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: 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。 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。 データ収集と分析方法: データ収集: 分析方法: 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。 6. 主な結果: 主な結果: 図のリスト: 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
![Fig. 5. Double silica cooling structure with copper meshes (Ref. [186]).](https://castman.co.kr/wp-content/uploads/Fig.-5.-Double-silica-cooling-structure-with-copper-meshes-Ref.-186-570x342.webp)