新エネルギー車の動力バッテリー冷却技術のレビュー

エネルギー危機をさらに解決するために、中国は新エネルギーの開発を精力的に提唱しており、その中でも電気駆動の新エネルギー車は中国が新エネルギー応用に大規模に参入する重要な分野である。新エネルギー車とは、車両の動力源として非化石エネルギー（電気、太陽エネルギーなど）を利用することを指し、低炭素環境保護、高効率、省エネルギーという利点があり、将来の自動車産業の重要な発展方向となっています。新エネルギー車の核心部品の 1 つである動力バッテリーの性能は、車両の性能と安全性に直接影響します。しかし、動力電池は動作時に多量の熱を発生するため、その放熱の問題が開発を制限する重要な要因の1つとなっていました。本稿では、現在主流の対流放熱、空冷、液冷、ヒートパイプ冷却、相変化材料放熱の5つの放熱技術を概説し、その原理、長所と短所、用途を分析・比較し、新エネルギー車用パワーバッテリー放熱技術の開発に一定の参考値を提供する。

エネルギー貯蔵装置としてのリチウムイオン電池は、正極、負極、電解質、隔膜、シェルで構成されています。パワーバッテリーの発熱メカニズムには、主に化学反応熱、ジュール熱、分極熱、副反応熱などが含まれます。化学反応熱はバッテリー内部の化学反応によって一定量の熱が発生し、バッテリーの主な発熱源となります。バッテリーを充電すると、正極と負極の間の化学反応により多量の化学反応熱が発生します。ジュール熱は、バッテリーが動作しているときにバッテリーを流れる電流によって発生する熱です。この熱の発生はバッテリーの動作状態に関係します。たとえば、バッテリーの負荷が大きい場合、バッテリーに電流が流れる時間が長くなり、発生するジュール熱が増加します。分極熱は、電場の作用下でのバッテリー内の化学物質の分極です。この熱の大きさは、動作電圧、バッテリーの電流、および動作環境の温度に関係します。上記の 3 つの熱生成方法に加えて、バッテリーの使用中にいくつかの副反応も発生する可能性があり、これらの副反応によっても熱が放出されます。一般に動力電池の発熱メカニズムは複雑であり、使用環境や条件に応じて総合的に考慮する必要があります。

1.1 対流放熱技術

パワーバッテリー 対流放熱技術 は、バッテリー内部で発生した熱を空気の自然対流を利用し、ラジエターを通して放熱する技術です。対流熱はバッテリー パックと底部の熱伝導材の間の熱伝達によって放散され、バッテリー パックの側面は空気によって放散されます。この技術には高い熱伝達効率と優れた安定性という利点があり、バッテリーの動作温度を効果的に低下させ、バッテリーの耐用年数と安全性を向上させることができます。また、対流放熱技術には絶縁と衝撃吸収の効果もあり、バッテリー間の短絡や磨耗などの問題の発生を回避できます。

バッテリーが動作すると大量の熱が発生し、この熱が時間内に放散されないと、バッテリーの性能と寿命に悪影響を及ぼします。したがって、この熱はラジエーターを通して放散する必要があります。対流放熱技術の原理は、バッテリーパックとバッテリー底部間の熱伝達効率を高めることです。同時に、バッテリーパックの側面から空気が流れ、放熱効果が得られます。熱伝導性シリコーンシートの選択も対流放熱の効果にとって非常に重要です。現在、熱伝導性シリコーンシートの材質としては、シリコーンゴム、ポリウレタンエラストマーなどが一般的に使用されています。熱伝導性材料は、良好な熱伝導性と高温耐性を備えています。さらに、熱伝導性シリコーンシートの形状やサイズも実際の状況に応じて調整し、最適化する必要があります。

対流放熱技術の利点は、高い熱伝達効率と優れた安定性です。同時に、絶縁性と衝撃吸収性の利点もあります。ただし、この技術の欠点は、対流放熱機能を実現するために特定のハードウェア設備を増加する必要があることです。実際の使用においてより高い冷却効果を得るには、放熱接触面積を拡大するためにフィンなどの特別な部品を追加する必要があることがよくあります[3]。同時に、モデルや使用環境のニーズに合わせて設計を最適化し、計画を調整することも必要です。パワーバッテリーの対流放熱技術は主に一部のローエンド電気自動車に使用されていますが、技術の発展に伴い、一部の中級電気自動車にも対流放熱技術が適用され始めています。

1.2 空冷放熱技術

空冷放熱は 、ファンの作用によりバッテリー内の空気の流れを強化し、バッテリーから放散される熱を奪う方法です。この技術は構造が簡単で低コストという利点があり、一部の小型バッテリーパックやモバイルバッテリーパックに適しています。しかし、空冷放熱技術の熱伝達効率は低く、温度、湿度などの外部環境の影響を受けやすく、放熱効果に影響を与えます。

空冷ラジエーターはパワーバッテリーの空冷放熱技術の中核部品であり、主にファン、ヒートシンク、ヒートシールドなどで構成されています。ファンの役割は、ラジエーターに向かって空気を送り、熱を奪う空気の流れを作り出すことです。ヒートシンクは熱を空気に伝える重要な媒体であり、その形状、大きさ、材質が放熱効果に影響を与えます。ヒートシンクはバッテリーやラジエーターを埃や雨などの外部環境から保護するために使用されます。空冷放熱技術の原理は、空気流束を増加させ、それによってパワーバッテリーの熱を奪うことです。空冷による放熱効果のためには、ファンの選択も非常に重要です。現在、一般的に使用されているファンには、軸流ファンと遠心ファンの 2 種類があります。軸流ファンは低速運転に適しています。遠心ファンは高速動作シナリオに適しています。さらに、通気孔の設計では、バッテリーパックの空間レイアウトと構造特性も考慮する必要があります。

空冷放熱技術の利点は、構造が簡単で低コストであるという利点があり、一部の小型バッテリーパックやモバイルバッテリーパックの放熱要件に適しています。しかし、空冷放熱技術の熱伝達効率は低く、温度、湿度などの外部環境の影響を受けやすく、放熱効果に影響を与えます。さらに、バッテリーパック内のスペースは限られているため、通気孔の数とサイズも実際の状況に応じて調整し、最適化する必要があります。空冷放熱技術には騒音が大きいなどの欠点もあります。空冷ラジエーターはファンが存在するため、動作中に多少の騒音が発生します。パワーバッテリーの空冷技術は、主に一部のローエンド電気自動車や小型エネルギー貯蔵システムで使用されています。これらのシステムでは、コストとスペースの制約により、他の放熱方法は使用できないため、空冷放熱技術のみが使用できます。しかし、技術の発展に伴い、空冷放熱技術は一部のハイエンド電気自動車にも適用され始めています。

1.3 液冷冷却技術

液体冷却熱放散は 新しいタイプの熱放散であり、その動作原理は対流熱伝達を介した液体媒体の作用下でバッテリーの熱を放出し、バッテリー温度を低下させます。この技術には、高い熱伝達効率と良好な放熱効果という利点があり、バッテリーの動作温度を効果的に低下させ、バッテリーの耐用年数と安全性を向上させることができます。また、液冷技術は信頼性が高く、メンテナンスコストが低いという利点もあり、新エネルギー車の分野でも広く採用されています。

液冷冷却技術の原理は、バッテリーパックに冷却剤を注入し、冷却アルミニウムチューブを通じて熱を放散することです。冷却剤の選択は、液体冷却の効果にとって非常に重要です。現在、一般的に使用されている冷却剤は鉱油、合成油、水系冷却剤です。その中で、鉱物油は、優れた熱伝導率と高温耐性という特徴を持っていますが、環境に一定の汚染をもたらします。合成油はより優れた環境保護性能と高温安定性を備えています。水ベースのクーラントは、無毒で無害、環境保護に優れているなどの利点があります。クーラントを選択するときは、特定の用途シナリオに従って総合的に考慮する必要があります。現在、液冷冷却技術の研究は主に冷却プレート構造の設計に焦点を当てており、冷却プレートの設計は流路の設計に焦点を当てており、多くの場合、流路の形状、流路の数を変更してパワーバッテリーの熱放散に影響を与えます。流路の設計が複雑であればあるほど、全体的な放熱効果は向上しますが、加工が非常に複雑な場合が多く、コストが高くなり、実際の加工・製造では完成できない流路も存在するため、製造の難易度を十分に考慮して流路を設計し、総合的な放熱効果を考慮してプログラムを開発します。

液体冷却技術の利点は明らかです。まず第一に、バッテリーの動作温度を効果的に下げることができるため、バッテリーの耐用年数と安全性が向上します。第二に、液冷装置は構造が簡単であり、保守や交換が容易である。また、液冷技術は信頼性と安定性も高く、過酷な環境でも正常に動作します。ただし、液体冷却技術にはいくつかの欠点もあります。たとえば、コストが高く、設備の改修やメンテナンスにさらに多くの資金を投資する必要があります。同時に液漏れなどのトラブルにも注意が必要です。

1.4 ヒートパイプ冷却技術

ヒートパイプ冷却 はパワーバッテリーの新しい放熱方法であり、熱伝導率が高く、応用の可能性が優れています。ヒートパイプ冷却技術は、ヒートパイプの原理を利用して熱を放散する技術で、主にバッテリーシステムの冷却に使用されます。ヒートパイプは、細長いチューブとその端で接続された 2 つの金属フィンで構成される効率的な熱伝達要素です。バッテリー内の熱がヒートパイプに伝わると、ヒートパイプ内の液体が熱を吸収して蒸発し、大量の蒸気が発生し、チューブに沿って流れてバッテリー内の熱を奪います。最終的に、蒸気はラジエーター内で冷却されて液体となり、潜熱を放出して熱を放散します。ヒートパイプラジエーターは、パワーバッテリーヒートパイプ冷却技術のコアコンポーネントの1つであり、主にヒートパイプ、フィン、ファンなどで構成されています。ヒートパイプの役割はバッテリー内部の熱を放熱器に伝えることであり、フィンは放熱面積を増やし放熱効率を高めるために使用される重要な部品です。ファンは空気の流れを加速するために使用され、それによってラジエーターの放熱効果が向上します。一部のハイエンドバッテリーシステムでは、ヒートパイプ冷却技術が新エネルギー車、ドローン、その他の産業などに広く使用されています。継続的な技術開発とコスト削減により、ヒートパイプ冷却技術はより多くの分野で応用されると考えられています。

ヒートパイプ冷却技術には、高効率、省エネルギー、高信頼性、広い適用範囲、低メンテナンスコストという利点があります。高効率と省エネ：ヒートパイプ冷却技術はバッテリーから発生した熱を素早く伝達し、エネルギーの無駄を避け、エネルギー利用効率を向上させます。高い信頼性：ヒートパイプ冷却技術は密閉パイプ構造を採用しており、外部環境の影響を受けず、高い安定性と信頼性を備えています。幅広い応用範囲: ヒートパイプ冷却技術は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などを含むさまざまなタイプの電池システムに適しています。 低メンテナンスコスト: ヒートパイプ冷却技術は、構造が簡単で、メンテナンスコストが低く、長期安定した動作を実現します。

ヒートパイプ冷却技術の欠点も非常に明白であり、主に大容量、高コスト、大きな流体抵抗、およびその他の不利な要因が挙げられます。大容量: ヒートパイプは一定のスペースを占める必要があるため、従来の空冷方式と比較して、ヒートパイプ冷却技術はより多くの設置スペースを必要とします。高コスト: ヒートパイプ冷却技術の製造コストは比較的高く、その性能と寿命を確保するには高品質の材料とプロセスが必要です。大きな流体抵抗: ヒート パイプ内の液体の流れにより一定の抵抗が発生し、ヒート パイプの熱伝達効率に影響します。ヒートパイプ冷却技術には大きな騒音問題もあります。ファンの存在により、ヒートパイプラジエーターは動作中に一定の騒音を発生します。ヒートパイプ冷却技術は温度制御が難しく、放熱効果が環境要因に大きく影響されるため、温度制御が比較的困難です。

1.5 相変化材料冷却技術

パワーバッテリー相変化材料冷却技術は、相変化材料を放熱に利用する技術で、主に電池システムの冷却に使用されます。パワーバッテリー相変化材料放熱技術の基本原理は、相変化材料を放熱に使用することです。相変化材料は、特定の温度範囲内で多量の熱を吸収または放出できる材料の一種です。電池内部の熱が相変化材料に伝導すると、相変化材料の液体部分が熱を吸収して膨張し、気体になります。一方、固体部分は熱を放出して収縮します。このようにして、相変化材料はバッテリー内の熱をラジエーターに素早く伝達し、バッテリーの冷却を実現します。相変化材料ヒートシンクは、パワーバッテリーの相変化材料放熱技術のコアコンポーネントの1つであり、主に相変化材料、フィン、ファンなどで構成されています。

写真材料の冷却技術は、高効率と省エネ、高い信頼性、広い適用範囲、低いメンテナンスコストという利点を持っています。高効率と省エネ：相変化材料冷却技術は、バッテリーから発生した熱を素早く伝達し、エネルギーの無駄を避け、エネルギー利用効率を向上させます。高い信頼性：相変化材料冷却技術は安定した相変化材料を使用しており、安定性と信頼性が高く、長期間安定して動作できます。幅広い応用範囲: 相変化材料冷却技術は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などを含むさまざまなタイプの電池システムに適しています。 低いメンテナンスコスト: 相変化材料冷却技術は、構造が簡単で、メンテナンスコストが低く、長期安定した動作を実現します。

写真材料の冷却技術の欠点は、量が多く、コストが高く、温度範囲が限られていることです。大容量：相変化材料は一定のスペースを占める必要があるため、従来の空冷方式と比較して、相変化材料冷却技術はより大きな設置スペースを必要とします。高コスト: 相変化材料冷却技術の製造コストは比較的高く、その性能と寿命を確保するには高品質の材料とプロセスが必要です。限られた温度範囲: 相変化材料の温度範囲は狭く、特定の範囲内でしか放散できず、すべての作業条件のニーズに適応することはできません。

要約すると、対流放熱技術、空冷放熱技術、液冷放熱技術、ヒートパイプ冷却放熱技術、相変化材料冷却放熱技術が、5つの主流の新エネルギー車用パワーバッテリー放熱技術です。液体冷却技術には、高い熱伝達効率と良好な放熱効果という利点があります。空冷冷却技術は構造が簡単で低コストという利点があります。対流放熱技術は、高い熱伝達効率と優れた安定性という利点があります。ヒートパイプ冷却技術には、高効率と省エネルギー、高信頼性、広い適用範囲、低メンテナンスコストという利点があります。将来の開発では、さまざまなモデルのニーズと環境の用途に応じて 適切な放熱技術 スキームを選択する必要があり、既存の放熱技術を継続的に最適化および改善して、新エネルギー車のパワーバッテリーの性能と信頼性を向上させる必要があります。