熱管理システムとは何ですか?
熱管理システム
バッテリーの熱管理は、バッテリーの性能に対する温度の影響に基づき、バッテリーの電気化学的特性と発熱メカニズムを組み合わせ、特定のバッテリーの最適な充放電温度範囲に基づいて、バッテリー動作中の過度の高温または低温によって引き起こされる放熱や熱暴走に対処する技術です。これは、材料科学、電気化学、熱伝達、分子動力学、その他の分野に基づいた合理的な設計によって実現されます。バッテリーパックが良好な性能を維持するには、適切な動作温度範囲を維持することが不可欠です。したがって、リチウムイオン電池パックの合理的な熱管理スキームを設計することは、電池システムの全体的な性能を向上させる上で非常に重要です。
バッテリーパックの熱管理システムには、次の 5 つの主な機能があります。 ① バッテリー温度の正確な測定と監視。 ②バッテリーパックの温度が高すぎる場合の効果的な放熱と換気。 ③ 低温条件下での急速加熱。- ④有害ガス発生時の効果的な換気。 ⑤ バッテリーパック内の均一な温度分布を確保します。
バッテリーパックの熱管理システムの設計プロセス
高性能バッテリー パックの熱管理システムには、体系的な設計アプローチが必要です。-現在、熱管理システムには多くの設計手法が存在します。最も一般的に使用されているのは、米国国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) によって設計されたバッテリー パックの熱管理システムです。その設計プロセスには次の 7 つのステップが含まれます。
1) 熱管理システムの自己性能と要件を決定します。-バッテリーの温度特性と適切な動作温度範囲に基づいて、熱管理システムの制御自己口径を決定します。-たとえば、リチウム-電池の適切な動作温度は 10 ～ 40 度で、下限温度は 0 度、上限温度は 45 度です。-したがって、熱管理システムの設計では、バッテリーの極端な動作温度を満たしながら、バッテリーの適切な動作温度要件を満たすように努める必要があります。
2) モジュールの発熱と熱容量を測定または推定します。バッテリーの充電-テストとバッテリーの比熱容量に基づくシミュレーション計算を通じて、熱放散や加熱能力を決定します。
3) 熱伝達媒体の選択と放熱構造の設計を含む、熱管理システムの初期評価。一般に、バッテリーの冷却は空冷または液冷によって行われます。空冷システムは構造が比較的単純ですが、効率が悪くなります。液冷システムは構造が複雑ですが、効率は非常に高いです。加熱方式にも熱風循環加熱、液流加熱、熱源からの直接輻射加熱などがあります。
4) モジュールとバッテリーパックの熱挙動を予測します。バッテリーパックの動作条件に基づいて、使用時の放熱と加熱の要件を予測および評価します。
5) 熱管理システムの予備設計。決定した熱媒体と熱挙動評価結果に基づいて、熱マネジメントシステムの原理設計・工学設計を行います。
6) 熱管理システムを設計してテストします。スケールダウンまたはフルスケールのバッテリー システムとバッテリー熱管理システムを作成し、テストベンチでシミュレートされた実際の動作条件下で熱管理システムの有効性を検証します。-
7) 熱管理システムを最適化します。実験結果に基づいて熱管理システムを改善および最適化します。
熱管理システムの設計プロセスにおける構造とパラメータの選択
バッテリーの熱場の計算と温度予測
バッテリーは熱の伝導体としては良くありません。表面温度分布を知るだけでは、バッテリーの内部の熱状態を完全に理解するには不十分です。数学モデルを使用して内部温度場を計算し、バッテリーの熱挙動を予測することは、バッテリーの熱管理システムを設計する上で不可欠なステップです。現在、主流の数学モデルには、2 次元モデルと 3 次元モデルが含まれています。-中でも、3 次元モデルは、その優れた精度と適応性により、数多くのバッテリー熱管理システムで広く使用されています。モデルは次のとおりです。
ここで、T は温度です。
ρ は平均密度です。
c_p はバッテリーの比熱容量です。
λ_x、λ_y、λ_z はそれぞれ、x、y、z 方向のバッテリーの熱伝導率です。
q は単位体積あたりの発熱率です。
熱管理システム放熱構造設計
バッテリーボックス内の異なるバッテリーモジュール間の温度差により、バッテリーの内部抵抗と容量の不一致が悪化します。時間が経つと、一部のバッテリーが過充電または過放電を起こし、寿命や性能に影響を及ぼし、安全上の危険が生じる可能性があります。-バッテリーボックス内のバッテリーモジュール間の温度差は、バッテリーパックの配置と密接に関係しています。一般に、中央にあるバッテリーは熱が蓄積しやすく、端にあるバッテリーは放熱性が優れています。したがって、バッテリーパックの構造と放熱を設計する際には、均一な放熱を確保することが重要です。空冷を例にとると、均一な熱放散を確保するために、一般に直列と並列の 2 つの換気方法があります。エアフローの設計は、流体力学と空気力学の基本原則に準拠する必要があります。
ファンと温度測定ポイントの選択
バッテリー熱管理システムを設計するときは、ファンの種類と出力、温度センサーの数、測定ポイントの位置を慎重に選択する必要があります。
空冷を例にとると、冷却システムを設計する際には、一定の冷却効果を確保しながら、流れ抵抗を最小限に抑えてファンの騒音と消費電力を低減し、システム全体の効率を向上させる必要があります。ファンの消費電力は、実験、理論計算、および流体力学 (CFD) 手法を使用して圧力損失と流量を推定することで推定できます。流れ抵抗が低い場合は、軸流ファンを検討できます。流れ抵抗が大きい場合には、遠心ファンの方が適しています。もちろん、ファンが占めるスペースとそのコストも考慮する必要があります。最適なファン制御戦略を見つけることも、熱管理システムの機能の 1 つです。
バッテリーボックス内のバッテリーパックの温度分布は一般に不均一であるため、臨界温度点を決定するには、さまざまな条件下でのバッテリーパックの熱場分布を知る必要があります。温度センサーの数が増えると、より包括的な温度測定が可能になりますが、システムのコストと複雑さが増加します。特定のエンジニアリングの状況に応じて、理論的には、有限要素解析、実験における赤外線熱画像処理、またはリアルタイムの多点温度モニタリングを使用して、バッテリー パック、バッテリー モジュール、および個々のセルの熱場分布を分析および測定し、温度測定点の数を決定し、さまざまな領域で適切な点を見つけることができます。-一般的な設計では、温度測定の精度と安定性を向上させるために、温度センサーが冷却空気流にさらされないようにする必要があります。バッテリーを設計するときは、温度センサー用のスペースを確保する必要があります。例えば、適切な開口部を適切な位置に設計することができる。トヨタのハイブリッド電気自動車プリウスのバッテリーパックには 228 個のセルがあり、温度監視は 5 つの温度センサーによって実行されます。北京工業大学によって設計された電気バス電力バッテリー システムは、図 8-16 に示すように、バッテリー ボックスの正極と負極の端子および電力線出力点に配置された、ボックスごとに 6 つの温度測定点 (図 8-16a の丸で囲んだ領域を参照) を使用します。
熱管理システムの設計と実装
バッテリーパック熱管理システムの冷却は、熱伝達媒体に基づいて、空冷、液体冷却、相変化材料冷却の 3 つのタイプに分類できます。材料の研究開発および製造コストを考慮すると、現在最も効果的で一般的に使用されている放熱システムは、放熱媒体として空気を使用しています。
放熱エアフロー構造に基づいて、空冷システムはさらに 2 つのタイプに分類できます。それぞれ図 8-17 と 8-18 に示すように、直列換気と並列換気です。
直列構成では、通常、空気がバッテリーパックの一方の側からもう一方の側に流れ、熱を除去します。ただし、この気流は先に通過する領域から後に通過する領域に熱を運び、その結果、温度が不均一になり、大きな温度差が生じます。並列構成では、モジュール間の空気の流れが垂直に上昇し、空気がより均一に分配され、バッテリー パック全体で一貫した熱放散が保証されます。
熱管理システムは、内部に加熱装置または冷却装置があるかどうかに基づいて、パッシブ システムとアクティブ システムに分類できます。パッシブ システムは安価であり、必要なインフラストラクチャもシンプルです。アクティブ システムはより複雑で、より多くの追加電力を必要としますが、より優れたパフォーマンスを提供します。
図 8-19、8-20、および 8-21 は、それぞれ能動的および受動的空気加熱および放熱構造の概略図を示しています。
図 8-19 および 8-20 では、空気は自動車の空調または暖房システムによって冷却および加熱されていますが、依然として受動システムとみなされます。このパッシブ システムでは、導入される周囲空気の温度が一定ではないため、適切な熱管理を行うために周囲空気は特定の温度範囲 (10 ～ 35 度) 内で動作する必要があります。極端に寒いまたは暑い環境で動作すると、バッテリーパックの凹凸が大きくなる可能性があります。
加熱システムでは、電池パックに熱風を導入する以外にも、図 8-22 ～ 8-25 に示すような他の方法 (角形電池の場合) を使用することもできます。
