Modélisation de l'influence de la rapidité de recharge totale ou partielle sur les performances électro-thermiques et la durée de vie des batteries pour applications automobiles

Abstract

La charge rapide des batteries est un enjeu majeur pour le développement de l’automobile électrique. Côté infrastructure, un déploiement de chargeurs de haute voire très haute puissance est en cours. Ces hautes puissances motivent une recherche sur les batteries, dans l’objectif de réduire significativement leurs durées de charge.Pour une cellule de batterie de caractéristiques données, la puissance de charge est limitée par des considérations électriques, thermiques et de durée de vie. Cette thèse souhaite alors apporter une contribution à la réduction du temps de charge, par une approche numérique de modélisation, simulation et optimisation. Elle compare également 4 références de cellules de différents matériaux et différentes densités d’énergie.Tout d’abord, des modèles du comportement électrique, thermique et de vieillissement d’une cellule sont développés séparément, puis couplés. De manière systématique, les modèles sont présentés, leurs procédures de calibration sont décrites, et ils sont comparés à des résultats expérimentaux. Une attention particulière est portée à l’effet des forts régimes de courant dans différentes conditions thermiques. Ceci a permis d’étendre leurs domaines de validité respectifs.Ensuite, une campagne de vieillissement accéléré est réalisée sur 3 références de cellules. Elle compare l’effet du courant de charge, de la tension de fin de charge et de différentes conditions thermiques sur la dégradation, dans le cadre d’un protocole de charge référence. Les résultats ont permis d’identifier plusieurs stratégies pour la réduction du temps de charge, au niveau du choix d’une référence de cellule, de la gestion thermique, et de l’optimisation du protocole de charge.Enfin, cette dernière stratégie est étudiée. Une méthode de définition par optimisation numérique d’un protocole de charge à plusieurs niveaux de courant constant est développée. Elle se base sur le modèle électro-thermique mis en place. La méthode est utilisée pour définir 5 protocoles de charge optimisés qui sont soumis à des essais de vieillissement accéléré. La dégradation est ensuite comparée à celle observée pour le protocole de charge référence. Dans des conditions comparables au protocole référence, les protocoles optimisés permettent de réduire le temps de charge et/ou la dégradation.