Soutenance mémoire
Modélisation des cellules Li-ion
Un générateur électrochimique est une source d’énergie électrique obtenue grâce à une transformation directe d’énergie chimique. Trois grandes catégorie de générateurs électrochimiques existent, à savoir : les piles, les accumulateurs et les piles à combustibles. L’histoire des générateurs électrochimiques débute en 1800 avec Alessandro Volta, qui inventa la cellule primaire non rechargeable. Cette pile est formée par un empilement de disques de cuivre et de zinc alternés. Aux alternances, on trouve des rondelles séparatrices imbibées de saumure (H2O + NaCl) qui permettent la conduction du courant. Ce procédé permet d’obtenir un générateur formé d’une anode en Zinc et d’une cathode en cuivre, l’ensemble baignant dans un électrolyte (saumure) assurant ainsi le déplacement des électrons. La pile de Volta n’est cependant pas rechargeable.
Plus tard en 1859, Gaston Planté en découvrant la réversibilité des réactions chimiquesélectriques grâce à l’inversion du sens du courant inventa l’accumulateur à plomb. Il est composé de grilles en alliage de plomb empâtées avec un mélange d’acide sulfurique, d’oxyde de plomb et d’eau ce qui constitue la matière active. Cette technologie permit en 1899 à une voiture électrique en forme de torpille de franchir les 100km/h [Urbain, 2009]. Ce fut le premier type de batterie rechargeable commercialisé. Les accumulateurs à plomb sont encore utilisés de nos jours dans les véhicules pour les alimentations 12V et 15V . Le succès de ce type d’accumulateur est dû au faible coût du plomb et de l’acide sulfurique, à leur facilité de fabrication et à leur durée de vie de quelques années [Miomandre et al., 2011].
Les accumulateurs au Nickel-Cadmium (Ni – Cd) ont remplacé les accumulateurs au plomb car ils sont plus robustes et plus puissants. En 1899, ces accumulateurs ont été utilisés pour le véhicule électrique «Jungner» et en 1900 pour «Edison». Néanmoins, le coût important et la toxicité très élevée limitent l’utilisation de ce type d’accumulateur [Miomandre et al., 2011] [Eddahech, 2013]. Commercialisées en 1990, les batteries au Nickel-Métal-Hydrure (Ni –MH) permettent de pallier la toxicité du cadmium et possèdent des densités d’énergie 30% supérieures à celles des batteries Ni – Cd. De plus, ces batteries fonctionnent à basse température et ont un faible coût de fabrication. Néanmoins l’utilisation de ces batteries est réduite depuis l’apparition des accumulateurs à base de lithium. En effet les batteries Ni MH possèdent des densités d’énergie massique très modérées, qui ne correspondent pas aux critères de réduction de poids des accumulateurs qu’imposent les applications embarquées.
En 1991, les premiers accumulateurs rechargeables à base de lithium ont été commercialisés par le constructeur japonais Sony [Eddahech, 2013]. Cette technologie devient rapidement prédominante en raison de ses performances aussi bien en terme d’énergie massique, de capacité de charge et de force électromotrice (f.é.m).
L’accumulateur au lithium
L’accumulateur au lithium est très attractif en raison de son énergie spécifique et densité d’énergie élevées. De plus le lithium est le métal le plus léger, rendant ainsi possible des applications nécessitant beaucoup d’énergie comme dans les véhicules électriques. Néanmoins les accumulateurs au lithium présentent des risques d’explosion ou d’emballement thermique dus aux réactions violentes entre le lithium métal et l’air [Eddahech, 2013]. Ces accumulateurs nécessitent une étroite surveillance pour pouvoir assurer la sécurité des utilisateurs. De nos jours, cette fonction est remplie par le système de gestion de batterie : BMS (« Battery Managment System »).
La cellule Li-ion
L’accumulateur Li-ion est fondé sur l’échange réversible d’ion Li+ entre l’anode et la cathode. L’anode et la cathode sont séparées par un matériau qui laisse passer les ions lithium mais pas les électrons : le séparateur. Le séparateur peut être un film de polymère (polyéthylène, polypropylène) ou une céramique microporeuse [Miomandre et al., 2011]. De nos jours, l’anode est en graphite et la cathode est souvent formée d’oxyde de métal de transition lithié tel que le dioxyde cobalt (CoO2) ou de manganèse (MnO2). L’électrolyte quant à lui est souvent non aqueux: un sel de lithium dans un solvant organique [Mayé, 2010].
Les électrons e⁻ se déplacent de l’anode vers la cathode par le circuit extérieur. La présence de charges négatives (électrons) dans la cathode attire les ion Li+ qui passent de l’anode vers la cathode à travers le séparateur pour récupérer les charges manquantes. Lorsque tout le lithium cyclable passe dans la cathode, l’accumulateur est déchargé. Le phénomène inverse se produit lors de la charge et permet de ramener le lithium dans l’anode.
Plusieurs technologies d’accumulateurs Li-ion existent, à savoir [Lawder, 2016] :
— Lithium-cobalt-oxyde (LCO) : avec une f.è.m de 3, 8 V , une énergie massique entre 100 et 150 W h/kg et un risque d’explosion important.
— Lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA) : avec une f.e.m de 3, 6 V , une énergie massique entre 200 et 250 W h/kg, il a été développé pour apporter une densité d’énergie maximale avec une bonne durée de vie.
— Lithium-manganese spinel (LMO) : avec une f.e.m de 3, 8 V , une énergie massique entre 100 et 150 W h/kg avec un risque d’explosion moindre et une courte durée de vie.
— Lithium-nickel-manganese-cobalt (NMC) : avec une f.e.m de 3, 6 V , une énergie massique entre 150 et 220 W h/kg et un risque d’explosion important.
— Lithium-titane spinel (LTO) : avec une f.e.m de 2, 2 V , une énergie massique entre 60 et 75 W h/kg.
— Lithium-ion phosphate (LFP) : avec une f.e.m de 3, 2 V , une énergie massique entre 90 et 120 W h/kg et une durée de vie assez longue.
Les premiers Véhicules Électriques (VEs)
Au 19 ème siècle trois principaux moyens de propulsion existaient : la vapeur (4, 8 km/h), l’électricité fournie par les batteries et le moteur à explosion. Les véhicules électriques n’étaient pas que des figurants. En effet, à la fin du 19ème siècle, le parc des véhicules sans chevaux comportait 40% de véhicules à vapeur, 38% à traction électrique et seulement 22% à moteur à explosion. Les véhicules électriques présentaient de nombreux avantages en comparaison aux véhicules à essence. De 1898 à 1899 Camille JENATZY réussit à atteindre 105,9 km/h (sur 1 km) dans son véhicule électrique « La jamais contente », profilée comme un obus. En revanche dès lors que l’autonomie des véhicules à essence et diesel atteint les 300 km, le développement de ces derniers a pris un essor fatal pour les véhicules électriques. De nos jours les véhicules électriques retrouvent une seconde vie en raison des perspectives de pénurie du pétrole, du changement climatique et surtout de l’amélioration considérable de l’autonomie. Informations extraites du live « ÉLECTROCHIMIE : Concepts fondamentaux illustrés » [Lefrou et al., 2013].
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
I MODÉLISATION ET VIEILLISSEMENT DES BATTERIES LI-ION
I.1 Introduction
I.2 Modélisation des cellules Li-ion
I.2.1 Introduction
I.2.1.1 Les accumulateurs électrochimiques
I.2.1.2 L’accumulateur au lithium
I.2.2 La cellule Li-ion
I.2.2.1 Association en pack et utilisation automobile
I.2.2.2 Le système de gestion de batterie : BMS
I.2.3 Modélisation d’une cellule Li-ion
I.2.3.1 La spectroscopie d’impédance
I.2.3.2 Le circuit électrique équivalent
I.2.3.3 Approche électrochimique
I.2.3.4 Les modèles d’ordre fractionnaires
I.2.4 Estimation de l’état de charge d’une cellule
I.2.4.1 Le comptage coulombien
I.2.4.2 La méthode de la tension à vide
I.2.4.3 Les méthodes à base de modèles
I.2.4.4 Les réseaux de neurones
I.2.5 Conclusion sur l’estimation de l’état de charge
I.3 Le vieillissement des batteries Li-ion
I.3.1 Introduction
I.3.2 Phénomènes de vieillissement des cellules Li-ion
I.3.2.1 Vieillissement de l’anode
I.3.2.2 Vieillissement de la cathode
I.3.2.3 Le vieillissement calendaire
I.3.2.4 Le vieillissement en cyclage
I.3.3 Solutions d’estimation du vieillissement
I.3.3.1 Quelques définitions
I.3.3.2 Indicateurs d’état de santé d’une cellule
I.3.3.3 Les méthodes d’estimation d’état de santé d’une cellule
I.3.4 Conclusion sur l’estimation du vieillissement des cellules
II ÉTAT DE CHARGE D’UN PACK DE CELLULES
II.1 Introduction
II.2 Les méthodes « Cellule géante »
II.2.1 La méthode de la grande cellule
II.2.2 La méthode de la cellule moyenne
II.3 Les méthodes « Multi-Cellules »
II.3.1 La méthode des tensions limites
II.3.2 La méthode « m-top/bottom »
II.3.3 La méthode « moyenne + différences » : «Bar-Delta»
II.3.3.1 Énoncé de la méthode
II.3.3.2 Expérimentation
II.3.3.3 La réduction du temps de calcul
II.3.4 Proposition d’amélioration de la « méthode Bar-Delta »
II.3.4.1 Présentation
II.3.4.2 Résultats pour des cellules de 28 Ah
II.3.4.3 Résultats pour cellules simulées de 10 Ah
II.4 Conclusion sur l’état de charge d’un pack de batterie
III MODÈLE D’ORDRE FRACTIONNAIRE POUR LES CELLULES LI-ION
III.1 Introduction
III.2 Représentation d’ordre fractionnaire
III.2.1 Dérivée d’ordre fractionnaire
III.2.2 Représentation fréquentielle d’une dérivée non entière
III.2.3 Représentation des systèmes d’ordre fractionnaire
III.2.4 Stabilité des systèmes d’ordre fractionnaire
III.3 Identification du modèle d’ordre fractionnaire
III.3.1 Modèles d’ordre fractionnaire pour les batteries Li-ion
III.3.2 Contribution à l’identification dans le domaine fréquentiel
III.3.3 Approximation numérique
III.3.4 Identification dans le domaine temporel
III.3.4.1 Test sur des créneaux de courant
III.3.4.2 Validation sur les profils de roulage
III.4 Filtre de Kalman étendu avec le modèle d’ordre fractionnaire
III.4.1 Modélisation
III.4.2 Validation expérimentale
III.5 Conclusion
IV MISE AU POINT D’INDICATEURS DE VIEILLISSEMENT
CONCLUSION GÉNÉRALE
