二重加熱CO₂ヒートポンプ、EVの寒中性能を革新
電気自動車（EV）の普及に伴い、冬場の航続距離の大幅な低下という課題が顕在化している。内燃機関車がエンジンの排熱を利用して暖房を賄うのに対し、EVは暖房用のエネルギーをすべてバッテリーから供給しなければならない。このため、特に低温環境下では、暖房に大量の電力を消費し、実用航続距離が大きく損なわれる。この「航続距離不安」は、寒冷地でのEV普及を妨げる大きな壁となっている。
現在、多くのEVは正温度係数（PTC）ヒーターを暖房に使用している。PTCヒーターは電気エネルギーを直接熱エネルギーに変換するため、その性能係数（COP）は常に1以下となる。つまり、消費する電力よりも少ない熱しか生み出せない、極めて非効率な装置である。この非効率性が、航続距離を削る主な要因の一つだ。この問題を解決する鍵は、ヒートポンプ技術にある。ヒートポンプは、外気から熱を「ポンプ」で汲み上げ、室内に供給する仕組みだ。このプロセスは、熱を「生成」するのではなく「移動」するため、理論上はCOP1を超える効率を実現できる。例えば、COP3のヒートポンプは、1kWhの電力で3kWhの熱を生み出すことができる。これは、航続距離を大幅に延ばす可能性を秘めた技術である。
しかし、ヒートポンプの性能は使用する冷媒に大きく依存する。環境規制の強化により、従来の冷媒R134aやその代替品R1234yfは、低温環境下での暖房性能が十分でないという課題を抱えている。この中で、二酸化炭素（CO₂、R744）が次世代冷媒として注目されている。CO₂は天然由来の物質で、毒性がなく、可燃性も低く、何より地球温暖化係数（GWP）が1と極めて環境に優しい。さらに、CO₂は超臨界サイクルで動作するため、低温環境下でも高い暖房能力を維持できるという特長を持つ。これらの理由から、CO₂ヒートポンプは、寒冷地仕様EVの心臓部としての地位を確立しつつある。
従来の研究や実用化されたシステムの多くは、ヒートポンプの恩恵を「乗員室の暖房」に限定して考えてきた。しかし、EVにとってもう一つの重要な熱管理対象が存在する。それが、高電圧バッテリーパックである。リチウムイオン電池は低温に極めて弱い。研究によると、-10℃の環境で2C（2時間で満充電分を放電する速度）で放電すると、その容量は定格容量の半分以下にまで低下する。これは、動力性能の低下だけでなく、航続距離のさらなる短縮を意味する。一方で、高温環境ではバッテリーの劣化が加速する。したがって、バッテリーを20℃～40℃の最適温度帯に保つことが、EVの性能、寿命、安全性を確保する上で不可欠である。従来は、バッテリーの暖房にもPTCヒーターが使われてきたが、これではバッテリーからの電力消費が二重に発生し、ヒートポンプによる節電効果を相殺してしまう。
この「二重の課題」を一挙に解決する画期的な研究が、上汽大衆自動車有限公司（SAIC Volkswagen Automotive Company）の武悦博士によって発表された。中国の学術誌『中国制冷技術（Chinese Journal of Refrigeration Technology）』に掲載されたその研究（doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.02.204）は、「二重加熱CO₂ヒートポンプシステム」の開発と性能評価について詳述している。このシステムの最大の特徴は、一つのCO₂ヒートポンプサイクルを用いて、乗員室とバッテリーの両方を同時に加熱できる点にある。これは、従来の「片思い」的な熱管理から、EV全体の「統合型熱管理」へのパラダイムシフトを示している。
武博士のシステムは、図2に示されるように、圧縮機から出た高温高圧のCO₂ガスを、室内ヒートエキスチェンジャー（乗員室加熱用）とプレート式熱交換器（バッテリー加熱用）の並列に接続された二つのルートに分岐させる。一つ目のルートでは、CO₂が室内ユニット内のエキスチェンジャーで放熱し、室内空気を温める。二つ目のルートでは、CO₂がプレート式熱交換器で放熱し、その熱をバッテリーの冷却液回路に移すことで、バッテリーを温める。この並列構成により、ヒートポンプが回収した高品位な熱を、乗員とバッテリーの両方に有効活用できる。
このシステムの肝は、その精密な制御にある。システムには、4つの電子式膨張弁（EXV）が配置されており、これが熱の分配を細かく調整する役割を果たす。一つは「空気熱交換ルート節流弁」で、室内ヒートエキスチェンジャーへの冷媒流量を制御し、乗員室の暖房量を調整する。もう一つは「総路節流弁」で、システム全体の冷媒流量と圧力を制御する。残りの二つは「水熱交換ルート前節流弁」と「水熱交換ルート後節流弁」で、バッテリー側のプレート式熱交換器への流量と、その前後の圧力を制御する。この4つの弁の組み合わせにより、システムは実に柔軟な制御が可能になる。
武博士らは、このシステムの性能を検証するため、実際の車両環境を模した実験装置を構築し、詳細な性能評価を実施した。その結果は、システムの優れた制御性と安定性を裏付けている。
まず、「空気熱交換ルート節流弁」の開度を変化させた実験では、開度が70%を超えると、室内暖房量が頭打ちになり、システム全体の暖房能力とCOPが低下することがわかった。これは、弁の開度が大きすぎると、冷媒が室内エキスチェンジャーに集中し、バッテリー側の流量が不足するため、全体としての熱回収効率が下がるためである。したがって、システム全体の効率を最大化するには、この弁の開度を70%以下に抑える必要がある。また、この弁の開度を調整することで、その下流にある蒸発器への入口圧力を制御でき、部品の保護にもつながる。
次に、「総路節流弁」の影響を調べた実験では、外気温-12℃の条件下で、この弁の開度が30%のときにシステムのCOPが最大になることが判明した。これは、システムの圧力や冷媒の過熱度が最適化され、圧縮機の効率が最も高くなる点を示している。このように、最適な運転点は環境条件に依存するため、リアルタイムで弁の開度を制御する高度なアルゴリズムが必要となる。
最も興味深い結果は、「水熱交換ルート」の二つの節流弁（前弁と後弁）を調整した実験から得られた。これらの弁の開度を変えることで、バッテリー側への冷媒流量を大きく変化させることができ、結果としてバッテリー加熱に割り当てる熱量の割合を自由に制御できる。例えば、実験では、バッテリー加熱の割合を52%から77%まで引き上げることができ、同時にシステムのCOPも2.1から3.1まで大幅に向上した。これは、水との熱交換が空気よりも効率的であるため、バッテリー加熱に多くの熱を割り当てることで、システム全体の効率が向上するという、非常に直感的で効果的なメカニズムである。
さらに重要なのは、システムの安定性に関する結果だ。実験では、プレート式熱交換器への冷却液の入口温度を-16℃から0℃まで変化させた。これは、冷たいバッテリーが徐々に温まっていく様子を再現したものである。この条件下で、システムの総暖房能力の変動は5%未満、COPの変動は8%未満と、非常に安定した性能を維持できた。これは、実際の走行中にバッテリー温度が変化しても、ヒートポンプシステムが安定して高効率で動作できることを意味しており、実用性の高さを強く示している。
この研究の意義は、技術的成果の域を超えている。まず、乗員室とバッテリーの両方を高効率で加熱できることにより、バッテリーからの電力消費を劇的に削減できる。これは、寒冷地での航続距離を大幅に延ばすことを意味し、消費者の「航続距離不安」を解消する直接的な手段となる。次に、CO₂を冷媒として使用することで、環境規制に完全に適合した、持続可能な技術である。世界的に見ても、CO₂ヒートポンプはテスラやBMW、フォルクスワーゲンなどの高級ブランドで採用が進んでおり、技術の信頼性が裏付けられている。
武博士の研究は、EVの設計思想にも深い示唆を与える。それは、「システム思考」の重要性だ。暖房、バッテリー管理、モーター冷却など、それぞれをバラバラのシステムとして考えるのではなく、これらを一つの「熱マネジメントネットワーク」として統合的に捉えることで、全体の効率を飛躍的に高めることができる。この二重加熱CO₂ヒートポンプは、まさにその象徴的な存在である。部品点数の削減、重量の軽減、制御の統合という点でも、車両設計の最適化に大きく貢献する。
将来的には、このシステムにさらなる知能が与えられる可能性がある。例えば、走行ルートの勾配や気象予報、バッテリーの充電状態（SOC）をAIが予測し、事前にバッテリーを最適な温度に保つ「先読み制御」が可能になる。また、モーターやパワーエレクトロニクスからの廃熱も回収し、ヒートポンプの熱源として活用する「廃熱回収システム」との統合も視野に入る。こうした進化を経て、EVは単なる「電動化された車」から、「知能的なエネルギー管理プラットフォーム」へと進化していくだろう。
結論として、上汽大衆自動車有限公司の武悦博士が開発した二重加熱CO₂ヒートポンプシステムは、EVの寒冷地性能における画期的なブレイクスルーである。単に暖房効率を上げるだけでなく、バッテリーという心臓部の健康を守り、航続距離という命綱を延ばす、総合的なソリューションを提供している。この研究は、EVが真に実用的で、信頼できるモビリティとして定着するための、重要な一歩を示している。電動化の波が世界を席巻する中、このような地味だが極めて重要な技術革新が、未来の自動車産業を支えていくのである。
二重加熱CO₂ヒートポンプシステムの性能研究、上汽大衆自動車有限公司 武悦、中国制冷技術（Chinese Journal of Refrigeration Technology）（doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.02.204）