Etude 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 Azaïs
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble - LITEN
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEHT
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Azaïs, Serge Pelissier, Guy Friedrich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Pelissier, Guy Friedrich

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

Les accumulateurs Lithium-ion, commercialisés dans les années 1990, ont d'abord été utilisés dans des applications portables de faible tension. Grâce à leurs nombreux avantages, notamment leur densité d'énergie massique et volumique élevée, cette technologie a rapidement permis le développement d’applications de plus grande envergure, comme le transport et le stockage stationnaire. Ces systèmes requièrent toutefois des packs batteries assemblant plusieurs centaines ou milliers d'accumulateurs, avec des tensions atteignant actuellement 400 V ou 800 V pour l'automobile, et des niveaux encore plus élevés pour d'autres secteurs comme le maritime, par exemple. Cependant, à mesure que les tensions et courants augmentent dans ces packs de grande taille, garantir la sécurité électrique des accumulateurs devient un défi de plus en plus complexe. En particulier, il existe des situations de défaut électrique (court-circuit et surcharge) de position aléatoire dans le pack pour lesquelles les protections dédiées (fusible, contacteurs) ne peuvent pas agir. C’est par exemple le cas lors d’un crash entraînant une déformation mécanique, lors d’une fuite d'électrolyte ou lors d’un double défaut d'isolement pour une raison quelconque. Les contraintes appliquées aux accumulateurs (courant et tension de défaut) sont alors proportionnelles à la taille et à l’architecture électrique du système. La capacité à interrompre ces contraintes par le ou les dispositifs de protection intégrés dans les accumulateurs, tels que le CID (Current Interrupt Devices), l’OSD (Overcharge Safety Devices), ou les collecteurs fusibles, par exemple, est alors mise en question. Bien que de nombreuses études se concentrent sur le comportement des accumulateurs individuels en cas de court-circuit ou de surcharge, très peu s'intéressent à ces phénomènes à l'échelle d'un système. Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'évaluation de la sécurité électrique des accumulateurs, et de leurs éléments de protection, à l'échelle d'un système est proposée. Elle repose sur la reproduction des courants et tensions de défaut d'un assemblage complet à l'échelle d'un accumulateur unitaire, grâce à des moyens électroniques et électrotechniques. Cette approche permet d'étudier avec précision le comportement et les limites en matière de pouvoir de coupure des composants de protection électrique intégrés aux accumulateurs Li-ion et de l’influence sur la sécurité. Deux situations sont étudiées sur des accumulateurs cylindriques au format 18650 et 21700. La première est la surcharge, pour laquelle une caractérisation poussée des performances du CID fut réalisée, notamment à l’aide d’un rayonnement synchrotron (ESRF). Parmi les résultats marquants, un nouveau schéma de test permettant de mieux intégrer la notion de pouvoir de coupure, comblant ainsi une lacune des essais normatifs actuels, fut proposé, permettant de produire une aire de sécurité du couple accumulateur-protection. La seconde est le court-circuit, pour lequel un banc de test inédit a permis de reproduire des courts-circuits allant jusqu’à 1200 A et 92 V sur quatre références d’accumulateurs, démontrant le comportement fusible de leurs collecteurs de courant. Finalement, la méthodologie a été appliquée à une situation de court-circuit (400 V, 7 000 A) dans un pack batterie de type automobile, utilisant des accumulateurs de 37 Ah à 94 Ah de différents formats. Cette dernière étape démontre notamment la faisabilité de la méthodologie à de plus grandes échelles et fournit de premiers résultats quant au fonctionnement et aux limites des protections d’accumulateurs dédiées au marché automobile. Ces résultats pourraient à terme aider au dimensionnement et au positionnement des protections électriques au sein des packs batteries.

Lithium-ion batteries, commercialized in the 1990s, were initially used in low-voltage portable applications. Thanks to their many advantages, particularly their high gravimetric and volumetric energy density, this technology quickly enabled the development of larger-scale applications, such as transportation and stationary storage. However, these systems require battery packs that assemble several hundred or even thousands of cells, with voltages currently reaching 400 V or 800 V for automotive applications, and even higher levels for other sectors like maritime. As the voltages and currents in these large battery packs increase, ensuring the electrical safety of the cells becomes an increasingly complex challenge. In particular, there are situations of electrical fault (short circuit and overcharge) occurring at random positions within the pack, for which dedicated protections (fuses, contactors) cannot act. For example, this may occur during a crash causing mechanical deformation, an electrolyte leak, or a double insulation failure for some reason. The constraints applied to the cells (fault current and voltage) are then proportional to the size and electrical architecture of the system. The ability of the integrated protection devices within the cells, such as CID (Current Interrupt Devices), OSD (Overcharge Safety Devices), or fuse collectors, to interrupt these constraints is therefore challenged. Although many studies focus on the behavior of individual cells in case of short circuit or overcharge, very few consider these phenomena at the system level. In this thesis, a new method for evaluating the electrical safety of cells and their protection devices at the system level is proposed. It is based on the reproduction of fault currents and voltages from a complete assembly on a single cell, using electronic and electrotechnical means. This approach allows for a precise study of the behavior and the breaking capacity limits of the protection components integrated into lithium-ion cells and their influence on safety. Two situations are studied on cylindrical cells in 18650 and 21700 formats. The first is overcharge, for which an in-depth characterization of CID performance was conducted, notably using synchrotron radiation (ESRF). Among the key results, a new testing scheme was proposed to better integrate the notion of breaking capacity, thus filling a gap in current normative testing, allowing for the definition of a safety range for the cell-protection pair. The second is short-circuit, for which an innovative test bench was developed to simulate short circuits up to 1200 A and 92 V on four cell references, demonstrating the fuse-like behavior of their current collectors. Finally, the methodology was applied to a short-circuit scenario (400 V, 7,000 A) in an automotive-type battery pack, using cells from 37 Ah to 94 Ah in different formats. This final step demonstrates the feasibility of the methodology on larger scales and provides initial results regarding the performance and limitations of cell protection systems dedicated to the automotive market. These results could lead to better sizing and positioning of electrical protection devices within battery packs.