導入
電気自動車 (EV) は、従来のガソリン車に比べて、環境汚染の低減、エネルギー効率の向上、騒音レベルの低減など、数多くの利点があります。石油資源の枯渇とバッテリー技術の進歩により、EV は従来の自動車の走行性能と経済性を達成、あるいは上回っています。EV は、新世代の省エネで環境に優しい自動車に向かう自動車業界の必然的なトレンドを表しています。
EVの世界的な普及は加速しており、有名な自動車メーカーは企業ゼネラルモーターズ、フォルクスワーゲン、BMW、メルセデスベンツ、トヨタ、ホンダ、日産など、電気自動車を導入している。中国、 いくつかのメーカーEV製品も発売され、現在では数多くの純電気自動車やハイブリッド車が市場に出回っています。新エネルギー車の経済的・環境的メリットは、ますます消費者の関心を集めています。
国の政策も、さまざまなインセンティブや補助金を通じてEVの購入を支援しており、消費者の障壁を下げ、EVの導入を加速させています。EVの普及が進むにつれて、EVバッテリーの安全性と寿命の両方に影響を与えるバッテリー熱管理技術の重要性がますます認識されています。
バッテリー熱管理の重要性
EVの環境と市場の需要
従来の自動車とは異なり、EVは生産する排気ガスがないので、大気汚染が大幅に軽減されます。中国霧の多い天候での大気汚染の 79% はガソリンの排出によるもので、自動車の排気ガスは健康に有害な PM2.5 レベルに大きく寄与しています。EV は安価なオフピーク電力を使用して充電できるため、EV に切り替えることで環境と健康の両方のメリットが得られます。さらに、EV の運用コストはガソリン車よりも大幅に低くなっています。たとえば、EV のエネルギーコストはガソリン車の約 4 分の 1 に過ぎず、消費者にとってますます魅力的になっています。
EV導入を支援する政府の政策
の中国語政府はEV開発を強力に支援してきました。2001年以来、政府はEVの研究開発を促進するための重要な取り組みと戦略計画を実施してきました。EVの導入を促進するために、免税、購入インセンティブ、研究資金などの政策が導入されました。これらの取り組みは、EV市場の成長を加速させるという政府の取り組みを強調しています。
効果的なバッテリー熱管理の必要性
バッテリーはEVの核であり、安全性にとって非常に重要です。熱管理が不十分だと熱暴走につながり、バッテリーが発火したり爆発したりする可能性があります。さらに、温度はバッテリーの性能と寿命に大きく影響します。研究によると、リチウムバッテリーを45度で動作させると、サイクル寿命が約60%短くなります。効果的な熱管理により、バッテリーの性能が30-40%向上し、バッテリーパック内の温度分布が均一になり、寿命が延び、安全性が向上します。
バッテリー熱管理とは何ですか?
バッテリーの熱管理には、バッテリーの温度を制御して、最適なパフォーマンスと寿命を維持することが含まれます。これには、正確な温度測定と監視、効果的な冷却および加熱メカニズム、バッテリー パック全体の均一な温度分布の確保が含まれます。適切に設計された熱管理システムは、EV バッテリーのパフォーマンスと安全性を大幅に向上させることができます。
ベーパーチャンバーベースのバッテリー熱管理の特徴
物理化学研究所中国語科学アカデミーは独自の熱管理技術を開発しました解決蒸気室（VC）ベースのEVバッテリー用。解決液体冷却の高効率、空冷のシンプルさと信頼性、相変化冷却の等温特性を組み合わせたものです。この技術の主な特徴は次のとおりです。
- 高い熱伝導率:VC は熱伝導率が非常に高く、優れた温度均一性を提供し、バッテリー外部の温度差を 3 度以内に抑えます。 VC は、等価熱伝導率が最大 200,000 W/m·K で、純銅の 100 倍以上の熱伝導率を実現します。
- コンパクトで軽量：VC は薄く (1-6mm)、コンパクトで軽量なので、さまざまなバッテリー構成に簡単に統合できます。
- 低メンテナンス：VC には可動部品がないため、高い信頼性と低いメンテナンス要件が保証されます。
- 環境上の利点:VC は主にアルミニウムで作られており、環境に優しく、リサイクル可能です。
- 高信頼性：VC は複数の冗長チャンバーを使用して設計できるため、チャンバーの一部に障害が発生しても継続的な動作が保証されます。
バッテリー性能と温度の関係
バッテリーの性能と寿命は温度と密接に関係しています。たとえば、リン酸鉄リチウム バッテリーの容量は低温では大幅に低下しますが、中程度の温度では徐々に増加します。バッテリーを最適な温度範囲内に維持することは、バッテリーの性能と寿命を最大限に高めるために重要です。
バッテリーパック内の温度分布
バッテリー パック内の温度分布が不均一だと、内部抵抗と容量に不一致が生じ、個々のセルの過充電や過放電を引き起こす可能性があります。適切な熱管理により、均一な温度分布が確保され、バッテリーの性能と安全性が向上します。
バッテリー パック内のさまざまなバッテリー モジュールにより、モジュール間の温度の不均衡が内部抵抗と容量の不一致を悪化させる可能性があります。効果的に管理しないと、時間の経過とともに一部のセルが過充電または過放電し、パフォーマンスと寿命に影響を与え、安全上のリスクが生じる可能性があります。モジュール間の温度差は、バッテリー パックの配置に密接に関係しています。中央のセルは換気が悪いため熱が蓄積しますが、周辺セルは冷却条件が優れているため、過熱しにくくなります。
バッテリーの熱管理は、2 つのレベルで機能します。1 つ目は、周囲温度を制御してバッテリーのパフォーマンスを維持できる範囲内に保つこと、2 つ目は、個々のセル間の温度均一性を確保して一貫したパフォーマンスを確保することです。次の過渡熱シミュレーション グラフは、不完全な熱管理システムによってセル間の温度差が大きくなり、時間の経過とともに大きくなることを示しています。
現在のバッテリー熱管理技術
従来のバッテリー熱管理システムには、空冷、液体冷却、相変化材料 (PCM) 冷却などがあります。それぞれに利点と制限があります。
- 空冷：空冷は低コストでメンテナンスも簡単ですが、特に高放電率や過酷な環境条件下では、高容量リチウムイオン電池の冷却需要に十分対応するために改良が必要になる場合があります。たとえば、研究では、高放電率では電池パックを安全な温度範囲内に保つのに空冷では不十分であることがわかっています。
- 液体冷却:空冷よりも優れた冷却性能を提供しますが、システムが複雑でコストが高くなります。断熱性を確保し、漏れを防ぐことが重要な課題です。液体冷却システムは効率的ですが、漏れなどの問題が発生しやすく、より複雑なメンテナンスが必要になります。
- PCM冷却:温度管理には相変化の潜熱を利用しますが、連続高出力動作中に熱を効果的に放散できない場合があります。PCM 材料は、すぐに飽和状態に達することなく熱負荷に対応できるように慎重に選択する必要があります。
ゼネラルモーターズVOLT電気自動車の液冷式バッテリーパック
トヨタ プリウスハイブリッド車の空冷式バッテリーパック
メルセデス・ベンツS400hハイブリッド車の液冷式バッテリーパック
VCベースのバッテリー熱管理の利点ソリューション
- 優れた熱伝導性:温度差を最小限に抑え、熱の蓄積を防ぎます。これは、ホットスポットや熱暴走を回避するために重要です。
- コンパクトで軽量なデザイン:さまざまなバッテリー構成や冷却システムと簡単に統合できます。VC は薄型なので、最新のコンパクトなバッテリー設計に適しています。
- 低メンテナンス：高い信頼性と最小限のメンテナンス要件。可動部品がないため、潜在的な障害ポイントが少なくなります。
- 環境上の利点:アルミニウム構造はリサイクル可能で環境に優しいです。これは、EV 業界の持続可能性の目標と一致しています。
- 高信頼性：複数の冗長チャンバーにより、チャンバーの一部が故障しても動作を継続できます。この冗長性は、さまざまな動作条件下で安全性とパフォーマンスを維持するために重要です。
導入事例
設計条件
A 会社合計容量が 150Ah で、6 個の並列円筒形セルのストリング 12 個で構成されるバッテリー パックを搭載した純粋な電気バス用の熱管理システムが必要でした。バッテリー パックは、500A の充電電流と 250A の放電電流を処理する必要がありました。
バッテリーの発熱測定
4C 充電および放電条件下で、さまざまなライフステージにおける個々のセルの発熱を測定しました。結果から発熱率の違いがわかり、熱管理システムの設計に役立ちました。
製品構造設計
測定結果に基づいて、Kaixin Aluminum は VC ベースの熱管理システムを組み込んだバッテリー パック設計を作成しました。この設計には、すべてのセルにわたって均一な温度分布と効果的な放熱を確保するための詳細な考慮が盛り込まれています。
試験結果
製品は 3 回の充電・放電サイクルを経て、その間ずっと温度が監視されました。その結果、VC ベースのシステムがバッテリー温度を効果的に制御し、望ましい範囲内に維持し、均一な温度分布を保証していることが実証されました。テスト プロセスには、制御されたラボ条件と、さまざまなシナリオでのパフォーマンスを検証する実際のシミュレーションが含まれていました。
結論
VCベースの熱管理解決カイシンアルミニウムが開発したこの技術は、EVバッテリーの熱特性を管理するための非常に効率的でコンパクトかつ信頼性の高い方法を提供します。解決均一な温度分布を確保し、熱暴走を防ぐことで、EVバッテリーの性能、安全性、寿命を向上させます。ヨーロッパに高品質のヒートシンク製品を輸出し、カスタム ソリューション大企業にとって、Kaixin Aluminum は EV 市場の進化するニーズを満たすのに適した立場にあります。