メンテナンスを考慮した電池システム
【課題】複数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムにおいて、その出力電圧を、高価な充放電制御装置を用いることなく、簡便に調整することが可能な電池システムを提供する。
【解決手段】単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールＢと、第１電池モジュールに直列接続され、単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子１１と負極端子１２の間に電気を取り出すための接続端子２１を設けた第２電池モジュールＢ’と、単位電池における、第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材７１とを備えた電池システムであって、短絡部材により短絡された単位電池の数に応じて第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能であるメンテナンスを考慮した電池システム。
【解決手段】単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールＢと、第１電池モジュールに直列接続され、単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子１１と負極端子１２の間に電気を取り出すための接続端子２１を設けた第２電池モジュールＢ’と、単位電池における、第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材７１とを備えた電池システムであって、短絡部材により短絡された単位電池の数に応じて第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能であるメンテナンスを考慮した電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上蓄電設備や車両搭載に用いられる電池システムに関し、詳しくは、その電池システムのメンテナンス技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な電気鉄道用の変電所では、例えば、電力会社からの交流電力を直流電力に変換して、き電線に供給している。電気車両は、前記き電線から架線を経由して直流電力の供給を受けて、運行を行なっている。
【０００３】
電気車両は、加速時には、架線から供給された電力を、車両に搭載された電力制御装置を介して走行用のモータに電力を供給することで、電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。このとき、一般的に架線電圧は降下する。
【０００４】
また、反対に減速時には電気車両が持つ走行エネルギーを、走行用のモータを発電機として作用させることにより電気エネルギーに変換し、回生電力が架線に流れる。このとき、一般的に架線電圧は上昇する。
【０００５】
変電所に大型の電池システムを設備して、余剰回生電力を当該電池システムに充電することにより蓄積し、架線の電圧が降下したときに放電することにより、架線電圧の変動を緩和することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような電池システムは、回生電力の有効利用及び架線電圧の適正値維持による運行性能維持の面から最近注目を浴びている。
【０００６】
一方、充放電制御装置を用いずに、変電所に設備した電池システムを用いて、回生電力の有効利用を図るとともに、変電所の送電能力を補完する電力供給システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
変電所等に設置される電池システムは、多数の電池を直列接続して構成される電池モジュールを多数直列および並列に接続して構成されるところ、当該電池モジュールにおいては、充放電サイクルを繰り返す過程で、単位電池間の性能劣化度合いにバラつきが生じ、充放電容量のバランスが大きく崩れた状態が発生することがある。他の単位電池に比較して充放電容量が極端に劣化した単位電池が発生した状態で電池モジュールの充放電を行えば、劣化した単位電池が過充電または過放電されることになり、電池モジュールの性能を維持することが困難となる。
【０００８】
このような問題点を解決する方法として、単位電池の正極と負極の間を金属片からなる短絡部材で短絡して劣化した単位電池を電池モジュールから除外する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１０７７１５号公報
【特許文献３】特開２０１０−０４９８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
変電所に大型の電池システムを設備して、回生電力の回収を図る電気鉄道用の電力供給システムが提案されている（上記特許文献１）。しかし、当該電力供給システムには電池システムの電圧を適切に調整して架線に接続するための充放電制御装置を必要としている。
【００１１】
この理由は、通常の二次電池では、電池のＳＯＣ（充電状態）に対する出力電圧（正確には端子電圧）が大きく変化するので、充放電制御装置を用いて電池システムの電圧を架線電圧に適合させて、架線に接続する方法が取られているからである。この充放電制御装置は高価であるし、設置に場所を取るので、係る電池システムの普及を阻む要因となっている。
【００１２】
ニッケル水素電池は、電池のＳＯＣに対する出力電圧の変化が小さく、電池システムの出力電圧を架線電圧に適合させるために、充放電制御装置を必要としない（上記特許文献２）。
【００１３】
しかし、不具合が生じた単位電池の正極と負極の間を金属片からなる短絡部材で短絡して劣化した単位電池を電池モジュールから除外する例えば特許文献３に示すような方法をとれば、当該電池モジュールの出力電圧は低下する。
【００１４】
短絡部材により短絡される単位電池の数が増えれば、多数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムの出力電圧が低下することとなり、ニッケル水素電池においても所定の出力電圧に調整する場合は充放電制御装置を必要とすることとなる。
【００１５】
このように不具合を生じた単位電池を短絡して除外した後において、電池システムの出力電圧を調整したいという要望は、電気鉄道用の電力供給システムのみならず、一般産業用の電力供給システムにおいてもみられることである。
【００１６】
本発明の目的は、上記課題を解決するために、複数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムにおいて、その出力電圧を、高価な充放電制御装置を用いることなく、簡便に調整することが可能な電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために本発明に係るメンテナンスを考慮した電池システムは、単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールと、前記第１電池モジュールに直列接続され、前記単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けた第２電池モジュールと、前記単位電池における、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材とを備えた電池システムであって、前記短絡部材により短絡された前記単位電池の数に応じて前記第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能である。
【００１８】
この構成によれば、電池モジュールを複数台直列に接続してなる電池システムにおいて、当該電池モジュールのプラス側の電気を取り出すための前記正極端子とマイナス側の電気を取り出すための前記負極端子の間に、前記正極端子または前記負極端子とは別の接続端子を設けて、第２電池モジュールを構成することにより、前記正極端子と前記負極端子間の電圧よりも小さな電圧を取り出すことを可能にしている。これにより、電池モジュールの出力電圧を調整可能にしている。
【００１９】
不具合が生じた単位電池のプラス側の電気の集電体である正極板とマイナス側の電気の集電体である負極板の間を、導電性の短絡部材を介して、単位電池を外部短絡させることができる。これにより、簡単な構造の短絡部材を電池モジュールに追加するのみで、確実に不具合の生じた単位電池を外部短絡させて、電池システムの搭載された車両の運行を確保することができる。
【００２０】
外部短絡した単位電池のセル数に応じて第２電池モジュールの電気の取り出す端子を選ぶことにより、電池システムの出力電圧を所定の値に保つことができる。このような電気の取り出し端子は接続端子であってもよく、また、正極端子もしくは負極端子であってもよい。
【００２１】
請求項２記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記単位電池の出力電圧を計測するセル電圧計と、前記セル電圧計からの信号を受信する電池監視装置を備えていて、前記セル電圧計の電圧値が所定の値より小さいときに、前記電池システムの出力に設けた遮断器を作動させる。
【００２２】
この構成によれば、電池性能の劣化した単位電池をその出力電圧を計測することにより検知して、電池システムの運転を停止させるために、電池システムの出力に設けた遮断器を開放させる。遮断器を作動させる電圧値は変更可能である。また、電流計を設けて異常な過電流が流れたときに遮断器を作動させてもよい。
【００２３】
請求項３記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記セル電圧計の電圧値から単位電池が短絡状態であると判断されるときは、当該セル電圧の電圧値により前記遮断器を作動させない。
【００２４】
この構成によれば、短絡状態の判断はセル電圧計の計測値で行う。例えば、ほぼゼロの電圧値が複数回以上計測された場合に遮断器を開放する。ほぼゼロというのはセル電圧計には誤差があるし、また、接続部分の熱起電力より、実際の電圧はゼロにも関わらず値を持って計測される場合があるので、多少の許容差を持たせる必要があるためである。複数回は好ましくは３回以上であって、過渡的な影響を排除する時間的余裕を持たせたものである。
【００２５】
請求項４記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記第２電池モジュールにおいて、隣接する前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる。
【００２６】
この構成によれば、接続端子は電気を第２電池モジュールの外部に取り出すためのものであり、第２電池モジュールの単位電池の間に中間集電体を設けて、中間集電体に前記接続端子を設ける。このような中間集電体は好ましくは１〜４であって、中間集電体は多すぎると単位電池の収納数が減るので最大４であることが好ましい。このような構成とすることにより、容易に第２電池モジュールより所定の電池モジュールの中間の電圧を取り出すことが可能となる。
【００２７】
請求項５記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記第２電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、前記中間集電体の厚みが前記単位電池と前記導電部材の厚みに等しい。
【００２８】
この構成によれば、中間集電体の厚みを単位電池と前記導電部材とを合わせた厚みにすることにより、電池モジュールの設計寸法の標準化を図ることが可能となる。これは、接続端子を設けない第１電池モジュールにおいて、通常であれば単位電池等が収納される場所に中間集電体を配置することにより第２電池モジュールを構成することができるからである。これにより、製品の歩留まりを改善して、製造コストの上昇を抑えることができる。
【００２９】
請求項６記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、前記導電部材に、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に直交して延びる係合孔が形成されており、前記短絡部材は、板状の本体部と、該本体部に突設され前記単位電池を介して隣り合う２つの前記導電部材の各係合孔に係合する係合突起とを有する。
【００３０】
この構成によれば、電池モジュールを構成する単位電池間に、係合孔を有する板状の導電部材を介在させ、この導電部材、および、導電部材の係合孔に係合する係合突起を有する短絡部材を介して、単位電池を外部短絡させることができる。したがって、簡単な構造の導電部材および短絡部材を電池モジュールに追加するのみで、確実に異常な単位電池を外部短絡させて、電池が搭載される車両の運行を確保することができる。しかも、導電部材および短絡部材の材質や寸法を変更することが可能となる。また、比較的過充電・過放電に対する安全性の高いニッケル水素二次電池のようなアルカリ系二次電池に適用するので、異常な単位電池を検出したときに応急処置的に１セルのみ外部短絡させても、残りの単位電池に大きな影響を及ぼすことなく、電池モジュールの性能を確保することができる。
【００３１】
請求項７記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記導電部材の前記係合孔が気体又は液体からなる冷媒の流通経路を構成しており、冷媒を流すことにより前記導電部材を介して前記単位電池の冷却が可能である。
【００３２】
この構成によれば、このように構成することにより、導電部材を、単位電池を冷却するための放熱板として利用することが可能になる。その結果、電池モジュールにおける単位電池を冷却して、充放電時の電池温度上昇を抑制することにより、単位電池間の容量劣化のばらつきを抑えてより確実に電池モジュールの性能を確保することができる。
【００３３】
請求項８記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記電池監視装置は、前記単位電池を流れる電流を計測する電流計からの信号を受信して、前記単位電池のＳＯＣを計算するとともに、前記第２電池モジュールにおいて新しく供用になる単位電池のＳＯＣが前記短絡部材で短絡されていない単位電池のＳＯＣと同じになるように充電を行う充電器を備えている。
【００３４】
この構成によれば、電池監視装置においてセル電圧計やモジュール温度計の計測値から単位電池毎に電池の充電状態を示すＳＯＣを計算しておき、短絡部材で短絡されていない正常な単位電池のＳＯＣの平均値となるまで第２電池モジュールの単位電池を充電する。このように充電することにより電池システムを構成する単位電池間の性能のバラツキが防止できる。なお、充電器は電池監視装置にその機能を備えていてもよく、好ましくは別途準備されていてもよい。
【００３５】
請求項９記載の電気鉄道用電力供給システムは、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、前記電池システムを前記き電線に直結してなる。
【００３６】
この構成によれば、電池システムは高価な充放電制御装置を用いることなく、架線に直接接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図２】図１の電池モジュールにおける単位電池を示す部分破断平面図である。
【図３】図１の電池モジュールのケーシングの内部を示す斜視図である。
【図４】図３ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るセル数調整用電池モジュールを示す部分破断図面である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は接続端子近傍の拡大図である。
【図６】図１の電池モジュールにおける電池積層体を示す概略構成図であり、（ａ）は電池積層体の平面図、（ｂ）は電池積層体の側面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る短絡部材を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係る短絡部材の取り付け状態を示す図であり、（ａ）は、図７の短絡部材を導電部材に取り付けた状態の正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る電池システムを構成する電池モジュールの接続図である。（ａ）は第１電池モジュールの電気取り出し部の接続図であり、（ｂ）は第２電池モジュールの電気取り出し部の接続図であり、（ｃ）は第１電池モジュールと第２電池モジュールの接続図である。
【図１０】電池監視システムにおけるデータ収集システムを示す系統図である。
【図１１】電池システムの保護系統図を示す図面である。
【図１２】電池システムのアラームリストである。
【図１３】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの接続状態を示す電池構成図面であり、（ａ）は不具合セルがない状態における接続構成図であり、（ｂ）は不具合セルが生じた場合の接続構成図であり、（ｃ）はセル数調整用モジュールを接続した状態における接続構成図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明に係る電池システムの実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３９】
まず、第１電池モジュールＢの一例を示した後に、第２電池モジュールＢ’の説明を行なう。
【００４０】
図１は第１電池モジュールＢ（以下特に区別する必要がないときは、電池モジュールＢと称す）の構造を示す部分破断側面図である。この電池モジュールＢは、例えば、電気鉄道の変電所に設置されるものであって、好ましくは密閉式の角形電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１と、電池積層体１を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３、圧縮板５および締付けボルト７とを主要な構成要素として備えており、これら主要な構成要素が、絶縁素材からなるケーシング９によって覆われている。
【００４１】
図２は、図１に示す単位電池Ｃの構造の一例を示す部分破断平面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１７と、正極部材１８および負極部材１９とを含む電極体１０と、電極体１０を電解液とともに収容する角形形状の収納容器１３とを備えている。収納容器１３は、絶縁素材からなる矩形の枠形部材１４と、互いに対向して枠形部材１４の二つの開口をそれぞれ覆う、導電素材からなる第１蓋部材１５および第２蓋部材１６とから構成されている。
【００４２】
電極体１０は、複数の正極部材１８と複数の負極部材１９とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１７を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。収納容器１３の第１蓋部材１５および第２蓋部材１６は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、正極部材１８は第１蓋部材１５に、負極部材１９は第２蓋部材１６に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第１および第２蓋部材１５，１６は、それぞれ、単位電池Ｃのプラス側の電気の集電体である正極板とマイナス側の電気の集電体である負極板とを兼ねている。
【００４３】
また、単位電池Ｃには、単位電池Ｃの電圧を監視するための電圧監視端子４６が設けられている。電圧監視端子４６は、１対、つまり正極側と負極側とに各１つずつ設けてもよいが、電池モジュールＢにおける隣接する単位電池Ｃの正極側と負極側とで、１つの端子４６を共有することが好ましい。
【００４４】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池モジュールＢの構造について説明する。本実施形態における電池モジュールＢの電池積層体１は、図１に示すように、単位電池Ｃと導電板３１とを積層したものであり、単位電池Ｃは隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１５（図２）と、他方の第２蓋部材１６（図２）とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、単位電池Ｃの間には導電板３１が介在している。なお、本実施形態において、単位電池Ｃ毎に単位電池Ｃの両面に導電板３１を介在させているが、２組の単位電池Ｃについて１つの導電板３１を介在させてもよい。
【００４５】
図３は、電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体４７を部分的に破断して示す斜視図である。なお、以下の説明において、電池積層体１の正極側（図３の手前側）を前側と呼び、負極側（図３の奥側）を後側と呼ぶ。電池積層体１の積層方向Ｘの両側面には、積層方向Ｘに沿って延びる一組の板状の部材として形成された側面板３が配置されて、電池積層体１の両側面を覆っている。側面板３の、積層方向Ｘの前端部と後端部には、それぞれ、板状の圧縮部材である圧縮板５が側面ボルト３２によって固定されており、前後の各圧縮板５，５によって、電池積層体１の積層方向Ｘの前面および後面が覆われている。また、電池積層体１の積層方向Ｘの上方および下方には、積層方向Ｘに沿って延びる板状部材である上面板３３および下面板３４がそれぞれ配置されている。上面板３３および下面板３４がボルト連結して側面板３に固定されている。
【００４６】
図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図４に示すように、電池積層体１の前端部に位置する単位電池Ｃの第１蓋部材１５の前側には、正極側の集電部材となる第１集電板３５が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第１集電板３５の前側には、絶縁板３７が配置されている。
【００４７】
電池積層体１の後端部も、前端部と同様の構造を有しており、電池積層体１の後端部に位置する単位電池Ｃの第２蓋部材１６の後側には、負極側の集電部材となる第２集電板３６が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第２集電板３６の後側には、絶縁板３７が配置されている。
【００４８】
第１集電板３５には、電池モジュールＢの正極端子１１として機能する正極端子ボルト４５が螺合されている。そして、電池積層体１の後端部には、前端部と同様に負極端子１２が第２集電板３６に螺合されて取り付けられている。なお、導電板３１には単位電池Ｃの発生する熱を外部に放出するための冷媒を通す通気孔３８が設けられている。
【００４９】
本実施形態において電池モジュールＢは３０の単位電池Ｃで構成されている。変電所の公称電圧が４５０Ｖである場合、単位電池当りの出力電圧が１．３６７Ｖとして、電池モジュールを１１台直列に接続して電池システムを組めばよいことになる。もっとも、電池モジュールＢを構成する単位電池Ｃの数は３０に限定されるものでなく、また、電池システムを構成する電池モジュールＢの数も１１に限定されるものでない。システム仕様に合わせて適宜変更可能である。
【００５０】
【数１】
【００５１】
次に、第２電池モジュールＢ’（以下、セル数調整用電池モジュールと称す）の一実施形態について図５を用いて説明する。なお、電池モジュールＢと共通の部分については説明を省略し、同一の符号を用いて示している。
【００５２】
図５において、図５（ａ）は前記セル数調整用電池モジュールＢ’の平面図であり、図５（ｂ）は同側面図である。図５に示す実施形態において、導電板３１は単位電池Ｃの両側に設けてある。
【００５３】
本実施形態においては、正極側集電部である第１集電板３５と負極側集電部である第２集電板３６の間であって、単位電池Ｃの間に中間集電体２０が２つ、離れて設けられている。すなわち、中間集電体２０の一方の面が単位電池Ｃの第１蓋部材１５と接し、中間集電体２０の他方の面が別の単位電池Ｃの第２蓋部材１６に接するように中間集電体２０が配置されている。そして、後端側の中間集電体２０と第２集電板３６の間に単位電池Ｃが９セル、前端側の中間集電体２０と第1集電板３５の間に単位電池Ｃが９セル、２つの中間集電体２０の間に１０セルと全部で２８セルを積層してセル数調整用電池モジュールＢ’を構成している。中間集電体２０は、電気の良導体であるアルミニウム（またはアルミニウム合金）にニッケルメッキが施されていることが好ましい。中間集電体２０はアルミニウム（またはアルミニウム合金）に限定されるものでなく、電気の良導体であればよく、例えばステンレス等であってもよい。ニッケルメッキを施せば接触抵抗を軽減することができるが、メッキを施さなくてもよい。
【００５４】
中間集電体２０は電気の良導体であるので、隣接する単位電池Ｃの電気を効率よく隣接する単位電池Ｃに伝えることができる。
【００５５】
中間集電体２０の厚みが単位電池Ｃと２枚の導電板３１を合わせた厚みに等しく作られているので、電池モジュールＢにおいて、単位電池Ｃと導電板３１を取り出して中間集電体２０を組み付ければセル数調整用電池モジュールＢ’となるので、電池モジュールＢの設計を流用することができ、部品や組み立ての共用化を図ることを可能にしている。電池モジュールＢにおいて、２組の単位電池Ｃに１つの導電板３１を組み合わせる場合は、中間集電体２０の厚みを単位電池Ｃと１つの導電板３１を合わせた厚みとなるようにすることができる。
【００５６】
中間集電体２０に、導電板３１と同様に、冷媒を通すための通気孔３８（図示せず）を設けてもよい。中間集電体２０が電池の冷却に資することとなる。
【００５７】
中間集電体２０の上面のほほ中央部にねじ孔２３が設けられていて、ねじ孔２３の上方であってケーシング９の天板及び上面板３３には、円形の開口９ａ、３３ａがそれぞれ形成されており、開口９ａ、３３ａ内で、ねじ孔２３に接続端子ボルト２２が上方から螺合されて、接続端子２１が中間集電体２０に取り付けられている。そして、接続端子２１にはケーブル（図示せず）が取り付け可能となっていて、セル数調整用モジュールＢ’の電圧を外部に取り出すことができる。
【００５８】
開口９ａの上面には、中央部に接続端子２１を通す穴が開けられた絶縁体からなるふさぎ円板２４が配されていて、外部から異物の混入を防止している。接続端子２１を設けない中間集電体２０の上方の開口９ａ、３３ａには、中央部に接続端子２１を通す穴を有していないふさぎ円板２５が配されている。
【００５９】
セル数調整用電池モジュールＢ’は２８セルより構成され前端部より９セルおよび後端部より９セルの位置に設けた接続端子２１から電気が取り出し可能になっているが、後端部側を１０セルとしてもよいし、前端部側を１０セルとしてもよい。更に、中間集電体２０および接続端子２１は１〜４のいずれかであってよい。
【００６０】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池積層体１の構造のうち、導電板３１の構造について説明する。本実施形態における電池積層体１は、図６に示すように、複数の単位電池Ｃと導電板３１とを交互に積層したものであり、単位電池Ｃは、導電板３１を介して隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１５と、他方の第２蓋部材１６とが互いに対向する方向に積層されていることは既に説明した通りである。
【００６１】
電池積層体１を示す平面図である図６（ａ）に示すように、導電板３１には、４つの側面３１ａの一つである上側面または上側面と下側面の両方に開口して、複数のほぼ矩形の断面形状を有する係合孔３９が形成されている。これら複数の係合孔３９は、複数の係合孔３９が形成する、左右方向Ｙに延びた係合孔列Ｌの当該列方向の位置が、単位電池Ｃの電圧監視端子４６の係合孔列Ｌ方向の位置と重ならないように配置されている。
【００６２】
また、電池積層体１の側面図である図６（ｂ）に示すように、各導電板３１の係合孔３９は、電池積層体１の積層方向Ｘに直交する上下方向に延びる孔として形成されている。さらに、複数の導電板３１のうち、積層方向Ｘの両端に位置する導電板３１，３１を除く導電板３１の各係合孔３９は、導電板３１を積層方向Ｘと直交する方向に貫通する通気孔３８として形成されている。電池モジュールＢに設けられた図示しない電動ファンから送られた冷却空気を、通気孔３８を通過させることにより、通気孔３８が設けられた導電板３１は、その両側に位置する単位電池Ｃを冷却する放熱板として機能する。一方、積層方向Ｘの両端に位置する導電板３１，３１は、それぞれ、電池積層体１全体の、正極側および負極側の集電板として機能する。
【００６３】
次に、本実施形態に係る短絡部材について説明する。図７は、本実施形態で使用する短絡部材の一例を示す斜視図である。この短絡部材７１は、板状の本体部７１ａに複数の係合突起７１ｂを突設して構成したものである。本体部７１ａは直方体形状であり、係合突起７１ｂは横断面四角形の角柱状である。図８は、本実施形態に係る外部短絡システムＳの主要部である、１つの単位電池Ｃおよびその両隣に位置する導電板３１，３１からなるユニットに、短絡部材７１を取り付けた状態を示す。正面図である図８（ａ）に示すように、各係合突起７１ｂは、導電板３１の係合孔３９に係合するように、位置および形状が設定される。また、短絡部材７１は導電性の素材で形成されており、側面図である図８（ｂ）に示すように、各係合突起７１ｂが、単位電池Ｃを介して隣り合う２つの導電板３１，３１の係合孔３９に係合することによって、単位電池Ｃの正極集電体である第１蓋部材１５と負極集電体である第２蓋部材１６との間が短絡される。
【００６４】
単位電池Ｃの第１蓋部材１５と第２蓋部材１６との間の短絡は、２つの導電板３１，３１のみを介して行ってもよいが、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、短絡部材７１の本体部７１ａの下面が、第１および第２蓋部材１５，１６の各折り曲げ部１５ｂ，１６ｂの両方の上面に直接接触している。
【００６５】
なお、図８（ｂ）に示す、短絡部材７１として、本体部７１ａの厚さｔ１を、導電板３１の係合孔３９の積層方向Ｘ寸法ｌとほぼ同一としたものを使用している。この場合、短絡部材７１を、均一な厚さの素材から切り出した後、その係合突起７１ｂを、本体部７１ａから折り曲げることによって作成しても、係合突起７１ｂの積層方向Ｘの寸法ｔ２を、係合孔３９の積層方向Ｘ寸法ｌにほぼ一致させることができる。したがって、短絡部材７１を容易かつ安価に製造することができる。
【００６６】
次に、上記で説明した本発明の一実施形態に係る短絡部材の動作について説明する。
【００６７】
図１に示す電池モジュールＢにおいて、電池積層体１を構成する単位電池Ｃのいずれかに、過充電や過放電などの電池電圧の異常が検知された場合、ケーシング９の上部を取り外した後、図８に示すように、異常が検出された単位電池Ｃの両隣に配置された２つの導電板３１，３１の各係合孔３９、３９に、短絡部材７１の係合突起７１ｂを導電部材に係合させる。このとき、短絡部材７１の本体部７１ａが、単位電池Ｃの第１および第２蓋部材１５，１６の各折り曲げ部１５ｂ，１６ｂに接触する位置まで短絡部材７１を押し込む。
【００６８】
本実施形態においては、このように、簡単な構造の導電板３１および短絡部材７１を電池モジュールＢに追加するのみで、確実に異常な単位電池Ｃを外部短絡させて、電池モジュールＢが搭載される機器の動作を確保することができる。しかも、導電板３１および短絡部材７１の材質や寸法を変更することで、容易に、電池モジュールＢが搭載される機器の放電条件に応じた外部短絡を実現することが可能となる。
【００６９】
また、上記いずれの実施形態においても、導電板３１のすべての係合孔３９が、短絡部材７１の各係合突起７１ｂによって塞がれるようにすることができる。電池モジュールＢの係合孔３９は、電池モジュールＢの充放電に直接関与するものではない。したがって、係合孔３９が上記のように電池冷却のための通気孔として形成されている場合も含めて、単位電池Ｃに異常が発生した場合における応急的な措置としてこの単位電池Ｃを外部短絡させる場合には、すべての係合孔３９に係合突起を係合させることにより、短絡部材７１を確実に導電板３１に取り付けることができるとともに、短絡部材７１と導電板３１との間の接触抵抗を低減して、大電流に対してもより効果的に外部短絡させることが可能になる。
【００７０】
なお、導電板３１に形成する係合孔３９の数および形状は、上記で説明したものに限定されず、電池モジュールＢが使用される機器の用途や仕様に応じて適宜変更してよい。さらには、短絡部材７１の係合突起７１ｂの数および形状も、係合孔３９の数および形状に合わせて変更することができる。
【００７１】
次に、本発明の一実施形態に係る電池モジュールの電気の取り出し方法について接続図を用いて説明する。
【００７２】
図９（ａ）は電池モジュールＢの電気の取り出し部を説明するための図面であり、単位電池Ｃと導電板３１からなる電池積層体１が第１集電板３５と第２集電板３６との間に挟持されている。そして、第１集電板３５の接続された正極端子１１と第２集電板３６に接続された負極端子１２にはそれぞれケーブル６４が接続されるようになっていて、隣接する電池モジュールＢがケーブル６４を介して互いに接続可能になっている。
【００７３】
図９（ｂ）はセル数調整用電池モジュールＢ’の電気の取り出し部を説明するための図面であり、接続端子２１ａ、２１ｂ間および接続端子２１ａ、２１ｂと集電板３５，３６の間にはそれぞれ電池積層体１が挟持されている。そして、接続端子２１ａ、２１ｂには電気を外部に取り出すためのケーブル６６ａ、６６ｂが取り付けられるようになっており、第２集電板３６に接続された負極端子は接続端子２１ｃとして電気を外部に取り出すためのケーブル６６ｃが取り付けられるようになっている。そして、第１集電板３５の接続された正極端子１１にはケーブル６４が取り付けられるようになっていて、ケーブル６４により隣接する電池モジュールＢの負極端子１２に接続可能となっている。
【００７４】
図９（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る電池システムＡの接続状態を説明するための図面である。複数の電池モジュールＢはケーブル６４により互いに直列に接続されている。最高圧側（図で左端）の電池モジュールＢの正極端子１１にはケーブル６５が接続されるようになっていて、最低圧側（図で右端）の電池モジュールＢの負極端子１２にはケーブル６４を介してセル数調節用電池モジュールＢ’の正極端子１１と接続可能となっている。これにより、電池システムＡの高い電圧側の電気はケーブル６５を介して、低い電圧側はケーブル６６を介して外部に取り出し可能となっている。
【００７５】
次に、本発明に係る電池システムの保護監視について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は電池の状態を監視するためのデータ収集システムの構成図であり、電池モジュールＢに設けられた電池監視装置４８により電池の状態が監視される。すなわち、
【００７６】
図１０に示すように、各単位電池Ｃにはセル電圧計５１が取り付けられており、電池監視装置４８に配線５２を介して接続されおり単位電池Ｃの出力電圧が計測可能になっている。そして、電池モジュールＢには、それぞれ、モジュール温度計５３とモジュール圧力計５５とが取り付けられていて、配線５４、５６を介して電池監視装置４８に接続されており電池モジュールＢの温度と圧力が計測可能となっている。
【００７７】
電池監視装置４８は各単位電池(セル)の状態監視を行うとともに、電池の充電状態を示すＳＯＣの計算も行う。
【００７８】
なお、以降特に説明はしないが、セル数調整用電池モジュールＢ’にも、電池モジュールＢと同様に、セル電圧計５１、モジュール温度計５３、モジュール圧力計５５が取り付けられており、更には、短絡部材７１により不具合セルが短絡可能になっている。
【００７９】
図１１は本発明に係る電池システムを電気鉄道電力供給システムに適用した場合の全体システムの系統図である。ケーブル６５に取り付けられたシステム電圧計５７が配線５８を介して電池監視装置４８に接続されており電池システム１０８の出力電圧が計測可能になっており、ケーブル６６に取り付けられたシステム電流計５９が配線６０を介して電池監視装置４８に接続されており電池システム１０８を流れる電流が計測可能となっている。
【００８０】
電池監視装置４８は、各検出器からの信号を監視して、軽度の異常であれば警報を発生し、重度の異常であれば警報を発生するとともに電池システム１０８の運転を停止する。図１２に電池システム１０８における警報の種類と警報値とをまとめたものをアラームリストとして示す。電池監視装置４８において、軽故障と判定出力されると警報音を発すると共に異常内容が表示装置（図示せず）に表示される。重故障と判定されると警報音を発すると共に異常内容が表示装置（図示せず）に表示され、電池システム１０８のプラス側に設置された遮断器１１５ａとマイナス側に設置された遮断器１１５ｂを開路して電池システム１０８からき電線１０５に流れる電流を遮断する。
【００８１】
限流リアクトル１１６は遮断器１１５を流れる電流の抑制をする。システム電流計５９により過電流を検出した場合も遮断器１１５を開路する。なお、単位電池には個別にセル電圧計５１が設けられているので、どのセルに不具合が生じたかわかる。
【００８２】
次に、本発明の一実施形態に係る電池システムの運用について、図１３の接続構成図を用いて説明する。
【００８３】
図１３（ａ）は、性能の劣化した不具合セル６８がない状態における電池システム１０８の接続構成図である。この場合は、電池モジュールＢが１１台直列に接続されて、ケーブル６５、６６を介してそれぞれプラス側の電気、マイナス側の電気が外部に取り出される。セル数調整用電池モジュールＢ’は使用されない。この状態では、前述したように電池システムの出力電圧は３０×１．３６７Ｖ×１１＝４５１Ｖとなる。
【００８４】
充放電サイクルを繰り返す過程で、極端に性能劣化した単位電池が発生した場合、劣化した単位電池が電池モジュールの性能に悪影響を及ぼすこととなる。性能の劣化した不具合セル６８が生じていて、セル数の調整が行われる前の電池システム１０８の接続状態を図１３（ｂ）に、セル数の調整を行った後の電池システム１０８の接続状態を図１３（ｃ）に示す。
【００８５】
不具合セル６８による電池モジュールＢへの悪影響を防止するために単位電池Ｃの正極と負極の間を短絡部材７１で短絡して劣化した不具合セル６８を電池モジュールＢから除外する（図１３（ｃ））。図では９セルが短絡部材７１により短絡されている。この場合、電池システム１０８の出力電圧は、１．３６７Ｖ×９＝１２．３Ｖ低下する。電池システムの出力電圧の低下は、これを利用する機器の性能に悪影響を及ぼし、電車等の運行にも支障をきたすことがある。これを防止するためにセル数調整用電池モジュールＢ’を用いて電池システムの電圧の確保を図る。
【００８６】
図１３（ｃ）において、セル数調整用電池モジュールＢ’の正極端子１１と最低圧側の電池モジュールＢの負極端子１２をケーブル６４で接続して、セル数調整用電池モジュールＢ’の接続端子２１ａにケーブル６６ａを接続する。これによりセル数調整用電池モジュールＢ’の正極端子１１と接続端子２１ａの間の単位電池９台が新たに追加されるので、ケーブル６５とケーブル６６ａ間の電池システム１０８の出力電圧は所定の値に確保される。
【００８７】
セル数の調整は適宜行うことができる。例えば、終業時とか定期点検時において、電池監視装置４８において、性能の低下したセルを選定して、別途用意した短絡装置（図示せず）により完全に放電をさせた後、短絡部材７１を用いて不具合セルを短絡する。不具合セルの選定に際してはセル毎に設けたセル電圧計５１の計測値から出力電圧の低い順に９セルを選んでもよい。目視等で不具合のセルがある場合は、これと出力電圧の低い順に８セルを加えて、都合９セルを選んでもよい。
【００８８】
次に、セル数調整用電池モジュールＢ’の９セルを別途設けた充電器にて充電する。すなわち、電池監視装置４８は電池の状態を計測しているのですべてのセルのＳＯＣを算出している。正常な電池のＳＯＣの平均値となるように追加する９セルの充電を行う。
【００８９】
不具合セル６８が１９個となったときは、ケーブル６６は接続端子２１ｂに接続され、２８個となったときは接続端子２１ｃ（セル数調整用電池モジュールの負極端子）に接続されることとなる。
【００９０】
電池監視装置４８は、単位電池等の状態を監視して、警報を発令し、遮断器を動作させるところ、短絡部材で短絡したセルの出力電圧は重故障の下限値以下であるので、間違って遮断器を動作させることが考えられる。これを防止するために、短絡部材７１で短絡したセルは警報から除外する必要がある。このような操作は電池監視装置４８において、設定画面より手動で行うことができる。手動により行う代わりに好ましくは自動で行うことも可能である。自動にすればヒューマンエラーを防ぐことができる。具体的には、セル電圧が極めて小さい電圧が継続すれば、警報対象から除外する。より詳細には、セル電圧０．０１Ｖ以下が連続して６回以上計測された場合であるが、これらの数値は適宜変更が可能である。
【００９１】
図１４は本発明の実施形態の電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの概略構成図である。
【００９２】
電気鉄道用変電所１００は、本発明に係る電池システム１０８がき電線１０５を介して架線１０９に直結されている。電池システム１０８は、その正極端子１１がき電線１０５に接続され、負極端子１２が帰線１０７に接続されている。電池システム１０８は、充放電電圧を制御する充放電制御装置を介さずに架線１０９に接続されている。
【００９３】
電気鉄道電力供給システム９９は、電力会社等からの交流電源１０１から交流電力回線１０２を介して受電する変圧器１０３と、変圧器１０３に接続された整流装置１０４とを備え、整流装置１０４は、その正側端子が架線１０９に接続され、負側端子が帰線１０７に接続されている。
【００９４】
整流装置１０４から出力される直流電力は、き電線１０５から架線１０９を介して電気車両１１０に供給される。電気車両１１０では、供給される直流電力を、例えば車上の電力制御装置１１２によって交流に変換し、走行用の電動機１１３や補機に供給する。
【００９５】
例えば、電気車両１１０が制動状態にある回生車両であり、他に回生電力を必要する電気車両がなければ、架線電圧が上昇して、回生電力は電池システム１０８に充電される。一方、電気車両１１０が加速車両であるとき、架線電圧が低下すれば、電池システム１０８から架線１０９を介して加速車両へ電力が供給される。
【００９６】
要するに、電池システム１０８では、架線１０９と帰線１０７との間の電圧が、電池システム１０８の電池電圧より高いときに充電し、低いときに放電する。このように、電池システム１０８は、架線１０９における電力の過不足を補償するように働き、省エネと電気車両の運行の確保を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る電池システムは、地上蓄電設備や車両搭載用蓄電池設備をはじめ、例えば、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続された架線とを有する電気鉄道用の変電所において電池システムが前記架線に直結されている電気鉄道用電力供給システム、もしくは、ＬＲＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ）や路面電車、もしくは、自然エネルギーによる発電設備を連系したスマートグリッドに利用することができる。また、メンテナンス技術として有用に利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 電池積層体
３ 側面板
５ 圧縮板
７ 締付けボルト
９ ケーシング
１０ 電極体
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 収納容器
１４ 枠形部材
１５ 第１蓋部材（正極板）
１６ 第２蓋部材（負極板）
１７ セパレータ
１８ 正極部材
１９ 負極部材
２０ 中間集電体
２１ 接続端子
２１ａ・２１ｂ・２１ｃ接続端子
２２ 接続端子ボルト
２３ ねじ孔
３１ 導電板
３１ａ 側面
３３ 上面板
３４ 下面板
３５ 第１集電板
３６ 第２集電板
３８ 通気孔
３９ 係合孔
４６ 電圧監視端子
４８ 電池監視装置
５１ セル電圧計
５２、５４，５６，５８，６０ 配線
５３ モジュール温度計
５５ モジュール圧力計
５７ システム電圧計
５９ システム電流計
６４ モジュール接続ケーブル
６５ ケーブル（プラス側）
６６ ケーブル（マイナス側）
６８ 不具合セル
７１ 外部短絡部材
７１ａ 本体部
７１ｂ 係合突起
９９ 電気鉄道電力供給システム
１００ 電気鉄道用変電所
１０１ 交流電源
１０２ 交流電力回線
１０３ 変圧器
１０４ 整流装置
１０５ き電線
１０７ 帰線
１０８ 電池システム
１０９ 架線
１１０ 電気車両
１１２ 電力制御装置
１１３ 電動機
１１５ 遮断器
１１６ 限流リアクトル
Ａ 電池システム
Ｂ 電池モジュール（第１電池モジュール）
Ｂ’セル数調整用電池モジュール（第２電池モジュール）
Ｃ 単位電池
Ｓ 外部短絡システム
Ｌ 係合孔列
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上蓄電設備や車両搭載に用いられる電池システムに関し、詳しくは、その電池システムのメンテナンス技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な電気鉄道用の変電所では、例えば、電力会社からの交流電力を直流電力に変換して、き電線に供給している。電気車両は、前記き電線から架線を経由して直流電力の供給を受けて、運行を行なっている。
【０００３】
電気車両は、加速時には、架線から供給された電力を、車両に搭載された電力制御装置を介して走行用のモータに電力を供給することで、電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。このとき、一般的に架線電圧は降下する。
【０００４】
また、反対に減速時には電気車両が持つ走行エネルギーを、走行用のモータを発電機として作用させることにより電気エネルギーに変換し、回生電力が架線に流れる。このとき、一般的に架線電圧は上昇する。
【０００５】
変電所に大型の電池システムを設備して、余剰回生電力を当該電池システムに充電することにより蓄積し、架線の電圧が降下したときに放電することにより、架線電圧の変動を緩和することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような電池システムは、回生電力の有効利用及び架線電圧の適正値維持による運行性能維持の面から最近注目を浴びている。
【０００６】
一方、充放電制御装置を用いずに、変電所に設備した電池システムを用いて、回生電力の有効利用を図るとともに、変電所の送電能力を補完する電力供給システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
変電所等に設置される電池システムは、多数の電池を直列接続して構成される電池モジュールを多数直列および並列に接続して構成されるところ、当該電池モジュールにおいては、充放電サイクルを繰り返す過程で、単位電池間の性能劣化度合いにバラつきが生じ、充放電容量のバランスが大きく崩れた状態が発生することがある。他の単位電池に比較して充放電容量が極端に劣化した単位電池が発生した状態で電池モジュールの充放電を行えば、劣化した単位電池が過充電または過放電されることになり、電池モジュールの性能を維持することが困難となる。
【０００８】
このような問題点を解決する方法として、単位電池の正極と負極の間を金属片からなる短絡部材で短絡して劣化した単位電池を電池モジュールから除外する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１０７７１５号公報
【特許文献３】特開２０１０−０４９８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
変電所に大型の電池システムを設備して、回生電力の回収を図る電気鉄道用の電力供給システムが提案されている（上記特許文献１）。しかし、当該電力供給システムには電池システムの電圧を適切に調整して架線に接続するための充放電制御装置を必要としている。
【００１１】
この理由は、通常の二次電池では、電池のＳＯＣ（充電状態）に対する出力電圧（正確には端子電圧）が大きく変化するので、充放電制御装置を用いて電池システムの電圧を架線電圧に適合させて、架線に接続する方法が取られているからである。この充放電制御装置は高価であるし、設置に場所を取るので、係る電池システムの普及を阻む要因となっている。
【００１２】
ニッケル水素電池は、電池のＳＯＣに対する出力電圧の変化が小さく、電池システムの出力電圧を架線電圧に適合させるために、充放電制御装置を必要としない（上記特許文献２）。
【００１３】
しかし、不具合が生じた単位電池の正極と負極の間を金属片からなる短絡部材で短絡して劣化した単位電池を電池モジュールから除外する例えば特許文献３に示すような方法をとれば、当該電池モジュールの出力電圧は低下する。
【００１４】
短絡部材により短絡される単位電池の数が増えれば、多数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムの出力電圧が低下することとなり、ニッケル水素電池においても所定の出力電圧に調整する場合は充放電制御装置を必要とすることとなる。
【００１５】
このように不具合を生じた単位電池を短絡して除外した後において、電池システムの出力電圧を調整したいという要望は、電気鉄道用の電力供給システムのみならず、一般産業用の電力供給システムにおいてもみられることである。
【００１６】
本発明の目的は、上記課題を解決するために、複数の電池モジュールを直列に接続してなる電池システムにおいて、その出力電圧を、高価な充放電制御装置を用いることなく、簡便に調整することが可能な電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために本発明に係るメンテナンスを考慮した電池システムは、単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールと、前記第１電池モジュールに直列接続され、前記単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けた第２電池モジュールと、前記単位電池における、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材とを備えた電池システムであって、前記短絡部材により短絡された前記単位電池の数に応じて前記第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能である。
【００１８】
この構成によれば、電池モジュールを複数台直列に接続してなる電池システムにおいて、当該電池モジュールのプラス側の電気を取り出すための前記正極端子とマイナス側の電気を取り出すための前記負極端子の間に、前記正極端子または前記負極端子とは別の接続端子を設けて、第２電池モジュールを構成することにより、前記正極端子と前記負極端子間の電圧よりも小さな電圧を取り出すことを可能にしている。これにより、電池モジュールの出力電圧を調整可能にしている。
【００１９】
不具合が生じた単位電池のプラス側の電気の集電体である正極板とマイナス側の電気の集電体である負極板の間を、導電性の短絡部材を介して、単位電池を外部短絡させることができる。これにより、簡単な構造の短絡部材を電池モジュールに追加するのみで、確実に不具合の生じた単位電池を外部短絡させて、電池システムの搭載された車両の運行を確保することができる。
【００２０】
外部短絡した単位電池のセル数に応じて第２電池モジュールの電気の取り出す端子を選ぶことにより、電池システムの出力電圧を所定の値に保つことができる。このような電気の取り出し端子は接続端子であってもよく、また、正極端子もしくは負極端子であってもよい。
【００２１】
請求項２記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記単位電池の出力電圧を計測するセル電圧計と、前記セル電圧計からの信号を受信する電池監視装置を備えていて、前記セル電圧計の電圧値が所定の値より小さいときに、前記電池システムの出力に設けた遮断器を作動させる。
【００２２】
この構成によれば、電池性能の劣化した単位電池をその出力電圧を計測することにより検知して、電池システムの運転を停止させるために、電池システムの出力に設けた遮断器を開放させる。遮断器を作動させる電圧値は変更可能である。また、電流計を設けて異常な過電流が流れたときに遮断器を作動させてもよい。
【００２３】
請求項３記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記セル電圧計の電圧値から単位電池が短絡状態であると判断されるときは、当該セル電圧の電圧値により前記遮断器を作動させない。
【００２４】
この構成によれば、短絡状態の判断はセル電圧計の計測値で行う。例えば、ほぼゼロの電圧値が複数回以上計測された場合に遮断器を開放する。ほぼゼロというのはセル電圧計には誤差があるし、また、接続部分の熱起電力より、実際の電圧はゼロにも関わらず値を持って計測される場合があるので、多少の許容差を持たせる必要があるためである。複数回は好ましくは３回以上であって、過渡的な影響を排除する時間的余裕を持たせたものである。
【００２５】
請求項４記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記第２電池モジュールにおいて、隣接する前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる。
【００２６】
この構成によれば、接続端子は電気を第２電池モジュールの外部に取り出すためのものであり、第２電池モジュールの単位電池の間に中間集電体を設けて、中間集電体に前記接続端子を設ける。このような中間集電体は好ましくは１〜４であって、中間集電体は多すぎると単位電池の収納数が減るので最大４であることが好ましい。このような構成とすることにより、容易に第２電池モジュールより所定の電池モジュールの中間の電圧を取り出すことが可能となる。
【００２７】
請求項５記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記第２電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、前記中間集電体の厚みが前記単位電池と前記導電部材の厚みに等しい。
【００２８】
この構成によれば、中間集電体の厚みを単位電池と前記導電部材とを合わせた厚みにすることにより、電池モジュールの設計寸法の標準化を図ることが可能となる。これは、接続端子を設けない第１電池モジュールにおいて、通常であれば単位電池等が収納される場所に中間集電体を配置することにより第２電池モジュールを構成することができるからである。これにより、製品の歩留まりを改善して、製造コストの上昇を抑えることができる。
【００２９】
請求項６記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、前記導電部材に、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に直交して延びる係合孔が形成されており、前記短絡部材は、板状の本体部と、該本体部に突設され前記単位電池を介して隣り合う２つの前記導電部材の各係合孔に係合する係合突起とを有する。
【００３０】
この構成によれば、電池モジュールを構成する単位電池間に、係合孔を有する板状の導電部材を介在させ、この導電部材、および、導電部材の係合孔に係合する係合突起を有する短絡部材を介して、単位電池を外部短絡させることができる。したがって、簡単な構造の導電部材および短絡部材を電池モジュールに追加するのみで、確実に異常な単位電池を外部短絡させて、電池が搭載される車両の運行を確保することができる。しかも、導電部材および短絡部材の材質や寸法を変更することが可能となる。また、比較的過充電・過放電に対する安全性の高いニッケル水素二次電池のようなアルカリ系二次電池に適用するので、異常な単位電池を検出したときに応急処置的に１セルのみ外部短絡させても、残りの単位電池に大きな影響を及ぼすことなく、電池モジュールの性能を確保することができる。
【００３１】
請求項７記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記導電部材の前記係合孔が気体又は液体からなる冷媒の流通経路を構成しており、冷媒を流すことにより前記導電部材を介して前記単位電池の冷却が可能である。
【００３２】
この構成によれば、このように構成することにより、導電部材を、単位電池を冷却するための放熱板として利用することが可能になる。その結果、電池モジュールにおける単位電池を冷却して、充放電時の電池温度上昇を抑制することにより、単位電池間の容量劣化のばらつきを抑えてより確実に電池モジュールの性能を確保することができる。
【００３３】
請求項８記載のメンテナンスを考慮した電池システムは、前記電池監視装置は、前記単位電池を流れる電流を計測する電流計からの信号を受信して、前記単位電池のＳＯＣを計算するとともに、前記第２電池モジュールにおいて新しく供用になる単位電池のＳＯＣが前記短絡部材で短絡されていない単位電池のＳＯＣと同じになるように充電を行う充電器を備えている。
【００３４】
この構成によれば、電池監視装置においてセル電圧計やモジュール温度計の計測値から単位電池毎に電池の充電状態を示すＳＯＣを計算しておき、短絡部材で短絡されていない正常な単位電池のＳＯＣの平均値となるまで第２電池モジュールの単位電池を充電する。このように充電することにより電池システムを構成する単位電池間の性能のバラツキが防止できる。なお、充電器は電池監視装置にその機能を備えていてもよく、好ましくは別途準備されていてもよい。
【００３５】
請求項９記載の電気鉄道用電力供給システムは、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、前記電池システムを前記き電線に直結してなる。
【００３６】
この構成によれば、電池システムは高価な充放電制御装置を用いることなく、架線に直接接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図２】図１の電池モジュールにおける単位電池を示す部分破断平面図である。
【図３】図１の電池モジュールのケーシングの内部を示す斜視図である。
【図４】図３ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るセル数調整用電池モジュールを示す部分破断図面である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は接続端子近傍の拡大図である。
【図６】図１の電池モジュールにおける電池積層体を示す概略構成図であり、（ａ）は電池積層体の平面図、（ｂ）は電池積層体の側面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る短絡部材を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係る短絡部材の取り付け状態を示す図であり、（ａ）は、図７の短絡部材を導電部材に取り付けた状態の正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る電池システムを構成する電池モジュールの接続図である。（ａ）は第１電池モジュールの電気取り出し部の接続図であり、（ｂ）は第２電池モジュールの電気取り出し部の接続図であり、（ｃ）は第１電池モジュールと第２電池モジュールの接続図である。
【図１０】電池監視システムにおけるデータ収集システムを示す系統図である。
【図１１】電池システムの保護系統図を示す図面である。
【図１２】電池システムのアラームリストである。
【図１３】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの接続状態を示す電池構成図面であり、（ａ）は不具合セルがない状態における接続構成図であり、（ｂ）は不具合セルが生じた場合の接続構成図であり、（ｃ）はセル数調整用モジュールを接続した状態における接続構成図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明に係る電池システムの実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３９】
まず、第１電池モジュールＢの一例を示した後に、第２電池モジュールＢ’の説明を行なう。
【００４０】
図１は第１電池モジュールＢ（以下特に区別する必要がないときは、電池モジュールＢと称す）の構造を示す部分破断側面図である。この電池モジュールＢは、例えば、電気鉄道の変電所に設置されるものであって、好ましくは密閉式の角形電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１と、電池積層体１を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３、圧縮板５および締付けボルト７とを主要な構成要素として備えており、これら主要な構成要素が、絶縁素材からなるケーシング９によって覆われている。
【００４１】
図２は、図１に示す単位電池Ｃの構造の一例を示す部分破断平面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１７と、正極部材１８および負極部材１９とを含む電極体１０と、電極体１０を電解液とともに収容する角形形状の収納容器１３とを備えている。収納容器１３は、絶縁素材からなる矩形の枠形部材１４と、互いに対向して枠形部材１４の二つの開口をそれぞれ覆う、導電素材からなる第１蓋部材１５および第２蓋部材１６とから構成されている。
【００４２】
電極体１０は、複数の正極部材１８と複数の負極部材１９とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１７を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。収納容器１３の第１蓋部材１５および第２蓋部材１６は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、正極部材１８は第１蓋部材１５に、負極部材１９は第２蓋部材１６に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第１および第２蓋部材１５，１６は、それぞれ、単位電池Ｃのプラス側の電気の集電体である正極板とマイナス側の電気の集電体である負極板とを兼ねている。
【００４３】
また、単位電池Ｃには、単位電池Ｃの電圧を監視するための電圧監視端子４６が設けられている。電圧監視端子４６は、１対、つまり正極側と負極側とに各１つずつ設けてもよいが、電池モジュールＢにおける隣接する単位電池Ｃの正極側と負極側とで、１つの端子４６を共有することが好ましい。
【００４４】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池モジュールＢの構造について説明する。本実施形態における電池モジュールＢの電池積層体１は、図１に示すように、単位電池Ｃと導電板３１とを積層したものであり、単位電池Ｃは隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１５（図２）と、他方の第２蓋部材１６（図２）とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、単位電池Ｃの間には導電板３１が介在している。なお、本実施形態において、単位電池Ｃ毎に単位電池Ｃの両面に導電板３１を介在させているが、２組の単位電池Ｃについて１つの導電板３１を介在させてもよい。
【００４５】
図３は、電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体４７を部分的に破断して示す斜視図である。なお、以下の説明において、電池積層体１の正極側（図３の手前側）を前側と呼び、負極側（図３の奥側）を後側と呼ぶ。電池積層体１の積層方向Ｘの両側面には、積層方向Ｘに沿って延びる一組の板状の部材として形成された側面板３が配置されて、電池積層体１の両側面を覆っている。側面板３の、積層方向Ｘの前端部と後端部には、それぞれ、板状の圧縮部材である圧縮板５が側面ボルト３２によって固定されており、前後の各圧縮板５，５によって、電池積層体１の積層方向Ｘの前面および後面が覆われている。また、電池積層体１の積層方向Ｘの上方および下方には、積層方向Ｘに沿って延びる板状部材である上面板３３および下面板３４がそれぞれ配置されている。上面板３３および下面板３４がボルト連結して側面板３に固定されている。
【００４６】
図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図４に示すように、電池積層体１の前端部に位置する単位電池Ｃの第１蓋部材１５の前側には、正極側の集電部材となる第１集電板３５が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第１集電板３５の前側には、絶縁板３７が配置されている。
【００４７】
電池積層体１の後端部も、前端部と同様の構造を有しており、電池積層体１の後端部に位置する単位電池Ｃの第２蓋部材１６の後側には、負極側の集電部材となる第２集電板３６が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第２集電板３６の後側には、絶縁板３７が配置されている。
【００４８】
第１集電板３５には、電池モジュールＢの正極端子１１として機能する正極端子ボルト４５が螺合されている。そして、電池積層体１の後端部には、前端部と同様に負極端子１２が第２集電板３６に螺合されて取り付けられている。なお、導電板３１には単位電池Ｃの発生する熱を外部に放出するための冷媒を通す通気孔３８が設けられている。
【００４９】
本実施形態において電池モジュールＢは３０の単位電池Ｃで構成されている。変電所の公称電圧が４５０Ｖである場合、単位電池当りの出力電圧が１．３６７Ｖとして、電池モジュールを１１台直列に接続して電池システムを組めばよいことになる。もっとも、電池モジュールＢを構成する単位電池Ｃの数は３０に限定されるものでなく、また、電池システムを構成する電池モジュールＢの数も１１に限定されるものでない。システム仕様に合わせて適宜変更可能である。
【００５０】
【数１】
【００５１】
次に、第２電池モジュールＢ’（以下、セル数調整用電池モジュールと称す）の一実施形態について図５を用いて説明する。なお、電池モジュールＢと共通の部分については説明を省略し、同一の符号を用いて示している。
【００５２】
図５において、図５（ａ）は前記セル数調整用電池モジュールＢ’の平面図であり、図５（ｂ）は同側面図である。図５に示す実施形態において、導電板３１は単位電池Ｃの両側に設けてある。
【００５３】
本実施形態においては、正極側集電部である第１集電板３５と負極側集電部である第２集電板３６の間であって、単位電池Ｃの間に中間集電体２０が２つ、離れて設けられている。すなわち、中間集電体２０の一方の面が単位電池Ｃの第１蓋部材１５と接し、中間集電体２０の他方の面が別の単位電池Ｃの第２蓋部材１６に接するように中間集電体２０が配置されている。そして、後端側の中間集電体２０と第２集電板３６の間に単位電池Ｃが９セル、前端側の中間集電体２０と第1集電板３５の間に単位電池Ｃが９セル、２つの中間集電体２０の間に１０セルと全部で２８セルを積層してセル数調整用電池モジュールＢ’を構成している。中間集電体２０は、電気の良導体であるアルミニウム（またはアルミニウム合金）にニッケルメッキが施されていることが好ましい。中間集電体２０はアルミニウム（またはアルミニウム合金）に限定されるものでなく、電気の良導体であればよく、例えばステンレス等であってもよい。ニッケルメッキを施せば接触抵抗を軽減することができるが、メッキを施さなくてもよい。
【００５４】
中間集電体２０は電気の良導体であるので、隣接する単位電池Ｃの電気を効率よく隣接する単位電池Ｃに伝えることができる。
【００５５】
中間集電体２０の厚みが単位電池Ｃと２枚の導電板３１を合わせた厚みに等しく作られているので、電池モジュールＢにおいて、単位電池Ｃと導電板３１を取り出して中間集電体２０を組み付ければセル数調整用電池モジュールＢ’となるので、電池モジュールＢの設計を流用することができ、部品や組み立ての共用化を図ることを可能にしている。電池モジュールＢにおいて、２組の単位電池Ｃに１つの導電板３１を組み合わせる場合は、中間集電体２０の厚みを単位電池Ｃと１つの導電板３１を合わせた厚みとなるようにすることができる。
【００５６】
中間集電体２０に、導電板３１と同様に、冷媒を通すための通気孔３８（図示せず）を設けてもよい。中間集電体２０が電池の冷却に資することとなる。
【００５７】
中間集電体２０の上面のほほ中央部にねじ孔２３が設けられていて、ねじ孔２３の上方であってケーシング９の天板及び上面板３３には、円形の開口９ａ、３３ａがそれぞれ形成されており、開口９ａ、３３ａ内で、ねじ孔２３に接続端子ボルト２２が上方から螺合されて、接続端子２１が中間集電体２０に取り付けられている。そして、接続端子２１にはケーブル（図示せず）が取り付け可能となっていて、セル数調整用モジュールＢ’の電圧を外部に取り出すことができる。
【００５８】
開口９ａの上面には、中央部に接続端子２１を通す穴が開けられた絶縁体からなるふさぎ円板２４が配されていて、外部から異物の混入を防止している。接続端子２１を設けない中間集電体２０の上方の開口９ａ、３３ａには、中央部に接続端子２１を通す穴を有していないふさぎ円板２５が配されている。
【００５９】
セル数調整用電池モジュールＢ’は２８セルより構成され前端部より９セルおよび後端部より９セルの位置に設けた接続端子２１から電気が取り出し可能になっているが、後端部側を１０セルとしてもよいし、前端部側を１０セルとしてもよい。更に、中間集電体２０および接続端子２１は１〜４のいずれかであってよい。
【００６０】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池積層体１の構造のうち、導電板３１の構造について説明する。本実施形態における電池積層体１は、図６に示すように、複数の単位電池Ｃと導電板３１とを交互に積層したものであり、単位電池Ｃは、導電板３１を介して隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１５と、他方の第２蓋部材１６とが互いに対向する方向に積層されていることは既に説明した通りである。
【００６１】
電池積層体１を示す平面図である図６（ａ）に示すように、導電板３１には、４つの側面３１ａの一つである上側面または上側面と下側面の両方に開口して、複数のほぼ矩形の断面形状を有する係合孔３９が形成されている。これら複数の係合孔３９は、複数の係合孔３９が形成する、左右方向Ｙに延びた係合孔列Ｌの当該列方向の位置が、単位電池Ｃの電圧監視端子４６の係合孔列Ｌ方向の位置と重ならないように配置されている。
【００６２】
また、電池積層体１の側面図である図６（ｂ）に示すように、各導電板３１の係合孔３９は、電池積層体１の積層方向Ｘに直交する上下方向に延びる孔として形成されている。さらに、複数の導電板３１のうち、積層方向Ｘの両端に位置する導電板３１，３１を除く導電板３１の各係合孔３９は、導電板３１を積層方向Ｘと直交する方向に貫通する通気孔３８として形成されている。電池モジュールＢに設けられた図示しない電動ファンから送られた冷却空気を、通気孔３８を通過させることにより、通気孔３８が設けられた導電板３１は、その両側に位置する単位電池Ｃを冷却する放熱板として機能する。一方、積層方向Ｘの両端に位置する導電板３１，３１は、それぞれ、電池積層体１全体の、正極側および負極側の集電板として機能する。
【００６３】
次に、本実施形態に係る短絡部材について説明する。図７は、本実施形態で使用する短絡部材の一例を示す斜視図である。この短絡部材７１は、板状の本体部７１ａに複数の係合突起７１ｂを突設して構成したものである。本体部７１ａは直方体形状であり、係合突起７１ｂは横断面四角形の角柱状である。図８は、本実施形態に係る外部短絡システムＳの主要部である、１つの単位電池Ｃおよびその両隣に位置する導電板３１，３１からなるユニットに、短絡部材７１を取り付けた状態を示す。正面図である図８（ａ）に示すように、各係合突起７１ｂは、導電板３１の係合孔３９に係合するように、位置および形状が設定される。また、短絡部材７１は導電性の素材で形成されており、側面図である図８（ｂ）に示すように、各係合突起７１ｂが、単位電池Ｃを介して隣り合う２つの導電板３１，３１の係合孔３９に係合することによって、単位電池Ｃの正極集電体である第１蓋部材１５と負極集電体である第２蓋部材１６との間が短絡される。
【００６４】
単位電池Ｃの第１蓋部材１５と第２蓋部材１６との間の短絡は、２つの導電板３１，３１のみを介して行ってもよいが、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、短絡部材７１の本体部７１ａの下面が、第１および第２蓋部材１５，１６の各折り曲げ部１５ｂ，１６ｂの両方の上面に直接接触している。
【００６５】
なお、図８（ｂ）に示す、短絡部材７１として、本体部７１ａの厚さｔ１を、導電板３１の係合孔３９の積層方向Ｘ寸法ｌとほぼ同一としたものを使用している。この場合、短絡部材７１を、均一な厚さの素材から切り出した後、その係合突起７１ｂを、本体部７１ａから折り曲げることによって作成しても、係合突起７１ｂの積層方向Ｘの寸法ｔ２を、係合孔３９の積層方向Ｘ寸法ｌにほぼ一致させることができる。したがって、短絡部材７１を容易かつ安価に製造することができる。
【００６６】
次に、上記で説明した本発明の一実施形態に係る短絡部材の動作について説明する。
【００６７】
図１に示す電池モジュールＢにおいて、電池積層体１を構成する単位電池Ｃのいずれかに、過充電や過放電などの電池電圧の異常が検知された場合、ケーシング９の上部を取り外した後、図８に示すように、異常が検出された単位電池Ｃの両隣に配置された２つの導電板３１，３１の各係合孔３９、３９に、短絡部材７１の係合突起７１ｂを導電部材に係合させる。このとき、短絡部材７１の本体部７１ａが、単位電池Ｃの第１および第２蓋部材１５，１６の各折り曲げ部１５ｂ，１６ｂに接触する位置まで短絡部材７１を押し込む。
【００６８】
本実施形態においては、このように、簡単な構造の導電板３１および短絡部材７１を電池モジュールＢに追加するのみで、確実に異常な単位電池Ｃを外部短絡させて、電池モジュールＢが搭載される機器の動作を確保することができる。しかも、導電板３１および短絡部材７１の材質や寸法を変更することで、容易に、電池モジュールＢが搭載される機器の放電条件に応じた外部短絡を実現することが可能となる。
【００６９】
また、上記いずれの実施形態においても、導電板３１のすべての係合孔３９が、短絡部材７１の各係合突起７１ｂによって塞がれるようにすることができる。電池モジュールＢの係合孔３９は、電池モジュールＢの充放電に直接関与するものではない。したがって、係合孔３９が上記のように電池冷却のための通気孔として形成されている場合も含めて、単位電池Ｃに異常が発生した場合における応急的な措置としてこの単位電池Ｃを外部短絡させる場合には、すべての係合孔３９に係合突起を係合させることにより、短絡部材７１を確実に導電板３１に取り付けることができるとともに、短絡部材７１と導電板３１との間の接触抵抗を低減して、大電流に対してもより効果的に外部短絡させることが可能になる。
【００７０】
なお、導電板３１に形成する係合孔３９の数および形状は、上記で説明したものに限定されず、電池モジュールＢが使用される機器の用途や仕様に応じて適宜変更してよい。さらには、短絡部材７１の係合突起７１ｂの数および形状も、係合孔３９の数および形状に合わせて変更することができる。
【００７１】
次に、本発明の一実施形態に係る電池モジュールの電気の取り出し方法について接続図を用いて説明する。
【００７２】
図９（ａ）は電池モジュールＢの電気の取り出し部を説明するための図面であり、単位電池Ｃと導電板３１からなる電池積層体１が第１集電板３５と第２集電板３６との間に挟持されている。そして、第１集電板３５の接続された正極端子１１と第２集電板３６に接続された負極端子１２にはそれぞれケーブル６４が接続されるようになっていて、隣接する電池モジュールＢがケーブル６４を介して互いに接続可能になっている。
【００７３】
図９（ｂ）はセル数調整用電池モジュールＢ’の電気の取り出し部を説明するための図面であり、接続端子２１ａ、２１ｂ間および接続端子２１ａ、２１ｂと集電板３５，３６の間にはそれぞれ電池積層体１が挟持されている。そして、接続端子２１ａ、２１ｂには電気を外部に取り出すためのケーブル６６ａ、６６ｂが取り付けられるようになっており、第２集電板３６に接続された負極端子は接続端子２１ｃとして電気を外部に取り出すためのケーブル６６ｃが取り付けられるようになっている。そして、第１集電板３５の接続された正極端子１１にはケーブル６４が取り付けられるようになっていて、ケーブル６４により隣接する電池モジュールＢの負極端子１２に接続可能となっている。
【００７４】
図９（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る電池システムＡの接続状態を説明するための図面である。複数の電池モジュールＢはケーブル６４により互いに直列に接続されている。最高圧側（図で左端）の電池モジュールＢの正極端子１１にはケーブル６５が接続されるようになっていて、最低圧側（図で右端）の電池モジュールＢの負極端子１２にはケーブル６４を介してセル数調節用電池モジュールＢ’の正極端子１１と接続可能となっている。これにより、電池システムＡの高い電圧側の電気はケーブル６５を介して、低い電圧側はケーブル６６を介して外部に取り出し可能となっている。
【００７５】
次に、本発明に係る電池システムの保護監視について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は電池の状態を監視するためのデータ収集システムの構成図であり、電池モジュールＢに設けられた電池監視装置４８により電池の状態が監視される。すなわち、
【００７６】
図１０に示すように、各単位電池Ｃにはセル電圧計５１が取り付けられており、電池監視装置４８に配線５２を介して接続されおり単位電池Ｃの出力電圧が計測可能になっている。そして、電池モジュールＢには、それぞれ、モジュール温度計５３とモジュール圧力計５５とが取り付けられていて、配線５４、５６を介して電池監視装置４８に接続されており電池モジュールＢの温度と圧力が計測可能となっている。
【００７７】
電池監視装置４８は各単位電池(セル)の状態監視を行うとともに、電池の充電状態を示すＳＯＣの計算も行う。
【００７８】
なお、以降特に説明はしないが、セル数調整用電池モジュールＢ’にも、電池モジュールＢと同様に、セル電圧計５１、モジュール温度計５３、モジュール圧力計５５が取り付けられており、更には、短絡部材７１により不具合セルが短絡可能になっている。
【００７９】
図１１は本発明に係る電池システムを電気鉄道電力供給システムに適用した場合の全体システムの系統図である。ケーブル６５に取り付けられたシステム電圧計５７が配線５８を介して電池監視装置４８に接続されており電池システム１０８の出力電圧が計測可能になっており、ケーブル６６に取り付けられたシステム電流計５９が配線６０を介して電池監視装置４８に接続されており電池システム１０８を流れる電流が計測可能となっている。
【００８０】
電池監視装置４８は、各検出器からの信号を監視して、軽度の異常であれば警報を発生し、重度の異常であれば警報を発生するとともに電池システム１０８の運転を停止する。図１２に電池システム１０８における警報の種類と警報値とをまとめたものをアラームリストとして示す。電池監視装置４８において、軽故障と判定出力されると警報音を発すると共に異常内容が表示装置（図示せず）に表示される。重故障と判定されると警報音を発すると共に異常内容が表示装置（図示せず）に表示され、電池システム１０８のプラス側に設置された遮断器１１５ａとマイナス側に設置された遮断器１１５ｂを開路して電池システム１０８からき電線１０５に流れる電流を遮断する。
【００８１】
限流リアクトル１１６は遮断器１１５を流れる電流の抑制をする。システム電流計５９により過電流を検出した場合も遮断器１１５を開路する。なお、単位電池には個別にセル電圧計５１が設けられているので、どのセルに不具合が生じたかわかる。
【００８２】
次に、本発明の一実施形態に係る電池システムの運用について、図１３の接続構成図を用いて説明する。
【００８３】
図１３（ａ）は、性能の劣化した不具合セル６８がない状態における電池システム１０８の接続構成図である。この場合は、電池モジュールＢが１１台直列に接続されて、ケーブル６５、６６を介してそれぞれプラス側の電気、マイナス側の電気が外部に取り出される。セル数調整用電池モジュールＢ’は使用されない。この状態では、前述したように電池システムの出力電圧は３０×１．３６７Ｖ×１１＝４５１Ｖとなる。
【００８４】
充放電サイクルを繰り返す過程で、極端に性能劣化した単位電池が発生した場合、劣化した単位電池が電池モジュールの性能に悪影響を及ぼすこととなる。性能の劣化した不具合セル６８が生じていて、セル数の調整が行われる前の電池システム１０８の接続状態を図１３（ｂ）に、セル数の調整を行った後の電池システム１０８の接続状態を図１３（ｃ）に示す。
【００８５】
不具合セル６８による電池モジュールＢへの悪影響を防止するために単位電池Ｃの正極と負極の間を短絡部材７１で短絡して劣化した不具合セル６８を電池モジュールＢから除外する（図１３（ｃ））。図では９セルが短絡部材７１により短絡されている。この場合、電池システム１０８の出力電圧は、１．３６７Ｖ×９＝１２．３Ｖ低下する。電池システムの出力電圧の低下は、これを利用する機器の性能に悪影響を及ぼし、電車等の運行にも支障をきたすことがある。これを防止するためにセル数調整用電池モジュールＢ’を用いて電池システムの電圧の確保を図る。
【００８６】
図１３（ｃ）において、セル数調整用電池モジュールＢ’の正極端子１１と最低圧側の電池モジュールＢの負極端子１２をケーブル６４で接続して、セル数調整用電池モジュールＢ’の接続端子２１ａにケーブル６６ａを接続する。これによりセル数調整用電池モジュールＢ’の正極端子１１と接続端子２１ａの間の単位電池９台が新たに追加されるので、ケーブル６５とケーブル６６ａ間の電池システム１０８の出力電圧は所定の値に確保される。
【００８７】
セル数の調整は適宜行うことができる。例えば、終業時とか定期点検時において、電池監視装置４８において、性能の低下したセルを選定して、別途用意した短絡装置（図示せず）により完全に放電をさせた後、短絡部材７１を用いて不具合セルを短絡する。不具合セルの選定に際してはセル毎に設けたセル電圧計５１の計測値から出力電圧の低い順に９セルを選んでもよい。目視等で不具合のセルがある場合は、これと出力電圧の低い順に８セルを加えて、都合９セルを選んでもよい。
【００８８】
次に、セル数調整用電池モジュールＢ’の９セルを別途設けた充電器にて充電する。すなわち、電池監視装置４８は電池の状態を計測しているのですべてのセルのＳＯＣを算出している。正常な電池のＳＯＣの平均値となるように追加する９セルの充電を行う。
【００８９】
不具合セル６８が１９個となったときは、ケーブル６６は接続端子２１ｂに接続され、２８個となったときは接続端子２１ｃ（セル数調整用電池モジュールの負極端子）に接続されることとなる。
【００９０】
電池監視装置４８は、単位電池等の状態を監視して、警報を発令し、遮断器を動作させるところ、短絡部材で短絡したセルの出力電圧は重故障の下限値以下であるので、間違って遮断器を動作させることが考えられる。これを防止するために、短絡部材７１で短絡したセルは警報から除外する必要がある。このような操作は電池監視装置４８において、設定画面より手動で行うことができる。手動により行う代わりに好ましくは自動で行うことも可能である。自動にすればヒューマンエラーを防ぐことができる。具体的には、セル電圧が極めて小さい電圧が継続すれば、警報対象から除外する。より詳細には、セル電圧０．０１Ｖ以下が連続して６回以上計測された場合であるが、これらの数値は適宜変更が可能である。
【００９１】
図１４は本発明の実施形態の電池システムを備えた電気鉄道電力供給システムの概略構成図である。
【００９２】
電気鉄道用変電所１００は、本発明に係る電池システム１０８がき電線１０５を介して架線１０９に直結されている。電池システム１０８は、その正極端子１１がき電線１０５に接続され、負極端子１２が帰線１０７に接続されている。電池システム１０８は、充放電電圧を制御する充放電制御装置を介さずに架線１０９に接続されている。
【００９３】
電気鉄道電力供給システム９９は、電力会社等からの交流電源１０１から交流電力回線１０２を介して受電する変圧器１０３と、変圧器１０３に接続された整流装置１０４とを備え、整流装置１０４は、その正側端子が架線１０９に接続され、負側端子が帰線１０７に接続されている。
【００９４】
整流装置１０４から出力される直流電力は、き電線１０５から架線１０９を介して電気車両１１０に供給される。電気車両１１０では、供給される直流電力を、例えば車上の電力制御装置１１２によって交流に変換し、走行用の電動機１１３や補機に供給する。
【００９５】
例えば、電気車両１１０が制動状態にある回生車両であり、他に回生電力を必要する電気車両がなければ、架線電圧が上昇して、回生電力は電池システム１０８に充電される。一方、電気車両１１０が加速車両であるとき、架線電圧が低下すれば、電池システム１０８から架線１０９を介して加速車両へ電力が供給される。
【００９６】
要するに、電池システム１０８では、架線１０９と帰線１０７との間の電圧が、電池システム１０８の電池電圧より高いときに充電し、低いときに放電する。このように、電池システム１０８は、架線１０９における電力の過不足を補償するように働き、省エネと電気車両の運行の確保を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る電池システムは、地上蓄電設備や車両搭載用蓄電池設備をはじめ、例えば、交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続された架線とを有する電気鉄道用の変電所において電池システムが前記架線に直結されている電気鉄道用電力供給システム、もしくは、ＬＲＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ）や路面電車、もしくは、自然エネルギーによる発電設備を連系したスマートグリッドに利用することができる。また、メンテナンス技術として有用に利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 電池積層体
３ 側面板
５ 圧縮板
７ 締付けボルト
９ ケーシング
１０ 電極体
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 収納容器
１４ 枠形部材
１５ 第１蓋部材（正極板）
１６ 第２蓋部材（負極板）
１７ セパレータ
１８ 正極部材
１９ 負極部材
２０ 中間集電体
２１ 接続端子
２１ａ・２１ｂ・２１ｃ接続端子
２２ 接続端子ボルト
２３ ねじ孔
３１ 導電板
３１ａ 側面
３３ 上面板
３４ 下面板
３５ 第１集電板
３６ 第２集電板
３８ 通気孔
３９ 係合孔
４６ 電圧監視端子
４８ 電池監視装置
５１ セル電圧計
５２、５４，５６，５８，６０ 配線
５３ モジュール温度計
５５ モジュール圧力計
５７ システム電圧計
５９ システム電流計
６４ モジュール接続ケーブル
６５ ケーブル（プラス側）
６６ ケーブル（マイナス側）
６８ 不具合セル
７１ 外部短絡部材
７１ａ 本体部
７１ｂ 係合突起
９９ 電気鉄道電力供給システム
１００ 電気鉄道用変電所
１０１ 交流電源
１０２ 交流電力回線
１０３ 変圧器
１０４ 整流装置
１０５ き電線
１０７ 帰線
１０８ 電池システム
１０９ 架線
１１０ 電気車両
１１２ 電力制御装置
１１３ 電動機
１１５ 遮断器
１１６ 限流リアクトル
Ａ 電池システム
Ｂ 電池モジュール（第１電池モジュール）
Ｂ’セル数調整用電池モジュール（第２電池モジュール）
Ｃ 単位電池
Ｓ 外部短絡システム
Ｌ 係合孔列
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールと、
前記第１電池モジュールに直列接続され、前記単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けた第２電池モジュールと、
前記単位電池における、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材とを備えた電池システムであって、
前記短絡部材により短絡された前記単位電池の数に応じて前記第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能であるメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項２】
前記単位電池の出力電圧を計測するセル電圧計と、
前記セル電圧計からの信号を受信する電池監視装置と、を備えていて、
前記セル電圧計の電圧値が所定の値より小さいときに、前記電池システムの出力に設けた遮断器を作動させる請求項１に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項３】
前記セル電圧計の電圧値から単位電池が短絡状態であると判断されるときは、
当該セル電圧の電圧値により前記遮断器を作動させない請求項１または２に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項４】
前記第２電池モジュールにおいて、隣接する前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる請求項1〜３のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項５】
前記第２電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、
前記中間集電体の厚みが前記単位電池と前記導電部材の厚みに等しい請求項１〜４のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項６】
前記導電部材に、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に直交して延びる係合孔が形成されており、
前記短絡部材は、板状の本体部と、該本体部に突設され前記単位電池を介して隣り合う２つの前記導電部材の各係合孔に係合する係合突起とを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項７】
前記導電部材の前記係合孔が気体又は液体からなる冷媒の流通経路を構成しており、冷媒を流すことにより前記導電部材を介して前記単位電池の冷却が可能である請求項１〜６のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項８】
前記電池監視装置は、前記単位電池を流れる電流を計測する電流計からの信号を受信して、前記単位電池のＳＯＣを計算するとともに、
前記第２電池モジュールにおいて新しく供用になる単位電池のＳＯＣが前記短絡部材で短絡されていない単位電池のＳＯＣと同じになるように充電を行う充電器を備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項９】
交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池システムを前記き電線に直結してなる電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１】
単位電池を複数積層してなる第１電池モジュールと、
前記第１電池モジュールに直列接続され、前記単位電池を複数積層してなる電池モジュールの正極端子と負極端子の間に電気を取り出すための接続端子を設けた第２電池モジュールと、
前記単位電池における、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に互いに対向して設けられた正極板と負極板との間を短絡させる短絡部材とを備えた電池システムであって、
前記短絡部材により短絡された前記単位電池の数に応じて前記第２電池モジュールから電気を取り出すための端子を選択することにより電池システムの出力電圧が調整可能であるメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項２】
前記単位電池の出力電圧を計測するセル電圧計と、
前記セル電圧計からの信号を受信する電池監視装置と、を備えていて、
前記セル電圧計の電圧値が所定の値より小さいときに、前記電池システムの出力に設けた遮断器を作動させる請求項１に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項３】
前記セル電圧計の電圧値から単位電池が短絡状態であると判断されるときは、
当該セル電圧の電圧値により前記遮断器を作動させない請求項１または２に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項４】
前記第２電池モジュールにおいて、隣接する前記単位電池の間に中間集電体を設け、当該中間集電体に前記接続端子を取り付けてなる請求項1〜３のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項５】
前記第２電池モジュールが板状の導電部材と前記単位電池とが交互に積層しており、
前記中間集電体の厚みが前記単位電池と前記導電部材の厚みに等しい請求項１〜４のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項６】
前記導電部材に、前記第１および第２電池モジュールの積層方向に直交して延びる係合孔が形成されており、
前記短絡部材は、板状の本体部と、該本体部に突設され前記単位電池を介して隣り合う２つの前記導電部材の各係合孔に係合する係合突起とを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項７】
前記導電部材の前記係合孔が気体又は液体からなる冷媒の流通経路を構成しており、冷媒を流すことにより前記導電部材を介して前記単位電池の冷却が可能である請求項１〜６のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項８】
前記電池監視装置は、前記単位電池を流れる電流を計測する電流計からの信号を受信して、前記単位電池のＳＯＣを計算するとともに、
前記第２電池モジュールにおいて新しく供用になる単位電池のＳＯＣが前記短絡部材で短絡されていない単位電池のＳＯＣと同じになるように充電を行う充電器を備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載のメンテナンスを考慮した電池システム。
【請求項９】
交流電力回線から受電する変圧器と該変圧器に接続された整流装置と該整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池システムを前記き電線に直結してなる電気鉄道用電力供給システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２３４６８４（Ｐ２０１２−２３４６８４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１８９０（Ｐ２０１１−１０１８９０）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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