ドナルドソン、プロダクトマネージャー、Shane Campbell
今日の設計トレンドと自動車業界の標準は、新しい電気自動車モデルの外観、耐久性、性能、さらにはバッテリーパックの通気口の設計にまで影響を与えています。 電気自動車（EV）の需要が高まるにつれ、より高い出力とより長い航続距離を実現する革新的なバッテリーの需要も高まっています。
バッテリーの高性能化に伴い、バッテリーを風雨から守る必要性はますます高まっています。 バッテリーパックのエンジニアは、自動車のアプリケーションを理解し、適切なベント技術と組み合わせることで、電気自動車の性能向上に貢献しているのです。
以下は、車載用バッテリーパックの性能を最大限に引き出すためのソリューションを設計する際に、ドナルドソンが考慮した5つの重要事項です。
1. 圧力平衡化の実現
温度や標高の変化により、パック筐体内の圧力が変化することがあります。 ベントを使って筐体に空気を出し入れすることで、圧力を平衡化します。 エアフローが大きいほど圧力を平衡化するまでの時間が短いため、最大圧力差は小さくなります。 そのため、適切に設計された通気口は、車内の繊細な部品にかかる圧力を軽減し、適切なエアフローを維持することができます。
また、圧力変化率も考慮する必要があります。 圧力変化は、通常、環境条件や充放電によるバッテリーパック内の温度変化によって発生します。 圧力変化の割合が大きくなると、より大きな風量が必要となります。
変動する圧力変化に対応するためには、ベントの大きさや数、メンブレンの種類、エアフロー特性、外的条件などを開発の初期段階で考慮する必要があります。 バッテリーパックに適切な種類と数のベントを設けることで、差動運転時のバッテリーパック内圧を管理することができます。
2. IP（Ingress Protection:侵入に対する保護）に対応した設計を行う
バッテリーパックの圧力管理にはエアフローが重要ですが、汚染物質を防ぐための侵入防止も重要な検討事項です。 設計や試験の段階で重要なパラメーターとなるのが、異物や湿気に対する密封有効性を示すIP等級です。
バッテリーベントは、水（スプレー、水没）、油、埃、砂粒子などの汚染物質から保護する必要があります。 ドナルドソンの2段階バッテリーベント独自のボディ設計とTetratex™ ePTFEメンブレン - 独自のフィルトレーションメディア - を利用し、たバッテリーパックをしっかりと保護します。
侵入防止を強化すると、緊急時の脱気量が減少する可能性があるため、適切なベントには、侵入防止と脱気量の最適なバランスを見つける必要があります。
3. エッジケース（緊急事態）を考慮する
EV用バッテリーパックと筐体は、極端な運転条件下で発生する予期せぬエッジケースに対応するよう作られています。 エッジケースの発生頻度は低いものの、バッテリーパックの損傷リスクを低減し、部品の故障や修理費用の負担を軽減するためには、ベントソリューションを最適化することが重要です．
ドナルドソンが製品をテストするエッジケースの事例を以下にご紹介します。
- DC急速充電 - 通常の充電ステーションよりもかなり速く、EVバッテリーに余分な熱と圧力が発生します。
- ヒルクライム - 登坂路を駆け上がる自動車レースです。レース時は急激な高度変化が発生し、車載バッテリーの圧力と温度が上昇します。
- 池越走行 - 小川をオフロードで走行すると、熱を帯びたバッテリーパックが熱衝撃にさらされ、冷水から急速な真空状態となることがあります。
- 航空輸送 - 航空機で輸送される車両は、高度差による圧力変化の影響を受けます。
- 岩石衝突 -岩石やその他の硬い破片が車両の車台に衝突すると、バッテリーパック内の圧力が急上昇することがあります。
ドナルドソンの試験プロセスには、包括的な設計上の故障モード影響解析が盛り込まれています。 この解析では、起こりうるエッジケースの深刻度と頻度を調べて、検証計画で追跡します。
さらにドナルドソンでは、お客様の車両がどのような極限状態に置かれ、突然のエッジケースでも走行性能を維持できるよう、必要となる要件をお客様と一緒に考えています。
4. 緊急の脱気現象を緩和する
エッジケースと同様、ドナルドソンでは、熱暴走などの緊急の脱気現象時にバッテリーパックの圧力を管理できるよう、バッテリーパックベントを設計しています。熱暴走は、圧力が懸念されるレベルまで上昇して、バッテリーパックから直ちにガスを放出する必要がある際に発生します。
ドナルドソンの2段階ベントソリューションは、こうしたエスカレートした状況に対応できるように設計されています。 万が一の場合、2段目が全開になり、急激に膨張したガスを制御しながら逃がすことができます。 この機構により、バッテリー電池やパックの筐体へのダメージを防ぐことができます。
5. 全温度範囲での検証を実施する
ドナルドソンは、様々な使用温度で動作するようバッテリーパックのベントを設計しています。 また、当社のエンジニアリングチームは、破裂圧力、緊急脱気、圧力サイクル、熱サイクル、サーマルソーク、熱衝撃、振動など、あらゆる極限温度での試験を頻繁に行い、ベントの耐性を確認しています。
2段階ベントソリューション
2段階ベントでEV用バッテリーの最適な設計を実現。 第1段階では、水や汚れの侵入を防ぎながら圧力を平衡化します。 第2段階のベントは、急激な圧力と熱の上昇に対応して完全に開き、膨張したガスを逃がすことで、残存する細胞へのダメージを軽減します。 ほとんどの場合、1つのベントアセンブリーで両方の機能を実行できます。
ドナルドソンの2段階ベントソリューションは、密封性とガード、圧力の平衡化、効果的な換気、熱暴走時のガスの緩和を実現します。
圧力変動、液体、有害な汚染物質から保護するために、数えきれないほどのベントを供給してきました。 車載用バッテリーパックのベントから屋外照明、補聴器まで、ドナルドソンの差別化されたソリューションは、急速に成長するEV・ハイブリッド車市場を含む様々な業界において、重要コンポーネントのニーズを満たし、製造プロセスをサポートしています。
