低温環境でのEV航続距離、12.6%向上
中国の自動車メーカー、上汽通用五菱汽車（SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd.）のエンジニアチームが、寒冷地における電気自動車（EV）の航続距離を大幅に向上させる画期的な研究成果を発表した。この研究は、低温下でのEVの主要な課題である航続距離の短縮に焦点を当て、システム全体のエネルギー効率を最適化するアプローチを採用している。研究成果は、自動車工学分野の権威ある学術誌『Chinese Journal of Automotive Engineering』に掲載され、その実用性と科学的根拠の高さが認められた。
本研究の中心となるのは、熱ポンプシステムを搭載した小型EVを対象とした包括的なエネルギー流分析である。研究チームは、-7℃という厳しい低温環境下で、中国の新基準であるCLTC-P（China Light-Duty Vehicle Test Cycle—Passenger）走行サイクルを用いた実走行テストを実施した。このテストを通じて、車両が走行中にどのようにエネルギーを消費し、どこでエネルギーが失われているのかを詳細に可視化した。エネルギー流の分析は、EVの開発において極めて重要な手法であり、各部品やシステムのエネルギー効率を定量的に評価することで、無駄な消費を特定し、効果的な改善策を導き出すことができる。
初期のテストデータの分析から、いくつかの明確な改善ポイントが浮き彫りになった。まず、車両の走行抵抗、すなわち空気抵抗、タイヤの転がり抵抗、そしてブレーキの引きずり抵抗が、同クラスの車両と比較してやや高い水準にあることが判明した。これは、モーターの出力を車輪に伝える過程で、無駄なエネルギーが消費されていることを意味する。この問題に対処するため、研究チームは三つの具体的な改善策を提案した。第一に、ブレーキキャリパーの引きずり力を低減する低ドラッグキャリパーの採用。第二に、転がり抵抗が低い専用タイヤへの交換。第三に、車体やバッテリーシステムの軽量化による整備質量の削減である。これらの物理的な改善は、エネルギーの消費を直接的に削減するものであり、比較的直感的なアプローチと言える。
しかし、最も顕著な課題は、低温環境下でのバッテリーと熱管理システムにあった。低温では、リチウム鉄リン酸（LFP）バッテリーの内部抵抗が増加し、効率が低下する。テストでは、バッテリーの最低温度が0℃を下回ると、バッテリー管理システム（BMS）が回生ブレーキによる充電を完全にブロックしてしまうことが確認された。これは極めて重大な制限である。回生ブレーキは、EVの航続距離を延ばすために不可欠な技術であり、減速時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリーに充電する。しかし、バッテリーが冷たすぎると、この貴重なエネルギー回収のチャンスを完全に失ってしまう。初期の数サイクルでは、回生ブレーキが全く機能しない状態が続くため、航続距離は大きく損なわれることになる。
さらに、モーター自体も低温の影響を受ける。モーターの効率は温度とともに上昇し、50～70℃の範囲で最も高い効率を発揮する。テストでは、車両が冷たい状態から走行を始めると、モーターの温度が徐々に上昇するまで、効率が低い状態が続くことが分かった。この「冷モーター効率」の問題は、初期走行時のエネルギー損失をさらに増幅させる。
そして、最も驚くべき発見は、熱ポンプシステムの性能評価から得られた。熱ポンプは、従来のヒーター（抵抗ヒーター）よりもはるかに効率的に暖房を行うことが期待されるが、実際のテストではその性能が期待に届いていなかった。熱ポンプの性能を示す指標であるCOP（成績係数）は、理論上1以上であればヒーターを上回る効率となるが、実測値は約1という非常に低い水準にとどまっていた。これは、熱ポンプがヒーターとほぼ同等の効率しか発揮できていないことを意味し、非常に非効率的な運用が行われていることを示している。原因として、外気熱交換器の熱交換能力が不足していることや、コンプレッサーの制御が最適化されていないことが挙げられた。
これらの複雑な課題を体系的に解決するため、研究チームは高度なシミュレーションモデルの構築に着手した。プラットフォームとして、マルチドメイン物理シミュレーションソフトウェアのAMESimを採用し、バッテリー、モーター、減速機、熱管理システム、そして各種制御戦略を統合した詳細な車両モデルを構築した。このモデルの最大の特徴は、実際のテストデータで精密に「キャリブレーション」（較正）された点にある。シミュレーション結果と実際の走行テストデータ（バッテリーのSOC変化、モーター温度、航続距離など）を比較し、モデルのパラメータを調整することで、実際の車両挙動を99%以上の精度で再現することに成功した。この高精度なモデルが、信頼性の高いシミュレーションと予測の基盤となった。
この信頼できるシミュレーションモデルを用いて、研究チームは複数の最適化案を仮想的に検証した。まず、前述の走行抵抗低減案をモデルに適用したところ、航続距離が2.28%向上することが予測された。これは確実な改善だが、大きな飛躍とは言えない。
次に、回生ブレーキの制御戦略の根本的な見直しが行われた。第一の改善は、「E-boost」と呼ばれる電子制御ブレーキシステムの導入である。これにより、モーターの回生ブレーキと油圧ブレーキが完全に「解離」され、ドライバーがブレーキペダルを踏んだ際、モーターがその最大出力で回生を行うことが可能になる。これにより、回生ブレーキの効果が最大化される。第二の改善は、回生中のバッテリー加熱戦略である。モジュール内に埋め込まれた加熱フィルムを用いて、回生ブレーキで得られたエネルギーの一部を、バッテリー自体の加熱に使用する。これにより、バッテリーの温度が0℃に達するまでの時間が短縮され、早期から回生ブレーキが有効に機能するようになる。この二つの戦略を組み合わせたシミュレーションでは、回生エネルギーが1.27kWhから2.78kWhへと倍増し、航続距離が4.38%向上することが予測された。
しかし、最も劇的な効果をもたらしたのは、熱管理システムの最適化である。研究チームは、熱ポンプの制御ソフトウェアに三つの変更を加えた。第一に、外気熱交換器のファンをより長時間、より高速で回転させ、外気との熱交換量を増加。第二に、車内温度に応じてコンプレッサーの回転数を最適化し、暖房の立ち上がりを加速。第三に、システムの低圧側の圧力を調整し、外気熱交換器内の冷媒温度を下げることで、外気との温度差を広げ、熱の吸収能力を高めた。これらのソフトウェア制御の改善だけで、COPは1から1.9へと倍増し、コンプレッサーの消費電力が39%以上削減され、航続距離が6.94%向上することがシミュレーションで確認された。
さらなる飛躍を求めて、チームはハードウェアの変更も検討した。それは、熱ポンプの回路に「リカバリー管」（回熱管）を追加するという構造的変更である。これは、コンデンサー（室内熱交換器）を出た高温の冷媒が持つ余熱を利用して、コンプレッサーに入る前の冷媒を加熱するものである。この内部の熱回収により、熱ポンプサイクル全体の効率が向上し、シミュレーションでは航続距離が7.87%も向上することが示された。
最終的に、研究チームはこれらの最適化案を組み合わせた「複合最適化案」を策定した。走行抵抗の低減、回生ブレーキ制御の改善、バッテリー加熱、そして熱ポンプの制御最適化を同時に行うことで、シミュレーション上では理論的に18.14%の航続距離向上が可能となった。
この複合最適化案は、実際の車両に適用され、再び低温走行テストが行われた。その結果、理論値には届かなかったものの、実測で12.6%の航続距離向上、すなわち113kmから129.28kmへの飛躍的な改善が達成された。この数字は、寒冷地でのEVの実用性を大きく高めるものであり、消費者にとって非常に魅力的な成果である。
この研究の真の価値は、単に航続距離を延ばしたという結果以上のところにある。それは、EVの開発手法そのものを示している点である。従来のアプローチは、モーターの効率やバッテリーの容量といった個別の要素に注目しがちだった。しかし、本研究は「システム全体」を俯瞰し、バッテリー、モーター、熱管理、制御戦略が複雑に絡み合って航続距離に影響を与えていることを明確に示した。特に、熱管理システムが単なる「付属品」ではなく、航続距離を左右する「核心的なシステム」であることを再認識させた。
王福堅、謝佶宏、邵傑、蔡家康、唐逵、上汽通用五菱汽車株式会社、Chinese Journal of Automotive Engineering、DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.03.20