Modélisation du vieillissement d'une batterie Lithium-ion : couplage d'un modèle de fatigue avec un modèle comportemental

Modeling the aging of lithium-ion batteries : coupling a fatigue model and a behavorial model

• Auteur / Autrice : Tiphaine Plattard
• Direction : Sylvain Franger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 23/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Hubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Franger, Olivier Hubert, Jean-Pierre Pereira-Ramos, Renaud Bouchet, Nathalie Barnel, Jean-Paul Chabard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Renaud Bouchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Modélisation des données (informatique)

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Energie

Stockage

Batteries

Électrochimie

Matériaux

Modélisation

Energy

Storage

Battery

Electrochemistry

Material

Modeling

Résumé

Le développement rapide des batteries lithium-ion nécessite des études de vieillissement précises. L'objectif de la thèse est de préciser sur une nouvelle chimie de cellule (NMC) l'impact des paramètres sur le vieillissement, à savoir la température, l'intensité du courant et l'état de charge, et de le mettre en œuvre dans un modèle prédictif et reparamétrable.Une campagne de tests permet de quantifier l'impact unitaire des paramètres de vieillissement sur la perte de capacité de chaque batterie. Nous intégrons les résultats dans un modèle de fatigue. Celui-ci module l'impact d'un ampère-heure échangé par les conditions d’échange de cet ampère-heure au moyen de fonctions de pondération. Ce modèle est ensuite implémenté dans un logiciel, muni de son interface homme machine. Il permet à l'utilisateur de se familiariser avec le vieillissement et de faire des calculs de prédiction de perte de capacité de la batterie.Cependant, ce modèle peut dériver avec le temps en raison de sollicitations répétées. Par conséquent, ses paramètres doivent être mis à jour au moyen de mesures sur le terrain, afin de rester précis. Ces mesures sur le terrain sont soumises à la méthode dite d'analyse incrémentielle des capacités (ICA), consistant à analyser la quantité dQ/dV en fonction de V. Nous avons montré que l’évolution des pics observables sur l’ICA peut être corrélée à la cinétique du premier modèle de fatigue, ce qui permet de se servir de cette mesure pour le recalibrer. Cette mesure permet de réaliser le couplage avec le modèle de fatigue. Enfin, des tests applicatifs permettent de valider la méthode développée.

Reliable development of LIBs requires accurate aging studies. The objective of the thesis is to clarify on a new cell chemistry (NMC) the impact of the parameters on aging, namely the temperature, the rated current intensity and the state of charge, and to implement it in a predictive and updatable model.A test campaign makes it possible to quantify the unit impact of the aging parameters on the loss of capacity of each battery cell. We integrate the results into a fatigue model. The latter modulates the impact of an exchanged ampere-hour by the exchange conditions of this ampere-hour by means of weighting functions. This model is then implemented in a software, equipped with its man/machine interface. It allows the user to become familiar with aging and to make prediction calculations of loss of battery capacity.This model can drift with time due to repeated solicitation, so its parameters need to be updated by on-field measurements, to remain accurate. These on-field measurements are submitted to the so-called Incremental Capacity Analysis method (ICA), consisting in the analysis of dQ/dV as a function of V. We have shown that the evolution of the peaks observable on the ICA can be correlated with the kinetics of the first fatigue model. This measurement makes it possible to couple with the fatigue model. Finally, application tests validate the method developed.