(57)【要約】【課題】ハイブリッド型の鉄道車両に適用する大容量のバッテリ装置を小型に実現すると共に、冷却効率及び安全性を向上することにある。【解決手段】エンジンの動力を利用して直流電力を発生する電源装置と、該電源装置から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置と、電源装置の出力と並列に接続され、インバータ装置に対して直流電力を供給する二次電池装置とを備えたハイブリッド鉄道車両において、二次電池装置を２枚のプレート６９１１ａ，６９１１ｂと該プレート間に円筒状の複数の単位バッテリ６９１２１〜６９１２ｎが互いに逆極性となるように配置し、プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線６９１４すると共に、２枚のプレートに風通し穴６９１３を設けて構成する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの動力を利用して直流電力を発生する電源装置と、該電源装置から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置と、該インバータ装置により駆動される誘導電動機と、前記電源装置の出力と並列に接続され、前記インバータ装置に対して直流電力を供給する二次電池装置と、前記電源装置、前記インバータ装置及び前記二次電池装置を統括制御する統括制御装置を備えたハイブリッド鉄道車両において、
前記二次電池装置を２枚のプレートと該プレート間に円筒状の複数の単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、前記プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線して構成したことを特徴とするハイブリッド鉄道車両用二次電池装置。
【請求項２】
請求項１において、前記２枚のプレートに風通し穴を設けることを特徴とするハイブリッド鉄道車両用二次電池装置。
【請求項３】
請求項１において、前記２枚のプレートに設けた前記単位バッテリの固定穴と前記単位バッテリ間の配線を絶縁一体化するバッテリホルダを設け、該バッテリホルダと前記２枚のプレートを一体化したことを特徴とするハイブリッド鉄道車両用二次電池装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記二次電池装置を前記電源装置及び前記インバータ装置よりも前記鉄道車両の車体の内側に実装するように配置したことを特徴とするハイブリッド鉄道車両用二次電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン発電機と二次電池を併用したハイブリッド鉄道車両用二次電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ディーゼルエンジン式鉄道車両（以下、気動車と呼ぶ。）においては、騒音、排気等の環境問題への対応やシステムのメンテナンス性向上のため、電気式鉄道車両（以下、電気車と呼ぶ。）と部品の共通化を図ったハイブリッド化が検討されている。
このシステムでは、エンジンで発電機を駆動して交流電力を発生し、これをコンバータ装置で一旦直流電力に変換する。この直流電力を更にインバータ装置で可変電圧、可変周波数の交流電力に再変換して誘導電動機を駆動する。
このようなシステムと同様のシステムとしてハイブリッド電気自動車用システムが報告されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１９１５０３号記載の
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載のシステムでは、エンジン発電機出力を直流電力に変換するコンバータ装置の出力側（インバータ装置の入力側）に更にバッテリを接続し、過渡的な電力の変化をバッテリで補うようにしている。
鉄道車両において同様にバッテリを用いる場合、上記電気自動車に対して１０倍程度の電力が必要となるため、複数のバッテリモジュールが必要となり、装置が大型化してしまう。
また、電気自動車では１回の充放電時間が数秒程度であるのに対し、鉄道車両では数１０秒程度必要であり、バッテリにとっては大電流を長時間充放電することが要求される。このため、バッテリの温度が上昇し、電気的性能の変化やバッテリ自体の劣化を招いたり、更にバッテリ内部に引火性材料を用いている場合、安全上の問題も発生する。
【０００５】
本発明の課題は、ハイブリッド型の鉄道車両に適用する大容量のバッテリ装置を小型に実現すると共に、冷却効率及び安全性を向上するに好適なハイブリッド鉄道車両用二次電池装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、エンジンの動力を利用して直流電力を発生する電源装置と、該電源装置から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置と、電源装置の出力と並列に接続され、インバータ装置に対して直流電力を供給する二次電池装置とを備えたハイブリッド鉄道車両において、二次電池装置を２枚のプレートと該プレート間に円筒状の複数の単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線して構成する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、図１を用いて本発明の一実施形態の構成を説明する。
図１において、エンジン１及びエンジン１に軸で直結された発電機２は、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相の交流電力を発生し、コンバータ装置３は、この交流電力を直流電力に変換して出力する。インバータ装置４は、コンバータ装置３から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換し、誘導電動機５に供給する。バッテリ装置６は、コンバータ装置３の出力に並列に接続され、後述のように車両の起動時等に電力を補給する。平滑コンデンサ７は、インバータ装置４の入力に並列に接続され、インバータ入力電圧の変動を抑制する。
一方、制御部１０は、電流検出器９ａで検出したコンバータ出力電流Ｉｓと電圧検出器８で検出した平滑コンデンサ電圧Ｅｃｆ、及び発電機回転周波数Ｆｒｇによりコンバータ制御演算を実行し、コンバータ装置３に対してコンバータＰＷＭ制御信号Ｓｇｃを出力する。
また、制御部１０は、電流検出器９ｂ，９ｃ，９ｄで検出した電動機電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと電圧検出器８で検出した平滑コンデンサ電圧Ｅｃｆ、及び電動機回転周波数（鉄道車両用電動機では通常２Ｈｚ／１回転）Ｆｒｍによりインバータ制御演算を実行し、インバータ装置４に対してインバータＰＷＭ制御信号Ｓｇｉを出力する。
更に、制御部１０は、バッテリ装置６から出力されるバッテリ電流Ｉｂ１〜Ｉｂｎ，バッテリ電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎ，バッテリ温度Ｔｂ１１〜Ｔｂｎｍによりバッテリの稼動状態を判断し、バッテリの充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを出力する。
【０００８】
次に、本実施形態のバッテリ装置６の構成を図２により説明する。
バッテリユニット６１は、バッテリ６９１と、バッテリ６９１に直列に接続された半導体スイッチ素子６３１，６５１と、この半導体スイッチ素子６３１，６５１にそれぞれ並列に接続されたダイオード６４１，６６１と、バッテリ６９１と半導体スイッチ素子６３１，６５１に直列に接続されたスイッチ６１１と、スイッチ６１１に並列に接続された抵抗器６２１と、バッテリ６９１の入出力電流を検出する電流検出器６７１、及び直列接続されたバッテリ６９１の全電圧を検出する電圧検出器６８１で構成される。
バッテリ装置６は、このような複数のバッテリユニット６１〜６ｎを並列接続して構成し、半導体スイッチ素子６３１〜６３ｎ，６５１〜６５ｎをＯＮ／ＯＦＦ制御する充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを入力として、各ユニットのバッテリ電流Ｉｂ〜Ｉｎとバッテリ電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎ及び各バッテリの温度Ｔｂ１〜Ｔｂｎを出力する。
なお、本実施形態において、最初にバッテリ装置６を構築する場合、複数のバッテリユニット６１〜６ｎを下記の手順で並列接続することにより、バッテリ間に流れる電流を抑制し、更にバッテリの劣化防止と作業の安全性を確保することができる。
（１）スイッチ６１１〜６１ｎを開放、半導体スイッチ素子６３１〜６３ｎ，６５１〜６５ｎをオフ。
（２）各ユニットを並列に接続。
（３）半導体スイッチ素子６３１〜６３ｎ，６５１〜６５ｎをオン。
（４）スイッチ６１１〜６１ｎを投入。
【０００９】
以下、本実施形態の動作について説明する。
制御部１０は、バッテリ電流Ｉｂ１〜Ｉｂｎ，バッテリ電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎ，バッテリ温度Ｔｂ１〜Ｔｂｎに基づき、図３及び（数１）に示すような、バッテリ６９１〜６９ｎの充電状態を示す充電率（上限電圧を１００％、下限電圧を０％としたときの割合）ＳＯＣと異常の有無を示すエラー情報ＥＲＲを作成する。
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制御部１０は、この充電率ＳＯＣとエラー情報ＥＲＲに基づき、半導体スイッチ素子６３１〜６３ｎ，６５１〜６５ｎをＯＮ／ＯＦＦ制御する充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを出力する。
また、制御部１０は、電動機電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと平滑コンデンサ電圧Ｅｃｆ及び電動機回転周波数Ｆｒｍに基づいてインバータ装置４を駆動するためのＰＷＭパルス信号Ｓｇｉを出力する。
更に、制御部１０は、コンバータ出力電流Ｉｓと平滑コンデンサ電圧Ｅｃｆ及び発電機回転周波数Ｆｒｇに基づいてコンバータ装置３を駆動するためのＰＷＭパルス信号Ｓｇｃを出力する。
制御部１０は、通常バッテリの充電率ＳＯＣが常に図４の斜線部内になるように半導体スイッチ素子を制御する。ここで、充電率最大値ＳＯＣｍａｘは、バッテリが十分充電された状態であり、図示の充電限界を示す。また、充電率最小値ＳＯＣｍｉｎは、バッテリが十分放電しきった状態であり、図示の放電限界を示す。
例えば、電動機回転周波数Ｆｒｍが０付近の低速域は、回生エネルギーを吸収するよりも力行エネルギーを確保するため、矢印▲１▼に示すように斜線部下限値から放電限界まで放電余力を確保し、電動機回転周波数ＦｒｍがＦｒｍ２以上の高速域は、力行エネルギーを確保するよりも回生エネルギーを吸収するため、矢印▲４▼に示すように斜線部上限値から充電限界までの充電余力を確保する。また、電動機回転周波数ＦｒｍがＦｒｍ１の中速域では、矢印▲２▼に示す放電余力と矢印▲３▼に示す充電余力を速度に応じてバランスよく確保する。
上記のような制御を行うなかで、万が一バッテリの充電率ＳＯＣが充電限界を超えた場合、制御部１０は、該当するバッテリを含むユニットの充電電流を阻止する半導体スイッチ素子をＯＦＦするような充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを出力すると共に、回生運転時にインバータ装置４から出力される回生エネルギーをエンジン１、発電機２及びコンバータ装置３で吸収するように制御する。
また、逆にバッテリの充電率ＳＯＣが放電限界を超えた場合、制御部１０は、該当するバッテリを含むユニットの放電電流を阻止する半導体スイッチ素子をＯＦＦするような充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを出力すると共に、力行運転時に不足する電力を補うため、コンバータ装置３の出力を増加するように制御する。
また、制御部１０は、エラー情報ＥＲＲによりバッテリの異常を検知すると、該当するユニットの半導体スイッチ素子を全てＯＦＦするような充放電制御信号Ｓｂ１〜Ｓｂｎを出力してユニットを切り離すと共に、不足する電力を補うようにエンジン１、発電機２及びコンバータ装置３を制御する。
【００１０】
図５に、本実施形態のバッテリ６９１の構成を示す。
蜂の巣状に穴を設けた２枚の絶縁体プレート６９１１ａ，６９１１ｂを対向して配置し、この間に円筒状の単位バッテリ６９１２１〜６９１２ｎを隣接する単位バッテリが互いに逆極性となるように配置する。更に、蜂の巣状に設けた穴の中心部は図示のように風通し穴６９１３として確保する。
単位バッテリ６９１２１〜６９１２ｎを互いに逆極性に配置し、隣接するものどおしを配線６９１４で接続することにより、左上の単位バッテリ６９１２１から右下の単位バッテリ６９１２ｎまでを最短の配線で直列に接続する。本実施形態では、電圧約７Ｖの単位バッテリを１０８本用いることにより、鉄道車両においても実用レベルの約７５０Ｖの電圧を得る。
【００１１】
図６に、本バッテリ６９１の実装形態を示す。
図示のように、車体２０の床下の車輪２１ａ，２１ｂの間にコンバータ装置３，インバータ装置４とバッテリ６９１を実装し、更にバッテリ６９１はコンバータ装置３，インバータ装置４より車体２０の内側に実装し、これによりバッテリ６９１が走行風を受けやすい配置とする。
以上、本実施形態によれば、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、走行風を有効に利用することにより、冷却効率を向上することができる。
【００１２】
図７は、本発明の他のバッテリ６９１の構成を示す。
本実施形態では、プレート６９１１ｃ，６９１１ｄの風通し穴を無くすると共に、バッテリ固定穴及び配線を絶縁一体化してバッテリホルダ６９１５を構成し、更に、このバッテリホルダ６９１５と各プレート６９１１ｃ，６９１１ｄを一体化した。
このプレート６９１１ｃ，６９１１ｄの間に図５の実施形態と同様、単位バッテリ６９１２１〜６９１２ｎを配置することにより、バッテリ６９１を構成する。
【００１３】
図８に、本発明の他のバッテリ６９１の実装形態を示す。
図５の実施形態と同様に、車体２０の床下の車輪２１ａ，２１ｂの間にコンバータ装置３，インバータ装置４とバッテリ６９１を実装し、更にバッテリ６９１はコンバータ装置３，インバータ装置４より車体２０の内側に実装する。このとき、バッテリ６９１のプレート面を走行方向に対して垂直に配置し、これにより、単位バッテリ６９１２１〜６９１２ｎが直接走行風を受けやすくする。
以上、本実施形態によれば、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、走行風を有効に利用することにより、冷却効率を向上することができる。更に、本実施形態によれば、単位バッテリの電極が絶縁カバーされている上に、配線が不要なため、安全性、作業性が向上する。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、円筒状の複数の単位バッテリを２枚のプレート間に設けることにより、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、冷却効率を向上することができる。
また、隣接する単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線することにより、最短の配線長で大容量のバッテリ装置を構成することができる。
また、全ての単位バッテリが走行風を受けやすい構造及び実装形態としたので、効果的な冷却効率化を図ることができる。
また、バッテリホルダを構成し、このバッテリホルダと各プレートを一体化したので、バッテリ装置の組み立てや車両への実装時の安全性、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図
【図２】本発明のバッテリ装置の構成を示す図
【図３】本発明の充電率及びエラー情報の説明図
【図４】本発明の制御部の運転モードの説明図
【図５】本発明のバッテリの構成図
【図６】図５に示すバッテリの実装形態図
【図７】本発明の他のバッテリの構成図
【図８】図７に示す他のバッテリの実装形態図
【符号の説明】
１…エンジン、２…発電機、３…コンバータ装置、４…インバータ装置、５…誘導電動機、６…バッテリ装置、７…平滑コンデンサ、８…電圧検出器、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…電流検出器、１０…制御部、６９１…バッテリ、６９１２１〜６９１２ｎ…単位バッテリ、６９１１ａ〜６９１１ｄ…プレート、６９１４…配線、６９１５…バッテリホルダ、Ｉｂ１〜Ｉｂｎ…バッテリ電流、Ｖｂ１〜Ｖｂｎ…バッテリ電圧、Ｔｂ１１〜Ｔｂｎｍ…バッテリ温度、Ｓｂ１〜Ｓｂｎ…半導体スイッチ素子ＯＮ／ＯＦＦ信号、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ…誘導電動機の相電流、Ｓｇｃ…コンバータＰＷＭ制御信号、Ｓｇｉ…インバータＰＷＭ制御信号、Ｅｃｆ…平滑コンデンサ電圧、Ｉｓ…コンバータ出力電流、Ｆｒｍ…電動機回転周波数、Ｆｒｇ…発電機回転周波数
【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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