ボックス争奪戦

パック、ボックス、トレイなどと呼ぶ場合でも、EV バッテリーセルとそれをサポートする電気および熱管理ハードウェアを包み込んで保護する構造は、サブシステム業界の最優先事項の 1 つです。 バッテリーパックの最適化には、多くの製造と材料の選択、質量とパッケージのトレードオフ、安全規定、構造設計/エンジニアリングの課題が含まれる、とOEMとサプライヤーの専門家がSAEメディアに語った。

「バッテリーパックを車両にボルトで固定しますか、それとも車体構造に統合しますか?」 マグナのグローバル研究開発グループのボディおよび構造部門シニア部門マネージャー、ダレン・ウーマック氏はこう尋ねました。 同氏は最近のアナリスト会議で、ホットスタンピング、コールドスタンピング、ロールフォーミング、ハイドロフォーミング、鋳造、鋼、アルミニウム、複合材料、熱可塑性プラスチックなどのすべてがパック開発において「活発な議論」を引き起こしていると述べた。

OEMは明らかに、パッケージスペースを最適化し、質量と複雑さを軽減するために冗長構造を排除したいと考えているとウーマック氏は述べた。 EV バッテリーを周囲のプラットフォームに統合するには、さまざまな構成が必要です。 BYD で現在生産されているセルツーパック設計は、中間モジュール段階を排除し、セルを直接パックに入れます。 セルツーシャーシ技術は、バッテリーセルを車両シャーシ、電気駆動装置、および熱管理と統合します。 すべてのバッテリーコンポーネントは白色の車体に収納されており、別個のパックが不要です。

このようなセットアップでは、テスラなどが調査中、シャーシのパンと車両側面の構造がバッテリーの底板と側面の役割を果たしています。 この組み合わせにおいては、衝撃の完全性、正確なパックの組み立て、および堅牢な密閉が最も重要です。

「各 OEM は、セルのフォームファクター、バッテリーのサイズ、車両などの基準に基づいたオプションのメニューである『戦略』を望んでいるでしょう」と、アルミニウム専門会社ノベリス社のグローバル オートモーティブ戦略およびマーケティング ディレクターのマリオ グレコ氏は説明します。 「バッテリーエンクロージャに関する単一のソリューションがすべての人に適合するわけではありません。」

たとえば、大容量ソリューションは、打ち抜かれた一体型の筐体である場合があります。 同氏は、車両のアーキテクチャがセルからパックへの設計ではなく、セルからシャーシへの設計に適しているため、統合された冷却構造が含まれる可能性があると述べた。 グレコ氏は、「『スケートボード』と次世代ユニボディ・アーキテクチャの融合が見られると思う」と述べた。その間。"

マグナ社バッテリートレイ担当グローバルチーフエンジニアのグレゴール・クレメント氏によると、液冷リチウムバッテリーパックの質量負担は大きいものの、EVの質量削減の改善はまだ可能だという。 「将来に目を向けると、バッテリーの車体への統合はますます進むだろう」と同氏は述べ、軽金属と複合材料の両方が役割を果たしていると述べた。 「マグナ R&D はセルからシャーシまでのソリューションに取り組んでおり、顧客も​​同様の方向を向いていると考えています。冗長な構造部品を排除することで、重量とコストが大幅に改善される可能性があると考えています。」 しかし、バッテリーの重量を完全に相殺することはおそらく不可能だと同氏は考えている。

キャデラックの超高級車2024年型セレスティクのプログラムエンジニアリングマネージャー、ジェレミー・ラブデイ氏は、車両の電動化はまだ初期段階にあり、多くのEVサブシステム開発がクリティカルパス上にあると述べた。 このシナリオでは、Tier 1 は OEM 評価用に近距離および長距離の両方のソリューションを提供します。 2022 年後半に発表されたデュポンの 3-in-1 バッテリー ボックス コンセプトは、セルの冷却、電気的相互接続、構造コンポーネントを統合したモジュール設計の新しい例です。 そのハウジングは、高温に耐えることができるナイロンベースのポリアミドである同社の Zytel HTN で作られています。

デュポン社のモビリティおよび材料グループの電池材料ビジネス開発リーダーであるフランク・ビロット氏によると、このコンセプトは半直接冷却 (セルはタブを通じて冷却される) と電気相互接続による簡単な組み立てを提供します。 同氏は、この設計によりバッテリーのエネルギー密度が向上し、車両の航続距離とパッケージ効率が向上すると述べた。

「ボックスをめぐる戦い」は、エンジニアや材料科学者の間で創造性の新たな波を引き起こしました。 現在の EV の約 80% にはアルミニウム製のバッテリー エンクロージャが搭載されていますが、エンジニアたちは、車両の種類、デューティ サイクル、容量、コストに基づいて、代替品の分野が広く開かれていることをすぐに指摘しています。

「将来的には、主に小型で航続距離の短い車両で、軽量鋼製のエンクロージャがさらに増えると思います」と、アルミニウム押出材とシートの専門家であるコンステリウムの北米自動車担当テクニカル ディレクターのアンドレアス アスフェス博士は述べています。 同氏は鉄鋼の「強力なコスト競争力」を認め、アルミニウムと比較して鉄金属が重量面で大きく不利になることは小型車用バッテリーでは大きな問題ではないと述べた。

しかし、より大型で航続距離の長い車両では、「バッテリーが車両の価値を表します。バッテリーが大きいほど、バッテリーパックのアルミニウムの使用量が多くなるのは理にかなっています」とアスフェス氏は付け加えた。

アルミニウム製のバッテリー エンクロージャは、通常、同等のスチール製の設計と比較して 40% の重量削減を実現します。 Asfeth 氏によると、バッテリーの筐体に最適な合金は 6000 シリーズの Al-Si-Mg-Cu 系合金であり、この合金は耐用年数終了後のリサイクルにも非常に適しているとのことです。 底部プレートの現在の最先端のソリューションは、ピーク時効焼き戻しの高強度 6111 合金であり、ベンチマークの 5754 O 焼き戻し合金と比較して重量が 30 パーセント削減されている、と同氏は述べました。

アスフェス氏によると、コンステリウムは車両衝撃要件を厳しく検討し、80GPaのE弾性率と350MPaの降伏応力を誇る「コスト競争力のある」4xxxシリーズ合金を開発しているという。 この合金は 40% の重量削減の可能性をもたらします。 同氏は、4xxx シリーズのゲージと幅は 6000 シリーズ合金と同様であり、従来の冷間成形と互換性があると付け加えました。

アルミニウムの主力 6xxx シリーズ合金は、最近の Constellium デュアルフレーム エンクロージャ プロトタイプを支える 2 つの異なる高度な押出合金に使用されています。 内部フレーム (衝撃時にセルを保護するための 2 番目のバットレス) は、強度が最適化された 6000 (HSA6 ファミリー) です。 クランブル ゾーンとして設計された外側の補強材は、延性 6000 合金、HCA6 ファミリーです。 ただし、業界が全固体リチウム電池に移行した場合、パックの設計が変化する可能性があるとアスフェス氏は述べた。 「全固体電池セル自体にある程度の耐荷重機能があり、したがって筐体に対する構造上の要求が少なくなる可能性がある」と同氏は述べた。

複合材料とプラスチックのサプライヤーは、EV のバッテリー筐体におけるアルミニウムの現在の優位性にもひるみません。 彼らは、軽金属の性能とコスト競争力に匹敵する、またはそれを超えることを目的とした新しい配合とプロセスを開発しています。

「現在のバッテリーパックは、最適化されていない金属を大量に使用しています。それらは既存の材料と技術を使用して設計されています」と、熱可塑性プラスチック大手SABICのEVバッテリーおよび電気部門のグローバル自動車リーダーであるダネンドラ・ナグワンシ氏は述べた。 同氏は、アルミニウムと比較して、新世代の熱可塑性プラスチックは用途に応じて 30 ～ 50% の質量削減が可能であると主張しています。 また、アルミニウムと同等以上の耐衝撃性能、簡素化された組み立てによる低コスト、そしてアルミニウムと比べて環境への影響が少ないと同氏は主張した。

SABIC の最新の技術革新は、アルミニウムの弱点の 1 つである非常に高い熱伝導率を直接狙っています。 アルミニウムは約 1166 °F で溶け始めます。 内部の熱暴走によって発生する温度は、2012 °F もの高温でバッテリー火災を引き起こす可能性があります。

Nagwanshi 氏は、SABIC が「ユニークな」難燃特性を備えた新しい Stamax FR 長ガラス繊維 PP を開発したことに言及しました。 「材料が火に触れると炭化します。その炭化物が断熱層になります」と彼は言う。 バッテリーエンクロージャー材料のUL2596規格に基づく同社のテストでは、プラスチックが1832°Fで30分間耐えられることが証明された。これは「アルミニウムに穴が開く温度閾値」であると同氏は付け加えた。

SABICは現在、中国市場でホンダが使用する難燃性PP製バッテリーパックカバーを生産している。 このカバーはサーマルブランケットを排除し、同様の金属カバーと比較して重量を 40% 削減します。

次世代の熱可塑性バッテリーパックとモジュールのプロトタイプが開発中です。 ロードアイランドに本拠を置く Tri-Mack Plastics は最近、厚さ 1 ミリメートル (.040 インチ) の一方向炭素繊維強化熱可塑性複合材 (TPC) テープをわずか 8 層重ねて作られた軽量で高強度のエンクロージャを発表しました。 同社のプロセスエンジニアリングマネージャーのBen Lamm氏は、この材料はTri-Mackの製造プロセスと組み合わせることで、部品の形状、部品の統合、統合されたEMI対策において新たな機会を提供すると述べた。

実証済みの樹脂ファミリーとコンパウンドに新たな工夫を加えたものは、バッテリー ボックスにも当てはまります。 SABIC のプロジェクトの中には、統合された冷却チャネルと衝突保護要素を備えた全プラスチック製の EV バッテリー トレイがあります。 ナグワンシ氏によると、アルミニウム製パックと比較して最大 12% の質量削減が実現するとのこと。 Stamax FR 長ガラス繊維 PP をベースにした統合プラスチックと金属のハイブリッド構造も開発中です。 試験により、構造が落下試験要件を満たしていることが実証されました。 エンジニアは、車両の側面衝突試験で必要とされる、大きなエネルギーを吸収する能力に勇気づけられます。

Nagwanshi 氏は、SMC などの熱硬化性プラスチックがいくつかの点で競合他社であると考えていますが、サーマルブランケットとその二次製造作業の必要性により、材料の種類が「最適化されていない」と批判しています。 「そして、熱硬化性樹脂をリサイクルすることはできません」と彼は付け加えた。

ヒュー・フォラン氏は業界の同僚と意見が異なるかもしれない。 帝人オートモーティブ テクノロジーズ (C8 コルベットの熱硬化性外装パネルのサプライヤー) の新事業開発/新市場担当ディレクターとして、同氏は、SMC リグラインドにはさまざまな二次用途があると述べました。 EV市場において、帝人は熱硬化性電池ボックスのトップカバーの主要サプライヤーとなっています。

「さまざまなEV向けに30台以上が生産されています」とフォラン氏はSAEメディアに語った。 トップカバーは通常、難燃剤を配合したポリマーまたは鋼板で、アルミニウムよりも長期間内部火災に耐え、衝突保護を提供します。 しかし、日本に本拠を置くこのサプライヤーは、単なるパックカバー以上のことに目を向けています。 帝人はまた、1100°Fまでの熱に耐えるフェノール樹脂でいくつかのプロトタイプのバッテリーボックス部品を成形し、テスト用に顧客に提供しています。

2028 年の EV バッテリー エンクロージャーは 2023 年のものと大きく異なるでしょうか? 「一部の顧客では、今後数年以内に構造用バッテリーとセルからシャーシへの変更が始まると見ています」とマグナのクレメント氏は語った。 「他のものはコンセプト段階にあります。それはもう遠くありませんが、全員がこの方向に進むかどうかはわかりません。」

この記事は、SAE Media Group の Automotive Engineering 誌の編集長である Lindsay Brooke によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、『Battery & Electrification Technology Magazine』2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

アーカイブのその他の記事はこちらからお読みください。

購読する