Academic literature on the topic 'Batteries – Vieillissement'

En raison de leurs performances en termes de densités énergétiques et de puissance, les batteries Li-ion sont les systèmes de stockage électrique privilégiés pour les nouvelles générations de véhicules électriques. Leur modélisation est indispensable pour fournir une évaluation de leurs performances tout au long de leur durée de vie tout en limitant le nombre d'essais expérimentaux, et ceci dans le but de concevoir des configurations et des gestions optimales des packs batteries pour une application envisagée. Le but de ce travail consiste à proposer un modèle physique capable de prédire le comportement et le vieillissement de la batterie sous différentes conditions. Un modèle simplifié électrochimique et thermique capable de prédire le comportement physicochimique et le vieillissement de batteries Li-ion a été étudié. Une analyse de sensibilité a été menée sur l'ensemble des paramètres du modèle dans différentes conditions afin de mettre en évidence leurs influences sur les sorties du modèle. Sur cette base, une méthode d'identification a été proposée pour préserver une indépendance des résultats de l'identification paramétrique par rapport à la sensibilité des paramètres. Cette méthode a permis d'améliorer les prédictions de vieillissement avec des estimations très proches des résultats expérimentaux. Au-delà des gains en compréhension et prédiction, ce modèle physique ouvre de nouvelles possibilités pour établir des protocoles de vieillissement accélérés
Due to their high power and energy densities, Li-ion batteries are the leading systems for the new generations of electric vehicles, for which an optimum cell design, management and configuration is essential. Modeling provides tools to perform complex analysis of the performance of Li-ion batteries and reduces the amount of time spent on experimental testing. The aim of our research is to propose a physics-based model that can predict battery behavior and aging under various conditions during the entire lifespan. A simplified electrochemical and thermal model that can predict both physicochemical and aging behaviors of Li-ion batteries has been studied. A sensitivity analysis of all its physical parameters has been performed in order to find out their influence on the model outputs based on simulations under various conditions. The results gave hints on whether a parameter needs particular attention when measured or identified and on the conditions under which it is the most sensitive. A specific simulation profile has been designed for parameters involved in aging equations in order to determine their sensitivity. Finally, a step-wise method has been followed to limit the influence of parameter values when identifying sorne of them. This sensitivity analysis and the subsequent step-wise identification method show very good results, such as a better fitting of the experimental data with simulated cell voltage. Beyond advanced comprehension and prediction, this physical model opens new possibilities to define accelerated aging tests

Le modèle électrique classique d'une cellule considère celle-ci comme un ensemble homogène ayant des caractéristiques (résistance, capacités) uniques. Nous considérons au contraire qu'une cellule peut être subdivisés en un certains nombres de volumes qui sont eux considérés comme homogène d'un point de vue des propriétés électriques. La modélisation d'une cellule s'effectue alors par un ensemble de circuits électriques, à raison d'un par volume. Cette construction effectuée, nous cherchons à caractériser chacun des paramètres des circuits électriques grâce à des mesures expérimentales. Une nouvelle méthode de détermination des paramètres fonctionnant pour des cellules dont la tension à vide est non linéaire est proposée, ce qui permet de répondre à de nombreuses difficultés rencontrées dans nos travaux et des précédents. Les variations des paramètres avec la température et le courant sont également déterminées. Une seconde détermination, cette fois par optimisation permet d'introduire une différence des valeurs des paramètres afin de modéliser l'hétérogénéité. Des comparaisons expérimentales permettent de valider la pertinence du modèle hétérogène et ses performances. Les paramètres modélisant l'hétérogénéité sont représentatifs de l'interne de la cellule et le suivi de ces paramètres au cours de la vie de la cellule, et donc de son vieillissement, permettent de réaliser un diagnostic de celle-ci. Une application sur un pack de deux cellules constitué d'une neuve et d'une vieillie artificiellement permet une discrimination qualitative des cellules. Ceci permet de valider le potentiel de cette représentation comme outil de diagnostic
The classical electrical model of a cell considers it as a homogeneous whole With unique characteristics (resistance, capacitance). On the contrary, we consider that a cell can be subdivided into a certain number of volumes which are considered as homogeneous from the point of view of electrical properties. The modelling of a cell is then carried out by a set of electrical circuits, one per volume. Once this construction is completed, we seek to characterise each of the parameters of the electrical circuits by means of experimental measurements. A new method of determining the parameters for cells with a non-linear open circuit voltage is proposed, which makes possible to solve many of the difficulties encountered in our work and in previous ones. The variations of the parameters with temperature and current are also determined. A second determination, this time by optimization, allows to introduce a difference of the parameters values in order to model the heterogeneity. Experimental comparisons allow to validate the relevance of the heterogeneous model and its performances. The parameters modelling the heterogeneity are representative of the cell internals and the monitoring of these parameters during the life of the cell, and therefore its ageing, allows a diagnosis of the latter to be made. An application on a pack of two cells, one new and one artificially aged, allows a qualitative discrimination of the cells. This validates the potential of this representation as a diagnostic tool

L’objectif de ce travail de thèse est l’étude du vieillissement et la prédiction de durée de vie des batteries à ions lithium sous différentes conditions d’utilisation. Deux approches ont été développées : une première, de nature empirique, basée sur des concepts empruntés au domaine de la mécanique et une deuxième utilisant un modèle physico-chimique pour une analyse approfondie de données expérimentales de vieillissement. Dans un modèle physico-chimique, un système d’équations décrivant les principaux phénomènes cinétiques et de transport au sein de la batterie est résolu et permet de simuler le comportement de cette dernière sous différentes conditions d’utilisation. Les phénomènes de vieillissement peuvent de surcroît y être intégrés de manière à simuler les pertes de performance de la batterie au cours du temps. Une originalité de ce travail a été d’évaluer la capacité de prédiction d’une méthodologie empirique à partir d’expériences numériques réalisées à l’aide d’un modèle physico-chimique de vieillissement d’une batterie graphite/LiCoO2 où une seule source de vieillissement a été considérée [i. E. , la croissance d’une interphase solide/électrolyte (SEI) à l’électrode de graphite]. Nous avons ainsi démontré que la loi de « Palmgren Miner » (PM), utilisée dans les études de fatigue mécanique, est appropriée et précise pour évaluer l’endommagement de la batterie numérique considérée dans ce travail. Une autre loi de cumul de dommages au cours du temps a également été proposée et validée. Des méthodologies basées sur ces deux lois de cumul ont été mises en œuvre de manière à prédire la durée de vie de la cellule soumise à un profil de courant complexe, typique de ceux utilisés dans un véhicule électrique. Celle basée sur la loi de PM s’est révélée être légèrement plus précise. Un second volet de ce travail de thèse a consisté en l’analyse de données de vieillissement de cellules graphite/ LiFePO4 à partir d’un modèle physico-chimique. Les pertes de performance de la cellule durant un an de cyclage ou stockage à 25 ou 45°C ont été mesurées périodiquement à l’aide de méthodes électrochimiques non invasives, et les mécanismes de vieillissement ont ensuite été étudiés à l’aide d’analyses postmortem et de simulations des données recueillies en cours de vieillissement à l’aide d’un modèle physico-chimique. Quelles que soient les conditions de test, le vieillissement se manifeste majoritairement par une diminution de la capacité alors que l’augmentation d’impédance est faible voire négligeable. La perte de capacité est plus élevée à 45°C qu’à 25°C et à une même température, les tests en cyclage sont plus dégradant que ceux en stockage. Une analyse approfondie des mécanismes de perte de capacité au cours du cyclage ou stockage a été menée en ajustant certains des paramètres du modèle physico-chimique de la batterie à différents états de vieillissement. Le modèle physico-chimique utilisé a été développé et validé sur cellule non vieillie dans un premier temps, à partir de données de charge/décharge galavanostatique de C/10 à 1C. Il reproduit également l’effet mémoire en cyclage de la batterie, grâce à la prise en compte d’une distribution de résistances de contact au sein de l’électrode de LiFePO4 qui est ainsi traitée avec une approche « multiparticules », alors que l’électrode de graphite est modélisée avec une approche « simple particule ». Les simulations des données de vieillissement révèlent que la perte de capacité des batteries en stockage est essentiellement liée à la perte de lithium cyclable dues à des réactions parasites aux électrodes, alors que les batteries en cyclage sont également sujettes à une perte de matière active à l’électrode de graphite. Une analyse cinétique des réactions parasites aux deux électrodes a été réalisée pour les batteries en stockage. De plus, la croissance de la SEI à l’électrode de graphite au cours du stockage a été modélisée de manière à déterminer la constante de vitesse de réduction des molécules de solvant ainsi que son coefficient de diffusion dans la SEI. L’analyse des résultats en stockage montre que la croissance de la SEI est en contrôle mixte diffusionnel et cinétique
The focus of this dissertation is on aging and life prediction of lithium-ion batteries under different modes of operation. To this end, two different approaches are demonstrated in this thesis: the application of an empirical methodology derived from concepts used in mechanical fatigue and analysis of experimental aging data assisted by physics-based simulation. In a physics-based model, the behavior of the cell is described using a set of relevant governing equations. The cell performance can readily be simulated under different modes of operation and moreover, the explicit inclusion of aging phenomena in the set of governing equations might be used to simulate the performance fade of the cell. An originality of our work is to evaluate the prediction capability of the empirical approach using such a physics-based model of a graphite/LiCoO2 cell experiencing a single source of aging [i. E. , the growth of a solid electrolyte interphase (SEI) at the graphite electrode] as a dummy battery. We show that the empirical Palmgren-Miner rule (PM), well-known in the field of mechanical fatigue, is a valid and accurate damage-accumulation law for our case study. Additionally, we propose and validate another relationship for the loss accumulation over time. We demonstrate that the two developed methodologies can successfully predict the life of the cell under a given complex current profile with slightly better prediction ability for the case of the PM rule. The power of simulation-based analysis in aging study of Li-ion batteries is demonstrated for analyzing experimental aging data of a commercial graphite/LiFePO4 cell. Performance decay of this cell during either open-circuit-potential storage or under cycling conditions at 25 and 45°C during one year is monitored by non-destructive electrochemical techniques and is analyzed with the aid of post-mortem analyses and simulations of the cell performance over the course of aging. Data analysis reveals that the aging manifests itself more in terms of capacity loss rather than in terms of impedance increase, regardless of cycling or storage conditions and of temperature. The capacity fade is larger at 45 than at 25°C, regardless of cycling or storage conditions, and at a same temperature, cycling conditions are always more detrimental to capacity fade than storage conditions. An in-depth understanding of capacity-loss mechanism under both storage and cycling conditions is gained by refining some parameters of a mathematical model of the cell at different extents of aging. To do so, first, a simple while accurate model of the cell (without aging) is developed and validated that is able to properly account for the experimental charge/discharge (from C/10 to 1C) and path-dependence effects of the cell. In this model, the LiFePO4 electrode is treated based on a resistive-reactant concept with multiple particles whereas a single-particle approach is used to model the graphite electrode. The simulation-based analysis of the aging data reveals that the capacity fade during cell storage only results from the loss of cyclable lithium because of side reactions whereas the loss of graphite active material is an additional source of aging for the cells under cycling conditions. A simple kinetic analysis of electrode/electrolyte interactions is provided for the cells under storage conditions. Moreover, the growth of SEI at the graphite electrode under storage conditions is simulated in order to refine the solvent-reduction kinetic parameters and solvent diffusion coefficient in the SEI layer. From the analysis, it is shown that the SEI growth during storage is under mixed kinetic/diffusion control

L'essor des batteries Li-ion, ces dernières décennies, a largement contribué à la mise en place de standards en termes de mobilité. La course à la miniaturisation et à la performance a alors priviligié l'élaboration de systèmes de stockages sûrs et à fortes autonomies plutôt que durables. L'utilisation de ces batteries, dans le cadre d'une application automobile, pour lesquels les cycles de vie se définissent sur des périodes de 6 à 15 ans, bouscule ces standards. Vis-à-vis de cette application, le vieillissement est devenu un critère de premier plan dans le choix d'une technologie. De ce constat naît la nécessité de developper des outils théoriques et expérimentaux capables d'évaluer et de garantir une durée de vie en service de la batterie. Étant donné la diversité des usages automobiles, la nécessité d'une caractérisation rapide et la complexité inhérente aux systèmes Li-ion, la problématique du vieillissement d'une "batterie véhicule" a été abordée selon une approche "fatigue" électrochimique, inspirée des études de fatigue mécanique
The development of Li-ion, in recent decades has contributed to the establishment of standards in terms of mobility. The demand for miniaturization and performance then favored the develpment of secure storage systems and high autonomy, rather than sustainable. The use of these batteries, as part of an automotive appliaction, for which cycle life are defined for periods of 6 to 15 years, pushes the standards. For this application, aging has become a leading criterion in choosing a technology. From this observation arises the need to develop theorical and experimental tools able to assess and ensure a long service life of the battery. Given the diversity of uses in automotive domain, the need for rapid characterization and complexity inherent in the Li-ion systems, the aging problem of a "vehicle powertrain" has been addressed by an elctrochemical "fatigue" approach inspired from mechanical fatigue studies

La conjoncture actuelle impose une accélération de la transition de la propulsion automobile thermique vers des alternatives zéro-émissions. Le véhicule électrique à batteries incarne, sur le court terme, l’alternative la plus crédible, mais son manque d’autonomie, de durée de vie, de flexibilité et de fiabilité freine son plein essor.L’optimisation de la gestion énergétique du pack batterie est un facteur clé pour l’amélioration des performances des véhicules électriques. La batterie représente toutefois un organe complexe évoluant au sein d’un environnement tout aussi complexe présentant de multiples interactions. La modélisation se présente alors comme l’outil le plus puissant pour obtenir la meilleure synergie possible au sein du système véhicule.L’objectif de cette étude consiste à développer une méthodologie universelle combinant la caractérisation expérimentale des batteries et la calibration d’un modèle électrochimique à l’échelle de la cellule.Les travaux permettent de caractériser et de modéliser les comportements électriques, thermiques et le vieillissement de batteries “pouch” extraites d’un véhicule électrique, ainsi que les interactions multiphysiques entre ces différents phénomènes.Le modèle est développé au sein de l’environnement GT-Suite, ce qui permettra par la suite d’intégrer le modèle cellule dans un modèle plus global représentant le système véhicule complet
The present context calls for an accelerated transition from internal combustion engines to zero-emission alternatives. In the short term, the battery electric vehicle is the most likely alternative, but its limited range, lifespan, flexibility and reliability are slowing down its full deployment.Optimising the energy management of the battery pack is a key factor in improving the performance of battery electric vehicles. However, the battery is a complex component evolving within an equally complex environment with multiple interactions. Modelling is therefore the most powerful tool to achieve the best possible synergy within the vehicle system.The objective of this study is to develop a general methodology combining experimental characterisation of batteries and calibration of an electrochemical model at the cell scale.The work allows to characterise and model the electrical and thermal behaviors and the aging of "pouch" batteries extracted from an battery electric vehicle, and the multiphysical interactions between these different phenomena.The model is developed within the GT-Suite environment, which will allow the integration of the cell model in a more global model representing the whole vehicle system

Comme dispositif de stockage de l'énergie, les batteries Li-ion possèdent de nombreux avantages et en particulier une densité d'énergie élevée. Toutefois, la recherche de nouveaux matériaux d'électrode reste nécessaire pour améliorer les performances. Ce travail concerne les matériaux d'électrode négative avec pour objectif l'augmentation de leur capacité. Dans ce but nous nous sommes intéressés à un composé intermétallique à base d'étain : FeSn2. Nous avons effectué la synthèse de ce matériau par différents procédés afin d'obtenir des microparticules et un matériau nanostructuré. L'étude des mécanismes électrochimiques a montré que pour ces deux types de matériaux la première décharge constituait une étape essentielle de restructuration de l'électrode aboutissant à la formation in situ d'un nanocomposite Fe/Li7Sn2. Le suivi quantitatif de la réaction de conversion, responsable de cette transformation, a été effectué par spectrométrie Mössbauer in situ et operando grâce à une nouvelle cellule électrochimique que nous avons développée. D'autres techniques ont été utilisées : DRX et spectrométrie d'impédance in situ, SQUID et XPS. En associant ces différentes techniques nous avons montré que les cycles de charge/décharge étaient basés sur une réaction réversible entre Li7Sn2 et LixSn riche en étain sans reformation de FeSn2. Ce résultat diffère des mécanismes observés pour CoSn2 et Ni3Sn4 et pourrait expliquer la perte progressive de capacité généralement observée avec FeSn2. Toutefois, les performances sont intéressantes avec une capacité de 400-500mAh/g sur 50 cycles entre C/10 et 10C. Enfin, nous avons mis en évidence un phénomène de vieillissement de l'électrode en fin de décharge qui provoque sa délithiation irréversible
Li-ion batteries are rechargeable energy storage systems with high energy density. However, new electrode materials are needed in order to improve the electrochemical performances. This thesis is devoted to a tin based intermetallic compound as negative electrode for Li-ion batteries: FeSn2. Different synthesis methods were used in order to obtain microsized particles and nanostructured materials. The study of the electrochemical mechanisms shows that for both types of materials the first discharge is an essential restructuring step leading to the in situ formation of a Fe/Li7Sn2 nanocomposite. This transformation is due to a conversion reaction that was quantitatively characterized by Mössbauer spectroscopy from in situ and operando measurements. A new cheap and reliable electrochemical cell was developed for these measurements. Other techniques have also been used: in situ XRD and impedance spectroscopy, XPS and SQUID. By combining these tec hniques we have shown that the charge/discharge cycles were based on a reversible reaction between Li7Sn2 and tin-rich LixSn without back reaction with iron nanoparticles. This result is rather surprising because it differs from the mechanisms observed for CoSn2 and Ni3Sn4 but could explain the progressive loss of capacity usually observed with FeSn2. However, interesting performances were obtained with a capacity of 400-500mAh/g for 50 cycles and lithium rates between C/10 and 10C. Finally, we have identified aging process for the electrode at the end of discharge that causes irreversible delithiation

Un modèle décrivant les phénomènes physiques internes de batteries lithium-ion est développé pour une détection précise de leur état, avec application au domaine de l'industrie automobile. Pour pouvoir utiliser le modèle à des fins de contrôle de charge rapide, un observateur de vieillissement est tout d'abord conçu et intégré au modèle de batterie. Dans un second temps, une stratégie de contrôle de charge rapide robuste est conçue. Elle est basée sur un contrôleur Crone capable de gérer les grandes incertitudes paramétriques du modèle de batterie tout en atteignant l'objectif de charge rapide. Enfin, quelques simplifications du modèle de batterie, de la technique d'optimisation et de la définition des profils de charge rapide sont proposées et évaluées afin de rendre l'ensemble de la stratégie de recharge rapide applicable à un système embarqué de gestion de batterie
A physics-based battery model is developed for an accurate state-detection of batteries in the automotive industry. In order to use the model for the purpose of fast charging control an aging observer is designed and integrated to the battery model. In a subsequent step a robust fast charging control is introduced to design a controller able to deal with large parametric uncertainties of the battery model while achieving the fast charging target. Finally some simplifications in the battery model structure, in the optimization technique and in the definition of fast charging profiles are proposed and evaluated to make the whole model applicable for an onboard battery management system

L'étude du vieillissement des batteries est nécessaire car la dégradation de leurs caractéristiques détermine en grande partie le coût, les performances et l'impact environnemental des véhicules électrifiés, notamment des véhicules 100 % électriques. La méthodologie choisie pour cette thèse consiste en deux étapes bien différenciées, à savoir la caractérisation et la modélisation. Pour la première étape, on s'appuie sur des essais de vieillissement accéléré d'éléments de batterie. Malgré leur caractère accéléré, les campagnes d'essais de vieillissement sont très coûteuses en moyens humains comme matériels : une connaissance à priori des facteurs de vieillissement est nécessaire, soit par le moyen d'études bibliographiques, soit par la réalisation de précampagnes d'essais. Ces études préalables conduisent à la conception d'un plan d'expériences composé d'un certain nombre d'essais dont les résultats permettront de révéler comment les conditions d'utilisation influencent la dégradation des batteries. Dans la seconde étape, grâce à la connaissance apportée par l'étape de caractérisation, on procède à la modélisation du vieillissement. Celle-ci permet de mettre en évidence des lois de vieillissement qui sont généralisées pour prédire l'évolution des performances d'une batterie soumise à des conditions d'utilisation variables dans le temps. Le modèle de vieillissement qui en résulte peut être utilisé pour concevoir et utiliser d'une manière optimale les batteries des véhicules pour minimiser à la fois la consommation d'énergie et de ressources naturelles. En sachant que la dégradation d'une batterie se produit différemment selon si elle est au repos ou si elle est parcourue par un courant, une difficulté majeure est celle de déterminer comment se combinent les effets du vieillissement calendaire et de cyclage pour un véhicule électrique. Dans les applications "véhicules électriques", les batteries passent une part importante de leur temps au repos et les niveaux de courant pendant leur utilisation sont relativement faibles. Les résultats des essais de vieillissement accéléré réalisés dans cette thèse confirment le caractère non-linéaire de la combinaison des vieillissements calendaire et en cyclage lorsque les batteries suivent des profils d'utilisation similaires à l'application considérée. Le modèle de vieillissement qui est proposé dans le dernier chapitre se veut simple mais efficace. Ainsi il repose sur un faible nombre d'équations (2) et de paramètres (6) et il permet de simuler l'évolution de la capacité d'une cellule soumise à un vieillissement qui combine des périodes de cyclage et de repos. Les exemples d'application de ce modèle démontrent son utilité pour l'établissement de stratégies d'utilisation de batteries dans le but de prolonger leur durée de vie
Studying the ageing of batteries is necessary because the degradation of their features largely determines the cost, the performances and the environmental impact of electric vehicles, particularly of full electric vehicles. The chosen method in this thesis is divided in two distinct phases, namely characterisation and modelling. The first phase is based on accelerated ageing testing of battery cells. Despite being accelerated, ageing test campaigns are expensive in terms of workforce and equipments: an a priori knowledge of ageing factors is necessary, either by the means of bibliographic studies or by performing preliminary test campaigns. These initial studies lead to an experimental design setup including a certain number of ageing tests. The obtained results may reveal the influence of use conditions on the degradation of batteries. In the second phase, the battery ageing is modelled applying the knowledge acquired in the first phase. Here, the ageing laws are generalised to predict the performance degradation of a battery subjected to variable use conditions. The resulting ageing model can be used to optimally design and use the battery in a vehicle by minimising both energy and natural resources consumption. Given that battery degradation occurs in a different way if the battery is in rest condition or if a current flows through, a major challenge is to determine how calendar and cycling ageing effects combine together. In electric vehicle applications, batteries are not used (in rest condition) most of the time and current levels are relatively low when they are used. The results from accelerated ageing tests which have been carried out during this thesis confirm the non-linearity of the combination of calendar and cycling ageing when usage profiles are applied to the batteries. The usage profiles are similar to the considered application: the electric vehicle. In the last chapter of this manuscript a simple but effective ageing model is proposed. It lies in a low number of equations (2) and parameters (6) and enables to simulate the capacity fade of a battery cell subjected to ageing conditions combining cycling and rest periods. The application examples prove the usefulness of this model for the development of battery use strategies for the purpose of extending their lifespan

Dans les véhicules automobiles actuels, le besoin électrique est en progression constante. La taille des batteries étant contrainte et leurs performances n'évoluant quasiment plus, il est devenu indispensable de disposer d'une Gestion de l'Energie Electrique (GEE) performante. Il est donc nécessaire de maîtriser l'énergie et la puissance disponibles de la batterie, grâce à un estimateur d'état, intégrant son vieillissement. Ce travail de thèse présente une étude détaillée des modes de vieillissement des batteries de démarrage et une synthèse des modèles et des solutions de diagnostic existants. Sur la base de cette étude, un modèle électrochimique a été développé pour simuler le fonctionnement de la batterie dans toutes les phases de vie du véhicule. Ce modèle permet par ailleurs de corréler les phénomènes de vieillissement à des variations paramétriques. Enfin, pour répondre au besoin de la GEE, une solution de diagnostic innovante, mettant en oeuvre une méthode d'invalidation de modèles non entiers, implantable dans un calculateur automobile, a été brevetée.

L’industrie automobile connait des évolutions rapides depuis plusieurs années. En effet, le réchauffement climatique et sa prise de conscience collective rythment ces évolutions via des réglementations imposées de plus en plus contraignantes. Pour répondre à ces nouvelles exigences, les constructeurs investissent dans des technologies à faible émission carbone et notamment l’électrification des chaines de traction. Cela passe nécessairement par l’amélioration des systèmes de stockage de l’énergie, en particulier les batteries au lithium, et ceci à tous les niveaux, à savoir, l’autonomie, la durabilité, la sécurité et le coût. Pour réussir cette amélioration, il est nécessaire de bien maitriser la conception en amont et la gestion optimale en aval des batteries et ce à l’aide d’une modélisation robuste. Cette dernière est complexe car le comportement des batteries est fortement non linéaire, elle regroupe des physiques couplées telles que l’électrochimie, la thermique et le vieillissement. La prise en compte de ces phénomènes et de leurs interactions est donc indispensable afin de mieux prédire la perte d’énergie et de puissance accessible tout au long du service du véhicule. Cette connaissance permet ensuite aux constructeurs de dimensionner de manière adéquate les systèmes batteries améliorant ainsi les bénéfices en réduisant les risques liés à la garantie. Dans le cadre de ce travail, une approche semi-empirique est proposée pour prédire le vieillissement de batteries lithium-ion de haute énergie. L’élaboration des lois de vieillissement a été effectué suite à une campagne d’essais de vieillissement accéléré. Il a été démontré lors de cette campagne que la température est un facteur clé du vieillissement. De ce fait, un modèle électro-thermique a été conçu afin d’estimer la température interne des batteries afin d’être le plus représentatif possible lors de l’usage. Ces deux modèles ont été par la suite couplés dans un environnement de simulation pour permettre de modéliser et de valider la perte de capacité dans des conditions représentatives de l’usage automobile. La deuxième partie de la thèse concerne l’étude de la température interne et du vieillissement de la batterie à l’aide de méthodes de caractérisation et de diagnostic basées sur la spectroscopie d’impédance électrochimique et sur la mesure de la variation d’entropie. En effet, des profils d’entropie sont mesurés au cours du vieillissement pour mieux quantifier la génération de chaleur afin d’améliorer la modélisation thermique. Cette dernière a été estimée d’une façon non intrusive à l’aide d’une fonction de transfert élaborée à partir des spectres d’impédances
The automotive industry has been undergoing rapid changes for several years. Indeed, the global warming and its collective awareness give rhythm to these evolutions via increasingly restrictive regulations. To meet these new requirements, manufacturers are investing in low carbon emission technologies and in particular the electrification of powertrains. This necessarily involves improving energy storage systems, particularly lithium batteries, at all levels (autonomy, durability, safety and cost).To achieve these improvements, it is necessary to master the upstream design and the downstream optimal management of the batteries with the help of robust modeling. The latter is complex because the behavior of batteries is highly non-linear, it includes coupled multiphysics concepts such as electrochemistry, thermal and aging. It is therefore essential to take into account these phenomena and their interactions in order to better predict the loss of energy and accessible power throughout the service life of the vehicle. This knowledge then enables manufacturers to adequately size battery systems, thus improving benefits by reducing warranty risks. As part of this work, a semi-empirical approach is proposed to predict the ageing of high-energy lithium-ion batteries. The development of ageing laws was carried out following a campaign of accelerated ageing tests. It has been shown during this campaign that temperature is a key factor in ageing. Therefore, an electro-thermal model was designed to estimate the internal temperature of the batteries in order to be as representative as possible during usage. These two models were then coupled in a simulation environment to model and validate the loss of capacity under different operating conditions representative of the automotive use. The second part of the thesis concerns the study of internal temperature and battery ageing using characterization and diagnostic methods based on electrochemical impedance spectroscopy and measurement of entropy variation. Indeed, entropy profiles are measured during ageing to better quantify heat generation in order to improve thermal modeling. The latter has been estimated in a non-intrusive way using a transfer function developed from impedance spectra

Le stockage de l’énergie constitue un défi sociétal majeur qui nécessite la mise en œuvre de batteries de plus en plus performantes. Une étude fine des mécanismes et des matériaux constitutifs de tels systèmes permet une meilleure compréhension des phénomènes conduisant à des limitations de performances et permet ainsi de les améliorer notablement. Couplée à des modèles comportementaux de vieillissement, cette approche permet de garantir des systèmes optimisés pour un stockage de l’énergie performant, sûr et durable, ainsi qu’une amélioration sensible de la durée de vie de ces dispositifs. Après une présentation succincte du principe de fonctionnement d’une batterie à ions lithium, cet article s’intéresse à la composition interne de ces systèmes et présente un modèle permettant de suivre l’état de dégradation et de vieillissement de ce type de dispositifs au cours de leur utilisation.