車のバッテリーのハウジング側壁保護: その概要、故障の理由、およびその構造

サイドウォールが車のバッテリーハウジングの最も脆弱な部分である理由

バッテリーの故障について考えるとき、人々は通常、電池切れ、端子の緩み、または充電の問題を思い浮かべます。めったに登場しないのは、物理的なハウジング自体、より具体的には側壁です。しかし、車のバッテリーハウジングの側壁は、道路からの振動、熱膨張と収縮のサイクル、内部のガス発生による酸圧、設置時や衝突時の物理的衝撃など、バッテリーがその耐用年数を通じて受ける機械的応力のほとんどを吸収します。側壁の損傷は、単にケースのひび割れを意味するわけではありません。酸漏れ、短絡、熱事象、さらには EV の場合、高電圧セルが変形力に直接さらされることを意味する場合もあります。

ハウジング側壁の保護 車のバッテリー用 したがって、これはケース設計の表面的な詳細ではなく、基本的な安全性と性能の要件であり、材料の選択、壁の形状、リブ構造、そして最新の EV では車両レベルでの専用の側面衝撃保護システムの統合によって決まります。この記事では、従来の 12V 自動車バッテリー ケーシングの側壁設計と材料要件、および電気自動車の高電圧トラクション バッテリー パックで使用されるはるかに要求の厳しい側壁および側面保護システムの両方の側面について説明します。

従来の自動車バッテリーハウジングの側壁が処理しなければならないこと

標準の 12V 鉛蓄電池は、浸水式、AGM、EFB のいずれであっても、そのハウジングに容赦ない機械的および化学的要求が課せられる環境に置かれています。バッテリーケースは単なる容器ではありません。これは、セルの分離を維持し、電解液の損失を防ぎ、電極システムと車両シャーシの間に電気絶縁を提供し、振動エネルギーが内部プレートやセパレーターに到達する前に吸収する主要な構造要素です。

側壁は、トップ カバーとベース プレートが受けない特定の応力セットに面しています。

• ガス発生による内部圧力 — 鉛蓄電池は充電中に水素と酸素ガスを発生します。 VRLA および AGM の設計は、再結合を通じてこれを内部で管理しますが、ある程度の圧力が蓄積します。側壁の肥厚や外側への反りは既知の故障指標であり、多くの場合過充電や周囲温度の上昇により、内部圧力がケース素材の構造的容量を超えていることを示します。
• プレートスタックの圧縮 — 鉛蓄電池の正極板と負極板は、サイクルに応じて膨張します。この横方向の膨張により、数千回の充放電サイクルにわたって側壁に外向きの圧力がかかります。側壁が薄すぎるか、剛性が不十分な材料で作られていると、この圧力により外側への変形が進行し、最終的にはプレートが電解液と均一に接触できなくなり、容量が低下します。
• 道路の振動と機械的衝撃 — 車両の振動は、特に悪路やオフロード用途では、ホールドダウン ブラケットを介してバッテリーに直接伝わります。振動が続くと、設計が不十分なバッテリーケースや薄壁のバッテリーケース、特に側壁とベースが接する角で疲労亀裂が発生します。このため、自動車グレードのバッテリーケースには、耐薬品性に​​加えて、最小の衝撃強度と耐振動性のパラメーターが指定されています。
• 電解質による化学的攻撃 — 鉛蓄電池の硫酸電解液は非常に腐食性が高いです。側壁材料は、エンジンベイ用途で -30°C から 60°C 以上の範囲の温度で濃酸と継続的に接触しながら、バッテリーの全耐用年数 (乗用車では通常 3 ～ 5 年) 全体にわたって構造的および化学的完全性を維持する必要があります。

サイドウォールの素材: ポリプロピレン、ABS、およびそれらが提供するもの

ケース材料の選択は、上記の機械的および化学的ストレスに耐える側壁の能力を直接決定します。従来の自動車バッテリーハウジングの製造では 2 つの材料が主流であり、それぞれが定義された性能プロファイルを備えています。

ポリプロピレン (PP) — 業界標準

自動車用鉛蓄電池ケースの大部分は、射出成形されたポリプロピレン、通常はコポリマーグレードまたは耐衝撃性改良された PP 配合物から製造されています。 PP はさまざまな特性を兼ね備えているため、バッテリー側壁の用途に非常に適しています。実際のバッテリーのあらゆる濃度と温度で硫酸に対して化学的に不活性であり、内部のガス発生やプレートの膨張による外向きの圧力に耐える優れた引張剛性と曲げ剛性を備え、正確な壁厚とリブ形状で射出成形できます。 PP バッテリー ケースは通常、側壁の厚さが 2.5 ～ 4 mm で製造され、応力集中点 (コーナー、端子ボス領域、隔壁) が追加の壁材またはリブで補強されています。ガラス繊維充填 PP グレード (通常 20 ～ 30% GF) は、熱サイクル下での寸法安定性が重要な高級または高温用途で使用されます。ガラス繊維は熱膨張係数を大幅に低減し、高温で時間の経過とともにプレーン PP に発生する微小亀裂を防ぎます。ハロゲンフリー FR システムを組み込んだ難燃性 PP グレードの仕様は、特にバッテリーが熱源の近くに配置されている用途や、規制順守で火災安全認証が必要な用途でますます指定されています。

ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) — 密閉型鉛酸アプリケーション用

ABS 熱可塑性プラスチックは、主に小型の密閉型鉛酸 (SLA) バッテリー ケース、つまりコンパクトなパッケージングと高い耐衝撃性が優先されるオートバイ、パワースポーツ、警報システム、UPS アプリケーションに使用されます。 ABS は、機械的衝撃や振動に対する優れた耐性、優れた寸法安定性、電気的絶縁を保証する非導電性特性を備えています。同等の壁厚のポリプロピレンケーシングよりも軽く、より厳しい寸法公差で形成できます。これは、バルブ規制の設計で必要とされる正確なシール面にとって重要です。 ABS は、高温での硫酸に対する化学的耐性がポリプロピレンよりもわずかに劣るため、電解液量が多く動作温度が高い大型の自動車用バッテリーではあまり使用されません。

材料性能の比較

サイドウォールの形状とリブの設計: 構造が質量をどのように置き換えるか

原材料の特性によってサイドウォールの性能の上限が決まりますが、サイドウォールの実際の形状 (厚さプロファイル、コーナーの半径、内部リブのパターン) によって、その材料の可能性がどの程度実現されるかが決まります。適切に設計されたバッテリーケースの形状により、最小限の壁厚で必要な剛性と耐衝撃性が実現され、構造の完全性を犠牲にすることなくケースの軽量化が保たれます。

車のバッテリーハウジングの側壁に適用される主な設計原則は次のとおりです。

• 均一な肉厚 — 射出成形されたバッテリーケースでは、成形サイクルの冷却段階での反りを避けるために、側壁の厚さを一定にする必要があります。側壁のあるセクションが別のセクションよりも著しく厚い場合、冷却差によって内部応力が発生し、それが反りやヒケとして現れます。側壁が歪んでいるとカバーが正しく密閉されなくなり、構造的には無傷に見えるケースでも電解液漏れが発生する主な原因となります。
• 剛性を高める外側のリブ — 側壁の外面にある水平または斜めのリブにより、壁全体の厚さを増やさずに壁断面の面積二次モーメントが大幅に増加します。平均厚さ 3 mm のリブ付きサイドウォールは、使用する材料を大幅に削減しながら、プレーンな 5 mm サイドウォールの曲げ剛性と同等またはそれを超えることができます。これらのリブは、取り付けや交換の際にバッテリーを扱う際のグリップ力も向上します。
• コーナーR設計 — 鋭い内側の角は応力集中点であり、衝撃や疲労荷重がかかると亀裂が発生します。バッテリー ケースの角は、応力をより広い領域に分散するために、余裕のある内部半径 (通常は最小 1 ～ 2 mm) で設計されています。この詳細は些細なことのように見えますが、バッテリーを設置中に落としたり、道路から衝撃を受けたときのケースの亀裂に対する耐久性が直接決まります。
• 二重壁セクション — 一部の高級自動車バッテリー設計では、側壁、特に端子ボスやセル隔壁に隣接する領域に二重壁構造が使用されています。内壁と外壁の間の空隙により、追加の衝撃緩衝と断熱性の向上の両方が提供されます。これは、エンジンのピーク運転中に側壁の温度が 60°C を超える可能性がある高温のエンジン ベイに取り付けられるバッテリーにとって重要です。
• 隔壁の統合 — マルチセルバッテリーでは、個々のセルを分離する内部の隔壁が外側の側壁に接続され、それらを大幅に強化します。適切に設計されたパーティションと側壁の接続により、内圧負荷がすべての壁セクションに均等に分散され、セル境界での局所的な膨らみが防止されます。

EV バッテリーパックの側壁保護: 根本的に異なる課題

電気自動車において、「自動車バッテリー ハウジングの側壁保護」という用語は、従来の 12V バッテリー ケースの設計よりも明らかに厳しい構造工学上の課題を指します。ほとんどの EV プラットフォームの車両床下に平らに配置される高電圧トラクション バッテリー パックには、DC 300 ～ 800V の電圧で動作する数百個の個別のリチウム セルが含まれています。パックの側壁を破壊し、少数のセルでも変形させるような側面衝突は、熱暴走を引き起こす可能性があります。これは制御されていない熱放出の連鎖反応であり、完全に充電されたパックでは壊滅的な事態を招く可能性があり、消すのが非常に困難です。

これにより、EV バッテリー エンクロージャの側壁が同時に構造的衝突コンポーネント、電気絶縁バリア、および熱封じ込め要素になります。従来のバッテリーケースの素材や設計アプローチでは十分ではありません。EV バッテリーの側壁保護は、ハウジング自体、その周囲の車体構造、および一部の設計ではボディシルとパックの間にある専用のエネルギー吸収要素を含む統合システムです。

サイドポールインパクトの問題

EV バッテリーの側壁保護のための最も要求の厳しい衝突試験シナリオは、サイドポール衝撃、つまり高速で車両に横から衝突する剛性ポールの衝突です。他の車両の構造がエネルギーの一部を吸収する車対車の側面衝突とは異なり、ポールは衝撃力を非常に小さな横方向の設置面積に集中させ、車両のシル構造によるエネルギーの散逸を最小限に抑えながら、完全な侵入をバッテリーパックの側壁に直接伝える可能性があります。 ECE R100 (欧州) や FMVSS 305 (米国) などの規制枠組みでは、指定された衝突試験中または試験後に電解液の漏れ、発火、爆発が起こらないことが義務付けられています。サイドポールテストでこれらの要件を満たすには、車両シルの内側からパックの側壁までの横荷重経路全体を慎重に設計する必要があります。

EVバッテリーパックのサイドウォールに使用される材料

EV バッテリー エンクロージャの側壁は、高い比剛性、エネルギー吸収容量、重量の組み合わせを考慮して選択された、従来のバッテリー ケースよりも大幅に耐久性の高い材料で製造されています。現在の量産車両における主なアプローチは次のとおりです。

• 押出アルミニウム (EN AW-6082 T6 または 7xxx シリーズ) — マルチチャンバー押出アルミニウムプロファイルは、EV バッテリーパックの側壁に最も広く使用されている材料です。マルチチャンバー断面により、側面衝突時に内部のバッテリーセルに直接力を伝達するのではなく、エネルギーを段階的に吸収する複数の折りたたみ可能なセルが作成されます。アルミニウム合金 6082-T6 は、約 255 MPa の降伏強度と優れた耐食性を備えています。高級用途では、7xxx シリーズ合金 (7003 や 7005 など) は、同様の重量でより高い降伏強度 (最大 345 MPa) を提供します。
• 超高張力鋼（UHSS） — Docol CR 1700M（引張強度最大 1,700 MPa）などのグレードの冷間成形鋼プロファイルは、特にアルミニウム押出金型のコストが法外に高い量産車両において、サイドウォール押出材およびクロスメンバーとして使用されます。肉厚が同等の重量に調整されると、適切に最適化された UHSS プロファイルは、より低い材料コストでアルミニウム押出材の衝突性能に匹敵することができます。
• 繊維強化ポリマー複合材料 — 炭素繊維強化ポリマー (CFRP) とガラス繊維強化ポリマー (GFRP) は、重量の最小化が最優先される高性能かつ高級な EV バッテリー エンクロージャに使用されています。 GF 含有量が 30% の GFRP サイドウォールは、優れた比剛性と耐衝撃性を提供し、その電気絶縁特性により、金属製エンクロージャで懸念される、損傷したハウジングによるシャーシのアースのリスクが排除されます。
• EPP (発泡ポリプロピレン) フォームインサート — EPP フォームライナーは、二次エネルギー吸収層として構造側壁の内側に使用されます。 EPP のクローズドセル構造は、非常に低い密度で優れた衝撃エネルギー吸収を実現し、自動車用途で発生する全温度範囲 (-40°C ～ 90°C) にわたって保護機能を維持します。 EPP インサートは、外部から発生した熱イベントから内部のセルへの熱伝達を遅らせる断熱機能も提供します。

EVバッテリー側壁用統合衝突保護システム

最新のEVプラットフォーム設計では、バッテリーパックの側壁保護を、パックエンクロージャー自体を超えて拡張される統合システムとして扱います。車両のシル構造、サイドメンバーの形状、およびパックとボディの取り付け設計はすべて、バッテリーセルの完全な側面保護に貢献します。このシステム レベルのアプローチにより、現在の EV は、パック エンクロージャの壁の厚さ、したがってパックの重量が非現実的に大きくなることなく、最も要求の厳しい側面衝突テストに合格することができます。

この統合保護システムの主なコンポーネントは次のとおりです。

• ロッカー/シルビーム — 車体のサイド シル構造はバッテリー パックのすぐ外側にあります。 EV プラットフォームでは、侵入がパックに到達する前に必要なエネルギー吸収能力を提供するために、シルは同等の内燃機関車両よりも大幅に深く、より堅牢になっています。敷居内の複数のチャンバーから成る押し出しアルミニウムまたは多層鋼のロール成形プロファイルは、バッテリー パックが何らかの接触力を受ける前に、制御された崩壊状態で 20 ～ 40 kJ のエネルギーを吸収できます。
• バッテリーパックのサイドメンバー — 専用の側面衝撃保護部材がバッテリ パック エンクロージャの側面にボルト締めまたは溶接されています。これらはメインエンクロージャの壁から分離されており、側面衝突時に制御された方法で座屈してエネルギーを吸収し、パックエンクロージャを直接的な衝撃力から切り離すように特別に設計されています。これらの部材内のトポロジーに最適化されたリブ パターンは、最悪の場合の衝撃シナリオの有限要素解析から導き出され、追加重量 1 キログラムあたりのエネルギー吸収を最大化します。
• ブレークアウェイブラケットシステム — 一部のEV設計では、制御された離脱要素を備えた圧縮荷重吸収部材を使用しており、定義された横方向の力の下で、バッテリーパックが完全な侵入力を受けるのではなく、衝撃方向から横方向に移動することができます。このアプローチは、純粋なエネルギー吸収ではなく、制御された変位によって衝撃力を管理し、パックに伝わるピークの力を軽減します。
• パック内のクロスメンバー — 一方の側壁からもう一方の側壁まで、バッテリーパックの全幅にわたる構造クロスメンバーは、二重の目的を果たします。側面衝突によって生じようとする外側への横方向の変形に対してパック構造を強化し、衝撃を受けた側壁からの衝撃荷重を反対側のシルとボディ構造に伝達します。これらのクロスメンバーはパックの長さに沿って一定の間隔で配置され、衝撃の進行に応じて段階的にかみ合うように荷重経路が最適化されています。

サイドウォール保護の故障モードとその識別方法

従来の鉛酸バッテリーであっても、EV トラクションパックであっても、バッテリーハウジングの側壁に損傷があると、特定の認識可能な兆候が現れます。電解液の損失、セルの損傷、または電気的危険に発展する前に、これらの兆候を早期に特定することは、側壁保護設計を理解することの実際的な成果となります。

従来の 12V バッテリーハウジング

• サイドウォールの膨らみまたは外側への反り — 1 つまたは複数の側壁の目に見える外側への変形は、過充電、電圧レギュレータの故障、または高い周囲温度での継続的な動作によって引き起こされる過剰な内部圧力を示す最も明確な指標です。バッテリーケースが膨らむと、構造の完全性が損なわれます。PP または ABS 材料は弾性範囲を超えて応力がかかり、回復しません。膨張が進行すると継ぎ目の亀裂や電解液の漏れにつながるため、バッテリーは「監視」するのではなく、すぐに交換する必要があります。
• 角や端子ボスのヘアラインクラック — 疲労亀裂は通常、ケースの底部の角、端子ポストの周囲のボス領域、側壁と内部隔壁の接合部などの幾何学的応力集中で発生します。これらの亀裂は、厳密に検査しないと見えないことが多く、積極的な漏れではなく、ゆっくりとした電解液の浸出としてのみ現れる場合があります。亀裂に隣接する外面上の白い結晶性硫酸塩の堆積が明らかな指標です。硫酸が大気中の湿気や塵と反応し、白いチョーク状の残留物が残ります。
• ケースの歪みやカバーのズレ — カバーがケース本体に平らに収まらなくなったり、ケースとカバーの継ぎ目が不均一になったりする場合は、側壁が歪んでいます。これは最も一般的にプレートスタックの膨張と温度上昇の組み合わせによって引き起こされ、カバーのシールを直接損傷し、カバーの設計に関係なく電解質の蒸気とガスが逃げる経路を作り出します。

EVバッテリーパック

• 衝突後のパック検査 — EV に側面衝突が発生した後は、見かけの重大さに関係なく、車両を使用に戻す前に、資格のある技術者がバッテリー パックを検査する必要があります。パックの側壁や保護サイドメンバーの変形は、たとえ外側の本体パネルが損傷していないように見えても、セルに隣接する構造コンポーネントによってエネルギーが吸収されたことを示している可能性があります。多くの OEM は、パックの周囲構造に侵入があった場合、パックの交換を必要とします。
• バッテリー冷却回路からの冷却液漏れ — EV バッテリー パックは、パックの側壁を通って、または側壁に隣接して配線された液体冷却回路を使用します。パックの構造を変形させる側面衝撃により、パック内の冷却ホースや回路基板が破損し、冷却液が通電中の電気部品に接触する可能性があります。衝突事故後の EV 内の原因不明の冷却剤損失は、バッテリー パック検査のトリガーとして扱う必要があります。
• セル電圧の不均衡に関連する故障コード — 衝撃を受けた側壁に隣接するセル グループが、衝突後に異常な電圧測定値や自己放電速度の加速を示している場合は、パックの変形の目に見える外部証拠がなくても、セルへの物理的損傷を示している可能性があります。これらの障害コードは、変形による内部損傷が密閉パックの外側からは見えない可能性があることを理解した上で調査する必要があります。

バッテリーハウジングの側壁保護の選択と指定

調達エンジニア、車両設計者、アフターマーケット専門家にとって、バッテリーハウジングの材料と保護設計を選択するには、仕様を実際のサービス環境に適合させる必要があります。以下のパラメータは、バッテリーハウジングの側壁保護を決定する際の指針となります。

従来のバッテリー調達の場合は、PP グレード、GF 含有量、FR 処理を含むケース素材の仕様が製品データシートに開示されていることを常に確認してください。市場価格に比べて大幅な割引で販売されるバッテリーは、価格目標を達成するために側壁の壁の厚さを減らしたり、低グレードの PP コンパウンドを代替したりすることがよくあります。側壁の厚さが過小なケースでは、セル自体が寿命に達するかなり前に、進行性の膨らみや角の亀裂が発生し、ハウジングの故障により内部化学物質の使用可能な容量が本質的に無駄になります。修理またはパックレベルの交換を受ける EV バッテリー パックの場合は、交換用のエンクロージャ コンポーネントが OEM の元の構造仕様を満たすかそれを超えていることを確認してください。OEM の交換価格を下げるために設計された側壁保護が低減されたアフターマーケット パック コンポーネントは、外部検査からは必ずしも確認できるとは限らない、真の安全性の侵害を表しています。