電力バッテリー熱伝達媒体の熱管理システムの分析

新エネルギー車の主要技術の一つは動力用バッテリーです。バッテリーの品質は、電気自動車のコストと航続距離を左右します。バッテリーは、電気自動車の普及と急速な普及にとって重要な要素です。

動力電池の使用特性、要求および応用分野に応じて、国内外で研究開発されている動力電池の種類は、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、燃料電池などであり、その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

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連しています。バッテリーから発生する熱は、バッテリーの化学的、機械的、電気的性質、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。電気化学的分極は、バッテリーの実電圧を平衡起電力からずらします。バッテリー分極によるエネルギー損失はQpで表されます。バッテリー反応は反応式に従って進行しますが、いくつかの副反応も発生します。代表的な副反応としては、電解液の分解やバッテリーの自己放電などが挙げられます。この過程で発生する副反応熱はQsです。また、バッテリーは必ず抵抗を持つため、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、以下の熱量の合計です：Qt=Qr+Qp+Qs+Qj。

具体的な充電（放電）プロセスによって、バッテリーの発熱の主な要因も異なります。たとえば、バッテリーが正常に充電されている場合、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起こり始めます（副反応熱はQsです）。バッテリーがほぼ完全に充電されて過充電になると、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。一般的な充電方法は定電流充電で行われ、このときのQjは特定の値です。ただし、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、バッテリーの発熱の主な発生源になります。

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種類に分けられます。また、熱伝達媒体の観点から、熱管理システムは空冷式、液冷式、相変化蓄熱式に分類されます。

空気を熱伝達媒体として利用した熱管理

熱伝達媒体は、熱管理システムの性能とコストに大きな影響を与えます。空気を熱伝達媒体として使用する場合、空気を直接導入し、バッテリーモジュール内を流通させることで放熱効果を実現します。一般的に、ファン、吸排気口などの換気装置が必要です。
空気の取り入れ口の種類に応じて、一般的に次のような形態があります。
1 外気換気によるパッシブ冷却
2. 車室内換気のためのパッシブ冷暖房
3. 外気または車室内の空気の積極的な冷却/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。例えば、冬季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することができます。また、走行中にバッテリー温度が高すぎて車室内の空気の冷却効果が不十分な場合は、外気を吸入して冷却することができます。

アクティブシステムでは、暖房または冷房機能を提供するための別個のシステムを構築し、バッテリーの状態に応じて独立して制御する必要があります。これもまた、車両のエネルギー消費量とコストを増加させます。異なるシステムの選択は、主にバッテリーの使用要件によって決まります。

熱伝達媒体として液体を用いた熱管理

液体を媒体とする熱伝達では、モジュールと液体媒体（ウォータージャケットなど）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と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、さらには冷媒を使用できます。また、ポールピースを誘電体の液体に浸すことで直接熱伝達を行うこともできますが、短絡を防ぐため絶縁対策を講じる必要があります。

パッシブ液体冷却は、一般的に液体と外気の熱交換を利用し、その後、二次熱交換のために繭をバッテリーに導入します。一方、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。暖房、一次冷却は客室空気／エアコン冷媒と液体媒体の熱交換器を使用します。
空気と液体を媒体とする熱管理システムには、ファン、水ポンプ、熱交換器、ヒーター（PTCエアヒーター）、パイプライン、その他の付属品により構造が大きくなり複雑になりすぎ、またバッテリーのエネルギーを消費するため、アレイの電力密度とバッテリーのエネルギー密度が低下します。
(PTCクーラントヒータ水冷式バッテリー冷却システムは、冷媒（水50％/エチレングリコール50％）を使用して、バッテリークーラーを介してバッテリーからエアコン冷媒システムに熱を伝達し、コンデンサーを介して環境に伝達します。 輸入水温は、バッテリークーラーによる熱交換後に低温に達しやすく、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コンポーネントは、コンデンサー、電動コンプレッサー、蒸発器、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）、エアコンパイプなどです。 冷却水回路には以下が含まれます。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、膨張タンク、その他の付属品。