自動車技術

EVのバッテリー温度管理|必要性と対応技術

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現在のEV(電気自動車)のバッテリーの温度管理は寿命や安全性という観点で非常に大切です。今回はその理由と各自動車メーカーが採用している温度調節技術を紹介します。

1. バッテリーの温度管理が重要な理由

 次の3つの観点でバッテリーの温度管理が重要な役割を果たします。

  • 最適な温度範囲でのバッテリー動作を保証し、バッテリー内の温度分布を均一にすることができます。
  • バッテリーの状態を監視し、バッテリーの機能障害とならないように事前に検出し、警告メッセージを送信することができます。
  • 熱暴走が起こらないように危険が迫ると抑制することができます。下の図が示すように、熱暴走は温度の上昇によって加速され、エネルギーを放出して温度をさらに上昇させる負のスパイラルに陥ってしまいます。 温度が制御不能に陥った場合、自己発火や場合によっては爆発を引き起こす可能性があります。

2. バッテリーの温度が低すぎる/高すぎる場合

 リチウムイオンバッテリーセルのパフォーマンスは、温度の影響を大きく受けます。寒すぎたり暑すぎたりするとパフォーマンスが低下し、セルの損傷や劣化の加速につながる可能性があります。

(1)温度が低すぎる場合

 ロシア、カナダなどの地域では、冬の屋外の気温は0℃をはるかに下回ります。バッテリーセルの内部抵抗は、温度が低下すると上昇し、リチウムイオンバッテリーの性能と寿命に影響を与えます。 温度が5℃以下では、ほとんどのリチウムイオン電池は急速充電ができません。温度が0℃未満の場合、バッテリーセルで発生する化学反応が遅いため、バッテリーの充電が失われます。以上の結果から、EVの電力、加速、走行距離が大幅に損なわれてしまいます。

(2)温度が高すぎる場合

 これは上記のような寒冷地であろうとバッテリーの使われ方も含めて広いシーンで起こりえます。その理由は、大抵のEVは環境温度ではなく、動作中のリチウムイオンバッテリーの内部発熱が高いためです。

 気温が30℃を超えると、バッテリーの性能が低下し、乗客が車両のエアコンを必要とする場合に問題が生じます。その結果、出力密度に影響があり、車両の加速性能が低下します。

 40℃を超える温度は、バッテリーに重大な損傷を引き起こす可能性があります。さらに高い温度、例えば70〜100℃では、熱暴走が発生する可能性があります。熱暴走とは、隣接するセルに伝播しながら破壊を引き起こす、バッテリーセル内の自己発熱連鎖反応です。

 EVのリチウムイオンバッテリーの理想的な温度範囲は約20〜30℃と言われています。この範囲に保つには、バッテリー温度を監視および調整する必要があります。バッテリーの温度管理システムは、極端な温度になるのを防ぎ、適切なバッテリー性能を確保し、期待されるライフサイクルを実現するために必要なのです。

3. バッテリーの熱源

 充電時間を30分以下にするために200kWを超える電力でより速いバッテリー充電率が要求されるようになりつつあります。また、あらゆるシーンでパフォーマンスを落とさずに適切な耐久性を必要とする高性能なEVは、バッテリーパックには特別な熱管理方法が必要となります。

 EVバッテリーでは、充電と放電の両方で電流が流れると、セル内部と接続されたシステムで熱が発生します。この熱は、流れる電流の二乗にセルとシステムの内部抵抗を掛けたものに比例します(\(Q=I^2R\))。電流が多いほど発熱量は多くなります。熱は、ジュール加熱の内部損失および電位に対する局所電極、セル反応のエントロピー生成、混合熱、副反応などを含む複数の要因から生成されます。

4. バッテリー内の熱の不均衡

 パック内のモジュールごとの温度変化も電気的不均衡につながり、バッテリーパックの動作パフォーマンスに影響を与える可能性があるため、バッテリー内部の熱の広がりを監視する必要もあります。

5. バッテリー温度調整の概要

 現在、EVバッテリーの熱管理の一部として、さまざまな冷却剤と方法が使用されています。これらの中には、空冷、液冷、冷媒冷却などがあります。

(1) 空冷システム

 空冷システムは、外気と車両の動きを利用してバッテリーを冷却します。冷却効果を高めるために、ファンと送風機が追加されることがよくあります。

(2) クーラント&空冷

 冷たいクーラントを循環させることでバッテリーを冷却できます。クーラントはバッテリーから熱を運び、ラジエーターなどの空気からクーラントへの熱交換器にポンプで送られ、外気に熱を捨てます。

(3) 冷媒による直接冷却

 上記の2つの方法は通常、周囲温度が高すぎる場合、たとえば外気が40℃で、バッテリーを30℃まで冷却する必要がある場合、バッテリーを冷却するのに十分ではありません。 そこで、エアコンシステムの熱交換器を利用して、バッテリー温度を調整します。車両の空調システムと協調するバッテリーの熱管理のこの革新的な設計は、トヨタ、フォード、ホンダから発表されました。

 冷媒による直接冷却では、R134a、R1234yfなどのエアコン用の冷媒を使用します。バッテリーを直接冷却するために車両のエアコンシステムで使用されます。冷媒直接冷却は、クーラントに使われる液体グリコールの3〜4倍の冷却速度が実現できるようです。

(4) クーラント&冷媒

 クーラントを循環させることで、バッテリーを冷却または加熱できます。この方法は、バッテリーを冷却する最も一般的な方法の1つであり、一般に「液体冷却」と呼ばれます。バッテリーが加熱を必要とするとき、冷却剤は熱交換器、例えば間接凝縮器または電気ヒーターによって熱を吸収し、次にバッテリーに移動してバッテリーパックを加熱します。バッテリーの冷却が必要な場合、冷却剤は別の熱交換器、例えばチラーで冷却され、バッテリーにポンプで送られてバッテリーを冷却します。

(4) 液浸

 二次液に浸すことでバッテリーを調整することもできます。バッテリーの熱管理のパフォーマンスとコストに大きな影響を与えますが、これには独自の制約とメリットがあります。

6. 温度調節方法の詳細

 先ほどの4つの冷却方法(空冷、液冷、冷媒冷却、液浸)を使用した例を交えて、もう少し掘り下げて解説します。

(1) 空冷

 空冷は、そのシンプルさと低コストがメリットになります。冷却ループが不要のため、電子機器に液体が漏れる心配がなくなります。液体、ポンプ、チューブを使用することによる重量の増加も回避されます。

 空冷の主なデメリットは、その非効率性です。強力な送風機を使用しても、空冷は液体システムほどの熱を伝達しません。これにより、バッテリーパックセルの温度変化が増えるなど、高温気候での問題が生じます。送風機の騒音も問題になることがあります。

 商業的には、日産 Leaf、ホンダ Insight、トヨタ Prius、Reynolds Zoe、およびHyundai IONIQは空冷を利用しています。次の写真は、空気で冷却されている日産リーフのバッテリーパックと、トヨタのプリウスで使用されている空冷式バッテリー温度管理システムです。トヨタのプリウスは送風機が周囲の空気を押し込んでバッテリーを冷却しているのがわかります。

(2) 液体冷却

 液体冷却は複雑なシステムになってしまいますが、空気よりも比熱と熱伝導率が高いため、電池の温度上昇を緩和し、空気よりも電池の過熱を効果的に防ぐことができます。3つの液冷技術を紹介します。

  • テスラ

 テスラはテスラロードスターのリリースで高性能EVスポーツカーを発表した最初のメーカーです。自動車の高性能要件が冷却システムにも求められたテスラは、シャシーにある数千の円筒形セルを冷却する独自の方法を考え出しました。これは、EVバッテリーパックを蛇行する金属製の冷却管を使用する方法で、テスラは特許を取得しています。この柔軟なチューブは、すべてのセルの表面との接触を維持することにより、直接冷却を提供します。写真からわかるように、ポリマー材料の薄層も冷却管をバッテリーから分離しています。

  • GM Bolt

 セルの下のベースプレートを介して液冷されています。

  • GM Volt

 それぞれの長方形のバッテリーセル間にはアルミニウム製の冷却プレートが挟まれています。写真からわかるように、熱伝達を効果的に向上させるために、プレートを平行に通過する5つの個別の冷媒パスがあります。各バッテリーセルはプラスチックフレームに収納されています。次に、クーラントプレート付きのフレームを縦方向に積み重ねて、パック全体を形成します。

(3) 冷媒直接冷却

 冷媒直接冷却では、車両の空調システムで使用されているのと同じ冷媒を使用してバッテリーを直接冷却します。冷媒直接冷却は、液体グリコールの3〜4倍の冷却速度を実現します。

 これらのEVは、冷媒直接冷却を採用しています。右上の図は、このBMW i3のアルミ製バッテリートレイに冷凍冷却チューブが取り付けられている様子です。冷却チューブの上にバッテリーが置かれます。

(4) 液浸

 乗用車市場のほとんどの主要OEMは空冷または液体冷却方式を利用していますが、一部のサプライヤーは、車両バッテリーへの熱需要の増大に対応するために新しい方式を採用しています。これは、電気工事や鉱山用車両などの特殊な市場を検討されてい見たいです。これらの使われ方では、非常に激しいバッテリー放電が必要となるため、かなりの量の熱が発生します。

 液浸冷却は、バッテリーの熱管理のためのこれらの新興技術です。以前はデータセンター、高性能コンピューティング、グリッド電源システムの電子機器で実証されてきましたが、現在は電気自動車市場で機会を得つつあります。名前が示すように、浸漬冷却では、バッテリーセルを液体冷却剤に浸すことにより、優れた熱接触と均一性を実現できます。さらに、この難燃性の流体はセル間で伝播する前の熱暴走イベントを抑制します。

 現在、この液体は3M (Novec fluid)、Solvay (Galden fluid)、M&Iマテリアル、Engineered Fluidsから提供されています。これらの液体はすべて誘電体ですが、重量、熱伝導率、環境への配慮、コストなどの要素が非常に重要であるため、特性はさまざまです。

 これは、3Mが実証した液浸システムです。バッテリーがNovec液に浸されており、ループ内を循環して加熱または冷却されています。 XING Mobilityは、3MのNovecフルードを利用したモジュール式の液浸冷却バッテリーパックを備えた会社です。

 上の写真は、XING Mobilityが開発したバッテリー冷却システムです。他には、Rimac自動車は電気ハイパーカーにSolvayの液体を採用しました。技術的に優れたパフォーマンスを発揮しますが、現在利用されている方法と比較して重量とコストが増加するため、液浸冷却が量産自動車市場に参入することは、現時点では困難と考えられます。しかし、電気自動車の安全に関する規制は変化しており、それに伴い、これらの新興技術が市場シェアを取る可能性はあります。

7. 温度調節方法のまとめ

 空冷は、強力なブロワーを使用しても、液体システムと同じレベルの熱を輸送できません。一方で、冷却ループが不要になるため、液体冷却システムよりもはるかにシンプルです。液体、ポンプ、チューブの使用による重量の増加も回避されます。したがって、空冷システムははるかに安価です。空冷により、電子機器に液体が漏れる心配がなくなり、安全です。

 液体冷却は、空気媒体と比較して、液体は熱伝導率が高く、ヒーター容量が高いため、温度制御と均一性の点で優れています。しかし、システムにはいくつかの付属品(熱交換器、ポンプなど)を備えた複雑な構造で重量が増えてしまいます。また、クーラント漏れの心配があります。一方で、液体冷却では、冷媒の流量、二次媒体の温度、質量流量などを制御できます。したがって、複数の流体ループ機構を備えたさまざまな温度制御要求に応じて、バッテリーだけでなくパワーエレクトロニクスや電気モーターサブシステムのさまざまな熱制御要件も満たすことができます。

 沸騰熱伝達を伴う冷媒直接冷却は、蒸発潜熱による高い熱流束、温度均一分布のための優れた熱均一化、ポンプ機構を排除したコンパクトな構造、およびより迅速な熱応答においてメリットがあります。また、冷媒直接冷却は、より高い充電電力、複雑さの軽減、潜在的にコストの削減を可能にし、漏電につながる液体をバッテリーパックから完全に排除できるという安全上のメリットがあります。

本記事はバッテリーの温度管理にフォーカスして紹介しました。以下の書籍では自動車の伝導化技術を広くリアルに知ることができるためお勧めです。

参考文献
[1] https://www.mpoweruk.com/thermal.htm
[2] https://avidtp.com/what-is-the-best-cooling-system-for-electric-vehicle-battery-packs/
[3] https://www.qats.com/cms/category/battery-cooling/
[4] https://synergyfiles.com2016/07/battery-thermal-management-system-review/
[5] https://insideevs.com/news/328944/bmw-and-lg-chem-trump-tesla-in-battery-thermal-managemant/
[6] Wang Y, Gao Q, Wang G, Lu P, Zhao M, Bao W. A review on research status and key technologies of battery thermal management and its enhanced safety.Int Energy Res. 2018;1-26.
[7] Takamitsu Tajima , Hirokazu Hirano and Tsuyoshi Sekiguchi, Battery device, 2018, Patent Pub,No. US.20180034116A1.
[8] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002007118307536
[9] https://www.3m.com/3M/en_US/oem-tier-us/applications/propulsion/ev-battery/novec-for-ev-battery/
[10] https://www.idtechex.com/en/reaserch-article/immersion-of-electric-vehicle-batteries-the-best-way-to-keep-cool/20169

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