リチウムイオン電池の熱伝達挙動と熱管理設計

新エネルギー車の販売と所有の増加に伴い、新エネルギー車の火災事故も時折発生しています。熱管理システムの設計は、新エネルギー車の開発を制限するボトルネック問題です。安定的かつ効率的な熱管理システムを設計することは、新エネルギー車の安全性を向上させるために非常に重要です。

リチウムイオン電池の熱モデリングは、リチウムイオン電池の熱管理の基礎です。熱伝達特性モデリングと発熱特性モデリングは、リチウムイオン電池の熱モデリングの 2 つの重要な側面です。電池の熱伝達特性のモデル化に関する既存の研究では、リチウムイオン電池は異方性の熱伝導率を有すると考えられています。したがって、リチウムイオン電池の効率的で信頼性の高い熱管理システムを設計するためには、さまざまな伝熱位置と伝熱面がリチウムイオン電池の放熱と熱伝導率に及ぼす影響を研究することが非常に重要です。

1. セルの等価熱伝導モデル

50A hのリン酸鉄リチウム電池セルを研究対象として使用し,その熱伝達挙動特性を詳細に分析し,新しい熱管理設計アイデアを提案した。セルの形状を図 1 に示し、具体的なサイズパラメータを表 1 に示します。 リチウムイオン電池の構造には、通常、正極、負極、電解質、セパレータ、正極リード、負極リード、中心端子、絶縁材、安全弁、正温度係数 (PTC) サーミスタ、およびバッテリケースが含まれます。正極と負極の間にはセパレータが挟まれており、巻回により電池コアが形成されるか、積層により極群が形成される。図 2 に示すように、多層セル構造を同じサイズのセル材料に簡略化し、セルの熱物理パラメータに対して同等の処理を実行します。バッテリセル材料は、異方性の熱伝導率特性を備えた直方体ユニットであると想定されます。積層方向に垂直な熱伝導率（λz ）は、積層方向に平行な熱伝導率（λ x 、λ y ）よりも小さいものとする。

2. セル 表面放熱 能力​ ​​ ​​

セルの熱伝導率のテスト結果を表 2 に示します。このセルをバッテリー パック システム統合に使用する場合、セルの熱管理設計の放熱面には、ラグ面を除く 5 つの外面が含まれます。放熱能力を評価および計算し、負荷が発熱すると想定される場合のバッテリーコアの放熱経路を決定します。

この論文は、バッテリー パックの統合中にセル レベルの熱伝達を熱管理する最適な方法を調査することを目的としています。したがって、セルの 5 つの冷却面は 3 つのグループに分割されます。図 3 に示すように、バッテリー セルをシステムの熱管理構造に接着するには 3 つの異なるオプションがあります。

セルの前面と背面の最大の熱伝達により、熱は、λz 熱伝導率の経路を通ってセルの内部から、セルの表面を通ってセルによって生成された熱に伝達されます。側面伝熱を選択した場合、セル内部からの熱は熱伝導率λ y の経路を通り、セルで発生した熱はセルの表面を通って伝わります。底面熱伝達が選択された場合、セルの内部からの熱は、セルによって生成された熱を、λ x 熱伝導率の経路を介してセルの表面に伝えます。

熱管理設計の最適な選択は、システムの 液冷プレート またはエアダクトがバッテリーコアの最も強力な放熱能力を持つ表面に接触できることです。現在のシステム設計では、システム統合を容易にする観点から液冷板の位置やエアダクトの流れ方向を設計することが多く、電池セルの各面の熱伝達能力の体系的な評価は無視されています。外部環境パラメータが一貫しているという仮定の下で、異なるセル表面が放熱面として選択されます（異なる熱伝導率、放熱面積、および放熱経路の選択）。放熱面の主要なパラメータを図 4 に示し、セルの放熱経路を図 5 に示します。

上記の解析に基づいて、伝送方向の温度勾配ΔTが1Kのときのバッテリーの各冷却面の熱流を計算します。

ΔT が 1 K の場合、A1 と A2 が主冷却面である場合、熱流量は 3.39 W になります。 A3 と A4 が主冷却面である場合、熱流量は 4.68 W です。A5 が主冷却面として使用される場合、熱流束は 0.78 W です。したがって、熱流の観点からは、バッテリーの側面 (A3、A4) が最適な位置であり、バッテリーの底部 (A5) が最悪の位置になります。

1Cでのセルの充放電を研究条件とし、充放電時間は3600秒です。セルの内部発熱量は6.4Wです。セルとアルミケースの合計質量は1.43kgです。全体で考えると比熱容量は1026.3J/(kg・K)となります。

周囲温度が 295 K で、バッテリー コアが周囲環境に熱を放散しないと仮定すると、バッテリー コアの温度上昇は 15.7 K になります。セルが動作状態で完成すると、セルの温度は 310.7 K になります。

上記の材料特性と発熱プロセスに従って、シミュレーション境界条件を設定し、バッテリーコアの温度上昇の有限要素解析（FEA）シミュレーション結果を図6に示します。計算結果とFEAシミュレーション結果の比較を図7に示します。図6と図7から、バッテリーコアの温度場分布が310.72〜310.95 Kであることがわかり、計算結果と一致しており、バッテリー FEA の数学的モデリングは正確で信頼性があります。 FEA の結果は、セルの熱伝達挙動を効果的に検証できます。

3. 計算と シミュレーションの比較

角形リチウムイオン電池のモジュール統合方法を考慮すると、モジュール構造の既存の熱管理接触面選択設計には、電池底面の熱伝達スキーム（A5）と電池側面の熱伝達スキーム（A3+A4）が含まれます。バッテリーの前面と背面 (A1+A2) の概略設計。同じ外部環境とバッテリ発熱率負荷の下で,本論文は同じ熱伝導率を仮定し,バッテリ底部熱伝達方式またはバッテリ側熱伝達方式を選択し,バッテリセルの温度差と温度上昇結果を比較した。

数値計算ソフトを用いて角型リチウムイオン電池の異なる放熱面における同一熱源のパラメータを計算し、電池底面の熱伝達方式と電池側面の熱伝達方式の放熱効果を検証します。周囲温度は 295 K、セルの発熱率は 6.4 W、その他の物理パラメータは前の章と同じです。バッテリー底部の熱伝達スキームとバッテリー側面の熱伝達スキームが放熱面の熱伝導率を同じに維持すると仮定すると、つまり、同じ外部熱伝導スキームと同じ界面熱伝導処理が採用されます。

2 つのスキームの数値計算結果を比較すると、次のように結論付けることができます。

(1) バッテリーセルの放熱面としてバッテリー側面を選択することで、バッテリーセルの最大温度上昇と最大温度差を改善することができます。

(2) 温度上昇曲線の終端の傾きを比較すると、バッテリー底部の熱伝達方式の温度上昇曲線は動作時間が増加するにつれて上昇し続け、バッテリーセルの最高温度（充電および放電サイクルなど）が上昇し続けることがわかります。ただし、バッテリー側熱伝達スキームの温度上昇曲線の終端は平衡に近く、つまり、動作時間が増加しても温度上昇と温度差は大きく変化しません。

要約すると、バッテリーセルの熱管理と放熱位置を選択する場合、バッテリー側面の熱伝達スキームはバッテリー底面の熱伝達スキームよりも優れています。

4. 結論​

数値シミュレーションと公式計算を通じて、ことを検証しました。 リチウムイオン電池の熱管理を設計する際には、最適な放熱面を決定するために熱管理の放熱位置の放熱容量を評価する必要があるさらに、バッテリーのサイズ、発熱量、放熱流量、熱伝導経路の距離など、放熱能力に影響を与える重要なパラメーターを決定する必要があります。セルレベルからの熱伝達挙動と熱伝達特性の解析は、現在のバッテリーパッケージングシステムの熱管理においてバッテリーセルの熱伝達能力を無視し、システム統合プロセスを強調することによって引き起こされる、不正確で詳細なシステムレベルの熱管理設計の問題を効果的に解決できます。効率的なバッテリーパッケージング熱管理システムのための新しいアイデアと方法を提供します。