Ph.d cifre candidat - charge ultra rapide d'une batterie li-ion f/h

Charge ultra rapide d’une batterie Li-ion basée sur l’exploitation d’un modèle thermoélectrique pseudo-2D pour l’estimation de son état de chargeabilité

Contexte

Le développement des énergies renouvelables, l’essor de la mobilité durable et l’émergence des objets connectés confrontent le secteur de l’énergie à l’introduction massive de nouvelles solutions de fourniture et de stockage d’énergie. En cela, le stockage d’énergie par batterie est stratégique. Et en quelques années, la technologie Li-ion s’est largement imposée face aux technologies concurrentes, aussi bien pour le stockage de masse, le stockage typé énergie ou encore le stockage à très forte densité de puissance. Néanmoins, les progrès et innovations viennent régulièrement remettre en jeu les avantages/inconvénients de chaque technologie.

Problématiques industrielles

La batterie Li-ion a la particularité de présenter - parmi les technologies de stockage d’énergie - un des meilleurs compromis en termes de densité d’énergie, de densité de puissance et de coût au kWh. Mais beaucoup reste encore à faire, en particulier parce que de nombreux domaines d’application (systèmes embarqués, drones marins ou aériens, transport aérien, etc.) nécessitent au moins un triplement de leur densité d’énergie pour permettre une généralisation de leur usage, ou à plus court terme d’être en mesure de pouvoir se recharger très rapidement (idéalement 10 minutes de 20 à 80% de SOC).

Pour des applications nécessitant des charges rapides, la sélection des constituants des électrodes, (mais aussi de l’électrolyte et du séparateur), le choix du profil de puissance de charge ainsi que le dimensionnement et la gestion thermique de la batterie demeurent des axes majeurs d’amélioration de la chargeabilité de la batterie, c’est-à-dire de la capacité d’un accumulateur à être rechargé (ou déchargé) sans dégradation notable de sa durée de vie, du fait notamment du dépôt de lithium métal.

Objectifs académiques

Le travail proposé dans la thèse s’inscrit dans cette problématique de charge ultra rapide associée à une augmentation conjointe de la densité d’énergie et de la puissance des batteries embarquées conduisant à des variations rapides et importantes de la température au sein des accumulateurs mais aussi du système batterie lors de leur utilisation. Avec donc la nécessité de développer des algorithmes et des modèles de comportement spécifiquement adaptés à la gestion de la charge rapide des batteries.

La modélisation thermoélectrique d’accumulateurs (de type pouch, prismatique ou cylindrique) a bien sûr déjà été largement étudiée cette dernière décennie ; mais généralement en considérant de façon globale le fonctionnement de l’accumulateur, sans tenir compte des limitations propres à chacune des électrodes.






La thèse en cours de Raymonda DIAB (One-sixone, IMN, IREENA) a permis de développer un modèle pseudo-2D original permettant d'observer en ligne (pendant la charge) les grandeurs électrochimiques de chaque électrode, en particulier le potentiel de l'électrode négative. Grace à ce modèle, il devient possible de piloter le courant de charge à la limite du domaine de fonctionnement de la batterie, sans provoquer de lithium plating.

Le premier objectif de la thèse sera donc de prendre en main ce modèle et de le coupler à un modèle thermique de la batterie afin de s'affranchir de la dépendance des paramètres et des états à la température.

Le second objectif sera de développer les algorithmes d'observation des grandeurs électrochimiques (température, potentiel, concentration, etc.) de chaque électrode. La validation de ces algorithmes nécessitera de réaliser des analyses post mortem (en collaboration avec l'IMN) et de contrôler le courant à partir de l’observation de ces grandeurs.

Le troisième objectif sera de tester ces algorithmes sur cible numérique (carte électronique).

Ces travaux nous permettrons d’une part de sélectionner des designs les plus adaptés pour des densités d’énergie élevées ainsi que d’autre part de développer/valider des profils de charge et des modèles thermoélectriques spécifiquement adaptés à des charges de très courtes durées.

In fine, le résultat principal attendu est un prototype de chargeur intégrant des algorithmes de contrôle du courant de charge ultra rapide d'une batterie Li-ion.

Verrous scientifiques et technologiques

De ce point de vue, une meilleure compréhension et prise en considération des phénomènes limitants intervenants au niveau de l’électrode négative et du comportement thermique est indispensable pour l’obtention de modèles fiables. Une autre difficulté majeure pour réussir l’étude envisagée est la qualité des mesures réalisées lors d’impulsions de courte durée et sous forts courants. Dans un BMS, cette qualité de mesure est en effet limitée par la technologie actuellement disponible, avec le recours indispensable à une offre réduite de puces dédiées aux mesures isolées des tensions/T°C des accumulateurs. Avec des impacts sur la représentativité des simulations réalisées et donc la validation des modèles proposés.

Mots clés

Charge rapide, thermique, batterie Li-ion, électrodes, vieillissement, diagnos.tic, simulation multi-physique, optimisation, éléments finis, forte puissance.


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