Caractérisation d’une cellule sodium ion pour application ferroviaire
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- Energie
- Sciences de l’ingénieur
Description du sujet
En France, le secteur des transports est le premier poste d’émissions de gaz à effet de serre et le transport ferroviaire y participe avec les trains Diesel opérant sur des lignes non électrifiées. Dans ce contexte, le remplacement de ces matériels par des matériels électriques dotés de sources d’énergie embarquées peut entrainer une grande amélioration du bilan carbone. Alstom est précurseur dans le déploiement de nouvelles architectures de traction électrique, intégrant des piles à combustible à hydrogène et des batteries.
Actuellement, la technologie de batterie embarquée qui occupe une place prépondérante est basée sur l’utilisation de cellule Lithium ion avec différents couples d’électrodes utilisés, Graphite-NMC, Graphite LFP ou LTO-NMC.
A côté de cette technologie dominante, d’autres technologies commencent à émerger et parmi elle la technologie Sodium Ion (Na ion) qui a récemment fait l’objet de nombreuses communications de la part de fournisseur opérant dans le secteur automobile. La comparaison des performances déjà connues de cette technologie (puissance/énergie) a permis de déceler des caractéristiques très pertinentes pour certaines applications ferroviaires. L’ambition d’Alstom est de démontrer cette pertinence au moyen de la réalisation d’un système complet de forte puissance.
Toutefois cette réalisation ne pourra débuter qu’une fois maitrisée l’ensemble des contraintes d’intégration liées à cette nouvelle technologie de cellule.
L’objectif de la thèse est de déterminer les principales informations nécessaires pour bien intégrer les cellules dans un pack batterie et plus globalement dans un système d’autonomie.
Pour l’intégration Physique, l’étude devra permettre d’approfondir les connaissances sur :
- les pertes à dissiper par élément et donc sur la résistance en fonction de la température et du niveau de charge (SOC)
- les capacités de refroidissement de chaque surface de la cellule. L’étude devra donc permettre d’avoir un modèle thermique de la cellule
- les efforts mécaniques de la cellule lors des phases de charge/décharge .
Au niveau système, la principale inconnue qui reste à vérifier est la durée de vie des cellules selon le profil d’utilisation. L’étude devra donc permettre de déterminer un modèle de vieillissement prenant en compte les conditions de cyclage de la cellule avec notamment :
- l’importance des pics de recharge, pic de décharge
- l’amplitude de la décharge (DOD)
- la température à laquelle sont réalisés ces cycles
En complément des cycles, pour évaluer l’impact des phases statiques de la batterie (train en dépôt ou batterie non utilisée), des essais de vieillissement calendaire seront aussi menés à différentes températures et à différents niveaux d’énergie (SOC).
Les résultats de ce travail feront l’objet de publications dans des revues scientifiques et seront présentés à des congrès internationaux. Certains résultats, seront également protégés, le cas échéant, par des brevets pour une exploitation à l’échelle industrielle.
Lieu :
La thèse se déroulera à l’IMS à l’Université de Bordeaux sur la première partie de la thèse puis éventuellement dans un second temps à Alstom, sur le site de Tarbes au sein de l’équipe Service France (selon l’avancement du travail de recherche à l’IMS et des activités packaging de la batterie menées à ALSTOM Tarbes). L’étudiant pourra donc être amené à participer à l’intégration des cellules dans le pack ainsi qu’au test du pack complet.
En conséquence, de nombreux trajets entre Bordeaux et Tarbes sont à prévoir.
Prise de fonction :
Nature du financement
Précisions sur le financement
Présentation établissement et labo d'accueil
Le laboratoire IMS (UMR 5218 CNRS – Bordeaux INP – Université de Bordeaux), au sein de son groupe Fiabilité, a une expertise reconnue en caractérisation, modélisation, suivi des performances lors du vieillissement et méthodes de détermination d’état de santé des batteries dans le but de maîtriser leur durée de vie. Sa participation aux projets de recherche nationaux majeurs sur les systèmes de stockage d’énergie, notamment à batteries Li-ion, a permis de bâtir une base de données unique sur les cellules de dernière génération grâce aux ressources expérimentales de la plateforme Cacyssée.
Présnetation du partenaire industriel: ALSTOM
À la tête des entreprises qui s’engagent vers un avenir plus vert, ALSTOM développe et commercialise des solutions de mobilité qui apportent les fondements durables pour l'avenir des transports. Notre portefeuille de produits s'étend des trains à grande vitesse, métros, monorails et tramways jusqu’aux systèmes intégrés, services sur mesure, infrastructures, signalisation et solutions de mobilité numérique. Nous rejoindre, c'est rejoindre une entreprise bienveillante, responsable et innovante où plus de 70 000 personnes ouvrent la voie à une mobilité plus verte et plus intelligente, dans le monde entier.
Intitulé du doctorat
Pays d'obtention du doctorat
Etablissement délivrant le doctorat
Ecole doctorale
Profil du candidat
- Diplôme d'ingénieur, master ou équivalent en génie électrique ou en automatique
- Des connaissances en physique des matériaux sont aussi appréciables : thermique , mécanique
- Expérience en modélisation (PDE, ODE, représentation d’état…)
- Toute expérience préalable relative aux batteries ou au monde ferroviaire sera positivement appréciée
- Bonne connaissance de Matlab-Simulink
- Anglais courant
