ディーゼルから電気へ: 冷却システムの実際の行き先

かつてはシンプルだった冷却システム

ディーゼルまたはガソリン エンジンの冷却システムは、エンジニアリングの観点から言えば、そのシンプルさの点で非常にエレガントです。 1 つの燃焼源が熱を発生します。 1 つの冷却剤ループが 1 つのラジエーターに冷却水を運びます。ファン 1 つ、サーモスタット 1 つ、ウォーター ポンプ 1 つ、そして全体のサイズを決定する方法について数十年にわたって蓄積された設計知識。

そのシンプルさは、まさにエンジンが停止すると消えてしまいます。そして、ここで「消える」ということが実際に何を意味するのかを正確に理解する価値がある。なぜなら、電化によって単に冷却の問題が解消されるという仮定は逆だからだ。これにより、1 つの冷却の問題が、より小規模でより厳しい問題に置き換えられます。

実際にそれを置き換えるもの

電気ドライブトレインには熱源が 1 つだけではなく、少なくとも 3 つあり、それぞれが異なるルールに従って動作します。

バッテリーパックは、おおよそ狭い帯域内に収まる必要があります。 25～40℃ 過熱と過冷却の両方が航続距離、充電速度、長期容量を低下させるため、セル間の均一性が厳密に保たれます。インバーターと IGBT のスイッチング損失がバッテリー パックよりもはるかに小さい設置面積で集中した熱を生成するため、モーターとパワー エレクトロニクスは完全に別のループを実行し、多くの場合、小さな体積で積極的な局所冷却が必要になります。キャビンの快適さには 3 番目のループが追加され、完全に独立して動作するのではなく、ヒート ポンプやチラーを介してコンポーネントをバッテリー回路と頻繁に共有します。

これらのループは同じ温度で実行されるわけではなく、すべての設計で同じ冷却剤の化学反応が使用されるわけではありません。多くの場合、あるシステムが別のシステムに影響を与える危険を冒さずに統合することはできません。それを現実と組み合わせると、 急速充電では、穏やかな AC 充電よりもバッテリー パック内で数倍の熱が発生する可能性があります。 と、現代の EV の熱アーキテクチャが単一のループではなく、小規模な分散型冷却ネットワークのように見える理由が明らかになります。

コンポーネントが増えてもビジネスが減らない理由

エンジン、排気装置、オイル クーラーを失うと、車両内の冷却ハードウェア全体が縮小すると考えたくなります。実際には、その逆が起こる傾向があります。一般的な EV アーキテクチャでは、1 つの熱源に合わせたサイズの 1 つのラジエーターの代わりに、バッテリー冷却プレートまたは熱交換器、別個のモーター/インバーター冷却ループ、チラーまたはヒートポンプインターフェース、そして多くの場合、最終的に熱を周囲の空気に排出するループに専用のラジエーターが必要です。

それに応じて市場も拡大しています。予測は調査会社によって異なりますが、ほとんどの調査では、世界の電気自動車の熱管理市場は2026年の時点で2桁台前半に達し、バッテリー容量の増加、より高速な充電規格、より厳格な安全要件によって2030年代初頭まで10代半ばから後半まで複合年率で成長すると指摘されています。これは縮小しているカテゴリーではなく、自動車の熱管理全体において最も急速に成長しているセグメントの 1 つです。

変化するのは、利用可能なビジネスの量ではありません。それは、販売されている部品の形状 (より小さく、より正確で、より多くの数) であり、それぞれの部品がクリアしなければならない認定基準です。

内燃機関の経験から何が伝わるのか、何が伝わらないのか

何年もかけて作り続けてきたメーカー 軽量アルミニウム製パワートレインクーラー ここではゼロからスタートするわけではありません。コンパクトなコア設計、フィン密度の高いレイアウト、ろう付けと接合の完全性、重量が最適化されたアルミニウム構造などの中核となる能力は、バッテリーのコールド プレートやモーターの冷却ジャケットに直接反映されます。コンパクトなアルミニウム構造から効率的に熱を移動させる物理学は変わっていません。

それほどきれいに転送されないのは、電気的絶縁と冷却剤の化学的性質に関するものです。高電圧バッテリー パックの隣で動作する冷却ループでは、ディーゼル冷却回路では考慮する必要のなかった誘電特性と電気腐食のリスクを考慮する必要があります。クーラント配合物には、鋳鉄やアルミニウムのブロックの耐食性だけでなく、リチウムイオン化学物質との長期的な適合性がますます必要とされています。そして、許容誤差は大幅に厳しくなっています。バッテリー パック全体にわたる数度の温度のばらつきは、車両の寿命にわたるセルの劣化速度に測定可能な差を意味する可能性があり、高精度の燃焼冷却システムが要求されるレベルに到達することは決してありませんでした。

これについては、この記事でさらに詳しく説明します NEVパワートレインの熱管理用アルミニウムプレートフィン熱交換器の故障 、より広範な パワートレイン熱交換器のタイプと用途を網羅した選択ガイド 燃焼プラットフォームと電化プラットフォームの両方にわたって。

熱交換器メーカーの要点

エンジンが消滅しても、冷却システムも一緒に消滅するというわけではありません。それは、単一のよく理解された問題をメーカーが数十年かけて、分割を 3 つまたは 4 つのより小規模でより厳密な分割に最適化することに費やしたことを意味します。バッテリーパック、モーター、インバーター、キャビンはすべて、正確に調整された独自の熱経路を必要としますが、いずれも根本的には依然として熱交換器の問題です。

恩恵を受ける立場にあるメーカーは、燃焼冷却需要が安定するのを待っているメーカーではありません。彼らは、中核となる設計と材料の専門知識を、電気的絶縁要件、バッテリーと互換性のある冷却剤の化学的性質、およびより厳しい均一性許容差にすでに適応させている企業です。 パワートレインの寿命延長における熱管理の役割 電気ドライブトレインにおいても、燃焼ドライブトレインと同じくらい重要です。おそらくそれ以上です。