(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池を収容する電池収容体と、
電池収容体の表面に熱媒体が直接または間接的に接触されるように形成され、熱媒体を凝縮させて、前記電池収容体を伝熱により加熱する凝縮器と、
この凝縮器において凝縮した熱媒体を加熱蒸発する蒸発器と、
この蒸発器の加熱を制御して、前記蒸発器における熱媒体の温度および圧力を、前記凝縮器における熱媒体の凝縮温度が電池の加熱目標温度になるように制御する制御装置と、
を含み、
蒸発器で蒸発した気体の熱媒体を前記凝縮器に循環する電池加温装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池加温装置において、
前記凝縮器は、前記電池収容体の表面に前記熱媒体が直接接触されるように形成されている、電池加温装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電池加温装置において、
前記電池収容体は、電池収容孔を有し、この電池収容孔内に前記電池が収容される、電池加温装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電池加温装置において、
前記電池収容孔は、前記電池収容体を貫通している、電池加温装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電池加温装置において、
前記電池収容孔の内表面と、前記電池の外表面は、直接接触しているか、または熱伝導性のよい材料を介して接触している、電池加温装置。
【請求項６】
請求項３に記載の電池加温装置において、
前記電池収容孔を取り囲むようにして、前記電池収容体中に前記熱媒体の通路が形成され、この通路内において前記熱媒体が凝縮される、電池加温装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の電池加温装置において、
前記熱媒体は、水である電池加温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を、熱媒体の凝縮熱によって加熱する電池の加温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両などの移動体では、電池を搭載し、その電池のエネルギーを車両の走行などに利用している。ここで、この電池は、そのエネルギーの出力効率などが温度の影響を受ける。特に、低温では電池内部の電解液の粘性や、反応抵抗が上昇するため、十分な出力が得られず、一方温度が高すぎると電池の構成物質に悪影響が出る場合もある。そこで、電池の温度管理が重要になる。
【０００３】
特許文献１では、水冷エンジンに循環される熱媒体を循環する熱交換器を設け、この熱交換器で電池を暖機する。また、特許文献２では、発電機の出力でモータを駆動する電気配線における発熱（ジュール熱）で電池を加温することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０６３６号公報
【特許文献２】特開２００８−２３０５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、低温時の電池の性能はかなり低くなるため、電池の加温は、なるべく高速に行いたいという要求がある。配線における発熱を利用する場合、そのエネルギーをそれだけ無駄に消費することになる。また、従来の熱交換器では、高速の加熱は難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電池加温装置は、電池を収容する電池収容体と、電池収容体の表面に熱媒体が直接または間接的に接触されるように形成され、熱媒体を凝縮させて、前記電池収容体を伝熱により加熱する凝縮器と、この凝縮器において凝縮した熱媒体を加熱蒸発する蒸発器と、この蒸発器の加熱を制御して、前記蒸発器における熱媒体の温度および圧力を、前記凝縮器における熱媒体の凝縮温度が電池の加熱目標温度になるように制御する制御装置と、を含み、蒸発器で蒸発した気体の熱媒体を前記凝縮器に循環する。
【０００７】
また、前記凝縮器は、前記電池収容体の表面に前記熱媒体が直接接触されるように形成されていることが好適である。
【０００８】
また、前記熱媒体は、水であることが好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱媒体の凝縮熱を用い、電池を効果的に加温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る電池加温装置の概略構成を示す図である。
【図２】電池収容体の構成例を示す図である。
【図３】各種熱媒体による加温特性を示す図である。
【図４】各種熱媒体の顕熱損失を示す図である。
【図５】各種熱媒体の熱伝達率を示す図である。
【図６】冷却加温システムの構成を示す図である。
【図７】昇温モードを説明する図である。
【図８】冷却モードを説明する図である。
【図９】吸着器再生モードを説明する図である。
【図１０】電池冷却の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、実施形態に係る電池の加温装置の概略構成を示す図である。電池１０は、電池収容体１２に収容されている。この電池収容体１２の電池１０を収容している付近には、熱媒体通路が形成されており、この部分が凝縮器１４を構成している。この凝縮器１４には、蒸発器１６が接続されており、熱媒体が両者の間を循環する。また、蒸発器１６には、熱源１８が熱的に接続されており、熱源１８からの熱が蒸発器１６における熱媒体の蒸発に利用される。
【００１２】
熱源１８には、温度計２０、蒸発器１６には温度計２２、圧力計２４が設けられ、これらの検出結果は、制御装置２８に供給される。そして、制御装置２８は、熱源１８を制御して、熱源１８および蒸発器１６の温度および圧力を管理する。また、この例では、凝縮器１４から蒸発器１６に熱媒体が返送される経路に弁３０が設けられている。
【００１３】
ここで、電池１０は、二次電池であり、例えばリチウムイオン電池が採用される。リチウムイオン電池は、特に電解液の粘性が高く、低温時における内部抵抗が高くなり、低温における電力の入出力特性の劣化が大きい。このため、低温時には早急に加熱して十分な能力とする必要がある。なお、電池１０は、多数の電池セルから構成されており、例えば数Ｖ程度の電池セルを多数直列接続して数１００Ｖの出力を得る組電池である。
【００１４】
電池収容体１２は、例えば電池セルを１つずつ収容する収容孔を電池セルの本数分有している。なお、各電池セルは、互いに電気的に接続されているとともに、組電池としての外部出力端子にはケーブルが接続されており、全体として絶縁されている。
【００１５】
図２には、電池収容体１２の構成例が示されている。電池収容体１２は全体として直方体であり、これを貫通して複数の収容孔が一定間隔で設けられている。そして、この収容構内に電池セル１０ａが挿入されている。この例では、電池セル１０ａは円筒状のパッケージに入っており、このパッケージの周囲が収容孔に接触している。熱伝導をよくするためには、なるべく多くの面積で接触することが好ましく、収容孔内の電池セル１０ａ周面との間にエポキシ樹脂などを封入することも好適である。
【００１６】
そして、電池セル１０ａの周辺には、ドーナツ状の空間１４ａが設けられ、ここが凝縮器１４を構成している。すなわち、蒸発器１６からの熱媒体の蒸気（この例では水蒸気）がこの空間１４ａに導入され、その際の発生する凝縮熱によって、電池収容体１２を介し、電池セル１０ａが加熱され、電池１０が加熱される。
【００１７】
すなわち、凝縮器１４と蒸発器１６の内部は、これらを接続する管路を含め、熱媒体（この例では水、水蒸気）を循環する密閉空間を形成しており、蒸発器１６において蒸発された水蒸気が凝縮器１４にて電池１０によって冷却され、液体（水）になり、液体となった水が蒸発器１６に循環される。
【００１８】
蒸発器１６では、熱源１８からの熱によって水を蒸発する。蒸発器は、通常の熱交換器の構造を採用することができ、熱源からの熱によって熱媒体流路の熱媒体に作用させ、これを加熱蒸発させる。
【００１９】
熱源１８には、各種のものが考えられ、例えば車両に搭載された電動エアコンなどが利用される。電動エアコンは、凝縮器と、蒸発器を有するヒートポンプを有しコンプレッサによって熱媒体を加圧し凝縮器に供給するが、この凝縮器の排出側を閉じてここを高圧にすることによって、凝縮器を高温にできる。そこで、この凝縮器の熱を蒸発器１６に伝達することが可能である。熱源１８は、これに限らず、車載されているエンジン、ラジエターなど発熱源を利用することができ、専用のヒータを設けてもよい。
【００２０】
そして、制御装置は、蒸発器１６における内部の熱媒体の温度および圧力に応じて、熱源１８からの熱を制御して、蒸発器１６における熱媒体の温度および圧力を制御する。例えば蒸発器１６内部をほぼ真空状態として、熱媒体を蒸発させて熱媒体の沸点が５５°Ｃとなる圧力であって、熱媒体の蒸気の温度が５５°Ｃとなるように、加熱を制御する。これによって、蒸発器１６において、熱媒体が蒸発し、凝縮器１４において温度が５５°Ｃのまま凝縮し、５５°Ｃの熱媒体が蒸発器１６に戻り熱源１８からの熱量を制御する。これによって、凝縮器１４において蒸気を凝縮することでの電池１０の加熱が行える。なお、実際には、凝縮器１４に供給する蒸気温度を沸点より若干高めとし、循環する熱媒体の温度を沸点より低めとして、サイクルを安定化させることが好ましい。
【００２１】
ハイブリッド車両においては、二次電池が搭載されこの二次電池でモータジェネレータを駆動し、モータジェネレータの発電や回生電力で二次電池を充電する。また、電気自動車では、モータジェネレータによる発電ではなく、外部からの電力により二次電池が充電されるが、車両に搭載された二次電池が充放電されることは同様である。このような車両に搭載される電池１０としては、例えばリチウムイオン二次電池が採用される。このリチウムイオン二次電池は、電解液の粘度が低温において高く、低温における内部抵抗が高い。本実施形態では、蒸気を用いて加熱を行うことで、速やかに内部抵抗を下げ、電池容量を十分に利用して低温でのモータ駆動を可能とする。また、電池温度が低く、内部抵抗が高い場合において、回生エネルギーを全部電池１０に蓄えようとすると、電池１０内部で過電圧が高くなり、金属リチウムが析出して電池機能が劣化しやすい。従って、電池１０を速やかに昇温することが必要になる。
【００２２】
一方、リチウムイオン二次電池は、高温になると電池内部で電池反応とは別の副反応が生じ、劣化することが報告されている。従って、電池を加温するための熱交換器の温度を高くして、電池の加温を行った場合には、電池温度が所定以上にならないように監視するなどの手段が必要になる。本実施形態では、蒸気圧力を所定値に維持して凝縮器１４において蒸気を凝縮して加熱を行うため、凝縮器１４の温度は、熱媒体の凝縮温度に維持され、それ以上になることを防止できる。従って、電池１０が所定以上の温度になることを確実に防止することができる。
【００２３】
熱源１８として、上述した電動エアコンを用いた場合について説明する。電動エアコンの電源としては、出力特性のよい鉛蓄電池（２ｋＷ）を用い、インバータエアコンを昇温モードで駆動して温熱を生成する。これによって、理論的には、温熱として約７°Ｃの温熱が１４ｋＷ生成できる。
【００２４】
このような熱源１８を用いて、蒸気、水、オイル、空気による対流伝熱による加熱を行った場合についての加熱（昇温結果）のシミュレーション結果を図３に示す。このシミュレーションでは、エアコンの遅れも仮定している。従って、どの熱源を用いた場合にも遅れが生じている。しかし、本実施形態の真空蒸気加熱が最も立ち上がりが早く、昇温も早い結果となっている。これは、水、オイルを循環させる場合と比較して真空蒸気加熱では熱媒体を加熱する熱容量が圧倒的に小さく、また熱伝達率が大きいためである。このシミュレーションでは、水は凝固しないと仮定している。また、空気は熱伝達率が低く、十分な昇温ができない。
【００２５】
図４には、各媒体を用い、−３０°Ｃから７°Ｃに加温した場合の顕熱損失を示す。このように、熱容量の大きなオイル、水などで顕熱損失が大きく、昇温が遅れることがわかる。水と比べると水蒸気は顕熱損失が約１／９となり、空気の場合とほぼ同様である。なお、この場合も水は液体と仮定している。
【００２６】
図５には、各媒体を用い、−３０°Ｃから７°Ｃに加温した場合の熱伝達率を示す。このように、熱伝達率は、水蒸気が飛び抜けて高く、水の約１５倍、空気の３００倍となっている。
【００２７】
これらの結果より、媒体として水蒸気を用いることで、少ない顕熱損失で高い伝熱能力が期待できることが理解される。
【００２８】
本実施形態において、例えば凝縮器における蒸気温度（蒸発凝縮温度）を７°Ｃに設定すれば、−３０°Ｃのような極寒において、１分程度で７°Ｃにまで昇温することが可能となる。
【００２９】
ここで、凝縮器１４において生じた液体は、蒸発器１６に戻す必要がある。熱媒体の循環サイクルが動いた後であれば、液体の循環もスムーズに行われるが、起動時などは強制的に蒸発器１６に液体を戻す必要がある。そこで、凝縮器１４を蒸発器１６に比べ高い位置に配置し、運転終了時に液体を全て蒸発器１６に戻すように構成することが好適である。なお、液体をポンプなどその他の手段で戻してもよい。
【００３０】
また、熱媒体としては、水を利用したが、これに限らず、蒸発潜熱をうまく利用できるものであれば、他のものでもかまわない。例えば、アンモニア、メタノール、エタノールなど蒸発潜熱が大きいものが好ましく、大きな伝熱係数を持つことができる。また、アンモニアや二酸化炭素を用いた際には、蒸気密度が高いために配管などでの損失を受けにくく、配管長が大きな場合に特に好適である。
【００３１】
「冷却・加熱システム」
図６には、電池収容体１２における空間を凝縮器だけでなく、凝縮／蒸発器５０として利用し、蒸発器１６を蒸発／凝縮器５４として利用するシステムを示す。なお、ヒートポンプにおいては、蒸発器と凝縮器をそれぞれ反対に機能させることは常套手段であって、本実施形態もそれにならっている。
【００３２】
凝縮／蒸発器５０は、上述の凝縮器１４と同様の構成を有しており、電池１０を収容する電池収容体１２内の熱媒体が流通する内部空間として形成されている。ここに、蒸気が導入されこれを液体に凝縮する場合に、凝縮器として機能し、液体の熱媒体が導入され蒸発する場合に蒸発器として機能する。
【００３３】
凝縮／蒸発器５０には、弁５２を介し、蒸発／凝縮器５４が接続されている。この蒸発／凝縮器５４は、上述の蒸発器１６と同様の構成を有しており、液体の熱媒体が供給される場合にはこれを加熱蒸発して蒸発器として機能し、蒸気が導入される場合には放熱凝縮して凝縮器として機能する。この蒸発／凝縮器５４には、三方弁５６を介し凝縮／蒸発器５０が接続されている。従って、蒸発／凝縮器５４において、熱媒体を蒸発し、得られた蒸気を凝縮／蒸発器５０に導入して、ここで凝縮して液体として蒸発／凝縮器５４に循環することで、電池１０を昇温することができる。
【００３４】
ここで、本実施形態では、三方弁５６を介し、吸着器５８が接続されている。この吸着器は、電池を冷却する際に、凝縮／蒸発器５０において得られた蒸気を吸着し、その後吸着した蒸気を放出するものであり、例えば内部にシリカゲルなどの蒸気吸着剤が充填されている。
【００３５】
また、本実施形態では、蒸発／凝縮器５４および吸着器５８を加温または冷却するための手段を有している。エンジンの排気系のマフラーの前段には、排熱回収器６０が設けられており、ここで排気の熱を水などの熱媒に回収し、車室内の暖房などに利用するが、本例ではその水を蓄熱体６２に供給し蓄熱する。この蓄熱体６２は蓄熱できればどのようなものでもよいが、この例では化学的な蓄熱体を用いている。例えば、カルシウムが用いられ、水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）２を熱によってＣａＯに変化させることで、熱を化学的に蓄積する。そして、必要な場合には、水を供給して、ＣａＯをＣａ（ＯＨ）２に変化させることで放熱させ、これによって熱媒（水）を加熱して高温の熱媒（温水）を得る。蓄熱体６２で得た温水は、四方弁６４を介し、蒸発／凝縮器５４または吸着器５８に供給される。そして、蒸発／凝縮器５４または吸着器５８からの媒体は四方弁６６を介し、排熱回収器６０に循環される。
【００３６】
また、エンジンなどの冷却に用いるラジエターなどからなる外部冷却器６８からの低温の冷媒（冷却水）は、蓄熱器７０に貯留される。蓄熱器７０は蓄熱できればどのようなものでもかまわず、この例では単に冷却水を貯留する。蓄熱器７０からの冷却水は、四方弁６４を介し、吸着器５８または蒸発／凝縮器５４に供給される。そして、吸着器５８または蒸発／凝縮器５４からの媒体は四方弁６６、ポンプ７２を介し、外部冷却器６８に循環される。
【００３７】
このように、本実施形態では、排熱回収器６０を熱源とする温水ラインと、外部冷却器６８を冷却源とする冷却水ラインを熱媒体（水）のラインと別に有しており、蒸発／凝縮器５４および吸着器５８を加温または冷却することができる。
【００３８】
また、蓄熱器７０は弁７４を介し蓄熱体６２に接続されており、蓄熱器７０の熱を蓄熱体６２に放熱できるようになっている。
【００３９】
なお、温水の熱源は、排熱回収器６０と、蓄熱体６２を一例としてあげたが、燃焼器や電気エネルギーから熱を生成してもよい。また、吸着器５８は、化学反応に置き換えることもできる。
【００４０】
「昇温モード」
このようなシステムにおいて、電池を昇温する昇温モードについて、図７に基づいて説明する。この場合、蒸発／凝縮器５４は、蒸発器として機能する。従って、四方弁６４は、蓄熱体６２からの温水を蒸発／凝縮器５４に供給する。蒸発／凝縮器５４からの温水は、四方弁６６を介し、排熱回収器６０に循環する。
【００４１】
従って、排熱回収器６０において回収された熱が蒸発／凝縮器５４に供給され、ここにおいて熱媒体が蒸発される。蒸発された熱媒体は、三方弁５６を介し、凝縮／蒸発器５０に供給され、ここで水になる。そして、得られた水が蒸発／凝縮器５４に循環する。弁５２は開いておく。これによって、蒸発／凝縮器５４に供給された熱が、凝縮熱として電池収容体１２を介し電池に供給され、電池１０が加熱される。そして、蒸発／凝縮器５４の熱媒体温度、圧力を管理することで、電池温度を所定のものに早期に設定できる。
【００４２】
「冷却モード」
冷却モードについて図８に示す。冷却モードでは、蒸発／凝縮器５４を凝縮器として利用し、ここで得られた液体の熱媒体（水）を凝縮／蒸発器５０に供給する。弁５２は開いておく。凝縮／蒸発器５０では、水を蒸発し、水蒸気が得られ、水蒸気は三方弁５６を介し吸着器５８に導入される。吸着器５８は、シリカゲルなどを有し、蒸気がシリカゲルに吸着される。この際、電池収容体１２の表面は、吸着器５８側の圧力に押送する温度まで冷却される。また、吸着器５８では、上記を吸着した分だけ発熱を生じるがこれは、冷却水に排出される。また、冷却水の温度が高く、電池１０の冷却が十分にできない際には、蓄熱体６２と蓄熱器７０の間の弁７４を開き、蓄熱体６２により吸熱することで蓄熱器７０を放熱モードとし冷却水をより低温にして、吸着器５８の圧力を下げることが好適である。
【００４３】
なお、外部冷却器６８において冷却された冷却水は、四方弁６４を介し、吸着器５８に供給され、これを冷却する。従って、吸着器５８において発生した熱は冷却水によって除去される。なお、冷却水を蒸発／凝縮器５４に供給して、ここも冷却してもよい。
【００４４】
ここで、本実施形態では、凝縮／蒸発器５０において発生した蒸気は吸着器５８によって吸着され、蒸発／凝縮器５４には循環されない。従って、凝縮／蒸発器５０における蒸気温度を蒸発／凝縮器５４における水の温度より低い温度にすることも可能となり、効果的な電池の冷却を行うことができる。
【００４５】
「吸着器再生モード」
吸着器再生モードについて図９に示す。蓄熱体６２からの温水を三方弁を介し吸着器５８に供給する。これによって、吸着器５８が加熱され、吸着されていた熱媒体（水）が水蒸気として脱離される。得られた水蒸気は三方弁を介し蒸発／凝縮器５４に導入される。この際弁５２は閉じておく。この蒸発／凝縮器５４には、蓄熱器７０からの冷却水が四方弁６４を介し供給されており、ここで熱媒体（水蒸気）が液体（水）になる。このように、吸着器再生モードにおいて、蒸発／凝縮器５４を冷却することで、熱媒体が凝縮するため、冷却モードにおいて蒸発／凝縮器５４を冷却する必要はない。
【００４６】
電池１０を冷却する場合には、必要な時点で上記冷却モードを実行し、その終了後に吸着器再生モードを実行する。そして、必要に応じて両モードを繰り返し、必要なだけ冷却する。
【００４７】
「電池の冷却」
電池１０の冷却についての概要を図１０に示す。この図１０では、冷却について示しているため、凝縮／蒸発器５０を蒸発器５０、蒸発／凝縮器５４を凝縮器５４としている。
【００４８】
凝縮器５４において得られた凝縮水は、蒸発器５０に供給される。この蒸発器５０は、電池１０を収容する電池収容体１２の内部に熱媒体（水）が導入される空間として構成されている。従って、凝縮水がこの蒸発器５０で蒸発することで、電池１０が冷却され、蒸発された水蒸気は吸着器５８に導入され吸着される。吸着器５８に一旦吸着した後、熱源（排熱回収器）６０からの熱を吸着器５８に作用させることで、水蒸気が吸着剤から脱離しその水蒸気が凝縮器５４に導入され、ここで凝縮される。吸着器５８の温度・圧力は制御装置２８に供給され、制御装置２８は、電池１０の温度から、冷却が必要かを判断すると共に、冷却が必要な場合に電池温度から電池の冷却に必要な冷却熱量を計算する。そして、吸着器５８を冷却してここの圧力を下げる。所定の冷却が終了した後、吸着器５８を蒸発器５０と接続し、吸着器に熱源（排熱回収器）６０からの熱を供給する。これによって、吸着器５８から水蒸気が放出され、吸着器５８が再生される。また、吸着器５８からの水蒸気は凝縮器５４に導入され、冷却されて水になる。
【００４９】
このようにして、電池１０について所望の冷却が達成される。必要であれば、上述の冷却と、吸着器の再生を繰り返せばよい。
【００５０】
このように、この実施形態では、電池を冷却するための熱交換器として蒸発器５０を有し、蒸発器５０からの熱媒体を吸収もしくは吸着する吸着器５８を有する吸着式冷凍機を有している。これによって、蒸発器５０は、吸着器５８における圧力に相当する温度まで冷却され、凝縮器５４における温度より低い温度に設定することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  電池、１２  電池収容体、１４  凝縮器、１６  蒸発器、１８  熱源、２０，２２  温度計、２４  圧力計、２８  制御装置、３０  弁、５０  凝縮／蒸発器、５４  蒸発／凝縮器、５６  三方弁、５８  吸着器、６０  排熱回収器、６２  蓄熱体、６４，６６  四方弁、６８  外部冷却器、７０  蓄熱器、７２  ポンプ、７４  弁。
【図１】
0005437906.tif 000002
【図２】
0005437906.tif 000003
【図３】
0005437906.tif 000004
【図４】
0005437906.tif 000005
【図５】
0005437906.tif 000006
【図６】
0005437906.tif 000007
【図７】
0005437906.tif 000008
【図８】
0005437906.tif 000009
【図９】
0005437906.tif 000010
【図１０】
0005437906.tif 000011