(57)【要約】【課題】  車両全体の軽量化及び低コスト化が図れるとともに、少ない充電回数で長距離走行が可能になり、また電磁ノイズの発生も低減することができる電池駆動車両を提供する。【解決手段】  本発明の電池駆動車両は、車両走行用電動機４の駆動用電力源としてニッケル水素電池２を搭載し、ニッケル水素電池２が充放電制御装置を介さずに車両走行用電動機４に接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両走行用電動機の駆動用電力源としてニッケル水素電池を搭載し、前記ニッケル水素電池が充放電制御装置を介さずに前記車両走行用電動機に接続された電池駆動車両。
【請求項２】
前記ニッケル水素電池が可変電圧可変周波数制御インバータを介して前記車両走行用電動機に接続された、請求項１に記載の電池駆動車両。
【請求項３】
前記ニッケル水素電池が前記車両走行用電動機以外の負荷に充放電制御装置を介さずに接続された、請求項１に記載の電池駆動車両。
【請求項４】
前記ニッケル水素電池が定電圧定周波数制御インバータを介して前記負荷に接続された、請求項３に記載の電池駆動車両。
【請求項５】
前記可変電圧可変周波数制御インバータは、その入力電圧の許容範囲が公称電圧を前記許容範囲の中央値とするように構成された、請求項２に記載の電池駆動車両。
【請求項６】
前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、
前記電池モジュールは、
対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体との間に、電解質溶液が充填されるとともに、正極活物質を含有する正極シートと負極活物質を含有する負極シートとが交互に組み込まれるように、前記正極集電体から前記負極集電体に向けて複数枚の前記正極シートを配するとともに前記負極集電体から前記正極集電体に向けて複数枚の前記負極シートを配し、且つ前記各正極シートと各負極シートとの間にセパレータを介在させてなる構造を有する単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように複数積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項１〜５のいずれかに記載の電池駆動車両。
【請求項７】
前記伝熱媒体の流通経路として通流孔を有する導電性の伝熱板を、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接するように挿入した、請求項６に記載の電池駆動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を車両走行用の駆動用電力源として用いる電池駆動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道の電化区間を走行する電気車両において、二次電池が搭載されて、非電化区間をも走行できるようにした構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような電気車両では、車両を駆動する交流電動機と、この交流電動機を可変速駆動するインバータと、このインバータの直流側に接続された昇降圧チョッパ式のＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続された二次電池とが備えられている。
【０００４】
この場合、二次電池の定格電圧は、電気車両に搭載可能な体積に制約があるため、インバータの定格直流電圧（例えば１５００Ｖ）よりも低い電圧（例えば２００Ｖ）になっている。そのため、インバータと二次電池との間に昇降圧チョッパ式のＤＣ／ＤＣコンバータを設け、このＤＣ／ＤＣコンバータによって、電気車両の加速時には二次電池の電圧をインバータの定格電圧まで昇圧してインバータへ給電し、また、減速時には交流電動機に発生する回生エネルギーをインバータから二次電池へ回収するために、インバータ電圧を二次電池の定格電圧まで降圧するようにしている。
【０００５】
また、特許文献２には、電気車両の運行に使用する電気を蓄積する蓄電装置としてリチウムイオン電池を電気車両に搭載し、蓄電装置の電力をインバータ／コンバータを介して走行用モータへ供給するようにした構成が示されている。この場合、インバータ／コンバータは、蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換して走行用モータへ供給し、また回生時には走行用モータからの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置へ出力する。
【特許文献１】特開２００１−３５２６０７号公報
【特許文献２】特開２００６−５４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の構成では、二次電池とインバータとの間にＤＣ／ＤＣコンバータ等の二次電池の充放電制御装置が必要であるが、このような充放電制御装置は重量が重いため、車両の重量も重くなる。そのため、二次電池による長距離走行が困難である。また、充放電制御装置が非常に高価であり、車両の製造コストが高くなってしまう。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電磁ノイズが発生するため、その電磁ノイズにより鉄道信号が影響を受けると車両運行に支障をきたすことになり、その対策も必要となる。また、昇降圧チョッパ式のＤＣ／ＤＣコンバータには動作遅れがあり、応答性がよくないため、急峻な立ち上がりの回生電力と力行電力を効率よく充放電することが困難である。
【０００７】
また、特許文献２に記載の構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータは用いていないが、蓄電装置としてリチウムイオン電池を用いている。そして、このリチウムイオン電池の負担を軽減するために、充電設備のある駅等で充電を行う際に、車両運行中におけるＳＯＣ（state of charge）の増減が最適なＳＯＣの±１０％という狭い範囲内となるように充電量を設定するようにしている。これは、リチウムイオン電池がＳＯＣの増減を±１０％以内の狭い範囲で限定使用しないと、充放電によって極端に寿命が短くなるためである。次の充電ポストまでのＳＯＣの増減ができるだけ小さくなり、走行路線の状態による電池使用量を最小限とするよう細かく充電制御を行うことが提案されている。また、リチウムイオン電池が、ＳＯＣの変動に対する電池電圧の変動が大きいためである。また、リチウムイオン電池は、ＳＯＣの変動に対する電池電圧の変動が大きいため、電池電圧の変動がリチウムイオン電池に接続されるインバータ／コンバータの許容電圧範囲内となるようにするためにも、上記のようにＳＯＣの増減が最適なＳＯＣを含む狭い範囲内となるように設定する必要がある。
【０００８】
このリチウムイオン電池を用いた場合、車両運行による電池電圧の変動をインバータ／コンバータの許容電圧範囲内とするためには高容量のリチウムイオン電池を搭載する必要があり、リチウムイオン電池が大型化して重量が大きくなり、車両の総重量も大きくなる。また、さらに、充電設備による充電回数を少なくして長距離走行を行うためには、非常に高容量のリチウムイオン電池を搭載する必要があるが、限られた車両スペース内にそのようなリチウムイオン電池を搭載することは困難である。また、仮に搭載できたとしても車両の総重量が非常に大きくなり、充電設備による充電回数を少なくして長距離走行を行うことは困難である。そのため、長距離走行を行うためには頻繁に充電を行う必要があり、多くの地点に充電設備が必要となる。
【０００９】
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、車両全体の軽量化及び低コスト化が図れるとともに、少ない充電回数で長距離走行が可能になり、また電磁ノイズの発生も低減することができる電池駆動車両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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電池駆動車両は、車両走行用電動機の駆動用電力源としてニッケル水素電池を搭載し、前記ニッケル水素電池が充放電制御装置を介さずに前記車両走行用電動機に接続されている。
【００１１】
この構成によれば、車両走行用電動機の駆動用電力源としてニッケル水素電池を用いている。ニッケル水素電池は、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、充放電制御装置を車載し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、充放電制御装置を用いないため電磁ノイズの発生を低減することができる。また、ニッケル水素電池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。また、ニッケル水素電池は急速充放電特性に優れている。また、ニッケル水素電池は、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、車両の加速時に車両走行用電動機に瞬間的に大電流が必要となりニッケル水素電池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、車両の減速時に車両走行用電動機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が充電されても電池電圧の上昇を抑えることができる。
【００１２】
また、前記ニッケル水素電池が可変電圧可変周波数制御インバータを介して前記車両走行用電動機に接続されていてもよい。この場合、車両走行用電動機は交流電動機である。
【００１３】
また、前記ニッケル水素電池が前記車両走行用電動機以外の負荷に充放電制御装置を介さずに接続されていてもよい。
【００１４】
また、前記ニッケル水素電池が定電圧定周波数制御インバータを介して前記負荷に接続されていてもよい。
【００１５】
また、前記可変電圧可変周波数制御インバータは、その入力電圧の許容範囲が公称電圧を前記許容範囲の中央値とするように構成されていてもよい。
【００１６】
鉄道の従来の電気車両には、６００Ｖ、７５０Ｖ、１５００Ｖ等の６００Ｖ以上の公称電圧（定格入力電圧）を有する可変電圧可変周波数制御インバータが用いられているものがあるが、このような６００Ｖ以上の公称電圧（定格入力電圧）を有する可変電圧可変周波数制御インバータであっても、小型で高容量化が図れるニッケル水素電池であれば、多数の単位電池を直列接続するように積層することによって電圧を高めることが可能なため、車両に搭載して接続することができる。
【００１７】
また、前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、前記電池モジュールは、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体との間に、電解質溶液が充填されるとともに、正極活物質を含有する正極シートと負極活物質を含有する負極シートとが交互に組み込まれるように、前記正極集電体から前記負極集電体に向けて複数枚の前記正極シートを配するとともに前記負極集電体から前記正極集電体に向けて複数枚の前記負極シートを配し、且つ前記各正極シートと各負極シートとの間にセパレータを介在させてなる構造を有する単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように複数積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に伝熱媒体の流通経路が設けられていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、互いに隣り合う単位電池の間に伝熱媒体の流通経路が設けられているため、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、正極シート及び負極シートが電極板となり、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。
【００１９】
また、前記伝熱媒体の流通経路として通流孔を有する導電性の伝熱板を、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接するように挿入してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、以上に説明した構成を有し、車両の総重量の軽量化及び低コスト化が図れるとともに、少ない充電回数で長距離走行が可能になり、また電磁ノイズの発生も抑制することができる電池駆動車両を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態の電池駆動車両の一例を示す概略構成図である。
【００２３】
図１（ａ）に示す電池駆動車両１は、非電化区間のみを走行する電気車両であり、図１（ｂ）に示す電池駆動車両１は、非電化区間と電化区間の両方を走行する電気車両である。これらの電池駆動車両１は、敷設された線路（軌道）２２上を走行する電気車両である。
【００２４】
まず、図１（ａ）に示す電池駆動車両１について説明する。
【００２５】
この電池駆動車両１は、駆動用電力源としてニッケル水素電池２を搭載している。ニッケル水素電池２の正極側外部端子には、高速度遮断器７と電磁接触器８とフィルタリアクトル９とを介して可変電圧可変周波数制御インバータ３（以下、「インバータ３」と略記する）の正側入力端子が接続され、インバータ３の負側入力端子にはニッケル水素電池２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９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１０が、インバータ３と並列に接続されている。インバータ３の出力端子には、車輪１５を駆動するための車両走行用の誘導電動機４が接続されている。
【００２６】
さらに、ニッケル水素電池２の正極側外部端子には、高速度遮断器７ａと電磁接触器１１とフィルタリアクトル１２とを介して定電圧定周波数制御インバータ５（以下、「インバータ５」と略記する）の正側入力端子が接続され、インバータ５の負側入力端子にはニッケル水素電池２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１２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１３が、インバータ５と並列に接続されている。インバータ５の出力端子には、負荷６が接続されている。この負荷６は、空調装置、車内照明装置、ブレーキ用コンプレッサ等の補機であり、インバータ５は補機に電力を供給する補助電源装置である。
【００２７】
制御装置１７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、誘導電動機４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３、５、高速度遮断器７，７ａ及び電磁接触器８，１１を制御する。
【００２８】
電磁接触器８，１１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７，７ａは過電流を遮断するための保護回路である。
【００２９】
また、ニッケル水素電池２の正極側外部端子はパンタグラフ１４に接続され、負極側外部端子は車輪１５に接続されており、後述の充電ステーションにて充電ポスト２１ａから、パンタグラフ１４及び車輪１５を介して直流電力が供給されることにより、ニッケル水素電池２の充電が行われる。
【００３０】
ニッケル水素電池２からの直流電力はインバータ３に供給され、インバータ３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、誘導電動機４へ出力する。誘導電動機４は、インバータ３から供給された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２からの直流電力はインバータ５に供給され、インバータ５は、供給された直流電力を定電圧、定周波数の３相交流電力に変換し、負荷６へ出力する。
【００３２】
また、電池駆動車両１の減速時には、誘導電動機４が発電機として使用され、インバータ３はコンバータ運転されて誘導電動機４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２へ出力する。このときニッケル水素電池２が充電される。
【００３３】
ニッケル水素電池２は、インバータ３，５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３からの回生電力で充電を行う。
【００３４】
ニッケル水素電池２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３，５に接続されている。上記充放電制御装置とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）である。
【００３５】
図２は、充電ステーションの一例を示す図である。この図２の例では、Ａ駅及びＢ駅が充電ステーションであり、充電ステーションには、ニッケル水素電池２を充電するための充電設備が備えられている。
【００３６】
この場合、電池駆動車両１は非電化区間の線路２２上を走行し、Ａ駅及びＢ駅の充電ステーション以外では、パンタグラフ１４を降ろして走行し、充電ステーションにて、パンタグラフ１４を上昇させて充電ポスト２１ａに接触させ、ニッケル水素電池２の充電が行われる。充電ポスト２１ａは充電ステーションにのみ設けられている。なお、この例では、パンタグラフ１４を昇降するように構成されているが、パンタグラフ１４が充電ポスト２１ａに対し弾性付勢される突放方式等、他の方式の構成であってもよい。
【００３７】
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ充電ステーションに備えられた充電設備の一例を示す図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、制御装置１７の図示を省略している。
【００３８】
図３（ａ）の充電ステーションでは、三相交流電力を入力とし、正側出力端子が充電ポスト２１ａに接続され、負側出力端子が線路２２に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ２３が設置されている。この充電ステーションに電池駆動車両１が進入すると、ニッケル水素電池２の正極側外部端子がパンタグラフ１４及び充電ポスト２１ａを介してＡＣ／ＤＣコンバータ２３の正側出力端子と電気的に接続され、ニッケル水素電池２の負極側外部端子が車輪１５及び線路２２を介してＡＣ／ＤＣコンバータ２３の負側出力端子と電気的に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３に入力される三相交流電力は所定電圧の直流電力に変換されて出力され、ニッケル水素電池２が充電される。
【００３９】
図３（ａ）に示すＡＣ／ＤＣコンバータ２３は交流電力を直流電力に変換するのみならず、ニッケル水素電池２を充電するのに必要な機能を併せもつ。例えば、充電初期においては定電流で充電を行うことにより、急速な充電を可能とし、充電末期においては定電圧で充電を行うことにより、電池の寿命を短くすることがなく、安全にかつ効率よく充電する。かかる機能はＡＣ／ＤＣコンバータ２３に兼ね備えさせてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３とは別に充電装置（図示せず）を設けてもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ２３ないしは充電装置を車載する必要がないことが本発明の特徴の１つである。
【００４０】
また、図３（ｂ）の充電ステーションでは、単相交流電力を入力とし、正側出力端子が充電ポスト２１ａに接続され、負側出力端子が線路２２に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ２４が設置されている。この充電ステーションに電池駆動車両１が進入すると、図３（ａ）の場合同様、ニッケル水素電池２の正極側外部端子がＡＣ／ＤＣコンバータ２４の正側出力端子と電気的に接続され、ニッケル水素電池２の負極側外部端子がＡＣ／ＤＣコンバータ２４の負側出力端子と電気的に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４に入力される単相交流電力は所定電圧の直流電力に変換されて出力され、ニッケル水素電池２が充電される。
【００４１】
図３（ｂ）に示すＡＣ／ＤＣコンバータ２４は交流電力を直流電力に変換するのみならず、ニッケル水素電池２を充電するのに必要な機能を併せもつ。例えば、充電初期においては定電流で充電を行うことにより、急速な充電を可能とし、充電末期においては定電圧で充電を行うことにより、電池の寿命を短くすることがなく、安全にかつ効率よく充電する。かかる機能はＡＣ／ＤＣコンバータ２４に兼ね備えさせてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４とは別に充電装置（図示せず）を設けてもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ２４ないしは充電装置を車載する必要がないことが本発明の特徴の１つである。
【００４２】
また、図３（ｃ）の充電ステーションでは、直流電力を入力とし、正側出力端子が充電ポスト２１ａに接続され、負側出力端子が線路２２に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２５が設置されている。この充電ステーションに電池駆動車両１が進入すると、図３（ａ）の場合同様、ニッケル水素電池２の正極側外部端子がＤＣ／ＤＣコンバータ２５の正側出力端子と電気的に接続され、ニッケル水素電池２の負極側外部端子がＤＣ／ＤＣコンバータ２５の負側出力端子と電気的に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５に入力される直流電力は所定電圧の直流電力に変換されて出力され、ニッケル水素電池２が充電される。
【００４３】
図３（ｃ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、入力される直流電力を所定電圧の直流電力に変換するのみならず、ニッケル水素電池２を充電するのに必要な機能を併せもつ。例えば、充電初期においては定電流で充電を行うことにより、急速な充電を可能とし、充電末期においては定電圧で充電を行うことにより、電池の寿命を短くすることがなく、安全にかつ効率よく充電する。かかる機能はＤＣ／ＤＣコンバータ２５に兼ね備えさせてもよいし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５とは別に充電装置（図示せず）を設けてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５ないしは充電装置を車載する必要がないことが本発明の特徴の１つである。
【００４４】
なお、充電ポスト２１ａとパンタグラフ１４に代えて、第三軌条方式による第三軌条と集電靴とを用いてもよい。この場合、充電ステーションには、充電ポスト２１ａに代えて第三軌条が設けられ、電池駆動車両１には、パンタグラフ１４に代えて、第三軌条と接触する集電靴が設けられる。要するに、充電ステーションにおいて、ニッケル水素電池２の正極側外部端子及び負極側外部端子が、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４またはＤＣ／ＤＣコンバータ２５の一対の出力端子に電気的に接続されればよく、その接続及び切り離しが容易に行えることが好ましい。
【００４５】
また、図１（ｂ）に示すように、ニッケル水素電池２の正極側外部端子とパンタグラフ１４との間に電磁接触器８ａを接続すれば、この電池駆動車両１は、区間の全域に給電線として電車線２１が設けられている電化区間を走行することができる。電化区間を走行中は前記電磁接触器８ａを開状態にして、パンタグラフ１４からニッケル水素電池２を遮断する。
【００４６】
なお、図１（ａ）、（ｂ）では、電池駆動車両１に用いられる車両として、鉄道車両を例示しているが、路面電車、ＬＲＶ（超低床路面電車）、トロリーバス、その他人を運ぶ手段であればよく、好ましくは鉄道車両であるが、これに限定されない。
【００４７】
ニッケル水素電池２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。
【００４８】
例えば、インバータ３，５の定格入力電圧が６００Ｖの場合には、単位電池を３０個直列接続して構成される電池モジュールを、１６個直列接続して１つのユニットを構成し、この１つのユニットでニッケル水素電池２を構成してもよいし、複数のユニットを並列接続してニッケル水素電池２を構成してもよい。また、インバータ３，５の定格入力電圧が７５０Ｖの場合には、単位電池を３０個直列接続して構成される電池モジュールを、２０個直列接続して１つのユニットを構成し、この１つのユニットでニッケル水素電池２を構成してもよいし、複数のユニットを並列接続してニッケル水素電池２を構成してもよい。また、インバータ３，５の定格入力電圧が１５００Ｖの場合には、単位電池を３０個直列接続して構成される電池モジュールを、４０個直列接続して１つのユニットを構成し、この１つのユニットでニッケル水素電池２を構成してもよいし、複数のユニットを並列接続してニッケル水素電池２を構成してもよい。
【００４９】
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。
【００５０】
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に小さくできる。
【００５１】
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、ｄＶ1／Ｖ1＝ｄＶ2／Ｖ2＝ｄＶ3／Ｖ3とする。
【００５２】
したがって、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど、例えばＳＯＣが４０〜６０パーセントのときの電池電圧が、インバータ３，５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２を、図１のようにインバータ３，５に接続した場合、ニッケル水素電池２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ので、電池容量を有効に利用することができる。
【００５３】
インバータ３，５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。
【００５４】
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。
【００５５】
二次電池を充放電制御装置を介さずにインバータ３，５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３，５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３，５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。
【００５６】
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に対する電圧変化の傾斜が大きいので、インバータ３，５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３、５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。
【００５７】
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。
【００５８】
車両に二次電池を搭載するスペースは限られているため、小型化できるニッケル水素電池２を用いることはより有利である。
【００５９】
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３，５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、実用的ではない。
【００６０】
そのため、他の種類の二次電池を用いた場合には、従来、高価でかつ重い充放電制御装置であるＤＣ/ＤＣコンバータを用いて、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ようにしている。
【００６１】
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。
【００６２】
例えば、ニッケル水素電池２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ので、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。
【００６３】
例えば、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３，５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。
【００６４】
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ため、ニッケル水素電池２に代えて鉛蓄電池を用いるのは適していない。
【００６５】
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。
【００６６】
以上に述べたように、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ニッケル水素電池２を用いているため、充放電制御装置を介さずにニッケル水素電池２をインバータ３，５に接続した構成とし、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。
【００６７】
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２を用いており、ニッケル水素電池２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、充放電制御装置を用いないため電磁ノイズの発生を低減することができる。また、ニッケル水素電池２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２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２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。
【００６８】
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２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、車両の加速時に誘導電動機４に瞬間的に大電流が必要となりニッケル水素電池２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、車両の減速時に誘導電動機４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２が充電されても電池電圧の上昇を抑えることができる。
【００６９】
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２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２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。
【００７０】
また、ニッケル水素電池２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。
【００７１】
また、本実施の形態では、車両走行用電動機として誘導電動機４を用いたが、直流電動機を用いてもよい。この場合、インバータ３及び誘導電動機４に代えて、直流電動機を接続すればよい。
【００７２】
次に、本実施の形態に用いるニッケル水素電池２を構成する電池モジュールの構成例について述べる。
【００７３】
〔電池モジュールの一構成例〕
図５は、図６に示す一構成例の電池モジュールにおいて、強制冷却を行うファンと風洞（空気流通空間）により冷却を行う構成を示した斜視図である。電池モジュール８１は下部に空気が流通する空気流通空間８２を備えており、吸気ファン８３ａと８３ｂによって吸い込まれた空気は空気流通空間８２から電池モジュール８１内の伝熱空間を経て上部の空気流通空間８４を経て外部に放出される。これにより電池モジュール８１を冷却し、電池の発熱を抑えることができる。図５における矢印は空気の流れる方向を示す。
【００７４】
図６は、一構成例の電池モジュールの横断面図である。図７は、図６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。図８は、図６の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す図であり、図６に示される絶縁板１０７，１０８は省略している。図９は、図６の電池モジュール内における熱の伝達方向を示す図である。
【００７５】
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、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を配置し、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を配置し、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、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。
【００７６】
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７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。
【００７７】
図６に示すように、単位電池の電流を通す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と接触しているため、図８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図９の矢印で示す方向に沿って効率的に伝達されて外部に放出されるので、電池モジュール８１の温度を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することができる。
【００７８】
１０５は統括正極集電体、１０６は統括負極集電体、１０７と１０８は絶縁板である。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。
【００７９】
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、ニッケル箔を単独また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、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。
【００８０】
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８３ｂによって吸い込んだ空気を通流孔９７を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、ニッケルメッキを施すことにより接触抵抗を低下させることができるので、伝熱板９６としてさらに好ましい。
【００８１】
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。
【００８２】
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。この多孔質伝熱板では、多孔質とすることで、伝熱面積を増やし、伝熱部材としての役割を果たし、電池反応により発生した熱を放散し、電池の劣化を抑えることができる。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。すなわち、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が促進されるので好ましいことではないが、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冷却を行う構造の場合、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。
【００８３】
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なことが多い。本構成例のように、電池が複数の単位電池を積層した構造である場合、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。
【００８４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係る電池駆動車両は、鉄道用の電池駆動車両等として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態の電池駆動車両の一例を示す概略構成図である。
【図２】充電ステーションの一例を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ充電ステーションに備えられた充電設備の一例を示す図である。
【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】一構成例の電池モジュールにおいて、強制冷却を行うファンと風洞により冷却を行う構成を示した斜視図である。
【図６】一構成例の電池モジュールの横断面図である。
【図７】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８】一構成例の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す図である。
【図９】一構成例の電池モジュール内における熱の伝達方向を示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１    電池駆動車両
２    ニッケル水素電池
３    可変電圧可変周波数制御インバータ
４    誘導電動機
５    定電圧定周波数制御インバータ
６    負荷
７    高速度遮断器
７ａ  高速度遮断器
８    電磁接触器
８ａ  電磁接触器
９    フィルタリアクトル
１０  フィルタコンデンサ
１１  電磁接触器
１２  フィルタリアクトル
１３  フィルタコンデンサ
１４  パンタグラフ
１５  車輪
２１  電車線
２１ａ  充電ポスト
２２  線路
２３  ＡＣ／ＤＣコンバータ
２４  ＡＣ／ＤＣコンバータ
２５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
８１  電池モジュール
８２  空気流通空間
８３ａ  吸気ファン
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】
2009284690.tif 000003
【図２】
2009284690.tif 000004
【図３】
2009284690.tif 000005
【図４】
2009284690.tif 000006
【図５】
2009284690.tif 000007
【図６】
2009284690.tif 000008
【図７】
2009284690.tif 000009
【図８】
2009284690.tif 000010
【図９】
2009284690.tif 000011