Gestion thermique des batteries de véhicules électriques : solutions et matériaux clés

TL ;DR

Des solutions efficaces de gestion thermique pour les boîtiers de batteries de véhicules électriques sont essentielles afin d'assurer la sécurité de fonctionnement, d'optimiser la performance et d'allonger la durée de vie de la batterie. Les principales stratégies impliquent des systèmes actifs tels que le refroidissement par air et par liquide, ainsi que des systèmes passifs utilisant des matériaux à changement de phase (MCP). Celles-ci s'appuient sur un écosystème sophistiqué de composants, incluant les matériaux d'interface thermique (MIT), les encapsulants et les revêtements diélectriques, tous travaillant ensemble pour dissiper la chaleur et éviter des événements catastrophiques de propagation thermique.

Le rôle critique de la gestion thermique dans les batteries de véhicules électriques

La nécessité d'une gestion thermique sophistiquée pour les batteries des véhicules électriques découle directement de la nature électrochimique des cellules lithium-ion (Li-ion) couramment utilisées. Ces batteries offrent une combinaison gagnante de haute densité énergétique et de longue durée de vie, mais leur chimie interne présente des défis thermiques importants. La solution électrolytique qui facilite le flux de charge électrique est généralement composée de composés organiques hautement inflammables, ce qui crée un risque d'incendie intrinsèque si elle n'est pas correctement maîtrisée. Il est donc essentiel de maintenir le bloc-batterie dans une plage de température optimale étroite, non seulement pour des raisons de performance, mais aussi pour assurer une sécurité fondamentale.

Le risque le plus grave est un phénomène connu sous le nom de déchaînement thermique. Il s'agit d'un événement en cascade qui peut commencer lorsqu'une cellule unique surchauffe en raison d'un court-circuit interne, d'une surcharge ou d'un dommage physique. Cette surchauffe initiale peut déclencher une réaction en chaîne, provoquant la surchauffe et la combustion des cellules adjacentes, entraînant un incendie qui se propage à l'ensemble du module ou du bloc. Ces incendies sont notoirement difficiles à éteindre et représentent un risque important pour la sécurité. Les systèmes efficaces de gestion thermique constituent la principale défense contre de tels événements, conçus pour dissiper la chaleur pendant le fonctionnement normal et isoler les cellules défectueuses afin d'empêcher la propagation.

Au-delà de la prévention des défaillances catastrophiques, la température a un impact considérable sur les performances quotidiennes et la longévité d'une batterie. Les hautes températures, même bien en dessous du seuil d'emballement thermique, accélèrent la dégradation chimique des composants de la batterie, réduisant la capacité de puissance et raccourcissant sa durée de vie effective. Inversement, des températures très basses peuvent entraîner des pertes de puissance et d'énergie, et dans des conditions de froid extrême, provoquer des dommages permanents ou une défaillance. Un système de gestion thermique bien conçu garantit que la batterie fonctionne dans sa plage de température idéale, maximisant ainsi l'efficacité, la vitesse de charge et la durée de vie globale.

Stratégies fondamentales de gestion thermique : une analyse comparative

Les solutions de gestion thermique pour les batteries de véhicules électriques sont globalement classées en systèmes actifs et passifs. Les systèmes actifs consomment de l'énergie pour fonctionner mais offrent des performances plus élevées, tandis que les systèmes passifs reposent sur les principes de la thermodynamique et ne nécessitent aucune alimentation externe. Le choix de la stratégie dépend des exigences de performance du véhicule, des objectifs de coût et de la densité de puissance du bloc-batterie.

Systèmes de Refroidissement Actif

Les systèmes actifs utilisent des composants mécaniques pour déplacer un fluide de refroidissement et transférer la chaleur loin du bloc-batterie. Les deux méthodes principales sont :

• Refroidissement par air : Il s'agit de la forme la plus simple de gestion active, utilisant des ventilateurs pour faire circuler de l'air autour des modules de batterie et à travers des canaux de refroidissement. Elle est relativement peu coûteuse et légère. Toutefois, son efficacité est limitée par la faible capacité thermique de l'air, ce qui la rend moins adaptée aux véhicules électriques hautes performances ou aux véhicules circulant dans des climats chauds où la température ambiante est élevée.
• Refroidissement Liquide : Il s'agit de la méthode la plus courante et la plus efficace pour les véhicules électriques modernes. Un liquide caloporteur, généralement un mélange d'eau et de glycol, circule à travers un réseau de tubes ou de plaques froides en contact avec les modules de batterie. Le liquide absorbe la chaleur provenant des cellules et la transporte vers un radiateur, où elle est dissipée dans l'environnement. Cette méthode offre un refroidissement supérieur et plus uniforme, mais ajoute de la complexité, du poids et un coût supplémentaire au système.

Systèmes de refroidissement passifs

Les systèmes passifs gèrent la chaleur sans composants motorisés, ce qui les rend plus simples et plus fiables, bien qu'ils soient souvent moins puissants que les systèmes actifs.

• Matériaux à changement de phase (MCP) Ces matériaux absorbent de grandes quantités de chaleur latente lorsqu'ils changent de phase, généralement de l'état solide à l'état liquide. Les MCP (matériaux à changement de phase) sont intégrés dans le bloc-batterie et absorbent la chaleur dégagée par les cellules, en fondant au cours du processus. Cela maintient la température des cellules stable. Lorsque la batterie se refroidit, le MCP se solidifie, restituant la chaleur stockée. Bien que très fiables, leur capacité est limitée, et ils conviennent mieux à la gestion de charges thermiques intermittentes qu'à un fonctionnement prolongé à haute puissance.

Comparaison des stratégies

Matériaux essentiels et composants dans les systèmes thermiques

L'efficacité de toute stratégie de gestion thermique repose sur un écosystème de matériaux spécialisés conçus pour transférer, bloquer ou gérer la chaleur et l'électricité à l'intérieur de l'enceinte de la batterie. Ces matériaux sont les héros méconnus qui permettent aux systèmes de refroidissement de fonctionner efficacement et en toute sécurité.

Matériaux d'Interface Thermique (TIMs) : Même les surfaces qui semblent lisses présentent des imperfections microscopiques créant des espaces d'air. Étant donné que l'air est un mauvais conducteur de chaleur, ces espaces entravent le transfert thermique. Les matériaux d'interface thermique (TIM) sont utilisés pour combler ces espaces entre une source de chaleur (comme une cellule de batterie) et un composant de refroidissement (comme une plaque froide), assurant ainsi un flux de chaleur efficace. Ces matériaux peuvent se présenter sous forme d'adhésifs thermiquement conducteurs, de remplissages injectables, de graisses ou de pads. L'utilisation de remplissages injectables au lieu de pads solides peut également contribuer à réduire le poids du véhicule, ce qui est essentiel pour maximiser l'autonomie.

Encapsulants : Ces matériaux, souvent des mousses de polyuréthane, ont une double fonction. Premièrement, ils assurent un soutien structurel, en intégrant l'ensemble de la batterie et en protégeant les cellules contre les chocs et les vibrations. Deuxièmement, et plus important encore, ils agissent comme une barrière ignifuge. En cas de défaillance thermique d'une cellule unique, un composé encapsulant ignifuge peut isoler l'événement, empêchant le feu et la chaleur intense de se propager aux cellules adjacentes. Cette maîtrise est cruciale pour permettre aux occupants du véhicule de s'évacuer en toute sécurité.

Revêtements diélectriques : Dans un environnement haute tension tel qu'un bloc-batterie, la prévention des arcs électriques est primordiale. Des revêtements diélectriques sont appliqués sur des composants tels que les barres collectrices, les plaques de refroidissement et les boîtiers des cellules afin d'assurer l'isolation électrique. Les revêtements avancés sont également conçus pour être thermiquement conducteurs, ce qui leur permet de contribuer à la dissipation de la chaleur tout en évitant les courts-circuits. Cette double fonctionnalité est essentielle pour concevoir des batteries compactes et à haute densité énergétique.

Matériaux isolants : Alors que certains matériaux sont conçus pour évacuer la chaleur, d'autres sont destinés à l'isoler. Des matériaux isolants à faible conductivité, tels que la mica, les papiers céramiques ou les aérogels, sont placés stratégiquement afin de protéger les cellules saines contre la chaleur dégagée par une cellule défectueuse voisine. Il s'agit là d'une autre stratégie clé pour empêcher la propagation de l'emballement thermique d'une cellule à l'autre, constituant un élément essentiel du système de sécurité multicouche de la batterie.

Intégration au niveau système : Conception de l'écosystème de l'enceinte de la batterie

La gestion thermique efficace ne repose pas sur un composant unique, mais sur un système global dans lequel les matériaux et les stratégies fonctionnent en synergie au sein de l'enceinte de la batterie. Cette approche intégrée, souvent appelée écosystème de gestion thermique, équilibre le besoin de conductivité thermique pour refroidir les cellules en fonctionnement normal et celui de l'isolation thermique pour les protéger lors d'un événement anormal, comme un emballement thermique. Chaque élément, de la chimie de la cellule à l'enceinte finale, joue un rôle.

La conception doit prendre en compte l'ensemble du trajet de transfert thermique. La chaleur doit circuler efficacement depuis le cœur de la cellule de batterie, à travers un matériau d'interface thermique (TIM), vers une plaque froide, puis finalement vers un radiateur. Parallèlement, le système doit empêcher cette même chaleur de se propager latéralement d'une cellule à une autre en cas de défaillance. Cela nécessite une sélection et une disposition minutieuses des matériaux, afin de créer une architecture thermique sophistiquée qui soit à la fois conductrice et isolante selon les besoins.

La conception structurelle de l'enceinte elle-même est fondamentale, car elle fournit la structure portante pour tous les composants thermiques et agit comme barrière ultime contre les agressions environnementales externes telles que l'humidité et le sel de voirie. Pour les projets automobiles exigeant des composants conçus avec une telle précision, envisagez des profilés aluminium sur mesure provenant d'un partenaire de confiance. Shaoyi Metal Technology propose un service complet clé en main , du prototypage rapide qui accélère votre processus de validation à la production à grande échelle, le tout géré dans le cadre d'un système qualité strictement certifié IATF 16949.

Enfin, une conception complète au niveau du système intègre également des stratégies de ventilation. Si une cellule venait à défaillir et à entrer en réaction thermique incontrôlée, elle libérerait une quantité importante de gaz chaud. Des dispositifs de ventilation contrôlés sont conçus pour permettre à ces gaz de s'échapper du bloc de manière maîtrisée, évitant ainsi une accumulation dangereuse de pression tout en protégeant les cellules adjacentes des éjectas chauds. L'intégration du refroidissement, de l'isolation, de l'intégrité structurelle et de la ventilation définit un boîtier de batterie pour véhicule électrique véritablement robuste et sûr.