a Ferri ferrocyanide electrochemical cell, on Lithium-ion and on Nickel Metal-Hydride accumulators. The characterization tests of these elements are carried out at different states of charge and obtained results show the interest and the relevance of the methodology.