Management thermique d'un module de batteries pour véhicules électriques : modélisation et expérimentation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Management thermique d'un module de batteries pour véhicules électriques : modélisation et expérimentation

Thermal management of a battery pack for electric vehicles : numerical modelling and experimentation

Résumé

The objective of this thesis is to study the thermal behavior of a Li-ion battery for different charge and discharge currents to apply a passive cooling system using phase change materials (PCM) and to verify its efficiency when used with a module of several batteries. Our study is based on an experimental and a numerical study. A test bench is implemented to charge and discharge the batteries at constant current. A Li-ion battery with a capacity of 60 Ah and a prismatic shape was tested for charge currents ranging between 40A and 60A and discharge currents varying from 40A to 100A. The experimental study carried out on the battery shows that the temperature measured on the positive electrode best represents the temperature of the battery core. Moreover, the measurements of the temperatures and the heat dissipation allowed the determination of the heat transfer coefficient as well as the entropic heat coefficient which were introduced in the proposed numerical model. The numerical study led to the development of two models. A 3D model that allows the determination of the temperature at any point of the battery has been proposed by solving the three-dimensional heat equation using the ADI method. Indeed, the model was used to propose two correlations allowing the prediction of the maximum temperature increase as well as the heat energy generated by the battery for given charge and discharge currents. In addition, the second model is based on the equivalent thermal networks which simplifies the physical problem. The developed models have been validated by comparison with experimental results. Finally, a new Chroma 17020 test bench was installed to experimentally test a module of several batteries tested under dynamic currents determined from normalized driving cycles. The experimental results were compared to the results predicted by the proposed model. Cooling solutions using a microencapsulated INERTEK 32 phase change material are also studied. A method for calculating the mass of PCM to ensure the dissipation of the heat generated by the batteries during operating time is proposed using the developed correlations.
L’objectif de ce mémoire est d’étudier le comportement thermique d’une batterie Li-ion pour différents courants de charges et décharges afin d’appliquer un système de refroidissement passif utilisant les matériaux à changement de phase (MCP) et de vérifier son efficacité quand elle est utilisée dans un module de plusieurs batteries. Notre étude est basée sur une étude expérimentale et numérique. Un banc d’essai qui permet de charger et de décharger les batteries à courant constant a été installé. Une batterie Li-ion de capacité 60 Ah et d’une forme prismatique a été testée pour des courants de charges allant de 40A à 60A et des courants de décharge allant de 40A à 100 A. L’étude expérimentale effectuée sur la batterie a permis de déterminer que la température mesurée au niveau de l'électrode positive est la plus représentative de la température qui règne au cœur de la batterie. De plus, les mesures des températures et des densités de flux thermiques ont permis la détermination des coefficients d’échange thermique ainsi que du coefficient d’entropie thermique qui ont été introduit dans le modèle numérique proposé. L’étude numérique a conduit au développement de deux modèles. Un modèle 3D qui permet la détermination de la température en tout point de la batterie a été proposé en résolvant l’équation de la chaleur tridimensionnelle grâce à la méthode implicite de direction alternée. En effet, le modèle a été utilisé pour proposer deux corrélations permettant la prédiction de l’augmentation maximale de la température ainsi que de l’énergie thermique générée par la batterie pour des courant de charge et de décharge donnés. Le deuxième modèle est basé sur la méthode à constantes localisées qui simplifie le problème physique. Les modèles développés ont été validés sur la base des résultats expérimentaux. Enfin, un nouveau banc de test Chroma 17020 a été installé pour tester expérimentalement un module de plusieurs batteries qui a été sollicité à des courants dynamiques déterminés à partir des cycles véhicules. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats prédits par le modèle proposé et des solutions de refroidissement en utilisant un matériau de changement de phase microencapsulée INERTEK 32 sont aussi étudiées. Une méthode de calcul de la masse de MCP pour assurer la dissipation de la chaleur produite par les batteries est enfin proposée en utilisant les corrélations développées.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04332682 , version 1 (09-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04332682 , version 1

Citer

Khalid Ziat. Management thermique d'un module de batteries pour véhicules électriques : modélisation et expérimentation. Electric power. Normandie Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021NORMC249⟩. ⟨tel-04332682⟩
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