解決策

新エネルギー車両向け熱伝導スキーム

EVバッテリーソリューション - 電子部品冷却用のサーマルインターフェース材料

熱管理システムの重要性
バッテリーの熱関連の問題は、その性能、安全性、寿命、コストを決定する重要な要素です。

まず、リチウムイオン電池の温度レベルは、使用中のエネルギーおよび出力性能に直接影響します。温度が低いと、電池の利用可能容量が急速に低下します。また、低温（例えば0℃未満など）で電池を充電すると、瞬間的な電圧過充電現象が生じ、これが内部のリチウム析出を引き起こし、短絡を招くことがあります。

第二に、リチウムイオン電池の熱関連問題は、直接的に電池の安全性に影響を及ぼします。製造工程における欠陥や使用中の不適切な操作が原因で、電池の一部が過熱することがあり、それが連鎖的な発熱反応を引き起こし、最終的には煙や火災、さらには爆発といった深刻な熱暴走事故を招くおそれがあります。これにより、車両の運転者や乗客の生命が脅かされることになります。

さらに、リチウムイオン電池の動作温度や保管温度は、その使用寿命に影響します。電池に適した温度は約10～30℃で、これより高温または低温になると、電池の寿命が急速に低下してしまいます。

大規模なパワーバッテリーは、表面積と体積の比率が相対的に低下するため、バッテリー内部の熱が放散しにくくなり、内部温度の不均一や局所的な過剰な温度上昇といった問題が生じやすくなります。これにより、さらにバッテリーの劣化が加速し、寿命が短縮され、ユーザーの総コストも増加します。

バッテリーの熱管理システムは、バッテリーの発熱関連の問題に対処し、パワーバッテリーの性能、安全性、寿命を確保するための基幹技術の一つです。熱管理システムの主な機能には以下が含まれます：
1) バッテリー温度が高くなった際の効果的な放熱により、熱暴走事故を防止します。
2）バッテリー温度が低い場合はウォームアップを行い、バッテリー温度を上昇させ、低温時の充放電性能と安全性を確保します。
3）バッテリーパック内の温度差を低減し、局所的な高温域の形成を抑制し、高温箇所でのバッテリーの過早劣化を防ぎ、バッテリーパック全体の寿命を短縮します。

テスラ ロードスター サーマルマネジメントシステム
テスラロードスターのバッテリーの熱管理システム

テスラモーターズのロードスター純電気自動車は、液体冷却式のバッテリー熱管理システムを採用しています。車両に搭載されたバッテリーパックは、18650型リチウムイオン電池6831個で構成されており、そのうち69個が並列接続されて1セット（ブロック）を形成し、9セットが直列接続されてシート状となり、最終的に11層が直列に積み重ねられています。また、バッテリー熱管理システムの冷却液は、水とエチレングリコールを50％ずつ混合したものです。
図1。
(a) はシート内部の熱管理システムです。冷却パイプはバッテリー間をジグザグに配置されており、冷却液がパイプ内を流れることで、バッテリーから発生する熱を奪い取ります。
(b) は冷却パイプの構造を示す模式図です。冷却パイプの内部は、図1に示すように4つのチャンネルに分かれています。
(c) 熱管理システムは、流動中の冷却液温度の徐々な上昇を防ぐため、双方向の流路設計を採用しています。冷却パイプの両端が図に示すように、それぞれ液体の入口と出口となっています。図1に示す通りです。
(d) バッテリー間およびバッテリーと配管の間に、電気絶縁性がありながら熱伝導性の良い材料を充填してください。

機能は次のとおりです：
(1) バッテリーと放熱パイプの間の接触形式を、線接触から面接触に変更する；
(2) はい、セル間の温度均一性を向上させることは有益です。
(3) バッテリーパックの全体的な熱容量を増加させることで、全体の平均温度を下げることが有益です。

上記の熱管理システムにより、ロードスターのバッテリーパック内個々のセル間の温度差は±2℃以内に制御されています。2013年6月の報告によると、10万マイル走行後も、ロードスターのバッテリーパックの容量は依然として初期容量の80%～85%を維持でき、容量の劣化は明らかに走行距離と関連していますが、周囲温度には依存しません。一方、車両の経年変化との関係は明確ではありません。これらの成果を達成するためには、バッテリーの熱管理システムが強力に支えていることが不可欠です。

テスラ電池熱管理システムの放熱原理
Uniontendaテクノロジーの熱対策ソリューションにより、車のバッテリー性能がより安定し、バッテリーパックのライフサイクルが延び、バッテリーパックが最高のパフォーマンスを発揮できるようになります。
放熱原理：バッテリーが動作中、大量の熱が発生します。この熱は、熱伝導性シリコーンシートを通じて水冷チューブに伝えられ、さらに水冷チューブから冷却液へと移されます。水冷チューブ内の液体は、バッテリーパック内を流れ、熱を除去します。
国内有名自動車メーカーのバッテリー熱管理システムの放熱原理
熱放散の原理：ファンを用いて積極的に熱を放散し、ファンが風を供給。その風がバッテリーパック内部を加熱するための流路へと流れ込みます。また、熱伝導性シリコーンパッドをバッテリーパックの上下部に取り付けることで、パック内の温度差を5°C以内に制御。さらに、この熱伝導性シリコーンパッドが温度を外側のアルミシェルへと誘導し、バッテリーモジュール全体の温度差を5°C以内に抑えます。これにより、バッテリーパックの設計要件を満たし、走行中のバッテリーパックの寿命を延ばし、より安定した性能を実現します。


放熱原理：バッテリーパックはパッシブ放熱方式を採用しています。バッテリーパックとアルミヒートシンクの間にサーマルパッドを貼り付けます。このサーマルインターフェース材料が温度をアルミプレートに伝え、アルミプレートが空気と熱交換を行います。
放熱原理：バッテリーパックはパッシブ放熱方式を採用しています。バッテリーパックとアルミラジエーターの間に熱伝導シートを貼り付けます。この熱伝導シリコーンシートが温度をアルミラジエーターに伝え、アルミラジエーターが空気と熱交換を行います。