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バッテリーのプラットフォーム化とバッテリーボックスの開発
自動車業界にとって、コスト削減、効率向上、品質保証を確保しながら、大規模なスパン、迅速な反復、豊富な製品ラインなどの市場ニーズに対応するために、製品の標準化、つまり車両のプラットフォーム化は間違いなく良い戦略です。バッテリーのプラットフォーム化により、同じバッテリーパックソリューションを異なるモデルに適合させたり、同じタイプのバッテリーセルと類似の構造で構成されたバッテリーパックソリューションを適合させたりすることができます。これは、可能な限り多くの部品を標準化できることを意味し、開発サイクルを短縮し、コストを節約し、生産ラインを合理化し、生産効率を向上させることができます。
1番目:バッテリープラットフォーム化
バッテリープラットフォームソリューションは、製品の全体的な計画、コスト削減、生産能力の最適化に役立ちます。車両プラットフォームのバッテリープラットフォーム戦略によると、プラットフォームの各モデルの要件の交差と帯域幅を考慮し、できるだけ少ないバッテリーとバッテリーソリューションを使用して、できるだけ多くのモデルと互換性を持たせる必要があります。純電気プロジェクトのアーキテクチャ開発では、統合されたパワーバッテリーパックを合理的に配置することが重要です。具体的な作業要素には、電力と電力性能の要件、衝突安全性、レイアウトの場所とスペースなどが含まれます。
1-空間サイズの境界とバッテリーセルの標準化
l バッテリーパックの設置場所
現在、主流の動力バッテリーの配置は床下、つまり前部座席の下、後部座席の下、中間チャンネル、フットレストなどです。この配置により、利用可能な面積を最大化し、車両の重心を下げ、車両の操縦安定性を向上させ、衝突力の伝達経路を最適化できます。
図1: 電気自動車開発におけるバッテリーパックのレイアウト
l バッテリーパックのスペースレイアウトの進化
分割バッテリーパック：JAC Tongyueシリーズのような分割バッテリーパックスペースレイアウトを採用しています。エネルギーモジュールは2つのバッテリーパックで構成され、1つは元の燃料タンクの位置に配置され、もう1つはスペアタイヤが収納されているトランクに配置されています。
さらに、エンジニアは燃料車の本来のアーキテクチャ内で使用可能なスペースを継続的に探求しており、その結果、「工」、「T」、「土」の形状のバッテリーパックレイアウトが生まれました。
このタイプの設計は、従来の燃料自動車のマイナーチェンジであり、スペースが非常に限られており、搭載できるバッテリーパックの容積と重量が非常に限られているため、容量を増やすことが難しく、航続距離は高くありません。
統合バッテリーパック: これは新しい製品設計コンセプトです。車両全体の設計は、コアコンポーネントであるバッテリーパックを中心に展開されます。バッテリーパックはモジュール設計されており、利用可能なスペースを最大限に活用するために車両シャーシ上に平らに配置されます。
l バッテリーパック設置箇所レイアウト
バッテリー パックの適切なレイアウトは非常に重要であり、設計上の制限要因には、地上高、通行性、衝突安全性、電力要件など、さまざまな側面があります。
図2: バッテリーパックのサイズ設計上の制約
車両プラットフォームでは、プラットフォーム内の各車両モデルのカテゴリ、レベル、および位置を定義し、車両のサイズとホイールベースを決定する必要があります。車両レイアウトは、車両スペースに応じて、バッテリーパックのサイズエンベロープをX、Y、Z方向に分解します。バッテリーは、車両のさまざまなシステム間の干渉がないように、車両の指定されたエンベロープ内に配置する必要があり、車両重量指数は、バッテリーパックのシステム品質要件を分解できます。
バッテリーのサイズに関して言えば、動力バッテリーパックの設計は、車両スペースや車両重量などの厳格な基準指標を避けることができず、バッテリーセルの設計には限界があることを意味します。この限界に制約されて、バッテリーセルのサイズは一定の範囲に集中します。たとえば、角型バッテリーセルの長さは150〜220mm、幅は20〜80mm、高さは100mm前後です。バッテリーセルのサイズ仕様の変化傾向は、車両のプラットフォーム化とバッテリーの標準化の補完関係の結果です。
しかし、各自動車メーカーのバッテリープラットフォーム戦略、車種、標準化に対する認識は異なり、現在の製品ソリューションには大きな違いが生じています。たとえば、BYDの標準化戦略は、ブレードバッテリーを完全に置き換えることであり、そのサイズは960×13.5（14）×90（102）mmに固定されており、単セル電圧は3.2/3.3Vです。
2- 耐久性限界とバッテリー容量ソリューションの開発
動力電池は、車両が走行するためのエネルギーを提供します。電池容量、放電深度、エネルギー密度は、利用可能な電力量に影響します。異なるモデルのニーズを満たすために、モデルの消費電力の違いは重要な関心事となっています。車両の航続距離は、電気駆動、電池、車両重量、風圧、機械抵抗、低電圧消費電力、エネルギー回収などの要因によって影響を受けます。消費電力の差が大きいモデル間でバッテリーソリューションを共有する可能性は低いため、バッテリーのサイズ、品質、電力、電力性能の最適化など、パーソナライズされたバッテリー電力ソリューションを開発して、航続性能の要件を満たす必要があります。
自動車製造プラットフォームの純電気走行距離の制約下では、バッテリーに必要な正味放電量は、異なるモデルの消費電力によって影響を受けます。プラットフォーム上の各モデルの消費電力分布を確認し、さらに消費電力帯域幅をバッテリー需要分布に変換してから、プラットフォームに必要なバッテリー電力計画を決定する必要があります。
3-パワーパフォーマンス境界
車両全体の動的性能には、異なる SOC と周囲温度での加速条件、定速条件、電力保存条件での電力性能が含まれます。バッテリーに対応する変数は、異なる SOC と温度でのバッテリーの電力電圧特性です。バッテリーの電力は、車両の電力システムの電力要件に対応し、電圧は駆動モーターの定格電圧要件に対応します。
一般的に、車両プラットフォーム全体のバッテリー ソリューションの評価は、常温および高出力での 100 キロメートルの加速時間とそのバッテリー インジケーターの分解から始まり、徐々に全範囲およびすべての動作条件下でのバッテリー インジケーターの分解にまで広がります。
2番目:電池ボックスの開発
1-バッテリーの統合とモジュール化
バッテリー モジュールの設計を最適化し、バッテリー パックの統合性とモジュール性を向上させ、非アクティブなコンポーネントを削減し、バッテリー パックのエネルギー密度を高めます。
現在普及しているバッテリーパックの統合技術には、CTP、CTB、CTCなどの形式があります。統合技術の進歩に伴い、部品の形状、材質、組み合わせが変化してきました。全体的な方向は統合と一体化です。独立した部品の数を減らし、1つの大きな部品を使用して複数の部品を置き換えることで、より大きく機能的なコンポーネントが形成されます。
2-バッテリーボックス設計
バッテリーケースは、動力バッテリーシステムアセンブリのキャリアであり、製品の安全な操作と保護において重要な役割を果たし、車両全体の安全性に直接影響します。 バッテリーケースの構造設計には、主にバッテリーケースの上部シェル、下部シェル、およびその他のコンポーネントのシェル材料の選択、および製造プロセスソリューションの選択が含まれます。 バッテリーケースの上部カバーは主に密閉の役割を果たしており、大きな力を受けません。バッテリーケースの下部ケースは、動力バッテリーシステム製品全体のキャリアであり、バッテリーモジュールは主に下部ケースに配置されています。 そのため、バッテリーケースの内側には、埋め込み溝やバッフルなどの構造対策が必要です。これにより、車両が走行しているときにバッテリーモジュールが確実に固定され、前後左右上下方向に移動せず、側壁や上部カバーに衝撃が加わってバッテリーケースの寿命に影響を与えないようにします。
図3: バッテリー下部ボックスソリューション、a-スキンフレーム、b-FSW溶接+フレーム、c-FSW溶接+フレーム
l バッテリーパックの設置ポイント構造設計と接続固定
バッテリーパックの取り付けポイントは通常、前後に貫通する取り付けビーム構造を採用し、前端は前部キャビンの縦梁に接続され、効果的で一貫した密閉ビーム構造を形成します。取り付けポイントは、バッテリーパックの重量配分に応じて合理的に配置されています。バッテリーパックと車両は、ボルト固定、機械固定+接着ジョイントハイブリッド接続、スナップオン接続など、さまざまな方法で固定されています。
図4: バッテリーパックのレイアウトと取り付け部分
パワーバッテリーパックは、通常、複数の吊り上げラグ構造を介して車両に取り付けられます。パワーバッテリーパック自体の重量が大きいことに加え、吊り上げラグは、石畳や深い穴など、車両の動きによってもたらされる道路の振動にも耐える必要があります。このような耐久性のある作業条件と誤用条件により、吊り上げラグ構造の強度に対する要求は高くなります。
図5: さまざまな吊り金具の接続ソリューション: a 溶接吊り金具 b アルミ押し出しフレーム吊り金具
l 電池ボックスの安全性と保護構造
機械的強度と保護: バッテリー ボックスは、内部のバッテリーを機械的衝撃や衝撃から保護するのに十分な機械的強度を備えている必要があります。バッテリー ボックスは、さまざまな条件下でバッテリーの安全性を確保するために、振動、押し出し、機械的衝撃に耐える必要があります。
衝突保護：バッテリーケースの設計では、特に側面衝突や底部衝突に対する衝突安全性を考慮する必要があります。通常、バッテリーケースはアルミニウムまたはスチールで作られ、外枠を介して下部トレイに接続され、構造的な剛性を提供し、衝突エネルギー吸収能力を高めます。さらに、バッテリーケースの変形やバッテリーセルの損傷を防ぐために、適切な衝突吸収構造を設計する必要があります。
防水、防塵、耐腐食性：バッテリー ボックスは防水、防塵性が必要であり、通常は IP67 レベルのシーリング ガスケットを使用して気密性を確保します。また、耐腐食性を高めるために外側に PVC コーティングをスプレーするなど、防腐食対策も考慮する必要があります。
防爆および圧力解放設計：バッテリーが爆発した場合、エネルギーはバランス防爆バルブなどの装置を通じて集中的かつ方向性を持って放出され、顧客キャビンへの侵入を回避します。また、機器全体の破裂を防ぐために、防爆対策（部分的な構造破壊など）を講じる必要があります。
l シーリング設計
バッテリーボックスの上部カバーと下部ケース間のシール面の設計は、シール性能に重要な役割を果たしており、その設計はバッテリーボックス構造とシールリングと一緒に設計する必要があります。シール面は、湾曲した構造が多すぎないように、できるだけ同一平面に保つ必要があります。上部カバーと下部ケースはボルトで接続されるため、多数のボルトが使用されるため、穴の同軸性を確保することが特に重要です。ボルト穴の位置を合理的に配置すると同時に、位置寸法はできるだけ円形にし、X方向とY方向に対称に配置する必要があります。接続ボルトの数の選択は、シールレベルと分解および組み立て作業量に基づいて総合的に考慮する必要があります。
図6: 上部ボックスと下部ボックスのシーリング設計、1-バッテリー上部カバー、2-シーリングガスケット、3-バッテリー下部カバー、4-金属導管
l 電気安全と短絡保護
接続の信頼性: バッテリー ボックス内のコネクタは、バッテリー ボックスの過電流容量と、緩和措置などを含む電気的/機械的接続の信頼性を確保するために、正しい極性接続を備えている必要があります。
電気絶縁および耐電圧設計：モジュール設計は二重絶縁保護を採用しています。バッテリーセル自体には、バッテリーセルブルーフィルムの層とバッテリーセルトップパッチがあり、絶縁および耐電圧要件を満たしています。エンド/サイドプレートとバッテリーセルの間、およびバッテリーセルと下部取り付け面の間に絶縁および耐電圧保護が設定されます。
l 熱管理設計
バッテリー熱管理開発は、バッテリー温度制御、コールドプレート、配管システムなどの設計を含む、バッテリーパックシステムの設計と開発の全サイクルにわたります。バッテリー熱管理システム設計の主な目標は、スペースレイアウト、設計コスト、軽量化などを考慮しながら、加熱または冷却制御を通じてバッテリーシステムが比較的適切な動作温度で動作することを保証し、セル間の温度差を減らして一貫性を確保することです。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
バッテリーパック製造技術の革新と開発に関する簡単な議論丨前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
バッテリーパックは新エネルギー車の中核エネルギー源であり、車両全体に駆動力を提供します。一般的に、バッテリーパック技術の長所と短所は、効率（エネルギー密度）、安全性、製造コスト、メンテナンスコストの観点から評価されます。
バッテリーの設計では、単一セルの電圧はわずか3〜4V程度ですが、電気自動車に必要な電圧は少なくとも100Vです。新しい車の電圧は700V / 800Vに達し、出力電力は一般的に200Wであるため、バッテリーをブーストする必要があります。電気自動車の電流と電圧の要件を満たすには、異なるセルを直列または並列に接続する必要があります。
バッテリー パックは、バッテリー セル、電子および電気システム、熱管理システムなどで構成されており、ベース プレート (トレイ)、フレーム (金属フレーム)、上部カバー プレート、ボルトなどのバッテリー フレーム構造に囲まれています。これらのコンポーネントとシステムをより効率的かつ安全に「パッケージ化」する方法は、常に業界全体で継続的な研究と探求のテーマとなっています。
前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
動力電池群の技術の起源は1950年代に遡り、旧ソ連と一部のヨーロッパ諸国で生まれました。この技術はもともと、部品の物理的類似性（普遍的なプロセスルート）を決定し、効率的な生産を確立するためのエンジニアリングと製造の概念として使用されていました。
グループテクノロジー（GT）の核心は、生産活動における関連する事柄の類似点を特定して探究し、類似の問題をグループに分類し、比較的統一された最適なソリューションを求めてこのグループの問題を解決し、経済的利益を達成することです。動力電池の分野では、グループテクノロジーは主に、構造、熱管理、電気接続設計、電池管理システム（BMS）技術など、単一セルから電池パック（パック）に電池を統合する技術に関係しています。
自動車分野における以前のグループ化技術はMTP（Module To Pack）であり、これは、セルを最初にモジュールに統合し、次にモジュールをパックに統合することを意味します。 この技術は、モジュールを取り外して交換できるという特徴があり、メンテナンス性に優れていますが、グループ化の効率は低いです。 技術の発展に伴い、グループ化技術はMTPからCTP（Cell To Pack）への変化を遂げました。 CTP技術は、セルをパックに直接統合し、従来のモジュール構造を排除し、グループ化の効率と生産効率を向上させる技術を指します。 近年、業界では、CTC（Cell To Chassis）、CTB（Cell To Body＆Bracket）、MTB（Module To Body）などの、より高い統合効率のグループ化技術も模索しています。
動力電池と電気化学エネルギー貯蔵の分野において、リチウム電池の主な技術進歩は構造革新と材料革新から生まれています。前者は「セル-モジュール-電池パック」の構造を物理レベルで最適化し、電池パックの体積エネルギー密度の向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。後者は化学レベルで電池材料を探求し、単一セルの性能向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。この記事では、電池パックの構造統合の観点から、さまざまな構造統合技術が電池パックの製造技術に与える影響と革新的発展の方向に焦点を当てています。現在の動力電池統合の主要技術を下図に示します：
1-MTPは排除されました
現在の電気自動車開発の波の始まりには、石油から電気への新エネルギー車モデルが数多く発売されました。これらは、従来のガソリン車の空間レイアウトとスタイル設計を継承しています。エンジニアは、一定数の個別のバッテリーセルを直列/並列に接続して比較的大きなバッテリーセルモジュールを組み立て、次にそのようなバッテリーセルモジュールをいくつかバッテリーパックに配置しました。これが、おなじみの「MTP」バッテリーパックです。バッテリーパックは2回以上「パッケージ化」する必要があるため、必要な部品の数が非常に多く、バッテリーパックは「内側3層、外側3層」のように見え、冗長な部品が多すぎてシステムの体積と重量が大きくなり、「MTP」バッテリーパックの体積エネルギー密度と重量エネルギー密度が低下します。さらに、ガソリン車の設計ではバッテリー用のスペースが明確に確保されていないため、バッテリーシステムは「収まるところに押し込む」ことしかできず、製品の競争力とユーザーエクスペリエンスが低下します。
テスラに代表される新型インテリジェント電気自動車プラットフォームの登場以来、国産純電気自動車は、バッテリーパックをより効率的かつ規則的に理想的な空間位置に取り付け、3つの電気システムをより合理的にレイアウトし、車両の電子・電気アーキテクチャと熱管理設計をより効率的に統合できるようになりました。エネルギー効率、耐久性、インテリジェンスなどの面での車両の製品力が大幅に向上しました。
2-統合技術2.0時代——CTP
MTP構造のバッテリーパックには、スペース利用率の大きな問題があります。バッテリーセルからモジュールまでのスペース利用率は80％、モジュールからバッテリーパックまでのスペース利用率は50％で、全体のスペース利用率はわずか40％です。モジュールのハードウェアコストは、バッテリー総コストの約14％を占めています。この低いスペース利用率の構造は、新エネルギー車の開発要件を満たすことができません。バッテリーセル→モジュール→バッテリーパック→ボディ統合の考え方の枠組みの下で、車両が限られたシャシースペースにできるだけ多くの電力を積載し、体積利用率を向上させたい場合は、各統合ステップの標準化を考慮する必要があります。走行距離に対する市場の需要が高まり続けるにつれて、単一のバッテリーモジュールの体積は増加し続け、間接的にCTPソリューションの出現につながります。
CTP構造技術は、安全性、パッケージの複雑さ、コスト削減などを考慮して生まれました。CTP技術は、バッテリーセルの安全性を確保するという前提の下、内部のケーブルと構造部品を削減します。MTP技術と比較して、CTP技術にはモジュール構造がなく、車両に取り付ける前にバッテリーセルを直接バッテリーパックにパッケージ化します。
現在、主なアイデアは2つあります。1つは、CATLに代表される、内部の複数の小型モジュールの構造を置き換える完全な大型モジュールとしてパックを捉えることです。もう1つは、設計時にモジュールフリーのソリューションの使用を検討し、BYDのブレードバッテリーのように、バッテリー自体を電力参加者として設計することです。
CTP技術の核心はモジュール設計を廃止することです。バッテリーセルはシェルと直接結合され、エンドプレートとパーティションの使用が削減されます。その後に生じる問題は、バッテリーパックの固定と熱管理です。
実は、CTPバッテリーパックのオリジナル製品は、純粋なモジュールフリー設計ではなく、元の小型モジュールを3つの大型モジュールと2つの中型モジュールに統合した設計であり、両端にアルミニウムエンドプレートもあったため、理論的にはまだMTPですが、構造的には確かに大きな改善があります。
CTP 3.0の導入後、CATLはより先進的な製造方法を発表し、完全にモジュールフリーの設計を実現しました。バッテリーセルは高さ方向の垂直配置から水平位置に変更されました。さらに、バッテリーセル間に新しい冷却ソリューションが実装され、熱を放散するだけでなく、サポート、クッション、断熱、温度制御機能も提供します。底部シェルも制限固定機能を備えて設計されています。
図1: CATLキリンバッテリーCTP2.0とCTP3.0の比較
3-統合技術3.0時代——CTB、CTC
l CTB技術
CTP技術はバッテリー構造の革新における大きな前進ですが、バッテリーパック自体にはまだ大きな進歩はありません。CTP技術では、バッテリーパックは依然として独立したコンポーネントです。CTPのバッテリーパックの合理化戦略と比較すると、CTB技術は車体フロアパネルとバッテリーパックカバーを1つに組み合わせています。バッテリーカバー、ドアシル、前後ビームによって形成された平らなシール面は、シーラントで車室を密閉し、底部は取り付けポイントを介して車体と組み立てられます。バッテリーパックの設計と製造では、バッテリーシステムが車体全体に統合され、バッテリー自体の密閉と防水の要件を満たすことができ、バッテリーと車室の密閉は比較的簡単で、リスクを制御できます。
これにより、従来の「バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造が「車体下部一体型バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造に変わり、車体とバッテリーカバーの接続による空間損失が低減されます。この構造モードでは、バッテリーパックはエネルギー源であるだけでなく、構造として車両全体の力と伝達にも関与します。
図2: CTB技術構造の概略図
l CTCテクノロジー
CTC方式を採用した後、バッテリーパックは独立したアセンブリではなく、車体と一体化されるため、製品の設計と製造プロセスが最適化され、車両部品の数が減少し、特にバッテリーの内部構造部品とコネクタが削減され、軽量という固有の利点があり、スペース利用率が最大化され、バッテリーの数を増やして走行距離を向上させるためのスペースが提供されます。電気化学システム自体は変更されないという条件下では、バッテリーの数を増やすことで走行距離を延ばすことができます。
図3: テスラCTC技術構造図
例えば、テスラなどの自動車メーカーは、CTC技術モデルを相次いで発表しています。セルレベルでは、多機能弾性サンドイッチ構造と大面積水冷技術を採用し、統合開発によってもたらされたバッテリーパックの底部の衝突防止空間再利用技術を重ね合わせ、グルーピング効率、放熱性、安全性を考慮し、セル最適化と車両構造保護の2つの側面からCTC技術の応用を推進しています。車両統合開発レベルでは、バッテリーセルがシャーシに直接統合され、モジュールとバッテリーパックのリンクが排除されています。3大電動システム（モーター、電子制御、バッテリー）、3小電動システム（DC/DC、OBC、PDU）、シャーシシステム（トランスミッションシステム、駆動システム、ステアリングシステム、ブレーキシステム）、自動運転関連モジュールの統合が実現され、インテリジェントパワードメインコントローラーを通じて電力配分が最適化され、エネルギー消費が削減されます。
4-CTP、CTB、CTC技術用バッテリーボックスの特定要件の変更
従来のバッテリーパック構造では、バッテリーモジュールはバッテリーセルを支持、固定、保護する役割を果たし、バッテリーボックス本体は主に外部からの押し出し力を支えます。CTP、CTB、CTC技術の適用により、バッテリーボックスに新しい要件が提示され、具体的には次のような点に反映されています：
バッテリーボックス本体の強度要件が向上：CTP、CTB、CTC構造ではモジュールリンクが削減または排除されているため、バッテリーボックス本体は外部からの押し出し力だけでなく、モジュールが本来負うバッテリーセルからの膨張力にも耐える必要があります。そのため、バッテリーボックス本体の強度要件は高くなります。
衝突保護機能: CTP 技術を使用してバッテリー パックのサイド ビームを削除した後、バッテリーが衝突の衝撃を直接受けるため、CTP バッテリー パックは十分な衝突耐性を備えている必要があります。
絶縁、断熱、放熱の要件：CTPまたはCTBおよびCTC構造は、シャーシ支持構造ボックスに基づいて、底板プロファイルを水冷プレートに変更します。バッテリーボックスボックスは、バッテリーセルの重量を支えるだけでなく、バッテリーの熱管理などの機能も提供します。構造はよりコンパクトになり、製造プロセスは最適化され、自動化の程度は高くなります。
メンテナンス性の低下: 高度に統合された設計により、バッテリー パックの交換が複雑になります。たとえば、CTC 構造では、バッテリー セルが樹脂材料で満たされているため、バッテリー セルの交換が難しく、修理がほぼ不可能になります。
5- バッテリーパックの統合が電気自動車の充電インフラに与える影響
異なるバッテリーパック統合技術を選択することは、異なる補償方法を選択することも意味します。CTPはバッテリーの交換を重視する傾向がありますが、より高度に統合されたCTB/CTCは急速充電を重視する傾向があります。
高い統合性は、同じスペースにより多くのバッテリーを収容できることを意味し、それによって電気自動車の航続距離が増加します。ユーザーは短距離のために頻繁に充電する必要がなくなるかもしれませんが、長距離の移動中には迅速に充電することを好むかもしれません。したがって、充電インフラの計画はこれらの変化を考慮に入れ、ユーザーのニーズに応えられるようにする必要があります。
バッテリーパックの統合が進むにつれて、バッテリーパックの物理的なサイズと構造が変化する可能性があり、充電インターフェースの設計と充電装置の互換性に影響を与える可能性があります。
さらに、バッテリーパックの統合化が進むと、充電速度と効率にも影響が出る可能性があります。高速で安全な充電プロセスを確保するには、より効率的なバッテリー管理システムと充電技術を開発して導入する必要があるかもしれません。
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新エネルギー車用バッテリートレイ/蓄電液コールドボックスの共通表面処理技術
新エネルギー車用のバッテリートレイとエネルギー貯蔵液体冷却ボックスの製造プロセスでは、必要かつ適切な表面処理が重要なステップです。たとえば、コーティング、酸化処理などを使用して金属表面に保護層を形成し、腐食性媒体の浸食に抵抗します。バッテリーセル、水冷プレート、モジュール壁など、電気的絶縁を必要とするコンポーネントには、絶縁保護フィルムを確立する必要があります。絶縁は通常、絶縁粉末または絶縁塗料をスプレーすることによって実現されます。適切な表面処理技術を選択すると、トレイ/液体冷却ボックスの性能が向上するだけでなく、耐久性と安全性も向上し、さまざまなアプリケーションシナリオのニーズを満たすことができます。この記事では、参考のために一般的な表面処理技術をまとめています。
1-洗浄と研磨
製造工程では、加工油、エンジンオイルの残留物、粉末、ほこりなどの不純物がパレットの表面に蓄積することがあります。これらの不純物は、バッテリートレイの耐用年数に影響を与えるだけでなく、バッテリーの性能と安全性にも悪影響を与える可能性があります。洗浄と研磨により、これらの不純物を効果的に除去し、パレット表面の清潔さを確保できます。洗浄と研磨により、表面の不純物、バリ、溶接スラグを効果的に除去し、表面を滑らかで平らにすることができ、バッテリートレイ/ボックスの全体的な品質が向上します。
l 化学洗浄
アルカリ洗浄：アルカリ洗浄は主にアルカリ溶液（水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムなど）を使用して、アルミニウム合金の表面のグリース、汚れ、その他の有機物を除去します。アルカリ洗浄は、鹸化、乳化、浸透と湿潤によってグリースを除去し、同時に水溶性沈殿物を生成して洗浄効果を実現します。アルカリ洗浄は通常、アルミニウム合金の表面からグリース、ほこり、有機汚染物質を除去するために使用されます。
酸洗い：酸洗いは酸性溶液（硝酸、塩酸など）を使用して、アルミニウム合金の表面の酸化スケール、錆、その他の無機堆積物を除去します。酸洗いは、酸と金属表面の酸化物との反応を通じて金属表面の酸化物を可溶性塩に変換し、表面の不純物を除去します。酸洗いは主に、アルミニウム合金の表面の酸化膜、錆、無機塩スケールを除去するために使用されます。酸洗いは、金属表面の仕上げと平坦性を向上させるための最終処理によく使用されます。
l 機械研削
製造中に、研削工程により加工代を除去し、形状誤差を修正し、パレット/ボックス表面の滑らかさと精度を確保し、組み立て要件を満たすことができ、全体的な性能と耐用年数が向上します。
洗浄および研磨された表面は、コーティング材またはその他の材料で処理することができ、これはその後の防錆、密封、熱伝導、絶縁、断熱およびその他のコーティングの構築にとって非常に重要であり、これらの材料をパレット/ボックスにしっかりと取り付けるのに重要な役割を果たします。
2-コーティングと保護フィルムの設置
パレット/ボックスの製造では、基本的な洗浄と研磨に加えて、表面処理にスプレープロセスを使用して保護層を形成し、酸化と腐食を防ぎ、断熱、絶縁、耐電圧などのさまざまなシナリオのニーズを満たします。
l 保温断熱
バッテリートレイの結露防止と断熱は、断熱システムの総合的な設計、高効率断熱材の使用、エアロゲルの適用、バッテリーパックの断熱設計、および発泡断熱材の噴霧によって実現できます。
底面にPVCと発泡材を吹き付け
l 絶縁耐電圧
バッテリー パックのケースと液体冷却コンポーネントの絶縁は、主に電流漏れを防ぎ、人員を感電から保護し、バッテリー システムの正常な動作を確保することを目的としています。絶縁は通常、粉体スプレーとフィルム ラミネーションという 2 つの主な方法で実現されます。主流のフィルム ラミネーション プロセスには、室温ラミネーション、ホット プレス、および UV 露光が含まれます。
断熱粉末と断熱塗料の内部吹付
3-ロゴと標識
銘板またはラベルは、通常、レーザー、機械彫刻などによって、バッテリー トレイの目立つ位置に設定されます。これらのロゴは通常、耐摩耗性と耐腐食性のある媒体で作られており、耐用年数全体にわたって簡単に消えないことが保証されています。
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エネルギー貯蔵コンバータの放熱要件の変化と一般的な放熱ソリューションの比較
エネルギー貯蔵システムの中核設備であるエネルギー貯蔵コンバータは、電力変換、エネルギー管理、グリッド安定性の確保、エネルギー効率の向上などのための重要なツールです。エネルギー貯蔵コンバータ電源ユニットが高集積化と高効率化に向かうにつれて、周波数と大容量の開発により、放熱に対する要件がますます高くなります。
1-冷却要件の変更
l 大型のDCキャビンに合わせてコンバータ容量も増加し、効率的な放熱技術により機器の信頼性が確保されています。
エネルギー貯蔵セルの容量がますます大きくなるにつれて、エネルギー貯蔵システムの容量も同時に拡大しています。 2023年の初め、市場に出回っている標準的な20フィートのシングルセルバッテリーの容量はわずか3.35MWhでした。 今年後半には、多くのバッテリーセル企業が310Ah以上のエネルギー貯蔵製品を発売し、20フィートのシングルセルバッテリーの容量も5MWhに拡大しました。 しかし、5MWhモデルが更新されてから半年も経たないうちに、いくつかの大手エネルギー貯蔵システムが6MWhと8MWhのシステムをリリースしました。 一般的な経験によると、エネルギー貯蔵コンバーターは負荷容量の1.2倍で構成されます。 5MWhエネルギー貯蔵システムの単一ユニット容量は2.5MW以上である必要があります。 高出力では、持続的な高負荷下での機器の安定した動作を確保するために、より効率的な冷却技術が必要です。
エネルギー貯蔵システム統合トポロジースキームの反復的進化
l DC高電圧技術の適用には、デバイスにより高い耐電圧レベルと絶縁強度が求められ、パワーデバイスの放熱は厳しくなります。
大容量のエネルギー貯蔵システムに対応するため、DC高電圧技術が技術トレンドになっています。電圧レベルを上げることで、省エネ、効率、性能向上を実現できます。1500Vの電圧アップグレードは太陽光発電に端を発し、現在では太陽光発電がエネルギー貯蔵に関わっています。しかし、エネルギー貯蔵PCSの高電圧進化にはまだ長い道のりがあり、一部のメーカーは最適化して2000Vまで押し上げ始めています。DC高電圧技術の応用により、エネルギー貯蔵コンバーターのパワーエレクトロニクスデバイスは、高電圧作業環境に適応するために、より高い耐電圧レベルとより高い絶縁強度を備える必要があります。高電圧環境では、パワーデバイスの放熱設計がさらに重要になります。パワーデバイスのpn接合温度は通常125°Cを超えることはできず、パッケージシェルの温度は85°Cを超えません。
l ネットワーク化されたエネルギー貯蔵システムには、複雑な制御アルゴリズム、回路設計、高電力密度エネルギー貯蔵コンバータが必要です。
グリッド形成エネルギー貯蔵システムの電流源の本質的な特性とは異なり、グリッド形成エネルギー貯蔵システムは、本質的には、安定した電圧と周波数を出力するために電圧パラメータを内部で設定できる電圧源です。したがって、グリッド形成コンバータは同期発電機の特性をシミュレートし、電圧と周波数をサポートして電力システムの安定性を高める必要があります。この制御戦略では、コンバータがより高い電力密度とより複雑な制御アルゴリズムを備えていること、および制御戦略を実装するためにより高性能な電力デバイスとより複雑な回路設計が必要です。高電力密度と複雑な制御戦略によって発生する熱を効果的に管理し、性能を損なうことなく冷却システムのサイズとコストを削減することは、熱設計における新たな課題となっています。
2- 一般的な冷却ソリューションの比較
エネルギー貯蔵インバータの冷却ソリューションは近年、主に従来の空冷から液体冷却技術への冷却技術の移行を反映して、大幅な反復的な進化を遂げてきました。
l 空冷ソリューション
空冷は、エネルギー貯蔵コンバータの初期段階で使用されていた温度制御形式です。空気を媒体として使用し、ファンとラジエーターを介して熱を放散します。空冷ソリューションは、エネルギー消費を継続的に削減し、構造を最適化し、放熱材料を改善することで、放熱効率を向上させます。2.5MWの電力レベルでは、空冷でも要件を満たすことができます。
l 液体冷却ソリューション
エネルギー貯蔵システムの電力密度とエネルギー密度が継続的に増加するにつれて、液冷式PCSは、高熱伝導率の冷却剤を媒体として使用します。冷却剤は水ポンプによって駆動され、冷却プレート内を循環し、高度や気圧などの要因の影響を受けません。液冷システムは、空冷システムよりも効率的な放熱効率を備えています。液冷ソリューションはマッチング度が高く、過去1〜2年で研究され、普及し始めました。
全液冷却エネルギー貯蔵ソリューションに加えて、一部のメーカーは、相変化直接冷却を使用し、水を循環させないエネルギー貯蔵直接冷却機を発売しており、直接冷却ソリューションもエネルギー貯蔵分野に参入しています。
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新エネルギー車や蓄電池パックに使用されるアルミニウムプロファイルの設計における重要なポイント
バッテリーパックは、新エネルギー車、エネルギー貯蔵キャビネット、コンテナの重要なコンポーネントです。シェルエンベロープを介したエネルギー源であり、電気自動車に電力を提供し、エネルギー貯蔵キャビネットとコンテナに消費容量を提供します。この記事では、実際のエンジニアリングニーズと組み合わせて、バッテリーパックの機械的強度、安全性、熱管理、軽量化の要件を分析し、バッテリーパックのプロファイル設計の重要なポイントをまとめています。
1-バッテリーパックハウジングの設計要件
a.機械的強度、耐振動性、耐衝撃性：試験後、機械的損傷、変形、固定の緩みがなく、ロック機構が損傷してはなりません。
b.シーリング: バッテリー パックのシーリングは、バッテリー システムの動作安全性に直接影響します。通常、バッテリー パックが密閉され、防水されていることを確認するには、IP67 保護レベルに達する必要があります。
c.バッテリー パック シェルの設計では、熱管理性能を考慮し、適切な熱管理設計を通じてバッテリーが適切な範囲内で動作するようにする必要があります。
d.設置および固定のために、シェルには銘板や安全標識用のスペースが確保され、収集ラインや各種センサー要素などの設置に十分なスペースと固定基礎が確保されている必要があります。
e.非極性基礎絶縁のすべてのコネクタ、端子、および電気接点は、組み合わせた場合に、対応する保護レベル要件を満たす必要があります。
f.軽量化: シェルの軽量化は、バッテリー パックのエネルギー密度の向上に非常に重要です。アルミニウム合金は軽量で高品質であるため、現在最も実現可能な選択肢となっています。実際のアプリケーションと組み合わせた適切な極端な設計により、軽量化レベルを向上させることができます。
g.耐久性: バッテリーパックのシェルの設計寿命は、製品全体の耐用年数よりも短くてはなりません。使用サイクル中に明らかな塑性変形が発生してはなりません。保護レベルと絶縁性能が低下してはなりません。銘板や安全標識のレイアウト、コネクタの保護など、構造はメンテナンスが容易でなければなりません。
図1 典型的なアルミニウム合金溶接バッテリーパックシェル
2-典型的なアルミニウム合金バッテリーパックシェルソリューション
バッテリーパックのシェルによく使用されるアルミニウム合金材料には、6061-T6、6005A-T6、6063-T6 などがあります。これらの材料は、さまざまな構造要件を満たすために、さまざまな降伏強度と引張強度を備えています。これらの材料の強度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6 です。
現在、バッテリーパックのシェル形成ソリューションには、アルミニウムプロファイル溶接、アルミニウム合金鋳造、鋳造アルミニウムとプロファイルアルミニウムの組み合わせ、打ち抜きアルミニウム板溶接などがあります。アルミニウムプロファイル溶接ソリューションは、その柔軟性と加工の利便性から、主流の選択肢となっています。図1に示すように、シェルは主にアルミニウム合金プロファイルフレームとアルミニウム合金プロファイル底板で構成されており、6シリーズのアルミニウム合金押し出しプロファイルを使用して溶接されています。アルミニウム合金鋳造ソリューションは、その簡素化されたプロセスとコスト削減の可能性から、将来の開発方向と見なされています。
3- プロファイルセクション設計
a.断面サイズと複雑さ: プロファイルの断面サイズは外接円で測定されます。外接円が大きいほど、必要な押し出し圧力が大きくなります。プロファイルの断面は通常、構造の剛性と強度を向上させるために複数のキャビティで構成されています。通常、フレーム、中間仕切り、底板、梁などは、さまざまな構造および機能要件に適応するために、さまざまな断面設計を採用しています。
図2 典型的なアルミニウム合金プロファイル断面
b.アルミプロファイルの壁厚：特定のアルミプロファイルの最小壁厚は、プロファイルの外接円の半径、形状、合金組成に関係しています。たとえば、6063アルミニウム合金の壁厚が1mmの場合、6061アルミニウム合金の壁厚は約1.5mmにする必要があります。同じセクションの押し出し難易度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6です。バッテリーパックプロファイルの設計では、フレームプロファイルは通常6061-T6アルミニウム合金材料で作られ、その典型的なセクションは複数のキャビティで構成され、最も薄い壁厚は約2mmです。底板プロファイルも複数のキャビティで構成され、材料は通常6061-T6、6065A-T6で、最も薄い壁厚も約2mmです。また、底板荷重支持トレイと底板液体冷却一体型設計では、底板は一般的に両面構造を採用し、底板の厚さは一般的に10mm、壁の厚さとキャビティの内壁は約2mmです。
c.プロファイル断面寸法の許容差：断面寸法の許容差は、アルミニウムプロファイルの加工許容差、使用条件、プロファイル押し出しの難しさ、およびプロファイルの形状に基づいて決定する必要があります。押し出しが難しい一部のアルミニウムプロファイルについては、形状を変更したり、加工許容差と寸法許容差を大きくしたりして押し出しの難しさを軽減し、要件に近いアルミニウムプロファイル製品を押し出し、その後、使用要件を満たすように再形成または加工することができます。
さらに、プロファイルセクションを設計する際には、ジョイント、溝、壁の厚さなど、さまざまな溶接プロセスの特定の要件を考慮する必要があります。
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液冷プレートは気密試験に合格しましたが、なぜまだ漏れが起こるのでしょうか?
バッテリーパックの気密性は、バッテリーパックの品質と安全性を確保する上で重要な要素であり、バッテリーパックの安全性、信頼性、耐用年数に関係しています。バッテリーパックの気密性テストは、製造プロセス中だけでなく、バッテリーのメンテナンスや検査中にも実行する必要があります。
1-バッテリーパックの気密性要件
実際の製造では、バッテリーパックの気密性は次の要件を満たす必要があります。
密閉性能：バッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタは、ほこり、水蒸気、その他の外部不純物がバッテリーパックに侵入するのを防ぐために、優れた密閉性能を備えている必要があります。これは、溶接、シーラント、防水材などによって実現できます。
防水性能は、水分がバッテリーに入り、ショートや腐食などの問題を引き起こすのを防ぎます。国家規格GB38031-2020「電気自動車用動力バッテリーの安全要求」によると、バッテリーとその部品の密閉性能はIP67規格を満たす必要があります。ほとんどの新エネルギー車は、バッテリーとその部品に対してより高い密閉性能要件があり、IP68規格を満たす必要があります。つまり、バッテリーパックは、指定された水深と水没時間内で水の浸入を防ぐことができます。
従来の気密性試験方法には、圧力法と浸漬法（水試験）があります。浸漬法は、液体冷却プレートを水に浸し、気泡が発生するかどうかを観察して密閉性を判定します。
液体冷却プレート水路気密試験タンク
IP68規格はより厳格ですが、実際のアプリケーションでは、適切な気密性検出基準を設定することでIP68要件を満たすために、圧力降下法が主な検出方法としてよく使用されます。圧力降下法は、バッテリーパック内の圧力変化を測定することでバッテリーパックの気密性を判定します。気密性テストを実行するときは、膨張圧力、膨張時間、圧力安定時間、漏れ率など、複数のパラメータに注意する必要があります。
差圧基本原理図 直圧基本原理図
2-液体冷却プレートの漏れ問題の分析
動力電池自動車、電池エネルギー貯蔵システムなどの市場需要の継続的な向上に伴い、より高いエネルギー密度と電力密度の電池パックが広く使用されています。電池の熱特性により、電池などのコア機器の安定した動作を確保し、エネルギー利用効率を向上させるために、液体冷却技術はエネルギー貯蔵熱管理の主流の技術ルートの1つであり、液体冷却システムの気密性テストは重要なリンクとなっています。
液体冷却プレートの漏れは深刻な問題です。漏れがあると、冷却剤の正常な流れが妨げられ、液体冷却プレートの放熱効果に影響し、機器の性能が低下します。また、漏れによってシステム コンポーネントが老朽化したり損傷したりして、システムの信頼性が低下する可能性があります。さらに、漏れによって電子部品や回路が腐食し、機器の故障や火災のリスクが高まります。
液体冷却プレートの生産および製造工程で厳格な気密性テストを行った後でも、漏れの問題が発生するのはなぜですか?
液体冷却システムの気密性試験プロセス
液体の浸出はさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります：
l 小さな亀裂や欠陥。景観気密性テストでは大きな漏れ経路が検出されることがあります。しかし、小さな亀裂や欠陥がまだ存在する可能性があります。これらの小さな亀裂は、液体の圧力や高温環境下で拡大し、液体の浸透を引き起こす可能性があります。
l 冷却剤の表面張力と濡れ性の違い: 冷却剤の表面張力が低いと、小さな隙間を通り抜けやすくなります。液体冷却プレートの表面張力の設計が不合理であったり、冷却剤が適切に選択されていない場合、液体の浸透の問題が悪化する可能性があります。
濡れ性の違い: 冷却剤の種類によって、固体表面に対する濡れ性が異なります。液体冷却プレートの材料表面の粗さが大きい場合や微細構造の欠陥がある場合、冷却剤がより簡単に浸透する可能性があります。
l 設置またはプロセスの問題: 液体冷却プレートの設置プロセスが十分に精密でなかったり、溶接、接続などのプロセスに欠陥があったりすると、密閉性が悪くなり、液体が浸透する可能性が高くなります。
l 環境条件: 特に高圧環境では、温度変化が冷却剤の透過性に影響を与える可能性があります。これらの環境要因は気密性テストでは考慮されないかもしれませんが、実際の動作では温度変動によりシールが破損する可能性があります。
l 材料の老化または疲労: 液体冷却プレートの材料を長期間使用すると、老化または疲労が発生し、シール性能が低下して液体漏れのリスクが高まります。
3-液冷プレート漏れ防止対策
l 液体冷却プレートの設計を改善する：液体冷却プレートの構造と設計を最適化することで、小さな亀裂や欠陥を減らし、密閉性能を向上させます。たとえば、モジュール設置ビームを流路表面に溶接する場合は、漏れ防止対策を講じて冷却剤の漏れを防ぎます。
l 製造プロセスレベルの向上：液体冷却プレートの製造プロセスでは、高品質の溶接プロセスと材料を使用して、冷却剤が浸透しにくいようにします。同時に、組み立てプロセスでは、緩みや誤った取り付けを避けるために、操作手順を厳密に遵守します。
l 検出方法の組み合わせを最適化して、検出効率を確保しながら、検出精度を向上させ、検出漏れ率を低減します。気密性検出には、操作が簡単で経済的で効率的であり、大規模な日常的な検出ニーズに適した浸漬法と圧力降下法が使用されます。ただし、2つの方法の検出精度は低いです。圧力降下法の検出精度は、一般的に1×10-4Pa·m³/sの漏れ率であり、検出結果の精度は、温度、湿度、清浄度、圧力などの要因によって簡単に干渉されます。検出精度が高く、効果の優れた検出装置を使用して、検出精度を1×10-6Pa·m³/sに上げ、検出効果を向上させます。
液冷プレート自体の予防対策に加え、冷却剤の選択、シールの選択、機器の動作環境など、複数の側面で適切な対応戦略を採用する必要があります。
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熱設計において、エンジニアはどの設計要素を最適化すれば効果的なコスト削減を実現できるでしょうか?
放熱設計では、効果的なコスト削減方法を採用することで、不必要なコストを削減しながら、システム全体の信頼性と効率を向上させることができます。
1-ディレーティング設計によりコストを削減
ディレーティング設計とは、動作中に部品や製品が受ける電気的、熱的、機械的ストレスを意図的に軽減する設計方法です。実際の製造および使用シナリオでは、部品にかかるストレスを軽減することで電子機器の安定性を向上させることができます。
2Dおよび3Dパッケージの放熱経路の概略図
l 動作ストレスの軽減：製品の設計および動作中に、作業負荷の軽減、動作周波数の制御、電流および電圧の制限などにより、コンポーネントの動作ストレスを軽減できます。
l 環境ストレスの軽減: 温度マージンが大きいコンポーネントを選択したり、密閉性の高いパッケージング フォームを使用してコンポーネントに対する温度、湿度、圧力の影響を軽減するなど、適切なコンポーネント タイプ、レイアウト、パッケージング フォームを選択して、環境ストレスを軽減します。
l 信頼性工学の応用：合理的な冗長設計、障害検出と分離などにより、コンポーネントの障害リスクをさらに低減します。
動作中のコンポーネントへのストレスを軽減することで、消費電力と発熱を抑えることができます。パワーデバイスが定格ストレスよりも低いストレス条件下で動作する場合、消費電力と発熱を抑えることができ、システムのエネルギー効率と信頼性の向上に役立ちます。長期的には、ディレーティング設計により、コンポーネントの寿命が効果的に延び、故障率が下がり、メンテナンスの作業負荷が軽減され、コストが削減されます。
2-レイアウトを最適化する
熱部品を適切に配置することでラジエーターの作業効率を大幅に向上させることができ、また、適切な部品レイアウト戦略により製品の性能とコストのバランスを実現できます。
l 放熱部品の分散: 大量の熱を発生する部品を分散し、単位面積あたりの熱負荷を軽減します。
l 放熱しやすい場所: 通気口の近くやデバイスの端など、放熱しやすい場所に加熱要素を配置します。
l インターリーブ配置: レイアウトを設計するときは、発熱部品を他の一般的な部品とインターリーブして配置し、同時に、発熱要素を温度に敏感な部品からできるだけ遠ざけて、熱に敏感な要素への影響を最小限に抑えます。
l 気流の改善：方向設計と部品レイアウトを変更することで、気流経路が最適化され、流量が増加し、熱伝達係数が向上します。
コンポーネント間の間隔の推奨事項
3-冷却方式の選択
電子部品の性能が向上し、集積度が高まるにつれて、電力密度が増加し続け、動作中に電子部品から発生する熱が大幅に増加します。電子部品の放熱方法を選択する場合、温度制御の要件には主に次の側面が含まれます：
l 温度範囲: コンポーネントによって温度許容範囲が異なります。たとえば、CPU などの高性能チップの動作温度要件は 85 ～ 100°C ですが、低電力デバイスの中にはより高い温度に耐えられるものもあるため、冷却システムによってコンポーネントが安全な温度範囲内で動作するようにする必要があります。
l 温度制御精度: 温度制御要件が厳しいシナリオでは、コンポーネントのパフォーマンス低下や、過度の高温または低温による損傷を回避するために、温度を正確に制御できる放熱ソリューションを採用する必要があります。
l 周囲温度：電子機器の放熱効果は、機器自体の放熱能力だけでなく、周囲の周囲温度の影響も受けます。放熱設計では、周囲温度の変化を考慮し、放熱手段によって機器を適切な温度範囲内に保つようにする必要があります。
l 消費電力と信頼性: 一部の低電力電子部品は、発熱量が少ないときに自然放熱を利用できます。高電力消費機器の場合、高負荷でも正常な性能を維持し、動作寿命を延ばすためには、大学の放熱技術を待つ必要があります。
l 密閉性と密度：密閉型で高密度に組み立てられたデバイスでは、発熱量が高くない場合は自然放熱に頼ることができます。部品が密集して大量の熱を発生する場合は、強制放熱や液体冷却などのより効果的な放熱技術が必要です。液体冷却とヒートパイプ技術は、進行波管、マグネトロン、電力増幅管などの高出力電子部品、サーバーや高消費電力機器、新エネルギー車の三電システムなど、消費電力が高く発熱量が大きいシナリオで使用され、独自の応用上の利点があります。
充電パイル空冷モジュール 充電パイル液体冷却モジュール
電子部品の冷却方法を選択する際には、発熱と熱流束、周囲温度と動作温度、スペースの制約と断熱要件、コストと実現可能性などの要素を総合的に考慮する必要があります。適切な冷却技術と冷却装置を使用して、部品が適切な温度で動作するようにすることで、システムの交換とメンテナンスのコストを効果的に削減できます。また、過去のプロジェクトを再利用することも、開発と製造のコストを削減し、信頼性を向上させる効果的な戦略です。
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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
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アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液冷式蓄電パックの下部ボックスは、底板と側板で構成されています。底板は基本的なサポートとして機能し、側板は底板の周りに固定され、一緒にボックスのメインフレームを形成します。ボックスのサイズは、液体冷却システムの全体的なニーズと負荷条件を考慮して調整する必要があります。大型ボックスの設計では、内部の仕切りやサポート構造を合理的に設置して、大きなスペースを複数の小さなスペースに分割することができます。力の領域は、均一な耐荷重能力を向上させる。内部構造では、サポートリブと補強リブを追加することで局所的な耐荷重能力を向上させることができ、ボックス内に荷重分散構造を設置して各コーナーの荷重をバランスさせることもできます。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
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Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
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応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷却負荷
冷媒は電池の冷板が吸収した熱を蒸発器を通して放出し、ポンプの運行で発生した電力を冷板の吸収装置で発生した熱に送ります。
液冷技術の特性
液冷技術は液体をばいしつとして熱交換を行うことで、空気に比べて、液体はより大きな熱を運ぶことができて、低い流れ抵抗、速い放熱速度、高い放熱効率を提供することができます.液冷システムは風道を設計する必要がなく、ファンなどの机械部品の使用を減らし、故障率が低く、騒音が少なく、環境にも友好的で、敷地面積が節約できます。将来はMW級以上の大型エネルギー貯蔵所に適しています。
エネルギー貯蔵システム（BESS）
電池貯蔵システムは、エネルギー貯蔵媒体として電池を使うエネルギー貯蔵システムです。従来の化石燃料とは異なり、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを貯蔵し、エネルギー需給のバランスを取る必要があれば放出することができます。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷媒クーラー
ユニットの運転の間、蒸発器(板式の熱交換器)を通して冷媒が蒸発してその中の冷媒循環システムから熱を吸収して、その中の冷媒の凝縮は熱をこれらの周りの空気環境の中に放出します。凝縮された冷媒が膨張弁を通って蒸発器に戻るサイクルテストが繰り返されます。
液冷システムはなぜますます流行しているのか
•バッテリパックの温度が低い:同じ入り口の温度と風速の限界と流速では、液冷よりも温度を下げることができますが、バッテリパックの最高温度は、風冷よりも3-5℃低くなります。
•動作エネルギー消費量が低い:同じ電池の平均温度に達して、風冷に必要な動作エネルギー消費量は液冷の約3-4倍です。
•電池の熱暴走リスクが低い:液冷スキームは、強制的に冷却ばいしつの大流量に依存することができます。電池パック放熱と電池モジュール間の熱の再分配を実現するために、急速に熱暴走を抑制し続けて悪化し、暴走リスクを低減する。
•投入コストが減ります：液冷システムは電池が快適な温度で働作しやすいため、風冷システムに比べて電池寿命を20%以上延ばすことができ、総合的な寿命サイクルで見ると液冷投入はより少ないです。
技術とビジネスのトレンド
ソースネット側のエネルギー貯蔵発電所及びオフネットのエネルギー貯蔵システムに対する大容量、ハイパワー、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵システムの需要が絶えず成長するにつれて、液冷電池のエネルギー貯蔵システムは業界の主流案になりました。また、顧客のROIとキャッシュバックへの関心は、高充電・放電率バッテリー貯蔵システム(BESS)の発展トレンドにさらに加速しています。
大容量、高出力密度、高充放電率でシステムの熱暴走リスクが高まり、エネルギー貯蔵熱管理へのニーズが高まっているため、エネルギー貯蔵熱管理の熱交換効率のさらなる向上が求められています。
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
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製品のテスト
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バッテリーのプラットフォーム化とバッテリーボックスの開発
自動車業界にとって、コスト削減、効率向上、品質保証を確保しながら、大規模なスパン、迅速な反復、豊富な製品ラインなどの市場ニーズに対応するために、製品の標準化、つまり車両のプラットフォーム化は間違いなく良い戦略です。バッテリーのプラットフォーム化により、同じバッテリーパックソリューションを異なるモデルに適合させたり、同じタイプのバッテリーセルと類似の構造で構成されたバッテリーパックソリューションを適合させたりすることができます。これは、可能な限り多くの部品を標準化できることを意味し、開発サイクルを短縮し、コストを節約し、生産ラインを合理化し、生産効率を向上させることができます。
1番目:バッテリープラットフォーム化
バッテリープラットフォームソリューションは、製品の全体的な計画、コスト削減、生産能力の最適化に役立ちます。車両プラットフォームのバッテリープラットフォーム戦略によると、プラットフォームの各モデルの要件の交差と帯域幅を考慮し、できるだけ少ないバッテリーとバッテリーソリューションを使用して、できるだけ多くのモデルと互換性を持たせる必要があります。純電気プロジェクトのアーキテクチャ開発では、統合されたパワーバッテリーパックを合理的に配置することが重要です。具体的な作業要素には、電力と電力性能の要件、衝突安全性、レイアウトの場所とスペースなどが含まれます。
1-空間サイズの境界とバッテリーセルの標準化
l バッテリーパックの設置場所
現在、主流の動力バッテリーの配置は床下、つまり前部座席の下、後部座席の下、中間チャンネル、フットレストなどです。この配置により、利用可能な面積を最大化し、車両の重心を下げ、車両の操縦安定性を向上させ、衝突力の伝達経路を最適化できます。
図1: 電気自動車開発におけるバッテリーパックのレイアウト
l バッテリーパックのスペースレイアウトの進化
分割バッテリーパック：JAC Tongyueシリーズのような分割バッテリーパックスペースレイアウトを採用しています。エネルギーモジュールは2つのバッテリーパックで構成され、1つは元の燃料タンクの位置に配置され、もう1つはスペアタイヤが収納されているトランクに配置されています。
さらに、エンジニアは燃料車の本来のアーキテクチャ内で使用可能なスペースを継続的に探求しており、その結果、「工」、「T」、「土」の形状のバッテリーパックレイアウトが生まれました。
このタイプの設計は、従来の燃料自動車のマイナーチェンジであり、スペースが非常に限られており、搭載できるバッテリーパックの容積と重量が非常に限られているため、容量を増やすことが難しく、航続距離は高くありません。
統合バッテリーパック: これは新しい製品設計コンセプトです。車両全体の設計は、コアコンポーネントであるバッテリーパックを中心に展開されます。バッテリーパックはモジュール設計されており、利用可能なスペースを最大限に活用するために車両シャーシ上に平らに配置されます。
l バッテリーパック設置箇所レイアウト
バッテリー パックの適切なレイアウトは非常に重要であり、設計上の制限要因には、地上高、通行性、衝突安全性、電力要件など、さまざまな側面があります。
図2: バッテリーパックのサイズ設計上の制約
車両プラットフォームでは、プラットフォーム内の各車両モデルのカテゴリ、レベル、および位置を定義し、車両のサイズとホイールベースを決定する必要があります。車両レイアウトは、車両スペースに応じて、バッテリーパックのサイズエンベロープをX、Y、Z方向に分解します。バッテリーは、車両のさまざまなシステム間の干渉がないように、車両の指定されたエンベロープ内に配置する必要があり、車両重量指数は、バッテリーパックのシステム品質要件を分解できます。
バッテリーのサイズに関して言えば、動力バッテリーパックの設計は、車両スペースや車両重量などの厳格な基準指標を避けることができず、バッテリーセルの設計には限界があることを意味します。この限界に制約されて、バッテリーセルのサイズは一定の範囲に集中します。たとえば、角型バッテリーセルの長さは150〜220mm、幅は20〜80mm、高さは100mm前後です。バッテリーセルのサイズ仕様の変化傾向は、車両のプラットフォーム化とバッテリーの標準化の補完関係の結果です。
しかし、各自動車メーカーのバッテリープラットフォーム戦略、車種、標準化に対する認識は異なり、現在の製品ソリューションには大きな違いが生じています。たとえば、BYDの標準化戦略は、ブレードバッテリーを完全に置き換えることであり、そのサイズは960×13.5（14）×90（102）mmに固定されており、単セル電圧は3.2/3.3Vです。
2- 耐久性限界とバッテリー容量ソリューションの開発
動力電池は、車両が走行するためのエネルギーを提供します。電池容量、放電深度、エネルギー密度は、利用可能な電力量に影響します。異なるモデルのニーズを満たすために、モデルの消費電力の違いは重要な関心事となっています。車両の航続距離は、電気駆動、電池、車両重量、風圧、機械抵抗、低電圧消費電力、エネルギー回収などの要因によって影響を受けます。消費電力の差が大きいモデル間でバッテリーソリューションを共有する可能性は低いため、バッテリーのサイズ、品質、電力、電力性能の最適化など、パーソナライズされたバッテリー電力ソリューションを開発して、航続性能の要件を満たす必要があります。
自動車製造プラットフォームの純電気走行距離の制約下では、バッテリーに必要な正味放電量は、異なるモデルの消費電力によって影響を受けます。プラットフォーム上の各モデルの消費電力分布を確認し、さらに消費電力帯域幅をバッテリー需要分布に変換してから、プラットフォームに必要なバッテリー電力計画を決定する必要があります。
3-パワーパフォーマンス境界
車両全体の動的性能には、異なる SOC と周囲温度での加速条件、定速条件、電力保存条件での電力性能が含まれます。バッテリーに対応する変数は、異なる SOC と温度でのバッテリーの電力電圧特性です。バッテリーの電力は、車両の電力システムの電力要件に対応し、電圧は駆動モーターの定格電圧要件に対応します。
一般的に、車両プラットフォーム全体のバッテリー ソリューションの評価は、常温および高出力での 100 キロメートルの加速時間とそのバッテリー インジケーターの分解から始まり、徐々に全範囲およびすべての動作条件下でのバッテリー インジケーターの分解にまで広がります。
2番目:電池ボックスの開発
1-バッテリーの統合とモジュール化
バッテリー モジュールの設計を最適化し、バッテリー パックの統合性とモジュール性を向上させ、非アクティブなコンポーネントを削減し、バッテリー パックのエネルギー密度を高めます。
現在普及しているバッテリーパックの統合技術には、CTP、CTB、CTCなどの形式があります。統合技術の進歩に伴い、部品の形状、材質、組み合わせが変化してきました。全体的な方向は統合と一体化です。独立した部品の数を減らし、1つの大きな部品を使用して複数の部品を置き換えることで、より大きく機能的なコンポーネントが形成されます。
2-バッテリーボックス設計
バッテリーケースは、動力バッテリーシステムアセンブリのキャリアであり、製品の安全な操作と保護において重要な役割を果たし、車両全体の安全性に直接影響します。 バッテリーケースの構造設計には、主にバッテリーケースの上部シェル、下部シェル、およびその他のコンポーネントのシェル材料の選択、および製造プロセスソリューションの選択が含まれます。 バッテリーケースの上部カバーは主に密閉の役割を果たしており、大きな力を受けません。バッテリーケースの下部ケースは、動力バッテリーシステム製品全体のキャリアであり、バッテリーモジュールは主に下部ケースに配置されています。 そのため、バッテリーケースの内側には、埋め込み溝やバッフルなどの構造対策が必要です。これにより、車両が走行しているときにバッテリーモジュールが確実に固定され、前後左右上下方向に移動せず、側壁や上部カバーに衝撃が加わってバッテリーケースの寿命に影響を与えないようにします。
図3: バッテリー下部ボックスソリューション、a-スキンフレーム、b-FSW溶接+フレーム、c-FSW溶接+フレーム
l バッテリーパックの設置ポイント構造設計と接続固定
バッテリーパックの取り付けポイントは通常、前後に貫通する取り付けビーム構造を採用し、前端は前部キャビンの縦梁に接続され、効果的で一貫した密閉ビーム構造を形成します。取り付けポイントは、バッテリーパックの重量配分に応じて合理的に配置されています。バッテリーパックと車両は、ボルト固定、機械固定+接着ジョイントハイブリッド接続、スナップオン接続など、さまざまな方法で固定されています。
図4: バッテリーパックのレイアウトと取り付け部分
パワーバッテリーパックは、通常、複数の吊り上げラグ構造を介して車両に取り付けられます。パワーバッテリーパック自体の重量が大きいことに加え、吊り上げラグは、石畳や深い穴など、車両の動きによってもたらされる道路の振動にも耐える必要があります。このような耐久性のある作業条件と誤用条件により、吊り上げラグ構造の強度に対する要求は高くなります。
図5: さまざまな吊り金具の接続ソリューション: a 溶接吊り金具 b アルミ押し出しフレーム吊り金具
l 電池ボックスの安全性と保護構造
機械的強度と保護: バッテリー ボックスは、内部のバッテリーを機械的衝撃や衝撃から保護するのに十分な機械的強度を備えている必要があります。バッテリー ボックスは、さまざまな条件下でバッテリーの安全性を確保するために、振動、押し出し、機械的衝撃に耐える必要があります。
衝突保護：バッテリーケースの設計では、特に側面衝突や底部衝突に対する衝突安全性を考慮する必要があります。通常、バッテリーケースはアルミニウムまたはスチールで作られ、外枠を介して下部トレイに接続され、構造的な剛性を提供し、衝突エネルギー吸収能力を高めます。さらに、バッテリーケースの変形やバッテリーセルの損傷を防ぐために、適切な衝突吸収構造を設計する必要があります。
防水、防塵、耐腐食性：バッテリー ボックスは防水、防塵性が必要であり、通常は IP67 レベルのシーリング ガスケットを使用して気密性を確保します。また、耐腐食性を高めるために外側に PVC コーティングをスプレーするなど、防腐食対策も考慮する必要があります。
防爆および圧力解放設計：バッテリーが爆発した場合、エネルギーはバランス防爆バルブなどの装置を通じて集中的かつ方向性を持って放出され、顧客キャビンへの侵入を回避します。また、機器全体の破裂を防ぐために、防爆対策（部分的な構造破壊など）を講じる必要があります。
l シーリング設計
バッテリーボックスの上部カバーと下部ケース間のシール面の設計は、シール性能に重要な役割を果たしており、その設計はバッテリーボックス構造とシールリングと一緒に設計する必要があります。シール面は、湾曲した構造が多すぎないように、できるだけ同一平面に保つ必要があります。上部カバーと下部ケースはボルトで接続されるため、多数のボルトが使用されるため、穴の同軸性を確保することが特に重要です。ボルト穴の位置を合理的に配置すると同時に、位置寸法はできるだけ円形にし、X方向とY方向に対称に配置する必要があります。接続ボルトの数の選択は、シールレベルと分解および組み立て作業量に基づいて総合的に考慮する必要があります。
図6: 上部ボックスと下部ボックスのシーリング設計、1-バッテリー上部カバー、2-シーリングガスケット、3-バッテリー下部カバー、4-金属導管
l 電気安全と短絡保護
接続の信頼性: バッテリー ボックス内のコネクタは、バッテリー ボックスの過電流容量と、緩和措置などを含む電気的/機械的接続の信頼性を確保するために、正しい極性接続を備えている必要があります。
電気絶縁および耐電圧設計：モジュール設計は二重絶縁保護を採用しています。バッテリーセル自体には、バッテリーセルブルーフィルムの層とバッテリーセルトップパッチがあり、絶縁および耐電圧要件を満たしています。エンド/サイドプレートとバッテリーセルの間、およびバッテリーセルと下部取り付け面の間に絶縁および耐電圧保護が設定されます。
l 熱管理設計
バッテリー熱管理開発は、バッテリー温度制御、コールドプレート、配管システムなどの設計を含む、バッテリーパックシステムの設計と開発の全サイクルにわたります。バッテリー熱管理システム設計の主な目標は、スペースレイアウト、設計コスト、軽量化などを考慮しながら、加熱または冷却制御を通じてバッテリーシステムが比較的適切な動作温度で動作することを保証し、セル間の温度差を減らして一貫性を確保することです。
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バッテリーパック製造技術の革新と開発に関する簡単な議論丨前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
バッテリーパックは新エネルギー車の中核エネルギー源であり、車両全体に駆動力を提供します。一般的に、バッテリーパック技術の長所と短所は、効率（エネルギー密度）、安全性、製造コスト、メンテナンスコストの観点から評価されます。
バッテリーの設計では、単一セルの電圧はわずか3〜4V程度ですが、電気自動車に必要な電圧は少なくとも100Vです。新しい車の電圧は700V / 800Vに達し、出力電力は一般的に200Wであるため、バッテリーをブーストする必要があります。電気自動車の電流と電圧の要件を満たすには、異なるセルを直列または並列に接続する必要があります。
バッテリー パックは、バッテリー セル、電子および電気システム、熱管理システムなどで構成されており、ベース プレート (トレイ)、フレーム (金属フレーム)、上部カバー プレート、ボルトなどのバッテリー フレーム構造に囲まれています。これらのコンポーネントとシステムをより効率的かつ安全に「パッケージ化」する方法は、常に業界全体で継続的な研究と探求のテーマとなっています。
前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
動力電池群の技術の起源は1950年代に遡り、旧ソ連と一部のヨーロッパ諸国で生まれました。この技術はもともと、部品の物理的類似性（普遍的なプロセスルート）を決定し、効率的な生産を確立するためのエンジニアリングと製造の概念として使用されていました。
グループテクノロジー（GT）の核心は、生産活動における関連する事柄の類似点を特定して探究し、類似の問題をグループに分類し、比較的統一された最適なソリューションを求めてこのグループの問題を解決し、経済的利益を達成することです。動力電池の分野では、グループテクノロジーは主に、構造、熱管理、電気接続設計、電池管理システム（BMS）技術など、単一セルから電池パック（パック）に電池を統合する技術に関係しています。
自動車分野における以前のグループ化技術はMTP（Module To Pack）であり、これは、セルを最初にモジュールに統合し、次にモジュールをパックに統合することを意味します。 この技術は、モジュールを取り外して交換できるという特徴があり、メンテナンス性に優れていますが、グループ化の効率は低いです。 技術の発展に伴い、グループ化技術はMTPからCTP（Cell To Pack）への変化を遂げました。 CTP技術は、セルをパックに直接統合し、従来のモジュール構造を排除し、グループ化の効率と生産効率を向上させる技術を指します。 近年、業界では、CTC（Cell To Chassis）、CTB（Cell To Body＆Bracket）、MTB（Module To Body）などの、より高い統合効率のグループ化技術も模索しています。
動力電池と電気化学エネルギー貯蔵の分野において、リチウム電池の主な技術進歩は構造革新と材料革新から生まれています。前者は「セル-モジュール-電池パック」の構造を物理レベルで最適化し、電池パックの体積エネルギー密度の向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。後者は化学レベルで電池材料を探求し、単一セルの性能向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。この記事では、電池パックの構造統合の観点から、さまざまな構造統合技術が電池パックの製造技術に与える影響と革新的発展の方向に焦点を当てています。現在の動力電池統合の主要技術を下図に示します：
1-MTPは排除されました
現在の電気自動車開発の波の始まりには、石油から電気への新エネルギー車モデルが数多く発売されました。これらは、従来のガソリン車の空間レイアウトとスタイル設計を継承しています。エンジニアは、一定数の個別のバッテリーセルを直列/並列に接続して比較的大きなバッテリーセルモジュールを組み立て、次にそのようなバッテリーセルモジュールをいくつかバッテリーパックに配置しました。これが、おなじみの「MTP」バッテリーパックです。バッテリーパックは2回以上「パッケージ化」する必要があるため、必要な部品の数が非常に多く、バッテリーパックは「内側3層、外側3層」のように見え、冗長な部品が多すぎてシステムの体積と重量が大きくなり、「MTP」バッテリーパックの体積エネルギー密度と重量エネルギー密度が低下します。さらに、ガソリン車の設計ではバッテリー用のスペースが明確に確保されていないため、バッテリーシステムは「収まるところに押し込む」ことしかできず、製品の競争力とユーザーエクスペリエンスが低下します。
テスラに代表される新型インテリジェント電気自動車プラットフォームの登場以来、国産純電気自動車は、バッテリーパックをより効率的かつ規則的に理想的な空間位置に取り付け、3つの電気システムをより合理的にレイアウトし、車両の電子・電気アーキテクチャと熱管理設計をより効率的に統合できるようになりました。エネルギー効率、耐久性、インテリジェンスなどの面での車両の製品力が大幅に向上しました。
2-統合技術2.0時代——CTP
MTP構造のバッテリーパックには、スペース利用率の大きな問題があります。バッテリーセルからモジュールまでのスペース利用率は80％、モジュールからバッテリーパックまでのスペース利用率は50％で、全体のスペース利用率はわずか40％です。モジュールのハードウェアコストは、バッテリー総コストの約14％を占めています。この低いスペース利用率の構造は、新エネルギー車の開発要件を満たすことができません。バッテリーセル→モジュール→バッテリーパック→ボディ統合の考え方の枠組みの下で、車両が限られたシャシースペースにできるだけ多くの電力を積載し、体積利用率を向上させたい場合は、各統合ステップの標準化を考慮する必要があります。走行距離に対する市場の需要が高まり続けるにつれて、単一のバッテリーモジュールの体積は増加し続け、間接的にCTPソリューションの出現につながります。
CTP構造技術は、安全性、パッケージの複雑さ、コスト削減などを考慮して生まれました。CTP技術は、バッテリーセルの安全性を確保するという前提の下、内部のケーブルと構造部品を削減します。MTP技術と比較して、CTP技術にはモジュール構造がなく、車両に取り付ける前にバッテリーセルを直接バッテリーパックにパッケージ化します。
現在、主なアイデアは2つあります。1つは、CATLに代表される、内部の複数の小型モジュールの構造を置き換える完全な大型モジュールとしてパックを捉えることです。もう1つは、設計時にモジュールフリーのソリューションの使用を検討し、BYDのブレードバッテリーのように、バッテリー自体を電力参加者として設計することです。
CTP技術の核心はモジュール設計を廃止することです。バッテリーセルはシェルと直接結合され、エンドプレートとパーティションの使用が削減されます。その後に生じる問題は、バッテリーパックの固定と熱管理です。
実は、CTPバッテリーパックのオリジナル製品は、純粋なモジュールフリー設計ではなく、元の小型モジュールを3つの大型モジュールと2つの中型モジュールに統合した設計であり、両端にアルミニウムエンドプレートもあったため、理論的にはまだMTPですが、構造的には確かに大きな改善があります。
CTP 3.0の導入後、CATLはより先進的な製造方法を発表し、完全にモジュールフリーの設計を実現しました。バッテリーセルは高さ方向の垂直配置から水平位置に変更されました。さらに、バッテリーセル間に新しい冷却ソリューションが実装され、熱を放散するだけでなく、サポート、クッション、断熱、温度制御機能も提供します。底部シェルも制限固定機能を備えて設計されています。
図1: CATLキリンバッテリーCTP2.0とCTP3.0の比較
3-統合技術3.0時代——CTB、CTC
l CTB技術
CTP技術はバッテリー構造の革新における大きな前進ですが、バッテリーパック自体にはまだ大きな進歩はありません。CTP技術では、バッテリーパックは依然として独立したコンポーネントです。CTPのバッテリーパックの合理化戦略と比較すると、CTB技術は車体フロアパネルとバッテリーパックカバーを1つに組み合わせています。バッテリーカバー、ドアシル、前後ビームによって形成された平らなシール面は、シーラントで車室を密閉し、底部は取り付けポイントを介して車体と組み立てられます。バッテリーパックの設計と製造では、バッテリーシステムが車体全体に統合され、バッテリー自体の密閉と防水の要件を満たすことができ、バッテリーと車室の密閉は比較的簡単で、リスクを制御できます。
これにより、従来の「バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造が「車体下部一体型バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造に変わり、車体とバッテリーカバーの接続による空間損失が低減されます。この構造モードでは、バッテリーパックはエネルギー源であるだけでなく、構造として車両全体の力と伝達にも関与します。
図2: CTB技術構造の概略図
l CTCテクノロジー
CTC方式を採用した後、バッテリーパックは独立したアセンブリではなく、車体と一体化されるため、製品の設計と製造プロセスが最適化され、車両部品の数が減少し、特にバッテリーの内部構造部品とコネクタが削減され、軽量という固有の利点があり、スペース利用率が最大化され、バッテリーの数を増やして走行距離を向上させるためのスペースが提供されます。電気化学システム自体は変更されないという条件下では、バッテリーの数を増やすことで走行距離を延ばすことができます。
図3: テスラCTC技術構造図
例えば、テスラなどの自動車メーカーは、CTC技術モデルを相次いで発表しています。セルレベルでは、多機能弾性サンドイッチ構造と大面積水冷技術を採用し、統合開発によってもたらされたバッテリーパックの底部の衝突防止空間再利用技術を重ね合わせ、グルーピング効率、放熱性、安全性を考慮し、セル最適化と車両構造保護の2つの側面からCTC技術の応用を推進しています。車両統合開発レベルでは、バッテリーセルがシャーシに直接統合され、モジュールとバッテリーパックのリンクが排除されています。3大電動システム（モーター、電子制御、バッテリー）、3小電動システム（DC/DC、OBC、PDU）、シャーシシステム（トランスミッションシステム、駆動システム、ステアリングシステム、ブレーキシステム）、自動運転関連モジュールの統合が実現され、インテリジェントパワードメインコントローラーを通じて電力配分が最適化され、エネルギー消費が削減されます。
4-CTP、CTB、CTC技術用バッテリーボックスの特定要件の変更
従来のバッテリーパック構造では、バッテリーモジュールはバッテリーセルを支持、固定、保護する役割を果たし、バッテリーボックス本体は主に外部からの押し出し力を支えます。CTP、CTB、CTC技術の適用により、バッテリーボックスに新しい要件が提示され、具体的には次のような点に反映されています：
バッテリーボックス本体の強度要件が向上：CTP、CTB、CTC構造ではモジュールリンクが削減または排除されているため、バッテリーボックス本体は外部からの押し出し力だけでなく、モジュールが本来負うバッテリーセルからの膨張力にも耐える必要があります。そのため、バッテリーボックス本体の強度要件は高くなります。
衝突保護機能: CTP 技術を使用してバッテリー パックのサイド ビームを削除した後、バッテリーが衝突の衝撃を直接受けるため、CTP バッテリー パックは十分な衝突耐性を備えている必要があります。
絶縁、断熱、放熱の要件：CTPまたはCTBおよびCTC構造は、シャーシ支持構造ボックスに基づいて、底板プロファイルを水冷プレートに変更します。バッテリーボックスボックスは、バッテリーセルの重量を支えるだけでなく、バッテリーの熱管理などの機能も提供します。構造はよりコンパクトになり、製造プロセスは最適化され、自動化の程度は高くなります。
メンテナンス性の低下: 高度に統合された設計により、バッテリー パックの交換が複雑になります。たとえば、CTC 構造では、バッテリー セルが樹脂材料で満たされているため、バッテリー セルの交換が難しく、修理がほぼ不可能になります。
5- バッテリーパックの統合が電気自動車の充電インフラに与える影響
異なるバッテリーパック統合技術を選択することは、異なる補償方法を選択することも意味します。CTPはバッテリーの交換を重視する傾向がありますが、より高度に統合されたCTB/CTCは急速充電を重視する傾向があります。
高い統合性は、同じスペースにより多くのバッテリーを収容できることを意味し、それによって電気自動車の航続距離が増加します。ユーザーは短距離のために頻繁に充電する必要がなくなるかもしれませんが、長距離の移動中には迅速に充電することを好むかもしれません。したがって、充電インフラの計画はこれらの変化を考慮に入れ、ユーザーのニーズに応えられるようにする必要があります。
バッテリーパックの統合が進むにつれて、バッテリーパックの物理的なサイズと構造が変化する可能性があり、充電インターフェースの設計と充電装置の互換性に影響を与える可能性があります。
さらに、バッテリーパックの統合化が進むと、充電速度と効率にも影響が出る可能性があります。高速で安全な充電プロセスを確保するには、より効率的なバッテリー管理システムと充電技術を開発して導入する必要があるかもしれません。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
新エネルギー車用バッテリートレイ/蓄電液コールドボックスの共通表面処理技術
新エネルギー車用のバッテリートレイとエネルギー貯蔵液体冷却ボックスの製造プロセスでは、必要かつ適切な表面処理が重要なステップです。たとえば、コーティング、酸化処理などを使用して金属表面に保護層を形成し、腐食性媒体の浸食に抵抗します。バッテリーセル、水冷プレート、モジュール壁など、電気的絶縁を必要とするコンポーネントには、絶縁保護フィルムを確立する必要があります。絶縁は通常、絶縁粉末または絶縁塗料をスプレーすることによって実現されます。適切な表面処理技術を選択すると、トレイ/液体冷却ボックスの性能が向上するだけでなく、耐久性と安全性も向上し、さまざまなアプリケーションシナリオのニーズを満たすことができます。この記事では、参考のために一般的な表面処理技術をまとめています。
1-洗浄と研磨
製造工程では、加工油、エンジンオイルの残留物、粉末、ほこりなどの不純物がパレットの表面に蓄積することがあります。これらの不純物は、バッテリートレイの耐用年数に影響を与えるだけでなく、バッテリーの性能と安全性にも悪影響を与える可能性があります。洗浄と研磨により、これらの不純物を効果的に除去し、パレット表面の清潔さを確保できます。洗浄と研磨により、表面の不純物、バリ、溶接スラグを効果的に除去し、表面を滑らかで平らにすることができ、バッテリートレイ/ボックスの全体的な品質が向上します。
l 化学洗浄
アルカリ洗浄：アルカリ洗浄は主にアルカリ溶液（水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムなど）を使用して、アルミニウム合金の表面のグリース、汚れ、その他の有機物を除去します。アルカリ洗浄は、鹸化、乳化、浸透と湿潤によってグリースを除去し、同時に水溶性沈殿物を生成して洗浄効果を実現します。アルカリ洗浄は通常、アルミニウム合金の表面からグリース、ほこり、有機汚染物質を除去するために使用されます。
酸洗い：酸洗いは酸性溶液（硝酸、塩酸など）を使用して、アルミニウム合金の表面の酸化スケール、錆、その他の無機堆積物を除去します。酸洗いは、酸と金属表面の酸化物との反応を通じて金属表面の酸化物を可溶性塩に変換し、表面の不純物を除去します。酸洗いは主に、アルミニウム合金の表面の酸化膜、錆、無機塩スケールを除去するために使用されます。酸洗いは、金属表面の仕上げと平坦性を向上させるための最終処理によく使用されます。
l 機械研削
製造中に、研削工程により加工代を除去し、形状誤差を修正し、パレット/ボックス表面の滑らかさと精度を確保し、組み立て要件を満たすことができ、全体的な性能と耐用年数が向上します。
洗浄および研磨された表面は、コーティング材またはその他の材料で処理することができ、これはその後の防錆、密封、熱伝導、絶縁、断熱およびその他のコーティングの構築にとって非常に重要であり、これらの材料をパレット/ボックスにしっかりと取り付けるのに重要な役割を果たします。
2-コーティングと保護フィルムの設置
パレット/ボックスの製造では、基本的な洗浄と研磨に加えて、表面処理にスプレープロセスを使用して保護層を形成し、酸化と腐食を防ぎ、断熱、絶縁、耐電圧などのさまざまなシナリオのニーズを満たします。
l 保温断熱
バッテリートレイの結露防止と断熱は、断熱システムの総合的な設計、高効率断熱材の使用、エアロゲルの適用、バッテリーパックの断熱設計、および発泡断熱材の噴霧によって実現できます。
底面にPVCと発泡材を吹き付け
l 絶縁耐電圧
バッテリー パックのケースと液体冷却コンポーネントの絶縁は、主に電流漏れを防ぎ、人員を感電から保護し、バッテリー システムの正常な動作を確保することを目的としています。絶縁は通常、粉体スプレーとフィルム ラミネーションという 2 つの主な方法で実現されます。主流のフィルム ラミネーション プロセスには、室温ラミネーション、ホット プレス、および UV 露光が含まれます。
断熱粉末と断熱塗料の内部吹付
3-ロゴと標識
銘板またはラベルは、通常、レーザー、機械彫刻などによって、バッテリー トレイの目立つ位置に設定されます。これらのロゴは通常、耐摩耗性と耐腐食性のある媒体で作られており、耐用年数全体にわたって簡単に消えないことが保証されています。
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エネルギー貯蔵コンバータの放熱要件の変化と一般的な放熱ソリューションの比較
エネルギー貯蔵システムの中核設備であるエネルギー貯蔵コンバータは、電力変換、エネルギー管理、グリッド安定性の確保、エネルギー効率の向上などのための重要なツールです。エネルギー貯蔵コンバータ電源ユニットが高集積化と高効率化に向かうにつれて、周波数と大容量の開発により、放熱に対する要件がますます高くなります。
1-冷却要件の変更
l 大型のDCキャビンに合わせてコンバータ容量も増加し、効率的な放熱技術により機器の信頼性が確保されています。
エネルギー貯蔵セルの容量がますます大きくなるにつれて、エネルギー貯蔵システムの容量も同時に拡大しています。 2023年の初め、市場に出回っている標準的な20フィートのシングルセルバッテリーの容量はわずか3.35MWhでした。 今年後半には、多くのバッテリーセル企業が310Ah以上のエネルギー貯蔵製品を発売し、20フィートのシングルセルバッテリーの容量も5MWhに拡大しました。 しかし、5MWhモデルが更新されてから半年も経たないうちに、いくつかの大手エネルギー貯蔵システムが6MWhと8MWhのシステムをリリースしました。 一般的な経験によると、エネルギー貯蔵コンバーターは負荷容量の1.2倍で構成されます。 5MWhエネルギー貯蔵システムの単一ユニット容量は2.5MW以上である必要があります。 高出力では、持続的な高負荷下での機器の安定した動作を確保するために、より効率的な冷却技術が必要です。
エネルギー貯蔵システム統合トポロジースキームの反復的進化
l DC高電圧技術の適用には、デバイスにより高い耐電圧レベルと絶縁強度が求められ、パワーデバイスの放熱は厳しくなります。
大容量のエネルギー貯蔵システムに対応するため、DC高電圧技術が技術トレンドになっています。電圧レベルを上げることで、省エネ、効率、性能向上を実現できます。1500Vの電圧アップグレードは太陽光発電に端を発し、現在では太陽光発電がエネルギー貯蔵に関わっています。しかし、エネルギー貯蔵PCSの高電圧進化にはまだ長い道のりがあり、一部のメーカーは最適化して2000Vまで押し上げ始めています。DC高電圧技術の応用により、エネルギー貯蔵コンバーターのパワーエレクトロニクスデバイスは、高電圧作業環境に適応するために、より高い耐電圧レベルとより高い絶縁強度を備える必要があります。高電圧環境では、パワーデバイスの放熱設計がさらに重要になります。パワーデバイスのpn接合温度は通常125°Cを超えることはできず、パッケージシェルの温度は85°Cを超えません。
l ネットワーク化されたエネルギー貯蔵システムには、複雑な制御アルゴリズム、回路設計、高電力密度エネルギー貯蔵コンバータが必要です。
グリッド形成エネルギー貯蔵システムの電流源の本質的な特性とは異なり、グリッド形成エネルギー貯蔵システムは、本質的には、安定した電圧と周波数を出力するために電圧パラメータを内部で設定できる電圧源です。したがって、グリッド形成コンバータは同期発電機の特性をシミュレートし、電圧と周波数をサポートして電力システムの安定性を高める必要があります。この制御戦略では、コンバータがより高い電力密度とより複雑な制御アルゴリズムを備えていること、および制御戦略を実装するためにより高性能な電力デバイスとより複雑な回路設計が必要です。高電力密度と複雑な制御戦略によって発生する熱を効果的に管理し、性能を損なうことなく冷却システムのサイズとコストを削減することは、熱設計における新たな課題となっています。
2- 一般的な冷却ソリューションの比較
エネルギー貯蔵インバータの冷却ソリューションは近年、主に従来の空冷から液体冷却技術への冷却技術の移行を反映して、大幅な反復的な進化を遂げてきました。
l 空冷ソリューション
空冷は、エネルギー貯蔵コンバータの初期段階で使用されていた温度制御形式です。空気を媒体として使用し、ファンとラジエーターを介して熱を放散します。空冷ソリューションは、エネルギー消費を継続的に削減し、構造を最適化し、放熱材料を改善することで、放熱効率を向上させます。2.5MWの電力レベルでは、空冷でも要件を満たすことができます。
l 液体冷却ソリューション
エネルギー貯蔵システムの電力密度とエネルギー密度が継続的に増加するにつれて、液冷式PCSは、高熱伝導率の冷却剤を媒体として使用します。冷却剤は水ポンプによって駆動され、冷却プレート内を循環し、高度や気圧などの要因の影響を受けません。液冷システムは、空冷システムよりも効率的な放熱効率を備えています。液冷ソリューションはマッチング度が高く、過去1〜2年で研究され、普及し始めました。
全液冷却エネルギー貯蔵ソリューションに加えて、一部のメーカーは、相変化直接冷却を使用し、水を循環させないエネルギー貯蔵直接冷却機を発売しており、直接冷却ソリューションもエネルギー貯蔵分野に参入しています。
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新エネルギー車や蓄電池パックに使用されるアルミニウムプロファイルの設計における重要なポイント
バッテリーパックは、新エネルギー車、エネルギー貯蔵キャビネット、コンテナの重要なコンポーネントです。シェルエンベロープを介したエネルギー源であり、電気自動車に電力を提供し、エネルギー貯蔵キャビネットとコンテナに消費容量を提供します。この記事では、実際のエンジニアリングニーズと組み合わせて、バッテリーパックの機械的強度、安全性、熱管理、軽量化の要件を分析し、バッテリーパックのプロファイル設計の重要なポイントをまとめています。
1-バッテリーパックハウジングの設計要件
a.機械的強度、耐振動性、耐衝撃性：試験後、機械的損傷、変形、固定の緩みがなく、ロック機構が損傷してはなりません。
b.シーリング: バッテリー パックのシーリングは、バッテリー システムの動作安全性に直接影響します。通常、バッテリー パックが密閉され、防水されていることを確認するには、IP67 保護レベルに達する必要があります。
c.バッテリー パック シェルの設計では、熱管理性能を考慮し、適切な熱管理設計を通じてバッテリーが適切な範囲内で動作するようにする必要があります。
d.設置および固定のために、シェルには銘板や安全標識用のスペースが確保され、収集ラインや各種センサー要素などの設置に十分なスペースと固定基礎が確保されている必要があります。
e.非極性基礎絶縁のすべてのコネクタ、端子、および電気接点は、組み合わせた場合に、対応する保護レベル要件を満たす必要があります。
f.軽量化: シェルの軽量化は、バッテリー パックのエネルギー密度の向上に非常に重要です。アルミニウム合金は軽量で高品質であるため、現在最も実現可能な選択肢となっています。実際のアプリケーションと組み合わせた適切な極端な設計により、軽量化レベルを向上させることができます。
g.耐久性: バッテリーパックのシェルの設計寿命は、製品全体の耐用年数よりも短くてはなりません。使用サイクル中に明らかな塑性変形が発生してはなりません。保護レベルと絶縁性能が低下してはなりません。銘板や安全標識のレイアウト、コネクタの保護など、構造はメンテナンスが容易でなければなりません。
図1 典型的なアルミニウム合金溶接バッテリーパックシェル
2-典型的なアルミニウム合金バッテリーパックシェルソリューション
バッテリーパックのシェルによく使用されるアルミニウム合金材料には、6061-T6、6005A-T6、6063-T6 などがあります。これらの材料は、さまざまな構造要件を満たすために、さまざまな降伏強度と引張強度を備えています。これらの材料の強度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6 です。
現在、バッテリーパックのシェル形成ソリューションには、アルミニウムプロファイル溶接、アルミニウム合金鋳造、鋳造アルミニウムとプロファイルアルミニウムの組み合わせ、打ち抜きアルミニウム板溶接などがあります。アルミニウムプロファイル溶接ソリューションは、その柔軟性と加工の利便性から、主流の選択肢となっています。図1に示すように、シェルは主にアルミニウム合金プロファイルフレームとアルミニウム合金プロファイル底板で構成されており、6シリーズのアルミニウム合金押し出しプロファイルを使用して溶接されています。アルミニウム合金鋳造ソリューションは、その簡素化されたプロセスとコスト削減の可能性から、将来の開発方向と見なされています。
3- プロファイルセクション設計
a.断面サイズと複雑さ: プロファイルの断面サイズは外接円で測定されます。外接円が大きいほど、必要な押し出し圧力が大きくなります。プロファイルの断面は通常、構造の剛性と強度を向上させるために複数のキャビティで構成されています。通常、フレーム、中間仕切り、底板、梁などは、さまざまな構造および機能要件に適応するために、さまざまな断面設計を採用しています。
図2 典型的なアルミニウム合金プロファイル断面
b.アルミプロファイルの壁厚：特定のアルミプロファイルの最小壁厚は、プロファイルの外接円の半径、形状、合金組成に関係しています。たとえば、6063アルミニウム合金の壁厚が1mmの場合、6061アルミニウム合金の壁厚は約1.5mmにする必要があります。同じセクションの押し出し難易度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6です。バッテリーパックプロファイルの設計では、フレームプロファイルは通常6061-T6アルミニウム合金材料で作られ、その典型的なセクションは複数のキャビティで構成され、最も薄い壁厚は約2mmです。底板プロファイルも複数のキャビティで構成され、材料は通常6061-T6、6065A-T6で、最も薄い壁厚も約2mmです。また、底板荷重支持トレイと底板液体冷却一体型設計では、底板は一般的に両面構造を採用し、底板の厚さは一般的に10mm、壁の厚さとキャビティの内壁は約2mmです。
c.プロファイル断面寸法の許容差：断面寸法の許容差は、アルミニウムプロファイルの加工許容差、使用条件、プロファイル押し出しの難しさ、およびプロファイルの形状に基づいて決定する必要があります。押し出しが難しい一部のアルミニウムプロファイルについては、形状を変更したり、加工許容差と寸法許容差を大きくしたりして押し出しの難しさを軽減し、要件に近いアルミニウムプロファイル製品を押し出し、その後、使用要件を満たすように再形成または加工することができます。
さらに、プロファイルセクションを設計する際には、ジョイント、溝、壁の厚さなど、さまざまな溶接プロセスの特定の要件を考慮する必要があります。
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液冷プレートは気密試験に合格しましたが、なぜまだ漏れが起こるのでしょうか?
バッテリーパックの気密性は、バッテリーパックの品質と安全性を確保する上で重要な要素であり、バッテリーパックの安全性、信頼性、耐用年数に関係しています。バッテリーパックの気密性テストは、製造プロセス中だけでなく、バッテリーのメンテナンスや検査中にも実行する必要があります。
1-バッテリーパックの気密性要件
実際の製造では、バッテリーパックの気密性は次の要件を満たす必要があります。
密閉性能：バッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタは、ほこり、水蒸気、その他の外部不純物がバッテリーパックに侵入するのを防ぐために、優れた密閉性能を備えている必要があります。これは、溶接、シーラント、防水材などによって実現できます。
防水性能は、水分がバッテリーに入り、ショートや腐食などの問題を引き起こすのを防ぎます。国家規格GB38031-2020「電気自動車用動力バッテリーの安全要求」によると、バッテリーとその部品の密閉性能はIP67規格を満たす必要があります。ほとんどの新エネルギー車は、バッテリーとその部品に対してより高い密閉性能要件があり、IP68規格を満たす必要があります。つまり、バッテリーパックは、指定された水深と水没時間内で水の浸入を防ぐことができます。
従来の気密性試験方法には、圧力法と浸漬法（水試験）があります。浸漬法は、液体冷却プレートを水に浸し、気泡が発生するかどうかを観察して密閉性を判定します。
液体冷却プレート水路気密試験タンク
IP68規格はより厳格ですが、実際のアプリケーションでは、適切な気密性検出基準を設定することでIP68要件を満たすために、圧力降下法が主な検出方法としてよく使用されます。圧力降下法は、バッテリーパック内の圧力変化を測定することでバッテリーパックの気密性を判定します。気密性テストを実行するときは、膨張圧力、膨張時間、圧力安定時間、漏れ率など、複数のパラメータに注意する必要があります。
差圧基本原理図 直圧基本原理図
2-液体冷却プレートの漏れ問題の分析
動力電池自動車、電池エネルギー貯蔵システムなどの市場需要の継続的な向上に伴い、より高いエネルギー密度と電力密度の電池パックが広く使用されています。電池の熱特性により、電池などのコア機器の安定した動作を確保し、エネルギー利用効率を向上させるために、液体冷却技術はエネルギー貯蔵熱管理の主流の技術ルートの1つであり、液体冷却システムの気密性テストは重要なリンクとなっています。
液体冷却プレートの漏れは深刻な問題です。漏れがあると、冷却剤の正常な流れが妨げられ、液体冷却プレートの放熱効果に影響し、機器の性能が低下します。また、漏れによってシステム コンポーネントが老朽化したり損傷したりして、システムの信頼性が低下する可能性があります。さらに、漏れによって電子部品や回路が腐食し、機器の故障や火災のリスクが高まります。
液体冷却プレートの生産および製造工程で厳格な気密性テストを行った後でも、漏れの問題が発生するのはなぜですか?
液体冷却システムの気密性試験プロセス
液体の浸出はさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります：
l 小さな亀裂や欠陥。景観気密性テストでは大きな漏れ経路が検出されることがあります。しかし、小さな亀裂や欠陥がまだ存在する可能性があります。これらの小さな亀裂は、液体の圧力や高温環境下で拡大し、液体の浸透を引き起こす可能性があります。
l 冷却剤の表面張力と濡れ性の違い: 冷却剤の表面張力が低いと、小さな隙間を通り抜けやすくなります。液体冷却プレートの表面張力の設計が不合理であったり、冷却剤が適切に選択されていない場合、液体の浸透の問題が悪化する可能性があります。
濡れ性の違い: 冷却剤の種類によって、固体表面に対する濡れ性が異なります。液体冷却プレートの材料表面の粗さが大きい場合や微細構造の欠陥がある場合、冷却剤がより簡単に浸透する可能性があります。
l 設置またはプロセスの問題: 液体冷却プレートの設置プロセスが十分に精密でなかったり、溶接、接続などのプロセスに欠陥があったりすると、密閉性が悪くなり、液体が浸透する可能性が高くなります。
l 環境条件: 特に高圧環境では、温度変化が冷却剤の透過性に影響を与える可能性があります。これらの環境要因は気密性テストでは考慮されないかもしれませんが、実際の動作では温度変動によりシールが破損する可能性があります。
l 材料の老化または疲労: 液体冷却プレートの材料を長期間使用すると、老化または疲労が発生し、シール性能が低下して液体漏れのリスクが高まります。
3-液冷プレート漏れ防止対策
l 液体冷却プレートの設計を改善する：液体冷却プレートの構造と設計を最適化することで、小さな亀裂や欠陥を減らし、密閉性能を向上させます。たとえば、モジュール設置ビームを流路表面に溶接する場合は、漏れ防止対策を講じて冷却剤の漏れを防ぎます。
l 製造プロセスレベルの向上：液体冷却プレートの製造プロセスでは、高品質の溶接プロセスと材料を使用して、冷却剤が浸透しにくいようにします。同時に、組み立てプロセスでは、緩みや誤った取り付けを避けるために、操作手順を厳密に遵守します。
l 検出方法の組み合わせを最適化して、検出効率を確保しながら、検出精度を向上させ、検出漏れ率を低減します。気密性検出には、操作が簡単で経済的で効率的であり、大規模な日常的な検出ニーズに適した浸漬法と圧力降下法が使用されます。ただし、2つの方法の検出精度は低いです。圧力降下法の検出精度は、一般的に1×10-4Pa·m³/sの漏れ率であり、検出結果の精度は、温度、湿度、清浄度、圧力などの要因によって簡単に干渉されます。検出精度が高く、効果の優れた検出装置を使用して、検出精度を1×10-6Pa·m³/sに上げ、検出効果を向上させます。
液冷プレート自体の予防対策に加え、冷却剤の選択、シールの選択、機器の動作環境など、複数の側面で適切な対応戦略を採用する必要があります。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
熱設計において、エンジニアはどの設計要素を最適化すれば効果的なコスト削減を実現できるでしょうか?
放熱設計では、効果的なコスト削減方法を採用することで、不必要なコストを削減しながら、システム全体の信頼性と効率を向上させることができます。
1-ディレーティング設計によりコストを削減
ディレーティング設計とは、動作中に部品や製品が受ける電気的、熱的、機械的ストレスを意図的に軽減する設計方法です。実際の製造および使用シナリオでは、部品にかかるストレスを軽減することで電子機器の安定性を向上させることができます。
2Dおよび3Dパッケージの放熱経路の概略図
l 動作ストレスの軽減：製品の設計および動作中に、作業負荷の軽減、動作周波数の制御、電流および電圧の制限などにより、コンポーネントの動作ストレスを軽減できます。
l 環境ストレスの軽減: 温度マージンが大きいコンポーネントを選択したり、密閉性の高いパッケージング フォームを使用してコンポーネントに対する温度、湿度、圧力の影響を軽減するなど、適切なコンポーネント タイプ、レイアウト、パッケージング フォームを選択して、環境ストレスを軽減します。
l 信頼性工学の応用：合理的な冗長設計、障害検出と分離などにより、コンポーネントの障害リスクをさらに低減します。
動作中のコンポーネントへのストレスを軽減することで、消費電力と発熱を抑えることができます。パワーデバイスが定格ストレスよりも低いストレス条件下で動作する場合、消費電力と発熱を抑えることができ、システムのエネルギー効率と信頼性の向上に役立ちます。長期的には、ディレーティング設計により、コンポーネントの寿命が効果的に延び、故障率が下がり、メンテナンスの作業負荷が軽減され、コストが削減されます。
2-レイアウトを最適化する
熱部品を適切に配置することでラジエーターの作業効率を大幅に向上させることができ、また、適切な部品レイアウト戦略により製品の性能とコストのバランスを実現できます。
l 放熱部品の分散: 大量の熱を発生する部品を分散し、単位面積あたりの熱負荷を軽減します。
l 放熱しやすい場所: 通気口の近くやデバイスの端など、放熱しやすい場所に加熱要素を配置します。
l インターリーブ配置: レイアウトを設計するときは、発熱部品を他の一般的な部品とインターリーブして配置し、同時に、発熱要素を温度に敏感な部品からできるだけ遠ざけて、熱に敏感な要素への影響を最小限に抑えます。
l 気流の改善：方向設計と部品レイアウトを変更することで、気流経路が最適化され、流量が増加し、熱伝達係数が向上します。
コンポーネント間の間隔の推奨事項
3-冷却方式の選択
電子部品の性能が向上し、集積度が高まるにつれて、電力密度が増加し続け、動作中に電子部品から発生する熱が大幅に増加します。電子部品の放熱方法を選択する場合、温度制御の要件には主に次の側面が含まれます：
l 温度範囲: コンポーネントによって温度許容範囲が異なります。たとえば、CPU などの高性能チップの動作温度要件は 85 ～ 100°C ですが、低電力デバイスの中にはより高い温度に耐えられるものもあるため、冷却システムによってコンポーネントが安全な温度範囲内で動作するようにする必要があります。
l 温度制御精度: 温度制御要件が厳しいシナリオでは、コンポーネントのパフォーマンス低下や、過度の高温または低温による損傷を回避するために、温度を正確に制御できる放熱ソリューションを採用する必要があります。
l 周囲温度：電子機器の放熱効果は、機器自体の放熱能力だけでなく、周囲の周囲温度の影響も受けます。放熱設計では、周囲温度の変化を考慮し、放熱手段によって機器を適切な温度範囲内に保つようにする必要があります。
l 消費電力と信頼性: 一部の低電力電子部品は、発熱量が少ないときに自然放熱を利用できます。高電力消費機器の場合、高負荷でも正常な性能を維持し、動作寿命を延ばすためには、大学の放熱技術を待つ必要があります。
l 密閉性と密度：密閉型で高密度に組み立てられたデバイスでは、発熱量が高くない場合は自然放熱に頼ることができます。部品が密集して大量の熱を発生する場合は、強制放熱や液体冷却などのより効果的な放熱技術が必要です。液体冷却とヒートパイプ技術は、進行波管、マグネトロン、電力増幅管などの高出力電子部品、サーバーや高消費電力機器、新エネルギー車の三電システムなど、消費電力が高く発熱量が大きいシナリオで使用され、独自の応用上の利点があります。
充電パイル空冷モジュール 充電パイル液体冷却モジュール
電子部品の冷却方法を選択する際には、発熱と熱流束、周囲温度と動作温度、スペースの制約と断熱要件、コストと実現可能性などの要素を総合的に考慮する必要があります。適切な冷却技術と冷却装置を使用して、部品が適切な温度で動作するようにすることで、システムの交換とメンテナンスのコストを効果的に削減できます。また、過去のプロジェクトを再利用することも、開発と製造のコストを削減し、信頼性を向上させる効果的な戦略です。
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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
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アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液冷式蓄電パックの下部ボックスは、底板と側板で構成されています。底板は基本的なサポートとして機能し、側板は底板の周りに固定され、一緒にボックスのメインフレームを形成します。ボックスのサイズは、液体冷却システムの全体的なニーズと負荷条件を考慮して調整する必要があります。大型ボックスの設計では、内部の仕切りやサポート構造を合理的に設置して、大きなスペースを複数の小さなスペースに分割することができます。力の領域は、均一な耐荷重能力を向上させる。内部構造では、サポートリブと補強リブを追加することで局所的な耐荷重能力を向上させることができ、ボックス内に荷重分散構造を設置して各コーナーの荷重をバランスさせることもできます。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
バッテリー液体冷却
液体冷却システムでは、冷板をバッテリーの底部に直接置いて、またはバッテリーの隙間に差し込みます。
押出アルミ合金製バッテリートレイ
アルミ合金バッテリーケースは、主にアルミ合金型枠とアルミ合金型基板で構成され、系列６の押出型材を用いて溶接されています。溶接強度と密封性を保証するために、常に低応力変形の小さい攪拌摩擦溶接を選択しています。アルミ合金型材に適用できる標準部品はワイヤナット、抜けカシメナット、カシメナットがあります。
新エネルギー車(EV)
新エネルギー車とは非通常車両の燃料を動力源として使う車です（或いは従来の車両用燃料と新しい車両用動力装置を使います）車両の動力制御やお運転面において先進技術を統合し、新しい技術や仕組みで先進的な原理を形成している車です。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
技術とビジネストレンド
クリーンエネルギーの使用：
気候、環境、資源、エネルギーは国民の生活に深く関わっています。これらの問題に対処することが人類社会のサステナビリティを決定します。エネルギー不足と環境汚染のストレスの下で、エネルギー貯蔵バッテリー自動車と燃料バッテリーの二つのロードマップが新エネルギー自動車産業の発展の主な方向となっています。
自動車の軽量化：
エネルギー消費量の75%は車両の重量と関係があることを考えると、軽量化は新エネルギー車の省エネ、節減、行程向上の重要な技術手段であり、軽量化設計は自動車のエネルギー消費を低減するための重要な駆動要素の一つです。軽量化の新しい材料の使う、構造の最適化、プロセスの改善が自動車の軽量化のクリティカルパスです。
熱管理：
エネルギー電動自動車について、急速充電と航続距離の向上には熱管理が重要な技術となります。
水素燃料電池自動車にとって、水と熱管理は燃料電池パワートレイン研究開発の重要なコア技術であり、自動車パワートレインの性能、安全、寿命に決定的な影響を与えます。
チップ冷却
通常は外気を熱沈として使い,チップの操作で発生した熱を,異なるばいしつやインタフェースでラジエータに伝え,放熱します。
マルチユニットパワートレインケース
高度な集積によって電気駆働システムの低減と減量を実現しました。国内外の主流車企業の電気駆働システムには、三合一、四合一、六合一、七合一、八合一など、様々な集積形式があります。
新エネルギー車のパワートレイン分野について、Walmateは電気制御、モーター、自動車制御装置、減速ボックス、充電などの製品を一体化した新エネルギー車のドライブトレイン構成部品を開発・製造しました。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
電子制御ラジエーター
IGBTは、自動車の電気駆動の効率、電力密度、信頼性に主導的な役割を果たす、新エネルギー自動車の駆動モーターのコアデバイスです。新エネルギー自働車用電気制御システムの主な発熱机器はインバータで、バッテリーの直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程で、インバータの中のIBGTは大量の熱を発生して、その働作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
熱設計と軽量化に関する技術と情報を定期的に更新し、ご参考までにご共有します。Walmateをフォローして頂きありがとうございます。
バッテリーのプラットフォーム化とバッテリーボックスの開発
自動車業界にとって、コスト削減、効率向上、品質保証を確保しながら、大規模なスパン、迅速な反復、豊富な製品ラインなどの市場ニーズに対応するために、製品の標準化、つまり車両のプラットフォーム化は間違いなく良い戦略です。バッテリーのプラットフォーム化により、同じバッテリーパックソリューションを異なるモデルに適合させたり、同じタイプのバッテリーセルと類似の構造で構成されたバッテリーパックソリューションを適合させたりすることができます。これは、可能な限り多くの部品を標準化できることを意味し、開発サイクルを短縮し、コストを節約し、生産ラインを合理化し、生産効率を向上させることができます。
1番目:バッテリープラットフォーム化
バッテリープラットフォームソリューションは、製品の全体的な計画、コスト削減、生産能力の最適化に役立ちます。車両プラットフォームのバッテリープラットフォーム戦略によると、プラットフォームの各モデルの要件の交差と帯域幅を考慮し、できるだけ少ないバッテリーとバッテリーソリューションを使用して、できるだけ多くのモデルと互換性を持たせる必要があります。純電気プロジェクトのアーキテクチャ開発では、統合されたパワーバッテリーパックを合理的に配置することが重要です。具体的な作業要素には、電力と電力性能の要件、衝突安全性、レイアウトの場所とスペースなどが含まれます。
1-空間サイズの境界とバッテリーセルの標準化
l バッテリーパックの設置場所
現在、主流の動力バッテリーの配置は床下、つまり前部座席の下、後部座席の下、中間チャンネル、フットレストなどです。この配置により、利用可能な面積を最大化し、車両の重心を下げ、車両の操縦安定性を向上させ、衝突力の伝達経路を最適化できます。
図1: 電気自動車開発におけるバッテリーパックのレイアウト
l バッテリーパックのスペースレイアウトの進化
分割バッテリーパック：JAC Tongyueシリーズのような分割バッテリーパックスペースレイアウトを採用しています。エネルギーモジュールは2つのバッテリーパックで構成され、1つは元の燃料タンクの位置に配置され、もう1つはスペアタイヤが収納されているトランクに配置されています。
さらに、エンジニアは燃料車の本来のアーキテクチャ内で使用可能なスペースを継続的に探求しており、その結果、「工」、「T」、「土」の形状のバッテリーパックレイアウトが生まれました。
このタイプの設計は、従来の燃料自動車のマイナーチェンジであり、スペースが非常に限られており、搭載できるバッテリーパックの容積と重量が非常に限られているため、容量を増やすことが難しく、航続距離は高くありません。
統合バッテリーパック: これは新しい製品設計コンセプトです。車両全体の設計は、コアコンポーネントであるバッテリーパックを中心に展開されます。バッテリーパックはモジュール設計されており、利用可能なスペースを最大限に活用するために車両シャーシ上に平らに配置されます。
l バッテリーパック設置箇所レイアウト
バッテリー パックの適切なレイアウトは非常に重要であり、設計上の制限要因には、地上高、通行性、衝突安全性、電力要件など、さまざまな側面があります。
図2: バッテリーパックのサイズ設計上の制約
車両プラットフォームでは、プラットフォーム内の各車両モデルのカテゴリ、レベル、および位置を定義し、車両のサイズとホイールベースを決定する必要があります。車両レイアウトは、車両スペースに応じて、バッテリーパックのサイズエンベロープをX、Y、Z方向に分解します。バッテリーは、車両のさまざまなシステム間の干渉がないように、車両の指定されたエンベロープ内に配置する必要があり、車両重量指数は、バッテリーパックのシステム品質要件を分解できます。
バッテリーのサイズに関して言えば、動力バッテリーパックの設計は、車両スペースや車両重量などの厳格な基準指標を避けることができず、バッテリーセルの設計には限界があることを意味します。この限界に制約されて、バッテリーセルのサイズは一定の範囲に集中します。たとえば、角型バッテリーセルの長さは150〜220mm、幅は20〜80mm、高さは100mm前後です。バッテリーセルのサイズ仕様の変化傾向は、車両のプラットフォーム化とバッテリーの標準化の補完関係の結果です。
しかし、各自動車メーカーのバッテリープラットフォーム戦略、車種、標準化に対する認識は異なり、現在の製品ソリューションには大きな違いが生じています。たとえば、BYDの標準化戦略は、ブレードバッテリーを完全に置き換えることであり、そのサイズは960×13.5（14）×90（102）mmに固定されており、単セル電圧は3.2/3.3Vです。
2- 耐久性限界とバッテリー容量ソリューションの開発
動力電池は、車両が走行するためのエネルギーを提供します。電池容量、放電深度、エネルギー密度は、利用可能な電力量に影響します。異なるモデルのニーズを満たすために、モデルの消費電力の違いは重要な関心事となっています。車両の航続距離は、電気駆動、電池、車両重量、風圧、機械抵抗、低電圧消費電力、エネルギー回収などの要因によって影響を受けます。消費電力の差が大きいモデル間でバッテリーソリューションを共有する可能性は低いため、バッテリーのサイズ、品質、電力、電力性能の最適化など、パーソナライズされたバッテリー電力ソリューションを開発して、航続性能の要件を満たす必要があります。
自動車製造プラットフォームの純電気走行距離の制約下では、バッテリーに必要な正味放電量は、異なるモデルの消費電力によって影響を受けます。プラットフォーム上の各モデルの消費電力分布を確認し、さらに消費電力帯域幅をバッテリー需要分布に変換してから、プラットフォームに必要なバッテリー電力計画を決定する必要があります。
3-パワーパフォーマンス境界
車両全体の動的性能には、異なる SOC と周囲温度での加速条件、定速条件、電力保存条件での電力性能が含まれます。バッテリーに対応する変数は、異なる SOC と温度でのバッテリーの電力電圧特性です。バッテリーの電力は、車両の電力システムの電力要件に対応し、電圧は駆動モーターの定格電圧要件に対応します。
一般的に、車両プラットフォーム全体のバッテリー ソリューションの評価は、常温および高出力での 100 キロメートルの加速時間とそのバッテリー インジケーターの分解から始まり、徐々に全範囲およびすべての動作条件下でのバッテリー インジケーターの分解にまで広がります。
2番目:電池ボックスの開発
1-バッテリーの統合とモジュール化
バッテリー モジュールの設計を最適化し、バッテリー パックの統合性とモジュール性を向上させ、非アクティブなコンポーネントを削減し、バッテリー パックのエネルギー密度を高めます。
現在普及しているバッテリーパックの統合技術には、CTP、CTB、CTCなどの形式があります。統合技術の進歩に伴い、部品の形状、材質、組み合わせが変化してきました。全体的な方向は統合と一体化です。独立した部品の数を減らし、1つの大きな部品を使用して複数の部品を置き換えることで、より大きく機能的なコンポーネントが形成されます。
2-バッテリーボックス設計
バッテリーケースは、動力バッテリーシステムアセンブリのキャリアであり、製品の安全な操作と保護において重要な役割を果たし、車両全体の安全性に直接影響します。 バッテリーケースの構造設計には、主にバッテリーケースの上部シェル、下部シェル、およびその他のコンポーネントのシェル材料の選択、および製造プロセスソリューションの選択が含まれます。 バッテリーケースの上部カバーは主に密閉の役割を果たしており、大きな力を受けません。バッテリーケースの下部ケースは、動力バッテリーシステム製品全体のキャリアであり、バッテリーモジュールは主に下部ケースに配置されています。 そのため、バッテリーケースの内側には、埋め込み溝やバッフルなどの構造対策が必要です。これにより、車両が走行しているときにバッテリーモジュールが確実に固定され、前後左右上下方向に移動せず、側壁や上部カバーに衝撃が加わってバッテリーケースの寿命に影響を与えないようにします。
図3: バッテリー下部ボックスソリューション、a-スキンフレーム、b-FSW溶接+フレーム、c-FSW溶接+フレーム
l バッテリーパックの設置ポイント構造設計と接続固定
バッテリーパックの取り付けポイントは通常、前後に貫通する取り付けビーム構造を採用し、前端は前部キャビンの縦梁に接続され、効果的で一貫した密閉ビーム構造を形成します。取り付けポイントは、バッテリーパックの重量配分に応じて合理的に配置されています。バッテリーパックと車両は、ボルト固定、機械固定+接着ジョイントハイブリッド接続、スナップオン接続など、さまざまな方法で固定されています。
図4: バッテリーパックのレイアウトと取り付け部分
パワーバッテリーパックは、通常、複数の吊り上げラグ構造を介して車両に取り付けられます。パワーバッテリーパック自体の重量が大きいことに加え、吊り上げラグは、石畳や深い穴など、車両の動きによってもたらされる道路の振動にも耐える必要があります。このような耐久性のある作業条件と誤用条件により、吊り上げラグ構造の強度に対する要求は高くなります。
図5: さまざまな吊り金具の接続ソリューション: a 溶接吊り金具 b アルミ押し出しフレーム吊り金具
l 電池ボックスの安全性と保護構造
機械的強度と保護: バッテリー ボックスは、内部のバッテリーを機械的衝撃や衝撃から保護するのに十分な機械的強度を備えている必要があります。バッテリー ボックスは、さまざまな条件下でバッテリーの安全性を確保するために、振動、押し出し、機械的衝撃に耐える必要があります。
衝突保護：バッテリーケースの設計では、特に側面衝突や底部衝突に対する衝突安全性を考慮する必要があります。通常、バッテリーケースはアルミニウムまたはスチールで作られ、外枠を介して下部トレイに接続され、構造的な剛性を提供し、衝突エネルギー吸収能力を高めます。さらに、バッテリーケースの変形やバッテリーセルの損傷を防ぐために、適切な衝突吸収構造を設計する必要があります。
防水、防塵、耐腐食性：バッテリー ボックスは防水、防塵性が必要であり、通常は IP67 レベルのシーリング ガスケットを使用して気密性を確保します。また、耐腐食性を高めるために外側に PVC コーティングをスプレーするなど、防腐食対策も考慮する必要があります。
防爆および圧力解放設計：バッテリーが爆発した場合、エネルギーはバランス防爆バルブなどの装置を通じて集中的かつ方向性を持って放出され、顧客キャビンへの侵入を回避します。また、機器全体の破裂を防ぐために、防爆対策（部分的な構造破壊など）を講じる必要があります。
l シーリング設計
バッテリーボックスの上部カバーと下部ケース間のシール面の設計は、シール性能に重要な役割を果たしており、その設計はバッテリーボックス構造とシールリングと一緒に設計する必要があります。シール面は、湾曲した構造が多すぎないように、できるだけ同一平面に保つ必要があります。上部カバーと下部ケースはボルトで接続されるため、多数のボルトが使用されるため、穴の同軸性を確保することが特に重要です。ボルト穴の位置を合理的に配置すると同時に、位置寸法はできるだけ円形にし、X方向とY方向に対称に配置する必要があります。接続ボルトの数の選択は、シールレベルと分解および組み立て作業量に基づいて総合的に考慮する必要があります。
図6: 上部ボックスと下部ボックスのシーリング設計、1-バッテリー上部カバー、2-シーリングガスケット、3-バッテリー下部カバー、4-金属導管
l 電気安全と短絡保護
接続の信頼性: バッテリー ボックス内のコネクタは、バッテリー ボックスの過電流容量と、緩和措置などを含む電気的/機械的接続の信頼性を確保するために、正しい極性接続を備えている必要があります。
電気絶縁および耐電圧設計：モジュール設計は二重絶縁保護を採用しています。バッテリーセル自体には、バッテリーセルブルーフィルムの層とバッテリーセルトップパッチがあり、絶縁および耐電圧要件を満たしています。エンド/サイドプレートとバッテリーセルの間、およびバッテリーセルと下部取り付け面の間に絶縁および耐電圧保護が設定されます。
l 熱管理設計
バッテリー熱管理開発は、バッテリー温度制御、コールドプレート、配管システムなどの設計を含む、バッテリーパックシステムの設計と開発の全サイクルにわたります。バッテリー熱管理システム設計の主な目標は、スペースレイアウト、設計コスト、軽量化などを考慮しながら、加熱または冷却制御を通じてバッテリーシステムが比較的適切な動作温度で動作することを保証し、セル間の温度差を減らして一貫性を確保することです。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
バッテリーパック製造技術の革新と開発に関する簡単な議論丨前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
バッテリーパックは新エネルギー車の中核エネルギー源であり、車両全体に駆動力を提供します。一般的に、バッテリーパック技術の長所と短所は、効率（エネルギー密度）、安全性、製造コスト、メンテナンスコストの観点から評価されます。
バッテリーの設計では、単一セルの電圧はわずか3〜4V程度ですが、電気自動車に必要な電圧は少なくとも100Vです。新しい車の電圧は700V / 800Vに達し、出力電力は一般的に200Wであるため、バッテリーをブーストする必要があります。電気自動車の電流と電圧の要件を満たすには、異なるセルを直列または並列に接続する必要があります。
バッテリー パックは、バッテリー セル、電子および電気システム、熱管理システムなどで構成されており、ベース プレート (トレイ)、フレーム (金属フレーム)、上部カバー プレート、ボルトなどのバッテリー フレーム構造に囲まれています。これらのコンポーネントとシステムをより効率的かつ安全に「パッケージ化」する方法は、常に業界全体で継続的な研究と探求のテーマとなっています。
前の記事: バッテリー統合技術の革新と開発
動力電池群の技術の起源は1950年代に遡り、旧ソ連と一部のヨーロッパ諸国で生まれました。この技術はもともと、部品の物理的類似性（普遍的なプロセスルート）を決定し、効率的な生産を確立するためのエンジニアリングと製造の概念として使用されていました。
グループテクノロジー（GT）の核心は、生産活動における関連する事柄の類似点を特定して探究し、類似の問題をグループに分類し、比較的統一された最適なソリューションを求めてこのグループの問題を解決し、経済的利益を達成することです。動力電池の分野では、グループテクノロジーは主に、構造、熱管理、電気接続設計、電池管理システム（BMS）技術など、単一セルから電池パック（パック）に電池を統合する技術に関係しています。
自動車分野における以前のグループ化技術はMTP（Module To Pack）であり、これは、セルを最初にモジュールに統合し、次にモジュールをパックに統合することを意味します。 この技術は、モジュールを取り外して交換できるという特徴があり、メンテナンス性に優れていますが、グループ化の効率は低いです。 技術の発展に伴い、グループ化技術はMTPからCTP（Cell To Pack）への変化を遂げました。 CTP技術は、セルをパックに直接統合し、従来のモジュール構造を排除し、グループ化の効率と生産効率を向上させる技術を指します。 近年、業界では、CTC（Cell To Chassis）、CTB（Cell To Body＆Bracket）、MTB（Module To Body）などの、より高い統合効率のグループ化技術も模索しています。
動力電池と電気化学エネルギー貯蔵の分野において、リチウム電池の主な技術進歩は構造革新と材料革新から生まれています。前者は「セル-モジュール-電池パック」の構造を物理レベルで最適化し、電池パックの体積エネルギー密度の向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。後者は化学レベルで電池材料を探求し、単一セルの性能向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。この記事では、電池パックの構造統合の観点から、さまざまな構造統合技術が電池パックの製造技術に与える影響と革新的発展の方向に焦点を当てています。現在の動力電池統合の主要技術を下図に示します：
1-MTPは排除されました
現在の電気自動車開発の波の始まりには、石油から電気への新エネルギー車モデルが数多く発売されました。これらは、従来のガソリン車の空間レイアウトとスタイル設計を継承しています。エンジニアは、一定数の個別のバッテリーセルを直列/並列に接続して比較的大きなバッテリーセルモジュールを組み立て、次にそのようなバッテリーセルモジュールをいくつかバッテリーパックに配置しました。これが、おなじみの「MTP」バッテリーパックです。バッテリーパックは2回以上「パッケージ化」する必要があるため、必要な部品の数が非常に多く、バッテリーパックは「内側3層、外側3層」のように見え、冗長な部品が多すぎてシステムの体積と重量が大きくなり、「MTP」バッテリーパックの体積エネルギー密度と重量エネルギー密度が低下します。さらに、ガソリン車の設計ではバッテリー用のスペースが明確に確保されていないため、バッテリーシステムは「収まるところに押し込む」ことしかできず、製品の競争力とユーザーエクスペリエンスが低下します。
テスラに代表される新型インテリジェント電気自動車プラットフォームの登場以来、国産純電気自動車は、バッテリーパックをより効率的かつ規則的に理想的な空間位置に取り付け、3つの電気システムをより合理的にレイアウトし、車両の電子・電気アーキテクチャと熱管理設計をより効率的に統合できるようになりました。エネルギー効率、耐久性、インテリジェンスなどの面での車両の製品力が大幅に向上しました。
2-統合技術2.0時代——CTP
MTP構造のバッテリーパックには、スペース利用率の大きな問題があります。バッテリーセルからモジュールまでのスペース利用率は80％、モジュールからバッテリーパックまでのスペース利用率は50％で、全体のスペース利用率はわずか40％です。モジュールのハードウェアコストは、バッテリー総コストの約14％を占めています。この低いスペース利用率の構造は、新エネルギー車の開発要件を満たすことができません。バッテリーセル→モジュール→バッテリーパック→ボディ統合の考え方の枠組みの下で、車両が限られたシャシースペースにできるだけ多くの電力を積載し、体積利用率を向上させたい場合は、各統合ステップの標準化を考慮する必要があります。走行距離に対する市場の需要が高まり続けるにつれて、単一のバッテリーモジュールの体積は増加し続け、間接的にCTPソリューションの出現につながります。
CTP構造技術は、安全性、パッケージの複雑さ、コスト削減などを考慮して生まれました。CTP技術は、バッテリーセルの安全性を確保するという前提の下、内部のケーブルと構造部品を削減します。MTP技術と比較して、CTP技術にはモジュール構造がなく、車両に取り付ける前にバッテリーセルを直接バッテリーパックにパッケージ化します。
現在、主なアイデアは2つあります。1つは、CATLに代表される、内部の複数の小型モジュールの構造を置き換える完全な大型モジュールとしてパックを捉えることです。もう1つは、設計時にモジュールフリーのソリューションの使用を検討し、BYDのブレードバッテリーのように、バッテリー自体を電力参加者として設計することです。
CTP技術の核心はモジュール設計を廃止することです。バッテリーセルはシェルと直接結合され、エンドプレートとパーティションの使用が削減されます。その後に生じる問題は、バッテリーパックの固定と熱管理です。
実は、CTPバッテリーパックのオリジナル製品は、純粋なモジュールフリー設計ではなく、元の小型モジュールを3つの大型モジュールと2つの中型モジュールに統合した設計であり、両端にアルミニウムエンドプレートもあったため、理論的にはまだMTPですが、構造的には確かに大きな改善があります。
CTP 3.0の導入後、CATLはより先進的な製造方法を発表し、完全にモジュールフリーの設計を実現しました。バッテリーセルは高さ方向の垂直配置から水平位置に変更されました。さらに、バッテリーセル間に新しい冷却ソリューションが実装され、熱を放散するだけでなく、サポート、クッション、断熱、温度制御機能も提供します。底部シェルも制限固定機能を備えて設計されています。
図1: CATLキリンバッテリーCTP2.0とCTP3.0の比較
3-統合技術3.0時代——CTB、CTC
l CTB技術
CTP技術はバッテリー構造の革新における大きな前進ですが、バッテリーパック自体にはまだ大きな進歩はありません。CTP技術では、バッテリーパックは依然として独立したコンポーネントです。CTPのバッテリーパックの合理化戦略と比較すると、CTB技術は車体フロアパネルとバッテリーパックカバーを1つに組み合わせています。バッテリーカバー、ドアシル、前後ビームによって形成された平らなシール面は、シーラントで車室を密閉し、底部は取り付けポイントを介して車体と組み立てられます。バッテリーパックの設計と製造では、バッテリーシステムが車体全体に統合され、バッテリー自体の密閉と防水の要件を満たすことができ、バッテリーと車室の密閉は比較的簡単で、リスクを制御できます。
これにより、従来の「バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造が「車体下部一体型バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造に変わり、車体とバッテリーカバーの接続による空間損失が低減されます。この構造モードでは、バッテリーパックはエネルギー源であるだけでなく、構造として車両全体の力と伝達にも関与します。
図2: CTB技術構造の概略図
l CTCテクノロジー
CTC方式を採用した後、バッテリーパックは独立したアセンブリではなく、車体と一体化されるため、製品の設計と製造プロセスが最適化され、車両部品の数が減少し、特にバッテリーの内部構造部品とコネクタが削減され、軽量という固有の利点があり、スペース利用率が最大化され、バッテリーの数を増やして走行距離を向上させるためのスペースが提供されます。電気化学システム自体は変更されないという条件下では、バッテリーの数を増やすことで走行距離を延ばすことができます。
図3: テスラCTC技術構造図
例えば、テスラなどの自動車メーカーは、CTC技術モデルを相次いで発表しています。セルレベルでは、多機能弾性サンドイッチ構造と大面積水冷技術を採用し、統合開発によってもたらされたバッテリーパックの底部の衝突防止空間再利用技術を重ね合わせ、グルーピング効率、放熱性、安全性を考慮し、セル最適化と車両構造保護の2つの側面からCTC技術の応用を推進しています。車両統合開発レベルでは、バッテリーセルがシャーシに直接統合され、モジュールとバッテリーパックのリンクが排除されています。3大電動システム（モーター、電子制御、バッテリー）、3小電動システム（DC/DC、OBC、PDU）、シャーシシステム（トランスミッションシステム、駆動システム、ステアリングシステム、ブレーキシステム）、自動運転関連モジュールの統合が実現され、インテリジェントパワードメインコントローラーを通じて電力配分が最適化され、エネルギー消費が削減されます。
4-CTP、CTB、CTC技術用バッテリーボックスの特定要件の変更
従来のバッテリーパック構造では、バッテリーモジュールはバッテリーセルを支持、固定、保護する役割を果たし、バッテリーボックス本体は主に外部からの押し出し力を支えます。CTP、CTB、CTC技術の適用により、バッテリーボックスに新しい要件が提示され、具体的には次のような点に反映されています：
バッテリーボックス本体の強度要件が向上：CTP、CTB、CTC構造ではモジュールリンクが削減または排除されているため、バッテリーボックス本体は外部からの押し出し力だけでなく、モジュールが本来負うバッテリーセルからの膨張力にも耐える必要があります。そのため、バッテリーボックス本体の強度要件は高くなります。
衝突保護機能: CTP 技術を使用してバッテリー パックのサイド ビームを削除した後、バッテリーが衝突の衝撃を直接受けるため、CTP バッテリー パックは十分な衝突耐性を備えている必要があります。
絶縁、断熱、放熱の要件：CTPまたはCTBおよびCTC構造は、シャーシ支持構造ボックスに基づいて、底板プロファイルを水冷プレートに変更します。バッテリーボックスボックスは、バッテリーセルの重量を支えるだけでなく、バッテリーの熱管理などの機能も提供します。構造はよりコンパクトになり、製造プロセスは最適化され、自動化の程度は高くなります。
メンテナンス性の低下: 高度に統合された設計により、バッテリー パックの交換が複雑になります。たとえば、CTC 構造では、バッテリー セルが樹脂材料で満たされているため、バッテリー セルの交換が難しく、修理がほぼ不可能になります。
5- バッテリーパックの統合が電気自動車の充電インフラに与える影響
異なるバッテリーパック統合技術を選択することは、異なる補償方法を選択することも意味します。CTPはバッテリーの交換を重視する傾向がありますが、より高度に統合されたCTB/CTCは急速充電を重視する傾向があります。
高い統合性は、同じスペースにより多くのバッテリーを収容できることを意味し、それによって電気自動車の航続距離が増加します。ユーザーは短距離のために頻繁に充電する必要がなくなるかもしれませんが、長距離の移動中には迅速に充電することを好むかもしれません。したがって、充電インフラの計画はこれらの変化を考慮に入れ、ユーザーのニーズに応えられるようにする必要があります。
バッテリーパックの統合が進むにつれて、バッテリーパックの物理的なサイズと構造が変化する可能性があり、充電インターフェースの設計と充電装置の互換性に影響を与える可能性があります。
さらに、バッテリーパックの統合化が進むと、充電速度と効率にも影響が出る可能性があります。高速で安全な充電プロセスを確保するには、より効率的なバッテリー管理システムと充電技術を開発して導入する必要があるかもしれません。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
新エネルギー車用バッテリートレイ/蓄電液コールドボックスの共通表面処理技術
新エネルギー車用のバッテリートレイとエネルギー貯蔵液体冷却ボックスの製造プロセスでは、必要かつ適切な表面処理が重要なステップです。たとえば、コーティング、酸化処理などを使用して金属表面に保護層を形成し、腐食性媒体の浸食に抵抗します。バッテリーセル、水冷プレート、モジュール壁など、電気的絶縁を必要とするコンポーネントには、絶縁保護フィルムを確立する必要があります。絶縁は通常、絶縁粉末または絶縁塗料をスプレーすることによって実現されます。適切な表面処理技術を選択すると、トレイ/液体冷却ボックスの性能が向上するだけでなく、耐久性と安全性も向上し、さまざまなアプリケーションシナリオのニーズを満たすことができます。この記事では、参考のために一般的な表面処理技術をまとめています。
1-洗浄と研磨
製造工程では、加工油、エンジンオイルの残留物、粉末、ほこりなどの不純物がパレットの表面に蓄積することがあります。これらの不純物は、バッテリートレイの耐用年数に影響を与えるだけでなく、バッテリーの性能と安全性にも悪影響を与える可能性があります。洗浄と研磨により、これらの不純物を効果的に除去し、パレット表面の清潔さを確保できます。洗浄と研磨により、表面の不純物、バリ、溶接スラグを効果的に除去し、表面を滑らかで平らにすることができ、バッテリートレイ/ボックスの全体的な品質が向上します。
l 化学洗浄
アルカリ洗浄：アルカリ洗浄は主にアルカリ溶液（水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムなど）を使用して、アルミニウム合金の表面のグリース、汚れ、その他の有機物を除去します。アルカリ洗浄は、鹸化、乳化、浸透と湿潤によってグリースを除去し、同時に水溶性沈殿物を生成して洗浄効果を実現します。アルカリ洗浄は通常、アルミニウム合金の表面からグリース、ほこり、有機汚染物質を除去するために使用されます。
酸洗い：酸洗いは酸性溶液（硝酸、塩酸など）を使用して、アルミニウム合金の表面の酸化スケール、錆、その他の無機堆積物を除去します。酸洗いは、酸と金属表面の酸化物との反応を通じて金属表面の酸化物を可溶性塩に変換し、表面の不純物を除去します。酸洗いは主に、アルミニウム合金の表面の酸化膜、錆、無機塩スケールを除去するために使用されます。酸洗いは、金属表面の仕上げと平坦性を向上させるための最終処理によく使用されます。
l 機械研削
製造中に、研削工程により加工代を除去し、形状誤差を修正し、パレット/ボックス表面の滑らかさと精度を確保し、組み立て要件を満たすことができ、全体的な性能と耐用年数が向上します。
洗浄および研磨された表面は、コーティング材またはその他の材料で処理することができ、これはその後の防錆、密封、熱伝導、絶縁、断熱およびその他のコーティングの構築にとって非常に重要であり、これらの材料をパレット/ボックスにしっかりと取り付けるのに重要な役割を果たします。
2-コーティングと保護フィルムの設置
パレット/ボックスの製造では、基本的な洗浄と研磨に加えて、表面処理にスプレープロセスを使用して保護層を形成し、酸化と腐食を防ぎ、断熱、絶縁、耐電圧などのさまざまなシナリオのニーズを満たします。
l 保温断熱
バッテリートレイの結露防止と断熱は、断熱システムの総合的な設計、高効率断熱材の使用、エアロゲルの適用、バッテリーパックの断熱設計、および発泡断熱材の噴霧によって実現できます。
底面にPVCと発泡材を吹き付け
l 絶縁耐電圧
バッテリー パックのケースと液体冷却コンポーネントの絶縁は、主に電流漏れを防ぎ、人員を感電から保護し、バッテリー システムの正常な動作を確保することを目的としています。絶縁は通常、粉体スプレーとフィルム ラミネーションという 2 つの主な方法で実現されます。主流のフィルム ラミネーション プロセスには、室温ラミネーション、ホット プレス、および UV 露光が含まれます。
断熱粉末と断熱塗料の内部吹付
3-ロゴと標識
銘板またはラベルは、通常、レーザー、機械彫刻などによって、バッテリー トレイの目立つ位置に設定されます。これらのロゴは通常、耐摩耗性と耐腐食性のある媒体で作られており、耐用年数全体にわたって簡単に消えないことが保証されています。
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エネルギー貯蔵コンバータの放熱要件の変化と一般的な放熱ソリューションの比較
エネルギー貯蔵システムの中核設備であるエネルギー貯蔵コンバータは、電力変換、エネルギー管理、グリッド安定性の確保、エネルギー効率の向上などのための重要なツールです。エネルギー貯蔵コンバータ電源ユニットが高集積化と高効率化に向かうにつれて、周波数と大容量の開発により、放熱に対する要件がますます高くなります。
1-冷却要件の変更
l 大型のDCキャビンに合わせてコンバータ容量も増加し、効率的な放熱技術により機器の信頼性が確保されています。
エネルギー貯蔵セルの容量がますます大きくなるにつれて、エネルギー貯蔵システムの容量も同時に拡大しています。 2023年の初め、市場に出回っている標準的な20フィートのシングルセルバッテリーの容量はわずか3.35MWhでした。 今年後半には、多くのバッテリーセル企業が310Ah以上のエネルギー貯蔵製品を発売し、20フィートのシングルセルバッテリーの容量も5MWhに拡大しました。 しかし、5MWhモデルが更新されてから半年も経たないうちに、いくつかの大手エネルギー貯蔵システムが6MWhと8MWhのシステムをリリースしました。 一般的な経験によると、エネルギー貯蔵コンバーターは負荷容量の1.2倍で構成されます。 5MWhエネルギー貯蔵システムの単一ユニット容量は2.5MW以上である必要があります。 高出力では、持続的な高負荷下での機器の安定した動作を確保するために、より効率的な冷却技術が必要です。
エネルギー貯蔵システム統合トポロジースキームの反復的進化
l DC高電圧技術の適用には、デバイスにより高い耐電圧レベルと絶縁強度が求められ、パワーデバイスの放熱は厳しくなります。
大容量のエネルギー貯蔵システムに対応するため、DC高電圧技術が技術トレンドになっています。電圧レベルを上げることで、省エネ、効率、性能向上を実現できます。1500Vの電圧アップグレードは太陽光発電に端を発し、現在では太陽光発電がエネルギー貯蔵に関わっています。しかし、エネルギー貯蔵PCSの高電圧進化にはまだ長い道のりがあり、一部のメーカーは最適化して2000Vまで押し上げ始めています。DC高電圧技術の応用により、エネルギー貯蔵コンバーターのパワーエレクトロニクスデバイスは、高電圧作業環境に適応するために、より高い耐電圧レベルとより高い絶縁強度を備える必要があります。高電圧環境では、パワーデバイスの放熱設計がさらに重要になります。パワーデバイスのpn接合温度は通常125°Cを超えることはできず、パッケージシェルの温度は85°Cを超えません。
l ネットワーク化されたエネルギー貯蔵システムには、複雑な制御アルゴリズム、回路設計、高電力密度エネルギー貯蔵コンバータが必要です。
グリッド形成エネルギー貯蔵システムの電流源の本質的な特性とは異なり、グリッド形成エネルギー貯蔵システムは、本質的には、安定した電圧と周波数を出力するために電圧パラメータを内部で設定できる電圧源です。したがって、グリッド形成コンバータは同期発電機の特性をシミュレートし、電圧と周波数をサポートして電力システムの安定性を高める必要があります。この制御戦略では、コンバータがより高い電力密度とより複雑な制御アルゴリズムを備えていること、および制御戦略を実装するためにより高性能な電力デバイスとより複雑な回路設計が必要です。高電力密度と複雑な制御戦略によって発生する熱を効果的に管理し、性能を損なうことなく冷却システムのサイズとコストを削減することは、熱設計における新たな課題となっています。
2- 一般的な冷却ソリューションの比較
エネルギー貯蔵インバータの冷却ソリューションは近年、主に従来の空冷から液体冷却技術への冷却技術の移行を反映して、大幅な反復的な進化を遂げてきました。
l 空冷ソリューション
空冷は、エネルギー貯蔵コンバータの初期段階で使用されていた温度制御形式です。空気を媒体として使用し、ファンとラジエーターを介して熱を放散します。空冷ソリューションは、エネルギー消費を継続的に削減し、構造を最適化し、放熱材料を改善することで、放熱効率を向上させます。2.5MWの電力レベルでは、空冷でも要件を満たすことができます。
l 液体冷却ソリューション
エネルギー貯蔵システムの電力密度とエネルギー密度が継続的に増加するにつれて、液冷式PCSは、高熱伝導率の冷却剤を媒体として使用します。冷却剤は水ポンプによって駆動され、冷却プレート内を循環し、高度や気圧などの要因の影響を受けません。液冷システムは、空冷システムよりも効率的な放熱効率を備えています。液冷ソリューションはマッチング度が高く、過去1〜2年で研究され、普及し始めました。
全液冷却エネルギー貯蔵ソリューションに加えて、一部のメーカーは、相変化直接冷却を使用し、水を循環させないエネルギー貯蔵直接冷却機を発売しており、直接冷却ソリューションもエネルギー貯蔵分野に参入しています。
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新エネルギー車や蓄電池パックに使用されるアルミニウムプロファイルの設計における重要なポイント
バッテリーパックは、新エネルギー車、エネルギー貯蔵キャビネット、コンテナの重要なコンポーネントです。シェルエンベロープを介したエネルギー源であり、電気自動車に電力を提供し、エネルギー貯蔵キャビネットとコンテナに消費容量を提供します。この記事では、実際のエンジニアリングニーズと組み合わせて、バッテリーパックの機械的強度、安全性、熱管理、軽量化の要件を分析し、バッテリーパックのプロファイル設計の重要なポイントをまとめています。
1-バッテリーパックハウジングの設計要件
a.機械的強度、耐振動性、耐衝撃性：試験後、機械的損傷、変形、固定の緩みがなく、ロック機構が損傷してはなりません。
b.シーリング: バッテリー パックのシーリングは、バッテリー システムの動作安全性に直接影響します。通常、バッテリー パックが密閉され、防水されていることを確認するには、IP67 保護レベルに達する必要があります。
c.バッテリー パック シェルの設計では、熱管理性能を考慮し、適切な熱管理設計を通じてバッテリーが適切な範囲内で動作するようにする必要があります。
d.設置および固定のために、シェルには銘板や安全標識用のスペースが確保され、収集ラインや各種センサー要素などの設置に十分なスペースと固定基礎が確保されている必要があります。
e.非極性基礎絶縁のすべてのコネクタ、端子、および電気接点は、組み合わせた場合に、対応する保護レベル要件を満たす必要があります。
f.軽量化: シェルの軽量化は、バッテリー パックのエネルギー密度の向上に非常に重要です。アルミニウム合金は軽量で高品質であるため、現在最も実現可能な選択肢となっています。実際のアプリケーションと組み合わせた適切な極端な設計により、軽量化レベルを向上させることができます。
g.耐久性: バッテリーパックのシェルの設計寿命は、製品全体の耐用年数よりも短くてはなりません。使用サイクル中に明らかな塑性変形が発生してはなりません。保護レベルと絶縁性能が低下してはなりません。銘板や安全標識のレイアウト、コネクタの保護など、構造はメンテナンスが容易でなければなりません。
図1 典型的なアルミニウム合金溶接バッテリーパックシェル
2-典型的なアルミニウム合金バッテリーパックシェルソリューション
バッテリーパックのシェルによく使用されるアルミニウム合金材料には、6061-T6、6005A-T6、6063-T6 などがあります。これらの材料は、さまざまな構造要件を満たすために、さまざまな降伏強度と引張強度を備えています。これらの材料の強度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6 です。
現在、バッテリーパックのシェル形成ソリューションには、アルミニウムプロファイル溶接、アルミニウム合金鋳造、鋳造アルミニウムとプロファイルアルミニウムの組み合わせ、打ち抜きアルミニウム板溶接などがあります。アルミニウムプロファイル溶接ソリューションは、その柔軟性と加工の利便性から、主流の選択肢となっています。図1に示すように、シェルは主にアルミニウム合金プロファイルフレームとアルミニウム合金プロファイル底板で構成されており、6シリーズのアルミニウム合金押し出しプロファイルを使用して溶接されています。アルミニウム合金鋳造ソリューションは、その簡素化されたプロセスとコスト削減の可能性から、将来の開発方向と見なされています。
3- プロファイルセクション設計
a.断面サイズと複雑さ: プロファイルの断面サイズは外接円で測定されます。外接円が大きいほど、必要な押し出し圧力が大きくなります。プロファイルの断面は通常、構造の剛性と強度を向上させるために複数のキャビティで構成されています。通常、フレーム、中間仕切り、底板、梁などは、さまざまな構造および機能要件に適応するために、さまざまな断面設計を採用しています。
図2 典型的なアルミニウム合金プロファイル断面
b.アルミプロファイルの壁厚：特定のアルミプロファイルの最小壁厚は、プロファイルの外接円の半径、形状、合金組成に関係しています。たとえば、6063アルミニウム合金の壁厚が1mmの場合、6061アルミニウム合金の壁厚は約1.5mmにする必要があります。同じセクションの押し出し難易度は、6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6です。バッテリーパックプロファイルの設計では、フレームプロファイルは通常6061-T6アルミニウム合金材料で作られ、その典型的なセクションは複数のキャビティで構成され、最も薄い壁厚は約2mmです。底板プロファイルも複数のキャビティで構成され、材料は通常6061-T6、6065A-T6で、最も薄い壁厚も約2mmです。また、底板荷重支持トレイと底板液体冷却一体型設計では、底板は一般的に両面構造を採用し、底板の厚さは一般的に10mm、壁の厚さとキャビティの内壁は約2mmです。
c.プロファイル断面寸法の許容差：断面寸法の許容差は、アルミニウムプロファイルの加工許容差、使用条件、プロファイル押し出しの難しさ、およびプロファイルの形状に基づいて決定する必要があります。押し出しが難しい一部のアルミニウムプロファイルについては、形状を変更したり、加工許容差と寸法許容差を大きくしたりして押し出しの難しさを軽減し、要件に近いアルミニウムプロファイル製品を押し出し、その後、使用要件を満たすように再形成または加工することができます。
さらに、プロファイルセクションを設計する際には、ジョイント、溝、壁の厚さなど、さまざまな溶接プロセスの特定の要件を考慮する必要があります。
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液冷プレートは気密試験に合格しましたが、なぜまだ漏れが起こるのでしょうか?
バッテリーパックの気密性は、バッテリーパックの品質と安全性を確保する上で重要な要素であり、バッテリーパックの安全性、信頼性、耐用年数に関係しています。バッテリーパックの気密性テストは、製造プロセス中だけでなく、バッテリーのメンテナンスや検査中にも実行する必要があります。
1-バッテリーパックの気密性要件
実際の製造では、バッテリーパックの気密性は次の要件を満たす必要があります。
密閉性能：バッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタは、ほこり、水蒸気、その他の外部不純物がバッテリーパックに侵入するのを防ぐために、優れた密閉性能を備えている必要があります。これは、溶接、シーラント、防水材などによって実現できます。
防水性能は、水分がバッテリーに入り、ショートや腐食などの問題を引き起こすのを防ぎます。国家規格GB38031-2020「電気自動車用動力バッテリーの安全要求」によると、バッテリーとその部品の密閉性能はIP67規格を満たす必要があります。ほとんどの新エネルギー車は、バッテリーとその部品に対してより高い密閉性能要件があり、IP68規格を満たす必要があります。つまり、バッテリーパックは、指定された水深と水没時間内で水の浸入を防ぐことができます。
従来の気密性試験方法には、圧力法と浸漬法（水試験）があります。浸漬法は、液体冷却プレートを水に浸し、気泡が発生するかどうかを観察して密閉性を判定します。
液体冷却プレート水路気密試験タンク
IP68規格はより厳格ですが、実際のアプリケーションでは、適切な気密性検出基準を設定することでIP68要件を満たすために、圧力降下法が主な検出方法としてよく使用されます。圧力降下法は、バッテリーパック内の圧力変化を測定することでバッテリーパックの気密性を判定します。気密性テストを実行するときは、膨張圧力、膨張時間、圧力安定時間、漏れ率など、複数のパラメータに注意する必要があります。
差圧基本原理図 直圧基本原理図
2-液体冷却プレートの漏れ問題の分析
動力電池自動車、電池エネルギー貯蔵システムなどの市場需要の継続的な向上に伴い、より高いエネルギー密度と電力密度の電池パックが広く使用されています。電池の熱特性により、電池などのコア機器の安定した動作を確保し、エネルギー利用効率を向上させるために、液体冷却技術はエネルギー貯蔵熱管理の主流の技術ルートの1つであり、液体冷却システムの気密性テストは重要なリンクとなっています。
液体冷却プレートの漏れは深刻な問題です。漏れがあると、冷却剤の正常な流れが妨げられ、液体冷却プレートの放熱効果に影響し、機器の性能が低下します。また、漏れによってシステム コンポーネントが老朽化したり損傷したりして、システムの信頼性が低下する可能性があります。さらに、漏れによって電子部品や回路が腐食し、機器の故障や火災のリスクが高まります。
液体冷却プレートの生産および製造工程で厳格な気密性テストを行った後でも、漏れの問題が発生するのはなぜですか?
液体冷却システムの気密性試験プロセス
液体の浸出はさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります：
l 小さな亀裂や欠陥。景観気密性テストでは大きな漏れ経路が検出されることがあります。しかし、小さな亀裂や欠陥がまだ存在する可能性があります。これらの小さな亀裂は、液体の圧力や高温環境下で拡大し、液体の浸透を引き起こす可能性があります。
l 冷却剤の表面張力と濡れ性の違い: 冷却剤の表面張力が低いと、小さな隙間を通り抜けやすくなります。液体冷却プレートの表面張力の設計が不合理であったり、冷却剤が適切に選択されていない場合、液体の浸透の問題が悪化する可能性があります。
濡れ性の違い: 冷却剤の種類によって、固体表面に対する濡れ性が異なります。液体冷却プレートの材料表面の粗さが大きい場合や微細構造の欠陥がある場合、冷却剤がより簡単に浸透する可能性があります。
l 設置またはプロセスの問題: 液体冷却プレートの設置プロセスが十分に精密でなかったり、溶接、接続などのプロセスに欠陥があったりすると、密閉性が悪くなり、液体が浸透する可能性が高くなります。
l 環境条件: 特に高圧環境では、温度変化が冷却剤の透過性に影響を与える可能性があります。これらの環境要因は気密性テストでは考慮されないかもしれませんが、実際の動作では温度変動によりシールが破損する可能性があります。
l 材料の老化または疲労: 液体冷却プレートの材料を長期間使用すると、老化または疲労が発生し、シール性能が低下して液体漏れのリスクが高まります。
3-液冷プレート漏れ防止対策
l 液体冷却プレートの設計を改善する：液体冷却プレートの構造と設計を最適化することで、小さな亀裂や欠陥を減らし、密閉性能を向上させます。たとえば、モジュール設置ビームを流路表面に溶接する場合は、漏れ防止対策を講じて冷却剤の漏れを防ぎます。
l 製造プロセスレベルの向上：液体冷却プレートの製造プロセスでは、高品質の溶接プロセスと材料を使用して、冷却剤が浸透しにくいようにします。同時に、組み立てプロセスでは、緩みや誤った取り付けを避けるために、操作手順を厳密に遵守します。
l 検出方法の組み合わせを最適化して、検出効率を確保しながら、検出精度を向上させ、検出漏れ率を低減します。気密性検出には、操作が簡単で経済的で効率的であり、大規模な日常的な検出ニーズに適した浸漬法と圧力降下法が使用されます。ただし、2つの方法の検出精度は低いです。圧力降下法の検出精度は、一般的に1×10-4Pa·m³/sの漏れ率であり、検出結果の精度は、温度、湿度、清浄度、圧力などの要因によって簡単に干渉されます。検出精度が高く、効果の優れた検出装置を使用して、検出精度を1×10-6Pa·m³/sに上げ、検出効果を向上させます。
液冷プレート自体の予防対策に加え、冷却剤の選択、シールの選択、機器の動作環境など、複数の側面で適切な対応戦略を採用する必要があります。
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熱設計において、エンジニアはどの設計要素を最適化すれば効果的なコスト削減を実現できるでしょうか?
放熱設計では、効果的なコスト削減方法を採用することで、不必要なコストを削減しながら、システム全体の信頼性と効率を向上させることができます。
1-ディレーティング設計によりコストを削減
ディレーティング設計とは、動作中に部品や製品が受ける電気的、熱的、機械的ストレスを意図的に軽減する設計方法です。実際の製造および使用シナリオでは、部品にかかるストレスを軽減することで電子機器の安定性を向上させることができます。
2Dおよび3Dパッケージの放熱経路の概略図
l 動作ストレスの軽減：製品の設計および動作中に、作業負荷の軽減、動作周波数の制御、電流および電圧の制限などにより、コンポーネントの動作ストレスを軽減できます。
l 環境ストレスの軽減: 温度マージンが大きいコンポーネントを選択したり、密閉性の高いパッケージング フォームを使用してコンポーネントに対する温度、湿度、圧力の影響を軽減するなど、適切なコンポーネント タイプ、レイアウト、パッケージング フォームを選択して、環境ストレスを軽減します。
l 信頼性工学の応用：合理的な冗長設計、障害検出と分離などにより、コンポーネントの障害リスクをさらに低減します。
動作中のコンポーネントへのストレスを軽減することで、消費電力と発熱を抑えることができます。パワーデバイスが定格ストレスよりも低いストレス条件下で動作する場合、消費電力と発熱を抑えることができ、システムのエネルギー効率と信頼性の向上に役立ちます。長期的には、ディレーティング設計により、コンポーネントの寿命が効果的に延び、故障率が下がり、メンテナンスの作業負荷が軽減され、コストが削減されます。
2-レイアウトを最適化する
熱部品を適切に配置することでラジエーターの作業効率を大幅に向上させることができ、また、適切な部品レイアウト戦略により製品の性能とコストのバランスを実現できます。
l 放熱部品の分散: 大量の熱を発生する部品を分散し、単位面積あたりの熱負荷を軽減します。
l 放熱しやすい場所: 通気口の近くやデバイスの端など、放熱しやすい場所に加熱要素を配置します。
l インターリーブ配置: レイアウトを設計するときは、発熱部品を他の一般的な部品とインターリーブして配置し、同時に、発熱要素を温度に敏感な部品からできるだけ遠ざけて、熱に敏感な要素への影響を最小限に抑えます。
l 気流の改善：方向設計と部品レイアウトを変更することで、気流経路が最適化され、流量が増加し、熱伝達係数が向上します。
コンポーネント間の間隔の推奨事項
3-冷却方式の選択
電子部品の性能が向上し、集積度が高まるにつれて、電力密度が増加し続け、動作中に電子部品から発生する熱が大幅に増加します。電子部品の放熱方法を選択する場合、温度制御の要件には主に次の側面が含まれます：
l 温度範囲: コンポーネントによって温度許容範囲が異なります。たとえば、CPU などの高性能チップの動作温度要件は 85 ～ 100°C ですが、低電力デバイスの中にはより高い温度に耐えられるものもあるため、冷却システムによってコンポーネントが安全な温度範囲内で動作するようにする必要があります。
l 温度制御精度: 温度制御要件が厳しいシナリオでは、コンポーネントのパフォーマンス低下や、過度の高温または低温による損傷を回避するために、温度を正確に制御できる放熱ソリューションを採用する必要があります。
l 周囲温度：電子機器の放熱効果は、機器自体の放熱能力だけでなく、周囲の周囲温度の影響も受けます。放熱設計では、周囲温度の変化を考慮し、放熱手段によって機器を適切な温度範囲内に保つようにする必要があります。
l 消費電力と信頼性: 一部の低電力電子部品は、発熱量が少ないときに自然放熱を利用できます。高電力消費機器の場合、高負荷でも正常な性能を維持し、動作寿命を延ばすためには、大学の放熱技術を待つ必要があります。
l 密閉性と密度：密閉型で高密度に組み立てられたデバイスでは、発熱量が高くない場合は自然放熱に頼ることができます。部品が密集して大量の熱を発生する場合は、強制放熱や液体冷却などのより効果的な放熱技術が必要です。液体冷却とヒートパイプ技術は、進行波管、マグネトロン、電力増幅管などの高出力電子部品、サーバーや高消費電力機器、新エネルギー車の三電システムなど、消費電力が高く発熱量が大きいシナリオで使用され、独自の応用上の利点があります。
充電パイル空冷モジュール 充電パイル液体冷却モジュール
電子部品の冷却方法を選択する際には、発熱と熱流束、周囲温度と動作温度、スペースの制約と断熱要件、コストと実現可能性などの要素を総合的に考慮する必要があります。適切な冷却技術と冷却装置を使用して、部品が適切な温度で動作するようにすることで、システムの交換とメンテナンスのコストを効果的に削減できます。また、過去のプロジェクトを再利用することも、開発と製造のコストを削減し、信頼性を向上させる効果的な戦略です。
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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
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アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液冷式蓄電パックの下部ボックスは、底板と側板で構成されています。底板は基本的なサポートとして機能し、側板は底板の周りに固定され、一緒にボックスのメインフレームを形成します。ボックスのサイズは、液体冷却システムの全体的なニーズと負荷条件を考慮して調整する必要があります。大型ボックスの設計では、内部の仕切りやサポート構造を合理的に設置して、大きなスペースを複数の小さなスペースに分割することができます。力の領域は、均一な耐荷重能力を向上させる。内部構造では、サポートリブと補強リブを追加することで局所的な耐荷重能力を向上させることができ、ボックス内に荷重分散構造を設置して各コーナーの荷重をバランスさせることもできます。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
1
応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
熱量交換
クーラントはポンプ駆動で配管を通って循環します。冷却材がサーバー内部の熱交換器を流れると、高温コンポーネント(CPU、GPUなど)と熱交換を行い、熱を奪います。
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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液体冷却技術の特性
液冷方案の基本的な原理：液冷とは、液体を冷却剤とし、液体の流れを利用してデータセンターのIT設備の内部部材で発生した熱を設備の外に伝え、IT機器の発熱部を冷却して安全に運用する技術です。
液冷の利点：液冷は高いエネルギー効率、高い熱密度を備え、熱を効率よく放熱し、標高、地域、気温などの環境に影響されません。
Walmateの液冷板式の液冷ソリューション
冷板な液冷は、液冷板(通常は銅やアルミなどの熱伝導性のある金属で構成された密閉空洞)を通じて発熱デバイスの熱を循環管に閉じ込められた冷却液に間接的に伝え、冷却液によって熱を持ち去る放熱形態です。冷板な液冷案の中で技術的成熟度が最も高く、大電力消費設備の配置、エネルギー効率の向上、冷房運行費用の低減、TCO (Total Cost of Ownership)の効果的な応用案です。
AI及びスパコン分野における放熱ニーズの特性
高電力消費、高密度はデータセンターの未来で、液冷はAIサーバーの放熱のメインストリーム案になります。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
なぜ液冷サーバーが人気なのでしょうか?
●大型モデルやAIGCの普及で、各地域のAI計算センターや計算力センターの建設が急増しました。
●「カーボンピークとカーボンニュートラル」政策が進むにつれて、データセンターのPUEに対する国の要求が高くなっています。コアITインフラであるサーバーは、放熱、「炭素エネルギーのダブルテスト」など、複数のストレスに耐えなければなりません。
● チップの熱出力は空気冷却の限界に達しています，液冷却技術はサーバーの中で応用して第1選択の方法の1つになりました。
技術とビジネスのトレンド
ビックモデルなどのAIGC製品群の商用化により、AIサーバーの需要は急速に高まるであることです。大量の高電力CPUやGPUチップがAIサーバー全体の電力消費を増大させます。CPUは、コアの数が増えるにつれてプロセッサの性能が向上し、プロセッサの出力が増加していきます。高性能クラウドコンピューティングのような特別なシナリオでは、プロセッサはオーバークロックを使用して演算性能を向上させ、電力消費量をさらに向上させます。GPUについては,最新のものでは最大700Wの消費電力を実現しており,従来の空冷システムの放熱能力を超えています。
未来のAIクラスタの計算力密度は普遍的に20-50kW/キャビネットに達することが期待され、自然風冷技術は一般的に8-10kWだけをサポートして、冷熱風道隔離マイクロモジュールプラス水冷エアコンレベル冷凍キャビネットの出力が15kWを超えた後に大幅にコストパフォーマンスが落ちて、液冷放熱方案の能力と経済性の優位性が徐々に明らかになりました。
放熱
ラジエーターを通して冷却剤が熱を放出して低温に保つことで、サーバーの連続で安定稼働を実現しています。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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