Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Analyse et modélisation des interactions entre différents modes de vieillissement dans les nouveaux usages de batteries de traction : Application au véhicule hybride rechargeable.

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Génie Electrique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Bron

Etablissement d'inscription UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1

Ecole doctorale ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE (EEA)

Directeur de thèse prévu PELISSIER Serge  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - LICIT-ECO7

Co-directeur de thèse prévu VENET Pascal  -  LYON 1  -  Laboratoire Ampère

Type de financement prévu Thèse sur contrat  - Ifsttar

Résumé

Contexte scientifique
Dans l’objectif de réduire la dépendance aux énergies fossiles et de limiter les effets des activités humaines sur le climat, les gouvernements de la plupart de pays développés mettent en œuvre des mesures favorisant les modèles de véhicules émettant le moins de CO2.
Les constructeurs automobiles doivent diminuer la consommation moyenne de leur flotte. Pour y arriver, durant la dernière décennie, des nombreux modèles de véhicules micro-hybrides, hybrides et électriques (VE) ont vu le jour. Des progrès dans les véhicules à combustion interne ont aussi été réalisés. Mais lors de ces dernières années une nouvelle technologie de véhicule s’est développée rapidement, à savoir les véhicules hybrides rechargeables (VHR). Aujourd’hui, ceux-ci constituent 40 % du total des véhicules rechargeables (VHR + VE) [1].
Le véhicule hybride rechargeable, à la différence du véhicule électrique peut être considéré comme un remplacement du véhicule thermique classique en matière d’autonomie, tout en permettant une réduction importante de consommation d’énergie fossile. De ce fait, il est probable que le rapide développement des véhicules hybrides rechargeables de ces dernières années se poursuive dans la prochaine décennie pour permettre aux constructeurs automobiles de respecter les limites d’émissions de CO2 imposées par les gouvernements. À titre d’exemple, les objectifs de l’Union Européenne sont passé de 130 g/km en 2015 à 95 g/km en 2021 [2].

L’optimisation énergétique de véhicules constitue la thématique centrale de l’équipe VEH (véhicules électriques et hybrides) du LTE. Les recherches menées ces dernières années dans ce sens ont permis d’optimiser la consommation énergétique de véhicules, notamment pour les véhicules électriques et hybrides et s’orientent aujourd’hui vers une optimisation globale énergie/pollution/matières premières.
Dans le cas des véhicules électrifiés, ces recherches s’appuient sur la thématique socle « vieillissement de batteries ». En effet, la batterie est le composant le plus sensible dans les chaînes de traction électrique ou hybride électrique compte tenu de leur coût élevé et de leur faible durée de vie. Les recherches effectuées par l’équipe ces dernières années ont permis d’approfondir la compréhension des modes de fonctionnement générateurs de stress et de mesurer leurs conséquences sur le vieillissement de la batterie.
Cette thèse se place comme une continuation naturelle de la thèse soutenue par Eduardo REDONDO en octobre 2017. E. REDONDO s’est intéressé au vieillissement des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques en tenant compte des interactions entre vieillissement calendaire (avec la batterie au repos) et en cyclage (lorsque la batterie est en charge ou en décharge). Après une étude bibliographique exhaustive sur les phénomènes électrochimiques régissant le fonctionnement et les mécanismes de vieillissement des batteries, cette thèse a permis le développement de modèles de vieillissement empiriques adaptés à l’utilisation d’un véhicule électrique. Les équations sur lesquelles ces modèles reposent ont été formulées en cohérence avec les lois physiques des phénomènes menant au vieillissement des batteries [3].

Comme pour la plupart des travaux sur le stockage d’énergie au sein de l’IFSTTAR, ces études seront réalisées en collaboration avec le Laboratoire Ampère (Université de Lyon) dans le cadre de l’ERC GEST (Équipe de Recherche Commune « Gestion de l’Énergie et Stockage pour les Transports »).
Les résultats obtenus pourront être appliqués à la thématique centrale de l’équipe VEH pour une optimisation globale (énergie / polluants / matières premières). Dans ce sens, ils s’inscrivent dans les thématiques de la collaboration entamée avec le DLR au sein de l’institut INNOMOB.
Objectifs
Les batteries lithium-ion qui équipent les véhicules hybrides et électriques ont été étudiées et optimisées pour ces deux types d’usage. Dans le premier cas, la batterie est sollicitée par des forts courants tout en restant à des niveaux de charge moyens. Dans le deuxième, la batterie est faiblement sollicitée en courant et l’état de charge peut varier dans une large plage. Ces deux utilisations peuvent déclencher des mécanismes de vieillissements très différents. L’application « véhicule hybride rechargeable » implique une utilisation de la batterie combinant celles d’un véhicule hybride et d’un véhicule électrique et constitue un exemple où des mécanismes de vieillissement de nature différente peuvent se succéder et interagir.
Une grande partie des mécanismes de vieillissement présents dans les batteries lithium-ion ont déjà été étudiés d’une manière isolée [4-6], notamment le mécanisme de croissance de la couche SEI (Solid Electrolyte Interface - typique du vieillissement calendaire) et le mécanisme de déposition de lithium dans l’électrode négative (provoqué par des charges à froid et/ou rapides). Néanmoins, les effets des interactions entre les mécanismes de vieillissement sont encore assez méconnus. Des travaux [7-9] ont mis en évidence que la dégradation produite par la concaténation de différentes phases d’utilisation (repos, cyclage à différents régimes, variations d’états de charge, variations de température) ne peut être expliquée par une simple addition de dégradations obtenues dans des conditions stationnaires.
Verrous scientifiques
Les verrous scientifiques actuellement identifiés pour cette thèse sont les suivants :
• Mesure des mécanismes de vieillissement dans une large plage d’utilisation de la batterie (niveaux de courant, d’état de charge, de température).
• Établissement des relations entre les différents modes de fonctionnement (repos, charge lente, charge rapide) et les mécanismes de vieillissement (croissance de SEI, déposition de lithium, etc.).
• Mesure des interactions entre différents mécanismes (p.ex. : croissance de SEI et déposition de lithium).
• Développement d’un modèle de dégradation de performances (énergie et puissance disponibles) en fonction d’une succession complexe de modes de fonctionnement.

Programme de recherche et démarche scientifique
Le travail comprendra une étude bibliographique afin de faire l’état de l’art des connaissances sur le vieillissement des batteries. Une analyse des bases de données actuellement acquises (projet MOBICUS, thèse de Eduardo Redondo) permettra de vérifier si les données couvrent l’ensemble des conditions d’usage envisagées. Des nouvelles expérimentations pourront alors être menées pour compléter et valider les résultats de ces projets précédents.

Après avoir identifié, compris et quantifié les mécanismes de vieillissement et leurs interactions, la deuxième phase de la thèse consistera en une démarche de modélisation. Les modèles obtenus devront être compatibles avec la bibliothèque de simulation VEHLIB développée au sein de l’équipe. Ces modèles devront être configurables et permettre de prédire l’évolution des performances de la batterie (énergie et puissance disponibles) en fonction des différents types d’usages, de la taille et de la composition des batteries et aussi des conditions ambiantes.

Enfin, l’application de ces modèles à quelques scénarii représentatifs d’utilisation de véhicules hybrides rechargeables (p.ex. : différentes tailles de batteries, types de trajets ou stratégies de recharge) pourra mettre en évidence les lignes directrices pour des travaux ultérieurs d’optimisation. Quelques scénarii pourront être choisis pour être validés expérimentalement sur des bancs de test de batteries.

Discipline et profil du candidat
Discipline : Génie Électrique
Compétences techniques :
• Connaissances en électronique de puissance, électrotechnique et instrumentation
• Connaissances d’un ou plusieurs langages de programmation (p.ex. : Matlab, C)
Autres compétences:
• Rigueur, autonomie et curiosité scientifique.
• Anglais oral et écrit (rédaction d’articles scientifiques et présentations dans des conférences internationales).

Équipe d’encadrement
Co-directeur : Serge PELISSIER, DR (HDR), IFSTTAR/AME/LTE
Co-directeur : Pascal VENET, PU (HDR), Université Claude Bernard Lyon1, Ampère UMR CNRS 5005
Encadrant et contact : Eduardo REDONDO-IGLESIAS, IR (Docteur), IFSTTAR/AME/LTE

Bibliographie
[1] IEA Global EV Outlook 2017.
[2] Comission Européenne. Reducing CO2 emissions from passenger cars (https://ec.europa.eu/clima/policies/transport/vehicles/cars_fr)
[3] Redondo-Iglesias, E. Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications "véhicule électrique" : Combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage. Université de Lyon, 2017.
[4] Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, M.; Veit, C.; Möller, K.-C.; Besenhard, J.; Winter, M.; Wohlfahrt-Mehrens, M.; Vogler, C. & Hammouche, A. Ageing mechanisms in lithium-ion batteries J. Power Sources , 2005, 147, 269 - 281
[5] Dubarry, M.; Truchot, C. & Liaw, B. Y. Synthesize battery degradation modes via a diagnostic and prognostic model J. Power Sources , 2012, 219, 204 - 216
[6] Ecker, M.; Gerschler, J. B.; Vogel, J.; Käbitz, S.; Hust, F.; Dechent, P. & Sauer, D. U. Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data J. Power Sources , 2012, 215, 248 - 257
[7] Ben-Marzouk, M.; Chaumond, A.; Redondo-Iglesias, E.; Montaru, M. & Pélissier, S.
Experimental Protocols and First Results of Calendar and/or Cycling Aging Study of Lithium-Ion Batteries – the MOBICUS Project
World Electric Vehicle Journal, 2016, 8, 388-397
[8] Grolleau, S.; Baghdadi, I.; Gyan, P.; Marzouk, M. B. & Duclaud, F.
Capacity fade of lithium-ion batteries upon mixed calendar/cycling aging protocol
EVS29-2016 Electric Vehicle Symposium and Exhibition, 2016, 12-p
[9] Calendar and cycling ageing combination of batteries in electric vehicles
Microelectronics Reliability, 2018, 88-90, 1212 - 1215

Mots-clefs: Environnement, Énergie, Véhicule hybride, Batterie, Caractérisation, Modélisation, Vieillissement, Fiabilité

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Génie Electrique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1
Ecole doctorale	ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE (EEA)
Directeur de thèse prévu	PELISSIER Serge - Université Gustave Eiffel - COSYS - LICIT-ECO7
Co-directeur de thèse prévu	VENET Pascal - LYON 1 - Laboratoire Ampère
Type de financement prévu	Thèse sur contrat - Ifsttar
Résumé Contexte scientifique Dans l’objectif de réduire la dépendance aux énergies fossiles et de limiter les effets des activités humaines sur le climat, les gouvernements de la plupart de pays développés mettent en œuvre des mesures favorisant les modèles de véhicules émettant le moins de CO2. Les constructeurs automobiles doivent diminuer la consommation moyenne de leur flotte. Pour y arriver, durant la dernière décennie, des nombreux modèles de véhicules micro-hybrides, hybrides et électriques (VE) ont vu le jour. Des progrès dans les véhicules à combustion interne ont aussi été réalisés. Mais lors de ces dernières années une nouvelle technologie de véhicule s’est développée rapidement, à savoir les véhicules hybrides rechargeables (VHR). Aujourd’hui, ceux-ci constituent 40 % du total des véhicules rechargeables (VHR + VE) [1]. Le véhicule hybride rechargeable, à la différence du véhicule électrique peut être considéré comme un remplacement du véhicule thermique classique en matière d’autonomie, tout en permettant une réduction importante de consommation d’énergie fossile. De ce fait, il est probable que le rapide développement des véhicules hybrides rechargeables de ces dernières années se poursuive dans la prochaine décennie pour permettre aux constructeurs automobiles de respecter les limites d’émissions de CO2 imposées par les gouvernements. À titre d’exemple, les objectifs de l’Union Européenne sont passé de 130 g/km en 2015 à 95 g/km en 2021 [2]. L’optimisation énergétique de véhicules constitue la thématique centrale de l’équipe VEH (véhicules électriques et hybrides) du LTE. Les recherches menées ces dernières années dans ce sens ont permis d’optimiser la consommation énergétique de véhicules, notamment pour les véhicules électriques et hybrides et s’orientent aujourd’hui vers une optimisation globale énergie/pollution/matières premières. Dans le cas des véhicules électrifiés, ces recherches s’appuient sur la thématique socle « vieillissement de batteries ». En effet, la batterie est le composant le plus sensible dans les chaînes de traction électrique ou hybride électrique compte tenu de leur coût élevé et de leur faible durée de vie. Les recherches effectuées par l’équipe ces dernières années ont permis d’approfondir la compréhension des modes de fonctionnement générateurs de stress et de mesurer leurs conséquences sur le vieillissement de la batterie. Cette thèse se place comme une continuation naturelle de la thèse soutenue par Eduardo REDONDO en octobre 2017. E. REDONDO s’est intéressé au vieillissement des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques en tenant compte des interactions entre vieillissement calendaire (avec la batterie au repos) et en cyclage (lorsque la batterie est en charge ou en décharge). Après une étude bibliographique exhaustive sur les phénomènes électrochimiques régissant le fonctionnement et les mécanismes de vieillissement des batteries, cette thèse a permis le développement de modèles de vieillissement empiriques adaptés à l’utilisation d’un véhicule électrique. Les équations sur lesquelles ces modèles reposent ont été formulées en cohérence avec les lois physiques des phénomènes menant au vieillissement des batteries [3]. Comme pour la plupart des travaux sur le stockage d’énergie au sein de l’IFSTTAR, ces études seront réalisées en collaboration avec le Laboratoire Ampère (Université de Lyon) dans le cadre de l’ERC GEST (Équipe de Recherche Commune « Gestion de l’Énergie et Stockage pour les Transports »). Les résultats obtenus pourront être appliqués à la thématique centrale de l’équipe VEH pour une optimisation globale (énergie / polluants / matières premières). Dans ce sens, ils s’inscrivent dans les thématiques de la collaboration entamée avec le DLR au sein de l’institut INNOMOB. Objectifs Les batteries lithium-ion qui équipent les véhicules hybrides et électriques ont été étudiées et optimisées pour ces deux types d’usage. Dans le premier cas, la batterie est sollicitée par des forts courants tout en restant à des niveaux de charge moyens. Dans le deuxième, la batterie est faiblement sollicitée en courant et l’état de charge peut varier dans une large plage. Ces deux utilisations peuvent déclencher des mécanismes de vieillissements très différents. L’application « véhicule hybride rechargeable » implique une utilisation de la batterie combinant celles d’un véhicule hybride et d’un véhicule électrique et constitue un exemple où des mécanismes de vieillissement de nature différente peuvent se succéder et interagir. Une grande partie des mécanismes de vieillissement présents dans les batteries lithium-ion ont déjà été étudiés d’une manière isolée [4-6], notamment le mécanisme de croissance de la couche SEI (Solid Electrolyte Interface - typique du vieillissement calendaire) et le mécanisme de déposition de lithium dans l’électrode négative (provoqué par des charges à froid et/ou rapides). Néanmoins, les effets des interactions entre les mécanismes de vieillissement sont encore assez méconnus. Des travaux [7-9] ont mis en évidence que la dégradation produite par la concaténation de différentes phases d’utilisation (repos, cyclage à différents régimes, variations d’états de charge, variations de température) ne peut être expliquée par une simple addition de dégradations obtenues dans des conditions stationnaires. Verrous scientifiques Les verrous scientifiques actuellement identifiés pour cette thèse sont les suivants : • Mesure des mécanismes de vieillissement dans une large plage d’utilisation de la batterie (niveaux de courant, d’état de charge, de température). • Établissement des relations entre les différents modes de fonctionnement (repos, charge lente, charge rapide) et les mécanismes de vieillissement (croissance de SEI, déposition de lithium, etc.). • Mesure des interactions entre différents mécanismes (p.ex. : croissance de SEI et déposition de lithium). • Développement d’un modèle de dégradation de performances (énergie et puissance disponibles) en fonction d’une succession complexe de modes de fonctionnement. Programme de recherche et démarche scientifique Le travail comprendra une étude bibliographique afin de faire l’état de l’art des connaissances sur le vieillissement des batteries. Une analyse des bases de données actuellement acquises (projet MOBICUS, thèse de Eduardo Redondo) permettra de vérifier si les données couvrent l’ensemble des conditions d’usage envisagées. Des nouvelles expérimentations pourront alors être menées pour compléter et valider les résultats de ces projets précédents. Après avoir identifié, compris et quantifié les mécanismes de vieillissement et leurs interactions, la deuxième phase de la thèse consistera en une démarche de modélisation. Les modèles obtenus devront être compatibles avec la bibliothèque de simulation VEHLIB développée au sein de l’équipe. Ces modèles devront être configurables et permettre de prédire l’évolution des performances de la batterie (énergie et puissance disponibles) en fonction des différents types d’usages, de la taille et de la composition des batteries et aussi des conditions ambiantes. Enfin, l’application de ces modèles à quelques scénarii représentatifs d’utilisation de véhicules hybrides rechargeables (p.ex. : différentes tailles de batteries, types de trajets ou stratégies de recharge) pourra mettre en évidence les lignes directrices pour des travaux ultérieurs d’optimisation. Quelques scénarii pourront être choisis pour être validés expérimentalement sur des bancs de test de batteries. Discipline et profil du candidat Discipline : Génie Électrique Compétences techniques : • Connaissances en électronique de puissance, électrotechnique et instrumentation • Connaissances d’un ou plusieurs langages de programmation (p.ex. : Matlab, C) Autres compétences: • Rigueur, autonomie et curiosité scientifique. • Anglais oral et écrit (rédaction d’articles scientifiques et présentations dans des conférences internationales). Équipe d’encadrement Co-directeur : Serge PELISSIER, DR (HDR), IFSTTAR/AME/LTE Co-directeur : Pascal VENET, PU (HDR), Université Claude Bernard Lyon1, Ampère UMR CNRS 5005 Encadrant et contact : Eduardo REDONDO-IGLESIAS, IR (Docteur), IFSTTAR/AME/LTE Bibliographie [1] IEA Global EV Outlook 2017. [2] Comission Européenne. Reducing CO2 emissions from passenger cars (https://ec.europa.eu/clima/policies/transport/vehicles/cars_fr) [3] Redondo-Iglesias, E. Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications "véhicule électrique" : Combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage. Université de Lyon, 2017. [4] Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, M.; Veit, C.; Möller, K.-C.; Besenhard, J.; Winter, M.; Wohlfahrt-Mehrens, M.; Vogler, C. & Hammouche, A. Ageing mechanisms in lithium-ion batteries J. Power Sources , 2005, 147, 269 - 281 [5] Dubarry, M.; Truchot, C. & Liaw, B. Y. Synthesize battery degradation modes via a diagnostic and prognostic model J. Power Sources , 2012, 219, 204 - 216 [6] Ecker, M.; Gerschler, J. B.; Vogel, J.; Käbitz, S.; Hust, F.; Dechent, P. & Sauer, D. U. Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data J. Power Sources , 2012, 215, 248 - 257 [7] Ben-Marzouk, M.; Chaumond, A.; Redondo-Iglesias, E.; Montaru, M. & Pélissier, S. Experimental Protocols and First Results of Calendar and/or Cycling Aging Study of Lithium-Ion Batteries – the MOBICUS Project World Electric Vehicle Journal, 2016, 8, 388-397 [8] Grolleau, S.; Baghdadi, I.; Gyan, P.; Marzouk, M. B. & Duclaud, F. Capacity fade of lithium-ion batteries upon mixed calendar/cycling aging protocol EVS29-2016 Electric Vehicle Symposium and Exhibition, 2016, 12-p [9] Calendar and cycling ageing combination of batteries in electric vehicles Microelectronics Reliability, 2018, 88-90, 1212 - 1215
Mots-clefs:	Environnement, Énergie, Véhicule hybride, Batterie, Caractérisation, Modélisation, Vieillissement, Fiabilité

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