(57)【要約】【課題】インホイールモータを使用する低床式電気車両において、床面を可能な限り低床にする。【解決手段】本発明の低床式電気車両は、ホイールの中に組み込まれたインホイールモータと、上記インホイールモータに駆動電力を供給するニッケル水素電池と、上記ニッケル水素電池からの出力電力を駆動電力に変換し上記インホイールモータに出力するとともに、上記インホイールモータで発電した電力を上記ニッケル水素電池へ回生するインバータと、上記インバータを制御する制御部と、上記ニッケル水素電池を収納する収納部とを備える。【選択図】図１
2010184538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイールの中に組み込まれたインホイールモータと、
上記インホイールモータに駆動電力を供給するニッケル水素電池と、
上記ニッケル水素電池からの出力電力を駆動電力に変換し上記インホイールモータに出力するとともに、上記インホイールモータで発電した電力を上記ニッケル水素電池へ回生するインバータと、
上記インバータを制御する制御部と、
上記ニッケル水素電池を収納する収納部と
を備える低床式電気車両。
【請求項２】
上記収納部が乗客用座席の下方空間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の低床式電気車両。
【請求項３】
上記インバータは、可変電圧可変周波数制御インバータであって、その入力電圧の許容範囲が公称電圧を上記許容範囲の中央値とするように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の低床式電気車両。
【請求項４】
車両の床において段差がない、ことを特徴とする請求項１に記載の低床式電気車両。
【請求項５】
上記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載の低床式電気車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池駆動による低床式電気車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バリアフリーの観点から、高齢者、障害者や車いす利用者などの乗り降りの安全化、容易化及び円滑化を目的として、低床式乗合車両、例えば低床式バスが近年開発され、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。低床式バスは、車いす使用者による乗降の便宜を考慮して、車両内の相当部分の床面も上記乗降口床面と同じ高さになるように設計されている。実用化されている低床式バスの満たす主たる基準として、乗降口床面の乗降時の高さが２７０ｍｍ以下であるということが推奨されている（「公共交通機関の車両等に関する移動円滑化整備ガイドライン（監修：国土交通省総合政策局安心生活政策課、発行：交通エコロジー・モビリティー財団、平成１９年７月発行）」より）。
【０００３】
現存の乗合バスの多くは、ディーゼル式エンジンにより駆動されるものであり、ディーゼル式エンジン、トランスミッション、及びデファレンシャル機構等を搭載する。図７は、従来のディーゼル式エンジン駆動の低床式バス２４’の（１）概略の平面分解図（即ち、バスの屋根部分を外した平面図）と、（２）概略の縦断面図である。なお、（２）の縦断面図は、（１）に示すＡＡ’を通りバスを鉛直に縦断する面による縦断面図である。運転席２６が備わる側がバスの前方向である（縦断面図（２）では、運転席を省いている）。バスの前半分においては、床面２５は低く設計されており、前輪タイヤハウス４２ｒ、４２ｌ上に備わる座席２８ｒ、２８ｌ以外の前方座席３２ｒ、３２ｌは低床面２５上に設置されている。しかしながら、図７に示すように、バスの後半分においては、床面２７は高くなっており、床面全面において低床となっていない。これは、バスの後半分の床面２７下の空間４８、及び、最後尾座席の後方の空間には、ディーゼル式エンジン、トランスミッション、及びデファレンシャル機構等に関連する諸装置が収納されているためである。
【０００４】
一方、車両において乗員用のスペースを確保するための技術として、タイヤを支えるホイールの中にハブに直結して組み込んだモータにより駆動力を発生させるインホイールモータの技術がある。例えば、特許文献２及び非特許文献１には、インホイールモータを搭載する大型バスが開示されている。図８に、インホイールモータ（ＩＷＭ）６を利用する大型車両のための駆動システム２’の概略構成図を示す。駆動システム２’は主に、リチウムイオン電池４’、駆動系６０、及び回生系５８から構成される。駆動系６０は、インバータ８、インホイールモータ６、及び駆動トルク指令制御部１０を含む。駆動系６０は４つのホイール夫々に対して設けられる。夫々のインバータ８は、駆動トルク指令制御部１０からのトルク指令による制御を受けて、リチウムイオン電池４’からの直流入力を交流に変換してインホイールモータ６に出力する。
【０００５】
回生系５８は、チョッパ５２、キャパシタ５４、及び充放電制御部５６を含む。チョッパ５２はキャパシタ５４の充放電のために設けられている。回生（減速）モードとなり、リチウムイオン電池４’を充電する方向に電流が流れると、チョッパ５２〜キャパシタ５４側に分流するように充放電制御部５６により制御され、回生エネルギーがキャパシタ５４に吸収される。力行（加速）モードとなり、リチウムイオン電池４’を放電する方向に電流が流れると、キャパシタ５４に蓄えられたエネルギーを放出するように、充放電制御部５６により制御される。なお、回生系５８は、駆動システム２’全体に１つ備わる。また「力行」は、内燃機関による自動車の場合には通常アクセルを踏んだ状態を示し、電気自動車の場合にはモータに電力を流した状態を示す。
【０００６】
インホイールモータ６を利用する車両用駆動システムでは、タイヤを支えるホイールの中に組み込んだモータにより駆動力を発生させるため、通常の車両で必要な、車体に搭載された、エンジンやモータからタイヤまで駆動力を伝達する、トランスミッションやデファレンシャルギア、プロペラシャフト、ドライブシャフト等のドライブライン装置を車体に搭載する必要がなく、それら諸装置のための空間分、車両内の空間を確保できる。
【０００７】
しかしながら、上述のインホイールモータ（ＩＷＭ）６を利用する駆動システム２’では、依然として、チョッパ５２やキャパシタ５４を含む回生系５８を搭載するための空間が必要である。従って、上述のインホイールモータ（ＩＷＭ）６を利用する大型車両のための駆動システム２’を低床式バスに利用するとしても、バスの後半分の高床面２７下の空間４８の少なくとも一部を、回生系５８を搭載するための空間として残すことが不可避である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−６２６８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９１１８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「２２．５インチホイール組込形大型バス用インホイールモータシステムの開発」、東洋電機技報、第１１３号、２００６−３、９〜１４頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように従来のエンジン式低床バスは床面全面がフラットではない。利用者の利便性、安全性等を考慮すると、高床面が無い、すなわち、床面全体がフラットな全低床式バスが望まれる。
【００１１】
また、特許文献２に記載のインホイールモータを車両に利用する場合、回生系装置（回生系５８に含まれる装置）を車体内のどこかに収納する必要がある。よって、エンジン式の従来のバスと同様、車体後半部に収納することが考えられ、よって、従来と同様床面全体をフラットにできないという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、全面フルフラットの低床を備えた電動車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る低床式電気車両は、
ホイールの中に組み込まれたインホイールモータと、
上記インホイールモータに駆動電力を供給するニッケル水素電池と、
上記ニッケル水素電池からの出力電力を駆動電力に変換し上記インホイールモータに出力するとともに、上記インホイールモータで発電した電力を上記ニッケル水素電池へ回生するインバータと、
上記インバータを制御する制御部と、
上記ニッケル水素電池を収納する収納部と
を備える。
【００１４】
上記収納部が乗客用座席の下方空間に設けられていることが好ましい。
【００１５】
上記インバータは、可変電圧可変周波数制御インバータであって、その入力電圧の許容範囲が公称電圧を上記許容範囲の中央値とするように構成されているのが、好ましい。
【００１６】
車両の床において段差がないのが好ましい。
【００１７】
また、上記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられているのが、好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、乗合電動車両の床面を略全面に渡ってフルフラットの低床式のものとすることができる。このような低床式の乗合電動車両では、高齢者、障害者や車いす利用者が利用できる範囲が通常の低床バスより広いとともに、容易に且つ円滑に乗り降りを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係るインホイールモータを利用する大型車両のための駆動システムを示す概略の構成図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態に係るインホイールモータを利用する大型車両のための駆動システムを示す、より詳細な構成図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態に係るインホイールモータを利用する大型車両のための駆動システムを搭載する低床式バスの（１）バスの屋根部分を外した概略の平面分解図と、（２）概略の縦断面図である。
【図４】各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【図５】（１）一構成例の電池モジュールの横断面図と、（２）同じ一構成例の電池モジュールの一部斜視図である。（２）の斜視図では、伝熱板内の空気の流れ方向を示している。
【図６】一構成例の電池モジュールに用いられる伝熱板の斜視図である。
【図７】従来のディーゼル式エンジン駆動の低床式バスの（１）バスの屋根部分を外した概略の平面分解図と、（２）概略の縦断面図である。
【図８】インホイールモータを利用する大型車両のための駆動システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
〔実施の形態〕
図１は、本発明の好適な実施の形態に係る大型車両のための駆動システム２を示す概略の構成図である。
【００２２】
本発明に係る駆動システム２は、ニッケル水素電池４、インホイールモータ６、可変電圧可変周波数制御インバータ８（以下、「インバータ８」と略記する）、及び、駆動トルク指令制御部１０から構成される。
【００２３】
車両の加速（力行モード）時には、夫々のインバータ８は、駆動トルク指令制御部１０からのトルク指令による制御を受けて、ニッケル水素電池４からの直流入力を交流に変換してインホイールモータ６に出力する。一方、車両の減速（回生モード）時には、インホイールモータ６が発電機として使用され、インバータ８はインホイールモータ６から交流電力を直流電力に変換してニッケル水素電池４へ出力する。このときニッケル水素電池４が充電される。なお、後で説明するように、インバータ８とインホイールモータ６は、４つのホイール（車輪）の夫々に対して設けられる。
【００２４】
図２は、本発明の好適な実施の形態に係るインホイールモータを利用する大型車両のための駆動システム２を示す、より詳細な構成図である。
【００２５】
図２に示す駆動システム２において、ニッケル水素電池４の正極側外部端子には、高速度遮断器１２と電磁接触器１４とフィルタリアクトル１６とを介してインバータ８の正側入力端子が接続され、インバータ８の負側入力端子にはニッケル水素電池４の負極側外部端子が接続されている。また、フィルタリアクトル１６とともにローパスフィルタを構成するフィルタコンデンサ１８が、インバータ８と並列に接続されている。インバータ８の出力端子には、車輪２９を駆動するための車両走行用のインホイールモータ６が接続されている。
【００２６】
高速度遮断器１２、電磁接触器１４、フィルタリアクトル１６、フィルタコンデンサ１８、インバータ８、及びインホイールモータ６からなる駆動回生系統２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、４つの車輪２９の夫々に対して設けられる。つまり、４つの車輪２９は、夫々独立して自由に動作するように制御され得る。
【００２７】
さらに、ニッケル水素電池４の正極側外部端子には、高速度遮断器１３と電磁接触器１５とフィルタリアクトル１７とを介してインバータ９の正側入力端子が接続され、インバータ９の負側入力端子にはニッケル水素電池４の負極側外部端子が接続されている。また、フィルタリアクトル１７とともにローパスフィルタを構成するフィルタコンデンサ１９が、インバータ９と並列に接続されている。インバータ９の出力端子には、負荷７が接続されている。この負荷７は、空調装置、照明装置、ブレーキ用コンプレッサ、暖房装置等の補機であり、インバータ９は補機に電力を供給する補助電源装置である。
【００２８】
制御装置１１は、運転手の運転操作による運転指令台からの指令信号や、インホイールモータ６に取り付けられている速度センサからの回転速度等に応じて、インバータ８、高速度遮断器１２及び電磁接触器１４を、駆動回生系統２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ別に制御する。更に、制御装置１１は、補機（負荷７）に繋がるインバータ９、速度遮断器１３及び電磁接触器１５を制御する。
【００２９】
電磁接触器１４、１５は、運転指令台の電源スイッチのオン、オフに応じて、オン、オフする。高速度遮断器１２、１３は過電流を遮断するための保護回路である。
【００３０】
ニッケル水素電池４からの直流電力はインバータ８に供給され、インバータ８は、供給された直流電力を運転指令台からの指令速度に応じた周波数、電圧の３相交流電力に変換し、インホイールモータ６へ出力する。インホイールモータ６は、インバータ８から供給される三相交流電力により駆動される。
【００３１】
さらにニッケル水素電池４からの直流電力はインバータ９に供給され、インバータ９は、供給される直流電力を定電圧、定周波数の３相交流電力に変換し、負荷７へ出力する。
【００３２】
また、駆動システム２の減速時には、インホイールモータ６が発電機として使用され、インバータ８はコンバータ運転されてインホイールモータ６からの３相交流電力を直流電力に変換してニッケル水素電池４へ出力する。このときニッケル水素電池４が充電される。
【００３３】
ニッケル水素電池４は、インバータ８、９の許容入力電圧範囲内の電圧に相当する電池電圧を有するように構成され、放電を行うとともに、回生ブレーキ時にインバータ８からの回生電力で充電を行う。
【００３４】
ニッケル水素電池４は、その一対の外部端子が充放電制御装置を介さずにインバータ８に接続されている。上記充放電制御装置とは、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）である。
【００３５】
〔大型バスの全面低床構成〕
図３は、本実施の形態の駆動システム２を搭載する低床式バス２４の（１）概略の平面分解図（即ち、バスの屋根部分を外した平面図）と、（２）概略の縦断面図である。なお、図３（２）の縦断面図は、図３（１）に示すＡＡ’を通りバスを鉛直に縦断する面による縦断面図である。運転席２６が備わっている側がバスの前方向である（縦断面図（２）では、運転席を省いている）。
【００３６】
本実施の形態の低床式バスはインホイールモータを採用している。これにより、通常の車両で必要な、車体に搭載された、エンジンやモータからタイヤまで駆動力を伝達する、トランスミッションやデファレンシャルギア、プロペラシャフト、ドライブシャフト等のドライブライン装置を車体に搭載する必要がなく、それら諸装置のための空間分、車両内の空間を確保できる
【００３７】
しかしながら、単にインホイールモータを採用した場合、背景技術で説明したように、回生系の装置（図８に示す回生系５８）を収容する場所が必要となるという問題がある。本実施の形態では、電圧供給源の二次電池としてニッケル水素電池を使用したことで、この問題を解決している。
【００３８】
ニッケル水素電池の詳細については後述するが、ニッケル水素電池は、ＳＯＣ（state of charge）の変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）が非常に小さく、内部抵抗が小さく、且つ体積エネルギー密度が高く、他の二次電池と比較して電池容量を小さくできるという特性を有している。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣが大きく変動しても電圧変化が非常に小さいため、瞬間的に大電流を流すことができ、ニッケル水素電池から放電を行っても、電源電圧の低下を抑えることができるとともに、瞬間的な大電流が発生して充電されても電池電圧の上昇を抑制できる。また、ＳＯＣの低い状態においても、急速且つ大電流の放電ができ、ＳＯＣの高い状態にあっても、急速且つ大電流の充電ができる。このような特性を有するため、ニッケル水素電池に対する電力の充電及び放電の際に充放電を制御するための外部の仕組み（充放電制御装置）が不要となる。よって、従来のインホイールモータの構成では必要であった回生系の装置（図８に示す回生系５８に含まれる、チョッパ５２、キャパシタ５４、及び充放電制御部５６）を備える必要性がなくなる。
【００３９】
また、図８に示すような従来のインホイールモータシステムでは、減速（回生）モードに入り、リチウムイオン電池４’を充電する方向に電流が流れると、充放電制御部５６により、チョッパ５２〜キャパシタ５４側に分流するよう制御がなされ、回生エネルギーがキャパシタ５４に吸収される。加速（力行）モードに入り、リチウムイオン電池４’を放電する方向に電流が流れると、キャパシタ５４に蓄えられたエネルギーを放出するように、制御がなされる。つまり、回生時に発生した電力はキャパシタ５４にのみ蓄えられ、その蓄えられた電力は力行時に利用されるのであって、回生系５８は回生電力の一時的貯蔵部として機能している。
【００４０】
これに対して、本実施の形態で使用するニッケル水素電池４は、モータからの回生電力の充電をも行う。すなわち、図８に示す電池４’とキャパシタ５４の機能を兼ね備えている。この点からも、ニッケル水素電池４の利用により、従来技術において回生電力を充電するために必要であったキャパシタ５４及びそれに付随するチョッパ等の装置が不要となる。一般に、回生電力を利用するためのチョッパやキャパシタに関連する装置の体積は非常に大きい。よって、それらチョッパやキャパシタが省かれると、車両内の利用可能スペースが増大することになる。なお、ニッケル水素電池４に充電された回生電力は、力行時のみならず、補機電力としても利用できるので、回生電力をニッケル水素電池４に充電することは回生電力の有効利用に繋がるメリットがある。
【００４１】
更に、本実施形態では、図３（２）に示すように、乗客用の座席３２ｒ、３２ｌ、３４ｒ、３４ｌの下方空間３６に、ニッケル水素電池４を適宜分散して収納している。ニッケル水素電池４は、そのＳＯＣ特性、低い内部抵抗及び高い体積エネルギー密度ゆえに小型化が可能であることから、座席下への収納が可能となり、バスの床の全面を低床化できる。なお、図３に示す大型バスにおいて、可変電圧可変周波数制御インバータ８は、例えば、最後部座席の後方の空間４０等に配置される。
【００４２】
このように、本実施の形態の駆動システム２を搭載する低床式バス２４では、インホイールモータを備えることに起因する車両内スペースの増大、ニッケル水素電池を備えることに起因する回生系統部分の不要化、及び、座席下空間等の有効利用により、全面低床化が実現される。
【００４３】
なお、ニッケル水素電池は体積が小さく且つ分散して収納されることが可能であるから、座席の下方空間３６以外のあまり大きくない空間、例えば、車両の屋根面下の厚みがあまり無い空間等に、ニッケル水素電池を収納することも可能である。
【００４４】
〔ニッケル水素電池について〕
以下、本実施形態の駆動システム２に使用されるニッケル水素電池４について詳細に説明する。
【００４５】
ニッケル水素電池４は、複数の単位電池が直列接続されてなる電池モジュールによって構成されており、単数の電池モジュールで構成されていてもよいし、複数の電池モジュールが直列接続された直列電池モジュールで構成されていてもよい。あるいは、上記単数の電池モジュールまたは上記直列電池モジュールが並列接続されて構成されていてもよい。並列接続すれば電池容量が大きくなるとともに、等価的な内部抵抗は低下する。
【００４６】
図４は、各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示す。
【００４７】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化とすれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に電池容量を小さくできる。よって、これに相応して電池寸法を小さくできる。
【００４８】
図４に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較して電圧の変動に対するＳＯＣの変動の範囲Ｓが広いという特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ１とし電圧変動が範囲ｄＶ１内におさまるように使用する場合、ＳＯＣのほぼ全ての範囲において使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池では中央値の電圧をＶ２とし電圧変動が範囲ｄＶ２内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池では中央値の電圧をＶ３とし電圧変動が範囲ｄＶ３内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。中央値の電圧を含む所定の電圧変動範囲において、ＳＯＣの範囲が狭く容量を有効利用できない、ということは電気二重層キャパシタにおいても同様である。ここで、電圧変動範囲の大きさは、ｄＶ１／Ｖ１＝ｄＶ２／Ｖ２＝ｄＶ３／Ｖ３とする。
【００４９】
電圧変動の観点から考察すれば、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど（例えばＳＯＣが４０〜６０パーセント）のとき、電池電圧がインバータ８、９の定格入力電圧と等しいあるいは略等しいニッケル水素電池４を、図２のようにインバータ８、９に接続した場合、ニッケル水素電池４の充放電が繰り返されることによりその充電状態が変動しても電池電圧の変動を非常に小さく抑えることができる。他方、他の電池（例えば、リチウムイオン電池）の場合は、電池電圧の変動が大きくなる。つまり、ニッケル水素電池は、電池容量を有効に利用することができる。
【００５０】
インバータ８、９の許容入力電圧範囲は、定格入力電圧（例えば６００Ｖ、７５０Ｖまたは１５００Ｖ）に対して±２０％程度の範囲である。より詳しく述べれば、定格入力電圧６００Ｖの場合、性能補償される許容入力電圧範囲は、４００Ｖ〜６７０Ｖであり、最大許容範囲は、定格入力電圧の−４０％〜＋２０％（３６０Ｖ〜７２０Ｖ）である。定格入力電圧７５０Ｖの場合、性能補償される許容入力電圧範囲は、定格入力電圧の±２０％（６００Ｖ〜９００Ｖ）であり、最大許容範囲は定格入力電圧の−４０％〜＋２０％（４５０Ｖ〜９００Ｖ）である。また、定格入力電圧１５００Ｖの場合、性能補償される許容入力電圧範囲は、定格入力電圧の±２０％（１２００Ｖ〜１８００Ｖ）であり、最大許容範囲は、定格入力電圧の−４０％〜＋２０％（９００Ｖ〜１８００Ｖ）である。上記の性能補償される許容入力電圧範囲とは、予め定められた所定性能を発揮できる入力電圧範囲であり、最大許容範囲とは、ハードウェアの故障がなく動作可能な入力電圧範囲である。
【００５１】
ニッケル水素電池では、ＳＯＣのほぼ全ての範囲を用いても、その電池電圧の変動範囲がＳＯＣの中央値の電圧Ｖ1の±２０％以下の範囲内に収めることができる。
【００５２】
二次電池を充放電制御装置を介さずにインバータ８、９に接続する場合は、電池全体がもっているエネルギー量の中で充放電可能である範囲は、インバータ８、９の入力電圧の変動に対応するＳＯＣの範囲であり、その範囲でしか電池内にある電力が有効に活用されない。ニッケル水素電池は、インバータ８、９の許容入力電圧範囲で、ＳＯＣの範囲の大半がカバーされるため、電池内の容量が有効に利用される。
【００５３】
他方、ニッケル水素電池と比較して他の種類の二次電池では、ＳＯＣに対する電圧変化の傾斜が大きいので、インバータ８、９の入力電圧に許容される±２０％程度の範囲では、有効な電池容量は少なくなる。即ち、ニッケル水素電池以外の鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池を充放電制御装置を介さずにインバータ８、９に接続して使用しようとすれば、ニッケル水素電池と比較して結果的に多数の電池が必要になり、大きな設置スペースが必要となり、更に設備費が高価となる。
【００５４】
また、ニッケル水素電池と比較して、同容量の鉛蓄電池の内部抵抗はニッケル水素電池の約１０倍であり、また、同容量のリチウムイオン電池の内部抵抗はニッケル水素電池の約２倍である。このため、充放電電流は、ニッケル水素電池の方が鉛蓄電池やリチウムイオン電池に比べて多く流れ、充放電される電気量は多い。即ち、ニッケル水素電池では、同容量の他の二次電池と比較して、内部抵抗が小さいため、充放電できる電気量が大きい。もっとも、鉛蓄電池やリチウムイオン電池の場合でも、多数並列接続すれば内部抵抗を小さくすることはできるが、大きな設置スペースが必要となり、また高価な設備費がかかる。
【００５５】
乗合車両に二次電池を搭載するスペース、例えば、乗客用座席の下方空間３６は限定されているため、小型化できるニッケル水素電池４を用いることはより有利である。
【００５６】
以上のように、ＳＯＣに対する電圧変化の点からも、また内部抵抗の点からも、鉛蓄電池やリチウムイオン電池を充放電制御装置を介さずにインバータ８、９に接続しようとすれば、膨大な数の電池が必要になるとともに大きな設置スペースが必要となり、更に高価な設備費もかかるため、実用的ではない。そのような不都合の解消のために、他の種類の二次電池では、高価でかつ重い充放電制御装置を用いて充放電電圧をコントロールすることによって電池容量の多くを使用するための制御を行わざるを得ない。
【００５７】
また、二次電池は充放電が多数回繰り返されるとＳＯＣが変動するが、図４の曲線ａで示されるように、ニッケル水素電池はＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有し、かつ内部抵抗が小さいため、総じて電圧変動を小さくすることができる。
【００５８】
例えば、ニッケル水素電池４に代えて、リチウムイオン電池を接続した場合には、リチウムイオン電池は内部抵抗が大きいため、車両加速時に放電電流が大きくなると、電池電圧の降下が大きくなる。そしてさらに、ＳＯＣが変動すると電圧も大きく変動する。例えば、非常に多数のリチウムイオン電池を並列接続することにより内部抵抗を小さくできたとしても、上述のようにＳＯＣの変動によって電圧が大きく変動する。従って、ニッケル水素電池２に代えてリチウムイオン電池を用いるのは不利である。
【００５９】
また例えば、ニッケル水素電池４に代えて、リチウムイオン電池を用いて長距離走行を行う場合には、走行中の電池電圧の変動がインバータ８、９の許容入力電圧範囲内となるようにするために、ＳＯＣの増減が最適なＳＯＣを含む狭い範囲内となるように充電量を設定し、充電設備を用いて頻繁に充電を行う必要がある。
【００６０】
また、鉛蓄電池の場合も、内部抵抗が非常に大きく、ＳＯＣが変動すると図４の曲線ｂで示されるように電圧が大きく変動する。従って、鉛蓄電池も、ニッケル水素電池２に代えて用いるのに適していない。
【００６１】
すなわち、ニッケル水素電池２に代えて、リチウムイオン電池や鉛蓄電池等を用いた場合には、ＳＯＣの変動が大きくなる長距離走行を、充電回数を少なくして行うことは困難である。
【００６２】
以上に述べたように、ニッケル水素電池４は内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいから、充放電制御装置を介さずにニッケル水素電池４をインバータ８、９に接続する構成として、充電設備による充電回数を少なくしても長距離走行を行うことができる。本実施の形態では、ＳＯＣの変動による電圧変動が小さい範囲（例えば図４の範囲Ｓ）を使用できるように電池容量を設定している。
【００６３】
本実施の形態では、車両走行用電力源としてニッケル水素電池４を用いており、ニッケル水素電池４は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さく電池容量を有効利用できるため、他の二次電池に比べて小容量の小型の電池を用いることができ、大きな設置スペースを必要としない。また、昇降圧チョッパ式のＤＣ/ＤＣコンバータのような充放電制御装置を用いないため充放電制御装置の設置スペースを必要としない。また、ニッケル水素電池４は体積エネルギー密度が高いため、大きな設置スペースを必要としない。非常に高価で重量の重い充放電制御装置が不要であるとともに小型のニッケル水素電池を用いることにより、車両全体の軽量化及び低コスト化を図ることができる。また、ニッケル水素電池４は小型のもので高容量化を図ることができるため、ニッケル水素電池４を用いることにより、車両全体の軽量化に加え、充電設備による充電回数を少なくしても長距離走行が可能になる。
【００６４】
また、昇降圧チョッパ式のＤＣ/ＤＣコンバータのように非常に高価な充放電制御装置を用いないため、低コスト化を図ることができる。また、昇降圧チョッパ式のＤＣ/ＤＣコンバータのような動作遅れもなく、急速充放電特性に優れている。また、ニッケル水素電池４は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいため、車両の加速時にインホイールモータ６に瞬間的に大電流が必要となりニッケル水素電池４から放電を行っても電池電圧の低下を抑えることができるとともに、車両の減速時にインホイールモータ６が回生を行うことによって瞬間的な大電流が発生してニッケル水素電池４が充電されても電池電圧の上昇を抑えることができる。
【００６５】
前述のように、一般的にニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた高容量のニッケル水素電池４であっても、大きな設置スペースを必要としない。また、後述する構成例のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池４を構成することにより、より小型化を図り、設置スペースをより小さくすることができる。
【００６６】
また、ニッケル水素電池４のように内部抵抗が小さいことは、電池内部で発生する発熱量が少なく、熱損失が少ないだけでなく、電池自体の放熱装置を少なくすることが可能になる。
【００６７】
次に、本実施の形態に用いるニッケル水素電池４を構成する電池モジュールの構成例について述べる。
【００６８】
〔電池モジュールの一構成例〕
図５（１）は、一構成例の電池モジュールの横断面図である。図５（２）は、図５（１）の電池モジュールの一部斜視図であって、電池モジュールにおける伝熱板内の空気の流れ方向を示している（但し、図５（１）に示される絶縁板１０７、１０８が省略されている）。図６は、図５（１）（２）の電池モジュールに用いられている伝熱板の斜視図である。
【００６９】
この電池モジュール８１は、複数の単位電池を積層したものである。各単位電池は、対向して設けられた正極集電体９９と負極集電体１００の間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１０１が交互に両集電体に近接するように配置される。更に各単位電池では、蛇腹状のセパレータ１０１と正極集電体９９とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに正極活物質を含有する正極シート１０３が配置され、蛇腹状のセパレータ１０１と負極集電体１００とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに負極活物質を含有する負極シート１０４が配置され、正極シート１０３と負極シート１０４がセパレータ１０１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池はセパレータ１０１を蛇腹状とすることにより、正極シート１０３、負極シート１０４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができる。このことにより、単位電池の大容量化が容易になる。また、このことにより電極面積が大きくなり、隣り合うセル間を非常に小さな抵抗で繋ぐことができるためセル間を繋ぐケーブルが不要となり、電池が全体としてコンパクトになる。
【００７０】
また、正極シート１０３は正極集電体９９に接し、負極シート１０４は負極集電体１００に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体９９ともう一方の単位電池の負極集電体１００に接するように図６に示す伝熱板９６が挿入されている。この伝熱板９６の空気通流孔９７の向きは、正極シート１０３と負極シート１０４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体９９と負極集電体１００との間は、セパレータ１０１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１０１と正極集電体９９とで区画され正極シート１０３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１０１と負極集電体１００とで区画され負極シート１０４が配置される領域が負極セルとなる。
【００７１】
図５（１）に示すように、導電性に優れるとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体９９と負極集電体１００が、それぞれ正極シート１０３及び負極シート１０４と直接接触し、その上、各集電体９９、１００が、電気的に正極集電体９９と負極集電体１００をつなぐ役割を果たす伝熱板９６と接触している。このことにより、図５（２）の矢印で示す方向に沿って伝熱板９６の空気通流孔９７を流通する空気に対して、電池反応の結果発生した熱は、効率的に伝達されて外部に放出される。このようにして、電池モジュール８１の温度は、電池反応をスムーズに実行することができる適正な範囲に維持される。
【００７２】
図５（１）に示すように、正極の端部には統括正極集電体１０５が設けられ、負極の端部には統括負極集電体１０６が設けられている。電池モジュール８１の側部には、絶縁板１０７、１０８が設けられている。統括正極集電体１０５の中央部に接続用の正極端子（図示せず）が取り付けられ、統括負極集電体１０６の中央部に接続用の負極端子（図示せず）が取り付けられる。
【００７３】
正極シート１０３は、例えば、正極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものであり、負極シート１０４は、例えば、負極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものである。正極活物質および負極活物質としては、すべての公知の活物質材料を用いることができる。導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、若しくはニッケル箔を、単独で、若しくは組み合わせて用いることができる。樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、若しくは、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板などの電気伝導性のある金属板を用いることができる。
【００７４】
伝熱板９６は、アルミニウムを素材としてニッケルメッキを施したもので、空気の流通経路として上下方向に貫通した通流孔９７が多数設けられている。この伝熱板９６を正極集電体９９と負極集電体１００の間に挿入して、吸気ファン８３ａと吸気ファン８３ｂによって吸い込まれた空気を通流孔９７に流通させることができる。伝熱板９６は、正極集電体９９と負極集電体１００に接して正極集電体９９と負極集電体１００を電気的に接続するための部材でもあり、電気伝導性を有する。その点で、アルミニウムは電気抵抗が比較的低く、熱伝導率が比較的大きいので、伝熱板９６として好ましい特性を有しているが、酸化しやすいという欠点を有している。そこで、アルミニウム板にニッケルメッキを施したものは、酸化を抑制するだけでなく、ニッケルメッキが施されることにより接触抵抗が低下するので、伝熱板９６としてさらに好ましい。
【００７５】
上記の電池モジュール８１では、互いに隣り合う単位電池の間に、伝熱媒体の流通経路となる通流孔９７を設けた伝熱板９６が設けられているため、電池モジュール８１を効果的に冷却し、電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュール８１を上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。また、単位電池を上記の構造とすることにより、正極シート１０３及び負極シート１０４が電極板となり、電極板面積の増大及び電極板間隔の狭小化を実現でき、電池のより小型化及び高容量化を図ることができるため、ニッケル水素電池をより小型化し、設置スペースを小さくすることができる。
【００７６】
なお、通流孔９７を設けた伝熱板９６に代えて、通流孔９７を設けていない多孔質の部材（例えば多孔質のアルミニウム板）からなる伝熱板（以下、「多孔質伝熱板」という）を用いてもよい。この多孔質伝熱板は、多孔質とすることで伝熱面積を増やせば、伝熱部材としての役割を果たすため、電池反応により発生した熱を十分に放散できる。このことにより、電池の劣化を抑制できる。一方、この多孔質伝熱板を放熱部材として利用する以外に、蓄熱部材として利用することもできる。つまり、電池反応により発生した熱が密閉構造の電池内にこもることは電池の劣化を促進するので好ましいことではないが、一方で電池反応をスムーズに実行するためには、電池構成部材は一定の温度範囲（約２５℃〜５０℃）にあることが好ましい。そこで、多孔質伝熱板から強制的に放熱するのではなく、場合によっては、電池構成部材を一定温度以上、例えば約２５℃以上とするために、放熱を抑えるように、一部の多孔質伝熱板の外面に断熱材を貼着することもできる。同様に、多孔質伝熱板をファンで強制的に冷却する構造では、電池構成部材が一定温度以下の場合には、ファンを稼働させないことにより放熱を抑えるようにすることができる。
【００７７】
電池が大型化すると、表面積も大きくなり、表面を冷却するだけでは電池内部の冷却が不充分となることが多い。本実施の形態のように、電池が複数の単位電池を積層した構造である場合には、隣り合う２つの単位電池の間に挟まれ、一方の単位電池の正極集電体９９と他方の単位電池の負極集電体１００に挟まれた伝熱板９６を冷却すると電池内部も効果的に冷却することが可能である。
【００７８】
なお、積層される各単位電池の他の例としては、正極集電体である正極板と負極集電体である負極板との間に電解質溶液を装入するとともに、正極セルと負極セルの間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させないセパレータを介在させ、正極セル内に正極活物質を装入し、負極セル内に負極活物質を装入してなる構成のものを用いてもよい。この構成の場合、セパレータは平面状のものであり、この平面状のセパレータによって正極セルと負極セルとが仕切られている。正極セルと負極セルには、共通の電解質溶液として例えばＫＯＨ水溶液が用いられ、正極セルの電解質溶液には正極の粉体活物質として水酸化ニッケル粉が混入され、負極セルの電解質溶液には負極の粉体活物質として水素吸藏合金粉が混入されている。
【００７９】
〔他の低床式電気車両〕
上述の本発明の好適な実施の形態では、電気車両の例として大型バスを取り上げたが、本発明を他の種類の電気車両に適用して、その電気車両を低床式のものに構築することができる。例えば、本発明を、小型電動バス、ワゴン式電動自動車、電動トラック、電動車いす等に適用して、低床式小型電動バス、低床式ワゴン式電動自動車、低床式電動トラック、低床式電動車いす等を構築することができる。
【符号の説明】
【００８０】
４・・・ニッケル水素電池、６・・・インホイールモータ、７・・・負荷、８・・・可変電圧可変周波数制御インバータ、９・・・インバータ、１０・・・駆動トルク指令制御部、１１・・・制御装置、１２、１３・・・高速度遮断器、１４、１５・・・電磁接触器、１６、１７・・・フィルタリアクトル、１８、１９・・・フィルタコンデンサ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ・・・駆動回生系統、２４・・・低床式バス、２５・・・低床面、２７・・・高床面、２８ｒ、２８ｌ・・・前輪タイヤハウス上の座席、２９・・・車輪、３０ｒ、３０ｌ・・・前輪タイヤハウス上の座席、３２ｒ、３２ｌ、３４ｒ、３４ｌ・・・乗客用の座席、３６・・・座席の下方空間、４２ｒ、４２ｌ・・・前輪タイヤハウス、４４ｒ、４４ｌ・・・後輪タイヤハウス、８１・・・電池モジュール、８２・・・空気流通空間、８３ａ、８３ｂ・・・吸気ファン、８４・・・空気流通空間、９６・・・伝熱板、９７・・・空気通流孔、９９・・・正極集電体、１００・・・負極集電体、１０１・・・イオン透過性セパレータ、１０２・・・電解質溶液、１０３・・・正極シート、１０４・・・負極シート、１０５・・・統括正極集電体、１０６・・・統括負極集電体、１０７・・・絶縁板、１０８・・・絶縁板。
【図１】
2010184538.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010184538.tif 000009
【図８】
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