EV車両のバッテリーパックを対象とした
衝突安全・電池安全性連成シミュレーション

衝突安全性評価の対象となるバッテリーパックの数値解析用モデルを構築するには対象物の３次元形状データ（CADデータ）が必要となる。ここでは海外製EV 車両のバッテリーパックを対象として実機を解体しながら３次元形状測定を行い、形状データを基にサーフェス化を行ってCADデータを作成した。３次元形状測定にはハンディタイプの非接触式3Dスキャナー（精度: 最大0.050 mm）を使用した。第１図に対象とした実機バッテリーパック、そのスキャン形状およびサーフェス化したCADデータを示す。なお、CADデータ化の範囲は、衝突安全性能に寄与する構造部材のみを対象とした。このCADデータをもちいて、第２図に示すCAE 用のメッシュモデルを作成し、衝突安全性の評価を目的とした数値解析を実施した。モデル規模は、節点数：約130 万、要素数：約 150 万である。

自動車の衝突安全性評価の基準は国や地域によって異なる。一般的には、フロント、サイドおよびリアなどの代表的な３方向に対する衝突試験があり、自動車事故の際に乗員や歩行者などの被害を最小限に抑えるための性能が要求される。しかしながら、EV 車においては、車両に搭載されたリチウムイオンバッテリーの熱暴走による火災のリスクもあり、バッテリーパック自体の衝突安全性も考慮することが望まれる。そこで、バッテリーパックのみに着目した衝突変形性能を数値解析により確認した。ここでは代表的な３方向のうち、バッテリーパックに波及する衝突変形が最も懸念されるサイド試験について確認した。第３図にバッテリーパック側面へのポール衝突を模擬した衝突条件を示す。

本来は車体全体に対する衝突安全性評価であるが、バッテリーパックの耐衝突性能に関する設計思想を理解するため、バッテリーパック単体の衝突現象を解析することとした。ここでは、バッテリーパックの質量によって生じる運動エネルギーを吸収して安全 性が保てるか否かを確認した。

衝突速度はポール側面衝突試験（UN-R135）を参考にした32 km/hと、過大な条件として約２倍の60 km/hとした。CAEは汎用有限要素解析ソルバーのAnsys LS-DYNA（以下、LS-DYNA）を使用した。

第４図に衝突速度32 km/hにおけるバッテリーパックの変形状況を示す。ポールとの衝突部においてバッテリーパックの側面フレームがパック内部に湾曲していることが確認できる。なお、この変形は側面フレームとバッテリーモジュール間に設けられた空間内で留まっており、バッテリーモジュールには影響しないと判断される。このことから、この空間はクラッシャブルゾーンとして意図的に設けられた、側突によるフレームの変形がバッテリーセルに到達しないようにすることで安全性を確保した設計と推測される。

LS-DYNAの構造・熱・電磁場(Electoromagnetic、EM) 連成解析ソルバーを使用し短絡熱暴走のシミュレーションを行った。従来のシミュレーションでは積層構造のセルに対して各層の詳細なモデル化が必要であるが、LS-DYNAにはBattery macro モデル（Batmacモデル¹⁾）が実装されている。Batmacモデルは各節点にRandles 型等価回路（第６図(a)）を考慮することで各層の詳細なモデル化が不要であり、効率良く短絡や熱暴走を表現可能なため、ここではBatmacモデルを使用することとした。

短絡や熱暴走はセル内の反応によって生じる複雑な現象である。熱・EM 解析で要求される時間刻みは、一般的な短時間の衝突解析に比べて長い現象のため、一連の連成解析には多大なコストを要する。そこで、今回のシミュレーションでは、衝突解析の変形状態を熱・EM 解析の初期形状としてマッピングし、短絡はマッピング後のひずみ分布、熱暴走は短絡後の温度変化をもとにモデル化することで、実用的な時間でのシミュレーションを可能とした。

最初に、単セルを対象にBatmacモデルをもちいた短絡熱暴走シミュレーションを行った。シミュレーションにもちいる機械的特性は衝突解析と同じとし、伝熱特性および電気特性は各部材の材料に応じた一般的な物性値を使用した。セルの容量（=57 Ah）、電圧とSOC(State of charge)の関係（第６図(b)）は測定値を使用した。Randles 型等価回路のパラメータはR0=R10=0.001、C10=1000とした。短絡は衝突解析によりえられたひずみ分布をもとに、セルのひずみが10 %を超えた領域で発生する条件とした。熱暴走は短絡後の温度が200℃を超えた領域で発生するとした。

第７図に（a）初期ひずみ分布、（b）SOC 分布、（c）ジュール熱分布を示す。（a）図と（b）図、（c）図を見比べると、ひずみが大きい領域で短絡が生じてSOCが減少し、セル内に大きな電流が流れたことでジュール熱が大きくなっていることがわかる。

第８図にセル上部タブ間の温度履歴を示す。変形直後40 秒手前までは短絡による温度上昇が生じ、200℃を超えたあたりの急激な温度上昇は熱暴走によるものである。その後、所定の熱量に達したところで温度上昇がとまり熱暴走が終了している。このように、Batmacモデルをもちいると、短絡熱暴走の現象がシミュレートできることが確認された。

次に、2 章の衝突速度60 km/hの解析結果をもとに、バッテリーパックを対象として3.1 節で設定したパラメータをもちいて短絡熱暴走シミュレーションを行った。セル間や各部材間には接触熱伝達を考慮し、バッテリーパックの周囲には空気との熱伝達を考慮した。

第９図に（a）初期ひずみ分布、（b）SOC 分布、（c）電流分布を示す。（a）図に示すように衝突によるひずみは衝突部から2番目のセルにもおよんでおり、（b）図、（c）図と比較すると、単セルでの解析と同様、短絡領域でSOCの減少と大きな電流が流れていることがわかる。

第11 図に短絡開始からの所定の経過時間に対する温度コンターを示す。時間の経過とともに衝突部から離れたセルの温度が上昇していく様子がわかる。なお、温度が高くなったのは１モジュール分であることから、今回対象としたバッテリーパックはモジュール間で温度拡散が生じ難い構造になっていると推測される。

以上のように、Batmacモデルを使用することで、バッテリーパック全体を対象とした短絡熱暴走現象が実用的な解析コストで可能となった。