L'une des technologies clés des véhicules à énergies nouvelles réside dans les batteries. La qualité de ces batteries détermine à la fois le coût et l'autonomie des véhicules électriques. C'est un facteur déterminant pour leur acceptation et leur adoption rapide.
Selon les caractéristiques d'utilisation, les exigences et les domaines d'application des batteries de puissance, les types de batteries de puissance faisant l'objet de recherches et de développements en Chine et à l'étranger sont approximativement les suivants : batteries au plomb-acide, batteries nickel-cadmium, batteries nickel-hydrure métallique, batteries lithium-ion, piles à combustible, etc., parmi lesquels le développement des batteries lithium-ion retient le plus l'attention.
Comportement de génération de chaleur de la batterie
La source de chaleur, le taux de génération de chaleur, la capacité thermique de la batterie et les autres paramètres associés d'un module de batterie de puissance sont étroitement liés à la nature de la batterie. La chaleur dégagée par la batterie dépend de ses caractéristiques chimiques, mécaniques et électriques, et plus particulièrement de la nature de la réaction électrochimique. L'énergie thermique générée lors de cette réaction est notée Qr. La polarisation électrochimique entraîne un écart entre la tension réelle de la batterie et sa force électromotrice d'équilibre, et les pertes d'énergie dues à cette polarisation sont notées Qp. Outre la réaction principale décrite par l'équation de la batterie, des réactions secondaires se produisent. Parmi les réactions secondaires typiques, on peut citer la décomposition de l'électrolyte et l'autodécharge de la batterie. La chaleur générée par ces réactions secondaires est notée Qs. De plus, toute batterie présentant une résistance, la conduction du courant génère de la chaleur par effet Joule (Qj). La chaleur totale d'une batterie est donc la somme des chaleurs dues à ces réactions secondaires : Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
Selon le processus de charge (décharge) spécifique, les principaux facteurs à l'origine de la génération de chaleur par la batterie diffèrent. Par exemple, lors d'une charge normale, la chaleur résiduelle (Qr) est prédominante. En fin de charge, la décomposition de l'électrolyte provoque des réactions parasites (chaleur de réaction parasite Qs). Lorsque la batterie est presque pleine ou surchargée, la décomposition de l'électrolyte est le facteur prédominant, Qs devenant alors le principal facteur. La chaleur par effet Joule (Qj) dépend du courant et de la résistance. La méthode de charge courante s'effectue à courant constant, et Qj prend alors une valeur spécifique. Cependant, au démarrage et à l'accélération, le courant est relativement élevé. Pour un véhicule hybride (HEV), cela correspond à un courant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'ampères. Dans ces conditions, la chaleur par effet Joule (Qj) est très importante et devient la principale source de dégagement de chaleur de la batterie.
Du point de vue de la contrôlabilité de la gestion thermique, les systèmes de gestion thermique (HVH) peuvent être divisés en deux types : actifs et passifs. Du point de vue du fluide caloporteur, les systèmes de gestion thermique peuvent être divisés en : refroidis par air (Réchauffeur d'air PTC), refroidi par liquide(Réchauffeur de liquide de refroidissement PTC), et le stockage thermique à changement de phase.
Pour le transfert de chaleur avec un fluide caloporteur (élément chauffant PTC) comme fluide de refroidissement, il est nécessaire d'établir une communication thermique entre le module et le fluide, par exemple une enveloppe d'eau, afin de réaliser un chauffage et un refroidissement indirects par convection et conduction thermique. Le fluide caloporteur peut être de l'eau, de l'éthylène glycol ou encore un réfrigérant. Un transfert de chaleur direct est également possible par immersion de la pièce polaire dans le diélectrique liquide, mais des mesures d'isolation doivent être prises pour éviter les courts-circuits.
Le refroidissement passif utilise généralement un échange thermique entre le liquide et l'air ambiant, puis introduit des capsules thermiques dans la batterie pour un échange secondaire. Le refroidissement actif, quant à lui, utilise des échangeurs de chaleur entre le liquide de refroidissement du moteur et un fluide frigorigène, ou un chauffage électrique PTC/à huile thermique pour assurer le refroidissement primaire. Le chauffage et le refroidissement primaire sont assurés par le fluide frigorigène de l'habitacle/de la climatisation.
Pour les systèmes de gestion thermique utilisant l'air et le liquide comme fluide, la structure est trop volumineuse et complexe en raison de la nécessité de ventilateurs, de pompes à eau, d'échangeurs de chaleur, de résistances chauffantes, de canalisations et d'autres accessoires, ce qui consomme également de l'énergie de la batterie et réduit sa densité de puissance et sa densité énergétique.
Le système de refroidissement de batterie par eau utilise un fluide frigorigène (50 % d'eau / 50 % d'éthylène glycol) pour transférer la chaleur de la batterie au système de climatisation via le refroidisseur de batterie, puis à l'environnement via le condenseur. L'eau à l'entrée de la batterie est refroidie par celle-ci. Grâce à cet échange thermique, la température de l'eau est facilement abaissée, permettant ainsi à la batterie de fonctionner dans sa plage de température optimale. Le principe de fonctionnement du système est illustré sur la figure. Les principaux composants du système de climatisation sont : un condenseur, un compresseur électrique, un évaporateur, un détendeur avec vanne d'arrêt, un refroidisseur de batterie (également équipé d'un détendeur avec vanne d'arrêt) et les tuyaux de climatisation. Le circuit d'eau de refroidissement comprend : une pompe à eau électrique, la batterie (avec ses plaques de refroidissement), les refroidisseurs de batterie, les tuyaux d'eau, le vase d'expansion et d'autres accessoires.
Date de publication : 27 avril 2023
