Innovation and design of the battery box for electric vehicles

本要約は、「Faculty of Mechanical Engineering TUL」より発行された修士論文「Innovation and design of the battery box for electric vehicles」に基づいています。

1. 概要:

• 論文名: Innovation and design of the battery box for electric vehicles (電気自動車用バッテリーボックスの革新と設計)
• 著者: Bc. Chyva Hout
• 発行年: 2024
• 発行学術誌/学会: Faculty of Mechanical Engineering TUL
• キーワード: Battery box, design and innovation, electric vehicles, thermal management systems, concepts, AHP

2. 抄録:

本修士論文は、電気自動車用の新しいバッテリーボックスの革新と設計に焦点を当てています。論文の最初のセクションでは、リチウムイオン電池を使用する電気自動車の現在のテーマを概説するための文献レビューから始まり、熱管理システムとバッテリーボックス構築用材料の選択に関する包括的な理解を提供します。さらに、最初のセクションでは、特許データベースと非特許データベースの両方で見つかったバッテリーボックスに関連する現状とアイデアに関する情報を調査および検討することも含まれています。その後、5つの概念設計が開発され、それぞれにその技術システムを詳述する説明と図解スケッチが付随しています。最終的なコンセプトは、3Dモデルの作成を容易にするために、AHP（Analytic Hierarchy Process）法を使用して特定の基準に基づいて選択されました。最後のセクションでは、エンクロージャー内の角形バッテリーセルによって生成される温度を計算するために数値シミュレーションを利用します。この論文には、最終コンセプトの図面と選択されたシステムコンポーネントの部品図も含まれています。

3. 緒言:

電気自動車（EV）産業の推進への投資は、原油輸入を削減し、CO2排出量を抑制して環境負荷を最小限に抑えることを目的とする多くの政府の主要な焦点となっています。政府からの広範な政策支援により、EV産業の成長率と電気自動車の年間生産率は年々大幅に増加しています。化石燃料車の内燃機関（ICE）から離れるというこの一般的な傾向は、電気自動車が最も成熟した代替推進技術であるため、電気自動車（EV）に対する高い需要をもたらすでしょう。このような変化の背景には、EVのトランスミッションシステムを駆動するための主要な電源であるバッテリーパックなどのエネルギー貯蔵システムの開発があります。電気自動車は、直列または並列に接続された数千のセルで構成されるバッテリーモジュールからなるバッテリーパックにエネルギーを貯蔵します。最も一般的に使用されるバッテリーは、リチウムイオン二次電池です。バッテリーモジュールのアセンブリで構成されるバッテリーパックは、電気自動車の主要な電力伝送源です。電気自動車の実際の運転中、バッテリーパックとそのエンクロージャーは、さまざまな道路勾配による外部振動や衝撃などの過酷な環境条件にさらされます。これにより、さまざまな程度の応力と変形が発生します。車両の安全性はバッテリーパックの安全性に大きく依存し、それは変形や振動衝撃に耐える能力などの機械的特徴に依存します。さらに、車両の航続距離を延ばし、バッテリーパックのライフサイクルを延ばすことができるため、軽量車両が好まれます[1]。最近、車両設計と交通安全強化のためのバッテリーパックの開発が慎重に見直されています。研究開発（R&D）セルの電極材料と設計、バッテリーパックの熱設計、新しい充電構成、充電インフラストラクチャ、および充電状態（SOC）や健康状態（SOH）などのバッテリー状態を推定するためのバッテリーモデリング方法に、より大きな重点が置かれています[2]。既存の研究は、短絡、熱暴走など、ドライバー、車両、道路の安全性を損なう可能性のある不測の事態を防ぐことを目的としています[3]。バッテリーとバッテリーパックの主な敵は温度です。バッテリーの内部抵抗反応から生じるジュール効果と、バッテリーの化学反応によって生成される反応熱により、バッテリーパックに大きな熱負荷がかかります。走行中に電気自動車から熱を放散できない場合、バッテリーの性能とライフサイクルに確実に影響を与え、安全性に重大なリスクをもたらす可能性さえあります[4]。既存のバッテリーパックの冷却問題について、研究者たちは、空冷方式、液冷方式、相変化材料冷却方式など、一連のバッテリー熱管理ソリューションを作成しました。安全な操作のためには、バッテリー温度を50°C未満に維持する必要があると提案されています[5]、[6]。

バッテリーパック設計のもう1つの基準は価格です。主なコストはバッテリーセルと組み立てプロセスです。バッテリーセルは実際にはバッテリーメーカーによって価格が設定されますが、組み立てコストはバッテリーパックの設計によって異なります。バッテリーパックの設計者は、全体的なコストを可能な限り安くする必要がありますが、それでも高性能と安全性が求められます。材料の選択とコンポーネント設計などの組み立て方法は、バッテリーモジュールとバッテリーパックの費用対効果を決定する上で重要です[7]。

4. 研究の要約:

研究トピックの背景:

電気自動車（EV）の普及が進むにつれて、バッテリー技術、特にバッテリーボックスの設計と革新における進歩が求められています。バッテリーボックスは重要なコンポーネントであり、リチウムイオンバッテリーパックを収容し、さまざまな動作条件下での安全性、熱安定性、構造的完全性を確保します。効果的な熱管理は過熱や熱暴走を防ぐために最も重要であり、材料選択は重量、コスト、耐久性に影響を与えます。

従来の研究状況:

文献レビューでは、熱管理システム（能動的および受動的冷却、加熱）、バッテリーパック用材料の選択（鋼鉄やアルミニウムなどの金属、プラスチック、複合材料）、熱暴走現象と緩和策（モジュールおよびセルレベルでの熱障壁）、振動分離、バッテリーパックの配置戦略について取り上げました。
特許調査によると、複合コンポーネントの使用、有機材料の使用、シーラントおよび接合技術の使用、爆発/衝撃耐性の向上、冷却サブシステムの統合、盗難防止（高価な）バッテリーの開発などの分野で活発な開発が行われていることが示されました。特許から特定された主要な革新の可能性には、繊維の使用、透明性、断片化、自動化、脈動、対称性が含まれます。中国はEVバッテリーボックスの特許出願における主要国です。
非特許調査では、市場にはさまざまなバッテリーボックスのコンセプトと材料が存在し、重量を削減するために適切な場所で適切な（多くの場合非金属の）材料を使用するマルチマテリアルアプローチが増加傾向にあることが明らかになりました。カバーおよびバッテリーサブシステム全体のモジュラーソリューションも普及しています。バッテリーボックスと電気自動車用エンクロージャーは、潜在的な成長と安全上の懸念の最も重要な分野の1つと見なされているため、試験施設の開発も重要な革新の機会です。

研究の目的:

本修士論文の目的は、軽量設計の達成に主眼を置き、電気自動車用の新しいバッテリーボックスのための革新的な設計戦略を探求することです。これには、構造的完全性や安全性を損なうことなく全体の重量を最適化することを目的として、軽量バッテリーボックスを開発するための材料を徹底的に調査することが含まれます。この研究には、電気自動車用バッテリーボックスの現状に関する詳細な調査が含まれ、既存の設計、使用されている材料、問題点、製造プロセスを探求します。この情報を統合することにより、改善のための課題と機会を特定し、バッテリーボックスのための5つの革新的な概念設計を生成し、詳細な3Dモデルを作成するための最良の最終コンセプトを選択し、最終的なバッテリーボックスコンセプトの3Dモデル内の温度分布を計算および分析するために数値シミュレーション技術を利用します。

中核研究:

中核研究はいくつかの段階で構成されていました。

1. EVバッテリーボックス、リチウムイオン電池、熱管理システム、材料選択に関する包括的な文献レビュー。
2. 現在のバッテリーボックスの設計、材料、課題、革新に関する特許および非特許データベースからの情報の調査と分析。
3. EVバッテリーボックスのための5つの異なる概念設計の開発。各設計は、構造設計、材料選択、熱管理戦略、および図解スケッチで詳細化されています。
4. 事前定義された基準（軽量、電気絶縁、安全性、コスト、モジュラー設計）に基づいて、階層分析法（AHP）を使用して最適なコンセプト（コンセプト2）を選択。
5. 選択されたバッテリーボックスコンセプト（コンセプト2）の詳細な3Dモデルの作成。このモデルは、複合炭素繊維構造、液体冷却機能を備え、12個のバッテリーモジュール（各モジュールには10個のSamsung SDI 94 Ah角形セルが含まれる）を収容します。
6. 指定された熱境界条件下での最終的なバッテリーボックスコンセプトの3Dモデル内の温度分布を分析するためのANSYSソフトウェアを使用した有限要素法（FEM）数値シミュレーションの実施。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究は多段階のプロセスとして設計されました。

1. 文献レビュー: EVバッテリーボックス、リチウムイオン電池の特性、熱管理の原則、材料選択基準に関する基礎的な理解を確立する。
2. 現状分析: 特許データベース（ESPACENET、USPTO、WIPO、Patent Inspiration、Google Patents、Global Dossier、Google Scholar）および非特許情報源（Google検索、メーカーのウェブページ、技術記事）を調査し、既存のソリューション、トレンド、問題点を特定する。
3. 概念設計: バッテリーボックスのための5つの革新的な概念設計を生成し、それらの技術システムを詳述し、スケッチで図解する。
4. 概念選択: 階層分析法（AHP）を適用して、事前定義された基準に対して5つの概念を評価し、最も有望な設計を選択する。
5. 詳細設計とモデリング: Autodesk Inventor Professional 2022を使用して、選択されたバッテリーボックスコンセプトの詳細な3Dモデルを作成する。
6. 数値シミュレーション: ANSYSソフトウェアを介した有限要素法（FEM）を利用して、設計されたバッテリーボックス内の温度分布を予測するための熱分析を実施する。
7. 文書化: 最終コンセプトと選択されたシステムコンポーネントの図面を作成する。

データ収集と分析方法:

データ収集:

• 文献レビュー: EVバッテリー、熱管理、材料に関連する学術論文、ジャーナル、ハンドブック、会議議事録。
• 特許データベース: ESPACENET、USPTO、WIPO、Patent Inspiration、Google Patents、Global Dossierなどのデータベースで、キーワード（例：「BATTERY BOX」AND (ELECTRIC) VEHICLE、「BATTERY PACK」など）とブール論理演算子を使用して検索。
• 非特許データベース: Google Scholar、メーカーおよびユーザーのウェブページ、技術雑誌、業界レポート。

分析方法:

• 定性的分析: 文献レビューおよび特許/非特許情報の解釈により、トレンド、課題、機会を特定。
• 階層分析法（AHP）: 最終的なバッテリーボックスコンセプトを選択するための多基準意思決定に使用。基準のペアワイズ比較の後、各基準に対するコンセプトのペアワイズ比較を含む。
• 3D CADモデリング: 選択されたコンセプトの詳細設計にAutodesk Inventor Professional 2022を使用。
• 有限要素法（FEM）シミュレーション: 定義された境界条件下でのバッテリーボックス内の温度分布をシミュレーションするために、ANSYSソフトウェアを定常状態熱分析に使用。

研究トピックと範囲:

主要な研究トピックは、安全性や構造的完全性を損なうことなく軽量設計を達成することに重点を置いた、電気自動車用の新しいバッテリーボックスの革新と設計です。
研究の範囲は次のとおりです。

• EVバッテリーボックス、リチウムイオン電池、熱管理システム（能動的、受動的、加熱、冷却）、材料選択（金属、プラスチック、複合材料）に関する包括的な文献レビュー。
• 特許および非特許データベースからの現在の設計、材料、問題点、製造プロセスの調査と分析。
• バッテリーボックス設計の改善のための課題と機会の特定。
• バッテリーボックスのための5つの革新的な概念設計の生成。
• AHP法を使用した最適なコンセプトの選択。
• 選択されたコンセプトの詳細な3Dモデルの作成。
• 角形バッテリーセルによって生成される熱を考慮した、最終的なバッテリーボックスコンセプトの3Dモデル内の温度分布を分析するための数値シミュレーション（FEM）。
• 最終コンセプトと選択されたシステムコンポーネントの図面を含む。

6. 主な結果:

主な結果:

1. 文献およびデータベースレビュー: 本研究は、EVバッテリーボックスの性能、安全性、および寿命にとって、熱管理と適切な材料選択が重要な役割を果たすことを確認しました。特許分析により、中国がこの分野における主要なイノベーターであり、主要な開発方向には複合材料、衝撃耐性の向上、統合冷却が含まれることが明らかになりました。非特許調査では、軽量化とモジュール化のためのマルチマテリアル、多くの場合非金属的なアプローチへの傾向が浮き彫りになりました。
2. 概念設計と選択: 5つの異なるバッテリーボックスコンセプトが開発されました。階層分析法（AHP）を使用して、コンセプト2がさらなる開発に最も適したオプションとして選択され、軽量、電気絶縁、安全性、コスト、モジュラー設計などの基準に対して最高のスコアを獲得しました。
3. 最終設計（コンセプト2）: 選択されたバッテリーボックスは、堅牢な強度、耐衝撃性、耐久性を維持しながら大幅な軽量化を達成するために、複合材料（特に炭素繊維）を使用して設計されています。熱管理システムには、アルミニウム液体冷却プレートと熱伝導率1 W/m.Kのサーマルパッドグレードシリコンが組み込まれています。このボックスは、それぞれ10個のSamsung SDI 94 Ah角形バッテリーセルを含む12個のバッテリーモジュールを収容するように設計されており、合計120個のセルと41.4 kWhのエネルギー容量になります。
4. FEMシミュレーション結果: 指定された境界条件（バッテリーセルのピーク温度50°C、周囲温度22°C、外部温度20°C、冷却水16.5°C）下でのコンセプト2の数値シミュレーションは、以下を示しました。
   • バッテリーエンクロージャーの内部温度は、最大54°Cから最小4.5506°Cの範囲です。
   • バッテリーボックスの外部で観測された最高温度は23.333°Cでした。
   • 最も高温の領域は、バッテリーセルとの直接的な相互作用により、バッテリーモジュール内にありました。
   • 冷却プレートの統合により、モジュール内の温度がピークの54°Cから効果的に低下し、バッテリーボックスの下部で約28°Cで安定しました。
   • サーマルパッドは、モジュール内に収容されたバッテリーセル間の熱伝導を効果的に妨げました。

図のリスト:

• Figure 1 : Sources of heat in a lithium-ion battery [8]
• Figure 2 : Lithium-ion cell temperature ranges [8]
• Figure 3 : HEV temperature example [8]
• Figure 4 : Active air cooling schematic [8]
• Figure 5 : Passive air cooling schematic [8]
• Figure 6 : Liquid cooling plates [8]
• Figure 7 : Heat sink fins [8]
• Figure 8 : All cell phase change composite (PCC™) material [8]
• Figure 9 : A robust battery pack with one battery module in each compartment [10]
• Figure 10 : A cylindrical battery cell assembly with cell spacers [11]
• Figure 11 : Nissan Leaf battery pack [14]
• Figure 12 : Placement of lithium ion battery pack in Nissan Leaf [15]
• Figure 13 : Number of patent documents over time (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 14 : Geographical analysis of applicants for patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 15 : Document CN213782095U [19]
• Figure 16 : Document US2021323418A1 [19]
• Figure 17 : Document US2021305544A1 [19]
• Figure 18 : Document KR20210036205A [19]
• Figure 19 : Document KR101289562B1 [19]
• Figure 20 : Document US2021260978A1 [19]
• Figure 21 : Document CN113314783A [19]
• Figure 22 : Document CN213936386U [19]
• Figure 23 : Materials cited in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 24 : Number of patent documents for each material [18]
• Figure 25 : Problem areas cited in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 26 : Number of patent documents for each problem [18]
• Figure 27 : Evolutionary potential analysis in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 28 : Current technical solutions for battery boxes [20]
• Figure 29 : Multi-material battery enclosure from LION Smart [21]
• Figure 30 : Battery box from TRB group [22]
• Figure 31 : An exploded view of CSP's multi-material battery enclosure [23]
• Figure 32 : VARI technology for carbon fiber battery box [24]
• Figure 33 : Kautex Textron and Lanxess all plastic battery housing [25]
• Figure 34 : Battery box from SABIC concept [26]
• Figure 35 : Concept 1
• Figure 36 : Concept 2
• Figure 37 : Concept 3
• Figure 38 : Concept 4
• Figure 39 : Concept 5
• Figure 40 : Battery box from composite material
• Figure 41 : Battery box body from composite material
• Figure 42 : Components inside the battery box
• Figure 43 : Battery module
• Figure 44 : Components inside the battery module
• Figure 45 : Crash structure
• Figure 46 : Cooling plate
• Figure 47 : Model with distinct materials assigned to different parts in ANSYS
• Figure 48 : The boundary condition for Samsung battery SDI 94 Ah
• Figure 49 : The boundary condition for environment convection
• Figure 50 : The boundary condition for the temperature outside the battery box
• Figure 51 : The boundary condition for the coolant temperature
• Figure 52 : Mesh generation
• Figure 53 : The temperature field outside the battery modules with the cooling system
• Figure 54 : The temperature field of the upper surface cooling plate contact with battery modules
• Figure 55 : The temperature field of the lower surface cooling plate contact with battery modules
• Figure 56 : The temperature field inside the battery box
• Figure 57 : The temperature field of cross-section inside the battery box
• Figure 58 : The temperature field of the thermal pad between battery cells

7. 結論:

本修士論文は、電気自動車用の新しいバッテリーボックスの革新と設計に焦点を当て、主な目標は軽量設計の実現でした。これは、弾力性があり、機能的で、大幅に軽量化されたバッテリーボックスを構築するための材料に関する包括的な調査を通じて、熱心に追求されました。
作業の最初の部分では、リチウムイオン電池を使用する電気自動車（EV）バッテリーボックスに関する徹底的な文献レビューが行われ、熱管理と材料選択が強調されました。主な側面には、バッテリーの性能と安全性に対する熱管理の重要性、発熱に影響を与える要因、現在の熱管理ソリューションが含まれていました。この研究では、特許および非特許データベースからの現状と革新的なアイデアも調査し、中国の重要な特許活動と、軽量化のためのマルチマテリアル（多くの場合非金属）アプローチの市場動向に注目しました。
このレビューと情報収集に続いて、5つの概念設計が開発されました。分析階層プロセス（AHP）を分析に採用し、コンセプト2を優先的な選択肢として選択しました。
コンセプト2のバッテリーボックスは、堅牢な強度を維持しながら重量を削減するために、複合材料、特に炭素繊維で設計されています。優れた耐衝撃性、効果的な熱伝導性、耐久性、および長寿命を示します。その熱管理システムには、アルミニウム液体冷却プレートと熱伝導率1 W/m.Kのサーマルパッドグレードシリコンが含まれています。パックには、それぞれ10個のSamsung SDI 94 Ahバッテリーセルを備えた12個のバッテリーモジュールが収容されており、合計120個のセルと41.4 kWhのエネルギー容量になります。
コンセプト2のシミュレーション結果は、指定された境界条件下（バッテリーセルの温度をピーク50°Cに設定）で、内部温度が最大54°Cから最小4.5506°Cの範囲であることを示しました。外部の最高温度は23.333°Cでした。最も高温の領域は、主にセルとの直接的な相互作用により、バッテリーモジュール内にありました。冷却プレートの統合は効率的であり、モジュールのピーク温度54°Cをバッテリーボックスの下部で安定した28°Cに低下させました。さらに、サーマルパッドを含めることで、モジュール内のバッテリーセル間の熱伝導が効果的に妨げられました。

8. 参考文献:

• [1] Li Shui, Fangyuan Chen, Akhil Garg, Xiongbin Peng, Nengsheng Bao & Jian Zhang (2018). Structural and Multidisciplinary Optimization, pp. 331-347. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-018-1901-y#Bib1.
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• [4] Yi Jaeshin, Kim Ui Seong, Shin Chee Burm et al (2013). Modeling the temperature dependence of the discharge behavior of a lithium-ion battery in low environmental temperature. Journal of Power Sources, vol. 244, pp. 143-148, 201.
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• [7] N. Lewchalermwong, M. Masomtob, V. Lailuck and C. Charoenphonphanich (2017). Material selection and assembly method of battery pack for compact electric vehicle. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 297, 8th TSME-International Conference on Mechanical Engineering (TSME-ICOME 2017) 12-15 December 2017, Bangkok, Thailand. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/297/1/012019/meta.
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• [21] Multi-Material Battery Enclosure From LION SMART. Available from: https://lionsmart.com/en/multi-material-hv-battery-enclosure/#after_section_1.
• [22] Battery Box From TRB Group. Available from: https://www.compositesworld.com/articles/ev-battery-enclosure-inspires-material-process-innovations.
• [23] Battery Enclosure Concept Multi-Material from continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., U.S.). Available from : https://www.compositesworld.com/news/continental-structural-plastics-named-pace-pilot-finalist-for-multi-material-battery-enclosure-concept.
• [24] Research on the design process of car carbon fiber battery box. Available from: https://inf.news/en/auto/fbf1bf8682c2157db3a0e9f9ee97d716.html.
• [25] Kautex Textron and specialty chemical manufacturer Lanxess collaborated in a demonstration project to develop an all-plastic EV battery housing. Available from: https://www.plasticsmachinerymanufacturing.com/injectionmolding/article/21254768/plastics-trim-ev-batteries-weight-boost-safety.
• [26] Glass-Fiber PP EV Battery Pack Could Debut in 2024. Available from: https://www.plasticstoday.com/automotive-mobility/glass-fiber-pp-ev-battery-pack-could-debut-in-2024.

9. 著作権:

• 本資料は、「Bc. Chyva Hout」氏の論文です。「Innovation and design of the battery box for electric vehicles」に基づいています。
• 論文の出典: 修士論文、Faculty of Mechanical Engineering TUL (DOIは文書に記載されていません)

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