電気自動車のための効率的な空調システムとヒートポンプの設計

本ブログでは、Modelon Impactを使用した自動車用空調およびヒートポンプシステムの設計とシミュレーションに焦点を当て、エンジニアが電気自動車のエネルギー消費への影響を分析する方法を紹介します。

IA==

エアコンが電気自動車の消費電力と走行距離に与える影響

2020年に販売される自動車の99％がエアコンを搭載しています。夏には、エアコン（AC）に必要なエネルギーは、駆動に必要なエネルギーの5～15％の範囲になります。この消費電力は、内燃機関（以下ICE）搭載車では通常許容されますが、電気自動車（EV）では走行距離が同じ割合で短くなるため、より重要になります。冬の寒い時期、ドライバーはエアコンの代わりに暖房を使用します。ICEを搭載した自動車は、ICEからの廃熱を利用できるため、ほとんど何もしなくても車内を暖めることができます。しかし、EVにはこのような熱源が存在しないため、バッテリーからの電力を電気抵抗器を使って直接電気暖房に使用すると、走行距離は簡単に30％以上短くなってしまいます。幸い、エアコンをヒートポンプとして作動させれば、エネルギー消費と走行距離の減少幅はかなり抑えられます。では、夏場のエアコンはどのように機能し、同じシステムを冬場にヒートポンプ・モードで作動させ、バッテリーからのエネルギーを効率的に利用するにはどうすればよいのでしょうか？

空調システムのコンポーネントのモデル化

基本的なACシステムの4つの主要コンポーネントは、以下の図1に示すように、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、蒸発器です。これと同じ基本システムをEVにも使用することができます。その他のコンポーネントには、パイプ、バルブ、センサー、相分離器などがあります。図1のモデルは、Modelon Impactに組み込みのエアコン・ライブラリのコンポーネントを使用して構築されています。サイクルはlog(p),hダイアグラムで可視化でき、1～4から反時計回りに進みます：

• 1 → 2：コンプレッサーが冷媒蒸気を低圧から高圧にする。
• 2 → 3：凝縮器で、冷媒は蒸気から液体に相変化する。
• 3 → 4：膨張弁で高圧の液体を低圧に減圧する。
• 4 → 1：蒸発器で、冷媒は再び液相または二相から飽和蒸気に相変化する

コンプレッサーはモーターによって直接または間接的に駆動され、エネルギーを消費する。凝縮時には、熱エネルギーまたは熱が冷媒サイクルから空気に放出され、空気を暖めます。蒸発時には、熱が空気から冷媒に移動し、空気を冷却します。

夏のエアコンモードでは、室内熱交換器は蒸発器として作動し、車内を冷却します。冬のヒートポンプ・モードでは、室内機は凝縮器として運転され、車内の空気を暖めます。

ヒートポンプモードでは、熱としてキャビンに伝わる熱エネルギーとコンプレッサーを駆動するエネルギーの比率は、性能係数（COP）としても知られている。COP値は最大で係数5となるため、バッテリーから1kWhの電気を供給すると、車室内に5kWhの熱が発生することになります。一方、電気による直接暖房では、1kWhの電気からおよそ1kWhの熱が得られます。

夏でも冬でもシステムをより効率的に（あるいはより柔軟に）するには、内部熱交換器や、複数の蒸発器／室内熱交換器を並列に配置して制御する方法があります。モデロンインパクトには、自動車用熱交換器、コンプレッサー、バルブ、パイプ、分岐、ジョイント、センサー、制御装置など、このような高度な熱システムに必要なコンポーネントがすべて含まれています。これらのコンポーネントは、パッケージとサブパッケージに編成されています。Modelon Impactの空調ライブラリのトップレベル構造を図2に示します。.

コンポーネント内部では、いくつかの相関関係が利用可能です。例えば、熱伝導と圧力損失の計算では、単純な演算点ベースの相関関係から、幾何学的な詳細を考慮した高精度で経験的な相関関係まで、さまざまな相関関係が利用できます。あらかじめ定義されたトポロジーを持つ典型的なサイクルのテンプレートが用意されており、さまざまな熱交換器やコンプレッサーを使用したサイクルの迅速なテストが可能です。コンポーネントテストベンチも提供され、コンポーネントの設計、最適化、較正をサポートします。

Modelon Impactのすべてのモデルは、長年にわたって業界でテストされており、ユーザがモデルを理解し、実装の正しさを検証できるように、ほとんどすべてのModelicaコードを可視化したドキュメントが含まれています。

効率を最大化する努力と法規制への対応の両方によって推進されているもう一つの研究により、作動流体の効率的な選択が可能となっています。R1234yf、R134a、CO2 などの冷媒の流体特性は容易に入手可能で、さらに多くの流体を追加することができます。

EVは、空調サイクルに、バッテリーの熱管理やエネルギー消費と走行距離への影響という新たな要求をもたらします。Modelon Impactの空調ライブラリは、他のモデロンのライブラリと組み合わせて、統合された熱管理アプリケーションに利用することができます。例えば、複雑な冷却ネットワークは、液体冷却ライブラリを使用して効率的にモデル化し、蒸気サイクルシステムと組み合わせることができます。下の図3は、モデロンの空調ライブラリでモデル化された冷媒サイクルと、液冷ライブラリでモデル化されたバッテリ冷却回路を組み合わせたもので、バッテリ温度がコンプレッサの制御信号として使用されています。

Modelon Impactでの空調性能シミュレーション

物理モデルのベースラインが構築されたら、動的条件下での動作をシミュレーションし、エネルギー消費量を把握することができます。このようなシミュレーションの結果を図4に示します。その他の境界条件としては、WLTPのような標準化されたドライブサイクルがよく使用されます。

コンプレッサー出力をシミュレーション時間にわたって積分することで、図4の一番下の図に示すように、累積エネルギー消費量の結果が得られます。次に、パラメータスイープを実行することで、主要な設計パラメータがコンプレッサーの出力やその他の主要な性能指標に与える影響を調べることができます。

Modelon Impactでは、パラメータスイープは、図5のchargeSPパラメータに示すようにパラメータダイアログの選択肢(choices)演算子を使用して定義します。

サイクル内の冷媒が増えると、蒸発温度と凝縮温度が変化し、必要なコンプレッサー出力も変化します。下の図6では、6つの異なる充填量をシミュレートし、その結果のコンプレッサーパワーをプロットしています。

結果プロットまたはp,hダイアグラムとして結果を視覚化することに加えて、Modelon Impactには、図7に示すように、主要な結果変数をキャンバス上に直接表示するstichie（付箋）の概念があります。値の表示は、結果ブラウザーの小さな目のアイコンを使用して追加または削除することができます。付箋はパラメータにも使用できるため、詳細なパラメータダイアログや広範なシミュレーション結果を掘り下げなくても、主要な入力と結果をユーザーに示すモデルを準備することができます。異なる付箋は、大きなオレンジの目のアイコンを使って、ビューとして保存することができます。このようにして準備されたモデルは、同僚と共有したり、ウェブアプリとしてエクスポートして、明確に定義されたシミュレーションやパラメータ変更を実行することができます。

結論

Modelon Impactは、複雑な熱管理、ヒートポンプ、およびエアコンシステムのモデリングを可能にします。エンジニアは、システムのバリエーションを迅速に構築し、エネルギー消費に関する駆動サイクルや周囲条件のような動的境界条件下でのシステム挙動を解析することができます。この電気自動車の車内暖房の応用例では、冬季に蒸気圧縮サイクルをヒートポンプとして動作させることで、エネルギー効率を劇的に改善させ、寒冷な環境で走行距離を非常に改善することができました。

IA==Request a Demo in Modelon ImpactIA==