Modèle thermique de batterie lithium-ion

Identification des paramètres thermiques

Les paramètres thermiques d’une cellule ou batterie lithium-ion ne sont pratiquement jamais disponibles dans les fiches techniques des manufacturiers. Ces caractéristiques sont souvent confidentielles ou demandent de l’équipement coûteux et sophistiqué pour les identifier. C’est pour ces raisons qu’il faut déterminer expérimentalement ces paramètres.
Par exemple, Saw (2013) démonte une cellule commerciale de format 18650 pour obtenir les dimensions physiques et les caractéristiques électriques/thermiques des composantes à l’intérieur. Pour ce faire, un microscope et d’autres instruments de laboratoire sont utilisés pour trouver, entres autres, la conductivité et la capacité thermique des matériaux composant la cellule. Pour un simple utilisateur de modèle thermique, il serait impensable de procéder à une méthode d’identification semblable étant donné la complexité de ces tests.

Forgez (2010) propose une méthode d’identification plus simple que celle citée précédemment en déterminant la résistance thermique interne de conduction (entre le milieu de la cellule et sa surface), la résistance thermique externe de convection (entre la surface de la cellule et l’air ambiant) et la capacité thermique d’une cellule.

Validation par décharge constante et recharge CC-CV

La validation d’un modèle de batterie débute toujours par la comparaison des données simulées et expérimentales de décharges constantes et de recharge CC-CV. De manière générale, les manufacturiers de cellules lithium-ion offrent les courbes de décharges CC et de recharge CC-CV à plusieurs températures ambiantes pour un taux de décharge-recharge donné.
Ye (2012), Saw (2013), Saw (2014), Forgez (2010) et Jeon (2014) sont parmi les travaux ayant utilisé ce type de tests statiques pour valider leur modèle thermique respectif. Ce type de test ne permet que la validation du comportement statique de la batterie au niveau thermique et électrique. Pour vérifier la réponse thermique du comportement d’une batterie, il faut procéder à des tests dont le courant appliqué à la batterie est variable dans le temps pour plusieurs températures ambiantes différentes.

Validation par décharge pulsée

Afin de valider la réponse dynamique de leur modèle thermique proposé, Forgez (2010) applique sur la cellule LiFePO4 étudiée une série d’échelons de courants de décharge à une fréquence 0.05Hz lorsque cette cellule est dans une chambre thermique à 40◦C . La réponse transitoire expérimentale de la température de surface et interne de la cellule est comparée aux résultats dynamiques du modèle pour une même séquence de pulses de courant de décharge. Dans ses travaux, Forgez (2010) valide son modèle seulement à la température de la pièce (24◦C), et 40◦C . Pour que ces résultats aient une meilleure validité, des résultats à des températures plus basses que 24◦C auraient été nécessaires. De plus, seulement la température interne est validée. La validation de la tension de la cellule est négligée. Il aurait été utile de valider aussi la tension de la cellule entre le modèle et l’expérimentale, mais ce n’était pas le but de l’article en question. La différence entre la température interne estimée et mesurée est de 1.2◦C, ce qui est considéré acceptable par les auteurs.

Ye (2012) applique une décharge pulsée avec un courant de 10A (1C) pendant 360s et une période de relaxation de 1800s sur une cellule préalablement chargée par le protocole CC-CV.
Le processus de décharge est répété jusqu’à ce que la cellule atteigne un état de charge jugé minimal. Ces cycles de décharges pulsées sont répétés pour plusieurs températures ambiantes différentes : 0, 10, 25 et 50◦C. Cette même série de test est répétée pour un taux de décharge réduit à 0.2C.

Validation par cycle de conduite de véhicule électrique

La validation d’un modèle thermique de cellule LiFePO4 a été effectué par Saw (2014) à l’aide de décharges constantes (1C et 3C) et de cycles de conduite de type « Simplified Federal Urban Driving Schedule » (SFUDS) à des températures ambiantes variées. Un cycle SFUDS est composé de plusieurs paliers à courant constant de recharges et de décharges ayant une durée totale de 360s. Le standard SFUDS propose un guide de test qui dicte des densités de puissance (W/kg) . Ces densités de puissance se traduisent en commande de courant constant. On ajuste la profil de puissance par rapport au poids de la cellule et on divise cette puissance résultante par la tension nominale de la cellule pour obtenir le profil de courant approprié. Ce cycle est répété jusqu’à ce que le SOC de la cellule atteigne 10%. La température de surface, la tension et le courant de la cellule sont enregistrés. Le modèle thermique est simulé et ces résultats sont comparés aux résultats expérimentaux.

La comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux permettent une validation satisfaisante pour prouver la validité du modèle thermique proposé.

Validation de la génération de chaleur

Rad (2013) a expérimenté sur une cellule lithium-ion dans une chambre contrôlée en température afin de déterminer les pertes de surtension et les pertes entropiques ainsi que le transfert de chaleur entre la cellule et l’air ambiant de la chambre. Une tension plus élevée par rapport à la tension d’équilibre est nécessaire pour recharger la cellule et une tension plus faible que la tension à l’équilibre est le résultat de la décharge de la cellule. Cette différence entre la tension à l’équilibre (E0) et la tension mesurée aux bornes de la cellule est appellée surtension.

Cette différence de potentiel et la différence d’entropie ne se mesurant pas directement, on a recours dans ce cas à la méthode « Galvanostatic Intermittent Titration Technique » (GITT) pour estimer la tension à l’équilibre de la cellule qui dépend de l’état de charge et de la température de celle-ci. Les cycles des méthodes GITT sont effectués pour 3 températures ambiantes différentes, soit 0, 20 et 40 degrés celsius.
Les cycles de test GITT effectués débutent par une décharge à 0.05C jusqu’à une tension de coupure de 2.7V de la cellule initialement complètement chargée et dont la température initiale de surface est la même que la température ambiante fixée par la chambre thermique. Entre chaque décharge et recharge, un temps de repos de 180 minutes est appliqué à la cellule. Entre chaque décharge, une recharge CC-CV à 0.7C est imposée à la cellule jusqu’à ce qu’un courant minimal soit atteint en tension constante. À chaque décharge, le taux de décharge augmente en respectant ces taux dans l’ordre : 0.05, 0.10, 0.15, 0.2, 0.3, 0.5, 0.75, 1.00, 1.50 and 2.00 C.

La température de surface et la tension de la cellule sont enregistrées pour toute la durée des cycles GITT, soit 120 heures.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Identification des paramètres thermiques
1.2 Validation par décharge constante et recharge CC-CV
1.3 Validation par décharge pulsée
1.4 Validation par cycle de conduite de véhicule électrique
1.5 Validation de la génération de chaleur
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 MODÈLE THERMIQUE DE BATTERIE LITHIUM-ION
2.1 Introduction
2.2 Modèle de Shepherd modifié
2.2.1 Extraction des paramètres
2.2.2 Validation du modèle de Shepherd modifié
2.2.3 Synthèse du modèle de Shepherd modifié
2.3 Développement du modèle thermique
2.3.1 Estimation de la puissance dissipée
2.3.2 Modèle thermique .
2.3.3 Estimation des paramètres électriques variant avec la température
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 VALIDATION DE LA BATTERIE LIFEPO4 
3.1 Montage expérimental du cyclage de batterie
3.1.1 Programmation du banc de test de batterie
3.2 Conditions de test
3.3 Identification expérimentale des paramètres thermiques
3.4 Validation du modèle de simulation
3.4.1 Identification des paramètres
3.4.2 Validation en décharge CC
3.4.3 Validation en recharge CC-CV
3.4.4 Validation en décharge pulsée
3.4.5 Validation en recharge pulsée
3.4.6 Validation par cyclage de conduite automobile
3.5 Analyse des résultats
3.5.1 Discussion
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 VALIDATION DE LA CELLULE LICOO2
4.1 Montage expérimental du cyclage des cellules
4.1.1 Programmation du banc de test de cellules
4.2 Identification des paramètres
4.3 Validation par décharge CC
4.4 Validation par recharge CC
4.5 Analyse des résultats
4.5.1 Discussion
4.6 Conclusion
CONCLUSION

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