Modélisation de batteries sodium-ion pour le diagnostic embarqué de leurs états de charge et de santé

Modeling of sodium-ion batteries for on-board diagnosis of their states of charge and health

• Auteur / Autrice : Houssam Rabab
• 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 11/06/2024
• 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

Essais (technologie)

Électrochimie

Spectroscopie d'impédance

Liquides

Solides

Diffusion (physique)

Carbone

Circuits à couplage de charge

Circuits équivalents

Chargeurs de batteries

Accumulateurs

Batteries sodium-ion

Mots clés libres

Diagnostic

Modèle de circuit équivalent

Nonlinéarités

Modèle basé sur la physique

Transferts de charge et de la SEI

Modélisation

Sodium-ion battery

Equivalent circuit model

Physics-based model

Nonlinearities

Hard carbon

Diagnosis

Diffusion

Charge transfers and SEI

Modeling

Impedance spectroscopy

Storage batteries

Battery chargers

Electrochemistry

Résumé

La thèse présente un modèle basé sur la physique pour les cellules sodium-ion de type NVPF/HC. Le modèle tient compte des complexités de la modélisation de ces cellules, notamment à cause de leurs non-linéarités liées au courant, à la température et à l'état de charge (State of charge : SoC). La structure du modèle est un circuit équivalent amélioré par des concepts utilisés dans les modèles à particules uniques (Single particle model : SPM) pour former une structure ECM-SPe, adaptée aux diagnostics de SoC et d'état de santé (State of health : SoH). La structure ECM-SPe sépare les effets de la diffusion en phase solide et en phase liquide. Il est montré que la modélisation classique des effets de diffusion en phase solide par une impédance entraîne de nombreuses difficultés. En remplacement, une approche novatrice est proposée en utilisant des décalages en SoC de la tension en circuit ouvert (Open circuit voltage : OCV). Ces décalages sont en lien direct avec les phénomènes électrochimiques, ce qui permet la mise en place de modèles de non-linéarités physiques. La structure ECM-SPe caractérise divers phénomènes électrochimiques sous forme de contributions de tension : surtension ohmique ou statique (Vs), surtension de surface (Vsurf) qui comprend les surtensions des transferts de charge et de l'interphase solide-électrolyte (Solid-electrolyte interphase : SEI), surtension de diffusion en phase liquide (Vld) et la tension d'équilibre de surface (Surface equilibrium voltage : SEV). Des modèles analytiques pour les non-linéarités en courant, en température et en SoC sont proposés pour chaque contribution de tension. Ces modèles des non-linéarités sont basés sur des équations théoriques et empiriques pour caractériser les paramètres du modèle sans recours à des tables d'interpolation. Le modèle NVPF/HC est l'ensemble de la structure ECM-SPe avec les modèles des non-linéarités des contributions en tension. La thèse détaille les protocoles expérimentaux pour la détermination des paramètres, ce qui comprend des tests à courant constant, des créneaux de courant, et des spectroscopies d'impédance, réalisés sous divers courants, températures et SoC. La performance du modèle est validée par des comparaisons avec des données expérimentales, démontrant des résultats prometteurs. En plus, le modèle NVPF/HC peut servir comme un outil de diagnostic des transferts de charge et de la SEI en séparant leurs non-linéarités en courant, température et en SoC. Le modèle montre sa fiabilité pour estimer la tension de la cellule dans des applications à courant variable, avec de bonnes performances à des courants allant jusqu'à ±5C et des températures au-dessus de 5 °C. L'étude souligne également la nécessité de développer des tests de caractérisation distincts pour les contributions de diffusion solide et liquide.

The thesis presents a physics-based model for sodium-ion cells of the NVPF/HC type. The model takes into account the complexities involved in modeling these cells, notably due to their nonlinearities in current, temperature and state of charge (SoC). The model structure is an equivalent circuit enhanced by concepts used in single particle models (SPM) to form an ECM-SPe structure, suitable for diagnosis of the SoC and the state nof health (SoH) of the cell. The ECM-SPe structure separates the effects of solid-phase and liquid-phase diffusion. It is shown that classical modeling of solid-phase diffusion effects by impedance leads to numerous difficulties. As a replacement, an innovative approach is proposed using shifts in SoC of the open circuit voltage (OCV). These shifts are directly related to electrochemical phenomena, enabling the implementation of physical nonlinearity models. The ECM-SPe structure characterizes various electrochemical phenomena as voltage contributions: ohmic or static overvoltage (Vs), surface overvoltage (Vsurf) which includes charge transfers and the solid electrolyte interphase (SEI) overvoltages, liquid phase diffusion overvoltage (Vld) and the surface equilibrium voltage (SEV). Analytical models for current, temperature and SoC nonlinearities are proposed for each voltage contribution. These nonlinearity models are based on physical and empirical equations to characterize the model parameters without the use of lookup tables. The NVPF/HC model consists of the ECM-SPe structure with the nonlinearity models for the voltage contributions. The PhD details experimental protocols for parameter determination, which include constant current tests, pulse tests, and impedance spectroscopies, performed under various currents, temperatures and SoC. The performance of the model is validated by comparisons with experimental data, demonstrating promising results. In addition, the NVPF/HC model can be used as a diagnostic tool for charge transfers and SEI by separating their nonlinearities in current, temperature and SoC. The NVPF/HC model shows its reliability for estimating the cell voltage in variablecurrent applications, with good performance at currents up to ±5C and temperatures above 5 ◦C. The study also highlights the need to develop distinct characterization tests for solid and liquid diffusion contributions.