30.08.2021
De nos jours, les batteries électriques sont considérées comme étant la technologie de demain et leur production ne cesse d’augmenter. Cependant, des questions demeurent quant à leur sécurité : les courts-circuits ou les emballements thermiques sont des risques liés à ce genre de stockage d’énergie.
Comme nous l’avons expliqué dans un article précédent de la série « Inside electric », Pie Aeronefs SA a choisi des batteries au lithium-ion polymère pour alimenter le premier avion de course suisse 100% électrique : l’UR-1. Afin d’assurer une sécurité maximale, nos batteries sont équipées d’un système de régulation thermique ainsi que d’un système de protection feu qui préviennent des incendies et protègent l’avion dans le cas où la régulation thermique faut.
Ci-dessous, nous répondons aux questions suivantes : qu’est-ce qu’un emballement thermique ? En quoi les batteries au lithium-ion polymère peuvent-elles être dangereuses ? Comment avons-nous, chez Pie Aeronefs SA, surmonté ces risques afin d’assurer un maximum de sécurité ?
Nous retrouvons deux facteurs principaux qui augmentent les risques d’incendie de la batterie au lithium-ion polymère:
Lorsque la batterie surchauffe ou sur-réagit, la pression à l’intérieur de la batterie augmente jusqu’au point où l’enceinte ne peut plus la maintenir. Une fois que la batterie explose, le contact du lithium de la batterie avec l’humidité de l’air extérieur crée une réaction chimique instantanée et le lithium s’embrase.
Disposer d’un système de prévention incendie efficace est donc d’une importance primordiale dans notre véhicule électrique. Comme l’expliquent Ghiji et al. (2020) dans leur revue sur la batterie au lithium-ion, ce système doit être pris en compte à tous les niveaux, notamment au niveau de la cellule, de la batterie, du module, du pack, du système et de l’enceinte.
Les avions électriques doivent être gérés par un logiciel de contrôle du système. Par exemple, le BMS (Système de gestion batterie) contrôle les informations sortantes et surveille la santé des batteries.
En vue de la nature inflammable des batteries au lithium-ion, le BMS est également équipé d’un pare-feu afin de réduire les risques d’incendie et de faire en sorte que les batteries fonctionnent correctement.
Le BMS ou "système de gestion des batteries" est l’interface principale qui lie les batteries, le moteur, et le pilote. Dans leur revue, Gabbar et ses collègues (2021) décrivent ce système comme étant capable de définir l’état de charge, l’état de santé, la profondeur de décharge, ainsi que les principaux paramètres opérationnels des cellules batterie.
A son tour, le TMS ou "système de gestion thermique" est chargé de contrôler la température du système électrique, notamment celle des batteries. Lorsqu’une hausse de température potentiellement dangereuse ou un comportement anormal est détecté, le TMS peut suspendre l’activité du système entièrement ou partiellement, selon la faute détectée.
« Rien ne se perd, rien de se crée, tout se transforme » - Antoine Lavoisier, 1789.
Ce fameux principe décrivant les réactions chimiques n’est pas moins pertinent en ce qui concerne l’énergie. Par exemple, lorsque vous freinez en voiture, votre énergie cinétique (la vitesse) est transformée en énergie calorifique (la chaleur). Cette transformation se fait au moment où les plaquettes de frein frottent contre le disque, provoquant ainsi de la friction et de la chaleur. Cette énergie est donc stockée dans le disque sous forme de chaleur. Il est important de dissiper cette chaleur du disque afin de maintenir le fonctionnement correct des freins. Ceci doit être fait à travers un mécanisme de refroidissement.
Plus le matériau est chaud, plus il contient d’énergie. Plus il est froid, moins il en contient. De ce fait, un objet froid placé à côté d’un objet chaud absorbera le surplus d’énergie contenu dans l’objet chaud. Ainsi, l’objet chaud perdra son énergie. C’est cette réaction physique qui permet aux matériaux d’être refroidis.
Ce processus, que l’on nomme refroidissement, est une réaction physique qui peut être utilisée pour retirer l’énergie thermique d’un élément.
Lorsqu’un système électrique est utilisé, de l’énergie est perdue sous forme de chaleur. Il se peut que le système produise plus de chaleur qu’il n’en perde. C’est pour cette raison que, par exemple, les ordinateurs sont munis de ventilateurs et les voitures d’un radiateur.
En ce qui concerne les batteries au lithium-ion, il existe quatre méthodes principales de refroidissement: le refroidissement par air, le refroidissement liquide direct, le refroidissement liquide indirect, et le refroidissement par ailettes.
Chaque batterie lithium-ion étant conçue pour différentes utilisations, il est important, pour des questions de sécurité, de sélectionner un système de refroidissement adéquat.
Chen et el. (2016) concluent les avantages et les inconvénients des différents systèmes de refroidissement de la manière suivante:
Comme évoqué ci-dessus, tout avion électrique doit être équipé d’un BMS afin de faire fonctionner son moteur électrique. Ce système essentiel intègre souvent un TMS. Dans notre aéronef électrique suisse, l’ UR-1, le TMS est capable de surveiller la température des batteries et d’éteindre complètement le système lorsqu’une situation dangereuse est identifiée.
Pour le moment, notre système est uniquement capable de suspendre la totalité des batteries à bord, même si le problème ne provient que d’une seule batterie. Cependant, nos futures améliorations permettront à notre TMS d’isoler une batterie problématique et ainsi de maintenir une source d’énergie pour le moteur.
Le système de refroidissement liquide indirect nous permet de faire fonctionner un circuit de refroidissement fermé autour des composants nécessitants un refroidissement.
Lorsque le liquide de refroidissement frais se réchauffe, il est amené à la partie inférieure de l’appareil, où nous avons installé deux plaques radiatives. De cette façon, le liquide est refroidi par un échange calorifique (de chaleur) avec l’air entourant. Ce circuit fermé nous permet de maintenir notre système électrique à une température optimale et éviter ainsi les emballements thermiques.
Si le système de gestion thermique s’avère insuffisant pour empêcher un emballement thermique, nous devons disposer d’un système de protection feu physique qui permet d’éviter tout endommagement structurel à l’aéronef en cas d’incendie. Chaque batterie est donc cloisonnée dans un matériau protecteur en céramique spécial qui agit en tant que pare-feu entre chaque batterie.
Au-delà du système d’échappement, qui permet aux éventuels gaz produits par la batterie, lors d’un emballement, d’être évacués par des tuyaux situés dans la partie inférieure de l’aile, notre cloison en céramique joue un rôle important pour contenir d’éventuels feux et d’empêcher ainsi la propagation de l'incendie.
Il existe toutefois certaines régulations à l’égard de ce genre de système de protection feu. Les directives de l’Office fédéral de l’aviation civil indique que ce genre de système doit supporter un minimum de 5 minutes à la température de 1200°C sans subir de défaillance structurelle. Nous sommes fiers de vous annoncer que notre système est capable de supporter 15 minutes sans dégradation en performance.
Avec tous ces systèmes de protection, nous n’avons aucun doute que notre avion électrique suisse UR-1 puisse offrir un maximum de sécurité lors de ses vols et ses courses.
