ヒートポンプサイクルで電気自動車の性能が向上!省エネ暖房で航続距離を延ばす!

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電気自動車の電費性能向上は最もホットな開発課題

電気自動車の電費性能の向上は自動車メーカーの中で最もホットな開発課題です。

ヒーターを使った暖房ではなくヒートポンプサイクルを利用した暖房が今後のトレンドになろうとしています。

この記事では、まず最初にヒートポンプサイクル暖房の原理を説明します。次に、ヒートポンプサイクル暖房がヒーターを使った暖房よりも消費エネルギーが少なくて済むことを証明していきます。

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電気自動車の弱点は暖房使用時の航続距離低下

最初に、電気自動車の弱点について解説します。電気自動車の弱点はエンジン自動車よりも航続距離が短いということはご存知の方も多いと思います。その中でも最も航続距離の低下が著しいのが、冬場の暖房使用時です。

電気自動車は暖房用の熱源が不足

従来のエンジン自動車と異なり、電気自動車は暖房用の熱源が不足します。エンジン自動車はエンジンから排気される高温のガスを暖房に利用できるため、熱源は豊富にありました。しかし、電気自動車は大きな熱源であるエンジンが搭載されていません。したがって、その熱源を補うために、暖房用の専用ヒーターなどを使わざるを得ないのです。

もちろん、ヒーターの電力源はバッテリなので、ヒーターで暖房すればするほどバッテリの残量は減っていき、走行に使えるエネルギーが失われてしまうのです。

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COPの高いヒートポンプサイクルは弱点克服の救世主

COPとはCoefficient of Performanceの略で、成績係数と呼ばれます。COPは投入した仕事に対する有効的な仕事の比率であり、ヒートポンプサイクルの最大の特徴はCOPが1より大きいということです。例えば、COP=2であれば、1kWのコンプレッサの消費電力に対して、2kW分の暖房性能が出せるとういうことです。

言い換えると、同じ暖房性能の出すための消費電力が半分で済むということです。COP=1であれば1kWの暖房性能を得るのに1kWのエネルギーを投入しなければいけません。しかし、COP=2であれば500Wの投入エネルギーで1kWの暖房性能が得られるので、より省エネで暖房できるのです。省エネで暖房できれば消費電力が減り、当然航続距離が延びるわけです。

ヒートポンプサイクルの仕組み

ヒートポンプサイクルは冷凍サイクルの逆サイクルであり、原理は冷凍サイクルとまったく同じです。

図1:ヒートポンプサイクルの概念図

図1はヒートポンプサイクルの概念図を示しています。コンプレッサで高温に圧縮された気体の冷媒が、コンデンサで液化するときに発生する凝縮熱を使用して車室内を暖房します。

液化した冷媒はエバポレータで外気から熱をもらうことによって蒸発し、再びコンプレッサに吸入されていくのがヒートポンプサイクルです。

ヒートポンプサイクルがCOP≧1になる理由

モリエル線図を使って解説

ここからはモリエル線図を使って、なぜヒートポンプサイクルのCOPがCOP≧1になるのかを説明します。まずモリエル線図とは冷媒のすべての状態(圧力、温度、比エンタルピー、エントロピー、比容積、乾き度)がわかるグラフです。

図2:ヒートポンプサイクルのモリエル線図

図2からわかるように、暖房性能(コンデンサ放熱量\(Q_{cond}\))はコンプレッサ動力\(L_{comp}\)とエバポレータ吸熱量\(Q_{evap}\)との和で決まります。$$Q_{cond}=L_{comp}+Q_{evap}$$ヒートポンプサイクルのCOPは暖房性能\(Q_{cond}\)とコンプレッサ動力\(L_{comp}\)との比率で定義されるので$$COP=\frac{Q_{cond}}{L_{comp}}=\frac{L_{comp}+Q_{evap}}{L_{comp}}=1+\frac{Q_{evap}}{L_{comp}}≧1$$となり、COPがCOP≧1となることが説明できます。

COP>1になる理由を噛み砕いて説明すると、ヒートポンプサイクルの暖房性能はコンプレッサの動力(消費電力≠0)とエバポレータで外気から汲み上げたエネルギー(消費電力=0)で決まるため、外気からタダでもらったエネルギーも暖房に利用できるからです。このタダでもらえるエネルギーが増えれば増えるほど、ヒートポンプサイクルのCOPは上がっていきます。

エバポレータ吸熱量を増やすためには

エバポレータ吸熱量\(Q_{evap}\)が増えるほど、COPも上がると説明しました。では、どうすれば\(Q_{evap}\)が増えるのか考えましょう。まず、\(Q_{evap}\)は伝熱工学の中の熱伝達という現象が起こることによって、外気から冷媒にエネルギーが移動します。$$Q_{evap}=h_{evap}\cdot A_{evap}\cdot (T_{amb}-T_{ref})$$ここで、\(h_{evap}[\mathrm{W/K/m^2}]\)はエバポレータ熱伝達率、\(A_{evap}[\mathrm{m^2}]\)は伝熱面積、\(T_{amb}[\mathrm{K}]\)は外気温度、\(T_{ref}[\mathrm{K}]\)は冷媒温度です。

したがって、\(Q_{evap}\)を大きくするためには、①熱伝達率\(h_{evap}\)を増やす、②伝熱面積\(A_{evap}\)を増やす、③外気温度\(T_{amb}\)が上がるの3つのパターンがあります。

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ヒーターはエネルギー変換機能しか持たないためCOP≦1

一方、ヒーターのCOPはCOP≦1にしかなりません。それは、ヒーターは電気エネルギーを熱エネルギーに変換しているに過ぎないからです。電気エネルギーが効率100%で熱エネルギーに変換されたとしてもCOP=1です。実際にはエネルギー変換ロスがあるため、ヒーターのCOPはCOP=0.8〜0.9になるのが一般的です。

したがって、ヒートポンプサイクルとヒーターではCOPの値がまったく異なります。特に、外気温度\(T_{amb}\)が高い環境下ではヒートポンプサイクルとヒーターのCOP差は拡大する傾向にあります。しかし、外気温度が氷点下などの低い環境下になると、エバポレータは外気から熱エネルギーを汲み上げられなくなってくるので、ヒーターとのCOP差は縮小していきます。

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簡単なバッテリモデルを作って考える

最後に、簡易的なバッテリモデルを作って考えます。

図3:バッテリ簡易モデル

図3は簡易的なバッテリと負荷が接続されたモデルです。バッテリには負荷\(P[\mathrm{W}]\)が掛かっていて、これがヒーターとヒートポンプサイクルのコンプレッサ動力に対応しています。バッテリからの持ち出し電流\(I[\mathrm{A}]\)は負荷\(P\)とバッテリ電圧\(U\)から$$I=\frac{P}{U}$$と求まります。

さらに、バッテリ残量\(SOC[-]\)は$$\frac{d(SOC)}{dt}=\frac{I}{C_p}$$$$SOC=\int\frac{I}{C_p}dt+SOC_{ini}$$となります。ここで、\(C_p[\mathrm{Ah}]\)は電池容量、\(SOC[-]\)はState of Chargeの略でバッテリの残量を表します。

ヒートポンプサイクルの場合

ヒートポンプの\(COP\)を\(COP_{HP}\)とすると、コンプレッサの消費電力\(P_{HP}[\mathrm{W}]\)は$$P_{HP}=\frac{Q_{HP}}{COP_{HP}}$$となります。ここで、\(Q_{HP}[\mathrm{W}]\)はヒートポンプサイクルの暖房能力です。

したがって、ヒートポンプサイクルのコンプレッサが消費する電流\(I_{HP}[\mathrm{A}]\)は$$I_{HP}=\frac{1}{COP_{HP}}\cdot\frac{Q_{HP}}{U}$$

ヒーターの場合

ヒーターの場合もヒートポンプサイクルと同じ要領で計算できます。ヒーターが消費する電流\(I_{Heater}[\mathrm{A}]\)は$$I_{Heater}=\frac{1}{COP_{Heater}}\cdot\frac{Q_{Heater}}{U}$$となります。\(Q_{Heater}[\mathrm{W}]\)はヒーターの暖房能力、\(COP_{Heater}[\mathrm{-}]\)はヒーターの\(COP\)です。

ヒートポンプサイクルとヒーターの消費電力を比較

ヒートポンプサイクルとヒーターの消費電力を比較します。比較を簡単にするために両方の暖房能力を同じ\(Q_{HP}=Q_{Heater}=Q\)とします。すると$$I_{HP}=\frac{1}{COP_{HP}}\cdot\frac{Q}{U}$$$$I_{Heater}=\frac{1}{COP_{Heater}}\cdot\frac{Q}{U}$$と書けます。両辺を割ると$$I_{HP}=\frac{COP_{Heater}}{COP_{HP}}\cdot I_{Heater}$$したがって、ヒートポンプサイクルの\(COP\)が高くなればなるほど、同じ暖房能力を出すための消費電流がヒーターよりも減少することが示せました。

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まとめ

ヒートポンプサイクルとヒーターで比較

COPに着目して、ヒートポンプサイクルとヒーターの差の理由について解説しました。要旨を以下にまとめます。

• ヒートポンプサイクルは外気から動力を使わず、エバポレータから熱エネルギーを汲み上げられるのでCOP>1となり、電気自動車の航続距離を延ばすことができる

• 外気温度が高いほど、外から汲み上げられる熱量が増加するためCOPは高くなり、外気温度が低いほど、COPは低くなる傾向がある

• ヒーターは電気エネルギーを熱エネルギーに変換しているだけなのでCOP≦1であり、ヒートポンプサイクルより航続距離は短くなってしまう

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