Suivi du vieillissement des batteries lithium embarquées, en usage ferroviaire

Monitoring the ageing of an on-board lithium-ion batteries in railway use

• Auteur / Autrice : Maxime Juston
• Direction : Christophe Forgez, Nicolas Damay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 01/03/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Piles électriques

Circuits électriques

Batteries

Chemins de fer

Accumulateurs

Détérioration

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batteries lithium

Modèle électrique

Hétérogénéité

Diagnostic

Lithium cells

Storage batteries

Heterogeneity

Aging

Railroads

Electric model

Electric circuits

Diagnosis

Mathematical models

Résumé

Le modèle électrique classique d'une cellule considère celle-ci comme un ensemble homogène ayant des caractéristiques (résistance, capacités) uniques. Nous considérons au contraire qu'une cellule peut être subdivisés en un certains nombres de volumes qui sont eux considérés comme homogène d'un point de vue des propriétés électriques. La modélisation d'une cellule s'effectue alors par un ensemble de circuits électriques, à raison d'un par volume. Cette construction effectuée, nous cherchons à caractériser chacun des paramètres des circuits électriques grâce à des mesures expérimentales. Une nouvelle méthode de détermination des paramètres fonctionnant pour des cellules dont la tension à vide est non linéaire est proposée, ce qui permet de répondre à de nombreuses difficultés rencontrées dans nos travaux et des précédents. Les variations des paramètres avec la température et le courant sont également déterminées. Une seconde détermination, cette fois par optimisation permet d'introduire une différence des valeurs des paramètres afin de modéliser l'hétérogénéité. Des comparaisons expérimentales permettent de valider la pertinence du modèle hétérogène et ses performances. Les paramètres modélisant l'hétérogénéité sont représentatifs de l'interne de la cellule et le suivi de ces paramètres au cours de la vie de la cellule, et donc de son vieillissement, permettent de réaliser un diagnostic de celle-ci. Une application sur un pack de deux cellules constitué d'une neuve et d'une vieillie artificiellement permet une discrimination qualitative des cellules. Ceci permet de valider le potentiel de cette représentation comme outil de diagnostic.

The classical electrical model of a cell considers it as a homogeneous whole With unique characteristics (resistance, capacitance). On the contrary, we consider that a cell can be subdivided into a certain number of volumes which are considered as homogeneous from the point of view of electrical properties. The modelling of a cell is then carried out by a set of electrical circuits, one per volume. Once this construction is completed, we seek to characterise each of the parameters of the electrical circuits by means of experimental measurements. A new method of determining the parameters for cells with a non-linear open circuit voltage is proposed, which makes possible to solve many of the difficulties encountered in our work and in previous ones. The variations of the parameters with temperature and current are also determined. A second determination, this time by optimization, allows to introduce a difference of the parameters values in order to model the heterogeneity. Experimental comparisons allow to validate the relevance of the heterogeneous model and its performances. The parameters modelling the heterogeneity are representative of the cell internals and the monitoring of these parameters during the life of the cell, and therefore its ageing, allows a diagnosis of the latter to be made. An application on a pack of two cells, one new and one artificially aged, allows a qualitative discrimination of the cells. This validates the potential of this representation as a diagnostic tool.