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Modélisation expérimentale et numérique des effets mécaniques de l’emballement thermique des batteries au Lithium

Energie, thermique, combustion, écoulements Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Des sollicitations sévères de batteries Li peuvent conduire à un phénomène d’emballement thermique, pouvant aller jusqu’à une combustion explosive de la cellule ou du pack batterie. L’objectif de la thèse consiste à développer et mettre au point une stratégie de modélisation et de simulation numérique des conséquences mécaniques de l’emballement thermique des batteries Li, dans le but de prendre en compte ces effets dans le dimensionnement de l’enveloppe de la batterie, de l’enceinte ou de l’installation (interaction fluide structure). Cette stratégie s’appuiera sur des campagnes d’essais réalisées dans le cadre de la thèse, et sur les outils numériques développés au CEA. 3 volets sont prévus :

1. Comprendre, maîtriser et modéliser les différentes phases du scénario, en particulier la phase de combustion. La caractérisation des mélanges de gaz émis se basera sur les travaux issus de la littérature ou issus d’une autre thèse en cours sur le sujet. Pour caractériser la phase de combustion du mélange (vitesse et accélération de flamme, déflagration/détonation, ...), des essais seront réalisés dans une installation de type tube à choc.

2. Développer un modèle numérique représentatif des phénomènes identifiés dans le premier volet, sur la base des outils numériques du CEA, en particulier Cast3M et/ou EUROPLEXUS. Dans un premier temps, l’interaction fluide-structure ne sera pas considérée. En fonction du besoin, il faudra adapter, améliorer et/ou développer de nouveaux modèles ou fonctionnalités, avec vérification et validation sur la base des résultats expérimentaux.

3. Introduire la composante interaction fluide structure dans le modèle numérique, pour étudier la déformation de l’enveloppe de la batterie, de l’enceinte ou de l’installation, sous l’action de la montée en pression induite par l’emballement thermique. Seront investiguées en particulier les méthodes de couplage disponibles dans les codes (Cast3M et/ou EUROPLEXUS) et les développements à réaliser. Ceux-ci seront validés sur la base d’un essai de combustion d’un mélange prédéfini dans une enceinte semi-fermée.

Les travaux devront permettre d’évaluer les capacités des outils actuels et d’orienter le développement de méthodes numériques et des codes de calcul afin d’améliorer leur prédictivité pour simuler les conséquences mécaniques d’un emballement thermique de batterie au lithium.

Laboratoire

Département de Modélisation des Systèmes et Structures
Service d’Etudes Mécaniques et Thermiques
Laboratoire d’études de DYNamique
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