Modélisation 3D de l'emballement thermique d'une batterie

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Modélisation 3D de l’emballement thermique d’une batterie

La ruée vers les technologies électriques pour le parc automobile mène à une utilisation massive de batteries afin de stocker et restituer l’énergie nécessaire. Le marché est aujourd’hui dominé par les batteries Lithium-ion (Li-ion). Ces dernières présentent une densité d’énergie élevée comparée aux autres technologies mais sont cependant sujettes au phénomène d’emballement thermique (ET), pouvant poser des problèmes en termes de sécurité.

Ce phénomène survient après une sollicitation non souhaitée d’une ou plusieurs cellules, sollicitation qui peut être thermique (chauffage de la batterie), électrique (court-circuit) ou mécanique (perforation de la batterie). Dans tous les cas, cela mène à un enchainement non contrôlé et irréversible de réactions chimiques dans la cellule, qui vont provoquer une montée en température. Des gaz vont également être générés, faisant monter la pression interne, et peuvent s’échapper et s’enflammer.

Les transferts de chaleur conductifs (d’une cellule à l’autre du pack batterie) ou convectifs (interaction flamme/cellule et gaz brûlés chauds/cellule) vont favoriser la montée en température des cellules adjacentes. L’ET d’une cellule peut alors se propager aux autres cellules du pack, menant à l’incendie du véhicule. La problématique est alors double : prévenir le phénomène d’ET au sein d’une cellule et lorsqu’il est inévitable, limiter sa propagation au sein de la batterie.

Dans ce cadre, le rôle de la simulation numérique est primordial pour comprendre et modéliser l’ET au sein d’un pack batterie. On peut distinguer les outils dits 0-D, qui consistent à simuler à l’échelle « système », et les simulations multi-dimensionnelles (2D/3D), plus coûteuses mais qui permettent une prise en compte plus fine de la géométrie et de la physique. La calibration et la validation de ces approches reposent largement sur des mesures expérimentales, caractérisant le comportement d’une cellule en condition nominale et pendant l’ET.

Le stage proposé vise à mettre en place et à valider une approche de modélisation par calcul 3D du comportement d’une cellule cylindrique pendant l’ET. La cellule a déjà été caractérisée expérimentalement et par simulations 0D.

Le stage s’organisera de la manière suivante :

Etat de l’art, étude de la base de données expérimentale pour identifier des points de fonctionnement pertinents, et prise en main du simulateur 0D
Mise au point du modèle 3D (notamment prise en compte de la conductivité thermique anisotrope et calibration des paramètres du modèle cinétique d’ET)
Réalisation de calculs thermiques et comparaison des résultats avec les mesures expérimentales et les résultats 0D. Selon les résultats, le modèle pourra être complexifié.
Selon l’avancement du stage, on pourra réaliser un premier calcul RANS modélisant la dynamique des gaz d’évent s’échappant de la cellule. On estimera le débit de ces gaz grâce au simulateur 0D, et on prendra en compte la géométrie de la soupape de la cellule cylindrique.

Le travail effectué au cours de ce stage est préparatif d’une thèse soumise pour un démarrage fin 2023.

Profil recherché :

Etudiant en dernière année d’école d’ingénieur.

Connaissances en mécanique des fluides numérique (CFD) et scripting (Python).
Maîtrise de l’anglais (oral et écrit).

Durée et période du stage : 6 mois à partir de février 2023
Informations pratiques : Le stage se déroulera à l'IFP Energies nouvelles à Rueil-Malmaison. Une indemnité mensuelle sera versée au stagiaire (si non rémunéré par ailleurs).

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