11/5/2020
Batteries à cellules immergées en prochaine étape ?
Alors que le refroidissement indirect liquide des batteries prend peu à peu le pas sur celui à air, une nouvelle technologie participera à l’augmentation de leur puissance de recharge : les cellules immergées dans un fluide diélectrique.
Hormis l'utilisation d'une voiture hyper sportive sur circuit, le refroidissement des batteries lithium-ion des véhicules récents est dimensionné par rapport à la puissance de charge ciblée car celle-ci est de plus en plus élevée sur une longue durée.
Le système de refroidissement par air, notamment choisi par Renault, Nissan ou les premières Kia électriques, offre l'avantage d'être relativement léger et peu onéreux. La capacité calorifique de l'air est cependant faible et les puissances maxi de charge de ces véhicules sont souvent limitées à 1 kW de charge par kWh de capacité (C-rate de 1).
Une majorité de batteries est désormais à refroidissement liquide, l’eau ayant une capacité calorifique plus de 4 fois supérieure à celle de l’air. L'architecture la plus courante dans les packs de batterie est une plaque en contact avec la face inférieure des cellules et dotée de canalisations transportant un liquide caloporteur récupérant la chaleur. Ces batteries acceptent un C-rate de 1,5 à 2 kW/kWh. L’inconvénient de cette architecture est que le refroidissement n'est pas homogène, l’évacuation thermique étant réalisée sur une seule face. En outre, il est difficile de refroidir la face supérieure des cellules en raison de la présence des connexions électriques et des capteurs.
La batterie de la Tesla Model 3 dispose probablement de la technologie la plus efficace sur un véhicule de grande série actuellement commercialisé : elle est refroidie par des tubes serpentant entre les rangées de cellules cylindriques. Le C-rate dépasse 3 pendant une partie du temps de charge. Si cette solution offre la plus grande part de surface refroidie, cette dernière est loin d’être complète et des points chauds sont toujours possibles. Par ailleurs, une cellule défectueuse peut toujours communiquer sa chaleur à ses voisines et amplifier le risque d’une dégradation. 
La prochaine étape assurera un refroidissement parfaitement homogène des cellules grâce à leur immersion dans un liquide diélectrique, donc sans conductivité électrique. Ce fluide recouvre entièrement chaque cellule et la chaleur est ensuite évacuée dans un échangeur extérieur grâce à une circulation du liquide caloporteur. Sa moins bonne capacité calorifique que le mélange eau-glycol est compensée par son contact plus direct avec les cellules et par un débit supérieur dans l’échangeur.
Le refroidissement par immersion des cellules est déjà appliqué dans divers véhicules de compétition où les conditions d’utilisation sont particulièrement sévères (puissance élevée et continue, nombreux cycles charge/décharge, vibrations), notamment en Formule E. Une première commercialisation de cette technologie sur véhicule routier est en cours, certes sur une sportive exceptionnelle produite à 106 exemplaires seulement : la McLaren Speedtail.
La McLaren Speedtail est une hybride dotée d’un V8 bi turbo 4 l de 557 kW (757 ch) et d’un moteur électrique de 230 kW (313 ch). La capacité de sa batterie est relativement modeste – 1,647 kWh – mais dimensionnée pour de nombreux cycles charge/décharge sous haute puissance. Elle est typée « extrême puissance » et le constructeur annonce qu’elle offre la puissance massique la plus élevée de toutes les batteries haute tension disponibles à ce jour : 5,2 kW/kg, et surtout un C-rate de plus de 160, proche de celui actuellement atteint en Formule 1. La batterie de 52 kg peut délivrer une puissance maxi de 270 kW pendant quelques secondes (batterie vidée en 30 s avec une puissance moyenne de 200 kW). Son énergie massique est en contrepartie basse à 32 Wh/kg, soit environ 5 fois moins que celle des batteries de véhicules électriques actuellement commercialisés.
Le refroidissement par cellules immergées est également un sujet important de développement des prochains datacenters qui ont été identifiés comme étant la 4ème source de consommation d’électricité de la planète.
Yvonnick Gazeau
Hormis l'utilisation d'une voiture hyper sportive sur circuit, le refroidissement des batteries lithium-ion des véhicules récents est dimensionné par rapport à la puissance de charge ciblée car celle-ci est de plus en plus élevée sur une longue durée.
Le système de refroidissement par air, notamment choisi par Renault, Nissan ou les premières Kia électriques, offre l'avantage d'être relativement léger et peu onéreux. La capacité calorifique de l'air est cependant faible et les puissances maxi de charge de ces véhicules sont souvent limitées à 1 kW de charge par kWh de capacité (C-rate de 1).
Système de refroidissement de la batterie de la Porche Taycan
La batterie de la Tesla Model 3 dispose probablement de la technologie la plus efficace sur un véhicule de grande série actuellement commercialisé : elle est refroidie par des tubes serpentant entre les rangées de cellules cylindriques. Le C-rate dépasse 3 pendant une partie du temps de charge. Si cette solution offre la plus grande part de surface refroidie, cette dernière est loin d’être complète et des points chauds sont toujours possibles. Par ailleurs, une cellule défectueuse peut toujours communiquer sa chaleur à ses voisines et amplifier le risque d’une dégradation.
Batteries à cellules immergées
McLaren Speedtail en cours d’assemblage
La prochaine étape assurera un refroidissement parfaitement homogène des cellules grâce à leur immersion dans un liquide diélectrique, donc sans conductivité électrique. Ce fluide recouvre entièrement chaque cellule et la chaleur est ensuite évacuée dans un échangeur extérieur grâce à une circulation du liquide caloporteur. Sa moins bonne capacité calorifique que le mélange eau-glycol est compensée par son contact plus direct avec les cellules et par un débit supérieur dans l’échangeur.
Le refroidissement par immersion des cellules est déjà appliqué dans divers véhicules de compétition où les conditions d’utilisation sont particulièrement sévères (puissance élevée et continue, nombreux cycles charge/décharge, vibrations), notamment en Formule E. Une première commercialisation de cette technologie sur véhicule routier est en cours, certes sur une sportive exceptionnelle produite à 106 exemplaires seulement : la McLaren Speedtail.
La McLaren Speedtail est une hybride dotée d’un V8 bi turbo 4 l de 557 kW (757 ch) et d’un moteur électrique de 230 kW (313 ch). La capacité de sa batterie est relativement modeste – 1,647 kWh – mais dimensionnée pour de nombreux cycles charge/décharge sous haute puissance. Elle est typée « extrême puissance » et le constructeur annonce qu’elle offre la puissance massique la plus élevée de toutes les batteries haute tension disponibles à ce jour : 5,2 kW/kg, et surtout un C-rate de plus de 160, proche de celui actuellement atteint en Formule 1. La batterie de 52 kg peut délivrer une puissance maxi de 270 kW pendant quelques secondes (batterie vidée en 30 s avec une puissance moyenne de 200 kW). Son énergie massique est en contrepartie basse à 32 Wh/kg, soit environ 5 fois moins que celle des batteries de véhicules électriques actuellement commercialisés.
Le refroidissement par cellules immergées est également un sujet important de développement des prochains datacenters qui ont été identifiés comme étant la 4ème source de consommation d’électricité de la planète.
Yvonnick Gazeau
