JP5516524B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源を暖機できる電源システム、特に車両に搭載される電源システムに関する。

電気自動車およびハイブリッド自動車等の車両（ＥＶ）に搭載されるモータ駆動用電源として、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、電機二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスの開発が盛んである。

電源システムには、高容量かつ高出力の要求から、高容量型の蓄電デバイスと高出力型の蓄電デバイスとが、並列に接続された電源システムがある。一般に二次電池やキャパシタ等の蓄電デバイスは、その温度が低いと容量や出力が低下する。その結果、車両の走行に必要な充放電電力が蓄電デバイスからモータに供給されず、例えば、車両の円滑な発進や加速等が妨げられることとなる。したがって、蓄電デバイスの温度が低下している等の場合には、速やかに蓄電デバイスを暖機する必要がある。

二次電池やキャパシタ等の蓄電デバイスを暖機する方法としては、（１）二次電池に暖機用のヒータを設置する方法（例えば、特許文献１参照）、（２）二次電池に熱交換媒体を供給する方法（例えば、特許文献２参照）、（３）電池の内部発熱を利用する方法（例えば、特許文献３，４参照）、（４）吸着剤を備える吸着器を用いて、吸着剤が吸着媒体を吸着する際の吸着熱を利用する方法（例えば、特許文献５参照）等が挙げられる。

特開２００８−２３０５０８号公報 特開２００８−２９０６３６号公報 特開２００６−１２１８７４号公報 特開２００８−２９１７１号公報 特開２００８−３０５５７５号公報

ところで、車両に搭載される電源システムに限られるものではないが、大きな容量及び出力が要求される電源システムでは、蓄電デバイス全体の熱容量は大きく、暖機に多量の熱エネルギを必要とする。したがって、上記（１）〜（４）のいずれかの暖機方法を用いたとしても、蓄電デバイス全体を加熱するためには、多くの時間とエネルギを必要とする。

そこで、本発明の目的は、速やかに且つ省エネルギで蓄電デバイスを暖機し、蓄電デバイスの性能低下を抑制することができる電源システムを提供する。

本発明は、車両の走行に必要な電力を供給する第１の電源及び第２の電源と、前記第１の電源を暖機する暖機手段と、を備える車両用の電源システムであって、前記第１の電源は前記第２の電源より出力密度が高く、前記第２の電源は前記第１の電源よりエネルギ密度が高く、前記暖機手段は、アンモニアが離脱するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する化学蓄熱材を有する化学蓄熱装置であり、車両の走行開始前の所定期間又は走行開始後の所定期間において、前記第１の電源の暖機を開始する。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記化学蓄熱装置は、前記第１の電源を暖機すると共に、前記第２の電源を暖機するものであり、前記第１の電源の温度が所定温度に達した後に、前記第２の電源の暖機を開始することが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第２の電源を暖機する暖機装置を備え、前記第２の電源を暖機する暖機装置は、前記第１の電源の温度が所定温度に達した後に、前記第２の電源の暖機を開始することが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第２の電源を暖機する暖機装置は、車両の排熱を利用して前記第２の電源を暖機する暖機装置であることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第１の電源の昇温速度は、前記第２の電源の昇温速度より速いことが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第１の電源及び前記第２の電源はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第１の電源はリチウムイオンキャパシタであり、前記第２の電源はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第１の電源を暖機するために前記化学蓄熱装置から供給される熱媒体は、凝縮潜熱であることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記第１の電源を暖機するために前記化学蓄熱装置から供給される熱媒体は、液体であることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記化学蓄熱装置は、前記化学蓄熱材再生用の加熱器を備えることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記加熱器はヒータであり、前記ヒータへの電力は、前記第１の電源、前記第２の電源、及び車両からの回生エネルギにより発電する発電機のうち少なくともいずれか１つから供給されることが好ましい。

また、前記車両用の電源システムにおいて、前記加熱器による前記化学蓄熱材の再生には、車両の排熱が利用されることが好ましい。

また、本発明は、装置の稼働に必要な電力を供給する第１の電源及び第２の電源と、前記第１の電源を暖機する暖機手段と、を備える電源システムであって、前記第１の電源は前記第２の電源より出力密度が高く、前記第２の電源は前記第１の電源よりエネルギ密度が高く、前記暖機手段は、アンモニアが離脱するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する化学蓄熱材を有する化学蓄熱装置であり、電源システムが搭載される装置の稼働前の所定期間又は稼働後の所定期間において、前記第１の電源の暖機を開始する。

本発明によれば、速やかに且つ省エネルギで蓄電デバイスを暖機し、蓄電デバイスの性能低下を抑制することができる。

本実施形態に係る電源システムの構成の一例を示す模式図である。 従来型電源システム及びハイブリッド電源システムの電源の容量比を示す図である。 化学蓄熱装置の構成の一例を示す模式図である。 化学蓄熱装置の出力特性を示す図である。 化学蓄熱装置による第１の電源の暖機方法を説明するためのフロー図である。 各種熱媒体が供給された時の電源の昇温特性のシミュレーションの結果を示す図である。 （Ａ）は、電源に設置される熱交換器の構成の一例を示す模式図であり、（Ｂ）は、熱交換器を電源に設置した状態を示す模式図である。 暖機前後の容量型蓄電デバイスと出力型蓄電デバイスの出力密度比を示す図である。 暖機前後の従来型電源システムとハイブリッド電源システムの電源の出力比を示す図である。 従来型電源システムとハイブリッド電源システムの電源を暖機するのに必要な熱容量比である。 化学蓄熱装置の再生処理の方法を説明するためのフロー図である。 本実施形態の電源システムの電源を暖機する方法の他の一例を説明するためのフロー図である。 化学蓄熱装置の再生処理の方法の他の一例を説明するためのフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る電源システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、電源回路１は、第１の電源１０、第２の電源１２及び暖機装置１４を有する電源システム１６と、第１のコンバータ１８と、第２のコンバータ２０と、インバータ２２と、を備える。

第２のコンバータ２０は、入力側が第２の電源１２に接続され、出力側がインバータ２２に接続されている。また、第１のコンバータ１８は、入力側が第１の電源１０に接続され、出力側が第２の電源１２と第２のコンバータ２０との接続ノードに接続される。

第１及び第２のコンバータ１８，２０は、主に（第１及び第２の電源１０，１２）電源から供給された電圧を外部負荷２４が駆動する電圧に昇降圧するものである。インバータ２２は、主に第１及び第２のコンバータ１８，２０から与えられる直流電圧を交流に変換して、外部負荷２４に出力するものである。なお、外部負荷２４が電動車両（ＥＶ）に搭載されるモータジェネレータ２４等である場合には、インバータ２２はモータジェネレータ２４の発電によって与えられる交流電圧を直流に変換して、第２のコンバータ２０に出力し、第２のコンバータ２０及び第１のコンバータ１８は、インバータ２２から供給された電圧を、第１の電源１０及び第２の電源１２を充電させるための電圧に昇降圧することも可能である。すなわち、第１の電源１０と外部負荷２４とは第１及び第２のコンバータ１８，２０及びインバータ２２を介して双方向に電力授受が可能である。また、第２の電源１２と外部負荷２４とは第２のコンバータ２０及びインバータ２２を介して双方向に電力授受が可能である。

第１の電源１０は、第２の電源１２より出力密度が高い（単位質量当たりの入出力抵抗が低い）出力型の蓄電デバイスであり、第２の電源１２は、第１の電源１０よりエネルギ密度が高い容量型の蓄電デバイスである。第１の電源１０及び第２の電源１２の具体例については後述するが、例えば、第１の電源１０はリチウムイオンキャパシタ等が用いられ、第２の電源１２はリチウムイオン二次電池等が用いられる。

ここで、出力型の蓄電デバイスである第１の電源１０と容量型の蓄電デバイスである第２の電源１２を備える電源システム１６（以下、ハイブリッド電源システムと称する場合がある）の容量及び出力について説明する。比較のため、１つの蓄電デバイスからなる電源システム（以下、従来型電源システムと称する場合がある）の容量及び出力についても説明する。

図２は、従来型電源システム及びハイブリッド電源システムの電源の容量比を示す図である。一般的に、ＥＶの走行に必要なエネルギである電池容量（或いはエネルギー密度）及び加減速性能である入出力パワー（或いは入出力密度）の両方を満足する蓄電デバイスは、現状存在しない。したがって、１つの蓄電デバイスからなる従来型電源システムにおいて、ＥＶの走行で要求される入出力パワーを満たすためには、図２に示すように、ＥＶの走行に必要な電池容量よりも過剰な電池容量を有する蓄電デバイスが必要となる。一方、ハイブリッド電源システムでは、入出力パワーは第１の電源１０（出力型の蓄電デバイス）で補いながら、走行に必要なエネルギを第２の電源１２（容量型の蓄電デバイス）で賄うことができるため、第１及び第２の電源１０，１２を必要最低限の容量となるよう設計することができる。

ここで、蓄電デバイスの容量について、より具体的に説明するにあたり、電源システムを搭載する電動車両（ＥＶ）について、例えば、極低温においても、一定距離Ａ（ｋｍ）を走行可能で、一定の加減速性能（入力パワーＢ（ｋＷ）、出力パワーＣ（ｋＷ））を有するものを想定する。そして、ＥＶがある走行パターンで航続距離Ａ’（ｋｍ）を走った時に必要な平均エネルギをＤ（ｋＷｈ／ｋｍ）とし、走行時間をｔ（ｈｏｕｒ）とする。この場合、従来型蓄電デバイスでは、車両の入力パワーＢ（ｋＷ）及び出力パワーＣ（ｋＷ）を満たすために、走行に必要なエネルギであるＤ×Ａ’（ｋＷｈ）の電池容量以上の容量を有する蓄電デバイスが必要になる。一方、ハイブリッド蓄電デバイスにおいて、容量型の蓄電デバイスである第２の電源１２に求められる性能は、走行に必要なエネルギであるＤ×Ａ’（ｋＷｈ）の電池容量と、この電池容量にて発揮されるＤ×Ａ’／ｔ（ｋＷ）の（平均）出力パワーである。そして、出力型の蓄電デバイスである第１の電源１０には、残りの入出力パワーを補う性能を有していればよいため、第１の電源１０は、残りの出力パワーであるＣ−Ｄ×Ａ’／ｔ（ｋＷ）と、第２の電源１２の入力パワーをＥ（ｋＷ）とした場合の残りの入力パワーであるＢ−Ｅ（ｋＷ）を有する蓄電デバイスであればよい。したがって、従来型電源システムでは、過剰な電池容量を満たすために容積及び重量共に大きな蓄電デバイスが必要である。しかし、ハイブリッド電源システムでは、第２の電源１２は必要最低限の容量を有するように設計できるため、第２の電源１２の重量及び容積は、従来型電源システムの蓄電デバイスより小さくなる。更に、第１の電源１０は第２の電源１２の入出力パワーを補うように設計できるため、第１の電源１０の重量及び容積は、第２の電源１２よりも小さくなる。

次に、本実施形態の電源システム１６（ハイブリッド電源システム）の暖機装置１４について説明する。

本実施形態では、第１の電源１０と第２の電源１２とを備える電源システム１６において、出力型の蓄電デバイスである第１の電源１０を暖機装置１４により暖機する例を説明する。但し、本実施形態の電源システム１６は二つの電源に制限されるものではなく、第３の電源、第４の電源等をさらに備えるものであってもよい。この場合、本実施形態では、蓄電デバイスの中で出力密度が高くエネルギ密度の低い蓄電デバイスを複数選択し（例えば、第１及び第３の蓄電デバイス等）、その選択した複数の蓄電デバイスを暖機装置１４によって暖機することを制限するものではない。すなわち、本実施形態は、暖機装置１４により全ての蓄電デバイスを暖機するものではなく、蓄電デバイスの中で出力密度が高くエネルギ密度の低い蓄電デバイスを選択的に暖機して、蓄電デバイス全体の出力を効果的に上げるものである。

暖機装置１４による具体的な暖機方法等については後述するが、本実施形態の電源システム１６（実質的には電源回路１）が電動車両（ＥＶ）に搭載される場合、車両の走行開始前の所定期間又は走行開始後の所定期間に、暖機装置１４により第１の電源１０の暖機を開始する。ここで、車両の走行開始前の所定期間とは、少なくともイグニッションキーがＯＮ状態になって、車両が走行開始できる状態にされた時から車両が走行するまでの間の期間である。また、車両の走行開始後の所定期間は、車両の走行が開始してから第１の電源１０に対して走行に必要な出力が要求されるまでの間で適宜設定されるものである。したがって、車両が走行開始できる状態となってから車両が走行を開始するまでの間、或いは車両走行後所定期間の間に、暖機装置１４を稼働させ、第１の電源１０の暖機を開始する。

本実施形態の電源システム１６を備える電源回路１は車両に搭載される場合に限定されるものではなく、蓄電デバイスから電力を供給して稼働する全ての装置に搭載可能である。したがって、本実施形態の電源システム１６を備える電源回路１が車両以外の装置に搭載される場合、暖機装置１４は、電源システムが搭載される装置の稼働前の所定期間又は稼働後の所定期間に第１の電源１０の暖機を開始することになる。ここで、装置の稼働前の所定期間とは、少なくとも装置の電源がＯＮ状態になって、装置が可動できる状態にされた時から装置が稼働するまでの間の期間である。また、装置の稼働後の所定期間は、装置が可動してから第１の電源１０に対して装置の稼働に必要な出力が要求されるまでの間で適宜設定されるものである。以下では、電源システム１６を備える電源回路１が車両に搭載された場合を例に具体的に説明する。

暖機装置１４の構成は、車両の走行開始前の所定期間又は走行開始後の所定期間の間に、第１の電源１０の暖機を開始することができるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、電気式ヒータや車両内の排熱を利用した熱交換器や後述する化学蓄熱装置等が挙げられる。暖機装置１４としては、電源を速やかに暖機することができる点、省エネルギで電源を暖機することができる点、又は熱エネルギを長期に保存可能である点等から、化学蓄熱装置を採用することが好ましい。以下に、化学蓄熱装置（以下、化学蓄熱装置１４と称する）の構成例を説明する。

図３は、化学蓄熱装置の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、化学蓄熱装置１４は、第１の反応器２６と、第２の反応器２８と、第１の反応器２６と第２の反応器２８とを接続するアンモニア配管３０と、を備える。

第１の反応器２６は、筐体３２と、筐体３２に設けられた複数の熱媒体流路３４と、筐体３２に設けられた複数の反応室３６と、各反応室３６内に収納された化学蓄熱材（不図示）と、を有する。筐体３２内では、反応室３６と熱媒体流路３４とが交互に配置されている。反応室３６と熱媒体流路３４とは隔壁を隔てて互いに分離されており、外部から熱媒体流路３４に供給される熱媒体Ａと反応室３６内の化学蓄熱材との間で熱交換を行えるようになっている。なお、不図示であるが、第１の反応器２６の反応室３６とアンモニア配管３０とは気密状態で連通されている。

第１の反応器２６の反応室３６に収納される化学蓄熱材は、吸熱反応によりアンモニアが離脱するときに蓄熱し、発熱反応である配位反応（化学反応）によってアンモニアが固定化されるときに放熱する金属塩化物を含む。金属塩化物としては、例えば、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、又は遷移金属の塩化物等が挙げられる。

アンモニア配管３０にはバルブ３０ａが設けられており、バルブ３０ａの開閉によりアンモニア圧の差を調節できるようになっている。

第２の反応器２８も第１の反応器２６と同様に、筐体３８と、筐体３８に設けられた複数の熱媒体流路４０と、筐体３８に設けられた複数の反応室４２と、各反応室４２内に収納された化学蓄熱材（不図示）と、を有する。反応室４２と熱媒体流路４０とは隔壁を隔てて互いに分離されており、外部から熱媒体流路４０に供給される熱媒体Ｂと反応室４２内の化学蓄熱材との間で熱交換を行えるようになっている。なお、不図示であるが、第２の反応器２８の反応室４２とアンモニア配管３０とは気密状態で連通されている。

第２の反応器２８の反応室４２に収納される化学蓄熱材は、前述した金属塩化物、又は物理吸着材（例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等）を含む。

また、化学蓄熱装置１４には、装置内にアンモニアを供給するためのアンモニア供給装置（不図示）や、装置内のガスを排気する排気装置（不図示）や、装置内のアンモニア圧を促成するための圧力測定装置（不図示）等が設置されていてもよい。

図４は、化学蓄熱装置の出力特性を示す図である。図４では、第１の反応器２６に収納される化学蓄熱材を塩化カルシウムとし、第２の反応器２８に収納される化学蓄熱材を活性炭とした化学蓄熱装置１４の出力特性である。図４から判るように、化学蓄熱装置１４の熱出力は約３０秒ほどでピーク値に到達する。すなわち、化学蓄熱装置１４を用いることで、速やかに電源を暖機することができる。

図５は、化学蓄熱装置による第１の電源の暖機方法を説明するためのフロー図である。図３及び５を用いて、化学蓄熱装置１４による第１の電源１０の暖機方法について説明する。

第１の電源１０を暖機するに当たり、初期状態として、図３に示す第２の反応器２８の反応室４２に収納された化学蓄熱材にアンモニアを固定した状態にし、アンモニア配管３０のバルブ３０ａを閉じておく。そして、イグニッションキーがＯＮ状態とされて、前述した走行開始前後の所定期間の間に、化学蓄熱装置１４により以下の動作が開始され、第１の電源１０の暖機が行われる。まず、前述した初期状態の第２の反応器２８の熱媒体流路４０に、エタノール等のアルコール、水、油類等の熱媒体Ｂが不図示の配管等から流通され（なお、図３に示す熱媒体Ｂ’は熱媒体流路４０から排出された熱媒体）、また、第１の反応器２６の熱媒体流路３４に、エタノール等のアルコール、水又は油類等の熱媒体Ａが不図示の配管等から流通される。第２の反応器２８に供給される熱媒体Ｂは所定の温度（例えば−３０℃〜１０℃）に維持されている。このとき、第２の反応器２８では、吸熱反応によって第２の反応器２８の化学蓄熱材からアンモニアＣが離脱される。そして、アンモニア配管３０のバルブ３０ａを開くことにより、アンモニア圧の高い第２の反応器２８から、相対的にアンモニア圧の低い第１の反応器２６に向けてアンモニアの輸送が行われる（図５参照）。なお、アンモニアの離脱は、第２の反応器２８への所定温度の熱媒体の流通を維持することにより継続的に行われる。

第２の反応器２８からアンモニア配管３０を通って第１の反応器２６に到達したアンモニアは、図３に示す第１の反応器２６の反応室３６に収納された金属塩化物を含む化学蓄熱材に、発熱反応により固定される。この発熱反応により、第１の反応器２６に供給される熱媒体Ａが加熱され、加熱された熱媒体Ａ’が第１の電源１０に向けて、不図示の配管等から供給（放熱）される。加熱された熱媒体Ａ’は第１の電源１０と熱交換され、第１の電源１０が暖機される。但し、加熱された熱媒体Ａ’が液体である場合には、図５に示すように、化学蓄熱装置１４に蒸発器を設置して、蒸発器により熱媒体Ａ’を蒸気にして、第１の電源１０に供給することが望ましい。これは、以下に示すように、蒸気（凝縮潜熱）の方が電源を効率よく暖機する熱媒体として好適であるためである。このようにして暖機された第１の電源１０は、図５に示すようにインバータ２２との間で前述したように電力の授受が行われる。

図６は、各種熱媒体が供給された時の電源の昇温特性のシミュレーションの結果を示す図である。図６に示すように、電源を暖機する熱媒体として蒸気（凝縮潜熱）を使用することにより、電源の温度を速やかに上昇させることができる。その結果、電源の暖機をより短い時間で行うことが可能となる。但し、必ずしも化学蓄熱装置１４に蒸発器を設置する必要はなく、装置の小型化、省電力化の観点からは、第１の反応器２６により加熱された熱媒体が液体の状態であっても、蒸発器を設置せずにそのまま電源に供給することが好ましい。

化学蓄熱装置１４から供給される熱媒体Ａ’と電源との熱交換の一例を説明する。

図７（Ａ）は、電源に設置される熱交換器の構成の一例を示す模式図であり、図７（Ｂ）は、熱交換器を電源に設置した状態を示す模式図である。図７（Ａ）に示すように、熱交換器４４は、流路プレート４６と、入口及び出口マニホールド４８，５０とを有する。流路プレート４６内には熱媒体Ａ’が通過する流路５２が形成されている。入口マニホールド４８は流路プレート４６内の流路５２の入口側と連通し、出口マニホールド５０は流路プレート４６内の流路５２の出口側と連通している。図７（Ｂ）に示すように、流路プレート４６は、第１の電源１０を構成するために積層されたセル１０ａ間に配置される。また、各流路プレート４６の入口マニホールド４８同士、出口マニホールド５０同士は連結されている。

前述したように、化学蓄熱装置１４から加熱された熱媒体Ａ’（蒸気の状態であってもよい）が第１の電源１０に供給される。供給された熱媒体Ａ’は、入口マニホールド４８内を通り、各流路プレート４６に分配される。そして、流路プレート４６内の流路５２を通過する。この際、流路プレート４６を介して第１の電源１０と加熱された熱媒体Ａ’とが熱交換され、第１の電源１０が暖機される。また、流路プレート４６を通過した熱媒体Ａ’は、出口マニホールド５０を通り、系外へ排出される。

このようにして暖機された電源システム１６（ハイブリッド電源システム）の暖機前後における出力特性について説明する。比較のため、１つの蓄電デバイスからなる電源システム（従来型電源システム）の暖機前後における出力特性についても説明する。

図８は、暖機前後の容量型蓄電デバイスと出力型蓄電デバイスの出力密度比を示す図である。図８では、蓄電デバイスとして二次電池を例としている。暖機前の温度の低い二次電池（例えば、電池温度が−２０℃〜−３０℃）では、二次電池内の電解液の粘性や反応抵抗が高くなる等の理由のために、電池の内部抵抗が高くなり、二次電池本来の性能を発揮することができない。しかし、暖機後の温度の高い二次電池（例えば、電池温度が５０℃）では、電解液の粘性や反応抵抗も低減するため、電池の内部抵抗も低下し、二次電池本来の性能を発揮することができる。これは、図８に示すように、容量型の二次電池及び出力型の二次電池でも同様な結果になる。また、図８では、二次電池を例にしたが、キャパシタであっても、電解液の粘性は温度に依存するため、二次電池と同様な結果になる。

図９は、暖機前後の従来型電源システムとハイブリッド電源システムの電源の出力比を示す図である。図１０は、従来型電源システムとハイブリッド電源システムの電源を暖機するのに必要な熱容量比である。図９に示すように、従来型電源システムの電源及びハイブリッド電源システムの電源（出力型蓄電システムである第１の電源１０）を暖機して、電池温度を上げることにより、どちらのシステムでも車両走行に必要な出力（車両要求出力）を発揮できることがわかる。そして、この時の電源の暖機に必要な熱容量は、図１０に示すように、従来型電源システムの電源に掛かる熱容量に比べてハイブリッド電源システムの電源に掛かる熱容量の方が小さくて済むことがわかる。前述したように、従来型電源システムは、ＥＶの走行で要求される入出力パワーを満たすために、過剰な電池容量を有する蓄電デバイスからなるものであって、蓄電デバイスの容積は大きい。そのため、容積の大きな蓄電デバイスを暖機するために必要な熱容量は高くなり、また、暖機時間も長くなる。これに対し、ハイブリッド電源システムの場合、図９に示すように、出力型の蓄電デバイス（第１の電源１０）を暖機するだけで車両走行に必要な出力パワーを満たすことができるため、蓄電デバイスを暖機するために必要な熱容量は少なく、暖機時間も短くて済む。なお、前述したように、出力型の蓄電デバイス（第１の電源１０）が容量型の蓄電デバイス（第２の電源１２）では賄うことができない出力を補うために使用される場合には、容量型の蓄電デバイス（第２の電源１２）より容積を小さくできるため、暖機に必要な熱容量はより小さくなり、暖機時間もより短くなる。例えば、出力型の蓄電デバイスが蓄電デバイス全体の１／１０の熱容量で暖機することができる場合、その１／１０の熱容量で出力型の蓄電デバイスを暖機するだけで、車両から要求される出力を発揮することが可能となる。

以上のように、車両の走行開始前の所定期間又は走行開始後の所定期間の間に、暖機装置１４により速やかに第１の電源１０を暖機することにより、車両の走行に必要な出力を電源から安定に供給させることが可能となる。また、第１の電源１０を暖機するだけでよいため、暖機に必要な熱容量は小さくて済む。したがって、暖機装置１４の小型化、省エネルギ化を図ることも可能である。なお、暖機装置１４による第１の電源１０の暖機終了のタイミングは、第１の電源１０の電池温度に基づいて適宜設定されればよい。

次に、暖機装置１４により暖機される第１の電源１０の種類及び第２の電源１２の種類について説明する。暖機装置１４により暖機される第１の電源１０は、例えば、出力型のリチウムイオン二次電池又はリチウムイオンキャパシタであることが好ましい。リチウムイオン二次電池の場合、電池の内部抵抗のうち反応抵抗が占める割合が高く、反応抵抗の活性化エネルギが大きい。そのため、電池性能は電池温度の影響を受けやすい。したがって、前述したように、走行開始前後の所定期間に出力型のリチウムイオン二次電池の暖機を開始することにより、効率よく出力型のリチウムイオン二次電池の性能を発揮させることが可能となる。また、リチウムイオンキャパシタは、正極にナノゲートカーボン（登録商標）を用い、負極に黒鉛系カーボンを採用した非対称型キャパシタであり、暖機後の入出力密度が現状の蓄電デバイスの中で最も高いものである。そのため、走行開始前後の所定期間にリチウムイオンキャパシタの暖機を開始することにより、高性能の電源システムを提供することが可能となる。一方、第２の電源１２は、例えば、容量型のリチウムイオン二次電池を用いることが好ましい。これは、エネルギ密度が非常に高いものであるため、高性能の電源システムを提供することが可能となるからである。但し、第１の電源１０及び第２の電源１２は上記に制限されるものではなく、鉛二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスの採用を制限するものではない。

出力型のリチウムイオン二次電池と容量型のリチウムイオン二次電池等のように、同じ蓄電デバイス同士でも、電極材料の種類、電極の寸法、使用する電解液の種類等によって容量型の蓄電デバイス、出力型の蓄電デバイスに分かれる。例えば、容量型のリチウムイオン二次電池は、一般的なリチウムイオン二次電池で、例えば、正極材料としてコバルト酸リチウムが用いられる。これに対して、出力型のリチウムイオン二次電池は、例えば、正極材料としてオリビン酸リン酸鉄リチウムが用いられる。

図１１は、化学蓄熱装置の再生処理の方法を説明するためのフロー図である。第１の反応器２６の放熱が継続され、第２の反応器２８内のアンモニアが減少した場合には、アンモニアを再び第２の反応器２８側に集め、第２の反応器２８の化学蓄熱材にアンモニアを固定させる再生処理を行う必要がある。再生処理の一例について、図３及び図１１を用いて説明する。

（再生処理）
再生処理の例としては、図１１に示すように、第１の反応器２６にヒータ等を設置して、図３に示すアンモニア配管３０のバルブ３０ａを開いた状態で、ヒータにより第１の反応器２６を加熱する。ヒータへの電力供給は、図１１に示すように、第１の電源１０や第２の電源１２、又はインバータ２２（及びコンバータ）を介して、車両からの回生エネルギにより発電するモータジェネレータ２４により行われる。このように、第１の反応器２６を加熱することによって、第１の反応器２６内に固定されているアンモニアＣ’が吸熱反応により離脱し、アンモニア配管３０を通って、第２の反応器２８に輸送される（図１１参照）。輸送されたアンモニアＣ’は、図３に示すように、第２の反応器２８の反応室４２内の化学蓄熱材に発熱反応により固定化され、初期の状態に再生される。なお、この発熱反応は、例えば、第２の反応器２８の熱媒体流路４０へ所定温度（例えば、−３０℃〜１０℃）の熱媒体Ｂを供給することにより維持される。このような再生処理を行うことにより、第１の電源１０等の暖機を繰り返し行うことができる。

再生処理時に使用されるヒータへの電力供給は、電力を有効に利用することができる点で、電源の残容量の状態に応じて行うことが好ましい。以下に、その具体例について説明する。一般的に、電源の寿命を確保する点から、電源の残容量に閾値を設定し、閾値未満である場合には、インバータ２２（及びコンバータ）を介して、車両からの回生エネルギによりモータジェネレータ２４で発電した電力を電源に供給して充電を行い、閾値以上である場合には、モータジェネレータ２４が発電した電力の供給を制限する等して、電源の充電制御が行われている。

そこで、本実施形態では、例えば、第１の電源１０に、電圧及び電流センサを設置して、第１の電源１０の電圧値及び電流値から、第１の電源１０の残容量を算出する。そして、第１の電源１０の残容量が充電を制限するために設定した閾値以上である場合には、図１１に示すように、インバータ２２（及びコンバータ）を介してモータジェネレータ２４で発電した電力をヒータに供給して、化学蓄熱装置１４の再生処理を行う。また、第１の電源１０の残容量が閾値未満等の適正範囲である場合には、第２の電源１２等からヒータに電力を供給して化学蓄熱装置１４の再生処理を行う。このようにヒータへの電力供給を制御することにより、電力を効率的に利用することができるため、車両の走行中でも再生処理が可能となる。

ここでは、第１の電源１０の残容量の状態に応じて再生処理を実行する例を説明したが、第２の電源１２の残容量の状態又は第１及び第２の電源１２の残容量の状態に応じて、モータジェネレータ２４からヒータに電力を供給したり、第２の電源１２（又は第１の電源１０）からヒータに電力を供給したりして、再生処理を実行してもよい。また、本実施形態において、再生処理に必要な電力（エネルギ）は、第２の電源１２が供給することができる電力（エネルギ）の１％以下となるように、化学蓄熱システムを設計することが望ましい。

図１２は、本実施形態の電源システムの電源を暖機する方法の他の一例を説明するためのフロー図である。ここでは、第１の電源１０の暖機だけでなく、第２の電源１２の暖機も行う。第２の電源１２の暖機を行うことで、第２の電源１２からの入出力が増加するため、第１の電源から出力される電力が抑えられ、第１の電源の劣化を抑制することが可能となる。

まず、前述したように、イグニッションキーがＯＮ状態とされて、走行開始前後の所定期間の間に、第１の反応器２６、第２の反応器２８、及び蒸発器を有する化学蓄熱装置１４によって、第１の電源１０の暖機が開始される。第１の暖機後（暖機途中又は暖機終了後）、第２の電源１２の暖機が開始される。ここで、第１の電源１０の暖機後に、化学蓄熱装置１４によって第２の電源１２の暖機を開始してもよいが、第１の電源１０を暖機する化学蓄熱装置１４とは別に、第２の電源１２を暖機する暖機装置を設けることが好ましい。

第１の電源１０及び第２の電源１２を暖機する場合には、図１２に示すように、主に第１の電源１０を暖機する第１の暖機装置と、主に第２の電源１２を暖機する第２の暖機装置と、を備える暖機装置システムとすることが望ましい。そして、第１の暖機装置は、前述した化学蓄熱装置であり、第２の暖機装置は、車両内で発生する排熱を利用する暖機装置であることが好ましい。これにより、車両内で発生する排熱を有効に利用することができるため、効率的又は省エネルギで電源の暖機が可能になる。

第２の暖機装置は、車両内で発生する排熱を利用して蒸気を発生する蒸気発生器、車両内で発生する排熱により加熱された熱媒体を第２の電源１２に供給するファン、熱交換器等が挙げられる。車両内で発生する排熱は、例えば、エンジンやモータジェネレータ２４からの排熱、インバータ２２の損失熱、トランスアクスルからの排熱等が挙げられる。

暖機装置による電源の昇温速度において、第１の電源の昇温速度は第２の電源の昇温速度より早く設定することが好ましい。これは、第１の電源を速やかに昇温することにより、電源システム全体の出力を効率的に発揮させることが可能となるからである。

これまでの実施形態では、第１の電源１０の暖機開始タイミングを車両走行開始前後の所定期間としている。しかし、例えば、第１の電源１０に温度センサを設置して、温度センサにより検出される電池温度が所定値以下である場合には、車両走行開始前の所定期間に第１の電源１０の暖機を開始し、電池温度が所定値を超える場合には、車両走行開始後の所定期間に第１の電源１０の暖機を開始する等して、暖機開始タイミングを制御してもよい。

また、第２の電源１２の暖機開始タイミングを第１の電源１０の暖機後（暖機途中及び暖機終了後）としているが、例えば、第１の電源１０に温度センサを設置して、温度センサにより検出される電池温度が所定値に達した後に、第２の電源１２の暖機を開始する等して、第２の電源１２の暖機開始タイミングを制御してもよい。

図１３は、化学蓄熱装置の再生処理の方法の他の一例を説明するためのフロー図である。前述したように、再生処理の際には、第１の反応器にヒータを設置して、第１の反応器２６を加熱してもよいが、図１３に示すように、車両内で発生する排熱を利用する加熱装置により、第１の反応器２６を加熱してもよい。なお、車両内で発生する排熱を利用する場合には、第１の反応器２６にヒータを設置する必要はない。加熱装置は、車両内で発生する排熱を利用して蒸気を発生する蒸気発生器、車両内で発生する排熱により加熱された熱媒体を第１の反応器２６に供給するファン、熱交換器等が挙げられる。車両内で発生する排熱は、例えば、エンジンやモータジェネレータ２４からの排熱、インバータ２２の損失熱、トランスアクスルからの排熱等が挙げられる。

１ 電源回路、１０ 第１の電源、１０ａ セル、１２ 第２の電源、１４ 暖機装置又は化学蓄熱装置、１６ 電源システム、１８ 第１のコンバータ、２０ 第２のコンバータ、２２ インバータ、２４ 外部負荷又はモータジェネレータ、２６ 第１の反応器、２８ 第２の反応器、３０ アンモニア配管、３０ａ バルブ、３２，３８ 筐体、３４，４０ 熱媒体流路、３６，４２ 反応室、４４ 熱交換器、４６ 流路プレート、４８ 入口マニホールド、５０ 出口マニホールド、５２ 流路。

Claims (13)

1. 車両の走行に必要な電力を供給する第１の電源及び第２の電源と、前記第１の電源を暖機する暖機手段と、を備える車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源は前記第２の電源より出力密度が高く、前記第２の電源は前記第１の電源よりエネルギ密度が高く、
   前記暖機手段は、アンモニアが離脱するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する化学蓄熱材を有する化学蓄熱装置であり、車両の走行開始前の所定期間又は走行開始後の所定期間において、前記第１の電源の暖機を開始することを特徴とする車両用の電源システム。
2. 請求項１記載の車両用の電源システムであって、
   前記化学蓄熱装置は、前記第１の電源を暖機すると共に、前記第２の電源を暖機するものであり、前記第１の電源の温度が所定温度に達した後に、前記第２の電源の暖機を開始することを特徴とする車両用の電源システム。
3. 請求項１記載の車両用の電源システムであって、
   前記第２の電源を暖機する暖機装置を備え、
   前記第２の電源を暖機する暖機装置は、前記第１の電源の温度が所定温度に達した後に、前記第２の電源の暖機を開始することを特徴とする車両用の電源システム。
4. 請求項３記載の車両用の電源システムであって、
   前記第２の電源を暖機する暖機装置は、車両の排熱を利用して前記第２の電源を暖機する暖機装置であることを特徴とする車両用の電源システム。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源の昇温速度は、前記第２の電源の昇温速度より速いことを特徴とする車両用の電源システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源及び前記第２の電源はリチウムイオン二次電池であることを特徴とする車両用の電源システム。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源はリチウムイオンキャパシタであり、前記第２の電源はリチウムイオン二次電池であることを特徴とする車両用の電源システム。
8. 請求項１記載の車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源を暖機するために前記化学蓄熱装置から供給される熱媒体は、凝縮潜熱であることを特徴とする車両用の電源システム。
9. 請求項１記載の車両用の電源システムであって、
   前記第１の電源を暖機するために前記化学蓄熱装置から供給される熱媒体は、液体であることを特徴とする車両用の電源システム。
10. 請求項１記載の車両用の電源システムであって、
    前記化学蓄熱装置は、前記化学蓄熱材再生用の加熱器を備えることを特徴とする車両用の電源システム。
11. 請求項１０記載の車両用の電源システムであって、
    前記加熱器はヒータであり、前記ヒータへの電力は、前記第１の電源、前記第２の電源、及び車両からの回生エネルギにより発電する発電機のうち少なくともいずれか１つから供給されることを特徴とする車両用の電源システム。
12. 請求項１０記載の車両用の電源システムであって、
    前記加熱器による前記化学蓄熱材の再生には、車両の排熱が利用されることを特徴とする車両用の電源システム。
13. 装置の稼働に必要な電力を供給する第１の電源及び第２の電源と、前記第１の電源を暖機する暖機手段と、を備える電源システムであって、
    前記第１の電源は前記第２の電源より出力密度が高く、前記第２の電源は前記第１の電源よりエネルギ密度が高く、
    前記暖機手段は、アンモニアが離脱するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する化学蓄熱材を有する化学蓄熱装置であり、電源システムが搭載される装置の稼働前の所定期間又は稼働後の所定期間において、前記第１の電源の暖機を開始することを特徴とする電源システム。