Refroidissement des batteries de véhicules électriques : adapter la méthode à la charge thermique et à l’uniformité de la température des cellules

Le refroidissement des batteries de véhicules électriques maintient un pack lithium-ion dans une plage de températures de fonctionnement optimale tout en limitant la dérive thermique entre les cellules. La méthode permettant d'atteindre ces deux objectifs dépend de la mesure de la génération de chaleur des cellules, de l'uniformité requise et du type de conditionnement disponible. L'air, les plaques froides à liquide indirect, le réfrigérant direct, l'immersion, les caloducs et le refroidissement par changement de phase atteignent chacun une limite physique différente. La génération de chaleur doit être déterminée à partir des données au niveau des cellules, pour l'ensemble de la plage de courant, d'état de charge et de température prévue. La capacité du pack multipliée par le taux de charge/décharge (C-rate) décrit le débit électrique, mais ne constitue pas un indicateur fiable.

Comment fonctionne le refroidissement des batteries des véhicules électriques et ce qu'il contrôle réellement

Un système de refroidissement de batterie de véhicule électrique doit respecter deux objectifs simultanément : une plage de température absolue pour les cellules et une limite de dérive thermique entre elles. L’objectif prioritaire dépend du circuit d’écoulement, du conditionnement et de l’interface cellule-liquide de refroidissement.

La génération de chaleur à l'intérieur de la batterie a plusieurs causes. La chaleur irréversible provient des pertes ohmiques et de polarisation dans les cellules, tandis que la chaleur entropique réversible est due à l'électrochimie elle-même. Les barres omnibus, les languettes et les résistances de contact contribuent également à cette génération de chaleur, si bien que les jonctions deviennent souvent des points chauds avant les corps de cellules. Tous ces éléments sont sensibles au courant, à la résistance interne, à l'état de charge, à la température, au vieillissement et au sens de la charge. Il est donc essentiel de dimensionner le système de refroidissement en fonction des données calorimétriques, d'une carte de génération de chaleur fournie par le fabricant ou d'un modèle électrothermique validé, exécuté sur votre cycle de fonctionnement réel.

Les plages de températures publiées diffèrent, et la question utile est de savoir à laquelle chaque figure correspond. Fonctionnalité E-Mobility Engineering sur le refroidissement des batteries de véhicules électriques On estime que les meilleures performances et la durée de vie la plus longue se situent aux alentours de 20 à 25 °C, un optimum en termes de longévité. Des tolérances de fonctionnement plus larges sont également mentionnées. Une conception qui prend en compte une tolérance comme objectif peut réussir son propre test d'acceptation tout en vieillissant plus rapidement que ne le prévoit la fiche technique de la cellule. Ces deux types de valeurs sont des généralisations industrielles ; la spécification de cellule approuvée prévaut.

La gestion thermique normale n'est pas une stratégie de sécurité contre la propagation de l'emballement thermique, et la considérer comme telle constitue une erreur de conception fréquente. Le refroidissement normal contrôle la température de fonctionnement, la diffusion de la chaleur, le vieillissement et la consommation d'énergie auxiliaire. La sécurité contre l'emballement thermique et sa propagation est une discipline distincte : détection, ventilation, isolation, avertissement des occupants et résistance à la propagation entre cellules. Pour les véhicules routiers, cette question est traitée par la norme ISO 6469-1:2019/Amd 1:2022, qui couvre la gestion de la sécurité de la propagation thermique pour les systèmes de stockage d'énergie rechargeables. Un circuit de refroidissement dimensionné pour un fonctionnement normal n'est pas une stratégie de prévention de la propagation, et aucune version de cette norme ne prescrit de méthode de refroidissement, de dimensionnement des plaques ou de température optimale des cellules.

Pourquoi le refroidissement liquide ne surpasse pas automatiquement le refroidissement par air

Le flux thermique de surface, le débit réellement disponible et l'objectif d'uniformité déterminent cette comparaison, et non la capacité du pack ou la catégorie du véhicule. La capacité de refroidissement par air dépend du débit massique d'air, de l'élévation de température admissible, de la température d'entrée, de la surface d'échange air-cellule, du contournement des conduits et de la distribution du flux, de la pression statique du ventilateur, des conditions ambiantes et du conditionnement préalable de l'air. La capacité de refroidissement par liquide dépend de la surface des plaques, de la résistance de contact, du débit, de la température d'entrée, de la géométrie des canaux, de la perte de charge et de la puissance du refroidisseur. Aucune de ces listes ne se résume à un seuil de puissance unique, et un seuil publié correspond généralement à la plage de fonctionnement d'un seul fournisseur.

Ce que l'on peut affirmer, c'est l'ampleur de l'écart. Pour une même quantité de chaleur évacuée et une même élévation de température du fluide, l'air nécessite un débit volumique environ 3 000 fois supérieur à celui de l'eau. Le calcul est simple : à environ 25 °C, l'air transporte approximativement 1,005 kJ/kg·K pour une densité proche de 1,225 kg/m³, soit environ 1,2 kJ par mètre cube et par kelvin, tandis que l'eau transporte environ 4,18 kJ/kg·K pour une densité d'environ 1 000 kg/m³, soit environ 4 180 kJ par mètre cube et par kelvin. Ces chiffres supposent uniquement la chaleur sensible, la pression atmosphérique et de l'eau pure ; un mélange de glycol transporte moins de chaleur. En pratique, un système de refroidissement par air atteint souvent les limites du volume de conduit et de la puissance du ventilateur autorisées par l'encombrement, et dans ce cas, l'uniformité du refroidissement peut être compromise avant même que la température moyenne ne diminue.

Ces deux voies se combinent également. Un matériau à changement de phase peut amortir les pics de tension à l'intérieur d'une enceinte refroidie par air, et un système principalement refroidi par air peut comporter une petite boucle de liquide alimentant uniquement les modules à flux le plus élevé. Stockage stationnaire Elle est soumise à des contraintes d'emballage et de service différentes, et fait l'objet d'une comparaison distincte.

Six méthodes de refroidissement et la limite que chacune atteint en premier

Aucune méthode ne se distingue systématiquement par la seule gestion de la chaleur. La méthode qui atteint sa limite en premier parmi les six dépend du flux thermique de surface, du volume d'encapsulation et de la possibilité pour le fluide d'entrer en contact sans danger avec les cellules vivantes.

Méthode	Chemin thermique	Plus adapté lorsque	Limite atteinte en premier
Air pulsé ou conditionné	Surface de la cellule vers l'air, puis conduit ou enceinte	Le flux thermique est faible, la circulation d'air est assurée, une plus grande dispersion est tolérable.	Faible capacité thermique volumétrique et mauvaise répartition du flux d'air
Liquide indirect, plaque froide	Cellule pour interfacer le matériau avec la plaque et le liquide de refroidissement	Un flux de chaleur plus élevé, ou une diffusion plus importante, doit être serrée	Résistance d'interface, perte de charge, gestion des fuites
Réfrigérant direct	Cellule ou plaque pour l'évaporation du réfrigérant	L'emballage privilégie l'intégration du sachet au circuit de réfrigérant.	Distribution du fluide frigorigène et contrôle de la surchauffe dans les branches parallèles
Immersion, diélectrique direct	surface externe de la cellule au fluide diélectrique	Le flux thermique de surface est élevé ou l'emballage est très compact.	viscosité du fluide, puissance de pompage, compatibilité, facilité d'entretien
Caloduc	La cellule subit un changement de phase à l'intérieur d'un tuyau scellé, puis est acheminée vers un évier.	La chaleur doit se déplacer d'un endroit confiné vers une région plus froide.	La limite capillaire, l'orientation et le puits doivent toujours exister.
Mise en mémoire tampon PCM	Stockage de chaleur latente à partir de cellules	Les pics transitoires nécessitent un lissage	La chaleur stockée nécessite encore un processus de régénération ou d'évacuation.

La maturité de ces technologies est inégale. Le refroidissement par air et le refroidissement liquide indirect sont bien établis en production, et les systèmes à base de fluide frigorigène apparaissent dans les véhicules de série. Les systèmes à immersion et les systèmes à changement de phase (PCM) à grande échelle restent plus courants dans les programmes pilotes et les phases de développement avancé, le refroidissement liquide indirect étant aujourd'hui la solution la plus répandue pour les batteries haute énergie des véhicules de tourisme. L'immersion présente toutefois une limite pratique, déjà visible dans le tableau : certains fluides diélectriques évalués sont suffisamment visqueux pour augmenter sensiblement la puissance de la pompe ; c'est donc le choix du fluide, et non le transfert de chaleur, qui tend à constituer le facteur limitant.

Format de cellule Cela modifie les limites de ces paramètres. La surface de contact disponible, le chemin de conduction interne et la direction optimale du refroidissement sont également modifiés. La comparaison nécessite donc de prendre en compte les dimensions réelles des cellules et les surfaces de contact thermique disponibles. La configuration du flux est tout aussi importante. Dans un canal serpentin à passage unique, les cellules proches de la sortie peuvent chauffer davantage car le fluide de refroidissement a déjà absorbé de la chaleur en amont ; les configurations à entrées parallèles ou multiples permettent de réduire ou de redistribuer ce gradient.

Quelles variables de paquetage déterminent la méthode, et lesquelles définir en premier ?

La décision est déterminée par sept variables. Chacune d'elles trouve son origine dans l'une des trois sources suivantes : une fiche technique de la cellule, une exigence de validation ou le cycle de service réel du pack.

Variable	D'où provient la valeur	Ce qu'il contraint
génération de chaleur par cellule	Calorimétrie, carte de génération de chaleur du fournisseur ou modèle électrothermique validé	Chaque étape de dimensionnement en aval
Limite de propagation intercellulaire	Exigences de validation des cellules et des paquets, énoncées avec les conditions de mesure	L'air reste-t-il une option ?
augmentation de la température du liquide de refroidissement	Débit, surface de la plaque, configuration du canal	Un terme du budget étalé
résistance d'interface	Épaisseur de la ligne de collage, conductivité du matériau de remplissage, planéité de la surface	Température cellulaire atteignable à une température de plaque donnée
Enceinte et circuit d'air	Indice de protection, accessibilité pour la maintenance, volume d'emballage	Faisabilité de l'air conditionné
Fluide de travail	Conductivité électrique, viscosité à basse température, compatibilité des matériaux	Conséquences des fuites et régime de service
Seuil de réduction de charge et d'arrêt	Spécifications approuvées des cellules et concept de sécurité du BMS	Comportement de charge rapide soutenu

Deux des sept paramètres méritent d'être verrouillés en priorité. La génération de chaleur par cellule est primordiale, car elle influe directement sur la surface des plaques, le nombre de canaux, le débit et le choix de la pompe. Vient ensuite la limite d'espacement entre les cellules ; elle est fixée par les exigences de validation des cellules et du pack, et non par les préférences du concepteur, ce qui explique pourquoi il est difficile de la modifier ultérieurement. Le type d'enceinte, le circuit d'écoulement et le fluide caloporteur peuvent être revus, mais cela a un coût : toute modification de ces paramètres entraîne une modification du réseau de résistances thermiques, du débit et des pertes de charge, du choix de la pompe, de la compatibilité des matériaux et du comportement à basse température. Le dimensionnement doit donc être revérifié et non considéré comme définitif.

Même si cela va à l'encontre de nos propres intérêts : lorsqu'une dissipation thermique mesurée est modeste et que l'emballage permet l'utilisation d'air conditionné, un circuit de liquide engendre des coûts supplémentaires (pompes, raccords, entretien du liquide de refroidissement et détection des fuites) pour des besoins qui ne seront peut-être jamais exploités. Un budget prévisionnel détaillé le démontrera plus rapidement qu'une simple comparaison de fournisseurs.

Limites de conductivité du liquide de refroidissement qui ont changé en 2025

Le choix du liquide de refroidissement est devenu plus exigeant, et les anciennes spécifications ne reflètent pas nécessairement cette évolution. Deux contraintes sont à prendre en compte lors du choix d'un fluide.

• Pour les plateformes vendues en Chine, une norme nationale relative aux liquides de refroidissement pour véhicules électriques limite désormais la conductivité électrique du liquide fourni, avec une légère augmentation autorisée en service. Veuillez vérifier auprès de votre fournisseur de liquide de refroidissement la norme en vigueur et sa limite d'utilisation avant de spécifier un fluide pour ce marché.
• La norme ASTM D8566-24, « Spécification standard pour les liquides de refroidissement à base de glycol pour véhicules électriques à faible conductivité électrique », a été approuvée par l'ASTM en 2024 (sous-comité D15.26) et spécifie une conductivité électrique maximale de 100 µS/cm pour un liquide de refroidissement neuf. Vérifiez si votre circuit est conforme à cette norme ou à une ancienne spécification de liquide de refroidissement moteur, car les liquides de refroidissement moteur conventionnels présentent des conductivités nettement supérieures.

Aucune de ces contraintes ne fixe une température optimale de cellule, un objectif d'uniformité ou un débit de refroidissement. Elles limitent le fluide, et la conception thermique reste sous votre responsabilité.

Résistance d'interface entre la cellule et la plaque froide

C’est souvent la ligne de collage, et non la plaque, qui détermine la température de cellule atteignable. La résistance d’interface est un élément en série : elle augmente avec l’épaisseur et diminue avec la conductivité et la surface. Ainsi, un interstice même minime rempli d’un matériau de qualité médiocre peut compromettre les performances d’une plaque pourtant bien conçue. C’est le cas de l’interface Trumonytechs. plaque froide Le diamètre de la plaque est spécifié : celle-ci définit le circuit de refroidissement, tandis que le matériau et l’épaisseur des couches entre la cellule et la plaque déterminent la part de la capacité de la plaque qui atteint effectivement la cellule. La fonctionnalité E-Mobility Engineering explicite ce phénomène : un espace de 10 mm rempli d’un matériau de conductivité thermique de 10 W/m·K présente une résistance thermique similaire à celle d’un espace de 1 mm rempli d’un matériau de conductivité thermique de 1 W/m·K, toutes choses égales par ailleurs.

Cette relation est souvent interprétée comme un levier de coût, mais elle concerne la résistance thermique, et non le coût total. Réduire de moitié l'épaisseur de la ligne de collage et doubler la conductivité du matériau de remplissage modifient la résistance d'interface de façon similaire ; la solution la plus économique dépend du projet, car l'épaisseur est liée aux tolérances et à la planéité, tandis que la conductivité influe sur le prix. Ces deux paramètres ne peuvent être modifiés indépendamment. Une interface fonctionnelle doit toujours satisfaire aux exigences d'écartement et de planéité, d'absorption des tolérances, de contraintes d'assemblage, de polymérisation et de collage, de résistance de contact sur les deux faces et de rendement de fabrication. Le choix de la matériau d'interface thermique Le choix du matériau dépend donc autant de l'écartement, de la planéité, des contraintes d'assemblage, du durcissement et du collage que de la conductivité. Trumonytechs fournit les matériaux d'interface qui se trouvent dans cette ligne de collage, plutôt qu'un matériau unique haut de gamme à utiliser partout. La comparaison entre 10 mm et 1 mm n'est valable que pour une conduction unidimensionnelle avec une résistance de contact aux deux surfaces considérées, et cette résistance de contact augmente dès que l'une des surfaces présente une imperfection de planéité.

Le débit du liquide de refroidissement découle du charge thermique et l'élévation de température admissible. D'après la formule q = ṁ × Cp × ΔT, une charge de 5 kW maintenue à une élévation de température du fluide de refroidissement de 3 K nécessite environ 5 000 ÷ (3 300 × 3) ≈ 0,5 kg/s. La valeur de 3,3 kJ/kg·K provient des valeurs pour un mélange eau-glycol 50/50 pur, avec un mélange idéal supposé. Il convient donc de remplacer ces valeurs par celles de votre propre charge mesurée et de la fiche technique de votre fluide. Ce calcul prend en compte l'élévation de température du fluide de refroidissement, un terme du bilan de répartition entre cellules. Les autres termes proviennent de la distribution du flux dans le collecteur, de la conduction dans le plan de la plaque, de la résistance d'interface, des différences de génération de chaleur par cellule, des effets de bord à la limite du module, ainsi que de l'emplacement et de la tolérance des capteurs. Avant de comparer les options de plaques, vérifiez l'élévation de température du fluide de refroidissement admissible pour un bilan de répartition donné.

Lorsqu'une plaque est dimensionnée uniquement en fonction de la charge thermique totale et que la marge de dispersion n'est pas prise en compte, le pack peut atteindre sa température moyenne cible tout en échouant au contrôle d'uniformité près de la sortie. La correction consiste alors généralement à augmenter le débit plutôt qu'à modifier la configuration du collecteur. Dans les packs fonctionnant quotidiennement dans un environnement à forte chaleur ambiante, les cellules les plus proches de la sortie du liquide de refroidissement et la ligne de liaison plaque-cellule sont des points de contrôle prioritaires lorsque la dispersion mesurée commence à s'accroître.

Des données de production de chaleur à la décision sur une méthode de refroidissement

Deux éléments sont déterminants pour le choix d'une méthode de refroidissement de batterie de véhicule électrique : un profil de génération de chaleur mesuré ou modélisé, et une limite de dispersion entre les cellules, précisée dans les conditions de mesure. Une fois ces deux éléments connus, le choix de la méthode, le dimensionnement des plaques et le débit s'effectuent avec beaucoup moins d'approximations, et la plupart des désaccords concernant le refroidissement par air ou par liquide se résument à des divergences sur ces deux valeurs. Ces deux paramètres étant spécifiques au projet et dépendant du cycle de fonctionnement, il est important de les déterminer lors d'un test à débit soutenu avant de choisir le matériel.

Si vous disposez déjà d'un profil de génération de chaleur et d'un objectif d'uniformité défini, l'étape suivante consiste à vérifier la configuration des canaux et la pile d'interfaces par rapport à ces deux éléments, ce qui est le rôle de Trumonytechs'.’ gestion thermique des batteries Le travail commence. Si vous ne disposez ni de l'un ni de l'autre, commencez par la calorimétrie ou une carte de génération de chaleur du fournisseur, car chaque décision de dimensionnement ultérieure héritera de sa précision.

FAQ

Pour en savoir plus

• ASTM D8566-24, Liquide de refroidissement à base de glycol pour véhicules électriques à faible conductivité électrique — Norme (T1). Prend en charge la limite de conductivité électrique du liquide de refroidissement utilisée lors de la spécification d'un fluide ; s'applique au liquide de refroidissement neuf à base de glycol pour véhicules électriques, et non au liquide de refroidissement pour moteurs thermiques.
• Gestion thermique des batteries lithium-ion : matériaux à changement de phase et refroidissement par air avec ailettes (arXiv 2503.10244) — Recherche de type évaluation par les pairs (T2). Démontre comment les matériaux à changement de phase (MCP) et les conceptions à ailettes améliorent l'uniformité de la température par rapport au refroidissement par air ; les résultats proviennent d'une simulation de cellule cylindrique, et non d'un pack de production.

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