Envaliorが2023年SPE EAVカンファレンスでEVの安全性および信頼性向上に向けたベストプラクティスを紹介

2023年4月、Society of Plastics Engineers（SPE）はミシガン州トロイにて2023 Electric & Autonomous Vehicle（EAV）カンファレンスを開催しました。Envaliorのアプリケーション開発エンジニアであるKeith Kauffmann（元EnvaliorおよびLanxess Performance Materials）は、「電動パワートレインの安全性と信頼性向上に向けた次世代材料」についてセッションを行いました。

Society of Plastics Engineers (SPE)は、2023年4月、ミシガン州トロイにて2023 Electric & Autonomous Vehicle (EAV) カンファレンスを開催しました。Envalior のアプリケーション開発エンジニアである Keith Kauffmann が、「電動パワートレインにおける安全性および信頼性を高める次世代材料」についてのセッションを実施しました。この三日間のカンファレンスには、700名を超える業界専門家が参加しました。

Kauffmann のプレゼンテーションでは、電動車両（EV）が必要とするエンジニアリングサーモプラスチックスの性能および、EVアプリケーションの要求仕様を満たす材料を開発するためのEnvaliorにおける継続的な研究開発について説明します。

新たなアプリケーションとトレンドにより、業界には新たな機会がもたらされています。

業界が内燃機関（ICE）車両からEVへの移行を進める中で、パワートレインのアーキテクチャやエネルギー供給元はガソリンから充電へと変化しています。バッテリーパック、駆動モーター、高電圧コネクタがEVパワートレインの主要構成要素となるにつれ、これら全ての用途で用いられる材料に対し、以下のような技術的影響があります：

EVにおける車両全体の作動温度の低下により、高温による部品の酸化劣化が減少します。
バッテリーパックは車両非稼働時も継続的な冷却を必要とするため、水／グリコール溶液への長期間曝露が生じます。
摩耗やフリクション（摩擦）に関する懸念は低減します ― EVでもモーターやベアリングによる摩耗や摩擦は依然として存在しますが、ICE技術と比較してその程度は小さくなります。
エンジン潤滑油など従来型のオイル使用量が減少しており、パワートレイン部品で使用される樹脂材料の耐油性要求も緩和されています。
高出力密度Eモーターの冷却用途としてオイルの使用が増加しています。

EVの追加的な技術的要件としては、高電圧バッテリーシステムに対応するため、高CTI（Comparative Tracking Index）材料や高い電気絶縁性が求められます。

トレンドとしては高速充電化、低電圧から400V、800V以上へと高電圧化が進んでいます。これに伴い、高い絶縁要求とより効果的な冷却が必要となっています。

「電流を抑えることでジュール損失（発熱）が低減しますこれは長時間にわたり最大充電速度を維持することを可能にし、充電速度を向上させる最も効果的な方法の一つは電流ではなく電圧を高めることです。そのため、高電圧バッテリーシステムが増加しています。しかし、充電電力の課題において電流と電圧のバランスを取ろうとする一方で、急速充電は高い局所的発熱を生じさせ、冷却や高絶縁材料が必要となる場合があります」とKauffmannは説明しています。

技術動向へのもう一つの影響は、Eモーター用オイル冷却の必要性です。モーター内部のプラスチック部品は、長期間にわたるEモーターオイルへの耐性が求められます。

「燃料電池やEVアーキテクチャを考慮すると、多くの課題に対処する必要があります。その中には、経年劣化前後のCTI（耐トラッキング性）、オイル劣化、電食、長期冷却材曝露などが含まれます」とKauffmannは付け加えました。「絶縁特性および機械特性を維持することが重要であり、そのためには適切な温度範囲での長期的な劣化影響を理解する必要があります。」

高電圧部品の熱衝撃サイクルにおけるクラック問題の解決

オーバーモールドバスバーの主な課題の一つは、熱衝撃サイクルによるクラックの発生です。リーケージ電流を防ぐためには、クラックが発生しないことが重要です。多くのEV部品では、プラスチックが金属（主に銅）にオーバーモールドされています。プラスチックと銅の線膨張係数（CLTE）の違いにより、熱サイクル時にプラスチック中で応力が蓄積し、クラックが発生する可能性があります。

最初の棒グラフは PPS（機械方向および横方向）の線形熱膨張係数（CLTE）を示し、2つ目の棒グラフは PPS の両方向における熱応力を示しています。

「Envalior は熱クラックの原因を理解しており、最適なガラス繊維配向、部品設計および金型設計によってこれに対処できると考えています。」カウフマン氏は述べています。

自動車電子部品の信頼性の確保

コネクタ、センサー、ECU、PCUに含まれるハロゲン化物の量を制御することは不可欠です。コネクタがEVアーキテクチャにおいて重要な役割を担うにつれ、端子の信頼性が特に重要となります。高温、高湿度、反応性ガス、電位、および時間などの要因は腐食を引き起こします。プラスチックの難燃性性能向上のために用いられる無機ハロゲン化物やイオン性添加剤は、長期間の湿気や熱の暴露後、電気接点を腐食させる酸を形成する可能性があります。これにより電子部品の故障が生じ、車両の安全機能が損なわれる可能性があります。

自動車電子機器用途における信頼性の確保

「コネクターやセンサーについては、ハロゲン化物の含有量を100 ppm未満に抑えることが目標であり、より重要な用途では50 ppm以下が求められます」とKauffmannは述べています。「当社のFR材料は、標準で20〜30 ppmの範囲にあります。」

さらにKauffmannは、「多くのEV用樹脂用途においてUL94難燃性試験の要件を考慮する必要性が高まっていることが見受けられます。特に材料が高電圧コンポーネントの近傍で使用される場合は顕著です。UL94 V-0の燃焼性等級が求められるケースが多く、時には5VA等級も要求されます。」と付け加えています。

EnvaliorはV-0に適合する複数のハロゲンフリー材料、PA6、PA66、PA46、PA410、PPS、PPAsなどを提供しています。