JP2006151091A - 車両用動力源およびこれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 暖気時間を短縮して、いち早く効率的な走行を実現できる車両用動力源を提供する。
【解決手段】 車両用動力源１０は、車両の駆動力を供給するエンジン１１と、エンジン１１と共に電力を供給する二次電池１２と、エンジン１１近傍および二次電池１２近傍に冷媒を循環する循環通路１３と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関および二次電池を有する車両用動力源およびこれを搭載した車両に関する。

近年、内燃機関に加えて二次電池を搭載する車両がある。このような車両では、内燃機関の発生動力を利用して、二次電池を充電する。二次電池が十分に充電されたら、内燃機関に対する燃料供給を遮断し、代わりに二次電池を放電することによってモータを駆動して、動力を得る。これにより、燃料効率の良い走行が可能となる（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−２６４９０４号公報

しかし、上記技術を採用した車両において、二次電池は、動作するための適当な温度（以下、動作適温という）に到達するまでは、所望の高出力が得られない。つまり、二次電池が動作適温に到達するまでの暖気時間を経過するまでは、効率のよい走行ができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、暖気時間を短縮して、いち早く効率的な走行を実現できる車両用動力源およびこれを搭載した車両を提供することを目的とする。

本発明の車両用動力源は、車両の駆動力を供給する内燃機関と、前記内燃機関と共に電力を供給する二次電池と、前記内燃機関近傍および前記二次電池近傍に冷媒を循環する循環通路と、を有する。

本発明の車両用動力源によれば、冷媒が内燃機関および二次電池近傍を循環する。内燃機関により加熱された冷媒が二次電池近傍を通過する際に、冷媒により二次電池が加熱されるので、二次電池が動作適温に到達するまでの時間、すなわち暖気時間を短縮できる。したがって、いち早く二次電池の最大出力が得られるようになり、効率的な走行を車両に実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、車両の駆動系の該略構成図である。

車両の駆動系は、エンジン（内燃機関）１１、電磁クラッチ９１、発電機９２、インバータ９３、二次電池１２、モータ９４、動力伝達ベルト９５、および車輪９６を有する。

エンジン１１は、ガソリンなどの燃料の供給により、車両駆動用動力を発生する。

電磁クラッチ９１は、エンジン１１により発生された駆動力を、適宜車輪９６に伝達する。

動力伝達ベルト９５は、電磁クラッチ９１を介して伝達された駆動力を車輪９６の回転軸に伝達する。

発電機９２は、エンジンにより発生された動力により回転し、該回転により発電する。

インバータ９３は、発電機９２により発電された電力を変換して、二次電池に伝達する。

二次電池は、充放電可能な電池であり、発電機９２により発電された電力により充電される。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、鉛酸二次電池などが上げられる。二次電池としては、好ましくは、リチウムイオン二次電池が用いられる。二次電池は、十分に充電されているときには、放電を行う。

モータ９４は、バイポーラ電池から放電された電力により回転する。モータ９４の回転動力は、動力伝達ベルト９５を介して、車輪９６の回転軸に伝達される。

上記の駆動系により、二次電池が充電されていないときは、エンジンの駆動力により車輪９６が駆動される。また、二次電池が十分に充電されたときには、エンジンにより動力発生を止め、二次電池の放電によりモータ９４を駆動する。そして、モータ９４の回転動力により車輪９６が駆動される。

上記のエンジン１１および二次電池１２を含んで車両用動力源が構成される。

（第１実施形態）
図２は、車両用動力源の構成図である。

車両用動力源１０は、エンジン１１、二次電池１２、循環通路（循環通路）１３、放熱器１４、サーモスタット１５および電動ポンプ１６を含む。

エンジン１１および二次電池１２は、並んで配置されている。

循環通路１３は、内部に冷媒を流すための閉じた流路が形成されており、該流路に冷媒が充填されている。循環通路１３は、エンジン１１の近傍および二次電池１２の近傍に冷媒が通過するように配置されている。エンジン１１および二次電池１２近傍を通過した冷媒は、循環通路１３を循環して、再度、エンジン１１および二次電池１２に供給される。

循環通路１３は、途中で分岐され、二通路を構成している。一方の通路１３ａには、放熱器１４が接続されている。他方の通路１３ｂには、何も接続されておらず、冷媒が通される。分岐された通路の合流地点には、サーモスタット１５が設けられている。

放熱器１４は、エンジン１１および二次電池１２を通過により加熱された冷媒を冷却する。ここで、放熱器１４は、冷媒が所定温度以上にならないように、すなわち、エンジン１１がオーバーヒートしないように、冷媒温度を、たとえば、８０〜１００℃付近に維持する。

サーモスタット（冷媒通過調整手段）１５は、温度変化に応じて膨張収縮する感応体（不図示）を含む。該感応体は、サーモスタット１５内に設けられた弁（不図示）に接続されている。弁は、バネにより、通路１３ａを閉じるように付勢されている。感応体が膨張すると、バネの付勢に抗して、弁が開かれ、通路１３ａが開かれる。たとえば、サーモスタット１５は、冷媒の温度が８０℃未満では通路１３ａを閉じて冷媒の通過を禁止し、８０℃以上では通路１３ａを開いて冷媒の通過を許容する。感応体としては、ワックス（ろう）や、形状記憶合金を使用できる。

電動ポンプ１６は、駆動すると、図中矢印で示すように、循環通路１３内で冷媒を循環させる。エンジン１１近傍を通過した冷媒が、二次電池１２近傍を通過する。

（作用）
次に、上記車両用動力源の作用について説明する。

車両が始動されると、図示しない制御部により電動ポンプ１６が駆動される。これにより、循環通路１３内を冷媒が循環する。ここで、車両始動時、すなわち、暖気運転時には、冷媒が冷えている。したがって、サーモスタット１５を通過する冷媒も冷えているので、サーモスタット１５内の弁の作用により、通路１３ａが閉じられる。

暖機運転時には、図２（Ａ）に矢印で示すように、放熱器１４を避けて、冷媒が循環される。

そして、エンジン１１の温度上昇と共に冷媒の温度も向上し、冷媒の温度が８０℃以上となる。すなわち、暖気運転が終了する。すると、サーモスタット１５の弁が通路１３ａを開放する。これによって、通路１３ａ、１３ｂのいずれにも冷媒が通過し始める。したがって、８０℃以上なった冷媒が放熱器１４において放熱され、冷媒の温度は８０℃〜１００℃の適温に維持される。

以上のように、本実施形態では、エンジン１１を動作適温に維持するための循環通路１３の途中に、二次電池１２を配置している。したがって、エンジン１１の発熱により温度上昇した冷媒により、二次電池１２が暖められる。これにより、二次電池１２が最も効率良く充放電を実行できる温度に到達するまでの時間、すなわち、暖気時間を短縮できる。結果として、いち早く二次電池の最大出力が得られるようになり、効率的な走行を車両に実現できる。

特に、エンジン１１および二次電池１２は、並んで配置されており、冷媒は、エンジン１１近傍を通過した直後に、二次電池１２近傍を通過する。したがって、エンジン１１により暖められた冷媒が自然放熱せず、効率良く二次電池１２を加熱できる。

さらに、暖気時間が経過した後、すなわち、冷媒温度が８０℃以上になった場合、放熱器１４が接続された通路１３ａがサーモスタット１５により自動に開かれる。これにより、冷媒が放熱されて、冷媒の温度が、エンジン１１がオーバーヒートにならない適温８０〜１００℃に維持される。該適温は、二次電池１２が作動するのに適した温度と共通する。したがって、エンジン１１だけでなく、二次電池１２も同時に適温に維持できる。

上記実施形態では、二次電池１２にバイポーラ電池を用いることができる。バイポーラ電池を用いることにより、高出力でコンパクトな二次電池が得られ、車両に適用するのにより好適な車両用動力源が得られる。

適用できるバイポーラ電池について簡単に説明する。

図３はバイポーラ電池の概略構成を示す図である。

バイポーラ電池は、集電体５１の一方の面に正極５２が形成され、他方の面に負極５３が形成されたバイポーラ電極５４を電解質層５５を挟んで複数枚直列に積層してなる。

正極５２に含まれる主要な活物質には、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用できる。具体的には、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。特に、ＬｉＦｅＰＯ_４が好ましい。ＬｉＦｅＰＯ_４を用いることによって、耐熱性に優れた二次電池を構成できる。

また、負極５３に含まれる主要な活物質には、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を使用できる。特に、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２が好ましい。Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２を用いることによって、耐熱性に優れた二次電池を構成できる。

電解質層５５は、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。特に、主要な電解質として極性高分子およびリチウム塩が含まれることが好ましい。これにより耐熱性に優れ、かつ液漏れの虞がなく、信頼性を向上できる。

さらに、極性高分子はポリアルキレンオキシドであることが好ましい。ポリアルキレンオキシドはイオン電動度が高いからである。ポリアルキレンオキシドのなかでも特に高分子側鎖としてエチレンオキシド鎖を持つものを用いることが好ましい。信頼性の高い電源を構成できる。

（第２実施形態）
第１実施形態とは異なる車両用動力源１０’の構成について説明する。

図４は車両用動力源の構成図であり、図４（Ａ）二次電池側に冷媒を流す様子を示す図、図４（Ｂ）はバイパス側に冷媒を流す様子を示す図である。

図４に示すように、第２実施形態では、第１実施形態の構成に、バイパス通路１３ｃ、三方バルブ１７、温度計１８および制御部１９が追加されている。第１実施形態と同様の構成には、同一の参照番号を付して説明を省略する。

バイパス通路１３ｃは、二次電池１２近傍をバイパスして冷媒を流す経路である。バイパス通路１３ｃは、三方バルブ１７から分岐された経路である。

三方バルブ１７は、循環通路１３が二通路に分かれる分岐点に配置されている。三方バルブ１７は、冷媒を二次電池１２側に流すか、バイパス通路１３ｃに流すかを切替可能である。なお、以下では、二次電池１２側の通路を二次電池通路１３ｄという。三方バルブ１７は、制御部１９に接続され、流路の切替が制御されている。

温度計１８は、二次電池１２の温度Ｔ１を計測し、計測結果を制御部１９に出力する。

制御部１９は、温度計１８の計測温度Ｔ１に基づいて、三方バルブ１７の切替を制御する。また、制御部１９は、電動ポンプ１６にも接続されており、車両の始動に基づいて電動ポンプ１６を駆動する。

次に、上記車両用動力源１０’の作用について説明する。

図５は、車両用動力源の動作を示すフローチャートである。

まず、制御部１９は、車両が始動されたか否かを判断する（ステップＳ１）。車両が始動されていない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、始動されるまで待機する。

車両が始動された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御部１９は、三方バルブ１７を制御して、二次電池１２側を開状態、バイパス通路１３ｃ側を閉状態とする（ステップＳ２）。ここで、車両が始動されると、エンジン１１が駆動を開始し、二次電池１２も充放電を開始する。エンジン１１および二次電池１２は、それぞれ自己発熱して温度が上昇し始める。

続けて、制御部１９は、電動ポンプ１６を駆動する（ステップＳ３）。すると、図４（Ａ）に矢印で示すように、冷媒が循環通路１３を循環する。エンジン始動当初は、冷媒の温度が低いので、第１実施形態と同様に、サーモスタット１５の作用により、冷媒は放熱器１４を通過せずに循環する。また、冷媒は、三方バルブ１７の作用により、バイパス通路１３ｃを通らずに、二次電池通路１３ｄのみを通過する。冷媒は、エンジン１１近傍を通過する際にエンジン１１の自己発熱により加熱され、二次電池１２近傍を通過する際に二次電池１２に熱が加えられる。つまり、冷媒を介して、エンジン１１の熱が、二次電池１２に伝達される。

温度計１８により二次電池１２の温度Ｔ１が検出される（ステップＳ４）。検出された温度Ｔ１が、所定温度Ｔａ以上か否かが判断される（ステップＳ５）。ここで、所定温度Ｔａとは、二次電池１２の動作適温であり、例えば、９０℃である。

検出温度Ｔ１が所定温度Ｔａ未満の場合（ステップＳ５：ＮＯ）、温度計１８による温度検出を繰り返す。エンジン１１が十分に温まって、検出温度Ｔ１が所定温度Ｔａ以上になったら（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部１９は、三方バルブ１７を制御して、二次電池１２側を閉状態、バイパス通路１３ｃ側を開状態とする（ステップＳ６）。これにより、図４（Ｂ）に矢印で示すように、冷媒が循環通路１３を循環する。すなわち、二次電池１２の温度が９０℃以上のときには冷媒の温度もそれに近いので、サーモスタット１５の作用により、冷媒は放熱器１４も通過する。これにより冷媒の温度が一定に維持される。また、冷媒は、三方バルブ１７の作用により、バイパス通路１３ｃを通り、二次電池通路１３ｄを通過しない。

引き続き、二次電池１２の温度Ｔ１が検出される（ステップＳ７）。検出された温度Ｔ１が、所定温度Ｔｂ未満か否かが判断される（ステップＳ８）。ここで、所定温度Ｔｂとは、二次電池１２の動作適温の下限値であり、例えば、８０℃である。

検出温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ未満の場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、ステップＳ２の処理に戻る。すなわち、二次電池通路１３ｄに再び冷媒が通過される。

検出温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ以上の場合（ステップＳ８：ＮＯ）、エンジン停止か否かが判断される（ステップＳ９）。

エンジンが停止でない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ７の処理に戻って、二次電池１２の温度Ｔ１が検出される。エンジンが停止の場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、処理が終了する。

なお、エンジンが停止された場合は、上述のどのステップでも、処理を終了できる。

以上のように、第２実施形態では、二次電池１２の温度Ｔ１を検出し、温度Ｔ１が所定温度Ｔａ以上になるまでは、三方バルブ１７を制御して二次電池通路１３ｄに冷媒を通す。したがって、エンジン１１により加熱された冷媒により、二次電池１２が暖められる。これにより、二次電池１２が最も効率良く充放電を実行できる温度に到達するまでの時間、すなわち、暖気時間を短縮できる。結果として、いち早く二次電池の最大出力が得られるようになり、効率的な走行を車両に実現できる。

また、二次電池１２の温度が動作適温Ｔａ以上になったら、二次電池通路１３ｄに冷媒を通すのを止め、バイパス通路１３ｃに冷媒を通す。したがって、車両の急加速などによりエンジン１１が異常に温度上昇したような場合、異常に加熱された冷媒が二次電池１２近傍を通らない。したがって、二次電池１２が必要以上に加熱されることがない。二次電池１２が過熱によって破損したり機能低下したりすることを防止できる。

第１実施形態と同様に、サーモスタット１５の作用により、冷媒の温度が８０℃程度になったら、放熱器１４にも冷媒が流れる。したがって、通常、冷媒の温度をエンジン１１および二次電池１２の動作適温に維持できる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、上記第１実施形態および第２実施形態の車両用動力源を駆動用電源として搭載して車両を構成する。

参考までに、図６に車両用動力源１０を搭載する自動車１００の該略図を示す。自動車１００に搭載する車両用動力源１０は、上記説明した特性を有する。このため、二次電池が動作適温に到達するまでの時間、すなわち暖気時間が短い。したがって、自動車１００は、いち早く効率的な走行を実現できる。

車両の駆動系の該略構成図である。 車両用動力源の構成図である。 バイポーラ電池の概略構成を示す図である。 車両用動力源の構成図であり、（Ａ）二次電池側に冷媒を流す様子を示す図、（Ｂ）はバイパス側に冷媒を流す様子を示す図である。 車両用動力源の動作を示すフローチャートである。 車両用動力源を搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０…車両用動力源、
１１…エンジン、
１２…二次電池、
１３…循環通路、
１３ａ、１３ｂ…通路、
１３ｃ…バイパス通路、
１３ｄ…二次電池通路、
１４…放熱器、
１５…サーモスタット、
１６…電動ポンプ、
１７…三方バルブ、
１８…温度計、
１９…制御部、
５１…集電体、
５２…正極、
５３…負極、
５４…バイポーラ電極、
５５…電解質層、
８０…適温、
９１…電磁クラッチ、
９２…発電機、
９３…インバータ、
９４…モータ、
９５…動力伝達ベルト、
９６…車輪。

Claims (11)

1. 車両の駆動力を供給する内燃機関と、
   前記内燃機関と共に電力を供給する二次電池と、
   前記内燃機関近傍および前記二次電池近傍に冷媒を循環する循環通路と、
   を有する車両用動力源。
2. 前記循環通路は、一部が分岐されて二通路を構成し、
   前記二通路の一方には、
   通過する前記冷媒を放熱する放熱器と、
   所定温度以上になると弁が開いて前記冷媒の通過を許容する冷媒通過調整手段と、
   が接続されている請求項１に記載の車両用動力源。
3. 前記二次電池の温度を検出する温度計と、
   前記二時電池をバイパスして前記冷媒が通過するためのバイパス通路と、
   前記冷媒の進行方向を前記二次電池側か前記バイパス通路側かを切替可能な切替手段と、
   前記温度計の検出結果が、前記所定温度以上の場合、前記冷媒が前記バイパス通路を通過し、所定温度未満の場合、前記冷媒が前記二次電池近傍を通過するように、前記切替手段を制御する制御手段と、
   をさらに有する請求項１または２に記載の車両用動力源。
4. 前記所定温度とは、前記二次電池の動作に適した温度である請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用動力源。
5. 前記二次電池と前記内燃機関とは、並んで配置されており、
   前記冷媒は、前記内燃機関近傍を通過した直後に、前記二次電池近傍を通過する請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用動力源。
6. 前記二次電池は、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を電解質層を挟んで複数枚直列に積層してなるバイポーラ電池である請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用動力源。
7. 前記正極に含まれる主要な活物質がＬｉＦｅＰＯ_４である請求項６に記載の車両用動力源。
8. 前記負極に含まれる主要な活物質がＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２である請求項６または７に記載の車両用動力源。
9. 前記電解質層に含まれる主要な電解質が極性高分子およびリチウム塩を含んでなる請求項６〜８のいずれか一項に記載の車両用動力源。
10. 前記極性高分子がポリアルキレンオキシドである請求項９に記載の車両用動力源。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の車両用動力源を搭載した車両。

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