Electro-thermal caracterization and associated modeling of hybrides supercapacitors for on-board storage applications.
Caractérisation et vieillissement de composants supercondensateurs hybrides : étude sous contrainte de températures négatives
Résumé
The work of this Ph.D. thesis focuses on the study and the electrical characterization of "Lithium-ion Capacitors LIC" or hybrid supercapacitors. LICs are electrical energy storage components resulting from an internal hybridization between a lithium-ion battery LIB and a conventional supercapacitor EDLC. Their characterization is divided into two parts. The first part studies fresh LIC cells, with time and frequency measurements over a wide operating temperature range. This will allow to draw Nyquist and Ragone diagrams and to establish equivalent models for the cells. The second part aims to deepen the characterization by applying specific aging methods on LIC cells in order to observe the evolution of their behavior and performance over time. To complete the existing work in the literature, the choice of the aging temperature was based on two negative ambient temperatures. The results of these tests make it possible to develop aging laws that aim to predict the end of life of the storage components in the case of an industrial electrical vehicle application.The manuscript is divided into four chapters. The first one is devoted to the presentation of LICs but also lithium-ion batteries and supercapacitors, their proper characteristics being necessary for the understanding of LICs dynamic behavior.The second chapter studies fresh LIC cells in order to situate them physically from their energetic performances between lithium-ion batteries and supercapacitors according to the results of temporal and frequency characterizations. The tests are applied at different temperatures in order to observe the difference in behavior according to positive and negative temperatures.The third chapter presents the calendar aging of LICs, where no current constraint is applied, for two different negative temperatures, -10°C and -30°C. The result then allows the observation of the evolution of the cells over time in case of storage or at rest time.Finally, the fourth and last chapter studies the cycling aging of LICs during the application of an HEV car starter-booster current cycle, for the same negative ambient temperatures. These tests, under fairly severe conditions, make it possible to observe the limits of LICs and to predict their end of life with appropriate aging laws.
Les travaux de cette thèse concernent l'étude et la caractérisation électrique des supercondensateurs hybrides dénommés aussi "Lithium-ion Capacitors LIC". Les LIC sont des composants de stockage de l'énergie électrique issus d'une hybridation interne entre une batterie lithium-ion et un supercondensateur classique. Leur étude est divisée en deux parties. La première partie étudie les LIC à l’état neuf, avec des mesures temporelles et fréquentielles sur une large gamme de température de fonctionnement, qui permettront de tracer les diagrammes de Nyquist et de Ragone et d’établir les modèles équivalents des cellules. La deuxième partie vise à approfondir la caractérisation en appliquant des méthodes de vieillissement sur les cellules LIC afin d’observer l’évolution de leur performance dynamique au cours du temps. Pour compléter les travaux existants dans la littérature, le choix de la température de vieillissement s’est porté sur deux températures ambiantes négatives. Les résultats issus de ces essais permettent d’élaborer des lois de vieillissement qui visent à prédire la fin de vie des éléments dans le cas d’une application liée aux véhicules électriques hybrides.Le manuscrit est divisé en quatre chapitres. Le premier est consacré à la présentation des LIC mais aussi des batteries lithium-ion et des supercondensateurs, la connaissance de leurs caractéristiques étant nécessaire à la caractérisation des LIC.Le deuxième chapitre étudie les cellules LIC à l’état neuf et permet de les situer au niveau de leurs performances énergétiques entre les batteries lithium-ion et les supercondensateurs selon les résultats des caractérisations temporelles et fréquentielles. Les essais sont appliqués à différentes températures afin d’observer la différence de comportement physique selon les températures positives et négatives appliquées.Le troisième chapitre présente le vieillissement calendaire des LIC, pour lequel aucune contrainte de courant ne leur est appliquée, pour deux températures négatives différentes, -10°C et -30°C. Le résultat permet alors d’observer l’évolution des cellules dans le temps en situation de stockage ou au repos.Enfin, le quatrième et dernier chapitre étudie le vieillissement en cyclage des LIC lors de l’application d’un cycle de courant d’alterno-démarreur de voiture hybride, pour les mêmes températures ambiantes négatives. Ces essais, dans des conditions expérimentales relativement sévères, permettent d’observer les limites comportementales des supercondensateurs LIC et de prédire leur fin de vie avec des lois de vieillissement appropriées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)