Modélisation des performances et du vieillissement des assemblages parallèles de cellules lithium-ion pour la détermination de l’état de santé et de la durée de vie des batteries

Abstract

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de la transition énergétique. Depuis quelques années, les cellules lithium-ion sont de plus en plus utilisées pour alimenter les véhicules électriques et soutenir les réseaux d'énergie. Devant les niveaux de puissance et d'énergie mis en jeu, les cellules sont assemblées en série et en parallèle sous forme de batteries pour répondre aux besoins de ces applications. Différents mécanismes de dégradation affectent les cellules. De plus, ils sont modulés par la température, l'état de charge, ou le type de sollicitation électrique. Assemblées en série, les cellules souffrent d'autres contraintes en raison de leurs différentes caractéristiques et points de fonctionnement. Pour limiter les écarts de dégradation et pour des raisons de sécurité, ce type d'assemblage est associé à un système de gestion de batterie, dont le rôle est d'assurer l'équilibrage en tension des cellules.Cette approche n'est cependant pas utilisée dans les assemblages parallèles. Ce manuscrit vise donc à évaluer et modéliser les écarts de courants liés à la mise en parallèle, et à déterminer si un équilibrage est nécessaire. Cette étude est réalisée de façon expérimentale et en simulation, sur deux technologies de cellules prisées dans les applications de puissance.En premier lieu, une étude est consacrée au fonctionnement de la cellule individuelle. Celle-ci permet de construire des modèles électriques, thermiques, et de vieillissement, ainsi que leurs différentes interactions. Compte-tenu du besoin des applications visées, l'approche utilisée dans ce manuscrit permet d'étendre les modèles empiriques et semi-empiriques (souvent utilisés pour des besoins de simplicité) à des domaines de validité plus larges, en particulier en température, où la modélisation est réalisée sur l'ensemble de la plage de fonctionnement recommandée des cellules.En second lieu, les effets de la mise en parallèle de trois cellules sont étudiés. Il s'agit ici d'évaluer les différentes causes (résistance, capacité, température) et effets de déséquilibres sur la répartition des courants à court-terme. Grâce aux modèles construits dans la partie précédente, un outil de simulation permet de comparer la validité des modèles proposés face aux données expérimentales, mais également d'analyser des comportements inaccessibles en pratique, notamment en ce qui concerne les effets résistifs.En dernier lieu, les effets à long-terme de la mise en parallèle sont analysés. Dans cette partie, l'accent est mis sur le déséquilibre thermique, et deux assemblages de trois cellules sont vieillis avec des protocoles différents pour en comparer les effets. A l'instar de la partie précédente, l'étude est réalisée expérimentalement ainsi qu'en simulation. De plus, une étude succincte met en évidence que certains outils de diagnostic d'état de santé ne fonctionnent plus lorsque l'on passe d'une cellule seule à un assemblage. Cette partie, conjointement aux autres, permet alors de conclure quant aux risques et besoins d'un équilibrage lors de la mise en parallèle.