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 maîtrise de la gestion thermique, on distingue deux types de systèmes : actifs et passifs. Du point de vue du fluide caloporteur, on distingue les systèmes à refroidissement par air, à refroidissement par liquide et à stockage thermique à changement de phase.
Gestion thermique avec l'air comme fluide caloporteur
Le fluide caloporteur influe considérablement sur les performances et le coût du système de gestion thermique. L'utilisation de l'air comme fluide caloporteur consiste à introduire directement l'air à travers le module de batterie afin d'assurer la dissipation de la chaleur. Généralement, des ventilateurs, des systèmes de ventilation d'entrée et de sortie, ainsi que d'autres composants sont nécessaires.
Selon les différentes sources d'admission d'air, on distingue généralement les formes suivantes :
1 Refroidissement passif avec ventilation extérieure
2. Refroidissement/chauffage passif pour la ventilation de l'habitacle
3. Refroidissement/chauffage actif de l'air extérieur ou de l'habitacle
La structure du système passif est relativement simple et exploite directement l'environnement existant. Par exemple, si la batterie doit être réchauffée en hiver, l'air chaud de l'habitacle peut être utilisé pour aspirer l'air ambiant. Si la température de la batterie est trop élevée pendant la conduite et que le refroidissement de l'habitacle est insuffisant, l'air froid extérieur peut être aspiré pour la refroidir.
Pour le système actif, un système distinct doit être mis en place pour assurer les fonctions de chauffage ou de refroidissement et être contrôlé indépendamment en fonction de l'état de la batterie, ce qui augmente la consommation d'énergie et le coût du véhicule. Le choix du système dépend principalement des besoins d'utilisation de la batterie.
Gestion thermique avec un liquide comme fluide caloporteur
Pour le transfert de chaleur avec un liquide comme fluide caloporteur, il est nécessaire d'établir une communication thermique entre le module et ce 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. Le 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 par liquide 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 système de chauffage électrique/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.
Le système de gestion thermique utilisant l'air et le liquide comme fluide nécessite des ventilateurs, des pompes à eau, des échangeurs de chaleur, des résistances (réchauffeur d'air PTC), les canalisations et autres accessoires rendent la structure trop grande et complexe, et consomment également de l'énergie de la batterie, ce qui diminue la densité de puissance et la densité énergétique de la batterie.
(Liquide de refroidissement PTCchauffageLe système de refroidissement de batterie à 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 vers l'environnement via le condenseur. La température de l'eau importée est facilement abaissée après l'échange thermique avec le refroidisseur de batterie, ce qui permet d'optimiser le fonctionnement de la batterie 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 :pompe à eau électrique, batterie (y compris les plaques de refroidissement), refroidisseurs de batterie, tuyaux d'eau, réservoirs d'expansion et autres accessoires.
Date de publication : 13 juillet 2023
