Prévenir l'emballement thermique des batteries

La plus grande menace pour les batteries est l’emballement thermique, où la chaleur générée dépasse le taux de dissipation, déclenchant une série de réactions exothermiques. Cela peut provoquer des incendies et une panne totale de la batterie, affectant d'autres composants du véhicule. Pour prévenir et contenir l'emballement thermique, la conception de la batterie intègre des coussinets de compression, des boîtiers de modules et des boîtiers de batterie. Des coussinets de compression sont placés entre les cellules pour empêcher la propagation de la chaleur, tandis que les boîtiers de modules regroupent les cellules pour contenir l'emballement thermique à l'intérieur des modules. Enfin, ces modules sont logés dans un boîtier de batterie pour protéger les autres pièces du véhicule des effets d'emballement thermique.

Conception du boîtier de batterie

Les boîtiers de batteries de véhicules électriques varient considérablement en termes de conception, de forme et de taille, en fonction du type de batterie, des exigences de refroidissement, de la distribution des modules et de l'application. Généralement, un boîtier de module se compose de :

1. Un boîtier de base,

2. Une enveloppe extérieure,

3. Une plaque de connexion reliant les composants internes et externes,

4. Une soupape d'échappement pour l'équilibrage de la pression ou la libération des gaz en cas d'emballement thermique.

Sélection des matériaux pour les boîtiers de batterie

Les matériaux utilisés pour les boîtiers de batteries doivent avoir des performances thermiques élevées, de bonnes propriétés mécaniques et être légers. Traditionnellement, l’aluminium et l’acier ont été préférés pour leur résistance à la chaleur et leur aptitude à la production de masse. Cependant, la masse des matériaux métalliques ne peut pas être bien contrôlée, en particulier pour les véhicules hybrides et électriques, où une masse plus faible signifie une densité énergétique plus élevée et une autonomie plus longue. Actuellement, les batteries peuvent représenter jusqu'à 50 % de la masse totale d'un véhicule.

Matériaux composites

Les matériaux composites offrent une alternative légère et peuvent potentiellement surpasser les métaux à bien des égards, bien qu’ils soient plus complexes et plus coûteux. Par exemple, un boîtier en polymère renforcé de fibre de carbone développé pour les clients du sport automobile a remplacé un boîtier en aluminium pesant 6,7 kg (14,8 lb) par un boîtier en composite pesant seulement 616 grammes (1,35 lb), obtenant ainsi une réduction de poids de 91 %. Des préimprégnés thermodurcis en fibre de carbone ont été utilisés pour leurs hautes performances thermiques et mécaniques. La fibre de carbone offre résistance et rigidité, tandis que les systèmes de résine de haute qualité, tels que l'époxy, sont pré-imprégnés. Cependant, les processus de superposition manuels, les longs temps de durcissement et le recours aux autoclaves limitent la production de boîtiers de batterie préimprégnés.

Un autre avantage des matériaux composites est la capacité d'optimiser l'orientation des fibres pour répondre aux exigences de charge spécifiques de chaque boîtier de batterie. L'analyse par éléments finis (FEA) est largement utilisée dans le processus de conception pour déterminer la direction des fibres et le nombre requis de couches, garantissant ainsi une rigidité et une résistance élevées tout en conservant un poids léger. Les propriétés isotropes du métal offrent toujours des avantages, souvent utilisées autour des assemblages boulonnés pour offrir une résistance et une rigidité supplémentaires. Des logiciels comme Hypermesh et Optistruct simulent les matériaux composites anisotropes des boîtiers de batterie.

Isolation électrique

L'isolation électrique est une autre considération lors du développement de boîtiers de batterie. La fibre de carbone étant conductrice, des couches de fibres de verre sont intégrées au stratifié pour isoler des composants électroniques spécifiques.

Attestation

Pour garantir les performances thermiques des batteries et des boîtiers, ils doivent passer divers tests de sécurité et normes de certification. La première norme est UN38.8, qui garantit la sécurité des batteries au lithium pendant le transport grâce à huit tests, notamment la simulation d'altitude, les tests thermiques, les vibrations, les chocs, les courts-circuits externes, les chocs et les écrasements, les surcharges et les décharges forcées. Les batteries doivent également être certifiées selon la norme ECE R100 REV2, qui décrit les tests nécessaires pour les batteries au lithium installées dans les véhicules électriques à quatre roues pour le transport de personnes ou de marchandises. Dans l'aviation, d'autres normes comme DO311A et DO160G doivent être prises en compte.

Simulation thermique de batterie

Pour les boîtiers de batteries, les matériaux composites doivent répondre aux normes de sécurité en matière d'inflammabilité UL94, impliquant plusieurs tests de brûlure de surface, verticaux et horizontaux. Des flammes contrôlées sont appliquées sur le matériau plusieurs fois au cours d'une période spécifique, et la durée de combustion continue du matériau, ainsi que les signes de brûlures ou de gouttes enflammées, déterminent s'il répond aux normes V0, V1 ou V2 de la norme UL94. Plus la flamme s'éteint rapidement, plus la résistance du matériau est forte, V0 étant l'indice le plus élevé, s'éteignant en 10 secondes sans gouttes de flamme.