СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
ELECTRIC SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIC RAILWAY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе электроснабжения электрической железной дороги, предназначенной для подачи электроэнергии в линии электропередачи электрической железной дороги.
Уровень техники
Обычно подстанция для электрической железной дороги преобразует электроэнергию переменного тока, подаваемого компанией-производителем электроэнергии, или электроэнергию переменного тока, подаваемую из электростанции, принадлежащей компании электрической железной дороги, в электроэнергию постоянного тока и подает ее в линии питания. Энергия постоянного тока, подаваемая в линии питания, проходит по воздушным линиям электропередачи и поступает в электрические транспортные средства через пантографы. Или энергию постоянного тока подают из линии питания в электрические транспортные средства через контактный рельс. Электрическое транспортное средство подает переданную электроэнергию в тяговый двигатель (электродвигатель вращения или линейный двигатель), используя устройство управления электроэнергией, установленное в транспортном средстве, и электроэнергию преобразуют в энергию тяги, которая приводит в движение транспортное средство.
Количество энергии, потребляемое электрическим транспортным средством, изменяется в зависимости от состояния движения транспортного средства. В частности, электрическое транспортное средство потребляет большое количество электроэнергии в течение короткого времени во время ускорения. В результате напряжение в линии электропередачи или в контактном рельсе и, кроме того, напряжение в линии питания временно понижается. В таких случаях железнодорожные технические средства, которые обслуживают электрические транспортные средства, имеющие регенеративную функцию, используют во время замедления вращающийся двигатель или линейный двигатель для тяги как генератор и преобразуют кинетическую энергию электрического транспортного средства в электроэнергию для восстановления электроэнергии. Восстановленную электроэнергию обычно используют для компенсации временного падения напряжения электроснабжения.
Патентный документ 1: JP 2000-341874 А
Патентный документ 2: JP 2001-260719 А
Патентный документ 3: JP 2002-2334 А
Раскрытие изобретения
Техническая задача
Восстановленную электроэнергию, генерируемую двигателями во время замедления электрического транспортного средства, имеющего регенеративную функцию, передают по силовой линии или по контактному рельсу в линию питания, используя устройство управления электроэнергией электрического транспортного средства. В это время в случае, если присутствует любое другое электрическое транспортное средство, получающее электроснабжение на железнодорожном пути, восстановленная энергия потребляется этим электрическим транспортным средством. Однако если на железнодорожном пути отсутствует ускоряющееся электрическое транспортное средство, восстановленную электроэнергию используют для временного повышения напряжения в силовой линии или на контактном рельсе от электрической сети электрического транспортного средства. В это время не возникает проблема, когда повышение напряжения мало, но если повышение напряжения велико, могут возникнуть неполадки в работе оборудования электроснабжения электрического транспортного средства или другого электрического оборудования, установленного на железнодорожных объектах. В частности, если повышенное напряжение превышает предельное напряжение электрического оборудования, может произойти повреждение этого оборудования.
Для решения этой проблемы устройство управления электроснабжением электрического транспортного средства выполняет управление для предотвращения превышения определенного напряжение из-за регенерируемой энергии, то есть для ограничения регенерации. Кроме того, если напряжение силовой линии или в линии чрезвычайно высокое, устройство управления электроснабжением выполняет управление для прекращения регенерации электроэнергии. В результате происходит отказ от регенерации. Однако в случае ограничения или прекращения регенерации электрические транспортные средства используют механические тормоза для требуемого снижения скорости и кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая расточительно теряется. В это же время происходит износ тормозных колодок и повышается стоимость технического обслуживания.
В соответствии с этим для предотвращения отказа от регенерации было предложено использовать прерыватель для преобразования восстановленной электроэнергии в тепловую энергию с использованием резисторов. Также было предложено устанавливать обратный преобразователь, выполненный с возможностью преобразования регенерируемой энергии в энергию переменного тока на подстанции и преобразования регенерируемой энергии в энергию переменного тока коммерческой частоты, для возврата в систему электроснабжения от подстанции, или для использования в оборудовании железнодорожной станции.
В патентном документе 1 раскрыто устройство заряда-разряда для электрической железной дороги, имеющее свинцовую аккумуляторную батарею, подключенную к питающей сети, используемую для сглаживания нагрузки электроснабжения.
Кроме того, в патентных документах 2 и 3 раскрыта система электроснабжения электрической железной дороги (оборудование источника питания), установленная на подстанции, в которой устройство-накопитель электроэнергии, имеющее вторичную батарею или вторичный конденсатор с двойным слоем, подключено к питающей сети с использованием устройства управления зарядом-разрядом, такого как повышающий и понижающий прерыватель.
Однако при таком способе использования прерывателя для преобразования регенерируемой энергии в тепловую энергию с использованием резисторов регенерируемая энергия расточительно теряется. Действительно, в способе возврата регенерируемой энергии в систему электроснабжения или ее использования оборудованием, установленным на станции, применяя обратный преобразователь, установленный на подстанции, регенерируемую энергию эффективно используют, но требуется дорогостоящий обратный преобразователь, и, таким образом, повышаются капитальные затраты.
Свинцовая аккумуляторная батарея, раскрытая в патентном документе 1, однако не пригодна для использования в системах электроснабжения электрической железной дороги. Причина этого состоит в следующем. Электрическое транспортное средство потребляет большое количество электроэнергии в начальный период его ускорения, в то время как электрическое транспортное средство, имеющее регенеративную функцию, генерирует большое количество регенерируемой энергии в начальный период своего замедления. Поэтому накопительная батарея, которая должна быть подключена к системе электроснабжения, должна иметь достаточную емкость заряда и разряда, чтобы справиться с быстрыми флуктуациями нагрузки. Однако свинцовая аккумуляторная батарея не имеет такой достаточной емкости заряда и разряда, чтобы справиться с быстрыми флуктуациями нагрузки. В соответствии с этим при использовании свинцовой аккумуляторной батареи для хранения регенерируемой энергии требуется использовать множество свинцовых аккумуляторных батарей. Таким образом, требуется значительная площадь для их установки.
Устройство управления зарядом-разрядом, используемое в системе электроснабжения электрической железной дороги (объект источника питания), раскрытое в патентных документах 2 и 3, является очень дорогостоящим. Кроме того, поскольку устройство управления зарядом-разрядом обладает плохим откликом, резкое увеличение регенерируемой мощности не может быть эффективно сохранено (преобразовано в заряд). Кроме того, повышающий и понижающий прерыватель, используемый как устройство управления зарядом-разрядом, может генерировать гармонический шум, который может создавать помехи для сигнального устройства. Более того, если мощность, подаваемая в линию питания из подстанции для напряжения электрической железной дороги, будет иметь флуктуации из-за вариаций принимаемого напряжения, подаваемого от компании электроснабжения, невозможно гарантировать нормальную работу устройства управления зарядом-разрядом.
Кроме того, линия питания, имеющая собственное сопротивление, создает значительное падение напряжения по мере увеличения расстояния от подстанции для электрической железной дороги. Поэтому, когда электрическое транспортное средство, расположенное на удалении от подстанции электрической железной дороги, ускоряется, на работу транспортного средства может влиять падение напряжения.
Также во время регенерации электроэнергии электрическим транспортным средством в местоположении, удаленном от подстанции электрической железной дороги, напряжение в линии может внезапно подняться из-за электроэнергии, восстановленной замедляющимся транспортным средством, и может возникнуть ограничение регенерации или отказ регенерации.
Настоящее изобретение разработано для решения упомянутых выше задач, и, следовательно, его целью является представить систему снабжения энергией электрической железной дороги, которая обладала бы отличными характеристиками, обеспечивающими емкость для быстрого заряда и разряда с малыми затратами, для которой не требуется много места для установки. Также цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить систему электроснабжения электрической железной дороги, позволяющую поддерживать стабильные рабочие характеристики электрического транспортного средства даже в местоположении, удаленном от подстанции, без расточительной потери динамической энергии, из-за отказа регенерации или тому подобное.
Техническое решение
Для достижения этих целей система электроснабжения электрической железной дороги, имеющая никель-гидридную батарею в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя никель-гидридную батарею, используемую как источник электроснабжения постоянного тока, установленную на подстанции электрической железной дороги, имеющей трансформатор для приема электроэнергии из электросети переменного тока, устройство выпрямления, подключенное к трансформатору, и линию питания, подключенную к устройству выпрямления, непосредственно к которой подключена никель-гидридная батарея, соединенная с линиями питания. Здесь "непосредственно подключена" означает, что она подключена прямо, без использования устройства управления зарядом-разрядом.
В настоящем изобретении, предпочтительно, используется никель-гидридная батарея. Никель-гидридная батарея имеет малое внутреннее сопротивление, обладает небольшими вариациями напряжения из-за вариации SOC (состояние заряда) и обладает высокой емкостью, следовательно, может быть подключена непосредственно к линии питания, используя батарею с малой емкостью по сравнению с другими вторичными батареями, и не требует значительного места для установки. Кроме того, никель-гидридная батарея обладает малыми вариациями напряжения, и для нее не требуется устройство управления зарядом-разрядом, и при этом не нужно выделять место для установки устройства управления зарядом-разрядом. Поскольку дорогостоящее устройство управления зарядом-разрядом не используется, общая стоимость оборудования является низкой. Кроме того, поскольку никель-гидридная батарея обладает высокой объемной плотностью энергии, для ее установки не требуется много места. Кроме того, никель-гидридная батарея, в отличие от устройства управления зарядом-разрядом, не обладает задержками при работе и имеет отличные характеристики быстрого заряда-разряда. Кроме того, если исключить повышающий и понижающий прерыватель, используемый как устройство управления зарядом-разрядом, отсутствует риск возникновения гармонического шума, который может создавать помехи для сигнального устройства. Никель-гидридная батарея имеет малое внутреннее сопротивление и имеет малые вариации напряжения из-за вариации SOC, и в большей степени, чем другие батареи, пригодна для предотвращения падения напряжения путем разряда никель-гидридной батареи, если большой ток требуется в течение очень короткого времени во время ускорения электрического транспортного средства. В случае режима регенерации электрического транспортного средства, когда генерируется большой ток за чрезвычайно короткое время, никель-гидридная батарея в большей степени, чем другие батареи, пригодна для подавления повышения напряжения благодаря заряду. Поэтому напряжение в линии питания загрузочного устройства может быть стабилизировано, что способствует эффективности работы электрического транспортного средства.
Предпочтительно, никель-гидридная батарея включает в себя, по меньшей мере, один модуль батареи. Предпочтительно, модуль батареи построен таким образом, что между парой противоположных пластин коллекторов тока расположено множество элементов батареи, имеющих положительные электроды и отрицательные электроды, разделенные с помощью перегородок, которые встроены как слои так, что положительный электрод одного из соседних элементов батареи и отрицательный электрод другого из соседних элементов батареи расположены противоположно друг другу между соседними элементами батареи, при этом предусмотрена общая пластина коллектора тока, используемая как разделительная стенка между положительным электродом одного элемента батареи и отрицательным электродом другого элемента батареи, и общий коллектор тока имеет канал для пропускания теплопередающей среды, которая является газообразной или жидкой.
В соответствии с такой конфигурацией можно эффективно подавлять генерирование тепла никель-гидридной батареи, что позволяет предотвратить ухудшение характеристик батареи и продлить срок службы батареи. Кроме того, в результате формирования модуля батареи, благодаря построению многослойных элементов батареи, как описано выше, эквивалентное внутреннее сопротивление модуля батареи можно сделать намного меньшим. Благодаря изготовлению никель-гидридной батареи, используя модули батареи, составленные путем укладки многослойных элементов батареи, дополнительно уменьшается размер, и можно сэкономить место для установки.
Общий коллектор тока может быть изготовлен из пористой металлической пластины.
Общий коллектор тока может быть изготовлен из металлической пластины, в которой предусмотрено множество проходных отверстий, используемых как проходной канал для носителя передачи тепла. Когда в качестве металлической пластины используют алюминиевую пластину, улучшается теплопроводность и реализуется превосходная теплопроводность.
Предпочтительно, никель-гидридная батарея включает в себя, по меньшей мере, один модуль батареи, и
модуль батареи включает в себя множество элементов батареи,
каждый элемент батареи включает в себя коллекторы тока положительного и отрицательного электродов в форме пластины, которые предусмотрены противоположно друг к другу, перегородка, расположенная между коллектором тока положительного электрода и коллектором тока отрицательного электрода, и положительный электрод, находящийся в контакте с коллектором тока положительного электрода, и отрицательный электрод, находящийся в контакте с коллектором тока отрицательного электрода,
множество элементов батареи расположены в виде слоев таким образом, что коллектор тока положительного электрода одного из соседних элементов батареи расположен противоположно коллектору тока отрицательного электрода другого элемента батареи, и
проходной канал теплопередающей среды, которая представляет собой газ или жидкость, предусмотрен между взаимно соседними элементами батареи.
В соответствии с такой конфигурацией генерирование тепла никель-гидридной батареи может быть эффективно подавлено, может быть предотвращено ухудшение характеристик батареи, и может быть продлен срок службы батареи. Кроме того, благодаря формированию модуля батареи путем укладки многослойных элементов батареи, как описано выше, эквивалентное внутреннее сопротивление модуля батареи может быть установлено намного ниже. Благодаря построению никель-гидридной батареи, используя модули батареи, которые получают в результате многослойной укладки элементов батареи, размер дополнительно уменьшается, и можно сэкономить место для установки.
Предпочтительно, никель-гидридная батарея включает в себя, по меньшей мере, один модуль батареи, и
модуль батареи включает в себя множество элементов батареи,
каждый элемент батареи имеет структуру, в которой пространство между коллекторами тока положительного и отрицательного электродов в форме пластины, которые расположены противоположно друг другу, заполнено раствором электролита, множество листов положительного электрода расположены от коллекторов тока положительного электрода в направлении к коллектору тока отрицательного электрода, и множество листов отрицательного электрода расположены от коллектора тока отрицательного электрода в направлении коллектора тока положительного электрода таким образом, что лист положительного электрода, имеющий активный материал положительного электрода, и лист отрицательного электрода, имеющий активный материал отрицательного электрода, могут быть собраны с чередованием, и перегородка расположена между каждым листом положительного электрода и каждым листом отрицательного электрода,
множество элементов батареи построено многослойно таким образом, что коллектор тока положительного электрода одного из соседних элементов батареи расположен противоположно коллектору тока отрицательного электрода другого элемента батареи, и
проходной канал для теплопередающей среды, которая представляет собой газ или жидкость, предусмотрен между взаимно соседними элементами батареи.
В соответствии с такой конфигурацией генерирование тепла никель-гидридной батареей можно эффективно подавлять, можно предотвратить ухудшение характеристик батареи и можно продлить срок службы батареи. Кроме того, благодаря формированию модуля батареи путем многослойной укладки элементов батареи, как описано выше, эквивалентное внутреннее сопротивление модуля батареи можно в значительной степени понизить. Благодаря составлению никель-гидридной батареи с использованием модулей батареи, составленных таким образом, путем многослойной укладки элементов батареи, размер дополнительно уменьшается, и место для установки может быть сэкономлено.
В качестве альтернативы, электропроводная теплопередающая пластина, имеющая проходные отверстия в проходном канале теплопередающей среды, может быть установлена между одним из взаимно соседних элементов батареи и другим элементом батареи таким образом, что теплопередающая пластина находится в контакте с коллектором тока положительного электрода одного элемента батареи и коллектором тока отрицательного электрода другого элемента батареи.
Теплопередающая пластина может быть выполнена из алюминиевой пластины. Алюминиевая пластина имеет малое электрическое сопротивление и обладает отличной теплопроводностью. Более предпочтительно, при нанесении на алюминиевую пластину покрытия из никеля можно снизить сопротивление контакта.
Кроме того, между одним из соседних элементов батареи и другим элементом батареи может быть вставлено множество электропроводных элементов таким образом, что каждый электропроводный элемент находится в контакте с коллектором тока положительного электрода одного элемента батареи и коллектором тока отрицательного электрода другого элемента батареи и что проходной канал сформирован между одним из соседних элементов батареи и другим элементом батареи.
Электропроводный элемент может представлять собой алюминиевую пластину, имеющую поверхность, покрытую никелем. Алюминиевая пластина имеет малое электрическое сопротивление, и благодаря покрытию никелем сопротивление контакта дополнительно понижается, и она является предпочтительной для использования в качестве электропроводного элемента.
Для достижения этой цели система электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с настоящим изобретением включает в себя линию питания, которая соединена с подстанцией для электрического транспортного средства и принимает энергию постоянного тока от подстанции, и устройство электроснабжения и накопления электроэнергии, имеющее никель-гидридную батарею, причем никель-гидридная батарея непосредственно подключена к линии питания, а устройство электроснабжения и накопления электроэнергии установлено в месте, находящемся вне площадки подстанции.
В частности, путем построения устройства электроснабжения и накопления электроэнергии с непосредственным подключением никель-гидридной батареи к линии питания в местоположении, удаленном от подстанции, например, к линии питания рядом с промежуточной точкой между подстанцией и другой подстанцией, или к оконечной точке линии питания, соответствующей конечной точке или исходной точке железнодорожного пути; в местоположении, удаленном от подстанции, можно исключить значительное падение напряжения в линии питания, и рабочие характеристики электрического транспортного средства могут проявляться в достаточной степени благодаря исключению значительного падения напряжения в линии питания, при этом могут быть исключены расточительные затраты динамической энергии электрического транспортного средства, из-за невозможности регенерации или тому подобного. Кроме того, устройство электроснабжения и накопления электроэнергии, имеющее никель-гидридную батарею, непосредственно подключенную к линии питания, является недорогостоящим по сравнению с подстанцией.
Здесь "площадка" означает требуемое место, включающее в себя место использования электричества, и всю область использования электричества. Площадка также включает в себя область, отделенную забором, барьером, ограждением, каналом или тому подобным, ограничивающим доступ другим лицам, кроме работников или персонала, и подобные области с географической, социальной или других точек зрения.
Кроме того, "место, находящееся вне площадки подстанции" представляет собой место, называемое точкой или объектом электроснабжения в системе электроснабжения электрической железной дороги. В такой точке электроснабжения обычно не устанавливают трансформатор, но устанавливают вторичную батарею или другое оборудование для электроснабжения и накопления электроэнергии.
Предпочтительные эффекты
Настоящее изобретение предусматривает систему электроснабжения электрической железной дороги, для установки которой не требуется много места, которая обладает исключительными характеристиками быстрого заряда и разряда и является недорогостоящей при изготовлении. Система электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с изобретением используется для экономии энергии, предотвращая отказ регенерации, которая сглаживает пики, и стабилизирует напряжение в силовой линии.
Кроме того, изобретение обеспечивает систему электроснабжения электрической железной дороги, которая позволяет в достаточной степени использовать рабочие характеристики движения электрического транспортного средства в местах, удаленных от подстанции, и которая исключают расточительные потери динамической; энергии электрического транспортного средства из-за отказа регенерации или тому подобного. Если электроэнергия не может быть передана из-за отказа цепи питания или неполадок на подстанции, никель-гидридная батарея, установленная на подстанции, накопитель электроэнергии и устройство электроснабжения, составляющие никель-гидридную батарею, используются для обеспечения движения транспортного средства до ближайшей железнодорожной станции, без остановки вспомогательного оборудования транспортного средства. Кроме того, в течение короткого времени никель-гидридную батарею, установленную на подстанции, устройство накопления и устройство подачи электроэнергии, содержащие никель-гидридную батарею, можно использовать вместо подстанции, что позволяет в значительной степени улучшить эксплуатационные характеристики подстанции.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана общая структурная схема системы электроснабжения электрической железной дороги, в которой предусмотрена никель-гидридная батарея в соответствии с первым предпочтительным вариантом воплощения изобретения.,
На фиг.2 показана принципиальная схема, представляющая примерный вариант выполнения никель-гидридной батареи в первом предпочтительном варианте воплощения изобретения.
На фиг.3 показан характерный график SOC (состояние заряда), представляющий изменения напряжения в соответствии с SOC в различных батареях.
На фиг.4 показана схема, представляющая никель-гидридную батарею и участок подстанции, с которого была удалена никель-гидридная батарея, по сравнению с фиг.1.
На фиг 5А-5D показаны схемы, представляющие результаты демонстрационных испытаний системы электроснабжения электрической железной дороги, имеющей никель-гидридную батарею в первом предпочтительном варианте воплощения изобретения.
На фиг.6А показана общая структурная схема модуля батареи в первом конструктивном примере, и на фиг.6В показан вид в перспективе, представляющий часть модуля батареи.
На фиг.7 показан обобщенный вид в перспективе, представляющий цилиндрическую батарею с частичным разрезом.
На фиг.8 показан общий структурный вид в разрезе обычной квадратной батареи.
На фиг.9 показан вид в перспективе, представляющий конфигурацию охлаждения модуля батареи во втором конструктивном примере, используя вентиляторы принудительного охлаждения и теплоотводы.
На фиг.10А показан вид в продольном разрезе модуля батареи во втором структурном примере.
На фиг.10В показан вид в разрезе, представляющий электропроводный элемент, расположенный между пластиной положительного электрода и пластиной отрицательного электрода модуля батареи.
На фиг.10С показан вид в перспективе электропроводного элемента, расположенного за пределами пластины положительного электрода элемента батареи.
На фиг.11 показан вид в перспективе теплопередающей пластины.
На фиг.12 показан вид в поперечном разрезе модуля батареи в третьем конструктивном примере.
На фиг.13 показана схема, представляющая направление потока воздуха в теплопередающей пластине в модуле батареи по фиг.12.
На фиг.14 показана схема, представляющая направление передачи тепла в модуле батареи на фиг.12.
На фиг.15 показан общий вид в разрезе структурной схемы элемента батареи с увеличенным сроком службы.
На фиг.16 показана общая структурная схема системы электроснабжения электрической железной дороги, в которой предусмотрена никель-гидридная батарея во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения.
На фиг 17А-17D показаны схемы, представляющие результаты демонстрационных испытаний системы электроснабжения электрической железной дороги во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Пояснение номеров ссылочных позиций
1 источник электроснабжения переменного тока
2 линия питания переменного тока
3 трансформатор
4 выпрямительное устройство
5 линия питания
7 обратный провод
8 никель-гидридная батарея
9 подстанция для электрической железной дороги
9а, 9b подстанция для электрической железной дороги
10а, 10b устройство накопления и подачи электроэнергии
11, 11a, 11b, 11с электрическое транспортное средство
40 модуль батареи
41 элемент батареи
42 проницаемая для ионов перегородка
43 положительный электрод
44 отрицательный электрод
45 коллектор тока положительного электрода
46 коллектор тока отрицательного электрода
47 элемент коллектора тока
48 кислородный баллон
49 клапан регулирования давления
50 путь
51а, 51b, 51с, 51d, 51e, 51f клапан
52а, 52b, 52с, 52-й, 52e, 52f клапан
53 вентилятор
61 лист активного материала положительного электрода
62 проницаемая для ионов перегородка
63 лист активного материала отрицательного электрода
64 вывод отрицательного электрода
65 вывод положительного электрода
71 лист активного материала положительного электрода
72 проницаемая для ионов перегородка
73 лист активного материала отрицательного электрода
74 вывод положительного электрода
75 вывод отрицательного электрода
76, 77 изолятор
81 модуль батареи
82, 84 пространство для прохода воздуха
83а, 83b входной вентилятор (вентилятор принудительного охлаждения)
85 пластина положительного электрода
85S положительный электрод
86 пластина отрицательного электрода
86S отрицательный электрод
87 проницаемая для ионов перегородка
88 проходной канал для воздуха
89 электропроводный элемент
90, 91, 92, 93 изолятор
94 вывод положительного электрода
95 вывод отрицательного электрода
96 теплопередающая пластина
97 проходной канал для воздуха
98 модуль батареи
99 коллектор тока положительного электрода
100 коллектор тока отрицательного электрода
101 проницаемая для ионов перегородка
102 раствор электролита
103 лист положительного электрода
104 лист отрицательного электрода
105 объединяющий коллектор тока положительного электрода
106 объединяющий коллектор тока отрицательного электрода
107, 108 изолятор
111 коллектор тока положительного электрода
112 коллектор тока отрицательного электрода
113 изолятор
114 проницаемая для ионов перегородка
115 положительный электрод
116 отрицательный электрод
117 нетканый материал из полипропиленового волокна
118 формованная деталь из пеноникеля
119 нетканый материал из полипропиленового волокна
120 формованная деталь из пеноникеля
Подробное описание изобретения
Ниже описаны предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, в частности, со ссылкой на приложенные чертежи.
Первый предпочтительный вариант воплощения
1. Конфигурация и работа системы электроснабжения электрической железной дороги
На фиг.1 показана общая конструктивная схема системы электроснабжения электрической железной дороги, в которой предусмотрена никель-гидридная батарея в первом предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Как показано на фиг.1, подстанция 9 для электрической железной дороги (ниже называется "подстанцией") включает в себя трансформатор 3 для приема электроэнергии переменного тока из источника 1 электроснабжения переменного тока, подключенного к системе электроснабжения через линию 2 электропередачи переменного тока, выпрямительное устройство 4, подключенное к трансформатору 3, и никель-гидридную батарею (подробно описана ниже) 8, параллельно подключенную к выпрямительному устройству 4. Вывод положительной стороны выпрямительного устройства 4 подключен к линии 5 питания, и вывод отрицательной стороны подключен к обратному проводу 7 через провод 14. Никель-гидридная батарея 8 непосредственно подключена к линии 5 питания и проводу 15. Более конкретно, внешний вывод стороны положительного электрода никель-гидридной батареи 8 подключен к линии 5 питания, и внешний вывод стороны отрицательного электрода подключен к обратному проводу (рельсы) 7 по проводам 15. Другими словами, никель-гидридная батарея 8 подключена к линии 5 питания без использования устройства управления зарядом-разрядом, которое предназначено для управления напряжением заряда-разряда, или током заряда-разряда, или напряжением заряда-разряда и током заряда-разряда.
В системе электроснабжения электрической железной дороги, построенной таким образом, выпрямительное устройство 4 преобразует напряжение переменного тока, поступающее из трансформатора 3, в напряжение постоянного тока и выводит его в линию 5 питания. Напряжение постоянного тока, выводимое из выпрямительного устройства 4, подают в электрические транспортные средства 11а и 11b по электрическим проводам, то есть по линиям электропередачи, через линию 5 питания. В электрических транспортных средствах 11а и 11b подаваемую электроэнергию постоянного тока преобразуют в переменный ток, например, используя устройство 12 управления питанием на транспортном средстве, и подают в двигатель 13 для его работы и во вспомогательное оборудование. Регенерируемую энергию, генерируемую в электрических транспортных средствах 11а и 11b, подают в никель-гидридную батарею 8 по линии 5 питания, и никель-гидридная батарея 8 заряжается. Электроэнергию, накапливаемую в никель-гидридной батарее 8, затем подают в электрические транспортные средства 11а и 11b в зависимости от уровня напряжения в линии 5 питания.
Например, если электрическое транспортное средство 11а представляет собой регенерирующее транспортное средство в состоянии торможения и электрическое транспортное средство 11b представляет собой ускоряющееся транспортное средство в режиме ускорения, регенерируемый ток из регенерирующего транспортного средства подают в ускоряющееся транспортное средство, а избыток регенеруемого тока протекает в никель-гидридную батарею 8, и никель-гидридная батарея 8 заряжается. С другой стороны, когда оба электрических транспортных средства 11а и 11b представляют собой ускоряющиеся транспортные средства, разрядный ток из никель-гидридной батареи 8 подается в ускоряющиеся транспортные средства из линии 5 питания по электрическим проводам. Это представляет собой операцию заряда и разряда никель-гидридной батареи 8, и эта операция не ограничивается приведенным выше примером.
Вкратце, никель-гидридная батарея 8 заряжается, когда напряжение между линией 5 питания и обратным проводом 7 (ниже называется "напряжением линии питания") выше, чем электродвижущая сила никель-гидридной батареи 8 (ниже называется "напряжением батареи"), и разряжается, когда оно ниже. Таким образом, в никель-гидридной батарее 8 происходит плавающий заряд и плавающий разряд. Здесь никель-гидридная батарея 8 построена таким образом, что она имеет напряжение батареи, эквивалентное напряжению подстанции без нагрузки.
Как описано выше, в системе электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, на подстанции 9 никель-гидридная батарея 8 прямо соединена с линией 5 питания и с проводами 15. Следовательно, может быть построена энергетическая система электроснабжения, имеющая простую общую структуру, обладающая отличными характеристиками быстрого заряда и разряда и имеющая малую стоимость.
Выпрямительное устройство 4 может представлять собой либо двухполупериодный выпрямитель или однополупериодный выпрямитель или может представлять собой преобразователь электроэнергии или так называемый преобразователь DC-DC (постоянного тока в постоянный ток), построенный с использованием элемента управления, такого как IGBT. Источник 1 энергии переменного тока обычно представляет собой коммерческую систему электроснабжения, но не ограничивается этим, и может представлять собой систему электроснабжения, такую как подстанция электроснабжения, не входящую в систему общего пользования. Электрическое транспортное средство не ограничивается электропоездом, который движется по земле, но может включить в себя поезда метрополитена, трамваи или LRV (вагон легкого наземного метро). В подстанции 9, показанной на фиг.1, предусмотрены трансформатор 3, выпрямительное устройство 4 и никель-гидридная батарея 8, и также в ней может быть предусмотрен обратный преобразователь для возврата регенерируемой электроэнергии в линию электропередач переменного тока или устройство управления зарядом-разрядом, такое как повышающий и понижающий прерыватель, как в конструктивном примере предшествующего уровня техники.
Никель-гидридная батарея 8 может состоять из одного модуля батареи, имеющего напряжение батареи, эквивалентное напряжению подстанции без нагрузки. В качестве альтернативы, никель-гидридная батарея 8 может состоять из последовательно включенного множества модулей батареи (ниже эта структура называется "последовательным модулем батареи"), которая позволяет вырабатывать напряжение батареи, эквивалентное напряжению подстанции без нагрузки. Кроме того, один модуль батареи или последовательно подключенный модуль батареи могут быть соединены параллельно. При параллельном подключении емкость батареи увеличивается, но эквивалентное внутреннее сопротивление понижается. Модуль батареи состоит из последовательно подключенного множества отдельных элементов батареи.
На фиг.2 показана схема, представляющая пример структуры никель-гидридной батареи 8 в предпочтительном варианте воплощения. В конфигурации, показанной на фиг.2, никель-гидридная батарея 8 состоит из параллельно соединенных четырех модулей 8А-8D. Отдельные модули 8А-8D могут состоять либо из одного модуля батареи или из последовательно включенных модулей батареи.
На фиг.2 показаны высокоскоростные прерыватели 21 и 22, которые предусмотрены как защитные цепи для случая короткого замыкания батарей, составляющие модули 8А-8D. Высокоскоростной прерыватель 21 установлен на стороне (положительной) линии 5 питания, и высокоскоростной прерыватель 22 расположен на стороне (отрицательной) проводов 15 (которая соединена с обратным проводом 7, в то время как дроссель 23 включен между никель-гидридной батареей 8 и высокоскоростным прерывателем 21. Таким образом, благодаря включению дросселя 23 повышение тока во время короткого замыкания становится умеренным, и нагрузка, применяемая к высокоскоростным прерывателям 21 и 22, может быть уменьшена, ее скорость заряда может быть уменьшена, и аварийный ток может быть надежно отключен. Дроссель 23 также может быть включен между высокоскоростным прерывателем 22 и никель-гидридной батареей 8.
В частности, высокоскоростные прерыватели 21 и 22 и дроссель 23 могут быть исключены в отдельных случаях. Вместо высокоскоростных прерывателей 21 и 22 может быть предусмотрен так называемый разъединитель. Разъединитель не обладает возможностью прерывания тока нагрузки, но является эффективным при выполнении технического обслуживания, позволяя разрывать электрическую цепь.
2. Характеристика никель-гидридной батареи
Ниже поясняется характеристика никель-гидридной батареи, используемой в системе электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, в сравнении с другими типами вторичной батареи.
На фиг.3 показана характерная диаграмма SOC (состояние заряда), представляющая изменение напряжения в зависимости от SOC в различных батареях. Кривая (а) представляет изменение напряжения никель-гидридной батареи, кривая (b) представляет изменение напряжения свинцовой аккумуляторной батареи, кривая (с) представляет изменение напряжения литий-ионной батареи, и кривая (d) представляет изменение напряжения электрического двухслойного конденсатора.
Изменение напряжения (ΔV/ΔSOC) относительно изменения SOC составляет приблизительно 0,1 в никель-гидридной батарее, приблизительно 1,5 в свинцовой аккумуляторной батарее, приблизительно 2 в литий-ионной батарее и приблизительно 3 в электрическом двухслойном конденсаторе. Таким образом, если изменение напряжения одинаково, никель-гидридная батарея будет иметь меньшую емкость батареи, чем 1/15 свинцовой аккумуляторной батареи, 1/20 литиевой батареи и 1/30 электрического двухслойного конденсатора. Следовательно, размер батареи может быть уменьшен в соответствующей степени.
Как показано на фиг.3, напряжение никель-гидридной батареи, показанное кривой (а), шире в диапазоне S вариаций SOC относительно вариаций напряжения по сравнению с другими батареями. Таким образом, никель-гидридная батарея имеет меньшие вариации напряжения батареи по сравнению с вариациями SOC. В отличие от этого вариации других батарей, представленных кривыми (b), (с) и (d) напряжения батареи, являются большими по сравнению с вариациями SOC. Например, что касается срединного значения SOC, в никель-гидридной батарее, если предположить, что напряжение срединного значения составляет V1, когда его используют для поддержания вариации напряжения в диапазоне dV1, его можно использовать практически во всем диапазоне S SOC, и емкость батареи можно эффективно использовать. В отличие от этого в свинцовой аккумуляторной батарее, если предположить, что напряжение срединного значения равно V2, когда ее используют для поддержания вариации напряжения в пределах диапазона dV2, ее можно использовать только в узком диапазоне SOC и емкость батареи нельзя эффективно использовать. Аналогично, в литий-ионной батарее, если предположить, что напряжение срединного значения равно V3, когда ее используют для поддержания вариации напряжения в пределах диапазона dV3, такую батарею можно использовать только в узком диапазоне SOC, и емкость батареи невозможно эффективно использовать. Здесь величина диапазона вариации напряжения определена следующим образом: dV1/V1=dV2/V2=dV3/V3.
Если рассмотреть с точки зрения вариаций напряжения, когда SOC находится в середине диапазона S (например, когда SOC составляет 40-60 процентов), путем подключения никель-гидридной батареи 8 непосредственно к линии 5 питания, как показано на фиг.1, когда происходит многократный заряд и разряд никель-гидридной батареи 8, вариации напряжения батареи можно поддерживать небольшими, даже если состояние заряда изменяется. С другой стороны, в других батареях (например, литий-ионной батарее), вариации напряжения батареи становятся большими. Таким образом, в никель-гидридной батарее емкость батареи можно эффективно использовать.
В то же время допустимый диапазон вариаций напряжения линии питания находится в диапазоне приблизительно от плюс до минус 20% от номинального целевого напряжения (например, 750В или 1500В).
Когда батарея непосредственно подключена к линии питания, диапазон, обеспечивающий возможность заряда и разряда в пределах количества энергии всей батареи, ограничен диапазоном, обозначенным в соответствии с характеристикой SOC относительно вариаций напряжения линии питания. Таким образом, электроэнергия, находящаяся в батарее, может использоваться эффективно только в диапазоне, обозначенном в соответствии с характеристикой SOC относительно вариаций напряжения в линии питания.
В никель-гидридной батарее, поскольку большая часть характеристики SOC может быть охвачена допустимым диапазоном вариаций напряжения линии питания, емкость батареи может быть использоваться эффективно.
По сравнению с никель-гидридной батареей в других вторичных батареях, наклон изменения напряжения относительно SOC является большим, и эффективная емкость батареи является относительно малой в диапазоне от приблизительно плюс до минус 20%, допустимого в линии питания. Другими словами, если другие батареи, кроме никель-гидридной батареи, такие как свинцовая аккумуляторная батарея и литий-ионная батарея, используются путем непосредственного соединения с линией питания по сравнению с никель-гидридной батареей, требуется большее количество батарей и напрасно занимаемое место для установки, и капитальные затраты будут намного больше.
На фиг.4 показана выделенная схема, представляющая никель-гидридную батарею 8 и участок 9а подстанции, из которого была удалена никель-гидридная батарея. Таким образом, подстанция 9а и никель-гидридная батарея 8 соединены параллельно с электрическим транспортным средством, которое представляет собой нагрузку.
Если предположить, что выходное напряжение линии питания равно V1, напряжение на выводах никель-гидридной батареи 8 составляет V2, внутренние сопротивление никель-гидридной батареи 8 равно R2, и импеданс подстанции 9а составляет R1, ток I2, протекающий через никель-гидридную батарею 8, может быть выражен следующей формулой:
I2=(V1-V2)/R2.
Поэтому, чем меньше внутреннее сопротивление никель-гидридной батареи 8, тем больший ток протекает в никель-гидридную батарею 8 и тем больше количество электричество, которое может быть запасено и выделено.
Например, в случае номинального целевого напряжения линии питания 750 В модуль батареи, состоящий из 30 элементов батареи, соединенных последовательно, представляет собой последовательное соединение 20 модулей, и, таким образом, составляет один модуль, при этом один модуль имеет напряжение 750 В и ток 200 А и внутреннее сопротивление составляет 160-240 мОм. Когда два модуля соединены параллельно так, чтобы составить никель-гидридную батарею 8, внутреннее сопротивление составляет 80-120 мОм, и когда четыре модуля соединены параллельно для составления никель-гидридной батареи 8, внутреннее сопротивление составляет 40-60 мОм, и, таким образом, они составляют никель-гидридную батарею 8 с малым внутренним сопротивлением.
С другой стороны, по сравнению с никель-гидридной батареей 8 внутреннее сопротивление свинцовой аккумуляторной батареи с той же емкостью приблизительно в 10 раз больше сопротивления никель-гидридной батареи 8, и внутреннее сопротивление литий-ионной батареи той же емкости составляет приблизительно в 2 раза больше, чем у никель-гидридной батареи 8.
В соответствии с этим регенеративный ток электрического транспортного средства будет больше при использовании никель-гидридной батареи по сравнению со свинцовой аккумуляторной батареей или литий-ионной батареей, и большее количество электричества заряжается в никель-гидридной батарее по сравнению с другими батареями.
Когда электрическое транспортное средство ускоряется, ток нагрузки для ускорения электрического транспортного средства разделяется в зависимости от отношения импеданса подстанции 9а и внутреннего сопротивления вторичной батареи, и, следовательно, если внутреннее сопротивление вторичной батареи будет высоким, количество электричества, накопленного во вторичной батарее, не может быть в достаточной степени использовано. В подстанции класса 2500 кВт импеданс составляет приблизительно 0,01 Ом, и учитывая внутреннее сопротивление 0,05 Ом никель-гидридной батареи, распределение нагрузки между подстанцией 9 и никель-гидридной батареей 8 составляет приблизительно 5:1. В свинцовой аккумуляторной батарее, с другой стороны, поскольку внутреннее сопротивление составляет приблизительно 0,5 Ом, распределение нагрузки составляет приблизительно 50:1, и по сравнению с никель-гидридной батареей свинцовая аккумуляторная батарея не может в достаточной степени использовать количество электричества, накопленного в батарее. То же относится к другим вторичным батареям, помимо свинцовой аккумуляторной батареи.
В соответствии с этим никель-гидридная батарея 8 имеет меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с другими вторичными батареями той же емкости, и поэтому протекает большее количество ток, и большее количество электричества будет заряжено и разряжено. Действительно, в случае свинцовой аккумуляторной батареи или литий-ионной батареи, когда множество элементов соединены параллельно, внутреннее сопротивление может понизиться, но больше места потребуется для установки, и повысится стоимость оборудования.
Таким образом, с точки зрения изменения напряжения на SOC или с точки зрения внутреннего сопротивления, непрактично пытаться соединить свинцовую аккумуляторную батарею или литий-ионную батарею прямо с линией питания, потому что в этом случае необходимы огромное количество элементов и больше места для установки и стоимость оборудования будет более высокой.
Для преодоления таких неудобств в других вторичных батареях необходимо использовать дорогостоящее устройство управления зарядом-разрядом, то есть повышающий и понижающий прерыватели для управления напряжением заряда, для большей степени использования емкости батареи.
3. Результаты демонстрационных испытаний
В первом предпочтительном варианте воплощения демонстрационные испытания были выполнены в системе электроснабжения электрической железной дороги, в которой предусмотрена никель-гидридная батарея. Результаты демонстрационных испытаний показаны на фиг 5А-5D.
При таких демонстрационных испытаниях на определенной подстанции электрической железной дороги в районе, в котором имеется множество железнодорожных путей в Японии, никель-гидридную батарею 8 подключили непосредственно к линии 5 питания. В таких демонстрационных испытаниях спецификация напряжения выпрямительного устройства 4 составляла 750 В, и спецификация никель-гидридной батареи 8 составляла 750 В и 800 А. Выпрямительное устройство 4 и никель-гидридную батарею 8 подключили к линии питания, подключенной к линиям электрических вагонов для ускоряющегося транспортного средства и замедляющегося транспортного средства. Здесь никель-гидридная батарея 8 была составлена, например, путем параллельного соединения четырех модулей 8А-8D по 750 В и 200 А·час, как показано на фиг.2. Каждый из модулей 8А-8D был составлен из 20 модулей батареи по 37,5 В и 200 А·час, соединенных последовательно. Каждый модуль батареи была составлен путем последовательного соединения 30 элементов батареи. Здесь модуль батареи представляет собой третий структурный пример, показанный на фиг.12-14, но можно использовать другие примерные структуры.
На фиг.5А показана I-V (вольтамперная) характеристика никель-гидридной батареи 8 за период с 10:00 по 11:00 в день демонстрационных испытаний. На фиг.5В показана вольтамперная характеристика никель-гидридной батареи 8 за период с 11:00 до 12:00 в день демонстрационных испытаний. На фиг.5С показана вольтамперная характеристика никель-гидридной батареи 8 за период с 12:00 до 13:00 в день демонстрационных испытаний. На фиг.5D показана вольтамперная характеристика никель-гидридной батареи 8 за период с 13:00 до 14:00 в день демонстрационных испытаний. Здесь отрицательное значение тока означает заряд, и положительное значение означает разряд.
На фиг 5А-5D вольтамперная характеристика показана линиями (е)-(h), и линии (е)-(h) приблизительно составляют В=-0,05I+775.
Как видно из демонстрационных испытаний, по линиям (е)-(h) вариация напряжения батареи составила приблизительно 1В, и внутреннее сопротивление составило приблизительно 0,05 Ом.
Фактические данные, полученные во время демонстрационных испытаний, обозначены черными пятнами на фиг.5А-5D. Эти черные пятна показывают, что заряд и разряд повторяли множество раз. Таким образом, когда заряд и разряд повторяются, SOC изменяется, но изменение напряжения может подавляться в целом, как показано кривой (а) на фиг.3, поскольку никель-гидридная батарея имеет стабильную характеристику напряжения в широком диапазоне S для SOC и имеет малое внутреннее сопротивление.
Например, когда свинцовую накопительную батарею, вместо никель-гидридной батареи 8, непосредственно подключили к линии питания, поскольку свинцовая аккумуляторная батарея имеет большое внутреннее сопротивление, вольтамперная характеристика становится, например, такой, как показано штрихпунктирной линией k1 на фиг.5А. Когда SOC дополнительно изменяется, напряжение также в значительной степени изменяется, как обозначено кривой (b) на фиг.3, и вольтамперная характеристика меняется со штрихпунктирной линии k1 до, например, штрихпунктирной линии k2. Даже если внутреннее сопротивление может быть понижено, путем параллельного подключения большого количества свинцовых аккумуляторных батарей, вольтамперная характеристика изменяется из-за изменения SOC, как упомянуто выше. Поэтому свинцовая аккумуляторная батарея не пригодна для использования в качестве устройства заряда-разряда.
В случае литиевой батареи, также при изменении SOC, как обозначено кривой (с) на фиг.3, напряжение существенно изменяется. Поэтому, аналогично, литий-ионная батарея не пригодна для использования в качестве устройства заряда-разряда при его непосредственном соединении с линией питания.
Как отмечено выше, поскольку никель-гидридная батарея 8 имеет низкое внутреннее сопротивление и малую вариацию изменения напряжения при изменении SOC, ее можно непосредственно подключать к линии 5 питания, и использовать как устройство заряда-разряда. В предпочтительном варианте воплощения емкость батареи устанавливают так, чтобы ее можно было использовать в малом диапазоне изменений напряжения, в результате изменения SOC (например, в диапазоне S на фиг.3).
В свинцовой аккумуляторной батарее или в литий-ионной батарее, когда емкость чрезвычайно увеличивают для обеспечения возможности непосредственного подключения к линии питания, требуется очень много места для установки, и существенно увеличиваются затраты, таким образом, эти батареи не пригодны для практического использования.
Никель-гидридная батарея 8 имеет малое внутреннее сопротивление и также имеет малые вариации изменения напряжения из-за вариаций SOC. Поэтому, когда электрическое транспортное средство ускоряется, большой ток требуется мгновенно и никель-гидридная батарея разряжается, не происходит падение напряжения. И, наоборот, когда электрические транспортное средство работает в режиме регенерации большой ток мгновенно генерируется и происходит заряд никель-гидридной батареи, не происходит повышение напряжения. Таким образом, система электроснабжения электрической железной дороги, в которой предусмотрена никель-гидридная батарея, позволяет стабилизировать напряжение в линии питания. Такие преимущества могут быть подтверждены демонстрационными испытаниями, описанными выше.
4. Структурные примеры модуля батареи
Ниже поясняются структурные примеры модулей батареи, из которых составлена никель-гидридная батарея 8, используемая в первом предпочтительном варианте воплощения. Следующие структурные примеры модуля батареи могут аналогично применяться в никель-гидридной батарее системы электроснабжения электрической железной дороги во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения, который будет описан ниже.
4.1. Первый структурный пример
На фиг.6А показана общая структурная схема в разрезе модуля батареи в соответствии с первым структурным примером, и на фиг.6В показан вид в перспективе, представляющий часть модуля батареи.
Такой модуль 40 батареи имеет структуру, в который шесть элементов 41 батареи включены последовательно, например, как показано на фиг.6А. Промежуточная часть каждого из элементов 41 батареи изготовлена из нетканого материала из полипропиленового волокна, который пропускает ионы, но не пропускает электроны, и имеет положительный электрод 43 и отрицательный электрод 44, разделенные гидрофобной перегородкой 42, которая не была обработана в ходе гидрофильной обработки. Левая торцевая стенка положительного электрода 43 элемента 41 батареи и левая оконечность функционирует как коллектор 45 тока положительного электрода, а правая торцевая стенка отрицательного электрода 44 элемента 41 батареи с правого конца функционирует как коллектор 46 тока отрицательного электрода. Правая боковая стенка отрицательного электрода 44 элемента 41 батареи на левом конце и левая боковая стенка положительного электрода 43 элемента 41 батареи на правом конце состоят из элементов 47 коллектора тока, функционирующих так же, как разделительные стенки. Также между четырьмя элементами 41 батареи, расположенными в середине, расположены элементы 47 коллектора тока, функционирующие как разделительные стенки. Таким образом, от элемента 41 батареи на левом конце до элемента 41 батареи на правом конце батарея соединена последовательно через элементы 47 коллектора тока. Положительный электрод 43 и отрицательный электрод 44 заполнены водным раствором КОН, который используется как общий раствор электролита. Порошок А гидроокиси никеля смешан с водным раствором КОН положительного электрода 43, и порошок В сплава с окклюзией водорода смешан с водным раствором КОН отрицательного электрода 44.
Материал элементов коллектора тока может включать в себя никелевую металлическую пластину, никелевую металлическую фольгу, углеродную пластину, железо, покрытое никелем, нержавеющую сталь, покрытую никелем, или углерод с гальваническим покрытием из никеля, и любой другой материал можно использовать, если только он не подвержен коррозии и не ухудшает свои свойства в щелочном растворе электролита, и является непроницаемым для ионов и проводящим электрически.
Как отмечено выше, отрицательный электрод 44 заполнен раствором электролита, смешанным с порошком В сплава с окклюзией водорода, в качестве порошкового активного материала отрицательного электрода, и положительный электрод 43 заполнен раствором электролита, смешанным с порошком А гидроокиси никеля, в качестве порошкового активного материала положительного электрода. В это время, поскольку перегородка 42 является гидрофобной, когда отрицательный электрод 44 и положительный электрод 43 заполнены раствором электролита, выполняют откачку внутренней части батареи (до внутреннего давления приблизительно 1000 Па или меньше) и раствор электролита принудительно проталкивают.
Комбинация порошковых активных материалов отрицательного электрода и положительного электрода составляет, например, комбинацию сплава с окклюзией водорода и гидроокиси никеля. Пример сплава с окклюзией водорода представляет собой La 0,3, (Се, Nd) 0,15, Zr 0,05, Ni 3,8, Co 0,8, Al 0,5.
В качестве раствора электролита, например, может использоваться водный раствор КОН, водный раствор NaOH или водный раствор LiOH.
Перегородка 42 состоит из гидрофобного материала, которая не была обработана в ходе гидрофильной обработки. Поскольку перегородка 42 всегда используется в состоянии контакта со щелочным раствором электролита, гидрофобный материал, предназначенный для использования в качестве перегородки 42, должен иметь отличную химическую устойчивость. Например, полиэтиленовое волокно, полипропиленовое волокно, другое полиолефиновое волокно, волокно из поливинилсульфида, волокно из полифторэтилена и полиамидное волокно обладают отличной химической устойчивостью, и предпочтительно их можно использовать в качестве перегородки 42. Из этого волокна, например, могут быть сформированы тканый материал, трикотажный материал, нетканый материал, кружевной материал из пряжи, плоский переплетенный материал и другие текстильные листы. Среди них тканый материал и нетканый материал обладают высоким значением предела прочности на разрыв и превосходной стабильностью формы, а также устойчивостью к разрыву во время процесса сборки батареи, и, следовательно, являются предпочтительными. Тканый материал может быть сформирован с использованием полотняного переплетения, атласного переплетения или саржевого переплетения. Нетканый материал может быть получен путем использования волоконного полотна, сформированного, например, способом кардования, способом укладки воздухом, способом формования волокна с эжектированием высокоскоростным потоком воздуха или путем формирования волокна аэродинамическим способом из расплава, и соединения волокон путем прокалывания иглами или струями воды, тепловой обработкой волоконного полотна, содержащего плавящееся под действием тепла волокно, способом плавления при тепловой обработке и с использованием обработки давлением или способом слипания волоконного полотна, используя клеящий агент. Тканый материал и нетканый материал также могут быть сформированы другими способами.
В модуле батареи в соответствии с первым структурным примером, показанным на фиг.6А, из водородного баллона 84, который был заполнен кислородом под высоким давлением, газообразный кислород может быть подан к положительному электроду 43 и к отрицательному электроду 44 каждого элемента 41 батареи через клапан 49 регулирования давления, используя разводку 50. Таким образом, по разводке 50, при открывании и закрывании клапанов 51а, 51b, 51с, 51d, 51е и 51f, предусмотренных в каждом из разветвленных каналов, ведущих к шести положительным электродам 43, и клапанов 52а, 52b, 52с, 52d, 52e и 52f, предусмотренных в каждом из разветвленных каналов, ведущих к шести отрицательным электродам 44, газообразный кислород может быть подан как к положительным электродам 43, так и к отрицательным электродам 44, или только к положительным электродам 43, или только к отрицательным электродам 44 таким образом, что газообразный кислород и избыток газообразного водорода, остающегося в отрицательных электродах 44, могут реагировать друг с другом и могут быть преобразованы в воду. Таким образом, газообразный кислород, подаваемый к отрицательным электродам 44, взаимодействует с избытком газообразного водорода, остающимся в отрицательных электродах 44, и преобразуется в воду, и газообразный кислород, подаваемый к положительным электродам 43, проникает через перегородку 42 и реагирует с избытком газообразного водорода, остающимся в отрицательных электродах 44, и преобразуется в воду.
2
2
В модуле никель-гидридной батареи закрытого типа, имеющем конфигурацию, показанную на фиг.6А, из водородного баллона 48, в который был закачан газообразный кислород под высоким давлением (20 кг/см), газообразный кислород под давлением 2 кг/см подавали через клапан 49 регулирования давления как к положительным электродам 43, так и к отрицательным электродам 44 шести элементов 41 батареи и эксперимент проводили для оценки эффекта подавления роста внутреннего давления в отрицательных электродах 44, и его работа поясняется ниже.
3
Во время эксперимента коллектор 45 тока положительного электрода и коллектор 46 тока отрицательного электрода подключили к лампе накаливания,; которая представляет собой нагрузку, не показанную на чертеже, и через час после начала разряда внутреннее давление на каждом отрицательном электроде 44 шести элементов 41 батареи поднялось до 1 МПа. Здесь объем пустого участка, не содержащего раствор электролита в каждом отрицательном электроде 44, составил 0,0012 м.
2
При этом газообразный кислород с давлением 2 кг/см подавали из баллона 48 с кислородом как к положительным электродам 43, так и к отрицательным электродам 44 шести элементов 41 батареи через клапан 49 регулирования давления, и спустя один час внутреннее давление каждого из отрицательных электродов 44 шести элементов 41 батареи понизилось до 0,1 МПа.
В то же время изготовители батареи обычно сталкиваются с задачами генерирования тепла, вызванного реакцией батареи. В частности, в батарее с закрытой структурой проблема генерирования тепла является очень серьезной, и батарея с закрытой структурой должна иметь соответствующую структуру передачи тепла.
При использовании обычной цилиндрической батареи или квадратной батареи, поскольку внешняя поверхность корпуса батареи охлаждается, трудно ожидать требуемого эффекта охлаждения, если никель-гидридная батарея построена в виде структуры цилиндрической батареи или квадратной батареи. Более конкретно, как цилиндрическая батарея, так и квадратная батарея разработаны для передачи тепла в направлении под прямым углом к направлению размещения перегородки и активного материала, например, в направлении радиуса, в случае круглой столбиковой батареи, и другими словами, она разработана с возможностью передачи тепла наружу через многослойные перегородки и активные материалы.
На фиг.7 показана схема, представляющая пример цилиндрической батареи. Как показано на фиг.7, лист 61 активного материала положительного электрода, проницаемая для ионов перегородка 62, активный лист 63 отрицательного электрода и проницаемая для ионов перегородка 62 последовательно уложены в стопку и свернуты спирально, в результате чего получили цилиндрическую батарею. В такой цилиндрической батарее кожух 64 представляет собой вывод отрицательного электрода, и колпачок 65 представляет собой вывод положительного электрода. На фиг.8 показана схема, представляющая пример квадратной батареи. Как показано на фиг.8, лист 71 активного материала положительного электрода, перегородка 72, проницаемая для ионов, активный лист 73 отрицательного электрода и перегородка 72, проницаемая для ионов, последовательно сложили в виде стопки и в результате составили квадратную батарею. В такой квадратной батарее одна торцевая стенка 74 представляет собой вывод положительного электрода и другая торцевая стенка 75 представляет собой вывод отрицательного электрода. Боковые стенки 76 и 77 представляют собой изоляторы.
В структуре, показанной на фиг.7, необходимо передавать тепло в направлении под прямым углом (радиальное направление) к направлению размещения листов активного материала и перегородок (направление окружности), но при этом трудно достичь предпочтительной теплопроводности через множество слоев, уложенных друг на друга материалов, и, наоборот, эти слои, вероятно, играют роль теплоизолирующего материала. В частности, волокна с низкой тепловой проводимостью или пористые пластические материалы уложены как перегородка, и при этом теплопроводность особенно снижается. В частности, в структуре, показанной на фиг.8, необходимо осуществлять перенос тепла в направлении под прямым углом к направлению размещения листов активного материала и перегородок (горизонтальное направление), но при этом трудно достичь предпочтительной теплопроводности через множество слоев уложенных в стопку материалов, и, наоборот, эти слои, вероятно, играют роль теплоизолирующего материала.
Более того, по мере увеличения размера батареи площадь передачи тепла увеличивается только в соотношении (2/3) от емкости, и расстояние передачи тепло становится большим. В результате в батарее, показанной на фиг.7 и фиг.8, если охлаждать внешнюю сторону кожуха, внутренняя часть батареи не охлаждается до требуемой температуры.
В соответствии с этим в структуре батареи, показанной на фиг.6А, структура элемента 47 коллектора, также используемого как разделительная стенка, может быть сформирована, например, как пористый материал для увеличения площади передачи тепла, и такой пористый элемент 47 коллектора тока также может играть роль элемента передачи тепла, и тепло, генерируемое в результате реакции в батарее, может быть в существенной степени отобрано из этого элемента коллектора тока. В результате можно исключить ухудшение рабочих характеристик батареи. С другой стороны, помимо использования элемента 47 коллектора тока в качестве материала для отвода тепла, его также можно использовать как элемент накопления тепла. Таким образом, если тепло, генерируемое во время реакции батареи, накапливается в батарее с замкнутой структурой, это способствует ухудшению характеристик батареи, и это является нежелательным, но с другой стороны, для плавного выполнения реакции батареи требуется, чтобы составляющие материалы компонента батареи находились в определенном температурном диапазоне (приблизительно от 25°С до 50°С). Следовательно, вместо принудительного отбора тепла из пористого элемента 47 коллектора, в зависимости от обстоятельств, для поддержания материалов компонентов батареи выше определенной температуры, например, приблизительно 25°С или выше, теплоизолирующий материал может быть наклеен снаружи части пористого элемента 47 коллектора для подавления высвобождения тепла. Аналогично, в структуре для принудительного охлаждения пластины отбора тепла с использованием вентилятора, если материалы компонента батареи имеют более низкую, чем определенная температура, отбор тепла может предотвращаться благодаря отключению вентилятора.
По мере увеличения размера батареи увеличивается площадь поверхности, и охлаждение только поверхности часто может быть недостаточным для охлаждения внутреннего объема батареи. В соответствии с этим, как показано на фиг.6А, когда батарея составлена путем послойного построения множества элементов батареи, охлаждение элемента 47 коллектора тока, то есть разделительной стенки, которая разделяет элементы батареи, может быть эффективным для охлаждения внутреннего объема батареи. Элемент 47 коллектора тока, как разделительная стенка, обладает превосходной теплопроводностью, и, как показано на фиг.6В, элемент 47 коллектора тока состоит из пористых алюминиевых пластин, и элементы 41 батареи, имеющие положительные электроды и отрицательные электроды, разделенные перегородкой, плотно соединены. В соответствии с этим благодаря элементу 47 коллектора тока не только электроны, но также и тепло могут быть эффективно переданы.
Эксперимент по установке вентилятора 53 в нижнем положении для подачи охлаждающего воздуха и эффективного отбора тепла, собранного элементом 47 коллектора тока, был эффективно выполнен с модулем никель-гидридной батареи в конфигурации, показанной на фиг.6А (см. фиг.6В). Вначале, в остановленном состоянии вентилятора 53, в состоянии перезаряда на 120% при комнатной температуре, термометр, установленный внутри батареи, показал, что температура повысилась приблизительно на 100°С в течение двух часов.
В соответствии с этим после запуска вентилятора 53 и подачи холодного воздуха к модулю батареи, составленному из шести элементов батареи, и спустя два часа после 120% перезаряда термометр, установленный в батарее, показал температуру, повышенную только приблизительно на 10°С относительно комнатной температуры (25°С).
В качестве элемента 47 коллектора тока, вместо использования пористых алюминиевых пластин, например, можно использовать алюминиевые пластины или другие металлические пластины, имеющие множество отверстий сообщения для пропуска охладителя в вертикальном направлении.
В таком модуле 40 батареи, например, в середине коллектора 45 тока положительного электрода может быть подключен вывод положительного электрода для внешнего подключения, аналогично выводу 94 положительного электрода, показанному ниже на фиг.10, и в середине коллектора 106 тока отрицательного электрода может быть предусмотрен вывод отрицательного электрода для внешнего подключения аналогично выводу 95 отрицательного электрода, показанному ниже на фиг.10.
4.2. Второй конструктивный пример
На фиг.9 показан вид в перспективе, представляющий конфигурацию охлаждения модуля 81 батареи во втором конструктивном примере с помощью вентилятора принудительного охлаждения и воздушной трубы (пространство для пропуска воздуха). Модуль 81 батареи имеет пространство 82 для передачи воздуха, предназначенное для подачи воздуха в его нижней части. Воздух, засасываемый входным вентилятором 83а и входным вентилятором 83b, выпускают наружу через пространство 82 передачи воздуха в нижней части, пространство передачи тепла в модуле 81 батареи и пространство 84 передачи воздуха в верхней части. Стрелки на фиг.9 показывают направления потока воздуха.
На фиг.10А показан вид в продольном разрезе модуля батареи во втором структурном примере. На фиг.10В показан вид в поперечном разрезе электропроводного элемента, расположенного между пластиной положительного электрода и пластиной отрицательного электрода модулей батареи, как можно видеть в направлении стрелки х на фиг.10А. На фиг.10С показан вид в перспективе электропроводного элемента, расположенного снаружи пластины положительного электрода элемента батареи, который составляет модуль батареи во втором конструктивном примере (поясняется ниже). На фиг.10А другие стрелки, кроме стрелки х, показывают направления потока воздуха.
Этот модуль 81 батареи, например, составлен путем послойной укладки шести элементов батареи. Каждый элемент батареи упакован с раствором электролита между пластиной 85 положительного электрода, используемого в качестве коллектора тока положительного электрода, и пластиной 86 отрицательного электрода, используемой в качестве коллектора тока отрицательного электрода, и между положительным электродом 85 и отрицательным электродом 86 расположена перегородка 87, которая не коррозирует или не ухудшает свои свойства в щелочном растворе электролита и пропускает ионы, но не пропускает электроны, и активный материал положительного электрода установлен в положительном электроде 85, и активный материал отрицательного электрода установлен в отрицательном электроде 86. Между двумя взаимно расположенными рядом друг с другом элементами батареи предусмотрен проходной канал 88 воздуха, предназначенный для пропускания воздуха, засасываемого входным вентилятором 83а и входным вентилятором 83b в вертикальном направлении.
Проходной канал 88 воздуха не предусмотрен на всей поверхности, противолежащей пластине 85 положительного электрода и пластине 86 отрицательного электрода, но предусмотрен в вертикальном направлении на среднем участке пластины 85 положительного электрода и пластины 86 отрицательного электрода, как показано на фиг.10В и на фиг.10С. С обеих сторон проходного канала 88 воздуха расположены электропроводные элементы 89, и пластина 85 положительного электрода и пластина 86 отрицательного электрода соединены с помощью электропроводных элементов 89.
В качестве перегородки 87, например, можно использовать тканый материал или нетканый материал из тетрафтор-этиленовой полимерной смолы, полиэтилена, нейлона или полипропилена, или можно использовать мембранный фильтр. В качестве электропроводного элемента 89 можно использовать алюминиевую пластину, покрытую никелем, или пластину из другого металла, покрытого никелем, никелевую металлическую фольгу, пластину из углерода, железо, покрытое никелем, нержавеющую сталь, покрытую никелем, углерод, покрытый никелем, или аналогичный материал и любой другой материал, не коррозирующий или не ухудшающий свои свойства в щелочном растворе электролита, и не пропускающий ионы, и обладающий электропроводностью.
Каждый элемент батареи ограничен изолирующими пластинами 93 и 92 сверху и снизу. Пространство 82 и 84 для передачи воздуха, в нижней части и в верхней части соответственно ограничено изолирующими пластинами 90 и 91 снизу и сверху. Кроме того, как показано на фиг.10, на среднем участке пластины 85 положительного электрода, с левого конца, предусмотрен вывод 94 положительного электрода для внешнего подключения. На среднем участке пластины 86 отрицательного электрода, с правого конца, показанного на фиг.10, предусмотрен вывод 95 отрицательного электрода для внешнего подключения.
На фиг.10А вместо модуля 81 батареи также можно использовать модуль 40 батареи, имеющий пористый элемент 47 коллектора тока, показанный на фиг.6.
Вместо электропроводного элемента 89, который предусмотрен в проходном канале 88 воздуха, можно использовать теплопередающую пластину 96, показанную на фиг.11. Теплопередающая пластина 96 изготовлена из алюминия и покрыта никелем, и множество проходных каналов 97 воздуха предусмотрено в вертикальном направлении. Теплопередающую пластину 96 можно использовать вместо электропроводного элемента 89, и она может быть вставлена между пластиной 85 положительного электрода и пластиной 86 отрицательного электрода таким образом, что воздух, всасываемый входным вентилятором 83а и входным вентилятором 83b, может быть пропущен через проходной канал 97. Теплопередающая пластина 96 также используется как элемент, находящийся в контакте с пластиной 85 положительного электрода и пластиной 86 отрицательного электрода для электрического соединения пластины 85 положительного электрода с пластиной 86 отрицательного электрода, и она обладает электропроводностью. При этом алюминий обладает относительно низким электрическим сопротивлении и относительно высокой теплопроводностью и является предпочтительным в качестве материала для теплопередающей пластины 96, но он обладает склонностью к окислению. Когда алюминиевая пластина покрыта никелем, окисление подавляется и сопротивление контакта также снижается, и, следовательно, он является еще более предпочтительным в качестве материала для теплопередающей пластины 96.
4.3. Третий конструктивный пример
На фиг.12 показан вид в поперечном сечении модуля батареи в третьем конструктивном примере. На фиг.13 показана схема, представляющая направление потока воздуха в теплопередающей пластине в модуле батареи на фиг.12, при этом изолирующие пластины 107 и 108, показанные на фиг.12, исключены. На фиг.14 показана схема, представляющая направление передачи тепла в модуле батареи по фиг.12.
Модуль 98 батареи составлен путем многослойного построения множества элементов батареи. В каждом элементе батареи, между взаимно противоположно расположенными коллектором 99 тока положительного электрода и коллектором 100 тока отрицательного электрода, гофрированные перегородки 101, которые не коррозируют и не ухудшают свои свойства в щелочном растворе электролита и пропускают ионы и не пропускают электроны, расположены поочередно,  в непосредственной близости к обоим коллекторам тока. Кроме того, в каждом элементе батареи, в пространстве, разделенном гофрированными перегородками 101, и в коллекторе 99 тока положительного электрода расположен лист 103 положительного электрода, содержащий раствор 102 электролита, и активный материал положительного электрода, и в пространстве, разделенном гофрированными перегородками 101 и коллектором 100 тока отрицательного электрода, расположен лист 104 отрицательного электрода, содержащий раствор 102 электролита и активный материал отрицательного электрода, и лист 103 положительного электрода, и лист 104 отрицательного электрода взаимно собраны на обеих сторонах перегородок 101. Лист 103 положительного электрода находится в контакте с коллектором 99 тока положительного электрода, и лист 104 отрицательного электрода находится в контакте с коллектором 100 тока отрицательного электрода. Между двумя расположенными рядом друг с другом элементами батареи вставлена теплоизолирующая пластина 96, как показано на фиг.11, таким образом, что она находится в контакте с коллектором 99 тока положительного электрода одного элемента батареи и коллектором 100 тока отрицательного электрода другого элемента батареи. Направление проходного канала 97 воздуха такой теплоизолирующей пластины 96 совпадает с вертикальным направлением листа 103 положительного электрода и листа 104 отрицательного электрода. Между коллектором 99 тока положительного электрода и коллектором 100 тока отрицательного электрода пространство разделено на положительный электрод и отрицательный электрод перегородкой 101, и область, разделенная перегородкой 101 и коллектором 99 тока положительного электрода и имеющая лист 103 положительного электрода, представляет собой положительный электрод, и область, разделенная перегородкой 101 и коллектором 100 тока отрицательного электрода и имеющая лист 104 отрицательного электрода, представляет собой отрицательный электрод.
Например, на фиг.9 вместо модуля 81 батареи во втором конструктивном примере благодаря использованию модуля 98 батареи в соответствии с таким конструктивным примером можно обеспечить охлаждение модуля 98 батареи.
Как показано на фиг.12, коллектор 99 тока положительного электрода и коллектор 100 тока отрицательного электрода, состоящий из металла, обладающего превосходной электропроводностью и теплопроводностью соответственно, находятся в непосредственном контакте с листом 103 положительного электрода и листом 104 отрицательного электрода, и коллекторы 99 и 100 тока находятся в контакте с теплопередающей пластиной 96, которая играет роль электрического соединения коллектора 99 тока положительного электрода и коллектора 100 тока отрицательного электрода. В соответствии с этим, в то время как воздух проходит через проходной канал 97 воздуха теплопередающей пластины 96 вдоль направления, показанного стрелками на фиг.13, тепло, генерируемое в результате реакции батареи, эффективно переносится вдоль направлений, обозначенных стрелками на фиг.14, и выводится наружу. Таким образом, температура модуля 98 батареи поддерживается в соответствующем диапазоне, что позволяет плавно выполнять реакцию батареи.
Как показано на фиг.12, объединяющий коллектор 105 тока положительного электрода предусмотрен на оконечном участке стороны положительного электрода, и объединяющий коллектор 106 тока отрицательного электрода предусмотрен на оконечном участке стороны отрицательного электрода. На боковом участке модуля 98 батареи предусмотрены пластины 107 и 108 изолятора. На среднем участке объединяющего коллектора 105 тока положительного электрода предусмотрен вывод положительного электрода, аналогичный выводу 94 положительного электрода, например, показанному на фиг.10, и на среднем участке объединяющего коллектора 106 тока отрицательного электрода предусмотрен вывод отрицательного электрода, аналогичный выводу 95 отрицательного электрода, например, показанному на фиг.10.
Лист 103 положительного электрода сформирован, например, путем добавления к активному материалу положительного электрода растворителя, электропроводного заполнителя и смолы для получения пастообразного состава, нанесения на подложку, для формирования в виде пластины и отверждения. Лист 104 отрицательного электрода формируют, например, путем добавления к активному материалу отрицательного электрода растворителя, электропроводного наполнителя и смолы для получения пастообразного состава, нанесения на подложку, для формирования в виде пластины и отверждения. Что касается активного материала положительного электрода, можно использовать активный материал отрицательного электрода или любой известный активный материал. В качестве электропроводного наполнителя можно использовать углеродное волокно, углеродное волокно, покрытое никелем, углеродные частицы, углеродные частицы, покрытые никелем, органическое волокно, покрытое никелем, волокна никеля, частицы никеля или никелевую фольгу, либо по отдельности, или в комбинации. Что касается смолы, можно использовать термопластичную смолу с температурой размягчения вплоть до 120°С, смолу с температурой отверждения с обычной температурой вплоть до 120°С, смолу, растворяемую в растворителе с температурой испарения 120°С или меньше, смолу, растворяемую в растворителе, растворимом в воде, или смолу, растворяемую в растворителе, растворимом в спирте. В качестве подложки можно использовать никелевую пластину или другую электропроводную металлическую пластину.
5. Пример продления срока службы батареи
При добавлении компонента конденсатора к батарее и благодаря этому компоненту конденсатора, заряду и разряду с высокой скоростью и в течение короткого времени можно компенсировать недостаток батареи и, следовательно, можно улучшить срок службы батареи. Более конкретно, поскольку внутреннее сопротивление компонента конденсатора меньше, чем внутреннее сопротивление батареи, при заряде и разряде с высокой скоростью и в течение короткого времени, в основном, заряжается и разряжается компонент конденсатора, и батарея в малой степени заряжается и разряжается. Для получения этого эффекта материал с большой емкостью конденсатора вставляют между перегородкой и активным материалом положительного электрода и между перегородкой и материалом отрицательного электрода. Например, элемент батареи может быть построен в конфигурации, показанной на фиг.15.
В элементе батареи, показанном на фиг.15, сторона положительного электрода окружена коллектором 111 тока положительного электрода, сторона отрицательного электрода окружена коллектором 112 тока отрицательного электрода, и боковой участок окружен изолятором 113. Внутри элемент, окруженный ими, полностью упакован с раствором электролита. Элемент разделен на положительный электрод 115 и отрицательный электрод 116 проницаемой для ионов гофрированной перегородкой 114, которая не коррозирует, не ухудшает свои свойства в щелочном растворе электролита и не пропускает электроны, но пропускает ионы. Внутри положительного электрода 115 расположен гофрированный нетканый материал 117 из волокон полипропилена, содержащий активный материал положительного электрода, полностью находящийся в контакте с перегородкой 114, и, кроме того, расположена гофрированная формованная деталь 118 из пеноникеля, содержащая активный материал положительного электрода, полностью находящийся в контакте с нетканым материалом 117 и частично входящий в контакте с коллектором 111 тока положительного электрода. Внутри отрицательного электрода 116 расположен гофрированный материал 119 из полипропиленовых волокон, содержащих активный материал отрицательного электрода, полностью находящийся в контакте с перегородкой 114, кроме того, расположена гофрированная формованная деталь 120 из пеноникеля, содержащая активный материал отрицательного электрода, полностью находящаяся в контакте с нетканым материалом 119 и частично находящаяся в контакте с активным материалом 112 отрицательного электрода. В конфигурации, показанной на фиг.15, гофрированный нетканый материал 117 из полипропиленовых волокон и гофрированный нетканый материал 119 из полипропиленовых волокон соответствуют компонентам конденсатора.
В батарее закрытого типа, имеющей конфигурацию, показанную на фиг.15, когда гофрированный нетканый материал 117 из полипропиленовых волокон и гофрированный нетканый материал 119 из полипропиленовых волокон удалили, как показано на фиг.15, ресурс, выраженный в циклах заряда, составил 4000 циклов, но когда гофрированный нетканый материал 117 из полипропиленовых волокон и гофрированный нетканый материал 119 из полипропиленовых волокон содержится в составе батареи, срок службы, выраженный в циклах заряда, составил более чем 10000 циклов.
Модуль батареи может быть построен путем послойной укладки множества элементов батареи, имеющих конфигурацию, показанную на фиг.15. Например, так же, как и в предыдущих втором и третьем конструктивных примерах, множество элементов батареи, имеющих такую конфигурацию, как показано на фиг.15, могут быть соединены последовательно с использованием электропроводного элемента 89, показанного на фиг.10, или теплопередающей пластины 96, показанной на фиг.11.
В каждом конструктивном примере, пояснявшемся выше, модуль батареи построен путем послойной укладки множества элементов батареи, где положительный электрод и отрицательный электрод расположены так, что они размещаются в том же направлении, что и направление размещения (направление установки) элементов батареи и пластины коллектора тока (элемент 47 коллектора тока на фиг.6, пластина 85 положительного электрода и пластина 86 отрицательного электрода на фиг.10, коллектор 99 тока положительного электрода и коллектор 100 тока отрицательного электрода по фиг.12 и на других фигурах), располагается между положительным электродом одного из расположенных рядом друг с другом элементов батареи, и отрицательным электродом другого элемента батареи. Путем формирования коллектора тока (элемента 47 коллектора тока на фиг.6) с использованием пористого материала формируется канал для охладителя внутри коллектора тока. Или между коллекторами тока (пластина 85 положительного электрода и пластина 86 отрицательного электрода на фиг.10, коллектором 99 тока положительного электрода и коллектором 100 тока отрицательного электрода (см. фиг.12) вставлен электропроводный элемент 89 (см. фиг.10), формирующий проходной канал 88 воздуха в середине, или теплопередающая пластина 96 (см. фиг.11), имеющие отверстия для пропускания, используемые в качестве проходного канала 97 воздуха. В этой конфигурации тепло, генерируемое во время реакции батареи, может эффективно отбираться охладителем (например, воздухом) из коллектора тока и может быть выведено наружу таким образом, что улучшается эффект охлаждения.
В этом примере в качестве охладителя используется воздух (носитель передачи тепла), но можно использовать воду, масло или другую жидкость. Не ограничиваясь этими примерами, можно использовать любой носитель передачи тепла, газообразный или жидкий, обычно известный как носитель передачи тепла.
Также, кроме того, модуль батареи построен путем послойной укладки множества элементов батареи, и в это время положительный электрод и отрицательный электрод располагаются так, что они размешаются в том же направлении, что и направление размещения (направление установки) элементов батареи, и пластины коллектора тока (элемент 47 коллектора тока по фиг.6, пластина 85 положительного электрода и пластина 86 отрицательного электрода по фиг.10, и коллектор тока 99 положительного электрода, и коллектор 100 тока отрицательного электрода по фиг.12, и другие) располагаются между положительным электродом и одним из расположенных в непосредственной близости элементов батареи, и отрицательный электрод другого элемента батареи и одну пластину коллектора тока (элемент 47 коллектора тока по фиг.6) используют совместно в качестве коллектора тока для двух соседних элементов батареи, или две, расположенные в непосредственной близости друг к другу пластины коллектора тока (пластина 85 положительного электрода и пластина 86 отрицательного электрода на фиг.10, и коллектор 99 тока положительного электрода и коллектор 100 тока отрицательного электрода по фиг.12) могут быть соединены с более широкой площадью контакта, используя электропроводный элемент 89 (см. фиг.10) или теплопередающую пластину 96 (см. фиг.11), и поэтому, поскольку множество элементов батареи соединены последовательно, может быть дополнительно уменьшено эквивалентное внутреннее сопротивление модуля батареи.
Как описано здесь, при построении модуля батареи, как показано в каждом конструктивном примере, при установке охлаждающей структуры тепло, генерируемое в ходе реакции батареи, может быть удалено, что предотвращает ухудшение рабочих характеристик батареи и позволяет продлить срок эксплуатации батареи. Кроме того, эквивалентное внутреннее сопротивление модуля батареи может быть дополнительно уменьшено. Следовательно, никель-гидридная батарея 8 имеет увеличенный срок службы, и эквивалентное внутреннее сопротивление может быть дополнительно уменьшено.
6. Краткие выводы
Как описано выше, в соответствии с системой электроснабжения электрической железной дороги в первом предпочтительном варианте воплощения изобретения, на подстанции 9 никель-гидридная батарея 8 непосредственно подключена к линии 5 питания и к проводам 15. В этой конфигурации очень дорогостоящее устройство управления зарядом-разрядом, такое как повышающий и понижающий прерыватель, не требуется, таким образом, все устройство упрощается по конструкции и снижаются производственные затраты. Кроме того, отсутствует задержка во время работы, связанная с устройством управлением зарядом-разрядом, и проявляются отличные по скорости характеристики заряда-разряда, и напряжение в линии питания может быть стабилизировано. Кроме того, если повышающий и понижающий прерыватель, используемый в качестве устройства управления зарядом-разрядом, будет включен, устройство не создает гармонические шумы, которые могут нарушить работу сигнального устройства.
3
Система электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с первым предпочтительным вариантом воплощения изобретения не требует устройства управления зарядом-разрядом, и при этом не требуется место для установки такого устройства. Обычно никель-гидридная батарея обладает большой энергетической емкостью, и при этом не требуется много места для установки даже в случае никель-гидридной батареи 8 большой емкости, состоящей из множества элементов батареи. Как показано в конструктивных примерах, описанных выше, благодаря составлению никель-гидридной батареи 8 с использованием модуля батареи, формируемого путем послойного построения элементов батареи, размер дополнительно уменьшается, и место для установки может быть меньшим. Например, никель-гидридная батарея 8 с напряжением 750 В и током 800 А/час, используемая в демонстрационных испытаниях, имела объем 18 м.
Поскольку никель-гидридная батарея 8 имеет малое внутреннее сопротивление, количество генерируемого тепла в батарее уменьшается, и тепловые потери снижаются, и устройство удаления тепла для этой батареи может быть уменьшено.
В электрическом транспортном средстве на железной дороге внезапные изменения тока и напряжении происходят из-за мгновенных включений/выключений большого тока, отрыва пантографа от силовой линии или отрыва башмака коллектора, тока от контактного рельса. Поскольку никель-гидридная батарея обладает эффектом конденсатора и в случае внезапного повышения напряжения или в случае внезапной подачи большого тока, по сравнению с другими батареями, изменение напряжения в целом для батареи происходит плавно. Когда элементы никель-гидридной батареи 8 сформированы как элементы батареи, показанные на фиг.15, в качестве примера улучшения долговечности, описанного выше, эффект конденсатора никель-гидридной батареи 8 может быть дополнительно улучшен.
Второй предпочтительный вариант воплощения
1. Конфигурация и работа системы электроснабжения электрической железной дороги
На фиг.16 в общих чертах представлена структурная схема системы электроснабжения электрической железной дороги во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения. В первом предпочтительном варианте воплощения никель-гидридная батарея 8 была установлена на подстанции 9 для электрической железной дороги. В отличие от этого в системе электроснабжения электрической железной дороги во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, включающие в себя никель-гидридную батарею 8, установлены в других положениях, кроме подстанции 9, таких как промежуточные точки между подстанцией и другой подстанцией для электрической железной дороги.
Модуль батареи, составляющий никель-гидридную батарею 8, используемый в системе электроснабжения электрической железной дороги во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения, может быть таким же, как и модуль батареи для составления никель-гидридной батареи 8, используемой в первом предпочтительном варианте воплощения.
В системе электроснабжения электрической железной дороги, показанной на фиг.16, устройства 10a и 10b накопления и подачи электроэнергии имеют конструкцию, в которой никель-гидридная батарея 8 непосредственно подключена к линии 5 питания. Здесь конструкция, в которой никель-гидридная батарея 8 непосредственно подключена к линии 5 питания, означает то же, что и в первом предпочтительном варианте воплощения, то есть никель-гидридная батарея 8 непосредственно соединена с линией 5 питания без использования устройства управления зарядом-разрядом. На стороне положительного электрода никель-гидридной батареи 8 имеется внешний вывод, соединенный с линией 5 питания, и на стороне отрицательного электрода установлен внешний вывод, соединенный с обратным проводом (рельсом) 7. Таким образом, пара внешних выводов никель-гидридной батареи 8 соединена с линией 5 питания и обратным проводом 7. Как отмечено в первом предпочтительном варианте воплощения, никель-гидридная батарея обеспечивает малые вариации напряжения относительно SOC, и устройство управления зарядом-разрядом не требуется, и она может быть подключена непосредственно к линии 5 питания и обратному проводу 7.
Устройства 10a и 10b накопления и подачи электроэнергии установлены в месте, находящемся вне площадки подстанций электрической железной дороги (подстанции для электрического транспортного средства) 9а и 9b, и устройства 10a и 10b накопления и подачи электроэнергии никель-гидридной батареи 8 непосредственно соединены с участками линий 5 питания, отличающимися от положений подключения подстанций 9а и 9b и линии 5 питания. Более конкретно, в устройстве 10b накопления и подачи электроэнергии никель-гидридная батарея 8 непосредственно соединена с линией 5 питания в промежуточной точке между подстанцией 9а электрической железной дороги и подстанцией 9b электрической железной дороги. Что касается устройства 10а накопления и подачи электроэнергии, никель-гидридная батарея 8 непосредственно соединена с линией 5 питания в положении ближе к оконечному участку 5е линии 5 питания от ближайшей подстанции 9а электрической железной дороги до оконечного участка 5е линии 5 питания или на оконечном участке 5е линии 5 питания.
В системе электроснабжения электрической железной дороги в соответствии с настоящим вариантом выполнения, имеющей такую конфигурацию, регенерируемая электроэнергия, генерируемая в электрических транспортных средствах 11а, 11b и 11с, накапливается в никель-гидридной батарее 8, установленной в устройствах 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии. Электроэнергию, накопленную в никель-гидридной батарее 8, подают соответственно в электрические транспортные средства 11a, 11b и 11e в зависимости от состояния напряжения линии 5 питания.
В такой конфигурации, когда напряжение линии 5 питания становится ниже, чем напряжение никель-гидридной батареи 8 в устройствах 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, электроэнергию получают в ходе разряда никель-гидридной батареи 8 в линию 5 питания, и при этом предотвращается снижение напряжения в линии питания. В результате можно предотвратить проблемы, связанные с работой отдельных электрических транспортных средств при пониженном напряжении линии питания, и характеристики движения электрических транспортных средств гарантируются, и неудобства в работе всех электрических транспортных средств в целом могут быть исключены. Кроме того, во время генерирования регенерируемой электроэнергии, если напряжение в линии питания начинает расти выше напряжения никель-гидридной батареи 8 в устройствах 10а и 10b подачи и накопления электроэнергии, никель-гидридную батарею 8 заряжают, и при этом подавляется повышение напряжения в линии питания. В результате могут быть исключены отключения регенерации или другие проблемы, и динамическая энергия электрических транспортных средств не будет расходоваться напрасно.
Здесь сама линия 5 питания обладает собственным сопротивлением, и по мере удаления от подстанции снижение напряжения становится большим. Другими словами, когда электрическое транспортное средство, работающее в точке, удаленной от подстанции, ускоряется и потребляет большое количество электроэнергии, повышается падение напряжения, что может нарушить движение электрического транспортного средства. И, наоборот, когда электрическое транспортное средство замедляется, напряжение линии питания повышается в результате генерирования регенерируемой электроэнергии. В это время из-за сопротивления линии 5 питания увеличение напряжения в линии питания рядом с электрическим транспортным средством, генерирующим регенерируемую электроэнергию, проявляет тенденцию увеличения до большей степени, чем увеличение напряжения в линии питания в положении ближе к подстанции по сравнению с электрическим транспортным средством, и может привести к отказу регенерации или другим проблемам.
Такая проблема возникает из-за сопротивления в линии 5 питания и расстояния от подстанции до электрического транспортного средства. Во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения, в частности, устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии установлены между подстанцией 9а и подстанцией 9b или ближе к конечной точке или исходной точке железной дороги. В результате расстояние между устройствами 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии и электрическим транспортным средством может быть установлено относительно более коротким, и это позволяет эффективно уменьшить вариации при падении напряжения в линии питания во время разряда из никель-гидридной батареи 8 или повышения напряжения в линии питания во время заряда никель-гидридной батареи 8.
Устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии могут быть установлены между подстанциями, в соответствии с необходимостью, и при этом не требуется устанавливать их на всех участках между подстанциями. Например, если расстояние между подстанциями короткое, нет необходимости устанавливать такой блок. На оконечном участке линии питания он может быть установлен, если необходимо, и он не нужен, если расстояние между оконечным участком линии питания и подстанцией короткое.
Если будут установлены устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, в случае возникновения отказа подачи электроэнергии из-за проблем на ближайшей подстанции электрическое транспортное средство может получать привод и быть доставлено до ближайшей электростанции при подаче энергии от устройств 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии. Кроме того, в течение короткого времени устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии можно использовать вместо подстанции таким образом, что на подстанции могут быть выполнены технические работы при временной остановке функции подстанции.
При укладке новой железной дороги устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии могут быть установлены между подстанциями, и интервал между подстанциями может быть увеличен, и количество подстанций может быть сокращено. По сравнению с устройствами 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, состоящими из никель-гидридных батарей 8, затраты на строительство подстанции являются огромными. Кроме того, благодаря исключению существующей подстанции на железной дороге могут быть установлены устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, и освободившийся участок земли можно эффективно использовать. Таким образом, устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии можно использовать как замену подстанции, что было доказано в следующем демонстрационном тесте.
2. Результаты демонстрационного теста
Был проведен демонстрационный тест системы электроснабжения электрической железной дороги в соответствии со вторым предпочтительным вариантом воплощения изобретения. На фиг 17А-17D показаны схемы, представляющие результаты демонстрационного теста.
В этом демонстрационном результате, на подстанции для электрической железной дороги на определенном участке с двойным путями в Японии, например, никель-гидридную батарею 8 подключили между линией 5 питания и обратным проводом 7 так, что ее подключили параллельно к выпрямительному устройству 4, и в результате остановки функции подстанции устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, имеющие никель-гидридную батарею 8, использовались в качестве тестового модуля, и емкость устройств 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии, установленных через интервал, в два раза больше обычного интервала подстанций тестировали.
В этом демонстрационном тесте спецификации напряжения линии питания составили 750 В и спецификации никель-гидридной батареи 8 составили 712,5 В и 800 А·час. Выпрямительное устройство 4 в остановленном состоянии и никель-гидридную батарею 8 подключили к линии питания, соединенной с кабелями электрического транспортного средства для прямого поезда и обратного поезда. Никель-гидридная батарея 8, используемая для этого теста, была составлена, например, как показано на фиг.2, путем подключения четырех модулей 8А-8D параллельно. Каждый из модулей 8А-8D состоял из 19 модулей батареи с напряжением 37,5 В и 200 А·час, соединенных последовательно. Каждый модуль батареи состоял из 30 элементов батареи, включенных последовательно.
На фиг.17А показана схема, представляющая вольтамперную (напряжение-ток) характеристику никель-гидридной батареи 8 за период с 5:00 до 6:00 утра в день демонстрационного теста. На фиг.17В показана схема, представляющая вольтамперную характеристику никель-гидридной батареи 8 за период с 6:00 до 7:00 того же дня. На фиг.17С показана схема, представляющая вольтамперную характеристику никель-гидридной батареи 8 за период с 7:00 до 8:00 в тот же день. На фиг.17D показана схема, представляющая вольтамперную характеристику никель-гидридной батареи 8 за период с 8:00 до 9:00 в тот же день. Здесь отрицательное значение тока обозначает заряд и положительное значение обозначает разряд.
На фиг.17А-17D вольтамперные характеристики показаны прямыми линиями (е)-(h), и прямые линии (е)-(h) составляли приблизительно В=-0,05I+752.
Как можно видеть из результатов демонстрационного теста, на прямых линиях (е)-(h) внутреннее сопротивление составило приблизительно 0,05 Ом. Наибольшее напряжение составило 815 В, и самое нижнее напряжение составило 637 В, и даже в часы напряженного утреннего движения вариации напряжения в линии питания 750 В находились в пределах допустимого диапазона от 900 В до 600 В, и, следовательно, подтвердилось, что объект электроснабжения на основе никель-гидридной батареи можно использовать вместо объекта подстанции.
3. Краткие выводы
Система электроснабжения электрической железной дороги в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения была составлена путем подключения никель-гидридной батареи 8 непосредственно к линии 5 питания, так же как и в первом предпочтительном варианте воплощения. В соответствии с этим не требуется использовать очень дорогостоящее устройство управления зарядом-разрядом, такое как повышающий и понижающий прерыватель, таким образом, что вся структура упрощается и снижаются затраты на производство. Кроме того, отсутствует задержка в работе, связанная с устройством управления зарядом-разрядом, и обеспечивается отличная и быстрая характеристика заряда-разряда, и при этом стабилизируется напряжение в линии питания. Более того, если можно исключить повышающий и понижающий прерыватель, используемый как устройство управления зарядом-разрядом, отсутствует риск возникновения гармонических шумов, которые могут нарушать работу сигнального устройства.
В частности, никель-гидридная батарея 8 была непосредственно подключена к линии 5 питания в положении, удаленном от подстанции, например, в промежуточной точке между подстанцией и другой подстанцией, или на оконечном участке линии 5е питания, которая соответствует конечной точке или исходной точке железной дороги, и устройства 10а и 10b накопления и подачи электроэнергии могут быть построены. В результате в положении, удаленном от подстанции, батарея эффективно подавляла существенные падения напряжения линии питания, связанные с сопротивлением самой линии питания или с ускорением электрических транспортных средств, и характеристики движения электрических транспортных средств могли быть гарантированы, так что не возникали какие-либо проблемы при движения электрических транспортных средств. Одновременно благодаря подавлению существенного увеличения напряжения в линии 5 питания, из-за регенерируемой мощности, генерируемой во время торможения электрических транспортных средств, можно исключить расточительное расходование динамической энергии электрических транспортных средств из-за отказа регенерования или других проблем.
В первом предпочтительном варианте воплощения изобретения в системе электроснабжения электрической железной дороги установлена никель-гидридная батарея на подстанции для электрической железной дороги. Во втором предпочтительном варианте воплощения изобретения в системе электроснабжения электрической железной дороги установлена никель-гидридная батарея в месте, находящемся вне подстанции электрической железной дороги. Таким образом, место установки никель-гидридной батареи не определено чем-либо конкретным. Например, одна никель-гидридная батарея может быть установлена на подстанции электрической железной дороги, а другие никель-гидридные батареи могут быть установлены в других местах, вне подстанции электрической железной дороги.
Промышленная применимость
Система электроснабжения электрической железной дороги, имеющая никель-гидридную батарею в соответствии с изобретением, предпочтительно используется как система электроснабжения электрической железной дороги, имеющая никель-гидридную батарею, которую устанавливают на подстанции для электрической железной дороги.
Кроме того, система электроснабжения электрической железной дороги, имеющая никель-гидридную батарею в соответствии с изобретением, предпочтительно используется как система электроснабжения электрической железной дороги, имеющая никель-гидридную батарею, устанавливаемую в положении, удаленном от подстанции электрической железной дороги.