Electrochemical modeling of lithium-ion cell behaviour for electric vehicles
Description
The future development of electric vehicles is mostly dependent of improvements in battery performances. In support of the actual research of new materials having higher performances in terms of energy, power, durability and cost, it is necessary to develop modeling tools. The models are helpful to simulate integration of the battery in the power train and crucial for the battery management system, to improve either direct (e.g. preventing overcharges and thermal runaway) and indirect (e.g. state of charge indicators) safety. However, the battery models could be used to understand its physical phenomena and chemical reactions to improve the battery design according with vehicles requirements and reduce the testing phases. One of the most common model describing the porous electrodes of lithium-ion batteries is revisited. Many variants available in the literature are inspired by the works of prof. J Newman and his research group from UC Berkeley. Yet, relatively few works, to the best of our knowledge, analyze in detail its predictive capability. In the present work, to investigate this model, all the physical quantities are set in a dimensionless form, as commonly used in fluid mechanics: the parameters that act in the same or the opposite ways are regrouped and the total number of simulation parameter is greatly reduced. In a second phase, the influence of the parameter is discussed, and interpreted with the support of the limit cases. The analysis of the discharge voltage and concentration gradients is based on galvanostatic and pulse/relaxation current profiles and compared with tested commercial LGC cells. The simulations are performed with the software Comsol and the post-processing with Matlab. Moreover, in this research, the parameters from the literatures are discussed to understand how accurate are the techniques used to parametrize and feed the inputs of the model. Then, our work shows that the electrode isotherms shapes have a significant influence on the accuracy of the evaluation of the states of charges in a complete cell. Finally, the protocols to characterizes the performance of commercial cells at different C-rates are improved to guarantee the reproducibility. (author)
Abstract (French)
Le developpement futur des vehicules electriques est lie a l'amelioration des performances des batteries qu'ils contiennent. Parallelement aux recherches sur les nouveaux materiaux ayant des performances superieures en termes d'energie, de puissance, de durabilite et de cout, il est necessaire developper des outils de modelisation pour: (i) simuler l'integration de la batterie dans la chaine de traction et (ii) pour le systeme de gestion de la batterie, afin d'ameliorer la securite et la durabilite. Soit de facon directe (par exemple, la prevention de surcharge ou de l'emballement thermique) soit de facon indirecte (par exemple, les indicateurs de l'etat de charge). Les modeles de batterie pourraient aussi etre utilises pour comprendre les phenomenes physiques et les reactions chimiques afin d'ameliorer la conception des batteries en fonction des besoins de l'utilisateur et de reduire la duree des phases de test. Dans ce manuscrit, un des modeles les plus communs decrivant les electrodes poreuses des batteries au lithium-ion est revisite. De nombreuses variantes dans la litterature s'inspirent directement du travail mene par le professeur J. Newman et son equipe de chercheurs a l'UC Berkeley. Pourtant relativement peu d'etudes analysent en detail les capacites predictives de ce modele. Dans ce travail, pour etudier ce modele, toutes les grandeurs physiques sont definies sous une forme adimensionnelle, comme on l'utilise couramment dans la mecanique des fluides: les parametres qui agissent de maniere identique ou opposee sont regroupes et le nombre total de parametres du modele est considerablement reduit. Cette etude contient une description critique de la litterature incluant le referencement des parametres du modele developpe par le groupe de Newman et les techniques utilisees pour les mesurer, ainsi que l'ecriture du modele dans un format adimensionnel pour reduire le nombre de parametres. Une partie experimentale decrit les modifications de protocoles mis en oeuvre pour ameliorer la reproductibilite des essais. Les etudes effectuees sur le modele concernent d'une part l'identification des etats de lithiation dans la cellule avec un attention particuliere sur la precision obtenue, et enfin une prospection numerique pour examiner l'influence de chaque parametre sur les reponses de la batterie en decharge galvanostatique puis en mode impulsion et relaxation
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Additional titles
- Original title (English)
- Modelisation electrochimique du comportement d'une cellule Li-ion pour application au vehicule electrique
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 215 p.
- Report number
- FRCEA-TH--10312
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53017486
- Subject category
- S25: ENERGY STORAGE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COMPUTERIZED SIMULATION; ELECTRIC-POWERED VEHICLES; ELECTROCHEMISTRY; ELECTRODES; LITHIUM ION BATTERIES; POROSITY
- Descriptors DEC
- CHEMISTRY; ELECTRIC BATTERIES; ELECTROCHEMICAL CELLS; ENERGY STORAGE SYSTEMS; ENERGY SYSTEMS; SIMULATION; VEHICLES
Optional Information
- Notes
- 259 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses