These VICHARD UTBM

THÈSE DE DOCTORAT DE L’ÉTABLISSEMENT UNIVERSITÉ BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ
PRÉPARÉE À L’UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE DE BELFORT-MONTBÉLIARD
École doctorale n°37
Sciences Pour l’Ingénieur et Microtechniques
Doctorat de Génie électrique
par
LOIC VICHARD
Contribution à l’étude du vieillissement des composants batterie et pile à
combustible en usage réel
Thèse présentée et soutenue à Belfort, le 29 novembre 2019
Composition du Jury :
FLORENCE OSSART Professeure à Sorbonne Université Présidente
STÉPHANE RAEL Professeur à l’université de Lorraine Rapporteur
CHRISTOPHE TURPIN Directeur de Recherche CNRS Rapporteur
SAMUEL HIBON Responsable Trains Hybrides et
Efficience Énergétique, Alstom
Examinateur
FABIEN HAREL Ingénieur de recherche IFSTTAR Examinateur
ALEXANDRE RAVEY Maitre de conférences à l’UTBM Co-encadrant de thèse
PASCAL VENET Professeur à l’université Claude Bernard
Lyon 1
Co-encadrant de thèse
DANIEL HISSEL Professeur à l’université de Franche
Comté
Directeur de thèse
SERGE PÉLISSIER Directeur de recherche IFSTTAR Membre invité
N◦XXX
Thèse préparée à l'institut FEMTO-ST, CNRS, dans le cadre de la fédération FCLAB

écol e doct oral e sci ences pour l’i ngénieur et microtechniques
Université Bourgogne Franche-Comté
32, avenue de l’Observatoire
25000 BesanÃ˘ gon, France
Titre : Contribution à l’étude du vieillissement des composants batterie et pile à combustible en usage réel
Mots-clés : Batterie, Pile à combustible, état de santé, vieillissement
Résumé :
Les travaux de thèse sont associés au
projet AsDeCoEUR (Analyses De Composants
Energétiques en Usage Réel). Ce projet s’inscrit
dans le contexte actuel de la mise en œuvre
des nouvelles technologies de l’énergie pour la
mobilité et porte plus spécifiquement sur l’étude des
composants batterie et pile à combustible situés au
coeur des chaines de traction électriques. Le projet
souhaite s’appuyer sur les travaux déjà réalisés
par les acteurs UTBM et IFSTTAR de la fédération
de recherche FCLAB dans le projet Mobypost
qui a permis l’expérimentation en usage réel sur
deux sites de La Poste en région Franche-Comté
d’une flotte de 10 véhicules électriques à pile à
combustible et batterie.
Pendant l’expérimentation Mobypost, tous les
véhicules du projet enregistrent les nombreuses
données physiques de leur chaine de traction.
L’ensemble de ces informations constitue aujourd’hui
une base très riche à exploiter. Dans le projet
AsDeCoEUR, nous proposons une démarche
scientifique menée autour d’un travail de thèse
visant à comprendre le comportement dynamique,
d’étudier le vieillissement et d’estimer l’état de santé
des composants énergétiques batterie et pile à
combustible en usage réel. Cette démarche est
basée sur l’analyse des données enregistrées sur
ces composants dans le projet Mobypost et est
renforcée par des expérimentations spécifiques et
maitrisées en laboratoire. La mise en oeuvre des
compétences et des outils d’analyse numériques
développés notamment pour les batteries par le
laboratoire Ampère et l’IFSTTAR vise à comprendre
et reproduire les phénomènes de dégradation des
composants étudiés. Les travaux permettent au final,
en associant les compétences des enseignants-
chercheurs et chercheurs de l’UFC, de l’UTBM, de
l’IFSTTAR et du laboratoire Ampère sur ce sujet,
de contribuer à l’étude du vieillissement et d’estimer
l’état de santé en usage réel des batteries et des
piles à combustible ce qui constituent une avancée
remarquable dans ce domaine, notamment en vue
de l’industrialisation de véhicules équipés de ce type
de composants.
Title: Contribution à l’étude du vieillissement des composants batterie et pile à combustible en usage réel
Keywords: Batteries, PEM Fuel Cell, SOH, aging, prognostic
Abstract:
These thesis works are associated to the
AsDeCoEUR project. This project is part of
the current context of the development of new
energy technologies for mobility and focuses more
specifically on the study of battery and fuel cell
components located in the heart of electric power
train. The project is based on the work already
carried out by the UTBM and IFSTTAR actors of the
FCLAB research federation among the Mobypost
project. Mobypost european project has allowed the
experimentation of a fleet of 10 fuel cell electric
vehicles under actual operating conditions on two
postal platforms in the Franche-Comté region.
During the Mobypost experiment, a deep monorting
was performed on all the vehicles so numerous
physical data of their power train were recorded.
All of these information now constitutes a very
rich database to exploit. Among the AsDeCoEUR
project, we propose a scientific approach carried out
around a thesis work wich aims at understanding
dynamic behavior, studying aging and estimating
the state of health of batteries and fuel cells
in real use. This approach is based on the
analysis of the data recorded on these components
among the Mobypost project and is reinforced by
specific experiments set up in the laboratory. The
implementation of skills and digital analysis tools
developed especially for batteries by the Ampère
laboratory and IFSTTAR aims at understanding
and reproducing the degradation phenomena. The
works should finally allow, by combining the skills
of UFC, UTBM, IFSTTAR and Ampère laboratory
researchers, to contribute to the study of batteries
and fuel cells aging and to estimate their state
of health under actual operating conditions. This
constitutes a remarkable advance in this field,
particularly with a view to the industrialization of
vehicles equipped with this type of component.

iv
1.On dit bêtement que l’échec n’est pas une option. L’échec est une option. Si vous
n’échouez pas, c’est que vous n’innovez pas assez.
ElonMusk

REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier en premier lieu Dr. Alexandre Ravey, qui m’a contacté en ce mois de
mai 2016 alors que je vivais paisiblement sous le soleil californien, pour me proposer ce
sujet de thèse. Merci à toi d’avoir cru en mes compétences, de m’avoir donné ma chance
et de m’avoir fait confiance depuis le départ. Merci pour ton investissement tout au long
de ces trois années.
Je veux remercier mon directeur de thèse, le professeur Daniel Hissel, pour ses précieux
conseils et ses encouragement réguliers. Chacune de nos discussions ont été béné-
fiques tant sur le plan humain que sur le plan scientifique.
Je souhaite également grandement remercier mes encadrants :
Merci Professeur Pascal Venet et Dr. Serge Pélissier, d’avoir partagé avec moi
votre expertise, de m’avoir accueilli à plusieurs reprises au sein du laboratoire Ampère.
Merci à vous deux pour ces longues réunions très riches en informations qui m’ont fait
évoluer et progresser tant sur le plan professionnel que personnel.
Un énorme merci à Fabien Harel grâce à qui j’ai énormément appris sur les
piles à combustible. Merci pour le développement du banc pile, merci pour tous les
essais passés à tes côtés. Merci pour ta patience et ton gros travail de relecture de ce
manuscrit. Merci pour ton regard extérieur qui m’a permis de prendre le recul nécessaire
sur mes travaux.
Je remercie les membres de mon jury, de s’être déplacé malgré leur emploi du temps
chargé. Merci aux professeur Stéphane Rael et au Docteur Christophe Turpin d’avoir
accepté de rapporter ces travaux de thèse.
Bien évidemment je souhaite également remercier tous mes collègues. Merci Simon
pour ces travaux communs et toutes ces précieuses discussions autour de l’IA. Merci
Elodie pour tes précieux conseils notamment en cette fin de thèse! ! Merci Rania pour
ces nombreuses discussions scientifiques, et non scientifiques... Merci aux membres
de la team F115 : Pierre, Hailong, Romain. Merci à Théophile pour sa bonne humeur
quotidienne (même si ce mec a failli me tuer en kayak..). Merci Rafaelle pour toutes ces
discussions autour de la pile. Merci Xavier pour ton aide générale. Merci Laurence pour
ton sourire et ta bonne humeur quotidienne.
Merci au badminton club Belfortain qui constitue (hors travail) l’intégralité de mes amis
belfortains. Merci à vous pour m’avoir permis de m’évader durant ces trois années. Merci
v