Refroidissement par immersion pour les véhicules électriques : la peur de l’inconnu.

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Le principal obstacle à l’adoption des véhicules électriques (VE) est le coût de la batterie, suivi de près par les inconvénients perçus liés à l’autonomie d’un véhicule. Les fabricants ont fait d’énormes progrès dans la technologie des batteries ces dernières années, notamment des réductions de coûts, une densité d’énergie accrue, une charge plus rapide, des durées de vie plus longues et une transition vers des matériaux plus respectueux de l’environnement. Néanmoins, l’un des défis permanents des véhicules électriques est la capacité de refroidir efficacement la batterie pour minimiser sa dégradation et améliorer la sécurité.

Les systèmes de gestion thermique des batteries (BTMS) sont essentiels pour optimiser les performances et la durée de vie d’une batterie lithium-ion et pour réduire le risque d’emballement thermique, un phénomène dans lequel la cellule lithium-ion entre dans un état d’auto-échauffement incontrôlable. L’emballement thermique peut entraîner des températures extrêmement élevées ; éjection de produits nocifs gazeux, liquides ou solides ; explosion de fumée et de feu.

Photo publiée avec l’aimable autorisation de XING

La surchauffe est un accélérateur clé de la dégradation de la batterie. Les batteries sont très sensibles aux gradients thermiques de température et au flux de courant non uniforme, ce qui peut provoquer une contrainte indésirable sur les cellules, des réactions secondaires et une dégradation. À court terme, cela peut limiter la disponibilité de l’énergie et réduire la capacité utilisable. À long terme, la dégradation des cellules peut avoir un impact négatif sur la durée de vie d’une batterie. Dans une étude réalisée en 2016 par Hunt et al ., il a été démontré qu’un flux de courant irrégulier provoquant une dégradation hétérogène réduisait la durée de vie d’une cellule de batterie de 65 %.

Presque toutes les grandes batteries disposent d’un système de refroidissement actif pour homogénéiser la température au sein des cellules de batterie individuelles et maximiser les performances. Les systèmes de refroidissement par air sont depuis longtemps populaires en raison de leur faible coût, de leur faible poids et de leur facilité d’entretien. Aujourd’hui, la plupart des fabricants d’équipement d’origine (OEM) utilisent une forme de système de refroidissement indirect dans lequel un fluide de refroidissement traverse un réseau de tuyaux ou de plaques de refroidissement adjacents aux cellules de la batterie, afin d’encourager le transfert de chaleur et une répartition uniforme de la température. Le fluide le plus couramment utilisé dans ces systèmes est un mélange d’eau et d’éthylène glycol.   

Le refroidissement indirect nécessite une conception complexe de la tuyauterie et des composants supplémentaires. L’architecture compliquée signifie qu’il y a un contact limité avec les cellules de la batterie et qu’il existe des contraintes sur la capacité de transfert de chaleur et les performances de refroidissement, explique Lawrence Wang, responsable du développement commercial Asie-Pacifique, Future Mobility, chez Lubrizol. Cela limite la capacité d’évacuer la chaleur pour une charge rapide ou dans un véhicule haute performance, dit-il. Lubrizol, dont le siège est à Wickliffe, Ohio, États-Unis, est un leader de l’industrie dans la fourniture de solutions fluides formulées et possède plus de 30 ans d’expérience dans l’industrie du transfert de chaleur. 

La charge rapide crée des défis supplémentaires pour le matériel et les fluides utilisés dans les systèmes de gestion thermique. À mesure que les équipementiers évoluent vers une puissance de batterie et des densités d’énergie plus élevées, et que la charge à grande vitesse devient plus répandue, l’architecture de refroidissement des véhicules électriques devra changer, a déclaré Wang.

L’immersion directe est devenue l’un des BTMS les plus prometteurs. En utilisant un fluide caloporteur diélectrique hautement spécialisé, vous pouvez immerger l’ensemble de la batterie dans le fluide, gérant efficacement l’augmentation de la chaleur due à la charge à grande vitesse tout en aidant à prévenir la propagation de l’emballement thermique. Cette approche améliore le transfert de chaleur et fournit un effet de refroidissement plus uniforme sur l’ensemble de la batterie. 

Aujourd’hui, l’application du refroidissement par immersion dans les véhicules électriques est très niche, limitée aux sports mécaniques et aux hypercars. « Alors que les équipementiers deviennent plus à l’aise avec la technologie et comprennent pleinement les avantages, nous pensons que l’adoption augmentera et s’étendra aux voitures moyennes et haut de gamme dans les pays où les installations de recharge rapide sont largement disponibles », a déclaré Shawn Jarecki, directeur de l’e-mobilité chez Lubrizol.

Photo gracieuseté de Shell

L’année dernière, la multinationale française de l’énergie TotalEnergies a appliqué pour la première fois la technologie d’immersion à une voiture de route, une Volvo XC90 hybride rechargeable. « Le projet nous a permis de démontrer directement les performances de nos produits », explique Gérard Quoirin, ingénieur produit fluides pour batteries & spécialiste batteries, TotalEnergies. Les résultats ont été immédiats : une charge plus rapide, un meilleur refroidissement, une sécurité accrue et une réduction du coût et de la masse sans qu’il soit nécessaire de modifier la conception de la batterie ou du véhicule. Le potentiel du chargeur embarqué est passé de 3,7 kilowatts (kW) à 22 kW et la capacité de refroidissement était sept fois plus efficace.

Quoirin prédit que le refroidissement par immersion des batteries au lithium sera une technologie clé du futur. Il répond parfaitement aux défis de la prochaine génération de voitures électriques, dont les batteries devraient être plus puissantes, plus sûres et plus durables. « Un refroidissement très efficace sera absolument nécessaire et seule la technologie par immersion peut relever ces défis », déclare-t-il.

Lubrizol pense que le plus grand obstacle à l’adoption du refroidissement immergé dans les véhicules électriques est la peur de l’inconnu. L’immersion du matériel ou des commandes dans un bain continu de fluide introduit un ensemble différent de défis concernant la sécurité, la conception du matériel, la compatibilité des matériaux, la durabilité des fluides, la conductivité électrique et thermique. Les outils industriels sont un autre obstacle majeur, dit Quoirin. La fabrication de modules et de batteries est validée depuis longtemps. L’immersion de refroidissement oblige à une refonte profonde de ces éléments et, par conséquent, à un nouvel outillage, dit-il.

Il n’existe actuellement aucun consensus sur la conception du système avec une gamme de configurations de refroidissement par immersion et différents degrés d’immersion, d’écoulement et de régimes de fluides. Cependant, Lubrizol prévoit une normalisation croissante une fois que le refroidissement par immersion sera plus largement adopté et que les équipementiers chercheront à réaliser des économies d’échelle.

La littérature existante sur le refroidissement par immersion met en évidence le taux élevé de transfert de chaleur, en particulier dans les systèmes de fluides à deux phases où une transition liquide-gaz améliore les effets de transfert de chaleur par convection. Pourtant, il existe des limites claires autour de l’utilisation de systèmes de fluides à deux phases, dit Jarecki. 

Dans de nombreux cas, un produit fluoré est utilisé. Ces fluides sont associés à un potentiel de réchauffement climatique élevé et ne constituent donc pas une solution durable à long terme, dit-il. Jarecki a également souligné les préoccupations concernant la manipulation en toute sécurité de ces matériaux. Actuellement, la recherche OEM se concentre davantage sur les fluides de refroidissement par immersion monophasés.

Certaines publications ont souligné le coût plus élevé des fluides de refroidissement par immersion, ainsi que des préoccupations concernant les pénalités de poids, la compatibilité des matériaux et les incertitudes sur la durée de vie du système. Jarecki a mis en garde contre les comparaisons directes de prix entre les fluides et a souligné la conception simple des systèmes de refroidissement par immersion par rapport aux autres méthodes de refroidissement.

En réduisant le nombre de pièces, la construction d’une batterie devient moins coûteuse. Dans les véhicules électriques d’aujourd’hui, les batteries ont tendance à être plus grandes que nécessaire, ce qui augmente les coûts de production et limite la capacité de chargement. Si nous pouvons améliorer la dissipation thermique, il est possible de rétrécir la batterie elle-même, déclare Jarecki. Les batteries plus petites coûtent moins cher à fabriquer et les équipementiers peuvent répercuter les économies sur le consommateur. De plus, moins de poids contribue à augmenter l’efficacité globale du groupe motopropulseur électrique, préservant ainsi l’autonomie de la batterie tout en réduisant ses effectifs.

Photo publiée avec l’aimable autorisation de XING

Bien que les équipementiers en soient aux premiers stades des tests de refroidissement par immersion dans les véhicules de production, il semble que cette technologie deviendra éventuellement la norme pour la plupart des systèmes de refroidissement de batterie de VE. Sa rentabilité, combinée à son profil de sécurité, en font le choix logique pour les équipementiers de véhicules électriques à l’avenir, déclare Jarecki. 

Les fluides d’immersion jouent un rôle essentiel dans l’efficacité du refroidissement et la stabilité thermique, mais l’unanimité sur la sélection des fluides reste également à déterminer. 

Selon Lubrizol, un fluide de refroidissement par immersion « idéal » offre une large compatibilité avec les matériaux, des performances thermiques, une sécurité, un coefficient de transfert de chaleur plus élevé et une densité plus faible. Les fluides de refroidissement par immersion doivent être électriquement isolants pour limiter les problèmes de fuites électroniques lors du contact entre la batterie et le fluide. Ils doivent également avoir des points d’éclair suffisamment élevés pour assurer un fonctionnement sûr et un risque d’incendie minimal. Le refroidissement par immersion devant bénéficier d’un soutien important parallèlement à la montée en puissance des véhicules électriques, il existe également un besoin de fluides disponibles en volumes élevés. L’aspect le plus important du fluide est qu’il est adapté aux besoins de l’OEM. Grâce à une étroite collaboration avec les équipementiers et les fournisseurs de niveau 1, Lubrizol a pu formuler efficacement un fluide qui offre une large compatibilité avec les matériaux,

Quoirin a souligné l’importance d’un fluide peu visqueux pour faciliter sa circulation et pour que le fluide soit le plus neutre possible pour préserver notre environnement. TotalEnergies est la seule entreprise présentant une empreinte carbone négative, une biodégradabilité à 100% et une très grande stabilité à haute température sans danger pour l’homme, précise-t-il.

Les fluides candidats pour le refroidissement par immersion comprennent les hydrofluoroéthers, les hydrocarbures, les esters, les huiles de silicone et les mélanges eau-glycol. Plusieurs sociétés proposent des fluides à base d’hydrofluorocarbures (HFC) pour cette application. Ces fluides ont tendance à être extrêmement coûteux et font l’objet d’une surveillance accrue d’un point de vue réglementaire. L’adoption généralisée des hydrofluoroéthers est peu probable dans les solutions de refroidissement immergées, déclare Jarecki.   

Les fluides à base d’hydrocarbures sont une option intéressante en raison de leur faible coût, de leur faible toxicité et de leur plage de température de travail adéquate. Lubrizol prévoit qu’il y aura une large gamme d’options de fluides de base différentes utilisées dans ce qui va être un « espace très compétitif ». 

Les caractéristiques conductrices de l’eau signifient que les liquides de refroidissement à base d’eau/éthylène glycol ne sont généralement pas adaptés au refroidissement par immersion. Il y a eu un certain intérêt dans le milieu universitaire pour les conceptions de systèmes encapsulés où les batteries peuvent être isolées électriquement pour permettre l’utilisation de liquides de refroidissement à base d’eau/éthylène glycol. Cependant, Jarecki pense que nous sommes moins susceptibles de voir ce liquide de refroidissement utilisé dans la technologie immergée. Même dans le cas du refroidissement indirect, certains équipementiers évaluent les fluides diélectriques par crainte que les fluides ne s’infiltrent dans le système, dit-il. (fuelsandlubes 1/12/22)

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