Introduction
Les constructeurs automobiles ont constaté que la charge et la décharge des batteries de véhicules électriques génèrent une quantité importante de chaleur. La gestion thermique des cellules est donc cruciale. Souvent, des contacts défectueux ou un refroidissement inégal au sein des batteries peuvent entraîner la formation de points chauds, réduisant ainsi leur durée de vie et pouvant, dans des cas extrêmes, provoquer un emballement thermique. Par conséquent, les performances, la sécurité et la durabilité de la batterie dépendent de la maîtrise de la chaleur générée dans les cellules.
Par conséquent, cet article propose une comparaison détaillée entre les coussinets thermiques et les gels thermiques afin de faciliter le choix du matériau thermique le plus adapté à la conception et à la production du produit.
Batteries EV
Une batterie de véhicule électrique est une batterie rechargeable composée de lithium-ion, conçue pour alimenter des équipements lourds grâce à son rapport puissance/poids et sa densité énergétique élevés. Les batteries de véhicules électriques fournissent l'énergie nécessaire au moteur électrique d'un véhicule électrique à batterie (VEB) ou d'un véhicule électrique hybride (VHE).
Des recherches indiquent que les matériaux de remplissage d'espace facilitent un transfert de chaleur plus uniforme entre les cellules. Les modules de batteries utilisant des matériaux de remplissage d'espace à haute compliance, comparés aux modules sans matériaux de remplissage efficaces, présentent des profils de distribution de température plus uniformes (environ ±2 °C), des vitesses de montée en température 15 à 20 % plus lentes (dans des conditions extrêmes où le transfert de chaleur est minimal), une résistance thermique réduite au niveau des matériaux d'interface et une durée de vie améliorée de 30 à 50 %. Ces résultats expérimentaux ont été obtenus lors de cycles de charge et de décharge répétés de batteries de véhicules électriques.
Par conséquent, le choix judicieux des matériaux (plaques thermiques ou gels thermiques) peut améliorer la dissipation et le transfert de chaleur entre les cellules de la batterie et les bornes de refroidissement.
Packs de batterie
Les batteries constituent un système de stockage d'énergie (SSE) essentiel aux véhicules électriques. Elles sont conçues pour alimenter l'ensemble du système en énergie électrique, garantissant ainsi son fonctionnement optimal. L'énergie est stockée dans diverses cellules cylindriques interconnectées au sein de la batterie, comme illustré ci-dessous. Ces batteries sont composées de plusieurs cellules connectées en série et en parallèle pour former une batterie haute tension. Leur fonctionnement repose sur la conversion de l'énergie chimique stockée en énergie électrique. La technologie sous-jacente à ces batteries a largement contribué au remplacement des moteurs à combustion interne traditionnels par les véhicules électriques à batterie (VEB).
L'utilisation de matériaux d'interface thermique (TIM) est cruciale dans les batteries de véhicules électriques afin de ne pas dépasser leurs exigences thermiques et ainsi garantir des performances et une sécurité optimales. Ces matériaux empêchent la surchauffe, qui pourrait réduire la durée de vie de la batterie, entre les composants et le système de refroidissement, ce qui est essentiel pour maintenir la durée de vie et l'efficacité du pack.
Lors de la fabrication des batteries, des espaces d'air microscopiques sont créés pour faciliter la dilatation et le gonflement de la batterie, phénomènes qui déterminent les propriétés thermiques et mécaniques des cellules. La dilatation correspond aux variations de température entre les composants actifs de l'anode et de la cathode, engendrant des contraintes mécaniques internes et, par conséquent, la nécessité d'améliorer les contacts thermiques entre les cellules. Le gonflement, quant à lui, est une augmentation progressive de l'épaisseur due à des réactions secondaires liées au vieillissement, telles que la croissance de la couche de passivation et le dépôt de lithium, ce qui accroît les contraintes intrinsèques de la cellule. Ces phénomènes sont courants dans les batteries lithium-ion.
Les matériaux d'interface thermique sont conçus pour gérer ces micro-espaces d'air en comblant les vides, créant ainsi un chemin efficace pour la circulation de la chaleur entre les surfaces solides et les autres matériaux.
Matériaux d'interface thermique (TIM) : rôles et caractéristiques
Les matériaux d'interface thermique (MIT) sont des matériaux placés entre deux surfaces solides. Dans les batteries de véhicules électriques, ces matériaux sont généralement placés entre la surface extérieure de l'élément de batterie et la plaque de refroidissement interne. Ceci permet de réduire la résistance thermique interfaciale en comblant les interstices macroscopiques et microscopiques.
Des espaces subsistent entre deux surfaces en raison des tolérances de production liées à la cellule, à la plaque de refroidissement et à l'assemblage. D'autres facteurs, tels que la rugosité de surface, le gonflement de la cellule lors des cycles de charge/décharge et la déformation de la plaque de refroidissement, contribuent également à la formation de ces espaces. Dans les systèmes de batteries pour véhicules électriques, des matériaux d'interface thermique lient les surfaces imparfaites afin d'améliorer la répartition de la chaleur entre les cellules, les systèmes de refroidissement et les dissipateurs thermiques passifs. Ces matériaux se présentent sous forme de plots conducteurs, de gels (liquides ou semi-liquides), d'adhésifs, de matériaux à changement de phase ou de graisses.
Dans les systèmes de gestion de batteries, les interférences électromagnétiques sont réduites à un faible niveau grâce à l'utilisation d'enceintes conductrices, de revêtements spécialisés et d'un placement stratégique des composants, afin de minimiser les émissions et la sensibilité aux interférences électromagnétiques.
Un matériau d'interface thermique fonctionnel est défini par quelques attributs. Ces attributs comprennent les suivants :
- que les matériaux doivent posséder une bonne conductivité thermique
- facile à appliquer,
- stable sur une longue période,
- présentent une résistance élevée aux gaz et aux produits chimiques,
- et sont fabriqués en matériau incombustible.
Que sont les coussins thermiques et les gels thermiques ?
Les coussinets et gels thermiques sont des matériaux thermoconducteurs couramment utilisés pour combler les minuscules espaces entre un composant et un dissipateur thermique afin d'assurer un transfert de chaleur efficace.
Comme mentionné précédemment, les matériaux d'interface thermique (TIM) agissent en comblant les micro-espaces d'air présents entre les sources de chaleur et les structures de refroidissement. L'air ayant une faible conductivité thermique, même de petits vides peuvent engendrer une résistance thermique importante. L'utilisation de coussinets souples et conformables garantit un contact optimal et améliore l'efficacité du transfert de chaleur.
Coussinets thermiques
Les pads thermiques sont des matériaux intrinsèques solides composés d'une base en silicone et de charges à haute conductivité thermique, telles que des particules de céramique et métalliques. Comprimables jusqu'à 10 à 50 % de leur épaisseur initiale, ils sont fréquemment utilisés pour combler les espaces prévus entre les composants et les dissipateurs thermiques. La compression permet de réduire les bulles d'air au niveau du contact thermique. Elle contribue également à compenser les tolérances de fabrication et les contraintes mécaniques subies par le composant.
Les pads sont faciles à installer (par insertion directe) car ce sont des matériaux électriquement isolants qui offrent une bonne isolation, contribuant ainsi à prévenir les courts-circuits dans les assemblages électroniques. Ils sont fréquemment utilisés dans la fabrication automatisée et sont efficaces en matière de gestion thermique et de dissipation de la chaleur.
Pâte thermique
Les pâtes ou gels thermiques sont également appelés mastics de remplissage liquides ou gels d'encapsulation thermique. Les gels thermiques sont adaptables et plus souples, car ils ont une consistance fluide ou pâteuse. Une fois appliqués, ces gels thermiques restent souples et épousent parfaitement les surfaces. Ils mouillent et comblent efficacement les micro-aspérités, et s'adaptent aux variations de volume des matériaux, réduisant ainsi les micro-poches d'air qui augmentent la résistance thermique. Certains sont des silicones à polymérisation légère, d'autres des silicones à polymérisation nulle. De manière générale, ce sont des matériaux efficaces pour la gestion de la chaleur.
Remplisseurs d'espace
Des études ont montré que les matériaux de remplissage sont plus performants que les coussinets en termes de réduction de la résistance thermique, car ils épousent parfaitement la rugosité de la surface. Dans les batteries de véhicules électriques, les matériaux de remplissage sont composés de quatre modules. Chaque module comprend deux plaques d'eau, une en haut et une en bas, et un matériau de remplissage qui sépare les contacts de refroidissement des cellules souples et du châssis.
Les matériaux de remplissage des vides sont essentiels à la gestion de l'énergie des corps chauds pour plusieurs raisons : ils améliorent l'isolation électrique, amortissent les vibrations et permettent d'améliorer le refroidissement entre les cellules et les contacts.
Conductivité thermique
La conductivité thermique d'un gel thermique typique se situe entre 2.0 W/m·K et 4.5 W/m·K. Cette plage positionne le gel entre les pads thermiques standard et les pâtes thermiques haut de gamme. Des tests en laboratoire ont confirmé que la conductivité thermique effective des gels, en conditions réelles d'utilisation, s'adapte parfaitement aux surfaces étudiées. Mathématiquement, la performance thermique effective est donnée par la formule : Performance thermique effective = Conductivité thermique × Épaisseur ÷ Résistance thermique de contact. Ainsi, pour les surfaces présentant un faible vide (inférieur à 0.3 mm), les gels offrent une meilleure solution grâce à une compression élevée et une excellente adhérence à la surface. En revanche, pour les vides plus importants, un pad thermique peut s'avérer plus approprié, car il assure un meilleur maintien structurel. Les gels sont souvent sujets à des problèmes de séchage ou d'exsudation. La conductivité thermique des pads thermiques se situe entre 1 et 20 W/m·K, selon les matériaux et leur qualité.
Bonne conductivité thermique
La conductivité thermique se mesure généralement en watts par mètre-kelvin (W/m·K). Certains paramètres déterminent la conductivité thermique des matériaux. Ces matériaux, comme mentionné précédemment, peuvent se présenter sous forme de coussinets, de gels ou de pâtes. On définit ici une bonne conductivité thermique pour un matériau utilisé dans le refroidissement électronique, capable de transférer efficacement la chaleur, généralement à une valeur supérieure à 3 W/m·K.
Coussinets thermiques vs. Gels thermiques
| Caractéristique | Gel Thermique | Coussin thermique |
|---|---|---|
| Style d'application | Les mastics thermiques en gel sont appliqués directement sur la surface et nécessitent un contrôle précis, généralement à l'aide d'une machine de dosage automatique. Ils sont plus résistants et moins susceptibles de sécher que les mastics gras, par exemple les mastics sans silicone. | Les pads thermiques sont placés directement sans nécessiter de traitement supplémentaire car ils sont découpés aux dimensions voulues, ce qui facilite leur manipulation dans certaines applications. |
| Procédures de durcissement ou de solidification | Les procédures de solidification sont longues car elles nécessitent l'utilisation de chaleur ou de pression. Les gels thermiques doivent sécher pour atteindre une conductivité thermique optimale, ce procédé étant uniquement applicable aux mastics tels que le RTV et les encapsulants silicones. Cependant, la grande majorité des pâtes et gels thermiques sont non solides. | Les pads thermiques sont conçus pour une utilisation immédiate. Par conséquent, ils ne nécessitent pas de séchage, leur application étant simple lors des opérations d'assemblage. |
| Performances de conductivité thermique | Comme les gels thermiques ont la capacité de combler les vides d'air microscopiques, ils offrent des performances de conductivité supérieures en termes d'atténuation de la température. | Les pads thermiques, quant à eux, offrent une conductivité thermique plus faible en matière de réduction de la température. Ils sont néanmoins utilisés efficacement dans d'autres applications de gestion thermique. |
| Prise en compte des coûts | Le choix du matériau est l'un des paramètres qui déterminent le coût. Parmi les autres paramètres figurent l'installation, le temps d'application et la fiabilité à long terme. En termes de coût unitaire, le gel ou la pâte thermique coûte plus cher en raison de sa longue durée de vie, d'environ 7 à 10 ans. Cet atout rend les gels rentables dans de nombreuses applications. | En termes de réduction des coûts, les coussins thermiques et les gels sont plus économiques à l'usage. |
Idée fausse entre les coussins thermiques et les gels thermiques
On trouve dans la littérature des idées fausses qui contredisent les faits techniques concernant les coussins et gels thermiques. Ces confusions sont identifiées et analysées ci-dessous.
Propriétés adhésives thermoconductrices
La plupart des publications affirment que les pâtes thermiques, grâce à leurs propriétés adhésives, forment une liaison très forte après solidification, rendant leur séparation difficile sous l'effet de contraintes thermiques ou de vibrations. Or, cette affirmation repose sur une idée reçue tenace en ingénierie, et il est erroné de l'accepter. Les pâtes et gels thermiques ne possèdent aucune structure et n'offrent donc pas une liaison aussi forte. Les vibrations présentes dans les emballages proviennent de leur conception, de la force de compression et de la méthode de conditionnement. Par conséquent, la plupart des pads thermiques, contrairement aux gels, sont généralement non adhésifs et très faciles à remplacer. Certains possèdent des liaisons d'étanchéité qui s'affaiblissent avec le temps sous l'effet de températures extrêmes, tout en conservant leurs propriétés de conductivité thermique.
La classification des degrés de conductivité thermique est une norme erronée.
Il est mentionné dans la littérature qu'il existe des règles générales de refroidissement électronique selon lesquelles un matériau dont la conductivité thermique est inférieure à 1 W/m·K est considéré comme peu performant. De même, un matériau dont la conductivité thermique se situe entre 1 et 3 W/m·K est considéré comme ayant un refroidissement acceptable. Entre 3 et 6 W/m·K, le refroidissement est considéré comme bon. Entre 6 et 10 W/m·K, il est considéré comme très bon, et au-delà de 10 W/m·K, comme excellent. Cependant, aucune norme d'ingénierie reconnue ne repose sur cette classification. La conductivité thermique dépend fortement de l'épaisseur et des conditions de compression à l'interface. Il s'agit d'une classification marketing, et non d'une approche basée sur le bon sens technique.
Vitesse d'évacuation de la chaleur
La chaleur est transférée d'une surface chaude à une surface froide en contact par conduction. Ce transfert d'énergie aux coussinets et gels s'effectue par l'intermédiaire de la résistance thermique d'interface en régime permanent (ΔT). Par conséquent, l'idée reçue selon laquelle la dissipation de chaleur serait plus rapide avec les coussinets est erronée, car il n'existe pas de différence fondamentale entre la vitesse de conduction thermique des coussinets et celle des gels.
Facteurs de performance comparant les pads thermiques et les gels thermiques
Capacité de combler les lacunes
Les pâtes thermiques excellent dans le remplissage des surfaces irrégulières, inégales ou rugueuses présentes entre les sources et les dissipateurs de chaleur. Elles pénètrent dans les vides microscopiques, assurant un contact thermique optimal. Les pads thermiques, quant à eux, sont préformés et leur capacité à remplir les surfaces très irrégulières est limitée.
Simplicité d’utilisation
Les pâtes ou gels thermiques nécessitent un mélange et une application précis, mais leur mise en œuvre est potentiellement plus complexe. Les pads thermiques, quant à eux, sont simples d'utilisation et adaptés à la production de masse grâce à leur application précise.
Tolérance aux surfaces irrégulières
Les pâtes thermiques sont excellentes sur les surfaces rugueuses. Les pads thermiques, quant à eux, offrent des performances moyennes à médiocres sur les surfaces rugueuses ou irrégulières.
Remaniabilité
L'entretien nécessaire à la réutilisation des pâtes thermiques est très faible, contrairement à celui des pads thermiques. Toutefois, dans certains cas, il est déconseillé de réutiliser les pads thermiques car, lors de leur installation, ils sont comprimés et, au moment de leur retrait, ils se déchirent facilement ou se décollent, ce qui modifie leur forme et leur épaisseur et réduit ainsi leurs performances thermiques.
Propreté
L'application de pâte thermique laisse des traces après utilisation. En revanche, l'utilisation d'un pad thermique garantit un résultat propre et net.
Autres TIM
Les matériaux d'interface thermique (TIM) régulent la température des packs de traction en optimisant le transfert de chaleur entre les composants clés, favorisant ainsi une dissipation thermique efficace. Outre les gels et les coussinets mentionnés précédemment, d'autres matériaux d'interface thermique contribuent à la gestion de la chaleur.
Ruban adhésif
Ces rubans adhésifs double face permettent de lier des composants entre eux afin de faciliter un transfert de chaleur efficace, tout en assurant une isolation diélectrique et une stabilité mécanique. Ils sont largement utilisés pour la fixation de capteurs, de diffuseurs ou d'éléments chauffants, car ils permettent de se passer de fixations, garantissant ainsi une installation stable.
Barrières thermiques
Ces barrières constituent une solution conçue pour la protection contre l'emballement thermique. Certains packs intègrent des barrières isolantes, telles que des feuilles de mica, des fibres céramiques ou des nattes d'aérogel, entre les groupes de cellules afin de ralentir la propagation de la chaleur en cas de défaut. Ces barrières canalisent l'énergie thermique vers les canaux de refroidissement et empêchent les transferts indésirables entre les cellules.
Pâtes et graisses
Ces matériaux comblent les vides d'air microscopiques entre des surfaces en contact étroit, comme les cellules et les plaques de refroidissement. Ce sont des composés visqueux qui améliorent le contact interfacial et augmentent efficacement le transfert de chaleur dans les structures compactes.
Feuilles de graphite flexibles
Ces feuilles assurent une conductivité thermique élevée en isolant la chaleur entre les composants adjacents. Elles préviennent la surchauffe lors des charges rapides ou en conditions de fonctionnement anormales. Elles compensent également les irrégularités dues aux tolérances de fabrication et garantissent un refroidissement optimal.
Bien que toujours utilisés dans certaines applications, les remplisseurs liquides remplacent de plus en plus les tampons dans la production à grand volume de véhicules électriques.
Résultats d'études réalisées sur les gels thermiques et les coussins thermiques
La plupart des études sur les matériaux d'interface thermique (gels et coussinets thermiques) ont établi que les gels thermiques présentent une impédance thermique inférieure à celle des coussinets thermiques, malgré une conductivité thermique globale comparable. Cependant, les gels thermiques épousent parfaitement la rugosité des surfaces microscopiques et réduisent ainsi la résistance thermique interfaciale, facilitant de ce fait le transfert de chaleur.
De plus, le livre blanc publié par Seigneur Coopération Il a été démontré que les gels dissipent davantage de chaleur et maintiennent les températures de batterie plus basses que les pads thermiques de conductivité similaire. Les résultats ont également établi que, même en présence de tolérances de fabrication ou de défauts, les gels restent plus performants que les pads en matière de dissipation thermique, contrairement à une idée reçue très répandue en ingénierie. Cependant, la dégradation des pads thermiques s'accélère avec l'augmentation des défauts.
En termes de stabilité et de fiabilité, LiPolyUne entreprise spécialisée dans la production de matériaux d'interface thermique a indiqué que son gel thermique conserve ses hautes performances pendant 7 à 10 ans. Ce rapport prouve ainsi que le gel réussit des tests de vieillissement poussés, car il ne s'oxyde pas en présence d'humidité lorsqu'il est exposé à l'air. Cette propriété contribue à sa résistance à la dégradation thermique, garantissant un fonctionnement fiable même dans des environnements difficiles. Cette stabilité est essentielle pour une gestion efficace des transferts thermiques.
Dans les assemblages de batteries réels, la conformabilité est plus performante que la conductivité thermique. En effet, un matériau doté d'une conductivité thermique élevée, mais d'une faible conformabilité de surface, peut offrir une résistance thermique effective supérieure à celle d'un matériau moins conducteur qui épouse parfaitement les surfaces.
Conclusion
En général, le choix entre gel thermique et coussin thermique dépend des spécifications de conception ou des exigences de l'application, telles que les performances thermiques ou la taille de l'espace à combler. Les gels thermiques épousent bien les surfaces, mais leur utilisation est coûteuse. Les coussins thermiques sont moins chers, mais leur adhérence aux surfaces rugueuses est moins optimale ; ils sont économiques et offrent d'excellentes performances dans d'autres applications. En conclusion, les coussins et les gels conviennent à la plupart des applications.
