EV 熱マネジメント

電気自動車 (EV) の熱マネジメントとは、車室内およびバッテリー、パワー エレクトロニクス、モーターなどの重要コンポーネントの温度を制御することです。安全性と快適性の確保に加え、適切に設計された EV 熱マネジメントシステムは、車両の効率、急速充電性能、コンポーネントの寿命、航続距離において重要な役割を果たしています。

EV 熱マネジメントが重要な理由

安全性

• バッテリーの熱暴走防止: バッテリー熱マネジメントシステムは、セルおよびパックの温度を制御することで、バッテリーパックにおける過熱や熱暴走の発生リスクを軽減します。
• モーターおよびパワー エレクトロニクス コンポーネントの保護: 冷却液温度とパワー エレクトロニクスのジャンクション温度を継続的に監視することで、コンポーネントを損傷したり、安全でない動作状態を引き起こしたりする可能性のある状況を回避できます。

パフォーマンス

• 急速充電対応: バッテリーの温度は、充電電流の上限に大きな影響を与えます。バッテリー温度を最適な範囲に保つことで、より高速で安定した DC 急速充電を実現します。
• 高出力運転: インバーターやモーターを安全な温度範囲内に維持することで、出力低下なしに、加速性能や登坂性能を持続することができます。

快適性

• 空調管理: このシステムは、ヒートポンプまたは従来の蒸気圧縮式冷凍システムを使用して、車室内の温度を調節します。
• 冷暖房一体型: モーターやパワー エレクトロニクスから発生する廃熱を車室内の暖房に転用できます。また、バッテリー冷却回路を冷媒ループと統合することで、熱資源を効率的に共有し、航続距離を延ばすことができます。

寿命

• バッテリー寿命の延長: 極端な温度への長時間の曝露を避けることで、化学的劣化や容量低下を遅らせます。
• 電子機器およびモーターの耐久性: 安定した熱環境は、パワー半導体デバイスやモーターの巻線にかかる熱サイクルによる応力を軽減します。

MATLAB と Simulink を使用した EV 熱マネジメントシステムの設計とシミュレーション

MATLAB^® および Simulink^® は、EV 熱マネジメントシステムのモデル化、シミュレーション、最適化のための包括的な環境を提供します。以下を行うことができます。

• バッテリー、モーター、パワー エレクトロニクスの熱挙動をモデル化
• リアルタイム シミュレーションに対応した車両全体の冷却液、空気、冷媒回路のモデルを開発
• さまざまなモードでコンプレッサー、バルブ、ポンプを動作させるための制御アルゴリズムを開発
• 極端な条件下でも安全で高性能な動作を確保するために、コンポーネントの温度、消費電力、および熱流量を監視
• 実際の動作条件に合わせてシステムを最適化するために、燃費、航続距離、システムの出力低減、経年劣化、およびその他の熱の影響をシミュレーション

コンポーネントの熱挙動の把握

Simscape™、Simscape Electrical™、Simscape Battery™ を使用すると、実際の動作条件下で EV の各コンポーネントが熱を発生・伝達する挙動をモデル化できます。Simscape Electrical では、熱効果をコンポーネントモデルで直接表現しており、モーターの巻線抵抗損失や、渦電流およびヒステリシスによる鉄損が考慮されています。また、パワー エレクトロニクスのスイッチングイベントによって発生する熱や伝導損失もシミュレーションします。こうした影響から、定常運転時や、ピークトルク要求や登坂走行などの過渡現象時のコンポーネントの温度上昇を把握できます。

Simscape Battery は、セル、モジュール、パックの各レベルにおける詳細な熱挙動を再現します。伝導経路と対流経路を定義することで、セル間、セルとプレート間、およびセルと環境間の熱伝達の様子を表現できます。事前作成済みの冷却プレートブロックには、並列型、U 字型、エッジ冷却型の構成が用意されており、高速充電、高出力放電、回生ブレーキ時に、さまざまなプレート設計が温度の均一性に与える影響やホットスポットを軽減する効果を検討できます。また、こうしたモデルは、経年劣化の程度が異なるバッテリーパックの熱性能解析を行い、寿命末期においても保証基準を満たせるかどうかを評価する際にも役立ちます。

こうしたコンポーネントレベルの熱挙動を把握することで、過渡的な温度上昇を予測し、動作限界を評価するとともに、各コンポーネントが車両全体の熱負荷にどのように寄与しているかを把握できます。

冷却・加熱アーキテクチャのモデル化

Simscape および Simscape Fluids™ を使用すると、モーター、バッテリー、パワー エレクトロニクス用の冷却液ループ、車室内空調 (HVAC) およびバッテリー冷却用の冷媒ループ、寒冷地での効率的な暖房を実現するヒートポンプシステムなど、電気自動車向けの熱マネジメントシステム全体をモデル化できます。湿り空気、液体、熱、冷媒の各ドメインにおけるコンポーネント (ポンプ、コンプレッサー、バルブ、冷却プレート、凝縮器、蒸発器、配管ネットワーク) は、サプライヤーのデータや試験測定値を用いてパラメーター化できます。このアプローチにより、圧力損失、消費電力、その他の設計上の制約を考慮しつつ、現実的な流動挙動、熱伝達性能、動作限界を把握できます。

システム アーキテクチャをモデル化した後、ドライブサイクルや過渡応答シミュレーションを実行し、急速充電、コールドソーク状態からの始動、急勾配の登坂時に、冷却液ループと冷媒ループがどのように相互作用するかを検討できます。また、アクティブ、パッシブ、ハイブリッドの冷却方式を比較したり、最悪のシナリオを想定して、ポンプ、冷却プレート、熱交換器のサイズを決定したり、液冷、冷媒ベースの冷却、空冷を補助的に用いる冷却方式のトレードオフを理解することもできます。こうしたシミュレーションにより、車室内の冷暖房負荷が車両の航続距離に与える影響を定量的に把握し、抵抗加熱と比較したヒートポンプ運転の性能上の利点を評価できます。単一のモデリング環境においてこうしたトレードオフを検討することで、さまざまな熱アーキテクチャ案を評価し、性能と効率の要件を満たすシステムを設計できます。

EV 熱マネジメントの制御設計

EV 熱マネジメントとは、外気条件、電力需要、快適性の要件の変化に応じて、バッテリー、モーター、パワー エレクトロニクス、および車室内の温度を管理することです。Simulink^® は、モデルベースデザイン (MBD、モデルベース開発) を使用して制御戦略を開発するための体系化された環境を提供します。これにより、バルブ駆動、質量流量 (ポンプ) の制御、熱交換経路の選択のために、フィードフォワード制御と PID 制御 の手法を組み合わせた閉ループ制御を設計できます。また、この環境では、予測的な熱マネジメント向けの動的計画法など、さらに高度な手法もサポートされています。Stateflow^® を使用すると、バッテリー温度、周囲環境、動作制約に基づいて、動作モード間の遷移を管理する監視ロジックを定義できます。

物理モデルと制御ロジックを 1 つのシミュレーション環境に統合することで、開発サイクルの早い段階で上位レベルの熱マネジメント戦略の設計と検証を行うことができ、コストのかかるハードウェアの変更を削減できます。熱限界に近づいた際に、トルクや充電出力をどの程度、いつ制限すべきか評価し、異なる運転モードがエネルギー消費量や車両の航続距離に与える影響を定量化するとともに、ドライブサイクルや外気条件を変えて what-if シミュレーションを高速で実行できます。また、車両試験やハードウェアインザループ (HIL) テストに先立ち、性能、安全性、効率性の目標をより確実に達成できるよう、制御手法を最適化することもできます。

ROM の作成、コードの生成、HIL テストの実行

Simulink、Embedded Coder^® および HDL Coder™ を使用することで、制御アルゴリズムから効率的な C/C++ または HDL コードを生成できるほか、Simscape のプラントモデルからコードを生成し、dSPACE^®、Speedgoat^®、その他の HIL プラットフォーム上でラピッド プロトタイピングやリアルタイム実行を実現できます。実機試験に先立ち、リアルタイム環境で熱マネジメント戦略を実行することで、安全な動作を確認し、出力低減やモード遷移を評価し、コストが高くリスクも伴うハードウェア試験への依存を低減できます。

熱流体システムの支配方程式は高度に非線形であるため、複雑な熱マネジメント システム モデルは、必ずしもリアルタイムで実行できるとは限りません。こうしたモデルを使用して HIL テストを行う場合には、物理モデルのうち数値計算が最も困難な部分から、データ駆動型の低次元化モデル (ROM) を作成できます。ROM を使用し、複雑なダイナミクスをより扱いやすい形に単純化することで、エンジニアはコントローラーの効果的な検証に必要な精度を維持しながらシミュレーションを実行できます。

エンジニアは、MATLAB、Simulink、Simscape、Simscape Fluids を使用して、ロバストで効率的な EV 熱マネジメントシステムを設計できます。シミュレーションやバーチャルテストを活用することで、チームは開発サイクルを短縮し、信頼性を高め、実機プロトタイピングのコストを削減できます。安全性に対する要件が高まり、コンポーネントの性能や耐久性に対する期待が高まる中、MathWorks のソリューションは、エンジニアが熱マネジメントの技術をさらに発展させ、安全性や効率性の高い長寿命の EV を開発できるよう支援しています。