電気自動車パワートレイン用冷却システム

電気自動車(以下EV)のパワートレインの熱管理は、車両の性能、航続距離、快適性といった顧客の主要な特性にとって、極めて重要な性能です。熱管理システムは、車両のバッテリ、モーター、パワーエレクトロニクスを各コンポーネントを安全な目標温度範囲内で動作させます。さらに、DC急速充電器、Eアクスル、ステアリング／ブレーキポンプなど、その他のコンポーネントも熱管理を必要とします。

EVシステムのエネルギー消費量の増加 

熱管理を必要とする部品の増加に伴い、EVの熱管理システムは複雑さを増しています。多数の熱消費部品があり、それぞれが異なる温度要件を備えています。熱管理には、最適なパフォーマンスを得るための冷却と加熱システムコンポーネントが含まれます（コンポーネントと熱負荷によっては、両方を同時に行うこともあります）。

EVパワートレインのコンポーネントに加えて、車室とその乗員にも適切な熱管理が必要です。EVの性能に関する最大の不満のいくつかは、車内の暖房と空調に関連しています。燃焼エンジンからの余分な廃熱がないEVでは、暖房は特に難しいのです。EVの場合、寒冷な外気温やバッテリ温度で適切な車内暖房性能を維持するために、PTCヒーターが必要になることが多く、これは車両の走行距離に大きな影響を与えます。

EV用の複雑な冷却水ネットワークの開発

自動車のパワートレインにおける従来の冷暖房ループには、冷却水ループと空調制御用の冷媒ループがあります。 EVでは、冷却水ループと冷媒ループを組み合わせた統合熱管理システムが、あらゆる環境条件下でバッテリに十分な冷却を提供するために必要です。 統合型熱管理の最近のトレンドは、さまざまな熱消費機器のターゲットを絞った加熱と冷却を可能にする比較的単純な冷媒ループを備えた、より複雑な冷却水ネットワークにシフトしています。下図は、一般的な冷媒ループモデルを示しており、単一の蒸発器を備えた単純なシングルループから、複数の蒸発器、または、一つの蒸発器（または複数の蒸発器）とチラーを備えたデュアルループシステムまで多岐にわたります。

下図は、EVサーマルフローソリューションズ社が開発したアーキテクチャのサンプルで、EV熱管理ソリューションの典型的な複雑さのレベルを示しています。エンジニアリングの観点から、冷却水ループと冷媒ループのエンジニアリングを担当していた別々の部門が統合され、最適化された熱管理システムを提供するために連携しています。熱管理システムの複雑さを考えると、物理的なシステムモデルと制御を統合する必要性も高まっています。

システム性能の最適化という点で、このアプローチには大きな利点があります。システムの様々な部分を柔軟に接続することで、冷却水をシステムの性能と効率を向上させるためにルーティングすることができます。例えば、パワーエレクトロニクスからの熱をバッテリの加熱に利用することができます。チラーの運転は、周囲条件が良好な場合に、冷却水ベースのラジエーターと組み合わせて必要な冷却量を供給するように最適化できます。冷却性能と加熱性能を最適化した柔軟なシステム運転は、熱交換器の小型化と資本コストの削減につながります。エネルギー効率の改善は、電気自動車の航続距離の向上に直結します。最適化された熱システムを提供し、熱交換器、ポンプ、バルブ、コンプレッサーの設計とサイジングを行い、実負荷サイクルでの制御戦略を評価するために、モデルベースのアプローチで様々な熱設計を検討するお客様が見受けられます。

EVの熱管理のための高度なコンポーネントライブラリ

モデロンの熱流体ライブラリは、統合された冷却水および冷媒システムのモデルベースの開発をサポートします。空調ライブラリには、冷凍機のような冷媒-冷却水熱交換器を含む冷媒ループをモデル化するコンポーネントが含まれています。液体冷却ライブラリには、冷却水ループをモデル化するコンポーネントが含まれ、熱交換器ライブラリには、冷却水-空気熱交換器のモデルが含まれます。電動化ライブラリのバッテリも、バッテリの電気的および熱的性能を把握し、バッテリの熱損失を正確に決定するために使用できます。空調ライブラリの冷却水と液体冷却ライブラリの冷却水を接続できるように、アダプタが用意されています。以下のモデルは、バッテリ冷却用の個別の冷却水ループを持つ比較的単純な統合システムを示しています。このモデルの結果は、バッテリ冷却要件がホットソークによるキャビン冷却に与える影響を示しています。

熱流体ライブラリのモデロンライブラリスイートにおける将来の機能拡張は、これらの統合された熱管理システムのモデリングプロセスを合理化することを目的としています。液冷ライブラリと互換性のある冷却水を使用したチラーとラジエーターのモデルが開発されています。これらのモデルは、現在の空調ライブラリのコンポーネントと機能的に同じ結果を提供しますが、アダプタの必要性を無くします。また、統合されたシステムの例は、お客様が業務に適用するためのテンプレートとして役立ちます。

EVパワートレイン用冷却システムのモデリングにおける当社のライブラリと機能の詳細については、当社のエキスパートにお問い合わせください。