Comparaison de la gestion thermique des batteries : cellules cylindriques, à pochette et prismatiques

Alors que les exigences en matière d’autonomie et d’efficacité de charge dans les véhicules à énergie nouvelle continuent d’augmenter, les systèmes de gestion thermique des batteries sont devenus un facteur essentiel déterminant les performances et la sécurité des batteries. En raison des différences structurelles inhérentes à leurs formats d'emballage, les stratégies de gestion thermique varient pour chaque type de cellule.

La gestion thermique de la batterie implique essentiellement la régulation précise des processus thermiques au sein de la batterie. Ses principaux objectifs sont les suivants : maintenir la batterie dans une plage de température de fonctionnement optimale, prévenir les surchauffes localisées, atténuer le risque d'emballement thermique, équilibrer les besoins de refroidissement à haute-température et de chauffage à basse-température, et minimiser les écarts de température entre les cellules pour améliorer la cohérence.

ACEYÉquipement de test BMSvérifie le bon fonctionnement des fonctionnalités de détection de température de la batterie, de protection contre la surchauffe et d'équilibrage des cellules.

Les processus thermiques au sein du pack se composent de quatre composants principaux : premièrement, la chaleur électrochimique générée par les réactions chimiques internes de la batterie, qui est directement liée à la conception de la batterie ; deuxièmement, la chaleur ohmique générée par le courant circulant dans les conducteurs, déterminée par la conception du circuit électrique ; troisièmement, la conduction thermique entre les cellules et les composants du pack, régie par la conception structurelle et la stratégie de gestion thermique ; et quatrièmement, le transfert de chaleur par convection impliquant des fluides (refroidissement par liquide ou par air), qui sert de voie principale de dissipation thermique pour le système.

Les solutions de gestion thermique actuelles se répartissent en quatre catégories : les systèmes de refroidissement direct (par exemple, BMW i3/X5), les systèmes de refroidissement liquide (par exemple, Tesla, Audi), les systèmes de refroidissement par air (par exemple, Nissan Leaf, Prius) et les systèmes de refroidissement à matériaux à changement de phase (PCM).

En raison des différences dans les structures d'emballage, les trois types de cellules diffèrent par leurs paramètres fondamentaux et leur logique de gestion thermique :

1. Gestion thermique des cellules cylindriques
Les modules utilisant des cellules cylindriques utilisent généralement une conception à flux de refroidissement liquide bidirectionnel. Dans cette configuration, les deux extrémités des canaux de refroidissement servent d'entrées et de sorties, évitant ainsi un refroidissement insuffisant à l'extrémité du canal-un problème qui pourrait autrement résulter de l'augmentation de la température du liquide de refroidissement lorsqu'il circule dans le système. Des matériaux tels que le Stycast 2850/CT-qui sont électriquement isolants mais hautement conducteurs thermiquement-sont utilisés pour combler l'espace entre les cellules de la batterie et les tuyaux de refroidissement. Cela permet d'obtenir trois avantages principaux : premièrement, cela transforme le contact entre les cellules et les tuyaux du contact linéaire au contact superficiel, augmentant ainsi considérablement l'efficacité du transfert de chaleur ; deuxièmement, il facilite l’échange thermique entre les cellules, améliorant passivement l’uniformité de la température entre les unités individuelles ; et troisièmement, cela augmente la masse thermique globale du bloc de batterie, réduisant ainsi l'ampleur de l'augmentation moyenne de la température.

2. Gestion thermique des cellules prismatiques
Les modules de cellules prismatiques hébergent généralement 32 cellules standard VDA- ; toutes les quatre cellules partagent une seule plaque froide soudée par friction-malaxage-. Ces plaques froides sont connectées en parallèle via des canalisations pour garantir l'uniformité de la température à l'échelle du système. Le chemin de transfert de chaleur est le suivant : cellule → matériau d’interface thermique (TIM) → plaque de base/latérale → plaque froide. Cette configuration offre une stabilité structurelle et répond aux exigences d'application de divers scénarios, y compris les véhicules utilitaires.

3. Gestion thermique des cellules de poche
Les cellules en forme de poche sont généralement liées à un boîtier composite en plastique et en tôle d'aluminium de 0,35 mm ; l'aluminium transfère la chaleur vers les bords du module, tandis que le composant en plastique assure l'isolation électrique et le verrouillage structurel. Les composants clés du module comprennent les plaques d'extrémité, les plaques de recouvrement, les barres omnibus, les plaques de dissipation thermique, les tampons tampons et les capteurs NTC. Concernant la gestion thermique, des plaques de refroidissement liquide de 1 mm-d'épaisseur-comportant des canaux d'écoulement usinés-sont placées entre les cellules individuelles. Cela garantit un contact direct entre chaque cellule et la plaque de refroidissement ; la chaleur est conduite à travers le TIM vers la plaque de dissipation thermique, puis dans la plaque de refroidissement pour être dissipée. Cette solution offre le rapport le plus élevé de surface de dissipation thermique efficace.

Principales similitudes et différences entre les trois solutions
Similitudes : tous trois améliorent l'efficacité de la dissipation thermique en ajoutant des canaux de refroidissement, accélèrent les taux de transfert de chaleur à l'aide de supports hautement conducteurs thermiquement et emploient des méthodes de refroidissement actives pour le contrôle de la température.
Différences :

De plus, il existe des différences significatives concernant le choix du fluide de refroidissement, la disposition des plaques de refroidissement et les performances finales de dissipation thermique.