安全性と長寿命を実現するバッテリー熱管理ソリューション

はじめに

電気自動車とエネルギー貯蔵システムは、最近注目を集めている。しかし、これらの技術で重要視されていないのがバッテリーの熱管理であり、この観点からの成長が注目されている。エネルギー容量と充電率の向上を目指した新しいバッテリー技術の開発が進むにつれ、バッテリーパック内で生成される熱エネルギーへの配慮が不可欠になります。

これらのシステムの大半で最適な温度を維持するためには、包括的なバッテリー管理システムが必要です。バッテリーの熱管理が不十分な場合、セル内の温度差の結果、性能低下、バッテリー寿命の短縮、アーク放電不良が発生する可能性があります。バッテリーの熱管理システムは、電気自動車の分野のような電子機器にとって特に重要です。

この記事では、バッテリーシステムの保護と寿命延長のために、発熱の科学と冷却ファンの重要性を含む冷却技術について紹介する。

バッテリー熱管理とは？

簡単に定義すると、バッテリー熱管理という用語は、バッテリーまたはバッテリーパックの温度を許容範囲内に維持するために使用される一連の方法と対策として説明することができます。バッテリーシステムの不可欠な部分であり、さまざまなコンポーネント、ハードウェア、ソフトウェアで構成され、その主な目的は、高温の影響に対する防御、温度範囲の管理、熱伝達の制御です。

これらのソリューションは、バッテリー内の電気エネルギー供給を制御するために不可欠であり、最新のアプリケーションに適合させるため、常に改良が求められている。

なぜバッテリーの熱管理が重要なのか？

効果的なバッテリー熱管理の重要性にはいくつかの理由がある。第一は熱暴走の回避である。熱暴走とは、セル温度が上昇し、一連の発熱現象が活性化し、発火や爆発を引き起こす危険な状況である。

第二の要因は、極端な温度はセル内の電気化学を阻害する可能性があるため、バッテリーセル内の適切な温度レベルが効果を向上させるということである。

さらに、優れた熱管理システムがバッテリーを経年劣化から守り、バッテリーが高温にさらされた場合でもバッテリー容量を維持することも理由のひとつだ。

Journal of Power Sources誌に掲載された研究によると、バッテリーの動作温度が10℃上昇すると、サイクル寿命が50%まで低下する可能性がある。

バッテリー温度に影響する要因

バッテリーセルとバッテリーパックの温度を支配するいくつかの要因には、次のようなものがある：

周囲温度： 外部の天候の温度は、バッテリーの温度に大きな影響を与える可能性があります。

充放電率： 急速な充放電は、電流の流れによる温度上昇を引き起こす可能性がある。

その他、気温を左右する要因には次のようなものがある： セルの化学的性質、バッテリーパックの設計、その他が決定要因である。

バッテリーパック デザイン： 布製の冷却チャンネルと同じように、利用可能な物質を含むバッテリーパックの設計は、熱管理に大きな役割を果たす。

電気エネルギーの使用量： 電気エネルギーの使用習慣も温度の変化につながるかもしれない。

これらの点を考慮することは、将来的にBTMの熱管理技術を開発し、ひいてはバッテリー・システムの性能を向上させるのに役立つため、重要である。

バッテリー発熱の科学

電池の熱管理の重要性を理解するためには、電池の発熱の原因となる要因や、エネルギー密度と温度条件の大きな影響について学ぶことが重要である。

化学反応と発熱

電池がエネルギーを受け取り、放出するとき、すべてではないにせよ、電池内部の化学的プロセスが進行し、その際にエネルギー、つまり熱が放出される。この熱の発生は、セル内で起こる電気化学反応の自然な結果である。熱の発生量には、セルの化学的性質、電流の流れ、内部抵抗など、多くの要素が影響します。一方、エネルギー密度が高い電池は、オーバーヒートシナリオを回避するために制御する必要がある発熱量を増やすことができる。

発熱に影響する外部要因

内部発熱とは別に、外部要因もバッテリーの温度に大きく影響する。例えば、周囲温度はセルやバッテリーの熱傾向に大きな影響を与える。周囲温度が高い場合、進行中の反応がさらに加速され、熱の発生速度が増加し、熱暴走に至る可能性がある。また、直射日光やその他の熱源は、当該電池の温度を上昇させる可能性がある。これらの側面を制御するために、安全性を高め、電池システム内の平衡温度を制御するために、さまざまな冷却方法を適用することができます。

バッテリーの冷却方法

バッテリーを冷却するためのさまざまなアプローチが、加熱の影響を減らし、バッテリーの温度を良好に保つことを目的として考案されてきた。各アプローチには、熱を確実に管理するための特有の設備がある。

空冷と液冷の比較

バッテリーの過熱対策として、空冷と液冷の2つの技術を採用することができる。空冷では通常、冷却ファンや送風機が使用され、活発に流れる空気によってバッテリーパックの冷却を助ける。これは、それほど複雑でなく、安価な冷却方法ですが、ほとんどの場合、空気の低い熱伝導率に依存しているため、高性能システムのニーズに対応するには十分な効果が得られません。

液冷は、水やグリコールなどの流体冷却剤をヒートパイプで移動させ、バッテリーセルの熱を吸収して移動させるだけです。この方法は熱の移動効率が高いが、方法の効率を高めるために熱伝導性の高い材料を使用するため、設備にコストと複雑さが加わる。

パッシブ冷却とアクティブ冷却

パッシブ・バラエティの冷却は、バッテリーパックから熱を除去するために使用される伝導や対流などの自然な熱伝達原理に基づいています。通常、ヒートシンクや熱伝導性物質（通常は合金や複合材料）を配置し、可動部品を使用せずに熱管理を強化します。この方法の効果を高めるには、バッテリー筐体の設計も重要です。

一方、能動的冷却とは、ファン、ポンプ、ヒートパイプなどの外部エンハンサーを使用し、バッテリーシステムからの熱除去を補助することである。この方法は、より制御された温度動作範囲を提供しますが、エネルギー消費の増加という代償を伴います。これらのシステムは、異なる熱伝導率のニーズに適応するように設計されており、複雑さと効率のトレードオフを最小限に抑えています。

冷却方法	説明	主要コンポーネント	メリット	デメリット
空冷	ファンやブロワーを使って空気を循環させ、熱を放散させる	冷却ファン、送風機	低コスト、シンプル設計	熱伝導率が低く、高性能システムには効果的ではない
液体冷却	液体クーラントを使用し、細胞から熱を吸収して移動させる	ヒートパイプ、熱伝導性材料	熱伝達効率が高い	より複雑でコストがかかる
パッシブ・クーリング	伝導と対流による自然な熱伝達に頼る	ヒートシンク、熱伝導性エンクロージャー	可動部品がなく、低エネルギー消費	周囲条件による制限
アクティブ冷却	熱除去を強化する機械装置を使用	ファン、ポンプ、熱交換器	温度管理、適応性	エネルギー消費量の増加

新たな冷却技術

エネルギー電池に対する大きな需要のため、研究者や技術者は電池の熱管理を強化する新しい革新的な方法を模索している。そのような斬新なアプローチのひとつが、相変化材料（PDM）の使用である。この材料は、高い熱伝導性と薄い壁を備えているため、熱の蓄積を最小限に抑えることができる。これらの材料は相変化温度を利用することで一定の温度を保つことができ、高い熱伝導率のおかげで効果的な温度調節が可能になる。もうひとつの新しい方法は、ペルチェ効果を利用してバッテリー・セルから積極的に熱を奪うサーモエレクトリック冷却を利用することで、温度変動を正確に管理する条件を作り出すことである。

ハイブリッド冷却システムは、性能向上のために異なる冷却方法を統合します。例えば、ハイブリッドシステムは、アクティブ冷却素子とパッシブ冷却素子の両方を組み込むことで、空冷と液冷を組み合わせて効率を高めることができます。この方法論により、さまざまな動作シナリオで効果的な放熱が保証され、システムの信頼性が向上します。バッテリーの熱管理の分野では、ハイブリッド・システムは、複数の材料の熱伝導率を利用して最適な熱管理を実現する複数の技術を組み合わせ、バッテリーの動作範囲を拡大します。これらの高度な技術の統合は、熱管理システム、ひいてはエネルギー貯蔵技術に新たな可能性を開きます。

冷却ファン：バッテリーの熱管理における重要なコンポーネント

バッテリー熱管理システムのほとんどすべての空冷設計において、冷却ファンは最も不可欠なコンポーネントの一つです。最小限のコストで合理的なバッテリーコンディションを実現するためには、これらを適切に実装することが重要です。

バッテリーの熱管理における冷却ファンの役割

強制「空冷」コンセプトの基本は、バッテリーセル全体に空気の流れを作り、バッテリーパックから熱を持った空気を排出する冷却ファンの応用にあります。これは、効率的な熱伝達を促し、伝導によるホットスポットの形成を回避する制御された熱風の移動を提供するのに役立ちます。熱除去機能を補助するために、熱交換器を追加で取り付けることもできます。

スペースの制限やコストの制約の他に、使用する冷却ファンのタイプを選択する際に考慮すべき主な点は、バッテリーシステムの熱力学と車両設計です。軸流ファンは構造が単純で低コストであるため、低圧で気流を発生させることができ、大容量の気流を必要とし、スペースに制限がないほとんどの用途に実用的です。

対照的に、遠心ファンまたはラジアルファンは運転圧力が高いため、狭い通気口やダクト、その他の複雑なシステムを通して気流を放出する設備で一般的に使用されます。

バッテリーシステム特有の熱的・空間的制約のニーズは、通常カスタムファン設計を必要とします。エンジニアは、ブレードの形状やサイズ、回転速度を調整することで、可能な限り最高の冷却性能を達成しつつ、電力使用量とエアフロー効率を最小限に抑えることができます。今日、自動車のコンセプトが進歩するにつれて、バッテリーの性能と信頼性をさらに向上させるためには、オーダーメイドのファンソリューションを提供することが重要になっています。

特定用途向けバッテリー熱管理

バッテリーの熱管理方法はアプリケーションに特有である。しかし、冷却ファンには幅広い用途があり、多くの産業で大きな効果を発揮します。ここでは、電気自動車と定置型エネルギー貯蔵のような2つの特定分野での用途を検証してみよう。

電気自動車

電気自動車にとって、バッテリーパックは航続距離、性能、安全性の面で最も重要な部品である。さらに、急速充電や高性能運転のシナリオはバッテリーにストレスを与える可能性があり、効果的な熱管理が必要です。ほとんどの電気自動車は空気と液体の両方の冷却材を使用しており、このようなセットアップでは、燃料強制空冷クーラーシステムに冷却ファンが必要不可欠です。これらのファンは、温度を下げ、熱を除去しやすくするために、バッテリーセル表面に気流を導く役割を担っています。最後に、車室内の空調ファンを使用することで、両システムの冷却と統合が可能になり、設計手順が簡素化されます。

定置型エネルギー貯蔵

再生可能エネルギーやグリッド・アプリケーションのエネルギー貯蔵システムのような組込み型エネルギー貯蔵にも、効果的なバッテリー熱管理システムが求められている。ほとんどの場合、過剰な熱を発生する大型バッテリーパックがこれらのシステムに組み込まれています。このような状況では、周囲の温度を保ち、熱暴走を避けるために、効果的なエアフローを提供する冷却ファンの支援が必要となります。冷却要件と構成上の制限の観点から、定置型エネルギー貯蔵には軸流ファンと遠心ファンが一般的に採用されています。動作プロファイルから、これらのバッテリーは長期使用向けに設計されており、ファンは均一な温度、ひいてはシステムの信頼性と耐久性を確保するのに役立つことがわかります。

結論

他の多くのシステムと同様に、リチウム電池システムも、安全基準や運用目標を満たし、長期間の使用に耐えるためには、効果的な熱制御対策が必要であることは明らかです。モバイル機器がますます高性能になり、熱容量のための強化されたシステムを必要とするようになるにつれ、適切な熱管理の必要性は高まり続けています。バッテリーの熱管理システムを統合することで、さまざまなデバイスに対応し、振動や衝撃にも対応できる構造を作ることができます。電気自動車や静止エネルギーシステムなど、さまざまな垂直方向の異なる温度を制御することも、専門的に設計された車両バッテリー熱管理システムによって効果的に管理することができます。

電気自動車が世界的に普及し、再生可能な蓄電装置と混在できるようになることを考えると、バッテリーの熱管理が与える影響は大きく、技術が世界的に受け入れられるようになる。システム設計は、バッテリーパックやセルレベルの新しいデバイスを受け入れるだけでなく、マルチレベルの構造設計の例も含むことができる。