Étude de l’ébullition d’un fluide diélectrique en mini-canal vertical : application au contrôle thermique des packs batteries

Résumé :

Cette thèse s’inscrit dans le contexte industriel de fort développement des véhicules électriques qui contiennent des packs de batteries de plus en plus puissants et compacts. Ces packs sont généralement constitués de cellules de batteries lithium-ion qui nécessitent un système de gestion thermique. En effet, un des risques majeurs est l’emballement thermique d’une ou plusieurs de ces cellules, emballement qui se produit lorsqu'une cellule est endommagée ou défectueuse ou lorsqu’elle dépasse une certaine température. Dans ce cas, la cellule s’échauffe spontanément et sa température croît rapidement ce qui peut provoquer l’expulsion de gaz inflammables, une réaction en chaine dans tout le pack et in fine un incendie ou une explosion. La solution de gestion thermique retenue dans le cadre de la thèse est le refroidissement direct du pack immergé par un liquide diélectrique circulant entre les cellules. Le HFE-7100 a été choisi comme fluide de travail pour son faible impact écologique, son ininflammabilité, ses propriétés thermophysiques et surtout pour sa température d'ébullition à la pression atmosphérique très proche de la température de peau estimée au début d'un emballement thermique. Le liquide doit changer de phase pour maintenir la température afin d’éviter l’emballement thermique, et évacuer la chaleur en situation accidentelle. L’agencement des cellules dans le pack et leur faible espacement induisent un problème scientifique d’ébullition convective en mini-canal vertical. L'ébullition convective en milieu confiné est un mode de transfert de chaleur très efficace pour dissiper les flux élevés. Une question qui se pose est de connaitre l’efficacité d’un tel écoulement dans le cas hypothétique d'un emballement thermique. Dans cette thèse, une approche expérimentale et une approche numérique sont conjointement menées pour étudier la solution de refroidissement et l'ébullition convective. Dans un premier temps, l’état de l’art de la gestion thermique des packs de batterie des véhicules électriques et de l’ébullition convective en milieu confiné est exposé. Une description générale de l’ébullition convective et des approches de simulation numérique des écoulements diphasiques applicables à notre étude est proposée. Dans un deuxième temps, une campagne d’essais est menée sur un dispositif expérimental pour étudier l’ébullition convective du HFE-7100 dans un mini-canal vertical. La mise en place d’une méthode inverse a permis de calculer le coefficient d’échange local. Le transfert de chaleur, le flux critique (CHF), les régimes d’écoulements et les pertes de charge sont les principaux paramètres étudiés. L’influence de différents paramètres tels que le débit, le sous-refroidissement, la pression et la structuration de la surface est analysée. Dans un troisième temps, une approche de modélisation numérique est proposée. La simulation de l’écoulement diphasique du HFE-7100 dans le mini-canal de la section d’essais est proposée avec une approche eulérienne. Les modèles numériques sont validés à partir des données expérimentales. Enfin, un module de batteries immergé dans du HFE-7100 est modélisé et un scénario d’emballement thermique d’une cellule est défini et simulé. Le système de refroidissement s'avère être une solution efficace et prometteuse pour évacuer la chaleur et empêcher la propagation l'emballement thermique.