新エネルギー車やエネルギー貯蔵技術の急速な発展に伴い、中核的なエネルギーキャリアとしてのバッテリーシステムの安全性と信頼性が大きな注目を集めています。バッテリーモジュールの支持および保護構造として、バッテリートレイの電気絶縁性能は、車両の安全な操作、バッテリーの寿命、およびユーザーの個人の安全に直接関係しています。バッテリートレイの電気安全設計は、バッテリーシステムの安全性の要です。絶縁、構造、熱、監視などの多層保護により、複雑な作業条件下でのバッテリーの安定した動作を保証し、電気故障による火災、爆発、感電のリスクを軽減し、バッテリー寿命を延ばし、システムの信頼性を向上させます。

この記事では、バッテリートレイの電気絶縁安全性に焦点を当て、その設計原理、耐圧性能の検証方法、および典型的な故障ケースの根本原因分析と改善戦略を体系的に説明し、バッテリーシステムの高安全設計に理論的サポートと実用的なリファレンスを提供します。

パート1 - デザインのポイント

バッテリーシステムの電気安全設計の核心は、「予防-制御-緊急」の三位一体にあります。絶縁分離、信頼性の高い接続、熱管理などの対策により故障を防止し、センサーとBMSの助けを借りてリアルタイム制御を実現し、火災防止、圧力緩和などの設計を使用して極端な状況に対処します。メンテナンス性とコンプライアンスを考慮しながら、バッテリーシステムのライフサイクル全体にわたって安全性と信頼性を確保するには、すべての重要なポイントが連携して機能する必要があります。バッテリートレイは、バッテリーシステムの構造サポートであるだけでなく、電気絶縁、熱管理、滑り止め、機械保護、接地、モジュール設計などの複数の機能を備えており、バッテリーシステムの電気安全を確保するために不可欠です。

1-構造サポートにより電気接続の信頼性を確保

バッテリー トレイは、バッテリー モジュールを固定し、機械的ストレスを軽減し、振動と衝撃に耐え、位置合わせを維持し、環境保護と熱管理を統合することで、複雑な動作条件下での電気接続の信頼性と安全性を確保します。

図1 バッテリートレイ

A.物理的なサポートと固定により、電気接続ポイント（バスバー、配線ハーネス、コネクタなど）の正確な位置合わせが保証され、構造の変形や変位による接触不良を回避できます。バッテリーモジュールとコネクタを固定するための剛性フレームを提供し、振動や衝撃による緩みや破損を防止します。

B.環境隔離と保護：密閉設計（IP67/IP68など）により、水蒸気、ほこり、塩水噴霧などの侵入を防ぎ、腐食や絶縁不良による短絡を回避します。外部からの機械的衝撃や異物による衝撃を遮断し、高電圧接続コンポーネントを保護します。

C.熱管理の相乗効果：統合された放熱構造（液体冷却プレート、サーマルパッドなど）が温度のバランスを取り、局所的な過熱による接続ポイントの酸化や溶接を防止します。断熱設計により、隣接するモジュール間の熱干渉を減らし、温度勾配による材料の膨張差を回避します。

D.電磁両立性（EMC）サポート：金属シールド層または導電性コーティングにより電磁干渉を抑制し、低電圧信号線（BMS通信線など）を高電圧回路干渉から保護します。

2-絶縁保護により効率的な絶縁環境を構築

バッテリーの電気絶縁設計の焦点は、高電圧電気を効果的に絶縁し、システムの効率的な動作を確保できる環境を作成し、バッテリーモジュールがあらゆる動作条件下で安全にパッケージ化され、電気エネルギーの偶発的な放出を防ぎ、潜在的な電気的リスクを回避することです。

A.バッテリー トレイの構造は、耐荷重性と絶縁保護の両方を考慮しています：

l 軽量化を図りながら、高い剛性と耐衝撃性を維持するには、押し出しアルミニウム合金などのアルミニウム合金材料が好まれます。外枠は、バッテリーシステム全体の重量と外部からの衝撃を支えるために使用されます。閉断面プロファイルは、構造強度を高めるために使用されます。内枠は、バッテリーモジュールや水冷プレートなどを支えるように設計されており、それらの安定性と放熱要件を確保します。

l 絶縁材は、バッテリーモジュールとトレイ間の良好な電気的絶縁を確保するために、パッドまたはコーティングとして使用されます。高電圧配線ハーネスには、トレイとの電気的クリアランスと沿面距離を確保するために、専用の管理パスと絶縁シースが必要です。

l 攪拌摩擦溶接などの高度な溶接技術を使用して、接続強度を向上させながら、熱影響部を減らし、変形や潜在的な亀裂を回避します。溶接が不便な部品については、ボルト接続またはリベットを使用し、シーラントと組み合わせて、機械的接続と電気的絶縁の信頼性を確保します。

l 全体の構造の安定性に影響を与えずにバッテリーの交換とメンテナンスを容易にするために、設計時にモジュール性を考慮します。

図2 電気的クリアランスと沿面距離の概略図

B.高電圧および低電圧絶縁設計の重要なポイント:

l バッテリーシステムのプラスとマイナスのポイントは、低電圧電源システムとバッテリートレイから分離する必要があります。これにより、高電圧回路と低電圧制御回路の間に十分な電気的クリアランスと沿面距離が確保され、安全基準を満たし、低電圧システムへの高電圧漏洩を防止できます。

l 高低電圧分離設計では、電磁両立性 (EMC) を考慮して、分離対策によって干渉が生じず、システムが安定して動作し続けるようにする必要があります。

l 高インピーダンス接続では、高システムと低システムが高インピーダンスで接続され、車体アース (バッテリートレイ) のみが電流の流れを制限して、高電圧システムの障害が低電圧システムに広がるのを防ぎます。

l 物理的分離対策では、バッテリートレイを設計する際に、高電圧コンポーネントと低電圧コンポーネントを異なる密閉チャンバーに配置して、物理的な分離によって相互影響を減らすことができます。バッテリーモジュールとトレイの間には、ポリマープラスチックやゴムなどの絶縁材をパッドとして使用して、物理的および電気的分離を確保します。

l 設計時に隔離手段の保守性を考慮し、必要に応じて安全に修理または交換できるようにします。

C.接触保護設計の重要なポイント:

l 高電圧ハーネスの管理：高電圧ハーネスは、露出を避け、直接接触するリスクを減らすために、絶縁シースで適切に包まれ、固定クリップまたはワイヤトラフを介して整然と管理される必要があります。

l 安全パーティション：バッテリーモジュール間、およびバッテリーモジュールとトレイの壁の間に絶縁パーティションが設置され、バッテリーが損傷したときに電解液が漏れて間接的な感電のリスクを防ぎます。

l 高電圧コンポーネントのパッケージ：高電圧コネクタやリレーなどの主要コンポーネントは、トレイ内でもこれらのコンポーネントが誤って直接触れないようにパッケージ化されています。

l 密閉設計：バッテリートレイは、内部の高電圧コンポーネントが露出しないように金属または複合シェルを使用して全体的に密閉構造として設計されており、シェル自体も優れた絶縁特性を備えている必要があります。

l ロック機構：メンテナンス可能な高電圧接続ポイントには、非専門家による操作中に簡単に開かないようにロック機構が使用され、偶発的な接触のリスクが軽減されます。

l 絶縁材料の適用: 絶縁材料は、バッテリー トレイとバッテリー モジュールの間の絶縁層として使用され、トレイが損傷した場合でも、人体が通電部分に直接接触するのを防ぎます。これらの材料には、ポリマー プラスチック、ゴム ガスケット、コーティングなどが含まれますが、これらに限定されません。

3-電気ロゴデザイン

バッテリートレイの電気的識別により、操作の安全性が向上するだけでなく、メンテナンスプロセスが簡素化され、誤操作のリスクも軽減されます。

A.明確な識別

l バッテリー トレイと周囲の高電圧部品に「高電圧危険」や「触れないでください」などの警告サインをはっきりと表示して、緊急時でもすぐに識別できるようにします。

l 高電圧領域には赤やオレンジ、直流には青など、国際的に認められた色分けを使用して、さまざまな電気特性を直感的に区別します。

l 高電圧、接地、電源オフ ポイントなどを示すために、IEC 60417 のグラフィック シンボルなどの標準化された電気安全シンボルを適用して、情報の世界的な理解可能性を確保します。

l バッテリー トレイのシリアル番号、製造日、バッチ情報を含めて、追跡とリコール管理を容易にします。

l 耐摩耗性と耐腐食性のある素材と印刷技術を選択して、バッテリー トレイのライフサイクル全体にわたってラベルが明瞭で読みやすい状態を維持できるようにします。

B.警告サイン

l バッテリートレイと周囲のエリアには高電圧の危険が明確に表示されており、保守担当者が電気の安全性に注意し、操作手順に従うよう促しています。

l 特に高電圧コネクタの近くや露出している場所では、安全な操作距離を示して、適切な距離を保つよう注意を促します。

C.操作ガイド

l 接地対策が適切に実施されるように、バッテリー システムとトレイの接地位置を明確にマークします。

l 安全なテスト ポイントとメンテナンス アクセス ポイントを特定します。これらは、低電圧または無電源状態で動作するように設計する必要があります。

l トレイの重要でない領域に、正しい操作手順をガイドするための基本的な操作および安全に関する指示を簡単に記載できます。

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。