燃料電池車のバッテリー熱管理

燃料電池はまだ商用車が中心ですが、乗用車はトヨタ・ホンダ・ヒュンダイのみが製品化しています。しかし、この記事は乗用車に焦点を当てており、他の比較モデルも乗用車であるため、ここではトヨタ・ミライを例に挙げます。

燃料電池熱管理システムの主な特徴は以下の3点です。

燃料電池リアクターの放熱要件
原子炉は水素と酸素の反応が行われる場所であり、発電時に熱を発生します。温度上昇は原子炉の放電出力を高めるのに役立ちますが、熱を集めることができないため、反応生成水と原子炉冷却材を一緒に流して熱を放散させる必要があります。

リアクターの温度を維持することで、ドライバーの駆動システムに対する動的ニーズに合わせて出力を効果的に制御できます。リアクターとモーターインバーターのパワーエレクトロニクスで発生する熱は、冬季のコックピット暖房の一部として利用できます。

原子炉の冷間始動の問題
燃料電池リアクターは低温では直接電気を供給することができないため、通常の動作モードに入る前に外部の熱によって温められる必要があります。

この時点で、前述の放熱回路を加熱回路に反転する必要があり、ここでの切り替えには三方二方弁に類似した回路制御弁が必要になる場合があります。

加熱は外部から行うことができる電気PTCヒーターバッテリーからの電気加熱電力を供給します。反応炉自体が熱を発生させる技術もあるようです。反応によって発生したエネルギーは、より多くの熱となって反応炉本体を温めることになります。

ブースター冷却
この部分は、前述のハイブリッドカーの部品に少し似ています。反応器の電力需要を満たすためには、反応酸素の量にも一定の需要があるため、吸気口を加圧して密度を高め、酸素の質量流量を増加させる必要があります。このため、ブースト後の冷却が行われます。この冷却は、温度範囲が他のコンポーネントと比較的近いため、同じ冷却回路に直列に接続できます。

純粋な電気自動車
結局のところ、純粋な電気自動車は現在、市場で最も人気があります。電気自動車の熱管理に関する研究開発は、すべての主要自動車メーカーとサプライヤーで行われています。他の車両タイプと異なる主な点は、以下の3点です。

冬季の放牧地に関する懸念
航続距離の大部分は、バッテリーのエネルギー密度、車両の電力消費、風の抵抗によるもので、これらは熱管理とは関係のない要素ですが、冬場はそれほど重要ではありません。

コックピットの快適性と高電圧バッテリーのコールドスタートに対応するため、熱管理システムで大量の電気エネルギーが消費され、冬季の航続距離が大幅に短縮されることはすでに当たり前になっています。

主な理由は、純粋な電気自動車の駆動システムの発熱量が、エンジン、バッテリー、温度よりもずっと大きいためです。

現在、ヒートポンプシステムなどの一般的なソリューションは、駆動システムの熱と環境熱をコンプレッサーサイクルを通じてキャビンとバッテリーに提供し、また、Weimar EX5を使用しています。ディーゼルヒーターディーゼル燃焼熱の一部を利用してバッテリーとキャビンの予熱を行う（PTCヒーター）、もう一つはバッテリー自己発熱技術で、バッテリーの起動時に少量のエネルギーで各バッテリーユニットの加熱を実現し、外部の熱交換回路への依存を減らします。