Étude électrothermique et caractérisation expérimentale d’une batterie lithium-ion commerciale pour intégration dans un véhicule autonome soumis à une météo extrême

Les postes de transformation d’Hydro-Québec sont des infrastructures permettant d’aiguiller et de contrôler la distribution de l’électricité à travers le réseau électrique québécois. La plupart se trouvent dans le nord du Québec et sont localisés dans des zones éloignées. Leur entretien et leur inspection sont donc couteux en ressources humaines et financières. Pour palier cela, l’Institut de recherche en électricité du Québec (IREQ) cherche à produire une flotte de véhicules autonomes capables d’effectuer l’inspection de ces postes à distance. Le véhicule utilise une batterie au lithium-ion pour son opération. Ce type de batterie possède une densité d’énergie élevée mais est sensible à sa température interne. La plage de température optimale de ce type de batteries se trouve entre 10°C et 35°C, avec une différence de température maximale dans la batterie de 5°C. Cependant, le véhicule va opérer toute l’année dans le nord du Québec, où les températures peuvent aller de -30°C en hiver jusqu’à 35°C en été. Et à cause de l’isolement des postes, l’IREQ souhaite éviter une maintenance à chaque changement de saison. L’objectif est donc d’avoir une stratégie de gestion thermique unique pour toute l’année, permettant de maintenir la batterie dans une plage de température acceptable. Afin de mettre en place cette stratégie, il est nécessaire de prédire le comportement électrothermique de la batterie. Ce travail porte sur l’étude du comportement électrothermique d’une batterie commerciale à intégrer dans un prototype de véhicule. Deux modèles électrothermiques 1D sont développés par analogie électrique-thermique, l’un pour la batterie nue et l’autre pour la batterie intégrée dans un prototype de véhicule. Dans ce prototype, la batterie est placée dans un caisson contenant des onduleurs qui génèrent eux aussi de la chaleur. Le modèle de la batterie nue permet de calculer sa température interne au cours d’une mission, à partir de sa génération de chaleur, de la résistance de conduction à travers la batterie et de la résistance de convection à sa surface. Le modèle de la batterie intégrée est développé en tenant compte des résistances de convection dans le caisson, la capacité thermique de l’air qui y est contenu et la génération de chaleur des onduleurs. Les grandeurs requises pour établir ces modèles sont déterminées soit expérimentalement (comme la capacité thermique effective de la batterie et sa résistance thermique de conduction interne effective), soit par simulation numérique (CFD) (comme pour les différentes résistances thermiques de convection). Des tests sur banc d’essais ont été réalisés sur la batterie nue. Pour les scénarios d’hiver, il a été mesuré que la température interne de la batterie peut descendre jusqu’à -7°C si la température extérieure est de -40°C, avec un gradient de température au sein de la batterie de 12°C. Lors des scénarios d’été, la génération de chaleur est faible et ne fait pas augmenter la température de la batterie et celle-ci stagne à environs 37°C. Ces expériences ont également permis de mesurer les grandeurs thermiques de la batterie. Les tests sur le prototype intégré ont montré que la température moyenne de la batterie descend d’un degré en 2h, sur neige et avec une température extérieure de -5°C. Cette chute de température ne fait courir aucun risque à la batterie. Ces résultats permettent d’affirmer que la batterie permet au rover d’accomplir les missions fixées par l’IREQ. Les résultats de la caractérisation expérimentale valident le modèle 1D de la batterie nue et les tests sur le prototype valident le modèle 1D de la batterie intégrée avec 12% d’erreur. À la fin du scénario le plus énergivore, la profondeur de décharge mesurée dans la batterie est de 60% ce qui valide les requis fixés par l’IREQ avec une marge de 6%. Tous les autres scénarios d’étude valident les requis avec une marge de plus de 30%. De plus la puissance minimale de la batterie est de 8 kW alors que les estimations du centre des technologies avancées (CTA) anticipent une puissance requise maximale de 5 kW pour le scénario le plus sollicitant. Ce travail a permis de conclure que la batterie commerciale est surdimensionnée pour les besoins du projet et que son comportement thermique risque d’engendrer un vieillissement prématuré (c’est-à-dire une perte de capacité de la batterie au fur et à mesure de ses cycles), respectivement à cause de la quantité d’énergie restante à la fin des missions et à cause du gradient de température supérieur à 5°C dans la batterie. Ce travail a également servi à comprendre le comportement des éléments internes de la batterie. Ces constats montrent le besoin d’une conception d’une batterie sur-mesure avec une stratégie de gestion thermique adaptée à l’utilisation du véhicule. Le modèle de la batterie enclavée développé dans ce travail est original et peut être utilisé pour prédire le comportement électrothermique de toute sorte de batterie enclavée dans une enceinte fermée. Enfin, le travail réalisé dans ce projet s’inscrit dans le grand objectif du Québec d’électrifier le parc automobile en améliorant la gestion thermique des batteries Li-ion.

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