積層造形による電気自動車の性能向上

の熱管理 電気自動車（EV） は、内燃（IC）自動車とはまったく異なる挑戦である。エンジン温度を下げるための冷却回路が必要な従来のICエンジンとは異なり、EVバッテリーは特定の温度範囲内に調整する必要がある。効率が高ければ高いほど、バッテリーは使用中により多くのエネルギーを蓄え、維持することができる。

EVロードカーのバッテリーの最適温度は、一般的に約21度C（70度F）である。しかし、バッテリーが熱すぎたり冷たすぎたりすると、効率が著しく低下する。Geotab [1]が実施した研究では、4,200台のEVによる520万回の走行が分析され、0度C（32度F）と40度C（104度F）の温度では、EVは定格走行距離の約80%まで低下することがわかった。一方、-20度（-4度F）のような極端な温度では、EVは定格航続距離の49%しか達成できない。つまり、カナダのような国で特に寒い日には、定格走行距離250マイル（402km）の電気自動車は、平均で122.5マイル（197km）しか走れないことになる。その結果、EVの冷却回路は、バッテリーが寒すぎるときには暖め、暑すぎるときには冷やすために、暖房と冷却の両方の要素を必要とする。

電気自動車（EV）熱管理システムの複雑さ

熱管理システムの設計に革新的なアプローチを必要とするのは、バッテリーの温度と性能の間のこの微妙なバランスである。一般的に、EVの熱管理システムには3つの回路があります。車室内の標準的な蒸気圧縮サイクル、インバーターと電気モーター用のラジエーター冷却水ループ、チラーを介してAC冷凍回路に接続されたバッテリーループです[2]。

この設計では、キャビン回路と冷却水回路の両方をつなぐ多機能ヒートポンプが使用されており、2つの回路間で熱を移動させることができる。熱の流れを制御するのは、8つのポートを持つ回転バルブであるオクトバルブで、15種類の動作モードにわたって4つの冷却水ループを冷却水が流れるようになっている[2]。

EV用空冷式水冷

ほとんどのEVロードカーに見られる空対水熱交換器は、チューブとフィンの配置で構成され、従来の方法で製造されている。しかし、最新の積層造形技術により、以前は製造不可能だった複雑な3D形状の熱交換器を実現できるようになった。これにより、エンジニアは利用可能なスペース内で冷却能力を最大化し、小さな面積で効率的な熱交換を実現できる。

熱物性が変化する流体に合わせて、最適な表面積比を得るために形状を変えることができます」と、コンフラックス・テクノロジーのエンジニアリング責任者であるグレン・リースは説明する。空気は水よりも比熱容量が小さいため、同じ冷却能力を得るためにはより大きな表面積が必要です。従来の熱交換器では、重量や圧力損失を増加させることなく表面積比を変化させることは困難でした。一方、私たちの技術は、重量や圧力損失を増加させることなく、同じ体積で同じ熱交換を実現します。熱交換器をより小さな容積にパッケージ化するという事実ではなく、より少ない容積、重量、コストで従来のクーラーよりも高い性能を達成できるという事実なのです」。

コンフラックス・テクノロジーの ウォーターチャージエアクーラー（WCAC） は60,000枚以上のフィンを持ち、水側の圧力損失で82%の低減、空気側の圧力損失で24%の低減を達成し、一定の熱交換を行う他の主要なマイクロチューブWCACよりも約40%軽量である。

電気自動車のバッテリー冷却

EVバッテリーを冷却する最も一般的な方法は、空冷または間接冷却によるものである。 コールドプレート 水-グリコール冷媒しかし、最近のバッテリー技術の向上により、急速充電が可能なEVが開発された。これは、車内で変換する必要のある交流電流の代わりに、直流電流を直接バッテリーに供給するものである。その結果、より短時間でより多くの電力をバッテリーに供給することができ、場合によってはEVを15分以内にフル充電することもできる[3]。

残念なことに、このような高速充電はバッテリー温度を著しく上昇させ、熱暴走やバッテリー劣化を避けるために管理する必要がある。この問題を解決するために、バッテリー筐体を誘電性流体で浸す直接冷却を利用することができる。これらの流体は電気的に非伝導性の液体で、空気よりも熱伝導率と比熱容量が高い[4]。これは、流体がより大きな表面積と直接接触するという事実と相まって、直接冷却を空気冷却や間接冷却よりもバッテリーから熱を効率的に取り出すことになる。

誘電流体は、その電気絶縁特性により、EVの多くのサブシステムに必要です。しかし、コンフラックスは、誘電体流体の特定の熱物性に合わせた新しい3Dプリント熱交換器形状で、これらを補うことができます。これは、モーター、インバーター、パワーエレクトロニクスなど、パワートレインの他の要素を冷却するために誘電流体を使用できることを意味します。

電気自動車のモーター冷却

アディティブ・マニュファクチャリングの能力を活用できるもう1つの冷却アプリケーションはモーターである。モーターには主に2つの熱源があります：1) 銅巻線の内部抵抗 2) 磁界の向きが変わることによるヒステリシス損失。これらの熱源のいずれかが効果的に管理されない場合、ローターマグネットが減磁し、巻線の絶縁が劣化する可能性があります。

バッテリーの冷却と同様に、コールドプレートを使用する代わりに、積層造形を使用して、モーターを取り囲む外部冷却ジャケットを3Dプリントし、均等に冷却することができます」とリーズ氏は強調する。巻線と統合された冷却ソリューションを1つのアセンブリにプリントすることで、モーターの巻線を直接冷却することもできます。これには、鋳造や機械加工では不可能なレベルの複雑さが必要です」。

電気自動車のトランスミッション冷却

トランスミッションシステムは通常、カートリッジ式熱交換器を介して冷却される。これは、コンパクトなパッケージの中に数百本のまっすぐな薄肉マイクロチューブで構成されている。このレイアウトでは、熱交換器内に「デッドスペース」と呼ばれる領域が生じ、閉塞してしまう可能性がある。しかし、アディティブ・マニュファクチャリングでは、体積全体を伝熱ジオメトリで満たすことができるため、複雑な3Dプリント・コアができ、既存のケーシングに簡単に組み込むことができる。

カートリッジ式熱交換器は、小さなパッケージサイズで非常に複雑な形状を実現できる可能性があるため、積層造形に特に適しています」とリーズ氏は言う。これらのクーラーは、非常に高い表面積密度に妥協することなく、例えば40mm3といった非常に小さなサイズにすることができます。また、小さなパーツを素早くプリントし、大きなビルドプレートに充填することができるため、1回のビルドで何百ものパーツを作ることができます。

コンフラックス・テクノロジーはこのほど、トランスミッションオイル冷却用のカートリッジ式熱交換器を開発した。包括的な設計・開発プロセスを経て完成したコンセプトは、試験装置で5.7kWの熱伝達率を達成し、乾燥重量はわずか43gだった。

電気自動車の熱要件を効果的に管理することは、本当に難しいことです。メーカーが効率を追求し続ける中で、電気自動車の冷却の複雑さは増すばかりです。しかし、積層造形は、重量、体積、圧力損失を削減しながら冷却性能を引き出す鍵です。そのため、コンフラックス・テクノロジーでは、顧客に性能上の利点をもたらすことができる熱ソリューションを革新するために、専門知識の挑戦を続けています。

参考文献

[1] Argue, C. 2020. 気温はEVの航続距離にどの程度影響するのか？ [オンライン]。オンライン]： https://www.geotab.com/blog/ev-range/

[2] Wray, A., Ebrahimi, K., 2022.電気自動車のオクトバルブ熱管理制御。エネルギー, 15, 6118

[3] EVBOX。 DC充電が電動モビリティを前進させる.[オンライン]。より入手可能： https://evbox.com/uk-en/ev-chargers/fast-charger

[4] CRODA. バッテリーの冷却と熱管理.[オンライン]。より入手可能： https://www.crodaenergytechnol...