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ギャップ充填剤:高性能を支えるパワフルなコンパウンド

温度管理は、電気自動車の高電圧バッテリーにとって重要な役割を果たします。バッテリーセルは、特定の温度範囲内でなければ最高の性能を発揮できないので、過熱しないようにしなければなりません。セルが機能することで生じる熱を周辺に効果的に伝達するために、バッテリートレイにはサーマルコンパウンドが塗布されます。接合プロセスにおけるこの重要なステップの詳細をご覧ください。

熱伝導性コンパウンドは、電気自動車で使用される大型バッテリーパックのアクティブな熱管理を支えています。このコンパウンドは、セルの充放電によって生じる熱を冷却構造部に伝達します。これにより、バッテリーはその最適な温度範囲内で動作可能となり、過熱することもありません。これは、最近の電気自動車が直面する安全、性能、そして充電時間の範囲や短さに関する市場の要望に応えるうえで重要です。バッテリー生産の接合プロセスでは、空気の混入を防止しながら熱伝導性充填剤を含む材料を高い精度でバッテリートレイに塗布し、その後にセルユニットを液状材料の上に設置します。アトラスコプコの固定システムは、粘性のある熱伝導性コンパウンドの接合時の挙動を考慮して、コンパウンドを均一な層の状態で所定位置に配置し、ハウジングとバッテリーモジュール間の最適な接触状態を確保することができます。

最適な塗布パターンの決定

ギャップ充填剤の代表的な塗布パターン

EVバッテリーのギャップ充填剤の代表的な蛇行塗布パターン

コンパウンドの熱伝導性を確保するためには、空気を混入させずに高い精度で塗布することが重要ですが、このような塗布は1つの課題となっています。これは、多くの場合コンパウンドが高流量で大量に塗布されることが理由です。接合プロセスや材料特性、部品形状によっては、空気の混入なくモジュールをコンパウンドに接合させるために利用できる、さまざまな塗布パターンがあります。これらのパターンには、平行線、蛇行線、ボーンシェイプ塗布パターンなどがあります。通常、それぞれの場合の最適な塗布パターンを決定するには、包括的な試験が必要となります。

ブレッテンにある当社のイノベーションセンターには、バッテリーメーカー、装置メーカー、材料サプライヤー、そして接合に関する当社のエキスパートが集まっています。「私たちは共同で、試験用セルの中で最適なプロセスを開発したり、プロジェクト固有の要件に合わせて材料や計測装置、プロセスの調整を行っています」こう語るのは、アトラスコプコIAS社テクニカルセールス部門のバッテリー接合エキスパート、ウド・メスナーです。アトラスコプコは有名研究機関と連携して、材料特性や押付力に基づいて最高の塗布パターンを決定するための新しいシミュレーションの開発にも取り組んでいます。この方法により、今後は時間や費用を節約できる可能があります。

ライン内におけるギャップ充填剤塗布の品質監視

統合された視覚システムにより、ギャップ充填剤塗布の監視が可能で、ビードの位置、幅、連続性のエラーが直ちに検出されます。

統合された視覚システムにより、ギャップ充填剤塗布の監視が可能で、エラーが直ちに検出されます。

ビードの幅、位置、および連続性については、計測ヘッドに統合されたカメラセンサーシステムによる連続監視が可能です。接着剤ビード内の空隙などの塗布エラーは直ちに検出されるため、その後の修正が可能です。アトラスコプコの最新システムには、コンパウンド内の空隙を自動で修正するためのビード修正機能があります。この機能は、短いサイクル時間を維持し、作業のやり直しや品質保証の費用を減らします。

誤差の補正:必要に応じて大きく、可能な限り小さく

バッテリートレイのスキャン:充填対象のギャップは、バッテリーコンパートメントとバッテリーモジュールの測定値に基づいて計算可能です。これにより、熱伝導性コンパウンドの正確な計量が可能となります。

バッテリートレイのスキャン:充填対象のギャップは、バッテリーコンパートメントとバッテリーモジュールの測定値に基づいて計算可能です。これにより、熱伝導性コンパウンドの正確な計量が可能となります。

熱伝導性コンパウンドの有効利用は、熱的に効率性が高まるだけでなく、費用の節約にもなります。ただし、コンパウンドを充填するときは、バッテリートレイとセルモジュール間の取り付け公差を考慮することが重要です。さまざまな部品の公差により、ギャップは0.5 mmから大きい場合は3 mmにもなることがあります。生産プロセスにおいては、最大公差に達していてもギャップに十分充填されるように、メーカーがコンパウンドを過剰に塗布することが多くあります。こうした理由から、多くのメーカー、工場建設の請負業者、そして計量のスペシャリストらは、必要とされる量のコンパウンドが塗布されるように、余念のない取り組みを行っているのです。アトラスコプコのエキスパートは、ハウジングとセルの測定、そして各部品の組み合わせによって生じる隙間公差の正確な判定のための、3Dスキャナーを用いたソリューションを開発しています。これにより、ギャップへ正確に充填するのに必要なコンパウンド量の計算が可能となります。そしてこの量が、従来のようにロボットの速度任せになるのではなく、計量システムによって正確に制御されるのです。「コントローラを用いた量の調整は非常に正確です。プロセスに関して言えば、ロボットのプログラム作業が不要になるのであれば、大きなメリットになりますね。これにより、従来のソリューションと比べると、コンパウンドが最大で50%節約されるでしょう」メスナーはこう述べています。

注入:最初にモジュールを固定してからギャップに充填する

モジュールの固定:モジュールは熱伝導性コンパウンドの上で均等に押され、アトラスコプコの特殊ナットを用いて所定位置に固定されます。空気が混入することなく、きれいな接触面が得られます。

モジュールの固定:モジュールは熱伝導性コンパウンドの上で均等に押され、アトラスコプコの特殊ナットを用いて所定位置に固定されます。空気が混入することなく、きれいな接触面が得られます。

一部のメーカーは、バッテリーモジュールを熱伝導性コンパウンドに押し込まずに、ギャップにコンパウンドを注入する方法を採用しています。ギャップへの充填は背面から正面へ向けて行われ、この方法でもコンパウンドの節約が可能です。この方法の主な長所は、影響を受けやすいバッテリーに力が加わったり、空気の混入や柔らかいコンパウンド上で傾いて固定されるリスクが最小限に抑えられることです。短所は、接合部の目視点検ができないことです。メスナーは、「当社のイノベーションセンターでは既に、熱伝導性コンパウンドを注入する方法で一部の試験を行っています。この方法を用いることができるかどうかは、お客様のプロセスや個々の材料に非常に大きく依存します。ギャップが非常に小さいと、注入の際に高い圧力を要する場合がありますが、これもセルを損傷する原因となります」と、付け加えて述べています。

摩擦から保護するための専用装置

システムのレイアウト:熱伝導性の2成分コンパウンドを塗布するための、アトラスコプコのSCA製品ラインの代表的なシステムレイアウト

システムのレイアウト:熱伝導性の2成分コンパウンドを塗布するための、アトラスコプコのSCA製品ラインの代表的なシステムレイアウト

すべての熱伝導性コンパウンドは、熱伝導を確保するために高いフィラー濃度を有しています。通常、これらの充填剤は、工場部品の内面を急速に摩耗させる摩耗性物質である、酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムで構成されています。特に、バルブシートなどで多い流量が予想される場合は、炭化物のコンパウンドが使用されることがあります。また、流速を抑えるために部品の直径をできるだけ大きくする必要があります。こうすることで、摩耗は最小限になります。信頼性を高めるには、熱伝導性コンパウンドの生産性の高い取り扱い、専用設計された丈夫なポンプや計測用部品が必要です。SCA製品ラインには、最高の耐久性を持つ特殊な部品が用意されています。

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