Modélisation des performances et du vieillissement des assemblages parallèles de cellules lithium-ion pour la détermination de l’état de santé et de la durée de vie des batteries

Performance and ageing model of parallel assemblies of Lithium-ion cells for the determination of the state of health and lifespan of batteries.

• Auteur / Autrice : Matthieu Maures
• Direction : Olivier Briat, Jean-Michel Vinassa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 09/06/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• 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, Jean-Michel Vinassa, Marie-Cécile Péra, Christophe Forgez, Pascal Venet, Ionel Vechiu, Armande Capitaine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Forgez, Pascal Venet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Assemblages (technologie)

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batterie

Lithium-Ion

Etat de santé

Assemblage parallèle

Modélisation

Battery

Lithium-Ion

State of health

Parallel assembly

Model

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de la transition énergétique. Depuis quelques années, les cellules lithium-ion sont de plus en plus utilisées pour alimenter les véhicules électriques et soutenir les réseaux d'énergie. Devant les niveaux de puissance et d'énergie mis en jeu, les cellules sont assemblées en série et en parallèle sous forme de batteries pour répondre aux besoins de ces applications. Différents mécanismes de dégradation affectent les cellules. De plus, ils sont modulés par la température, l'état de charge, ou le type de sollicitation électrique. Assemblées en série, les cellules souffrent d'autres contraintes en raison de leurs différentes caractéristiques et points de fonctionnement. Pour limiter les écarts de dégradation et pour des raisons de sécurité, ce type d'assemblage est associé à un système de gestion de batterie, dont le rôle est d'assurer l'équilibrage en tension des cellules.Cette approche n'est cependant pas utilisée dans les assemblages parallèles. Ce manuscrit vise donc à évaluer et modéliser les écarts de courants liés à la mise en parallèle, et à déterminer si un équilibrage est nécessaire. Cette étude est réalisée de façon expérimentale et en simulation, sur deux technologies de cellules prisées dans les applications de puissance.En premier lieu, une étude est consacrée au fonctionnement de la cellule individuelle. Celle-ci permet de construire des modèles électriques, thermiques, et de vieillissement, ainsi que leurs différentes interactions. Compte-tenu du besoin des applications visées, l'approche utilisée dans ce manuscrit permet d'étendre les modèles empiriques et semi-empiriques (souvent utilisés pour des besoins de simplicité) à des domaines de validité plus larges, en particulier en température, où la modélisation est réalisée sur l'ensemble de la plage de fonctionnement recommandée des cellules.En second lieu, les effets de la mise en parallèle de trois cellules sont étudiés. Il s'agit ici d'évaluer les différentes causes (résistance, capacité, température) et effets de déséquilibres sur la répartition des courants à court-terme. Grâce aux modèles construits dans la partie précédente, un outil de simulation permet de comparer la validité des modèles proposés face aux données expérimentales, mais également d'analyser des comportements inaccessibles en pratique, notamment en ce qui concerne les effets résistifs.En dernier lieu, les effets à long-terme de la mise en parallèle sont analysés. Dans cette partie, l'accent est mis sur le déséquilibre thermique, et deux assemblages de trois cellules sont vieillis avec des protocoles différents pour en comparer les effets. A l'instar de la partie précédente, l'étude est réalisée expérimentalement ainsi qu'en simulation. De plus, une étude succincte met en évidence que certains outils de diagnostic d'état de santé ne fonctionnent plus lorsque l'on passe d'une cellule seule à un assemblage. Cette partie, conjointement aux autres, permet alors de conclure quant aux risques et besoins d'un équilibrage lors de la mise en parallèle.

This thesis work fits into the energy transition problem. For a few years, Lithium-ion cells have been incresingly used to power electric vehicles and provide support to energy grid networks. To meet the power and energy requirements of those applications, cells are connected in series and parallel to make batteries. Multiple degradation mecanisms occur in the cells. They are affected by temperature, state of charge, or electrical sollicitations. When connected in series, cells run into other issues because of their different caracteristics and working points. To limit the degradation gap as well as provide safety measure, this type of assembly is connected to a battery management system, whose role is to ensure voltage balancing of the cells.This method however is not used in parallel assemblies. This document aims at evaluating and modeling the current gaps caused by the parallel assembly, as well as determining if balancing is necessary. This study is both done experimentally and through simulation, on two cell technologies often used in power applications.Firstly, a study of the inner working of an individual cell is provided. It allows for the creation of electrical, thermal, and ageing models, as well as their interactions. Given the specific needs of the targeted applications, the method used in this document extend empirical and semi-empirical models (often used for their simplicity) to larger domains of validity, most notably with regards to temperature, where the model accounts for the entire recommended working range of the cells.Secondly, the consequences of connecting three cells in parallel are studied. The purpose of this part is to evaluate the causes (resistance, capacity, temperature) and effects of imbalances of the short-term repartition of currents. Using the different models proposed in the previous part, a simulation tool helps validating them compared to experimental data. It also provides a way to analyse unattainable experimental behaviors, in particular with regards to resistive effects.Finally, long-term effects of the parallel connection are analysed. In this section, focus is placed onto thermal imbalances. Two parallel assemblies with different ageing protocols are studied to compare their effects. Similarly to the previous part, this study is performed experimentally as well as using simulation. Furthermore, a quick study of state of health diagnosis tools is provided, which hints at their inability to assess correct estimations when going from a cell to an assembly. This part, combined with the others, provides a conclusion regarding the risks and needs of a balancing system when cells are connected in parallel.