EV バッテリーの熱管理: 4 つの冷却技術の説明
EV バッテリーはどのようにして「冷却」されるのでしょうか? 4 つの重要な熱管理テクノロジー
新エネルギー車の急速な進化に伴い、走行用バッテリーは電気自動車の「心臓部」であるだけでなく、性能、安全性、耐用年数の決定的な要素となっています。
リチウムイオン電池は、その高いエネルギー密度と長いサイクル寿命のために広く採用されており、精密な生物学的システムのように動作します。安全で効率的な動作には、安定した温度制御が不可欠です。
1. バッテリーにはなぜ温度制御が必要なのでしょうか?
過熱と過冷却という二重の課題
バッテリーの充放電時には発熱が避けられません。大容量、高エネルギー密度の EV バッテリー パックの場合、熱の蓄積と温度の不均一性がエンジニアリング上の重要な課題になります。
高温リスク
- バッテリーの電気化学システムは本質的に熱に敏感です
- 通常、10 °C 上昇するごとに、バッテリーの劣化は約 2 倍加速します。
- 研究によると、Sony 18650 セルを 50 °C でサイクルすると、500 サイクル後に最大 60% の容量が失われる可能性があります
- 過度の熱は活物質の劣化を加速し、内部抵抗を増加させ、熱暴走を引き起こす可能性があります。
低温の制限
- イオン活性の低下により充放電電力が制限される
- 能力と航続距離が大幅に低下
- ユーザーエクスペリエンスと急速充電機能が損なわれる
熱管理の目標
最適な 25 ～ 40 °C の範囲内でバッテリーの動作を維持し、高温での効率的な放熱と寒い環境での効果的な暖房を確保します。
この記事では特に次の点に焦点を当てますバッテリー冷却技術。
2. 主流のバッテリー冷却技術
実証済みの 4 つの熱管理経路
現在の EV バッテリー システムは通常、4 つの成熟した冷却アプローチに依存しており、これらが一緒になってバッテリーの安全性とパフォーマンスの基盤を形成します。
2.1 空冷システム (AC) – 強制または自然対流
動作原理
熱は、次のいずれかを介して空気流を通じて放散されます。
- 車両の運動により発生する自然対流
- ファンによる強制対流
エンジニアリングの視点
空冷はシンプルなアーキテクチャと低コストを提供するため、初期の EV プラットフォームに適しています。ただし、空気の熱伝導率と熱容量が低いため、その冷却能力は基本的に制限されています。
- バッテリーのエネルギー密度と急速充電の需要が高まるにつれ、空冷では次のことが困難になります。
- ハイパワー運転継続時の温度上昇を抑制
- パック全体に均一な温度分布を維持します。
代表的な用途
低電力の EV、超小型車両、熱負荷が適度なコスト重視のプラットフォーム。
2.2 液体冷却システム (LC) – 業界標準
動作原理
ポンプは、バッテリーモジュールに組み込まれたマイクロチャネルコールドプレートを通して冷却剤（通常は水とグリコールの混合物）を循環させます。熱は放散のためにフロントエンドラジエーターに伝達されます。
エンジニアリングの視点
熱伝導率と熱容量が空気よりも桁違いに高い液体冷却により、次のことが可能になります。
- 正確な温度制御
- 優れた均熱性
- 急速充電と高出力のサポート
液体冷却は、ミッドエンドからハイエンドの EV のデフォルトのソリューションになっています。
エンジニアリング上の課題
- システムの複雑さの増加 (ポンプ、バルブ、配管)
- 追加された重量
- シールの信頼性、耐食性、長期耐久性に対する厳しい要件
2.3 ヒートパイプ冷却 (HP) – ローカルホットスポット管理
動作原理
ヒートパイプは、密閉された作動流体 (水やアセトンなど) を使用し、急速な蒸発と凝縮サイクルを経て、最小限の温度差で効率的に熱を伝達します。
エンジニアリングの視点
ヒートパイプは非常に高い軸方向の熱伝導率を示し、多くの場合固体銅の数千倍に相当します。
EV バッテリー システムでは、ヒート パイプがスタンドアロンの冷却ソリューションとして使用されることはほとんどありません。代わりに、次のように機能します。
- 熱高速道路
- 温度均一化エンハンサー
これらは通常、次の目的で液冷プレートまたはモジュール インターフェイスに統合されます。
- 局所的なホットスポットから熱を抽出
- 全体的な温度の一貫性を向上させる
- 「最も弱いセル」効果を軽減する
2.4 相変化材料冷却 (PCM)
動作原理
PCM は固液相転移中に大量の潜熱を吸収または放出し、相変化点付近の温度を安定させます。
エンジニアリングの視点
主な利点:
- 完全に受動的な動作
- エネルギー消費ゼロ
- 優れた熱緩衝特性
制限事項:
- 本質的に低い熱伝導率
- 強化なしの遅い熱伝達
実用化
PCM が単独で使用されることはほとんどありません。代わりに、アクティブ システム (通常は液体冷却) と組み合わせた熱バッファーとして機能します。
- 一時的な熱スパイクを吸収
- 温度上昇を遅くする
- 一次冷却ループのピーク負荷を軽減します。
3. システム統合と今後の動向
マルチテクノロジーの相乗効果が未来へ
EV バッテリーがより高いエネルギー密度とより高速な充電を目指す中、単一の冷却ソリューションは限界に達しています。業界のトレンドは明らかです。ハイブリッド熱管理アーキテクチャです。
一般的な構成には次のものがあります。
- 液体冷却 + PCM: 熱緩衝とピーク負荷の軽減
- 液体/空冷 + ヒートパイプ: 迅速なホットスポット抽出と温度均一化
- 直接冷媒冷却: HVAC 冷媒を使用して極めて高い冷却効率を実現 (一部のプレミアム EV に適用)
4. 材料主導の熱設計
RHI バスバーが高度なバッテリー熱管理を実現する仕組み
液体冷却、空冷、ヒートパイプ、PCM、さらには新興の熱電冷却など、主流のバッテリー冷却技術はどれも、バッテリー パック内の重要な電気導体であるバスバーに独自の熱的および構造的要求を課します。
銅およびアルミニウムのバスバーおよび相互接続ソリューションの大手サプライヤーとして、RHI は材料に関する深い専門知識と高度な製造プロセスを活用して、以下の両方として機能する、冷却適応型で安全性重視のバスバー システムを提供しています。
- 効率的な熱伝導体
- 信頼性の高い電気橋
4.1 熱電冷却 (TEC) 用のバスバー ソリューション
精密熱結合
熱電モジュールには、極めて低い熱接触抵抗が必要です。
RHI は、高平坦度ニッケルメッキ銅バスバーを供給し、以下を保証します。
- 安定した熱インターフェース
- 耐酸化性
- TECモジュールまたは熱伝導性絶縁パッドとの信頼性の高い接触
高温電気絶縁
TEC システムは、局所的な高温と低温の勾配を導入します。
RHIの高温バスバー特徴：
- インナーマイカテープ
- 外側セラミック複合テープ
繰り返しの熱サイクル下でも絶縁耐力と機械的安定性を維持します。
システム統合の準備状況
カスタム アルミニウム バスバーは次の方法で機械加工できます。
- センサー取り付け穴
- 平らな基準面
- BMS統合のための構造的特徴
閉ループの熱および電気制御をサポートします。
4.2 ヒートパイプ冷却システム用バスバー
高効率サーマルベース
熱伝導率は約 385 W/m・K、RHI銅バスバー効果的なヒートスプレッダとして機能し、局所的な熱をヒートパイプ蒸発器セクションに効率的に伝達します。
柔軟な空間統合
RHI は以下を提供します:
- 銅/アルミニウムラミネートフレキシブルコネクタ
- マルチアングル 3D 曲げリジッドバスバー
最適なエアフローまたはコールドプレート接触を維持しながら、ヒートパイプの周囲に電気配線を行うことができます。
温度範囲全体での材料のマッチング
- 高温、高電力ゾーン用の銅バスバー
- 軽量、中温域用のアルミニウムバスバー
すべてに押出成形または射出成形による絶縁が施されており、長期的な信頼性を実現します。
4.3 主流の冷却システムにおけるコアバスバーの価値
液体冷却システム
RHI バスバーは以下を提供します。
- 熱抵抗が低い平坦な錫またはニッケルメッキ表面
- インサート成形またはPA12押出による高気密絶縁
冷却剤の漏れや結露のリスクを効果的に軽減します。
空冷システム
熱パフォーマンスは以下によって強化されます。
- エアフローのために最適化されたバスバー形状
- 放熱面積を増やす穴あき構造またはフレーム型構造
- 放射熱伝達を改善するための裸の銅または光沢のある錫仕上げ
PCM支援冷却
RHI は、以下を提供することにより、長期的なインターフェースの信頼性に対処します。
- PCM接着力を向上させる表面処理バスバー
- 完全にカプセル化された断熱材 (例: PA66+GF30 射出成形)
化学的相互作用を防止し、長期にわたり安定した電気的性能を保証します。
5. 結論
バッテリーの熱管理は、安全性、パフォーマンス、耐久性の正確なバランスを保っています。空冷から液冷、ヒートパイプから相変化材料に至るまで、冷却技術の継続的な進化と統合により、EV バッテリーはより高いエネルギー密度とより高速な充電に向けて推進されています。
熱管理システムの統合化とインテリジェント化が進むにつれて、電気相互接続設計がますます重要な役割を果たしています。
バッテリー相互接続ソリューションの信頼できるパートナーとして、RHI は以下を提供することでこの進化をサポートします。
お客様が効率的で信頼性が高く、将来に備えたバッテリー熱管理システムを構築できるよう支援します。
