(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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。
【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
【図１】
2013099199.tif 000003
【図２】
2013099199.tif 000004
【図３】
2013099199.tif 000005
【図４】
2013099199.tif 000006