Thèse Caractérisation Expérimentale des Batteries Lithium-Ion pour la Définition de Modèles de Circuits Équivalents Physiquement Interprétables H/F - Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering
Laboratoire de recherche : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
Direction de la thèse : Brian OSPINA AGUDELO ORCID 0000000230060835
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

Les batteries lithium-ion (LIBs) constituent aujourd'hui la technologie de référence pour le stockage d'énergie dans de nombreuses applications, notamment dans les domaines du transport et des systèmes électriques embarqués. Leur opération sûre et performante dépend fortement des conditions de fonctionnement, en particulier du courant, de l'état de charge (SoC) et de la température. La gestion de ces systèmes repose sur des Battery Management Systems (BMS), qui assurent la surveillance des grandeurs mesurables et l'estimation de variables internes telles que le SoC et l'état de santé (SoH). La fiabilité de ces estimations est étroitement liée à la qualité des modèles de batterie utilisés.

Les modèles de circuits équivalents (ECMs) sont aujourd'hui largement employés dans les BMSs en raison de leur faible complexité de calcul et de leur robustesse numérique. Leurs paramètres électriques (résistances, capacités, tension d'équilibre) sont généralement identifiés à partir d'essais de caractérisation expérimentale. Toutefois, ces paramètres présentent une forte dépendance aux conditions de fonctionnement et leur identification reste essentiellement empirique, avec une interprétation physique limitée. À l'inverse, les modèles électrochimiques (EMs), tels que le modèle de Doyle-Fuller-Newman, décrivent finement les mécanismes internes de transport et de cinétique, mais leur complexité numérique empêche leur déploiement direct dans les systèmes embarqués.
L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie permettant de définir des modèles de circuits équivalents, fondée sur une approche expérimentale approfondie des cellules lithium-ion et sur l'exploitation des variables internes issues de modèles électrochimiques, en tenant explicitement compte des conditions opératoires. L'objectif est de relier quantitativement les paramètres des ECMs à identifier aux mécanismes électrochimiques, afin de construire des modèles adaptés à une mise en oeuvre embarquée tout en conservant une interprétation physique exploitable.

Les travaux s'appuieront sur une campagne expérimentale extensive réalisée sur des cellules lithium-ion, à l'aide de bancs d'essais électrochimiques instrumentés. Les essais seront menés sur une large plage de températures contrôlées et couvriront différents niveaux de SoC et de régimes de courant. Ils incluront des cycles de charge-décharge à courant constant, des profils dynamiques représentatifs d'applications de transport, ainsi que des tests de caractérisation normalisés tels que HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization), GITT (Galvanostatic Intermittent Titration Technique) et des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). L'ensemble des essais sera réalisé à l'aide d'une station électrochimique Biologic VSP équipée d'un booster de puissance.

Les données expérimentales acquises serviront, dans un premier temps, à l'identification des paramètres des ECMs et à la validation des EMs. Les EMs seront calibrés à partir de ces données afin d'accéder à des grandeurs internes telles que les coefficients de diffusion ou les conductivités des électrodes. Une attention particulière sera portée à l'évaluation de l'influence des conditions opératoires sur les paramètres identifiés et sur la cohérence des résultats issus des deux types de modèles.

Dans un second temps, une analyse systématique des corrélations entre les paramètres des ECMs et les variables internes issues des EMs sera menée, en fonction du SoC, du courant et de la température. Ces résultats permettront de développer une méthodologie de définition d'ECMs informés par la physique, validés expérimentalement et compatibles avec les contraintes de calcul des BMSs.

Les batteries lithium-ion constituent aujourd'hui la technologie de référence pour le stockage d'énergie dans de nombreuses applications, en particulier dans les domaines du transport et des systèmes embarqués. Leur fonctionnement sûr et performant repose sur des systèmes de gestion de batterie (BMS) capables d'estimer avec précision des états internes tels que l'état de charge et l'état de santé. Ces estimations s'appuient principalement sur des modèles de batterie, dont la précision conditionne directement les performances des algorithmes embarqués. Les modèles de circuits équivalents, largement utilisés dans les BMS en raison de leur faible complexité de calcul, offrent une description efficace du comportement électrique mais restent faiblement interprétables d'un point de vue physique. À l'inverse, les modèles électrochimiques décrivent finement les mécanismes internes des batteries, au prix d'une complexité numérique incompatible avec une mise en oeuvre embarquée. Le rapprochement de ces deux approches, par la synthèse de modèles de circuits équivalents informés par la physique et validés expérimentalement, constitue ainsi un enjeu scientifique majeur pour améliorer l'estimation embarquée des états internes des batteries lithium-ion en conditions réelles d'exploitation.

L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie de définition de modèles de circuits équivalents pour batteries lithium-ion, fondée sur une caractérisation expérimentale approfondie et sur l'exploitation de modèles électrochimiques. Il s'agit d'établir des liens quantitatifs entre les paramètres des modèles de circuits équivalents et les mécanismes électrochimiques internes, en tenant compte des conditions opératoires (SoC, courant, température), afin de proposer des modèles physiquement interprétables, validés expérimentalement et compatibles avec une mise en oeuvre embarquée dans les systèmes de gestion de batterie (BMS).

Les travaux s'appuieront sur une campagne expérimentale extensive réalisée sur des cellules de LIBs, à l'aide d'un banc instrumenté et d'une station de travail électrochimique. Les essais seront menés sur une large plage de températures contrôlées et couvriront différents niveaux de SoC et de régimes de courant. Ils incluront des cycles de charge-décharge à courant constant, des profils dynamiques représentatifs d'applications de transport, ainsi que des tests de caractérisation normalisés tels que HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization), GITT (Galvanostatic Intermittent Titration Technique) et des mesures par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS).

Les données expérimentales serviront, dans un premier temps, à l'identification des paramètres des ECMs et à la validation des EMs. Les EMs seront calibrés à partir de ces données afin d'accéder à des grandeurs internes telles que les coefficients de diffusion ou les conductivités des électrodes. Une attention particulière sera portée à l'évaluation de l'influence des conditions opératoires sur les paramètres identifiés et sur la cohérence des résultats issus des deux types de modèles.

Dans un second temps, une analyse systématique des corrélations entre les paramètres des ECMs et les variables internes issues des EMs sera menée, en fonction du SoC, du courant et de la température. Ces résultats permettront de développer une méthodologie de définition d'ECMs informés par la physique, validés expérimentalement et compatibles avec les contraintes de calcul des BMSs.

Le ou la candidat(e) sera titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un M2 en génie électrique ou électronique. Une réelle curiosité scientifique ainsi qu'un intérêt marqué pour le travail expérimental sont attendus. Le projet nécessite de mettre en oeuvre des compétences dans plusieurs disciplines et domaines : génie électrique, physique appliquée, modélisation des systèmes dynamiques, conception et exécution des procédures expérimentales et simulation numérique (Matlab/Simulink ou logiciel équivalent, Python, C\C++.). Un bon niveau d'anglais serait très apprécié.

Pour candidater (concours pour un financement de contrat doctoral par l'Université Gustave Eiffel) :

https://theses.univ-eiffel.fr/pages\_candidats\_externes/index.php
https://theses.univ-eiffel.fr/pages\_candidats\_externes/sujet.php?lang=fr&num\_sujet=4318