Gestions thermiques d‘un véhicule hybride
Contexte de la recherche
Aujourd’hui et pour les années à venir, le secteur des transports est en pleine mutation,en particulier le secteur automobile. Face à la pression réglementaire, la demande des clients, et la prise de conscience écologique des citoyens, les fabricants automobiles ont lancé un mouvement général de diminution des émissions de polluants et de CO2 des véhicules. Le développement de véhicules hybrides et électriques s’inscrit dans cette tendance de fond. L’électrification des transports implique d’incorporer, de façon plus ou moins massive un système de stockage électrique réversible au sein des véhicules. Aujourd’hui, les batteries lithium-ion (Li-ion) se sont imposées dans le domaine du transport, principalement du fait de leurs très bonnes performances en matière de densité énergétique. Dans la littérature, il est possible de trouver un grand nombre d’informations concernant leur vieillissement, leur modélisation ou encore leur constitution. Cependant, malgré ces atouts indéniables, cette technologie, lorsqu’elle est utilisée dans le domaine automobile, souffre de certains défauts: une faible autonomie électrique, un temps de recharge important, un coût élevé, etc. Un autre problème majeur est leur inefficacité lorsque la température d’opération est trop basse «O°C) qui se traduit par la diminution de l’énergie disponible et une diminution de leur durée de vie.
Contexte de l’électrification
Défis du secteur transport
Aujourd’hui, le développement du trarisport routier est confronté à deux défis d’ordreénergétiques et environnementaux. En effet, la quasi intégralité du parc automobile utilise les dérivés du pétrole que sont l’essence et le gasoil. Ainsi, le véhicule thermique se trouve confronté à deux problèmes:
1. L’appauvrissement global des ressources d’énergies fossiles. Le secteur des transports terrestres est particulièrement exposé à ce risque de raréfaction puisqu’il repose presque exclusivement sur l’utilisation de carburants issus du raffinage du pétrole (essence, diesel, GPL) [7].
2. Le réchauffement climatique dû aux émissions trop importantes de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère. Le secteur des transports est partie intégrante de ce problème: ce secteur représente 22% des émissions totales de GES (figure 1.1) au Canada et 13% à travers le monde [8]. Dès lors, l‘utilisation de produits pétroliers devient de moins en moins économique pour les conducteurs automobiles. Cela pousse le parc automobile à se tourner vers d‘autres solutions. Les différentes sociétés automobiles tentent depuis quelques années de trouver de nouvelles alternatives pour réduire les GES:
1. Des pressions réglementaires sont en effet apparues pour partiellement plier la volonté des clients automobiles et également celle des constructeurs de véhicules. De nouvelles contraintes réglementaires et fiscales sur les émissions de CO2 et sur les polluants (CO, NOx) pour les véhicules neufs sont entrées en vigueur afin de réduire les émissions des gaz à effet de serre et surtout d‘ajouter une pression règlementaire. Par exemple, en Europe on peut citer la norme EURO et en Amérique du Nord, on retrouve une modification du règlement de base sur les émissions de gaz à effet de serre des automobiles à passagers et des camions légers.
2. Parallèlement aux normes réglementaires, les constructeurs automobiles investissent pour produire des véhicules moins polluants et se conformer aux diverses règlementations en cours (EURO/ Règlement canadien). On parle alors de l‘électrification des chaînes de traction.
Électrification de la chaine de traction
Les technologies de véhicules hybrides électriques et électriques sont aujourd‘hui considérées comme une partie des réponses. Concernant les particuliers, les constructeurs automobiles proposent plusieurs types de véhicules dont la part d‘ électrification est variable mais qui ont tous un point commun: un système de stockage embarqué (SSE) pour stocker l‘énergie.Par le passé, de nombreuses technologies ont été utilisées comme SSE. Ce dernier doit répondre à plusieurs critères importants comme une grande autonomie, un temps de recharge rapide, avoir une grande densité d’énergie massique, offrir un coût raisonnable. Malheureusement, le SSE parfait n‘existe pas. Les différentes technologies utilisées pour les propulsions sont répertoriées dans la figure 1.2. L’hydrogène a été retenu par l’institut de recherche sur l’hydrogène (IRH) comme mode de stockage à long terme pour son système à énergies renouvelables. À court terme, la technologie très majoritairement retenue est l’accumulateur lithium-ion (Li-ion). Elle offre les caractéristiques les plus engageantes pour répondre au besoin de stockage d‘électricité des transports terrestres dans la perspective de développer des modes de propulsion plus propres, même si celle-ci peut également se placer dans un système complémentaire avec l‘hydrogène (système pile à combustible et batteries [9], [10]). Malgré tout, on se rend compte qu‘elle semble souffrir d‘importants problèmes qui entravent l‘intégration complète des véhicules électrifiés dans notre société.
Les accumulateurs Lithium
Lithium-Métal
Deux types de batteries au lithium existent aujourd‘hui: batterie lithium-métal (LiMétal) et batterie lithium-ion (Li-ion). La différence entre les deux technologies est liée à la nature du matériau utilisé comme anode. Les accumulateurs Li-Métal mettent en œuvre un dépôt métallique de lithium à l‘ électrode négative et à l‘électrode positive. Ainsi, lors de la décharge, les ions lithium (Li+) sont arrachés à l’anode de lithium et migrent à travers l’électrolyte pour s’insérer au sein des sites qu‘offre la structure du composé d‘insertion cathodique. À l‘inverse, lors de la recharge, les ions Li+ sont extraits de ces sites, pour aller se déposer à la surface de l‘électrode de lithium métallique. Le transfert d’un ion Li+dans le circuit interne de l’accumulateur est compensé exactement par le passage d’un électron dans le circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Néanmoins, à cause de la réaction violente du lithium métal en présence d‘oxygène et le dépôt de lithium sur l‘anodeà chaque recharge, induisent le problème de la formation de dendrites qui provoque une instabilité thermique conduisant parfois à l‘explosion de la batterie. De ce fait, très peu de constructeurs ont aujourd‘hui orienté leur choix sur cette technologie.
Lithium-ion
Le principe de fonctionnement repose sur le même principe que les accumulateurs LiMétal, à la seule différence; le matériau de l‘anode est un composé d‘insertion à la place d‘ une électrode pure de lithium. Compte tenu de l‘augmentation des besoins en stockage d‘énergie dans un grand nombre d‘applications, le développement de matériaux et composants moins chers conduisant à des batteries plus performantes est donc essentiel.
Matériaux de la cathode
La cathode est l‘ électrode capable de délivrer un ou plusieurs ions (ici Li+) en charge et d‘effectuer le phénomène inverse en décharge. Les matériaux d‘électrode positive qui sont actuellement commercialisés, peuvent être regroupés sous trois groupes, suivant leurs structures cristallographiques: les oxydes lamellaires (NMC,…), les matériaux polyanioniques (LFP,... ) et les oxydes de structure spinelle (LMO,…). Ces trois groupes de composés présentent des propriétés différentes: capacité spécifique, potentiel, etc. La figure 1.6 présente les courbes de potentiel correspondantes à ces différents matériaux. Le matériau d‘oxyde mixte de cobalt et lithium (LCO) possède les meilleures caractéristiques en termes de potentiel et de capacité spécifique. Cependant, le prix du cobalt étant élevé d‘autres familles ont suscité un intérêt où la quantité de Cobalt est réduite et compensée par d‘autres matériaux moins onéreux comme le manganèse ou l‘aluminium. À ce compte, le phosphate de fer lithié, LixFeP04, que nous noterons ci-après LFP,appartient à la famille des matériaux prometteurs pour remplacer les cathodes de type LCO pour les applications automobiles. Malgré son potentiel proche de ~3 ,4V vs. Li/Li+ qui lui confère une énergie spécifique théorique modérée, il présente cependant l’intérêt de ne pas intégrer dans sa composition de métaux tels que le cobalt (Co), ou le nickel (Ni).
1.4.3.2 Matériaux de l‘anode
Les deux grands familles des matériaux de l’anode utilisés aujourd‘hui sont le graphite (et ses dérivés) et le titanate de lithium (LTO). Le graphite, en tant que matériaux d’électrode négative, a une grande capacité massique théorique (370 mAhlg) [14]. Léger, il est également peu coûteux et a un potentiel moyen très faible, proche de celui du lithium métal. Néanmoins, la formation d‘une couche appelée « Solid Electrolyte Interphase » (SEI) à sa surface (processus de passivation) est à l‘origine d’une grande partie du vieillissement des batteries lithium-ion. Ce type de matériau est largement répandu et est présent dans presque l‘ intégralité de toutes les batteries lithium-ion actuellement commercialisées: En outre, le LTO n‘est pas sujet à une passivation massive comme le graphite, ce qui fait de lui un matériau ayant une très grande durée de vie. De plus, sa structure lui permet d‘ accepter des régimes élevés de charge, contrairement au graphite. Ces qualités font du titanate de lithium une alternative crédible au graphite, en particulier pour des applications orientées puissance. Par contre, son plateau de potentiel élevé (1 ,55 V vs Li/Li+) ne permet pas d‘ obtenir une forte densité d‘énergie et la présence de titane rend également cette électrode plus coûteuse que le graphite.
L’électrolyte
Les électrolytes utilisés dans les accumulateurs Li-ion sont constitués d’un sel de lithium (ex: LiPF6, LiBF4) dissout dans un mélange de solvants organiques pour obtenir un électrolyte adapté: forte constante diélectrique, une viscosité faible, une bonne conductivité, large domaine de stabilité thermique (de -20 à 70°C), un large domaine de stabilité électrochimique (de 0 à 5V vs. Li+/Li). Les cellules Li-ion commercialisées contiennent des électrolytes liquides [15] qu‘on élabore en incorporant dans un solvant liquide organique des sels de lithium fortement dissociés. L’électrolyte le plus largement utilisé aujourd‘hui est ainsi l’hexafluorophosphate de lithium, LiPF6 [15]. Il existe également des accumulateurs à électrolyte solide [15]. Ce dernier est un polymère gélifié de consistance solide, ce qui permet de donner à la cellule une enveloppe souple et une forme voulue. Mais les performances sont aussi altérées puisque l‘énergie massique est diminuée.
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Table des matières
Résumé
Remerciements
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Liste des acronymes
Introduction
Contexte de la recherche
Problématique de recherche
Objectifs de la recherche
Méthodologie de recherche
Structure de la thèse
Chapitre 1 – Contexte et problématique
1.1 Contexte de l’électrification
1.1.1 Défis du secteur transport
1.1.2 Solutions
1.2 Électrification de la chaine de traction
1.3 Intégration dans un véhicule électrifié
1.4 Les batteries lithium-ion
1.4.1 Présentation et fonctionnement
1.4.2 Les accumulateurs Lithium
1.4.3 Les différents constituants d‘une cellule Li-ion
1.4.4 Caractéristiques d‘une cellule électrochimique
1.5 Comportement électrothermique des accumulateurs Li-ion
1.5.1 Influence de la haute température
1.5.2 Influence de la basse température
1.6 Vieillissement des accumulateurs Li-ion
1.6.1 Types de vieillissement
1.6.2 Mécanisme de dégradation
1.6.3 Influence de la température
1.7 Gestion thermique d’un pack
1.7.1 Contexte
1.7.2 Gestion par air
1.7.3 Gestion liquide
1.7.4 Système externe/interne
1.7.5 Matériaux à changement de phases
1.7.6 Chauffage par courant alternatif
1.8 Conclusion
Chapitre 2 – Étude électrothermique d‘un pack de cellules Li-ion
2.1 Contexte de l’étude électrothermique
2.2 Étude électrothermique d‘un pack Li-ion
2.2.1 Présentation du banc d‘essai
2.2.2 Présentation du protocole expérimentaL
2.2.3 Résultats de l‘étude sur une seule cellule
2.2.4 Résultats de l‘étude sur un pack
2.2.5 Conclusion sur l‘étude électrothermique
2.3 État de l‘art de la modélisation électrothermique des batteries
2.3.1 Modèle électrochimique
2.3 .2 Modèle empirique
2.3.3 Modèle semi-empirique
2.3.4 Modélisation thermique pour application basses températures
2.4 Modélisation électrothermique d‘un pack de batteries
2.4.1 Principe du modèle électrothermique
2.4.2 Représentation électrique d’une cellule
2.4.3 Représentation thermique d’une cellule
2.4.4 Modèle électrothermique d’un pack de cellules Li-ion
2.5 Validation du modèle
2.5.1 Modèle électrothermique d’une cellule
2.5.2 Modèle électrothermique d’un pack
2.6 Conclusion du l’étude expérimentale
Chapitre 3 – Étude de vieillissement d’une cellule Li-ion en conditions hivernales
3.1 Étude de vieillissement d‘une cellule Li-ion
3.1.1 Présentation du banc d‘essai
3.1.2 Types de vieillissement
3.1.3 Présentation du protocole expérimental pour le vieillissement par cyclage
3.1.4 Présentation du protocole expérimental pour le vieillissement calendaire
3.1.5 Caractérisations périodiques
3.1.6 Résultats du vieillissement par cyclage
3.1.7 Résultats du vieillissement calendaire
3.2 État de l’art de la modélisation du vieillissement des batteries
3.2.1 Modèle électrochimique
3.2.2 Modèle empirique
3.2.3 Modèle semi-empirique
3.2.4 Modélisation du lithium plating
3.3 Modélisation du vieillissement de cellules LFMP
3.3.1 Description générale du modèle
3.3.2 Modélisation des pertes calendaire
3.3.3 Modélisation des pertes par cyclage
3.3.4 Modélisation de l‘augmentation de la résistance interne
3.4 Validation du modèle
3.5 Conclusion de l‘étude de vieillissement
Chapitre 4 – Gestions thermiques d‘un véhicule hybride
4.1 Cadre de l‘ étude
4.2 Description du problème
4.2.1 Scénario principal
4.2.2 Hypothèses
4.2.3 Variation des paramètres du scénario
4.3 Modification du modèle électrothermique
4.4 Le critère d‘optimisation
4.4.1 Coût en dégradation
4.4.2 Coût en énergie perdue après 15h
4.5 Programmation dynamique
4.6 Résultat de l’optimisation
4.7 ‘ Autres paramètres influençant la solution
4.7.1 La température ambiante
4.7.2 Le coût en dégradation
4.7.3 Le temps d’arrêt
4.8 Conclusion
Chapitre 5 – Conclusion
Références
Annexe A – Banc expérimental pour les essais électrothermiques à basses températures
Annexe B – Présentation du véhicule Némo
Annexe C – Banc expérimental pour les essais de vieillissement à basses température
Annexe D – Autres tests pour les essais de vieillissement à basses températures
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