Vers une Recharge Rapide et Sécurisée des Batteries Li-ion : Conception, Paramétrisation et Validation Expérimentale d’un Modèle Électrochimique Pseudo-2D Fondé sur l’Homogénéisation
Résumé : La charge rapide des batteries lithium-ion demeure un défi majeur en raison de la dégradation, des risques de sécurité et du vieillissement. La prévention du dépôt de lithium métallique lors de la charge rapide impose un ajustement dynamique du courant afin de conserver le potentiel de l’électrode négative supérieur à 0 V vs. Li+/Li. Dans la mesure où ce potentiel est inaccessible à la mesure directe dans les accumulateurs commerciaux, nous proposons une nouvelle variante du modèle électrochimique pseudo-bidimensionnel, permettant l’estimation en temps réel du profil de potentiel dans l’épaisseur des électrodes. Une représentation d’état non linéaire est obtenue à partir des équations aux dérivées partielles couplées du système, via une approche d’homogénéisation des électrodes et une discrétisation sur grille non uniforme. La paramétrisation expérimentale du modèle est réalisée à l’aide d’un montage à trois électrodes. Le modèle présente une robuste stabilité numérique, permettant des simulations fiables jusqu’à 10C. Enfin, sa capacité prédictive est démontrée par une validation couplée à l’estimation des paramètres pour des régimes de charge constants compris entre 2C et 6C.
Mots clés : Batterie lithium-ion, Charge rapide, Modèle Pseudo-2D, Paramétrisation, Technique d’homogénéisation, Dépôt de lithium
Towards Safe Fast Charging of Li-ion Batteries: Design, Parameterization, and Experimental Validation of a Homogenization-Based Pseudo-2D Electrochemical Model
Abstract : Despite the growing demand for shorter charging times, fast charging of lithium-ion batteries remains challenging due to performance degradation, safety risks, and aging constraints. Preventing lithium plating during fast charging necessitates dynamically adjusting the charging current to keep the negative electrode potential above 0 V vs. Li+/Li. As this potential is not directly measurable in commercial cells, this work develops a novel pseudo–two-dimensional electrochemical model variant. The model enables realtime estimation of the through-thickness potential profile in each electrode. Derived from coupled partial differential equations via electrode homogenization and a non-uniform grid, the model is formulated as a non-linear statespace system. The experimental parameterization of the model is achieved using a threeelectrode assembly. The model demonstrates robust numerical stability, enabling reliable simulations at rates as high as 10C. Finally, the model’s predictive capability is demonstrated through simultaneous validation and parameter estimation across charging rates of 2C to 6C.
Keywords : Lithium-ion battery, Fast charging, Pseudo-2D model, Parametrization, Homogenization Technique, Lithium plating
