自動車用バッテリーパックの導電性フォームによるEMIシールド

電気自動車（EV）のバッテリーパックは、電磁両立性（EMC）設計において最も難しい分野の一つです。この記事では、バッテリー筐体のシーリング、AFEサンプリングボードのシールド、高電圧バスバーの絶縁、外部コネクタのシールドという4つの重要な用途に焦点を当てます。また、自動車用バッテリーパック用途に適した導電性フォームの選定方法についても解説します。

バッテリーパックは、電気自動車の中で最も高価で、最も繊細な部品の一つである。

80kWhのバッテリーパックは、車両総コストの約30～40%を占める場合があります。また、数百個のバッテリーセルで構成されており、それぞれのセルを正確に監視・保護する必要があります。電圧測定に誤差をもたらす電磁干渉（EMI）は、充電状態（SOC）の推定、セルバランス調整、および保護機能に影響を与える可能性があります。

バッテリーパック内部の電磁環境は特に過酷です。高電圧、数百アンペアの充電電流、高密度なセンシングハーネス、コンパクトなモジュールレイアウト、そしてトラクションインバータや車載充電器（OBC）からの干渉など、すべてがEMC（電磁両立性）の課題となっています。

導電性フォーム技術の概要については、以下を参照してください。導電性フォームとは？用途、応用例、EMIシールド効果。

この記事では、特に注意が必要なバッテリーパック特有の4つの用途に焦点を当てます。

1. AFEサンプリングボードのシールド
2. バッテリー筐体のシーリング
3. 高電圧バスバーと検出ラインの絶縁
4. 外部コネクタのシールド

Konlida社の車載グレード導電性フォーム製品は、すでに中国の大手バッテリーメーカーや自動車OEMのバッテリーパックプロジェクトで使用されています。

1. EVバッテリーパック内部におけるEMC（電磁両立性）の課題

課題1：サンプリング信号が非常に弱い

BMS（バッテリー管理システム）は、個々のバッテリーセルの電圧を正確に監視する必要があります。一般的な電圧測定精度要件は、±1mVから±5mVの範囲です。

しかし、センシングハーネスはバッテリーパック内部で数メートルに及ぶ場合があり、大電流導体の近くを通ることもある。そのため、放射ノイズや伝導ノイズの影響を受けやすくなる。

干渉がセンシングラインに結合すると、BMSは不正確な電圧情報を受信する可能性があります。その結果生じる誤差は、SOC推定、セルバランス調整、過充電または過放電保護に影響を与える可能性があります。

課題2：筐体は密閉性と遮蔽性の両方を備えている必要がある

バッテリー筐体は、通常、IP67やIP68などの厳しい環境保護要件を満たす必要があり、同時に電磁シールドの連続性も維持しなければならない。

これにより、筐体接合部において困難な界面問題が生じる。シーリング材は、機械的な公差や熱膨張を補償しつつ、確実な電気接続を維持する必要がある。

ここで導電性フォームが役立ちます。一つの部品で弾性圧縮と電気的連続性の両方を提供できるからです。

課題3：大電流バスバーは強力な電磁場を発生させる

バッテリーパック内部の高電圧バスバーは、数百アンペアもの電流を流すことができます。その周囲の電磁場は、特に両者が平行に配置されている場合に、近くのセンシングハーネスに干渉する可能性があります。

したがって、小型バッテリーパック内で十分な分離性を維持することは、EMC設計における重要な課題である。

課題4：長寿命と広い温度範囲

自動車用バッテリーパックは、一般的に8～10年以上の使用に耐えるように設計されています。低温環境では内部温度が約-30℃まで低下し、高負荷時や急速充電時には60～80℃に達することがあります。

遮蔽材は、これらの温度サイクル全体を通して、安定した圧縮性、復元性、および電気伝導性を維持しなければならない。

Konlida社の車載グレードソリューションは、シリコンコアと金メッキされた導電性PIフィルムを組み合わせたものです。製品構成によっては、-40℃から280℃までの温度範囲で動作し、90%以上の回復率を実現し、1,000回の熱衝撃サイクルに耐えることができます。

2．バッテリーパックにおける導電性フォームの4つの主要な用途

用途1：AFEサンプリングボードのシールド

アナログフロントエンド（AFE）は、バッテリー管理システムの中で最も感度の高い部分の一つです。セル電圧検出ラインに直接接続され、低レベルのアナログ信号をデジタルデータに変換します。

比較的微量の電磁干渉であっても、測定精度に影響を与える可能性がある。

推奨される遮蔽ソリューション

AFE部品の周囲に全方向性導電性フォームを使用する理由は何ですか？

AFE部品周辺のクリアランスは、多くの場合わずか1～3mmしかありません。同時に、サンプリングボードは過度の圧縮力に耐えることができません。

全方向性導電性フォームは、非常に小さな圧縮下で低インピーダンスの電気経路を確立すると同時に、X、Y、Z方向の導電経路を提供することができる。

これにより、小型の近距離電磁界遮蔽用途に適しています。

詳細については、以下を参照してください。全方向性導電性フォームガスケットと標準導電性フォームガスケットの比較。

急速充電時にこれが重要になるのはなぜですか？

急速充電では電流レベルが数百アンペアに達することがあり、バッテリーパック内部の電磁場が著しく増加する。

AFEサンプリング回路のシールドが不十分な場合、測定信号にノイズの増加や不安定性が生じる可能性があります。極端な場合、BMSがセル状態を誤って解釈したり、不要な保護動作をトリガーしたりする可能性があります。

したがって、効果的な局所シールドは、高電流動作中の測定の完全性を維持する上で重要な要素となる。

用途２：バッテリー筐体接合部のシーリング

筐体接合部は、潜在的なEMI漏洩経路であると同時に、重要な環境密閉インターフェースでもある。

導電性ガスケットは、寸法公差や機械的な動きを補正しながら、電気的連続性を維持することができる。

筐体シーリングにおける導電性フォームの利点

弾性補償：バッテリー筐体は、温度変化や振動によって寸法変化が生じます。発泡材は、構造体が動いても接触を維持します。

1つの部品で2つの機能を実現：同じガスケットで、電気シールドと機械的シールの両方の役割を果たすことができます。

保守性：硬化した導電性シーラントとは異なり、発泡ガスケットは一般的に、使用時や再加工時に取り外して交換することができます。

長尺カスタマイズ

バッテリーケースは1.5～2メートルもの長さがあり、長くて連続した密閉経路を形成する。

Konlida社は、30本の導電性発泡体製造ラインと、寸法と電気特性が均一な長尺シーリングストリップを製造できる自動連続成形装置を保有しています。筐体の形状に合わせて、カスタム断面形状を開発することも可能です。

用途３：高電圧バスバーおよびセンシングラインの絶縁

高電圧バスバーは、バッテリーモジュールとその他の高出力部品の間で大電流を流します。その電磁場は、近くのセンシングラインに結合する可能性があります。

これは、センシングハーネスがバスバーと並行して長距離にわたって配線されている場合に特に問題となります。

センシングラインに追加のシールドが必要なのはなぜですか？

セルセンシングハーネスは、バッテリーセルからAFEボードまで数メートルにわたって伸びることがあります。その経路では、バスバー、リレー、ヒューズ、その他のノイズ源の近くを通過する可能性があります。

適切なシールドがない場合、誘導ノイズは数十ミリボルト、場合によっては数百ミリボルトに達する可能性があり、これは一般的なBMSの測定要件である±5ミリボルトをはるかに超える。

導電性布製のラップはハーネスの周囲に柔軟なシールド層を提供し、導電性フォームは必要な接地接続を確立することができる。

導電性フォーム、銅箔、アルミ箔、導電性布地の詳細な比較については、以下を参照してください。導電性フォーム vs 銅箔 vs アルミ箔 vs 導電性布。

アプリケーション4：外部バッテリーコネクタ

高電圧出力コネクタと低電圧通信インターフェースは、バッテリー筐体の開口部を通過する必要がある。

これらの開口部は、電磁干渉の漏洩箇所となるだけでなく、環境密閉における潜在的な弱点にもなり得る。

コネクタフランジとバッテリーケースの間には、リング状の導電性発泡ガスケットを取り付けることができます。

コネクタを締め付けると、ガスケットが圧縮され、360度連続した電気的および機械的なインターフェースが形成される。

導電性ゴム製ガスケットを使えばいいのでは？

導電性ゴムは自動車用途でも広く使用されています。しかし、圧縮力が低く、設置の柔軟性が重要な場合、導電性フォームにはいくつかの利点があります。

• 圧縮力が低い
• 組み立てがより簡単
• 低圧縮時でも良好な電気接触が得られる
• 柔軟な公差補正
• 再加工時の交換が容易

適切な材料は、筐体の設計、圧縮範囲、環境要件、および必要な遮蔽性能に基づいて最終的に選定されるべきである。

3. バッテリーパック用導電性フォームの特殊要件

バッテリーパック用途では、従来の多くの電子機器よりもシールドガスケットに高い要求が課せられる。

重要な点は、自動車用EMIシールドは単に低抵抗を実現することだけではないということだ。材料は、圧縮、振動、湿度、温度変化、そして長い耐用年数といった条件下でも電気的接触を維持しなければならない。

4. バッテリーパック用導電性フォーム選定ガイド

5. EVバッテリーパックのEMIシールドにKonlidaを選ぶ理由とは？

1. 自動車グレードの品質管理

KonlidaはIATF 16949認証を受けた品質管理システムに基づいて運営されており、原材料のロットから完成品に至るまでトレーサビリティを維持しています。

安全性が極めて重要なバッテリー用途においては、トレーサビリティはサプライヤーの認定および品質管理において不可欠な要素である。

2. 材料レベルの性能

バッテリーパックは、多くの標準的な電子機器用途よりも、温度、湿度、酸化、および環境劣化に対する高い耐性が求められる。

Konlida社の自動車グレード導電性フォームは、シリコンコアと金メッキされた導電性PIフィルムを組み合わせた構造を採用しています。グレードによって、-40℃から280℃までの温度範囲に対応し、90%以上の回復率を実現、さらに熱衝撃試験や塩水噴霧試験にも合格します。

3. 大量生産

単一のバッテリーパックには、BMS（バッテリー管理システム）およびAFE（アクティブフロントエンド）基板用の数十個の小型導電性接点に加え、数メートルもの筐体シーリング材が使用される場合がある。

Konlida社は、30本の導電性発泡体生産ラインと1日最大200万個の生産能力を備え、自動車業界向けの大量生産プログラムをサポートする体制を整えています。

4. EMCおよび信頼性試験

KonlidaのEMC試験所では、30MHzから10GHzまでのシールド効果試験に​​加え、以下のような信頼性試験も実施可能です。

• 熱衝撃
• 温度と湿度のテスト
• 塩水噴霧試験
• 圧縮回復試験
• 圧縮セットテスト

バッテリーパックの開発においては、一般的な材料仕様よりも、実測データの方がはるかに価値があります。試験を行うことで、エンジニアは特定の用途条件下における、選択したガスケットの実際の性能を評価することができます。

5. 設計支援と迅速なプロトタイピング

自動車用バッテリーの開発プログラムは、開発期間が長い場合が多いが、試作品が完成すれば、設計の反復作業は急速に加速する可能性がある。

Konlidaは最短4時間で試作品を提供できます。また、同社のエンジニアリングチームは設計段階から参加し、ガスケットの形状、圧縮、接地経路、材料選定の最適化を支援することも可能です。

6. よくある質問

Q1：導電性フォームは、バッテリーケースのシーリング材としてシーラントを完全に代替できますか？

すべての用途に当てはまるわけではない。

導電性フォームとシーラントは、それぞれ異なる工学的課題を解決する。フォームは弾性補償、電気的連続性、および容易な再加工性を提供する一方、シーラントは強力な接着性と継続的な環境密閉性を提供する。

そのため、一部のバッテリーパックはハイブリッド方式を採用している。シーラントが主な防水性を提供し、導電性フォームが重要な接合部での電気的シールドを維持する。

最終的な構成は、筐体の構造と必要なIP等級によって決まります。

Q2：AFEシールドには、全方向性フォームとFOFフォームのどちらが適していますか？

敏感なAFE部品周辺の局所的なシールドには、非常に小さな圧縮下でも電気的連続性を確保できるため、全方向性導電性フォームが最適な選択肢となることが多い。

FOFフォームは、設置スペースに余裕があるような、より大きな接地インターフェースにおいて依然として有用である。

適切な選択は、利用可能な空間、圧縮力、接地形状、およびシールド要件によって異なります。

Q3：バッテリーパックのEMIシールドが不十分な場合、どうなりますか？

最も差し迫ったリスクは、測定精度の低下である。

AFEセンシング回路に混入したノイズは、セル電圧測定に影響を与え、ひいてはSOC推定や保護判断に影響を与える可能性がある。

考えられる影響としては、以下のようなものがある。

• 充電の早期終了
• 使用可能な範囲が縮小
• 細胞バランスの決定が誤っている
• 過放電検出の遅延
• 不安定な充電制御

したがって、EMIシールドは、PCBレイアウト、フィルタリング、接地、ケーブル配線、およびシステムレベルのEMC設計と併せて検討する必要がある。

Q4：バッテリーセンシングハーネスには、導電性布と銅箔のどちらを使用すべきでしょうか？

導電性繊維は、柔軟なセンシングハーネスにとって一般的に実用的である。

ケーブルに巻き付けることができ、複雑な配線経路にも沿うことができるため、薄い金属箔を繰り返し曲げることで生じる永久的な折り目も生じない。

銅箔は優れた遮蔽性能を発揮できるが、その機械的柔軟性と設置特性を慎重に検討する必要がある。

Q5：コンリダはバッテリーパック用途においてどのような経験を持っていますか？

Konlida社の金メッキSMT導電性フォーム、FOF筐体シーリングストリップ、および全方向性導電性フォーム製品は、中国の大手バッテリーメーカーや自動車OEMのバッテリーパックプロジェクトで使用されています。

EV駆動システム、BMS、およびパワーエレクトロニクスにおけるEMIシールドのより広範な概要については、以下を参照してください。 EV EMIシールド：EドライブおよびBMSにおける導電性フォームガスケット。

コンリダとは誰ですか？

蘇州コンリダ精密電子有限公司は2006年に設立され、EMIシールド材および熱管理材の研究開発と製造を専門としています。

製造能力

• 45,000平方メートルの製造施設
• 導電性フォーム製造ライン30本
• 24台のロータリーダイカットマシン
• 1日あたりの生産能力は最大200万個
• 自社開発の第4世代自動包装・成形装置
• IATF 16949、ISO 13485、およびISO 9001認証
• クラス1000クリーンルームでの生産

技術的能力

• EMIシールド材に関する20年近い経験
• 材料開発から完成品製造までを網羅する統合的な能力
• EMCおよび信頼性試験所
• 遮蔽効果と環境信頼性に関する試験能力
• 超薄型導電性ファブリックおよび高性能導電性フォーム材料の社内開発
• 試作品の製作期間は最短4時間
• 大手家電メーカーおよび自動車メーカー向けに大量生産の実績を持つ。

結論

電気自動車用バッテリーパックにおけるEMIシールドは、単一の部品の問題ではありません。信頼性の高い設計では、AFE信号の完全性、筐体の密閉性、バスバーの絶縁、コネクタのインターフェース、接地、および環境耐久性を一つのシステムとして考慮する必要があります。

導電性フォームは、コンパクトなバッテリーパック構造において、電気的接触、EMIシールド、機械的柔軟性、およびシーリングを効果的に組み合わせる方法を提供する。

遮蔽材を選定するエンジニアにとって、重要なパラメータは表面抵抗や遮蔽効果だけではありません。圧縮力、回復力、温度範囲、めっき耐久性、耐環境性、寸法精度、長期信頼性など、すべてを実際のバッテリーパック設計に基づいて評価する必要があります。

Konlidaの導電性フォームソリューションは、既に複数の量産型EVバッテリーパックプログラムで採用されています。迅速な納品が求められる標準部品から、複雑なバッテリーパック構造に対応するカスタムガスケットまで、お客様の実際の用途要件に合わせて材料選定と設計サポートを提供いたします。