新エネルギー車の主要技術の一つは、パワーバッテリーです。バッテリーの品質は、電気自動車のコストと航続距離の両方を左右します。これは、電気自動車の普及と急速な導入における重要な要素です。
パワーバッテリーの使用特性、要求事項、応用分野に応じて、国内外におけるパワーバッテリーの研究開発の種類は、おおよそ鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、燃料電池などに分類され、中でもリチウムイオン電池の開発が最も注目を集めている。
パワーバッテリーの発熱挙動
パワーバッテリーモジュールの熱源、発熱速度、バッテリーの熱容量、その他の関連パラメータは、バッテリーの性質と密接に関係しています。バッテリーから放出される熱は、バッテリーの化学的、機械的、電気的な性質と特性、特に電気化学反応の性質に依存します。バッテリー反応で発生する熱エネルギーは、バッテリー反応熱 Qr で表すことができます。電気化学的分極により、バッテリーの実際の電圧が平衡起電力からずれ、バッテリー分極によって発生するエネルギー損失は Qp で表されます。反応式に従って進行するバッテリー反応に加えて、いくつかの副反応もあります。典型的な副反応には、電解質の分解とバッテリーの自己放電があります。このプロセスで発生する副反応熱は Qs です。さらに、どのバッテリーにも抵抗が必然的に存在するため、電流が流れるとジュール熱 Qj が発生します。したがって、バッテリーの総熱は、次の側面からの熱の合計です。Qt=Qr+Qp+Qs+Qj。
充電（放電）プロセスによって、バッテリーの発熱を引き起こす主な要因も異なります。たとえば、バッテリーが通常充電されている場合は、Qr が支配的な要因です。バッテリー充電の後期段階では、電解質の分解により副反応が発生し始め（副反応熱は Qs ）、バッテリーがほぼ満充電または過充電になると、主に電解質の分解が起こり、Qs が支配的になります。ジュール熱 Qj は電流と抵抗に依存します。一般的に使用される充電方法は定電流で行われ、このときの Qj は特定の値です。しかし、始動および加速中は、電流が比較的高くなります。HEV の場合、これは数十アンペアから数百アンペアの電流に相当します。このとき、ジュール熱 Qj は非常に大きくなり、バッテリーの発熱の主な原因となります。
熱管理制御性の観点から、熱管理システム（HVH）は、アクティブとパッシブの2種類に分類できます。熱伝達媒体の観点から、熱管理システムは、空冷式（PTCエアヒーター) 液冷式(PTC冷却ヒーター）、および相変化蓄熱。
冷却材（PTC冷却ヒーター）を媒体とする熱伝達の場合、モジュールとウォータージャケットなどの液体媒体との間に熱伝達経路を確立し、対流と熱伝導による間接的な加熱・冷却を行う必要があります。熱伝達媒体としては、水、エチレングリコール、あるいは冷媒などが考えられます。また、誘電体の液体にポールピースを浸漬することで直接熱伝達を行う方法もありますが、短絡を防ぐために絶縁対策を講じる必要があります。
受動冷却方式は一般的に液体と周囲空気の熱交換を利用し、二次熱交換のためにバッテリー内にコクーンを導入する一方、能動冷却方式はエンジン冷却液と液体媒体の熱交換器、またはPTC電気加熱/熱油加熱を利用して一次冷却を実現する。加熱、一次冷却は乗客室空気/空調冷媒と液体媒体を使用する。
空気や液体を媒体として使用する熱管理システムでは、ファン、ウォーターポンプ、熱交換器、ヒーター、配管などの付属品が必要となるため、構造が大きくなり複雑になり、バッテリーエネルギーを消費し、バッテリーの電力密度とエネルギー密度が低下します。
水冷式バッテリー冷却システムは、冷却液（水50％／エチレングリコール50％）を使用してバッテリーの熱をバッテリークーラーを介して空調冷媒システムに伝達し、その後コンデンサーを介して環境に放出します。バッテリー入口の水温はバッテリーによって冷却され、熱交換後には容易に低温に達するため、バッテリーは最適な動作温度範囲で動作するように調整できます。システムの原理を図に示します。冷媒システムの主要コンポーネントには、コンデンサー、電動コンプレッサー、蒸発器、遮断弁付き膨張弁、バッテリークーラー（遮断弁付き膨張弁）、空調配管などが含まれます。冷却水回路には、電動ウォーターポンプ、バッテリー（冷却板を含む）、バッテリークーラー、水配管、膨張タンク、その他の付属品が含まれます。
投稿日時：2023年4月27日
