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Détermination des propriétés thermiques anisotropes d’une batterie Li-ion en fonction de l’état de charge par spectroscopie d’impédance thermique

Sylvain Cailliez^1, ⋆, David Chalet¹, Philippe Mannessiez²
^⋆ : sylvain.cailliez@ec-nantes.fr
¹ Ecole Centrale de Nantes, LHEEA Lab. (ECN/CNRS), Nantes
² CRITT M2A, Béthune
Mots clés : Batterie, Propriétés thermiques, Spectroscopie d’Impédance Thermique, Modèle nodal
Résumé :

L’électrification du marché automobile apporte de nouveaux enjeux technologiques afin de rendre les véhicules électriques à batterie aussi performants que les véhicules thermiques (autonomie, durée de vie, fiabilité et flexibilité). Un des axes d’amélioration concerne la gestion thermique du pack batterie, composé de cellules de technologie Li-ion. En effet, les performances et le vieillissement de ces batteries sont très dépendants de la température. Il devient alors important de connaître les propriétés thermiques des batteries afin d’optimiser l’architecture et la gestion du système de refroidissement intégré au pack batterie.
La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS - Electrochemical Impedance Spectroscopy) est une méthode de caractérisation électrique fréquentielle couramment utilisée. Le spectre d’impédance, obtenu par le rapport entre la tension et le courant, fournit des informations concernant la résistance interne et le comportement dynamique des cellules, et peut être employé pour calibrer un modèle de comportement de type circuit électrique équivalent. Une méthode équivalente a été développée en thermique (TIS - Thermal Impedance Spectroscopy), où l’impédance se définit comme le rapport entre la température et la puissance thermique au sein de la cellule. Utilisé pour calibrer un modèle thermique, le spectre d’impédance permet alors de déterminer la capacité thermique et la conductivité thermique de la cellule.
Deux méthodes permettent de réaliser un essai TIS. La première consiste à appliquer une puissance thermique à la batterie au moyen d’un système d’échauffement externe, ce qui présente rapidement des limites avec des batteries de grande taille (l’uniformité de la puissance thermique est remise en cause). La deuxième méthode, utilisée dans cette étude, met à profit l’échauffement interne de la batterie en fonctionnement. Ainsi, la batterie est soumise à un courant décrit par un signal modulé, dont le signal modulant contient la fréquence d’impédance. Grâce au signal porteur, la cellule est maintenue à un état de charge (SOC - State Of Charge) relativement constant, ce qui permet d’éviter les différents biais liés au SOC. Les essais sont réalisés dans une enceinte électrique thermostatique spécifique aux tests batteries.
La détermination des propriétés thermiques de la batterie se fait par l’intermédiaire d’un modèle nodal tridimensionnel, qui permet de caractériser l’anisotropie de la batterie. L’effet Joule définit la puissance thermique générée au sein de la cellule. Les échanges convectifs liés à l’enceinte thermostatique sont également pris en compte. La calibration est effectuée en deux temps. Tout d’abord, les résistances de convection sont déterminées aux points de fonctionnement pour lesquels les caractéristiques thermiques de la cellule sont connues. Ensuite, ces valeurs sont implémentées dans le modèle et l’essai TIS permet de calibrer les résistances de conduction et la capacité thermique pour d’autres points de fonctionnement, en particulier à différents SOC. Finalement, comparée à d’autres méthodologies de caractérisation thermique plus conventionnelles, la méthode TIS apparaît moins chronophage et ne nécessite que de bancs d’essais déjà employés pour des essais électriques standards. En plus de contribuer à la modélisation thermique du pack batterie, cette méthode pourrait donc être exploitée dans le cadre d’essais de vieillissement, afin de caractériser le vieillissement thermique des batteries.