Simcenter STAR-CCM+ et Battery Design Studio aident un organisme de recherche à livrer des blocs de batteries lithium-ion plus sûres et plus efficaces

Développer un meilleur système de gestion thermique

L'utilisation de batteries lithium-ion (Li-ion) a fait du véhicule électrique une réalité, si bien que nous pourrions assister à l'acceptation généralisée de la mobilité électrique dans un avenir relativement proche. Nous avons toutefois constaté quelques incidents de batteries Li-ion dans des véhicules électriques qui ont pris feu à cause de systèmes de gestion thermique défectueux (TMS) ou d'une conduite abusive. Cela souligne l'importance de trouver de nouvelles méthodes pour concevoir de manière efficace et précise des TMS qui contrôlent la température et optimisent les performances des batteries Li-ion.

Pour relever ces défis, le Samsung R&D Institute de Bangalore (Inde), en collaboration avec le Samsung Advanced Institute of Technology (Corée), a récemment présenté un nouveau TMS à base de liquide de refroidissement pour les gros blocs de batteries Li-ion. Ils ont créé un modèle électrochimique/thermique 3D couplé du bloc de batteries proposé. La simulation a révélé que la résistance de contact avait le plus gros impact sur la performance thermique du bloc.

Le rôle de la mécanique des fluides numérique

Compte tenu de la nature tridimensionnelle de l'écoulement autour des cellules d'un bloc de batteries et de la variance spatiale impliquée dans la production de chaleur, la pratique de la simulation des blocs de batteries à l'aide de la mécanique des fluides numérique (CFD) est petit à petit devenue un outil de conception et d'optimisation efficace permettant de résoudre les problèmes de gestion thermique.

Pour les gros blocs de batteries qui fonctionnent aux taux de décharge élevés généralement utilisés dans les véhicules électriques et les véhicules hybrides électriques, les études CFD ont montré que le refroidissement liquide était plus efficace que le refroidissement par air. Il permet de concevoir des batteries plus compactes et plus efficaces.

Géométrie des blocs et configuration expérimentale

Dans le bloc de batteries Li-ion présenté dans le schéma 1, une batterie Li-NCA/C de 18 650 cellules disponible dans le commerce a été utilisée. Des éléments en métal hautement conducteur transfèrent la chaleur des cellules cylindriques vers le canal de refroidissement et, enfin, vers le liquide de refroidissement (dans ce cas, de l'eau). Un bloc de test de 30 cellules a été fabriqué, avec 6 cellules en série et 5 cellules en parallèle (voir le schéma 1).

Modèle 3D de CFD

Une caractérisation complète de la production de chaleur a été obtenue en construisant un modèle électrochimique 3D de la batterie basé sur la CFD, qui a pu être validé par rapport aux résultats expérimentaux, puis utilisé pour simuler et évaluer les performances du TMS dans diverses conditions de fonctionnement.

Deux produits de Siemens Digital Industries Software ont été utilisés pour ce projet : le logiciel Simcenter STAR-CCM+® et le logiciel Simcenter Battery Design Studio™. Simcenter STAR-CCM+ a été utilisé pour simuler l'écoulement et le transfert de chaleur conjugué, tandis que Simcenter Battery Design Studio a été utilisé pour obtenir les données d'entrée électrochimiques. Ces deux logiciels ont été utilisés en ensemble pour simuler les performances du bloc de batteries.

Prévisions précises de la température à partir d'une seule cellule

Le modèle 3D du TMS a été utilisé pour calculer les performances du bloc de batteries représentatif. Il a été constaté que la différence de température moyenne entre les cellules les plus chaudes et les plus froides n'était que de 0,5 kelvin (°K). En observant un schéma clair dans l'augmentation de la température, les auteurs ont réalisé qu'un coefficient de température correctement défini pouvait prédire la température des cellules à partir de celle d'une seule cellule.

Le débit du liquide de refroidissement est crucial

Dans les véhicules électriques, l'énergie nécessaire au fonctionnement du TMS est extraite de la batterie. En réduisant l'énergie nécessaire au TMS, on réduit la consommation de la batterie, ce qui permet d'optimiser le débit du liquide de refroidissement, ce qui est essentiel. Le modèle STAR-CCM+ de Simcenter a révélé qu'une plus grande quantité de chaleur était stockée dans le bloc de batteries lorsque la vitesse d'écoulement du liquide de refroidissement était plus faible, ce qui indique qu'à des vitesses d'écoulement plus faibles, moins de chaleur est transférée dans le liquide de refroidissement.

Dans la plupart des blocs de batteries, la variation maximale de la température est limitée à 3 °K dans le sens de l'écoulement. Le modèle expérimental a largement respecté la limite des 3 °K et a pu refroidir efficacement le bloc, même à des vitesses d'écoulement faibles.

Des matériaux tels que le graphène sont utilisés dans les TMS compacts. Il s'agit d'un matériau novateur mais coûteux. Les résultats du schéma 2 montrent que l'augmentation de la température dans la batterie à l'aide du TMS expérimental est du même ordre que celle rapportée dans la littérature de recherche qui utilise le graphène comme matériau à changement de phase (MCP) dans les systèmes de gestion thermique. Bien que ces TMS à base de MCP soient compacts, ce nouveau TMS ne nécessite pas l'utilisation de ces matériaux novateurs et peut donc être produit à moindre coût.

Conclusion

Les simulations du modèle fonctionnel de TMS basé sur la CFD et créé avec Simcenter STAR-CCM+ et Simcenter Battery Design Studio ont présenté des résultats similaires aux mesures expérimentales, ce a permis de valider le modèle par rapport à l'expérience avec une précision supérieure à 90 %. Des blocs de batteries représentatifs, construits en utilisant la symétrie de la batterie totale ont été simulés, en même temps que le TMS, afin de réduire le coût de calcul.

Le TMS ayant fonctionné de manière efficace et sûre dans des conditions rigoureuses, il constitue un candidat optimal pour les gros blocs de batteries Li-ion utilisés dans les véhicules électriques.