パワーバッテリーの熱伝達媒体の熱管理システムの解析

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。

熱管理の制御性という観点から見ると、熱管理システムは能動型と受動型の2種類に分類できる。また、熱伝達媒体という観点から見ると、熱管理システムは空冷式、液冷式、相変化蓄熱式に分類できる。

空気を熱伝達媒体として用いた熱管理

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。熱伝達媒体として空気を用いる場合、バッテリーモジュールに直接空気を導入し、空気を流すことで放熱効果を得ます。一般的に、ファン、吸気口、排気口などの部品が必要となります。
空気の取り込み源の違いに応じて、一般的に以下の形態があります。
1. 外気換気による自然冷却
2. 乗員室の空気換気のためのパッシブ冷却/加熱
3. 外気または客室内の空気の能動的な冷却／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、冬にバッテリーを温める必要がある場合は、車室内の暖かい空気を取り込むことができます。走行中にバッテリーの温度が高くなりすぎて、車室内の空気による冷却効果が低い場合は、外部の冷たい空気を取り込んで冷却することができます。

アクティブシステムの場合、暖房または冷房機能を提供するための独立したシステムを構築し、バッテリーの状態に応じて個別に制御する必要があります。これにより、車両のエネルギー消費量とコストが増加します。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。

液体を熱伝達媒体として用いた熱管理

液体を媒体とする熱伝達においては、モジュールと液体媒体（例えばウォータージャケット）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る。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挙げられる。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るが、短絡を防ぐために絶縁対策を講じる必要がある。

受動式液冷は一般的に液冷と外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、能動式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/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（PTCエアヒーター）、パイプラインやその他の付属品によって構造が大きくなり複雑になり、バッテリーエネルギーも消費され、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冷却液ヒータ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、バッテリーからバッテリークーラーを介して空調冷媒システムに熱を伝達し、その後、凝縮器を介して環境に熱を伝達します。導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、容易に低温に達し、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、凝縮器、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）、空調配管などが含まれます。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、ウォーターパイプ、膨張タンク、その他の付属品。