機械機能工学科卒業研究第 2 回審査会概論 2014 年 10 月 24 日電気自動車用電池の冷却に関する伝熱計測と新システムの考案（電気自動車用電池における熱管理技術の研究開発） Measuring Heat Transfer and Devising of New Systems about Cooling of the Battery for Electric Vehicles (Research and Development of Thermal Management Technology of the Battery for Electric Vehicles) AB11111 山田達也（指導教員小野直樹） Key Words : Thermal Management Technology, Lithium ion Battery, Phase Change Material, Heat Pipe 1. 緒論得られることを確認した(2)．そこで，本年度からは実際の電池を導入して基礎実験を行う．本研究は，JST-MOST 日中共同研究において，「電気自動車用電池における熱管理技術の研究開発」の一部であり，北海道大学・秋山友宏教授グループと共同で実施するものである．近年，リチウムイオン電池の開発が進み，電池の高出力化・高容量化が急速に進歩した．しかし，電池を適切に利用するための熱管理技術の確立が十分ではない．電池のエネルギー密度が高いために，充放電による発熱は電池劣化の促進及び発火・爆発の恐れがある．図 1 に電池の使用温度における充放電回数による電池容量減少の割合を示す．これより， Fig. 2 Thermal Management system for the battery with combination of heat pipe and phase change material 電池の使用温度を 45℃以下に管理することで電池 2. の性能劣化を防ぐことが可能であるとわかる．また，保護回路や保護素子などの安全対策が有効に機能せ目的これまでの実験で用いてきたヒーターの発熱量は，印ず，電池の異常発熱による温度上昇が発火・爆発を加した電流と電圧から推定することができた．しかし，引き起こす可能性が想定される．そのため，発火・電気自動車に搭載するリチウムイオン電池の発熱量は，爆発に至るまでの時間を遅延させ，搭乗者が避難す電池温度・SoC（State of Charge :充電状態）・充電放電なるための時間を確保できる熱管理技術も必要であるどの条件により異なる．本実験では電池を熱管理システと考える．ムに組み込む前の基礎実験として，充放電による電池の温度上昇を測定し，発熱量の推算を試みる． 3. 原理(3) 電池の連続充放電を行い温度が定常状態になった所で，発熱量を次式により求める．式(1)は発熱と放熱がある場合の温度上昇の一般式である．式(1)の Q：発熱量[W] Fig. 1 Capacity fade analysis of battery at different operation temperatures (1) と K：放熱係数[W/℃]について解くと式(2)，(3)が得られる． 𝑇= 本研究は，電池の熱管理技術として，高い熱伝導 𝑄 𝐾 𝑄 𝐾 𝐾 𝐶 + 𝑇𝑎 − { − (𝑇𝑖 − 𝑇𝑎 )} 𝑒𝑥𝑝 (− 𝑡) (1) 率を有するヒートパイプと，相変化時の潜熱で高密度熱貯蔵可能な PCM(Phase Change Material : 相変化 𝑄= 材料)を組み合わせた熱管理システムを提案するも 𝑡an 𝜃0 ∙∆𝑇∞∙𝐶 ∆𝑇∞−𝑇𝑖 +𝑇𝑎 (2) のである．図 2 に熱管理システムの概要を示す．先行研究では，電池を模擬したヒーターを用いた実験を行い，本研究で提案する熱管理システムの効果が 𝐾= 𝑡𝑎𝑛 𝜃0 ∙𝐶 ∆𝑇∞−𝑇𝑖 +𝑇𝑎 (3) ここで，T：電池の表面温度[℃]，𝑇𝑎：周囲温度[℃]，𝑇𝑖：電池の初期温度[℃]，C：電池の熱容量[J/℃]，t：経過時間 [s]，tan 𝜃0：𝑡 = 0における電池の温度上昇の傾き，∆𝑇∞：電池温度が定常になったときの周囲温度との差とする． 5. SoC20%，50%，80%における 1C と 2C の発熱量，定常状態の電池表面温度を表 1 に示す． Table 1 Heat generation rate and maximum surface temperature of the battery 実験方法被測定電池として，公称容量 22Ah の積層型リチウムイオン電池（高さ 200mm，幅 176mm，厚み 8mm）を用いた．正極活物質としてリン酸鉄リチウム（LiFePO4）， 1C SoC[%] 20 50 80 2C Q[W] 2.4 2.3 2.0 Q[W] 7.5 7.1 6.2 T[℃] 28.1 28.2 28.0 T[℃] 32.5 32.7 32.5 負極活物質として人造黒鉛が用いられている．熱容量は共同研究している渦潮電機様から頂いたデータによる図 4 において，推定値と比較した結果，実測値のと 600J/K 程度であるとされている．図 3 に本実験で用い温度上昇が遅い．これは，電池の発熱量は電池の温る充放電装置を示す．度によって変わるため，試験開始前半における発熱量が式(2)より求めた発熱量よりも低いためだと考えられる．表 1 より，SoC によって発熱量が異なるが，定常時の温度は SoC の状態に依らず近い値となったことから，SoC20~80%において発熱量は概ね等しいと考える．発熱量の推算結果の差は，推定値が 𝑡 = 0における電池の温度上昇の傾きに依存することによる計算精度の限界と熱容量が精確な値でないことによるものであると考える． Fig. 3 Battery charge and discharge control apparatus SoC20%，50%，80%のそれぞれの状態で 1C 充放電， 7. 結論リチウムイオン電池の充放電試験を行うために装 2C 充放電を行い，電池の温度を定常状態にさせた．充放置を導入し，電池の特性を知るための基礎実験を行電する範囲は SoC±0.5%とした．升目状に 16 か所と中った．簡易的な実験により，電池の発熱量は，心の電池表面温度をK型シース熱電対で測定した．なお， SoC20~80%において 1C の連続充放電では 2～2.4W，周囲温度は 25℃，電池は平置きとした． 2C の連続充放電では 6.2～7.5W 程度であると考えた． 6. 結果及び考察 8. 今後の計画電池の連続充放電を行い各測定位置の電池表面温今回，電池を平置きにして充放電を行ったが，電度の平均から発熱量を求めた．SoC50%における 1C，池を垂直にした場合の発熱量の推算と，実際の電池 2C の実測値と推定値を図 4 に示す．をモジュールに組み込み，本実験で推算した発熱量の熱収支を検討していく．また，実際に電気自動車が走行することを想定した充放電パターンを用いて実験を行う．文 Fig. 4 Measured results of charge and discharge cycle of 1C and 2C in SoC50% and its estimated results 献 (1) P.Romadass “Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at elevated temperatures” j.Power Sorces 112(2):614-620 2002 (2) 野中厚佑，工藤和宏，小野直樹，“電気自動車用電池のために相変化材料を用いた冷却システムの熱流体計測”，第 51 回日本伝熱シンポジウム講演集（2014），Paper No.F322． (3) 千輝淳二， “伝熱計算法”，工学図書株式会社，(1990)， pp214-217