L'étude du vieillissement des batteries est nécessaire car la dégradation de leurs caractéristiques détermine en grande partie le coût, les performances et l'impact environnemental des véhicules électrifiés, notamment des véhicules 100 % électriques. La méthodologie choisie pour cette thèse consiste en deux étapes bien différenciées, à savoir la caractérisation et la modélisation. Pour la première étape, on s'appuie sur des essais de vieillissement accéléré d'éléments de batterie. Malgré leur caractère accéléré, les campagnes d'essais de vieillissement sont très coûteuses en moyens humains comme matériels : une connaissance à priori des facteurs de vieillissement est nécessaire, soit par le moyen d'études bibliographiques, soit par la réalisation de précampagnes d'essais. Ces études préalables conduisent à la conception d'un plan d'expériences composé d'un certain nombre d'essais dont les résultats permettront de révéler comment les conditions d'utilisation influencent la dégradation des batteries. Dans la seconde étape, grâce à la connaissance apportée par l'étape de caractérisation, on procède à la modélisation du vieillissement. Celle-ci permet de mettre en évidence des lois de vieillissement qui sont généralisées pour prédire l'évolution des performances d'une batterie soumise à des conditions d'utilisation variables dans le temps. Le modèle de vieillissement qui en résulte peut être utilisé pour concevoir et utiliser d'une manière optimale les batteries des véhicules pour minimiser à la fois la consommation d'énergie et de ressources naturelles. En sachant que la dégradation d'une batterie se produit différemment selon si elle est au repos ou si elle est parcourue par un courant, une difficulté majeure est celle de déterminer comment se combinent les effets du vieillissement calendaire et de cyclage pour un véhicule électrique. Dans les applications "véhicules électriques", les batteries passent une part importante de leur temps au repos et les niveaux de courant pendant leur utilisation sont relativement faibles. Les résultats des essais de vieillissement accéléré réalisés dans cette thèse confirment le caractère non-linéaire de la combinaison des vieillissements calendaire et en cyclage lorsque les batteries suivent des profils d'utilisation similaires à l'application considérée. Le modèle de vieillissement qui est proposé dans le dernier chapitre se veut simple mais efficace. Ainsi il repose sur un faible nombre d'équations (2) et de paramètres (6) et il permet de simuler l'évolution de la capacité d'une cellule soumise à un vieillissement qui combine des périodes de cyclage et de repos. Les exemples d'application de ce modèle démontrent son utilité pour l'établissement de stratégies d'utilisation de batteries dans le but de prolonger leur durée de vie / Studying the ageing of batteries is necessary because the degradation of their features largely determines the cost, the performances and the environmental impact of electric vehicles, particularly of full electric vehicles. The chosen method in this thesis is divided in two distinct phases, namely characterisation and modelling. The first phase is based on accelerated ageing testing of battery cells. Despite being accelerated, ageing test campaigns are expensive in terms of workforce and equipments: an a priori knowledge of ageing factors is necessary, either by the means of bibliographic studies or by performing preliminary test campaigns. These initial studies lead to an experimental design setup including a certain number of ageing tests. The obtained results may reveal the influence of use conditions on the degradation of batteries. In the second phase, the battery ageing is modelled applying the knowledge acquired in the first phase. Here, the ageing laws are generalised to predict the performance degradation of a battery subjected to variable use conditions. The resulting ageing model can be used to optimally design and use the battery in a vehicle by minimising both energy and natural resources consumption. Given that battery degradation occurs in a different way if the battery is in rest condition or if a current flows through, a major challenge is to determine how calendar and cycling ageing effects combine together. In electric vehicle applications, batteries are not used (in rest condition) most of the time and current levels are relatively low when they are used. The results from accelerated ageing tests which have been carried out during this thesis confirm the non-linearity of the combination of calendar and cycling ageing when usage profiles are applied to the batteries. The usage profiles are similar to the considered application: the electric vehicle. In the last chapter of this manuscript a simple but effective ageing model is proposed. It lies in a low number of equations (2) and parameters (6) and enables to simulate the capacity fade of a battery cell subjected to ageing conditions combining cycling and rest periods. The application examples prove the usefulness of this model for the development of battery use strategies for the purpose of extending their lifespan

Dans le but de l’intégration des supercondensateurs dans des applicationstransport, la connaissance et l’étude de leur comportement au cours du vieillissementest nécessaire. L’objectif de cette thèse est donc la compréhension et lamodélisation des phénomènes de vieillissement observés sur lessupercondensateurs. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques etdes protocoles expérimentaux originaux combinant les différentes contraintes devieillissement ont été mis en oeuvre. Des mesures du courant de fuite et des tests devieillissement combinés ont été effectués. Les résultats obtenus sont présentés. Ilsont ainsi servis au développement et l’implémentation de modèles permettant le suivide l’évolution des performances des supercondensateurs avec le vieillissement. / The study of the behavior of supercapacitors during ageing is required in orderto integrate them in transportation applications. The aim of this thesis is tounderstand and model ageing phenomena observed on supercapacitors. For thispurpose, electrical characterization methodologies and original experimentalprotocols combining various constraints of ageing have been implemented.Measurements of leakage current and combined ageing tests were conducted. Theobtained results were used for developing models allowing the monitoring of theevolution of supercapacitors performance during ageing.

Målet med projektet var att undersöka samt implementera en fysikbaserad DFN modell för att simulera kalender samt cyklingåldrande av litiumbatterier som används i elbilar. Den fysikbaserade modellen var konstruerad baserad på ett Python biblioteket vid namn PyBaMM, vilket till skillnad från datadrivna modeller ger essentiell information om de kemiska processerna inuti batteriet. Den första delen av projektet täcker konceptet av kalenderåldring, vilket inkluderar en jämförelse mellan tre olika tre olika hastighetsbegränsande SEI modeller. Parametrar som påverkar det erhållna resultatet från modellen är identifierade, estimerade, och till slut validerade för att säkerhetsställa att modellen och parametrarna är identifierbara gentemot experimentella data. Resultatet av jämförelsen gav att SEI tillväxt begränsad av litium interstitiell diffusion är den mest optimala modellen att applicera när kalenderåldring för litiumbatterier ska modelleras. Resultaten visade också att endast en parameter, inre SEI litium interstitiell diffusivitet ska justeras för att erhålla optimal anpassning mot experimentella data. Andra delen av projektet använde resultatet från den första delen och litium plätering implementerades som en andraåldringsmekanism som undersöktes under tre olika laddningsprotokoll. Modellen var optimerad och anpassad gentemot experimentella data, där parametervärdet för kinetisk hasighetskonstanten för plätering var estimerad. Den optimerade modellen användes därefter för att erhålla mer information om elektrokemiska variabler för att kunna analysera samt beskrivaåldringsprocessen utan att behöva genomföra praktiska laborationer. Resultaten visade att mängden pläterat litium på den negativa elektroden ökade för celler som var exponerade till högre ström under laddningsprocessen, samt när cellerna var laddade vid höga SoC nivåer. Sammanfattningsvis, visade modellen hög potential att representera och evaluera experimentella data, samt tillhandahålla en inblick i elektrokemiska processer och kapacitetsförluster länkade till SEI tillväxt och litium plätering. Däremot, för att erhålla en högre grad noggrannhet av elektrokemiskaåldringsmekanismer i litiumbatterier, fler ytterligare mekanismer måste implementeras såsom mekanisk stress av både negativ och positiv elektrod. / The aim of this study was to investigate and apply a physics-based DFN model to simulate the calendar and cycling ageing of lithium-ion batteries manufactured for EV applications. The physics-based cell ageing model was constructed based on the open-source software Python library PyBaMM, which in comparison to data-driven models provides more essential information about the chemical process within the battery cell. The first part of the project covers the concept of calendar ageing which includes comparisons between three different rate-limiting SEI growth models. Parameters that affect the output from the physics-based model are isolated, estimated with numerical methods, and lastly validated to ensure that the model and the parameters rep- resent the physics behind the experimental data. It was found that the SEI growth limited by lithium interstitial diffusion is the most optimal model to apply for a physics-based model when modeling calendar ageing. It was also found that the only parameter that should be tuned against experimental data is the inner SEI lithium interstitial diffusivity. The second part of the project utilizes the results from the first part and introduces lithium plating as a second cell ageing mechanism under three different charging protocols. The model was optimized and fitted against experimental data by sweeping the lithium plating kinetic rate constant parameter. The optimized model was thereafter used to generate outputs that more thoroughly can explain the degradation effects of the cell without constructing real-world experiments. Where increased rate of plated lithium could be observed for the cell subjected to higher charging C-rate, and when the cells were charged at high SoC levels. To summarize, the model showed great potential in representing and evaluating the experimental data and providing the project with insight into the electrochemical processes and cell capacity losses of SEI growth and lithium plating. However, in order to achieve a higher accuracy of cell ageing model in relation to the lithium-ion cells used in customer vehicles, several additional cell degradation mechanisms have to be introduced, such as mechanical degradation of the two electrodes.

Målet med projektet var att undersöka samt implementera en fysikbaserad DFN modell för att simulera kalender samt cyklingåldrande av litiumbatterier som används i elbilar. Den fysikbaserade modellen var konstruerad baserad på ett Python biblioteket vid namn PyBaMM, vilket till skillnad från datadrivna modeller ger essentiell information om de kemiska processerna inuti batteriet. Den första delen av projektet täcker konceptet av kalenderåldring, vilket inkluderar en jämförelse mellan tre olika tre olika hastighetsbegränsande SEI modeller. Parametrar som påverkar det erhållna resultatet från modellen är identifierade, estimerade, och till slut validerade för att säkerhetsställa att modellen och parametrarna är identifierbara gentemot experimentella data. Resultatet av jämförelsen gav att SEI tillväxt begränsad av litium interstitiell diffusion är den mest optimala modellen att applicera när kalenderåldring för litiumbatterier ska modelleras. Resultaten visade också att endast en parameter, inre SEI litium interstitiell diffusivitet ska justeras för att erhålla optimal anpassning mot experimentella data. Andra delen av projektet använde resultatet från den första delen och litium plätering implementerades som en andraåldringsmekanism som undersöktes under tre olika laddningsprotokoll. Modellen var optimerad och anpassad gentemot experimentella data, där parametervärdet för kinetisk hasighetskonstanten för plätering var estimerad. Den optimerade modellen användes därefter för att erhålla mer information om elektrokemiska variabler för att kunna analysera samt beskriva åldringsprocessen utan att behöva genomföra praktiska laborationer. Resultaten visade att mängden pläterat litium på den negativa elektroden ökade för celler som var exponerade till högre ström under laddningsprocessen, samt när cellerna var laddade vid höga SoC nivåer. Sammanfattningsvis, visade modellen hög potential att representera och evaluera experimentella data, samt tillhandahålla en inblick i elektrokemiska processer och kapacitetsförluster länkade till SEI tillväxt och litium plätering. Däremot, för att erhålla en högre grad noggrannhet av elektrokemiska åldringsmekanismer i litiumbatterier, fler ytterligare mekanismer måste implementeras såsom mekanisk stress av både negativ och positiv elektrod. / The aim of this study was to investigate and apply a physics-based DFN model to simulate the calendar and cycling ageing of lithium-ion batteries manufactured for EV applications. The physics-based cell ageing model was constructed based on the open-source software Python library PyBaMM, which in comparison to data-driven models provides more essential information about the chemical process within the battery cell. The first part of the project covers the concept of calendar ageing which includes comparisons between three different rate-limiting SEI growth models. Parameters that affect the output from the physics-based model are isolated, estimated with numerical methods, and lastly validated to ensure that the model and the parameters rep- resent the physics behind the experimental data. It was found that the SEI growth limited by lithium interstitial diffusion is the most optimal model to apply for a physics-based model when modeling calendar ageing. It was also found that the only parameter that should be tuned against experimental data is the inner SEI lithium interstitial diffusivity. The second part of the project utilizes the results from the first part and introduces lithium plating as a second cell ageing mechanism under three different charging protocols. The model was optimized and fitted against experimental data by sweeping the lithium plating kinetic rate constant parameter. The optimized model was thereafter used to generate outputs that more thoroughly can explain the degradation effects of the cell without constructing real-world experiments. Where increased rate of plated lithium could be observed for the cell subjected to higher charging C-rate, and when the cells were charged at high SoC levels. To summarize, the model showed great potential in representing and evaluating the experimental data and providing the project with insight into the electrochemical processes and cell capacity losses of SEI growth and lithium plating. However, in order to achieve a higher accuracy of cell ageing model in relation to the lithium-ion cells used in customer vehicles, several additional cell degradation mechanisms have to be introduced, such as mechanical degradation of the two electrodes.

Dans un contexte de progression du stockage d’énergie sous forme électrochimique dans les transports, notamment dans l’aéronautique, les problématiques de performance, de fiabilité, de sureté de fonctionnement et de durée de vie du stockeur sont essentielles pour utilisateurs. Cette thèse se focalise ces voltes pour l’avion plus électrique. Les technologies étudiées correspondent à des éléments commerciaux de dernière génération de type Lithium-ion (NMC/graphite+SiO, NCA/graphite, LFP/graphite, NMC/LTO), Lithium-Soufre (Li-S), supercondensateur et hybride (LiC). Une première partie de ce manuscrit s’attache à la quantification des performances des différents éléments dans l’environnement aéronautique [-20°C, 55°C] et pour l’usage aéronautique. Un modèle comportemental de type électro-thermique est développé et validé. La seconde partie est consacrée à la quantification du vieillissement des différents éléments. Les résultats de vieillissement calendaire et en cyclage actif sont présentés ainsi que ceux des tests abusifs. Une méthode d’estimation de l’état de santé (SOH) des éléments basés sur l’analyse de la capacité incrémentale (ICA) est proposée. Enfin, l’évaluation de la robustesse des éléments de stockage lors de tests de vieillissement accéléré avec un profil spécifique à l’usage aéronautique est proposé. Les modèles de vieillissement et la méthode d'estimation de SOH proposés précédemment sont utilisés ici pour évaluer l'impact de la température sur la vitesse de dégradation et pour estimer le SOH des cellules vieillies à l’aide de ce profil aéronautique. / In the context of progress in the electrochemical energy storage systems in the transport field, especially in the aeronautics, the issues of performance, reliability, safety and robustness of these elements are essential for users. This thesis is focused on these issues for the more electric aircraft. The technologies studied correspond to the latest generation commercial elements of Lithium-ion batteries (NMC/ graphite + SiO, NCA/graphite, LFP/graphite, NMC/LTO), Lithium-Sulfur (Li-S), Supercapacitor and Lithium-ion capacitors. The first part of this manuscript is dedicated to the performance quantification of the different electrochemical energy storage elements in aeronautical environment [-20°C, 55°C] and usage. An efficient and accurate electro-thermal model is developed and validated. The second part is devoted to the calendar and power cycling ageings as well as to the presentation of abuse testing results. A State Of Health (SOH) estimation based on incremental capacity analysis method is proposed. Finally, the robustness of the storage elements during accelerated ageing tests with a specific profile for the aeronautical usage is evaluated. The ageing models and SOH estimation methods proposed in the previous sections are used here to evaluate the impact of temperature on the degradation rate and to estimate the SOH of the cells with this aeronautical profile.

Cette thèse a pour objectif d’étudier l’influence de la recharge rapide sur le vieillissement des batteries lithium, et son impact sur les performances des véhicules électriques dans le cadre d’une utilisation postale. La première partie est consacrée à la modélisation de batteries lithium par un modèle à circuit électriques équivalent, dont les paramètres sont identifiables par des tests de caractérisation linéaires. La deuxième partie est dédiée à l’étude du vieillissement, et abouti sur un estimateur de vieillissement par l’exploitation des données des tests de vieillissement accélérés. Ensuite, l’utilisation postale est étudiée, et un profil de courant représentatif de la sollicitation réelle de la batterie est proposé. Ce dernier a permis de valider le modèle de la batterie dans le domaine de l’utilisation postale. Ensuite un modèle de véhicules électriques est présenté, il intègre le modèle de batterie, tout en le faisant vieillir en utilisant l’estimateur de vieillissement. Enfin, les différentes stratégies de recharges possibles sont énumérées et comparées. Pour conclure sur leurs influences sur le vieillissement des batteries, et donc les performances de véhicules. / This thesis aims to study the influence of fast charging on the aging of lithium batteries, and its impact on the performances of electric vehicles as part of a postal use. The first part is devoted to the modeling of lithium batteries with an equivalent electric circuit model, whose parameters could be identified using linear characterization tests. The second part is dedicated to the study of aging, and results in an aging estimator using data collected from accelerated aging tests programs. Then the postal usage is studied, and a power profile representative of the actual load on the battery is provided. The latter was used to validate the model of the battery in the field of postal use. Then the postal use is studied, and a current profile representative of the real behavior of the battery is provided. This profile was used to validate the model of the battery in the postal use domain. Then a model of electric vehicles is presented, it integrates the battery model, which can simulates the aging state of the battery using the ageing estimator. Finally, the various possible strategies of recharge are listed and compared, which leads to conclusions about their influences on aging of batteries, and the vehicles performance.