Plus de 60 % des retards de projets de batteries proviennent d'une mauvaise planification de la gestion thermique. J'écris ce guide pour vous aider à maîtriser la plaque de refroidissement liquide pour un batterie externe. Si vous souhaitez éviter l'emballement thermique et prolonger la durée de vie de la batterie, il est essentiel de bien comprendre ce sujet.
A plaque de refroidissement liquide pour un pack de batteries est un composant métallique de gestion thermique qui absorbe et dissipe la chaleur générée par les cellules de la batterie. Elle utilise des canaux internes pour faire circuler un liquide de refroidissement, maintenant des températures de fonctionnement optimales entre 25°C et 40°C afin de prévenir l'emballement thermique.
Vous voulez savoir exactement comment choisir les bons matériaux, procédés de fabrication et méthodes de test pour votre prochain EV ou projet de stockage d'énergie ? Continuez à lire. Je vais tout expliquer, de l'usinage CNC au soudage par friction.
Qu'est-ce qu'une plaque froide/de refroidissement liquide ?
Une plaque de refroidissement liquide est essentiellement un dissipateur thermique haute performance avec des canaux creux à l'intérieur.
Au lieu de compter sur l'air ambiant pour évacuer la chaleur, ces plaques utilisent un liquide de refroidissement qui circule à travers des conduits internes. La surface métallique de la plaque entre en contact direct ou indirect avec vos composants générateurs de chaleur.
Lorsque les composants chauffent, la chaleur est transférée dans la plaque métallique. Le liquide en circulation absorbe alors cette chaleur et l'évacue vers un radiateur ou un refroidisseur, où il se refroidit avant de revenir dans le système.
Pensez-y comme au système de radiateur d'une voiture à essence traditionnelle, mais aplati en une plaque métallique élégante et hautement conçue, destinée à être placée contre des composants électroniques délicats ou des cellules de batterie.
À quoi servent les plaques de refroidissement ?
Les plaques de refroidissement ont une mission principale : la dissipation de la chaleur.
Lorsque vous faites passer de forts courants électriques dans un système, vous générez une quantité massive d'énergie thermique. Si vous n'évacuez pas rapidement cette chaleur, vos composants vont surchauffer, se dégrader ou tomber en panne de façon catastrophique.
Les plaques de refroidissement agissent comme un pont thermique. Elles offrent un chemin hautement conducteur pour permettre à la chaleur de s'échapper.
En faisant circuler en permanence un liquide frais à travers le système, ces plaques peuvent maintenir une température stable et uniforme sur une grande surface. Ceci est extrêmement important pour les applications sensibles où même une légère variation de température peut entraîner une baisse de performance.
Quel est le rôle de la plaque de refroidissement pour le pack de batteries ?
Lorsque l'on parle spécifiquement de véhicules électriques (VE) ou de systèmes de stockage d'énergie haute puissance, la plaque de refroidissement devient un composant essentiel pour la sécurité et la performance.
Lors de la charge rapide ou de la décharge intensive, les batteries lithium-ion génèrent une quantité intense de chaleur. La plage de température de fonctionnement optimale pour ces batteries est très étroite, entre 25°C et 40°C.
Si la batterie devient trop chaude, sa durée de vie chute drastiquement. Dans les pires cas, cela peut déclencher une emballement thermique, menant à des incendies ou des explosions. .
Si la batterie devient trop froide, elle perd en efficacité et votre VE peut perdre 20 à 30 % de son autonomie.
C'est là qu'intervient la plaque de refroidissement liquide. Le refroidissement liquide peut atteindre une densité de dissipation thermique de 5 à 10 W/cm², soit environ 5 à 10 fois plus efficace que le refroidissement par air traditionnel.
Pour les plateformes modernes à haute tension comme les systèmes de charge rapide 800V ou les packs à très haute densité énergétique, le refroidissement par air ne suffit tout simplement pas. Une plaque de refroidissement liquide peut être la seule solution viable pour maintenir ces packs de batteries avancés dans leurs limites de température sécuritaires.
Comment fonctionne une plaque de refroidissement liquide ?
La physique derrière une plaque de refroidissement liquide est simple, mais l'ingénierie est très complexe.
La surface plate de la plaque est montée contre les cellules ou modules de la batterie. Souvent, un matériau d'interface thermique (TIM), comme un pad ou une pâte thermique, est placé entre la batterie et la plaque pour combler les micro-espaces d'air et améliorer le transfert de chaleur.
À mesure que les cellules de la batterie chauffent, l'énergie thermique se propage à travers le TIM et dans le corps métallique de la plaque de refroidissement.
À l'intérieur de la plaque, une pompe pousse un liquide de refroidissement (généralement un mélange d'eau et de glycol) à travers un labyrinthe de canaux soigneusement conçu. Lorsque le liquide circule le long des parois internes de ces canaux, il absorbe la chaleur. Le liquide chaud quitte ensuite la plaque, se dirige vers un échangeur thermique pour se refroidir, puis revient dans la plaque.
L'importance du débit
Vous ne pouvez pas simplement pomper le liquide à travers une plaque aussi vite que possible et espérer que cela suffise.
Le débit est un exercice d’équilibre délicat. Si le débit est trop lent, le liquide de refroidissement absorbe trop de chaleur dès le début du canal et devient trop chaud pour refroidir efficacement le reste du pack de batteries.
Si le débit est trop rapide, cela crée une chute de pression importante (ΔP) à l’intérieur du système. Une chute de pression élevée signifie qu’il faut une pompe plus grande, plus lourde et plus gourmande en énergie pour faire circuler le liquide. Cela épuise la batterie que vous essayez de protéger.
Trouver le débit parfait nécessite une conception minutieuse des canaux afin de garantir que le liquide de refroidissement circule assez vite pour maintenir des températures uniformes, mais assez lentement pour que la chute de pression reste maîtrisée.
De quoi est faite une plaque froide ?
La sélection des matériaux est l’une des premières décisions à prendre. Votre choix déterminera la performance thermique, le poids et le coût de fabrication de votre plaque de refroidissement.
Alliages d'aluminium
L’aluminium est le roi incontesté des plaques de refroidissement pour batteries.
Il est léger, relativement peu coûteux et offre une excellente conductivité thermique allant de 150 à 250 W/(m·K).
Différents procédés de fabrication nécessitent des alliages d’aluminium différents. Par exemple, si vous utilisez un procédé d’extrusion ou un usinage CNC, vous pouvez opter pour l’aluminium 6061 ou 6063 en raison de son excellente usinabilité et de son intégrité structurelle.
Si vous emboutissez et brasez les plaques, ou utilisez le soudage par friction-malaxage, l’aluminium 3003 est souvent un meilleur choix en raison de sa formabilité et de ses caractéristiques de soudage.
Pour les véhicules lourds ou les navires, l’aluminium est presque toujours le matériau de prédilection car il permet de réduire le poids total du pack batterie massif tout en offrant des boîtiers robustes conformes à la norme IP67+.
Cuivre
Le cuivre offre une conductivité thermique nettement supérieure à celle de l’aluminium, atteignant environ 398 W/m·K. .
Si vous êtes confronté à des scénarios de flux thermique extrême, comme le refroidissement d’un GPU de centre de données haute performance, le cuivre peut être un excellent choix. .
Cependant, pour les packs de batteries de véhicules électriques, le cuivre est rarement utilisé pour le corps principal de la plaque de refroidissement. Il est extrêmement lourd et nettement plus cher que l’aluminium. De plus, l’usinage du cuivre génère beaucoup de déchets de matériau, ce qui augmente les coûts de production.
Si vous avez besoin des performances du cuivre mais du poids de l’aluminium, vous pouvez envisager une conception hybride où des tubes en cuivre sont intégrés dans une plaque de base en aluminium.
Comment concevoir une plaque froide pour le pack de batteries ?
Concevoir une plaque de refroidissement ne consiste pas simplement à dessiner une boîte avec quelques lignes ondulées à l’intérieur. Cela nécessite une compréhension approfondie de la thermodynamique et de la mécanique des fluides.
Réalisation de simulations thermiques (CFD)
Avant de découper un morceau de métal, il est nécessaire d’effectuer Dynamique des Fluides Numérique des simulations CFD.
Le logiciel CFD vous permet de créer un jumeau numérique de votre plaque de refroidissement. Vous pouvez saisir les données de génération de chaleur de votre batterie, définir le débit de votre liquide de refroidissement et visualiser exactement comment la chaleur se déplacera dans le système.
Votre objectif avec la CFD est généralement de maintenir la différence de température maximale (ΔT) entre deux cellules de batterie sous 3°C à 5°C. Si un côté de votre pack batterie est 5°C plus chaud que l’autre, les cellules se dégraderont à des rythmes différents, ce qui réduit la durée de vie de l’ensemble du pack.
Canaux à boucle simple vs à double boucle
Lors de la conception des canaux d’écoulement internes, vous avez généralement deux options : boucle simple ou double boucle. .
Une conception à boucle simple comporte un chemin continu de l’entrée à la sortie. Elle est plus simple à fabriquer mais peut entraîner des gradients de température plus importants car le liquide de refroidissement se réchauffe progressivement au fur et à mesure de son parcours.
Une conception à double boucle divise le flux en plusieurs chemins parallèles. Cela permet à un liquide de refroidissement frais d’atteindre différentes parties du pack batterie simultanément. Si votre espace d’agencement le permet, la conception à double boucle est presque toujours préférée car elle réduit considérablement les différences de température dans le pack.
Comment produire la plaque froide ?
De nombreuses équipes d’ingénierie commettent l’erreur de concevoir une plaque de refroidissement théoriquement parfaite mais totalement impossible (ou extrêmement coûteuse) à fabriquer.
Votre processus de fabrication doit évoluer à mesure que votre projet passe du concept à la production de masse.
La phase de prototypage (usinage CNC)
Lorsque vous fabriquez vos 1 à 50 premiers prototypes, le temps est votre ressource la plus précieuse.
Pendant cette phase, vous devez vous appuyer sur l’usinage CNC. Une machine CNC peut fraiser des canaux complexes directement dans un bloc d’aluminium massif.
Aucun moule ou outillage coûteux n’est nécessaire, ce qui signifie que vous pouvez obtenir vos prototypes en 10 à 15 jours. Si votre simulation CFD était légèrement erronée et que vous devez ajuster la largeur du canal, il vous suffit de mettre à jour le fichier CAO et d’usiner une nouvelle plaque.
Le coût unitaire est élevé, mais la flexibilité est inégalée.
La phase de production en série
Une fois votre conception figée et que vous êtes prêt à produire des centaines de milliers d’unités, l’usinage CNC devient beaucoup trop lent et coûteux.
À ce stade, vous devez passer à un processus basé sur l’outillage comme le poinçonnage et le brasage sous vide, ou le roll bonding.
Ces procédés nécessitent un investissement initial massif pour créer les matrices de poinçonnage. Cependant, une fois les matrices fabriquées, la machine peut produire des milliers de plaques par jour. Cela fait chuter votre coût unitaire de 40 % à 60 %.
L’approche hybride
Parfois, il est nécessaire de combiner plusieurs procédés pour résoudre des défis d’ingénierie complexes.
Pour les grands Système de stockage d'énergie (ESS) projets, une plaque purement usinée CNC est trop coûteuse, et une plaque extrudée pure ne peut pas gérer des connexions de collecteurs complexes.
Dans ces cas, vous pouvez utiliser un profilé en aluminium extrudé pour le corps principal long et droit afin de réduire les coûts, puis utiliser l’usinage CNC pour créer des rainures d’étanchéité précises aux extrémités. Enfin, vous pouvez sceller l’ensemble à l’aide du soudage par friction-malaxage.
Cette approche hybride vous offre le meilleur des deux mondes : faible coût et haute précision.
Types de plaques froides pour le pack de batteries
Il n’existe pas de structure de plaque froide “ idéale ”. Le bon choix dépend entièrement de votre volume de production, de votre budget et de vos exigences thermiques. Voici les principaux types que vous rencontrerez.
Plaques froides estampées et brasées
Celles-ci sont fabriquées en estampant des formes de canaux dans de fines feuilles d’aluminium, en superposant une plaque de recouvrement plate sur le dessus, puis en les scellant ensemble dans un four de brasage sous vide.
Elles sont fines, légères et incroyablement économiques à grande échelle. Cela en fait le choix privilégié pour les véhicules électriques de tourisme grand public.
Plaques froides usinées
Comme mentionné précédemment, celles-ci sont usinées à partir d’un bloc de métal massif à l’aide d’une fraiseuse CNC.
Elles offrent la meilleure liberté de conception et performance thermique, car vous pouvez créer des micro-canaux extrêmement complexes. Cependant, leur coût élevé et le gaspillage de matière les rendent plus adaptées aux prototypes ou aux applications à faible volume et haute performance.
Plaques froides à tubes plats extrudés
Ce procédé consiste à pousser de l’aluminium chaud à travers une filière pour créer de longs profils creux avec des canaux internes.
L’extrusion est idéale pour créer de longues barres de refroidissement linéaires avec très peu de perte de matière. Si vous construisez un grand pack de batteries rectangulaire pour un bus électrique ou une baie de télécommunications, les plaques extrudées peuvent être une option très économique.
Plaques froides à tubes intégrés
C’est la méthode la plus simple et la moins chère. Il suffit de prendre une plaque d’aluminium plate, d’usiner quelques rainures, puis d’y insérer un tube de cuivre ou d’aluminium cintré.
Aucun équipement de soudage sophistiqué n’est nécessaire. Cependant, la résistance thermique est plus élevée car la chaleur doit traverser la plaque de base, puis la paroi du tube, avant d’atteindre le liquide. Cela peut convenir pour des équipements industriels de faible puissance, mais c’est rarement utilisé dans les véhicules électriques haute performance.
Plaques froides à ailettes en forme de peigne
Ces plaques comportent des réseaux extrêmement denses d’ailettes métalliques fines, créés par rabotage ou estampage du métal de base.
Cela crée une surface de contact massive pour le liquide de refroidissement, offrant des capacités de transfert de chaleur extrêmes. Elles sont complexes et sensibles aux dommages, ce qui les rend plus adaptées au refroidissement de points chauds localisés comme les GPU de centres de données plutôt qu’aux grands packs de batteries.
Plaques froides moulées sous pression et soudées par friction
La coulée sous pression à haute pression est utilisée pour former des passages internes complexes en une seule opération. Toute cavité ouverte est ensuite scellée par soudage par friction-malaxage (FSW).
Cela crée une pièce structurellement intégrée et incroyablement solide. Si vous construisez un véhicule minier lourd ou un navire électrique où le boîtier de la batterie doit supporter d’énormes charges mécaniques, c’est la structure qu’il vous faut.
Soudage par friction (FSW) vs brasage
Pour assembler les deux moitiés d’une plaque de refroidissement liquide, il existe généralement deux options principales : le brasage ou le soudage par friction-malaxage (FSW).
Brasure sous vide
Brasage Cela consiste à placer une fine couche de métal d’apport entre les deux moitiés de la plaque de refroidissement. L’ensemble est placé dans un grand four sous vide et chauffé jusqu’à ce que le métal d’apport fonde et lie les pièces ensemble.
Le brasage est excellent car il permet de souder des structures très complexes à parois fines. C’est le procédé standard pour les plaques de refroidissement estampées.
Cependant, l’équipement est extrêmement coûteux (les fours sous vide peuvent coûter plus d’un million d’euros) et les cycles de chauffage peuvent durer jusqu’à 8 heures. De plus, chauffer l’aluminium à des températures proches de la fusion peut affaiblir le métal, nécessitant des traitements thermiques après brasage pour restaurer sa résistance.
Soudage par friction-stir (FSW)
Soudage par Friction Stir Le soudage par friction-malaxage est une technique totalement différente. Il s’agit d’un procédé d’assemblage à l’état solide, ce qui signifie que le métal ne fond jamais réellement.
Un outil cylindrique tournant rapidement s’enfonce dans le joint entre les deux plaques métalliques. La friction génère une chaleur intense, ramollissant le métal jusqu’à un état plastique. Lorsque l’outil avance le long du joint, il mélange littéralement les deux pièces de métal, forgeant une soudure dense et solide.
Comme il n’y a pas de fusion, le FSW élimine le risque de porosité, de fissures à chaud ou de fuites. La soudure obtenue est incroyablement solide et fiable.
L’inconvénient ? L’équipement FSW est coûteux et nécessite que le métal de base soit suffisamment épais pour supporter la force mécanique de l’outil rotatif. Ce n’est pas adapté aux plaques estampées très fines, mais c’est parfait pour les boîtiers de batteries robustes et lourds.
Comment tester la plaque froide ?
On ne peut pas simplement souder une plaque froide et supposer qu’elle fonctionne. Une seule fuite à l’intérieur d’un pack de batteries haute tension peut provoquer un court-circuit catastrophique. Des tests rigoureux sont indispensables.
Nettoyage et préparation
Avant tout test, les canaux internes doivent être parfaitement propres.
Lors de l’usinage CNC ou de la découpe, des copeaux de métal et des huiles de coupe peuvent facilement rester piégés dans les zones inaccessibles des canaux d’écoulement. Si ces particules se détachent pendant le fonctionnement, elles peuvent bloquer le flux ou endommager la pompe.
Les fabricants utilisent des jets d’eau à haute pression pour rincer soigneusement les canaux internes, suivis de processus de séchage stricts afin de garantir l’absence totale d’humidité.
Test de pression
Votre plaque de refroidissement doit résister à une pression interne importante.
Lors d’un essai de destruction sous pression, les ingénieurs injectent continuellement du liquide dans la plaque jusqu’à ce qu’elle éclate physiquement. Pour réussir le test, une plaque de refroidissement standard pour véhicule électrique doit généralement supporter une pression maximale d’au moins 1 MPa (environ 145 psi) sans défaillance.
En production, chaque plaque doit subir un test de pression de routine (souvent autour de 25 bars) afin de garantir son intégrité structurelle.
Test d’étanchéité et de herméticité
Même si la plaque ne se fissure pas, elle peut tout de même présenter des fuites microscopiques.
La référence pour la détection des fuites est le test de fuite à l’hélium. Les atomes d’hélium sont incroyablement petits, donc s’il existe une imperfection microscopique dans la soudure, l’hélium la détectera. Les fabricants haut de gamme exigent un taux de fuite à l’hélium inférieur à 10^-6 voire 10^-8 Pa·m^3/s 24.
Pour des tests de production rapides et à grande échelle, la méthode de chute de pression est largement utilisée 5. La plaque est gonflée à l’air, scellée et surveillée. Si la pression interne diminue sur une période définie, cela indique une fuite.
Test de choc thermique
Les blocs de batteries fonctionnent dans des environnements extrêmes. Ils peuvent être garés dehors par une nuit d’hiver glaciale à -40°C, puis soumis à une chaleur intense lors d’une session de recharge rapide le lendemain.
Pour garantir que les soudures ne se fissurent pas sous l’effet de la dilatation et de la contraction thermique, les plaques de refroidissement sont soumises à des chocs thermiques des tests, en les faisant passer rapidement entre des températures extrêmes comme -40°C et 125°C. Si la plaque conserve son étanchéité après ces épreuves, elle est prête pour la route.
Quel type de plaque froide est le meilleur pour les packs de batteries de véhicules électriques ?
La “ meilleure ” plaque froide dépend entièrement du format physique de vos cellules de batterie.
Si vous utilisez des cellules prismatiques, vous utiliserez généralement une grande plaque de refroidissement plate au niveau du module, placée au fond du bloc de batteries. Les plaques estampées et brasées ou les plaques extrudées FSW sont idéales pour cette application.
Si vous utilisez des cellules cylindriques (comme celles popularisées par Tesla), les plaques plates ne fonctionnent pas bien car la surface de contact est trop petite. À la place, vous utiliserez probablement des tubes serpentins qui passent entre les cellules cylindriques individuelles, garantissant que chaque cellule touche le tuyau de refroidissement.
Si vous utilisez des cellules Pouch, vous pouvez intégrer directement de petites plaques de refroidissement estampées à l’eau à l’intérieur du module, prises en sandwich entre les pochettes délicates. .
Si vous êtes un fabricant ou un intégrateur de systèmes travaillant sur des camions lourds, des navires ou des équipements hors route, vous pouvez envisager de collaborer avec un centre d’intégration axé sur l’ingénierie. Des entreprises comme Astraion Dynamics vous permettent d’apporter vos propres modules de batteries bruts, et elles prennent en charge l’ingénierie complexe des boîtiers robustes IP67+, des plaques froides liquides sur mesure et de l’intégration haute tension. Cela comble le fossé entre l’achat de cellules brutes et le déploiement d’un véhicule certifié et opérationnel. .
FAQ
Puis-je utiliser de l’eau comme liquide de refroidissement ?
L’eau pure possède d’excellentes propriétés thermiques, mais elle gèle à 0°C et provoque de la corrosion. Il est recommandé d’utiliser un mélange d’eau et d’éthylène glycol (ou de propylène glycol) pour abaisser le point de congélation et ajouter des propriétés anticorrosion.
Quelle épaisseur doit avoir une plaque de refroidissement ?
Cela dépend du procédé de fabrication et des exigences structurelles. Les plaques embouties peuvent avoir des canaux d’écoulement extrêmement fins (≤3 mm), ce qui les rend très légères. Les plaques usinées ou soudées par friction-malaxage (FSW) seront plus épaisses afin de maintenir la rigidité structurelle.
Ai-je besoin d’une plaque de refroidissement personnalisée ?
Si vous construisez une machine industrielle standardisée à faible puissance, vous pouvez vous contenter d’une plaque à tubes intégrés disponible sur le marché. Cependant, si vous développez un véhicule électrique à haute densité batterie externe, vous aurez presque certainement besoin d’une plaque conçue sur mesure, optimisée pour la disposition spécifique de vos cellules, le flux thermique et les contraintes d’intégration.
Le choix du bon plaque de refroidissement liquide détermine la sécurité, la durée de vie et la performance globale de votre batterie. J’espère que ce guide complet vous aidera à naviguer dans la sélection des matériaux, les procédés de fabrication et les protocoles de test rigoureux pour votre prochain grand projet. Quels défis spécifiques de gestion thermique rencontrez-vous actuellement dans la conception de votre pack batterie ?
