Gestion thermique de la batterie Ev - essentielle pour les véhicules électriques

En fonctionnement normal, la batterie d'un véhicule électrique génère beaucoup de chaleur en raison de l'intercalation et de la désintercalation des ions lithium à l'intérieur de la batterie, du flux de courant dans la batterie et le bloc-batterie, et de diverses réactions secondaires minuscules dans la batterie.

Si la chaleur n'est pas évacuée dès que possible, elle s'accumule à l'intérieur du bloc-batterie, ce qui augmente la température de la batterie. Si le temps est trop long ou si la température dépasse la limite supérieure autorisée, la durée de vie de la batterie s'en trouvera sérieusement affectée, et la batterie pourra même être court-circuitée et exploser.

En outre, lorsque le première charge de la batterie lithium-ion se trouve dans un environnement à basse température, des dendrites de lithium apparaîtront. Les dendrites en croissance risquent de percer le séparateur et de court-circuiter la batterie.

Par conséquent, la qualité du système de gestion thermique de la batterie du véhicule électrique est directement liée aux performances de sécurité et aux performances de charge et de décharge du bloc-batterie.

Méthodes de gestion thermique des batteries de véhicules électriques

La recherche sur la technologie de gestion thermique des batteries de VE est actuellement principalement axée sur la manière d'exporter la chaleur générée par la batterie en cours de fonctionnement, de sorte que la batterie puisse fonctionner dans la plage de température optimale.

Les méthodes de refroidissement actuellement appliquées aux véhicules électriques purs sont principalement le refroidissement par air, le refroidissement par liquide et le refroidissement direct.

Parallèlement, l'application des matériaux à changement de phase dans la gestion thermique des batteries de véhicules électriques est également un domaine de recherche en plein essor. Les principaux types de refroidissement des batteries et l'état de la recherche sont présentés ci-dessous.

Refroidissement par air

Le refroidissement par air est la première technologie de refroidissement des batteries d'énergie à être utilisée. En fonction de la puissance du vent, il existe deux types de refroidissement par air naturel et de refroidissement par air forcé, et en fonction du canal d'air du système de refroidissement par air, il existe deux types de refroidissement en série et de refroidissement en parallèle, comme le montre le schéma ci-dessous.

L'avantage du système de refroidissement par air est que sa structure est plus simple que celle des systèmes de refroidissement par liquide et de refroidissement direct, et qu'il consomme moins d'énergie. Cependant, en raison de la disposition des canaux d'écoulement, le taux d'utilisation de l'espace est faible et il est difficile d'empêcher l'eau et la poussière de pénétrer dans l'appareil.

En outre, lorsque la température de l'air extérieur est trop élevée ou trop basse, le système de gestion thermique a du mal à répondre aux besoins, et le système de climatisation doit fournir de l'air pour le refroidissement.

Par conséquent, les performances de refroidissement du système à refroidissement par air sont difficiles à satisfaire et sont progressivement remplacées par des systèmes à refroidissement par liquide et à refroidissement direct.

Refroidissement par liquide

Le refroidissement par liquide est la méthode de refroidissement qui offre les meilleures performances globales. En fonction de la structure, le refroidissement par liquide peut être divisé en contact direct et contact indirect. Le type de contact direct consiste à immerger la batterie dans le liquide de refroidissement.

L'avantage est que l'effet d'échange thermique est excellent et que l'uniformité de la température est bonne, mais l'inconvénient est qu'il impose des exigences élevées en matière d'étanchéité et d'isolation de l'intérieur et de l'extérieur du bloc-batterie.

Le type de contact indirect consiste à créer un canal d'écoulement dans le bloc-batterie pour que le liquide de refroidissement s'écoule dans le canal d'écoulement. L'avantage est qu'il réduit les exigences en matière d'étanchéité et d'isolation.

La recherche actuelle sur le système de refroidissement liquide se concentre principalement sur l'optimisation de la plaque de refroidissement et la disposition de la plaque de refroidissement et de la batterie d'alimentation. Les 10 premières entreprises de batteries d'énergie au monde ont des plaques de refroidissement différentes.

Refroidissement direct

Le refroidissement direct consiste à introduire directement le réfrigérant du système de climatisation dans le bloc-batterie pour le refroidir, ce qui revient à utiliser la plaque de refroidissement du bloc-batterie comme évaporateur du système de climatisation.

Les avantages du système de refroidissement direct sont une grande efficacité, une réponse rapide et une grande capacité de refroidissement. Son inconvénient est principalement dû à la forte dépendance vis-à-vis du système de climatisation de la voiture.

En été, l'habitacle et le système de batterie nécessitent un refroidissement à haute puissance, ce qui entraîne une charge élevée pour le système de climatisation.

En hiver, l'habitacle doit être chauffé en permanence et la batterie doit être préchauffée puis refroidie, ce qui pose un problème au système de climatisation de la voiture. 

Refroidissement des matériaux à changement de phase

La méthode de gestion thermique du matériau à changement de phase consiste à placer le matériau à changement de phase dans le bloc-batterie et à utiliser sa chaleur latente élevée à changement de phase pour absorber la chaleur générée lorsque la batterie est déchargée.

Le plus grand avantage des matériaux à changement de phase est que leur structure et leur fonctionnement sont les plus simples, et que seules les batteries et les matériaux à changement de phase doivent être raisonnablement disposés dans le bloc-batterie.

L'ensemble du processus ne nécessite aucune intervention d'un système externe et l'uniformité de la température est excellente. En outre, le matériau à changement de phase est largement disponible et son prix est peu élevé. 

Les principaux inconvénients des matériaux à changement de phase sont les suivants : le volume et la masse des matériaux à changement de phase nécessaires sont importants, ce qui réduit la densité énergétique globale de la batterie.

Autres systèmes de gestion thermique

Outre le système de refroidissement mentionné ci-dessus, le refroidissement par caloduc est également une voie de recherche relativement populaire.

Le principe du caloduc est que le matériau dans le tube absorbe la chaleur et s'évapore dans la zone à haute température, et se dilate dans la zone à basse température pour produire un changement de volume, provoquant ainsi l'écoulement spontané du liquide dans le tube.

L'avantage du caloduc est que tant qu'il y a une différence de température suffisante entre les zones de haute et de basse température, il peut continuer à circuler spontanément, et l'efficacité du transfert de chaleur du caloduc est beaucoup plus élevée que celle des matériaux thermoconducteurs généraux mesurés en laboratoire.

Cependant, l'application actuelle des caloducs dans les systèmes de gestion thermique des batteries n'est pas parfaite, de sorte qu'ils n'ont pas été largement utilisés dans les véhicules électriques.

Chauffage de la batterie

En étudiant la manière de dissiper l'excès de chaleur à l'intérieur de la batterie, certains chercheurs ont remarqué que lorsque le véhicule électrique se trouve dans un environnement très froid ou à basse température, la durée de vie et la densité d'énergie de la batterie sont fortement affectées.

C'est pourquoi certains chercheurs s'intéressent également à la préservation de la chaleur et au chauffage du bloc-batterie.

L'orientation générale est la suivante : envelopper le matériau isolant à l'extérieur du bloc-batterie, placer des feuilles chauffantes électriques entre les batteries ou laisser le liquide de refroidissement chauffé circuler à l'intérieur du bloc-batterie pour compléter le chauffage de la batterie, etc.

Orientation future de la gestion thermique des batteries de véhicules électriques

Les technologies de chauffage et de refroidissement du système de gestion thermique des batteries de VE sont deux technologies importantes pour contrôler la température interne de la batterie, et sont également au centre de la recherche sur la gestion thermique des batteries de VE.

L'état d'avancement et l'orientation future du développement de la technologie de gestion thermique des batteries de véhicules électriques sont résumés ci-dessous :

(1) La technologie de refroidissement par air améliore l'effet de dissipation de la chaleur du système de refroidissement par air en contrôlant le volume et la pression de l'air, en modifiant la disposition du bloc-batterie et la largeur du conduit d'air.

(2) Lorsque le système de gestion thermique de la batterie du véhicule électrique adopte la technologie du caloduc, le système de gestion thermique de la batterie du véhicule électrique couplé au caloduc et au refroidissement par liquide a un grand potentiel de développement à l'avenir.

(3) Par rapport aux matériaux à changement de phase simples, les performances de dissipation de la chaleur du système de gestion thermique de la batterie du véhicule électrique utilisant des matériaux à changement de phase composites sont meilleures. La recherche sur l'association de matériaux à changement de phase et d'autres méthodes de refroidissement est plus importante à long terme ;

(4) Pour la technologie de chauffage interne, le taux de chauffage de la batterie et la sécurité peuvent être améliorés par une étude approfondie de la stratégie de contrôle actuelle.

Résumé

En résumé, le développement de la technologie de gestion thermique des batteries de véhicules électriques est essentiel pour garantir la sécurité et les performances des véhicules électriques.

Avec le développement de diverses méthodes de refroidissement telles que le refroidissement par air, le refroidissement par liquide, le refroidissement direct, le refroidissement par matériau à changement de phase et le refroidissement par caloduc, le système de gestion thermique des batteries de véhicules électriques peut être plus efficace et plus performant.

Dans le même temps, le chauffage des batteries est également un axe de recherche important. Dans l'avenir, la recherche et la conception de la gestion thermique des batteries de véhicules électriques.

Il est nécessaire non seulement d'améliorer le contrôle et l'uniformité de la température du système de gestion thermique, mais aussi de minimiser la masse du bloc-batterie et de réduire la consommation d'énergie.