Gestion thermique des batteries de véhicules électriques : explication de quatre technologies de refroidissement

Comment les batteries des véhicules électriques « refroidissent-elles » ? Quatre technologies clés de gestion thermique

Avec l’évolution rapide des véhicules à énergies nouvelles, la batterie de traction est non seulement le « cœur » d’un véhicule électrique mais aussi un facteur déterminant en termes de performances, de sécurité et de durée de vie.
Les batteries lithium-ion, largement adoptées pour leur haute densité énergétique et leur longue durée de vie, fonctionnent un peu comme un système biologique de précision : un contrôle stable de la température est essentiel pour un fonctionnement sûr et efficace.

1. Pourquoi les batteries nécessitent-elles un contrôle thermique ?
Le double défi de la surchauffe et du refroidissement excessif

La génération de chaleur est inévitable pendant la charge et la décharge de la batterie. Pour les batteries de véhicules électriques à haute capacité et à haute densité énergétique, l’accumulation de chaleur et la non-uniformité de la température deviennent des défis techniques critiques.

Risques liés aux hautes températures

• Les systèmes électrochimiques des batteries sont intrinsèquement sensibles à la chaleur
• Pour chaque augmentation de 10 °C, le vieillissement de la batterie s’accélère généralement d’environ 2 fois.
• Des études montrent que les cellules Sony 18650 soumises à un cycle à 50 °C peuvent perdre jusqu'à 60 % de leur capacité après 500 cycles.
• Une chaleur excessive accélère la dégradation des matériaux actifs, augmente la résistance interne et peut déclencher un emballement thermique

Limitations à basse température

• L'activité ionique réduite limite la puissance de charge/décharge
• La capacité et l’autonomie diminuent fortement
• L'expérience utilisateur et la capacité de charge rapide sont compromises

Objectif de gestion thermique

Maintenez le fonctionnement de la batterie dans une fenêtre optimale de 25 à 40 °C, garantissant une dissipation efficace de la chaleur à haute température et un chauffage efficace dans les environnements froids.

Cet article se concentre spécifiquement surtechnologies de refroidissement des batteries.

2. Technologies grand public de refroidissement des batteries
Quatre voies éprouvées de gestion thermique

Les systèmes de batteries de véhicules électriques modernes reposent généralement sur quatre approches de refroidissement éprouvées, qui constituent ensemble la base de la sécurité et des performances des batteries.

2.1 Système de refroidissement par air (AC) – Convection forcée ou naturelle

Principe de fonctionnement

La chaleur est dissipée par le flux d’air, soit via :

• Convection naturelle générée par le mouvement du véhicule
• Convection forcée à l'aide de ventilateurs

Point de vue de l'ingénierie
Le refroidissement par air offre une architecture simple et un faible coût, ce qui le rend adapté aux premières plates-formes EV. Cependant, en raison de la faible conductivité thermique et de la faible capacité thermique de l'air, sa capacité de refroidissement est fondamentalement limitée.

• À mesure que la densité énergétique de la batterie et les demandes de charge rapide augmentent, le refroidissement par air a du mal à :
• Contrôler l'augmentation de la température pendant un fonctionnement soutenu à haute puissance
• Maintenir une répartition uniforme de la température dans tout le pack

Applications typiques
Véhicules électriques à faible consommation, micro-véhicules et plates-formes sensibles aux coûts avec des charges thermiques modestes.

2.2 Système de refroidissement liquide (LC) – La norme de l’industrie

Principe de fonctionnement
Une pompe fait circuler le liquide de refroidissement (généralement un mélange eau-glycol) à travers des plaques froides à micro-canaux intégrées aux modules de batterie. La chaleur est transférée à un radiateur frontal pour être dissipée.

Point de vue de l'ingénierie
Avec une conductivité thermique et une capacité thermique supérieures à celles de l’air, le refroidissement liquide permet :

• Contrôle précis de la température
• Excellente uniformité thermique
• Prise en charge d'une charge rapide et d'une sortie haute puissance

Le refroidissement liquide est devenu la solution par défaut pour les véhicules électriques de milieu et haut de gamme.

Défis d'ingénierie

• Complexité accrue du système (pompes, vannes, tuyauterie)
• Poids ajouté
• Exigences strictes en matière de fiabilité de l'étanchéité, de résistance à la corrosion et de durabilité à long terme

2.3 Refroidissement par caloduc (HP) – Gestion des points d'accès locaux

Principe de fonctionnement
Les caloducs utilisent un fluide de travail scellé (par exemple, de l'eau ou de l'acétone) qui subit des cycles rapides d'évaporation-condensation pour transférer la chaleur efficacement avec une différence de température minimale.

Point de vue de l'ingénierie
Les caloducs présentent une conductivité thermique axiale extrêmement élevée, souvent équivalente à des milliers de fois celle du cuivre massif.

Dans les systèmes de batteries de véhicules électriques, les caloducs sont rarement utilisés comme solutions de refroidissement autonomes. Au lieu de cela, ils agissent comme :

• Autoroutes thermales
• Améliorateurs d'égalisation de température

Ils sont généralement intégrés dans des plaques de refroidissement liquide ou des interfaces de modules pour :

• Extraire la chaleur des points chauds localisés
• Améliorer la cohérence globale de la température
• Atténuer l’effet « cellule la plus faible »

2.4 Refroidissement des matériaux à changement de phase (PCM)

Principe de fonctionnement
Le PCM absorbe ou libère de grandes quantités de chaleur latente pendant les transitions de phase solide-liquide, stabilisant ainsi la température autour de son point de changement de phase.

Point de vue de l'ingénierie
Avantages clés :

• Fonctionnement entièrement passif
• Zéro consommation d'énergie
• Excellentes caractéristiques de tampon thermique

Limites:

• Conductivité thermique intrinsèquement faible
• Transfert de chaleur lent sans amélioration

Application pratique
Le PCM est rarement utilisé seul. Au lieu de cela, il fonctionne comme un tampon thermique combiné à des systèmes actifs (généralement un refroidissement liquide), où il :

• Absorbe les pics de chaleur transitoires
• Ralentit la montée en température
• Réduit la charge de pointe sur la boucle de refroidissement primaire

3. Intégration du système et tendances futures
La synergie multitechnologique est l’avenir

Alors que les batteries des véhicules électriques évoluent vers une densité énergétique plus élevée et une charge plus rapide, les solutions de refroidissement uniques atteignent leurs limites. La tendance du secteur est claire : les architectures hybrides de gestion thermique.

Les configurations typiques incluent :

• Refroidissement liquide + PCM : tampon thermique et réduction des charges de pointe
• Refroidissement liquide/air + caloducs : extraction rapide des points chauds et égalisation de la température
• Refroidissement direct par réfrigérant : utilisation d'un réfrigérant CVC pour une efficacité de refroidissement extrêmement élevée (appliqué dans certains véhicules électriques haut de gamme)

4. Conception thermique axée sur les matériaux
Comment les barres omnibus RHI permettent une gestion thermique avancée des batteries

Toutes les technologies courantes de refroidissement des batteries (refroidissement liquide, refroidissement par air, caloducs, PCM et même le refroidissement thermoélectrique émergent) imposent des exigences thermiques et structurelles uniques aux jeux de barres, les conducteurs électriques critiques à l'intérieur des batteries.

En tant que fournisseur leader de solutions de jeux de barres et d'interconnexion en cuivre et en aluminium, RHI s'appuie sur une expertise approfondie des matériaux et des processus de fabrication avancés pour fournir des systèmes de jeux de barres adaptatifs au refroidissement et axés sur la sécurité, agissant à la fois comme :

• Conducteurs thermiques efficaces
• Ponts électriques fiables

4.1 Solutions de jeux de barres pour le refroidissement thermoélectrique (TEC)

Couplage thermique de précision
Les modules thermoélectriques nécessitent une résistance de contact thermique extrêmement faible.
RHI fournit des jeux de barres en cuivre nickelé de haute planéité, garantissant :

• Interfaces thermiques stables
• Résistance à l'oxydation
• Contact fiable avec les modules TEC ou les coussinets isolants thermoconducteurs

Isolation électrique haute température
Les systèmes TEC introduisent des gradients chaud-froid localisés.
RHIjeux de barres haute températuremettant en vedette :

• Bande de mica intérieure
• Bande composite céramique extérieure
  maintenir la rigidité diélectrique et la stabilité mécanique sous des cycles thermiques répétés.

Préparation à l'intégration du système
Les barres omnibus en aluminium sur mesure peuvent être usinées avec :

• Trous de montage du capteur
• Surfaces de référence plates
• Caractéristiques structurelles pour l'intégration BMS
  prenant en charge le contrôle thermique et électrique en boucle fermée.

4.2 Jeux de barres pour les systèmes de refroidissement par caloducs

Bases thermiques à haut rendement
Avec une conductivité thermique d'environ 385 W/m·K, RHIbarres omnibus en cuivreagissent comme des dissipateurs de chaleur efficaces, transférant efficacement la chaleur localisée aux sections de l'évaporateur des caloducs.

Intégration spatiale flexible
RHI propose :

• Connecteurs flexibles laminés cuivre/aluminium
• Jeux de barres rigides pliés en 3D multi-angles
  permettant le routage électrique autour des caloducs tout en préservant un flux d'air optimal ou un contact avec la plaque froide.

Adaptation des matériaux sur toutes les plages de température

• Jeux de barres en cuivre pour zones à haute température et forte puissance
• Jeux de barres en aluminium pour zones légères et à température modérée
  Tous avec une isolation moulée par extrusion ou par injection pour une fiabilité à long terme.

4.3 Valeur fondamentale des jeux de barres dans les systèmes de refroidissement grand public

Systèmes de refroidissement liquide
Les jeux de barres RHI fournissent :

• Surfaces plates, étamées ou nickelées pour une faible résistance thermique
• Isolation à haute étanchéité par moulage par insert ou extrusion PA12
  atténuant efficacement les risques de fuite de liquide de refroidissement et de condensation.

Systèmes de refroidissement par air
Les performances thermiques sont améliorées grâce à :

• Géométrie de jeu de barres optimisée pour le flux d'air
• Structures perforées ou de type cadre pour augmenter la zone de dissipation thermique
• Finitions en cuivre nu ou en étain brillant pour améliorer le transfert de chaleur radiative

Refroidissement assisté par PCM
RHI répond à la fiabilité des interfaces à long terme en offrant :

• Barres omnibus traitées en surface pour une meilleure adhérence du PCM
• Isolation entièrement encapsulée (par exemple, moulage par injection PA66+GF30)
  empêchant les interactions chimiques et garantissant des performances électriques stables dans le temps.

5. Conclusion

La gestion thermique de la batterie est un équilibre précis entre sécurité, performances et durabilité. Du refroidissement par air au refroidissement liquide, et des caloducs aux matériaux à changement de phase, l'évolution et l'intégration continues des technologies de refroidissement conduisent les batteries de véhicules électriques vers une densité énergétique plus élevée et une charge plus rapide.

À mesure que les systèmes de gestion thermique deviennent plus intégrés et intelligents, la conception des interconnexions électriques joue un rôle de plus en plus critique.

En tant que partenaire de confiance dans les solutions d'interconnexion de batteries, RHI soutient cette évolution en fournissant :

• Pliage 3D avancé
• Systèmes d'isolation personnalisés
• Ingénierie des jeux de barres au niveau du système

aider les clients à créer des systèmes de gestion thermique des batteries efficaces, fiables et prêts pour l’avenir.