リチウムイオンバッテリーシステムの構築

久々の更新となってしまいました。

ソーラーカーレース鈴鹿２０２１に向けて、日々活動は続いています。

先日はようやく、初のテスト走行（シェイクダウン）を無事に終え、さらに細部にわたり製作作業を行っています。

（テスト走行の様子は後日お伝えします。）

さて今回は、リチウムイオンバッテリーシステムの構築をおおまかにまとめてみました。

 

 

今回のレース走行では、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリーを使用します。

ノートパソコンなどに用いられる18650円筒形のセルを460本＝約22㎏分、適切な手法でモジューリングし、１つの箱に収めます。

 

セル1本1本の電気的接続は、はんだ付けとかではなく、専用のスポット溶接により熱によるダメージを防ぎます。

銅バー＋ニッケルリボンの電極により２３本のセルを並列接続し、このモジュールを20個、直列接続します。

 

 

電極は1つ1つ手作りです。数が多いので大変でした。

厚さ１mmの銅板をシャーリングマシーンにより12㎜幅にカットし、両端にねじ止め用の穴をあけます。リチウムイオン電池パック用のニッケルリボンをカットし、この2つをはんだ付けにより接続します。

 

はんだ付け作業は、はんだごてによる通常の作業は大変なので、アイデアと試作により、独自の工法を編み出しました。

①カットしたニッケルリボンに電子基板などで用いられる「クリームはんだ」を適量塗る（盛る）。

②耐熱性の高いポリイミドテープにより位置決め（仮止め）し、圧力をかけて密着させる。（センターポンチでくぼみを入れておくことで位置がズレない。）

③加熱したホットプレートに乗せて、頃合いを見てから取り出し、ホットプレートの外・分厚いアルミ板の上で平らな木板で押さえつける。

④冷めたら完成。ポリイミドテープを剥してから磨いて仕上げます。

 

ポイントは「はんだごて」ではなく「ホットプレート」です。

２０直列接続のため２１セットの電極を作るには結構な時間がかかると思いましたが、この工法で割と短期間で完了しました。

 

大量のセルは１本1本電圧チェックし、異常がないことを確認してから、市販のホルダーに収めます。ホルダーは組み合わせた後、銅バーの通るところを干渉しないようにフライス盤で切削しておきます。

ホルダーに収めたセルを木角材の治具に固定し、電極の取付穴が適切な位置となるようスポット溶接を開始します。

 

スポット溶接機はメーカー品ですが、溶接ペンはAmazonで購入した独自のタイプを用いました。２本の溶接棒を両手で持って溶接する従来のタイプに対して、この溶接ペンは内臓のスプリングで圧力（押さえつける力）が程よく調節されます。２点の間隔も定まっており、作業効率がかなり向上しました。

（左が従来のスポット溶接作業で右が今回の作業）

 

様子の動画はTeam宮工のFacebookページをご参照ください。

https://www.facebook.com/TeamMIYAKOU/videos/965131870999041

 

リチウムイオン電池を納めるバッテリーボックスは、アラミド繊維のFRPで製作しました。車体に多く用いるカーボン繊維は電気を通すので使用しません。アラミド繊維のクロス＋エポキシ樹脂、難燃性ベニヤをコア材としたサンドイッチパネル構造で頑丈なボックスとしました。

 

 

 

 

製作過程のボックスは、空の状態で何度も車体に取り付けてみては微調整の繰り返しで、結構時間がかかりました。

 

ようやく出来上がったボックスにモジュール化した電池を慎重に納め、上段のＢＭＳ（バッテリマネージメントシステム）回路に配線します。

電圧＆温度監視回路の信号は走行中、ドライバーに状況を伝えるよう、ステアリング奥に「電池残量表示灯を設置しました。

 

 

完成したリチウムイオンバッテリーシステムは先日のテスト走行にて無事正常動作を確認しました。

リチウムイオンバッテリーはエネルギー密度が高く、モバイル機器など私たちの身の回りでも多く用いられていますが、取り扱いを間違うと大変な事故につながります。

（リチウムイオンバッテリーの取り扱いには専門的な知識と技術が必要であるため、電気科の教員監修のもと、高校生＋教員の共同作業で構築作業を行いました。）

今回ソーラーカーには動力用バッテリーということで22㎏もの大量の電池を用います。取り扱いには十分注意しながら、その大きな電力を効率よく使用して５時間耐久レースをめいいっぱい走行したいと思います。

 

最後まで応援よろしくお願いいたします。