Le refroidissement direct au fluide frigorigène surpasse le refroidissement liquide
Dans l’industrie automobile en pleine transformation, la gestion thermique des batteries lithium-ion est devenue un enjeu central, déterminant la sécurité, la performance et la durée de vie des véhicules électriques (VE). Alors que les constructeurs repoussent les limites de la recharge rapide et de la puissance, les systèmes traditionnels de refroidissement par liquide, basés sur un circuit secondaire de fluide caloporteur, montrent leurs limites, notamment lors de cycles de charge ou de décharge à haut débit. Une étude pionnière menée par une équipe de l’Université du Jiangsu bouscule les certitudes établies en démontrant qu’une technologie alternative radicale – le refroidissement direct au fluide frigorigène du système de climatisation – non seulement est techniquement viable, mais offre des performances thermiques supérieures, ouvrant la voie à une nouvelle ère de gestion thermique pour les batteries.
Dirigée par le professeur Chunxian Shan et le chercheur Peng Yang de l’École d’ingénierie énergétique et de puissance de l’Université du Jiangsu, cette recherche a conçu et testé un module de batterie innovant qui intègre directement le fluide frigorigène R134a du circuit de climatisation du véhicule. Contrairement aux systèmes de refroidissement liquide, qui nécessitent des pompes, des réservoirs et des tuyauteries supplémentaires, ce système exploite le circuit frigorifique existant. Le fluide frigorigène liquide circule à travers une plaque froide de type « accordéon », positionnée directement sous les cellules de la batterie. Le cœur de l’innovation réside dans l’exploitation du changement de phase. Là où le refroidissement liquide repose uniquement sur le transfert de chaleur sensible (élévation de la température du fluide), le refroidissement direct capitalise sur la chaleur latente de vaporisation. Le fluide frigorigène absorbe une quantité massive de chaleur en passant de l’état liquide à l’état gazeux, un processus qui est intrinsèquement plus efficace que le simple échauffement d’un liquide.
L’objectif principal de cette étude, publiée dans le Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), était de comparer de manière rigoureuse le refroidissement direct au refroidissement liquide dans des conditions identiques. Pour garantir une évaluation équitable, les chercheurs ont utilisé le même module de batterie, composé de 16 cellules au phosphate de fer et lithium (LFP) en configuration 8S2P, et la même géométrie de plaque froide. La seule variable était le fluide de refroidissement : R134a pour le système direct et de l’eau pour le système liquide. Les deux fluides sont entrés dans la plaque froide à une température identique de 16,00 °C. Pour rendre le test encore plus exigeant, le débit d’eau (0,53 g/s) a été fixé à environ deux fois celui du fluide frigorigène (0,25 g/s), conférant ainsi un avantage théorique au système liquide.
Les résultats ont été sans appel. Lors d’un cycle de décharge à haut débit de 2,0C – un scénario simulant une accélération violente ou une charge rapide générant une chaleur intense – le système de refroidissement direct a maintenu la température moyenne du bloc-batterie à 39,60 °C, bien en dessous du seuil critique de 40,00 °C. En revanche, le système de refroidissement liquide a dépassé ce seuil, atteignant une température moyenne de 42,22 °C. Cette différence de 2,62 °C, obtenue avec la moitié du débit de fluide frigorigène, est une preuve irréfutable de l’efficacité supérieure de la chaleur latente de vaporisation. La capacité du fluide frigorigène à absorber de la chaleur lors de son changement d’état est simplement incomparable avec celle d’un liquide qui ne fait que se réchauffer.
Au-delà de la comparaison directe, l’étude a approfondi les paramètres clés qui régissent le comportement du système de refroidissement direct, fournissant une feuille de route pour son optimisation dans des applications réelles. L’un des facteurs les plus influents identifiés est la vitesse du compresseur. Le compresseur à spirale électrique, le cœur du système, fonctionne entre 2 000 et 6 000 tr/min. Lorsque la vitesse du compresseur augmente, le débit massique de fluide frigorigène augmente et la pression d’évaporation diminue, ce qui réduit en conséquence la température d’évaporation. Les expériences ont démontré qu’à une vitesse de 3 500 tr/min, le système atteint un contrôle thermique exceptionnel. Même lors d’une décharge continue à 2,0C, la température moyenne du bloc-batterie reste en dessous de 40,00 °C, ce qui est fondamental pour permettre des opérations à haute puissance sans compromettre la santé de la batterie. Cependant, les chercheurs ont mis en évidence un compromis inhérent. Bien qu’une vitesse plus élevée du compresseur améliore le refroidissement global, elle augmente également le gradient de température à l’intérieur des cellules individuelles. Le refroidissement intense à la base de la cellule, où elle est en contact avec la plaque froide, crée un profil thermique vertical plus prononcé. Les sections supérieure et médiane de la cellule, où la chaleur est principalement générée au niveau des onglets des électrodes, restent relativement plus chaudes, entraînant une différence de température interne plus importante. Cette découverte souligne un défi fondamental de la gestion thermique des batteries : optimiser la température moyenne n’assure pas nécessairement une distribution uniforme. Les batteries lithium-ion fonctionnent de manière optimale lorsque la différence de température au sein du bloc est maintenue en dessous de 5,00 °C, car des gradients excessifs peuvent entraîner un vieillissement inégal, une réduction de la capacité et un risque accru de défaillance. Dans le système de refroidissement direct testé, la différence de température au sein du bloc est restée dans des limites acceptables dans la plupart des conditions, mais a dépassé les 5,00 °C lors de décharges à haut taux à des vitesses de compresseur plus faibles.
Un autre paramètre critique exploré était l’ouverture d’une vanne de contrôle dans la ligne de fluide frigorigène. En ajustant cette vanne, les chercheurs ont pu faire varier le débit massique de fluide frigorigène de 0 à 0,70 g/s et atteindre des températures d’évaporation aussi basses que 5,20 °C. L’augmentation de l’ouverture de la vanne a amélioré les performances de refroidissement en permettant à plus de fluide frigorigène de circuler dans la plaque froide, abaissant ainsi la température moyenne de la batterie. Toutefois, comme pour la vitesse du compresseur, cet avantage s’est accompagné d’un coût : une augmentation de la non-uniformité thermique. Avec une ouverture de vanne de 11,2 %, la différence de température maximale au sein du bloc a atteint 9,30 °C. Ce qui est particulièrement révélateur, c’est que dans les conditions de forte non-uniformité, la différence de température au sein des cellules individuelles représentait jusqu’à 88 % de la différence totale du bloc. Cette découverte est cruciale car elle indique que le défi principal pour l’uniformité thermique ne réside pas dans la variation entre les cellules, mais dans la gestion du gradient thermique à l’intérieur de chaque cellule. Cela suggère que les futurs designs devront se concentrer non seulement sur l’efficacité de la plaque froide, mais aussi sur l’optimisation de la géométrie des cellules et de la distribution de la chaleur interne.
Du point de vue de l’intégration du système, l’approche de refroidissement direct offre des avantages substantiels. En partageant le circuit de fluide frigorigène avec le système de climatisation de l’habitacle, elle élimine la nécessité d’un circuit de refroidissement liquide séparé, réduisant ainsi la complexité, le poids, le coût et les points de défaillance potentiels. Cette intégration ouvre également la voie à des stratégies avancées de gestion thermique, comme l’utilisation de la chaleur résiduelle de la batterie pour aider au chauffage de l’habitacle par temps froid, améliorant ainsi l’efficacité globale du véhicule.
Cependant, la technologie n’est pas sans défis. Un contrôle précis du débit et de la pression du fluide frigorigène est essentiel pour éviter des problèmes tels que le retour de liquide ou un refroidissement insuffisant. Les chercheurs ont observé une zone d’accumulation de liquide à la sortie de la plaque froide à microcanaux, ce qui a provoqué des chutes de température anormales dans les cellules en aval, indiquant la nécessité d’un design de distribution de débit amélioré. De plus, l’utilisation de fluides frigorigènes comme le R134a, bien que performante, soulève des préoccupations environnementales en raison de son potentiel de réchauffement global (PRG). Les futures itérations du système pourraient bénéficier de l’adoption de fluides frigorigènes de nouvelle génération à faible PRG.
La force méthodologique de cette étude réside dans son approche expérimentale basée sur des batteries réelles. Contrairement à de nombreuses études antérieures qui se sont appuyées sur des simulations numériques ou des éléments chauffants électriques pour imiter la chaleur de la batterie, l’équipe de l’Université du Jiangsu a testé un module de batterie réel dans des conditions de décharge contrôlées. Cette approche capture la réponse thermique dynamique des processus électrochimiques réels, fournissant des données bien plus précises et applicables au monde réel. La mesure de la température à plusieurs points de chaque cellule a permis une analyse détaillée de la distribution thermique, un aspect crucial pour évaluer la santé à long terme de la batterie.
Les implications de cette recherche sont considérables pour les constructeurs automobiles qui cherchent à améliorer la performance, la sécurité et la longévité de leurs batteries. À mesure que l’infrastructure de recharge rapide se développe et que les consommateurs exigent des temps de charge plus courts, la capacité à gérer des charges thermiques élevées deviendra de plus en plus importante. Le refroidissement direct au fluide frigorigène, avec sa capacité supérieure d’évacuation de la chaleur et ses avantages d’intégration du système, représente une voie prometteuse.
En outre, les résultats contribuent à un corpus croissant de preuves soutenant la transition du refroidissement liquide vers le refroidissement basé sur le changement de phase pour les applications à haute performance. Bien que le refroidissement liquide reste adéquat pour de nombreux véhicules électriques actuels, la prochaine génération de véhicules, en particulier ceux visant une recharge ultrarapide et une opération à haute puissance, pourrait nécessiter des solutions thermiques plus avancées. Les travaux de Shan, Yang et de leurs collègues fournissent une base expérimentale solide pour ces développements.
En conclusion, la recherche démontre que le refroidissement direct au fluide frigorigène n’est pas seulement viable, mais supérieur au refroidissement liquide conventionnel pour la gestion de la température moyenne des blocs-batterie des véhicules électriques sous de fortes charges thermiques. Des paramètres clés tels que la vitesse du compresseur et l’ouverture de la vanne offrent des moyens de contrôle efficaces, bien qu’ils doivent être soigneusement équilibrés pour éviter des gradients thermiques excessifs. L’intégration du refroidissement de la batterie avec le système de climatisation du véhicule présente une opportunité convaincante pour simplifier l’architecture thermique et améliorer l’efficacité globale. Alors que l’industrie automobile continue de repousser les limites de la technologie des batteries, les innovations en matière de gestion thermique joueront un rôle crucial pour débloquer tout le potentiel de la mobilité électrique.
Chunxian Shan, Peng Yang, Aikun Tang, Dengfu Xia, École d’ingénierie énergétique et de puissance, Université du Jiangsu. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), DOI: 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.01.005