バッテリー熱管理システムで効率を上げる秘訣

はじめに

バッテリー熱管理システムとは？

温度管理が譲れない理由

• パフォーマンス 最適化: 最適な温度範囲では、バッテリーは最高の性能を発揮します。低すぎる温度では、内部抵抗が増加し、その結果、発電量が減少し、充電量も減少し、エネルギー量も減少する。一方、高温になると化学反応が促進され、容量が低下したり、熱暴走の可能性が高まったりする。例えば、リチウムイオン電池の場合、低温（0℃）では高温（25℃）に対して定格の半分の出力しか得られず、高温（50℃）では低温の数％しかサイクル寿命が持たないことがある。したがって、バッテリーの温度制御を均一にすることで、出力を最大化することができる。
• 寿命の延長： バッテリーの劣化に影響を与えるという点で、おそらく最も重要な要因はバッテリーの温度である。温度の上昇はバッテリー内の寄生副反応を触媒し、恒久的な容量劣化をもたらす。安定した動作温度範囲は理想的な条件であり、電池のカレンダー寿命とサイクル寿命を大幅に延ばすことができる。文献によると、最適な温度レベル（例えば25℃から35℃）より10℃高くなると、バッテリーの寿命は半分になる。最新のバッテリー管理システムは、長期的な耐久性を視野に入れ、これらの変数を注意深く監視しています。
• 安全性 保証する： 残念ながら、不適切な熱管理がもたらす最も悪質な一般的影響は、熱暴走と呼ばれるものだ。これは、わずかな温度上昇でもさらに大きな温度上昇をもたらす正帰還ループであり、しばしば火災や爆発を引き起こす。このような事故に対する主な防御策は、温度を継続的にチェックし、事故を回避するために迅速に行動を起こす、しっかりとしたBTMSである。パック内のすべてのセルを均等な温度に保つことで、熱暴走の前にしばしば起こる、特定のセルがホットスポットになる可能性もなくなります。
• 急速充電の実現： 高速充電の新しいトレンドに伴い、バッテリーは多大な熱負荷にさらされている。大きな充電電流は多くの熱を発生する。この熱を便利かつ迅速に排出するBTMSが作動しない限り、長期的なバッテリー性能を望む高速充電の可能性は、バッテリーの早期劣化や爆発によって極端に低下してしまう。これらのシステムは、少ない電力で高速充電を可能にし、バッテリー温度をインテリジェントに制御することで安全性に影響を与えません。

主要コンポーネントと設計上の考慮点

BTMSの必須ハードウェア

• 冷却プレート/パッド： これらは通常、バッテリーセルやモジュールと直接接続され、熱交換の主要な媒体となる。直接触れるように作られている場合もあれば、熱インターフェース材料を使用する場合もある。また、重要なセル表面への熱を効果的に除去するために、高熱伝導性材料が使用されることもあります。
• ポンプとファン は、冷却流体（液体システムの場合）または空気（空冷システム）を熱管理ループに通す重要な役割を果たします。その効率と信頼性により、運転過程で発生する熱をその形態で伝達する上で最も重要な役割を果たします。
• 熱交換器 ラジエータ これは、冷却液の熱を周囲に放出させる装置で、バッテリーパックに奪われる熱エネルギーを変換し、利用される電気エネルギーの比率を維持する。
• ヒーター:寒冷地では、バッテリーを最適な作動温度に初期設定するためと、コールド・スタートやコールド・チャージなど必要なときに最適な充電効果を確保するために、予熱が必要です。
• 温度センサー： 温度、電圧、電流センサーのネットワークは、BTMSコントローラーにリアルタイムデータを提供し、正確なモニタリングと熱イベントへの迅速な対応を可能にします。これはまた、バッテリー寿命延長の鍵となる均一な温度分布の維持をサポートします。
• バルブ-パイプ/ダクト システム内の冷却液や空気の循環を調整し、熱を行き渡らせるべきところに行き渡らせる。
• サーマルインターフェイス材料（TIM）： 発熱部品（バッテリーセルなど）とヒートシンクや冷却プレートとの界面に塗布される材料には、サーマルペースト、ギャップフィラー、パッドなどがあり、ターゲット界面の熱伝導性を高め、熱抵抗の大きさを減少させるのに役立ちます。TIMはモジュール内の均一温度に関係する。

BTMS設計の課題を克服する

• エネルギー消費（寄生ロス）： 冷暖房システムは電気エネルギーを使用するため、EV全般の効率やESSの正味出力に影響を与える可能性がある。コンポーネントの効率化（高効率ポンプやファンなど）は非常に重要である。
• 複雑性とシステム統合： BTMSは潜在的に複雑である（多くの流体ループ、センサー、制御システムを持つ可能性がある）。これらを密に詰まったバッテリーや車両の基幹部分に簡単に組み込むことができるかどうか、またそれを整備できるかどうかは、本質的にそのようなユニットのエンジニアリングに挑戦するものである。
• 重量と ボリューム: BTMSはバッテリーパックに重量増と体積増をもたらし、エネルギー密度と車両性能に不利をもたらす。設計者は常に、熱伝導率の高い川を提供する、より軽量で小型のソリューションを使用したいと考えています。
• コストだ： 高性能BTMSの製造に必要な材料は特殊で、製造工程は複雑で、制御システムは高度であるため、運転コストが高くなる。性能と費用対効果のバランスを取ることは、特に電池用途の様々な主要分類の中で、大規模展開に不可欠な変数である。
• 温度の均一性： 大きなバッテリーパックのすべてのセルの温度を同じにすることは非常に難しい。ホットスポットやコールドスポットがパックの寿命を縮める可能性があるためです。この課題に関連する要件は、革新的なサーマルチャンネル、高性能TIM、および均一な温度分布を確保するための精密なフロー管理を利用することです。
• メンテナンス そして信頼性： BTMSの部品、特に流体の流れに関連する部品は、現在および将来にわたって信頼性が高く、メンテナンスが容易であるように設計されなければならない。部品の故障はバッテリーシステムの効率に悪影響を及ぼす可能性があり、漏れやその他の要因による場合もあります。

さまざまなタイプのBTMS

アクティブ冷却システム

• 空冷: 最も効果的であることに加え、最も安価でシンプルである。熱は周囲の空気に放散され、通常はファンやブロワーによって動かされる。空気の流れの効率を利用することは、最大の性能を達成しようとするときに考慮すべき主な要因である。低電力密度の小型バッテリーパック（例えば、一部のハイブリッド車や小型EV）ではすでに適切な方法だが、高出力の急速充電アプリケーションでは熱伝導率が低いため、十分な効果は得られない。しかし、熱伝導率が低いため、高出力の急速充電用途には十分な効果を発揮できない。
• 液体冷却： 高出力バッテリー（EVの潮流、高出力ESSなど）の能動的冷却の無冠の最も広範な形態。液体冷却剤（グリコール-水混合物、アビオダクト流体など）が使用され、空気よりもはるかに熱伝導性が高く、動作中に液体状態のバッテリーをより効率的に取り扱うことができる。液体冷却には2つの方法がある：
  • 間接的な液体冷却： 間接的な液冷ソリューションでは、コールドプレートやチューブの拡散冷却器内に冷却液回路を設けることになる。セルは冷却液に直接触れることはない。これは最も広く普及している手段で、通常、ラジエーターやチラーなど他のユニットを取り囲む大きな冷却回路の一部となる。
  • 直接浸漬冷却： 直接浸漬冷却では、非導電性の誘電冷却剤にバッテリーセルを直接浸漬します。より高い伝熱性能と温度均一性を持ち、精密な制御には特殊な誘電体流体と適切なシーリングが必要です。
• 冷媒ベースの冷却（直接膨張式冷却）： エアコンのようにバッテリーパックを冷やすシステムで、冷媒を使って直接冷却する。強力な冷却と加熱が可能だが、さらなる複雑さとコストがかかる。

パッシブ・クーリング

• 自然対流と放射： 気流を介した単純な熱伝達の操作だけでなく、赤外線と呼ばれる熱の一種がバッテリー表面から放射される。熱負荷が大きい場合には性能が低いが、熱伝導性の高い素材を使用することで表面伝導のレベルを高めることができる。
• ヒートシンク： 高い表面積を持つ金属フレームで、受動的な手段によって熱を周囲の空気に循環させる。ヒートシンクは他の冷却技術と組み合わせて使用されることが多く、相転移と毛細管力の両方を利用してホットスポットから熱を運び出す密閉容器であるヒートパイプと組み合わせることもある。
• 相変化 材料（PCM）： ある温度で相転移（例：固体から液体へ）を起こしたときに大量の潜熱を吸収し、相転移が逆方向に進んだときに同量の熱を戻すことができる材料。高温スパイクを吸収し、短時間でバッテリーを妥当な範囲に保つことができる。PCMは脆いという事実と相まって、簡単かつ堅牢なソリューションを提供するが、蓄熱性は低く、重量も重い。再生するには、周囲温度が融点以下である必要がある。

  BTMSタイプ	プライマリー・ミディアム	メリット	デメリット	代表的なアプリケーション
  空冷	空気	シンプル、低コスト、軽量	熱伝達率が低く、均一性に欠ける	低電力EV、HEV
  液体冷却	液体	高い熱伝導、良好な均一性、正確な制御	複雑、漏れの可能性、より重い	ハイパワーEV、ESS
  浸漬冷却	誘電流体	優れた熱伝導、優れた均一性	特殊な流体、コスト、シーリングの課題	HPC, 未来のEV, ESS
  パッシブ（PCM）	相変化材料	シンプル、アクティブパワーなし、トランジェントに有効	蓄熱量が限られ、再生が必要で、より重い	ハイブリッドBTMS、バッファー

ハイブリッド・アプローチ

BTMSの応用

適切なバッテリー熱管理システムの選択

• バッテリーの化学と設計 特定のバッテリー化学物質（例えば、LFP、NMC）は、理想的な温度レジームと同様に、異なる熱感受性を示す。セルの物理的な形状（円筒形、パウチ形、角柱形）も、熱をいかに効果的に伝達できるかを決定する。円筒形のセル・アレイでは直接気流が有効であろうし、大きな角柱形のセルでは、コールド・プレート・コンタクトや、相変化と高い蓄熱能力に基づくシステムが有効であろう。
• 応募資格
  • パワー密度とピークパワー： 高出力の製品（例：スポーツEV、グリッド規模の高速応答ESS）は大量の熱を消費するため、液冷／液浸冷却のような効果的な能動冷却メカニズムを適用する必要がある。低出力を必要とするその他の用途では、空冷を採用することができる。
  • 充電率： 急速充電や超急速充電による劣化や熱暴走を避けるためには急速な放熱が必要だが、低速充電の場合はその逆である。
  • 営業 環境: 厳しい環境温度条件（高温と低温）があり、高出力の冷暖房システムを備えたBtmsが必要となる。高地では空気密度が低くなるため、ファンベースの空冷方式に直接影響を与える。
• コストとパフォーマンスのトレードオフ： より先進的なBTMSはより優れた性能を持つが、より高価である。徹底的な費用便益分析により、初期投資と長期的なバッテリー寿命と効率向上の妥協点を確認する必要がある。
• スペースと重量の制約： EVのようなユースケースでは、1キロでも1立方センチメートルでも重要だ。軽量でコンパクトなBTMSシステムも特に求められており、特に適切なコストで許容可能な熱容量を提供できる材料を選択することに関しては、材料科学の革新の共通の力となっている。
• メンテナンス そして信頼性： 選択されるシステムは、予想される寿命内で信頼できるものでなければならず、メンテナンスが可能である必要がある。それぞれ、流体の適合性、シールの完全性、コンポーネントの寿命といった要素が重要である。
• 安全性 基準と規則： BTMSの設計と検証において、特に熱暴走伝播に関しては、従わなければならない厳格な国際安全基準（UN ECE R100、ISO 26262など）と国内安全基準がある。
• 通常、シミュレーションとモデリングに裏打ちされた）これらの側面をより実証的に研究することは、エンジニアとシステムインテグレーターが、与えられた状況において最適かつ適切なBTMSを決定するのに役立つ。

最適なパフォーマンスを引き出す：ACDC FANSがBTMSをどのように強化するか

• 過酷な条件下での優れた耐久性／寿命： これはBTMSにおける重要な関心事であり、BTMS開発において直面する主要な問題である。当社のファンは、-40 °Cから120 °Cという、通常よりもかなり過酷な温度域を想定して設計されています。長寿命に対する当社の取り組みは模範的であり、当社のファンは40℃で70,000時間の寿命を持っています。空気密度の軽い高地では、当社のファンは非常に強力であることが証明されており、その平均故障時間は3年以上です（業界平均は1年）。これは、メンテナンスの必要性を減らし、均一な冷却を保証する耐久性のある設計で、バッテリーの寿命を直接延ばし、お客様が運用するコストを削減します。
• 重要な冷却のための安定した空気性能： 液体システムの効果的なBTMSまたは補助冷却には、安定したエアフローが必要です。効果的なBTMS、または液体システムの補助冷却を必要とするクリティカルクーリングアプリケーションは、安定した空気性能に依存しています。当社のキャビネット冷却ファンのフレームは、最高グレードのアルミニウムと3～5個の%銅で構成されており、30個の%により安定した性能を発揮します。これにより、安定した熱損失を実現し、温度変動の発生を排除し、バッテリーパック全体の熱の対称的な流れを確保します。弊社はCE、UL、RoHS認証、EMC認証を取得し、製品の優秀性を定期的に保証しています。
• スーペリア IP68 信頼性に対する保護： バッテリーは通常、湿気や埃の影響を受ける環境で使用されます。また、繊細なBTMSコンポーネントをシールドすることも重要です。ACDC FANSは高品質のDCファンを取り扱っています。IP保護レベルIP68に対応する高度に洗練されたブラシレスモーターを搭載しており、水、埃、湿気に対する卓越した保護を提供します。これにより、悪条件下でも冷却システムが故障することなく継続的に動作する方法を提供し、それゆえ安全性と機能性のためにバッテリーをバックアップしています。

結論スマートな熱管理で前進する