Pourquoi le système de gestion thermique de la batterie est-il important ?

Cet article aborde la question de la système de gestion thermique de la batterie mentionné dans l'article précédent. Les cellules au lithium-ion préfèrent une plage de température très similaire à celle des humains, autour de 23 ℃. Le système de gestion thermique de la batterie règle la cellule à la bonne température en la refroidissant ou en la réchauffant.

Un système simple de gestion thermique de la batterie consiste à installer un échangeur de chaleur dans la batterie pour maintenir la cellule dans une plage de température constante. Il existe de nombreuses façons d'y parvenir, mais la méthode la plus courante consiste à transférer la chaleur de la cellule vers l'extérieur de la cellule par l'intermédiaire d'un médium.

Pourquoi un système de gestion thermique de la batterie est-il important ?

Pour la cellule, la température la plus appropriée est d'environ 23℃. Dans une batterie, il existe également une différence de température entre les cellules de la batterie. En général, le système de gestion thermique de la batterie doit maintenir la différence de température entre les cellules de la chaîne de batteries entre deux et trois degrés, et dans les pires conditions, la différence de température doit être contrôlée entre 6 et 8℃.

La gestion thermique est très importante, car une température élevée est une condition sensible qui accélère le vieillissement de la cellule. Lorsque la différence de température entre les cellules à l'intérieur du bloc-batterie est trop importante, la vitesse de vieillissement de chaque cellule est également très différente. Une cellule chaude vieillit généralement plus vite qu'une cellule froide, et la durée de vie d'un bloc-batterie dépend de la cellule la moins performante, de sorte qu'un déséquilibre de température réduit la durée de vie prévue du bloc-batterie.

Considérations relatives au système de gestion thermique de la batterie

Trois facteurs：type de batterie, environnement d'exploitation, état de la cellule

Les systèmes complexes de gestion thermique des batteries dépendent fortement de trois facteurs. Le premier facteur est le type de batterie utilisé. Une batterie de grande puissance produira beaucoup de chaleur, tandis qu'une batterie d'énergie en produira beaucoup moins. Le deuxième facteur est l'environnement dans lequel la batterie est utilisée.

Si la batterie est utilisée à des températures plus élevées, cela signifie qu'elle est déjà chaude lorsqu'elle commence à fonctionner. Le troisième facteur est l'état de la cellule elle-même. Les batteries de différents systèmes de matériaux ont des températures différentes.

Ces trois facteurs doivent donc être pris en compte lors de la conception d'un système de gestion thermique de la batterie.

Trois types d'échange de chaleur : conduction, convection et radiation

Entre-temps, trois types d'échange de chaleur doivent être pris en compte dans la conception de la batterie et du système de gestion thermique de la batterie : la conduction, la convection et le rayonnement. La conduction est le transfert direct de chaleur entre deux objets en contact ; la convection est le transfert de chaleur à travers un fluide en mouvement vers un dispositif d'absorption de chaleur.

Le rayonnement fait référence à la diffusion vers l'extérieur de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques ou de particules, généralement à travers un gaz ou le vide. Ces trois modes de transfert de chaleur doivent être pris en compte dans la conception du système, mais la conduction et la convection de la chaleur sont les principaux facteurs à prendre en compte dans la conception du système de gestion thermique de la batterie.

La cellule lithium-ion de la poche est montée avec l'unité de refroidissement à droite et l'étagère adjacente à gauche. La chaleur de la cellule est transmise à la plaque de refroidissement, puis au canal de refroidissement, par conduction thermique. Le fluide circulant dans le canal de la plaque de refroidissement évacue la chaleur par convection thermique.

La chaleur de la cellule est transmise au bus par conduction. Le cadre utilisé pour le support mécanique sur le côté gauche de la cellule n'a pas de contact direct avec la cellule, et la chaleur dans la cellule est transférée par radiation thermique.

Lorsque la cellule se décharge, elle génère de la chaleur qui est transférée au bus et aux autres composants connectés à la cellule par conduction thermique. Les systèmes de gestion thermique des batteries qui utilisent des liquides les chauffent ou les refroidissent par convection. De la même manière, la cellule peut être refroidie par convection en utilisant du gaz froid.

Les effets de la chaleur rayonnante ne peuvent être ignorés. Bien que la cellule chauffante ne soit pas directement connectée à d'autres cellules ou composants, elle peut être chauffée par rayonnement. De même, si le système de gestion thermique de la batterie n'est pas bien conçu, le composant électronique chauffant peut également affecter la cellule par rayonnement.

Régler la température du système de gestion thermique de la batterie

Les batteries au lithium-ion fonctionnent bien dans la plage de température 10-35 ℃, ce qui signifie que le maintien de la température du système de gestion thermique de la batterie doit être réglé dans cette plage de température. C'est également la température que le bloc-batterie doit maintenir dans la plupart des cas.

Dans cette plage de température, la batterie ne subit pas de réactions secondaires supplémentaires d'oxydation-réduction.

La plupart des batteries lithium-ion ne peuvent pas fonctionner en dessous de -20℃ ou au-dessus de 45℃. En dessous de -40℃, l'électrolyte se solidifie ou précipite des sels de lithium, l'impédance de la cellule augmente alors de manière significative, la mobilité des ions est faible, la capacité et la puissance de la cellule diminuent de manière significative.

Lorsque la température de la batterie dépasse 60℃, les matériaux de l'anode et de la cathode en état de charge deviennent instables.

La chaleur est un concept et un paramètre importants à utiliser dans la conception du système de gestion thermique des batteries. La chaleur est une sorte d'expression de l'énergie. Chaque objet de masse dans le bloc-batterie peut absorber de la chaleur, y compris tous les composants de la cellule de la batterie et du bloc-batterie. La quantité de chaleur absorbée par chaque objet est directement liée à sa masse et à sa capacité thermique spécifique (caractéristiques du matériau).

Par exemple, un bus en cuivre de même masse peut absorber plus de chaleur qu'un bus en plastique. Si la quantité de chaleur absorbée par l'objet dépasse le seuil d'un changement de phase ou d'une réaction, le matériau commence à se transformer. Les plastiques fondent ou brûlent, et les métaux fondent ou s'oxydent. À l'exception de certains composants électroniques en contact direct avec la source de chaleur, la chaleur n'est généralement pas un facteur important à prendre en compte lors de la conception.

Toutefois, dans le cas d'une batterie refroidie passivement ou en l'absence de dispositif de refroidissement, l'effet de la chaleur doit être estimé. S'il est appliqué dans des zones où les températures sont plus élevées, il peut s'avérer utile. Dans cet environnement, la batterie absorbe la chaleur de son environnement, ce qui oblige le système de gestion thermique de la batterie à travailler dur pour maintenir la température à un niveau bas.

Par exemple, en Arizona, la température ambiante en été est de 38-44 ℃ ou plus, et la batterie absorbe la chaleur de l'environnement. Un refroidissement actif est donc nécessaire pour réduire la température initiale élevée de la batterie à 23 ℃, améliorant ainsi les performances et la durée de vie du système de batterie.

L'évolution de l'emballement thermique

Si la température de la batterie est supérieure à 90℃, le séparateur à base de polymère a commencé à fondre et à être détruit, et entre 90~130℃le séparateur continuera à être détruit, jusqu'à ce que le court-circuit interne entre la cathode et l'anode, puis la cellule apparaîtra contrôle thermique.

En pratique, l'emballement thermique signifie que la cellule atteint une température suffisamment élevée pour produire sa propre chaleur, suivie d'une combustion ou d'une explosion (souvent appelée "désassemblage rapide").

Une fois que le cœur dépasse le seuil, il n'y a plus aucun moyen d'empêcher la chaleur spontanée et de provoquer un emballement thermique. Le seuil de température d'emballement thermique des différentes batteries lithium-ion est différent. Certaines batteries peuvent déclencher un emballement thermique à des températures basses, comme 120℃, tandis que d'autres peuvent dépasser 140℃.

L'emballement thermique commence par la décomposition des produits chimiques à l'intérieur de la cellule, suivie d'une série de réactions secondaires de dégagement d'oxygène, qui accélèrent la combustion continue de la cellule. Si la cellule est suffisamment étanche pour empêcher l'oxygène de l'air d'entrer en contact avec les matériaux combustibles de la cellule, la combustion ne se poursuivra pas lorsque l'oxygène à l'intérieur de la cellule sera épuisé.

Des études montrent que la température maximale peut dépasser 600~800℃ lorsque la chaleur est incontrôlable. La température spécifique dépend de la taille de la cellule et du nombre de cellules hors de contrôle. Il existe peu de moyens efficaces pour prévenir la défaillance des batteries lithium-ion causée par l'emballement thermique.

Les concepteurs essaient d'améliorer la sécurité du bloc-batterie autant que possible par la conception du système de gestion thermique de la batterie en isolant la cellule défaillante ou en évacuant le gaz généré par la cellule défaillante. Dans tous les cas, la gestion des défaillances des cellules nécessite une approche holistique du système. Mais jusqu'à présent, il n'existe aucun moyen efficace de prévenir la défaillance d'une cellule.

Termes relatifs au système de gestion thermique de la batterie

Nous devons également aborder brièvement certains termes liés à la conception et à l'essai du système de gestion thermique des batteries, en les décrivant d'abord un peu pour mieux comprendre ces concepts.

Adiabatique

Le premier terme est Adiabatique. Adiabatique est lié à la première loi de la thermodynamique. Dans ce contexte, adiabatique signifie qu'il n'y a pas d'échange de chaleur entre le monde extérieur et la batterie. Dans le domaine des batteries lithium-ion, les caractéristiques thermiques des cellules lithium-ion sont généralement testées dans des conditions adiabatiques.

La méthode consiste à placer la cellule dans une chambre chaude qui change de température de manière à rester à la même température que la cellule pendant le test. Il est ainsi possible de calculer avec précision la quantité de chaleur générée par la cellule dans un environnement donné.

Réactions exothermiques et réactions endothermiques

On parle également de "réactions exothermiques" et de "réactions endothermiques". Une réaction exothermique est une réaction qui libère de l'énergie dans l'environnement, ce qui le réchauffe. La réaction endothermique est une réaction qui absorbe la chaleur du milieu environnant et abaisse la température ambiante.

La grande majorité des batteries lithium-ion se déchargent (libèrent de l'énergie) par une réaction exothermique, ce qui nécessite un système de gestion thermique de la batterie pour traiter la chaleur générée.