EV バッテリー エンクロージャ用の SMC の選び方: 難燃性、強度、成形要件

電気自動車のバッテリー エンクロージャは、火災、衝撃、振動、湿気、道路の破片、電気的危険からバッテリー モジュールを保護する必要があります。同時に、自動車メーカーは、重量の削減、部品の統合、生産効率の向上という絶え間ないプレッシャーにさらされています。

シートモールディングコンパウンド、一般的に知られている SMC は、スチール、アルミニウム、熱可塑性のバッテリー ハウジングに代わる効果的な代替品を提供します。適切に配合された 難燃性 SMC は、 圧縮成形されたコンポーネントで機械的強度、電気絶縁性、耐食性、設計の柔軟性を兼ね備えています。

ただし、すべての SMC 配合が EV バッテリー エンクロージャに適しているわけではありません。材質は、エンクロージャの設計、防火目標、負荷条件、動作温度、肉厚、成形プロセスに従って選択する必要があります。

このガイドでは選択する際にエンジニアと購買チームが評価すべき主な要素について説明します 、EV バッテリー エンクロージャ用に SMC を.

EV バッテリー エンクロージャに SMC を使用する理由

EV バッテリー エンクロージャには、上部カバー、下部トレイ、側面保護構造、内部パーティション、サービス カバー、および電気保護コンポーネントが含まれる場合があります。設計に応じて、SMC をハウジング全体に使用したり、アルミニウムまたはスチールの支持構造と組み合わせたりすることができます。

従来の金属と比較して、 ガラス繊維強化 SMC に はいくつかの利点があります。

電気絶縁

SMC は、適切に配合されると本質的に非導電性になります。これは、高電圧バッテリーコンポーネントを隔離し、セル、バスバー、エンクロージャ、車体間の電気接触のリスクを軽減するのに役立ちます。

これは、コネクタ、サービス切断、高電圧コンポーネントの周囲で特に価値があります。 ISO 6469-3 は、電圧クラス B 回路における感電および熱事故に対する保護に取り組んでおり、電気絶縁が車両全体の安全性の重要な部分となっています。

ただし、完成したエンクロージャは完全なシステムとして検証される必要があります。 SMC データシートの誘電率が良好であっても、組み立てられたバッテリー パックが車両レベルの電気安全要件を満たしていることは自動的に証明されません。

耐食性と耐薬品性

SMCは鋼と違い錆びません。樹脂システムが正しく選択されていれば、道路の塩分、湿気、飛沫水、および多くの自動車用液体への暴露に耐えることができます。

これにより、二次防食処理の必要性を減らすことができます。また、特に道路用塩が広く使用されている沿岸地域や市場において、車両の耐用年数にわたってエンクロージャの性能を維持するのにも役立ちます。

化学試験では、次のような用途で予想される実際の物質を考慮する必要があります。

· 冷却剤とグリコールの混合物

· 潤滑剤および作動油

・ 洗浄剤

・ 道路用塩

・ バッテリー電解液

・ 自動車燃料およびオイル

軽量化

SMC は一般に鋼よりも密度が低くなります。実際の軽量化は、配合、繊維含有量、部品の形状、リブ、インサート、および SMC コンポーネントが金属カバーまたは構造トレイの代わりになるかどうかによって異なります。

材料と密度を直接比較するだけでは十分ではありません。エンジニアは、機能的に同等の完全な部品の重量を比較する必要があります。 SMC の最大の利点は、多くの場合、複数の打ち抜きまたは溶接された金属コンポーネントを 1 つの成形部品に組み合わせることによって得られます。

部品の統合

圧縮成形により、リブ、ボス、シール溝、取り付け機能、ケーブル通路、および局所補強材をエンクロージャに組み込むことができます。

これにより、以下を削減できます。

· 個別のコンポーネントの数

・ 溶接・締結作業

・ 組み立て時間

・ 接合部間の寸法ばらつき

· 潜在的な漏洩経路

部品の統合は、大型のバッテリー カバーや複雑な保護パネルに特に役立ちます。

寸法安定性

適切に設計された自動車用 SMC 配合により、低収縮、安定した寸法、一貫した表面品質が得られます。これらの特性は、フランジ、ファスナーの位置、大きな平らな面をシールするために重要です。

バッテリーエンクロージャは標準の電気ハウジングよりもかなり大きい場合があるため、モールドフローおよびツールの開発中に反りや局所的な厚さの変動を評価する必要があります。

1. 耐火要件を定義する

通常、防火性能は、防火性能を選択する際の最初の関心事です。 EVバッテリーエンクロージャ SMC.

リチウムイオン電池の事故により、筐体が炎、高温ガス、圧力、溶融粒子、急激な温度上昇にさらされる可能性があります。この材料は、火災の伝播を遅らせ、バッテリーパックの安全戦略をサポートするのに十分な長さの保護バリアを維持するのに役立つ必要があります。

UL 94 V-0 は材料分類であり、完全なバッテリー保護ではありません

UL 94 V-0 は、難燃性プラスチックおよび複合材料に対して頻繁に要求されます。このテストでは、材料は指定された制限内で燃焼を停止しなければならず、その下のインジケーターに点火するような炎の滴を放出してはなりません。

より要求の厳しいアプリケーションの場合は、UL 94 5VA または 5VB を検討することもできます。 5V テストでは、より厳しい火炎暴露が使用されます。プラークテストでは、5VA では焼き抜けが認められませんが、5VB では穴が認められます。 UL は、UL 94 を、発火後に材料が消火または延焼する傾向を評価する小規模な試験のグループであると説明しています。

次の 2 つの資格が重要です。

1. UL 94 定格は、テストされた配合と試験片の厚さに関連付けられます。

2. UL 94 は、EV バッテリーの熱暴走事象を完全に再現するものではありません。

3 mm で V-0 と評価された SMC グレードは、自動的に 1.5 mm で V-0 と記載されるべきではありません。製造肉厚以下の厚さについては、必ずテストレポートまたは証明書を要求してください。

完全な火災シナリオを検討する

バッテリーパックの製造元は、SMC コンポーネントが次のことに耐える必要があるかどうかを定義する必要があります。

・ 外部燃料火災

・ セル内部の熱暴走

・ 直接火炎衝突

・ 高温ガスジェット

・ パーティクルインパクト

・ 輻射熱

・ パック内に発生する圧力

・ モジュール間の火災伝播

・ 指定期間のバーンスルー

UNECE 規則 No. 100 には、機械的、熱的、電気的、環境的ストレスをカバーする、充電式電気エネルギー貯蔵システムの安全要件が含まれています。その要件は、1 つのハウジング材料に基づいて準拠を許可するのではなく、REESS および車両システムに適用されます。 UNECE R100 テストの概要

SAE J2464 も同様に、通常の動作範囲外の条件下での充電式エネルギー貯蔵システムの乱用試験のためのフレームワークを提供します。

したがって、SMC の仕様は「難燃性」にとどまるべきではありません。それには、意図した試験方法、試験片の厚さ、暴露条件、および合格基準を含める必要があります。

要求すべき主な火災関連物件

を比較する場合は 難燃性 SMC コンパウンド、次の利用可能なデータをリクエストしてください。

·  UL 94 分類とテストされた厚さ

· 該当する場合、酸素指数の制限

· 水平および垂直の燃焼動作

・ 点火時間

・ 延焼挙動

・ 煙濃度

· 有毒ガスの要件

・ 放熱性能

・ 耐バーンスルー性

· 熱暴露後の機械的保持

・ 熱伝導率と熱伝達

· 短期間の最大温度暴露

必要な組み合わせは、SMC が上部カバー、アンダーボディ トレイ、内部バリア、または非構造電気部品として使用されるかどうかによって異なります。

2. 荷重ケースによる機械的性能の指定

電池ケースは単なる箱ではありません。場合によっては、バッテリー モジュールを搭載し、車両の振動に耐え、衝撃から保護し、車両の耐用年数を通じてシール面を維持する必要があります。

このため、引張強さのみに基づいて SMC を選択することは十分ではありません。

引張および曲げ性能

引張強度は、材料が引っ張り荷重にどのように反応するかを示しますが、曲げ強度は、曲げを受ける幅広のパネルに特に関係します。

技術仕様には以下を含める必要があります。

・ 引張強さと引張弾性率

・ 曲げ強度と曲げ弾性率

・ 破断伸び

・ ノッチ付きおよびノッチなしの衝撃強度

· 該当する場合のせん断性能

大型のバッテリー カバーの場合、極限引張強度よりも剛性の方が重要な場合があります。剛性が不十分な場合、パネルがたわみ、ガスケットシールに影響を与えたり、内部コンポーネントと接触したりする可能性があります。

耐衝撃性

車体下部のバッテリーエンクロージャは、石の衝撃、落下物、道路の破片、局所的な貫通荷重にさらされる可能性があります。上部カバーは、使用時や組み立て時の荷重にも耐える必要がある場合があります。

SMC 配合、ガラス繊維長、繊維含有量、成形繊維配向はすべて衝撃挙動に影響します。単純なクーポンテストで高い値が得られたグレードでも、脆弱な領域の局所的な補強が必要な場合があります。

エンジニアは、標準的な材料試験片のみに依存するのではなく、代表的な衝撃条件下で成形部品を評価する必要があります。

振動と疲労

EV バッテリー パックは、継続的な振動と繰り返しの機械的負荷にさらされます。障害が発生する可能性がある場所は次のとおりです。

・ ファスナー穴

・ 金属インサート

・ 鋭い角

・ リブ交差部

· 薄いものから厚いものへの移行

・ 取り付けポイント

・ 大きな開口部の周囲のエッジ

疲労性能は、材料の配合、成形品質、コンポーネントの設計によって決まります。 SMC サプライヤーは、金型設計者およびバッテリー パック メーカーと協力して重要な領域をレビューする必要があります。

クリープと締結保持力

バッテリー カバーは金属トレイにボルトで固定されることがよくあります。クランプ荷重が持続すると、ポリマーベースの材料にクリープや局所的な応力緩和が発生する可能性があります。

設計には次のものが必要になる場合があります。

· より広い荷重分散エリア

・ メタルコンプレッションリミッター

・ 成型インサート

・ 締め付けトルクを管理

・ 局所的な肉厚の増加

・ 取り付け箇所周りの補強

提案されたインサートと締結システムに対して、引抜き、トルク、緩和、および熱サイクル試験を実行する必要があります。

3. 電気要件と熱要件を確認する

の主な利点の 1 つは SMC バッテリーハウジング材料 、構造性能と電気絶縁性のバランスです。

関連する電気的特性には次のようなものがあります。

・ 絶縁耐力

・ 体積抵抗率

・ 表面抵抗率

・ 比較追跡指数

・ 耐アーク性

・ 湿気暴露後の絶縁抵抗

テスト値は、意図した厚さおよび環境調整後にレビューする必要があります。湿気、汚染、高温、経年劣化は電気的性能に影響を与える可能性があります。

熱要件も慎重に定義する必要があります。 SMC は通常、アルミニウムと同じようにセルから熱を伝導するようには選択されません。エンクロージャが熱管理システムの一部である場合、設計者は材料の熱伝導率と熱伝達経路を考慮する必要があります。

設計によっては、熱伝導率が低いと熱伝達が遅くなるために有利です。他の場合には、バッテリーは専用の冷却プレートを介して制御された熱放散を必要とします。したがって、SMC の選択は、完全な熱管理設計と調整する必要があります。

4. SMC 配合を成形プロセスに適合させる

SMC は 、主に樹脂、チョップド グラスファイバー、鉱物フィラー、添加剤、増粘システムで構成される、すぐに成形できる材料です。通常、熱と圧力を加えて圧縮成形されます。

正しい配合により、完成品の性能と安定した加工の両方が提供されなければなりません。

樹脂系

不飽和ポリエステルおよびビニルエステル系は SMC で広く使用されています。樹脂は機械的性能、耐薬品性、収縮、熱挙動、コストに影響を与えます。

標準の電気グレードの SMC を EV エンクロージャに自動的に使用しないでください。以下については配合を調整する必要がある場合があります。

・ より高い耐衝撃性

・ 難燃性の向上

・ 低収縮

・ 耐薬品性の向上

・ 密度の低減

・ より高い耐熱性

・ 低排出ガス

· 自動車の表面要件

ガラス繊維含有量と繊維長

ガラス含有量が増えると強度と剛性が向上しますが、流れ、表面の外観、金型の充填にも影響が出る可能性があります。

圧縮成形中、SMC 装入物がキャビティを通って流れるにつれて繊維配向が発達します。これにより、さまざまな方向にさまざまな特性が生成される可能性があります。したがって、チャージサイズ、チャージ位置、および流動距離はプロセス開発中に評価する必要があります。

高負荷領域の場合は、単に部品全体のガラス含有量を増やすよりも、局所的な補強またはハイブリッド構造の方が効果的である場合があります。

モールドフロー

大型の EV バッテリー エンクロージャには、リブ、深いセクション、シール チャネル、金属インサートが含まれる場合があります。 SMC は、過剰な繊維の分離、ウェルド ライン、または空気の閉じ込めが発生することなく、キャビティを満たすのに十分な距離まで流れなければなりません。

重要な成形変数には次のものがあります。

・ 金型温度

・ 成形圧力

・ チャージ重量

· 料金パターンと適用範囲

・ 閉まる速度

・ 硬化時間

· 通気

・ 部品厚さ

・ 流動距離

・ 挿入位置

可能な限り、代表的な形状を使用してグレードをテストする必要があります。

ツーリングとプレスの能力

大型のバッテリー カバーには、十分なプラテン サイズ、日光、閉鎖制御、トン数を備えたプレスが必要です。必要なプレス力は、部品の重量だけでなく、投影される部品の面積と成形圧力によっても異なります。

ツールは次のことに対処する必要があります。

・ 均一加熱

・ 空気抜き

・ フラッシュ制御

· 正確なシールフランジ寸法

・ 脱型

・ インサートの位置決め

・ 局所的な圧力分布

モールドフロー シミュレーションと初期の製造レビューにより、生産ツールの完成後のコストのかかる修正を防ぐことができます。

サイクルタイムと硬化

SMC は厚い部分と薄い部分の両方にわたって一貫して硬化する必要があります。硬化が不十分であると、耐熱性、強度、寸法安定性が低下する可能性があります。ただし、硬化時間が長すぎると生産効率が低下します。

本番環境のトライアルでは、次のことを確認する必要があります。

・ 最小安定硬化時間

・ コアと表面の硬化

・ 離型挙動

・ 成形後の寸法変化

・ 反り

・ 表面欠陥

・ 機械的性質の一貫性

5. 環境耐久性の評価

EV のバッテリー エンクロージャは、温度、湿度、道路状況が変化する中で動作します。材料認定プログラムは、対象となる車両市場を表す必要があります。

推奨される評価には次のものが含まれます。

・ 高温および低温への曝露

・ サーマルサイクリング

・ 温湿度エージング

・ 吸水性

・ 塩水噴霧への曝露

・ 薬液浸漬

・ 外部から見える部分のUV露光

・ 砂利や石の衝撃

・ 環境劣化後の振動

・ サイクル後のシール性能

材料は、コーティング、接着剤、ガスケット、インサート、およびファスナーと一緒に評価する必要もあります。 SMC と金属コンポーネント間の熱膨張の違いは、ジョイントの荷重とシール性能に影響を与える可能性があります。

6. 厚さ、反り、シール面の制御

バッテリーエンクロージャーの密閉は、水、ほこり、汚染物質がパック内に侵入するのを防ぐために不可欠です。大型の成型カバーは、成型および熱サイクル後もフランジの平坦性と寸法精度を維持する必要があります。

設計では、不必要な厚さの変化を避ける必要があります。急激な移行により、不均一な流れ、内部応力、ヒケ、反りが発生する可能性があります。

有用な設計手段には次のようなものがあります。

・ 段階的な厚みの変化

・ バランスのとれたリブ配置

・ 内側の角は丸みを帯びています。

· 一貫したフランジ形状

· 適切な抜き勾配角度

· 制御されたリブ対壁比

· 戦略的なチャージ配置

・ 過剰な全体強化ではなく局所的な強化

ガスケット システム、ボルトの間隔、および許容可能なフランジのたわみは、SMC 部品と金型が完成する前に定義する必要があります。

EVバッテリーエンクロージャ用のSMC選択チェックリスト

よくある SMC 選択の間違い

いくつかの間違いにより、EV バッテリー エンクロージャ プロジェクトが遅れる可能性があります。

1. UL 94 V-0 データのみから材料を選択します。
V-0 は、熱暴走や車両火災のシナリオ全体を表すものではありません。

2. テストされた厚さは無視されます。
可燃性評価または誘電値は、より薄い製造壁には適用されない場合があります。

3. クーポン強度を完全な構造仕様として使用します。
ファイバーフロー、リブ、ウェルドライン、インサートは実際の部品の性能に影響を与えます。

4. モールドフローを考慮せずに最大強度を指定します。
配合物は、機械的要件を満たすだけでなく、ツールに確実に充填する必要があります。

5. SMC カバーを金属部品のドロップイン コピーとして扱います。
複合部品には、独自のリブ、フランジ、締結、および厚さの設計が必要です。

6. 材料は検証しますが、組み立てられたエンクロージャは検証しません。
多くの場合、シール、ジョイント、インサート、インターフェースが最終的なパックの性能を決定します。

JLON のカスタム SMC ソリューション

JLON は、 カスタム SMC コンパウンドを供給しています。  電気、自動車、輸送用途向けにEV バッテリー システムにはさまざまなエンクロージャ アーキテクチャと検証対象があるため、SMC の配合は単一の汎用グレードから選択するのではなく、個々のプロジェクトに適合させる必要があります。

利用可能な開発方向は次のとおりです。

・ 難燃性SMC 

・ 電気絶縁性SMC 

・ 高強度ガラス繊維SMC 

・ 低収縮SMC 

・ 耐熱SMC 

・ 耐食性SMC 

・ EVバッテリーカバー用SMC 

・ バッテリートレイ、保護パネルはSMC 

· 高圧電気エンクロージャ用の SMC 

・ カスタムカラーの車載用SMC 

適切な配合を推奨するために、JLON は通常、次の情報を検討します。

・ 部品図または3Dモデル

・ 対象用途

・ 必要な消防基準

・ 最小生産肉厚

・ 機械特性目標

· 電気的性能要件

· 動作温度とピーク温度

· 化学薬品への暴露条件

· 部品の重量と寸法

・ プレス・金型情報

・ 年間需要

· 必要なテストレポートまたは自動車承認

生産承認の前に、プロトタイプの成形と代表的なコンポーネントのテストを強くお勧めします。

結論

選択する EV バッテリー エンクロージャの SMC には、 引張強度を比較したり、一般的な難燃グレードを要求したりするだけでは不十分です。この材料は、エンクロージャの形状、シーリング設計、インサート、冷却システム、バッテリーモジュール、車両構造を含む完全なシステムの一部として機能する必要があります。

最適な SMC 配合は、以下の実際的なバランスを提供する必要があります。

・ 難燃性、耐熱性

・ 機械的強度と剛性

・ 衝撃・振動耐久性

・ 電気絶縁性

・ 耐食性、耐薬品性

・ 寸法安定性

・ 確実なモールドフロー

· 競争力のある生産サイクルタイム

最も重要なことは、防火、構造、電気に関する主張を意図した壁厚で検証し、完成した筐体で検証する必要があることです。

新しい EV バッテリー エンクロージャ SMC プロジェクトについては、図面、性能要件、成形条件を JLON にお問い合わせください。当社のチームは、必要な配合を評価し、カスタマイズされた SMC 材料ソリューションを準備するお手伝いをします。