バッテリーの熱暴走を防ぐ

バッテリーに対する最大の脅威は、発生した熱が放散速度を超え、一連の発熱反応を引き起こす熱暴走です。これにより、火災やバッテリー全体の故障が発生し、車両の他のコンポーネントに影響を与える可能性があります。熱暴走を防止し封じ込めるために、バッテリー設計には圧縮パッド、モジュールエンクロージャー、バッテリーケースが組み込まれています。熱の伝播を防ぐためにセル間に圧縮パッドが配置され、モジュール内の熱暴走を抑えるためにモジュールエンクロージャがセルをグループ化します。最後に、これらのモジュールはバッテリー ケースに収容され、車両の他の部品を熱暴走の影響から保護します。

バッテリーエンクロージャーの設計

電気自動車のバッテリー エンクロージャは、バッテリーの種類、冷却要件、モジュールの配置、および用途に応じて、設計、形状、サイズが大幅に異なります。一般に、モジュール エンクロージャは次のもので構成されます。

1. ベースハウジング、

2. 外装ケース、

3. 内部コンポーネントと外部コンポーネントを接続する接続プレート、

4. 熱暴走時の圧力バランスやガス放出用の排気弁です。

電池ケースの材質の選択

バッテリーエンクロージャーに使用される材料は、高い熱性能、良好な機械的特性、および軽量である必要があります。従来は、耐熱性と量産適性の点からアルミニウムやスチールが好まれてきました。しかし、金属材料の質量は、特にハイブリッド車や電気自動車の場合、車両の質量が小さいほどエネルギー密度が高く、航続距離が長いことを意味するため、適切に制御することができません。現在、バッテリーは車両の総質量の最大 50% を占めることがあります。

複合材料

複合材料は軽量の代替品であり、より複雑で高価ではありますが、多くの点で金属を上回る可能性があります。たとえば、モータースポーツのクライアント向けに開発されたカーボンファイバー強化ポリマー製エンクロージャは、重さ 6.7 kg (14.8 ポンド) のアルミニウム製エンクロージャを、わずか 616 グラム (1.35 ポンド) の複合材料エンクロージャに置き換え、91% の重量削減を達成しました。高い熱的および機械的性能を実現するために、炭素繊維熱硬化性プリプレグが使用されました。カーボンファイバーが強度と剛性を提供し、エポキシなどの高級樹脂システムが事前に含浸されています。しかし、手動のレイアッププロセス、長い硬化時間、およびオートクレーブへの依存により、プリプレグバッテリーエンクロージャの生産が制限されます。

複合材料のもう 1 つの利点は、各バッテリー エンクロージャの特定の負荷要件を満たすために繊維の配向を最適化できることです。設計プロセスでは有限要素解析 (FEA) が広く使用され、繊維の方向と必要な層の数が決定され、軽量を維持しながら高い剛性と強度が確保されます。金属の等方性特性には依然として利点があり、追加の強度と剛性を提供するためにボルト締結の周囲でよく使用されます。 ハイパーメッシュ や オプティストラクト などのソフトウェアは、バッテリー エンクロージャの異方性複合材料をシミュレートします。

電気絶縁

バッテリーエンクロージャを開発する際には、電気絶縁も考慮すべき点です。カーボンファイバーは導電性があるため、特定の電子部品を絶縁するためにガラスファイバー層がラミネートに組み込まれています。

認証

バッテリーと筐体の熱性能を保証するには、さまざまな安全性テストと認証基準に合格する必要があります。最初の規格は 国連38.8 で、高度シミュレーション、熱試験、振動、衝撃、外部短絡、衝撃と圧壊、過充電、強制放電を含む 8 つの試験を通じて輸送中のリチウム電池の安全性を保証します。バッテリーには、人や物を輸送するための四輪電気自動車に搭載されるリチウムバッテリーに必要なテストを概説する 欧州委員会 R100 REV2 に基づく認証も必要です。航空分野では、DO311A や DO160G などの他の規格を考慮する必要があります。

バッテリーの熱シミュレーション

バッテリーエンクロージャーの場合、複合材料は、いくつかの表面、垂直、水平燃焼試験を含む UL94 可燃性安全基準を満たしている必要があります。制御された炎が特定の期間にわたって材料に複数回適用され、材料の継続的な燃焼時間、および燃え抜けや炎の滴りの証拠によって、材料が UL94 の V0、V1、または V2 定格を満たしているかどうかが判断されます。炎の自己消火が速いほど材料の抵抗が強くなり、V0 が最高評価となり、炎の滴下なく 10 秒以内に消火します。