先進熱マネジメントでEV充電器の騒音と火災リスクを低減

EVのバッテリー急速充電器が生じる過剰騒音問題の解決を目指した研究開発が、熱マネジメント、放熱、火災リスク低減の進歩につながりました。英国の専門エンジニアリング企業D2H Advanced Technologiesは、騒音が車両の急速充電サイクル中に発生することを発見。冷却剤に必要な高ポンプ動力が原因で、バッテリー熱を放散するために不可欠でした。OEM顧客を満足させた後、D2Hは研究焦点を量産リチウムイオンバッテリーの熱的要求に直接シフトしました。

EVバッテリーでは、熱蓄積が劣化加速や熱暴走を引き起こす可能性があります。航続距離延長と急速充電が、ガソリンやディーゼルではなく電気が個人輸送の未来エネルギー源であると大衆を説得するために不可欠になる中、この問題は深刻化しています。D2H（顧客にMcLaren、Chevrolet Racing、Formula Eなど）は、特殊化学品企業Crodaと協力してこれらの課題に取り組んでいます。

D2HのEV騒音問題研究は2019年に開始され、ある自動車メーカーから問題の決定的原因究明を依頼されたのがきっかけです。32セルバッテリーモジュールを物理試験用に製作し、浸漬冷却やコールドプレート技術など多様な冷却ソリューションを物理試験と計算流体力学（CFD）手法で相関検証しました。

重要な追加メリット

浸漬システム内でのCroda誘電体流体の使用が解決策と特定され、特に急速充電状況でポンプ動力を削減できました。「バッテリー全体が電気的に非導電性の冷却剤に浸されます」とD2HエンジニアリングディレクターのChris Hebert氏。「これにより、ピークセル温度の低下でより高いCレート（充放電レート）を可能にし、セル内温度勾配を減らしてパック寿命を延ばすなど、大きなメリットがあります。」

しかし課題もあります。比熱容量の高い水-グリコールが使えなくなるためです。誘電体流体はその半分程度に達するのが難しく、Hebert氏によれば、バッテリーの入口から出口までの温度勾配が大きくなります。しかし、バッテリー内部と冷却剤流路に細心の注意を払い、Crodaが低粘度・低密度流体を開発したことで、「低ポンプ動力を維持しながらこの問題を緩和できました」とHebert氏。

D2Hは、Croda流体を用いた浸漬法でパック全体の熱伝達がはるかに効率的であることを確認。「熱マネジメント課題を緩和する潜在力があることを確認しました」とHebert氏。「重要な追加メリットは、低粘度誘電体流体の高引火点により、火災リスクをさらに低減できる可能性です。」

D2Hの急速充電サイクル発熱研究は、バッテリー性能と寿命の両方に関わります。Crodaの役割は「画期的」な浸漬流体を導入したとして不可欠と見なされています。「浸漬冷却のメリットを考慮し、開発を継続します」とHebert氏。「バッテリーが冷却されれば火災リスクは低減。浸漬は着火確率を下げます。熱はバッテリー劣化と性能低下の主因です。」

パック内の流路

Hebert氏が引用するカリフォルニア大学リバーサイド校研究者たちの報告では、急速充電サイクルによる高温と抵抗がバッテリーを損傷し、摩耗加速と極端な場合は火災リスクをもたらすとされています。40回の急速充電後、バッテリーは元の容量の約60%しか残っていませんでした。

自動車用途では一般的に、リチウムイオンバッテリーは容量が80%を下回ると交換が必要とされます。このレベルはわずか25回の急速充電サイクルで到達しました。報告では、この時点で電極と電解質が空気に曝露するリスクが高まり、特に60℃以上では火災や爆発リスクが増大すると述べています。

短期間のプロジェクトでしたが、D2Hは単なる冷却性能だけでなく、パッケージングの成功もEVの信頼性には不可欠と考えました。Hebert氏は浸漬冷却がさらなるメリットを持つ可能性を指摘：「浸漬設計は冷却プレートを不要にするためよりコンパクトで、実際のセルにより多くのスペースを割り当てられる可能性があります。」

浸漬は一見重い選択肢に見えますが、D2Hの研究では、バッテリーパック内の流路を慎重に設計すれば、流れを妨げずにギャラリーサイズを縮小でき、冷却剤体積と重量を削減できると示唆しています。

「急速充電サイクル中の熱マネジメント、特に放熱を強化することは、将来のイテレーションでより高い電力密度、航続距離、寿命を可能にする潜在力があります。火災リスク低減とともに」とHebert氏は断言。「この分野への更なる研究が必要であり、Crodaとの実験的作業は継続中です。」

本記事は、SAE Automotive Engineeringの欧州編集者Stuart Birch氏によって執筆されました。D2Hの詳細についてはこちらをご覧ください。