(57)【要約】  【課題】  簡易な構造で、出力電圧の調整が可能な電池システムを提供する。  【解決手段】  単位電池Ｃを複数個積層してなる電池モジュールＢを複数台直列に接続してなる電池システムＡにおいて、前記電池システムを構成する前記電池モジュールの正極端子１１と負極端子１２の間に前記正極端子または前記負極端子とは別の接続端子(中間タップ)２１を設けて、前記正極端子と前記負極端子間の電圧よりも小さな電圧を取り出せるようにしている。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池を複数個積層してなる電池モジュールを複数台直列に接続してなる電池システムであって、
前記電池システムを構成する前記電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けた電池システム。
【請求項２】
前記接続端子を設けた前記電池モジュールが１台であって、前記接続端子が１〜４のいずれかである請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記単位電池がニッケル水素電池である請求項１または２に記載の電池システム。
【請求項４】
前記電池モジュールにおいて、前記単位電池と前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる請求項1〜３のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項５】
前記電池モジュールには前記単位電池と前記単位電池との間に単位電池で発生した熱の放熱を行なう放熱板が配されていて、前記中間集電体の厚みが前記単位電池と１または２枚の放熱板の厚みに等しい請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項６】
前記中間集電体がニッケルメッキされている請求項1〜５のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項７】
前記電池モジュールがキャビネットに収納されてなる請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項８】
外部接続端子が前記キャビネットに取り付けられており、当該外部接続端子が前記接続端子および前記正極端子および前記負極端子に電気的に接続されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項９】
前記接続端子が取外し可能である請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池システム。
【請求項１０】
交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池システムを前記き電線に直結してなる電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１１】
ニッケル水素単位電池を複数個積層してなる電池モジュールであって、
前記単位電池と前記単位電池の間にニッケルメッキを施した中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる電池モジュール。
【請求項１２】
前記電池モジュールには前記単位電池と前記単位電池との間に単位電池で発生した熱の放熱を行なう放熱板が配されていて、前記中間集電体の厚みが前記単位電池と１ないし２の放熱板の厚みに等しい請求項１１に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上蓄電設備や車両搭載に用いられる電池システムに関し、詳しくは、その出力電圧の調整が可能な電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な電気鉄道用の変電所では、例えば、電力会社からの交流電力を直流電力に変換して、き電線に供給している。電気車両は、前記き電線から架線を経由して直流電力の供給を受けて、運行を行なっている。地下鉄等においては架線の代わりに第三軌条を通じて電力が供給される。
【０００３】
電気車両は、加速時には、架線から供給された電力を、車両に搭載された電力制御装置を介して走行用のモータに電力を供給することで、電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。加速時には大きな電力を必要とするため、架線電圧等は降下する。そして、架線の電圧が降下すると、降下の程度に寄るが、同じ区間を走行する電気車両の運行に悪影響を及ぼすことがある。
【０００４】
また、反対に回生能力を有する電気車両においては、減速時に電気車両が持つ走行エネルギーを、走行用のモータを発電機として作用させることにより、電気エネルギーに変換し、それが回生電力となる。
【０００５】
なお、回生電力を架線に戻すために、電気車両に搭載の電力制御装置により、架線電圧を高めるよう制御が行なわれるので、一般的には架線電圧は上昇する。
【０００６】
もっとも、回生電力は、同時に走行している他の電気車両が加速中であれば、その電気車両が回生電力を消費するが、そのような電気車両がなければ、架線電圧が上昇して、電気車両では、一定電圧以上では回生電力の発生を押さえ込むように電力制御装置による制御が行なわれる。これは一般には回生絞込みといわれる。さらに、それ以上に架線電圧が上昇すれば、電気車両の電力制御装置によって、回生を打ち切る制御が行なわれる。いわゆる回生失効が起こる。
【０００７】
回生絞込み若しくは回生失効が起これば、必要な減速度を得るために機械ブレーキが作動して、走行エネルギーは熱エネルギーとなって廃棄される。
【０００８】
回生失効を防止するために、変電所で回生電力を消費するためにチョッパを使用して回生電力を電気抵抗器で熱エネルギーに変換させる方法がとられることがあるが、この場合でも回生電力が無駄に廃棄されることとなる。
【０００９】
また、回生電力を無駄にしないために、変電所に回生電力を交流電力に変換するインバータ等を設置して、余剰な回生電力を商用周波の交流電力に変換して、逆送電する方法や駅舎等に利用する方法があるが、回生電力を有効に活用できる反面、高価なインバータを必要とする。
【００１０】
一方、変電所に大型の電池システムを設備して、余剰回生電力を当該電池システムに充電することにより蓄積し、架線の電圧が降下したときに放電することにより、架線電圧の降下を緩和することも考えられている（例えば、特許文献１参照）。このような電池システムは、回生電力の有効利用及び架線電圧の適正値維持による運行性能維持の面から最近注目を浴びている。
【００１１】
充放電制御装置を用いずに、変電所に設備した電池システムを用いて、回生電力の有効利用を図るとともに、変電所の送電能力を補完する電力供給システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１０７７１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
変電所に大型の電池システムを設備して、回生電力の回収を図る電気鉄道用の電力供給システムが提案されている（上記特許文献１）。しかし、当該電力供給システムには電池システムの電圧を適切に調整して架線に接続するための充放電制御装置を必要としている。
【００１４】
この理由は、通常の二次電池では、電池のＳＯＣ（充電状態）に対する出力電圧（正確には端子電圧）が大きく変化するので、電池システムの電圧を架線電圧に適合させるために、充放電制御装置を介して架線に接続する方法が取られているからである。この充放電制御装置は高価であるし、設置に場所を取るので、かかる電池システムの普及を阻む要因となっている。
【００１５】
ニッケル水素電池は、電池のＳＯＣ（充電状態）に対する出力電圧（正確には端子電圧）の変化が小さく、電池の出力電圧を架線電圧に適合させるために、充放電制御装置を必要としない（上記特許文献２）。
【００１６】
しかし、複数の単位電池を積層してなる電池モジュールを複数台直列に接続して電池システムを構成する場合において、電池システムの出力電圧の調整幅は、電池モジュールの出力電圧単位となり、ニッケル水素電池においても所定の出力電圧を希望する場合は充放電制御装置を必要とすることとなる。
【００１７】
このように電池システムの出力電圧を調整したいという要望は、電気鉄道用の電力供給システムのみならず、一般産業用の電力供給システムにおいてもみられることであるが、モジュール構造を取る大容量電池においては、その出力電圧を自由に変更することができない。
【００１８】
例えば公称電圧が８２０Ｖである場合は、単位電池当りの出力電圧が１．３６７Ｖとして、単位電池を３０セル直列に接続して電池モジュールを構成し、当該電池モジュールを２０台直列に接続して電池システムを組めばよい（出力電圧；３０×１．３６７Ｖ×２０＝８２０Ｖ）。
【００１９】
しかし、変圧器や整流器の性能若しくは使用状況又は負荷となる電気車両の運転状況により、必ずしも公称電圧で設備が運転されるわけでなく、公称電圧からずれた電圧で設備が運転されることがある。かかる場合において、例えば電池モジュールを１９台とすれば、３０×１．３６７Ｖ×１９＝７７９Ｖとなり、７７９Ｖから８２０Ｖの間で電池システムの出力電圧を調整することができない。
【００２０】
公称電圧が８２０Ｖであっても、実際の電圧は公称電圧からずれる場合があり、また、電池システムを架線線に接続すると、電池システムの仕様（例えば電池容量等）により電池システムの影響を受けて架線の電圧レベルが変わることがある。このような場合において、工場出荷時に調整した出力電圧は適切な電圧レベルからずれることとなる。
【００２１】
回生電力を有効に充電するとともに、必要時に電池システムの電力を架線に供給するために、電池システムの性能上、そのＳＯＣは約８０％近傍で運用されることが望ましい。これは、ＳＯＣが高すぎると回生電力を吸収する余地が少なくなるし、低すぎると電池システムの電力が必要なときに電力の不足を生じることとなるからである。したがって、ＳＯＣが８０％近傍で電池システムを運転するためにも、その出力電圧は適切な範囲に調整したいという要望があった。このような場合、上述の計算例からすると、４１Ｖ刻みでしか電圧調整をすることができないという問題があった。
【００２２】
電池システムの出力電圧を調整する方法として、通常は単位電池が３０セルの電池モジュールにおいて、その積層数を例えば１０セルとか２０セルにして３０セルに満たない電池モジュールを用意すれば、出力電圧の調整は可能となるが、そのような電池モジュールを別途製造する必要があり、生産の効率が悪くなる。また、電池システムは多数の電池モジュールをキャビネットに組み込んで構成されるので、工場出荷後、現地において３０セルに満たない不足セルの電池モジュールをキャビネットに組み込むのは、電池モジュールが重量物（例えば２４０ｋｇ）であることから困難な作業となる。
【００２３】
以上公称電圧が８２０Ｖで電池モジュールが３０セルの場合を例に取り説明したが、公称電圧や電池モジュールのセル数が他の値であっても同様な問題があることはいうまでもない。
【００２４】
本発明の目的は、上記課題を解決するために、複数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムにおいて、その出力電圧を、簡便に調整することが可能な電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するために本発明にかかる電池システムは、単位電池を複数個積層してなる電池モジュールを複数台直列に接続してなる電池システムであって、前記電池システムを構成する前記電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、電池モジュールを複数台直列に接続してなる電池システムにおいて、当該電池モジュールのプラス側の電気を取り出すための前記正極端子とマイナス側の電気を取り出すための前記負極端子の間に、前記正極端子または前記負極端子とは別の接続端子を設けて、前記正極端子と前記負極端子間の電圧よりも小さな電圧を取り出すことを可能にしている。これにより、電池システムの出力電圧を調整可能にしている。このように、前記接続端子は前記正極端子と前記負極端子の中間に設けて、前記正極端子と前記負極端子の間の電圧を取り出すものであり、中間タップと称されることがある。
【００２７】
本発明にかかる電池システムにおいては、前記接続端子を設けた前記電池モジュールが１台であって、前記接続端子の数が１〜４のいずれかであることが好ましい。この場合、前記接続端子を設けた前記電池モジュールは任意の１台であってよく、当該電池システムの最終の段若しくは最初の段の電池モジュールであることが好ましい。更に、前記接続端子の数は少なくとも１つであって高々４つであってもよいが、２つであるのが好ましい。前記接続端子の数が多ければ出力電圧の調整は細かくすることが可能となるが、製造上の手間が増える。
【００２８】
本発明にかかる電池システムにおいて、前記単位電池がニッケル水素電池であることが好ましく、ニッケル水素電池を用いることにより、ＳＯＣ（電池の充電状態）に対する出力電圧の変動を小さくすることができるので、充放電制御装置なしで電池のＳＯＣの全域にわたり電池システムを有効に利用することが可能となる。
【００２９】
本発明にかかる電池システムを構成する前記電池モジュールにおいて、前記単位電池と前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けることが好ましい。前記接続端子は、電気を前記電池モジュールの外部に取り出すためのものであるので、前記電池モジュールの内部に前記中間集電体を設けて、当該中間集電体に前記接続端子を設ける。このような構成とすることにより、容易に前記電池モジュールより電気を取り出すことが可能となる。
【００３０】
本発明にかかる電池システムを構成する電池モジュールにおいて、好ましくは、前記単位電池と前記単位電池との間に単位電池で発生した熱の放熱を行なう放熱板が配されていて、前記中間集電体の厚みが前記単位電池と１または２の放熱板との厚みに等しくなっている。前記中間集電体の厚みをこのようにすることにより、電池モジュールの設計寸法の標準化を図ることが可能となる。これは、前記接続端子を設けない前記電池モジュールにおいて、通常であれば前記単位電池等が収納される位置に前記中間集電体を配置することができるからである。これにより、製品の歩留まりつまりは製造コストの上昇を抑えることができる。
【００３１】
本発明にかかる電池システムにおいて、前記中間集電体がニッケルメッキされていることが好ましい。ニッケルメッキを施せば、接触抵抗が小さくなり、電池としての等価的な内部抵抗が低減するので電池システムの効率が向上するからである。
【００３２】
本発明にかかる電池システムにおいて、前記電池モジュールは、好ましくはキャビネットに収納される。キャビネットに収納すれば保守管理に簡便となるし、保安上も好ましい。また、キャビネットにエアコン等を設備することにより、電池モジュールの冷却が一括して効率よく行なうことができる。
【００３３】
本発明にかかる電池システムにおいて、好ましくは外部接続端子が前記キャビネットに取り付けられていて、当該外部接続端子が前記接続端子および前記正極端子及び前記負極端子に電気的に接続されている。より好ましくは、外部接続端子は蓋付きの端子箱に収納されていて、当該端子箱が前記キャビネットに取り付けられている。
【００３４】
このような構成とすることにより、電池システムの出力電圧の調整をキャビネットの外側から行うことができて、現地調整の手間を簡便化することができる。
【００３５】
本発明にかかる電池システムにおいて、前記接続端子を取外し可能にすることが好ましい。前記接続端子が１２〜４のいずれかであれば、通常そのすべての接続端子が利用に供されることはない。前記中間集電体に前記接続端子を取外し可能にしておけば、利用に供されない前記接続端子の取り付けを省略することができる。充電部である前記接続端子を省略すれば、取扱いが簡単になる。
【００３６】
本発明にかかる電池システムを利用する技術として、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続された架線とを有する電気鉄道用の変電所において、電池システムが前記架線に直結されている電気鉄道用電力供給システムを構成することが好ましい。
【００３７】
この構成によれば、電池システムが充放電制御装置を介さずに架線に直結されるので、高価な充放電制御装置を必要としない。
【００３８】
本発明にかかる電池モジュールにおいて、ニッケル水素単位電池を複数個積層してなる電池モジュールであって、前記単位電池と前記単位電池の間にニッケルメッキを施した中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付け、更に、前記中間集電体の厚みを前記単位電池と１または２の放熱板の厚みに等しくすることができる。単一の電池モジュールを電源として使用する場合に、その出力電圧の調整が必要なときに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる電池システムの外観図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図３】図２の電池モジュールに使用される単位電池の分解図である。
【図４】図２の電池モジュールのケーシングの内部を示す斜視図である。
【図５】図４のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる電池モジュールを示す部分破断図面である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる電池システムを構成する電池モジュールの接続図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかる電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの系統図である。
【図９】各種電池等のＳＯＣに対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明にかかる電池システムの実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
図１は本発明の一実施形態にかかる電池システムＡの構造を示す斜視図であり、図１に示すようにキャビネットＫに横４列縦５段に都合２０台の電池モジュールＢが格納されている。ここで、格納される電池モジュールＢの台数は要求される電気的仕様に応じて選定され、２０台に限られるものでない。なお、図１には説明の都合上、キャビネットＫの扉を省略して示している。
電池モジュールＢの電極端子１０は、ケーブル６０により隣接する電池モジュールＢに接続され、全体として直列に接続され、両端部の電池モジュールＢもケーブル(図示せず)によりキャビネットＫの外部に導かれている。ケーブルの代わりにブスバーを用いてもよい。
【００４２】
図１において２０台の電池モジュールのうち、１台は本発明にかかる接続端子を有する電池モジュールＢ’で、残りの１９台は接続端子を有していない電池モジュールＢにより構成さている。
【００４３】
まず、接続端子を有していない電池モジュールＢの一例を示した後に、本発明にかかる接続端子を有する電池モジュールＢ’の説明を行なう。
【００４４】
図２は電池モジュールＢの構造を示す部分破断側面図である。この電池モジュールＢは、例えば、電気鉄道の変電所に設置されるものであって、好ましくは密閉式の角形電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１と、電池積層体１を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３、圧縮板５および締付けボルト７とを主要な構成要素として備えており、これら主要な構成要素が、絶縁素材からなるケーシング９によって覆われている。
【００４５】
単位電池Ｃは図３に示すように、矩形の枠形部材１４、第１蓋部材１５、および第２蓋部材１６を備えていて、枠形部材１４、第１蓋部材１５、および第２蓋部材１６で構成される空間内にニッケル水素電池（図示せず）が収納されて全体として単位電池を構成している。
【００４６】
なお、本実施形態において、第１蓋部材１５および第２蓋部材１６を、ニッケルメッキを施した鋼板で形成しており、第１および第２の蓋部材１５，１６をそれぞれ前記ニッケル水素電池の正極および負極に接続している。つまり、第１および第２の蓋部材１５，１６は、それぞれ、単位電池Ｃの正極側端子および負極側端子を兼ねている。
【００４７】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池モジュールＢの構造について説明する。本実施形態例における電池モジュールＢの電池積層体１は、図２に示すように、単位電池Ｃと放熱板３１とを積層したものであるが、単位電池Ｃは、図３に示すように隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１５と、他方の第２蓋部材１６とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、単位電池Ｃの間には放熱板３１が介在している。放熱板３１には冷媒を通すための流通孔(図示せず)が設けられている。なお、本実施形態例において、２組の単位電池Ｃについて、１つの放熱板３１が介在しているが、単位電池Ｃ毎につまり単位電池Ｃの両面に放熱板３１を介在させてもよい。
【００４８】
図４は、電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体４７を部分的に破断して示す斜視図である。なお、以下の説明において、電池積層体１の正極側（図４の手前側）を前側と呼び、負極側（図４の奥側）を後側と呼ぶ。電池積層体１の積層方向Ｘの両側面に
は、積層方向Ｘに沿って延びる一組の板状の部材として形成された側面板３が配置されて
、電池積層体１の両側面を覆っている。側面板３の、積層方向Ｘの前端部と後端部には、
それぞれ、板状の圧縮部材である圧縮板５が側面ボルト３２によって固定されており、前後の各圧縮板５，５によって、電池積層体１の積層方向Ｘの前面および後面が覆われてい
る。また、電池積層体１の積層方向Ｘの上方および下方には、積層方向Ｘに沿って延びる
板状部材である上面板３３および下面板３４がそれぞれ配置されている。上面板３３および下面板３４がボルト連結して側面板３に固定されている。
【００４９】
図５は図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図５に示すように、電池積層体１の最前部に位置する単位電池Ｃの第１蓋部材１５（図３参照）の前側には、正極側の集電部材となる第１集電板３５が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第１集電板３５の前側には、絶縁板３７および絶縁板保護板３９が、この順番で重ね合わせて配置されている。
【００５０】
圧縮板５のねじ孔５０には、複数の締付けボルト７が、前方から電池積層体１の積層方向Ｘに螺合されて、圧縮板５を貫通している。締付けボルト７の先端が、絶縁板保護板３
９に当接し、絶縁板保護板３９、絶縁板３７および第１集電板３５を介して電池積層体１を積層方向Ｘの後方に押し付けている。電池積層体１の後端部も、図５に示した前端部と
同様の構造を有しており、電池積層体１の後端部が、締付けボルト７によって、絶縁板保護板３９、絶縁板３７および第２集電板３６を介して積層方向Ｘの前方に押し付けられて
いる。
【００５１】
絶縁板３７および絶縁板保護板３９の各中央部には、円形の開口３７ａ，３９ａが形成されており、これらの開口３７ａ，３９ａ内で、第１集電板３５のほぼ中央部のねじ孔４４に、電池モジュールＢの正極端子１１として機能する正極端子ボルト４５が螺合されている。そして、電池積層体１の後端部には、前端部と同様に負極端子１２(図７参照)が第２集電板３６(図７参照)に螺合されて取り付けられている。
【００５２】
次に、本発明にかかる接続端子を有する電池モジュールＢ’の実施形態について図６を用いて説明する。なお、電池モジュールＢと共通の部分については説明を省略し、同一の符号を用いて示している。
【００５３】
図６において、図６（ａ）は前記電池モジュールＢ’の平面図であり、図６（ｂ）は同立面図である。図６に示す実施形態において、放熱板３１は単位電池Ｃの両側に設けてあるが、図２に示したように、２組の単位電池Ｃに１つだけ設けることもできる。
【００５４】
本実施形態においては、正極集電部である第１集電板３５と負極集電部である第２集電板３６の間であって、単位電池Ｃの間に中間集電体２０が２つ別々に設けられている。すなわち、中間集電体２０の一方の面が単位電池Ｃの第１蓋部材１５（図３）と接し、中間集電体２０の他方の面が別の単位電池Ｃの第２蓋部材１６（図３）に接するように中間集電体２０が配置されている。そして、後端側の中間集電体２０と第２集電板の間に単位電池Ｃが９セル、前端側の中間集電体２０と第1集電体３５の間に単位電池Ｃが９セル、２つの中間集電体２０の間に９セルと全部で２７セルを積層して電池モジュールＢ’を構成している。中間集電体２０は、電気の良導体であるアルミニウム（またはアルミニウム合金）にニッケルメッキが施されていることが好ましい。中間集電体２０はアルミニウム（またはアルミニウム合金）に限定されるものでなく、電気の良導体であればよく、例えばステンレス等であってもよい。ニッケルメッキを施せば接触抵抗を軽減することができるが、メッキを施さなくてもよい。
【００５５】
中間集電体２０は電気の良導体であるので、隣接する単位電池Ｃの電気を効率よく隣接する単位電池Ｃに伝えることができる。
【００５６】
中間集電体２０の厚みが単位電池Ｃと２つの放熱板３１を合わせた厚みに等しく作られているので、電池モジュールＢにおいて、単位電池Ｃと２つの放熱板３１を取り出して中間集電体２０を組み付ければ電池モジュールＢ‘となるので、電池モジュールＢの設計を流用することができ、部品や組み立ての共用化を図ることを可能にしている。
【００５７】
電池モジュールＢにおいて、２組の単位電池Ｃに１つの放熱板３１を組み合わせる場合は、中間集電体２０の厚みを単位電池Ｃと放熱板３１を合わせた厚みとなるようにすることができる。
【００５８】
中間集電体２０に、冷媒を通すための流通孔(図示せず)を設けてもよい。中間集電体２０が電池の冷却に資することとなる。
【００５９】
中間集電体２０の上面のほほ中央部にねじ孔２３が設けられていて、ねじ孔２３の上方であってケーシング９の天板及び上面板３３には、円形の開口９ａ、３３ａがそれぞれ形成されており、開口９ａ、３３ａ内で、ねじ孔２３に接続端子ボルト２２が上方から螺合されて、接続端子２１が中間集電体２０に取り付けられている。
【００６０】
開口９ａの上面には、中央部に接続端子２１を通す穴が開けられた絶縁体からなるふさぎ円板２４が配されていて、外部から異物の混入を防止している。接続端子２１を設けない中間集電体２０の上方の開口９ａ、３３ａには、中央部に接続端子２１を通す穴を有していないふさぎ円板２５が配されている。
【００６１】
接続端子２１にはケーブル(図示せず)が接続されており、キャビネットＫの外部外側に導かれ、電池システムのプラス側の電源端子となる。電池モジュールＢ’と対極をなす電池モジュールＢの負極端子１２には、ケーブル(図示せず)が接続されており、キャビネットの外部外側に導かれて電池システムのマイナス側の電源端子となる。
【００６２】
次に、電池システムの出力電圧の調整方法について図を用いて説明する。図７（ａ）は接続端子を有する電池モジュールＢ’の接続状況を説明する図であり、図７（ｂ）は通常の電池モジュールの接続状況を説明する図である。電池モジュールＢは３０セルより構成されており、一方、電池モジュールＢ’は２７セルより構成され９セル毎に接続端子から電気が取り出し可能になっている。電池モジュールＢの積層数（セル数）は３０以外の値であってよく、また、電池モジュールＢ’の接続端子は１〜４のいずれかであってよい。
【００６３】
図７（ａ）において接続端子２１ａ、２１ｂには電気を外部に取り出すためのケーブル６６ａ、６６ｂが取り付けられるようになっており、正極端子１１にはケーブル６２が取り付けられるようになっている。また、負極端子１２はケーブル６４により隣接する電池モジュールＢの正極端子１１に接続されている。更に、電池モジュールＢの負極端子１２はその隣接する電池モジュールＢの正極端子１１にケーブル６４にて次々に接続され、最後段の電池モジュールＢｂの負極端子１２にはケーブル６５が接続されている。この結果、電池システム全体としては図７（ｃ）に示すような接続状況となっている。
【００６４】
現地に電池システムにかかるキャビネットＫが搬入された後、先ず電池システムのマイナス側であるケーブル６５が架線のマイナス側に接続され、プラス側であるケーブル６２が負荷となる架線のプラス側に接続される。
【００６５】
このとき電池システムの開放出力電圧は、電池モジュールＢが１９台、電池モジュールＢ’が１台として、３０×１．３６７Ｖ×１９＋２７×１．３６７＝８１６Ｖとなっている。負荷の状況や他の設備の運転状況により、この電圧が高い場合は、９セル分（１２Ｖ）だけケーブル６２よりも電位の低いケーブル６６ａを架線のプラス側に接続する。それでも出力電圧が高い場合はケーブル６６ａより更に９セル分電位の低いケーブル６６ｂを架線のプラス側に接続する。このように、高い電位から調整を行うことにより、実際の運用状態において、使用状態となる単位電池Ｃの使用履歴の均等化を図ることができて、単位電池Ｃ間のバラつきを少なくすることが可能となる。
【００６６】
図７に示す実施形態では、電池システムのプラス側に電池モジュールＢ‘を配したが、これをマイナス側に配して電池システムを構成してもよい。電池システムのマイナス側に電池モジュールＢ’を配する方が、電圧調整において保安上有利な場合がある。
【００６７】
図８は本発明の実施形態の電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの概略構成図である。
【００６８】
電気鉄道用変電所１００は、本発明にかかる電池システム１０８がき電線１０５を介して架線１０９に直結されている。電池システム１０８は、その正極端子がき電線１０５に接続され、負極端子が配線１１５によって帰線（レール）１０７に接続されている。言い換えれば、電池システム１０８は、充放電電圧を制御する充放電制御装置を介さずに架線１０９に接続されている。
【００６９】
電気鉄道電力供給システム９９は、電力会社等からの交流電源１０１から交流電力回線１０２を介して受電する変圧器１０３と、変圧器１０３に接続された整流装置１０４とを備え、整流装置１０４は、その正側端子が架線１０９に接続され、負側端子が帰線１０７に接続されている。
【００７０】
整流装置１０４から出力される直流電力は、き電線１０５から架線１０９を介して電気車両１１０に供給される。電気車両１１０では、供給される直流電力を、例えば車上の電力制御装置１１２によって交流に変換し、走行用の電動機１１３や補機に供給する。
【００７１】
例えば、電気車両１１０が制動状態にある回生車両であり、他に回生電力を必要する電気車両がなければ、架線電圧が上昇して、回生電力は電池システム１０８に充電される。一方、電気車両１１０が加速車両であるとき、架線電圧が低下すれば、電池システム１０８から架線１０９を介して加速車両へ電力が供給される。
【００７２】
要するに、電池システム１０８では、架線１０９と帰線１０７との間の電圧が、電池システム１０８の電池電圧より高いときに充電し、低いときに放電する。このように、電池システム１０８は、架線１０９における電力の過不足を補償するように働き、省エネと電気車両の運行の確保を実現する。
【００７３】
回生電力が発生した場合、電池システム１０８の電圧が架線電圧より高ければ、回生電力は電池システム１０８には充電されない。また加速車両があるときに電池システム１０８の電圧が架線電圧より低ければ、電池システム１０８から架線１０９に電力は供給されない。電池システム１０８は、回生電力を有効に吸収して省エネを図り、不足電力を加速車両に供給して運行の確保を図るところ、電池システム１０８の電圧が不適切であれば、電池システム１０８はその用を十分に果たすことができない。電池システム１０８の電圧はかかる不適切な状況を避けるために、調整する必要がある。
【００７４】
更に、本発明にかかる電池システムに用いられる電池においては、ＳＯＣが約７０％から約８０％近傍で用いられることが好ましい。これは、ＳＯＣが高すぎると回生電力を吸収する余地が少なくなるし、低すぎると電池システムの電力を必要とするとき電池システムの電力が不足を生じることとなるからである。したがって、現地において本発明にかかる電池システムの調整を図るときに、ＳＯＣが約７０％から８０％、好ましくは８０％近傍となるように出力電圧が選ばれることが必要となる。
【００７５】
後述するように、ニッケル水素電池はＳＯＣに対する電圧変動が小さく、通常の電池では電圧の調整のために必要とする充放電制御装置を必要としないという特性を有する。この特性を維持しつつ、電池システムが十分にその用を果たすためには、電池システムの出力電圧は細かく調整する必要があり、本発明にかかる接続端子付電池モジュールを有する電池システムを必要とする。
【００７６】
図９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。
【００７７】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化は、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２．０、電気二重層キャパシタで約３．０になっている。これは、同じ電圧変化幅を許容するとすれば、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に小さくすることができる。
【００７８】
図９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ＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの広い範囲で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の変動に対して電池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Ｖlとし電圧変動が範囲ｄＶl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、鉛蓄電池を中央値の電圧を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を中央値の電圧を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。ここで、電圧変動範囲の大きさは電圧の中央値で正規化して、ｄＶl／Ｖl＝ｄＶ2／Ｖ2＝ｄＶ3／Ｖ3とする。
【００７９】
したがって、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど、例えばＳＯＣが５０〜７０パーセントのときの電池電圧が、図８の電気鉄道電力供給システムの定格出力電圧と等しいあるいは略等しい電池システム１０８を、図８のように架線１０９に直結した場合、電池システム１０８の充放電が繰り返されることによりその充電状態(ＳＯＣ)が変動しても電池電圧の変動が小さいので、電池容量を有効に利用することができる。
【００８０】
よって、本発明にかかる電池システムは、架線電圧の変動許容範囲で、ＳＯＣの範囲の大半がカバーされるため、充放電制御装置が設備されていなくても、電池容量が有効に利用される。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明にかかる電池システムは、地上蓄電設備や車両搭載用蓄電池設備をはじめ、例えば、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続された架線とを有する電気鉄道用の変電所において、電池システムが前記架線に直結されている電気鉄道用電力供給システムに利用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１  電池積層体
３  側面板
５  圧縮板
７  締め付けボルト
９  ケーシング
１０  電極端子
１１  正極端子
１２  負極端子
１４  枠形部材
１５  第１蓋部材
１６  第２蓋部材
２０  中間集電体
２１  接続端子
２１ａ・２１ｂ  接続端子
２２  接続端子ボルト
２３  ねじ孔
３１  放熱板
３３  上面板
３４  下面板
３５  第１集電板
３６  第２集電板
３７  絶縁板
３７ａ・３９ａ  円形の開口
３９  絶縁板保護板
４４  ねじ孔
４５  正極端子ボルト
６０  ケーブル
６２・６４・６５  ケーブル
６６ａ・６６ｂ  ケーブル
８０  端子箱
９９  電気鉄道電力供給システム
１００  電気鉄道用変電所
１０１  交流電源
１０２  交流電力回線
１０３  変圧器
１０４  整流装置
１０５  き電線
１０７  帰線（レール）
１０８  電池システム
１０９  架線
１１０  電気車両
１１２  電力制御装置
１１３  電動機
１１５  配線
Ａ  電池システム
Ｂ  電池モジュール
Ｂ’接続端子を有する電池モジュール
Ｃ  単位電池
Ｋ  キャビネット
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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