Cette TechLetter se concentrera sur la modélisation thermique des batteries WATTALPS et expliquera les avantages de l'architecture de refroidissement brevetée WATTALPS. Pour illustrer cela, nous présenterons les résultats d'une simulation sur une application pour voiture de sport, pour laquelle la contrainte thermique des cellules peut être comparée 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-ion sont largement influencées par la température des cellules. Les applications nécessitant une charge rapide et/ou puissance élevée puissance fonctionnant à des températures extrêmes doivent être équipées d'un système efficace de gestion thermique des batteries.
Étant donné que les performances de l'ensemble du bloc-batterie sont limitées par la cellule la moins performante, le système de gestion thermique de la batterie doit garantir une température très homogène des cellules dans l'ensemble de la batterie, afin d'assurer un vieillissement homogène et des performances constantes.
Étude de cas
L'application sélectionnée pour cette contrainte thermique élevée correspond à une voiture de sport roulant sur un circuit de course à une vitesse moyenne d'environ 140 km/h sur un seul tour. Pour les cellules Li-ion, cela correspond approximativement à la même contrainte thermique que celle générée par une recharge de la batterie de 0 à 80 % en moins de 20 minutes. La vitesse et puissance du véhicule puissance indiquées dans les graphiques suivants.
Le pack de batteries utilisé pour cette simulation est composé de 42 modules WATTALPS High Energy, d'une pompe et d'un échangeur thermique fluide-air. La température du pack de batteries 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 du pack. De plus, chaque flux de refroidissement des cellules est connecté en parallèle à l'intérieur de chaque module.
Définition du modèle et paramètres
Les outils utilisés pour la modélisation et les simulations sont les suivants :
-
- MAGNA KULI pour la simulation 1D du système complet de batterie 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 :
-
- Études initiales du système dans KULI : simplifications et hypothèses permettant de comparer les différentes variantes de conception globales et le choix des composants
- Simulation 3D par MAGMASOFT : permet d'obtenir des détails sur la distribution des flux et les coefficients de transfert thermique sur la base d'une conception 3D à l'intérieur d'un module de batterie.
- Perfectionnement du modèle de simulation KULI à l'aide des données issues des simulations MAGMASOFT : pour simuler des cycles d'exploitation complets avec un niveau de détail élevé.
Les paramètres utilisés dans les simulations sont dérivés des tests de caractérisation effectués par WATTALPS et/ou ses fournisseurs.
Résultats de simulation
La première étape du processus de simulation a été réalisée à l'aide d'un modèle de circuit hydraulique simplifié, en supposant un partage idéal du débit à l'intérieur du module. Elle a donné des premiers résultats intéressants, avec une température de 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. Ce résultat est très homogène et très efficace. La variation de température typique des cellules dans un bloc-batterie équivalent refroidi à l'eau est d'environ 8 à 10 °C.
À partir de ces résultats, nous lançons la deuxième étape du processus de simulation. Le module de batterie WATTALPS a été modélisé en détail à l'aide de données CAO 3D et la puissance de chauffage résultant puissance la première étape a été saisie dans le modèle CFD MAGMASOFT afin de vérifier le partage des flux, les échanges thermiques et la répartition de la température des cellules 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 coupe transversale suivante et montre également une très bonne homogénéité de la température dans le module :
Au cours de l'étape 3, ces résultats ont été utilisés pour affiner le modèle MAGNA KULI et calculer plus précisément la répartition de la température des cellules à l'intérieur de chaque module, puis dans l'ensemble du bloc-batterie. Les résultats montrent une température très homogène avec moins de 1 °C de différence de température à l'intérieur de l'ensemble du bloc-batterie ! puissance refroidissement puissance l'échangeur de chaleur air-fluide a été optimisée afin de stabiliser la température maximale des cellules à 40 °C, ce qui permet un fonctionnement continu à ce puissance très exigeant sans surchauffe des cellules.
Conclusion
Le système de batterie WATTALPS permet d'électrifier des applications extrêmes et de conserver une longue durée de vie de la batterie grâce à :
-
- Refroidissement des cellules avec une efficacité exceptionnelle
- Maintenir une température très homogène dans toute la batterie, empêchant ainsi toute perte de performance due à une cellule mal refroidie dans le pack.
Même en cas puissance extrêmes puissance , le bloc-batterie peut être refroidi à l'aide d'un simple échangeur thermique air-fluide.
Cette TechLetter a été rédigée avec l'aide des équipes MAGMASOFT et MAGNA KULI et a été présentée lors de la conférence ECS en mai 2023. WATTALPS tient à les remercier pour leur aimable contribution.
