EV バッテリー用サーマルパッド: その機能、適切なサーマルパッドの選び方、そしてそれがバッテリー寿命に重要な理由

EV バッテリーのサーマルパッドがバッテリーパックの性能にとって重要な理由

EV バッテリーのサーマル パッド (バッテリー サーマル インターフェイス パッド、ギャップ フィラー パッド、または熱伝導パッドとも呼ばれます) は、バッテリー セルまたはモジュールとその下の冷却プレートの間に配置される、熱伝導性材料の柔らかく圧縮可能なシートです。その機能は単純に思えます。バッテリーセルからの熱を冷却システムに伝導することです。しかし、彼らが解決するエンジニアリング上の課題は決して些細なものではありません。バッテリーセルは寸法公差を持って製造されているため、モジュール全体の高さと表面の平坦度にわずかなばらつきが生じます。柔軟性のある中間層がなければ、セルと冷却プレートの間の硬質金属間の接触は各表面の頂点のみを覆い、界面領域の大部分がエアギャップとして残ります。また、空気は熱の伝導性が非常に悪いです。

サーマルパッドは、適度な圧縮下で両面に同時に適合することで、これらの微視的および巨視的ギャップを埋めます。この緊密な接触により、界面での熱接触抵抗が大幅に減少し、セル ケーシングからパッドを通って液冷ベース プレートに至る低抵抗の熱経路が形成されます。実際問題として、パッドなしのインターフェースと適切に指定されたサーマルパッドの違いは、急速充電サイクル中に 35 °C で動作するセルと 55 °C で動作するセルの違いを意味します。この温度差は、バッテリー寿命、充電速度能力、熱暴走に対する安全マージンに重大な影響を及ぼします。

熱管理を超えて、 EVバッテリーのサーマルパッド また、量産車のバッテリー パックでも同様に重要な二次的な機能も果たします。冷却プレートが接地または異なる電位にある設計では、セル ケーシングと冷却プレートの間に電気絶縁を提供します。充電および放電中にセルが膨張する際の膨張応力を吸収します。リチウムイオン電池は充電サイクルを通じて 2 ～ 5% 膨張する可能性があり、コンプライアント層がないと、この膨張によりモジュール構造内に機械的ストレスが蓄積し、セルのケーシングを損傷したり、バスバーを切断したりする可能性があります。右側のサーマルパッドは、熱伝達コンポーネント、電気絶縁体、および機械的バッファーでもあります。

熱伝導率の値が実際のバッテリー温度にどのように変換されるか

熱伝導率 (W/m・K で表される) は、サーマルパッドの主要な仕様であり、購入者が最初に比較する数値です。しかし、単独での導電率は、パッドがバッテリーパック内でどのように機能するかを完全に伝えるものではありません。厚さ、圧縮挙動、および表面接触の品質はすべて相互作用して、界面での実際の熱抵抗を決定します。これは、特定の熱負荷の下でセル温度が冷却剤温度よりどの程度上昇するかを直接決定するパラメーターです。

熱界面抵抗 (cm​​²・K/W または m²・K/W で測定) は、パッドのバルク伝導率とその厚さおよび表面接触品質を組み合わせたものです。厚さ 0.5 mm に圧縮された 3 W/m・K の中程度の伝導率を持つパッドは、厚さ 2 mm に圧縮された 6 W/m・K の高伝導率のパッドよりも優れた性能を発揮します。これは、厚いパッドほど熱を伝導するための材料が多くなるためです。関係は次のとおりです。 熱抵抗 = 厚さ / (導電率 × 面積) 。これは、組み立て公差が適切に管理され、ギャップが小さいバッテリー パックでは、多くの場合、薄くて中程度の導電性パッドのほうが、厚くて導電性の高いパッドよりも優れた熱性能を発揮すると同時に、コストも削減され、重量も軽減されることを意味します。

EVバッテリーのサーマルパッド市場における実用的な導電率の範囲は、低電力アプリケーションで使用される基本的なギャップ充填パッドの1.5 W/m・Kから、主流の自動車用バッテリーパック設計の3～6 W/m・K、コストに関係なく熱抵抗の最小化が主な設計制約となる高性能急速充電およびモータースポーツ用途の最大8～15 W/m・Kです。約 10 W/m・K を超えると、サーマル ペーストまたは相変化材料が競合し始めますが、どちらも生産ライン環境で固体サーマル パッドが提供するのと同じコンプライアンス、組み立ての容易さ、および再加工性の組み合わせを提供しません。

材料の種類: シリコーン、非シリコーン、および相変化サーマル パッド

EV バッテリーのサーマルパッドの基材は、その温度範囲、化学的適合性、長期安定性、圧縮特性、およびバッテリー組み立て環境に汚染リスクをもたらすかどうかを決定します。自動車用バッテリーのサーマルパッド市場では 3 つの材料ファミリーが支配的であり、それぞれが異なる設計要件に適した特定の強度を備えています。

シリコーンベースのサーマルパッド

シリコーン マトリックス サーマル パッドは、自動車業界全体で最も広く使用されているタイプです。シリコーンは、本質的に広い動作温度範囲 (通常 -60 °C ～ 200 °C)、長年の熱サイクルにわたって圧縮力と隙間充填性能を維持する優れた長期弾性、優れた化学的不活性、およびバッテリー パック材料の標準 UL94 V-0 可燃性要件との互換性を提供します。熱伝導性フィラー (酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、またはそれらの組み合わせ) がシリコーン マトリックス全体に分散され、望ましい伝導率レベルが達成されます。シリコーン マトリックスの柔らかさと適合性により、組み立て圧力が低くても表面の密着性が確保され、シリコーン パッドはほとんどのバッテリー モジュール設計で利用できる適度なクランプ力に適しています。

EV 用途におけるシリコーンベースのサーマルパッドの主な制限は、シリコーンのガス放出です。シリコーン材料は、高温になると低分子量シロキサン化合物を揮発性有機化合物 (VOC) として放出します。密閉されたバッテリーパックでは、これらのシロキサン化合物が電気接点、センサー素子、セル端子に堆積し、接触抵抗の問題を引き起こしたり、セルの通気機構に干渉したりする可能性があります。これが、一部の自動車 OEM、特に厳格なシリコン汚染管理プログラムを導入している自動車 OEM が、バッテリー パックの内面にシリコンを含まないサーマル インターフェイス素材を指定している理由です。

ノンシリコン（シリコンフリー）サーマルパッド

非シリコーンサーマルパッドは、熱伝導性フィラーを担持するために、代替ポリマーマトリックス（ポリウレタン、アクリル、ポリオレフィン、またはワックスベースの材料）を使用します。これらの材料はシリコンのガス放出の懸念を完全に排除するため、多くの日本やヨーロッパの自動車メーカーを含む厳格なシリコンフリー組み立て要件を持つ OEM によって指定されることが増えています。ポリウレタン ベースのサーマル パッドは、優れた圧縮性と、バッテリー パックの内部に適した適度な温度範囲 (通常、-40 °C ～ 130 °C) を提供します。アクリルベースのサーマルパッドは、よりしっかりとした寸法安定性の高いシートを提供し、大量のバッテリーパックを組み立てる際の取り扱いやダイカットが容易になります。シリコーンを使用しない設計のトレードオフは、通常、シリコーンに比べて温度範囲が狭くなり、長期的な弾性が低下することですが、これはパッドの厚さと圧縮設計で考慮する必要があります。

相変化サーマルインターフェース材料

相変化サーマル インターフェイス マテリアル (PCM) は、定義された転移温度 (通常は 50 ～ 70 °C) で固体から液体に転移し、冷却されると固体に戻る特殊なカテゴリです。液体の状態で、PCM は微細な表面フィーチャに流れ込み、ほぼ完璧な接触を実現し、界面抵抗を劇的に最小限に抑えます。相変化パッドは組み立てが容易な固体シートとして供給され、使用開始後の最初の熱サイクル後に熱的に最適化されます。これらは固体形式のサーマルインターフェース材料で利用可能な最も低い界面抵抗値の一部を達成しており、高速充電中の温度上昇を最小限に抑えることが主要な競争力の差別化要因である高性能バッテリーパックに使用されています。その制限は、繰り返しの熱サイクル中に界面から材料が移動するのを防ぐために、液相には適切な封じ込め形状が必要であることです。

圧縮挙動とそれが長期的な熱性能を決定する理由

長期的なバッテリーパックの性能にとって、圧縮下でのサーマルパッドの挙動は、おそらくそのバルク導電率定格よりも重要です。データシート上の熱伝導率の値は、特定のテスト圧力 (通常は 10 psi (69 kPa) 以上) で測定されており、組み立てられた電池モジュール内でパッドが受ける実際の圧縮応力とは大きく異なる場合があります。テスト圧力未満で圧縮されたパッドは、データシートが示唆するよりも大幅に高い熱抵抗を持ちます。パッドが過度に圧縮されていると、細胞の膨張に適応するためのコンプライアンスが低下している可能性があります。

圧縮に関連する 2 つのプロパティを正しく指定することが重要です。 圧縮永久歪み 持続的な圧縮後にパッドにどれだけの永久変形が蓄積するかを測定します。負荷がかかった状態で定義された期間後に失われた元の厚さの割合として表されます。圧縮永久歪みが高いということは、使用中にパッドが徐々に薄くなり、隙間を埋める能力とセルの膨張を追跡する能力の両方が低下することを意味します。数十万回の充電サイクルで 10 ～ 15 年間の動作に耐えると予想されるバッテリー パックの場合、最悪の温度および負荷条件下で圧縮永久歪みが 20% 未満である必要があります。 圧縮荷重たわみ は、加えられた圧力とパッドの厚さの変化の関係を示しています。この曲線は、モジュールのクランプ構造がセルに過剰な応力を発生させるか、設計圧縮点でサーマルパッドに不十分な接触圧力を発生させるかを決定します。

高い伝導率を実現するために硬質セラミックフィラー（窒化アルミニウムや窒化ホウ素など）を多量に含む熱伝導性パッドは、軽く充填されたシリコンパッドと比較して圧縮率が低いことがよくあります。これは基本的な材料のトレードオフです。フィラーを増やすと導電性が向上しますが、マトリックスの変形性は低下します。これらの高導電性パッドを使用するバッテリー パックの設計者は、セルが許容できる最大圧縮荷重 (通常、セルの形式に応じて 100 ～ 500 kPa の範囲の最大スタック圧力としてセル メーカーによって指定されています) を超えずに、必要な表面接触を達成するためにモジュールのクランプ設計が適切な組み立て圧力を生成することを確認する必要があります。

電気絶縁特性：絶縁耐力と体積抵抗率

ほとんどの EV バッテリー パック アーキテクチャでは、冷却プレートは接地電位または定義されたシャーシ基準電圧にあり、セル ケーシングはバッテリー パックの高電圧にあります。それらの間のサーマルパッドは、バッテリ管理システムの絶縁監視機能を起動したり、最悪の場合は感電の危険を引き起こす漏れ電流、短絡、地絡を防ぐために、信頼性の高い電気絶縁を提供する必要があります。ほとんどの良好な熱伝導体 (金属、グラファイト) は良好な電気伝導体でもあるため、熱伝導性と電気絶縁性というこの二重の役割は、サーマル インターフェイス材料の重要な工学的パラドックスの 1 つです。

解決策は、非金属の熱伝導性フィラー、特に六方晶窒化ホウ素 (hBN)、酸化アルミニウム (Al₂O₃)、窒化アルミニウム (AlN) を使用することにあります。これらはバルクで 20 ～ 300 W/m·K の熱伝導率を持ちますが、電気絶縁体です。これらのフィラーは、高体積分率でポリマー マトリックスに分散すると、熱伝導ネットワークを形成し、同時に絶縁ポリマー マトリックスが電気的絶縁を維持します。適切に配合された EV バッテリーのサーマルパッドは、次の絶縁耐力を実現します。 10～30kV/mm 体積抵抗率は 10¹² Ω・cm を超えており、現在の自動車用バッテリー パック (400 V および 800 V システム) の最大動作電圧を十分に上回る余裕を提供します。

絶縁耐力は、公称厚さではなく、製造時に発生する最小圧縮パッド厚さで検証する必要があります。組み立てられたモジュール内で 2mm のパッドが 1.5mm に圧縮されると、圧縮されたパッドの絶縁耐電圧は全厚の場合より 25% 低くなります。鋭い金属エッジの近くで使用されるパッド (冷却プレートの形状、セルのエンドキャップ、バスバーのエッジ) は、幾何学的不連続部で発生する局所的な電界強化についても評価する必要があります。これにより、均一電界耐定格を大幅に下回る電圧で局所的な絶縁破壊が発生する可能性があります。

難燃性、アウトガス性、自動車材料の認証

量産車両で使用される EV バッテリーのサーマルパッドは、基本的な熱仕様および電気仕様をはるかに超える一連の包括的な材料認定テストに合格する必要があります。自動車 OEM の材料基準は、乗用車に搭載されたバッテリー パックの材料破損が安全に及ぼす影響を反映して、一般的な産業要件よりも大幅に厳格です。

難燃性の要件

バッテリーパック内部のすべての材料は、最低要件として UL94 V-0 可燃性分類を満たす必要があります。 V-0 は、試験片が点火炎を除いてから 10 秒以内に自己消火し、燃焼物質が滴下しないことを意味します。多くの OEM は、FMVSS 302 (車内可燃性に関する連邦自動車安全基準) またはバッテリーの熱暴走イベントの状態をより厳密にシミュレートする OEM 固有の火災試験プロトコルに対する追加のテストを必要としています。標準条件下で UL94 V-0 に合格するサーマル パッドでも、その材料配合が変更されて導電率や圧縮特性が変更される場合、再認定が必要になる場合があります。可燃性挙動はフィラーの含有量と種類に影響され、熱性能を向上させる変更は慎重に管理しないと難燃性を低下させることがあります。

アウトガスおよびVOC排出試験

バッテリーパックの内部材料は、最悪の場合の動作時のヒートソークをシミュレートする高温条件下で揮発性有機化合物 (VOC) の放出についてテストされています。懸念されるのは、シリコン汚染だけでなく、セルの通気口に堆積したり、電解液の吸収を妨げたり、密封されたパックの筐体内に可燃性蒸気の濃度を生成したりする可能性のある有機化合物です。 VDA 278 (熱脱着分析) および VDA 270 (臭気評価) は、ドイツの自動車サプライチェーンで使用される標準試験方法です。 JASO M902 は、日本の OEM 向けの同様の要件をカバーしています。サプライヤーは、量産調達前に必要な PPAP (製造部品承認プロセス) 文書の一部として、これらの VOC プロトコルに関する第三者の実験室テスト データを提供する必要があります。

サーマルサイクルおよびエージングの認定

EV バッテリーのサーマルパッドの長期信頼性テストには、通常、最低コールドソーク温度 (-40 °C) と最高動作温度 (85 °C ～ 105 °C) の間で 500 ～ 1,000 サイクルの熱サイクルを行い、熱抵抗の変化と圧縮負荷応答を一定間隔で測定します。合格基準では、試験期間全体にわたって熱抵抗が初期値から 10 ～ 20% を超えて増加しないことが求められています。これは、車両の予定されている 10 ～ 15 年の耐用年数にわたって、フィラー粒子の沈降、ポリマー鎖の切断、または酸化硬化によって劣化する材料を排除するという厳しい要件です。

適切な EV バッテリー サーマル パッドの選択: 指定する重要なパラメーター

新しいバッテリー パック設計用の EV バッテリー サーマル パッドを指定するには、候補材料を評価する前に機能要件の完全なセットを把握する体系的なアプローチが必要です。導電率のみに焦点を当て、圧縮挙動、電気絶縁、または化学的適合性を見落とすと、認定された材料が使用中の要件を満たさなかったり、製造アセンブリの問題が発生したりする可能性があります。

• ギャップ サイズと許容範囲: 設計圧縮時のセル ケーシングと冷却プレート間の公称ギャップに加え、生産集団全体の最小から最大のアセンブリ ギャップまでの全許容範囲を決定します。パッドは、最小ギャップで過剰な圧縮力を発生させずに、最大ギャップを適切に埋める必要があります。
• 目標熱抵抗: セル温度制限と冷却剤温度から逆算して界面での最大許容熱抵抗を決定し、設計圧縮圧力でこの目標を満たすようにパッドの厚さと導電率を選択します。
• 細胞膨張への適応: 最初の組み立て後にパッドに残っている圧縮率が、セル製造元が指定する最大スタック圧力を超えることなく、充電状態の全範囲にわたるセル容積の拡張に対応するのに十分であることを確認します。
• 電気絶縁電圧: IEC 60664 または関連する自動車絶縁調整規格に従って、適切な安全係数を備えたパックの最大動作電圧を考慮して、最小圧縮厚さでの絶縁耐力を確認します。
• シリコンフリーの要件: 組み立て環境がシリコンで管理されているかどうかを OEM に確認し、それに応じて指定します。この制約により、シリコンベースのパッドが排除され、選択が非シリコン代替品に制限されます。
• 可燃性と認証要件: 少なくとも UL94 V-0 を指定してください。追加の OEM 固有の耐火試験要件を確認し、サプライヤー認定試験計画に含めます。
• 組立プロセスの互換性: パッドを手作業で貼り付けるか自動で貼り付けるか、組み立てまで保護するために剥離ライナーが必要かどうか、冷却プレート上に事前に配置するために裏面に接着剤を付ける必要があるかどうか、モジュールの最終組み立て前の漏れ検査液や接着剤硬化オーブンなどの中間プロセスステップに耐える必要があるかどうかを検討します。

バッテリーパック開発プログラムの早い段階（モジュール構造の寸法が決定する前）にサーマルパッドサプライヤーと連携することで、パッドの厚さと圧縮設計をモジュールクランプアーキテクチャと合わせて最適化することができます。このシステムレベルのアプローチは、パッドの機械的動作を考慮せずに最終的なモジュール設計にパッドの仕様を組み込むよりも、一貫して優れた熱性能と低い総組立コストを実現します。