Vous avez peut-être déjà vu des clips vidéo d’ordinateurs portables prenant feu sans raison apparente ou vous avez peut-être lu des articles concernant l’incendie de la Chevy Volt plusieurs semaines après un test de collision. Connus sous le nom d’« emballement thermique », ces occurrences des batteries au lithium-ion sont non seulement spectaculaires mais aussi extrêmement dangereuses.

L’emballement thermique, généralement causé par un courant excessif ou une température ambiante élevée, comprend 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. Cette réaction exothermique entraîne une rapide augmentation de la température.
• La température élevée provoque la décomposition des solvants organiques, ce qui entraîne la libération de gaz (normalement à partir de 110° C). Au cours de cette phase, la pression à l’intérieur des cellules s’accumule et la température dépasse le point critique. Cependant, les gaz ne s’enflamment pas en raison d’un manque d’oxygène.
• Enfin, à une température de 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 réaction est également exothermique et entraîne une rapide augmentation de la température et de la pression.
  
  Les batteries à refroidissement liquide comme solution à l’emballement thermique

  Pour réguler la température des cellules Li-ion à haute énergie des véhicules électriques, les constructeurs utilisent des systèmes de gestion thermique sophistiqués, intégrant souvent des dissipateurs de chaleur refroidis par fluide, permettant de contrôler les températures hautes et les températures basses.

  Toutefois, la mise en œuvre d’un dissipateur thermique efficace pour une batterie de véhicule électrique ou hybride impose de déterminer le profil de température et de flux thermique de la batterie en testant et en enregistrant les valeurs à plusieurs endroits. Ces tests sont effectués à l’aide de thermocouples pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie.

  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.

  Cependant, 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.

  
  Des mesures précises optimisent le transfert de chaleur

  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 excellente stabilité et une précison irréprochable , dans une large plage de températures et de pressions.

  Il n’existe que très peu de fabricants de capteurs de pression qui produisent des instruments capables d’exécuter cette tâche de manière fiable. Les fabricants qui fournissent des capteurs de pression aux équipes de développement du monde entier sont choisis en fonction des performances précises et cohérentes de leurs instruments de mesure.

  Les tests effectués avec ces capteurs de qualité servent à cartographier les pressions maximales et minimales à différents débits volumétriques, ce qui permet de comparer différentes conceptions de canaux d’écoulement.

  Comme défini dans l’équation de Bernoulli (où la vitesse au carré varie inversement à la pression), la chute de pression augmente de façon quadratique à mesure que le débit volumétrique 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.

  Grâce à des mesures de pression précises pendant la phase de développement, la dissipation de la chaleur par convection forcée améliore considérablement la sécurité, la fiabilité et la cyclabilité des batteries Li-ion.