報告書番号

C20003

タイトル（和文）

電気自動車の熱管理システムに関する研究開発－搭載バッテリーの発熱特性の検討－

タイトル（英文）

Study on thermal management system of electric vehicles -Analysis of heat generation characteristics for battery used in electric vehicles

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
電気自動車（EV）の課題（バッテリー寿命、車室空調）解決に向けてEVで発生する熱を包括的に検討し、その効果を明らかにする必要がある。充電時と走行時のバッテリー発熱を、当所が考案した吸着剤塗布熱交換器を用いた省電力冷暖房空調[1]を用いて有効に利用できれば、バッテリー冷却の最適化や空調の高効率化など高度な熱管理の実現が期待される。しかし、実走行時のバッテリー発熱に関する公開データは見当たらない。
目　　的
バッテリーの発熱モデルを構築するとともに、EVの実走行時のデータを取得し、バッテリーの発熱負荷を計算・比較することでモデルの妥当性を確認する。加えて、急速充電時の発熱負荷を計算・評価する。
主な成果
1. 発熱モデルの構築
EV用リチウムイオンバッテリーについて、副反応の発熱と濃度勾配による混合熱が微小で無視できるため、過電圧・分極発熱（qjou）とエントロピー変化発熱（qrev）から成る発熱モデルを構築した（式（1））。表1のEVを対象に、qjouの計算に必要な内部抵抗（R）は、車載計測器[2]で実測したバッテリーの電圧と電流から求め、qrevの計算に必要なエントロピー熱係数（dU/dT）は、文献調査により推定した（図1）。
2. 発熱モデル妥当性の確認
表1のEVに対して、走行や普通または急速充電実験を行い、式（1）の発熱モデルを用いてバッテリーの発熱負荷（qbat）を計算した。車両ZE0の走行と普通充電（3kW）を例とし、車速や電流、SOC（State Of Charge）の測定結果を図2に、qbatの計算結果を図3に示す。qbatの計算結果から式（2）の熱収支式を用いてバッテリー温度を計算した。図4の通り、計算結果と測定結果が一致しており、発熱モデルの妥当性が確認できた。
３. 急速充電時の発熱負荷の計算
バッテリーの温度上昇が想定される急速充電時の発熱負荷を計算した（表2）。その結果、充電時間が大幅に低減する一方、発熱負荷が指数的に増える。自然空冷を採用したZE0の場合、外気温35℃、かつ、急速充電器の出力が90kWまでであれば、バッテリー温度を50℃程度に抑えることができるが、さらに高速な充電器を使用すると温度が最大92℃まで上昇する恐れがあるので、強制的な冷却、または、充電抑制が不可欠になる。
今後の展開
EV搭載バッテリーの発熱の有効利用方法と急速充電時の冷却方法を引き続き検討する

概要 （英文）

Lithium-ion battery (LiB) has received considerable attention for electric vehicle (EV) applications due to high energy density and power capabilities. However, the heat generated by LiB during charging and discharging processes increases the battery's temperature that reduces the cycle life and capacity of the battery. In this study, we establish the heat generation model of LiB, and calculate the heat generation rate of the battery during driving (discharging) and charging processes for four kinds of EVs: the first and second-generation Nissan Leaf (ZE0 and ZE1), i-MiEV of Mitsubishi Motor and e-Golf of Volkswagen. The heat generation rate of the battery during the driving process in winter is higher than that in summer because a higher discharging current is required due to cabin heating operation in winter. During the charging process, the higher the charger output is, the more heat is generated because of the high charging current. Furthermore, how to utilize, or remove the heat generated by batteries is analyzed in this study. Firstly, we found that it seems not to be feasible to recover the heat generated by the battery to heat the vehicle cabin in winter, because the available heating time is only a few minutes. However, if the ultra-speedy, for example, 350kW charger, turns into actual utilization, the feasibility of the heat recovery becomes high. Secondly, the heat generated by the battery must be removed because the battery temperature rises after absorbing the heat of itself. For the ZE0 adapted a natural air cooling method, if the output of the charger is lower than 90kW, the temperature of the battery can be controlled under 50degrees Celsius when charging 13.2kWh at 35degrees Celsius of outside air temperature. However, if the 350kW charger is applied, the battery temperature will reach 92degrees Celsius so other forced cooling methods are required.

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