Qu'est-ce que le système de thermorégulation d’un véhicule électrique ?

Nous savons déjà que les véhicules électriques sont sensibles à la température ambiante. C’est pourquoi les constructeurs d’automobiles s’efforcent de développer des systèmes de thermorégulation pour leur permettre de demeurer fiables et performants dans un climat changeant. Mais de quoi s’agit-il, comment cela fonctionne-t-il, et quels sont les avantages et les inconvénients d’une telle technologie ? Voici quelques explications.

Tout comme le corps humain qui fonctionne à son meilleur dans une plage de températures bien précise, la batterie d’un véhicule électrique fonctionne typiquement au maximum de ses capacités entre 15 et 35 degrés Celsius. Il est également préférable que la différence de température entre les cellules (installées à l’intérieur de la batterie) ne dépasse pas 5 degrés.

Une batterie trop chaude ou trop froide ou une différence trop élevée dans la température des cellules pourrait causer un mauvais fonctionnement et faire dégrader la batterie prématurément. Autrement dit, elle pourrait perdre sa capacité, ses performances et son autonomie de manière irréversible. Dans les cas extrêmes, une batterie trop froide pourrait empêcher la recharge. En revanche, une batterie trop chaude pourrait provoquer un incendie.

Il est donc important, quand un constructeur d’automobiles conçoit un véhicule électrique, qu’il s’assure que la batterie et ses cellules demeurent dans cette plage de températures idéales en tout temps, et ce, peu importe la température ambiante.

Pour ce faire, les véhicules électriques sont équipés d’un système de thermorégulation de la batterie. Il viendra complémenter le système de gestion de la batterie, aussi connu dans l’industrie par l’abréviation BMS (pour battery management system).

Grâce à une programmation effectuée à l’usine, le BMS évite que la batterie ne dépasse les limites de ce qu’elle peut encaisser. Il empêchera, par exemple, que la batterie ne devienne trop chaude, trop froide, surchargée, sous-chargée, ou qu’elle soit victime d’une défaillance quelconque pouvant affecter la sécurité de l’utilisateur. Dans les cas extrêmes, ces systèmes peuvent même stopper le fonctionnement du véhicule s’ils détectent une défaillance importante.

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Bien que les premiers brevets de systèmes de thermorégulation pour une batterie aient vu le jour au début de l’année 2000 par l’Illinois Institut of Technology, aux États-Unis, c’est en réalité la voiture électrique GM EV1, dans les années 1990, qui a été la première automobile à incorporer un système du genre.

À l’époque, GM s’était rendu compte qu’une nouvelle batterie au nickel-métal-hydrure (NiMH) améliorait certes le rendement de l’EV1 tout en réduisant son poids, mais elle produisait beaucoup plus de chaleur. L’EV1 utilisait donc son climatiseur pour refroidir ses batteries. C’était un système peu efficace en raison d’un gaspillage énorme d’énergie.

Aujourd’hui, tous les véhicules électriques sont équipés d’un système de thermorégulation. Les constructeurs utilisent diverses méthodes pour arriver à leur fin, améliorant le rendement de leurs systèmes d’année en année.

Il existe actuellement deux méthodes populaires pour maintenir une température adéquate de la batterie dans un véhicule électrique : la thermorégulation passive par air et la thermorégulation active par liquide.

Thermorégulation passive par air

Fonctionnement et applications

La thermorégulation passive par air utilise l’air qui circule au travers du véhicule pour maintenir une température adéquate de la batterie. Grâce à un système de ventilateurs qui assure que l’air circule même quand le véhicule est à l’arrêt, à des dissipateurs de chaleur et à des conduits permettant de faire circuler l’air dans les divers compartiments de la batterie – comme les modules des cellules - ce système se charge de faire évacuer la chaleur pour empêcher un bris.

Avantages et inconvénients

Ces systèmes sont habituellement plus simples dans leur conception, ce qui réduit les coûts d’assemblage et les frais d’entretien tout en augmentant la fiabilité du véhicule. Le fait qu’il ne nécessite ni pompe ni liquide refroidisseur réduit ainsi les risques de bris.

En revanche, le système de thermorégulation passif par air ne fait que refroidir la batterie. Il ne régule pas sa température comme peut le faire un système par liquide. Autrement dit, si la température devient trop élevée ou trop basse, le système n’est pas en mesure de proprement régulariser la température car il dépend seulement de l’air ambiant pour arriver à ses fins.

On remarque donc, dans la Nissan LEAF, par exemple, une perte d’autonomie et de la vitesse de recharge lors de changements climatiques extrêmes. Une dégradation prématurée de la batterie peut également en découler. Dans un climat comme celui du Québec, le système de thermorégulation par air n’est clairement pas idéal.

Thermorégulation active par liquide

Fonctionnement et applications

La thermorégulation par liquide utilise un principe semblable à celui du moteur thermique moderne. Afin d’assurer une température ambiante adéquate pour les composants les plus importants de la batterie dans un vaste éventail de contextes climatiques, un liquide circule en circuit fermé à l’intérieur de la batterie. Ce liquide passe là où les changements de températures sont les plus importants. Il y a aussi la thermorégulation par immersion, c'est-à-dire que les cellules de la batterie sont constamment submergées dans le liquide refroidisseur.

Or, tout comme dans un véhicule mu par un moteur thermique, ce système nécessite la présence d’une pompe et d’un ou de plusieurs radiateurs. Ceux-ci font circuler un liquide refroidisseur – habituellement à base de glycol - dans des conduits ayant été stratégiquement installés à l’intérieur de la batterie, habituellement autour des modules des cellules.

Qu’il s’agisse d’un système par air ou par liquide, des capteurs, typiquement installés sur les modules des cellules, en surveillent la température et renvoient l’information au BMS.

Avantages et inconvénients

En raison de sa précision et de sa capacité de pouvoir s’adapter à un plus vaste spectre de températures, le système de thermorégulation active par liquide est le plus répandu dans l’industrie des véhicules électriques. Plus les batteries deviennent puissantes et dégagent de la chaleur, plus ces systèmes se sont montrés efficaces car ils peuvent, en fonction d’une commande du BMS, modifier la température du liquide afin de mieux régulariser celle de la batterie.

Cette technologie a aussi démontré ses avantages en conduite hivernale. Elle permet un chauffage plus rapide de la batterie et peut même préchauffer l’habitacle avant de prendre la route pour améliorer l’autonomie du véhicule.

En revanche, ces systèmes, par leur complexité, coûtent plus cher à produire et présentent des risques de bris plus élevés. La présence d’une pompe et d’éléments qui servent à chauffer le liquide, qui tirent leur énergie de la batterie, rend également ces systèmes moins efficaces énergétiquement.

C’est pourquoi certains constructeurs comme Mercedes-Benz effectuent actuellement des recherches approfondies pour développer un système de refroidissement par air qui combinerait le meilleur des deux mondes, notamment dans le concept électrique EQXX.

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