(57)【要約】【課題】ヒーター等の熱源を追加することなく溶融塩電池を効率的に昇温し、且つ溶融塩電池自体の温度を動作温度範囲内に維持することができる車両用溶融塩電池の暖機装置を提供すること。【解決手段】作動流体が循環する主循環流路（１８）と、車両（１）のエンジン（２）の廃熱媒体によって前記作動流体を加熱する第１熱交換器（１３）と、前記第１熱交換器で加熱された前記作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張器（１４）と、前記膨張器から吐出された前記作動流体と熱交換をなす第２熱交換器（１５）と、前記第２熱交換器から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器（１６）と、前記凝縮器で冷却された前記作動流体を前記第１熱交換器に送るポンプ（１７）と、前記第２熱交換器と熱交換をして、動作温度範囲までに暖機される溶融塩電池（４０）と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを駆動源とする車両に搭載される車両用溶融塩電池の暖機装置であって、
作動流体が循環する主循環流路と、
前記車両のエンジンの廃熱媒体によって前記作動流体を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で加熱された前記作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張器と、
前記膨張器から吐出された前記作動流体と熱交換をなす第２熱交換器と、
前記第２熱交換器から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を前記第１熱交換器に送るポンプと、
前記第２熱交換器と熱交換をして、動作温度範囲までに暖機される溶融塩電池と、を有する車両用溶融塩電池の暖機装置。
【請求項２】
前記溶融塩電池の温度を検出する温度を検出する温度検出部と、
前記膨張器から前記凝縮器に前記作動流体を直接的に循環する副循環流路と、
前記溶融塩電池の温度が動作温度範囲内である場合に、前記副循環流路を経由して前記作動流体を循環させる暖機制御手段と、を有する請求項１に記載の車両用溶融塩電池の暖機装置。
【請求項３】
前記暖機制御手段は、前記溶融塩電池の温度が動作温度範囲内である場合に、前記第２熱交換器を経由せずに、前記副循環流路のみを経由して前記作動流体を循環させる請求項２に記載の車両用溶融塩電池の暖機装置。
【請求項４】
前記暖機制御手段は、前記主循環流路上であって、前記膨張器と前記第２熱交換器との間、及び前記第２熱交換器と前記凝縮器との間に流量調整バルブを備える請求項２又は３に記載の車両用溶融塩電池の暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用溶融塩電池の暖機装置に係り、詳しくは車両用溶融塩電池の動作温度保持の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題等を考慮して、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車の開発が進んでいる。このようなハイブリッド車両には、大容量のバッテリが搭載されているが、バッテリは適切な温度範囲になければ大幅に充放電効率が低下し、更にはバッテリ自体の寿命を縮めることになる。また、ハイブリッドシステムの使用範囲が制限され、燃費改善効果が得られない。
【０００３】
そこで、例えば冬季などの氷点下となる使用環境においては、バッテリ温度を使用可能な温度範囲まで暖機する必要がある。例えば、特許文献１では、エンジン近傍及びバッテリ近傍に冷媒が循環する循環経路を形成し、車両始動直後にエンジンの暖機とともにバッテリの暖機を行っている。
【０００４】
ところで、ハイブリッド車両の駆動用電源に用いられる二次電池としては、従来からリチウムイオン電池やニッケル水素電池等が知られているが、近年においては、高エネルギー密度で大容量の溶融塩電池の使用が検討され、その研究及び開発が行われている。例えば、特許文献２では、溶融塩電池を車両に搭載することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１５１０９１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７４５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような溶融塩電池は、動作温度範囲がリチウムイオン電池やニッケル水素電池等よりも比較的高温であるため、冷却システムの簡素化が図れるものの、溶融塩電池自体を少なくとも動作温度範囲の下限値まで効率的に昇温し、且つ溶融塩電池自体の温度を動作温度範囲内に維持することが重要となる。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ヒーター等の熱源を追加することなく溶融塩電池を効率的に昇温し、且つ溶融塩電池自体の温度を動作温度範囲内に維持することができる車両用溶融塩電池の暖機装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様としては、エンジンを駆動源とする車両に搭載される車両用溶融塩電池の暖機装置であって、作動流体が循環する主循環流路と、前記車両のエンジンの廃熱媒体によって前記作動流体を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で加熱された前記作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張器と、前記膨張器から吐出された前記作動流体と熱交換をなす第２熱交換器と、前記第２熱交換器から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、前記凝縮器で冷却された前記作動流体を前記第１熱交換器に送るポンプと、前記第２熱交換器と熱交換をして、動作温度範囲までに暖機される溶融塩電池と、を有する。
【００１０】
第２の態様では、上記第１の態様において、前記溶融塩電池の温度を検出する温度を検出する温度検出部と、前記膨張器から前記凝縮器に前記作動流体を直接的に循環する副循環流路と、前記溶融塩電池の温度が動作温度範囲内である場合に、前記副循環流路を経由して前記作動流体を循環させる暖機制御手段と、を有する。
【００１１】
第３の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記暖機制御手段は、前記溶融塩電池の温度が動作温度範囲内である場合に、前記第２熱交換器を経由せずに、前記副循環流路のみを経由して前記作動流体を循環させる。
【００１２】
第４の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記暖機制御手段は、前記主循環流路上であって、前記膨張器と前記第２熱交換器との間、及び前記第２熱交換器と前記凝縮器との間に流量調整バルブを備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記手段を用いる本発明によれば、ヒーター等の熱源を追加することなく溶融塩電池を効率的に昇温し、且つ溶融塩電池自体の温度を動作温度範囲内に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る暖機装置を搭載するハイブリッド車両の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る暖機装置を構成する溶融塩電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る暖機装置を搭載するハイブリッド車両の概略構成図であり、図２は本発明の暖機装置を構成する溶融塩電池の概略構成図であり、これらの図面に基づいて本実施形態を説明する。
【００１７】
ハイブリッド車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドシステムから構成されており、以下の説明では、単に車両１とも称する。
【００１８】
車両１には走行用の動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び発電機としても作動可能なモータ３（電動機）が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。
【００１９】
エンジン２には、燃焼によって生じた排ガスを排出するための排ガス管１１が設けられている。そして、排ガス管１１には、当該排ガスを廃熱媒体として利用し、廃熱回収を行うための廃熱回収回路１２が設置されている。
【００２０】
具体的な廃熱回収回路１２の構成としては、エンジン２の廃熱媒体である排ガスによって作動流体を加熱するための第１熱交換器１３、第１熱交換器１３で作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張器１４、膨張器１４から吐出された作動流体と熱交換をなす第２熱交換器１５、第２熱交換器１５から吐出された作動流体を冷却する凝縮器１６、凝縮器１６で冷却された作動流体を第１熱交換器に送るポンプ１７を備えている。ここで、第１熱交換器１３は、エンジン２から延設された排ガス管１１に隣接するように配置されてもよく、排ガス管１１の外周部を囲むように配置されてもよい。
【００２１】
また、廃熱回収回路１２は、第１熱交換器１３、膨張器１４、第２熱交換器１５、凝縮器１６、ポンプ１７の順序で作動流体を循環させるための主循環流路１８、膨張器１４から第２熱交換器１５を経由せずに凝縮器１６へ直接的に作動流体を循環する副循環流路１９を備えている。更に、第１熱交換器１３と膨張器１４との間の主循環流路１８には流量調整バルブ２０が配設され、膨張器１４と第２熱交換器１５との間の主循環流路１８と副循環流路１９の分岐部分にはバイパスバルブ２１が配設され、第２熱交換器１５と凝縮器１６との間の主循環流路１８にはバイパスバルブ２２が配設されている。
【００２２】
本実施形態における廃熱回収回路１２においては、作動流体として例えばアルコールを用いることができるが、要求される廃熱回収回路１２の廃熱回収効率等に応じて、その他の最適な作動流体を用いることができる。
【００２３】
モータ３は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。すなわち、モータ３は、エンジン２に代わって変速機５にその駆動力を伝達することができ、更にはエンジン２の駆動や駆動輪側からの逆駆動により発電する。また、モータ３は、配線３０を介して電力変換装置３１と接続されている。
【００２４】
電力変換装置３１は、一般的なインバータ及びコンバータを備えており、配線３２を介してバッテリ３３と接続され、更には配線３４を介して発電機３５に接続されている。すなわち、電力変換装置３１はモータ３、バッテリ３３、及び発電機３５と電気的に接続されている。ここで、発電機３５は、配線３６を介して膨張器１４に接続されており、膨張器１４で発生した回転駆動力を用いて発電を行う。従って、電力変換装置３１は、バッテリ３３から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３及び発電機３５から供給される交流電力を整流してバッテリ３３へ供給可能である。
【００２５】
バッテリ３３は、溶融塩電池４０、当該溶融塩電池４０の温度を検出する温度センサ（温度検出部）４１、廃熱回収回路１２の主循環流路１８に配設された第２熱交換器１５を有している。本実施形態においては、第２熱交換器１５から溶融塩電池４０により効率的な熱の供給を可能にするため、第２熱交換器１５と溶融塩電池と４０は隣接して配置されている。ここで、溶融塩電池４０の数量は１つに限定されず、バッテリ３３に要求される蓄電量に応じ、溶融塩電池４０の数量を適宜変更することができる。例えば、バッテリ３３は、複数の溶融塩電池４０を接続した直列回路を備えていてもよく、或いは複数の溶融塩電池４０及び第２熱交換器１５等から構成される溶融塩電池モジュールを１つ又は複数備えてもよい。なお、第２熱交換器１５は、溶融塩電池４０を加熱することができれば、バッテリ３３に内蔵されず、バッテリ３３の外部に配設されるような形態でもよい。
【００２６】
また、車両１に搭載された他の機器（図示せず）に対してバッテリ３３が電力の供給を行えるように、バッテリ３３には当該他の機器と電力変換装置１１あるいはＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的な接続（図示せず）が施されている。
【００２７】
図２に示すように、バッテリ３３を構成する１つの溶融塩電池４０は、電池容器４２の内部に、正極４３、負極４４、及び正極４３と負極４４との間に介在するセパレート４５とを収容する構造から構成されている。
【００２８】
正極４３は、正極集電体４３ａ、及び当該正極集電体４３ａの内側（すなわち、正極集電体４３ａとセパレート４５との間）に配置された正極活物質層４３ｂから構成されている。正極集電体４３ａは例えばアルミニウム合金の多孔質体により構成されており、正極活物質層４３ｂは正極活物質として例えば亜クロム酸ナトリウム（ＮａＣｒＯ２）を含んでいる。
【００２９】
負極４４は、負極集電体４４ａ、及び当該負極集電体４４ａの内側（すなわち、負極集電体４４ａとセパレート４５との間）に配置された負極活物質層４４ｂから構成されている。負極集電体４４ａは例えばアルミニウム箔により構成されており、負極活物質層４４ｂは負極活物質として例えば錫（Ｓｎ）を含んでいる。
【００３０】
セパレート４５は、溶融塩電池４０が動作する温度で溶融塩に対する耐性を有するフッ素樹脂の多孔質膜により構成されている。また、セパレート４５は、電池容器４２内に充填されている溶融塩（図示省略）に浸漬されている。
【００３１】
このような溶融塩電池４０においては、動作温度範囲が例えば２０度〜９０度となり、比較的高いエネルギー密度が実現され、優れた安全性を確保できる。そして、溶融塩電池４０を当該動作温度範囲に加熱することにより、溶融塩が融解して充電及び放電が可能になる。
【００３２】
このように構成された車両１は、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速された後、駆動輪９に伝達されることで走行する。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そしてモータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力が電力変換装置３１で直流電力に変換されてバッテリ３３に充電される。
【００３３】
また、このように構成された車両１においは、廃熱回収回路１２が設けられているため、エンジン２の廃熱を利用して発電機３５によって発電をし、バッテリ３３において蓄電或いは他の機器に電力供給をすることができる。ここで、本実施形態の廃熱回収回路１２においては、膨張器１４で膨張された後の高温の作動流体を第２熱交換器１５を経由して凝縮器１６に供給することができることから、第２熱交換器１５によって当該高温の作動流体と熱交換をなし、第２熱交換器１５に隣接する溶融塩電池４０を加熱（暖機）することができる。このように、第２熱交換器１５によって作動流体を冷却する熱交換を行うことにより、膨張器１４と凝縮器１６とにおける作動流体の温度差をより大きくすることができ、廃熱回収回路１２としての凝縮効率を向上することができる。
【００３４】
更に、このように構成された車両１においは、第１熱交換器１３、流量調整バルブ２０、膨張器１４、バイパスバルブ２１、副循環流路１９、凝縮器１６、及びポンプ１７の順序で作動流体を循環させる既存の廃熱回収回路を適用しつつ、第２熱交換器１５及びバイパスバルブ２２を追加することで本実施形態の廃熱回収回路１２を実現できるため、溶融塩電池４０を加熱するために専用の追加設備を車両１に設ける必要がなくなる。換言すれば、本実施形態の構成によれば、第２熱交換器１５によって溶融塩電池４０を加熱することができるため、溶融塩電池４０に対して新たな専用の熱源を設ける必要がなくなり、車両１自体のコストの低減を図ることができる。すなわち、本実施形態においては、廃熱回収回路１２の凝縮効率を向上させるために第２熱交換器１５から放熱される熱を有効に利用し、溶融塩電池４０を効率的に暖機することができる。
【００３５】
車両１には、寒冷地での走行や車両１の始動直後等でバッテリ３３（すなわち、溶融塩電池４０）が低温状態にある場合に、溶融塩電池４０の効率的な暖機制御をなす暖機制御部５０を備えている。暖機制御部５０は、車両１に搭載されている一つ又は複数のＥＣＵ（電子コントロールユニット）からなり、モータ３、ポンプ１７、流量調整バルブ２０、バイパスバルブ２１、２２、電力変換装置３１の制御が可能である。
【００３６】
そして、暖機制御部５０には、溶融塩電池４０に設けられた温度センサ４１が接続されており、溶融塩電池４０（すなわち、バッテリ３３）の温度信号が供給される。
【００３７】
このような構成により、暖機制御部５０は、溶融塩電池４０の温度に応じ、流量調整バルブ２０、バイパスバルブ２１、２２のそれぞれの開閉状態を制御することができ、第２熱交換器１５に供給される作動流体の流量を調整することができる。すなわち、暖機制御部５０は、溶融塩電池４０の温度がその動作温度範囲の下限値（２０度）以下の場合に、第２熱交換器１５を用いて溶融塩電池４０を動作温度範囲内に収まるように暖機することができる。また、暖機制御部５０は、溶融塩電池４０の温度がその動作温度範囲の上限値（９０度）を超える場合には、第２熱交換器１５に対する作動流体の供給を停止して、溶融塩電池４０の暖機を停止することができる。
【００３８】
このような溶融塩電池４０の暖機機構から、暖機制御部５０及びバイパスバルブ２１、２２から暖機制御手段が構成される。そして、本実施形態においては、第１熱交換器１３、膨張器１４、第２熱交換器１５、凝縮器１６、ポンプ１７、主循環流路１８、副循循環流路１９、バイパスバルブ２１、２２、溶融塩電池４０、温度センサ４１、及び暖機制御部５０から車両用溶融塩電池の暖機装置６０が構成されていることになる。
【００３９】
以下において、暖機制御部５０が実行する溶融塩電池４０の暖機制御について詳しく説明する。
【００４０】
先ず、溶融塩電池４０の温度が動作温度範囲の下限値（すなわち、２０度）よりも高い場合に、暖機制御部５０は、第２熱交換器１５へは作動流体を供給させず、膨張器１４から凝縮器１６に直接的に作動流体を循環するようにする。具体的に、暖機制御部５０は、温度センサ４１から供給される温度信号によって、溶融塩電池４０の温度が上記動作温度範囲内であるか否かを判別する。その後、暖機制御部５０は、溶融塩電池４０の温度が上記動作温度範囲であり、溶融塩電池４０の暖機が不要であると判断し、バッテリ３３へ作動流体が循環しないように、バイパスバルブ２１、２２の開閉状態を制御する。バイパスバルブ２１、２２の開閉状態の制御が完了すると、暖機制御部５０はポンプ１７を駆動させ、第１熱交換器１３、流量調整バルブ２０、膨張器１４、バイパスバルブ２１、凝縮器１６、ポンプ１７の順序となる流路で作動流体を循環させる。
【００４１】
このような作動流体の循環により、エンジン２の廃熱を利用して、発電機３５によって発電を行うことができ、良好な廃熱回収を行うことができる。
【００４２】
次に、溶融塩電池４０の温度が動作温度範囲の下限値よりも低い場合に、暖機制御部５０は、溶融塩電池４０を暖機するように、バイパスバルブ２１、２２の開閉状態を制御する。
【００４３】
具体的に、暖機制御部５０は、副循環流路１９に作動流体を流さず、バッテリ３３を経由して作動流体が流れるようにバイパスバルブ２１、２２の開閉状態を制御する。バイパスバルブ２１、２２の開閉状態により、第１熱交換器１３、流量調整バルブ２０、膨張器１４、バイパスバルブ２１、第２熱交換器１５、凝縮器１６、ポンプ１７の順序となる作動流体の流路が形成される。
【００４４】
このような流路で作動流体を循環させると、膨張器１４にて発電機３５を駆動した作動流体が第２熱交換器１５を経由する。一般的に用いられる公知の車両用ランキンサイクルにおいては、膨張器１４下流側の作動流体の温度は、溶融塩電池４０の動作温度下限を十分に上回る温度（例えば７０℃以上）であることから、第２熱交換器１５における熱交換により溶融塩電池４０の温度をその動作温度範囲内に収まるように、溶融塩電池４０を良好に暖機することができる。また、溶融塩電池４０が所望の温度範囲に暖機されるよう、第２熱交換器１５の交換効率や、廃熱回収回路の効率を適宜調整してもよい。
【００４５】
また、第２熱交換器１５による作動流体の冷却作用により、膨張器１４と凝縮器１６とにおける作動流体の温度差を大きくすることができ、廃熱回収回路１２としの凝縮効率を向上することができる。すなわち、エンジン２の廃熱を利用して、発電機３５によって効率よく発電を行いつつ、第２熱交換器１５によって溶融塩電池４０を暖機することができる。
【００４６】
その後、温度センサ４１から供給される温度信号によって暖機制御部５０が溶融塩電池４０の暖機が完了した（すなわち、２０度以上等の所望の温度まで暖機された）と判断すると、暖機制御部５０は、バイパスバルブ２１、２２の開閉状態を制御し、バッテリ３３への作動流体の供給を停止し、副循環流路１９を経由して作動流体を循環させる。
【００４７】
そして、溶融塩電池４０の暖機後に、再び溶融塩電池４０の温度が２０度未満となった場合には、上記制御によって溶融塩電池４０を同様に暖機することになる。このように制御することで、溶融塩電池４０の温度を動作温度範囲内に維持することができる。
【００４８】
なお、溶融塩電池４０の暖機が完了した後、溶融塩電池４０の温度を２０度以上等の動作温度範囲の下限温度以上に維持するために、第２熱交換器１５への作動流体の供給を停止させずにその供給量を減少させ、溶融塩電池４０の温度が動作温度範囲の上限（すなわち、９０度）を超えない範囲で作動流体の供給量を調整してもよい。このような制御によっても、溶融塩電池４０の温度を、動作温度範囲内に維持することができる。
【００４９】
以上で本発明に係る車両用バッテリの暖機装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明の実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
【００５０】
上記実施形態ではクラッチ４と変速機５の間にモータ３を配置したハイブリッド車両１において暖機装置を構成していたが、モータ３の配置を変更（たとえばエンジン２とクラッチ４の間、あるいは変速機５の後方）してもよい。また、システム中にモータ３を複数搭載した形態や、いわゆるシリーズハイブリッドシステムやシリーズ/パラレルハイブリッドシステムといった、異なるハイブリッドシステム構成であっても構わない。あるいはモータ３を発電機としてのみ機能させ、エンジン（例えば、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジン）のみを駆動源とする車両において暖機装置を構成してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、第１熱交換器１３においてエンジン２の排ガスと直接的に熱交換を行う構成であったが、エンジン２の排ガスとエンジン２のエンジン冷却水とを別の熱交換器によって先ず熱交換させ、その後に排ガスによって加熱された当該エンジン冷却水と第１熱交換器１３とによって熱交換を行う構成（すなわち、エンジン冷却水を介在させた熱交換）としてもよい。更に、エンジン２の排ガスを利用せず、エンジン２の冷却水を熱源とした既存の廃熱回収回路に本実施形態のバッテリ３３（すなわち、第２熱交換器１５、溶融塩電池４０、及び温度センサ４１）を組み合わせて、暖機装置６０を構成してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  ハイブリッド車両（車両）
２  エンジン
３  モータ（電動機）
１１  排ガス管
１２  廃熱回収回路
１３  第１熱交換器
１４  膨張器
１５  第２熱交換器
１６  凝縮器
１７  ポンプ
１８  主循環流路
１９  副循環流路
２０  流量調整バルブ
２１  バイパスバルブ
２２  バイパスバルブ
４０  溶融塩電池
４１  温度センサ（温度検出部）
５０  暖機制御部
６０  暖機装置
【図１】
2016119196.tif 000003
【図２】
2016119196.tif 000004