パワーバッテリー熱伝達媒体の熱管理システムの分析

新エネルギー車のキーテクノロジーの一つが動力電池です。バッテリーの品質は、一方では電気自動車のコストを決定し、他方では電気自動車の航続距離を決定します。受け入れられ、迅速に導入されるための重要な要素。

動力電池の使用特性、要件、応用分野に応じて、国内外の動力電池の研究開発タイプは大まかに、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、燃料電池などの開発が進められており、中でもリチウムイオン電池の開発が最も注目されています。

パワーバッテリーの発熱挙動

動力電池モジュールの熱源、発熱率、電池の熱容量、その他の関連パラメータは電池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、電気的性質と特性、特に電気化学反応の性質に依存します。電池反応で発生する熱エネルギーは電池反応熱Qrで表すことができます。電気化学的な分極により電池の実際の電圧が平衡起電力からずれ、電池の分極によるエネルギー損失がQpで表されます。電池の反応は反応式に従って進行するほかに、いくつかの副反応が発生します。典型的な副反応には、電解質の分解やバッテリーの自己放電が含まれます。この過程で発生する副反応熱がQsです。また、電池には必ず抵抗があるため、電流が流れるとジュール熱Qjが発生します。したがって、バッテリーの総熱量は、Qt=Qr+Qp+Qs+Qj の各側面の熱量の合計になります。

特定の充電（放電）プロセスに応じて、バッテリーが発熱する主な要因も異なります。たとえば、バッテリーが通常に充電されている場合、Qr が支配的な要因になります。バッテリー充電の後期段階では、バッテリーがほぼ満充電および過充電になると、電解液の分解により副反応が発生し始めます（副反応熱は Qs）。主に起こるのは電解液の分解であり、Qs が支配的です。 。ジュール熱 Qj は電流と抵抗に依存します。一般的に行われている充電方法は定電流で行われ、Qjはこのときの特定の値になります。ただし、始動時や加速時には比較的大きな電流が流れます。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、バッテリーの主な発熱源となります。

熱管理の制御性の観点から、熱管理システムはアクティブとパッシブの 2 つのタイプに分類できます。熱伝達媒体の観点から、熱管理システムは空冷、液冷、相変化蓄熱に分類できます。

熱媒体として空気を使用した熱管理

熱伝達媒体は、熱管理システムのパフォーマンスとコストに大きな影響を与えます。熱伝達媒体として空気を使用することは、空気を直接導入し、電池モジュール内を流れて放熱の目的を達成することである。一般に、ファン、吸気口および排気口の換気、その他のコンポーネントが必要です。
さまざまな吸気源に応じて、一般に次の形式があります。
1 外気換気によるパッシブ冷却
2. 客室換気用のパッシブ冷暖房
3. 外気または客室空気のアクティブ冷却/加熱
パッシブシステムの構造は比較的シンプルで、既存の環境を直接利用します。たとえば、冬にバッテリーを加熱する必要がある場合、車室内の高温環境を利用して空気を吸入できます。走行中にバッテリーの温度が高くなり、車室内の空気の冷却効果が不十分な場合、外気の冷気を吸い込んで冷却することがあります。

アクティブシステムの場合、加熱または冷却機能を提供し、バッテリーの状態に応じて独立して制御する別のシステムを確立する必要があり、車両のエネルギー消費とコストも増加します。さまざまなシステムの選択は、主にバッテリーの使用要件によって決まります。

液体を熱媒体として使用した熱管理

液体を媒体とした熱伝達では、モジュールと液体媒体の間にウォータージャケットなどの熱伝達連絡を確立し、対流と熱伝導の形で間接的に加熱および冷却を行う必要があります。熱伝達媒体には、水、エチレングリコール、さらには冷媒を使用できます。磁極片を誘電体の液体に浸すことによっても直接熱が伝達されますが、短絡を避けるために絶縁措置を講じる必要があります。

パッシブ液体冷却は一般に液体と周囲空気の熱交換を使用し、二次熱交換のために繭をバッテリーに導入しますが、アクティブ冷却はエンジン冷却液と液体媒体の熱交換器、または電気加熱/サーマルオイル加熱を使用して一次冷却を実現します。客室空気/空調冷媒 - 液体媒体による暖房、一次冷却。
空気と液体を媒体とする熱管理システムには、ファン、ウォーターポンプ、熱交換器、ヒーターが必要です(PTCエアヒーター）、パイプラインおよびその他の付属品を使用すると、構造が大きくなりすぎて複雑になり、またバッテリーエネルギーを消費するため、バッテリーの電力密度とエネルギー密度が低下します。
(PTCクーラントヒータ) 水冷バッテリー冷却システムは、冷却剤 (50% 水/50% エチレングリコール) を使用して、熱をバッテリーから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、次にコンデンサーを介して環境に伝達します。輸入された水の温度は、バッテリークーラーによる熱交換後、より低い温度に達しやすく、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。システム原理を図に示します。冷媒システムの主な構成部品には、凝縮器、電動コンプレッサー、エバポレーター、ストップバルブ付き膨張弁、バッテリークーラー（ストップバルブ付き膨張弁）、空調配管などが含まれます。冷却水回路には次のものが含まれます。電動ウォーターポンプ、バッテリー（冷却プレートを含む）、バッテリークーラー、水道管、拡張タンク、その他の付属品。