JP5077489B2

JP5077489B2 - 蓄電装置及び鉄道車両

Info

Publication number: JP5077489B2
Application number: JP2011515833A
Authority: JP
Inventors: 誠司石田; 裕有田; 尊善西野; 豊田　　瑛一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: JPWO2010137182A1; WO2010137182A1

Description

本発明は、鉄道車両に搭載する蓄電装置に関する。

鉄道車両等を制動するときに、運動エネルギーを電動機で電気エネルギーに変換し蓄電装置に充電するハイブリッドシステムや、発電電力の大きい風力発電等が電力系統の安定性に与える影響を抑制するように蓄電装置の充放電させる装置など、大容量の蓄電装置の開発が進められている。
こうした蓄電装置には、リチウムイオン二次電池のような密閉構造のセルが用いられている。こうした密閉構造のセルでは、システムの誤動作等で過充電状態に陥ると、電解液の分解でガスが発生し電池内圧が極端に上昇することがあるため、防爆機構を有するものがある。こうした防爆機構を有するセルでは、セル内圧が上昇すると、セル内部の電流経路が防爆機構により破断して電流が遮断され、さらに内圧が上昇すると防爆機構によりセル内のガスが放出されて、セル内圧が低減する。
こうした電池を用いて、大容量の蓄電装置を実現するためには、多数のセルを直列に接続して高電圧化し、さらに並列接続する必要がある。このような蓄電装置としては、特開平１０−３２２９１５号公報に記載のものがある。

特開平１０−３２２９１５号公報

多数のセルを直列に接続した場合、前述した防爆機構が動作し電流経路が破断しても電流が遮断できない場合がある。
第２図に示す回路例を用いて、課題を具体的に説明する。第２図において、１１ａ〜１１ｆは防爆弁、１２ａ〜１２ｆは正極，負極，セパレータなどで構成されたセル要素、１３ａ〜１３ｆは防爆弁とセル要素を含むセル、１４はリアクトル、１５ａと１５ｂはスイッチング素子、１６ａと１６ｂはダイオード、１７ａと１７ｂは端子、１８は昇降圧チョッパである。リアクトル１４，スイッチング素子１５ａ，１５ｂ、及びダイオード１６ａ，１６ｂは昇降圧チョッパ１８を構成し、スイッチング素子１５ａと１５ｂを交互にオンすることにより、端子１７ａ，１７ｂとセル１３ａ〜１３ｆの直列回路の電力を変換し、セル１３ａ〜１３ｆに流れる電流を制御する。
リアクトル１４に、セル１３ａからスイッチング素子１５ｂに向かう電流が流れており、スイッチング素子１５ｂが導通状態にあるとき、防爆弁１１ｄがセル１３ｄの内圧上昇に開放した場合を考えると、防爆弁１１ｄには、セル１３ａ〜１３ｆの電圧総和と、回路の開放に伴う電流変化によりリアクトル１４に発生する逆起電力が印加される。第２図に示す回路では、セル数が６個であるが、大容量高電圧の蓄電装置の場合には、セル数が数百個になるため、防爆弁には高電圧が印加されることになり、防爆弁の絶縁破壊に伴うアークが発生し、発火する可能性がある。よって、従来、蓄電装置の電圧を、セルの防爆弁で遮断できる（絶縁可能な）電圧よりも大きくすることができなかった。つまり、セルの防爆弁の絶縁性能を超えて、直列接続されるセル数を増やすことはできなかった。

本発明の目的は、防爆弁の耐圧性能によらず高電圧な蓄電装置を構成することである。
上記課題の第一の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備え、負荷へ電力を供給する蓄電装置において、前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、前記防爆弁が開放した際に、前記開放した防爆弁を有する直列ユニットの電圧の上昇を抑制する手段を備えたことを特徴とする蓄電装置である。
（ここで、「防爆弁の耐圧」とは、防爆弁の開放により絶縁可能な電圧の意味である。）
上記課題の第二の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備え、負荷へ電力を供給する蓄電装置において、前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、前記直列ユニットの異常を検出して前記遮断器を開放するコントローラとを備え、前記直列ユニットと前記遮断器とを備える直列回路は、複数並列接続されており、前記コントローラは、前記遮断器が１個だけ導通状態になることを防止するように前記遮断器の開放を制御することを特徴とする蓄電装置である。
（ここで、直列ユニットの異常とは、直列ユニットを構成するセルの内圧の異常，セルの過放電，過充電，セルの破損，防爆弁の開放の少なくともいずれか１つを含む意味である。）
上記課題の第三の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備え、負荷へ電力を供給する蓄電装置において、前記直列ユニットを複数並列接続した回路と直列に接続された遮断器と、前記直列ユニットの異常を検出して前記遮断器を開放するコントローラとを備えることを特徴とする蓄電装置である。
上記課題の第四の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備え、負荷へ電力を供給する蓄電装置において、前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、前記直列ユニットと並列に接続されたコンデンサを備えることを特徴とする蓄電装置である。
上記課題の第五の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備え、負荷へ電力を供給する蓄電装置において、前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、前記直列ユニットと遮断器の直列回路と並列に接続されたコンデンサと、２個のスイッチング素子を互いに直列に接続し、一方のスイッチング素子の両端子をリアクトルを介して前記コンデンサと接続したことを特徴とする蓄電装置である。
上記課題の第六の解決手段は、内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、前記防爆弁が開放した際に、前記直列ユニットが複数並列接続されていることを特徴とする蓄電装置である。

本発明によれば、防爆弁の耐圧性能によらず、高電圧な蓄電装置を構成することが可能となる。

第１図は第１の実施例の蓄電装置の構成。
第２図は本発明の課題を説明する回路図。
第３図はコントローラ１０４の機能を説明する流れ図。
第４図は本発明の効果を説明する回路図。
第５図は第２の実施例の蓄電装置の構成。
第６図は第３の実施例の蓄電装置の構成。
第７図は第４の実施例の鉄道車両の構成。

第１図に本発明の第１の実施例の蓄電装置の構成を示す。
１０２ａは、防爆弁を内蔵したセル１０１ａ〜１０１ｆを直列接続して構成される直列ユニットであり、遮断器１０３ａは、直列ユニットと直列接続される。直列ユニット１０２ｂ〜１０２ｆと遮断器１０３ｂ〜１０３ｆとが直列接続された直列回路は、それぞれ並列接続され、端子１０５ａと１０５ｂに接続される。第１図では図示していないが端子１０５ａと１０５ｂは負荷へ接続される。コントローラ１０４は、直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆの状態を監視する。直列ユニットに異常が発生した場合には、コントローラ１０４は、対応する遮断器１０３ａ〜１０３ｆを開放することにより、直列ユニットを回路から切り離す。このような切り離しにより、切り離された直列ユニット分だけ蓄電装置の性能は低下するが、蓄電装置の使用を継続することができる。尚、セル１０１ａ〜１０１ｆに内蔵される防爆弁の耐圧は、直列ユニット１０２ｂ〜１０２ｆの電圧より低い。
コントローラ１０４は、一定周期毎に第３図に示す処理を行う。始めに、処理２０１において、直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆの状態を取得する。処理２０２において、異常の発生している直列ユニットがあるかを判定し、異常がない場合はその周期の処理を終了する。異常がある場合は、処理２０３において、遮断器が開放されていない他の直列ユニット数（つまり、導通状態となっている直列ユニット数）を判定し、直列ユニット数が１である場合は処理２０４を、それ以外の場合は処理２０５を実行する。例えば、第１図の構成で６個全ての直列ユニットが開放されていない状態で、ある１個の直列ユニットに異常が発生した場合、他の直列ユニット数は５である。
処理２０４において、異常の発生している当該直列ユニットと遮断器が開放されていない他の１つの直列ユニットに対応する両方の遮断器を開放し、その周期の処理は終了する。処理２０５では、異常の発生している当該直列ユニットのみを開放する。すなわち、上記の処理を行うことにより、蓄電装置が使用状態にある場合には、開放されていない遮断器が常に２個以上となり、直列ユニットが１個だけ導通状態となることはない。
第４図を用いて、上記構成における防爆弁開放時の動作を説明する。上記構成においては、常に複数の直列ユニットが並列接続された状態で蓄電装置が運転される。第４図では、直列ユニットの最小の並列数が２の場合について説明するが、並列数が３以上の場合でも同様の効果が得られる。尚、第４図においては第１図に記載の遮断器は省略している。第４図において、第２図と異なる点は、防爆弁１１ａ′〜１１ｆ′とセル要素１２ａ′〜１２ｆ′を含むセル１３ａ′〜１３ｆ′を直列接続された直列ユニットが並列に接続されている点である。
第２図の場合と同様に、リアクトル１４に、セル１３ａからスイッチング素子１５ｂに向かう電流が流れており、スイッチング素子１５ｂが導通状態にあるとき、防爆弁１１ｄがセル１３ｄの内圧上昇により開放した場合を考える。この場合、セル１３ａ′〜１３ｆ′の直列ユニットに電流が流れるため、リアクトル１４に逆起電力はほとんど発生しない。また、防爆弁が開放したセル１３ａ〜１３ｆの直列ユニットの両端電圧は、並列接続されたセル１３ａ′〜１３ｆ′の直列ユニットの両端電圧と等しくなり、セル１３ａ〜１３ｆの電圧を考慮すると、防爆弁１１ｄにほとんど電圧は印加されない。第４図は直列ユニットの直列数が６の場合を示しているが、直列数が６よりも大きくなっても同様に開放した防爆弁に印加される電圧は、蓄電装置の電圧に対しては、小さな値となる。よって、直列ユニットの直列数を増やして、セルに内蔵される防爆弁の耐圧よりも高電圧の蓄電装置を構成した場合においても、防爆弁の開放に伴いアークが発生することない。つまり、防爆弁の耐圧性能によらず高電圧な蓄電装置を構成することが可能となる。すなわち、直列ユニットを複数並列接続した状態を維持するなど、防爆弁が開放した場合においても、防爆弁が開放した直列ユニットの電圧が維持される構成となっていれば、開放した防爆弁に印加される電圧を低く抑えることができる。
尚、第１図の蓄電装置では、セルの直列数が６、並列数が６の場合を示しているが、直列数に制限はなく、並列数は２以上であればよい。
また、本実施例においては、リアクトル１４を有する構成について説明したが、リアクトル１４を有さない構成においても本発明の効果を達成することができる。

第５図に本発明の第２の実施例の蓄電装置の構成を示す。尚、第１図と同一の構成については、同じ符号を付けて説明を省略する。第５図において、直列ユニット１０２ａと直列ユニット１０２ｂ，直列ユニット１０２ｃと直列ユニット１０２ｄ、及び直列ユニット１０２ｅと直列ユニット１０２ｆはそれぞれ並列接続されて２並列回路を構成している。さらに遮断器４０３ａ〜４０３ｃは、それぞれ２並列回路に直列に接続されており、２並列回路は、遮断器４０３ａ〜４０３ｃを介して端子１０５ａに接続されている。コントローラ４０４は直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆの状態を監視し、直列ユニットに異常が発生した場合には、対応する遮断器４０３ａ〜４０３ｃを開放することにより、直列ユニットを回路から切り離す。この切り離し動作により、切り離された直列ユニット分だけ蓄電装置の性能は低下するが、蓄電装置の使用を継続することができる。尚、セル１０１ａ〜１０１ｆに内蔵される防爆弁の耐圧は、直列ユニット１０２ｂ〜１０２ｆの電圧より低い。
第５図に示す構成の場合、遮断器４０３ａ〜４０３ｃの状態によらず、直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆは二個単位で切り離されるため、直列ユニットが単独で接続されて導通状態となることはない。このため、実施例１の説明の中で述べたように、防爆弁が開放した場合に負荷への電流の供給が継続され、さらに他の導通状態の直列ユニットの電圧と防爆弁の開放した直列ユニットの電圧が等しくなるため、防爆弁に印加される電圧は、小さな値となる。つまり、防爆弁の耐圧性能によらず高電圧な蓄電装置を構成することが可能である。
尚、第２図の蓄電装置では、遮断器に接続される直列ユニットの並列数は２であるが、並列数が複数であれば、同様の効果が得られる。また、遮断器も３個の例を示しているが、１個を含め、個数に制限はない。

第６図に本発明の第３の実施例の蓄電装置の構成を示す。尚、第１図及び第５図と同一の構成については、同じ符号を付けて説明を省略する。第６図において、コントローラ３０４は直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆの状態を監視し、直列ユニットに防爆弁の開放を含む異常が発生した場合には、対応する遮断器１０３ａ〜１０３ｆを開放することにより、直列ユニットを回路から切り離す。この切り離し動作により、切り離された直列ユニット分だけ蓄電装置の性能は低下するが、蓄電装置の使用を継続することができる。尚、セル１０１ａ〜１０１ｆに内蔵される防爆弁の耐圧は、直列ユニット１０２ｂ〜１０２ｆの電圧より低い。また、コンデンサ１０６は、端子１０５ａと１０５ｂに接続されている。さらに、直列ユニット１０２ａ〜１０２ｆ，遮断器１０３ａ〜１０３ｆ，端子１０５ａ〜１０５ｂ、及びコンデンサ１０６は一つのバッテリ箱１０７に格納されている。
第６図に示す構成において、遮断器１０３ａ〜１０３ｆのうち１個だけがオンしている状態で防爆弁が開放した場合を考える。この場合、コンデンサ１０６から負荷へ電流が供給され、並列に接続されている防爆弁の開放した直列ユニットの電圧はコンデンサ１０６により保持されるため、防爆弁に印加される電圧は、小さな値となる。コンデンサ１０６の放電に伴い、コンデンサ１０６の電圧が徐々に低下すると防爆弁に印加される電圧も徐々に上昇する。このとき、コントローラ３０４が防爆弁の開放を検知して、１個だけオンしていた遮断器を開放すれば、当該防爆弁が開放した直列ユニットは回路から切り離されるため、防爆弁に耐圧を超えるような高電圧が印加されることはない。また、遮断器１０３ａ〜１０３ｆが複数オンしている場合には、上述したように問題はない。よって、高電圧な蓄電装置を構成することが可能である。
尚、第６図の蓄電装置では、セルの直列数が６、並列数が６の場合を示しているが、直列数及び並列数に制限はない。

第７図に、上述した蓄電装置を鉄道車両に搭載した実施例の構成を示す。鉄道車両は、エンジン１，発電機２，コンバータ３，インバータ４，２台の電動機５，バッテリ箱１０７，昇降圧チョッパ１８、及びコントローラ３０４により構成される。ここで、バッテリ箱１０７は、上述の実施例１〜３のいずれかに示した蓄電装置で構成される。エンジン１により駆動される発電機２が出力する交流電圧をコンバータ３で直流電圧に変換し、インバータ４で可変電圧可変周波数の交流電圧に変換し電動機５及び車輪を駆動する。昇降圧チョッパ１８はインバータ４と並列に接続され、蓄電装置の充放電を制御する。
鉄道車両が制動状態の時には、電動機５からの回生電力を、インバータ４及び昇降圧チョッパ１８を介してバッテリ箱１０７に搭載された蓄電装置のセルに充電する。鉄道車両が力行状態の時には、セルの充電率に応じて、バッテリ箱１０７から昇降圧チョッパを介して、コンバータ３と共にインバータ４に電力を供給して、アシストを行う。蓄電装置として、バッテリ箱１０７を用いることにより、長編成や高速車両など高出力高電圧が要求される車両への適用が可能となる。
実施例４では、実施例１〜３に記載の蓄電装置をバッテリ箱として構成し、鉄道車両に搭載する例を示したが、実施例１〜３に記載の蓄電装置の用途は鉄道車両に限られるものではなく、多数のセルを直列に接続した大容量の蓄電装置を用いる分野であれば、さまざま用途に適用可能である。

１４リアクトル
１５ａ，１５ｂスイッチング素子
１０１ａ〜１０１ｆセル
１０２ａ〜１０２ｆ直列ユニット
１０３ａ〜１０３ｆ，４０３ａ〜４０３ｃ遮断器
１０４，３０４，４０４コントローラ
１０６コンデンサ
１０７バッテリ箱

Claims

内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記防爆弁が開放した際に、前記開放した防爆弁を有する直列ユニットの電圧の上昇を抑制する手段を備えたことを特徴とする蓄電装置。
内部の電圧上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、
前記直列ユニットの異常を検出して前記遮断器を開放するコントローラとを備え、
前記直列ユニットと前記遮断器とを備える直列回路は、複数並列接続されており、
前記コントローラは、前記遮断器が１個だけ導通状態になることを防止するように前記遮断器の開放を制御することを特徴とする蓄電装置。
内部の電圧上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記直列ユニットを複数並列接続した回路と直列に接続された遮断器と、
前記直列ユニットの異常を検出して前記遮断器を開放するコントローラとを備えることを特徴とする蓄電装置。
内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記直列ユニットと並列に接続されたコンデンサを備えることを特徴とする蓄電装置。
請求項４に記載の蓄電装置において、
前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、
前記直列ユニットの異常を検出して前記遮断器を開放するコントローラとを備え、
前記直列ユニットと前記遮断器とを備える直列回路は、複数並列接続されていることを特徴とする蓄電装置。
請求項４に記載の蓄電装置において、
前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、
前記防爆弁の開放を検知する手段と、
開放を検知した前記防爆弁を有する直列ユニットに接続された前記遮断器を開放するコントローラとを備えることを特徴とする蓄電装置。
請求項４に記載の蓄電装置において、
前記直列ユニットと前記遮断機と前記コンデンサとが、同一の箱に格納されたことを特徴とする蓄電装置。
内部の電圧上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記直列ユニットと直列に接続された遮断器と、
前記直列ユニットと遮断器の直列回路と並列に接続されたコンデンサと、
２個のスイッチング素子を互いに直列に接続し、一方のスイッチング素子の両端子をリアクトルを介して前記コンデンサと接続したことを特徴とする蓄電装置。
発電機により発電される交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、
前記直流電力を電動機駆動用の交流電力へ変換するインバータを備える鉄道車両において、
前記コンバータおよび前記インバータの直流部に接続された蓄電装置を備え、
前記蓄電装置は、請求項１〜８に記載の蓄電装置であって、前記電動機からの回生電力を充電することを特徴とする鉄道車両。
内部の圧力上昇により電気回路を開放する防爆弁を有する複数のセルを直列接続した直列ユニットを備える蓄電装置において、
前記直列ユニットの電圧は前記防爆弁の耐圧より高く、
前記防爆弁が開放した際に、前記直列ユニットが複数並列接続されていることを特徴とする蓄電装置。