バッテリー熱管理の重要性と影響要因

エネルギー貯蔵インバーター システムでは、バッテリーの熱管理はバッテリーの性能、安全性、寿命を確保する上で重要な要素です。バッテリーは充放電の過程で大量の熱を発生し、効果的に熱を放散できないとバッテリーの温度が過剰になり、電気化学的性能に影響を与え、熱暴走などの安全上の問題を引き起こすことさえあります。香港電気機械サービス局によると、近年のバッテリーの過熱によって引き起こされる火災の約30%は、熱管理の不備に関連しています。したがって、エネルギー貯蔵インバーターバッテリーにとっては、効率的な熱管理システムを設計することが重要です。

周囲温度、バッテリーの充放電速度、バッテリーの構造設計など、多くの要因がバッテリーの熱管理に影響を与えます。たとえば、高温環境ではバッテリーの内部抵抗が増加し、発熱がさらに増加し、悪循環が形成されます。さらに、バッテリーの位置も放熱効率に影響を与える可能性があり、バッテリーが密度が高いと熱が蓄積し、適切な間隔の設計が熱分散に寄与します。システムの安定した動作を確保するには、これらの要素を考慮する必要があります。

バッテリー加熱機構

電気化学反応は熱を発生します

バッテリーの充電および放電プロセス中に、電極材料は酸化還元反応を起こし、通常は熱の放出を伴います。例えば、リチウムイオン電池を充電する場合、正極からリチウムイオンを注入し、負極に注入して一定量の熱を発生させます。反応熱の量はバッテリーの化学的性質と動作条件に依存し、通常、高温または急速充放電でより顕著になります。

発熱に対する内部抵抗

バッテリーの内部抵抗も発熱の主な原因です。内部抵抗器には、オーム内部抵抗器、電気化学的分極内部抵抗器、および集中分極内部抵抗器が含まれます。バッテリーに電流が流れると、これらの内部抵抗器が熱の形でエネルギーを放散します。研究によると、リチウムイオン電池の内部抵抗発熱は、1°Cの放電条件下で総発熱量の60%以上を占めています。 したがって、その過程で、内部抵抗を減らすことは、熱を減らす効果的な方法の1つです。

偏光熱

分極とは、バッテリーの充放電の過程で電極電位が平衡電位から逸脱する現象を指します。分極により追加のエネルギーが失われ、熱として放出されます。分極熱の発生は、バイアス熱が主な発熱源となる可能性がある急速充電や高出力放電中など、急速充電および放電中に特に重要です。したがって、バッテリーシステムを設計する際には、バイアス熱管理に特別な注意を払う必要があります。

一般的なバッテリー熱管理方法

自然に冷やす

フリークーリングは熱を放散する最も簡単な方法であり、熱を除去するために空気の自然対流に依存しています。この方法は安価で追加のエネルギーを必要としませんが、熱効率が限られており、低電力または断続的なバッテリー システムにのみ適しています。香港の暑い気候では、自然冷却は小規模なエネルギー貯蔵システムに適している可能性がありますが、高温や高負荷条件下では効率が大幅に低下します。

強制空冷

強制空冷によりファン内の気流が加速され、放熱効率が向上します。この方法は、電気自動車や大規模エネルギー貯蔵システムで広く使用されています。香港のエネルギー貯蔵プロジェクトのデータによると、強制空冷によりバッテリーの温度が10〜15°C低下し、バッテリーの寿命を大幅に延ばすことができます。ただし、空冷システムの騒音とエネルギー消費は依然として最適化する必要があります。

液体冷却

液体冷却システムは、冷却剤を循環させることで熱を除去し、空冷よりもはるかに効率的です。液体冷却は、テスラのエネルギー貯蔵製品など、高出力または高エネルギー密度のバッテリー システムに適しています。冷却剤の選択には熱伝導率、粘度、腐食性を考慮する必要があり、一般的な冷却剤には水、グリコール溶液などが含まれます。

相変化材料(PCM)

相変化材料は相転移プロセス中に大量の熱を吸収し、バッテリーの温度安定性を維持します。PCM の利点は、追加のエネルギーを必要としない受動冷却特性です。ただし、PCM は通常熱伝導率が低いため、他の放熱方法と組み合わせて使用する必要があります。近年、香港の研究機関は、熱管理の効率を向上させるために新しいPCM材料を開発しました。

熱管理システムの設計

熱モデリング

正確な熱モデルを確立することは、熱管理システムの設計の基本です。熱モデルでは、バッテリーの加熱メカニズム、熱伝導経路、および熱放散条件を考慮する必要があります。シミュレーション解析により、さまざまな動作条件下でのバッテリーの温度分布を予測し、放熱設計を最適化できます。エネルギー貯蔵システムのバッテリー設計では、熱モデルの精度がシステムの信頼性に直接影響します。電池製造メンテナンス

ラジエーターの設計

ヒートシンクの設計は、バッテリーの発熱とスペースの制約に応じて選択する必要があります。一般的なヒートシンクには、フィン付きヒートシンク、ヒートパイプヒートシンクなどがあります。フィン付きヒートシンクは表面積を増やすことで放熱効率を向上させ、ヒートパイプは相転移原理を利用して効率的な熱伝達を実現します。香港のエネルギー貯蔵プロジェクトでは、ヒートパイプヒートシンクを使用した後、バッテリーの最高温度が20%以上低下しました。

エアダクト設計

エアダクト設計を最適化すると、強制空冷システムの効率を向上させることができます。エアダクトを合理的に配置すると、局所的な過熱を避けるために、空気の流れがバッテリーのすべてのセルを均一に通過するようにする必要があります。数値流体力学 (CFD) シミュレーションは、エア ダクト設計において重要なツールであり、エンジニアがさまざまな設計ソリューションの放熱効率を評価するのに役立ちます。

クーラントの選択

クーラントの選択は、性能とコストのバランスをとるのに役立ちます。水は熱伝導率に優れていますが、金属部品は腐食しやすいです。グリコール溶液は凝固点と耐食性が低くなりますが、熱伝導率はわずかに低くなります。香港の非常に湿気の多い環境では、クーラントの耐食性が特に重要です。

熱管理戦略

温度ベースの制御戦略

温度ベースの制御戦略は、バッテリーのリアルタイム温度に基づいて冷却の強度を調整します。たとえば、バッテリー温度が設定されたしきい値を超えると、システムはファンまたはポンプを作動させて放熱効率を向上させます。この戦略はシンプルで実装が簡単ですが、正確な温度追跡に依存しています。エネルギー貯蔵システム 電池設計

SOCベースの制御戦略

SOC (充電状態) ベースの制御戦略では、さまざまな SOC 下でのバッテリーの熱特性が考慮されます。たとえば、バッテリーは内部抵抗が高く、SOC が高いほどより多くの熱が発生するため、予冷が必要です。この戦略により、冷却ニーズをより正確に適応できるようになり、エネルギー効率が向上します。

予防熱管理

プロアクティブな熱管理により、バッテリー温度の変化を予測し、事前に冷却対策を講じます。この戦略は、温度スパイクのリスクを効果的に回避するために、高度なアルゴリズムと履歴データ分析に依存しています。予防的な熱管理は、香港のスマートグリッドプロジェクトの標準となっています。

熱管理システムの監視と制御

温度センサーのレイアウト

温度センサーのレイアウトは、完全な温度監視を確保するために、バッテリーの主要な領域をカバーする必要があります。通常、センサーはバッテリーセルの中央と端、およびヒートシンクの入口と出口に取り付ける必要があります。香港のバッテリー製造およびメンテナンス基準では、温度センサーの精度と応答時間が重要な評価指標です。

制御アルゴリズム

制御アルゴリズムの設計では、システムの動的特性とリアルタイム性を考慮する必要があります。一般的なアルゴリズムには、PID 制御、ファジー制御、予測モデル制御 (MPC) などがあります。PID 制御はシンプルで信頼性がありますが、非線形システムではその有効性が限られています。MPC は複数の変数と制約を処理できますが、計算はより複雑です。実際のアプリケーションでは、システム要件に応じて適切なアルゴリズムを選択する必要があります。

エネルギー貯蔵インバーターバッテリーの性能、安全性、寿命を確保するには、効果的な熱管理が不可欠です

要約すると、バッテリーの熱管理は、電気化学、熱力学、制御工学を含む学際的で複雑なトピックです。エネルギー貯蔵システムのバッテリー設計では、効率的で信頼性の高い熱管理を実現するために、発熱メカニズム、放熱方法、制御戦略を完全に考慮する必要があります。技術の進歩により、新しい放熱材料とインテリジェントな制御アルゴリズムにより、熱管理システムのパフォーマンスがさらに向上し、エネルギー貯蔵インバーターバッテリーの広範な応用の基礎が築かれます。