Solutions de gestion thermique des batteries pour la sécurité et la longévité

Introduction

Les véhicules électriques et les systèmes de stockage de l'énergie ont attiré l'attention ces derniers temps. Cependant, la gestion thermique des batteries est un aspect important de ces technologies qui n'a pas été pris en compte dans cette perspective de croissance. Au fur et à mesure des progrès réalisés dans le développement de nouvelles technologies de batteries visant à augmenter les capacités énergétiques et les taux de charge, la prise en compte de l'énergie thermique produite au sein des packs de batteries devient vitale.

Afin de maintenir des températures optimales pour la majorité de ces systèmes, un système complet de gestion de la batterie est nécessaire. Une gestion thermique de la batterie mal mise en œuvre peut entraîner des performances médiocres, une réduction de la durée de vie de la batterie, une sagesse et peut-être une défaillance de l'arc électrique en raison des différences de température à l'intérieur des cellules. Les systèmes de gestion thermique des batteries sont particulièrement importants pour les appareils électroniques tels que les véhicules électriques, car ils permettent à leurs batteries de fonctionner efficacement.

Cet article se concentre sur le domaine des kits d'entrée pour la gestion thermique des batteries, où la science de la production de chaleur ainsi que les techniques de refroidissement, y compris l'importance des ventilateurs de refroidissement, sont présentées afin de protéger et de prolonger la durée de vie des systèmes de batteries.

Qu'est-ce que la gestion thermique des batteries ?

En bref, la gestion thermique des batteries peut être décrite comme l'ensemble des méthodes et des mesures utilisées pour maintenir la température des batteries ou des blocs-batteries dans des limites acceptables. Elle fait partie intégrante du système de batterie et se compose de différents éléments, matériels et logiciels, dont l'objectif principal est de se défendre contre les effets d'une température élevée, de gérer la plage de température ou de contrôler le transfert de chaleur.

Ces solutions sont essentielles pour contrôler la fourniture d'énergie électrique dans la batterie et doivent constamment être améliorées pour s'adapter aux applications modernes.

Pourquoi la gestion thermique des batteries est-elle cruciale ?

Plusieurs raisons expliquent l'importance d'une gestion thermique efficace des batteries. La première est d'éviter l'emballement thermique, qui est une situation dangereuse lorsque la température de la cellule augmente et déclenche une série d'événements exothermiques susceptibles de provoquer une combustion ou une explosion.

Le deuxième facteur est que des niveaux de température appropriés dans les cellules de la batterie peuvent améliorer l'efficacité, car des températures extrêmes peuvent interférer avec l'électrochimie dans les cellules.

Une autre raison est qu'un bon système de gestion thermique protège les batteries du vieillissement et maintient leur capacité lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées.

Une étude publiée dans le Journal of Power Sources indique qu'une augmentation de la température de fonctionnement de la batterie de 10 degrés Celsius peut entraîner une perte de durée de vie allant jusqu'à 50%. Cette déclaration met en évidence les menaces posées par l'absence de gestion thermique efficace de la batterie et souligne l'importance de ces techniques de gestion pour les systèmes de batterie.

Facteurs affectant la température de la batterie

Plusieurs facteurs régissent la température des éléments de la batterie et des packs de batteries :

Température ambiante : La température extérieure peut influencer de manière significative la température de la batterie.

Taux de charge et de décharge : La charge ou la décharge rapide peut entraîner une augmentation de la température en raison du flux de courant.

Parmi les autres facteurs de température, on peut citer La chimie des cellules, la conception des batteries, entre autres, sont d'autres facteurs déterminants.

Batterie Conception : Tout comme les canaux de refroidissement du tissu, la conception du bloc-batterie et les substances disponibles jouent un rôle important dans la gestion thermique.

Consommation d'énergie électrique : Les pratiques d'utilisation de l'énergie électrique peuvent également entraîner des changements de température.

Il est important de prendre ces points en considération, car cela permettra à l'avenir de développer des techniques de gestion thermique de la BTM et donc d'améliorer les performances des systèmes de batteries.

La science derrière la production de chaleur par les batteries

Afin d'apprécier l'importance de la gestion thermique des batteries, il est important de connaître les facteurs responsables de la production de chaleur dans les batteries et l'influence significative de la densité énergétique et des conditions de température.

Réactions chimiques et production de chaleur

Lorsque les piles reçoivent et restituent de l'énergie, une partie, voire la totalité, des processus chimiques internes de la pile se déroulent et, ce faisant, libèrent de l'énergie - de la chaleur. Cette production de chaleur est une conséquence naturelle des réactions électrochimiques qui ont lieu dans les piles. De nombreux éléments influencent la quantité de chaleur générée, notamment la chimie des cellules, le flux de courant et la résistance interne. Les batteries à haute densité énergétique, en revanche, peuvent générer davantage de chaleur, qu'il convient de contrôler afin d'éviter les scénarios de surchauffe.

Facteurs externes influençant la production de chaleur

Outre la production de chaleur interne, des facteurs externes influencent également fortement la température de la batterie. La température ambiante, par exemple, a un effet considérable sur les tendances thermiques des cellules et des batteries. En cas de températures ambiantes élevées, toute réaction en cours est accélérée, ce qui augmente le taux de production de chaleur et peut entraîner un emballement thermique. De même, la lumière directe du soleil ou d'autres sources de chaleur peuvent augmenter la température de la batterie concernée. Pour contrôler ces aspects, différentes méthodes de refroidissement peuvent être appliquées de différentes manières pour améliorer la sécurité et contrôler la température d'équilibre dans les systèmes de batteries.

Méthodes de refroidissement des batteries

Différentes approches du refroidissement des batteries ont été conçues dans le but de réduire les effets de la chaleur et de maintenir une bonne température pour la batterie. Chaque approche dispose d'installations spécifiques pour assurer la gestion de la chaleur.

Refroidissement par air et refroidissement par liquide

Pour lutter contre la surchauffe des batteries, il est possible d'utiliser deux technologies : le refroidissement par air et le refroidissement par liquide. Dans le cas du refroidissement par air, des ventilateurs ou des soufflantes de refroidissement sont normalement utilisés pour aider à refroidir le bloc-batterie par l'intermédiaire d'un flux d'air actif. Il s'agit d'une approche moins complexe et moins coûteuse du refroidissement, mais dans la plupart des cas, cette méthode n'est probablement pas assez efficace pour répondre aux besoins des systèmes à haute performance, car elle repose sur la faible conductivité thermique de l'air.

Le refroidissement par liquide utilise simplement un fluide de refroidissement tel que l'eau ou le glycol qui est déplacé dans un caloduc pour absorber la chaleur de la cellule de la batterie et la relocaliser. Cette méthode est plus efficace pour transférer la chaleur, mais elle augmente les coûts et la complexité de l'équipement, car elle utilise des matériaux thermoconducteurs pour améliorer l'efficacité de la méthode.

Refroidissement passif et refroidissement actif

Le refroidissement de la variété passive est basé sur les principes naturels de transfert de chaleur tels que la conduction et la convection utilisés pour éliminer la chaleur du bloc-batterie. Il s'agit généralement de placer des dissipateurs de chaleur et des substances thermoconductrices, généralement des alliages ou des composites, afin d'améliorer la gestion thermique sans aucune pièce mobile. La conception des boîtiers de batterie est également importante pour améliorer l'efficacité de cette méthode.

Le refroidissement actif, quant à lui, fait référence à l'utilisation de dispositifs externes tels que des ventilateurs, des pompes ou des caloducs pour faciliter l'évacuation de la chaleur du système de batterie. Cette méthode permet de mieux contrôler la température de fonctionnement, mais au prix d'une augmentation de la consommation d'énergie. Ces systèmes sont conçus pour s'adapter aux différents besoins en matière de conductivité thermique, en minimisant le compromis entre complexité et efficacité.

Méthode de refroidissement	Description	Composants clés	Avantages	Inconvénients
Refroidissement de l'air	Utilise des ventilateurs ou des souffleries pour faire circuler l'air et dissiper la chaleur.	Ventilateurs de refroidissement, soufflantes	Faible coût, conception simple	Conductivité thermique plus faible, moins efficace pour les systèmes à haute performance
Refroidissement par liquide	Un liquide de refroidissement est utilisé pour absorber et transférer la chaleur des cellules.	Caloducs, matériaux thermoconducteurs	Haute efficacité dans le transfert de chaleur	Plus complexe et plus coûteux
Refroidissement passif	S'appuie sur le transfert de chaleur naturel par conduction et convection	Dissipateurs thermiques, boîtiers thermoconducteurs	Pas de pièces mobiles, faible consommation d'énergie	Limité par les conditions ambiantes
Refroidissement actif	Utilisation de dispositifs mécaniques pour améliorer l'évacuation de la chaleur	Ventilateurs, pompes, échangeurs de chaleur	Température contrôlée, adaptable	Consommation d'énergie plus élevée

Technologies de refroidissement émergentes

En raison de l'énorme demande de batteries énergétiques, les chercheurs et les ingénieurs sont à la recherche de nouvelles méthodes innovantes pour améliorer la gestion thermique des batteries. L'une de ces nouvelles approches est l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP), qui intègrent une conductivité thermique élevée et des parois minces, minimisant ainsi l'accumulation thermique. Ces matériaux peuvent maintenir des températures constantes en utilisant la température de changement de phase, ce qui permet une régulation efficace de la température grâce à leur conductivité thermique élevée. Une autre méthode innovante est l'utilisation du refroidissement thermoélectrique, qui utilise l'effet Peltier pour pomper activement la chaleur des cellules de la batterie, créant ainsi les conditions d'une gestion précise des fluctuations de température.

Un système de refroidissement hybride intègre différentes méthodes de refroidissement pour améliorer les performances. Par exemple, un système hybride peut combiner le refroidissement par air et par liquide pour augmenter l'efficacité en incorporant des éléments de refroidissement actifs et passifs. Cette méthodologie garantit une dissipation efficace de la chaleur dans différents scénarios de fonctionnement, améliorant ainsi la fiabilité du système. Dans le domaine de la gestion thermique des batteries, les systèmes hybrides combinent plusieurs techniques pour atteindre une gestion thermique optimale en utilisant la conductivité thermique de plusieurs matériaux pour étendre la plage opérationnelle de la batterie. L'intégration de ces techniques avancées ouvre de nouvelles possibilités pour les systèmes de gestion thermique et donc pour les technologies de stockage de l'énergie.

marché de la gestion thermique des batteries automobiles

Ventilateurs de refroidissement : un élément essentiel de la gestion thermique des batteries

Dans presque toutes les conceptions de systèmes de gestion thermique de batteries refroidies par air, les ventilateurs de refroidissement sont l'un des composants les plus indispensables. Il est important de les mettre en œuvre correctement afin d'obtenir des conditions raisonnables pour les batteries tout en minimisant les coûts.

Le rôle des ventilateurs dans la gestion thermique des batteries

La base du concept de "refroidissement par air" forcé repose sur l'application de ventilateurs de refroidissement qui créent un flux d'air à travers les éléments de la batterie, ce qui permet d'évacuer l'air chaud du bloc-batterie. Cela permet d'obtenir une migration contrôlée de l'air chaud qui favorise un transfert de chaleur efficace et évite la formation de points chauds dus à la conduction. Des échangeurs de chaleur peuvent être installés en complément pour contribuer à la fonction d'évacuation de la chaleur.

Outre les contraintes d'espace et de coût, la thermodynamique du système de batterie et la conception du véhicule sont les principaux facteurs à prendre en compte dans le choix du type de ventilateur de refroidissement à utiliser. En raison de leur construction simple et de leur faible coût, les ventilateurs axiaux sont capables de générer un flux d'air à faible pression, ce qui les rend pratiques pour la plupart des applications qui nécessitent un flux d'air important et où l'espace n'est pas limité.

En revanche, les ventilateurs centrifuges ou radiaux ont une pression de fonctionnement plus élevée et sont donc couramment utilisés dans les installations émettant un flux d'air à travers des évents étroits, des conduits et d'autres systèmes complexes.

Les besoins particuliers liés aux contraintes thermiques et spatiales d'un système de batterie nécessitent généralement la conception de ventilateurs sur mesure. Les ingénieurs peuvent ajuster la géométrie ou la taille des pales ainsi que la vitesse de rotation pour obtenir les meilleures performances de refroidissement possibles, tout en minimisant la consommation d'énergie par rapport à l'efficacité du flux d'air. Aujourd'hui, avec l'évolution du concept de véhicule, la fourniture de solutions de ventilation sur mesure est importante pour améliorer encore les performances et la fiabilité de la batterie.

Gestion thermique des batteries pour des applications spécifiques

Les méthodes de gestion thermique des batteries sont spécifiques à l'application. Cependant, les ventilateurs de refroidissement ont une large application et peuvent être très efficaces dans de nombreuses industries. Examinons leurs applications dans deux domaines spécifiques, tels que les véhicules électriques et le stockage stationnaire de l'énergie.

Véhicules électriques

Pour les véhicules électriques, la batterie est l'élément le plus important en termes d'autonomie, de performances et de sécurité. En outre, la charge rapide ou les scénarios de conduite à haute performance peuvent soumettre les batteries à des contraintes et une gestion thermique efficace est nécessaire. La plupart des véhicules électriques utilisent à la fois de l'air et des liquides de refroidissement et, dans ce cas, les ventilateurs de refroidissement sont indispensables dans les systèmes de refroidissement à air forcé du carburant. Ces ventilateurs sont chargés de diriger le flux d'air sur les surfaces des cellules de la batterie afin de réduire les températures et de faciliter l'évacuation de la chaleur. Enfin, l'utilisation des ventilateurs de climatisation de l'habitacle du véhicule permet de refroidir et d'intégrer les deux systèmes, ce qui simplifie la procédure de conception.

Stockage stationnaire de l'énergie

Les systèmes de stockage d'énergie intégrés, tels que les systèmes de stockage d'énergie dans les applications d'énergie renouvelable ou de réseau, doivent également être dotés de systèmes de gestion thermique des batteries efficaces. Dans la plupart des cas, ces systèmes intègrent des batteries de grande taille qui produisent un excès de chaleur. De telles situations nécessitent l'assistance de ventilateurs de refroidissement, qui offrent un flux d'air efficace afin de maintenir la température ambiante et d'éviter l'emballement thermique. En termes d'exigences de refroidissement et de restrictions de configuration, les ventilateurs axiaux et centrifuges sont couramment utilisés pour le stockage stationnaire de l'énergie. Le profil opérationnel indique que ces batteries sont conçues pour une utilisation à long terme et que les ventilateurs contribuent à assurer une température uniforme et donc la fiabilité et l'endurance du système.

Conclusion

Il est évident qu'à l'instar de nombreux autres systèmes, les systèmes de batteries au lithium nécessitent des mesures de contrôle thermique efficaces afin de répondre aux normes de sécurité, aux objectifs opérationnels et de durer pendant de longues périodes. La nécessité d'une gestion thermique appropriée ne cesse de croître à mesure que les appareils mobiles deviennent de plus en plus puissants et nécessitent des systèmes améliorés pour la capacité thermique. Il est possible de créer des systèmes de gestion thermique intégrés pour les batteries de manière à ce que les différents appareils soient également compatibles et que des structures soient prévues pour gérer les vibrations et les chocs. Les différentes températures contrôlées dans différents secteurs verticaux, y compris les véhicules électriques et les systèmes d'énergie statique, peuvent également être gérées efficacement grâce à un système de gestion thermique des batteries de véhicules conçu par des professionnels.

Compte tenu de la poussée mondiale croissante en faveur des véhicules électriques et de leur capacité à s'associer à des unités de stockage renouvelables, l'impact de la gestion thermique des batteries sera significatif, permettant aux technologies d'être acceptées à l'échelle mondiale. La conception du système pourra non seulement englober de nouveaux dispositifs au niveau du bloc-batterie ou de la cellule, mais aussi inclure des exemples de conceptions structurelles à plusieurs niveaux.