Comment fonctionne le système de gestion thermique de la batterie ?
Dans les articles précédents, nous avons mentionné l'importance d'un système de gestion thermique de la batterie et les causes de l'échauffement de la batterie. Mais comment fonctionne un système de gestion thermique ? Cet article aborde cette question en détail. Le système de gestion thermique de la batterie peut être divisé en système de gestion thermique actif et système de gestion thermique passif.
Système de gestion thermique active
La gestion thermique active consiste à utiliser des gaz (y compris l'air), des liquides ou des réfrigérants pour circuler dans toutes les cellules de la batterie afin d'en abaisser la température. Le refroidissement par gaz et le refroidissement par liquide sont couramment utilisés à l'heure actuelle.
Refroidissement par gaz
Le refroidissement par gaz est l'utilisation d'un gaz de refroidissement qui traverse directement toutes les cellules de la batterie et les dispositifs électroniques afin de réduire la température du bloc-batterie. Normalement, un système de refroidissement par gaz nécessite un ventilateur, un conduit et un disque d'échange thermique. Le système de refroidissement par gaz réagit plus rapidement que le système de refroidissement par liquide et la masse journalière est plus petite, ce qui permet d'obtenir un rendement relativement élevé. En outre, un autre avantage du système de refroidissement à gaz est que l'air refroidi peut circuler directement à travers la cellule, sans angle mort. Le défaut du système de refroidissement par gaz est que la capacité d'absorption de la chaleur du gaz est généralement inférieure à celle du liquide, il est facile de chauffer les batteries dans le processus d'écoulement, de sorte que le gaz a une température basse près de la position et une température élevée près de la sortie de la position. Non seulement l'effet de refroidissement de la cellule dans cette position est faible, mais le gradient de température formé dans le canal par lequel le gaz s'écoule causera directement une température inégale de la cellule, ce qui entraînera des taux de vieillissement différents de la cellule et affectera la durée de vie de l'ensemble de la batterie.
Si l'air ambiant est utilisé comme gaz de refroidissement, on parle de système passif de refroidissement par air. Il est légèrement différent du système de refroidissement par gaz actif. D'une part, l'air doit être filtré pour éviter la poussière, la vapeur d'eau et d'autres pollutions à l'intérieur du bloc-batterie. D'autre part, la capacité de refroidissement est limitée à la réduction de la température à la température ambiante. Par exemple, si la température ambiante est de 30℃, le système de gestion thermique ne peut refroidir la batterie que jusqu'à 30 ℃, mais les systèmes de gestion thermique active peuvent généralement basculer entre les modes de refroidissement actif et passif.
Un autre problème lié au refroidissement par gaz est la difficulté de conception du système, qui entre en conflit avec la nécessité d'étanchéifier le bloc-batterie. Le système de refroidissement par gaz est généralement un système ouvert, ce qui rend difficile la conformité du bloc-batterie à la norme d'emballage IP69. Si la batterie se trouve à l'intérieur du véhicule, du bâtiment ou du conteneur, le problème de l'emballage est bien résolu, alors qu'il est difficile à résoudre si la batterie est installée à l'extérieur.
Refroidissement par liquide
Les liquides sont un autre moyen de refroidissement courant pour les systèmes de gestion thermique active, et sont généralement des mélanges 50/50 d'eau et d'éthylène glycol, le même liquide de refroidissement que celui utilisé dans les moteurs. Le système se compose d'un système de distribution intégré à la batterie, généralement avec un certain nombre de tuyaux et d'échangeurs de chaleur, et d'un certain nombre de plaques d'échange de chaleur réparties sur la surface de la cellule de la batterie. L'avantage du système de refroidissement par liquide est que la chaleur de la cellule peut être transférée rapidement et efficacement. Il peut également servir de système de chauffage pour fournir un flux de chaleur en réponse aux conditions froides de l'hiver. L'inconvénient de ce système est que la masse est relativement lourde et qu'il y a un risque de fuite. Le système de refroidissement liquide étant un système fermé, le problème de l'emballage est facilement résolu pour le bloc-batterie installé dans un environnement extérieur.
Dans une batterie équipée d'un système de refroidissement liquide, il existe deux façons de gérer la chaleur d'une cellule lithium-ion. La première consiste à utiliser des barrettes bien conductrices fixées directement à la cellule, puis à faire passer le liquide de refroidissement/chauffage directement à travers les barrettes. La seconde méthode consiste à utiliser une seule attelle pour permettre au liquide de circuler, avec une série de panneaux de refroidissement attachés à l'attelle. Au lieu de reposer directement sur les panneaux, les cellules sont attachées à ces panneaux.
Une autre classification des systèmes de gestion thermique est directe et indirecte. Parfois, le refroidissement direct fait référence au contact direct du fluide de refroidissement/chauffage avec la cellule, tandis que le refroidissement indirect fait référence au flux du fluide de refroidissement/chauffage à travers l'échangeur de chaleur qui est en contact direct avec la cellule. Dans la pratique, il est plus facile d'utiliser un système de refroidissement direct par air, où le système de gestion thermique peut être conçu pour pousser ou pomper de l'air à travers la cellule.
Systèmes de refroidissement
Les systèmes de refroidissement par liquide sont également une méthode de gestion thermique des batteries. Les systèmes de refroidissement présentent de nombreux avantages par rapport aux systèmes de refroidissement par liquide, mais leur coût est élevé. En revanche, ils éliminent le risque de fuite de liquide des batteries. Le groupe Behr (aujourd'hui Mahler International GMBH) est un exemple typique de l'introduction du liquide de refroidissement dans le système de refroidissement des batteries pour les véhicules hybrides et électriques purs.
Conduites de chaleur
Pour les grands systèmes de stockage d'énergie, les "caloducs" ont fait l'objet de discussions et d'évaluations en vue de leur utilisation dans divers types de systèmes de gestion thermique des batteries lithium-ion, mais il n'existe toujours pas de bonne solution pour équilibrer les performances et le coût. En principe, les caloducs combinent deux principes thermodynamiques pour transférer la chaleur : la conduction et la transition de phase. Un caloduc est un tube métallique contenant un liquide spécial. Lorsque le tube est chauffé, le liquide qu'il contient s'évapore en gaz jusqu'à l'autre extrémité du tube, qui redevient liquide lorsqu'il est refroidi. Les caloducs sont déjà utilisés dans les ordinateurs portables, mais pas dans les voitures ni dans les grands dispositifs de stockage d'énergie. Le principal problème des caloducs dans les voitures est que la chaleur dans la batterie d'une voiture est trop élevée. Lorsque tout le liquide est converti en gaz et ne peut être refroidi à temps, le système cesse de convertir la chaleur.
Refroidisseur de semi-conducteurs
Un autre dispositif de gestion thermique est un refroidisseur de semi-conducteur, le dispositif Peltier. Le dispositif Partie est non mécanique et se compose de deux types de matériaux différents. Lorsqu'un courant électrique circule d'un côté du dispositif, la chaleur est transférée d'un côté à l'autre, et cette synergie thermique aide la batterie à transférer la chaleur. Ce mode de fonctionnement est le système hybride de gestion thermique mentionné plus haut. Le système de gestion thermique hybride se compose de différents types de médias, tels que le liquide, l'air et d'autres médias de refroidissement, combinés au système de batterie. Par exemple, un ventilateur électrique peut être placé à l'intérieur d'une batterie ou d'un module pour faire circuler l'air à l'intérieur de la batterie, qui peut être combiné à un échangeur de chaleur (tel qu'un tuyau de support en aluminium ou un dispositif Partie) pour permettre à l'air de circuler sur la surface. Le liquide de refroidissement se trouve à l'extérieur de la batterie et l'équipement de transfert de chaleur refroidit le gaz circulant à l'intérieur de la batterie.
Perte de charge
La perte de charge doit être prise en compte dans la conception des systèmes de gestion thermique. La pression du fluide est différente à l'entrée et à la sortie. Le fluide peut être liquide ou gazeux, et la mesure de la pression que le système doit surmonter permet d'assurer un flux continu du fluide dans le système de refroidissement. Dans un système de refroidissement liquide, la perte de charge détermine la taille de la pompe sélectionnée et la vitesse à laquelle le fluide s'écoule, ce qui garantit que le fluide traverse le système de refroidissement. Dans un système de refroidissement par gaz, la perte de charge peut être sélectionnée en choisissant la taille du ventilateur et le débit pour s'assurer que le gaz circule dans le système.
Système passif de gestion thermique
La gestion thermique passive fait référence à la gestion de la température de la cellule sans introduire activement de gaz, de liquide ou de fluide de refroidissement dans le bloc-batterie. La gestion thermique passive peut être réalisée de plusieurs manières.
Utiliser l'emballage extérieur de la batterie
Une gestion thermique passive couramment utilisée consiste à utiliser l'emballage extérieur de la batterie pour assurer la conduction et la dissipation de la chaleur, c'est-à-dire que l'emballage en aluminium ou en acier inoxydable est utilisé pour transférer efficacement la chaleur de la cellule à l'enveloppe de la batterie, puis pour rayonner la chaleur dans l'environnement. Cette gestion thermique passive est efficace pour les batteries à faible taux de décharge car elles produisent moins de chaleur et chauffent moins vite.
Utiliser le dissipateur thermique
Une autre conception de refroidissement passif utilise le dissipateur thermique pour dissiper la chaleur générée par la batterie, puis utilise le flux d'air naturel généré par la voiture pour circuler passivement à travers le dissipateur thermique afin de refroidir la batterie.
Utiliser un matériau à changement de phase
Une autre méthode de refroidissement passif consiste à utiliser des matériaux à changement de phase (PCM). Les matériaux à changement de phase sont des matériaux qui absorbent la chaleur dans une certaine plage de température et changent ensuite de phase. Bien que le changement de phase ne se limite pas à la transformation solide-liquide, le changement de phase endothermique est généralement utilisé pour passer d'une phase solide à une phase liquide. Ou plus précisément, de la phase solide à la phase molle. Dans ces conceptions, un MCP est généralement un matériau solide, tel que la paraffine ou le graphite, qui peut être inséré dans une cellule. Lorsque la cellule se réchauffe, le PCM absorbe la chaleur et devient mou ou fondu. Le MCP est une bonne méthode de refroidissement car il peut absorber une grande quantité de chaleur par le biais de transitions de phase et il est relativement rentable. Mais le matériau a une température de fonctionnement maximale au-delà de laquelle il fond complètement et ne peut plus absorber de chaleur.
Avantages et inconvénients des systèmes de gestion thermique passive
L'inconvénient est que la réponse est relativement lente, que la vitesse de refroidissement est liée à la température ambiante et que la température de la cellule ne peut être réduite que jusqu'à la température ambiante.
Protection de la température et isolation
Un autre aspect du système de gestion thermique est l'intégration de panneaux d'isolation thermique dans la zone de concentration, qui vise à transférer et à égaliser la chaleur des composants externes et internes. En fonction de la conception du système de stockage d'énergie, de l'emplacement de l'installation et de la production de chaleur, il peut être nécessaire d'ajouter des plaques d'acier ou d'aluminium pour empêcher la chaleur rayonnante et l'éloigner des batteries lithium-ion. Il existe également des panneaux isolants plus perfectionnés, de type "sandwich", dans lesquels deux plaques métalliques sont séparées par un matériau isolant afin d'isoler la chaleur de certaines parties du système.
Dans certains systèmes, le boîtier de la batterie lui-même peut faire office de bouclier thermique sans qu'il soit nécessaire d'ajouter un bouclier thermique supplémentaire. L'isolation thermique est souvent utilisée pour maintenir la chaleur de la batterie à l'intérieur et à l'extérieur du boîtier du module. Les isolants thermiques sont utilisés dans ces systèmes pour deux raisons. En été et dans les environnements chauds, ils peuvent être utilisés pour protéger la batterie des températures ambiantes excessives. Dans les régions froides ou en hiver, ils permettent d'éviter les pertes de chaleur. Mais même dans ces systèmes, l'électronique doit être protégée de la chaleur de la batterie.
Thermocouple et mesure
La mesure de la température est la technologie clé dans la conception et la gestion du système de gestion thermique. La conductivité thermique de la cellule lithium-ion n'étant pas bonne, et l'objectif de la gestion de la température étant de contrôler la température de la cellule, la meilleure position pour mesurer la température réelle à l'intérieur de la cellule lithium-ion est donc théoriquement à l'intérieur de la cellule. Cependant, il est très difficile d'installer un capteur de température à l'intérieur d'une batterie, même s'il est incorporé dans la conception de la cellule, mais les risques de sécurité qui en résultent et l'augmentation des coûts de fabrication signifient qu'une telle conception devrait être utilisée au mieux pour la recherche plutôt que pour la production de masse. Par conséquent, la température mesurée par le système de gestion thermique du bloc-batterie est en fait la température de surface de la cellule de la batterie.
La position et le nombre de capteurs de température installés
Les capteurs de température sont généralement installés à trois endroits de la cellule : près de la borne, au centre de la surface et le plus loin de la borne. Un photothermistor peut représenter un coût important dans un système de gestion thermique pratique si la température de chaque cellule est mesurée à trois endroits. Par conséquent, deux ou trois capteurs de température sont généralement montés par module à peu près aux mêmes endroits que ceux où ils sont installés pour mesurer la température des cellules : un sur la première cellule du module, un au milieu du module et un à l'extrémité du module. Bien entendu, le nombre de capteurs à installer et l'endroit où les installer sont les questions les plus appropriées dans la conception du module, qui doivent être déterminées par des tests de caractérisation du module et une analyse de simulation CFD.
La fonction du capteur de température
Le capteur de température est un élément important du système de gestion thermique (TMS). Par exemple, il surveille la température des chaînes de batteries. Lorsque la température est trop élevée ou trop basse, le capteur de température communique avec le système de gestion thermique. En outre, les conceptions de refroidissement par liquide et par air nécessitent également des capteurs de température pour surveiller la température du liquide (ou du gaz) entrant et la température du liquide (ou du gaz) sortant. Dans ce cas, le capteur de température doit être installé dans le flash de la chaîne de batteries.
D'une manière générale, la température ambiante externe est différente de la température interne du système énergétique. De nombreuses spécifications indiquent que le système peut fonctionner dans une plage de température comprise entre 0 et 70 °C. Il ne s'agit pas de la température qui peut être atteinte à l'intérieur de la batterie, mais de la température de l'environnement externe dans lequel la batterie fonctionne. Le système de gestion thermique doit maintenir la cellule lithium-ion à une température de fonctionnement appropriée. Par conséquent, dans un environnement à température élevée, un système de refroidissement par air froid ou réfrigérant doit réduire la température de la cellule à environ 23°C. Dans les climats plus froids, des réchauffeurs sont nécessaires pour fournir un gaz ou un liquide chaud au bloc-batterie afin d'augmenter la température de fonctionnement de la batterie.
Deux types de capteurs de température
Les systèmes de batteries utilisent généralement deux types de capteurs de température : Les thermocouples (TC) et les NTC (Negaive Theral Coficients), qui mesurent la température à travers deux pièces de métal avec un ou plusieurs points de contact. Une tension est générée lorsque les deux pièces de métal sont à des températures différentes, de la même manière que Peltir fonctionne. La plage de température de mesure du thermocouple est relativement large, -180~1800℃, alors que la plage de mesure généralement utilisée est 0~1100℃.
Coefficient de température négatif
Coefficient de température négatif (CTN) La valeur de résistance de la thermistance diminue avec l'augmentation de la température. Les résistances NTC peuvent normalement être testées dans la plage de température de -50 ℃ à 150℃, mais pour certaines résistances NTC spéciales, telles que les cellules NTC revêtues de verre, elles peuvent fonctionner à 300℃. La plage de température, la durabilité, le coût, la stabilité et le rendement sont des critères importants pour la sélection du système de gestion thermique des batteries.
