Si vous avez déjà assisté au lancement d'un véhicule électrique (VE) ou parlé à un propriétaire de VE de l'anxiété liée à l'autonomie, de la dégradation de la batterie ou de la vitesse de charge rapide, vous savez déjà à quel point la température de la batterie est essentielle aux performances du VE.Systèmes de gestion thermique des batteries (BTMS)sont les héros méconnus ici, et lorsqu'il s'agit de tirer le meilleur parti des batteries lithium-ion (Li-ion), le cœur de la plupart des systèmes de refroidissement liquide direct des véhicules électriques se distingue comme l'une des solutions les plus efficaces et les plus adaptables sur le marché aujourd'hui.
Décomposons cela simplement, sans surcharge de jargon. Les batteries des véhicules électriques génèrent de la chaleur pendant le fonctionnement normal : lorsque vous accélérez, roulez, chargez ou même êtes assis sur une place de stationnement par une journée chaude. Les batteries Li-ion ont une fenêtre de température étroite et idéale : entre 25°C et 40°C (77°F à 104°F) pour une utilisation continue, et encore plus étroite pour une charge rapide (généralement 10°C à 35°C). Trop froid, les réactions chimiques de la batterie ralentissent, réduisant considérablement l'autonomie par temps glacial, et la charge prend deux fois plus de temps. Trop chaude, la batterie vieillit 2 à 3 fois plus vite, risque un emballement thermique (un grave danger pour la sécurité) et peut fournir une puissance incohérente.
C'est là que la gestion thermique entre en jeu. Pendant des années, les constructeurs automobiles ont utilisé le refroidissement par air pour les véhicules électriques d'entrée de gamme : c'est bon marché, simple et fonctionne pour les batteries de faible consommation. Mais à mesure que les véhicules électriques deviennent plus grands (pensez aux SUV et aux camionnettes), nécessitent une recharge plus rapide et ont besoin de plus d’autonomie, le refroidissement par air atteint ses limites. L'air ne peut évacuer qu'une quantité limitée de chaleur et il est inefficace pour atteindre chaque cellule d'une batterie dense, d'autant plus que les batteries sont remplies de plus de cellules pour augmenter l'autonomie. C'est pourquoi le refroidissement liquide a pris son essor et, dans le cadre du refroidissement liquide, le refroidissement liquide direct est devenu la référence pour les véhicules électriques haut de gamme et milieu de gamme modernes.
Alors, qu’est-ce que le refroidissement liquide direct, exactement ? Contrairement au refroidissement liquide indirect (qui utilise une plaque ou un tube métallique monté contre l'extérieur du module de batterie, avec un liquide de refroidissement circulant entre la plaque et un refroidisseur), le refroidissement liquide direct fait quelque chose de différent : il immerge les cellules de la batterie elles-mêmes directement dans un liquide diélectrique (non conducteur). C'est un point clé : le liquide diélectrique n'est pas conducteur de l'électricité, il ne touche donc jamais les composants électriques à l'intérieur des cellules, éliminant ainsi tout risque de court-circuit, même si le boîtier de la cellule est endommagé.
Rendons cette différence concrète. Le refroidissement indirect fonctionne en transférant la chaleur de la surface de la cellule vers la plaque métallique, puis vers le liquide de refroidissement, puis vers un radiateur. Ce processus présente plusieurs obstacles : la plaque métallique ajoute du poids, l'espace entre la plaque et les cellules crée une résistance thermique (comme une couche d'isolation entre un poêle chaud et une marmite) et l'air emprisonné dans les espaces peut réduire l'efficacité du transfert de chaleur. Le refroidissement direct supprime toutes ces couches intermédiaires. Le liquide entoure chaque cellule, captant la chaleur directement de la surface de la cellule, le transfert de chaleur est donc beaucoup plus direct que le refroidissement par air et meilleur qu'une plaque froide liquide indirecte, car le liquide de refroidissement repose contre la surface de la cellule plutôt que derrière une plaque.
Cette efficacité se traduit par de réels avantages pour les conducteurs de véhicules électriques et les constructeurs automobiles. Premièrement, une réponse thermique plus rapide : lors d’une charge rapide, une batterie génère très rapidement beaucoup de chaleur. Le refroidissement direct peut évacuer cette chaleur en quelques millisecondes, maintenant le pack dans la plage de température idéale, de sorte que vous n'avez pas besoin d'attendre 10 à 15 minutes pour que la batterie refroidisse avant la fin de la charge. Certains constructeurs automobiles utilisant le refroidissement direct peuvent effectuer une charge rapide de 10 à 80 % en un seul arrêt, alors qu'un pack refroidi par air est limité par la rapidité avec laquelle il peut évacuer la chaleur.
Deuxièmement, une durée de vie de la batterie plus longue. En maintenant chaque cellule à une température uniforme (sans points chauds ni points froids à travers le pack), le refroidissement direct réduit la dégradation inégale. Le refroidissement indirect entraîne souvent des variations de température de 5 à 10 °C sur l’ensemble d’un pack, et les cellules qui fonctionnent à plus haute température vieillissent plus rapidement. Le refroidissement direct maintient la variation de cellule à cellule à quelques degrés, de sorte que toutes les cellules vieillissent à un rythme similaire au lieu que les plus chaudes conduisent au déclin. Pour les constructeurs automobiles, cela signifie moins de réclamations au titre de la garantie et des clients plus satisfaits qui n'ont pas à remplacer la batterie de leur véhicule électrique toutes les quelques années.
Troisièmement, la flexibilité dans la conception des emballages. Le refroidissement liquide direct fonctionne avec presque tous les formats de cellules de batterie : cylindrique, pochette, prismatique. C'est un avantage considérable à l'heure où les constructeurs automobiles développent de nouvelles conceptions de cellules pour augmenter la densité énergétique. Étant donné que le liquide submerge les cellules, vous pouvez les disposer en paquets plus denses sans vous soucier de l'accumulation de chaleur. Vous pouvez ainsi obtenir plus de stockage d'énergie dans le même espace, ce qui représente un énorme gain en termes d'autonomie. Par exemple, un SUV de taille moyenne de 2024 utilisant le refroidissement direct peut atteindre 350 miles d’autonomie avec une seule charge, tandis qu’un modèle similaire refroidi par air n’atteint que 280 miles.
Or, le refroidissement liquide direct n’est pas parfait et il est important de faire des compromis. Premièrement, la sélection des liquides est essentielle. Le liquide diélectrique doit être non conducteur, thermiquement efficace, compatible avec les matériaux de la batterie (pas de corrosion ni de réaction chimique avec les boîtiers ou les joints des cellules) et stable à des températures extrêmes. Un liquide inapproprié peut fuir, dégrader les cellules ou même devenir conducteur avec le temps, créant ainsi un risque pour la sécurité. Deuxièmement, le système est plus lourd et plus complexe que le refroidissement par air : vous avez besoin de joints, de pompes, de tuyaux et d'une boucle de refroidissement, ce qui ajoute du poids et un coût initial plus élevé que le refroidissement par air. Pour les véhicules électriques économiques, ce coût supplémentaire peut constituer un obstacle, mais à mesure que la production augmente, les prix baissent et l’écart de coûts se réduit à mesure que la production augmente.
Une autre considération clé est la maintenance. Les systèmes de refroidissement direct nécessitent des contrôles réguliers des fuites, des niveaux de liquide et de l'état du liquide, bien que les systèmes modernes utilisent des boucles scellées qui ne nécessitent un entretien que tous les 5 à 7 ans, comme les autres fluides automobiles. Pour les conducteurs, cela ne signifie pas de soucis supplémentaires par rapport au refroidissement indirect, mais c'est un facteur pour les constructeurs automobiles lors de la conception des programmes d'entretien.
Si vous suivez la gestion thermique des batteries de véhicules électriques, vous avez probablement remarqué une évolution vers le refroidissement liquide direct au cours des 5 dernières années. Les premiers véhicules électriques de Tesla utilisaient le refroidissement indirect, mais le modèle Y, le Cybertruck et les nouveaux packs de cellules 4680 sont passés au refroidissement direct pour prendre en charge une charge plus rapide et une densité énergétique plus élevée. Les véhicules électriques populaires comme la Ford Mustang Mach-E, la Volkswagen ID.4 et la Hyundai Ioniq 5 utilisent également une forme de refroidissement liquide direct. Ce changement n'est pas seulement une tendance, c'est une réponse à ce que veulent les conducteurs : une autonomie plus longue, une charge plus rapide et des batteries qui durent toute la vie de la voiture.
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