(57)【要約】【課題】  変電所から遠く離れた地点においても電気車両の走行性能を充分に引き出せるとともに、広大な設置面積を必要とせず、かつ安価に作製できる、電気鉄道用電力供給システムを提供する。【解決手段】  電気車両用の変電所から直流電力が供給されるき電線８と、二次電池６とを備えた電力貯蔵供給装置７とからなり、二次電池６とき電線８との間にダイオード５を配してなり、かつ、電力貯蔵供給装置７が変電所の構外に設備されてなる。【選択図】    図１
2011126298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気鉄道用の変電所から直流電力が供給されるき電線と、
出力電圧が公称電圧より低い充電装置と、
前記充電装置により充電される二次電池とからなり、
前記二次電池と前記充電装置を備えた電力貯蔵供給装置と前記き電線との間に、前記電力貯蔵供給装置から前記き電線に電流が流れる方向にダイオードが接続されてなる電気鉄道用電力供給システム。
【請求項２】
前記充電装置が前記変電所の電源に接続されていない請求項１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項３】
前記交流電源が電圧の変更が可能である請求項１または請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項４】
前記充電装置が整流装置である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項５】
前記二次電池が充放電制御装置を介さずに前記き電線に接続されてなる請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項６】
前記二次電池が積層型のニッケル水素電池である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項７】
前記電力貯蔵供給装置が前記ダイオードを介して前記き電線の端部に接続されてなる請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項８】
前記電力貯蔵供給装置が前記ダイオードを介して前記変電所とこの変電所に隣接する別の変電所との間で前記き電線に接続されてなる請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項９】
前記電力貯蔵供給装置が前記変電所の構外に設置されてなる請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の鉄道用電力供給システム。
【請求項１０】
前記充電装置が整流装置であり、前記二次電池が積層型のニッケル水素電池であり、
前記二次電池が充放電制御装置を介さずに前記ダイオードを介して前記き電線に接続されてなる請求項９に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１１】
電気鉄道用の変電所から直流電力を供給する直流き電方法において、
充電装置により充電される二次電池を公称電圧より低い電圧でフローティング充電して、前記二次電池を前記二次電池から前記き電線に電流が流れる方向にダイオードを接続して二次電池に蓄えた電力をき電線に供給する電気鉄道用電力供給方法。
【請求項１２】
前記二次電池が前記変電所の構外で充電される請求項１１に記載の電気鉄道用電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道車両に供給するための直流電力システムに関し、詳しくは、電力貯蔵設備として二次電池を採用した電気鉄道用の電力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、通常の一般的な電気鉄道用変電所では、例えば、電力会社からの交流電力を受電してこれを直流電力に変換し、き電線へ供給している。
【０００３】
前記変電所から、電気車両に対して、き電線を介し空中に配備した架線からパンタグラフを通して電力を供給している。変電所は、電気鉄道の沿線の要所要所に配置される。
【０００４】
電気車両は、加速時に供給された電力を、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を行う。加速時には電気車両は大きな電力を必要とする。この結果、き電線の電圧が降下し、ひいては架線の電圧は降下する。一般的に「き電線電圧の降下」と称されたり「架線電圧の降下」と称されたりするが、同じ現象を指している。
【０００５】
また反対に回生能力を持つ電気車両が減速時には、走行用モータは回生電力を発生し、電気車両が持っている走行エネルギーが電気エネルギーに変換され、それがき電線を介して電気鉄道用電力供給システムに戻される。
【０００６】
いわゆる直流き電システムを形成している（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
商用の電力系統を受電して直流き電を行うために必要な設備（例えば、ＭＯＦや上記変圧装置や整流装置）は変電所構内に設置されている。変電所は電気鉄道の沿線の要所要所に配置されていて、き電線電圧の降下により電気車両の運行に影響がでないように考慮されている。
【０００８】
変電所に電力貯蔵設備を設置して、直流き電システムにおける電力の過不足を補償する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これにより、回生電力を有効に利用することが可能になる。また、電力のピーク需要時期を平準化することにより間接的に電力料金の軽減を図ったり、夜間電力を利用することにより直接的に電力料金の低減を図ったりしている。このような電力貯蔵設備の電力貯蔵部として、二次電池、電気二重層キャパシタやフライホイール等を用いる方法が提案されている。
【０００９】
直流き電システムに電力貯蔵設備を設置する場合、一般に、電力の流れの向きを調整するための電力制御装置（充放電制御装置）が設けられている（特許文献１，２）。
【００１０】
充放電制御装置とは、充放電電圧を制御する充放電電圧制御装置、充放電電流を制御する充放電電流制御装置、または、充放電電圧と充放電電流とを同時に制御する充放電電流電圧制御装置のことである。充放電制御装置は、二次電池の過放電、過充電を防止して、二次電池の過度な損耗を防止しつつ、電力の過不足を調整可能としている。
【００１１】
図１０は充放電制御装置を介して電力貯蔵装置をき電線へ接続した構成からなる従来技術を示す図である。図１０に示すように、電力貯蔵部として二次電池１０６を用い、充放電制御装置として昇降圧チョッパ１０５が用いられ電力貯蔵装置１０７を構成している。ここで、昇降圧チョッパ１０５を介して二次電池１０６がき電線１０８に接続されている。この場合、変電所では、商用の電力系統１０１から受電する変圧器１０３と整流装置１０４とが備えられ、整流装置１０４からき電線１０８を介して電気車両１１０に直流電力が供給される。電気車両１１０では、供給される直流電力を、車上の電力制御装置１１１によって交流に変換し、走行用の電動機１１２に供給する。ここで、電気車両１１０が回生状態にあるとき、き電線１０８から昇降圧チョッパ１０５を介して二次電池１０６に電流が流入して二次電池１０６を充電し、電気車両１１０が加速状態にあるとき、昇降圧チョッパ１０５を介して二次電池１０６からの放電電流がき電線１０８へ流れる。
【００１２】
以上のように従来の変電所では、昇降圧チョッパ等の充放電制御装置を介して二次電池等からなる電力貯蔵装置がき電線へ接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献２】特開２００８−７４１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
電気車両が発車する場合、加速のために過大な電力を必要とし、その結果き電線には加速初期に多大な電流が流れ、き電線電圧が降下する。き電線電圧の降下の程度は、電気車両の運転位置と変電所間の距離に依存して決まり、変電所から離れるほどその電圧降下は大きい。き電線電圧の降下はその区間を走行する他の車両にも影響を与える。
【００１５】
電圧降下が大きいと、電気車両に搭載されたプロパルジョン（電動機等から成る）の性能低下を招き運転ダイヤが乱れるばかりでなく、仕様定格電圧外での電気機器の使用は機器の発熱や半導体素子の動作不良を招き、終には運転を継続することができなくなることもある。特に近年においては空調装置等補機電源に静止型インバータ（ＳＩＶ）が採用されており、き電線の電圧低下により空調装置が停止するという問題がある。
【００１６】
したがって、き電線電圧の降下により電気車両の運行や空調装置の運転に支障を来たさないように変電所の設置間隔が定められることとなる。もっともき電線電圧の降下は変電所の位置のみに依存するわけでなく、電気車両が走行する軌道条件にも左右される。端的には登り勾配で電気車両を加速するときは平坦な場所より大きな電力を必要とし、その分電圧降下も大きくなる。山間部を走行する電気鉄道においては、変電所間隔は一般に短くなる傾向にある。
【００１７】
ところで、変電所の設置には広大な面積を必要とするのみならず、電気事業法等の法的規制や、設備する機器に対し各種規格の遵守が求められている。変電所の設置には多大の費用が発生するのみならず、その維持管理にも多額の経費がかかる。
【００１８】
このため、き電線電圧の降下による不都合を解消するために変電所を設置する場合、その設置およびその維持管理に多大の費用がかかるという問題点がある。とくに、山間部を走行する電気鉄道においては、その電力供給システムの能力が必ずしも十分とは言えず、また前述したように電圧降下が大きいので、その問題は深刻なところである。
【００１９】
一方、変電所に電力貯蔵設備を設置して、直流き電システム（電気鉄道用の電力供給システム）における電力の過不足を補償する技術が提案されている（特許文献１，２）。
【００２０】
しかしこのような電力貯蔵設備を設置しても、これにより、回生電力を有効に利用したり、電力のピーク需要時期を平準化すること等は可能となるが、上述したようなき電線電圧の低下に対処することはできない。これは電圧の降下の大きさは、き電線に流れる電流の大きさと電気車両と変電所間のき電線の長さにより決まるからであり、電力の過不足とは直接関係ないからである。
【００２１】
更に、直流き電システム（電気鉄道用の電力供給システム）に電力貯蔵設備を備える場合、電力制御を司る充放電制御装置が設けられている（特許文献１，２）。これは、電力貯蔵設備は一般に電力の貯蔵状態が大きくなればその出力電圧は高くなり、小さくなれば出力電圧が低くなる特性を有しているから、充放電制御装置がなければ、電力の流れの向きは、電力貯蔵装置の上記特性で決まる電圧とき電線電圧の大小関係で定まり、電力の過不足を適切に調整することができないからである。
【００２２】
上記の変電所のように昇降圧チョッパ等の充放電制御装置を介して電力貯蔵装置をき電線へ接続した構成では、充放電制御装置が非常に高価であり、装置全体として高価なものになってしまうという問題点がある。
【００２３】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、変電所から遠く離れた地点や山間部においても電気車両の走行性能を充分に引き出すことができ、設置のために広大な面積や多額の費用を必要とせず、かつ安価に作製でき、維持管理に手間がかからない電気鉄道用電力供給システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
（請求項１）
上記目的を達成するために、本発明の電気鉄道用電力供給システムは、
電気鉄道用の変電所から直流電力が供給されるき電線と、交流電源に接続され、出力電圧が公称電圧より低い充電装置と、前記充電装置により充電される二次電池とからなり、前記二次電池と前記充電装置を備えた電力貯蔵供給装置と前記き電線との間に、前記電力貯蔵供給装置から前記き電線に電流が流れる方向にダイオードが接続されてなる。
【００２５】
この構成によれば、二次電池を充電する充電装置の出力電圧はき電線の公称電圧より低いので、二次電池はき電線の公称電圧より低い電圧で充電されることとなる。そして、充電時間が十分経過した後は、二次電池は公称電圧より低い電圧で満充電された状態となる。
【００２６】
また、この構成によれば、電力貯蔵供給装置とき電線との間に接続されたダイオードは、そのカソードがき電線に接続されアノードが電力貯蔵供給装置に接続されているので、き電線の電圧が二次電池の電圧より低いときのみ、電力貯蔵供給装置の電流がき電線に流れることとなる。
【００２７】
このことは、通常の状態では、二次電池の電圧はき電線の電圧より低いため、電力貯蔵供給装置からき電線に電力が供給されることはない。つまり、き電線の電圧がかなり低下した場合に、電力貯蔵供給装置の電力がき電線に供給される。
【００２８】
したがって、電圧の降下する地点において電力貯蔵供給装置をき電線に接続すれば、その電圧降下は軽減されることとなる。
【００２９】
ここに公称電圧とは、ＪＥＣ等の電気規格で定められる回路（系統）電圧の標準値であって、その回路（系統）が通常作動する電圧レベルを言う。例えば一般家庭に配電される電力は、公称交流１００Ｖであるが、電力の受給状況や時間帯によりその電圧は１００Ｖを中心に変動している。本発明の説明においては、公称電圧が６００Ｖである場合を例に取り説明するが、公称電圧の値はこれに限定されることはなく他の値であってもよい。
【００３０】
なお、二次電池はＳＯＣ（State Of Charge：充電状態）が１００％における端子電圧が充電装置の出力電圧となるように構成されるのが好ましい。このように二次電池が構成されておれば、二次電池は常に満充電状態となる。
【００３１】
つまり、二次電池の１００％ＳＯＣにおける端子電圧が充電装置の出力電圧より低ければ、二次電池は過充電となり、その程度が大きければ二次電池の損耗を早める。逆に、二次電池の１００％ＳＯＣにおける端子電圧が充電装置の出力電圧より高ければ、二次電池は満充電されることがなく、その分二次電池の容量が無駄となる。
【００３２】
（請求項２）
本発明における前記充電装置が前記変電所の電源に接続されていなくてもよい。
【００３３】
充電装置が変電所から供給される交流電源とは異なる交流電源に接続されておれば、本発明に係る充電装置や二次電池等を有する電力貯蔵供給装置は、かならずしも設置および維持管理に多大の費用がかかる変電所に設置する必要はなく、自由に設置場所を選ぶことが可能となるので、多大のコストメリットが生じることとなる。このような交流電源としては、商用の単相または３相の電力回線から充電する交流電源であってもよい。
【００３４】
（請求項３）
本発明における前述の電力貯蔵供給装置に接続される交流電源は、好ましくは電圧の変更が可能であってもよい。
【００３５】
この構成によれば、交流電源の電圧が変更されると、これから電力の供給を受ける充電装置の出力電圧が変わることとなり、この結果、二次電池の充電電圧が変わることとなる。電圧の変更が可能な交流電源としては、タップ付変圧器から供給される交流電源がある。タップ付変圧器においては、変圧器の出力タップを切り替えることにより、変圧器の出力電圧が変化する。負荷状態でタップの切り替えが可能なＬＴＣ（Onload Tap Changer）や、タップの切り替えに配線の繋ぎ替えを行う変圧器等がある。後者は安価である。
【００３６】
き電線の電圧が二次電池の端子電圧より低くなったときに、二次電池からき電線に電流が流れることは前述した。したがって、二次電池の端子電圧つまり充電電圧は、どの程度き電線電圧が降下したときに、電力貯蔵供給装置からき電線に電力が供給されるかその動作点を決めることとなる。動作点の電圧を低くすれば、電気車両の運行等に影響が生じることとなる。一方、動作点の電圧を高くすれば、二次電池の蓄電容量（電気の貯蔵容量）を大きくする必要があり、電力貯蔵供給装置が大型化して高価となる。
【００３７】
電気鉄道における電気車両の運転状況やき電線の電圧の変化状況に合わせて、電力貯蔵装置に接続される交流電源の電圧を変更すれば、上述の動作点の電圧を調整することが可能となる。
【００３８】
（請求項４）
本発明にかかる前記充電装置が整流装置であってもよい。
この構成によれば、整流装置は交流の電気を直流の電気に変換する装置であればよく、周知の半導体ダイオードを利用したものでも、セレン整流器等を利用したものでもよい。また、全波整流装置でも半波整流装置であってもよく、好ましくは整流装置の出力にコンデンサーを設けて、電圧リップルを軽減したものであってもよい。
【００３９】
（請求項５）
本発明にかかる前記二次電池が充放電制御装置を介さずに前記き電線に接続されてもよい。
【００４０】
上述した構成の電力供給システムによれば、二次電池の入出力電圧の変更を必要としないので高価な充放電制御装置を用いる必要がない。
【００４１】
（請求項６）
本発明にかかる前記二次電池が積層型のニッケル水素電池であってもよい。
【００４２】
この構成によれば、ニッケル水素電池のＳＯＣに対する端子電圧の変化が小さいので、電力貯蔵供給装置の動作点を微細に調整可能となる。また、二次電池を積層型とすることにより、二次電池の大容量化に資する。更に、静電容量も大きいので電力貯蔵供給装置として即応性が期待できる。
【００４３】
例えば、複数の単位電池を積層したものであって、各単位電池は、対向して設けられた正極集電体と負極集電体の間に正極シートと負極シートが蛇腹状のセパレータを挟んで交互に組み込まれて積層型となす。
【００４４】
（請求項７）
本発明にかかる前記電力貯蔵供給装置が、前記ダイオードを介して前記き電線の端部に接続されてもよい。
【００４５】
この構成によれば、き電線の一方の端部近くには変電所が設置されていて、き電線の他方の端部近くに電力貯蔵供給装置がダイオードを介して接続されている。このような電気鉄道用電力供給システムとすることにより、通常はき電線の両端部に配すべき変電所の一つを安価な電力貯蔵供給装置に置き換えることが可能となる。
【００４６】
（請求項８）
本発明にかかる前記電力貯蔵供給装置が前記ダイオードを介して前記変電所とこの変電所に隣接する別の変電所との間で前記き電線に接続されてもよい。
【００４７】
この構成によれば、変電所間の中間に電力貯蔵供給装置を配置すれば、いずれかの変電所が運転を停止しても、短時間であれば電力貯蔵供給装置が停止した変電所の代替となりうる。また、変電所から遠く離れた地点のき電線、例えば変電所と変電所の間のき電線や、線路の終端あるいは始端に対応するき電線の端部に電力貯蔵供給装置を接続することにより、変電所から遠く離れた地点において、き電線の大幅な電圧降下を抑えて電気車両の走行性能を充分に引き出すことができる。
【００４８】
（請求項９）
本発明にかかる前記電力貯蔵供給装置が前記変電所の構外に設置されてもよい。
この構成によれば、電力貯蔵供給装置の設置には交流電源の準備をすればよく、高価な変電所を設置する必要はない。
【００４９】
なお、変電所とは、一般に変圧器や整流器その他の電気機械機器を施設し、構外から交流を受電して直流に変換する所であって、変換した直流を電気車両運行のためき電線に送電するものをいう。
【００５０】
そして構内とは、需要場所のことであり、電気使用場所を含み、電気を使用する構内全てであって、構内は、塀やさく、フェンス、堀などによって区切られた地域または施設者ならびにその関係者以外の者が自由に出入りできない地域をいう。そして変電所の構外とは、構内以外の場所をいう。
【００５１】
（請求項１０）
本発明にかかる前記充電装置が整流装置であり、前記二次電池が積層型のニッケル水素電池であり、前記二次電池が充放電制御装置を介さずに前記ダイオードを介して前記き電線に接続されてもよい。
【００５２】
（請求項１１）
本発明にかかる電気鉄道用の変電所から直流電力を供給する直流き電方法において、充電装置により充電される二次電池を公称電圧より低い電圧でフローティング充電して、前記二次電池を前記二次電池から前記き電線に電流が流れる方向にダイオードを接続して二次電池に蓄えた電力をき電線に供給するようにしてもよい。
【００５３】
（請求項１２）
本発明にかかる電気鉄道用電力供給方法は前記二次電池が前記変電所の構外で充電されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００５４】
本発明は、以上に説明した構成を有し、変電所から遠く離れた地点においてもき電線の電圧を適正に維持して電気車両の走行性能を充分に引き出せることができ、広大な設置面積を必要とせず、安価に作製できる、電気鉄道用電力供給システムを提供することができるという効果を奏する。また、隣接する変電所が故障して送電できない場合でも車両を最寄の駅まで走行させることができる。さらに、短時間であれば変電所の代わりに用いることもできるので、変電所の保守整備を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態にかかる電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である。
【図２】一構成例の充電装置の回路図である。
【図３】２つの電池モジュールが並列接続されてなる電力貯蔵供給装置の実施例の一つを示す回路構成図である。
【図４】第二の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である
【図５】本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムにおけるき電系統の概略構成図を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムにおける、別のき電系統の概略構成図を示す図である。
【図７】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。ニッケル水素電池に流れる電流について説明するための図である。
【図８】一構成例の電池モジュールの横断面図である。
【図９】電気鉄道用電力供給システムの検証試験結果を示す図である。
【図１０】充放電制御装置を介して電力貯蔵装置をき電線へ接続した構成からなる従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下、本発明に係る電気鉄道用電力供給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。
【００５７】
図１は本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムの概略構成図で、この図１に示すように、充電装置４は交流電源２から交流の電力を直流電力に変換して、二次電池６を充電する。充電装置４と二次電池６とを備える電力貯蔵供給装置７は、ダイオード５のアノードに接続され、ダイオード５のカソードはき電線８に接続されている。
【００５８】
電力貯蔵供給装置７からき電線８を介して電気車両１０に供給される直流電力は、車上の電力制御装置１１によって交流に変換され、走行用の電動機１２を駆動する。
【００５９】
ここで、二次電池６を充電する充電装置４の出力電圧はき電線８の公称電圧より低いので、二次電池６はき電線８の公称電圧より低い電圧で充電され、充電時間が十分経過した後は、二次電池６は公称電圧より低い電圧で満充電された状態となる。通常の状態では、き電線８の電圧は公称電圧であるので、ダイオード５の働きにより、き電線８から二次電池６に電流が流れることはない。
【００６０】
ここで、充電装置の出力電圧としては好ましくは公称電圧の８０％程度、さらに好ましくは７０％である。７０％であれば空調装置は運転を継続することができる。
【００６１】
しかし、電気車両１０の加速等により、大電流がき電線８に流れてその結果、き電線８の電圧が二次電池６の出力電圧より低下すれば、ダイオードは正方向にバイアスされるので、二次電池６の電流はき電線８に流れる。すなわち、電力貯蔵供給装置７の電力がき電線８に供給され、き電線８の電圧降下は軽減されることとなる。
【００６２】
ここで重要なことは、き電線８の電圧降下を生じた地点において、電力貯蔵供給装置７をき電線８に接続することである。そうすれば、接続地点においては、き電線８の電圧は二次電池６の出力電圧とほぼ等しくなり、接続地点を中心にその前後の電圧降下は軽減される。
【００６３】
なお、二次電池はＳＯＣが１００％における端子電圧が充電装置の出力電圧となるように構成されるのが好ましい。このように二次電池が構成されていれば、二次電池は常に満充電状態となる。
【００６４】
つまり、二次電池の１００％ＳＯＣにおける端子電圧が充電装置の出力電圧より低ければ、二次電池は過充電となり、その程度が大きければ二次電池の損耗を早める。逆に、二次電池の１００％ＳＯＣにおける端子電圧が充電装置の出力電圧より高ければ、二次電池は満充電されることがなく、その分二次電池の容量が無駄となる。
【００６５】
なお、本実施形態に用いられる二次電池６は積層型のニッケル水素電池であってもよい。
【００６６】
積層型のニッケル水素電池であれば、ニッケル水素電池のＳＯＣに対する端子電圧の変化が小さいので、電力貯蔵装置の動作点が微細に調整可能となる。また、二次電池を積層型とすることにより、二次電池の大容量化に資する。更に、静電容量も大きいので電力貯蔵供給装置として即応性が期待できる。
【００６７】
き電線８の電圧降下が発生する地点は、線路線形やき電系統及び変電所の位置に依存し、電気車両１０の性能と運行ダイヤにより定まる。よって、その近傍に電力貯蔵供給装置７を配置すればよい。電力貯蔵供給装置７は、変電所のような広大な敷地を必要としないので、比較的自由にその設置場所を選定することが可能となる。しかも、設置や保守費用も変電所に比べて相当安価である。
【００６８】
このように、変電所よりも安価で、しかも効果的な設置場所を選定できるのは、交流電源２が変電所に接続されていないからである。電力貯蔵供給装置７が変電所郊外に設置されているので、電力貯蔵供給装置７の設置場所は変電所の配置に関係なく自由に選定することが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態に用いられる充電装置４は、全波整流器または半波整流器を備えた整流装置であってもよい。好ましくは、半導体整流素子（ダイオード）を用いて構成されてもよい。充電装置４の一実施形態を図２に示す。単相の商用の交流電源２が充電装置４のダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄにより全波整流され、コンデンサ１８により平滑されて二次電池6に接続される。このように充電装置４を構成すれば、回路が簡単となり安価となる。
【００７０】
二次電池６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、１つ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て構成されていてもよい。あるいは、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。
【００７１】
図３は、二次電池６として２つの電池モジュール２４ａ、２４ｂが並列接続されてなる電力貯蔵供給装置７の実施例の一つを示す回路構成図である。
【００７２】
ここでは、電池モジュール２４ａ、２４ｂを構成する電池が短絡したときの保護回路として高速度遮断器２１、２２が設けられている。高速度遮断器２１及びリアクトル２３がき電線８側に配置されるとともに、高速度遮断器２２が帰線９側に配置されている。このように、リアクトル２３を設けることにより、短絡時の事故電流の立上がりを緩やかにして高速度遮断器２１、２２にかかる負担を減らすことができ、確実に事故電流を遮断できる。
【００７３】
なお、高速度遮断器２１、２２、リアクトル２３は場合によってはなくてもよく、省略可能である。また、高速度遮断器２１、２２の代わりにいわゆるディスコン（断路器）を設けてもよい。ディスコンは負荷電流の遮断能力はないが、電気回路を開路して保守のときに役立つ。
【００７４】
図４は、本発明の第二の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である。
【００７５】
図４に示すように、充電装置４と商用の交流電源２５との間にタップ付変圧器２６に接続されている。本実施形態のタップ付変圧器２６はその二次側巻線に中間タップ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを備えており、いずれの中間タップを選択するかにより、タップ付変圧器２６の出力電圧が変わる。例えば中間タップが定格電圧の±５％である場合、一次側定格電圧が２００Ｖで、二次側の定格電圧が６００Ｖであれば、中間タップの電圧として５７０Ｖ，６００Ｖ，６３０Ｖが選定可能である。タップ付変圧器において中間タップの電圧は変圧器の巻線比を変えれば所要のタップ電圧を得ることができる。図５においては中間タップ２７ｂに充電装置４が接続されているので、６００Ｖの電気が充電装置４に供給されている。
【００７６】
電気鉄道における電気車両の運転状況やき電線の電圧の変化状況により、通常状態のき電線の電圧が公称電圧よりずれが生じることがある。例えば、通常状態でのき電線の電圧が公称電圧より５％程度低ければ、タップ付き変圧器２６の中間タップを２７ｂから２７ａに繋ぎ換えれば、二次電池６の端子電圧は５％低下して、適切な電圧とすることができる。中間タップの電圧ステップやタップ数は本実施形態に限らず自由に設定することが可能である。また、負荷時タップ切り換え装置（ＬＴＣ）を用いれば、電力貯蔵供給装置７の運転中に二次電池６の端子電圧の変更が可能となる。
【００７７】
電気鉄道における電気車両の運転状況やき電線の電圧の変化状況に合わせて、電力貯蔵装置に接続される交流電源の電圧を変更すれば、電力貯蔵供給装置７の動作点の電圧を調整することが可能となる。すなわち、二次電池６の端子電圧が低すぎると、き電線８の低下による不具合を防止することができず、反対に高すぎると二次電池６の放電が進み、き電線の電圧が低下したときに電力を供給することができないばかりか、過放電により電池寿命が短くなる。
【００７８】
図５に本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムにおけるき電系統の概略構成図を示す。
【００７９】
電力貯蔵供給装置７は、二次電池６がき電線８に充放電制御装置を介さずに接続されている。二次電池６は、その正極側外部端子がダイオード５のアノードに又ダイオード５のカソードがき電線８に接続され、負極側外部端子が帰線（レール）９に接続されている。
【００８０】
電力貯蔵供給装置７は、電気鉄道用変電所１４ａ、１４ｂの構内とは異なる場所に設置され、電力貯蔵供給装置７の二次電池６は、変電所１４ａ、１４ｂが接続されているき電線８の部分とは異なるき電線８の部分に直結されている。具体的には、電力貯蔵供給装置７は、電気鉄道用変電所１４ａと電気鉄道用変電所１４ｂとの間の地点のき電線８にダイオード５を介して接続されている。８ｅ、９ｅは、それぞれき電線８および帰線９の端部である。
【００８１】
電気鉄道用変電所１４ａ、１４ｂは、電力会社等の交流電源１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、その正側端子がき電線８に接続され負側端子が帰線９に接続されている。
【００８２】
整流装置１０４から出力される直流電力は、き電線８から架線を介して電気車両１０に供給される。電気車両１０では、供給される直流電力を、例えば車上の電力制御装置１１によって交流に変換し、走行用の電動機１２や補機に供給する。
【００８３】
図６は本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムにおける、別のき電系統の概略構成図を示す。
【００８４】
図６において、電力貯蔵供給装置７はき電線の端部８ｅに接続されている。
【００８５】
図７は各種電池等のＳＯＣに対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。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。
【００８６】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化は、ニッケル水素電池で約０．１Ｖ、鉛蓄電池で約１．５Ｖ、リチウムイオン電池で約２．０Ｖ、電気二重層キャパシタで約３．０Ｖになっている。
【００８７】
図７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。
【００８８】
したがって、二次電池６をき電線８に充放電制御装置を介さずに接続した場合、二次電池６の充放電が繰り返されることによりその充電状態（ＳＯＣ）が変動しても二次電池の出力電圧の変動が小さく、この結果、電池容量を有効に利用することができるということができる。
【００８９】
一方、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に対する電池電圧の変化が大きいので、有効に利用できる電池容量は小さくなり、結果的に充放電制御装置を必要とする。
【００９０】
図８は、本発明の実施形態の一構成例に係る二次電池６の横断面図である。
【００９１】
この電池モジュール２４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７０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セパレータ７１が交互に両集電体に近接するように配置され、蛇腹状セパレータ７１と正極集電体９９とで区画される空間に電解質溶液７２とともに正極活物質を含有する正極シート７３を配置し、蛇腹状セパレータ７１と負極集電体７０とで区画される空間に電解質溶液７２とともに負極活物質を含有する負極シート７４を配置し、正極シート７３と負極シート７４が蛇腹状セパレータ７１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池は蛇腹状セパレータ７１を蛇腹状とすることにより、正極シート７３、負極シート７４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができ、大容量化が容易である。また、これ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。
【００９２】
また、正極シート７３は正極集電体９９に接し、負極シート７４は負極集電体７０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７０に接するように伝熱板９６が挿入されている。各単位電池の正極集電体９９と負極集電体７０との間は、蛇腹状セパレータ７１によって正極セルと負極セルとに２分割され、蛇腹状セパレータ７１と正極集電体９９とで区画され正極シート７３が配置される領域が正極セルとなり、蛇腹状セパレータ７１と負極集電体７０とで区画され負極シート７４が配置される領域が負極セルとなる。
【００９３】
７５は統括正極集電体、７６は統括負極集電体、７７と７８は絶縁板である。
【００９４】
統括正極集電体７５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７６の中央部に接続用の負極端子（図示せず）が取り付けられ、正極端子と負極端子がそれぞれ電池モジュール２４の出力端子を形成する。電池モジュール２４の上下面は絶縁板７７、７８により覆われており、側面は図示しない絶縁板により覆われている。
【００９５】
また、電池モジュール２４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７３及び負極シート７４が電極板となり、電極板面積の増大化と電極板間隔の狭小化を実現でき、電池のより小型化及び大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。
【００９６】
更には、電極板面積の増大化と電極板間隔の狭小化により、二次的効果として静電容量が向上する。一般に、キャパシタは比較的短時間の電流の流入出を行うのに適しており、二次電池は比較的長時間の電流の流入出を行うのに適していると言われている。電力の過不足を補償する電力貯蔵装置として電池モジュール２４を見た場合、大容量でかつ高静電容量であるので、即応性と長期的な電力の過不足の調整設備として効力を発揮するといえる。
【００９７】
本発明にかかる電気鉄道用の変電所から直流電力を供給する直流き電方法において、充電装置により充電される二次電池を公称電圧より低い電圧でフローティング充電して、二次電池を二次電池からき電線に電流が流れる方向にダイオードを接続して二次電池に蓄えた電力をき電線に供給するようにしてもよい。また、二次電池が変電所の構外で充電されるものであってもよい。
【００９８】
〔実証試験結果〕
本実施形態の電気鉄道用電力供給システムについてシミュレーションによる検証試験を行った。図９（ａ）（ｂ）はそれぞれ検証試験結果を示す図である。
【００９９】
図９（ａ）は、本発明に係る電力貯蔵供給装置を備えていない場合のき電線８の時間変動を示すグラフであり、縦軸に変電所の中間地点におけるき電線８の電圧を、横軸に時刻を取り示してある。検証試験に用いたき電系統の公称電圧は６００Ｖであるところ、図９（ａ）に示したき電線の電圧は変電所から離れているので、その間のき電線抵抗により電圧降下を生じており、その地点のき電線電圧は平均値として５００Ｖから５５０Ｖの間と読み取れる。電圧がこの平均値より大きいのは、電気車両がブレーキ操作をした結果回生電力が発生して回生電流が流れたためと推測できる。平均値より低下しているのは電気車両が力行（加速）した結果、変電所からの電流により生じた電圧降下によるものと推測される。検証試験におけるき電線は比較的小規模の電気鉄道路線であり、電気車両の運行により、き電線の電圧が大きく影響を受けている。
【０１００】
図９（ｂ）は、本発明に係る電気鉄道用電力供給システムであり、充電装置４の出力電圧が４６０Ｖである電力貯蔵供給装置７を備えた場合のき電線８の時間変動を示すグラフである。４６０Ｖという値は公称電圧が６００Ｖの場合における空調装置が瞬時電圧低下で停止する電圧が４５０Ｖであるところから定めた値である。始業から比較的早い時期なので、二次電池は４６０Ｖにほぼ満充電されているところ、矢符で示す時刻において、二次電池６からき電線８に電力の供給があり、瞬時電圧低下は防げていることが判る。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係る電気鉄道用電力供給システムは、電気鉄道用変電所から離れた地点に設置される電気鉄道用電力供給システム等として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１０２】
２  交流電源
４  充電装置
５  ダイオード
６  二次電池
７  電力貯蔵供給装置
８  き電線
９  帰線
１０  電気車両
１１  電力制御装置
１２  走行用の電動機
１４ａ、１４ｂ  電気鉄道用変電所
２１  高速度遮断器
２２  高速度遮断器
２３  リアクトル
２４、２４ａ、２４ｂ  電池モジュール
２５  交流電源
２６  タップ付変圧器
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ  中間タップ
７０  負極集電体
７１  蛇腹状セパレータ
７２  電解質溶液
７３  正極シート
７４  負極シート
７５  統括正極集電体
７６  統括負極集電体
７７  絶縁板
７８  絶縁板
９６  伝熱板
９７  空気通流孔
９９  正極集電体
１０１  商用の電力系統
１０２  交流電力回路
１０３  変圧器
１０４  整流装置
１０５  昇降圧チョッパ
１０６  二次電池
１０７  電力貯蔵装置
１０８  き電線
１０９  帰線
１１０  電気車両
１１１  電力制御装置
１１２  走行用の電動機
【図１】
2011126298.tif 000003
【図２】
2011126298.tif 000004
【図３】
2011126298.tif 000005
【図４】
2011126298.tif 000006
【図５】
2011126298.tif 000007
【図６】
2011126298.tif 000008
【図７】
2011126298.tif 000009
【図８】
2011126298.tif 000010
【図９】
2011126298.tif 000011
【図１０】
2011126298.tif 000012