新エネルギー自動車の熱管理に関する研究のレビュー

純粋な電気自動車の運転にはエネルギーとして電気が使用され、自動車は電気駆動システムによって駆動されます。新エネルギー車の熱管理システムは、従来の燃料車の熱管理システムとは大きく異なります。新エネルギー車では作業中にバッテリーとモーターが熱を発生しますが、従来の燃料車ではエンジンが熱を発生します。新エネルギー車の熱管理システムには、主に車室内温度、バッテリー温度、パワートレイン温度などの正確な温度制御が必要です。したがって、 新エネルギー車の熱管理システムは より複雑になるでしょう。新エネルギー車にとって、航続距離と乗り心地との矛盾を解決することは、新エネルギー車にとって解決すべき喫緊の課題である。

1. 車室内温度管理（自動車空調）の概要

エアコンシステムは車の熱管理の鍵です。ドライバーも同乗者もクルマの快適性を追求したい。カーエアコンの重要な機能は、車室内の温度、湿度、風速を調整し、車室内を快適な運転・走行環境にすることです。主流のカーエアコンの原理は、蒸発熱の吸収と凝縮熱の放出という熱物理原理によって車内の温度を冷却または加熱することです。外気温が低いときは、室内に温風を送り込み、ドライバーや同乗者が寒さを感じないようにすることができます。外気温が高いときに低温の空気を車内に送り込む機能により、ドライバーと同乗者は涼しく感じられます。そのため、カーエアコンは車内の空調や乗員の快適性にとって非常に重要な役割を果たしています。

従来の燃料車用エアコンは、主に蒸発器、凝縮器、コンプレッサー、膨張弁の 4 つのコンポーネントで構成されています。

コンプレッサーは、低温・低圧のガス状冷媒を高温・高圧のガス状冷媒に圧縮できる動力装置です。一般に燃料自動車ではエンジンにコンプレッサーが搭載されており、エンジンによってコンプレッサーが駆動されて動作します。

エバポレーターはコックピットに設置される熱交換装置です。エバポレーターの動作原理は、蒸発を利用して熱を吸収し、冷却することです。低温低圧の液冷媒が蒸発器を通過すると、液冷媒が蒸発して車室内の熱を吸収し、車室内が急速に冷却される。

凝縮器も熱交換装置であり、車室の外側に設置されます。コンデンサーの動作原理は、熱を凝縮して吸収することによって加熱することです。高温高圧のガス状冷媒は、凝縮器を通過する際にファンによる強制冷却により熱を外気へ放出し、高温高圧のガス状冷媒は中温高圧の液冷媒となる。

膨張弁は中温高圧の液体を低温低圧の液体に膨張させる装置です。膨張弁は一般に蒸発器の入口に設置され、中温高圧の液冷媒を膨張させて低温低圧の液冷媒とし、蒸発器に流入して車室内の熱を吸収する。

カーエアコンは冷凍システム、暖房システム、換気システムから構成されています。この３つのシステムでカーエアコンが組み立てられます。従来の燃料自動車の冷凍原理は、図 1 に示すように、圧縮、凝縮、膨張、蒸発の 4 つのステップです。これらの 4 つのステップを繰り返すことで、冷凍システムの動作を保証できます。その後、蒸発器は車室内を冷却し続けます。

従来の燃料車両暖房の原理は、車両エンジンの廃熱を利用して車室内を暖房することです。まず、エンジン冷却水ジャケットから出た高温の冷却水が暖気コアに入ります。ファンによってヒーターコアに冷気が吹き込まれます。加熱された空気は、客室の暖房や窓の霜取りのために客室内に吹き込むことができます。冷却水はヒーターを出た後エンジンに戻り、サイクルが完了します。

新エネルギー車と従来の燃料車では駆動装置が異なります。燃料自動車のエアコンコンプレッサーはエンジンで駆動されますが、新エネルギー車のエアコンコンプレッサーはモーターで駆動されます。そのため、新エネルギー車のエアコン用コンプレッサーはエンジンで駆動することができず、電動コンプレッサーで冷媒を圧縮することになります。新エネルギー車の基本原理は従来の燃料車と同じで、凝縮を利用して熱を放出し、蒸発を利用して熱を吸収して車室内を冷却します。コンプレッサーが電動コンプレッサーに変更されただけです。現在、冷媒の圧縮にはスクロール圧縮機が主に使用されています。

新エネルギー車の暖房モードは、従来の燃料車の暖房モードとはまったく異なります。従来の燃料自動車の暖房モードは、エンジンの廃熱を冷却液を通じて車室に伝えて車室を加熱するものです。新エネルギー車にはエンジンが搭載されていないため、エンジンが車内を暖めるプロセスがありません。他の暖房モードを使用して車内を暖房します。新エネルギー車両の空調暖房方法をいくつか以下に挙げます。

1) 半導体加熱システム

半導体ヒーターは半導体素子と端子で構成され、冷却と加熱の機能を果たします。このシステムの熱電対は冷却と加熱の基本コンポーネントであり、その構造を図 2 に示します。2 つの半導体デバイスを接続して熱電対を形成します。直流電流が接続されると、インターフェースで熱と温度差が発生し、車室内が加熱されます。半導体暖房の主な利点は、車室内を素早く暖めることができることです。その主な欠点は、半導体加熱が大量の電力を消費することです。燃費を追求する必要がある新エネルギー車にとって、その欠点は致命的だ。そのため、新エネルギー車のエアコンの省エネ要求に応えることができません。また、半導体の加熱方法を研究し、効率的で省エネルギーな半導体加熱方法を設計することも一層必要である。

2) 正の温度係数 (PTC) 空気加熱

PTC の主なコンポーネントはサーミスターです。電熱線による加熱は、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する装置です。 PTC エア ヒーティング システムは、従来の燃料車両の暖気コアを PTC エア ヒーターに変えるものです。ファンを使用して外気を PTC ヒーターに通して加熱します。加熱された空気は車室内に送られ、車室内を暖房する。新エネルギー車は直接電力を消費するため、ヒーターをオンにしたときのエネルギー消費も比較的大きくなります。

3) PTC配管加熱

PTC 配管は、PTC 空気加熱と同様に、電力消費を使用して熱を生成します。しかし、配管システムは、最初に PTC で冷却剤を加熱することによって機能します。冷却水が一定の温度に加熱された後、冷却水はヒーターコアに注入され、周囲の空気と熱交換します。ファンは加熱された空気をキャビン内に送り込み、キャビンを暖房します。そして冷却水はPTCによって加熱され往復運動します。この加熱システムは、PTC 空冷よりも信頼性が高く、安全です。

4) ヒートポンプ空調システム

ヒートポンプエアコンシステムの原理は従来のカーエアコンシステムと同じです。ヒートポンプエアコンは客室の暖房と冷房の変換を実現でき、その原理を図3と図4に示します。四方逆転弁を使用してシステム内の冷媒の流れ方向を変更し、冷凍と熱交換のプロセスを実現します。ヒートポンプエアコンは、電気エネルギーを直接消費して熱を発生させないため、ＰＴＣヒータに比べて省エネ度が高い。現在、ヒートポンプエアコンは一部の車両に量産されています。

2. パワートレインの熱管理の概要

自動車の電源システムの熱管理は、従来の燃料車の電源システムの熱管理と新エネルギー車の電源システムの熱管理に分けられます。現在、従来の燃料自動車の電源システムの熱管理は非常に成熟しています。従来の燃料自動車はエンジンによって駆動されるため、エンジンの熱管理が従来の車両の熱管理の焦点となります。エンジンの熱管理には主にエンジンの冷却システムが含まれます。高負荷時のエンジンの過熱を防ぐために、車のシステムの熱の 30% 以上をエンジン冷却回路で放散する必要があります。エンジンの冷却液は車室内の暖房に使用されます。

従来の燃料自動車の発電所は、従来の燃料自動車のエンジンとトランスミッションで構成されますが、新エネルギー車はバッテリー、モーター、電子制御で構成されます。両者の熱管理方法は大きく変わりました。新エネルギー車の動力バッテリーの通常使用温度範囲は25～40℃です。したがって、バッテリーの熱管理には、バッテリーを保温することと放熱することの両方が必要です。同時に、モーターの温度が高くなりすぎないように注意してください。モーターの温度が高すぎると、モーターの寿命に影響を与えます。したがって、モーターも使用中に必要な放熱対策を行う必要があります。ここでは、バッテリーの熱管理システムとモーター電子制御などの熱管理システムについて紹介します。

パワーバッテリーの熱管理システムは主に、空冷、 異なる冷却媒体に基づく異なる冷却方法の原理とシステム構造はまったく異なります。液冷、相変化材料冷却、ヒートパイプ冷却に分かれています。

1) パワーバッテリー空冷

空気の流れにより、電池パックは外気と対流熱交換を行います。空冷は大きく自然冷却と強制冷却に分けられます。自然冷却とは、車の走行中に外気がバッテリーパックを冷却することです。強制空冷とは、バッテリーパックに対して強制冷却用のファンを設置することです。空冷の利点は、低コストであり、商用利用が容易であることです。デメリットとしては、放熱効率が低いこと、占有空間率が大きいこと、騒音問題が深刻であることが挙げられます。

2) パワーバッテリー液冷

液体の流れによってバッテリーパックから熱が奪われます。液体は空気に比べて比熱容量が大きいため、空冷よりも冷却効果が高く、冷却速度も空冷よりも速くなります。バッテリーパックを冷却した後の温度分布も比較的均一です。したがって、液体冷却は商業的にも広く使用されています。しかし、液体冷却には欠点もあります。欠点は、漏洩のリスクがあり、比較的複雑で、メンテナンスコストが高いことです。

3)材料冷却の 段階変更

相変化材料 (PCM) には、パラフィン、水和塩、脂肪酸などが含まれます。相変化が発生すると、自身の温度は変化しないまま、大量の潜熱を吸収または放出する可能性があります。 PCM は追加のエネルギーを消費せずに大きな熱エネルギー貯蔵容量を備えており、 携帯電話などの電子製品のただし、自動車用電源バッテリーの応用はまだ研究段階にあります。相変化材料は熱伝導率が低いため、バッテリーと接触する側の PCM が溶けてしまいます。ただし、他の部分が溶けないため、システムの熱伝達性能が低下し、大型のパワーバッテリーには適していません。これらの問題が解決できれば、PCM 冷却は新エネルギー車の熱管理のための最も潜在的な開発ソリューションとなるでしょう。 バッテリー冷却に広く使用されています。

4) 熱パイプ冷却

ヒートパイプは、相変化熱伝達に基づくデバイスです。ヒートパイプは、作動媒体/液体 (水、エチレングリコール、アセトンなど) が飽和状態で満たされた密閉容器または密閉パイプです。ヒートパイプの一方の端は蒸発端、もう一方の端は凝縮端です。バッテリーパックの熱を吸収するだけでなく、バ​​ッテリーパックを加熱することもできます。現時点で最も理想的なパワーバッテリーの熱管理システムです。

5) 冷媒直接冷却

直接冷却とは、エアコンシステムの蒸発器をバッテリーボックス内に設置し、R134a冷媒などの冷媒の蒸発と吸熱の原理を利用してバッテリーボックスを急速に冷却する方法です。直冷方式のため冷却効率が高く、冷却能力が大きい。

以上が5つの動力電池の主流の熱管理方式であり、それぞれの長所と短所を表1に示します。