動力電池の熱管理技術の分析
純粋な電気自動車
1 バッテリー冷却
一般的に、純電気自動車の動力バッテリーの冷却方法は、主に空冷、液冷、直接冷却の 3 つがあります。
1）空冷（エアクーリング）技術は、自然風または車両冷凍システムによって生成された冷気を使用して、熱対流または熱伝導によって熱を除去し、バッテリー冷却の目的を達成します。空冷技術は、システムがシンプルで、コストが低く、メンテナンスが容易であるという特徴があり、広く使用されています。
2) 液体冷却技術は、液体を熱伝達媒体として使用します。液体は、パワーバッテリー内のパイプを流れるときに熱を奪います。液体冷却で使用される液体は主に冷却剤であり、車両の冷却システム内を循環します。冷却剤によって奪われた熱は、ラジエーターを介して空気中に放散されます。一部の車両では、冷却システムにチラーと呼ばれる熱交換器が装備されており、車両の冷却システムと冷凍システムを結合して、システムの冷却効果を高めています。空冷技術と比較して、液体冷却技術は、強力な冷却能力、優れた均一性、高速性などの特徴があります。
3) 直冷技術は、冷凍システム内の冷媒を使用して動力電池の熱を直接奪い、動力電池内に膨張弁と蒸発器を設置します。冷媒は蒸発器で蒸発して熱を吸収します。直冷技術は液体冷却技術に熱交換器がないため、直冷の方が効率的です。ただし、動力電池を冷却する際に、冷凍システム内の冷媒の一部を迂回させる必要があり、車室の冷却効果に影響を与え、快適性が低下します。
2 バッテリー加熱
パワーバッテリーの加熱技術には、バッテリーの自己加熱と外部加熱要素の使用の2つの主なタイプがあります。バッテリーの自己加熱は、その名前が示すように、充電と放電中にバッテリーによって発生する熱を使用してバッテリーの温度を上げますが、この方法は加熱効率が遅く、基本的に放棄されています。
外部加熱素子の使用は主に加熱フィルムとPTCを使用します。加熱フィルムはバッテリーモジュールの表面に近く、電源を入れると熱を発生してバッテリーの温度を上げます。バッテリーの加熱方法は冷却方法と似ており、空気加熱、水加熱、冷媒直接加熱の3種類があります。
3 熱管理システム
バッテリーの冷却と加熱には、それぞれ異なる方法を選択できますが、車両の統合が進むにつれて、車両の熱管理システムに対する要求も高くなっています。そのため、バッテリーの冷却と加熱の両方を実現できる熱管理システムが登場しました。一部の車両では、ヒートポンプエアコンを使用した高度に統合された熱管理システムも開発されており、車両冷却システム、パワーバッテリーの冷却/加熱、車室の冷却と加熱の3つの主要システムを有機的に組み合わせています。
熱管理システムアーキテクチャ
純電気自動車の熱管理システムアーキテクチャを図1に示します。この熱管理システムは、ヒートポンプエアコンを使用して、バッテリーの直接冷却と加熱、電気駆動システムの冷却、および車室の冷暖房を実現します。電気駆動回路には、独立した水冷回路が設けられており、熱伝達用のプレート熱交換器を介してヒートポンプシステムに接続され、廃熱回収とストール加熱機能を実現できます。寒い冬には、ヒートポンプエアコンの暖房効果が低い問題を解決するために、PTCを組み合わせて車室の暖房効果を高めます。この熱管理システムは、複数のモードで冷暖房のニーズを満たすことができます。
熱管理システムの原理
システムには複数の動作モードがあるため、この記事ではバッテリーまたは車室の冷却モードと加熱モードの動作原理のみを紹介します。
1）動力電池の冷却原理。動力電池の温度が高く、冷却する必要がある場合、システム内のエアコン冷凍ソレノイドバルブ、空気熱交換ソレノイドバルブ、バッテリー電子膨張弁、バッテリー冷却ソレノイドバルブが開きます（バッテリー加熱ソレノイドバルブは閉じています）。冷媒がバッテリー電子膨張弁を通過すると、絞りによって膨張し、バッテリーパックプレート熱交換器で蒸発して熱を吸収し、熱を奪ってバッテリー冷却の目的を達成します。このとき、車室内にも冷却が必要な場合は、冷却電子膨張弁を開く（エアコン加熱ソレノイドバルブを閉じる）だけで、冷媒の一部が車内の蒸発器で蒸発して熱を吸収し、車室内の冷却を実現します。
2）動力バッテリー加熱原理。バッテリー温度が低く、加熱が必要な場合、システム内のバッテリー加熱ソレノイドバルブ、バッテリー電子膨張弁、水源熱交換ソレノイドバルブ、エアコン加熱ソレノイドバルブが開き（加熱電子膨張弁、エアコン冷却ソレノイドバルブ、空気熱交換ソレノイドバルブ、冷却電子膨張弁は閉じます）、コンプレッサーで圧縮された高温冷媒がバッテリーパックプレート熱交換器を流れて低温バッテリーを加熱します。加熱後、冷媒の温度は低下し、プレート熱交換器を流れ、電動駆動回路から熱を吸収し、廃熱回収を実現します。このとき車室も加熱する必要がある場合は、加熱電子膨張弁を開くだけで、高温冷媒の一部が車内のコンデンサーを流れ、車室に熱を放出し、プレート熱交換器の前でバッテリー加熱冷媒と合流してサイクルに参加し続けます。周囲温度が非常に低い場合、システムはPTCをオンにして車室の加熱を支援します。
