革新的複合材でEVダッシュボード温度低減、効率向上を実現

ドイツで電気自動車（EV）の普及が加速しています。フラウンホーファー構造耐久性・システム信頼性研究所（Fraunhofer LBF、ドイツ・ダルムシュタット）が7月に報告した通り、2017年のEV台数は93,000台とほぼ倍増。「EV販売をさらに伸ばすには、航続距離などの性能最適化だけでなく、乗員快適性の向上も必要です。その中には、車室内での合理的で顧客志向の熱管理も含まれます」とFraunhofer LBFのOPTEMUS研究プロジェクト責任者Paul Becker氏。

OPTEMUSプロジェクト

大規模企業チームによって支援されるEU資金援助プロジェクトOPTEMUSは、電気自動車（EV）普及の最大障壁の一つ――電気バッテリーの限られた蓄電容量による航続距離制約――の克服を目指します。2015年6月開始、翌2月終了予定。革新的コア技術と補完技術をインテリジェント制御と組み合わせて開発することを意図しています。

デモンストレーターはAセグメントEV（フィアット500e）。この実機プロトタイプと、以下に列挙する技術のバーチャルプロトタイピングを組み合わせ、以下の目標を実証：

• コンポーネント冷却で最低32%エネルギー消費削減、乗員快適で60%削減
• 走行用に追加15%エネルギー削減
• エネルギー削減により、極端気象条件下で航続距離増加：高温環境で44km以上（38%）、低温環境で63km以上（70%）

複合材を相変化材料（PCM）として活用

相変化材料（PCM）は10年以上前から建築、電子機器、そして自動車向けに開発されてきました。PCMは特定温度で融解・凝固し、この相変化時に大量のエネルギーを蓄積・放出できる材料。固体-気体、液体-気体PCMも研究されています。PCMは有機・無機化合物の可能性がありますが、通常導電性フィラーを含み、ここでグラファイトが登場。他のPCMではカーボンナノチューブ（CNT）を使用。

Fraunhofer LBF研究者は、ホウ化窒素やグラファイトなど異なるキャリア材料とフィラーで実験。最終的に、自動車内装で既に広く使用されているポリエチレンを基材とし、グラファイトをフィラーとした基材に決定。グラファイトにより、複合材に優れた熱伝導率と迅速な放熱、優れた蓄熱性を付与。

スマートカバーパネルでの実証

グラファイト/PE複合材PCMの作動原理は、OPTEMUSの「スマートカバーパネル」部分で完了。新材料のメリットを実証するため、フィアット500eプロトタイプのダッシュボードに組み込み、加熱・冷却サイクルを実施。冷却はペルチェ素子（電気熱変換素子）で提供、さらに外部ファンで冷却。ペルチェ素子とEVラジエーターのエネルギーは、太陽電池で駆動する追加12Vバッテリーから供給。

LBF研究者は、加熱と冷却間の相転移時に放出されるエネルギーを利用し、ペルチェ素子を一定期間のみ作動。ファンが常時最大出力で稼働しないように制御。冷却システムは材料内温度と適切な制御で連動。Fraunhoferは電子部品の寿命延長に寄与すると考えています。スマートカバーパネルは実際には日光自体で制御されるため、冷却は猛暑日のみ開始、冬季は暖かさをダッシュボードに保持。

Fraunhofer LBFの新複合材PCMを、従来ダッシュボードで使用されるポリプロピレン・タルク化合物と実験比較。1200 W/m²の放射電力で1000秒曝露後、試験片表面の温度差は約41℃、これは46%の温度低減に相当。