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Design and Analysis of Phase Change Material-based Battery Thermal Management System With Various Cell Configurations

Cette étude démontre que l'optimisation de la géométrie de l'enceinte d'un système de gestion thermique de batterie à matériau à changement de phase passif améliore considérablement les performances thermiques, en réduisant la température de pointe des cellules et en améliorant l'uniformité de la température pour les packs de batteries 18650 LiFePO4/Graphite à haut régime.

Auteurs originaux : ARUN KUMAR M, PERIYASAMY S, PARIMALA MURUGAVENI S

Publié 2026-07-09

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ARUN KUMAR M, PERIYASAMY S, PARIMALA MURUGAVENI S

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous avez un groupe de 16 minuscules travailleurs énergétiques de haute performance (des batteries) serrés les uns contre les autres dans une boîte. Lorsqu'ils travaillent dur (décharge à un taux élevé), ils chauffent. S'ils deviennent trop chauds, ils se fatiguent, se dégradent ou même prennent feu. Si l'un d'eux devient trop chaud à un endroit alors qu'un autre reste frais, toute l'équipe se désynchronise.

Ce document traite de la construction d'une meilleure « couverture » pour ces travailleurs afin de les garder au frais sans utiliser de ventilateurs ou de pompes.

Le Problème : L'« Équipe en Surchauffe »

Les chercheurs étudiaient un type spécifique de batterie (18650 LiFePO4) disposée en une grille de 4x4. Lorsque ces batteries travaillent à grande vitesse (décharge 3C), elles génèrent beaucoup de chaleur.

Le Danger : Si la température dépasse 60 °C (333 K), les batteries commencent à se dégrader.
L'Ancienne Méthode : Habituellement, nous utilisons des ventilateurs ou un refroidissement liquide (systèmes actifs). Mais ceux-ci consomment de l'électricité, possèdent des pièces mobiles qui peuvent tomber en panne et ajoutent du poids.
La Nouvelle Idée : Utiliser un « Matériau à Changement de Phase » (MCP). Considérez cela comme un immense bloc de paraffine (similaire à de la cire de bougie) entourant les batteries.

La Magie de la « Couverture de Cire »

La paraffine possède un superpouvoir : la chaleur latente.

L'Analogie : Imaginez que vous transpirez. À mesure que votre sueur s'évapore, elle vous refroidit sans que votre température corporelle n'augmente immédiatement.
Comment ça marche : Lorsque les batteries chauffent, la cire commence à fondre. La fusion nécessite une énorme quantité d'énergie. Ainsi, la cire « absorbe » la chaleur des batteries pour passer de l'état solide à l'état liquide, maintenant la température de la batterie stable pendant longtemps. C'est comme une éponge thermique qui absorbe la chaleur au lieu de l'eau.

Le Piège : La paraffine ordinaire est un mauvais conducteur de chaleur (c'est comme un gros pull en laine ; elle retient la chaleur). Si vous versez simplement de la cire autour des batteries, la cire touchant les batteries fond instantanément, mais la cire éloignée reste gelée. L'« éponge thermique » n'est pas utilisée efficacement.

L'Expérience : Tester différentes formes de « Boîtes »

Les chercheurs se sont demandé : Pouvons-nous changer la forme de la boîte contenant la cire et les batteries pour que la chaleur se propage mieux ?

Ils ont conçu 7 configurations différentes (Modèles 1 à 7) en utilisant un logiciel de conception assistée par ordinateur.

Modèle 1 (Le Témoin) : Une boîte simple et ordinaire avec des batteries espacées uniformément.
Modèles 2–7 : Ils ont déplacé les batteries, modifié l'espacement et créé des motifs diagonaux pour voir s'ils pouvaient forcer la chaleur à voyager plus profondément dans la cire.

Ils ont utilisé une simulation informatique puissante (ANSYS Fluent) pour simuler ces scénarios, traitant la cire en fusion comme une « éponge poreuse » qui change d'état.

Le Gagnant : Le Modèle 6

Après avoir exécuté des milliers de simulations, le Modèle 6 a été le grand vainqueur.

Qu'est-ce qui était différent ? Il présentait un arrangement spécifique de batteries qui maximisait la surface de contact entre les batteries chaudes et la cire fraîche.
Les Résultats :
- Des batteries plus fraîches : La batterie la plus chaude dans le Modèle 6 était 6,1 °C plus fraîche que dans la boîte ordinaire.
- Plus homogène : La différence de température entre la batterie la plus chaude et la plus froide a été réduite de près de 12 %. Cela signifie que toute l'équipe reste synchronisée.
- Une protection plus longue : La cire du Modèle 6 a mis 70 secondes de plus à fondre complètement. Cela donne aux batteries plus de temps pour travailler avant que l'« éponge thermique » ne soit épuisée.
- Énergie résiduelle : Même après le test, le Modèle 6 possédait encore 16,9 % de sa cire sous forme solide. Cela signifie qu'il avait un « réservoir de secours » de puissance de refroidissement pour la prochaine fois qu'il chaufferait.

Tester la « Super Couverture »

Les chercheurs ne se sont pas contentés de faire confiance à l'ordinateur ; ils ont construit la version réelle en laboratoire.

Validation : Ils ont soumis les vraies batteries aux mêmes tests. Les résultats du monde réel correspondaient presque parfaitement aux prédictions de l'ordinateur (avec une erreur de moins de 0,5 %).
Test de Stress : Ils ont fait subir aux batteries 5 cycles de chauffage et de refroidissement. La « super couverture » (Modèle 6) est restée stable, la température n'augmentant que légèrement (environ 1 °C) sur 5 cycles, prouvant qu'elle ne s'use pas rapidement.
Test de Fuite : Ils ont chauffé la cire jusqu'à ce qu'elle fonde et ont vérifié s'il y avait des fuites. Le récipient a tenu bon ; aucune cire n'a coulé et la perte de masse était négligeable.

Le Verdict

Le document conclut que vous n'avez pas besoin de ventilateurs ou de pompes coûteux pour refroidir ces batteries. En réarrangeant simplement les batteries à l'intérieur d'une boîte remplie de cire (en utilisant spécifiquement la conception du Modèle 6), vous pouvez :

Garder les batteries nettement plus fraîches.
Maintenir une température uniforme dans tout le pack.
Prolonger le temps pendant lequel le système peut gérer une puissance élevée.
Tout faire cela de manière passive (sans qu'aucune électricité ne soit nécessaire pour le système de refroidissement lui-même).

C'est comme réaliser que si vous disposez vos meubles différemment dans une pièce, l'air circule mieux et la pièce reste plus fraîche, sans avoir besoin d'acheter un nouvel climatiseur.

Résumé Technique : Conception et analyse d'un système de gestion thermique de batterie à base de matériaux à changement de phase avec diverses configurations de cellules

Énoncé du problème
L'adoption croissante des batteries lithium-ion dans les véhicules électriques et le stockage sur réseau nécessite des systèmes de gestion thermique (BTMS) robustes. Bien que les cellules lithium fer phosphate (LiFePO₄) offrent une stabilité supérieure, des taux de décharge élevés (≥2C) génèrent une chaleur volumétrique capable de porter les températures de surface au-delà du seuil de fonctionnement sûr de 333 K (60 °C). Cela entraîne une perte de capacité accélérée, une décomposition de l'électrolyte et une non-uniformité thermique ( $\Delta T_{max}$ ) à travers les modules multi-cellules, provoquant un vieillissement différentiel. Les méthodes de refroidissement actives conventionnelles introduisent une complexité mécanique et une consommation d'énergie parasite. Les systèmes passifs à matériaux à changement de phase (PCM), utilisant particulièrement la cire de paraffine, offrent une solution grâce à leur chaleur latente élevée, mais souffrent d'une faible conductivité thermique, ce qui peut conduire à une fusion localisée et à une sous-utilisation du volume de PCM. Cette étude traite du défi de l'optimisation de l'arrangement géométrique des cellules au sein d'un boîtier de PCM afin d'améliorer la distribution de la chaleur et le tampon thermique sans modifier les dimensions externes ou le volume total de PCM.

Méthodologie
La recherche a employé une approche numérique et expérimentale complète :

Simulation numérique : Un modèle de dynamique des fluides computationnelle (CFD) transitoire a été développé à l'aide d'ANSYS Fluent 2021 R2. L'étude a simulé un réseau 4×4 de 16 cellules cylindriques 18650 LiFePO₄/Graphite (18 mm de diamètre, 65 mm de hauteur) enfermées dans de la cire de paraffine.
Modélisation du changement de phase : La méthode enthalpie-porosité a été utilisée pour modéliser la transition de phase solide-liquide, en traitant la zone de mélange (mushy zone) comme un milieu poreux. La relation de Carman-Kozeny régissait la perméabilité dans la région solide.
Variations géométriques : Sept géométries de boîtier de PCM distinctes ont été conçues dans CREO Parametric 12. Le Modèle 1 a servi de référence simple, tandis que les Modèles 2 à 7 présentaient des arrangements de cellules internes variables (espacement, décalages et dégagements de canaux) pour maximiser la surface de transfert de chaleur effective entre les cellules et le PCM.
Validation et convergence : Des études rigoureuses d'indépendance du maillage (convergé à 196 380 éléments) et d'indépendance du pas de temps (1,0 s) ont été menées. Le cadre de simulation a été validé par rapport à des données de référence publiées, montrant un écart maximal de 0,056 % sur la température de pointe.
Vérification expérimentale : Des expériences physiques en laboratoire ont été menées sur le modèle de référence (Modèle 1) et sur le modèle le plus performant (Modèle 6) en utilisant des thermocouples de type K, un cyclage de batterie, et une caméra thermique infrarouge. Les tests comprenaient des cycles de décharge 3C/charge 1C, des cycles répétés (5 cycles), ainsi que des tests d'intégrité structurelle/fuite.

Principales contributions

Optimisation géométrique systématique : L'étude a évalué systématiquement sept configurations d'enclos, identifiant que l'arrangement interne des cellules influence de manière significative les performances thermiques, même lorsque les dimensions externes et le volume de PCM restent constants.
Identification de la configuration optimale : Le Modèle 6, présentant un arrangement optimisé avec une surface de contact effective maximale avec le PCM, a été identifié comme la géométrie supérieure.
Métriques de performance complètes : L'analyse est allée au-delà de la température de pointe pour évaluer la non-uniformité de la température ( $\Delta T_{max}$ ), la durée de tamponnage effective et la réserve de PCM solide ( $\phi_{avg}$ ) à la fin de la décharge.
Vérification de la robustesse : L'étude a confirmé que les avantages géométriques du modèle optimal sont maintenus sur un large domaine de fonctionnement (taux de décharge de 1C à 4C) et à travers des cycles de charge-décharge répétés.

Résultats

Performance thermique : À un taux de décharge de 3C, le Modèle 6 a réduit la température de pointe de la cellule ( $T_{max}$ ) à 358,14 K, soit une réduction de 6,1 K (1,68 %) par rapport au Modèle 1 de référence (364,22 K).
Uniformité et tamponnage : Le Modèle 6 a amélioré la non-uniformité de la température de 11,7 % ( $\Delta T_{max}$ réduit de 4,88 K à 4,31 K) et a prolongé la durée de tamponnage effective du PCM de 70 secondes (de 240 s à 310 s).
Utilisation du PCM : À la fin de la décharge, le Modèle 6 maintenait une fraction de PCM solide de 16,9 % ( $\phi_{avg} = 0,831$ ), indiquant une réserve thermique conservée, alors que le modèle de référence était presque totalement fondu ( $\phi_{avg} = 0,980$ ).
Analyse de sensibilité : L'avantage de performance du Modèle 6 augmente avec le taux de décharge, atteignant une réduction de température de 3,0 K à 1C et de 8,9 K à 4C.
Validation expérimentale : Les résultats de laboratoire pour le Modèle 6 ont montré des écarts inférieurs à 2,63 % par rapport aux prédictions de simulation pour la température de pointe, la non-uniformité et le temps de resolidification. L'efficacité de la gestion thermique a atteint 80,2 % à 3C par rapport aux cellules nues.
Durabilité : Les cycles répétés (5 cycles) ont entraîné une élévation de température minimale de 1,02 K pour le Modèle 6, et les tests d'intégrité structurelle ont confirmé l'absence de fuite ou de perte de masse supérieure à 0,12 g.

Signification
Cet article démontre que l'optimisation de la géométrie interne d'un boîtier de PCM est une stratégie de gestion thermique passive viable et efficace pour les applications de batteries lithium-ion à haut régime. En améliorant la distribution de la chaleur des surfaces de cellules vers le volume de PCM, la configuration optimale (Modèle 6) réduit simultanément les températures de pointe, améliore l'uniformité thermique et prolonge la durée de la protection thermique. L'étude confirme que de telles modifications géométriques peuvent être mises en œuvre sans augmenter le volume ou la complexité du système, offrant une solution à faible coût et sans entretien qui maintient la stabilité thermique à travers différents taux de décharge et des cycles opérationnels répétés. Les conclusions fournissent un cadre validé pour la conception de BTMS passifs reposant sur la cire de paraffine, répondant aux limitations inhérentes de la faible conductivité thermique par l'optimisation géométrique plutôt que par la modification des matériaux.