1. Caractéristiques des batteries au lithium pour véhicules à énergies nouvelles
Les batteries au lithium présentent principalement l'avantage d'un faible taux d'autodécharge, d'une densité énergétique élevée, d'une longue durée de vie et d'un rendement élevé. Utiliser des batteries au lithium comme source d'énergie principale pour les véhicules à énergies nouvelles équivaut à disposer d'une source d'énergie performante. Par conséquent, dans la composition des principaux composants des véhicules à énergies nouvelles, le pack de batteries au lithium, et plus particulièrement les cellules de ces batteries, est devenu un élément central et essentiel à la fourniture d'énergie. Le fonctionnement des batteries au lithium est soumis à certaines exigences environnementales. D'après les résultats expérimentaux, la température optimale de fonctionnement se situe entre 20 °C et 40 °C. Au-delà de cette limite, les performances et la durée de vie de la batterie au lithium sont fortement réduites. À l'inverse, une température trop basse entraîne une chute brutale de la capacité et de la tension de décharge.
Si la température ambiante est trop élevée, le risque d'emballement thermique de la batterie au lithium augmente considérablement. La chaleur interne se concentre alors en un point précis, provoquant de graves problèmes d'accumulation thermique. Si cette chaleur ne peut être évacuée correctement, et compte tenu de la durée de fonctionnement prolongée de la batterie, le risque d'explosion est accru. Ce danger représente une menace importante pour la sécurité des personnes. C'est pourquoi les batteries au lithium doivent être équipées de dispositifs de refroidissement électromagnétiques afin d'améliorer la sécurité globale du système pendant son fonctionnement. Ainsi, pour contrôler la température des batteries au lithium, les chercheurs doivent utiliser judicieusement des dispositifs externes pour évacuer la chaleur et maintenir une température de fonctionnement optimale. Une fois la température maîtrisée, la sécurité de conduite des véhicules à énergies nouvelles sera quasiment assurée.
2. Mécanisme de génération de chaleur de la batterie au lithium alimentant les véhicules à énergies nouvelles
Bien que ces batteries puissent servir de sources d'énergie, leurs différences sont plus marquées lors de leur utilisation concrète. Certaines présentent des inconvénients majeurs, obligeant les constructeurs de véhicules à énergies nouvelles à faire un choix éclairé. Par exemple, la batterie au plomb-acide fournit une puissance suffisante pour les moteurs de moyenne puissance, mais son fonctionnement engendre d'importants dommages environnementaux, irréversibles. C'est pourquoi, afin de préserver l'environnement, les batteries au plomb-acide sont interdites. Les batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) ont connu un développement important : leur technologie a mûri et leur champ d'application s'est étendu. Cependant, comparées aux batteries au lithium, elles présentent des inconvénients plus évidents. Par exemple, la maîtrise des coûts de production des batteries NiMH est difficile pour les fabricants de batteries classiques. De ce fait, leur prix reste élevé. Les marques de véhicules à énergies nouvelles, soucieuses de leur rapport qualité-prix, hésitent souvent à les utiliser comme composants. Plus important encore, les batteries Ni-MH sont beaucoup plus sensibles à la température ambiante que les batteries au lithium et présentent un risque d'incendie plus élevé en cas de fortes chaleurs. Après de nombreux tests comparatifs, les batteries au lithium se distinguent et sont désormais largement utilisées dans les véhicules à énergies nouvelles.
La capacité des batteries au lithium à alimenter les véhicules à énergies nouvelles tient précisément à la présence de matériaux actifs dans leurs électrodes positive et négative. Lors du processus continu d'insertion et d'extraction de ces matériaux, une grande quantité d'énergie électrique est produite. Selon le principe de conversion énergétique, cette énergie électrique est convertie en énergie cinétique, fournissant ainsi une puissance importante aux véhicules à énergies nouvelles, permettant leur propulsion. Parallèlement, lors de la réaction chimique au sein de la cellule de la batterie au lithium, celle-ci absorbe et libère de la chaleur, assurant ainsi la conversion énergétique. De plus, l'atome de lithium étant mobile, il se déplace continuellement entre l'électrolyte et la membrane, et présente une résistance interne de polarisation.
Désormais, la chaleur sera également dissipée correctement. Cependant, la température autour de la batterie au lithium des véhicules à énergies nouvelles est trop élevée, ce qui peut facilement entraîner la décomposition des séparateurs positif et négatif. De plus, la batterie au lithium de ces véhicules est composée de plusieurs modules. La chaleur générée par l'ensemble de ces modules dépasse largement celle d'une seule batterie. Lorsque la température dépasse un seuil prédéfini, la batterie présente un risque d'explosion extrêmement élevé.
3. Technologies clés du système de gestion thermique des batteries
Le système de gestion des batteries des véhicules à énergies nouvelles a fait l'objet d'une attention particulière tant au niveau national qu'international, donnant lieu à de nombreuses recherches et aboutissant à des résultats significatifs. Cet article se concentrera sur l'évaluation précise de la capacité restante des batteries des véhicules à énergies nouvelles, le système de gestion thermique des batteries, la gestion de l'équilibrage des batteries et les technologies clés mises en œuvre.système de gestion thermique.
3.1 Méthode d'évaluation de la puissance résiduelle du système de gestion thermique de la batterie
Les chercheurs ont consacré beaucoup d'énergie et d'efforts à l'évaluation de l'état de charge (SOC), principalement en utilisant des algorithmes de traitement de données scientifiques tels que la méthode intégrale ampère-heure, la méthode des modèles linéaires, la méthode des réseaux de neurones et la méthode du filtre de Kalman pour réaliser de nombreuses simulations. Cependant, des erreurs de calcul surviennent fréquemment lors de l'application de cette méthode. Si ces erreurs ne sont pas corrigées à temps, l'écart entre les résultats de calcul s'accroît. Afin de pallier ce défaut, les chercheurs combinent généralement la méthode d'évaluation d'Anshi avec d'autres méthodes pour les valider mutuellement et obtenir ainsi les résultats les plus précis. Grâce à ces données précises, ils peuvent estimer avec exactitude le courant de décharge de la batterie.
3.2 Gestion équilibrée du système de gestion thermique de la batterie
La gestion de l'équilibrage du système de gestion thermique des batteries sert principalement à coordonner la tension et la puissance de chaque composant du système. Lorsque différentes batteries sont utilisées dans différents composants, la puissance et la tension diffèrent. La gestion de l'équilibrage permet alors de corriger ces différences et d'éviter toute incohérence. La technique de gestion de l'équilibrage la plus répandue actuellement est la suivante :
Elle se divise principalement en deux types : l’égalisation passive et l’égalisation active. Du point de vue de l’application, les principes de mise en œuvre de ces deux méthodes d’égalisation sont assez différents.
(1) Équilibrage passif. Le principe de l'équilibrage passif repose sur la relation de proportionnalité entre la puissance et la tension de la batterie. À partir des données de tension d'une chaîne de batteries, la conversion entre les deux est généralement réalisée par décharge résistive : l'énergie d'une batterie de forte puissance génère de la chaleur par échauffement résistif, puis se dissipe dans l'air pour compenser les pertes d'énergie. Cependant, cette méthode d'équilibrage n'améliore pas le rendement de la batterie. De plus, si la dissipation thermique est inégale, la batterie ne pourra pas assurer sa régulation thermique en raison du risque de surchauffe.
(2) Équilibrage actif. L'équilibrage actif est une version améliorée de l'équilibrage passif, qui en corrige les inconvénients. Du point de vue du principe de fonctionnement, l'équilibrage actif diffère totalement de l'équilibrage passif : il repose sur un concept novateur, au lieu de convertir l'énergie électrique de la batterie en énergie thermique et de la dissiper. Ainsi, l'énergie de la batterie à haute énergie est transférée vers celle à basse énergie. De plus, ce type de transfert respecte le principe de conservation de l'énergie et présente les avantages suivants : faibles pertes, rendement élevé et rapidité. Cependant, la structure de gestion de l'équilibrage est relativement complexe. Un mauvais contrôle des points d'équilibrage peut entraîner des dommages irréversibles au pack de batteries, dus à une taille excessive. En résumé, l'équilibrage actif et l'équilibrage passif présentent chacun des avantages et des inconvénients. Pour des applications spécifiques, le choix dépendra de la capacité et du nombre de batteries lithium-ion. Les batteries au lithium de faible capacité et de faible nombre conviennent à une gestion d'égalisation passive, tandis que les batteries au lithium de forte capacité et de grand nombre conviennent à une gestion d'égalisation active.
3.3 Les principales technologies utilisées dans le système de gestion thermique de la batterie
(1) Déterminer la plage de température de fonctionnement optimale de la batterie. Le système de gestion thermique sert principalement à réguler la température autour de la batterie. Afin d'assurer son efficacité, la technologie clé développée par les chercheurs est essentielle pour déterminer la température de fonctionnement optimale de la batterie. Tant que la température de la batterie est maintenue dans une plage appropriée, la batterie au lithium fonctionne de manière optimale et fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement des véhicules à énergies nouvelles. Ainsi, les performances des batteries au lithium des véhicules à énergies nouvelles sont toujours optimales.
(2) Calcul de la plage thermique et prédiction de la température de la batterie. Cette technologie repose sur de nombreux calculs de modélisation mathématique. Les scientifiques utilisent des méthodes de calcul appropriées pour déterminer la différence de température à l'intérieur de la batterie et s'en servent comme base pour prédire son comportement thermique.
(3) Choix du fluide caloporteur. Les performances supérieures du système de gestion thermique dépendent du choix du fluide caloporteur. La plupart des véhicules à énergies nouvelles actuels utilisent l'air/liquide de refroidissement comme fluide de refroidissement. Cette méthode de refroidissement est simple à mettre en œuvre, peu coûteuse à fabriquer et permet d'atteindre efficacement l'objectif de dissipation de la chaleur de la batterie.Réchauffeur d'air PTC/Réchauffeur de liquide de refroidissement PTC)
(4) Adopter une conception de ventilation et de dissipation thermique parallèle. Cette conception, qui consiste à ventiler et à dissiper la chaleur entre les packs de batteries au lithium, permet d'optimiser le flux d'air et de le répartir uniformément entre les packs, réduisant ainsi efficacement les différences de température entre les modules de batteries.
(5) Sélection du ventilateur et du point de mesure de la température. Dans ce module, les chercheurs ont réalisé de nombreux calculs théoriques à partir d'expériences approfondies, puis ont utilisé des méthodes de mécanique des fluides pour déterminer la consommation électrique du ventilateur. Ils ont ensuite eu recours à la méthode des éléments finis pour identifier le point de mesure de température le plus approprié afin d'obtenir des données précises sur la température de la batterie.
Date de publication : 10 septembre 2024
