Qu’est-ce que la gestion thermique de la batterie ?
Les batteries ont des caractéristiques similaires à celles des humains en ce sens qu’elles ne peuvent pas tolérer la chaleur ou le froid extrêmes, et que leur température de fonctionnement optimale se situe généralement entre 15 et 40 °C. Cependant, l’environnement de travail d’une voiture peut varier considérablement, des températures allant de -20 °C à 55 °C étant courantes. Alors, que peut-on faire dans de tels cas ? Une solution consiste à équiper la batterie d’un système de refroidissement pour réaliser trois fonctions de gestion thermique : refroidissement, chauffage et constance de la température.
Refroidissement : lorsque la température est trop élevée, la durée de vie de la batterie (dégradation de capacité) est réduite et le risque d’emballement thermique (surchauffe) augmente. Par conséquent, le refroidissement est nécessaire lorsque la température est trop élevée.
Chauffage : Lorsque la température est trop basse, la durée de vie de la batterie (dégradation de capacité) est réduite, ses performances s’affaiblissent et, en cas de charge, il existe un risque d’emballement thermique dû au placage au lithium provoquant des courts-circuits internes. Par conséquent, le chauffage (ou l’isolation) est nécessaire lorsque la température est trop basse.
Constance de la température : Vous souvenez-vous des climatiseurs que nous avions à la maison quand nous étions jeunes ? Ils commençaient par un souffle d’air froid, puis faisaient une pause. Cependant, les climatiseurs modernes ont souvent des fonctions de fréquence variable et de flux d’air surround pour maintenir la constance de la température dans le temps et dans l’espace. De même, les batteries d’alimentation doivent minimiser autant que possible les différences de température dans l’espace (pour s’assurer que la différence de température à l’intérieur des cellules de la batterie est aussi faible que possible).
L’impact des basses températures sur les véhicules et les batteries est bien connu. La batterie d’alimentation est le composant le plus critique d’un véhicule électrique et affecte ses performances dans tous les aspects : la distance qu’il peut parcourir, l’accélération maximale, la durée de vie et, bien sûr, la sécurité. De nombreux facteurs influencent les performances d’une batterie d’alimentation, la température étant le plus important. Les propriétaires de véhicules électriques des régions nordiques en particulier ont été confrontés aux défis posés par les basses températures. De nombreux premiers véhicules électriques verraient leur autonomie réduite à seulement 70 % en hiver. Certaines personnes hésitaient à allumer le chauffage pour éviter d’affecter le practice.
En réalité, les basses températures réduisent également la capacité de décharge de la batterie. La baisse de la température de la batterie supprime complètement la capacité de décharge de la batterie, ce qui affecte non seulement l’autonomie, mais aussi la puissance de sortie et la récupération d’énergie du véhicule, entre autres. Prenons l’exemple de la batterie lithium-ion courante : le principe de fonctionnement d’une batterie lithium-ion est essentiellement la réaction redox entre les électrodes positives et négatives internes et l’électrolyte. À basse température, le taux de réaction de l’intercalation du lithium dans le matériau tensioactif de l’électrode ralentit, la concentration d’ions lithium à l’intérieur du matériau actif diminue, ce qui entraîne une diminution du potentiel équilibré de la batterie, une augmentation de la résistance interne, une diminution de la capacité de décharge, et dans des conditions de température extrêmement basses, des phénomènes tels que le gel de l’électrolyte et l’incapacité de la batterie à se décharger peuvent se produire. Cela affecte considérablement les performances à basse température du système de batterie des véhicules électriques, ce qui entraîne une diminution des performances de sortie de puissance et une réduction de l’autonomie. De plus, dans les environnements à basse température, le dépôt de lithium est plus susceptible de se produire sur la surface de l’électrode négative pendant la charge, et l’accumulation de lithium métallique sur la surface de l’électrode négative peut perforer le séparateur de batterie, provoquant un court-circuit entre les électrodes positives et négatives, posant un risque pour la sécurité. Les problèmes de sécurité associés à la recharge à basse température dans les systèmes de batteries de véhicules électriques constituent des contraintes importantes à la promotion des véhicules électriques dans les régions froides.
Existe-t-il une technologie qui peut atténuer le problème ci-dessus ?
Sur la base des informations fournies, il est évident que l’absence de gestion thermique des batteries ou une mauvaise gestion thermique des véhicules électriques peut avoir un impact significatif sur leurs performances. Cependant, avec les progrès technologiques, la plupart des voitures électriques modernes sont équipées de systèmes de gestion thermique des batteries. L’objectif ultime de ces systèmes est de maintenir la température de la batterie dans la plage de fonctionnement optimale.
La gestion thermique de la batterie est nécessaire en fonction du type de batterie utilisé dans le véhicule, ainsi que du taux de génération de chaleur, de l’efficacité énergétique et de la sensibilité à la température de la batterie. La gestion thermique comprend à la fois le chauffage et la climatisation et est tout aussi importante. La technologie de préchauffage est un élément important de la gestion thermique de la batterie, visant à augmenter rapidement la température de la batterie à la température de fonctionnement optimale lorsqu’elle est basse. Il existe plusieurs méthodes courantes de chauffage des batteries, notamment :
- Auto-échauffement de la batterie : Cette méthode utilise la chaleur générée pendant le fonctionnement, la décharge ou la charge de la batterie pour augmenter la température de la batterie. Cependant, cette méthode a un effet de chauffage lent et est souvent insuffisante pour augmenter la température de la batterie avant l’utilisation du véhicule. Il n’est plus couramment utilisé dans les véhicules grand public et est plus répandu dans les premiers modèles ou les véhicules à bas prix.
- Chauffage par soufflage d’air : Pour être honnête, les batteries refroidies par air ne sont pas couramment vues sur le marché. Il a été rapporté que BYD a développé des batteries refroidies par air. Cette méthode consiste à utiliser la climatisation externe pour souffler de l’air chaud ou froid dans la batterie afin de contrôler la température. Cependant, cette technologie nécessite une conception stricte des conduits d’air à l’intérieur de la batterie, et l’effet de chauffage sur l’augmentation de la température de la batterie est relativement lent. De plus, s’il n’est pas bien conçu, il peut facilement entraîner une surchauffe localisée.
- Équipement de chauffage à l’intérieur de la batterie : Le système de chauffage se compose principalement d’éléments chauffants et de circuits, les éléments chauffants étant la partie la plus importante. Les éléments chauffants courants comprennent les éléments chauffants à résistance variable et les éléments chauffants à résistance constante. Le premier est souvent appelé PTC (coefficient de température positif), tandis que le second est généralement composé d’un film chauffant composé de fils chauffants métalliques, tels qu’un film chauffant en silicone ou un film chauffant électrique flexible. Les méthodes PTC ou film chauffant fournissent généralement de bons effets de chauffage et des vitesses de chauffage plus rapides. Cependant, il peut y avoir une augmentation inégale de la température dans la batterie, les cellules les plus proches de la source de chaleur connaissant des augmentations de température nettement plus élevées par rapport à celles plus éloignées. C’est particulièrement le cas avec les films chauffants qui sont en contact direct avec la surface du module de batterie, nécessitant certaines exigences pour la structure de dissipation thermique à l’intérieur de la batterie.
Le PTC est largement utilisé en raison de sa sécurité, de son efficacité de conversion thermique élevée, de son chauffage rapide, de l’absence de flammes nues et de son contrôle automatique de la température. Il a un coût inférieur, ce qui est avantageux pour les batteries de puissance actuelles à prix élevé. Cependant, les éléments chauffants PTC ont un volume plus important, occupant un espace important dans le système de batterie. Les films chauffants flexibles isolés sont un autre type de chauffage qui peut être plié pour s’adapter à la forme de l’objet chauffé, assurant un contact étroit et un transfert de chaleur maximal. Les films chauffants en silicone sont des éléments chauffants flexibles à surface mince, mais ils nécessitent un contact complet avec l’objet chauffé et leur sécurité est quelque peu inférieure à celle du PTC.
- Chauffage hydronique : Les batteries refroidies par liquide ont gagné en popularité dans les conceptions actuelles en raison de leur chauffage efficace, de leur dissipation thermique uniforme et de leurs caractéristiques de sécurité fiables. Dans la structure interne de la batterie, les canaux ou les voies d’eau sont généralement conçus pour faciliter la dissipation de la chaleur, assurant une distribution uniforme de la chaleur dans toute la batterie et obtenant une élévation uniforme de la température.
C’est le principe du chauffage de la batterie. De plus, je peux partager avec vous des informations privilégiées. Le prochain Xpeng P7, qui est actuellement en cours de développement, sera doté d’une nouvelle fonction de préchauffage de la station de charge par navigation en un clic. Il permet à votre véhicule de préchauffer la batterie pendant qu’il se dirige vers une station de supercharge. La puissance de chauffage est ajustée en fonction de la distance fournie par le système de navigation. Cela garantit que la batterie est à la température optimale lorsqu’elle arrive à la station de charge, prête pour la suralimentation.
Les principaux scénarios et caractéristiques du préchauffage des batteries sont principalement axés sur l’hiver dans les villes du nord. Les principaux scénarios d’utilisation comprennent à la fois les situations de décharge et de charge. Lorsqu’un véhicule est stationné dans un environnement froid pendant un certain temps, puis démarré, la température de la batterie est généralement basse, ce qui affecte considérablement l’expérience de conduite. Si le véhicule se rend ensuite à une station de recharge pour la recharge, cela a également un impact considérable sur l’efficacité de la charge. Par conséquent, un étalonnage détaillé de la température est nécessaire pour les stratégies de démarrage et d’arrêt du préchauffage de la batterie afin d’obtenir des résultats optimaux sans gaspiller de ressources tout en répondant aux scénarios d’utilisation des clients. Cela teste également les capacités d’intégration et de correspondance du constructeur automobile.
L’effet « barillet » de la batterie d’alimentation, où les performances et la fiabilité du système de batterie dépendent de la cellule la plus faible et la sécurité du système de la cellule la moins stable, détermine que seules les batteries ayant une meilleure constance de température peuvent démontrer les meilleures performances. C’est pourquoi la plupart des batteries sont conçues avec un refroidissement liquide.
En effet, il y a beaucoup plus de détails et de points à explorer concernant la technologie de préchauffage de la batterie. Parmi les exemples, citons la dissipation thermique pour les batteries de forme carrée, les plages de température de fonctionnement optimales pour différents matériaux de cellules, l’intégration de la gestion thermique de l’habitacle avec la gestion thermique de la batterie, l’optimisation de la structure de la batterie, etc. Chacun de ces sujets mérite une recherche approfondie.
