Efficacité accrue grâce aux secrets du système de gestion thermique de la batterie

Introduction

Qu'est-ce qu'un système de gestion thermique de la batterie ?

Pourquoi le contrôle de la température n'est pas négociable

• Performance Optimisation: Dans une plage de température optimale, une batterie donne le meilleur d'elle-même. À des températures trop basses, la résistance interne augmente, ce qui réduit la puissance générée, la quantité de charge et la quantité d'énergie. D'autre part, les températures élevées peuvent accélérer les réactions chimiques, ce qui peut entraîner une perte de capacité et augmenter le risque d'emballement thermique. Un exemple est celui d'une batterie lithium-ion qui, à basse température (0 °C), peut fournir la moitié de sa capacité par rapport à une température élevée (25 °C), et qui, fonctionnant à haute température (50 °C), peut avoir une durée de vie de quelques pour cent seulement par rapport à une température plus basse. Il est donc possible de maximiser le rendement en veillant à ce que le contrôle de la température de la batterie soit uniforme.
• L'allongement de la durée de vie : La température de la batterie est probablement le facteur le plus crucial en termes d'influence sur la dégradation de la batterie. Une augmentation de la température catalyse les réactions secondaires parasites dans la batterie, ce qui entraîne une dégradation permanente de la capacité. Une plage de température de fonctionnement stable est une condition idéale et peut augmenter de manière significative le calendrier et la durée de vie de la batterie. La littérature indique qu'une augmentation de 10°C au-dessus des meilleurs niveaux de température (par exemple, 25°C à 35°C) peut réduire de moitié la durée de vie de la batterie. Les systèmes modernes de gestion des batteries surveillent de près ces variables en vue d'une durabilité à long terme.
• Sécurité Assurance : Malheureusement, l'effet le plus pernicieux d'une mauvaise gestion thermique est l'emballement thermique. Il s'agit d'une boucle de rétroaction positive dans laquelle une hausse de température, même minime, entraîne une hausse de température encore plus importante, qui se traduit souvent par un incendie ou une explosion. La principale défense contre de tels incidents est un BTMS solide, qui contrôle en permanence les températures et prend rapidement des mesures pour éviter les incidents. Le fait de maintenir toutes les cellules d'un pack à une température égale élimine également la possibilité qu'une cellule donnée devienne un point chaud qui précède souvent l'emballement thermique.
• Enablement Fast Charging (charge rapide) : Avec la nouvelle tendance à une charge plus rapide, les batteries sont soumises à une charge thermique considérable. Les valeurs élevées du courant de charge produisent beaucoup de chaleur. À moins qu'il n'y ait un BTMS fonctionnel pour évacuer cette chaleur de manière pratique et rapide, le potentiel de charge rapide souhaitant une performance à long terme de la batterie serait extrêmement réduit en raison de la dégradation prématurée de la batterie ou même de son explosion. Ces systèmes permettent aux batteries de se charger à grande vitesse tout en étant capables de générer moins d'énergie, et la sécurité n'est pas affectée par le contrôle intelligent de la température de la batterie.

Composants clés et considérations de conception

Matériel essentiel dans le SGTB

• Plaques/plateaux de refroidissement : Elles sont normalement placées en connexion directe avec les cellules ou les modules de la batterie et constituent le principal moyen d'échange de chaleur. Ils peuvent être directement en contact ou utiliser un matériau d'interface thermique. Des matériaux à haute conductivité thermique peuvent également être utilisés pour garantir une évacuation efficace de la chaleur vers les surfaces critiques des cellules.
• Pompes et ventilateurs : jouent un rôle important en poussant les fluides de refroidissement (dans le cas des systèmes liquides) ou l'air (systèmes refroidis par air) à travers la boucle de gestion thermique. Grâce à leur efficacité et à leur fiabilité, ils jouent un rôle primordial dans le transfert de la chaleur générée par le fonctionnement de l'appareil.
• Échangeurs de chaleur Radiateurs : Il s'agit de dispositifs qui provoquent la libération de la chaleur du fluide de refroidissement dans le milieu environnant, transformant ainsi l'énergie thermique perdue dans la batterie et maintenant le taux d'utilisation de l'énergie électrique.
• Chauffages: Dans les climats froids, le préchauffage est nécessaire, à la fois pour s'assurer que la batterie est à sa température de fonctionnement optimale au départ et pour garantir une efficacité de charge optimale lorsqu'elle est nécessaire, comme pour le démarrage à froid et la charge à froid.
• Capteurs de température : Un réseau de capteurs de température, de tension et de courant fournit des données en temps réel au contrôleur BTMS, ce qui permet une surveillance précise et une réponse rapide aux événements thermiques. Cela permet également de maintenir une distribution uniforme de la température, ce qui est essentiel pour prolonger la durée de vie de la batterie.
• Vannes - Tuyaux / conduits : Ils permettent de réguler la circulation du fluide de refroidissement ou de l'air dans le système et de distribuer la chaleur là où elle doit aller, ce qui permet de contrôler les types localisés de problèmes de transfert de chaleur.
• Matériaux d'interface thermique (MIT) : Les matériaux appliqués à l'interface entre les composants chauffés (par exemple, les éléments de batterie) et les dissipateurs de chaleur ou les plaques de refroidissement peuvent comprendre des pâtes thermiques, des matériaux de remplissage ou des tampons, et contribuent à améliorer la conductivité thermique des interfaces cibles et à réduire l'ampleur de la résistance thermique. Les MIT sont importants pour l'uniformité de la température dans le module.

Relever les défis de la conception des SMTB

• Consommation d'énergie (pertes parasites) : Les systèmes de refroidissement et de chauffage consomment de l'énergie électrique, ce qui peut affecter l'efficacité d'un VE en général et la production nette d'énergie d'un SSE. Il est donc très important de rendre les composants efficaces (par exemple, des pompes et des ventilateurs à haut rendement).
• Complexité et intégration des systèmes : Les BTMS sont potentiellement complexes (ils peuvent comporter de nombreuses boucles fluidiques, des capteurs et des systèmes de contrôle). La capacité d'incorporer facilement ces systèmes dans une batterie ou un véhicule très compacts, associée à la capacité de les entretenir, est un défi pour l'ingénierie d'une telle unité.
• Poids et Volume: Un BTMS contribue à l'augmentation du poids et du volume de la batterie, ce qui entraîne un désavantage au niveau de la densité énergétique et des performances du véhicule. Les concepteurs veulent toujours utiliser des solutions plus légères et plus petites qui offrent une conductivité thermique élevée.
• Coût : Les matériaux nécessaires à la fabrication de BTMS haute performance sont spécialisés, le processus de production est compliqué et les systèmes de contrôle sont sophistiqués, ce qui se traduit par un coût d'exploitation élevé. isto, levantagens. La recherche d'un compromis entre performance et rentabilité est une variable essentielle au déploiement à grande échelle, en particulier dans les diverses classifications primaires des applications des batteries.
• Uniformité de la température : Il est très difficile d'avoir la même température pour toutes les cellules d'une grande batterie. Cela peut entraîner une dégradation inégale, car les points chauds ou froids peuvent réduire la durée de vie totale de la batterie. L'exigence associée à ce défi est l'utilisation de canaux thermiques innovants, de TIM à haute performance et d'une gestion précise des flux pour assurer une distribution uniforme de la température.
• Maintenance et la fiabilité : Les composants du SMTB, en particulier ceux qui sont associés à la circulation des fluides, doivent être conçus pour être fiables et faciles à entretenir aujourd'hui et à l'avenir. La défaillance d'un composant peut être préjudiciable à l'efficacité du système de batterie et peut être due à une fuite ou à d'autres facteurs.

Différents types de SMTB

Systèmes de refroidissement actifs

• Refroidissement de l'air: C'est le moins cher et le plus simple, en plus d'être le plus efficace. Il dissipe sa chaleur dans l'air ambiant, qui est généralement déplacé par des ventilateurs ou des soufflantes. L'exploitation de l'efficacité du flux d'air est le principal facteur à prendre en considération pour atteindre des performances maximales. Elle est déjà appropriée dans les petites batteries à faible densité de puissance (par exemple, dans certaines voitures hybrides ou certains véhicules électriques légers), mais ne peut pas être pleinement efficace dans les applications de charge rapide à haute puissance en raison de sa faible conductivité thermique. Ses aspects positifs sont sa simplicité, son faible poids et la possibilité d'absence de fuite.
• Refroidissement liquide : C'est la forme la plus répandue de refroidissement actif des batteries de grande puissance (par exemple, la tendance actuelle des VE, les ESS de grande puissance). On utilise des liquides de refroidissement (par exemple, des mélanges glycol-eau, des fluides d'aviation), qui sont beaucoup plus thermoconducteurs que l'air et plus efficaces pour manipuler les batteries à l'état liquide pendant l'opération. Le refroidissement par liquide peut se faire de deux manières :
  • Refroidissement indirect par liquide : Une solution de refroidissement indirect par liquide comprendrait un circuit de refroidissement à l'intérieur du refroidisseur à diffusion de plaques ou de tubes froids. Les cellules ne sont jamais en contact direct avec le liquide de refroidissement. C'est le moyen le plus répandu et il fait normalement partie d'un circuit de refroidissement plus important autour d'autres unités telles que des radiateurs ou des refroidisseurs.
  • Refroidissement par immersion directe : Le refroidissement par immersion directe implique l'immersion directe des éléments de batterie dans un liquide de refroidissement diélectrique non conducteur. Le transfert de chaleur et l'homogénéité de la température sont plus élevés, et un contrôle précis nécessite des fluides diélectriques spéciaux et un scellement approprié.
• Refroidissement par réfrigérant (refroidissement par détente directe) : Comme un système de climatisation, le système refroidit la batterie, en la refroidissant directement à l'aide d'un réfrigérant. Il est capable d'offrir un refroidissement et un chauffage puissants, mais cela implique une complexité et un coût supplémentaires.

Refroidissement passif

• Convection naturelle et rayonnement : La manipulation simple du transfert de chaleur par les courants d'air, ainsi qu'un type de chaleur appelé lumière infrarouge, est rayonnée par la surface de la batterie. Les performances sont faibles en cas de fortes charges thermiques, mais des matériaux thermoconducteurs peuvent augmenter le niveau de transfert de surface.
• Dissipateurs de chaleur : Cadres métalliques à grande surface qui font circuler la chaleur dans l'air ambiant par des moyens passifs. Les dissipateurs de chaleur sont souvent utilisés en combinaison avec d'autres techniques de refroidissement et peuvent être associés à des caloducs, des récipients hermétiques tirant parti à la fois de la transition de phase et de la force capillaire pour transporter la chaleur hors des points chauds.
• Changement de phase (PCM) : Matériaux capables d'absorber une énorme quantité de chaleur latente lors d'une transition de phase (par exemple, de solide à liquide) à une certaine température et de restituer une quantité équivalente de chaleur lorsque la transition de phase s'effectue dans la direction opposée. Ils sont capables d'absorber des pics de température élevés et de maintenir la batterie dans des limites raisonnables pendant une durée plus courte. Associés au fait qu'ils sont fragiles, les MCP constituent une solution facile mais robuste, avec un faible potentiel de stockage de la chaleur, et peuvent être lourds. Pour se régénérer, ils ont besoin que la température ambiante soit inférieure à leur point de fusion.

  Type de BTMS	Moyen primaire	Avantages	Inconvénients	Application typique
  Refroidissement de l'air	Air	Simple, peu coûteux, léger	Faible coefficient de transfert de chaleur, mauvaise uniformité	Véhicules électriques de faible puissance, véhicules électriques hybrides
  Refroidissement par liquide	Liquide	Transfert de chaleur élevé, bonne uniformité, contrôle précis	Complexe, risque de fuites, plus lourd	VE à haute puissance, ESS
  Refroidissement par immersion	Fluide diélectrique	Excellent transfert de chaleur, uniformité supérieure	Défis spécifiques en matière de fluides, de coûts et d'étanchéité	HPC, futurs VE, ESS
  Passif (PCM)	Matériau à changement de phase	Simple, sans puissance active, efficace pour les transitoires	Stockage limité de la chaleur, régénération nécessaire, plus lourd	BTMS hybride, tampons

Approches hybrides

Applications du SMTB

Choisir le bon système de gestion thermique de la batterie

• Chimie et conception des batteries : Des chimies de batteries spécifiques (par exemple, LFP, NMC) présentent des sensibilités thermiques différentes ainsi que des régimes de température idéaux. Le facteur de forme physique des cellules (cylindrique, poche, prismatique) déterminera également l'efficacité avec laquelle la chaleur peut être transférée. Un flux d'air direct peut être utile dans un réseau de cellules cylindriques, de même qu'un contact avec une plaque froide ou des systèmes basés sur un changement de phase et une capacité de stockage thermique plus élevée dans de grandes cellules prismatiques.
• Conditions de candidature :
  • Densité de puissance et puissance de pointe : Les produits de grande puissance (par exemple, les véhicules électriques de sport, les systèmes d'énergie solaire à réponse rapide à l'échelle du réseau) peuvent dégager une énorme quantité de chaleur, et il convient donc d'appliquer un mécanisme de refroidissement actif efficace, tel que le refroidissement par liquide ou par immersion. D'autres applications nécessitant une puissance plus faible peuvent utiliser un refroidissement par air.
  • Taux de charge : Alors qu'une dissipation rapide de la chaleur est nécessaire pour éviter la dégradation et l'emballement thermique dus à la charge rapide et ultra-rapide, l'inverse est vrai pour la charge lente.
  • Fonctionnement Environnement: Les conditions de température environnementale sévères (chaudes et froides) requièrent un Btms doté de systèmes de chauffage et de refroidissement puissants. Les systèmes à base d'air à haute altitude ont également leurs propres défis à relever car la densité de l'air est moindre, ce qui a un impact direct sur les méthodes de refroidissement à base de ventilateurs.
• Compromis entre coût et performance : Les BTMS plus avancés sont plus performants, mais ils sont plus chers. Une analyse coûts-avantages approfondie doit garantir un compromis entre l'investissement initial et les améliorations de la durée de vie des batteries et de l'efficacité à long terme.
• Contraintes d'espace et de poids : Dans un cas d'utilisation tel que les VE, chaque kilo ou centimètre cube compte. Les systèmes BTMS légers et compacts sont également très recherchés et constituent une force commune d'innovation en science des matériaux, notamment lorsqu'il s'agit de choisir des matériaux capables de fournir une capacité thermique acceptable au bon coût, et bien sûr, ils doivent également rendre la structure la moins lourde possible.
• Maintenance et la fiabilité : Le système à sélectionner doit être fiable pendant la durée de vie prévue et doit pouvoir être entretenu. Des facteurs tels que la compatibilité des fluides, l'intégrité des joints et la durée de vie des composants sont essentiels.
• Sécurité Normes et réglementations : Des normes de sécurité internationales (UN ECE R100, ISO 26262) et locales strictes doivent être respectées lors de la conception et de la validation du SMTB, notamment en ce qui concerne la propagation de l'emballement thermique.
• Une étude plus démonstrative de ces aspects (généralement étayée par la simulation et la modélisation) aidera l'ingénieur et l'intégrateur de systèmes à choisir le meilleur BTMS et celui qui convient le mieux dans une situation donnée.

Des performances optimales : Comment ACDC FANS améliore le BTMS

• Grande durabilité/longévité dans des conditions extrêmes : Il s'agit d'une préoccupation majeure dans le cadre du BTMS et d'un des principaux problèmes rencontrés lors du développement du BTMS. Nos ventilateurs sont conçus pour un régime de température allant de -40 °C à 120 °C, ce qui est nettement plus difficile que d'habitude. Notre engagement en faveur d'une longue durée de vie est exemplaire : nos ventilateurs ont une durée de vie de 70 000 heures à 40 °C. En haute altitude, où la densité de l'air est plus faible, nos ventilateurs s'avèrent très robustes, avec une durée de vie moyenne de plus de 3 ans, contre une moyenne d'un an dans l'industrie. Il s'agit d'une conception durable qui réduit les besoins de maintenance et garantit un refroidissement uniforme qui augmente directement la durée de vie de la batterie et réduit le coût d'exploitation des clients.
• Performance stable de l'air pour le refroidissement critique : Un BTMS efficace ou un refroidissement auxiliaire des systèmes liquides nécessite un débit d'air stable. Les applications de refroidissement critiques qui nécessitent un BTMS efficace ou un refroidissement auxiliaire des systèmes liquides dépendent d'un débit d'air stable. Les châssis de nos ventilateurs de refroidissement d'armoires sont construits avec de l'aluminium de la plus haute qualité et du cuivre de 3 à 5 %, ce qui leur confère une performance plus stable de 30 %. Cela permet d'assurer une perte de chaleur constante, d'éliminer les fluctuations de température et de garantir un flux de chaleur symétrique dans les blocs-batteries, ce qui est particulièrement important pour éliminer les points chauds. Nous sommes certifiés CE, UL, RoHS et CEM pour garantir régulièrement l'excellence de nos produits.
• Supérieure IP68 la protection contre la fiabilité : Les batteries sont généralement utilisées dans un environnement affecté par l'humidité et la poussière. Il est également important de protéger les composants sensibles du BTMS. ACDC FANS propose des ventilateurs à courant continu de grande qualité. Nous disposons d'un moteur sans balais très sophistiqué qui supporte un niveau de protection IP allant jusqu'à IP68, offrant une protection exceptionnelle contre l'eau, la poussière et l'humidité. Cela permet de travailler en continu dans des conditions défavorables sans que le système de refroidissement ne tombe en panne, d'où la nécessité d'une batterie de secours pour la sécurité et la fonctionnalité.

Conclusion : Aller de l'avant avec la gestion thermique intelligente