Une solution immersive pour des batteries EV thermiquement plus sûres

Les travaux de recherche et développement visant à résoudre un problème de bruit excessif créé par le chargeur rapide de batterie d'un véhicule électrique ont conduit à des progrès dans la gestion thermique, la dissipation de la chaleur et la réduction des risques d'incendie. D2H Advanced Technologies, une société d'ingénierie spécialisée basée au Royaume-Uni, a constaté que le bruit se produisait pendant les cycles de charge rapide du véhicule. Cela a été causé par des exigences de puissance de pompage élevées pour le liquide de refroidissement, essentiel pour dissiper la chaleur de la batterie. Son client OEM satisfait, D2H a réorienté ses recherches directement vers les exigences thermiques des batteries lithium-ion produites en série.

Dans les batteries EV, l'accumulation de chaleur peut entraîner une dégradation accélérée ou même un emballement thermique. Ce problème peut survenir alors qu'une plus grande autonomie et une recharge plus rapide deviennent essentielles pour persuader le public que l'électricité, et non le gaz ou le diesel, est la future source d'énergie pour le transport personnel. D2H, dont les clients incluent McLaren, Chevrolet Racing et la Formule E, travaille avec Croda, une entreprise de produits chimiques spécialisés, pour relever ces défis.

Les travaux de recherche de D2H sur le problème du bruit des véhicules électriques ont commencé en 2019 lorsqu'un constructeur automobile a contacté l'entreprise pour lui demander une cause définitive du problème. Un module de batterie à 32 cellules pour les tests physiques a été construit et soumis à une variété de solutions de refroidissement potentielles, y compris des techniques immersives et de plaque froide. Les résultats ont été corrélés via des techniques de dynamique des fluides physiques et computationnelles (CFD).

Un avantage supplémentaire vital

L'utilisation d'un fluide diélectrique Croda dans un système d'immersion a été identifiée comme la réponse, nécessitant une puissance de pompage réduite, en particulier dans les situations de charge rapide. "La totalité de la batterie est immergée dans un liquide de refroidissement électriquement non conducteur", a expliqué Chris Hebert, directeur technique de D2H. "Cela apporte des avantages significatifs grâce à des températures de cellule de pointe plus basses, permettant des taux C plus élevés [taux auquel la batterie est chargée/rechargée] et des gradients de température réduits dans chaque cellule, ce qui prolonge la durée de vie du pack."

Mais cela représente un défi car cela annule l'utilisation d'eau-glycol, avec sa capacité thermique spécifique élevée. Les fluides diélectriques peuvent avoir du mal à atteindre la moitié de cela, a expliqué Hebert, ce qui entraîne des gradients de température plus importants à travers la batterie de l'entrée à la sortie. Cependant, en accordant une attention particulière aux composants internes de la batterie et aux voies d'écoulement du liquide de refroidissement - combinés au développement par Croda d'un fluide à faible viscosité et à faible densité - "nous avons pu atténuer cela tout en maintenant une faible puissance de pompe", a déclaré Hebert. /P>

D2H a constaté que le transfert de chaleur à travers le pack était beaucoup plus efficace en utilisant la méthode immersive avec le fluide Croda. "Nous avons confirmé qu'il a le potentiel de relever le défi de la gestion thermique", a noté Hebert. "Un avantage supplémentaire essentiel est le point d'éclair élevé des fluides diélectriques à faible viscosité, ce qui permet de réduire davantage le risque d'incendie."

Les recherches de D2H sur la chaleur générée par les cycles de charge rapide concernent à la fois les performances et la longévité des batteries. Le rôle de Croda dans l'œuvre est considéré comme essentiel, introduisant un «nouveau» fluide immersif. "Compte tenu des avantages du refroidissement par immersion, le développement se poursuivra", a déclaré Hebert. "Les risques d'incendie diminuent à mesure que la batterie refroidit. Cette immersion réduit les risques d'inflammation. Et la chaleur est la principale cause du vieillissement de la batterie et de la baisse des performances."

Parcours au sein du pack

Un rapport de chercheurs de l'Université de Californie à Riverside cité par Hebert a révélé que les températures élevées et la résistance de ces cycles endommagent potentiellement les batteries, entraînant une usure accélérée et, dans des circonstances extrêmes, un risque d'incendie. Les chercheurs ont découvert qu'après 40 recharges rapides, les batteries avaient environ 60 % de leur capacité d'origine.

On considère généralement que pour les applications automobiles, les batteries lithium-ion doivent être remplacées une fois que la capacité descend en dessous de 80 %, un niveau qui a été atteint après seulement 25 cycles de charge rapide. Le rapport indique qu'à ce stade, il existe un risque accru d'exposition des électrodes et des électrolytes à l'air, ce qui augmente le risque d'incendie ou d'explosion, en particulier à des températures de 60 °C et plus.

Malgré les délais courts impliqués, D2H n'a pas seulement pris en compte les performances de refroidissement pures et simples. La crédibilité de chaque véhicule électrique dépend autant du succès de l'emballage que des performances et du temps de recharge. Hebert a noté que le refroidissement immersif peut présenter un avantage supplémentaire :"Les conceptions par immersion se passent de la plaque de refroidissement et sont donc plus compactes, ce qui peut créer la possibilité de consacrer plus d'espace aux cellules réelles."

Bien que l'immersion à première vue semble être une option plus lourde, les recherches de D2H suggèrent qu'une conception soignée des voies dans la batterie devrait permettre de réduire la taille des galeries sans entraver le flux, ce qui réduirait le volume et le poids du liquide de refroidissement.

"L'amélioration de la gestion thermique, en particulier la dissipation de la chaleur pendant les cycles de charge rapide, a le potentiel de permettre une plus grande densité de puissance, une plus grande portée et une plus grande durée de vie dans les futures itérations, ainsi que des risques d'incendie réduits", a affirmé Hebert. "Des recherches approfondies dans ce domaine sont nécessaires et notre travail expérimental avec Croda est en cours."

Cet article a été rédigé par Stuart Birch, rédacteur européen, SAE Ingénierie automobile. Pour plus d'informations sur D2H, rendez-vous ici .