Thèse soutenue

Thermal management of a battery pack for electric vehicles : numerical modelling and experimentation

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Auteur / Autrice : Khalid Ziat
Direction : Hasna Louahlia-GualousPierre Schaetzel
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergetique, thermique, combustion, acoustique
Date : Soutenance le 08/12/2021
Etablissement(s) : Normandie
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
Jury : Président / Présidente : Rachid Outbib
Examinateurs / Examinatrices : Hasna Louahlia-Gualous, Pierre Schaetzel, Bertrand Garnier, Nassim Rizoug, Hamid Gualous
Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Garnier, Nassim Rizoug

Mots clés

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Résumé

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L’objectif de ce mémoire est d’étudier le comportement thermique d’une batterie Li-ion pour différents courants de charges et décharges afin d’appliquer un système de refroidissement passif utilisant les matériaux à changement de phase (MCP) et de vérifier son efficacité quand elle est utilisée dans un module de plusieurs batteries. Notre étude est basée sur une étude expérimentale et numérique. Un banc d’essai qui permet de charger et de décharger les batteries à courant constant a été installé. Une batterie Li-ion de capacité 60 Ah et d’une forme prismatique a été testée pour des courants de charges allant de 40A à 60A et des courants de décharge allant de 40A à 100 A. L’étude expérimentale effectuée sur la batterie a permis de déterminer que la température mesurée au niveau de l'électrode positive est la plus représentative de la température qui règne au cœur de la batterie. De plus, les mesures des températures et des densités de flux thermiques ont permis la détermination des coefficients d’échange thermique ainsi que du coefficient d’entropie thermique qui ont été introduit dans le modèle numérique proposé. L’étude numérique a conduit au développement de deux modèles. Un modèle 3D qui permet la détermination de la température en tout point de la batterie a été proposé en résolvant l’équation de la chaleur tridimensionnelle grâce à la méthode implicite de direction alternée. En effet, le modèle a été utilisé pour proposer deux corrélations permettant la prédiction de l’augmentation maximale de la température ainsi que de l’énergie thermique générée par la batterie pour des courant de charge et de décharge donnés. Le deuxième modèle est basé sur la méthode à constantes localisées qui simplifie le problème physique. Les modèles développés ont été validés sur la base des résultats expérimentaux. Enfin, un nouveau banc de test Chroma 17020 a été installé pour tester expérimentalement un module de plusieurs batteries qui a été sollicité à des courants dynamiques déterminés à partir des cycles véhicules. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats prédits par le modèle proposé et des solutions de refroidissement en utilisant un matériau de changement de phase microencapsulée INERTEK 32 sont aussi étudiées. Une méthode de calcul de la masse de MCP pour assurer la dissipation de la chaleur produite par les batteries est enfin proposée en utilisant les corrélations développées.