Cette TechLetter se concentrera sur la modélisation thermique de la batterie WATTALPS et l’explication des avantages liés à l’architecture de refroidissement brevetée WATTALPS. Pour illustrer au mieux ce sujet, nous montrerons les résultats de simulation concernant une batterie de voiture de sport. Le stress thermique subi par les cellules lithium-ions dans cette application peut être comparé à une charge de batterie de 80% en moins de 20 minutes.
La gestion thermique des batteries est nécessaire pour les applications exigeantes
Comme expliqué dans notre TechLetter sur la gestion thermique des batteries, les performances et la durée de vie des batteries lithium-ions sont fortement influencées par la température des cellules. Les applications nécessitant une charge rapide et/ou une puissance élevée et/ou travaillant à des températures extrêmes doivent être équipées d’un système efficace de gestion thermique de la batterie.
Comme les performances de l’ensemble de la batterie sont limitées par la cellule la moins performante, le système de gestion thermique de la batterie doit assurer une température très homogène dans l’ensemble de la batterie, pour assurer un vieillissement homogène des cellules et une performance constante.
Étude de cas
L’application choisie pour cette contrainte thermique élevée correspond à une voiture de sport conduite sur un circuit de course avec une vitesse moyenne d’environ 140 km/h sur un seul tour. Pour les cellules li-ions, c’est à peu près la même contrainte thermique que de charger la batterie de 0 à 80% en moins de 20 minutes. La vitesse et la puissance du véhicule sont indiquées dans les graphiques suivants.
Le pack batterie utilisé pour cette simulation est composé de 42 modules WATTALPS High Energy, d’une pompe et d’un échangeur de chaleur fluide-air. La température de la batterie et la température ambiante sont réglées à 20°C au début de la simulation. L’architecture hydraulique brevetée des batteries WATTALPS permet de connecter chaque module en parallèle dans le circuit hydraulique de refroidissement. De plus, chaque flux de refroidissement de cellule est connecté en parallèle à l’intérieur de chaque module. De ce fait, l’ensemble des cellules voit la même température de fluide quelle que soit sa position dans la batterie.
Définition et paramètres du modèle
Les outils utilisés pour la modélisation et les simulations sont :
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- MAGNA KULI pour la simulation 1D du système de batterie complet et du véhicule.
- MAGMASOFT pour la modélisation thermo-fluidique CFD à l’intérieur d’un module de batterie
Les étapes suivantes ont été utilisées pour affiner progressivement le modèle et optimiser le système :
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- Etudes de systèmes initiaux dans KULI: simplifications et hypothèses pour permettre la comparaison des variantes de conception globales et la sélection des composants
- Simulation 3D par MAGMASOFT : permet d’étudier en détail la répartition des flux dans un module et les coefficients de transfert de chaleur en se basant sur la conception 3D du module.
- Affinement du modèle de simulation KULI avec les données des simulations MAGMASOFT pour simuler des cycles de fonctionnement complets, en bénéficiant d’un niveau de précision élevé, issu des simulations CFD.
Les paramètres utilisés dans les simulations sont dérivés des tests de caractérisation effectués par WATTALPS et/ou ses fournisseurs.
Résultats de la simulation
L’étape 1 du processus de simulation s’est déroulée avec un modèle de circuit hydraulique simplifié en supposant un partage idéal du débit à l’intérieur du module. Cela a conduit à des premiers résultats intéressants avec une température de la batterie restant inférieure à 40°C et une différence de température maximale entre les cellules de 0,4°C dans l’ensemble de la batterie. C’est très homogène et très efficace. En comparaison, l’écart de température typique entre les cellules dans une batterie équivalente refroidie par plaque à eau est d’environ 8 à 10 ° C.
À partir de ces résultats, nous lançons l’étape 2 du processus de simulation. Le module de batterie WATTALPS a été modélisé en détail avec des données CAO 3D. La puissance de chauffe déterminée lors de l’étape 1 a été entrée dans le modèle CFD MAGMASOFT. Cela a permis de vérifier le partage du flux, les échanges de chaleur et la répartition de la température de la cellule à l’intérieur du module de batterie. Le partage des flux est illustré dans les graphiques suivants :
La température du liquide de refroidissement à l’intérieur du module de batterie est illustrée dans la section suivante et montre également une très bonne homogénéité de température dans le module:
Au cours de l’étape 3, ces résultats ont été utilisés pour affiner le modèle initial de MAGNA KULI et calculer plus précisément la répartition de la température des cellules à l’intérieur de chaque module, puis sur l’ensemble de la batterie. Les résultats montrent une température très homogène avec moins de 1°C de différence de température à l’intérieur de l’ensemble de la batterie ! La puissance de refroidissement de l’échangeur de chaleur air-fluide a été optimisée pour stabiliser la température maximale de la cellule à 40 ° C, permettant un fonctionnement en continu sans surchauffe malgré ce profil de puissance très exigeant.
Conclusion
Le système de batterie WATTALPS permet d’électrifier les applications extrêmes et de conserver une longue durée de vie de la batterie en:
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- Refroidissant des cellules avec une efficacité exceptionnelle
- Maintenant une température très homogène dans l’ensemble de la batterie, évitant toute perte de performance due à une cellule mal refroidie dans le pack.
Même avec des besoins en énergie extrêmes, la batterie peut être refroidie avec un simple échangeur de chaleur air-fluide.
Cette TechLetter a été rédigée avec l’aide des équipes de MAGMASOFT et MAGNA KULI et a été présentée lors de la conférence ECS en mai 2023. WATTALPS tient à les remercier pour leurs aimables contributions.