電気自動車を支える、目に見えないスリーブ

過去 10 年間の大半において、400 V の電気アーキテクチャが業界の標準となっていました。その有効性は実証され、製造も可能であり、実際に機能していました。しかし、それには限界がありました。その限界とは、まさに熱だったのです。

400 V のシステムにおいて、250 ～ 350 kW 程度の超急速充電に必要な電力を供給するには、車両の配線に膨大な電流を流す必要があります。電流は熱を発生させます。熱対策には、より太いケーブル、より大型の冷却システム、およびより堅牢な絶縁材が必要となります。その結果、ハーネスのすべての接合部、すべての接続箇所、すべての終端点において、熱管理上の問題がさらに深刻化することになります。

800 V が優れている理由は、システム電圧を 2 倍にすることで、同じ電力を供給するために必要な電流を半分に抑えられるという点にあります。その物理的原理は単純明快です。電流が少なければ、抵抗発熱も減り、導体の太さも細くなり、ケーブルも軽量化され、冷却装置も小型化されます。市場もこれに注目しています。業界アナリストの予測によると、800 V の EV アーキテクチャ市場は、2026 年の約 138 億ドルから 2031 年までに 360 億ドル以上に拡大すると見込まれており、年平均成長率は 21% を超えると見込まれています。一部の高級車メーカーや量産車メーカーは、800 V のプラットフォームを量産化しています。これには、欧州、韓国、中国の老舗メーカーの製品も含まれています。

しかし、電流を半分にしても、発熱の問題は解消されません。問題を別の場所に移動するだけなのです。

800 V への移行に伴い、バッテリーからの直流（DC）をモータ用の交流（AC）に変換する重要な部品であるトラクション インバータにおいて、炭化ケイ素（SiC）MOSFET が主要なパワー半導体として採用されるようになりました。SiC デバイスは、従来のシリコン製デバイスに比べて熱伝導率が約 3 倍高く、スイッチング損失も十分に低いため、より小型で高集積なインバータ パッケージの実現が可能となります。世界の SiC パワー デバイス市場は、2025 年に 27 億ドル ～ 58 億ドルの規模に達し、年間 19 ～ 27% のペースで拡大しています。

しかし、その密度にはある逆説が伴います。SiC インバータは、総廃熱量は少ないものの、残りの廃熱をより狭い空間に集中させてしまいます。800 V の SiC モジュールでは、連続運転中に接合部温度が 175 °C に達することがあります。これらのモジュールを取り巻く配線や接続点（バスバー、DC リンク、モータ リードなど）は、隣接する部品からの伝導熱だけでなく、高密度に配置されたパワートレインの輻射熱環境にも耐えられるよう設計されています。

一方、バッテリー筐体内部では、その状態によって特有の熱的特徴が現れます。800 V のプラットフォームでの急速充電サイクルは、セル温度を、その周辺にあるあらゆる材料に負荷がかかる範囲まで上昇させる可能性があります。また、ボンネット内や車両のアンダーボディに沿って配線される場合、パワートレインの熱、路面からの放射熱、および限られた気流が相まって、従来の配線保護対策では対応できないような持続的な熱負荷が生じます。

このような環境において、熱収縮チューブは、もはや単なる保護カバーとしてではなく、故障を防ぐための設計されたバリアとして機能する必要があります。

熱収縮チューブは、単純な原理に基づいて機能します。つまり、膨張した状態で製造されたポリマー製のスリーブが、熱を加えると、電線や接続部、端子の周囲にしっかりと収縮します。硬化後は、電気絶縁、機械的保護、および環境シールを実現します。物理学は洗練されていますが、真の工学の核心は化学にあります。

何十年もの間、自動車産業は、標準的な放射線架橋ポリオレフィンチューブが使用されてきました。これらの材料はコス効率に優れ、入手も容易であり、従来の内燃機関のエンジンルームにおける熱的要件を満たすのに十分です。連続使用温度は約 125 °C であり、短時間であればそれをやや上回る温度にも耐えられます。12 V、さらには 48 V のマイルド ハイブリッド システムでは、ポリオレフィン熱収縮チューブは十分な性能を発揮してきましたし、多くの用途では現在も十分です。

しかし、800 V アーキテクチャによって、仕様要件が一新されつつあります。インバータ、DC-DC コンバータ、およびバッテリー モジュール接続部付近で持続する温度は、現在、15 年の車両寿命にわたって、架橋ポリオレフィンが耐えられる限界値を定期的に超えるようになっています。自動車メーカーとそのティア 1 サプライヤーは、つい最近まで主に航空宇宙や軍事用途に限られていたある種の材料、すなわちフッ素樹脂に注目するようになりました。

PTFE、FEP、PFA、ETFE、PVDFといったフッ素樹脂群は、耐熱性および耐薬品性において飛躍的な向上をもたらしています。以下の数値は、これらの材料クラスについて公表されている代表値です。実際の製品定格は異なるため、該当するデータシートをご確認ください。例えば、PTFE ベースの熱収縮チューブは 260 °C の連続使用温度に耐えることができ、使用温度範囲は極低温域まで及びます。FEP と PFA は同様の高温性能を備え、さらに透明性にも優れているため、被覆を取り外すことなく接続部を目視検査できます。PVDF はフッ素樹脂の中でも比較的低性能な部類に属し、連続使用時の耐熱温度は約 150 °C ですが、優れた機械的強靭性と耐摩耗性を備えています。

フッ素樹脂が 800 V の環境に特に適している理由は、その耐熱上限だけでなく、幅広い耐性特性を備えているためです。これらの材料は、バッテリー電解液、トランスミッション フルード、ブレーキ フルード、ディーゼル排気液、さらに現在バッテリーの熱管理ループ内を循環しているグリコール系冷却液にさらされても、劣化に対して極めて高い耐性を示します。EV では、ワイヤ ハーネスが複数の流体回路を通過したり、そのすぐ隣を通ったりする場合があるため、この優れた耐薬品性は単なる贅沢ではなく、必須要件です。

誘電特性も同様に重要です。600 ～ 1,000 V 以上の定格を持つ高電圧用熱収縮チューブは、室温時だけでなく、持続的な動作温度下、数千回の熱サイクルを経た後、さらには湿気や汚染物質が存在する状況においても、絶縁性能を維持する必要があります。フッ素樹脂は、極めて幅広い条件下でも絶縁耐力を維持します。この特性こそが、絶縁不良が致命的な結果を招きかねない航空宇宙分野の配線保護において、長年にわたり使用され続けてきた理由の一つです。

とはいえ、温度は問題の 1 つの側面にすぎません。800 V のプラットフォーム向けに設計を行う自動車エンジニアは、熱応力と複合的に相互作用する、数多くの機械的および環境的な脅威にも対処する必要があります。

振動は絶え間なく続いています。シャーシに沿って、あるいはサスペンションの取り付け箇所を通って配線されたケーブルは、絶え間ない機械的繰り返し動作にさらされることで、数十万マイルにわたり、保護スリーブに摩耗、擦れ、疲労が生じることがあります。これらの箇所に使用される熱収縮チューブは、新品の時点だけでなく、長年の熱老化を経た後も耐摩耗性を維持する必要があります。熱老化により、品質の劣るポリマーは脆化してしまう可能性があるからです。不規則な形状に対応するため、3:1 または 4:1 の収縮比を持つことが多い中肉および厚肉タイプが、このような高屈曲・高振動の配線経路でますます指定されるようになっています。

湿気の侵入も、また厄介な問題の一つです。粘着剤が内張りされた、いわゆる「二重壁」タイプの熱収縮チューブは、外側のポリマー層と、収縮時に流れ出し、基材の周囲を効果的に湿気から遮断するように設計された内側のホットメルト接着剤の層を組み合わせることで、この問題に対応します。800 V バッテリー パック配線では、ごく微量の湿気でも導電経路が形成され、重大な結果を招く可能性があるため、接着剤付きチューブは多くの OEM で推奨オプションから基本要件へと移行しています。

さらに、電磁干渉もあります。SiC ベースのインバータの高いスイッチング周波数により、EMI が発生し、これがハーネスを通じて伝播し、ADAS センサ、インフォテインメント システム、および車両通信バスの性能を低下させる可能性があります。導電性内層や金属編組が埋め込まれたシールド付き熱収縮チューブは、高周波パワー エレクトロニクスに隣接するハーネスの設計に採用されつつあり、かつては単一の役割しか果たしていなかった部品に、さらなる機能的な要件が求められています。

この分野であまり議論されていないものの、緊急性が増している課題の 1 つが、既存規格と 800 V アーキテクチャの実使用上の要件とのギャップです。

自動車用電線を規定する従来の SAE J1128 と、その国際規格に相当する ISO 6722 は、システム電圧が数百 V 程度を上限とし、温度クラスが 125 °C 前後に集中していた時代に策定されました。これらの規格は時代遅れではなく、車両の低電圧配線の多くで依然として重要ですが、800 V バッテリー パック インターコネクトや SiC インバータ出力を想定して策定されたものではありません。

UL 224 VW-1 などの規格に基づく難燃性試験は、防火安全上の最低基準を提供しますが、欧州の規制や OEM の環境方針で要求されることが増えているハロゲンフリーおよび低発煙要件によって、さらに複雑さが増しています。フッ素樹脂チューブは、本質的に難燃性であり、有毒なガスの放出も最小限に抑えられるため、こうした変化し続ける要件に十分対応しています。材料の選定にあたっては、PFAS/フッ素樹脂に関する規制案を含め、変化し続ける化学物質規制も考慮に入れる必要があり、用途ごとに個別に評価すべきです。しかし、メーカーは依然として、地域別、OEM 別、用途別に異なる認定要件の組み合わせに対応しなければならず、その内容は車両プラットフォームごとに大きく異なる可能性があります。

業界団体や標準化団体は、このギャップを埋めるべく取り組んでいます。しかし現時点では、仕様策定の多くが各自動車メーカーおよびティア 1 サプライヤーの技術部門内で行われており、その結果、材料認定では公表された試験方法と同程度に組織内の知見が重要となる、分断された状況が生じています。

生産面においても、独自の課題に直面しています。フッ素樹脂チューブはポリオレフィンより大幅に高価で、多くの場合 5 倍以上の価格となり、加工要件もより厳しくなります。PTFE ベースのチューブでは収縮温度が 350 °C を超える場合があり、組立ラインには専用の加熱装置が必要です。フッ素樹脂チューブの収縮比は、多くの場合低めです。一部の PTFE タイプでは 1.3:1 であるのに対し、ポリオレフィンでは 2:1 または 3:1 であり、カスタム サイズを使用しない場合、不規則な形状への追従性が制限されます。

こうした制約により、多くのメーカーでは折衷的なアプローチが採用されています。具体的には、インバータ接続部、バッテリー モジュールの相互接続部、モータ リード端子部といった応力が最も高い箇所にはフッ素樹脂チューブを使用しつつ、熱負荷が比較的低いハーネスの大部分については、従来通りの先進的な架橋ポリオレフィンを引き続き使用するという方法です。その結果、重要な接合部において、信頼性を損なうことなくコストを最適化する段階的な材料戦略が確立されました。

新しい配合材料にによって、その差は徐々に縮まりつつあります。熱安定剤が強化された放射線架橋ポリオレフィン ブレンド により、連続使用温度は 150 °C に近づきつつあり、かつて PVDF が独占していた領域に食い込んでいます。耐摩耗性に最適化された外層と、誘電性能を重視して設計された内層を組み合わせた共押出チューブにより、設計者は単一の部品で複数の脅威要因に対処することが可能になります。また、接着剤化学の進歩により、高温下における二重壁チューブのシール性能が向上しており、熱サイクルが繰り返される環境下での長期的な湿気侵入のリスクを低減しています。

こうしたことは、いずれもドライバーの目には見えません。熱収縮チューブのために製品発表会が開かれることも、経営幹部が最新のフッ素樹脂ブレンドを披露する記者会見が開かれることもありません。しかし、これらのシステムを設計するエンジニアは、800 V 電気自動車の性能限界が、その最も脆弱な接続部を保護する材料によって大きく左右されることを理解しています。

業界がさらに高電圧化へ進む中、商用車や次世代高性能プラットフォームでは 900 V および 1,000 V システムがすでに検討されており、電線保護に対する熱的および電気的要求は今後さらに厳しくなります。次世代の熱収縮チューブに取り組む材料科学者とポリマー エンジニアは、まさに実質的な意味で、次世代の e モビリティそのものに取り組んでいるのです。

それは静かで、華やかさのない進歩です。しかし同時に、e モビリティをより安全で信頼性の高いものにする進歩でもあります。