熱暴走の防止：バッテリーセルの安全性向上を実現するツールとしてのシミュレーション
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バッテリーパックや電動パワートレインの開発では、バッテリーの安全性を確保することが重要です。一方で、メーカーは規制要件を満たし、自社製品が熱暴走試験に合格していることを証明しなければなりません。他方で、不具合の発生、最悪の場合はバッテリー火災はリコールにつながり、自動車メーカーやサプライヤーのイメージダウンを引き起こす可能性があります。そのため、車両の安全性を確保する衝突試験と同様に、熱暴走に関する認証試験を実施することは不可欠です。これらの試験の基準を満たさない製品は市場に出すことはできません。
1Dまたは3Dシミュレーションソフトウェアを用いた仮想試験は、新しいバッテリー設計の初期開発段階で信頼性の高い情報を生成するのに役立ち、この試験により、開発エンジニアは開発初期において試験をえることができます。計算結果の詳細な時間・空間的分解能により、ハードウェア試験では表現できない知見を得ることもできます。これにより、開発者は設計が認証試験に合格するかどうかを早い段階で見積もることができます。
熱伝播の防止または影響緩和のための対策
バッテリーセルの不具合を引き起こす可能性のある3つのメカニズム：
1.冷却システムの問題または外部熱の影響によるオーバーヒート。
2.バッテリー管理システムの誤作動によって引き起こされ、制御不能な電流供給および化学的副反応につながる過充電。
3.事故などによる機械的な損傷。
3つのメカニズムはすべて、最終的にセパレーターの損傷につながり、内部での漏電を引き起こします。適切な対策を講じることで、トリガーを阻害したり、影響を制御したりすることができます。アクティブセーフティとパッシブセーフティという、性質が異なる2種類の対策があります。
アクティブセーフティには、バッテリーを常に安全な運転状態に保つことを目的とした冷却や劣化管理などの対策が含まれます。
一方、パッシブセーフティとは、熱暴走が一度発生した場合に、その影響を最小限に抑えることを言います。これには、故障や事故が発生した場合でも、適切な設計と戦略によってバッテリーの安全性を確保することが含まれます。
AVL CRUISE™ MやAVL FIRE™ Mなどのシミュレーションソリューションの使用は、バッテリーの安全性を最適化する上で重要な役割を果たします。これにより、潜在的に危険なハードウェア試験を安全な仮想環境に移行できるだけでなく、テストベンチでは達成できない可能性を切り開き、インサイトを得ることを可能とします。
その目的は、バッテリーを「コンフォートゾーン」に保ち、熱暴走がそもそも起こらないように設計を最適化することです。設計上の潜在的な問題を早期に検出して回避することができます。
バッテリー設計の最適化：影響のマッピングとリスクの最小化
詳細なバーチャルツインにより、さまざまなシナリオをシミュレーションで実行できます。例えば、設計が必要な規制（例：GTR20）を満たしているかどうか、または追加の安全予防対策が必要かどうかを調べることができます。例として、放出されたガスを安全に逃すためのラプチャーデスク（破裂板）の追加などが考えられます。
CRUISE Mは3Dシミュレーションと比較して計算速度が速いため、初期設計段階での評価に非常に適しています。この段階でCADデータが利用できない場合でも、数秒または数分以内に初期評価可能な結果を生成できます。熱暴走を回避する第一歩は、適切な制御戦略とクリティカルポイントの早期検出から始まります。CRUISE Mは、その電気化学モデルにより貴重な知見を提供し、適切なタイミングで介入することができます。
FIRE Mは、開発の後期段階において、すべての関連する物理現象をコンポーネントレベルで考慮することができます。高温ガスや粒子の放出、ラプチャーディスクなどの溶融可能なコンポートネントなどの現象を考慮することにより、バッテリーの安全性を高め、潜在的なリスクを最小限に抑制できます。複合的なリスク評価により、さまざまな危険因子を特定し、それら要因が相互にどのように影響するかを理解して、バッテリーの安全性確保に役立ちます。
バッテリーテクノロジー業界では、エンジニアたちは新しい課題に直面していますが、安全性を最適化する新たな機会にも直面しています。新しいトレンドのひとつとして、標準的な5分間規制を凌駕するコンセプトをメーカー各社から要求されていることが挙げられます。その目的は、1つまたは複数のバッテリーセルでの熱暴走の結果としてさらなる連鎖反応が発生しない、いわゆる「伝播なし」コンセプトを実現することです。これは、業界要件としてバッテリーの安全性をより高い水準に引き上げ、信頼性が高く、リスクの低いエネルギー源の要件を満たすことが常に求められていることを表しています。AVLは、CRUISE MやFIRE Mなどの最先端のシミュレーションテクノロジーを活用することで、これらの要求に応え、より安全な電動モビリティの未来を切り開いていきます。
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