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Other titre : Parameter estimation and modeling of lithium and lithium-ion batteries

dc.contributor.advisorDésilets, Martin
dc.contributor.authorRajabloo, Barzinfr
dc.date.accessioned2019-09-12T20:13:36Z
dc.date.available2019-09-12T20:13:36Z
dc.date.created2017fr
dc.date.issued2019-09-12
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/15984
dc.description.abstractSpecific characteristics of Li-ion batteries (LIBs) make them promising candidates for energy storage systems when compared with the others. High working voltage and energy density as well as green technology of LIBs are the reasons for increasing interest to use these electrochemical systems as the substitute of conventional combustion engine of automobiles. Consequently, the interest to study these technologies has increased recently and several models have been introduced to simulate their behavior. However, it is difficult to model all multiphysics phenomena happening inside such rechargeable batteries. Some important choices need to be made when one wants to select an appropriate model for considering the main physics elements and yet be simple enough for large time scale studies. Combining chemical/electrochemical kinetics and transport phenomena, electrochemical models have been introduced to tackle most important principles inside the cell. These models, however, require known electrochemical parameters which most of the time are hard to get experimentally. Parameter estimation (PE) techniques simplify extracting these representative parameters of the cell behaviour. In this study, a PE methodology has been introduced to estimate the most influential electrochemical parameters of LIBs considering different positive electrode materials. The methodology starts with simplifying the well-known pseudo-two-dimensional (P2D) model, the most complex and the most popular electrochemical engineering models for simulating porous electrodes and introducing an enhanced single particle model (SPM). Neglecting the micro-structure of LIB, major electrochemical parameters are detected at the cell level. Next, the best time domains and discharge current rates to estimate each parameter are estimated by virtue of sensitivity analyses. Owing to the fact that the behavior of LIBs depends on the active materials employed in the electrode, the proposed methodology is verified for three different positive electrode active materials including LiCoO2, LiMn2O4 and LiFePO4. Furthermore, focusing on LiFePO4 (LFP), as the most promising positive electrode active material, a new modification is proposed to the model to address special features of this material. In this regard, a simplified electrochemical model is equipped with a variable resistance equation whose coefficients are estimated by means of PE.fr
dc.description.abstractRésumé : Les batteries au Li-ion (BLI) figurent parmi les technologies les plus prometteuses pour le design de systèmes de stockage d’énergie à cause de leurs caractéristiques intrinsèques. Leur grand voltage de travail, leur grande densité énergétique et leur impact écologique positif expliquent l’intérêt soutenu de l’utilisation des BLI pour remplacer par exemple les moteurs à explosion dans les applications de transport terrestre. Il n’est donc pas surprenant de constater que ces technologies ont eu une attention scientifique importante et que plusieurs auteurs ont développé des modèles numériques simulant leur comportement. Il reste cependant difficile de représenter tous les phénomènes multiphysiques qui se déroulent à l’intérieur des batteries rechargeables par des modèles mathématiques. Des compromis importants doivent être faits lorsqu’on doit choisir un modèle représentant les principaux phénomènes physico-chimiques tout en restant assez simple pour pouvoir l’utiliser dans des études s’échelonnant sur de larges périodes temps. Représentant à la fois la cinétique électrochimique et le transport de masse, les modèles électrochimiques ont été introduits pour prendre en compte les phénomènes les plus importants. Ces modèles demandent cependant de connaître tous les paramètres électrochimiques, des données qui sont difficiles à obtenir expérimentalement. Les techniques d’estimation de paramètres simplifient l’obtention de ces données critiques pour représenter le comportement de la pile. Dans cette étude, une méthode d’estimation de paramètres a été introduite pour estimer les paramètres électrochimiques des BLI les plus influents, en prenant en compte différents matériaux d’électrode positive. La méthode proposée repose sur une amélioration du modèle à particule unique, qui représente lui-même une simplification du modèle pseudo-2D, le modèle électrochimique le plus connu et le plus complexe dans le domaine de la simulation de piles à électrodes poreuses. Les paramètres électrochimiques les plus importants ont été identifiés en négligeant la micro-structure de la batterie au Li-ion. Une étude de sensibilité a ensuite permis d’identifier les domaines temporels et les courants de décharge les plus favorables pour l’identification de chaque paramètre. Étant donné que le comportement des BLI dépend fortement des matériaux actifs utilisés pour la fabrication des électrodes, la méthodologie proposée a été testée sur 3 matériaux actifs différents (LiCoO2, LiMn2O4 and LiFePO4) employés dans la fabrication industrielle d’électrodes positives. Finalement, une autre amélioration du modèle à particule unique a été proposée et testée afin de mieux représenter le comportement spécifique du LiFePO4 (LFP), un matériau actif parmi les plus prometteurs pour l’électrode positive. Plus précisément, un modèle électrochimique simplifié incluant une équation représentant la variation de résistance en fonction du degré de décharge a été développé et les coefficients de cette équation ont été déterminés au moyen de la méthode d’estimation de paramètres proposée.fr
dc.language.isofrefr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Barzin Rajabloofr
dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/*
dc.subjectBatteries au Li-ionfr
dc.subjectCellule Li/LFPfr
dc.subjectEstimation de paramètresfr
dc.subjectModèle à particule uniquefr
dc.titleEstimation de paramètres et modélisation de piles au lithium et aux ions lithiumfr
dc.title.alternativeParameter estimation and modeling of lithium and lithium-ion batteriesfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie chimiquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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