Batteries de seconde vie dans une application de recharge de véhicules : maîtrise des performances

Second-life batteries in an electric vehicle charger : performance management

• Auteur / Autrice : Marwan Hassini
• Direction : Pascal Venet, Eduardo Redondo Iglesias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/02/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône ; 1995-2006)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d’Ingénierie Circulation Transport et Éco-gestion des systèmes énergétiques pour les transports
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Venet, Eduardo Redondo Iglesias, Christophe Forgez, Jean-Michel Vinassa, Marie-Ange Raulet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Forgez, Jean-Michel Vinassa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport durable

Chargeurs de batteries

Accumulateurs -- Recyclage

Véhicules électriques

Mots clés libres

Batteries lithium-ion

Batteries de seconde vie

Véhicules électriques

Infrastructure de recharge

Essais

Essais accélérés (technologie)

Modélisation

Vieillissement

Lithium-ion batteries

Second life batteries

Electric vehicle

Charging

Tests

Accelerated testing

Modelling

Ageing

Résumé

La mobilité électrique est désormais une réalité industrielle et sociétale, rendue possible par les avancées dans le domaine des batteries. Pour garantir son caractère soutenable, plusieurs aspects nécessitent des améliorations. Un des points de vigilance est le coût et l’impact environnemental des batteries. Les besoins en matières premières associés aux impacts environnementaux des activités d’extraction et de transformation de la matière peuvent remettre en question le caractère durable de la mobilité électrique. Étendre la vie des batteries en les réutilisant dans un second usage peut être une solution permettant de réduire leur coût et leurs impacts. La réduction de la taille des batteries est une seconde solution envisageable. Toutefois, un véhicule électrique alimenté par une batterie de taille réduite aura une autonomie limitée. Pour permettre le déploiement de tels véhicules, une infrastructure de recharge finement maillée doit être déployée. Le coût et l’impact environnemental associés à une augmentation du nombre de bornes de charge est un autre point de vigilance. Le taux d’utilisation des bornes de charge fixes déjà déployées est limité en raison des véhicules occupant ces bornes sans se charger. Pour pallier à ce problème, il peut être souhaitable de mettre en place des bornes de charge mobiles pouvant se déplacer d’un véhicule à l’autre lorsqu’une charge est terminée. L’objectif de la thèse est de faciliter le déploiement de batteries de seconde vie dans des infrastructures de recharge mobiles. Elle s’inscrit dans le cadre du projet BAROM du Pack Ambition Recherche de la Région AURA. Les travaux menés s’articulent autour de deux grandes questions de recherche : quelles batteries sélectionner pour une seconde vie et comment les utiliser au mieux ? Un travail de caractérisation a permis d’évaluer les performances de plusieurs batteries issues de véhicules électriques. Cette étude ainsi qu’un état de l’art sur les performances de telles batteries a permis de montrer que la fin de vie automobile basée sur un seuil fixe de capacité était peu pertinente. Une définition s’appuyant sur les besoins d’un usage est à privilégier. Une méthodologie de caractérisation rapide permettant de déterminer en quelques minutes si une batterie est éligible à une seconde vie est également présentée. Finalement, une procédure d’analyse des données permettant d’évaluer les usages possibles pour une réutilisation est décrite. Ce travail a permis de montrer que les batteries de seconde vie peuvent être utilisées pour alimenter des applications de recharge de véhicules. L’étude de vieillissement menée dans cette thèse a permis de déterminer la vitesse de dégradation de batteries de seconde vie dans une station de recharge mobile. L’influence de la température sur le vieillissement a fait l’objet d’une attention particulière. Ce travail expérimental ainsi qu’un état de l’art ont permis de montrer que des batteries peuvent être réutilisées plusieurs milliers de cycles lors d’une seconde vie. L’influence de la dispersion et des éléments dégradés sur la performance d’une station de recharge mobile a fait l’objet d’une étude de modélisation. La limitation des dispersions des éléments au sein d’une batterie a été identifiée comme un enjeu important pour garantir la viabilité de la réutilisation.

Electric mobility is now an industrial and social reality, made possible by advances in battery technology. To ensure its sustainability, several aspects need to be improved. One of these is the cost and environmental impact of batteries. The need for raw materials, combined with the environmental impact of extracting and processing them, may call into question the sustainability of electric mobility. Extending the life of batteries by reusing them for a second purpose could be one way of reducing their cost and impact. Reducing battery size is another possible solution. However, an electric vehicle powered by a smaller battery will have a limited range. To enable the deployment of such vehicles, a finely meshed recharging infrastructure needs to be deployed. The cost and environmental impact associated with an increase in the number of charging stations is another point of concern. The utilization rate of fixed charging stations already deployed is limited due to vehicles occupying these stations without charging. To alleviate this problem, it may be desirable to set up mobile charging stations that can move from one vehicle to another when a charge is complete. The aim of the thesis is to facilitate the deployment of second-life batteries in mobile charging infrastructures. It is part of the BAROM project, part of the AURA Region's Ambition Research Pack. The work carried out revolves around two major research questions: which batteries to select for a second life, and how best to use them? Characterization work has enabled us to assess the performance of several batteries from electric vehicles. This study, together with a review of the state of the art on the performance of such batteries, showed that an automotive end-of-life based on a fixed capacity threshold was not very relevant. A definition based on usage requirements is to be preferred. A rapid characterization methodology is also presented, making it possible to determine in just a few minutes whether a battery is eligible for a second life. Finally, a data analysis procedure for assessing possible uses for reuse is described. This work has shown that second-life batteries can be used to power vehicle charging applications. The ageing study carried out in this thesis determined the rate of degradation of second-life batteries in a mobile charging station. Particular attention was paid to the influence of temperature on aging. This experimental work, together with a review of the state of the art, showed that batteries can be reused several thousand cycles in a second life. The influence of dispersion and degraded cells on the performance of a mobile charging station was the subject of a modeling study. Limiting the dispersion of cells within a battery was identified as an important issue in ensuring the viability of reuse.