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2022.05.01
学習教室

自動車用熱管理システム

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汽車電池

 

自動車の熱管理システムの役割は、ますます重要になってきています。 自動車の研究が始まった当初は、熱管理というサブディシプリンは存在せず、車内の温度を調整する空調システムやエンジンを冷やす冷却システムが主な対象であった。その後、自動車消費者はエアコンの快適性や省エネ・コストダウンへの要求を徐々に高め、国も燃費や排ガスへの要求を徐々に高め、さらに自動車の電動化の波の中で、新エネルギー自動車が高速で発展し、特に新エネルギー自動車の航続距離や安全性の問題が顕著になってきています。
自動車の熱管理は、車室温度や自動車の各種システムの正常な動作を実現するための熱の管理です。車室内の温度上昇・下降は主にカーエアコンシステムによって実現され、車内の様々なシステムの正常な動作は主に他の熱管理システムによって実現されます。 新エネルギー自動車の開発が急速に進む中、新エネルギー自動車向け熱管理システムの需要アップの機会をとらえることができる企業は、急速な成長を遂げることが期待されます。
バッテリー温度管理システムの役割は、バッテリーの温度を監視し、必要に応じてバッテリーの温度を積極的にコントロールすることです。電池の環境温度は電池の性能を左右し、温度が高すぎると電池寿命が短くなったり、安全性に問題が生じたり、温度が低すぎると電池の放電能力が弱まり、電池寿命が短くなったりします。
そのため、電池の熱対策が求められています。まず、最適な使用温度範囲を測定・決定し、電池の熱場を計算して動作時の温度を予測します。例えば、ブレード型電池では電池の冷却板をセルの上に配置し、セルとセルの間に伝熱層を設けるなど、電池の熱対策に工夫を凝らしています。
電池の熱管理システムは、技術の種類によって液冷式(直接液冷式、独立回路液冷式を含む)、空冷式、相変化材料式に分類されますが、相変化材料は現在研究段階にあります。

 

表:電池の熱対策技術の比較

 

空気

直接水冷式

独立回路

フェイズチェンジマテリアル

媒質

空気

冷媒R134a

冷却水エチレングリコール

フェイズチェンジマテリアル

コスト

比較的高い

比較的高い

均一温度

エネルギー
消費性能

熱管理制御

理論的メリット

低温性能

技術成熟度

成熟

成熟

成熟

実験段階

現時点での応用

ローエンド車

ディーラー車

中・高級車

 

液冷は主流の技術路線であり、今後もその傾向が続くと予想されます。
液冷システムは、その技術によって直接液冷方式と独立回路液冷方式に分けられます。
直接液冷方式は、電池パック内のプレート式蒸発器から冷媒R134aを供給、エアコン冷媒回路に接続し、蒸発を利用して電池パックの熱を吸収して熱を取り除く方式です。代表的な採用車種は、BMW i3、Audi A6、Mercedes S400などです。
バッテリー温度が低いとき (38~45℃) は低温ラジエーターでバッテリーを冷却し、バッテリー温度が高いとき (45℃以上) はバッテリークーラーチラー (chiller) とエアコン冷媒回路との熱交換でバッテリーを冷却するシステムとなっています。電池の温度が下がりすぎると、PTCヒーターなどの回路上のヒーターが動作して電池を加熱します。バッテリー温度が低くなると、PTCヒーターなどの回路上のヒーターがバッテリーを温め始めます。このシステムを採用した代表的な車種は、JAC iEV7S、BYD Auto、Chevrole Boltなどです。

 


林唯耕教授
 

作者

林唯耕教授

学歴 | 米国メリーランド大学博士
現職 | 国立清華大学工学・システム科学部兼任教授
專門 | 電子構造放熱、ヒートパイプ、ループ式ヒートパイプ (CPL、LHP、PHP)、省エネ設計、太陽エネルギー蓄熱と冷却、熱流システム、電子部品の冷却、二相流、人工衛星及び上空飛行物体の熱伝導部品
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