この記事では、熱と強度の両方の観点からバッテリー設計を検証します。このプロジェクトでは、冷却プレート、パウチセル、絶縁パッド、ギャップフィラーを含むバッテリーパックアセンブリを評価します。
ギャップフィラーは硬化前に表面粗さにフィットするため、バッテリー パックでは熱抵抗が低いという点でサーマルパッドより優れています。さらに、材料が異なれば機械的性能も異なります。シミュレーションを使用すると、エンジニアはケースの応力からパウチセルの膨張、セル内部の急激な温度勾配による性能への影響まで、熱応力設計のさまざまな側面を調査して後処理できます。
1. ジオメトリ
バッテリーパックアセンブリのCADモデルとメッシュを下記に示します。
このケーススタディでは、熱応力解析を実施しました。
2. 解析結果
境界条件を適用したモデルと解析結果を示します。
3. ギャップフィラー(充填材)
このモデルは、4 つのモジュールで構成される電気自動車用のリチウムイオンバッテリーパックです。バッテリーモジュールの上部と下部に 2 つの水冷プレートがあり、ギャップフィラーによって冷却プレートとパウチセルおよびケース自体が分離されています。
ギャップフィラーは、以下の理由から熱管理にとって重要です。
モデルに最も効率的なギャップフィラーを選択することで、冷却プレートの冷却能力を最大限に利用できるようにします。また、ギャップフィラーの選択を最適化するだけでなく、ギャップ フィラーの最適な厚みを決定することにも重点を置きます。
最初のステップとして、それぞれ同じ厚みの 3 種類のギャップ フィラー材料を使用してシミュレーションを行います。各材料の熱伝導率は異なります。異なるギャップ フィラー材料を使用した場合の効果を、パウチセル内で観測される最大セル温度の観点から調査します。さらに、パウチセル内の温度によって発生する可能性のある膨張量を検出します。熱伝導率が増加すると最大セル温度が低下しますが、温度低下の主な影響は水冷プレートによってもたらされたため、熱伝導率の変化は研究にほとんど影響しませんでした。ただし、材料の選択は製造コストに影響を与えるため、これらの小さな影響でも設計の初期段階で注目しておく価値があります。
ギャップフィラーを最適に選択することで、バッテリーセルの冷却側に最も効率的でエネルギー消費が最も少ない冷却装置を選択でき、パウチセルの主ひずみが減少します。以下の結果より、熱伝導性の低いギャップフィラー材料がある左側ではピーク温度が高くなっていることがわかります。熱伝導性の高い材料に切り替えると、温度が低くなり、温度分布もより均一になります。これはバッテリー設計にとって重要です。冷却能力がモジュール全体で均一に利用され、コールドスポットとホットスポットが発生しないようにする必要があります。ギャップフィラー材料の別の切断面でも、同じ傾向が見られます。
SimScale を使用すると、バッテリー パックのギャップフィラーの厚みを最適化することもできます。また、ギャップフィラーの厚みが実際の温度分布に与える影響を理解することもでき、全体の熱ひずみを予測・管理するのに役立ちます。ギャップフィラーの厚みを増やすと、逆の効果が見られ、パウチ セルの温度が高くなります。これは、水冷プレートの有効性が低下するためです。ギャップフィラーはできるだけ薄く保ちながら振動減衰と絶縁の役割も果たしています。シミュレーションにより、エンジニアはこのトレードオフのバランスを取ることができます。熱応力解析によりこれらの物理現象を調査し、ホットスポットや膨張などの原因を特定し、それらを軽減する最善の方法を検証できます。
最後に、SimScaleではバッテリーパックの強度を評価することも可能です。最も熱伝導性の低いギャップフィラーを最も薄い厚みに設定した解析ケースを確認すると、バッテリーパックの周囲のスチールケースに実際に発生する応力がわかります。この解析では、接合部で降伏点に達するまでの最大応力が見られます。大きな応力が生じている領域では、損傷や塑性変形を引き起こすことが予想されます。このため、ケースの厚みを変更するか、ケースにもっと延性のある材料を使用して、応力を軽減し製品の寿命を延ばすことを検討する必要があります。降伏応力を超える領域を特定する線形静的解析を超えて詳細に調べたい場合は、これを非線形解析によって検証することもできます。これにより、バッテリーモジュールの熱サイクル中に発生する最大応力を確認できます。パウチセルの全ひずみについても同様です。熱挙動によるパウチセルの全ひずみ量の約 1 ～ 2 パーセントが計算されます。
バッテリーパックを特定の温度範囲内に維持することは、製品のパフォーマンスとユーザーの安全を確保するために不可欠です。クラウドCAEであるSimScaleを使用すると、複数の設計ケースに対し並行して計算実行できるため、バッテリーパックモジュールのシミュレーションによる検討をより短時間で実行できます。
SimScaleは無料でアカウントを作ってシミュレーションをお試しいただくことができます。