Stockage d'énergie thermique par changement de phase solide/liquide dans les milieux poreux

Storage of heat energy by solid / liquid phase change in porous media

• Auteur / Autrice : Mohamed Moussa El Idi
• Direction : Mustapha Karkri, Mahamadou Abdou Tankari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 06/01/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'Études et de Recherche en Thermique, Environnement et Systèmes (Créteil) - Centre d'Etudes et Recherches en Thermique- Environnement et Systèmes [Créteil] / CERTES EA 3481
• Jury : Président / Présidente : Souad Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Karkri, Mahamadou Abdou Tankari, Souad Harmand, Véronique Michaud, Patrick Glouannec, Stéphane Vincent, Chérif Larouci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Michaud, Patrick Glouannec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Transitions de phases

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Thermique des batteries Li-Ion

Modélisation

Transfert thermique

Materiaux à changement de phase

Stockage d'énergie thermique

Milieux poreux

Heat energy

Porous media

Battery thermal management

Pcm

Heat energy storage

Résumé

Le développement des systèmes photovoltaïques et des véhicules électriques est dépendant de celui des batteries. La gestion thermique efficace des batteries est nécessaire pour leur assurer une meilleure performance, une autonomie et une durée de vie optimale. Les systèmes de refroidissements actifs (air/ liquide) sont les plus utilisés comme systèmes de gestion thermique. Cependant, ces systèmes sont coûteux en matière de consommation énergétique, d'investissement et de maintenance. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) pour l'absorption de la chaleur générée par les cellules peut représenter une alternative moins coûteuse et plus facile à mettre en œuvre. Cependant, les MCP possèdent une faible conductivité thermique (0.15- 0.4 W/(m. K)) qui limite les capacités d'échanges thermiques et réduit la cinétique de changement de phase solide liquide. Afin d’augmenter la capacité d'échange thermique entre la batterie et le MCP, des matériaux à haute conductivité thermique, comme les mousses métalliques peuvent être ajoutés. En effet les mousses métalliques (MM) possèdent des caractéristiques spécifiques telles qu’une porosité élevée (entre 0.8 et 0.98), grande conductivité thermique est une large surface de contact par unité de volume. Ce qui les qualifie à être une bonne solution pour intensifier le transfert thermique. Dans ce travail de thèse, la gestion thermique des batteries type Li-ion par un composite MM-MCP a été étudiée expérimentalement et numériquement à l’échelle d’une cellule. Dans une première partie, des composites MM- MCP ont été développés et caractérisés. Les résultats recueillis ont révélé une conductivité thermique élevée des composites par rapport au MCP pur. Par ailleurs un modèle analytique de prédiction de la conductivité thermique effective des a été développé. Dans une deuxième partie et dans le but de pouvoir comprendre les mécanismes de transfert lors du changement de phase, des études numériques et expérimentales ont été menées conjointement et de nouveaux dispositifs expérimentaux ont été développés. Dans cette partie, l’impact de la morphologie et des propriétés de la mousse sur la cinétique de changement de phase solide- liquide a été étudié. Les résultats obtenus ont permis de classer le composite paraffine RT27- Mousse d’aluminium comme le meilleur candidat pour garder la température d’une cellule Li-ion dans l’intervalle des températures souhaités (15°C- 30°C). La dernière partie a été consacrée à l’étude des phénomènes thermique dans une cellule Li-ion type : 18650, au dimensionnement, à l’optimisation et à la mise en place d’un système de gestion thermique passif pour les batteries Li-ion. Une nouvelle plateforme expérimentale a été conçue et utilisée pour étudier le comportement thermique des cellules de batterie. Plusieurs scénarios de variations de profil de courant de sollicitation et de la température ambiante ont été testés. Les sources de chaleur dans une cellule Li-ion ont été mises en évidence. En outre, il a été observé que la température de la cellule dépend de plusieurs paramètres : l’intensité de courant, la durée des cycles charge/décharge et la température ambiante. Les résultats expérimentaux et numériques ont prouvé que l’ajout d’une mousse d’aluminium permet une gestion thermique plus efficace de la cellule. Les résultats ont révélé qu’une différence de températures d’environ 11°C avait été enregistré sur la surface externe de la cellule. L'étude d'optimisation a montré qu'une sous-estimation de l'épaisseur de MCP (masse de MCP nécessaire) conduit à des températures extrêmes. Cependant l'ajout d'une masse supplémentaire de MCP n’a pas une grande influence sur la température de la surface des cellules.

The development of photovoltaic systems and electric vehicles is dependent on the development of Li-Ion batteries. Efficient thermal management of Li-Ion batteries is necessary to ensure better performance, autonomy and optimal lifespan. Active cooling systems (air/liquid) are the most widely used thermal management systems. However, these systems are costly in terms of energy consumption, investment and maintenance. The use of phase change materials (PCM) for the absorption of heat generated by Li-Ion cells can represent a cheaper and easier to implement alternative. However, PCMs have a low thermal conductivity (0.2- 0.4 W/(m. K)) which limits heat exchange capacities and reduces solid-liquid phase change kinetics. In order to increase the heat exchange capacity between the battery and the MCP, a material with high thermal conductivity, such as metal foams, can be added. Indeed, metal foams have specific characteristics such as high porosity (porosity between 0.8 and 0.98), high thermal conductivity and a large contact surface per unit volume. This qualifies them to be a good solution to intensify heat transfer. In this thesis work, the thermal management of Li-ion batteries by an PCM-Metal Foam composite has been studied experimentally and numerically at the scale of a cell and a battery. In a first part, metal foam-PCM composites were developed and characterized. The collected results revealed a high thermal conductivity of PCM-Metal Foam Composites compared to pure PCM. In addition, an analytical model for predicting the thermal conductivity of PCM-Metal Foam composites was developed. In a second part and in order to understand the transfer mechanisms during solid-liquid phase change, numerical and experimental studies were carried out. In this part, the impact of the morphology and properties of the foam on the solid-liquid phase change kinetics was studied. The results obtained allowed to classify the paraffin RT27- Aluminum Foam composite as the best candidate to keep the temperature of a Li-ion cell within the desired temperature range (15°C- 30°C). The last part was devoted to the study of thermal phenomena in a typical Li-ion cell: 18650, to the designing, optimization and implementation of a passive thermal management system for Li-ion batteries. A new experimental bench was designed and used to study the thermal behavior of Li-ion batteries at the scale of a cell. Several scenarios of variations in the load current profile and ambient temperature were applied to the cell. Heat sources in a Li-ion cell were highlighted. In addition, it was observed that the cell temperature depends on several parameters: current intensity, duration of charge/discharge cycles and ambient temperature. Experimental and numerical results proved that the addition of an aluminum foam allows a more efficient thermal management of the cell. The optimization study showed that an underestimation of the thickness (mass of MCP required) leads to extreme temperatures. However, the addition of an additional mass of MCP does not have a great influence on the cell surface temperature.