Dans le contexte de l’Accord de Paris de 2015, qui prévoit une réduction de 80 % des gaz à effet de serre d’ici 2050, l’industrie automobile s’emploie avec ardeur à développer des véhicules « à zéro émission ». Cependant, après plus d’un siècle de monopole, le moteur à combustion n’est pas près de disparaître du jour au lendemain. L’industrie automobile n’a pas d’autre choix que d’explorer de nouvelles technologies pour tenter de réduire les émissions des moteurs à combustion.
Bien que l’objectif final soit des véhicules entièrement électriques, cette technologie est encore très onéreuse et les infrastructures ne sont pas adaptées à un déploiement massif. En revanche, l’hybridation offre une solution rentable et facile à mettre en œuvre, en particulier les véhicules électriques hybrides de 48 volts.
Bien que la mise en œuvre technique d’une alimentation à 48 V soit relativement simple, elle nécessite l’installation d’une batterie Li-ion conçue pour permettre le démarrage et le redémarrage du moteur à combustion, la récupération de l’énergie de freinage et l’assistance de couple pendant l’accélération. Cette source d’énergie électrique est particulièrement efficace, mais elle présente cependant plusieurs inconvénients, notamment une surchauffe pouvant entraîner un « emballement thermique » et même provoquer une combustion spontanée des cellules de la batterie.
L’emballement thermique est généralement causé par un courant excessif ou une température ambiante élevée. Ce phénomène progresse au cours de plusieurs phases :
- À partir de 80° C, la couche d’interphase à électrolyte solide (SEI) commence à se décomposer, ce qui produit une réaction entre l’électrolyte et l’anode. La chaleur générée par cette réaction provoque la décomposition des solvants organiques, libérant des gaz qui augmentent la pression à l’intérieur des cellules.
- En raison d’un manque d’oxygène, les gaz ne s’enflamment pas. Mais si la température dépasse 135° C, le séparateur se liquéfie et provoque un court-circuit entre l’anode et la cathode, entraînant la rupture de la cathode à oxyde métallique à 200° C et la libération d’oxygène permettant à l’électrolyte et à l’hydrogène de brûler.
Cette caractéristique des batteries Li-ion impose une gestion et un refroidissement appropriés de la batterie pour assurer un fonctionnement sûr et efficace dans les véhicules entièrement électriques.
Image 1: Système de refroidissement de batterie Porsche!
Source de l’image: Charged EVs
Déterminer les besoins en refroidissement des batteries Li-ion 48 V
Pour réguler la température des batteries Li-ion de 48 V (qui délivrent une puissance d’environ 1 000 Wh de plus que les autres batteries), les fabricants ont mis au point des systèmes sophistiqués de gestion thermique des batteries, qui intègrent souvent des dissipateurs thermiques refroidis par fluide pour assurer la stabilité thermique des cellules.
Cependant, avant de mettre en place un dissipateur thermique refroidi par fluide, il est important de déterminer et d’enregistrer la température et le profil de flux thermique des batteries à différents endroits du système. Ces données sont recueillies pendant les cycles de charge et de décharge des batteries à l’aide de thermocouples.
Une fois ces données collectées et analysées, les courbes de tendance sont extrapolées en fonction des données des flux thermiques, puis utilisées pour créer des équations pour le profil de flux thermique pendant les phases de charge et de décharge.
Après avoir déterminé le profil de flux thermique, une « moitié » de prototype de dissipateur thermique est créé à l’aide d’un logiciel de modélisation (tel que Creo Parametric 3D de PTC). Ce faisant, les canaux d’écoulement du fluide peuvent être définis pour créer les sections transversales des canaux de refroidissement le long des chemins critiques.
Un transfert de chaleur efficace nécessite un équilibre précis entre le débit, la pression et la température du fluide circulant dans les canaux du dissipateur. Il est donc essentiel d’optimiser les pressions d’entrée et de sortie afin de contrôler le débit du fluide de refroidissement à travers le dissipateur thermique.
L’importance des mesures de pression pour l’équilibrage thermique
Le différentiel de pression optimal pour un équilibrage thermique efficace est d’environ 0,008273709 bar. Par conséquent, les capteurs de pression utilisés pour mesurer les pressions du fluide dans les dissipateurs thermiques doivent offrir une précision et une stabilité irréprochables, dans une large plage de températures et de pressions.
Au cours de cette étape cruciale du développement, les constructeurs utilisent des capteurs de pression de haute qualité qui offrent des performances précises et constantes, disponibles uniquement auprès d’une petite sélection de fabricants.
Les mesures effectuées dans les dissipateurs thermiques permettent de définir les pressions maximales et minimales à différents débits, ce qui permet de comparer différents designs de canaux de circulation.
Comme défini dans l’équation de Bernoulli), la pression diminue à mesure que le débit augmente.
Pour cette raison, les ingénieurs optent pour des canaux plus larges avec un débit faible et davantage de passages sur la batterie, optimisant ainsi le transfert de chaleur des cellules au dissipateur.
Jusqu’à ce stade, les conceptions sont similaires à celles des batteries des véhicules 100% électriques. Mais dans le cas des véhicules hybrides à 48 V, le refroidissement de la batterie est généralement intégré au système de refroidissement du moteur afin de réduire le coût et la complexité, augmentant ainsi la charge thermique du système de refroidissement du moteur à combustion. Après avoir optimisé le refroidissement de la batterie, les ingénieurs doivent intégrer le dissipateur thermique au système de refroidissement du moteur à combustion.
Au cours de cette phase de conception, l’équipe de développement surveille toute modification de la pression différentielle sur le dissipateur thermique et mesure les chutes de pression sur l’ensemble du système de refroidissement, afin d’éviter que le refroidissement du moteur soit affecté de manière négative par l’inclusion du système de refroidissement de la batterie.
Une fois encore, pour que les ingénieurs soient en mesure de rechercher des différences s dans les lectures de pression, il est important que les capteurs de pression utilisés pour enregistrer ces valeurs soient stables et capables de fournir des valeurs reproductibles.
Bien que les circuits de refroidissement liquides des batteries 48 V augmentent la charge thermique des moteurs à combustion, une conception et un développement adaptés, en particulier en ce qui concerne la pression du système, améliorent considérablement la sécurité, la fiabilité et la durabilité des batteries Li-ion sans affecter le refroidissement du moteur.