【技術協力】熱可塑性バッテリートレイ用二相浸漬冷却システム

熱可塑性複合バッテリートレイは、新エネルギー車分野の主要技術になりつつあります。このようなトレイには、軽量、優れた強度、耐食性、設計の柔軟性、優れた機械的特性など、熱可塑性材料の多くの利点が組み込まれています。これらの特性は、バッテリー トレイの耐久性と信頼性を確保するために重要です。さらに、熱可塑性バッテリーパックの冷却システムは、バッテリーの性能を維持し、寿命を延ばし、安全な動作を保証する上で重要な役割を果たします。効果的な熱管理システムにより、あらゆる動作条件下でバッテリーが望ましい温度範囲内に維持されるため、バッテリーの効率と安全性が向上します。

急速充電を実現する技術として、Kautex は二相浸漬冷却の実装を実証しており、冷却プロセスではトラクションセルが蒸発器として使用されます。二相浸漬冷却は、最適なバッテリー動作温度でバッテリーパック内の温度均一性を最大化しながら、3400 W/m^2*K という極めて高い熱伝達率を達成します。その結果、バッテリー熱管理システムは、6C を超える充電率での熱負荷を安全かつ永続的に管理できます。二相浸漬冷却の冷却性能は、熱可塑性複合バッテリーシェル内の熱伝播をうまく抑制することもできますが、導入された二相浸漬冷却は最大 30°C の環境に熱を放散します。熱サイクルは可逆的であるため、寒い周囲条件でもバッテリーを効率的に加熱できます。流動沸騰熱伝達の実装により、蒸気泡の崩壊やその後のキャビテーションによる損傷がなく、一定の高い熱伝達が保証されます。

Kautex の直接二相浸漬冷却コンセプトでは、流体はバッテリー ハウジング内のバッテリー セルと直接接触します。これは、冷媒サイクルにおける蒸発器に相当します。セルの浸漬により、熱伝達のためにセルの表面積が最大限に利用され、流体の一定の蒸発、つまり相変化により、温度の均一性が最大限に確保されます。回路図を図 2 に示します。

図2 二相浸漬冷却の動作原理

流体の分配に必要なすべてのコンポーネントを熱可塑性の非導電性バッテリーシェルに直接統合するというアイデアは、持続可能なアプローチとなることが期待されます。バッテリーシェルとバッテリートレイが同じ材料で作られている場合、構造の安定性を高めるためにこれらを溶接することができると同時に、封入材料の必要性がなくなり、リサイクルプロセスが簡素化されます。

研究によると、SF33 冷却剤を使用した二相浸漬冷却方式が、バッテリーの熱を伝達する際に優れた放熱能力を発揮することが示されています。このシステムは、すべてのテスト条件下でバッテリー温度を 34 ～ 35°C の範囲に維持し、優れた温度均一性を実証しました。 SF33 などの冷却剤は、ほとんどの金属、プラスチック、エラストマーと互換性があり、熱可塑性バッテリー ケースの素材を損傷しません。

図3 電池パックの熱伝達測定実験[1]

さらに、実験研究では、自然対流、強制対流、SF33 冷却剤を使用した液体冷却などのさまざまな冷却戦略を比較し、その結果、二相浸漬冷却システムがバッテリーセルの温度を維持するのに非常に効果的であることが示されました。
全体として、二相浸漬冷却システムは、電気自動車やエネルギー貯蔵を必要とするその他の用途に効率的かつ均一なバッテリー冷却ソリューションを提供し、バッテリーの耐久性と安全性の向上に役立ちます。