技術

電池分野における液冷技術

リリース時間: 2026年01月15日

はじめに

電池技術は急速に進歩しており、それに伴い電池の出力は継続的に向上しています。従来の空冷方式は、装置の物理的サイズが大きく、放熱効率が低いことに加え、騒音が大きく、冷却効果も不十分であるという課題があり、民生用電池および高出力電池の双方に求められる熱マネジメント要件を満たすことが次第に困難になっています。電池の動作中に発生する熱を効果的に放散できない場合、熱が継続的に蓄積され、熱暴走を引き起こす可能性があります。これに対し、液冷技術は、よりコンパクトな構成で高い放熱効率を実現でき、電池近傍での騒音も極めて少なく、電池システムに対して均一な冷却を提供します。

電池の適用分野：携帯電話用電池、パワー電池、エネルギー貯蔵電池における液冷

携帯電話用電池

携帯電話において、最も発熱量が大きい部品は電池ではなく、端末のチップです。しかし、内部スペースが限られているため、チップの放熱を行う目的で、Appleをはじめとする主要メーカーは、現在、大面積かつ薄型のVCベイパーチャンバー（図1）を採用しています。これらは、最も発熱量の大きいチップ領域を覆うだけでなく、発熱が比較的大きい電池の一部も同時にカバーしています。これが、多くのメーカーが「VC液冷技術」として宣伝しているものです。

図1　AppleのVCベイパーチャンバーによる冷却効果を示す赤外線熱画像

VCベイパーチャンバーは、ヒートパイプを高度化したものであり、一次元の高速熱伝導から二次元の均一な熱伝導へと発展した技術です。携帯電話に用いられる液冷は、PCにおける液冷とは異なります。PCの液冷は、コールドプレート、ウォーターポンプ、ラジエーター、ファンから構成される循環式水冷システムです（図2）。これに対し、携帯電話のVC液冷は、PCにおける空冷に近い方式であり、密閉されたチャンバー内部の冷却媒体が継続的に蒸発（吸熱）および凝縮（放熱）を繰り返すことによって熱を移動させます。

図2　Cooler Master 240 水冷システム

水冷ループ

2025年、Nubiaが新たに発表したRedmagic 11 Pro+は、電池部分専用の水冷ループ基板を追加搭載しています（図3）。このシステムは「AquaCore Cooling System」と呼ばれ、特殊な流動性フッ素系液体を用いて熱を除去します。冷却媒体は、小型化された圧電セラミックポンプによって精密に設計されたマイクロチャネル内を循環し、端末設計に一体化されたアクティブ冷却ループを形成しています。

図3　Redmagic 11 Pro+ 水冷モジュールの分解図

この水冷ループ基板は、実際には空冷システムと接続されておらず、その実用的な効果は大型のVCベイパーチャンバーに近いものとなっていますが、量産型携帯電話において初めて採用されたポンプ駆動式の液冷システムである点は注目に値します。しかし、携帯電話内部のスペースは極めて限られているため、薄型・軽量な筐体を維持しながら「PCレベル」の液冷性能を実現することは非常に困難です。

パワー電池

パワー電池における液冷方式には、コールドプレート方式と浸漬方式の2種類があります。これら2つの方式の本質的な違いは、熱の伝達経路にあります。

コールドプレート方式では、電池セルで発生した熱をまずコールドプレートの筐体に伝え、その後、筐体を介してコールドプレート内部を流れる冷却液へと伝熱します。冷却液は内部の流路を循環しながら熱を均一に分散させ、最終的にシステム外へと熱を運び出すことで、セルから発生する熱を放散するという目的を達成します。

一方、浸漬方式では、コールドプレートによる熱交換の工程を省略し、電池セルを冷却液中に直接浸漬します。冷却媒体がセルの外装と直接接触して熱交換を行うため、極めて高い冷却効率を実現できます。

コールドプレート方式は、PCにおける従来型の液冷方式に相当するのに対し、浸漬方式は、PCのすべての部品を絶縁性の冷却液の中に直接配置する方式に相当します。この方式では、非常に高い放熱効率が得られ、冷却過程における温度分布も極めて均一になります。

しかし、実際の応用においては、多くの電気自動車はいまだにコールドプレート方式の液冷システムを採用しています。例えば、Tesla（図4）では直列流路設計が採用されており、コールドプレートを電池セル間の隙間に設置する必要があります。

図4　Teslaの液冷流路配置図

浸漬方式については、初期段階においてFaraday Future（FF）（図5）などの企業から設計案が提案されたことがあります。しかし、浸漬方式が抱えるコスト面での課題は非常に大きく、現時点では、この液冷技術が量産乗用車に採用された事例は確認されていません。現在のところ、浸漬方式の液冷ソリューションは、商用車分野においてのみ提案が行われている状況です。

図5　Faraday Futureによる初期の浸漬方式液冷設計案

エネルギー貯蔵電池

新エネルギー発電所では、電力を蓄えるためにエネルギー貯蔵ステーションの設置が一般的に求められます。これらの施設で使用されるエネルギー貯蔵電池は、通常キャビネット内の固定位置に配置され、頻繁に移動されることはほとんどありません。大型の電池キャビネット1台には、数百キロワット時から数メガワット時に及ぶ総容量の電池を収容することが可能です。

周囲温度が上昇すると、このような大規模エネルギー貯蔵電池システムから発生する熱を放散することは大きな課題となります。従来の空冷方式では、低騒音・高効率・高い放熱均一性を同時に確保することが難しい場合が多くあります。これに対し、カスタマイズされた液冷ソリューションは、この問題を効果的に解決することができます。平均的に見ると、電池温度を1℃低下させることで、エネルギー貯蔵電池のサイクル寿命を約8％向上させることが可能です。

電池充電分野：液冷式超急速充電スタンド

充電スタンドが電気自動車に電力を供給する際には、大量の電気エネルギーが伝送されます。この過程において、電流が抵抗体を通過することで熱が発生します。充電スタンドの出力（P）は、P＝UIで表されます。電圧（U）は通常、車両の電圧プラットフォームに関連しており、一般的には200V～800Vの範囲にあります。より高い充電出力を実現するためには、充電電流（I）を増加させることが不可避です。一方、発生する熱量（Q）は、Q＝I²RTに従うため、電流が大きくなるほど発熱量は大幅に増加します。そのため、超急速充電スタンドでは、高出力充電を維持するために高性能な放熱が求められます。従来の空冷方式では、近年ますます厳しくなる高出力充電における放熱要件を満たすことが困難になっています。この結果、液冷式超急速充電スタンド（図6）が業界の主流となっています。電気自動車側の液冷技術と組み合わせることで、数百キロワット、さらにはメガワット級に達する充電速度を実現することが可能です。

図6　Huawei製液冷式超急速充電スタンドの充電モデル

電池試験装置分野：液冷式電池試験キャビネット

液冷技術を電池試験装置に適用することで、以下の利点が得られます。

·試験精度および測定精度の確保：試験装置内部の高精度測定部品（基準電源、ADC／DACチップなど）は温度変化に非常に敏感です。液冷により、これらの部品から効率的に熱を除去し、安定した一定温度で動作させることが可能となり、熱ドリフトによる測定誤差を大幅に低減します。

·出力密度および信頼性の向上：高出力の充放電試験中、試験装置内部のパワーデバイスは大量の熱を発生します。空冷方式では、熱を十分かつ迅速に放散できない場合があり、その結果、装置の出力制限や過熱保護の作動を引き起こす可能性があります。液冷の放熱効率は空冷を大きく上回り、よりコンパクトな筐体で高出力を実現する高出力密度化を可能にするとともに、定格負荷での長時間安定運転を確保します。

·理想的な試験環境の構築：一部のハイエンド試験装置では、液冷式の温度制御システムを装置内に直接統合し、被試験電池に対して高い温度均一性と制御性を備えた「恒温チャンバー」のような環境を構築しています。これは、厳密な温度管理が求められる電池性能試験や寿命試験において極めて重要です。

現在、空冷方式から液冷方式への切り替えを希望する多くの試験装置では、内部に冷却配管およびラジエーターを組み込み、外部の水冷チラーと接続することで対応が可能です（図7）。特に、NEWARE CE-6000シリーズのような高出力装置では、周辺の水冷チラーや温調チャンバーと統合し、試験を行うことができます。

図7　外部水冷チラー

結論

液冷技術は、電池分野において幅広く応用されています。電池の使用時、充電時、さらには試験時においても、大量に発生する熱を液冷技術によって効率的に放散することが可能です。これにより、システムの過熱を防止し、電池温度を正常な動作範囲内に維持することができます。現在、液冷技術は電気自動車分野ですでに広く採用されていますが、電池試験分野においては、高出力・大規模な電池パック試験装置への全面的な普及には、いまだ至っていません。