Modélisation thermique de cellules lithium-ion avec application à la gestion de la température et du vieillissement d'un pack batterie reconfigurable

Abstract

En raison de la sensibilisation croissante à l’environnement et de la demande des consommateurs, le secteur des transports a pris des mesures pour réduire la consommation de combustibles fossiles et les émissions de gaz à effet de serre. L’électrification devrait jouer un rôle très important dans l’avenir de l’industrie automobile. Cette thèse présente une série d’études expérimentales, modélisations et simulations sur le pack de batteries lithium-ion automobile et soutient le développement de véhicules électrifiés par batterie. L’objectif de ce travail est de développer une gestion plus flexible de la température, des performances et du vieillissement des batteries automobiles, en accordant une attention particulière aux véhicules électriques hybrides (HEV). Les batteries des véhicules électriques hybrides génèrent un fort échauffement lors des sollicitations dues aux accélérations et freinages fréquents. Sans aucune gestion, cet échauffement réduit les performances de la batterie, accélère sa dégradation et, dans le pire des cas, peut conduire à un emballement thermique, ce qui constitue un problème de sécurité majeur. Cette étude propose donc différents modèles simples mais précis pour estimer les températures internes de la batterie, les réponses électriques et de vieillissement d’une batterie prismatique au lithium-ion. Des tests expérimentaux en laboratoire sont conçus pour évaluer les modèles thermiques, électriques et de vieillissement développés sous des profils de conduite réels. Les modèles sont validés et sont adaptés à la mise en oeuvre d’un système de gestion de la batterie (BMS).En outre, cette thèse promeut un pack de batterie sophistiqué amélioré par des commutateurs semiconducteurs qui permettent de contourner une ou plusieurs cellules de batterie en série dans le pack sans interrompre l’utilisation du pack batterie. Un tel pack de batterie reconfigurable permet des fonctions et des performances qui ne peuvent être atteintes par un pack conventionnel. Ces caractéristiques exigent une stratégie de contrôle du pack intelligente et efficace en raison des contraintes et des limitations de fonctionnement des batteries lithium-ion. Cette thèse est également une contribution sur la gestion du contrôle des commutateurs du pack de batterie. Cet objectif est abordé en concevant d’abord une stratégie de contrôle simple basée sur des règles pour piloter les commutateurs sophistiqués du pack. La stratégie compare le niveau de charge de toutes les cellules de la batterie dans le pack pour décider de celles qui doivent être activées. Des stratégies basées sur l’optimisation sont dérivées et étudiées dans une deuxième étape. Un schéma de contrôle prédictif de modèle (MPC) est introduit pour la décision sur l’activation de la commutation. Les performances d’équilibrage du pack de batteries en termes thermiques, électriques et de vieillissement de différentes formulations du MPC sont évaluées à travers des simulations. Des comparaisons par simulation ont été effectuées entre un un pack de batteries conventionnel statique et le pack reconfigurable pour les deux approches de stratégie de contrôle et différents styles de conduite. Les résultats ont révélé une amélioration des performances et de la durée de vie du pack de batterie reconfigurable par rapport au pack conventionnel.