Les accumulateurs commerciaux à base de lithium-ion (LIB) utilisent des matériaux à base de carbone (graphite) comme électrode négative; cependant, la technologie atteint sa limite en raison de la faible capacité spécifique théorique. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement électrochimique de trois nouvelles anodes à haute capacité (SnSb microsturé, Ti3SiC2 anodisé et nanotubes de Si poreux) comme alternatives au graphite, d'identifier les principaux paramètres responsables de la perte de capacité et de proposer une solution commune pour améliorer leurs performances électrochimiques. Ces matériaux d'électrode présentent une bonne performance électrochimique qui les rend prometteurs pour remplacer le carbone en tant qu'électrode négative pour batteries au Li-ion. Cependant, ils présentent une perte de capacité initiale importante qui doit être résolue avant la commercialisation. Les limitations observées sont attribuées à de nombreux facteurs, et en particulier à la formation et la croissance d’une SEI à la surface des matériaux. En raison de la forte perte de la capacité et du manque d’études détaillées sur les matériaux à base d’étain, en particulier le SnSb, nous avons concentré la suite du travail à la formation et la croissance de la SEI sur cette électrode négative. L'évolution des propriétés électriques, de la composition chimique et de la morphologie du SnSb microstructuré a été étudiée en détail pour comprendre son comportement électrochimique. Pour limiter l’effet de la SEI, nous avons proposé d’appliquer un film protecteur à la surface de l'électrode. / Currently, commercial lithium ion batteries (LIBs) use carbon based materials as negative electrode; however the technology is reaching its limit because of the low theoretical specific capacity. The objective of this thesis is to study the electrochemical behaviour of three different new high capacity anodes (SnSb alloy, anodized Ti3SiC2, and Si nanotubes) as alternative to graphite, identify the main parameters responsible for the capacity fading, and propose a versatile solution to improve their electrochemical performance. These electrode materials exhibit good electrochemical performance which makes them promising candidates to replace carbon as a negative electrode for LIBs. However, their limitation due to capacity fading and the large initial irreversible capacity loss must be resolved before commercialization. The observed limitations are attributed to many factors, and particularly, to the formation and growth of SEI layer which is the common factor for all the three electrode materials. Because of the strong capacity fade and lack of many detailed studies on the Sn-based materials, specifically SnSb, we focus our study to investigate the formation and growth of SEI layer on SnSb electrode. The evolution of the electrical, compositional, and morphological properties have been investigated in detail to understand the electrochemical behavior of micron-sized SnSb. To limit the capacity fade, we propose the use of a protective film on the electrode surface. The electrochemical performance of micron-sized SnSb electrode coated with thermoplastic elastomer protective film, namely poly(styrene-b-2-hydroxyethyl acrylate) PS-b-PHEA has been achieved.

Alternative Antriebs- und Kraftstofftechnologien sind zentral für die Ausgestaltung einer nachhaltigen und CO2- reduzierten Mobilität der Zukunft. Die AG 2 hat dazu die folgenden technologischen Optionen unter realen Rahmenbedingungen betrachtet: technologische Elektromobilitätskonzepte, Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie alternative Kraftstoffe für den Verbrennungsmotor (für alle Verkehrsträger). All diese technologischen Optionen müssen genutzt werden, um die CO2-Reduktionsvorgaben zu erfüllen – Technologieoffenheit ist ein zentraler Ausgangspunkt der AG 2 im Kontext eines kosteneffizienten und möglichst effektiven Einsatzes der vorhandenen Optionen. Den Schwerpunkt bildet die Betrachtung von Pkw und Nutzfahrzeugen, da sie den größten Anteil an den CO2-Emissionen aufweisen und diesbezüglich das größte CO2-Minderungspotenzial vorhanden ist. Andere Verkehrsträger und -mittel wurden separat ohne größere Detailtiefe betrachtet. Batteriebasierte Elektromobilität ist die zum heutigen Stand technologisch am weitesten ausgereifte Lösung, um CO2 im Verkehrssektor zu senken (Tank-to-Wheel-Betrachtung). Die AG 2 geht aktuell von 7 bis 10,5 Mio. Elektrofahrzeugen (Pkw und leichte Nutzfahrzeuge) im Bestand im Jahr 2030 aus. Das ist zwar eine sehr ambitionierte, aber noch realisierbare Größenordnung. Pro Elektrofahrzeug werden circa 1,1 nicht öffentliche Ladepunkte errichtet, wobei dieses Verhältnis bei steigender Anzahl an Fahrzeugen sinken wird. Im Bereich der öffentlich zugänglichen Ladeinfrastruktur werden DC-Schnelllader verstärkt notwendig und nicht nur an Autobahnen aufgebaut werden. Hinsichtlich der Batteriezellentechnologie wird der Batteriesystempreis durch Verbesserungen auf Zell-Level in den kommenden Jahren voraussichtlich auf unter 90 € / kWh fallen. Bis 2030 scheint ein kWh-Preis von 75 € erreichbar. Das Elektrofahrzeug wird definitionsgemäß in der Betriebsphase in der Tank-to-Wheel-Betrachtung als CO2-frei bewertet. Es liefert somit einen unverzichtbaren Beitrag, um die CO2-Emissionen des Verkehrssektors zu senken. Die energieintensive Produktion der Batteriezellen hat in der Lebenszyklusanalyse großen Einfluss auf die bereits eingebrachte CO2-Menge und hängt stark vom Anteil erneuerbarer Energie bei der Produktion ab. Als ein weiteres technologisches Elektromobilitätskonzept gelten Strom-Oberleitungen für schwere Nutzfahrzeuge. Aus ambitionierter Sicht ergeben sich im Jahr 2030 66.000 Oberleitungs-Lkw und ein Oberleitungsnetz von 4.000 km. Wasserstoff wird heute überwiegend mittels Dampfreformierung von Erdgas – auch „grauer“ oder „Industriewasserstoff“ genannt – und der Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, „blauen“ Wasserstoff herzustellen. Dabei werden C-Bestandteile abgespalten und zu Synthesezwecken verwendet respektive in entsprechenden Lagerstätten gespeichert. Ziel muss es aber sein, erneuerbaren Strom zur Elektrolyse zu nutzen, um emissionsfrei „grünen“ Wasserstoff bereitstellen zu können und zusätzlich Strom in eine speicherbare Energieform zu überführen und auf diese Weise Angebot und Nachfrage zeitlich entkoppeln zu können. Weitere Details zu den Marktpotenzialen und Wettbewerbsbedingungen liefert die PtX-Roadmap der AG 5. Der Transport von großen Mengen Wasserstoff auf langen Distanzen kann durch Pipelines erfolgen – auch durch umgerüstete Erdgaspipelines. Für die Nahverteilung eignen sich je nach örtlichen Gegebenheiten auch Pipelines oder der Transport per Lkw (als Druckgas oder flüssig). Die Brennstoffzellenkosten auf Zell- und Systemebene nehmen bei zunehmender Produktion signifikant ab. [ aus Executive Summary]:Executive Summary 1 Einleitung 2 Bewertung der Rahmenbedingungen – übergreifende Themen 2.1 Politische Vorgaben und Klimaschutz 2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen 2.3 Förderprogramme von EU, Bund und Ländern 2.4 Energieträgerkosten 2.5 Steuern, Preisgestaltung und CO2-Bepreisung der Energieträger 3 Rahmenbedingungen für Elektromobilitätskonzepte 3.1 Aufbau der Ladeinfrastruktur 3.2 Preisentwicklung Batterie 3.3 Oberleitungs-Lkw 3.4 CO2-Minderungspotenzial 3.5 Forderung, rechtliche Rahmenbedingungen 4 Rahmenbedingungen für Brennstoffzellenfahrzeuge 4.1 H2-Wirtschaft und -Infrastruktur: Förderbedarf, Preisentwicklung 4.2 Technologiereife, Forschungsbedarf bei Brennstoffzellen 4.3 CO2-Minderungspotenzial 4.4 Forderung, rechtliche Rahmenbedingungen 4.5 Abschätzung des Investitionsbedarfs 5 Rahmenbedingungen für Verbrennungsmotoren mit alternativen Kraftstoffen 5.1 Alternative Kraftstoffe aus fossilen Quellen: CNG/LNG und GtL 5.2 Bedeutung einer Wasserstoffwirtschaft für synthetische Kraftstoffe 5.3 Herstellung und Verfügbarkeit alternativer Kraftstoffe 5.4 Markthochlauf alternativer Kraftstoffe 5.5 Einsatz in der Bestandsflotte 5.6 Kosten biomasse- und strombasierter Kraftstoffe 5.7 CO2-Minderungspotenzial 5.8 Förderung, rechtliche Rahmenbedingungen 5.9 Abschätzung des Investitionsbedarfs 6 Bewertung der Rahmenbedingungen – Luftverkehr, Schifffahrt, Schienenverkehr 6.1 Luftverkehr 6.2 Schienenverkehr 6.3 Schifffahrt 7 Zukünftiger Antriebstechnologiemix 7.1 Zusammenfassende Bewertung der einzelnen Antriebstechnologien 7.2 Zusammenspiel der Antriebstechnologien untereinander und mit anderen Sektoren 7.3 Antriebsmix 2030 8 Zusammenfassung 9 Ausblick Anhang Abbildungs- Und Tabellenverzeichnis

Heat generation plays an important role for energy storage systems like batteries in electric and hybrid vehicles. In order to investigate the thermal and electrical behaviour the nickel metal hydride batteries were exposed to cycling programs including various methods of battery cooling by flowing air. The second part of the paper describes the simulation of the temperature distribution by using finite element methods (FEM). The electric-thermal battery model was compared with results obtained from temperature measurements at four selected points during battery cycling. The results serve environmentalcareful battery employment for the general, system-oriented viewpoint of the battery condition and form the basis for energy and enviroment save used. / Die Wärmeerzeugung spielt bei dem Einsatz von Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen eine wichtige Rolle. In der Arbeit wird das thermische und elektrische Verhalten der Batterien bei der Belastung mit schnell aufeinander folgenden Höchststromladeimpulsen und -entladeimpulsen untersucht. Die Kühlung der Batterie erfolgte mit verschiedenen Methoden der Luftkühlung. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Simulation der Temperaturverteilung mittels Finiter Element Methoden (FEM) beschrieben. Die mit einem elektrisch-thermischen Batteriemodell simulierten Temperaturen werden mit den an verschiedenen Punkten experimentell gemessenen Zelltemperaturen verglichen. Die Ergebnisse dienen zur ganzheitlichen, systemorientierten Betrachtungsweise des Batteriezustandes und bilden die Grundlage für einen energie- und umweltschonenden Batterieeinsatz.

Le travail de thèse, présenté dans ce mémoire, est consacré à l'étude de nouveaux matériaux d'électrode négative pour batteries Li-ion et plus particulièrement aux phosphures d'éléments de transition (PET). En général, ces matériaux présentent des capacités massiques et volumiques de l'ordre de 600-1200mAh/g, très supérieures à celles des composés carbonés utilisés dans les dispositifs actuellement commercialisés. Les phases des deux systèmes binaires Fe-P et Ni-P ont été étudiées dans ce travail en tant qu'électrodes négatives pour les batteries Li-ion. Les phosphures de fer et de nickel présentent des performances et mécanismes électrochimiques vis-à-vis du lithium intéressants. Diverses méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir des matériaux de morphologie, de structure et de stoechiométrie variées. Plusieurs techniques de caractérisation ont été employées pour analyser les mécanismes électrochimiques : diffraction des rayons X, spectroscopie XANES, spectroscopie Mössbauer de 57Fe, RMN 31P et mesures magnétiques. L'étude approfondie de la réactivité de ces phases vis-à-vis du lithium nous a permis d'expliquer leurs fortes capacités massiques par un mécanisme redox impliquant le phosphore. Une étude du rôle de la mise en forme de l'électrode sur les performances a été également menée.

Dans la recherche de nouveaux matériaux pour électrode positive de batterie au lithium, les composés à base de fer permettent un faible coût et une moindre toxicité. Dans cette optique, beta-FeOOH, gamma-FeOOH et LiFePO4 ont été étudiés.<br />Pour les oxyhydroxydes, très peu conducteurs, l'ajout direct de noir d'acétylène ou de nanotubes de carbone (pour améliorer la conductivité électronique) a été développé, cet ajout conduit à une répartition non uniforme du carbone et un isolement des grains, défavorable à l'insertion des ions Li+. Une substitution partielle du fer par le cobalt a été réalisée (amélioration de la conduction ionique). Une stabilisation de la quantité de lithium échangeable est obtenue avec un optimum de 3,6% atomique.<br />Pour LiFePO4, plusieurs modes de synthèse (voie hydrothermale, mécanochimie ou co-précipitation) ont été utilisés pour obtenir différentes tailles de particules. La conductivité électronique est améliorée par la génération d'une couche de carbone autour des grains par dégradation thermique d'un carbohydrate. Il apparaît que plus les particules sont fines, meilleur est l'insertion de lithium. D'autre part, la présence de quelques défauts cristallins (mis en évidence par magnétisme) est favorable. L'effet de l'enrobage a également été étudié avec différentes sources de carbone (amidon, cellulose, nanotubes de carbone, polyacrilonitrile). Un bon compromis est obtenu avec la cellulose: un caractère fortement sp2 (carbone conducteur), couvrant (bonne percolation des électrons) et homogène (surface non accidentée).

Depuis son apparition dans les années 70, les cartes à puce ont envahi le marché mondial, leur utilisation n'a cessé d'augmenter et de se diversifier. Sans forcément nous en rendre compte, chacun de nous en a plusieurs dans son portefeuille, son sac, son attaché-case… Toutes ces cartes ont pour point commun le fait de contenir des informations sur son titulaire qui servent à son identification dans les différentes actions qu'il souhaite effectuer. Ces informations sont présentes sur la piste magnétique et/ou la puce embarquée dans la carte. Avec les progrès technologiques actuels et plus précisément la miniaturisation des composants électroniques, nous sommes de plus en plus amenés à voir des composants complexes embarqués dans des cartes à puce pour satisfaire des besoins en ressources plus grands pour des applications de plus en plus sophistiquées. L'utilisation croissante du nombre des systèmes embarqués sur une carte à puce amène à prendre en compte différentes contraintes lors de la conception. Tout d'abord, il y a celles liées aux systèmes embarqués standards, telles que la surface, la consommation et la rapidité d'exécution. Ensuite viennent celles liées à la carte à puce en elle-même, des spécificités liées à l'épaisseur et aux contraintes mécaniques. On retrouve également des contraintes de consommation et de surface. L'apparition du sans-contact a révolutionné le domaine de la carte à puce. Plus besoin d'introduire la carte dans un lecteur pour lire les informations. Les données ne transitent plus par la puce mais via l'air grâce à une antenne intégrée. Il suffit de se trouver à proximité du lecteur sans forcément sortir la carte de poche ou du sac. Elles sont connues sous le nom de cartes RFID pour Radio Frequency Identification ou identifiction par radio fréquence. D'autres contraintes de conception sont alors apparues : choix de la fréquence à laquelle va se faire la communication et l'échange des données, la géométrie de l'antenne, le choix du tag… Tous les composants ont besoin d'une source d'alimentation. Les circuits RFID basiques dits passifs puisent leur énergie dans le champ magnétique produit à proximité du lecteur mais la complexité de certains circuits nécessite la présence d'une source d'alimentation intégrée dans la carte, dans ce cas les circuits sont désignés par actifs. En général, ce sont des batteries fines et flexibles qui sont utilisées. Là aussi, la technologie a fait d'immenses progrès et des batteries plus fines et avec de plus grandes capacités voient le jour. Ce sont ces batteries qui viennent alimenter les composants de la carte. Tous ces éléments constituent un véritable circuit électronique.Cette thèse industrielle a pour but dans un premier temps de concevoir un circuit électronique embarqué dans une carte au format bancaire en répondant à un cahier des charges bien défini tout en prenant en compte les différentes contraintes imposées par ce format. Ce circuit se devra d'être flexible, autonome et consommant le moins d'énergie possible. Dans un deuxième temps, une fois le produit réalisé et validé le but est de l'optimiser en proposant des solutions afin de faire gagner du temps en amont de la conception par exemple ou en proposant des modèles simples mais qui prennent en compte toutes les contraintes liées à ce type d'applications. / Since its emergence in the 70s , smart cards have invaded the world market , their use has been steadily increasing and diversifying . Without necessarily realizing it , each of us has more than one in his wallet, bag, his briefcase ...All these cards have in common the fact of containing information about the holder, which can be used for identification in the different activities they want to perform . These information is present on the magnetic stripe and / or on the chip embedded in the card. With current technology and more specifically the miniaturization of electronic components , we are seeing complex components embedded in smart cards to meet greater needs for resources for applications increasingly sophisticated .The increasing use of on-board on a smart card systems leads to take into account various constraints in the design . Firstly, there are those related to embedded systems standards , such as the area, consumption and speed of execution. Followed by those related to the smart card itself , specificities related to the thickness and mechanical stress . There are also the constraints of consumption and surface.The appearance of non-contact has revolutionized the field of smart card. No more Need to insert the card into a reader to get the information . The data are not routed by the chip but via air through an integrated antenna. You have to be near the reader without necessarily take the card out of a pocket. They are known as RFID cards for Radio Frequency Identification.Other design constraints then appeared : the choice of the frequency communication for data exchange, the geometry of the antenna , the choice of the tag ...All components require a power source . The basic circuits called passive RFID draw their energy from the magnetic field near the reader but the complexity of certain circuits requires the presence of an integrated power supply into the card, in this case the circuits are called active tags. In general , thin and flexible batteries are used. Again , technology has made tremendous progress and finer batteries with larger capacities emerged. All these elements constitute a real electronic circuit.This industrial thesis aims firstly to design an electronic circuit embedded in a bank card format meets the specifications defined taking into account the various constraints imposed by this format.This circuit must be flexible , autonomous and consuming the least possible energy.In a second step , once the product is produced and validated the goal is to optimize it proposing solutions to save time upstream design example or offering simple models, but taking into account all the constraints associated with this type of applications.

Ce mémoire est consacré à l'étude de nouveaux matériaux composites de type Si/Sn-Ni/Al/C pour former des électrodes négatives de batteries lithium ion. La microstructure de ces matériaux se présente sous la forme de nanoparticules de Si enrobées dans une matrice conductrice constituée de carbone et d'un composé intermétallique Ni3,4Sn4. La nanostructure et la composition du matériau composite lui confèrent de très bonnes performances en termes de capacité réversible, de stabilité électrochimique, et de cinétique de réaction. La mécanosynthèse a été choisie comme méthode d'élaboration. Les propriétés structurales et chimiques du composite ont été déterminées par analyses DRX, par microscopies électroniques MET et MEB, par analyses EDX et EFTEM et par spectroscopie Mössbauer de 119Sn. La caractérisation électrochimique a été réalisée par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. La réactivité de ces matériaux envers le lithium a été étudiée par analyses DRX et spectroscopie Mössbauer de 119Sn in-situ. Ce mémoire détaille les résultats structuraux et électrochimiques obtenus pour différents matériaux composites basés sur Ni3,4Sn4 en ajoutant les éléments C, Al et Si. Une étude des mécanismes réactionnels lors du broyage mécanique ainsi que pendant le cyclage électrochimique a été effectuée et le rôle des différents éléments a été mis en évidence. Enfin, une discussion sur l'influence de la microstructure sur les performances électrochimiques des matériaux composites est donnée. Les meilleures performances électrochimiques sont obtenues pour le composite de composition nominale Ni0,14Sn0,17Si0,32Al0,04C0,35. Il présente une capacité réversible de 920 mAh/g avec une très bonne stabilité sur 280 cycles. Le matériau possède une excellente cinétique de délithiation : 90% de la capacité peut être délivrée en moins de 5 minutes. La capacité irréversible (20%) reste toutefois élevée et doit être encore améliorée en stabilisant l'interface solide/électrolyte (SEI) / This study is devoted to a new Si/Sn-Ni/Al/C composite material usable as negative electrode for lithium-ion batteries. The composite microstructure is made from Si nanoparticles embedded in a matrix, consisting of conductive carbon and Ni3.4Sn4 intermetallic compound. The nanostructure and composition of the composite material give excellent properties regarding reversible capacity, electrochemical stability, and reaction kinetics. Mechanical alloying has been chosen as synthesis method. The material structural and chemical properties have been determined by XRD analysis, by electron microscopy TEM and SEM, by EDX and EFTEM analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. The electrochemical characterization was carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry. Lithium reactivity of these materials was studied by in-situ XRD analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. This manuscript details the structural and electrochemical results obtained from various composite materials based on Ni3.4Sn4 by adding C, Al and Si elements. Reaction mechanisms during mechanical alloying and during electrochemical cycling have been investigated and the role of the different elements has been demonstrated. Finally, a discussion of the microstructure influence on the electrochemical performance of the composite materials is given. The best electrochemical properties are obtained for the composite material with nominal composition Ni0.14Sn0.17Si0.32Al0.04C0.35, which has a reversible capacity of 920 mAh/g with a very good stability of 280 cycles. Excellent kinetics during délithiation are obtained : 90% of capacity can be delivered in less than 5 minutes. However, the irreversible capacity (20 %) remains high and should be improved by stabilizing the solid/electrolyte interface (SEI)

L’objectif de cette thèse est l’évaluation du vieillissement calendaire des supercondensateurs. Le début est consacré à l’examen des principes et des technologies des générations récentes de supercondensateurs. Ensuite, une modélisation comportementale de ces composants est proposée sur la base des principes physico-chimiques mais surtout à partir de méthodes de caractérisation électriques originales menées sur une plate-forme dédiée. La majeure partie des résultats concerne la quantification du vieillissement calendaire de différents types d’échantillons en focalisant sur l’impact de la tension et de la température. Enfin, ces résultats, pris en compte dans les modèles, sont mis en regard de ceux obtenus lors du vieillissement en cyclage actif et les contributions individuelles identifiées. / Abstract

Les systèmes de stockage de l'énergie électrique de forte capacité sont configurés en systèmes matriciels de cellules élémentaires. Les caractéristiques électriques de ces cellules n'évoluent pas toutes de manière identique, diminuant la disponibilité, à court terme par décharge rapide, à long terme en réduisant la durée de vie. Pour améliorer ces performances, des cellules redondantes et des circuits d'équilibrage sont insérés pour assurer une reconfiguration adéquate. Il devrait être possible d'accroître la disponibilité en reconfigurant les connexions internes. Nous comparons deux solutions classiques : série-parallèle (SP) et parallèle-série (PS) avec une nouvelle permettant de redistribuer le courant dans une batterie : le C-3C. Les performances sont évaluées en terme de fiabilité et de disponibilité. Nous proposons également un algorithme de pilotage adapté. La fiabilité est améliorable par redondance. Les cellules supplémentaires seront utilisées pour remplacer des cellules affaiblies. Le système peut également être conçu pour tolérer la défection d'une partie des cellules. Nous démontrons par des diagrammes de fiabilité et des chaînes de Markov que les architectures C-3C et PS présentent le même niveau de fiabilité, supérieur à celui d'une architecture SP. La durabilité des structures peut être améliorée en pilotant la mise en service des ressources disponibles selon différentes stratégies déclinées dans un algorithme de choix fondé sur les États de charge ou les États de Santé. Nous avons modélisé une cellule sous Matlab, en simulant les paramètres de vieillissement et leur évolution dynamique. Ainsi quelle que soit l'architecture, pour peu qu'elle comprenne une part minimale de redondance, une adéquate gestion différentiée des cellules permet une amélioration de la disponibilité de 40%. Par souci de reproductibilité, nous avons également modélisé ces structures par un réseau de Petri coloré, de manière à esquisser l'instrumentation et le dimensionnement de la commande. / High-capacity electrical energy storage system (EESS) are often matrix-organized system with a large number of elementary storage cells. Due to manufactoring tolerances and their individual use, the electrical characteristics of these cells do not evolve in the same way. These imbalances reduce operative dependability, in the short term by contributing to a decrease of the charge-discharge capacity, in the long-term by shortening lifetime. To improve storage performance, redundant cells can be added. It is also possible, in order to increase efficiency of stored energy restitution, to balance electrical characteristics by using energy exchange forced by an adequate configuration. It should therefore be possible to increase long-term operative dependability by reconfiguring internal connections in dynamic mode. Parallel-series (PS) architecture EESS consists of the series association of blocks, made up of several cells connected in parallel. Series-Parallel dual solution (SP) associates strings of cells in parallel. If other architectures are being studied, often requiring several switches per cell to reconfigure the matrix, we propose in this thesis a new architecture, called C3C, satisfying an acceptable level of reliability and distributing current flows. We then compare the classic solutions and the C3C in terms of reliability and the long-term operative dependability and propose a reflection on the possibilities to discrete control aspects to pilot architecture with a suitable control algorithm. The reliability of any structure can be improved by redundancy, with additional cells that will be used either to replace failing cells or temporarily supplemeting the weak ones. The system may also be designed to tolerate the defect of a portion of the cells. We demonstrate by modeling reliability diagrams and Markov chains that the C3C and PS architectures have a much eigher level of reliability than a SP architecture. The sustainability of these structures can also be improved by piloting activating and rest of the available resources according to different strategies in a choice algorithm based on SoC (State of Charge) or SoH (State of Health) of each cell. To do this, we model a cell on Matlab, precisely simulating the aging parameters and their dynamic evolution. It emerges that, whatever the architecture, if it includes a minimal share of redundant cells, an adequate differentiated management of the cells allows an improvement of the long-term operative dependability of nearly 40% on average. In order to study the reconfigurability control of architectures, we propose a model based on Discrete Event Systems through a colored Petri net. Simulation of this model has reinforced the behaviors already identified.

Le but de la thèse est de développer d’une part, une méthode permettant de quantifier la chaleur générée par la cellule de manière précise. D’autre part, il s’agit d’évaluer la performance thermique d’un panel de solutions de refroidissement pour les batteries destinées à des applications HEV/PHEV/EV. La première partie de ce rapport présente une méthode d’estimation de la chaleur globale de la cellule, permettant de prendre en compte la chaleur ohmique et la chaleur entropique. Ce modèle d’estimation de perte est couplé à un modèle thermique 2D afin d’estimer la température de la cellule. La température obtenue par simulation pour une cellule LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/graphite 22 Ah correspond très bien aux mesures expérimentales. Dans la deuxième partie du rapport, la performance thermique de plusieurs solutions de refroidissement (refroidissement à air, refroidissement par matériau à changement de phase (MCP) et refroidissement par caloduc) pour la batterie a été évaluée expérimentalement sous plusieurs puissances de perte et plusieurs conditions de ventilation. Le refroidissement par caloduc s’est révélé d’être une solution efficace, même sous des conditions de ventilation critiques. Quant à la solution de refroidissement par MCP, le prototype qui a été expérimenté a une faible performance thermique. Cela est principalement dû à la faible conductivité thermique de la formulation MCP utilisée. Toutefois, l’utilisation d’autres formulations alternatives de MCP est envisageable. Les résultats de simulation montrent que ces formulations permettraient une amélioration significative de la performance thermique du système de refroidissement par MCP. / Lithium-ion batteries, characterized by their high energy and power density, are highly recommended as power sources for electrified vehicles (HEV/PHEV/EV). However, lithium-ion batteries are very sensitive to their environment and are prone to thermal runaway at high temperature. The goals of this thesis are to develop an accurate lithium-ion cell heat loss calculation method and to investigate the thermal performance of several cooling solutions for HEV/PHEV/EV batteries. The first part presents a global heat calculation procedure for lithium-ion cell which takes into account both the polarization heat and the entropic heat. This heat generation model was coupled with a cell two-dimensional thermal model in order to predict the cell’s temperature. Temperature estimations obtained by simulation for a 22 Ah LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/graphite cell showed a very good agreement with experimental results. In the second part, thermal performances of several cooling solutions for HEV/PHEV/EV batteries (air, phase change material (PCM) and heat pipe) were evaluated experimentally under several heat rates and cooling conditions. Heat pipe cooling was found to be a promising cooling solution which works efficiently even under low rate ventilation cooling condition. The experimented PCM cooling system had very poor thermal performance, mainly due to the low thermal conductivity of the used PCM formulation. However, simulations showed that significant improvement could be achieved by using another alternative PCM formulation.