Gestion thermique de la batterie
Lors du fonctionnement d'une batterie, la température influe considérablement sur ses performances. Une température trop basse peut entraîner une chute brutale de sa capacité et de sa puissance, voire un court-circuit. La gestion thermique des batteries revêt une importance croissante, car une température trop élevée peut provoquer leur décomposition, leur corrosion, un incendie, voire une explosion. La température de fonctionnement d'une batterie est un facteur déterminant pour ses performances, sa sécurité et sa durée de vie. Du point de vue des performances, une température trop basse diminue l'activité de la batterie, ce qui réduit ses performances de charge et de décharge, et entraîne une chute brutale de sa capacité. Une étude comparative a montré qu'à 10 °C, la capacité de décharge de la batterie atteignait 93 % de celle mesurée à température ambiante ; en revanche, à -20 °C, elle n'atteignait que 43 % de cette valeur.
Les recherches de Li Junqiu et al. ont montré que, du point de vue de la sécurité, une température trop élevée accélère les réactions secondaires de la batterie. Aux alentours de 60 °C, les matériaux internes et les substances actives de la batterie se décomposent, provoquant un emballement thermique. La température monte alors brutalement, pouvant atteindre 400 à 1 000 °C, et risquant de prendre feu et d'exploser. À l'inverse, une température trop basse impose un faible taux de charge, sous peine de provoquer la décomposition du lithium et un court-circuit interne susceptible de s'enflammer.
Du point de vue de la durée de vie des batteries, l'impact de la température est indéniable. Le dépôt de lithium dans les batteries soumises à une charge à basse température réduit considérablement leur durée de vie (nombre de cycles). À l'inverse, les températures élevées affectent fortement leur durée de vie calendaire et leur durée de vie en cycles. L'étude a montré qu'à 23 °C, la durée de vie calendaire d'une batterie avec 80 % de capacité restante est d'environ 6 238 jours. En revanche, à 35 °C, elle n'est plus que d'environ 1 790 jours, et à 55 °C, elle n'atteint plus que 272 jours.
À l'heure actuelle, en raison des contraintes de coût et techniques, la gestion thermique des batteries (BTMSL'utilisation de milieux conducteurs pour le refroidissement des batteries n'est pas unifiée et se divise en trois grandes approches techniques : le refroidissement par air (actif et passif), le refroidissement liquide et les matériaux à changement de phase (MCP). Le refroidissement par air est relativement simple, sans risque de fuite et économique. Il convient aux premières phases de développement des batteries LFP et aux véhicules particuliers. Le refroidissement liquide est plus performant, mais plus coûteux. Comparé à l'air, le refroidissement liquide présente une capacité thermique massique élevée et un coefficient de transfert thermique important, compensant ainsi le faible rendement du refroidissement par air. Il constitue actuellement la principale solution d'optimisation pour les véhicules particuliers. Zhang Fubin a souligné dans ses travaux que l'avantage du refroidissement liquide réside dans la dissipation thermique rapide, garantissant une température uniforme au sein de la batterie et le rendant adapté aux batteries générant une forte chaleur. Ses inconvénients sont un coût élevé, des exigences d'intégration strictes, un risque de fuite et une structure complexe. Les matériaux à changement de phase offrent à la fois une efficacité d'échange thermique et un coût avantageux, ainsi que de faibles coûts de maintenance. Cette technologie est encore au stade expérimental. La technologie de gestion thermique des matériaux à changement de phase n'est pas encore totalement mature, et elle représente la voie de développement la plus prometteuse pour la gestion thermique des batteries à l'avenir.
Globalement, le refroidissement liquide est actuellement la technologie dominante, principalement en raison de :
(1) D'une part, les batteries ternaires à haute teneur en nickel actuellement les plus répandues présentent une stabilité thermique inférieure à celle des batteries lithium-fer-phosphate, une température d'emballement thermique plus basse (température de décomposition : 750 °C pour les batteries lithium-fer-phosphate, contre 300 °C pour les batteries lithium-ion ternaires), et une production de chaleur plus importante. D'autre part, les nouvelles technologies d'application des batteries lithium-fer-phosphate, telles que la batterie à lames de BYD et la technologie CTP de Ningde, permettent de supprimer les modules, d'améliorer l'utilisation de l'espace et la densité énergétique, et de favoriser la transition d'un refroidissement par air à un refroidissement par liquide.
(2) Sous l'effet des directives de réduction des subventions et des préoccupations des consommateurs concernant l'autonomie des véhicules, cette dernière continue d'augmenter, et les exigences en matière de densité énergétique des batteries sont de plus en plus élevées. La demande en technologies de refroidissement liquide à haut rendement thermique s'est accrue.
(3) Les modèles évoluent vers des modèles de milieu à haut de gamme, avec un budget de coûts suffisant, la recherche du confort, une faible tolérance aux pannes des composants et des performances élevées, et la solution de refroidissement liquide est plus en phase avec les exigences.
Qu'il s'agisse d'une voiture traditionnelle ou d'un véhicule à énergies nouvelles, les exigences des consommateurs en matière de confort ne cessent de croître, et la gestion thermique de l'habitacle revêt une importance particulière. Concernant les systèmes de réfrigération, on utilise des compresseurs électriques à la place des compresseurs classiques, et des batteries sont généralement connectées aux systèmes de climatisation. Les véhicules traditionnels privilégient le type à plateau oscillant, tandis que les véhicules à énergies nouvelles utilisent principalement le type à vortex. Ce dernier présente un rendement élevé, un poids léger, un faible niveau sonore et une excellente compatibilité avec la propulsion électrique. De plus, sa structure est simple, son fonctionnement stable et son rendement volumétrique est supérieur d'environ 60 % à celui du type à plateau oscillant. En ce qui concerne le chauffage, le chauffage PTC (réchauffeur d'air PTC/réchauffeur de liquide de refroidissement PTC) est nécessaire, et les véhicules électriques manquent de sources de chaleur à coût nul (comme le liquide de refroidissement des moteurs à combustion interne)
Date de publication : 7 juillet 2023
