Les batteries, principale source d'énergie des véhicules à énergies nouvelles, sont essentielles à leur fonctionnement. Lors de leur utilisation, elles sont soumises à des conditions complexes et variables. Afin d'optimiser l'autonomie, le véhicule doit intégrer un maximum de batteries dans un espace restreint, ce qui limite considérablement la place disponible pour le pack de batteries. Celles-ci génèrent une chaleur importante pendant leur fonctionnement, qui s'accumule au fil du temps dans un espace réduit. La forte densité des cellules au sein du pack rend la dissipation de la chaleur plus difficile, notamment au centre, ce qui accentue les différences de température entre les cellules. Il en résulte une réduction de l'efficacité de charge et de décharge, une diminution de la puissance de la batterie et un risque d'emballement thermique, compromettant la sécurité et la durée de vie du système.
La température de la batterie a une influence considérable sur ses performances, sa durée de vie et sa sécurité. À basse température, la résistance interne des batteries lithium-ion augmente et leur capacité diminue. Dans des cas extrêmes, l'électrolyte peut geler et la batterie devenir inutilisable. Les performances du système de batterie à basse température sont fortement affectées, ce qui entraîne une perte de puissance et une réduction de l'autonomie des véhicules électriques. Lors de la charge de véhicules électriques par temps froid, le système de gestion de batterie (BMS) classique préchauffe la batterie à une température adéquate avant la charge. Une mauvaise manipulation peut provoquer une surcharge instantanée, un court-circuit interne, et par conséquent, un dégagement de fumée, un incendie, voire une explosion. Ce problème de sécurité lié à la charge à basse température des batteries de véhicules électriques freine considérablement le développement de ces véhicules dans les régions froides.
La gestion thermique de la batterie est une fonction essentielle du BMS (système de gestion de batterie). Elle permet de maintenir la batterie dans une plage de température appropriée en permanence, garantissant ainsi son fonctionnement optimal. Cette gestion thermique comprend principalement les fonctions de refroidissement, de chauffage et d'homogénéisation de la température. Les fonctions de refroidissement et de chauffage sont ajustées en fonction de l'impact potentiel de la température ambiante extérieure sur la batterie. L'homogénéisation de la température vise à réduire les écarts de température au sein de la batterie et à prévenir une dégradation rapide due à la surchauffe d'une partie de celle-ci.
De manière générale, les modes de refroidissement des batteries de véhicules électriques se divisent en trois catégories principales : le refroidissement par air, le refroidissement liquide et le refroidissement direct. Le refroidissement par air utilise la ventilation naturelle ou l’air frais de l’habitacle pour refroidir la batterie par échange thermique. Le refroidissement liquide, quant à lui, utilise un circuit de fluide frigorigène dédié pour chauffer ou refroidir la batterie. Cette méthode est actuellement la plus répandue. Par exemple, elle est utilisée dans les Tesla et Volt. Le refroidissement direct, enfin, se passe de circuit de refroidissement et utilise directement un fluide frigorigène pour refroidir la batterie.
1. Système de refroidissement par air :
Dans les premières batteries de puissance, en raison de leur faible capacité et de leur faible densité énergétique, beaucoup étaient refroidies par air. Le refroidissement par air (Réchauffeur d'air PTC) est divisé en deux catégories : refroidissement par air naturel et refroidissement par air forcé (à l'aide d'un ventilateur), et utilise le vent naturel ou l'air froid dans la cabine pour refroidir la batterie.
Des modèles comme la Nissan Leaf et la Kia Soul EV sont des exemples typiques de systèmes de refroidissement par air. Actuellement, les batteries 48 V des véhicules micro-hybrides 48 V sont généralement placées dans l'habitacle et refroidies par air. Ce système de refroidissement est relativement simple, sa technologie est relativement éprouvée et son coût est faible. Cependant, la capacité d'évacuation de la chaleur par l'air étant limitée, son efficacité d'échange thermique est faible, l'homogénéité de la température interne de la batterie est médiocre et il est difficile d'obtenir un contrôle précis de sa température. Par conséquent, le refroidissement par air est généralement adapté aux véhicules légers et à faible autonomie.
Il convient de noter que, pour un système refroidi par air, la conception des conduits d'air joue un rôle primordial dans l'efficacité du refroidissement. On distingue principalement deux types de conduits d'air : les conduits en série et les conduits en parallèle. La structure en série est simple, mais offre une résistance thermique importante ; la structure en parallèle est plus complexe et plus encombrante, mais assure une dissipation thermique plus uniforme.
2. Système de refroidissement liquide
Le mode de refroidissement liquide signifie que la batterie utilise un liquide de refroidissement pour échanger de la chaleur (Réchauffeur de liquide de refroidissement PTCLe liquide de refroidissement se divise en deux catégories : ceux qui entrent en contact direct avec les cellules de la batterie (huile de silicone, huile de ricin, etc.) et ceux qui entrent en contact avec les cellules (eau et éthylène glycol, etc.) par l’intermédiaire de canaux d’eau. Actuellement, la solution mixte d’eau et d’éthylène glycol est la plus couramment utilisée. Le système de refroidissement liquide comprend généralement un refroidisseur couplé au cycle frigorifique, et la chaleur de la batterie est évacuée par le fluide frigorigène. Ses principaux composants sont le compresseur, le refroidisseur et…pompe à eau électriqueLe compresseur, source d'énergie pour la réfrigération, détermine la capacité d'échange thermique de l'ensemble du système. Le refroidisseur assure l'échange entre le fluide frigorigène et le liquide de refroidissement ; l'importance de cet échange thermique influe directement sur la température du liquide. La pompe à eau détermine le débit du fluide frigorigène dans la canalisation. Plus le débit est élevé, meilleures sont les performances de transfert thermique, et inversement.
Date de publication : 9 août 2024
