Le meilleur liquide de refroidissement est celui qui convient à votre plage de fonctionnement, aux matériaux en contact avec le fluide et à la charge thermique. Il n'existe pas de solution unique. Pour la plupart des batteries de véhicules électriques et de systèmes de stockage d'énergie, il s'agit généralement d'eau ou d'un mélange eau-glycol circulant dans une plaque froide. Un fluide diélectrique n'intervient que lorsque l'architecture de refroidissement met le fluide en contact direct ou quasi direct avec des composants sous tension. Cet article compare les liquides de refroidissement courants, puis explique comment les ingénieurs en batteries font leur choix. Chez Trumonytechs, nous concevons les plaques froides et les matériaux d'interface entre les cellules et le liquide de refroidissement ; le choix du fluide et celui du matériel sont donc indissociables.
Comprendre les systèmes de refroidissement par liquide
Un circuit de refroidissement liquide évacue la chaleur des cellules bien plus efficacement que l'air, car le liquide combine une capacité thermique élevée à un débit dense et contrôlable au contact de la surface chaude. La quantité de chaleur effectivement évacuée dépend de cette propriété du fluide, de son débit massique, de l'élévation de température admissible du liquide de refroidissement, ainsi que de la plaque et de l'échangeur qu'il traverse. Aucun paramètre isolé ne la détermine.
Les principaux composants d'un circuit de refroidissement de batterie sont :
- Le fluide caloporteur absorbe la chaleur au niveau des cellules et la restitue à l'échangeur. Sa conductivité thermique et sa capacité thermique massique limitent la quantité de chaleur que le circuit peut transférer.
- Plaque froide — la partie conductrice en aluminium ou en cuivre pressée contre les cellules ou les modules. Une plaque froide bien adaptée conception d'une plaque froide c'est ce qui est réellement transfère efficacement la chaleur au liquide de refroidissement, la plaque et le fluide doivent donc être spécifiés ensemble.
- Matériau d'interface thermique — le matériau de remplissage qui élimine l'air entre la cellule et la plaque. Il s'agit d'un élément en série du circuit thermique cellule-plaque. matériaux d'interface thermique liquide et les coussinets façonnent la répartition de la température de l'accumulateur en fonction de la disposition des cellules, de la résistance de contact et de la conception des plaques, et non pas isolément.
- La pompe assure la circulation continue du fluide de refroidissement des cellules vers l'échangeur de chaleur. Un fluide plus visqueux sollicite davantage la pompe pour un même débit.
- Échangeur de chaleur — rejette la chaleur collectée dans l'air ou dans un second circuit.
- Tuyauterie et réservoir — transportent le fluide et absorbent la dilatation thermique ; leurs matériaux doivent être compatibles avec le fluide de refroidissement choisi.
En interprétant la chaîne de cette manière, on reste ancré dans la réalité concernant la question du fluide : un liquide de refroidissement n’est “ bon ” que s’il évacue bien la chaleur et reste compatible avec la plaque, les joints et la pompe qu’il traverse.
Analyse comparative des liquides de refroidissement
Trois grandes familles de fluides de refroidissement couvrent la quasi-totalité des circuits de batteries et d'électronique de puissance : l'eau, les mélanges eau-glycol et les fluides diélectriques. Chacune présente un compromis entre performance thermique, plage de températures, sécurité électrique et maintenance ; le choix optimal dépend donc des contraintes incontournables.
L'eau est un meilleur conducteur de chaleur que les autres fluides frigorigènes, mais sa plage d'utilisation est très restreinte. À masse égale, sa chaleur spécifique est environ quatre fois supérieure à celle de l'air dans les conditions ambiantes, et sa conductivité thermique est proche de 0,6 W/m·K. C'est pourquoi l'eau sert de référence pour tous les autres fluides de refroidissement. Ses limites sont pratiques : à pression atmosphérique, elle gèle à 0 °C et bout à 100 °C, et l'eau non traitée peut corroder l'aluminium et le cuivre couramment utilisés dans les plaques froides. On utilise de l'eau déminéralisée ou distillée additionnée des additifs appropriés lorsque ces limites sont acceptables. Le risque de corrosion est suffisamment réel pour justifier le traitement du fluide et le contrôle des matériaux. réduit les risques de corrosion qui, autrement, encrasseraient les canaux au fil du temps.
Les mélanges eau-glycol sacrifient une partie de leurs performances de refroidissement au profit d'une plage de températures de fonctionnement beaucoup plus large. Les mélanges éthylène-glycol ou propylène-glycol abaissent le point de congélation et augmentent le point d'ébullition, ce qui est crucial pour les batteries stockées à des températures inférieures à zéro ou soumises à d'importantes variations de température ambiante. De plus, les batteries à base de glycol contiennent généralement des inhibiteurs de corrosion. Le coût est d'ordre physique : un mélange à base de glycol est plus visqueux que l'eau et transporte légèrement moins de chaleur. Ces deux effets augmentent avec la fraction de glycol et varient en fonction de la température. Il est impératif de dimensionner la pompe et de prévoir la perte de charge en se basant sur les courbes de propriétés concentration-température du fluide envisagé, et non sur une règle empirique. Ce fluide est généralement utilisé par défaut dans la plupart des batteries de véhicules électriques et de systèmes de stockage d'énergie, car la protection contre le gel justifie généralement la perte de performance qu'elle engendre.
Les fluides diélectriques garantissent la sécurité électrique au prix d'une isolation thermique importante. Comme ils ne conduisent pas l'électricité, une fuite sur des pièces sous tension présente moins de risques électriques, ce qui explique leur utilisation dans les systèmes à immersion et à contact direct. Leur conductivité thermique est cependant bien inférieure à celle de l'eau, et leurs propriétés, leur inflammabilité et leur compatibilité avec les matériaux varient considérablement d'un fluide à l'autre. Le choix d'un fluide diélectrique s'effectue donc lorsque l'architecture exige une isolation, et il convient de vérifier les données spécifiques à ce fluide ; une simple hypothèse ne suffit pas.
| Liquide de refroidissement | Transfert de chaleur relatif | fenêtre de température | Attention principale |
|---|---|---|---|
| Eau (déminéralisée/distillée) | Le plus élevé des trois | Le plus étroit (limité pour la congélation/l'ébullition) | Corrosion sans inhibiteurs et contrôle des matériaux |
| Mélange eau-glycol | Élevée, réduite avec la fraction de glycol | Étendu (dépendant de la formulation) | Viscosité plus élevée → coût de la pompe/perte de charge |
| fluide diélectrique | Bien en dessous de l'eau | Dépendant de la formulation | Transfert de chaleur faible ; vérifier pour chaque fluide. |
Le classement ci-dessus est indicatif. Avant de vous engager, vérifiez les propriétés et la compatibilité des matériaux de chaque candidat, ainsi que sa résistivité pour les fluides diélectriques.
Dernières avancées dans la technologie du refroidissement par liquide
Les nouvelles méthodes de refroidissement modifient principalement le contact entre le fluide et les cellules, et non les propriétés physiques fondamentales des fluides eux-mêmes. Dans le domaine des batteries et des systèmes de stockage d'énergie, deux pistes méritent d'être explorées, chacune présentant des avantages et des inconvénients distincts.
Le refroidissement par immersion consiste à plonger directement les cellules ou les modules dans un fluide diélectrique, ce qui élimine l'interface plaque-cellule comme facteur limitant et peut améliorer l'uniformité de la température. L'inconvénient réside dans la faible conductivité thermique mentionnée précédemment, à laquelle s'ajoutent le volume de fluide, le poids et l'espace nécessaire à la conception. L'immersion est privilégiée lorsque l'uniformité ou l'isolation électrique est primordiale, et non pour optimiser le transfert de chaleur brut.
Les fluides à faible potentiel de réchauffement climatique constituent l'autre axe de recherche, visant à remplacer les formulations anciennes par des options moins polluantes. Ces fluides sont toujours évalués selon les mêmes propriétés que tout liquide de refroidissement : conductivité, viscosité, compatibilité avec les matériaux et stabilité tout au long de la durée de vie du système. Un label “ plus écologique ” ne suffit pas à qualifier un fluide pour un circuit donné ; il est donc important de vérifier les données de performance et de compatibilité de tout nouveau fluide en fonction de vos propres matériaux.
Comment choisir le meilleur liquide de refroidissement
Choisir un liquide de refroidissement revient à éliminer les options en fonction de la contrainte inaltérable, puis à optimiser les options restantes. Pour une batterie, procédez approximativement dans cet ordre pour traiter les variables.
Commencez par examiner la plage de températures, car elle élimine rapidement des familles entières de produits. Si la poche doit résister à un stockage à des températures inférieures à zéro ou à des températures ambiantes élevées, l'eau pure est à proscrire ; il faut alors utiliser un mélange eau-glycol ou un autre fluide à plage de températures étendue. Le point de congélation requis détermine la fraction minimale de glycol, qui à son tour induit une pénalité de viscosité.
Ensuite, il faut déterminer l'architecture de refroidissement, car elle conditionne l'utilisation d'un fluide diélectrique. Une plaque froide indirecte maintient le fluide physiquement séparé des cellules, et l'eau traitée ou un mélange eau-glycol offre généralement les meilleures performances. Les systèmes à contact direct et à immersion mettent le fluide en contact avec les pièces sous tension. Dans ce cas, le fluide diélectrique devient indispensable, choisi en fonction des fuites tolérées et validé selon sa résistivité et sa compatibilité avec les matériaux. Son transfert thermique plus faible est compensé par une surface d'échange thermique accrue.
Vérifiez ensuite la compatibilité des matériaux et des joints. Contrôlez la compatibilité du liquide de refroidissement avec tous les matériaux en contact avec le fluide : alliage des plaques, tuyauterie, joints et composants internes de la pompe, et spécifiez les inhibiteurs de corrosion adaptés à cette combinaison. Les métaux mixtes constituent généralement le point faible, et un fluide compatible avec l’aluminium peut néanmoins attaquer un joint.
Enfin, le dimensionnement doit tenir compte de la viscosité et de la perte de charge, car un mélange à viscosité plus élevée augmente la puissance de la pompe et peut accentuer le gradient de température si le débit diminue dans les canaux les plus éloignés. C'est là que le choix du fluide et le matériel se rejoignent : la conception des canaux de la plaque froide et l'endroit où la boucle évacue la chaleur. système de refroidissement liquide-liquide L'échangeur d'air ou l'échangeur de chaleur doivent être dimensionnés en fonction du fluide choisi. panneaux de refroidissement liquide pour véhicules électriques et ESS sont conçues pour ce circuit cellule-liquide de refroidissement, et le fluide doit être adapté à la plaque et au cycle de service, et non spécifié seul.
Effet du liquide de refroidissement sur l'efficacité et la durée de vie de la batterie
Le choix du fluide de refroidissement influe en aval sur l'uniformité de la température, la durée de vie des cellules et la marge de sécurité, et pas seulement sur sa conductivité thermique. Un fluide qui conduit bien la chaleur mais qui n'est pas suffisamment refroidi, ou un fluide dont la viscosité empêche le refroidissement des canaux les plus éloignés, peut dégrader un pack même si sa conductivité apparente est bonne.
L'uniformité de la température est essentielle au bon fonctionnement du fluide, car la dégradation des cellules dépend non seulement de la température maximale, mais aussi de son gradient thermique au sein de la batterie. Les cellules lithium-ion fonctionnent de manière optimale dans une plage de température qui dépend de leur composition chimique. Les écarts moyens et maximaux acceptables entre les cellules doivent être définis à partir de la fiche technique de la cellule, de son état de charge, du taux de charge/décharge (C-rate), de la durée de vie cible et des spécifications du fabricant, plutôt que par une valeur unique et générique. Un fluide de refroidissement à fort transfert thermique et à débit suffisant dans chaque canal permet d'obtenir un gradient thermique faible.
La longévité et la sécurité découlent d'un même contrôle. Maintenir les cellules dans leur plage de fonctionnement et assurer un appariement précis réduit les contraintes thermiques responsables de leur vieillissement et préserve la marge de sécurité contre l'emballement thermique, un mode de défaillance qui fait du refroidissement de la batterie un système de sécurité, et non seulement un facteur de performance. C'est pourquoi le choix du fluide est validé en fonction du cycle de service réel de la batterie, et non d'une valeur maximale indiquée dans les spécifications techniques.
Conclusion
Il n'existe pas de liquide de refroidissement universellement optimal. Le bon choix est celui qui résiste à la contrainte la plus stricte tout en assurant une dissipation thermique suffisante. Pour la plupart des systèmes de stockage d'énergie des véhicules électriques (VE) et des batteries de stockage d'énergie (ESS), la démarche est simple : définir d'abord la plage de température, généralement un mélange eau-glycol ; déterminer l'architecture, en n'introduisant un fluide diélectrique que là où il entre en contact avec des pièces sous tension ; puis vérifier la compatibilité des matériaux et dimensionner le circuit en fonction de la viscosité retenue. En respectant cet ordre, le choix du “ meilleur liquide ” se résout de lui-même.
Le fluide et le matériel qu'il traverse doivent être spécifiés comme une seule et même décision. Si vous devez adapter un fluide de refroidissement à un format de cellule, une configuration de plaque froide ou un empilement de matériaux d'interface spécifiques, Contactez l'équipe Trumonytechs pour analyser les variables en fonction de votre équipement.
FAQ
Dois-je utiliser de l'eau ou un mélange eau-glycol pour la plaque froide d'une batterie de véhicule électrique ou de système de stockage d'énergie ?
Utilisez un mélange eau-glycol si le sac de couchage est destiné à être stocké à des températures inférieures à zéro ou à subir d'importantes variations de température ambiante. Utilisez uniquement de l'eau traitée si la plage de températures reste modérée. Le glycol abaisse le point de congélation et augmente le point d'ébullition, au détriment du transfert de chaleur et de la viscosité, ce que la plupart des sacs de couchage acceptent pour la protection contre le gel. Vérifiez la proportion de glycol en fonction de la température la plus basse à laquelle vous devez résister.
Puis-je utiliser de l'eau du robinet dans un circuit de refroidissement liquide pour batterie ?
Non. L'eau du robinet contient des impuretés susceptibles de corroder les plaques et d'obstruer les canaux. Si l'eau convient à votre plage de températures, utilisez de l'eau déminéralisée ou distillée et veillez à respecter les spécifications du constructeur ou du fournisseur de liquide de refroidissement concernant sa qualité, les inhibiteurs de corrosion et les risques microbiens. Ces spécifications doivent être vérifiées pour l'ensemble des matériaux en contact avec le fluide. Considérez l'eau du robinet non traitée comme une source de corrosion et d'encrassement évitable, et non comme une source d'économies.
Quand ai-je réellement besoin d'un fluide diélectrique plutôt que d'un mélange eau-glycol ?
Choisissez un fluide diélectrique lorsque l'architecture de refroidissement met le fluide en contact direct avec les cellules ou les barres omnibus, comme dans les systèmes à immersion, et que les conséquences d'une fuite d'un fluide conducteur sont inacceptables. Sa non-conductivité est un avantage ; sa conductivité thermique beaucoup plus faible en est l'inconvénient, compensé par une surface d'échange thermique plus importante. Si une plaque froide indirecte maintient le fluide séparé des cellules, l'eau glycolée reste généralement le meilleur choix ; vérifiez donc les données spécifiques du fluide.
Quelle propriété du liquide de refroidissement est la plus importante pour l'uniformité de la température dans un pack ?
Un transfert de chaleur adéquat, associé à un débit suffisant dans chaque canal, est primordial, car l'uniformité dépend de la proximité des cellules les plus froides et les plus chaudes, et non de la seule moyenne. Un fluide visqueux qui s'écoule en dessous des canaux les plus éloignés accentue le gradient, même si ses propriétés globales semblent optimales. Définissez la différence moyenne et maximale cible entre les cellules à partir de la cellule et du cycle de service, puis dimensionnez la pompe et les canaux en fonction du fluide sélectionné.
Pour en savoir plus
- Choisir un liquide de refroidissement pour un système de refroidissement liquide — Astrodyne TDI — Article technique d'ingénierie sur la sélection du fluide de refroidissement ; soutient les compromis entre les propriétés de l'eau et du mélange eau-glycol (conductivité thermique, points d'ébullition/de congélation, viscosité) comparés ci-dessus.
- Comment fonctionne le refroidissement liquide des batteries ? — Concept neuronal — Explication technique du refroidissement des batteries ; aborde le chemin thermique entre la cellule et le liquide de refroidissement ainsi que la question de la température de fonctionnement des batteries lithium-ion.
Articles connexes
- Vue d'ensemble du système de refroidissement liquide de la batterie — Une vue d'ensemble du système expliquant comment sont construits les circuits de refroidissement liquide des batteries et pourquoi le refroidissement par air s'est avéré insuffisant.
- Plaques froides et soudage : Gestion thermique — Comment la construction et le soudage de la plaque froide affectent la dissipation de chaleur et l'équilibre thermique de l'emballage.
- Échangeur de chaleur liquide-air : Améliore le refroidissement et l’autonomie des véhicules électriques — Comment les échangeurs liquide-air rejettent la chaleur du liquide de refroidissement de la batterie pour maintenir la température et l'autonomie.
- Pourquoi les véhicules électriques ont-ils besoin de batteries au lithium-ion pour la charge et la décharge ? — Pourquoi les véhicules électriques utilisent des cellules lithium-ion et comment le refroidissement les maintient dans leur plage de fonctionnement.
- Surmonter les défis de la gestion thermique dans l'industrie des véhicules électriques : Guide complet — Des défis plus vastes en matière de gestion thermique des véhicules électriques, au-delà du simple choix du liquide de refroidissement.
