Le développement de la voiture électrique est un défi d’ingénierie colossal pour l’industrie automobile, à relever à 360°. La recherche sur les batteries et en particulier sur les cellules à l’état solide domine les revues scientifiques du secteur, mais ce n’est pas le seul domaine dans lequel les industriels investissent des moyens colossaux. En effet, les maisons découvrent de plus en plus le potentiel de la Gestion Thermique dans l’amélioration de l’efficacité énergétique et de l’autonomie, par laquelle nous n’entendons pas le simple refroidissement, mais véritable gestion de la température. Ce sont précisément les solutions dédiées à l’échange thermique qui font l’objet du renouvellement le plus fréquent dans les voitures à batterie, face à un développement sur batteries qui procède plutôt par petites étapes.
L’importance de la gestion thermique est liée à grande sensibilité thermique des cellules lithium-ion. Les réactions électrochimiques responsables de la décharge et de la recharge de la batterie sont en effet fortement conditionnées par la température. Deux accumulateurs identiques à charge maximale peuvent garantir une autonomie différente s’ils sont placés à des températures différentes, c’est pourquoi l’état de charge, le niveau de charge de la batterie, est exprimé par rapport à une température de référence. Le phénomène s’explique par l’augmentation de la résistance interne de la batterie à basse température, c’est-à-dire une moindre efficacité des réactions internes qui provoque la dispersion de plus d’énergie sous forme de chaleur, sans générer d’électricité ni de puissance mécanique. On sait maintenant que les voitures électriques sont plus difficiles en hiver lorsque les températures baissentprécisément en raison de l’augmentation de la résistance interne et de la diminution de l’efficacité.
D’autre part, des températures élevées entraînent une détérioration plus rapide de la batterie, car la chaleur accélère les réactions chimiques responsables de l’usure des électrodes. Sur le long terme, une batterie soumise à des échauffements répétés perd rapidement de son efficacité, garantissant une autonomie de plus en plus courte pour une même charge. On comprend donc que l’usure et l’efficacité énergétique ont des exigences opposées, c’est pourquoi la batterie trouve son point de fonctionnement optimal dans une plage de température étroite. Cependant, la préoccupation n’est pas seulement liée à la performance, mais aussi à la sécurité. En effet, les températures élevées accélèrent la détérioration de la cellule, provoquée par des réactions exothermiques qui conduisent à la libération de plus de chaleur. Une fois un certain seuil dépassé, il n’est donc plus possible de refroidir la batterie, la chaleur dégagée étant supérieure à celle absorbée par le fluide frigorigène. Vous entrez dans la condition dangereuse connue sous le nom de Emballement thermiquedans lequel les réactions génératrices de chaleur s’alimentent, entraînant également la combustion de la batterie elle-même.
Les constructeurs automobiles ont ainsi progressivement abandonné les systèmes initiaux de refroidissement par air, préférant marier des solutions plus souples capables à la fois de refroidir et de chauffer la batterie si nécessaire, avec la possibilité de conditionner rapidement sa température. Ainsi il arrive qu’au moment de l’allumage le liquide contenu dans le circuit de Gestion Thermique soit chauffé par une pompe à chaleur ou une résistance électrique, puis aller tour à tour pour augmenter la température de la batterie. Sur les véhicules hybrides, la source de chaleur peut être le thermique lui-même, à tel point que lorsqu’on l’allume en hiver on entend souvent le moteur thermique tourner au ralenti justement pour chauffer la batterie, ainsi que pour la recharger.
En ce qui concerne le refroidissement, selon les besoins, différentes options peuvent être évaluées sur le tableau. La configuration la plus simple voit le liquide s’écouler directement de la batterie vers les radiateurs, tandis que dans les plus avancées, cela transfère la chaleur à un deuxième circuit, exploitant l’évaporation du fluide réfrigérant pour augmenter la quantité de chaleur transférée. Un autre élément de différenciation est la manière dont s’effectue l’échange de chaleur entre le liquide et les batteries. La solution la plus conventionnelle voit le fluide circuler à l’intérieur d’un ou plusieurs plaque de refroidissement, plaques métalliques placées en contact avec la batterie. Il n’est pas rare que la plaque de refroidissement soit réalisée avec des techniques de fabrication additive, les seules capables de donner vie à ces formes internes complexes essentielles pour améliorer l’échange thermique, autrement inaccessibles avec d’autres technologies. Ces derniers temps, cependant, ils gagnent en popularité stratégies de refroidissement direct, dans lequel les cellules sont plongées directement dans un bain de fluide diélectrique isolant, afin de ne pas créer de risques de court-circuit. De cette manière, le refroidissement ou le chauffage de la batterie est accéléré, pouvant exploiter la surface maximale possible pour l’échange de chaleur entre les cellules et le liquide, sans aucun élément intermédiaire. Le même principe s’applique également au moteur électrique, domaine dans lequel les architectures à refroidissement direct du stator commencent à se répandre, avec les bobinages en cuivre immergés dans l’huile.
Les recherches sur le Thermal Management amènent les industriels à faire face au problème de devoir développer nouvelles techniques de simulation virtuelle, car il s’agit d’un défi relativement nouveau. Enfin, de plus en plus de constructeurs abordent la gestion thermique avec une vision holistique, prenant en compte le chauffage de l’habitacle pour optimiser les flux de chaleur entre le groupe motopropulseur et les autres composants environnants, minimisant le prélèvement d’électricité de la batterie. Le Thermal Management s’est imposé aujourd’hui comme l’un des piliers sur lesquels repose la voiture électrique, une branche qui ne cesse de proposer des nouveautés année après année.