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 les écarts de température 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 évacue la chaleur du pack tout en respectant deux objectifs distincts : une plage de température absolue pour les cellules et une limite de dérive thermique entre elles. L’objectif prioritaire dépend du circuit de refroidissement, 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 tenant compte des besoins, en se basant sur la calorimétrie, une cartographie de la génération de chaleur fournie par le fabricant ou un modèle électrothermique validé, exécuté sur le cycle de fonctionnement réel.

Directives publiées sur les répartitions absolues des bandes. Fonctionnalité E-Mobility Engineering sur le refroidissement des batteries de véhicules électriques, un titre professionnel d'ingénieur, situe les meilleures performances et la durée de vie la plus longue à environ 20-25 °C. Comparaison des refroidissements par liquide et par air réalisée par Saur Energy Ce graphique décrit une plage de températures de fonctionnement optimales, plus proche de 20 à 40 °C. Les deux valeurs répondent à des questions différentes : la plus étroite correspond à une durée de vie optimale, la plus large à une tolérance de fonctionnement. Une conception qui prend en compte cette tolérance réussira son propre test d'acceptation, mais vieillira plus vite que ne le prévoit la fiche technique de la cellule. Il s'agit de généralisations industrielles ; la spécification de cellule approuvée prévaut.

Il est judicieux de définir rapidement une limite. La gestion thermique normale contrôle la température de fonctionnement, la dispersion, le vieillissement et la consommation d'énergie auxiliaire. Emballement thermique La sécurité en matière de propagation est une discipline distincte : détection, ventilation, isolation, avertissement des occupants et résistance à la propagation de cellule à cellule. Pour les véhicules routiers, elle est prise en charge par ISO 6469-1:2019/Amd 1:2022, Cette norme traite de la gestion de la sécurité de la propagation thermique des systèmes de stockage d'énergie rechargeables. Un circuit de refroidissement dimensionné pour un fonctionnement normal ne constitue pas une stratégie de propagation, et aucune version de cette norme ne prescrit de méthode de refroidissement, de dimensions de plaque ou de température optimale de cellule.

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

Le choix entre refroidissement par air et refroidissement liquide pour une batterie de véhicule électrique dépend du flux thermique de surface, du débit disponible et de l'objectif d'uniformité. La capacité de la batterie et la catégorie du véhicule, prises isolément, ne permettent donc pas de prédire correctement ce choix. La capacité du refroidissement par air est influencée par le débit massique d'air, l'élévation de température admissible, la température d'entrée, la surface de contact entre les cellules et l'air, le contournement des conduits et la distribution du flux, la pression statique du ventilateur, les conditions ambiantes et le conditionnement préalable de l'air. La capacité du refroidissement liquide dépend quant à elle 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. Les seuils publiés correspondent généralement à la plage de fonctionnement d'un seul fournisseur.

Ce que l'on peut constater, c'est l'écart important entre les deux fluides. 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. L'eau, quant à elle, 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. Pour une même quantité de chaleur évacuée et une même élévation de température, l'air nécessite donc un débit volumique environ 3 000 fois supérieur. Cet écart permet la comparaison. 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 ses limites en termes de volume de conduit et de puissance du ventilateur, et perd en uniformité avant de perdre en température moyenne.

Ces deux solutions se combinent. Les matériaux à changement de phase peuvent amortir les pics de consommation dans une enceinte refroidie par air, et un système principalement refroidi par air peut intégrer un petit circuit liquide alimentant uniquement les modules à flux le plus élevé. Le stockage stationnaire, soumis à des contraintes d'emballage et de maintenance différentes, fait l'objet d'une comparaison distincte.

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

Six approches de refroidissement sont actuellement utilisées dans la conception des batteries de véhicules électriques, et celle qui atteint ses limites en premier dépend du flux de chaleur de surface, du volume d'encapsulation et de la compatibilité du fluide avec les cellules vivantes.

Le niveau de maturité varie selon les technologies présentées. Le refroidissement par air et le refroidissement indirect par liquide sont bien établis en production, et les systèmes à base de fluide frigorigène apparaissent dans les véhicules de série. Refroidissement par immersion Les systèmes à changement de phase (PCM) à grande échelle restent prédominants dans les programmes pilotes et les phases de développement avancées, le refroidissement liquide indirect étant aujourd'hui la solution la plus éprouvée pour les batteries haute énergie destinées aux passagers. Le même article souligne que les huiles de silicone étudiées comme fluides diélectriques présentent une viscosité suffisante pour augmenter sensiblement la puissance de la pompe, et qu'un fluide testé a eu un comportement non newtonien sous charge de pompage.

Le format des cellules modifie ces limites, car il influe sur la surface de contact disponible, le chemin de conduction interne et la direction optimale du refroidissement. Cette comparaison nécessite de connaître les dimensions réelles des cellules et les surfaces de contact thermique disponibles. La configuration du flux est également importante pour la même raison. 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, tandis que 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 ?

Sept variables déterminent la décision relative au refroidissement d'une batterie de véhicule électrique, et chacune d'elles a une origine légitime : une fiche technique de la cellule, une exigence de validation ou le cycle de service réel de la batterie.

Ces sept éléments convergent, bien que deux d'entre eux méritent d'être définis dès le départ. La génération de chaleur dans la cellule est primordiale : la surface des plaques, le nombre de canaux, le débit et le choix de la pompe en dépendent tous ; une modification à ce niveau se répercute donc sur toutes les décisions ultérieures. Vient ensuite la limite de diffusion, la moins négociable des deux. Elle est inhérente à la cellule, ce qui la rend largement hors du contrôle du concepteur. Le type d'enceinte et le fluide caloporteur peuvent généralement être revus ultérieurement sans qu'il soit nécessaire de recalculer les dimensions.

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

Deux documents déplacés sélection du liquide de refroidissement Les spécifications récentes et les spécifications plus anciennes du liquide de refroidissement peuvent ne pas refléter l'une ou l'autre.

• GB 29743.2-2025, Liquide de refroidissement pour véhicules à moteur, Partie 2 : Liquide de refroidissement pour véhicules électriques. En vigueur en Chine à compter du 1er octobre 2025, elle plafonne la conductivité électrique du liquide de refroidissement fourni à 100 µS/cm, avec une augmentation autorisée en service. Action: Vérifiez la conformité du fluide de refroidissement auprès de votre fournisseur avant de spécifier un fluide pour toute plateforme vendue sur ce marché.
• ASTM D8566-24, Spécification standard pour le liquide de refroidissement à base de glycol pour véhicules électriques à faible conductivité électrique. Approuvé le 15 mai 2024 sous le sous-comité D15.26 de l'ASTM, il indique une conductivité électrique maximale de 100 µS/cm pour un liquide de refroidissement neuf. Action: Vérifiez si votre boucle est conforme à ce document ou à une spécification de liquide de refroidissement moteur ancienne, car les liquides de refroidissement moteur conventionnels ont des valeurs nettement supérieures.

Aucun de ces documents ne fixe de température optimale pour les cellules, d'objectif d'uniformité ni de débit de refroidissement. Ils encadrent le fluide, et la conception thermique reste de votre responsabilité.

Résistance d'interface entre la cellule et la plaque froide

résistance d'interface entre une cellule et son plaque froide La température de cellule atteignable dépend souvent davantage de l'épaisseur de la couche de liaison que de la plaque elle-même, car cette dernière constitue un élément en série dont la résistance augmente avec l'épaisseur et diminue avec la conductivité et la surface. Cette même caractéristique met en évidence le compromis entre les deux. Un espace de 10 mm rempli d'un matériau de conductivité thermique de 10 W/m·K présente une résistance thermique sensiblement équivalente à celle d'un espace de 1 mm rempli d'un matériau de conductivité thermique de 1 W/m·K. Cette comparaison reste valable toutes choses égales par ailleurs.

La relation entre l'épaisseur et la conductivité a une conséquence en matière d'approvisionnement rarement mentionnée. Réduire de moitié l'épaisseur de la ligne de collage revient à peu près au même que doubler la conductivité du matériau de remplissage. L'épaisseur est un choix de tolérance et de planéité, tandis que la conductivité est un choix de coût. L'épaisseur est souvent le levier le plus économique. Spécifier une épaisseur supérieure permet de réduire les coûts. matériau d'interface thermique Pour remédier à la surchauffe d'une batterie, il faut souvent opter pour une solution coûteuse qui ne permettrait pas d'obtenir la baisse de température escomptée avec un empilement plus compact. Cette comparaison suppose une conduction unidimensionnelle et néglige la résistance de contact entre les deux surfaces, qui augmente dès que l'une d'elles présente une imperfection de planéité.

Le débit du fluide de refroidissement dépend de la charge thermique et de l'élévation de température autorisée. 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, en supposant un mélange idéal. Remplacez ces valeurs par votre propre charge mesurée et les données techniques de votre fluide. Ce calcul dimensionne l'élévation de température du fluide de refroidissement, un terme du bilan thermique intercellulaire. Les autres termes proviennent de la distribution du flux dans le collecteur, de la conduction thermique 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. Nous vérifions l'élévation de température du fluide de refroidissement que le bilan thermique intercellulaire donné peut absorber avant de comparer les options de plaques.

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 atteint souvent 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 des conditions de forte chaleur ambiante, les cellules les plus proches de la sortie du liquide de refroidissement et la ligne de liaison plaque-cellule sont généralement les premiers points à vérifier lorsque la dispersion mesurée commence à s'accroître.

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

Le choix d'un système de refroidissement pour batterie de véhicule électrique repose avant tout sur deux éléments : un profil de génération de chaleur mesuré ou modélisé, et une limite de dispersion entre 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. La plupart des désaccords concernant le refroidissement par air ou par liquide portent en réalité sur ces deux valeurs. Celles-ci étant spécifiques au projet et dépendant du cycle de fonctionnement, il est essentiel de les déterminer lors d'un test à régime 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. C'est là que notre Gestion thermique de la batterie 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.

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