JP2013256255A - 電気自動車の暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の二次電池とは別の暖房用のエネルギー源として蓄熱タンクを設け、蓄熱タンクの容量をできるだけコンパクトにしながらも、蓄熱量を増やす。
【解決手段】電気自動車の車体本体に室内用の暖房回路を設け、暖房回路は、第１のポンプと第１の熱交換器と蓄熱タンクを接続してある第１の閉回路を有すると共に、蓄熱タンクには外部電源によって加熱する電熱ヒータを収容してあり、蓄熱タンクに複数の蓄熱材を、第１の閉回路の中を流れる液体が通過可能な間隔をあけて収容してあることを特徴とする電気自動車の暖房装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車の室内を暖房するための装置に関する。

電気自動車は、二次電池を搭載して走行しており、その走行可能な距離は、二次電池の充電量に比例している。また、電気自動車は、二次電池を、走行する際のエネルギー源だけでなく、暖房する際のエネルギー源としても使用している。従って、冬季においては電気自動車は、暖房をするにつれて二次電池の充電量が減少し、走行可能な距離が短くなるという問題がある。

このような問題を解消するための対策として、二次電池とは別の暖房用のエネルギー源として、二次電池を充電する際に電熱ヒータに通電し、電熱ヒータから発せられる熱を蓄熱タンク内の水に蓄熱することが考えられる。そして、暖房する際に蓄熱タンク内の水を熱交換器に循環させて、熱交換器から得られる熱を室内に供給することが考えられる。

しかし、蓄熱タンク内に蓄えられる水は、単位体積及び単位重量あたりの蓄熱量が充分とは言えず、走行時の暖房に必要な熱量を得るには大きな蓄熱タンクが必要となる。蓄熱タンクが大きくなると、設置スペースや重量等が問題となってくる。特に設置スペースが大きくなると、車載することに不向きとなる。なお、二次電池は、低温になると、蓄えているエネルギーを充分に放電できないという問題もある。

本発明は、上記実情を考慮したもので、二次電池とは別の暖房用のエネルギー源としての器である蓄熱タンクの容量をできるだけコンパクトにしながらも、蓄熱量を増やすことを目的とする。

本発明の電気自動車の暖房装置は、電気自動車の車体本体に室内用の暖房回路を設け、暖房回路は、第１のポンプと第１の熱交換器と蓄熱タンクを接続してある第１の閉回路を有すると共に、蓄熱タンクには外部電源によって加熱する電熱ヒータを収容してあり、蓄熱タンクに複数の蓄熱材を、第１の閉回路の中を流れる液体が通過可能な間隔をあけて収容してあることを特徴とする。

また、第１の閉回路の中を流れる液体及び蓄熱材の材質は、問わないが、次のようにすることが好ましい。
すなわち、第１の閉回路の中を流れる液体は水であり、蓄熱材は、アルミ製の袋内に酢酸ナトリウムを収容したものである。

更に、暖房回路を有効活用するには、次のようにすることが好ましい。
すなわち、電気自動車の車体本体に二次電池用の冷却回路と中継回路を設け、冷却回路は、第２のポンプと第２の熱交換器と冷却タンクを接続してある第２の閉回路を有すると共に、冷却タンクに複数の密閉ケースを、第２の閉回路の中を流れる液体が通過可能な間隔をあけて収容してあり、各密閉ケースには、二次電池の一部を構成する電池モジュールが収容されており、暖房回路と冷却回路を中継回路で液体が循環するように接続すると共に中継回路には冬季には液体の流通を可能とし夏季には液体の流通を阻止するための第１の開閉バルブを備えていることである。

また、中継回路には第１の開閉バルブのみを設ける構成であっても良いが、この場合、蓄熱タンクの熱が常時、液体を介して冷却回路に移動し、二次電池を必要以上に加温するおそれがある。二次電池を加温しすぎると、性能が劣化するおそれがある。このようなことを防ぐには、次のようにすることが望ましい。
すなわち、中継回路には液温に基づいて自動的に開閉する第３の開閉バルブを備え、液温が設定温度を超えた場合に第３の開閉バルブが自動的に閉じて液体の流通を阻止し、液温が設定温度以下の場合に第３の開閉バルブが自動的に開いて液体の流通を可能とすることである。

本発明によれば、蓄熱タンクの中に蓄熱材が収容されているので、暖房用のエネルギー源としての器である蓄熱タンクの容量をできるだけコンパクトにしながらも、蓄熱量を増やすことが可能となる。特に、蓄熱材が間隔をあけて収容されているので、蓄熱材への蓄熱及び蓄熱材からの放熱が効率良く行える。

また、暖房回路と冷却回路を有するものであれば、冬季に中継回路の第１の開閉バルブを開いていれば、暖房回路の第１の閉回路と冷却回路の第２の閉回路が連通することになり、電熱ヒータを加熱して蓄熱タンクに蓄熱している熱を、第２の閉回路の冷却タンクにも伝えることができ、二次電池の温度低下による性能の低下を防止できる。また、夏季に第１の開閉バルブを閉じていれば、第１の開閉バルブを開いている場合に比べて、冷却回路の冷却効率を高めることができる。しかも、二次電池を構成する複数の電池モジュールが密閉ケース内に収容された上で、冷却タンクに間隔をあけて収容してあるので、二次電池の加温が効率良く行える。

更に、中継回路に第３の開閉バルブを設けた場合には、第３の開閉バルブが自動的に閉じる温度を、二次電池の性能が劣化すると想定される温度に設定することにより、二次電池の性能を長期に亘って保持できる。

本発明の第１実施形態における電気自動車の暖房装置を示す説明図である。 本発明の第２実施形態における電気自動車の暖房装置を示す説明図である。

電気自動車のエネルギー源となる二次電池１は、図１に示すように、複数の電池モジュール１１、１１、‥を接続したもので、図では、３つ以上の電池モジュール１１、１１が並列接続されている。また、各電池モジュール１１は、多数のセル１２、１２、‥が直列又は並列に接続された構成となっている。図では、多数のセル１２、１２、‥が直列接続されて、電池モジュール１１を構成している。

また、電気自動車は、基本的構成として、前述の二次電池１と、インバータ２と、走行用モータ３が配線で順次接続されている。そして、二次電池１の両端から延長する各配線は、走行用モータ３側に向かう途中で分岐しており、その分岐した各配線は第１のスイッチ７１を介して電気自動車の車体本体９よりも外部に導かれ、その末端は第１のプラグＣ１に接続されている。また、二次電池１の両端から延長する各配線は、分岐箇所よりも走行用モータ側において、第２のスイッチ７２が設けられている。

電気自動車の二次電池１を充電する際には、第１のスイッチ７１を閉じ、第２のスイッチ７２を開く。これらスイッチ７１、７２の開閉は、図示しない制御装置によって、電気自動車が停止している場合に行われる。その上で、外部交流電源８１（図では三相交流電源）に充電器８２の一端を接続し、充電器８２の他端に設けられた第２のプラグＣ２を、車体本体９側の第１のプラグＣ１と接続する。これによって、充電器８２から直流電流が二次電池１に流れ、二次電池１が充電される。

また、電気自動車が走行する際には、制御装置によって第１のスイッチ７１を開いて、第２のスイッチ７２を閉じる。その上で、二次電池１からインバータ２に電力を供給し、インバータ２によって走行用モータ３を回転させる。

上記電気自動車に適用する本発明の第一実施形態の暖房装置は、室内用の暖房回路４を主として構成される。

室内用の暖房回路４は、蓄熱タンク４１と、第１の熱交換器４２と、第１のポンプ４３を備えている。そして、これら蓄熱タンク４１、第１の熱交換器４２、第１のポンプ４３をパイプで接続して第１の閉回路４４を構成し、第１の閉回路４４に液体（例えば水）を循環可能としたものである。また、第１の熱交換器４２の近傍には熱交換率を高めるためにファン４５が設置されている。

また、室内用の暖房回路４は、蓄熱タンク４１の中には電熱ヒータ４６が収容されており、電熱ヒータ４６の両端から延長する配線が第３のスイッチ７３を介して二次電池１の両端から延長する配線に接続されている。図では、電熱ヒータ４６と二次電池１とが並列接続されている。二次電池１を充電しながら電熱ヒータ４６に通電する場合には、前記したように電気自動車側の第１のプラグＣ１を使用する。その他に、蓄熱タンク４１の中には、複数の蓄熱材４７が間隔をあけて収容されている。例えば、図示しないが、上下に間隔をおいて網状の棚板を配置した棚を用意し、この棚を蓄熱タンク４１の中に収容すると共に、各棚板の上に蓄熱材４７を載せて固定する。これによって、蓄熱材４７が上下に間隔をあけて配置される。

蓄熱材４７は、蓄熱タンク４１内を通過する液体よりも蓄熱量の大きなもの、例えばアルミ製の袋内に酢酸ナトリウムを密閉して収容したものを用いる。酢酸ナトリウムの融点は、５６℃であり、３６℃〜５６℃の温度範囲で固体から液体に、或いは液体から固体になる。

酢酸ナトリウムは、汎用品においては、36℃から62℃に達するまでの蓄熱量が277kJ／kg・k、密度が固体時（２５℃）に1300kg／m³、液体時（６２℃）に1230kg／m³である。このような酢酸ナトリウムをアルミ製の袋の中に密閉した上で、蓄熱タンク４１の中に収容すると、水だけを収容する場合に比べて大幅な蓄熱量の増加が得られる。

蓄熱量の計算の一例として、まず、重量で比較する。100kgの水においては、80℃と36℃との熱量の差は、18480kJである。次に、100kgの内、50kgを水としたまま残りの50kgを酢酸ナトリウムで代替すると、80℃と36℃との熱量の差は、25520kJである。従って、重量の50％を酢酸ナトリウムにすることで、水の約1.4倍の熱量が得られる。
次に、体積で比較する。100Lの水においては、80℃と36℃との熱量の差は、18480kJである。次に、100Lの内、50Lを水としたまま残りの50Lを酢酸ナトリウムで代替すると、80℃と36℃との熱量の差は、30234kJである。従って、体積の50％を酢酸ナトリウムにすることで、水の約1.6倍の熱量が得られる。

以上述べたように蓄熱タンク４１の中に収容する酢酸ナトリウムの比率を増やすと、水だけを収容する場合に比べて、蓄熱タンク４１の蓄熱量を向上できる。例えば、第１の閉回路４４の中を流れる水の温度の上限値を８０℃程度とすると、80℃から56℃になる範囲では、蓄熱材４７である酢酸ナトリウムの比熱から得られる熱量で放熱し、56℃から36℃になる範囲では、酢酸ナトリウムの潜熱で放熱することにより、水よりも大きな熱量を得ることが可能となる。

また、室内用の暖房回路４は、第１のプラグＣ１とは別の第３のプラグＣ３を有しており、この第３のプラグＣ３は電気自動車の車体本体９よりも外部に配置されており、第３のプラグＣ３から延長する各配線が車体本体９の内部に導かれた上で、電熱ヒータ４６の両端から延長する各配線に接続されている。図では、第３のプラグＣ３から延長する各配線が第４のスイッチ７４を介して、電熱ヒータ４６の両端から延長する各配線に対して第３のスイッチ７３よりも手前側で接続されている。

上記した第一実施形態の暖房装置は、夜間、あるいはそれ以外の時間帯の充電時に蓄熱タンク４１に蓄熱する際には、第１のスイッチ７１を閉じ、第２のスイッチ７２を開き、第３のスイッチ７３を閉じる。また、第４のスイッチ７４は、開、閉の何れであっても良い。これらスイッチの開閉は、制御装置によって行われる。例えば車体本体９に配備された図示しない充電ボタンと蓄熱ボタンの各操作部を使用者が押すと、その押し込んだ操作信号を制御装置が受けることによって、制御装置がこれらスイッチ７１、７２、７３を開閉する。その上で、外部交流電源８１に充電器８２の一端を接続し、充電器８２の他端に設けられた第２のプラグＣ２を、前述した電気自動車側の第１のプラグＣ１と接続する。これによって、充電器８２から直流電流が二次電池１と電熱ヒータ４６に流れ、二次電池１が充電されつつ、電熱ヒータ４６が発熱する。電熱ヒータ４６の発熱によって、蓄熱タンク４１の中の水及び蓄熱材４７の温度が上昇し、蓄熱される。なお、二次電池１の充電が完了した場合には、制御装置が第３のスイッチ７３を開いて、電熱ヒータ４６への通電を阻止する。

また、二次電池１の充電状態に関係なく（つまり、満充電状態であるか否かに関係なく）蓄熱タンク４１にのみ蓄熱したい場合は、第３のスイッチ７３を開き、第４のスイッチ７４を閉じる。これらスイッチの開閉は、制御装置によって行われる。例えば車体本体９に配備された図示しない蓄熱ボタンの操作部のみを使用者が押すと、その押し込んだ操作信号を制御装置が受けることによって、制御装置がこれらスイッチ７３、７４を開閉する。その上で、外部交流電源（図では単相交流電源）８３に接続された第４のプラグＣ４を、電気自動車側の第３のプラグＣ３と接続する。これによって、蓄熱タンク４１内の電熱ヒータ４６にのみ通電することが可能となる。

上記した第一実施形態の暖房装置を用いて走行時に室内を暖房する場合は、次のようにする。
（１）蓄熱タンク４１が充分に熱くて暖房に適した温度範囲である場合には、図示しない温度センサ等の検出部からの信号に基づいて制御装置が第３のスイッチ７３を開いており、このとき、二次電池１のエネルギーは、走行用モータ３に割り当てられている。そして、例えば暖房用の操作部を使用者が操作すると、その操作信号を受けて制御装置が、ファン４５と第１のポンプ４３を駆動させる。これによって、第１の熱交換器４２の熱が奪われて、室内に温風が供給される。
（２）暖房中に又は暖房用の操作部を使用者が操作した時点で、蓄熱タンク４１が冷えており室内の暖房に適さなくなった場合は、蓄熱タンク４１内の水温を直接的に又は間接的に検知する図示しない温度センサ等の検出部からの信号に基づいて制御装置が第３のスイッチ７３を閉じた上で、ファン４５と第１のポンプ４３を駆動させる。これによって、二次電池１を暖房の熱エネルギー源としても使用する。

本発明の第二実施形態の暖房装置は、室内用の暖房回路４と、二次電池用の冷却回路５と、暖房回路４と冷却回路５との間で液体を循環可能に接続する中継回路６を主として構成される。

冷却回路５は、冷却タンク５１と、第２の熱交換器５２と、第２のポンプ５３を備えている。そして、これら冷却タンク５１と第２の熱交換器５２と第２のポンプ５３をパイプで接続して第２の閉回路５４を構成し、第２の閉回路５４の中に液体としての水を循環可能としてある。また、第２の熱交換器５２に接続される二つのパイプは、中継回路６に向かう途中に、第２の自動開閉バルブＶ２（第２の開閉バルブ：電磁式開閉弁）が接続されている。

また、冷却タンク５１の中には二次電池１が収容されている。但し、二次電池１を構成する複数の電池モジュール１１は、それぞれ密閉ケース１３に収容されている。そして、これら密閉ケース１３は、前述した蓄熱材４７と同様、間隔をあけて冷却タンク５１の中に収容されている。その他に、冷却タンク５１の中には、水温（二次電池１の温度）を測る温度センサTc1が収容され、この温度センサTc1からの信号は制御装置に送信されている。

中継回路６は、暖房回路４の第１の閉回路４４と冷却回路５の第２の閉回路５４とを接続する循環用の二本の中経路６１、６２を有している。図では、二本のうち上側の中経路（以下、「第１の中経路」という。）６１の一端は蓄熱タンク４１に接続され、他端は冷却回路５の第２のポンプ５３から第２の熱交換器５２に向かうパイプの途中に接続されている。残りの下側の中経路（以下、「第２の中経路」という。）６２の一端は、蓄熱タンク４１の別の箇所に接続され、他端は冷却タンク５１から第２の熱交換器５２に向かうパイプの途中に接続されている。また、第１と第２の中経路６１、６２は、蓄熱タンク４１へ向かう途中にサーモスタットバルブＴ１と第１の手動開閉バルブＶ１が順番にそれぞれ接続されている。この第１の手動開閉バルブＶ１が本願発明の第１の開閉バルブに相当し、暖房回路４と冷却回路５との間での液体の流通を規制する。また、サーモスタットバルブＴ１が本願発明の第３の開閉バルブに相当し、液温が設定温度を超えた場合にサーモスタットバルブＴ１が自動的に閉じて液体の流通を阻止し、液温が設定温度以下の場合にサーモスタットバルブＴ１が自動的に開いて液体の流通を可能とする。

上記した第二実施形態の暖房装置は、以下の要領で使用する。
冬季以外の時期（当然、夏季を含む。）には、使用者自身が第１の手動開閉バルブＶ１を閉じておく。これによって、冷却回路５と暖房回路４との間での液体の流通を阻止する。

また、冬季になると、第１の手動開閉バルブＶ１を使用者自身が開いておく。これによって、冷却回路５と暖房回路４との間での液体の流通を可能とし、蓄熱タンク４１の熱で二次電池１を加温できるようにする。そして、蓄熱タンク４１に蓄熱する場合には、第一実施形態の暖房装置と同様の要領で、制御装置によって第１のスイッチ７１を閉じ、第２のスイッチ７２を開き、第３のスイッチ７３を閉じておく。その上で、外部交流電源８１に接続した充電器８２の第２のプラグＣ２を、前述した電気自動車側の第１のプラグＣ１と接続する。以上のようにすると、二次電池１を充電しながら蓄熱タンク４１に蓄熱することが可能となる。

蓄熱しているときに、サーモスタットバルブT1は、設定温度（例えば40℃）以下の液温であれば「開」に動作して、二次電池用の冷却タンク５１と蓄熱タンク４１との間で液体が循環可能となる。しかも、制御装置は、温度センサTc1からの情報に基づいて二次電池１の温度を把握し、二次電池１が40℃以下である場合には、第２のポンプ５３を駆動させる。それによって、蓄熱タンク４１内と冷却タンク５１内とで温水が循環し、二次電池１が暖まる。
一方、サーモスタットバルブT1は設定温度（40℃）を超える液温を感知すると「閉」に動作し，二次電池用の冷却タンク５１と蓄熱タンク４１との間で液体が循環不能となる。また、制御装置は、温度センサTc1からの情報に基づいて二次電池１の温度が40℃以下である場合には、第２のポンプ５３を停止させる。その結果、温水の循環が停止して、二次電池１が極端に高温になるのを防止する。これによって、二次電池１は、加温されるが、設定温度（40℃）以下に保持される。

また、第二実施形態の暖房装置を用いて電気自動車の走行時に室内を暖房する場合は、次のようにする。
（１）走行中は、第２のスイッチ７２が閉じられている。その上で、前述したように、蓄熱タンク４１が充分に熱くてサーモスタットバルブT１が「閉」に動作している場合や、二次電池１が熱くて温度センサTc1が設定温度よりも熱いことを検出している場合には、制御装置は、第３のスイッチ７３を開く。これによって、二次電池１のエネルギーは、走行用モータ３に割り当てられる。その上で、例えば暖房用の操作部を使用者が操作すると、その操作信号を受けて制御装置が、ファン４５と第１のポンプ４３を駆動させる。これによって、第１の熱交換器４２の熱が奪われて、室内に温風が供給される。従って、電気自動車の走行時に蓄熱タンク４１が十分に熱い場合には、蓄熱タンク４１内の温水は二次電池用の冷却タンク５１には移動しない。
なお、電気自動車が走行すると、二次電池１が発熱する。二次電池１の温度は、温度センサTc1で検知しており、制御装置が二次電池１の温度を把握している。二次電池１の温度が低い（例えば40℃以下）場合には、制御装置は、温度センサTc1からの情報に基づいて第２の自動開閉バルブＶ２を閉じており、二次電池１の温度が低くなるのを防いでいる。そして、走行により二次電池１の温度が上昇しすぎた場合には，温度センサTc1からの情報に基づいて制御装置は、第２の自動開閉バルブＶ２を「開」に動作させ、第２の熱交換器５２により放熱し、冷却回路５内の水を冷やして二次電池１を冷却する。

（２）走行中に、蓄熱タンク４１が冷えて室内の暖房に適さなくなっている場合には、例えば、サーモスタットバルブT1が「開」となっていることに基づいて制御装置は、第３のスイッチ７３を閉じ、ファン４５と第１のポンプ４３を駆動させる。これによって、二次電池１を暖房の熱エネルギー源としても使用する。なお、蓄熱タンク４１が再び温まって、サーモスタットバルブT1が「閉」となった場合には、先の（１）と同様に、制御装置は、第３のスイッチ７３を開いた上で、ファン４５と第１のポンプ４３を駆動させる。
このようにサーモスタットバルブT１の感知する温度が設定温度（40℃）以下とならなければ、二次電池用の冷却タンク５１と蓄熱タンク４１との間で液体が行き来することはないので、走行中に電熱ヒータ４６を使用する場合は、一般的には蓄熱タンク４１の熱で二次電池１を暖めることはほとんど無い。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、二次電池１の温度を検出するためには、液体としての水の温度を検出する温度センサやサーモスタット等の温度検出器により間接的に二次電池１の温度を把握する仕方に限らず、電池モジュール１１を収容する密閉ケース１３の中に温度検出器を配置し、この温度検出器により二次電池１の温度を直接的に検出する仕方でも良い。

１二次電池
１１電池モジュール
１２セル
１３密閉ケース
２インバータ
３走行用モータ
４暖房回路
４１蓄熱タンク
４２第１の熱交換器
４３第１のポンプ
４４第１の閉回路
４５ファン
４６電熱ヒータ
４７蓄熱材
５冷却回路
５１冷却タンク
５２第２の熱交換器
５３第２のポンプ
５４第２の閉回路
６中継回路
６１第１の中経路
６２第２の中経路
７１第１のスイッチ
７２第２のスイッチ
７３第３のスイッチ
７４第４のスイッチ
８１外部交流電源
８２充電器
８３外部交流電源
９車体本体
Ｃ１第１のプラグ
Ｃ２第２のプラグ
Ｃ３第３のプラグ
Ｃ４第４のプラグ
Ｖ１第１の手動開閉バルブ（第１の開閉バルブ）
Ｖ２第２の自動開閉バルブ（第２の開閉バルブ）
Ｔ１サーモスタットバルブ（第３の開閉バルブ）
Tc1温度センサ

Claims (4)

1. 電気自動車の車体本体に室内用の暖房回路を設け、
   暖房回路は、第１のポンプと第１の熱交換器と蓄熱タンクを接続してある第１の閉回路を有すると共に、蓄熱タンクには外部電源によって加熱する電熱ヒータを収容してあり、
   蓄熱タンクに複数の蓄熱材を、第１の閉回路の中を流れる液体が通過可能な間隔をあけて収容してあることを特徴とする電気自動車の暖房装置。
2. 第１の閉回路の中を流れる液体は水であり、
   蓄熱材は、アルミ製の袋内に酢酸ナトリウムを収容したものであることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の暖房装置。
3. 電気自動車の車体本体に二次電池用の冷却回路と中継回路を設け、
   冷却回路は、第２のポンプと第２の熱交換器と冷却タンクを接続してある第２の閉回路を有すると共に、冷却タンクに複数の密閉ケースを、第２の閉回路の中を流れる液体が通過可能な間隔をあけて収容してあり、
   各密閉ケースには、二次電池の一部を構成する電池モジュールが収容されており、
   暖房回路と冷却回路を中継回路で液体が循環するように接続すると共に中継回路には冬季には液体の流通を可能とし夏季には液体の流通を阻止するための第１の開閉バルブを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気自動車の暖房装置。
4. 中継回路には二次電池の温度に基づいて自動的に開閉する第３の開閉バルブを備え、液温が設定温度を超えた場合に第３の開閉バルブが自動的に閉じて液体の流通を阻止し、液温が設定温度以下の場合に第３の開閉バルブが自動的に開いて液体の流通を可能とすることを特徴とする請求項３記載の電気自動車の暖房装置。

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