Modélisation électrique d’une batterie Lithium-ion

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Conclusion

L’ensemble des aspects thermiques qui ont été présentés dans ce chapitre, ont permis de comprendre une grande partie des phénomènes thermiques tels que la conduction, qui se produisent à l’intérieur de la batterie, mais également la convection qui agit à l’extérieur de la batterie et au niveau des connexions et des câbles de puissance. La modélisation thermique a été présentée en différentes étapes, à partir de l’identification des sources de chaleur, en passant par les différents phénomènes de transferts de chaleur pour arriver à la validation du modèle thermique dans son ensemble.
Les trois premières parties ont traité : de la phénoménologique thermique à l’intérieur de la batterie en discutant sur la génération de chaleur du point de vue physico-chimique et thermodynamique, des sources de chaleur qui peuvent alors être considérées pour les batteries au Lithium-ion et enfin des différents modes de transferts de chaleur. Il a été fait constamment l’analogie avec les circuits électriques équivalents. Ces parties ont permis également de décrire et de définir les différents paramètres thermiques tels que les résistances thermiques et de présenter les nombres adimensionnels de la mécanique des fluides qui ont été utilisés pour estimer des ordres de grandeur de la convection.
La quatrième partie a été consacrée à la présentation du modèle thermique où un couplage de trois modèles et un pseudo-couplage avec un modèle câble ont été proposés. Un premier modèle permet de simuler la température moyenne en surface de la cellule en supposant une homogénéité de température, ce qui a été vérifié par imagerie thermique. Un second modèle permet de simuler la température au cœur de la cellule, celui-ci est directement couplé à la sortie du modèle de surface. Un troisième modèle permet de simuler l’échauffement des clinquants en prenant en compte la conduction entre le cœur de la cellule et les extrémités des clinquants, ainsi que les échanges convectifs autour des clinquants. Ce modèle est couplé à la sortie du modèle cœur. Un dernier modèle est développé analytiquement, et permet de déterminer la température le long du câble. La caractérisation thermique et le modèle analytique du câble ont été détaillés, après avoir présenté notre analyse par microscopie électronique des clinquants qui fut indispensable pour déterminer la nature du matériau utilisé. Ce modèle n’est pas directement couplé temporellement aux précédents, car il est résolu selon une variable d’espace et les grandeurs utilisées dépendent implicitement du temps.
La cinquième partie de ce chapitre a été consacrée à la caractérisation thermique de la cellule. Différentes méthodologies ont été présentées, ainsi que nos approches analytiques et expérimentales pour déterminer les paramètres thermiques. L’analyse par tomographie aux rayons X a permis de préciser davantage les géométries et la topologie à l’intérieur de la cellule, ce qui fut indispensable pour caractériser les modèles thermiques du cœur de la cellule et des clinquants. De par cette analyse, les limites techniques du tomographe ont été atteintes en terme du rapport entre la taille de la cellule et de la résolution obtenue. La mesure de la capacité thermique massique et la vérification des quantités de chaleur dégagée par la cellule ont été présentées. Cependant, les résultats obtenus sur ce paramètre sont soumis à une incertitude relativement élevée de 10 % en raison du dispositif expérimental.

Modélisation thermique d’une batterie Lithium-ion

Enfin la sixième et dernière partie de ce chapitre a été consacrée à la présentation du montage et des protocoles expérimentaux ainsi qu’à l’analyse des essais thermiques et à la validation des modèles. Il a été montré que l’échauffement de la cellule est fortement dépendant du régime de courant, et que l’effet endothermique à un impact significatif sur le profil d’échauffement aux régimes 1C et 3C. Nos résultats montrent également que les quantités de chaleur générée par la cellule sont linéairement proportionnelles au régime de courant et que la quantité de chaleur générée en charge est moins importante qu’en décharge, soit près de 50
% de moins pour le régime 1C et près de 35 % pour les régimes 3C et 5C. Pour le régime CC+CV, les échanges thermiques sont bien indépendants du régime de sollicitation et les quantités d’énergie dissipée sont relativement constantes d’un régime à l’autre.
Le rayonnement représente la part minoritaire de l’échange thermique, il dépend de l’émissivité et du traitement à la surface de la cellule. Ceci étant, si le coefficient d’échange thermique équivalent déterminé durant la caractérisation thermique inclut le rayonnement, alors ce dernier ne doit pas être pris en compte. Pour le profil dynamique 10C, nos résultats montrent que la quantité de chaleur totale qui est générée au sein de la cellule provient de la cellule elle-même et de l’échauffement des clinquants. Il a été montré que la chaleur provenant des clinquants contribuait à l’échauffement global de la cellule. Ceci implique qu’une partie de la chaleur est dissipée par les câbles de puissance. La quantité totale d’énergie thermique générée est presque totalement transmise par conduction et est totalement dissipée par convection et rayonnement à la surface de la cellule.
L’imagerie thermique confirme la relative isothermie en surface de la cellule durant le profil 10C en régime stationnaire. Il a été constaté que le clinquant positif était plus chaud que le clinquant négatif. Il en a été déduit que l’échauffement plus important du clinquant positif est dû à la résistance électrique de la connexion, elle-même dépendante de la qualité du serrage de la visserie entre les câbles et les clinquants.
Enfin, les différents modèles thermiques ont été validés avec des erreurs relatives inférieures à 2 % et 5 % respectivement pour la température de surface et des clinquants du profil 10C. De même, pour le profil CC+CV 3C et 5C en charge-décharge, les erreurs relatives sont inférieures à 5 % et 10 % respectivement pour la température de surface et des clinquants.
Le modèle thermique peut donc être utilisé pour simuler le comportement thermique d’une cellule et peut être facilement adapté à l’échelle d’un module ou d’un pack de batteries. Il sera vu dans le prochain chapitre, la validation électrothermique d’un modèle d’assemblage sur un module de trois cellules en séries (3S) ainsi que la quantification de la quantité de chaleur qui est transmise des connexions aux cellules dans le module.
Dans ce chapitre, les résultats obtenus sur un module composé de trois cellules en séries sont présentés. Une première étude thermique est réalisée en sollicitant uniquement la cellule centrale du module afin d’étudier le comportement thermique d’une cellule dans le module et de quantifier les différentes contributions thermiques sous différents profils de sollicitation. Dans une deuxième partie, l’analyse par imagerie infrarouge du câble permettra de comparer la réponse du modèle analytique du câble aux données mesurées par caméra thermique. Dans une troisième partie, les essais seront conduits ensuite sur le module entier. Pour cette étude, le modèle thermique a été adapté pour simuler la température de chacune des cellules et permet de prendre en compte l’échauffement des connexions des cellules entre elles. Enfin, deux cas d’étude seront testés dans le cadre d’une application réseau électrique. Le premier cas consiste à maintenir la puissance engagée au réseau et le second cas d’étude est un profil type autoconsommation résidentielle.

Étude thermique – cellule B

Montage du module batterie

L’assemblage du module (Fig. 4.1) consiste à relier trois cellules identiques en séries (3S). Les raccords utilisés sont des lamelles de cuivre perforées. Les températures des faces de chacune des cellules sont enregistrées, ainsi que les températures de chacun des clinquants et des lamelles de cuivre entre les cellules A et B.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 : Contexte général et problématique de l’étude
1.1 Contexte énergétique
1.1.1 La consommation mondiale des ressources fossiles
1.1.2 Les enjeux climatiques du XXIème siècle
1.1.3 Vers la troisième révolution industrielle
1.1.4 Développement des énergies renouvelables (EnR)
1.1.5 Développement des véhicules électriques
1.1.6 Vers un mix énergétique renouvelable
1.2 Stocker l’énergie
1.2.1 Les moyens de stockage de l’énergie
1.2.2 Critères de choix du système de stockage
1.2.3 Stockage électrochimique d’énergie et les technologies
1.2.4 Pourquoi le Lithium-ion ?
1.2.5 L’avenir du stockage Lithium-ion
1.3 Accumulateur Lithium-ion
1.3.1 Principe de fonctionnement
1.3.2 Grandeurs caractéristiques
1.3.3 Différentes chimies Lithium-ion
1.4 Vieillissement des accumulateurs Lithium-ion
1.4.1 Vieillissements calendaires et en cyclage
1.4.2 Dégradations dans les accumulateurs Lithium-ion
1.5 Problématiques thermiques
1.5.1 Les enjeux de sécurité et sur les impacts économiques.
1.5.2 Influences thermiques sur les performances des batteries
1.6 Systèmes de gestion des batteries
1.6.1 Gestion électrique
1.6.2 Gestion thermique
Conclusion
Chapitre 2 : Modélisation électrique d’une batterie Lithium-ion
2.1 Phénomènes électrochimiques
2.2 Modélisation électrique
2.2.1 Différents choix de modèles
2.2.2 Choix d’un modèle à constantes localisées
2.2.3 Modèle de Randles
2.2.4 Modèle d’une cellule complète
2.2.5 Modèle modifié
2.3 Caractérisation de la tension à vide
2.3.1 Méthode expérimentale
2.3.2 Hystérésis de l’OCV
2.4 Caractérisation de l’impédance
2.4.1 Méthode impulsionnelle
2.4.2 Prise en compte des non-linéarités
2.4.3 Cartographie de résistance
2.4.4 Méthode par décharge et charge à régime continu
2.4.5 Correction des cartographies de résistances
2.4.6 Simulation pour différentes durées de résistances
2.4.7 Identification par analyse temporelle du modèle dynamique
2.4.8 Principe de la spectroscopie d’impédance
2.4.9 Identification par analyse fréquentielle
2.4.10 Expérimentation de la méthode par spectre d’impédance
2.4.11 Cartographie des paramètres
2.5 Validation.
2.5.1 Modèle électrique OCV+R+R//C+R//C (Modèle 3)
2.5.2 Modèle électrique OCV+R+R//C (Modèle 3’)
2.5.3 Comparaison des cartographies sur le modèle 2
2.5.4 Comparaison des modèles temporels 3 et 3’
2.5.5 Validité du modèle 3’
2.5.6 Synthèse des modèles électriques
Conclusion
Chapitre 3 : Modélisation Thermique d’une batterie Lithium-ion
3.1 Les phénomènes thermiques
3.2 Les sources de chaleur
3.2.1 La chaleur irréversible
3.2.2 La chaleur réversible
3.2.3 Analogies électriques
3.3 Les différents transferts thermiques
3.3.1 La conduction
3.3.2 La convection
3.3.3 Le rayonnement
3.3.4 Bilan thermique
3.4 Modélisation thermique
3.4.1 Différentes approches de modélisation
3.4.2 Modèle thermique de la cellule
3.4.3 Modèle thermique du coeur
3.4.4 Modèle thermique de surface
3.4.5 Modèle thermique des connectiques
3.4.6 Micro-analyse dispersive aux rayons X des clinquants
3.4.7 Modèle analytique du câble
3.4.8 Couplage des modèles thermiques
3.5 Caractérisation thermique
3.5.1 Mesure de l’entropie
3.5.2 Détermination du coefficient d’échange
3.5.3 Analyse par tomographie aux rayons X
3.5.4 Estimation de la conductivité
3.5.5 Mesure de la capacité thermique massique
3.5.6 Mesure de la quantité de chaleur
3.6 Comportements et validations thermiques
3.6.1 Montage et protocole
3.6.2 Influence du régime
3.6.3 Contributions des transferts thermiques
3.6.4 Analyse par imagerie thermique
3.6.5 Validation de la modélisation thermique
3.7 Conclusion
Chapitre 4 : Etude thermique et validation du modèle sur module 3S1P
4.1 Étude thermique – cellule B
4.1.1 Montage du module batterie
4.1.2 Profil dynamique 10C
4.1.3 Profil CC+CV à 3C et 5C
4.2 Analyse de l’échauffement du câble
4.2.1 Estimation de la convection naturelle autour du câble
4.2.2 Analyse par imagerie thermique
4.3 Essais sur module 3S1P
4.3.1 Équilibrage du module 3S1P
4.3.2 Cas d’étude sur module 3S1P
4.3.3 Adaptation du modèle électrothermique
4.3.4 Validation pour le profil 10C 10s
4.3.5 Validation pour les profils CC+CV 3C et 5C
4.4 Cas d’étude de profils réseau
4.4.1 Profil réseau 1 : Maintien de la puissance engagée
4.4.2 Profil réseau 2: simulation d’autoconsommation
Conclusion
Conclusion Générale
Références
Annexes
Annexe A
Annexe B
Annexe C
Annexe D
Annexe E
Nomenclature
Liste des Figures
Liste des Tableaux