Étude du comportement des éléments de protection des accumulateurs Lithium-ion en conditions de court-circuit ou de surintensité à l'échelle d'un système

Study of the performance of Lithium-Ion cell protection devices under short-circuit or overcurrent conditions at the system level

• Auteur / Autrice : Julien Chauvin
• Direction : Philippe Azais
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble - LITEN
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEHT

Mots clés

Mots clés libres

Lithium-ion

Sécurité

Court-circuit

Surcharge

Pouvoir de coupure

Stockage électrochimique

Lithium-ion

Safety

Short-circuit

Overcharge

Breaking capacity

Electrochemical storage

Résumé

La sécurité des batteries Li-ion est un enjeu majeur dans le développement de ces technologies. Afin d'adresser au mieux cette problématique et d'être en mesure de concevoir des systèmes batteries sûrs, les principaux évènements redoutés sont classifiés et en face de chacun, un ou plusieurs éléments de sécurité sont définis. Dans cette thèse nous attacherons à traiter plus particulièrement les défauts externes de type court-circuit franc ou impédant sur tout ou partie du pack batterie, donc concernant un grand nombre de cellules. Si le court-circuit se produit sur la charge extérieure, alors le pack batterie sera simplement protégé par fusible, mais si ce court-circuit pour une raison inconnue (crash, poussières conductrices, fuite d'électrolyte, double défaut d'isolement, …) se produit sur un chemin de courant non protégé par fusible, alors les protections internes aux cellules seront sollicitées, pouvant parfois entraîner un arc électrique dangereux pour les biens et les personnes. Pour être certain qu'elles fonctionneront correctement, il est nécessaire de les avoir caractérisées dans les différents modes de défauts. L'objectif principal de cette thèse, grâce à des travaux de caractérisations en conditions abusives et des modélisations à l'échelle cellule puis pack batterie (remontée d'échelle), est la mise en place d'outils permettant de jouer des scénarios de court-circuit d'impédances et de positions aléatoires au sein d'un pack batterie, et ainsi d'anticiper des situations critiques.

The safety of Li-ion batteries is a major issue in the development of these technologies. In order to address this issue in the best way possible and to be able to design safe battery systems, the main feared events are classified and in front of each one, one or more safety elements are defined. In this thesis we will focus on the external faults such as free or impeding short circuit on all or part of the battery pack, thus concerning a large number of cells.If the short circuit occurs on the external load, then the battery pack will simply be protected by a fuse, but if this short-circuit occurs for an unknown reason (crash, conductive dust, electrolyte leakage,double insulation fault, ...) on a current path not protected by a fuse, then the internal protections of the cells will be solicited, which can sometimes lead to an electric arc dangerous for equipment and people. To be sure that they will function correctly, it is necessary to have characterized them in the different fault modes. The main objective of this thesis, thanks to work of characterizations under abusive conditions and modeling at the cell then battery pack (up-scaling), is the implementation of tools allowing to play short-circuit scenarios with random impedances and positions within a battery pack, and thus to anticipate critical situations.