バッテリーシステム向け熱管理ソリューション

温度要因がパワーバッテリーの性能、寿命、安全性に決定的な影響を与えることは疑いの余地がありません。一般的に、バッテリーシステムは15～35℃の範囲で動作することが期待されており、これにより最適な出力と入力、利用可能なエネルギーの最大化、そして最長のサイクル寿命が実現されます（低温保管はバッテリーの寿命を延ばすことができますが、アプリケーションにおいて低温保管を実践することはあまり意味がありません。この点において、バッテリーは人間と非常に似ています）。

現在、動力電池システムの熱管理は、主に自然冷却、空冷、液冷、直冷の4つのカテゴリーに分けられます。このうち、自然冷却は受動的な熱管理方法であり、空冷、液冷、直冷は能動的な熱管理方法です。これら3つの主な違いは、熱交換媒体の違いです。

· 自然冷却
フリークーリングは、熱交換のための追加デバイスを必要としません。例えば、BYDはQin、Tang、Song、E6、TengshiなどのLFPセル搭載モデルで自然冷却を採用しています。後継のBYDは、三元系バッテリー搭載モデルでは液冷に切り替えると見られています。

· 空冷（PTCエアヒーター)
空冷は、熱伝達媒体として空気を使用します。一般的に2つのタイプがあります。1つはパッシブ空冷と呼ばれ、外気を直接熱交換に利用します。もう1つはアクティブ空冷と呼ばれ、バッテリーシステムに入る前に外気を予熱または冷却します。初期の頃は、多くの日本と韓国の電気自動車モデルで空冷ソリューションが採用されていました。

· 液体冷却
液冷では、熱伝達媒体として不凍液（エチレングリコールなど）を使用します。このソリューションには通常、複数の異なる熱交換回路が存在します。例えば、VOLTにはラジエーター回路、エアコン回路（PTCエアコン）、およびPTC回路（PTCクーラントヒーターバッテリー管理システムは、熱管理戦略に応じて反応し、調整と切り替えを行います。TESLA Model Sには、モーター冷却回路と直列に回路が設けられています。低温時にバッテリーを加熱する必要がある場合、モーター冷却回路はバッテリー冷却回路と直列に接続され、モーターはバッテリーを加熱することができます。パワーバッテリーが高温になると、モーター冷却回路とバッテリー冷却回路が並列に調整され、2つの冷却システムが独立して放熱します。

1. ガスコンデンサー

2. 二次コンデンサー

3. 二次コンデンサーファン

4. ガスコンデンサーファン

5.エアコン圧力センサー（高圧側）

6.エアコン温度センサー（高圧側）

7. 電子エアコンコンプレッサー

8.エアコン圧力センサー（低圧側）

9.エアコン温度センサー（低圧側）

10. 膨張弁（クーラー）

11. 膨張弁（蒸発器）

· 直接冷却
直接冷却方式は、熱交換媒体として冷媒（相変化物質）を使用します。冷媒は、気液相転移過程において大量の熱を吸収します。冷媒と比較して、熱伝達効率は3倍以上向上し、バッテリー交換の迅速化にも貢献します。システム内の熱は外部に排出されます。この直接冷却方式は、BMW i3に採用されています。

 

バッテリーシステムの熱管理方式では、冷却効率に加えて、すべてのバッテリーの温度の一貫性も考慮する必要があります。PACKには数百個のセルが含まれており、温度センサーはすべてのセルを検出することはできません。例えば、テスラ モデルSのモジュールには444個のバッテリーが搭載されていますが、温度検出ポイントは2つしかありません。そのため、熱管理設計を通じてバッテリーの温度を可能な限り均一にする必要があります。そして、良好な温度一貫性は、バッテリーの電力、寿命、SOCなどの性能パラメータの一貫性を保つための前提条件です。