電気駆動車両
【課題】ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの主電源装置が万が一使用できなくなった場合にも応急的に走行可能な予備電源装置を備えた電気駆動車両の提供。
【解決手段】車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましく、前記第二の電源は、溶融塩電池であることが好ましい。
【解決手段】車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましく、前記第二の電源は、溶融塩電池であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気自動車、蓄電駆動式電車等、2次電池により駆動する電気駆動車両に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境問題への関心の高まりにより、排出ガス等が問題となる化石燃料に替えて電気エネルギーを利用して駆動する電気自動車、蓄電駆動式電車等が注目されている。これら電気自動車、蓄電駆動式電車など2次電池のみで駆動している車両では、一般的にニッケル水素電池やリチウムイオン電池が使用されている(例えば、特許文献1等)。
【0003】
しかしながら、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池は温度が高くなると使用できなくなるなど、管理が難しいという問題がある。また、2次電池のエネルギー容量や車載スペース、費用などの関係から、車載される駆動用電池の容量が制限されているが、電気駆動車両用の給電設備は十分には普及されておらず、ガソリンスタンドのようにどこにでもある状態には至っていない。
【0004】
このため、使用環境や走行条件などにより予想以上に放電が早くなったり、何らかの異状により停止したりしてしまった場合に、充電器のある自宅や充電設備を備えた施設にたどり着く前にいわゆる電欠を起こす可能性がある。また、リチウムイオン電池は、トラブルが発生した場合に発熱が進行して熱暴走することがあり、更には爆発等を起こす危険性もある。
【0005】
尚、自走式の鉄道車両には、主要電池の不具合時を想定しリチウムイオン電池を2群備えたものもあるが、リチウムイオン電池は満充電状態を長期に保った場合寿命の劣化が激しいなど応急用として適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2011−108372号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの主要電池が万が一使用できなくなった場合にも応急的に走行可能な予備電源を備えた電気駆動車両を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意探求を重ねた結果、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を主電源装置とし、充電状態の長期保存性に優れた溶融塩電池を前記主電源装置使用不可時に使用する予備電源装置として搭載することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成を備える。
【0009】
(1)車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、
更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。
(2)前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする上記(1)に記載の電気駆動車両。
(3)前記第二の電源は、溶融塩電池であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の電気駆動車両。
(4)前記溶融塩電池は、電解質として少なくともNaFSA及びKFSAを含んでいることを特徴とする上記(3)に記載の電気駆動車両。
(5)前記第二の電源は電気ヒータを備え、前記第一の電源により前記電気ヒータを作動させ、第二の電源を昇温させて起動させることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか一に記載の電気駆動車両。
(6)前記第二の電源を昇温させて起動させるための熱エネルギーとして、前記第一の電源が発熱する熱を利用することを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか一に記載の電気駆動車両。
(7)前記第一の電源と前記第二の電源とを熱交換媒体で熱的に結合することによって第二の電源を起動させることを特徴とする上記(6)に記載の電気駆動車両。
【発明の効果】
【0010】
本発明により、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの主用電池を万が一使用することが出来なくなった場合にも、応急的に走行可能な電気駆動車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明に係る電気駆動車両の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明における予備電源装置の電気的構成例を表すブロック図である。
【図3】本発明における溶融塩電池の構成例を示す模式的斜視図である。
【図4】溶融塩電池ユニットの構成例を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明に係る電気駆動車両は、主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、更に、予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする。電気駆動車両が電気自動車の場合の例を図1に示す。
【0013】
図1において、主電源装置20(前記第一の電源)は車載用の蓄電装置であり、電気自動車2内に搭載されている。該主電源装置20としては、室温で動作する2次電池を用いる。主電源装置20には、使用者が操作することによって動作開始の指示等の指示を入力するための操作部21が信号線で接続されている。また、主電源装置20には、自動車2に搭載されたモータ等の負荷22が電力線で接続されている。通常の電気自動車はこのような構成を備えており、これにより使用者の指示通りに駆動する。
主電源装置20は電気駆動車両を走行させることが可能な蓄電装置であれば特に限定されないが、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等、室温で動作することが可能な2次電池であることが好ましい。
【0014】
本発明に係る電気駆動車両は、図1に示すように、前記主電源装置20に加え更に予備電源装置23(前記第二の電源)を備えており、該予備電源が、室温を超える温度でのみ動作することを特徴とする。該予備電源装置23としては、室温を超える温度でのみ動作するものが用いられる。このような室温より高い温度でのみ動作する電池としては、例えば、溶融塩電池、ドライポリマー全固体電池等が挙げられる。
予備電源装置23には、主電源装置20と同様に、使用者が操作することによって動作開始の指示等の指示を入力するための操作部21が信号線で接続されており、更に、電気自動車2に搭載されたモータ等の負荷22が電力線で接続されている。
【0015】
かかる予備電源装置23は、主電源装置20の残り容量が少なくなった場合、あるいは主電源装置20に何らかのトラブルが発生して主電源によって電気自動車を駆動させることが出来なくなった場合等に作動するものである。このため、主電源装置20の残り容量が少なくなったこと、あるいは主電源装置20が機能することが出来なくなったこと検知する手段を備えていることが好ましい。そして、該検知手段がこれらの事態を検知したことを操作部21に表示し、その場合に、予備電源装置23を作動させるための信号が操作部21から予備電源装置23に自動的に送られるようになっていてもよいし、使用者の操作により手動で送られるようになっていてもよい。
前述のように、予備電源装置23は操作部21、負荷22と接続されているため、主電源装置20が動作しなくなった場合にも、予備電源装置23が動作することにより、使用者の指示通りに電気駆動車両を駆動させることができる。
【0016】
前述のように、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源として、例えば溶融塩電池を用いることができる。溶融塩電池は電解質に溶融塩を用いた電池であり、溶融塩が溶融した状態で動作する。このため、溶融塩電池を動作させるためには、溶融塩電池内の温度を溶融塩の融点以上に保つように制御する必要がある。逆にいえば、溶融塩の融点以下では電解質が固体であるため、動作することがなく、通常の電池のように自然放電することがない。即ち、溶融塩電池は、一度充電しておけば溶融塩の融点以下の温度状態で長期間にわたって充電状態を保つことが出来る。このため溶融塩電池はメンテナンスが不要であり、予備電源装置として信頼性が高く最適なものである。
通常、溶融塩の融点は室温よりも高温であり、溶融塩電池は室温よりも高い温度で動作する。ここで、室温とは、加熱及び冷却のいずれも行われていない状態での温度であり、例えば1℃〜30℃程度である。このため、溶融塩電池装置には、溶融塩電池を加熱する機能が必要となる。
【0017】
本発明において前記予備電源装置23を加熱する手段は特に限定されないが、例えば、電気ヒータが挙げられる。この場合には、主電源装置20の残り容量が少なくなったことを前記の検知手段が検知した場合に、操作部21から手動あるいは自動で電気ヒータが作動するようにすることで、予備電源装置23を加熱し、溶融塩電池(第二の電源)を起動することができる。この場合には、電気ヒータは主電源装置20(第一の電源)の残り容量により作動させることができるが、主電源装置20の残り容量の温存のために、主電源装置20から負荷22への電力供給を遮断することが好ましい。
【0018】
図2に、本発明の電気駆動車両において溶融塩電池を予備電源装置23として用いた場合の電気的構成を表すブロック図を示す。
予備電源装置23は、複数の溶融塩電池31と、溶融塩電池31を加熱するための複数のヒータ32とを含んで構成された溶融塩電池ユニット3を備えている。また、複数のヒータ32は、電力を供給するために主電源装置20と電力線で接続されている。複数の溶融塩電池31及び予備電源装置23は、外部に対して電力を入出力する入出力回路42に電力線で接続されている。入出力回路42は、負荷22に接続されている。また、予備電源装置23は、予備電源装置23の動作を制御する制御部43を備え、制御部43は主電源装置20及び入出力回路42に接続されている。また制御部43には、操作部21からの信号を入力される信号入力部44と、溶融塩電池ユニット3内の温度を測定する温度センサ45とが接続されている。
【0019】
図3は、溶融塩電池31の構成を示す模式的斜視図である。溶融塩電池31は、直方体の箱状の電池容器316内に、矩形板状の正極311、シート状のセパレータ313及び矩形板状の負極312を並べて配置してある。図3中には、電池容器316の外形を破線で示している。正極311、セパレータ313及び負極312は、重ねられ、電池容器316の底面に対して縦に配置されている。
【0020】
正極311は、矩形板状の集電体上にNaCrO2等の正極活物質を含む正極材を塗布して形成してあり、負極312は、矩形板状の集電体上に、Sn(錫)等の負極活物質を含む負極材をメッキによって形成してある。セパレータ313は、ケイ酸ガラス又は樹脂等の絶縁性の材料で、内部に電解質を保持でき、また電荷のキャリアとなるイオンが通過できるような形状に形成されている。セパレータ313は、例えばガラスクロス又は多孔質の形状に形成された樹脂である。セパレータ313は正極311及び負極312の間を離隔すべく配置されており、正極311、負極312及びセパレータ313には、溶融塩からなる電解質が含浸されている。
【0021】
電解質は、溶融状態で導電性液体となる溶融塩である。融点を低下させるために、電解質は、複数種類の溶融塩が混合していることが望ましい。例えば、電解質は、ナトリウムイオンをカチオンとしFSA(ビスフルオロスルフォニルアミド)をアニオンとしたNaFSAと、カリウムイオンをカチオンとしFSAをアニオンとしたKFSAとの混合塩である。なお、電解質である溶融塩は、TFSA(ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド)又はFTA(フルオロトリフルオロメチルスルフォニルアミド)等の他のアニオンを含んでいてもよく、有機イオン等の他のカチオンを含んでいてもよい。このようなNaFSA/KFSA系の電解質を使用することで溶融温度を低くすることができる。例えば、NaFSAとKFSAとの比を56:44(モル%)とすることにより、融点を57℃とすることができる。
また、上記TFSAをアニオンとし、Cs(セシウム)をカチオンとする場合には、融点を更に低くすることができ、40℃程度にすることができる。
【0022】
正極311には、導電材製の正極用接続部材314が接続されており、負極312には、導電材製の負極用接続部材315が接続されている。正極用接続部材314及び負極用接続部材315は、夫々に、充放電を行うための図示しない端子に接続されている。端子は、他の溶融塩電池31又は入出力回路42に接続されている。なお、図3に示した溶融塩電池の構成は模式的な構成であり、溶融塩電池31内には、充放電時の正極311又は負極312の変形を抑制するための弾性部材等、図示しないその他の構成物が含まれていてもよい。また、図3には正極311及び負極312を一対備える形態を示したが、溶融塩電池31は、セパレータ313を間に介して複数の正極311及び負極312を交互に重ねてある形態であってもよい。また、溶融塩電池31の形状は直方体の形状に限るものではなく、円柱状等のその他の形状であってもよい。
【0023】
図4は、溶融塩電池ユニット3の構成を示す模式的斜視図である。四個の溶融塩電池31を直線状に並べて互いに直列に接続してあり、更に、直列に接続された四個の溶融塩電池31からなる一列を九列並行に並べて互いに並列に接続してある。即ち、溶融塩電池ユニット3には36個の溶融塩電池31が含まれる。互いに接続された複数の溶融塩電池31の両極は入出力回路42に接続されている。一列が四個の溶融塩電池31からなる九列の両端には、夫々に、矩形平板状のヒータ32が配置されている。ヒータ32は、溶融塩電池31の側面に接触して配置されている。更に、三列目と四列目との間にヒータ32が配置され、六列目と七列目との間にもヒータ32が配置されている。即ち、溶融塩電池ユニット3には四個のヒータ32が含まれており、一列目、三列目、四列目、六列目、七列目及び九列目に含まれる溶融塩電池31の夫々にヒータ32が接触している。夫々のヒータ32は主電源装置20に接続されている。ヒータ32は、ラバーヒータ又はセラミックヒータ等、電力を供給されることによって発熱する電熱ヒータである。ヒータ32は、主電源装置20から電力を供給されることにより発熱し、溶融塩電池ユニット3内の溶融塩電池31を加熱する。溶融塩電池ユニット3の全体は、断熱材33で覆われている。図4中には、断熱材33の外形を破線で示している。なお、図4に示した複数の溶融塩電池31の配置及び接続態様並びに複数のヒータ32の配置は一例であり、複数の溶融塩電池31の配置及び接続態様並びに複数のヒータ32の配置はその他の形態であってもよい。
【0024】
前述のように主電源装置20は、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の、室温で動作することが可能な二次電池からなる第一の電源である。入出力回路42は、複数の溶融塩電池31が放電する電流及び電圧を調整して、負荷22へ複数の溶融塩電池31からの電力を出力する回路である。
【0025】
制御部43は、演算を行う演算部並びに各種のデータ及びプログラムを記憶するメモリを含んで構成された電子回路である。信号入力部44は、操作部21に接続されたインタフェースであり、操作部21で入力された動作開始の指示等の指示を示す信号を入力される。制御部43は、信号入力部44で入力された指示に従って、主電源装置20及び入出力回路42を制御する。例えば、動作開始の指示が信号入力部44に入力された場合に、制御部43は、主電源装置20及び入出力回路42を動作させて、予備電源装置23の動作を開始させる。温度センサ45は、サーミスタ又は熱電対等でなり、断熱材33の内側に配置されている。制御部43は、温度センサ45が測定する溶融塩電池ユニット3内の温度に基づいて、主電源装置20から複数のヒータ32へ供給する電力を調整することにより、複数の溶融塩電池31の温度を制御する処理を行う。例えば、温度センサ45が測定する温度が所定の温度を超過した場合は、制御部43は、主電源装置20に複数のヒータ32への電力供給を停止させる処理を行う。
【0026】
次に、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源として、溶融塩電池を用いた予備電源装置23の動作を説明する。自動車2が移動している場合等、予備電源装置23が動作している間は、主電源装置20は複数のヒータ32へ電力を供給し、複数のヒータ32は複数の溶融塩電池31を加熱する。制御部43は、温度センサ45が測定する温度に基づいて、夫々の溶融塩電池31内の温度が電解質として用いている溶融塩の融点以上に維持されるように、主電源装置20から複数のヒータ32への供給電力を制御する。複数の溶融塩電池31は充放電を行い、入出力回路42は電力を適宜入出力する。
【0027】
自動車2が駐車した場合等、予備電源装置23が停止した場合は、複数の溶融塩電池31の充放電が停止し、また、主電源装置20からの複数のヒータ32への電力供給も停止する。複数のヒータ32は加熱を停止し、複数の溶融塩電池31の温度は溶融塩の融点未満の室温まで低下する。溶融塩電池31内の温度が室温まで低下した後は、溶融塩は凝固して絶縁体となり、溶融塩電池31は動作不能となる。
【0028】
また、前記の通り本発明の電気駆動車両において予備電源装置23は、主電源装置20に異常が発生した場合等の緊急時にも使用できるものである。通常、主電源装置20には組電池が用いられるが、その一つに異常が発生した場合であっても全体が機能しなくなってしまう。特に、自走式の鉄道車両は予期せぬ事態により停止してしまうと、移動させるのが非常に困難である。これに対し、本発明の電気駆動車両は主電源装置20が機能しなくなってしまった場合であっても、予備電源装置23を備えていることにより応急的に走行させることが可能である。
【0029】
前記溶融塩電池の使用には塩の融点以上に昇温することが必要であるが、その昇温には上記のように主電源装置20の残りエネルギーを利用して昇温させる方法の外にも、主電源装置20(第一の電源)の温度上昇や熱暴走により発生する熱エネルギーをヒートパイプ等により予備電源装置23(第二の電源)に伝達し、その起動に利用することで、昇温機構の簡便化を図ることができる。
すなわち、主電源装置20が異常により停止するような事態にあっては、主電源装置が発熱して熱暴走していることが多く、この場合には、予備電源装置23を動作させるための加熱手段として、かかる主電源装置20からの熱エネルギーを利用することができる。このためには、前述のように主電源装置20に異常が発生したことを検知手段が検知した場合に、主電源装置20と予備電源装置23とをヒートパイプ等の熱交換媒体により熱的に結合し、主電源装置20から発生する熱を予備電源装置23に伝達して、溶融塩電池が起動するようにすればよい。かかる検知手段としては、例えば、主電源装置20の異常発熱を検出できるように温度センサを利用することができる。
【0030】
また、主電源装置20が熱暴走している場合には直ちにこれを冷却する必要があるが、前記のようにヒートパイプで熱を移動させることにより、予備電源装置23の加温だけでなく、主電源装置20の冷却も同時に行えるという効果がある。特に、リチウムイオン2次電池の場合には、異常時に熱暴走が進むと爆発する危険性もあり、早急に冷却することを要するため、本発明の構成は有効である。
【0031】
また、予備電源装置23の加熱手段は前述の手段に限られるものではなく、他にも例えば、ハイブリッド車の場合にはエンジンの排気熱を活用して加温する方法もあり、更に、クーラントやエンジンオイル、ATF、ブレーキフルード、車外からの熱湯の供給など、高温の液体を活用して加温することもできる。また、水と石灰の混合など化学反応により発熱させて加温することもできる。
【0032】
以上のように本発明によれば、電動車両向けに、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの主要電池が万が一使用できなくなった場合の不動状態の回避を安価、メンテナンスフリーで払拭できるようにする。即ち、電気駆動車両の主電源装置が残量不足に陥ったり、異常が発生して危険な状態に陥ったりした際にも、当該電気駆動車両を給電装置のある場所や安全な場所へ移動できる機能を備えた電気駆動車両を提供することができる。特に、溶融塩電池は、他の2次電池とは異なり温度を上げずに溶融塩が固体の状態であれば放電することがなく、数年間は充電状態が良好に保たれるため、メンテナンスが不要という点で有利である。
【符号の説明】
【0033】
2 電気自動車
20 主電源装置
21 操作部
22 負荷
23 予備電源装置
3 溶融塩電池ユニット
31 溶融塩電池
32 ヒータ
42 入出力回路
43 制御部
44 信号入力部
45 温度センサ
311 正極
312 負極
313 セパレータ
314 正極用接続部材
315 負極用接続部材
316 電池容器
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気自動車、蓄電駆動式電車等、2次電池により駆動する電気駆動車両に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境問題への関心の高まりにより、排出ガス等が問題となる化石燃料に替えて電気エネルギーを利用して駆動する電気自動車、蓄電駆動式電車等が注目されている。これら電気自動車、蓄電駆動式電車など2次電池のみで駆動している車両では、一般的にニッケル水素電池やリチウムイオン電池が使用されている(例えば、特許文献1等)。
【0003】
しかしながら、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池は温度が高くなると使用できなくなるなど、管理が難しいという問題がある。また、2次電池のエネルギー容量や車載スペース、費用などの関係から、車載される駆動用電池の容量が制限されているが、電気駆動車両用の給電設備は十分には普及されておらず、ガソリンスタンドのようにどこにでもある状態には至っていない。
【0004】
このため、使用環境や走行条件などにより予想以上に放電が早くなったり、何らかの異状により停止したりしてしまった場合に、充電器のある自宅や充電設備を備えた施設にたどり着く前にいわゆる電欠を起こす可能性がある。また、リチウムイオン電池は、トラブルが発生した場合に発熱が進行して熱暴走することがあり、更には爆発等を起こす危険性もある。
【0005】
尚、自走式の鉄道車両には、主要電池の不具合時を想定しリチウムイオン電池を2群備えたものもあるが、リチウムイオン電池は満充電状態を長期に保った場合寿命の劣化が激しいなど応急用として適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2011−108372号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの主要電池が万が一使用できなくなった場合にも応急的に走行可能な予備電源を備えた電気駆動車両を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意探求を重ねた結果、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を主電源装置とし、充電状態の長期保存性に優れた溶融塩電池を前記主電源装置使用不可時に使用する予備電源装置として搭載することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成を備える。
【0009】
(1)車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、
更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。
(2)前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする上記(1)に記載の電気駆動車両。
(3)前記第二の電源は、溶融塩電池であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の電気駆動車両。
(4)前記溶融塩電池は、電解質として少なくともNaFSA及びKFSAを含んでいることを特徴とする上記(3)に記載の電気駆動車両。
(5)前記第二の電源は電気ヒータを備え、前記第一の電源により前記電気ヒータを作動させ、第二の電源を昇温させて起動させることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか一に記載の電気駆動車両。
(6)前記第二の電源を昇温させて起動させるための熱エネルギーとして、前記第一の電源が発熱する熱を利用することを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか一に記載の電気駆動車両。
(7)前記第一の電源と前記第二の電源とを熱交換媒体で熱的に結合することによって第二の電源を起動させることを特徴とする上記(6)に記載の電気駆動車両。
【発明の効果】
【0010】
本発明により、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの主用電池を万が一使用することが出来なくなった場合にも、応急的に走行可能な電気駆動車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明に係る電気駆動車両の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明における予備電源装置の電気的構成例を表すブロック図である。
【図3】本発明における溶融塩電池の構成例を示す模式的斜視図である。
【図4】溶融塩電池ユニットの構成例を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明に係る電気駆動車両は、主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、更に、予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする。電気駆動車両が電気自動車の場合の例を図1に示す。
【0013】
図1において、主電源装置20(前記第一の電源)は車載用の蓄電装置であり、電気自動車2内に搭載されている。該主電源装置20としては、室温で動作する2次電池を用いる。主電源装置20には、使用者が操作することによって動作開始の指示等の指示を入力するための操作部21が信号線で接続されている。また、主電源装置20には、自動車2に搭載されたモータ等の負荷22が電力線で接続されている。通常の電気自動車はこのような構成を備えており、これにより使用者の指示通りに駆動する。
主電源装置20は電気駆動車両を走行させることが可能な蓄電装置であれば特に限定されないが、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等、室温で動作することが可能な2次電池であることが好ましい。
【0014】
本発明に係る電気駆動車両は、図1に示すように、前記主電源装置20に加え更に予備電源装置23(前記第二の電源)を備えており、該予備電源が、室温を超える温度でのみ動作することを特徴とする。該予備電源装置23としては、室温を超える温度でのみ動作するものが用いられる。このような室温より高い温度でのみ動作する電池としては、例えば、溶融塩電池、ドライポリマー全固体電池等が挙げられる。
予備電源装置23には、主電源装置20と同様に、使用者が操作することによって動作開始の指示等の指示を入力するための操作部21が信号線で接続されており、更に、電気自動車2に搭載されたモータ等の負荷22が電力線で接続されている。
【0015】
かかる予備電源装置23は、主電源装置20の残り容量が少なくなった場合、あるいは主電源装置20に何らかのトラブルが発生して主電源によって電気自動車を駆動させることが出来なくなった場合等に作動するものである。このため、主電源装置20の残り容量が少なくなったこと、あるいは主電源装置20が機能することが出来なくなったこと検知する手段を備えていることが好ましい。そして、該検知手段がこれらの事態を検知したことを操作部21に表示し、その場合に、予備電源装置23を作動させるための信号が操作部21から予備電源装置23に自動的に送られるようになっていてもよいし、使用者の操作により手動で送られるようになっていてもよい。
前述のように、予備電源装置23は操作部21、負荷22と接続されているため、主電源装置20が動作しなくなった場合にも、予備電源装置23が動作することにより、使用者の指示通りに電気駆動車両を駆動させることができる。
【0016】
前述のように、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源として、例えば溶融塩電池を用いることができる。溶融塩電池は電解質に溶融塩を用いた電池であり、溶融塩が溶融した状態で動作する。このため、溶融塩電池を動作させるためには、溶融塩電池内の温度を溶融塩の融点以上に保つように制御する必要がある。逆にいえば、溶融塩の融点以下では電解質が固体であるため、動作することがなく、通常の電池のように自然放電することがない。即ち、溶融塩電池は、一度充電しておけば溶融塩の融点以下の温度状態で長期間にわたって充電状態を保つことが出来る。このため溶融塩電池はメンテナンスが不要であり、予備電源装置として信頼性が高く最適なものである。
通常、溶融塩の融点は室温よりも高温であり、溶融塩電池は室温よりも高い温度で動作する。ここで、室温とは、加熱及び冷却のいずれも行われていない状態での温度であり、例えば1℃〜30℃程度である。このため、溶融塩電池装置には、溶融塩電池を加熱する機能が必要となる。
【0017】
本発明において前記予備電源装置23を加熱する手段は特に限定されないが、例えば、電気ヒータが挙げられる。この場合には、主電源装置20の残り容量が少なくなったことを前記の検知手段が検知した場合に、操作部21から手動あるいは自動で電気ヒータが作動するようにすることで、予備電源装置23を加熱し、溶融塩電池(第二の電源)を起動することができる。この場合には、電気ヒータは主電源装置20(第一の電源)の残り容量により作動させることができるが、主電源装置20の残り容量の温存のために、主電源装置20から負荷22への電力供給を遮断することが好ましい。
【0018】
図2に、本発明の電気駆動車両において溶融塩電池を予備電源装置23として用いた場合の電気的構成を表すブロック図を示す。
予備電源装置23は、複数の溶融塩電池31と、溶融塩電池31を加熱するための複数のヒータ32とを含んで構成された溶融塩電池ユニット3を備えている。また、複数のヒータ32は、電力を供給するために主電源装置20と電力線で接続されている。複数の溶融塩電池31及び予備電源装置23は、外部に対して電力を入出力する入出力回路42に電力線で接続されている。入出力回路42は、負荷22に接続されている。また、予備電源装置23は、予備電源装置23の動作を制御する制御部43を備え、制御部43は主電源装置20及び入出力回路42に接続されている。また制御部43には、操作部21からの信号を入力される信号入力部44と、溶融塩電池ユニット3内の温度を測定する温度センサ45とが接続されている。
【0019】
図3は、溶融塩電池31の構成を示す模式的斜視図である。溶融塩電池31は、直方体の箱状の電池容器316内に、矩形板状の正極311、シート状のセパレータ313及び矩形板状の負極312を並べて配置してある。図3中には、電池容器316の外形を破線で示している。正極311、セパレータ313及び負極312は、重ねられ、電池容器316の底面に対して縦に配置されている。
【0020】
正極311は、矩形板状の集電体上にNaCrO2等の正極活物質を含む正極材を塗布して形成してあり、負極312は、矩形板状の集電体上に、Sn(錫)等の負極活物質を含む負極材をメッキによって形成してある。セパレータ313は、ケイ酸ガラス又は樹脂等の絶縁性の材料で、内部に電解質を保持でき、また電荷のキャリアとなるイオンが通過できるような形状に形成されている。セパレータ313は、例えばガラスクロス又は多孔質の形状に形成された樹脂である。セパレータ313は正極311及び負極312の間を離隔すべく配置されており、正極311、負極312及びセパレータ313には、溶融塩からなる電解質が含浸されている。
【0021】
電解質は、溶融状態で導電性液体となる溶融塩である。融点を低下させるために、電解質は、複数種類の溶融塩が混合していることが望ましい。例えば、電解質は、ナトリウムイオンをカチオンとしFSA(ビスフルオロスルフォニルアミド)をアニオンとしたNaFSAと、カリウムイオンをカチオンとしFSAをアニオンとしたKFSAとの混合塩である。なお、電解質である溶融塩は、TFSA(ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド)又はFTA(フルオロトリフルオロメチルスルフォニルアミド)等の他のアニオンを含んでいてもよく、有機イオン等の他のカチオンを含んでいてもよい。このようなNaFSA/KFSA系の電解質を使用することで溶融温度を低くすることができる。例えば、NaFSAとKFSAとの比を56:44(モル%)とすることにより、融点を57℃とすることができる。
また、上記TFSAをアニオンとし、Cs(セシウム)をカチオンとする場合には、融点を更に低くすることができ、40℃程度にすることができる。
【0022】
正極311には、導電材製の正極用接続部材314が接続されており、負極312には、導電材製の負極用接続部材315が接続されている。正極用接続部材314及び負極用接続部材315は、夫々に、充放電を行うための図示しない端子に接続されている。端子は、他の溶融塩電池31又は入出力回路42に接続されている。なお、図3に示した溶融塩電池の構成は模式的な構成であり、溶融塩電池31内には、充放電時の正極311又は負極312の変形を抑制するための弾性部材等、図示しないその他の構成物が含まれていてもよい。また、図3には正極311及び負極312を一対備える形態を示したが、溶融塩電池31は、セパレータ313を間に介して複数の正極311及び負極312を交互に重ねてある形態であってもよい。また、溶融塩電池31の形状は直方体の形状に限るものではなく、円柱状等のその他の形状であってもよい。
【0023】
図4は、溶融塩電池ユニット3の構成を示す模式的斜視図である。四個の溶融塩電池31を直線状に並べて互いに直列に接続してあり、更に、直列に接続された四個の溶融塩電池31からなる一列を九列並行に並べて互いに並列に接続してある。即ち、溶融塩電池ユニット3には36個の溶融塩電池31が含まれる。互いに接続された複数の溶融塩電池31の両極は入出力回路42に接続されている。一列が四個の溶融塩電池31からなる九列の両端には、夫々に、矩形平板状のヒータ32が配置されている。ヒータ32は、溶融塩電池31の側面に接触して配置されている。更に、三列目と四列目との間にヒータ32が配置され、六列目と七列目との間にもヒータ32が配置されている。即ち、溶融塩電池ユニット3には四個のヒータ32が含まれており、一列目、三列目、四列目、六列目、七列目及び九列目に含まれる溶融塩電池31の夫々にヒータ32が接触している。夫々のヒータ32は主電源装置20に接続されている。ヒータ32は、ラバーヒータ又はセラミックヒータ等、電力を供給されることによって発熱する電熱ヒータである。ヒータ32は、主電源装置20から電力を供給されることにより発熱し、溶融塩電池ユニット3内の溶融塩電池31を加熱する。溶融塩電池ユニット3の全体は、断熱材33で覆われている。図4中には、断熱材33の外形を破線で示している。なお、図4に示した複数の溶融塩電池31の配置及び接続態様並びに複数のヒータ32の配置は一例であり、複数の溶融塩電池31の配置及び接続態様並びに複数のヒータ32の配置はその他の形態であってもよい。
【0024】
前述のように主電源装置20は、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の、室温で動作することが可能な二次電池からなる第一の電源である。入出力回路42は、複数の溶融塩電池31が放電する電流及び電圧を調整して、負荷22へ複数の溶融塩電池31からの電力を出力する回路である。
【0025】
制御部43は、演算を行う演算部並びに各種のデータ及びプログラムを記憶するメモリを含んで構成された電子回路である。信号入力部44は、操作部21に接続されたインタフェースであり、操作部21で入力された動作開始の指示等の指示を示す信号を入力される。制御部43は、信号入力部44で入力された指示に従って、主電源装置20及び入出力回路42を制御する。例えば、動作開始の指示が信号入力部44に入力された場合に、制御部43は、主電源装置20及び入出力回路42を動作させて、予備電源装置23の動作を開始させる。温度センサ45は、サーミスタ又は熱電対等でなり、断熱材33の内側に配置されている。制御部43は、温度センサ45が測定する溶融塩電池ユニット3内の温度に基づいて、主電源装置20から複数のヒータ32へ供給する電力を調整することにより、複数の溶融塩電池31の温度を制御する処理を行う。例えば、温度センサ45が測定する温度が所定の温度を超過した場合は、制御部43は、主電源装置20に複数のヒータ32への電力供給を停止させる処理を行う。
【0026】
次に、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源として、溶融塩電池を用いた予備電源装置23の動作を説明する。自動車2が移動している場合等、予備電源装置23が動作している間は、主電源装置20は複数のヒータ32へ電力を供給し、複数のヒータ32は複数の溶融塩電池31を加熱する。制御部43は、温度センサ45が測定する温度に基づいて、夫々の溶融塩電池31内の温度が電解質として用いている溶融塩の融点以上に維持されるように、主電源装置20から複数のヒータ32への供給電力を制御する。複数の溶融塩電池31は充放電を行い、入出力回路42は電力を適宜入出力する。
【0027】
自動車2が駐車した場合等、予備電源装置23が停止した場合は、複数の溶融塩電池31の充放電が停止し、また、主電源装置20からの複数のヒータ32への電力供給も停止する。複数のヒータ32は加熱を停止し、複数の溶融塩電池31の温度は溶融塩の融点未満の室温まで低下する。溶融塩電池31内の温度が室温まで低下した後は、溶融塩は凝固して絶縁体となり、溶融塩電池31は動作不能となる。
【0028】
また、前記の通り本発明の電気駆動車両において予備電源装置23は、主電源装置20に異常が発生した場合等の緊急時にも使用できるものである。通常、主電源装置20には組電池が用いられるが、その一つに異常が発生した場合であっても全体が機能しなくなってしまう。特に、自走式の鉄道車両は予期せぬ事態により停止してしまうと、移動させるのが非常に困難である。これに対し、本発明の電気駆動車両は主電源装置20が機能しなくなってしまった場合であっても、予備電源装置23を備えていることにより応急的に走行させることが可能である。
【0029】
前記溶融塩電池の使用には塩の融点以上に昇温することが必要であるが、その昇温には上記のように主電源装置20の残りエネルギーを利用して昇温させる方法の外にも、主電源装置20(第一の電源)の温度上昇や熱暴走により発生する熱エネルギーをヒートパイプ等により予備電源装置23(第二の電源)に伝達し、その起動に利用することで、昇温機構の簡便化を図ることができる。
すなわち、主電源装置20が異常により停止するような事態にあっては、主電源装置が発熱して熱暴走していることが多く、この場合には、予備電源装置23を動作させるための加熱手段として、かかる主電源装置20からの熱エネルギーを利用することができる。このためには、前述のように主電源装置20に異常が発生したことを検知手段が検知した場合に、主電源装置20と予備電源装置23とをヒートパイプ等の熱交換媒体により熱的に結合し、主電源装置20から発生する熱を予備電源装置23に伝達して、溶融塩電池が起動するようにすればよい。かかる検知手段としては、例えば、主電源装置20の異常発熱を検出できるように温度センサを利用することができる。
【0030】
また、主電源装置20が熱暴走している場合には直ちにこれを冷却する必要があるが、前記のようにヒートパイプで熱を移動させることにより、予備電源装置23の加温だけでなく、主電源装置20の冷却も同時に行えるという効果がある。特に、リチウムイオン2次電池の場合には、異常時に熱暴走が進むと爆発する危険性もあり、早急に冷却することを要するため、本発明の構成は有効である。
【0031】
また、予備電源装置23の加熱手段は前述の手段に限られるものではなく、他にも例えば、ハイブリッド車の場合にはエンジンの排気熱を活用して加温する方法もあり、更に、クーラントやエンジンオイル、ATF、ブレーキフルード、車外からの熱湯の供給など、高温の液体を活用して加温することもできる。また、水と石灰の混合など化学反応により発熱させて加温することもできる。
【0032】
以上のように本発明によれば、電動車両向けに、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの主要電池が万が一使用できなくなった場合の不動状態の回避を安価、メンテナンスフリーで払拭できるようにする。即ち、電気駆動車両の主電源装置が残量不足に陥ったり、異常が発生して危険な状態に陥ったりした際にも、当該電気駆動車両を給電装置のある場所や安全な場所へ移動できる機能を備えた電気駆動車両を提供することができる。特に、溶融塩電池は、他の2次電池とは異なり温度を上げずに溶融塩が固体の状態であれば放電することがなく、数年間は充電状態が良好に保たれるため、メンテナンスが不要という点で有利である。
【符号の説明】
【0033】
2 電気自動車
20 主電源装置
21 操作部
22 負荷
23 予備電源装置
3 溶融塩電池ユニット
31 溶融塩電池
32 ヒータ
42 入出力回路
43 制御部
44 信号入力部
45 温度センサ
311 正極
312 負極
313 セパレータ
314 正極用接続部材
315 負極用接続部材
316 電池容器
【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、
更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。
【請求項2】
前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の電気駆動車両。
【請求項3】
前記第二の電源は、溶融塩電池であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気駆動車両。
【請求項4】
前記溶融塩電池は、電解質として少なくともNaFSA及びKFSAを含んでいることを特徴とする請求項3に記載の電気駆動車両。
【請求項5】
前記第二の電源は電気ヒータを備え、前記第一の電源により前記電気ヒータを作動させ、第二の電源を昇温させて起動させることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気駆動車両。
【請求項6】
前記第二の電源を昇温させて起動させるための熱エネルギーとして、前記第一の電源が発熱する熱を利用することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気駆動車両。
【請求項7】
前記第一の電源と前記第二の電源とを熱交換媒体で熱的に結合することによって第二の電源を起動させることを特徴とする請求項6に記載の電気駆動車両。
【請求項1】
車両駆動用の主電源として、室温にて動作する2次電池からなる第一の電源を備え、
更に、車両駆動用の予備電源として、室温を超える温度でのみ動作する第二の電源を備えていることを特徴とする電気駆動車両。
【請求項2】
前記第一の電源は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池からなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の電気駆動車両。
【請求項3】
前記第二の電源は、溶融塩電池であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気駆動車両。
【請求項4】
前記溶融塩電池は、電解質として少なくともNaFSA及びKFSAを含んでいることを特徴とする請求項3に記載の電気駆動車両。
【請求項5】
前記第二の電源は電気ヒータを備え、前記第一の電源により前記電気ヒータを作動させ、第二の電源を昇温させて起動させることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気駆動車両。
【請求項6】
前記第二の電源を昇温させて起動させるための熱エネルギーとして、前記第一の電源が発熱する熱を利用することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気駆動車両。
【請求項7】
前記第一の電源と前記第二の電源とを熱交換媒体で熱的に結合することによって第二の電源を起動させることを特徴とする請求項6に記載の電気駆動車両。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図2】
【図3】
【図4】
【公開番号】特開2013−99199(P2013−99199A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−242297(P2011−242297)
【出願日】平成23年11月4日(2011.11.4)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年11月4日(2011.11.4)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】
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