EVバッテリー冷却プレートの設計・製造ガイド

著者 BQUQ Engineering Team 査読 BQUQ Quality Engineering 2025年6月27日ビュー ISO 9001:2015 認証工場

EVバッテリー冷却プレート：設計と製造

要約：EVバッテリー冷却プレートは密閉されたアルミニウム製コールドプレートであり、通常は3003、3005、または6063合金で、内部流路は2～8 L/minの冷却液流量に適合するように設計され、セル接触面全体の平坦度公差は0.05～0.2 mmです。製造方法は、押出し・溶接、プレス・接合、または板材からのCNC加工があります。BQUQはISO9001取得の東莞工場で4つの生産ラインにわたりこれらを製造し、CNC加工部品では±0.005 mmを保持し、12営業時間で見積もりを提示し、試作およびパイロット生産向けに柔軟なMOQを提供しています。

バッテリーパックの寿命は温度均一性にかかっています。隣のセルより5 °C高温で動作するセルは、測定可能なほど早く劣化し、パック全体で15 °Cの温度差が生じると、容量保証の終了時期が数年早まります。冷却プレートは、そのような事態が起こるかどうかを決定する部品です。また、パック内で最も製造が難しい部品の一つでもあります。なぜなら、薄く、平坦で、漏れがなく、電気的に絶縁され、数万個単位で製造できるほど安価でなければならないからです。

本記事では、重要な設計上の決定事項と、それぞれが製造プロセスにどのように対応するかを説明します。

EVバッテリー冷却プレートは実際に何をするのか？

冷却プレートは、角形、パウチ、または円筒形セルの下、間、または周囲に配置され、流れる冷却液（通常は50/50の水-グリコール混合液、時には浸漬システム用の誘電性流体）を通じて熱を除去します。同時に満たす必要がある3つの機能があります：

除熱速度

急速充電パックにおけるセルのピーク発熱量は、化学組成とCレートに応じて、セルあたり約5～30 Wです。冷却プレートは、セル表面が約45～55 °Cを超えないように熱を奪う必要があります。これにより、必要な冷却液流量、流路断面積、および壁厚が決まります。

温度均一性

通常、これがより厳しい制約です。適切に設計されたプレートは、セル間の温度差を3～5 °C以下に抑えます。不適切な流路配置は、入口側にホットスポットを、出口側にコールドゾーンを生じさせるため、蛇行型または並列流路レイアウトは流体力学的にバランスを取る必要があります。

構造およびシールの完全性

プレートは圧力容器であり、低圧ではありますが、破裂試験、-40 °Cから+85 °Cの熱サイクル、振動、および10年間にわたるセルの機械的荷重に耐えなければなりません。

どの材料を指定すべきか？

アルミニウムが主流である理由は一つです：重量あたりの除熱量です。銅は熱的に優れていますが、コストが約3～4倍高く、重量が3.3倍あるため、1キログラムごとに航続距離が犠牲になる車両では重要です。

材料	一般的な用途	熱伝導率 (W/m·K)	備考
3003 / 3005 アルミニウム	プレス＋ろう付けまたは接着プレート	~150-160	成形性が最も良く、低コスト、最も一般的
6063 アルミニウム	押出し流路プレート	~200	押出し性が良く、溶接可能、中程度の強度
6061-T6 アルミニウム	CNC加工プレート	~167	高強度、機械加工可能、高コスト
1100 アルミニウム	薄いプレスプレート	~220	非常に成形性が良いが、強度は低い
銅 C11000	高熱流束モジュール、バスバー冷却	~390	選択的に使用され、パック全体には使用されない
316L ステンレス	特殊または高腐食ループ	~16	稀；耐食性のみ

ほとんどの乗用EVパックでは、ろう付けまたはエポキシ接着された閉鎖プレートを備えた3003または3005プレスプレートがコスト最適な答えです。押出しマイクロチャネルプレートでは、6063が標準です。銅は、インバータやバスバーインターフェースなどの高熱流束サブモジュールに現れます。トレードオフの計算については、銅とアルミニウムのヒートシンク材料比較をご覧ください。

内部流路はどのように形成されるか？

これが中核となる製造上の決定であり、工具費、リードタイム、および達成可能な流路密度を決定します。

押出しマルチポートプロファイル

6063プロファイルは、8～30の並列マイクロチャネルで押し出され、長さに切断され、端部マニホールドが取り付けられます。流路の水力直径は通常1～3 mmです。利点：優れた流路均一性、量産時の低単価、流路長手方向の溶接が不要。欠点：押出しダイス費用（目安USD 1,500～6,000）、固定断面、マニホールドの溶接またはろう付けが必要。

プレス・接合／ろう付け

2枚の薄板（0.5～1.2 mm）に一致する流路パターンをプレスし、真空ろう付け、制御雰囲気ろう付け、またはエポキシ接着で接合します。これにより流路配置の完全な自由度が得られ、蛇行、並列、ピンフィン、または可変幅が可能で、大型パウチセルプレートの主要な製法です。工具費は押出しより安価ですが、部品あたりの接合コストは高くなります。

板材からのCNC加工

6061または6063のソリッドビレットに流路形状を機械加工し、カバープレートを摩擦攪拌溶接またはレーザー溶接で取り付けます。この製法は、試作、少量生産、複雑な3D流路形状に適しています。BQUQは加工部品で±0.005 mmを保持しており、シール溝やポート位置にとって重要です。部品あたりのコストは最も高いですが、CADから動作サンプルまでの道のりが最短です。

スカイブおよび折り曲げ構造

空冷補助プレートや一部のハイブリッド設計では、スカイブフィンまたは折り曲げフィン形状が使用されます。これらはスカイブプロセスの概要で説明しています。

製法	工具費（目安）	流路自由度	最適数量	漏れリスク
押出し＋溶接マニホールド	中～高	低（固定プロファイル）	>10,000/年	中（マニホールド接合部）
プレス＋ろう付け	中	高	>5,000/年	低
プレス＋エポキシ接着	低～中	高	500～20,000/年	低～中
CNC加工＋溶接蓋	非常に低い	非常に高い	1～2,000/年	中（蓋溶接）
摩擦攪拌溶接	低	高	100～5,000/年	非常に低い

なぜ平坦度はほとんどのエンジニアが予想する以上に重要か？

平坦でない冷却プレートは適切に接触せず、接触不良は熱界面材料がギャップを埋めなければならないことを意味します。一般的な熱ギャップパッドは1～3 W/m·K、アルミニウムは150～200 W/m·Kです。パッド材料で埋められた0.3 mmのギャップは、約100 mmのアルミニウムに相当する熱抵抗を追加します。

実用的な平坦度目標：

セル接触面：ギャップパッド付きパウチセルで全平坦度0.05～0.15 mm；直接接触設計で0.02～0.05 mm。
取付インターフェース：0.2～0.5 mm。
接触面の表面粗さ：Ra 0.8～1.6 µmで通常十分；薄く低弾性の界面を使用しない限り、それ以上は無駄です。

平坦度は製法ごとに異なる方法で達成されます。プレスプレートはろう付け後に応力除去と平坦化ステーションが必要です。押出しプレートは制御冷却としばしば機械加工パスが必要です。CNCプレートは治具が適切であれば本質的に平坦ですが、ビレットの残留応力が加工後に部品を動かすため、粗加工、応力除去、仕上げ加工の順で行います。

流路と流量はどのように設計するか？

形状からではなく、熱負荷から始めます。

1. 除去すべき総熱量。 セルのピーク発熱量を合計します。3C急速充電の75 kWhパックは、瞬間的に15～40 kWを発生することがあります。

2. 許容冷却液温度上昇。 通常、パック全体で3～8 °C。温度差が大きいほど流量は減りますが、均一性は悪化します。

3. 流量。 50/50の水-グリコール（cp ≈ 3.4 kJ/kg·K、ρ ≈ 1,070 kg/m³）の場合、5 °Cの上昇で20 kWを除去するには約1.1 L/s、つまりパック全体で66 L/minが必要で、並列プレートに分割されます。

4. 流路速度。 0.3～1.5 m/sの間に保ちます。0.3 m/s未満では対流が悪く、沈殿のリスクがあります；1.5 m/sを超えると圧力損失とエロージョンが問題になります。

5. 圧力損失予算。 ほとんどのパックは合計20～60 kPaを許容します。並列流路アレイは圧力損失を減らしますが、バランスを取る必要があります。そうしないと、流れが最も抵抗の少ない経路を通ってショートカットします。

有用な健全性チェック：水力直径1 mmの流路で水-グリコールが0.5 m/sの場合、対流熱伝達係数は通常3,000～6,000 W/m²·Kの範囲です。これが壁から冷却液への抵抗を決定する数値です。

冷却液の化学：適合性の問題

アルミニウム冷却プレートは不活性ではありません。不適切なインヒビターパッケージの水-グリコールはアルミニウムを腐食させ、ループ内の異種金属（アルミニウムプレート、銅バスバー冷却器、ステンレス継手）はガルバニック対を形成します。

ほとんどの現場故障を防ぐ設計ルール：

認識された仕様（例：ASTM D3306タイプまたはOEM承認のEV冷却液）に冷却液を指定し、実際のサプライヤーで検証します。
絶縁バリアなしでループ内のアルミニウムと銅の直接接触を避けます。
冷却液中の塩化物含有量を25 ppm以下に保ちます。
内部表面仕上げと洗浄プロセスを指定します — ろう付けフラックス残留物は腐食促進剤です。ろう付け後のフラッシングはオプションではありません。
リリース前にASTM D2570または同等のサイクリック腐食プロトコルでテストします。

冷却液適合性ガイドでは、ガルバニック系列とインヒビター化学をより詳細に説明しています。

リークテスト：実際に欠陥を捉えるもの

工場で圧力テストに合格し、30,000 kmで漏れる冷却プレートは保証の災難です。層状のテスト戦略を使用します。

テスト	方法	一般的な感度	時期
破裂	破壊までの静水圧	使用圧力の2～3倍で合否	設計検証
圧力減衰	空気またはヘリウム、加圧	1×10⁻³～1×10⁻⁵ mbar·L/s (He)	100%生産
ヘリウム質量分析	真空チャンバー、トレーサーガス	1×10⁻⁷ mbar·L/s	高信頼性／安全クリティカル
流量と圧力損失	フローベンチ	機能	100%またはAQLサンプリング
熱サイクル	-40～+85 °C、500～1,000サイクル	疲労亀裂を検出	認定
振動	パック仕様に基づくランダムプロファイル	溶接疲労を検出	認定

乾燥空気による圧力減衰は生産の主力です。ヘリウムは、漏れが最も発生しやすい接合部 — マニホールド溶接、ポート継手、接合プレートの周囲シール — に予約されています。

図面に記載すべき公差と仕上げは？

プレス・ろう付けアルミニウム冷却プレートの実用的な仕様ブロック：

材料：3003-H14または3005、公称0.8 mm
全体平坦度（セル面）：0.10 mm
流路深さ公差：±0.05 mm
ポート位置：±0.15 mm
表面仕上げ（接触面）：Ra ≤ 1.6 µm
内部清浄度：遊離フラックス残留物なし、粒子≤ 100 µm
使用圧力：200 kPa；破裂≥ 600 kPa
漏れ率：≤ 1×10⁻⁴ mbar·L/s ヘリウム換算
冷却液適合性：サプライヤー仕様に基づき検証済み

CNC加工プレートの場合、BQUQはOリング溝やポートボアなどの重要な機能で日常的に±0.005 mmを保持し、平坦度は粗加工／応力除去／仕上げのシーケンスで制御されます。熱仕様書テンプレートは、何も省略しないための有用なチェックリストです。

製造はどこで失敗するか？

5つの故障モードがほとんどの生産問題を占めています：

1. マニホールドの溶接ポロシティ。 不十分な表面準備または汚染されたフィラーが原因。溶接前洗浄と不活性ガスカバレッジの検証で修正します。

2. ろう付け後の歪み。 非対称な熱質量が原因。治具設計と制御された冷却ランプで修正します。

3. フラックス残留物によるマイクロチャネルの閉塞。 ろう付け後のフラッシングと粒子清浄度仕様で修正します。

4. 加工後の平坦度ドリフト。 粗加工と仕上げ加工の間の応力除去で修正します。

5. 異種金属接合部のガルバニック腐食。 絶縁ワッシャー、適合メッキ、または異種金属接合部の完全な排除で修正します。

設計を完成させる前に工場に相談すべき時期は？

正直な答えは、ほとんどのチームが行うよりも早い段階です。流路形状、合金選択、接合方法は相互依存しており、CADで優雅な設計が目標コストで製造不可能な場合があります。工具をコミットする前に製造パートナーと短いレビューを行うことで、通常、コスト以上の節約になります。

BQUQは、ISO9001の下、東莞の1つの工場で4つのラインにわたり、CNC加工、金属プレス、カスタムばね、ヒートシンク生産を運営しています。この組み合わせがここで重要です：冷却プレートはしばしばプレス流路シート、CNC加工ポートとシール溝、セル圧縮用のばねまたはクリップを必要とし、すべてを1つのサプライヤー、1つの品質システム、1つの出荷から調達できます。見積もりは12営業時間で返され、MOQは試作およびパイロット量に十分柔軟です。図面をsc@bquq.comまでお送りください。

よくある質問

Q: EVバッテリー冷却プレートに最適な材料は？

A: プレス・ろう付けプレートにはアルミニウム3003または3005、押出しマイクロチャネルプロファイルには6063です。どちらも約150～200 W/m·Kの熱伝導率を低重量・低コストで提供します。銅は約390 W/m·Kと伝導性が高いですが、はるかに重く高価なため、通常はパック全体のプレートではなく、高熱流束サブモジュールに限定されます。

Q: バッテリー冷却プレートの平坦度はどの程度必要か？

A: ギャップパッドを使用するパウチセルの場合、セル接触面全体で全平坦度0.05～0.15 mmが一般的です。直接接触設計では、0.02～0.05 mmに厳しくします。理由は、2 W/m·Kのパッド材料で埋められた0.3 mmのギャップが、約100 mmのアルミニウムに相当する熱抵抗を追加し、プレートの有効性を破壊するためです。

Q: 冷却プレートに必要な冷却液流量は？

A: 熱負荷からサイズを決定します。5 °Cの冷却液上昇で20 kWを除去するには、パック全体で50/50水-グリコール約1.1 L/sが必要です。流路速度は0.3～1.5 m/sの間に保ち、合計圧力損失は20～60 kPaを予算化します。0.3 m/s未満では対流が急激に低下し、1.5 m/sを超えると圧力損失とエロージョンリスクが上昇します。

Q: EVバッテリー冷却プレートのリークテスト方法は？

A: 100%生産テストには乾燥空気による圧力減衰を使用し、通常は使用圧力の1.5～2倍で行い、1×10⁻⁷ mbar·L/sの感度が必要なマニホールド溶接や接合周囲にはヘリウム質量分析を予約します。設計認定には破裂テストと500～1,000の熱サイクルを追加し、パック仕様に基づく振動テストも行います。

Q: 冷却プレートはプレスではなくCNC加工できますか？

A: はい、そして多くの場合、動作する試作への最速の道です。6061または6063ビレットに流路形状を機械加工し、蓋を摩擦攪拌またはレーザー溶接で取り付けます。プレスより部品あたりのコストは高いですが、工具がほとんど不要で、複雑な3D流路配置が可能です。BQUQはシール溝とポートの加工部品で±0.005 mmを保持しています。

EVバッテリー冷却プレート：設計と製造

EVバッテリー冷却プレート：設計と製造

EVバッテリー冷却プレートは実際に何をするのか？