Modélisation thermique de cellules lithium-ion avec application à la gestion de la température et du vieillissement d'un pack batterie reconfigurable

Lithium-ion cell thermal modelling with application to temperature and ageing management of a reconfigurable battery pack

• Auteur / Autrice : Abouzede Mondoha
• Direction : Jocelyn Sabatier, Christophe Farges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 11/05/2023
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes à dérivées non entières (Commande Robuste d'Ordre Non Entier CRONE)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Caux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniela Chrenko, Jean-Michel Vinassa, Patrick Lanusse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Sandou, Christophe Forgez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande prédictive

Batteries lithium-ion

Véhicules électriques

Mots clés libres

Véhicules électrifiés

Batterie Lithium-ion

Modélisation Thermique- Électrique-Villeillissement de Batterie au Lithium-ion

Commande Predicdive Non-Linéaire

Electrified vehicles

Lithium-ion battery

Thermal-electrical-ageing Lithium-ion battery modelling,

Reconfigurable battery pack

Pack control

Mixed-Integer Non-Linear Model Predictive Control

Résumé

En raison de la sensibilisation croissante à l’environnement et de la demande des consommateurs, le secteur des transports a pris des mesures pour réduire la consommation de combustibles fossiles et les émissions de gaz à effet de serre. L’électrification devrait jouer un rôle très important dans l’avenir de l’industrie automobile. Cette thèse présente une série d’études expérimentales, modélisations et simulations sur le pack de batteries lithium-ion automobile et soutient le développement de véhicules électrifiés par batterie. L’objectif de ce travail est de développer une gestion plus flexible de la température, des performances et du vieillissement des batteries automobiles, en accordant une attention particulière aux véhicules électriques hybrides (HEV). Les batteries des véhicules électriques hybrides génèrent un fort échauffement lors des sollicitations dues aux accélérations et freinages fréquents. Sans aucune gestion, cet échauffement réduit les performances de la batterie, accélère sa dégradation et, dans le pire des cas, peut conduire à un emballement thermique, ce qui constitue un problème de sécurité majeur. Cette étude propose donc différents modèles simples mais précis pour estimer les températures internes de la batterie, les réponses électriques et de vieillissement d’une batterie prismatique au lithium-ion. Des tests expérimentaux en laboratoire sont conçus pour évaluer les modèles thermiques, électriques et de vieillissement développés sous des profils de conduite réels. Les modèles sont validés et sont adaptés à la mise en oeuvre d’un système de gestion de la batterie (BMS).En outre, cette thèse promeut un pack de batterie sophistiqué amélioré par des commutateurs semiconducteurs qui permettent de contourner une ou plusieurs cellules de batterie en série dans le pack sans interrompre l’utilisation du pack batterie. Un tel pack de batterie reconfigurable permet des fonctions et des performances qui ne peuvent être atteintes par un pack conventionnel. Ces caractéristiques exigent une stratégie de contrôle du pack intelligente et efficace en raison des contraintes et des limitations de fonctionnement des batteries lithium-ion. Cette thèse est également une contribution sur la gestion du contrôle des commutateurs du pack de batterie. Cet objectif est abordé en concevant d’abord une stratégie de contrôle simple basée sur des règles pour piloter les commutateurs sophistiqués du pack. La stratégie compare le niveau de charge de toutes les cellules de la batterie dans le pack pour décider de celles qui doivent être activées. Des stratégies basées sur l’optimisation sont dérivées et étudiées dans une deuxième étape. Un schéma de contrôle prédictif de modèle (MPC) est introduit pour la décision sur l’activation de la commutation. Les performances d’équilibrage du pack de batteries en termes thermiques, électriques et de vieillissement de différentes formulations du MPC sont évaluées à travers des simulations. Des comparaisons par simulation ont été effectuées entre un un pack de batteries conventionnel statique et le pack reconfigurable pour les deux approches de stratégie de contrôle et différents styles de conduite. Les résultats ont révélé une amélioration des performances et de la durée de vie du pack de batterie reconfigurable par rapport au pack conventionnel.

Due to increasingly environmental awareness and consumer demand, transport sector has taken steps to reduce fossil fuel consumption and greenhouse emissions. Electrification is expected to play a very significant role in the future of automotive industry. This thesis presents a series of experimental, model, and simulation-based studies on a automotive lithium-ion battery pack and supports the development of battery electrified vehicles. The purpose of this work is to develop a more flexible thermal, performance, and ageing management for automotive battery pack, while taking a special care on hybrid electric vehicles (HEVs). HEV battery packs generate strong heating during stress due to frequent accelerating and breaking. Without any management, that heating reduces battery performance, accelerates battery degradation, and, in the worst case, may lead to thermal runway, which is a major safety issue. Therefore, this study proposes different simple but accurate models to estimate internal battery temperatures, electrical and ageing responses of a prismatic lithium-ion battery. Laboratory experimental tests are designed to evaluate developed thermal, electrical, and ageing models under real-world driving profiles. The models are validated and are suitable for battery management system (BMS) implementation.Furthermore, this thesis promotes a sophisticated battery pack enhanced with semi-conductor switches that allows one to bypass serial battery cell(s) within the pack without interrupting the battery pack usage. Such reconfigurable battery pack enables functions and performance that cannot be reached by a conventional pack. These features request intelligent and efficient battery pack control strategy due to lithium-ion battery operating constraints and limitations. This thesis is also a contribution on battery pack switches control management. This objective is approached by first designing a simple rule-based control strategy to drive the sophisticated battery pack switches. The strategy compares the charge level of all battery cells within the pack to decides the ones that should be activated. Optimization-based strategies are derived and investigated in a second step. A model predictive control (MPC) scheme is introduced for the decision on the switching activation. The battery pack balancing performance in terms of thermal, electrical, and ageing of different model predictive control formulations is evaluated through simulations. Simulation comparisons have been performed between a static conventional battery pack and the reconfigurable pack for both control strategy approaches and different driving styles. The results revealed an enhancement of the reconfigurable battery pack performance and lifespan compared to the conventional one.