Principaux enseignements
- L'élévation de température du bloc résulte autant de la charge électrique que du refroidissement.
- La température moyenne du bloc masque les points chauds locaux et la répartition inégale de la température qui entraînent une baisse précoce des performances et un vieillissement irrégulier.
- La dimensionnement du système de refroidissement donne les meilleurs résultats lorsque vous modélisez le cycle de service, le courant et le flux thermique dans une seule étude couplée du module.
Les limites thermiques des blocs-batteries dépendent autant de la charge électrique que des dispositifs de refroidissement.
La chaleur limite les performances du bloc-batterie avant même qu’une cellule n’atteigne un seuil de sécurité. Les ventes mondiales de voitures électriques ont dépassé les 17 millions d’unités en 2024, représentant plus de 20 % des ventes automobiles; ainsi, les petites erreurs de conception thermique se manifestent désormais sur les véhicules grand public plutôt que sur les flottes pilotes. Il faut considérer l’élévation de température comme un phénomène électrique, car le cycle de service, la résistance et la capacité de refroidissement agissent simultanément sur un même bloc-batterie. C’est pourquoi le système de gestion thermique d’une batterie de véhicule électrique doit être intégré à la modélisation du bloc-batterie dès la première étape de dimensionnement.
Un système de gestion thermique de la batterie évacue la chaleur vers l'environnement
Un système de gestion thermique des batteries fonctionne en évacuant la chaleur des cellules et en la faisant circuler à travers des plaques, des circuits d'air ou des boucles de refroidissement jusqu'à ce qu'elle atteigne la température ambiante. Il limite la température maximale. Il réduit la propagation de la chaleur d'une cellule à l'autre. Il permet également de maintenir le pack dans une plage de puissance utilisable en charge.
Un pack de batterie pour véhicule électrique de tourisme à refroidissement liquide illustre clairement ce principe. Les cellules génèrent de la chaleur à l’intérieur des « jelly rolls » ou des empilements d’électrodes ; cette chaleur traverse l’enveloppe métallique ou le sac, puis est évacuée vers une plaque froide, un fluide de refroidissement, un radiateur et, enfin, vers l’air extérieur au véhicule. Une armoire de stockage en réseau à refroidissement par air suit la même logique, mais avec un circuit thermique moins efficace, car l’air transporte moins de chaleur que le liquide et nécessite généralement une plus grande surface d’échange.
On peut considérer ce système comme une chaîne de résistances thermiques. Si un maillon est défaillant, l’ensemble du pack chauffe davantage que prévu. Une pompe ou un ventilateur puissant ne suffira pas à sauver un pack qui emprisonne la chaleur à l’intérieur d’un module dense. C’est pourquoi la gestion thermique des systèmes de batteries des véhicules électriques commence par le circuit thermique entre la cellule et le pack, puis se poursuit par le dimensionnement du refroidisseur.
« Il faut considérer l'élévation de température comme un phénomène électrique, car le rapport cyclique, la résistance et la capacité de refroidissement agissent simultanément sur le même module. »
La dissipation thermique du module commence par le cycle de service actuel à travers la résistance
La plupart du temps, la chaleur générée par une batterie sous charge provient du courant qui circule à travers la résistance interne, les languettes, les barres omnibus et les points de contact. La chaleur augmente proportionnellement au carré du courant. Les pics de courant de courte durée ont leur importance. Les longues périodes de forte charge ont toutefois davantage d’impact, car elles génèrent de la chaleur plus rapidement que la batterie ne peut la dissiper.
Un fourgon de livraison gravissant une longue côte illustre bien ce phénomène. Le courant reste élevé pendant plusieurs minutes, ce qui fait que les pertes dans les interconnexions et l'échauffement par résistance à l'intérieur des cellules s'accumulent continuellement. Le freinage régénératif dans la descente ajoute davantage de courant dans le sens inverse. Le système thermique considère ces deux événements comme un apport de chaleur, même si le conducteur perçoit l'un comme une accélération et l'autre comme une récupération d'énergie.
C’est là que les ingénieurs se laissent tromper par les chiffres de puissance moyenne. Une moyenne modérée sur trente minutes peut masquer un démarrage brutal de dix secondes, un segment de côte répété ou une impulsion de charge qui fait grimper la température locale au-delà de la limite. Si vous dimensionnez une batterie en vous basant uniquement sur la charge électrique, vous ne tiendrez pas compte de l’accumulation thermique qui entraînera plus tard un déclassement.
La température de la cellule détermine la puissance disponible sur toute la plage de fonctionnement
La température des cellules détermine la puissance que le bloc-batterie peut réellement fournir ou absorber à un état de charge donné. Les cellules froides opposent une résistance au courant. Les cellules chaudes atteignent plus rapidement leurs limites thermiques. Une température modérée permet de bénéficier de la plage de fonctionnement la plus large. C'est pourquoi les performances d'un bloc-batterie varient toujours en fonction de la température.
Un démarrage par temps froid rend cet effet évident. La même batterie qui supporte un freinage régénératif intense à 25 °C limitera le courant de charge à 0 °C, car le risque de placage de lithium augmente et la réponse en tension devient plus raide. Une batterie chaude après des accélérations répétées peut encore afficher un état de charge satisfaisant, mais le système de contrôle réduira le courant de décharge car la marge thermique s'est réduite.
Il n’est pas nécessaire qu’il y ait un dysfonctionnement pour perdre de la puissance utile. Le comportement normal d’une batterie varie quotidiennement en fonction de la température, et c’est là tout l’intérêt d’ un système de gestion thermique des batteries de véhicules électriques. Ce système ne se contente pas de prévenir les dommages ; il préserve la partie de la plage de fonctionnement que les conducteurs, les gestionnaires de flottes et les responsables de la gestion du réseau électrique considèrent comme disponible.
| État de l'emballage | Ce que vous verrez au niveau du pack |
| Cellules froides au début d'un trajet | La capacité de charge diminue en premier, ce qui limite le freinage régénératif et la recharge rapide avant que la puissance de décharge ne soit entièrement rétablie. |
| Cellules proches de leur plage de température optimale | La chute de tension reste plus faible, les limites de courant restent plus larges et la batterie fournit une puissance plus proche de sa puissance nominale pendant des périodes plus longues. |
| Cellules chaudes après des événements répétés impliquant des courants élevés | La protection thermique réduit la puissance même lorsque le niveau de charge semble encore satisfaisant aux yeux du conducteur ou de l'opérateur. |
| Différences de température entre les modules | Certaines cellules atteignent rapidement leurs limites ; le contrôle du pack doit donc se baser sur le point le plus faible en termes de performances thermiques plutôt que sur la valeur moyenne des modules. |
| Évacuation lente de la chaleur après la fin du cycle de fonctionnement | La réduction de puissance peut se poursuivre même après le passage de la charge la plus importante, car la chaleur accumulée continue de s'échapper des cellules. |
Les écarts de température à l'intérieur du colis influent sur le risque de détérioration
L'écart de température est important car les batteries vieillissent en tant qu'ensemble de cellules inégales, présentant des historiques thermiques différents et des taux de perte variables. Les cellules les plus chaudes perdent plus rapidement leur capacité. Les cellules les plus froides offrent moins de puissance disponible. La batterie se déséquilibre donc progressivement au fil du temps, et l'énergie utilisable diminue avant même que la batterie ne semble usée dans son ensemble.
Une analyse des études thermiques sur les batteries considère généralement qu'une différence de température inférieure à 5 °C entre les cellules constitue un objectif de conception pratique pour garantir une bonne uniformité. Un module dont les cellules périphériques sont refroidies directement et dont les cellules centrales sont isolées par les cellules voisines dépassera cette plage en cas de charges rapides répétées. Le groupe central, plus chaud, vieillit plus rapidement, atteint plus tôt une résistance plus élevée et commence à entraîner le reste de la chaîne dans son sillage.
L'équilibrage des batteries permet de corriger les déséquilibres de charge, mais il ne peut pas effacer les différences de vieillissement. Le modèle thermique est nécessaire pour mettre en évidence où ces écarts apparaissent et à quel moment ils s'accumulent. C'est également pour cette raison que les batteries de réseau méritent la même attention que celles des véhicules. Les cycles de charge-décharge de longue durée, la disposition des conteneurs et l'espacement entre les racks peuvent créer des bandes de température persistantes qui réduisent la durée de vie utile des batteries.
Les points chauds locaux déclenchent une réduction de la puissance thermique avant que les moyennes de l'ensemble ne soient atteintes
La réduction de puissance thermique dans les batteries de véhicules électriques commence au niveau de la zone la plus chaude, qu'elle soit mesurée ou estimée, car c'est à cet endroit que la limite de contrôle est atteinte en premier. Un petit point chaud peut entraîner un déclenchement précoce des limites de courant. Le reste de la batterie peut pourtant sembler fonctionner normalement. La logique de contrôle reste prudente, car c'est la surchauffe locale qui représente le premier risque significatif.
Un raccord de barre omnibus desserré, une soudure de languette comprimée ou une cellule de type « pouch » mal répartie contre une plaque de refroidissement peuvent être à l'origine de ce phénomène. Les capteurs de température sont souvent placés à la surface des modules ou au niveau des sorties de liquide de refroidissement ; ainsi, le point le plus chaud à l'intérieur du module atteint sa température maximale avant que la moyenne mesurée par le capteur ne s'aligne sur cette valeur. Le logiciel de gestion du pack utilise alors des marges de sécurité, et ces marges se traduisent pour le conducteur par une accélération réduite, une recharge plus lente ou une régénération limitée.
On ne peut pas résoudre ce problème uniquement en utilisant un radiateur plus grand. Les points chauds sont dus autant à la géométrie, à la résistance de contact, à la pression de serrage et à l'emplacement des capteurs qu'à la dissipation thermique globale. Un module voit sa puissance nominale réduite lorsque son point le plus chaud, mesuré ou estimé, atteint la limite en premier. C'est pourquoi les cartes de température et les gradients transitoires sont plus importants qu'une simple valeur de température du module.
La puissance de refroidissement suit la charge thermique transitoire tout au long du cycle de conduite
Le dimensionnement du système de refroidissement dépend de la charge thermique transitoire de l'ensemble tout au long du cycle de fonctionnement réel et doit tenir compte des pics, des périodes de maintien en température et des périodes de récupération. Il est nécessaire d'équilibrer la production de chaleur, la masse thermique et la capacité de dissipation au fil du temps. Un dimensionnement trop simplifié ne prend pas en compte les périodes de maintien en température, les pics de charge et la chaleur résiduelle après l'événement principal.
Prenons l’exemple d’une ligne de bus urbain pour mieux comprendre. Les arrêts génèrent des pics d’accélération répétés, la faible vitesse du véhicule affaiblit l’effet « ram air », et la recharge rapide en terminale ajoute une source de chaleur supplémentaire avant même que la batterie n’ait eu le temps de refroidir. Une batterie raccordée au réseau électrique est soumise à un schéma différent, comme une décharge de deux heures suivie d’une brève recharge à haute puissance. Le logiciel SPS SOFTWARE répond à ce cas de figure lorsque vous avez besoin d’un modèle unique capable de relier le profil de courant, les pertes électriques et l’élévation de température sans décomposer la tâche en hypothèses distinctes.
- Pour le dimensionnement thermique, tenez compte du segment présentant la fréquence de répétition la plus élevée, car les moyennes de la flotte masquent les charges courtes mais importantes.
- Vérifiez séparément les opérations de charge et de décharge, car elles génèrent toutes deux de la chaleur.
- Prévoir une phase de maintien à chaud après la charge, car les cellules restent chaudes une fois que le courant a diminué.
- Surveillez l'emplacement du module le plus chaud plutôt que la seule température de sortie du pack.
- Prévoir une marge pour tenir compte de l’encrassement, de l’usure de la pompe et des conditions ambiantes plus chaudes.
Ces vérifications vous évitent de considérer le refroidissement comme une étape secondaire de la conception du boîtier. Elles vous apportent également une réponse plus claire à la question courante de savoir comment dimensionner le système de refroidissement d’un bloc-batterie. Le dimensionnement adéquat correspond au plus petit système capable de maintenir la température du point le plus chaud dans les limites fixées tout au long du cycle de fonctionnement prévu, avec une marge fiable et un matériel pouvant être intégré dans le boîtier.
« La puissance d'un bloc est réduite lorsque son point le plus chaud, mesuré ou estimé, atteint en premier la limite. »
Les modèles électrothermiques couplés établissent un lien entre la contrainte électrique et l'élévation de température
Les modèles électrothermiques couplés établissent un lien entre le courant du bloc-batterie, les pertes, les chemins thermiques et les limites de contrôle, de sorte que l'élévation de température est prise en compte dans le comportement global du bloc-batterie. Vous obtenez ainsi un résultat unique, au lieu de deux estimations distinctes. Vous pouvez ainsi identifier le point à partir duquel le déclassement intervient. Vous pouvez également tester l'impact des modifications de conception sur cette limite.
Un modèle électrique distinct et une vérification thermique effectuée à un stade avancé permettront d’éviter les mauvaises surprises. Le courant peut sembler acceptable dans un fichier, le refroidissement dans un autre, mais le pack combiné subit tout de même une réduction de puissance lors d’une forte pente, d’une opération de charge ou d’une impulsion répétée de soutien du réseau. La meilleure approche consiste à recourir à un couplage rigoureux. Lorsque la résistance des cellules augmente avec la température au sein d’un même modèle, vous n’avez plus à deviner quelle partie du pack a provoqué le dépassement de la limite.
Ce jugement est plus important qu’une nouvelle série de calculs isolés de marge thermique. Le logiciel SPS SOFTWARE s’avère utile dans ce contexte, car il permet aux ingénieurs d’étudier le cycle de service, le courant et l’élévation de température sous la forme d’un résultat unique, ce qui correspond à la manière dont les limites des modules se manifestent réellement en service. Les modules qui conservent leur marge thermique sont généralement le fruit d’une modélisation électrothermique claire dès le début du projet, les solutions de refroidissement étant définies avant que la conception électrique ne soit finalisée.
