Percée en gestion thermique : réduction bruit et risque incendie chargeurs rapides VE

Les travaux de recherche et développement pour résoudre un problème de bruit excessif créé par le chargeur rapide de batterie d'un VE ont conduit à des avancées en gestion thermique, dissipation de chaleur et réduction des risques d'incendie. D2H Advanced Technologies, une entreprise d'ingénierie spécialisée basée au Royaume-Uni, a découvert que le bruit se produisait pendant les cycles de charge rapide du véhicule. Il était causé par les exigences de puissance de pompage élevées pour le fluide de refroidissement, essentiel pour dissiper la chaleur de la batterie. Son client OEM satisfait, D2H a recentré sa recherche directement sur les exigences thermiques des batteries lithium-ion de production en série.

Dans les batteries VE, l'accumulation de chaleur peut mener à une dégradation accélérée ou même à un emballement thermique. Ce problème peut survenir alors que une plus grande autonomie et une charge plus rapide deviennent essentielles pour convaincre le public que l'électricité, pas l'essence ou le diesel, est la future source d'énergie pour le transport personnel. D2H — dont les clients incluent McLaren, Chevrolet Racing et Formula E — travaille avec Croda, une entreprise chimique de spécialité, pour relever ces défis.

Le travail de recherche de D2H sur le problème de bruit des VE a commencé en 2019 quand un constructeur automobile a contacté l'entreprise pour demander une cause définitive au problème. Un module de batterie de 32 cellules pour tests physiques a été construit et soumis à une variété de solutions de refroidissement potentielles, y compris les techniques d'immersion et de plaque froide. Les résultats ont été corrélés via des techniques physiques et de dynamique des fluides computationnelle (CFD).

Un avantage vital supplémentaire

L'utilisation d'un fluide diélectrique Croda dans un système d'immersion a été identifiée comme la réponse, nécessitant une puissance de pompage réduite, surtout en situations de charge rapide. « La batterie entière est immergée dans un fluide de refroidissement électriquement non conducteur », a expliqué Chris Hebert, directeur d'ingénierie chez D2H. « Cela apporte des avantages significatifs par des températures de pointe de cellule plus basses, permettant des C-rates plus élevés [taux auquel la batterie est chargée/rechargée] et des gradients de température réduits à l'intérieur de chaque cellule, menant à une durée de vie de pack plus longue. »

Mais cela présente un défi car cela nie l'utilisation de l'eau-glycol, avec sa haute capacité thermique spécifique. Les fluides diélectriques peuvent avoir du mal à atteindre la moitié de cela, a expliqué Hebert, résultant en gradients de température plus larges à travers la batterie de l'entrée à la sortie. Cependant, avec une attention soignée portée aux internes de la batterie et aux chemins d'écoulement du fluide de refroidissement — combiné avec Croda développant un fluide à faible viscosité et faible densité — « nous avons pu atténuer cela tout en maintenant une faible puissance de pompe », a dit Hebert.

D2H a constaté que le transfert de chaleur à travers le pack était bien plus efficace en utilisant la méthode d'immersion avec le fluide Croda. « Nous avons confirmé qu'il a le potentiel de faciliter le défi de gestion thermique », a noté Hebert. « Un avantage vital supplémentaire est le point d'éclair élevé des fluides diélectriques à faible viscosité, menant à la possibilité d'une réduction supplémentaire du risque d'incendie. »

La recherche de D2H sur la chaleur générée par les cycles de charge rapide concerne à la fois la performance et la longévité de la batterie. Le rôle de Croda dans le travail est considéré comme essentiel, introduisant un fluide d'immersion « nouveau ». « Donnés les avantages du refroidissement par immersion, le développement continuera », a dit Hebert. « Les risques d'incendie diminuent car la batterie tourne plus frais. L'immersion réduit la chance d'inflammation. Et la chaleur est la cause majeure du vieillissement de la batterie et de la chute de performance. »

Chemins à l'intérieur du pack

Un rapport de chercheurs de l'Université de Californie, Riverside cité par Hebert a trouvé que les hautes températures et la résistance de tels cycles endommagent potentiellement les batteries, résultant en une usure accélérée et, dans des circonstances extrêmes, un risque d'incendie. Les chercheurs ont trouvé qu'après 40 charges rapides, les batteries avaient environ 60 % de leur capacité originale.

Il est généralement considéré que pour les applications automobiles, les batteries lithium-ion nécessitent un remplacement une fois que la capacité tombe en dessous de 80 % — un niveau atteint après seulement 25 cycles de charge rapide. Le rapport a déclaré qu'à ce point, il y a un risque accru d'électrodes et d'électrolytes exposés à l'air, augmentant le risque d'incendie ou d'explosion, surtout à des températures de 60 °C et au-dessus.

Malgré les courts délais impliqués, D2H n'a pas seulement considéré la performance de refroidissement pure. La crédibilité de chaque VE dépend du conditionnement réussi autant que de la performance et du temps de recharge. Hebert a noté que le refroidissement par immersion peut tenir un avantage supplémentaire : « Les conceptions d'immersion se passent de la plaque de refroidissement et sont donc plus compactes, ce qui peut créer l'opportunité pour un plus grand espace dédié aux cellules réelles. »

Bien que l'immersion en surface ressemble à une option plus lourde, la recherche de D2H suggère qu'une conception soignée des chemins à l'intérieur du pack de batterie devrait permettre des tailles de galerie réduites sans entraver l'écoulement, résultant en un volume et un poids de fluide de refroidissement réduits.

« Améliorer la gestion thermique, surtout la dissipation de chaleur pendant les cycles de charge rapide, a le potentiel de permettre une plus grande densité de puissance, autonomie et durée de vie dans les futures itérations — aux côtés de risques d'incendie réduits », a affirmé Hebert. « Une recherche étendue dans ce domaine est requise et notre travail expérimental avec Croda est en cours. »

Cet article a été rédigé par Stuart Birch, éditeur européen, SAE Automotive Engineering. Pour plus d'informations sur D2H, visitez le site web.