従来のヒートポンプ式エアコンは、低温環境下での暖房効率が低く、暖房能力が不十分であるため、電気自動車の適用シナリオが制限されます。そのため、低温条件下でのヒートポンプ式エアコンの性能を向上させるための一連の方法が開発され、適用されてきました。二次熱交換回路を合理的に増加させ、パワーバッテリーとモーターシステムを冷却しながら、残りの熱をリサイクルすることで、低温条件下での電気自動車の暖房能力を向上させます。実験結果によると、廃熱回収ヒートポンプ式エアコンの暖房能力は、従来のヒートポンプ式エアコンと比較して大幅に向上しています。各熱管理サブシステムの結合度が高く、統合度が高い車両熱管理システムを備えた廃熱回収ヒートポンプは、テスラ モデル Y やフォルクスワーゲン ID.4 に採用されています。CROZZ などのモデルにも適用されています（右図参照）。しかし、周囲温度が低く、廃熱回収量が少ない場合、廃熱回収だけでは低温環境下での暖房能力の要求を満たすことができず、上記の場合の暖房能力の不足を補うために PTC ヒーターが依然として必要です。しかし、電気自動車の熱管理統合レベルが徐々に向上するにつれて、モーターによって発生する熱を合理的に増加させることで廃熱回収量を増やすことが可能になり、それによってヒートポンプシステムの加熱能力とCOPが増加し、PTC冷却ヒーター/PTCエアヒーター熱管理システムの占有スペースをさらに削減しながら、低温環境下での電気自動車の暖房需要を満たします。バッテリーやモーターシステムからの廃熱の回収と利用に加え、還気の利用も低温条件下での熱管理システムのエネルギー消費を削減する方法です。研究結果によると、低温環境下では、適切な還気利用対策により、窓の曇りや結露を防ぎながら、電気自動車に必要な暖房能力を46%から62%削減でき、暖房エネルギー消費を最大40%削減できます。デンソージャパンは、対応する二層還気/外気構造も開発しており、曇りを防ぎながら換気による熱損失を30%削減できます。この段階で、極限条件下における電気自動車の熱管理の環境適応性は徐々に向上しており、統合とグリーン化の方向に発展しています。
高出力条件下でのバッテリーの熱管理効率をさらに向上させ、熱管理の複雑さを軽減するために、冷媒をバッテリーパックに直接送り込んで熱交換を行う直接冷却・直接加熱方式のバッテリー温度制御も、現在の技術ソリューションの一つです。バッテリーパックと冷媒間の直接熱交換による熱管理構成を右図に示します。直接冷却技術は、熱交換効率と熱交換率を向上させ、バッテリー内部の温度分布をより均一にし、二次ループを削減し、システムの廃熱回収率を高めることで、バッテリーの温度制御性能を向上させます。しかし、バッテリーと冷媒間の直接熱交換技術のため、冷却と加熱はヒートポンプシステムの作動によって増加させる必要があります。一方では、バッテリーの温度制御はヒートポンプ空調システムの起動と停止によって制限され、冷媒ループの性能に一定の影響を与えます。他方では、移行期における自然冷却源の利用も制限されるため、この技術にはさらなる研究、改良、および応用評価が必要です。
主要構成要素の研究進捗状況
電気自動車の熱管理システム（HVCHヒートポンプシステムは、主に電動コンプレッサー、電子バルブ、熱交換器、各種配管、液体リザーバーなど、複数のコンポーネントで構成されています。中でも、コンプレッサー、電子バルブ、熱交換器はヒートポンプシステムのコアコンポーネントです。軽量電気自動車の需要が高まり、システム統合の度合いが深まるにつれて、電気自動車の熱管理コンポーネントも軽量化、統合化、モジュール化の方向に発展しています。極限条件下での電気自動車の適用性を向上させるため、極限条件下でも正常に動作し、自動車の熱管理性能の要件を満たすコンポーネントも開発され、それに応じて適用されています。
投稿日時：2023年4月4日
