CTP（セル・トゥ・パック）技術が従来のバッテリーパック構造を完全に覆すにつれて、バッテリートレイの「役割」は受動的な荷重支持から能動的な統合へと移行しました。溶接技術は安全性と性能の中核となっています。軽量（壁厚はわずか1.5mm）、気孔ゼロの密閉、マルチマテリアル（アルミニウム/銅/カーボンファイバー）統合の要件により、従来の溶接は変形と欠陥のジレンマに陥っています。業界は、材料の革新、インテリジェントな品質検査、プロセスの反復を通じて飛躍的な進歩を遂げています。この記事では、CTPが溶接にもたらす破壊的な課題を分析し、高精度と高信頼性への技術的な道を探ります。

1-CTP技術によるバッテリートレイの構造設計要件の変化の分析

CTP（Cell to Pack）技術は、従来のバッテリーパックのモジュール構造を排除し、バッテリーセルをバッテリーパックに直接統合します。この技術革新は、バッテリートレイの構造設計に対する全面的かつ多次元的なアップグレード要件を提示しています。以下は、材料、性能、プロセス、統合などの観点からの具体的な分析です。

（1）構造強度と耐衝撃性能の総合的な向上

a. モジュールを排除した後の機械的支持要件：

CTP技術によりモジュール構造が排除された後、バッテリートレイはバッテリーセルのサポート、固定、外力緩衝機能を直接担う必要があります。従来のモジュールは機械的負荷を分散しますが、CTPトレイは充電および放電中にバッテリーセルの膨張変形を全体として吸収する必要があります（たとえば、角型バッテリーセルの膨張力は10〜20kNに達することがあります）。また、車両走行中の振動、押し出し、衝撃負荷に耐えます。

b.材料と構造の最適化方向

· 高強度アルミ合金の優位性：初期の鋼は重量が重いため徐々に置き換えられ、6061-T6が主流になりました。比強度が高く、耐腐食性が強く、軽量と高剛性の2つの要件を満たすことができます。

· 複合構造設計：たとえば、Leapmotorの「ダブルフレームリングビーム」構造は、縦方向と横方向のビームコンパートメントを通じて局所的な耐衝撃性を高めると同時に、押し出し技術を使用して材料の分布を最適化し、余分な重量を減らします。

· マグネシウムアルミニウム合金と炭素繊維の探求：マグネシウムアルミニウム合金は従来のアルミニウム材料よりも30％軽量で、炭素繊維複合材料は高強度と軽量の両方の特性を備えていますが、コストとプロセスの成熟度のため、現在はハイエンドモデルにのみ使用されています。

（2）統合気密性と熱管理の要件

a. 密閉性能の向上

モジュールを取り外した後、バッテリーパックの内部冷却剤循環とガス密閉は完全にトレイに依存し、溶接欠陥（気孔や亀裂など）により漏れのリスクが生じる可能性があります。

図1-バッテリートレイの気密性テスト

b. 熱管理機能の統合

CTP トレイには、液体冷却プレートや熱伝導性接着剤などのコンポーネントを統合する必要があります。たとえば、構造用接着剤はバッテリー セルを固定して膨張応力を伝達するために使用され、ポリウレタン熱伝導性接着剤 (熱伝導率 > 1.5 W/m·K) はバッテリー セル間および液体冷却チューブとの熱伝導に使用されます。1 つの PACK で使用される接着剤の量は、従来の構造よりも 50% 以上多くなります。トレイ内に流路を設計して冷却効率を最適化し、溶接の熱影響部によるシーリングの損傷を回避する必要があります。

(3) 軽量化と材料の革新

a. 材料選択の傾向

アルミニウム合金の押し出しおよびダイカスト プロセス: 押し出しアルミニウム プロファイルはフレーム構造 (Tesla の 4680 バッテリー トレイなど) に使用され、ダイカスト プロセス (統合ダイカストなど) は溶接プロセスを簡素化し、重量を 15% ～ 20% 削減します。

プラスチック複合材料の応用：例えば、非荷重部品にはガラス繊維強化PA6材料を使用し、さらなる軽量化を図っていますが、金属接続インターフェースとの互換性の問題を解決する必要があります。

b. 軽量設計戦略

トポロジー最適化：CAEシミュレーションにより冗長材料を削減し、強度を確保しながらトレイの重量を削減します。

薄肉・一体化：トレイの壁厚を3mmから1.5～2mmに減らし、BMSブラケットやワイヤーハーネスチャネルなどの機能部品を一体化して部品点数を削減します。

（4）一体化・モジュール設計

a. 機能部品の高一体化

CTPトレイには、バッテリー管理システム（BMS）、高電圧コネクタ、耐火絶縁層などのモジュールを一体化する必要があります。

b. モジュール化・互換設計

溶接生産ラインは、複数モデルのトレイの混合生産をサポートし、「ワンクリックタイプ変更」を実現でき、異なるバッテリーセルサイズ（角型や円筒型など）のトレイ構造と互換性がある必要があります。

2-CTP 技術革新による溶接プロセスへの特有の課題

CTP (Cell to Pack) 技術は、スペース利用率とエネルギー密度を大幅に向上させましたが、溶接プロセスに前例のない課題ももたらしました。

(1) 溶接欠陥の制御の難しさが急激に増加

a. 気孔とシーリングの課題

CTP 技術によってモジュールがなくなった後、バッテリー トレイはシーリング機能を直接担う必要があります。溶接気孔 (アルミニウム合金溶接でよく見られる欠陥) は、冷却剤の漏れやガスの浸透のリスクに直接つながります。

b. 亀裂と材料の適合性

亜鉛含有量の高いアルミニウム合金 (7 シリーズなど) は、溶接時の熱応力により亀裂が生じやすくなります。

c. ギャップと組み立てエラー

複数のセルを直接統合すると、トレイ構造の接合点の数が増えます。組み立てエラーが蓄積すると、溶接ギャップが ±1mm を超える可能性があります。

(2) 材料システムのアップグレードによってもたらされるプロセス適応の問題

a.軽量材料の溶接の課題

CTPトレイの材料は、鋼からアルミニウム合金（6061-T6、7075-T6）、マグネシウムアルミニウム合金（30％軽量化）、炭素繊維複合材料に移行しています。アルミニウム合金の溶接では、酸化膜の溶融の難しさと高い熱伝導率によって引き起こされる浸透不足の問題を解決する必要があります。

b. 異種材料接続技術

トレイに液体冷却プレート（銅/アルミニウム）や耐火層（セラミックマトリックス複合材料）などの機能部品を統合すると、異種材料の界面に脆い金属間化合物が発生しやすくなります。

（3）構造の複雑さと精度要件の向上

a. 大型薄肉構造の変形制御

CTPトレイの壁厚は3mmから1.5〜2mmに減少し、溶接熱変形の感度が大幅に増加します。

b.高密度のはんだ接合部とプロセス効率

1 つのトレイ上のはんだ接合部の数は、従来のモジュールの 2,000 個から 5,000 個以上に増加しました。

図2-バッテリートレイの溶接

3-生産プロセスと品質管理のアップグレード

CTP技術は、バッテリートレイ溶接の「単一プロセス」から「マルチテクノロジーコラボレーション、インテリジェント化、グリーン化」への変革を促進します。メーカーは、次の3つの主要な方向に重点を置く必要があります。

技術アップグレード：気孔や亀裂などの欠陥の制御を突破し、軽量材料に適応します。

インテリジェント移行：プロセス全体のデジタル化とAI品質検査により、高精度の生産を実現します。

エコロジカルコラボレーション：材料サプライヤー、機器サプライヤー、OEMと共同で技術標準を構築します。

ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。