Sujet de Stage

Contexte La demande économique mondiale en accumulateurs électrochimiques est de plus en plus importante de nos jours. Cet essor est principalement dû à l'émergence des véhicules hybrides et électriques (Hybrid-Electric Vehicle, Plug-in Hybrid Electric Vehicle et Battery-Electric Vehicle) d'une part, et au marché de stockage de l'énergie en lien avec les énergies renouvelables et la gestion des réseaux électriques d'autre part. SAFT est particulièrement présent dans ce contexte en tant que précurseur du déploiement de batteries lithium. SAFT produit entre autres, des batteries lithium-ion à Poitiers, Nersac et Bordeaux. Ce stage, financé par SAFT, se déroulera au sein du CRAN à Vandoeuvre-lès-Nancy.

Description du sujet Les batteries électrochimiques sont omniprésentes dans notre quotidien, que ce soit dans nos ordinateurs que nos téléphones portables. Parmi les différentes technologies disponibles, les accumulateurs lithium-ion offrent de nombreux avantages, en termes d'énergie massique, de puissance massique et de leur faible autodécharge notamment. Ils ne présentent en outre pas d'effet mémoire. En contrepartie, ce type de batteries nécessite un système de gestion (BMS) pour des raisons de sécurité, mais également pour prévenir tout vieillissement prématuré. Le BMS joue un rôle clé sur les performances et la durée de vie de la batterie, et il est essentiel d'alimenter le BMS avec des données précises sur l'état actuel de la batterie. Le problème est que peu d'informations sur les variables de la batterie sont directement accessibles par des mesures, généralement le courant, la tension et éventuellement la température. Pour accéder aux états de la batterie (état de charge, état de santé, états de fonction), un modèle mathématique de la dynamique de la batterie est généralement développé, sur la base duquel un estimateur est conçu pour estimer les variables internes non-mesurables. Différentes approches ont été développées à cette fin, en particulier celles mises au point par le CRAN, le GREEN et SAFT, basées sur des modèles électrochimiques locaux et mettant en oeuvre un observateur non-linéaire [1,2,3]. L'objectif de ce stage est de concevoir puis de valider numériquement des algorithmes d'estimation (observateurs) de la quantité de lithium, une grandeur étroitement liée au vieillissement de la batterie. Pour ce faire, nous envisageons de nous appuyer sur des modèles électrochimiques formulés sous la forme d'équations différentielles ordinaires non linéaires de dimension finie. Ces modèles sont souvent réduits : une variable y est supprimée en exploitant l'hypothèse, classiquement admise, que la quantité totale de lithium reste constante. L'enjeu sera ici de lever cette hypothèse, qui n'est plus valable sur des horizons de temps longs, et d'estimer explicitement cette variable dite lente.

Plan 1) Revue de la littérature et sélection d'une voire plusieurs méthodes d'estimation. 2) Etude des méthodes d'estimation à l'aide de Matlab-Simulink en considérant un modèle donné. 3) Validation sur Matlab-Simulink à l'aide de données expérimentales.

Références bibliographiques [1] P. Blondel, R. Postoyan, S. Raël, S. Benjamin, P. Desprez. Nonlinear circle-criterion observer design for an electrochemical battery model. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 27(2), 889-897, 2018. [2] P. Blondel, R. Postoyan, S. Raël, S. Benjamin, P. Desprez. Observer design for an electrochemical model of lithium-ion batteries based on a polytopic approach. 20th IFAC World Congress, 50 (1) 8127-8132, Toulouse, 2017. [3] E. Planté, R. Postoyan, S. Raël, Y. Jebroun, S. Benjamin, D. Monier-Reyes. Multiple active material Lithium- ion batteries: ?nite-dimensional modeling and constrained state estimation. IEEE Transactions on Control Systems Technology, à paraître, 2022.