Modélisation de l'emballement thermique des Batteries Li-ion : Analyse de sensibilité et optimisation des paramètres du modèle

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.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Modélisation de l’emballement thermique des Batteries Li-ion : Analyse de sensibilité et optimisation des paramètres du modèle

Le stockage électrochimique de l’énergie électrique est devenu un enjeu mondial et un défi majeur dans le cadre de la transition énergétique. De nombreuses études s’intéressent aux batteries Li-ion qui considérées comme les plus performantes pour les applications de mobilité.

Cependant, la sécurité de ces batteries constitue un verrou majeur. Le phénomène relié à la sécurité des batteries est celui de l'emballement thermique (TR), conduisant souvent à la dégradation, la combustion voire l'explosion des batteries. Initié par différents évènements abusifs (surchauffe, courts-circuits internes, surcharge, etc.), l'emballement thermique est entrainé par une cascade de réactions exothermiques entre les différents matériaux de la batterie. Ainsi, on assiste à une augmentation rapide de la température et de la pression à l'intérieur de la batterie.

Un modèle décrivant ces mécanismes a été développé par IFPEN. Ce modèle a été intégré dans la librairie ES (Electrical Storage) du logiciel Simcenter Amesim. Il est capable de simuler l’évolution de la température, la pression et la tension de la batterie étudiée. Ce modèle est basé sur l’intégration des différentes réactions de dégradations chimiques exothermiques et prend en compte différents paramètres, e.g., paramètres géométriques et thermiques des batteries, paramètres cinétiques (énergie d’activation, facteur de réaction, enthalpie de réaction, etc.). Le calage de ce type de modèle reste encore très difficile, et nécessite des hypothèses « métier ».

Pour mieux comprendre la sensibilité et l’impact de ces différents paramètres sur la capacité du modèle à prédire l’intensité de l’emballement thermique, il est nécessaire de développer une méthode d’analyse de sensibilité des paramètres du modèle qui aidera ensuite à l’optimisation des paramètres clés identifiées.

Dans ce contexte, le sujet de stage proposé vise à développer dans une première partie une méthodologie d’analyse de sensibilité des paramètres du modèle de l’emballement thermique existant à IFPEN. Ensuite, basé sur cette analyse les paramètres clés identifiés seront optimisées. Ce travail sera élaboré via un programme Python.

Méthodologie

Étude bibliographique sur les modèles de l’emballement thermique des batteries Li-ion et leurs paramètres.
Prise en main du modèle de l’emballement thermique développé à IFPEN, disponible dans le logiciel Simcenter Amesim.
Optimisation des paramètres pour rechercher des stratégies optimales pour la calibration du modèle.
Développer une méthodologie pour l’analyse de sensibilité des paramètres du modèle pour identifier les paramètres clés qui ont un impact sur la réponse du modèle.
Valider la méthodologie développée grâce aux données expérimentales disponibles à IFPEN.

Compétences acquises au cours de ce stage

Connaissance dans la modélisation de l’emballement thermique des batteries Li-ion.
Prise en main du modèle développé dans la librairie ES du logiciel Simcenter Amesim.
Connaissances dans l’analyse de sensibilité et l’optimisation de modèle qui peuvent être appliquées dans d’autres domaines.

Profil et compétences recherchés :

Niveau : Bac+4 ou Bac+5

Compétences : grande affinité pour le codage (en particulier Python), goût pour la recherche, prise d’initiative, motivation pour la valorisation des résultats (y compris la rédaction), travail d’équipe.

Durée et date : 5 mois à partir de Mars/Avril 2023

Informations pratiques :