Smart Battery Thermal Management for PHEV Efficiency Une gestion avancée de la thermique de la batterie basse tension de traction pour optimiser l’efficacité d’un véhicule hybride électrique rechargeable

Abstract

A smart battery thermal management is crucial for vehicle performances and battery lifetime targets achievements when electric and plug-in hybrid electric vehicles are concerned. The thermal system needs to be designed and tuned in accordance and compromises with powertrain and vehicle requirements, battery pack architecture, environmental constraints, costs, weight, etc., in a process that will be described in the first part of this paper. Among the portfolio of battery thermal management technologies, these items will be illustrated by two examples: thermal management by cabin air and by refrigerant in a direct cooling, enlightening a decision process. A simplified battery thermo-electric simulation model, which the second part of our work focuses on, has been built, first for both thermal and energetic balance dimensioning of the battery thermal management system. Examples are given on these two perspectives. That simplified simulation model has also identified some promising thermal management strategies for improving vehicle efficiency and performances and battery lifetime. That is the task of the last part of this paper. Battery heating has shown opportunities for improving energy and power availability at cold conditions and, thus, electric drive availability and autonomy. Post-cooling the battery at the end of a journey and its pre-conditioning before the following journey, not only improve vehicle efficiency, electric drive availability and autonomy, but also enhance battery lifetime and compromises with cabin thermal comfort. Others promising strategies optimizing the relation between vehicle performances and battery lifetime are still under investigations. L’atteinte des performances et des prestations requises d’un véhicule électrique ou hybride électrique rechargeable nécessite un thermomanagement intelligent de la batterie basse tension de traction. Ce thermomanagement est incontournable pour respecter dans le même temps la disponibilité d’énergie de traction électrique et la durabilité de la batterie. La conception du système de gestion thermique de la batterie basse tension doit donc prendre en compte les exigences requises de la chaîne de traction et du véhicule, la conception et l’architecture du pack batterie, les contraintes d’environnement, au moindre coût et au moindre poids, etc., tout en optimisant les compromis entre ces paramètres souvent antagonistes. Le processus de conception du thermomanagement de la batterie basse tension de traction fait l’objet de la première partie de cet article. Ce processus sera illustré par deux exemples, l’un mettant en oeuvre l’air en provenance de l’habitacle du véhicule et l’autre, par un refroidissement direct via le circuit de réfrigération du véhicule. Pour une application concrète, le processus de décision doit intégrer l’ensemble des modes de thermomanagement étudiés dans ce contexte et les différents paramètres et exigences pris en compte en tant que données d’entrée. La seconde partie de l’article présente un modèle de simulation thermoélectrique simplifié de la batterie basse tension de traction. Quelques résultats de calculs seront présentés à titre d’exemples dans deux perspectives différentes, d’une part, le dimensionnement thermique du système de thermomanagement, et d’autre part, l’optimisation du bilan énergétique du véhicule. Par ailleurs, ce modèle de simulation simplifié a également permis d’identifier et d’évaluer plusieurs stratégies pertinentes de gestion thermique de la batterie. Ces stratégies visent à améliorer l’efficacité et la performance du véhicule tout en ménageant la durée de vie de la batterie. La troisième partie présente certaines de ces stratégies. Parmi celles-ci, le post-refroidissement et le préconditionnement thermique de la batterie basse tension de traction, en préchauffage par conditions froides et en refroidissement. Ces stratégies ont montré une augmentation de l’énergie et de la puissance électrique alors disponibles. La disponibilité et l’autonomie de la mobilité tout électrique s’en trouvent d’autant améliorées. Le post-refroidissement et le préconditionnement thermique de la batterie basse tension de traction permettent aussi un gain sensible sur la durabilité de la batterie basse tension. D’autres stratégies prometteuses optimisant le compromis entre performances du véhicule et durabilité de la batterie de traction sont encore en cours d’investigation.