Introduction
Dans cette étude nous réalison une simulation FEM thermique transitoire à l'aide du logiciel Salomé Méca, qui intègre l'outil FEM Code_Aster.
Le cas considéré est une batterie lithium-ions, dont la construction est une simplification inspirée de produits proposés par les grands constructeurs (A123, LG, CATL,...), et soumise à une décharge complète à 1C (un courant correspondant à 1x la capacité sur 1 heure).
Exemple de batterie Lithium-ion à base de cellules de type "pouch" de la société A123 Systems
La source de chaleur générée par les cellules en décharge est estimée à l'aide de PyBaMM. Cette source évolue au cours de la décharge, elle résulte des processus électro-chimiques dans les cellules et nous avons utilisé le modèle DFN (Doyle-Füller-Newmann) pour les estimations.
La batterie est refroidie à l'aide de plaques d'aluminium insérées entre les cellules et dont les bords sont supposés maintenus à 20°. Il s'agit du type de gestion thermique utilisé dans des batteries A123 ou encore dans celles présentées dans la vidéo de Mumro Live concernant le pack équipant la Mach-E (module LG).
Géométrie
Pour cet exemple de simulation nous considérons la partie centrale d'une batterie (on néglige les extrémités) en isolant un gourpe de 2 cellules. En fait on aurait pu considérer un groupe d'une seule cellule mais nous allons vérifier par la même occasion la bonne utilisation de la "périodicité" dans Salomé Méca.
Batterie simplifiée et éléments géométriques (en jaune) utilisé dans la simulation.
Géométrie considérée dans la simulation. La périodicité nécessaire pour générer un module (infini) est intégrée dans le modèle FEM.
Vues de détail de l'assemblage.
L'assemblage est constitué des éléments suivants:
- Plaques en aluminium destinées à extraire la chaleur des cellules
- Cellules
- Mousses destinées à permettre la "respiration" des cellules lors des cycles de charge/décharge, ainsi que l'augmentation d'épaisseur des cellules avec le vieillissement
- Couches facilitant le contact thermique
- Parrois froides en aluminium représentant le système de refroidissement extérieur, habituellement parcouru par un fluide caloporteur.
Maillage
Le maillage a été réalisé avec des algorithmes automatiques, en particulier "Extrusion 3D" en favorisant les surfaces réglées ou à dominance quadrilatérale. Le maillage est prévu pour des éléments de premier ordre (pas de noeuds intermédiaires). De plus, nous avons respecté les contraintes liées à l'utilisation des liaisons entres surfaces ainsi que la définition de résistances thermiques de contact (voir détails ci-dessous).
Maillage
Matériaux
Les propriétés matériaux ont été définies selon les spécifications des fabricants, en particulier:
- La plaque de refroidissement est faite dans un alliage d'aluminium qui présente une bonne conductivité thermique
- La cellule lithium est définie à l'aide de ses propriétés thermiques et de densité telles que rapportées dans la litérature pour les cellules de type G/NMC
- La mousse intermédiaire est définie selon les propriétés fournies par les fabricants, on tient compte de sa compression au sein de l'assemblage par des relations de type "règle de trois".
- La couche de contact thermique latérale est un produit dédié, dont les spécifications sont fournies par le fabricant
- La parroi froide est supposée en aluminium
Modèle
La simulation est réalisée avec Code_Aster, cet outil est intégré dans Salomé Méca par l'intermédiaire du module AsterStudy.
Nous allons réaliser une simulation thermique transitoire, dans un premier temps il s'agit de voir l'évolution des températures durant une décharge complète de la batterie suivie d'un temps de relaxation, en présence d'un système de refroidissement externe.
Les connections thermiques entre les différents composants de notre assemblage doivent être définies avec soin.
- L'interface entre la cellule et la plaque de refroidissement est définie avec une résistance thermique de contact afin de prendre en compte l'effet de l'enveloppe multi-couches englobant la partie active de la cellule (selon les données des fabricants) ainsi que les éventuels défauts de planéité de la cellule une fois assemblée.
- L'interface entre la cellule et la mousse intermédiaire est définie avec une résistance thermique de contact afin de prendre en compte l'effet de l'enveloppe multi-couches englobant la partie active de la cellule.
- Toutes les autres interfaces sont définies sans résistance thermique de contact (supposée idéale).
Conditions de bord et chargements
Une source de chaleur est associée à la cellule, cette source d'origine électro-chimique évolue au cours de la décharge et elle a été calculée à l'aide de PyBaMM. La fin de la décharge est déclanchée lorsque le voltage au sein d'une unité électrochimique atteint 2.5V
Voici les principaux paramètres utilisés dans PyBaMM:- Chimie: ORegan2022
- Modèle: DFN (Doyle-Füller-Newman) avec le sous-mnodèle thermique de type "Lumped".
Source de chaleur moyenne d'une unité électro-chimique, calculée avec PyBaMM
Sur les parties latérales, la paroi froide est maintenue à 20°. On suppose que ces volumes font partie d'un système de refroidissement externe.
Résultats
Pour la simulation transitoire nous avons choisi d'effectuer le cas de charge en 50 pas de temps.
Evolution de la température dans les cellules
En isolant les volumes correspondant aux cellules lithium on peut suivre l'évolution des températures (minimum, moyenne, médiane, maximum) au cours du temps. La représentation 3D peut être ajustée pour afficher la distribution de température à chaque instant. Sans surprise la température moyenne augment de manière régulière sur les trois quarts du temps de décharge et accélère significativement sur la fin de la décharge. Le système de refroidissement permet ensuite, dans une phase de repos, de redescendre vers des valeurs proches des valeurs initiales en 30 minutes environ.
Evolution des températures dans les cellules (min/max, moyenne, médiane). Le marker vert sur le grpahe 2D indique le temps représenté sur le 3D de gauche.
Distribution de température en fin de décharge
Un moment intéressant à prendre en compte est la fin de la décharge. Sur la figure ci-dessous on visualise la distribution de température dans la totalité de la géométrie considérée pour cette simulation. En particulier on note les volumes correspondant au fluide de refroidissement sur les parties latérales (20° = 293K) ainsi que le gradient de température sur les plaques aluminium destinées à extraire la chaleur des cellules.
Distribution des températures à la fin de la décharge.
Conclusion
Avec ce cas d'application de simulation FEM thermique transitoire nous nous sommes concentré sur une batterie lithium inspirée de la construction des batteries fabriquées par A123 Systems. Nous avons intégré des cellules de type "Pouch" et nous avons choisi une chimie G/NMC, plus préciséement celle détaillée dans la publication ORegan et al. (réf. ci-dessous).
En utilisant l'environnement Salomé Méca nous pouvons effectuer l'ensemble du processus de similation de la création de la géométrie au post-processing des résultats dans une même interface.
En effet, Salomé Méca contient un module de construction géométrique, une module de maillage, un module Aster Study (solveur et outils Code_Aster) ainsi qu'un module de post-processing très puissant appelé Paravis (intégration de Paraview).
Cet environnement de simulation s'est avéré très efficace, nous avons été séduits. Il nécessite un travail de pré-processing et de configuration des calculs un peu plus détaillé que certaines suites logicielles commerciales, par contre une fois que la mise en place est faite la résolution du calcul est très efficace et les éventuels messages d'erreur sont très clairs et proposent souvent des solutions.
Références
- Documentation Code_Aster: www.code-aster.org
- Kieran O’Regan, Ferran Brosa Planella, W. Dhammika Widanage, and Emma Kendrick. "Thermal-electrochemical parameters of a high energy lithium-ion cylindrical battery". Electrochimica Acta, 425:140700, 2022.
Auteur de l'article: Reynald Passerini de SIMeka.ch - 2025