Qu’est-ce qu’un système de gestion thermique ?

Qu’est-ce qu’un système de gestion thermique ?

La gestion thermique de la batterie, basée sur l'impact de la température sur les performances de la batterie, combinée aux caractéristiques électrochimiques et aux mécanismes de génération de chaleur de la batterie, et fondée sur la plage de températures de charge/décharge optimale d'une batterie spécifique, est une technologie qui traite la dissipation thermique ou l'emballement thermique provoqué par des températures trop élevées ou trop basses pendant le fonctionnement de la batterie. Ceci est réalisé grâce à une conception rationnelle et s’appuie sur la science des matériaux, l’électrochimie, le transfert de chaleur, la dynamique moléculaire et d’autres disciplines. Le maintien d’une plage de température de fonctionnement raisonnable est essentiel pour que la batterie conserve de bonnes performances. Par conséquent, la conception d'un système de gestion thermique raisonnable pour les batteries lithium-ion est d'une grande importance pour améliorer les performances globales du système de batterie.

Le système de gestion thermique du bloc de batterie a les cinq fonctions principales suivantes : ① mesure et surveillance précises de la température de la batterie ; ② dissipation thermique et ventilation efficaces lorsque la température de la batterie est trop élevée ; ③ chauffage rapide dans des conditions de basse-température ; ④ ventilation efficace lorsque des gaz nocifs sont générés ; et ⑤ assurer une répartition uniforme de la température à l'intérieur du bloc-batterie.

Un système de gestion thermique de bloc de batterie-haute performance nécessite une approche de conception systématique. Il existe actuellement de nombreuses méthodologies de conception de systèmes de gestion thermique. Le plus couramment utilisé est un système de gestion thermique de pack de batteries conçu par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis, dont le processus de conception comprend sept étapes :

1) Déterminez le calibre personnel-et les exigences du système de gestion thermique. En fonction des caractéristiques de température de la batterie et de la plage de températures de fonctionnement appropriée, déterminez le calibre automatique de contrôle-du système de gestion thermique. Par exemple, la température de fonctionnement appropriée pour les batteries au lithium-ion est de 10 à 40 degrés, avec une limite de température basse-de 0 degré et une limite de température-haute de 45 degrés. Par conséquent, la conception du système de gestion thermique doit, tout en répondant aux températures de fonctionnement extrêmes de la batterie, s'efforcer de répondre aux exigences de température de fonctionnement appropriées de la batterie.

2) Mesurer ou estimer la production de chaleur et la capacité thermique du module. Grâce à des tests de charge-décharge de la batterie et à des calculs de simulation basés sur la capacité thermique spécifique de la batterie, déterminez la dissipation thermique ou la puissance de chauffage.

3) Évaluation initiale du système de gestion thermique, y compris la sélection du fluide caloporteur et la conception de la structure de dissipation thermique. Généralement, le refroidissement de la batterie est obtenu par refroidissement par air ou par refroidissement liquide. Les systèmes de refroidissement par air sont de structure relativement simple mais inefficaces ; les systèmes de refroidissement liquide sont de structure complexe mais très efficaces. Il existe également différentes formes de méthodes de chauffage, telles que le chauffage à air chaud par circulation, le chauffage à flux de liquide et le chauffage par rayonnement thermique direct à partir de la source de chaleur.

4) Prédire le comportement thermique du module et de la batterie. En fonction des conditions de fonctionnement de la batterie, prévoyez et évaluez la dissipation thermique et les besoins en chauffage pendant l'application.

5) Conception préliminaire du système de gestion thermique. Sur la base du fluide caloporteur déterminé et des résultats de l'évaluation du comportement thermique, réaliser le principe et la conception technique du système de gestion thermique.

6) Concevoir et tester le système de gestion thermique. Produisez des systèmes de batterie à échelle réduite-ou à grande échelle- et le système de gestion thermique de la batterie, et vérifiez l'efficacité du système de gestion thermique dans des conditions de fonctionnement réelles simulées sur un banc de test.

7) Optimiser le système de gestion thermique. Améliorer et optimiser le système de gestion thermique en fonction des résultats expérimentaux.

Les batteries ne sont pas de bons conducteurs de chaleur. Connaître uniquement la répartition de la température en surface est insuffisant pour comprendre pleinement l’état thermique interne de la batterie. Calculer le champ de température interne à l'aide de modèles mathématiques et prédire le comportement thermique de la batterie est une étape indispensable dans la conception de systèmes de gestion thermique des batteries. Actuellement, les modèles mathématiques traditionnels incluent des modèles à deux-dimensions et à trois-dimensions. Parmi ceux-ci, le modèle tridimensionnel-, en raison de son excellente précision et adaptabilité, a été largement utilisé dans de nombreux systèmes de gestion thermique des batteries. Le modèle est le suivant :

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Où T est la température ;

ρ est la densité moyenne ;

c_p est la capacité thermique spécifique de la batterie ;

λ_x, λ_y, λ_z sont la conductivité thermique de la batterie dans les directions x, y et z, respectivement ;

q est le taux de génération de chaleur par unité de volume.

Les différences de température entre les différents modules de batterie au sein du boîtier de batterie exacerbent les incohérences dans la résistance interne et la capacité de la batterie. Au fil du temps, cela peut entraîner une surcharge ou une-décharge excessive de certaines batteries, affectant leur durée de vie et leurs performances, et créant des risques pour la sécurité. Les différences de température entre les modules de batterie à l'intérieur du boîtier de batterie sont étroitement liées à la disposition du bloc de batterie. Généralement, les batteries situées au milieu ont tendance à accumuler de la chaleur, tandis que celles situées sur les bords ont une meilleure dissipation thermique. Par conséquent, lors de la conception de la structure de la batterie et de la dissipation thermique, il est crucial d’assurer une dissipation thermique uniforme. En prenant comme exemple le refroidissement par air, il existe généralement deux méthodes de ventilation : en série et en parallèle, pour assurer une dissipation thermique uniforme. La conception du flux d’air doit respecter les principes de base de la mécanique des fluides et de l’aérodynamique.

Lors de la conception d’un système de gestion thermique de batterie, le type et la puissance du ventilateur, le nombre de capteurs de température ainsi que l’emplacement des points de mesure doivent être soigneusement choisis.

En prenant le refroidissement par air comme exemple, lors de la conception du système de refroidissement, tout en garantissant un certain effet de refroidissement, la résistance au flux doit être minimisée pour réduire le bruit du ventilateur et la consommation d'énergie, améliorant ainsi l'efficacité globale du système. La consommation électrique du ventilateur peut être estimée en estimant la chute de pression et le débit à l'aide de méthodes expérimentales, de calcul théorique et de dynamique des fluides (CFD). Lorsque la résistance à l'écoulement est faible, des ventilateurs axiaux peuvent être envisagés ; lorsque la résistance à l'écoulement est élevée, les ventilateurs centrifuges sont plus adaptés. Bien entendu, il faut également considérer l’espace occupé par le ventilateur et son coût. Trouver la stratégie optimale de contrôle des ventilateurs est également l’une des fonctions d’un système de gestion thermique.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

La répartition de la température du bloc-batterie à l'intérieur du boîtier de batterie est généralement inégale. Il est donc nécessaire de connaître la répartition du champ thermique du bloc-batterie dans différentes conditions pour déterminer les points de température critiques. Un plus grand nombre de capteurs de température fournissent une mesure de température plus complète, mais augmentent le coût et la complexité du système. En fonction du contexte d'ingénierie spécifique, en théorie, l'analyse par éléments finis, l'imagerie thermique infrarouge dans les expériences ou la surveillance de la température multipoints en temps réel-multi-peuvent être utilisées pour analyser et mesurer la répartition du champ thermique du bloc de batterie, des modules de batterie et des cellules individuelles, en déterminant le nombre de points de mesure de température et en trouvant des points appropriés dans différentes zones. Une conception générale doit garantir que les capteurs de température ne sont pas exposés au flux d'air de refroidissement afin d'améliorer la précision et la stabilité des mesures de température. Lors de la conception de la batterie, un espace doit être réservé aux capteurs de température ; par exemple, des ouvertures appropriées peuvent être conçues à des endroits appropriés. La batterie du véhicule électrique hybride Prius de Toyota comporte 228 cellules individuelles et la surveillance de la température est effectuée par 5 capteurs de température. Le système de batterie d'alimentation du bus électrique conçu par l'Institut de technologie de Pékin utilise 6 points de mesure de température par boîtier (voir la zone encerclée sur la figure 8-16a), disposés aux bornes positives et négatives et aux points de sortie de la ligne électrique du boîtier de batterie, comme le montre la figure 8-16.

En fonction du fluide caloporteur, le refroidissement des systèmes de gestion thermique des batteries peut être divisé en trois types : refroidissement par air, refroidissement par liquide et refroidissement par matériau à changement de phase. Compte tenu des coûts de recherche, développement et de fabrication des matériaux, le système de dissipation thermique le plus efficace et le plus couramment utilisé utilise actuellement l'air comme moyen de dissipation thermique.

Sur la base de la structure du flux d'air de dissipation thermique, les systèmes de refroidissement par air peuvent être divisés en deux types : ventilation en série et ventilation parallèle, comme le montrent respectivement les figures 8-17 et 8-18.

Dans une configuration en série, l'air circule généralement d'un côté à l'autre de la batterie pour évacuer la chaleur. Cependant, ce flux d’air transporte la chaleur des zones qu’il traverse plus tôt vers les zones qu’il traverse plus tard, ce qui entraîne des températures incohérentes et des différences de température significatives. Dans une configuration parallèle, le flux d'air entre les modules s'élève verticalement, répartissant l'air plus uniformément et assurant une dissipation thermique constante dans l'ensemble de la batterie.

Les systèmes de gestion thermique peuvent être classés en systèmes passifs et actifs selon qu'ils disposent de dispositifs de chauffage ou de refroidissement internes. Les systèmes passifs sont moins coûteux et nécessitent une infrastructure plus simple ; les systèmes actifs sont plus complexes et nécessitent une puissance supplémentaire plus importante, mais offrent de meilleures performances.

Les figures 8-19, 8-20 et 8-21 montrent respectivement des diagrammes schématiques de structures actives et passives de chauffage de l'air et de dissipation thermique.

Thermal Management System Design and Implementation

Dans les figures 8-19 et 8-20, bien que l'air ait été refroidi et chauffé par le système de climatisation ou de chauffage de la voiture, il est toujours considéré comme un système passif. Avec ce système passif, en raison de l'incohérence de la température de l'air ambiant introduit, l'air ambiant doit fonctionner dans une certaine plage de température (10 ~ 35 degrés) pour une bonne gestion thermique. Le fonctionnement dans des conditions extrêmement froides ou chaudes peut entraîner de plus grandes irrégularités dans la batterie.

Dans les systèmes de chauffage, outre l'introduction d'air chaud dans le bloc de batteries, d'autres méthodes peuvent être utilisées, comme le montrent les figures 8-22 à 8-25 (pour les batteries prismatiques).

Other heating methods