電気自動車の充電システム
【課題】設備費用が安価で、急速充電が可能な電気自動車の充電システムを提供する。
【解決手段】電気鉄道用の電力供給系統のき電線５からの直流電力で、電気自動車１０に搭載された動力用の蓄電装置１１を充電する。ここに、き電線５と蓄電装置１１とは、充電ステーション２に設けられた給電端子２６と電気自動車に取り付けられた受電端子部２２とを電気的に接続することにより、接続される。
【解決手段】電気鉄道用の電力供給系統のき電線５からの直流電力で、電気自動車１０に搭載された動力用の蓄電装置１１を充電する。ここに、き電線５と蓄電装置１１とは、充電ステーション２に設けられた給電端子２６と電気自動車に取り付けられた受電端子部２２とを電気的に接続することにより、接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車の動力用蓄電池を充電する為の電気自動車用の充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、動力用蓄電池を搭載して、この動力用蓄電池からの電力をモータに供給して走行する。したがって、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等を動力とした一般の自動車のように排気ガスの問題がなく、クリーンで環境に優しい技術として期待されている。
【０００３】
電気自動車の充電方法については、種々の方法が提案されている。電気自動車に関していえば、ガソリン車やディーゼル車との対比の関係で、その航続距離（走行可能距離）と充電時間が問題となる。すなわち、電気自動車は動力用蓄電池に蓄えられた電気エネルギーを動力源として走行するので、１回あたりの蓄電池の充電での航続距離が問題になるとともに、蓄電池の充電時間が、電気自動車の競争力を決める重要なファクターとなっている。これは、ガソリン車等の給油時間に比べて、蓄電池の充電時間がかなり長いことに起因している。
【０００４】
電気自動車に搭載の蓄電池を充電する方法として、特許文献１に示すようにＤＣ−ＤＣコンバータを用いる方法や、特許文献２および特許文献３に示すように別途用意した蓄電池を用いて充電する方法や、特許文献４に示すように蓄電池の交換による方法が提案されている。
【０００５】
特許文献１を除き、いずれも電気自動車に搭載される動力用蓄電池の急速充電を課題としたものであり、充電に必要な時間の短縮に関する技術が開示されている。なお、特許文献１には、充電対象として電気自動車ではなく、鉄道もしくは軌道の電気車両に搭載の蓄電池の充電に関する技術が開示されている。
【０００６】
ここで、本発明のバックボーンとなる電気鉄道の電力供給システムについて、電気鉄道固有の事項を中心に説明する。図１７は、現在採用されている一般的な電気鉄道用の電力供給システムである（例えば、特許文献５）。電気鉄道用の変電所３０９では、電力会社の商用交流電源系統３０１から交流電力を受電して、変圧器３０３で適当な電圧に降圧した後、整流器３０４にて直流電力に変換し、き電線３０５を介して空中架線３０６からパンタグラフ３１１を通じて電気車両３１０に直流電力を供給している。
【０００７】
電気車両３１０は、供給された直流電力を車両に搭載された電力変換装置３１２を介して走行用モータ３１３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力行（加速走行）を行う。加速時には電気車両３１０は大きな電力負荷となるので、架線３０６に大電流が流れ架線電圧が降下し、ひいてはき電線３０５の電圧が降下する。
【０００８】
また、反対に回生能力を持つ電気車両３１０は、減速時には電気車両３１０が持っている走行エネルギーを、走行用モータ３１３を発電機として使用して、電気エネルギーに変換を行い、それが回生電力となる。
【０００９】
回生電力は、同時に走行している他の電気車両が加速走行時であれば、その電気車両で消費されるが、加速走行する電気車両がない場合は回生電力は消費されず、架線電圧が上昇してき電線電圧が上昇する。そのため、電気車両３１０では一定電圧以上で回生電力の発生を抑えるよう電気車両の電力変換装置３１２による制御が行われ、いわゆる回生の絞り込みが行われる。さらに、それ以上に電圧が上昇すれば、電気車両３１０の電力変換装置３１２によって電力の回生を打ち切る制御が行われ、一般的にいわれる回生失効となる。
【００１０】
回生の絞り込みもしくは回生失効が起これば、電気車両３１０の必要な減速度を確保するために機械ブレーキを使用することになり、走行エネルギーは最終的に熱エネルギーに変換され無駄に廃棄されることになる。
【００１１】
回生失効を防止するため、変電所で回生電力を消費するためにチョッパーを利用して回生電力を抵抗器で熱エネルギーに変換する方法もとられているが、この場合も回生電力が無駄に廃棄されることになる。図１７に示す変電所３０９においては、回生失効を防止するため、電力貯蔵装置３０８を配置して、充放電制御を行なうＤＣ−ＤＣコンバータ３０２を介して電力貯蔵装置３０８に回生電力の貯蔵を行う例が示されている。このような電力供給システムでは回生電力は無駄に廃棄されることはないが、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０２や電力貯蔵装置３０８は高価であるので変電所３０９の建設費が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２３７８５号公報
【特許文献２】特開２００９−７７５５７号公報
【特許文献３】特開平０７−２５０４０５号公報
【特許文献４】再表２００８−１２３５４３号公報
【特許文献５】特開２００１−２６０７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電気自動車に搭載の蓄電池の充電を短時間に行ないたいという要望は、ガソリン車等との対抗上、強く求められている。そして、その手法が種々提案されているが、一般的に短時間で蓄電池を充電するためには、高電圧を印加して、大電流を流して蓄電池を充電する必要がある。つまり、電圧と電流の積が電力であるので、急速充電には大電力を必要とすることになり、設備費と契約電力料金が大きくなるという問題がある。
【００１４】
例えば、１ｋＷｈで５ｋｍ走行する電気自動車を５００ｋｍ走行させる仕様で１００ｋＷｈの蓄電池が搭載されている場合、３６秒で充電するためには１０，０００ｋＷの充電設備が必要になる。日本では契約電力は１ｋＷ当り１ヶ月間で約１，７００円必要なので年間の契約料は２億４００万円になる。
【００１５】
更に、充電器は使用最大電力に応じてその体格が大きくなり、価格が高くなる。例えば、５万円／ｋＷとすると充電器は５億円になり過大な設備費用を必要とする。
【００１６】
特許文献２には、車外に設置した急速充電器から車載の高圧蓄電池に充電して、この高圧充電器で低圧蓄電池を充電する技術が開示されている。この場合、車外に設置した充電器が高価になるという問題がある。また、車載の高圧蓄電池も必要とするので充電システムが複雑化し高価になるという問題がある。
【００１７】
特許文献３には、車外に設置した大容量の蓄電池から車載の蓄電池を充電する技術が開示されている。これは蓄電池から蓄電池への充電が比較的速やかに行なわれることを利用したものである。この方法によれば、車外に設置した大容量の蓄電池の充電は深夜電力によって充電されるので、充電に大電力を必要とせず、契約電力の低減および充電器の小型化・低価格化が可能である。しかし、この方法では、別途大容量の蓄電池が必要となり、大きな設備費用を必要とする。
【００１８】
特許文献４には、車載の蓄電池を既に充電済みの蓄電池との交換を行うことにより、蓄電池の充電に要する時間の短縮を図る技術が開示されている。この技術によれば、蓄電池の交換作業と、交換した蓄電池を充電場所まで搬送して充電する作業が必要になるので、作業が煩瑣となり工賃が高くなる。また、交換用の蓄電池が別途必要となり、大きな設備費用を必要とする。
【００１９】
特許文献１には、電気車両に搭載の蓄電池を電気鉄道のき電線から充電する技術が開示されているが、き電線の公称電圧と蓄電池の仕様電圧にはギャップがある（例えば、き電線の公称電圧が１，５００Ｖであるところ蓄電池の仕様電圧が６００Ｖである場合等）。この電圧のギャップをうめて降圧し、適切に蓄電池の充放電を行うために蓄電池の充電に別途ＤＣ−ＤＣコンバータを必要としている。これは、電気鉄道の電力供給システムにおいて、電力供給系統の電圧変動が大きいためである。すなわち、商用の電力系統において、その電圧変動は高々１０％程度であるところ、電力供給システムにおいては、ときには３０％を超えることがある。この電圧変動に耐えて適切に蓄電池の充放電を行なうために、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。急速充電をする場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータは大電力仕様とする必要があり、高価となる。
【００２０】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電気鉄道のき電線から電気自動車に搭載された動力用蓄電池を充電することにより、高価な充電器もしくはＤＣ−ＤＣコンバータを必要とせず、また、多大な契約電力の負担を要せず、別途充電用の大容量蓄電池も不要であり、蓄電池の交換の手間もない、安価でシンプルな電気自動車に搭載された蓄電池の急速充電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（請求項１）
上記の目的を達成するために、本発明に係る電気自動車の充電システムは、交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用電力供給システムにおいて、電気自動車に搭載され、当該電気自動車に走行用の駆動電力を供給する充電可能な蓄電装置と、前記き電線に接続された給電用接続子と、前記電気自動車に取り付けられ、前記蓄電装置に接続された受電用接続子とを備え、前記給電用接続子と前記受電用接続子とを電気的に接続することにより、前記蓄電装置が前記給電用接続子を介して前記き電線と接続して充電される。
【００２２】
この構成によれば、好ましくは、き電線と給電用接続子の間に直流遮断器を設けてもよい。直流遮断器を設ければ、充電システムに過電流が流れもしくは地絡事故が生じたときに、事故電流を遮断して充電システムを保護することが可能となる。直流遮断器は高速度で作動する高速直流遮断器であってもよい。直流遮断器は、空気遮断器であってもよく、真空遮断器であってもよい。
【００２３】
電気自動車は充電ステーションに駐車して、き電線から直流電力の供給を受けて電気自動車に搭載の蓄電装置の充電を行う。ここに、受電用接続子は電気自動車に取り付けられているが、給電用接続子は地上設備として設けられていて、充電ステーションの固定設備の一部をなす。
【００２４】
電気自動車は、充電可能な蓄電装置と、蓄電装置から電力変換器を介して走行用のモータに電力が供給されて運転される。本発明に係る電気自動車は、前記蓄電装置や電力変換器を備えるとともに、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンを搭載したいわゆるハイブリッド車であってもよい。ハイブリッド車によっては、搭載した蓄電装置の充電が必要になることもあるからである。
【００２５】
蓄電装置は、好ましくは充電が可能な二次電池であって、二次電池として、例えば鉛電池、ニッケル水素電池またはリチウム電池であってもよい。また、蓄電装置として、二次電池以外では、キャパシタなどの電力貯蔵が可能なものであってもよい。電気自動車は、乗用車であってもよく、バスやトラックであってもよく、バイクであってもよい。充電可能な蓄電装置と電力変換器を介して走行用のモータで運転が可能であればよい。バスの場合は、電池バスとして知られている。
【００２６】
充電ステーションは、一般道路の近傍に設けられておれば、随時充電が可能である。電気自動車が、公共交通機関として定められた路線を定期的に運行される路線バス（電池バス）である場合は、停留所または車庫に充電ステーションが設けられていてもよい。路線バスが停留所または車庫に停車中に充電を行えば、電池バスの充電が電池バスの運行に与える影響を少なくすることができる。充電ステーションの好適な場所としては、き電線が近くを通る電気鉄道の沿線沿いが考えられる。このような場合、き電線の延伸距離が短くてすみ、設置費用が安価であり、電力損失も少なくすることができる。なお、本発明の説明において電気鉄道とは、いわゆる電気鉄道の他、軌道法における軌道を含むものとする。
【００２７】
充電ステーションに停車する電気自動車は１台に限定されるものでなく、複数台であってもよい。電気自動車が複数台充電ステーションにき電線を介して接続されていれば、電気鉄道の電力供給システムとして、電気自動車の蓄電装置の分だけ、電力貯蔵装置の抵抗が小さくなって省エネ効果が大きくなるので、電力供給システムにとっては好ましい。すなわち、回生電力を多く貯蔵することができ、省エネルギーに役立つ。また、電気車両の力行に伴うき電線の電圧低下の軽減にも、大容量の電力貯蔵は威力を発揮する。
【００２８】
給電用接続子および受電用接続子は、２つの導体を電気的に接続する役割を果たすものであり、電気コネクタのプラグとレセプタクルや、端子形状をしたものや、ブスバーとシューの組み合わせたものであってもよい。
【００２９】
（請求項２）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記き電線と前記蓄電装置が直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに接続されていてもよい。
【００３０】
電気鉄道用の変電所には、き電線の公称電圧と蓄電池の仕様電圧の電圧ギャップをうめて降圧し、適切に蓄電池の充放電を行うために、特許文献１に示すような直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを設けることがある。これは、電気鉄道の電力供給システムにおいて、その電力供給系統の電圧変動が大きいためである。これは、電気車両が力行、回生を行うからであり、電圧変動がときには３０％を超えることがある。この電圧変動を抑制して適切に機器の運転を行うために、直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを設けることがある。本発明の構成によれば、高価なＤＣ−ＤＣコンバータを必要としない。
【００３１】
（請求項３）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所と異なる箇所に設けられていてもよい。
【００３２】
この構成によれば、給電用接続子が変電所に設けられていないので、充電ステーションは、変電所の設置場所とは独立に自由に選択可能となるので、充電ステーションの配置の融通性が高まる。
【００３３】
（請求項４）
上記蓄電装置は積層型ニッケル水素電池であることが好ましい。また、当該ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含むことが好ましい。
【００３４】
（請求項５）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記受電用接続子が前記電気自動車の屋根に設けられていて、当該受電用接続子に充電時に対向する位置に前記給電用接続子が配されていてもよい。
【００３５】
この構成によれば、好ましくは電気自動車の屋根に設けられた受電用接続子に対抗する上方に、給電用接続子を地上側設備として設け、当該給電用接続子をき電線に接続する。電気自動車が充電ステーションの所定位置に停車したときに、受電用接続子を上昇させるか、給電用接続子を降下させることにより、受電用接続子と給電用接続子とを接触させて、電気的に接続可能にする。したがって、受電用接続子は電気自動車の屋根近傍に設置されていればよく、電気自動車の上方部に位置していればよい。係る受電用接続子には、作業の安全のために感電防止板を設けてもよい。電気自動車が電池バスのような大型自動車である場合、受電用接続子を電気自動車の屋根に設けることは、き電線の空中配線が可能となり、充電ステーションの設備の簡素化に有利である。
【００３６】
（請求項６）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記電気自動車の側部もしくは床部であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【００３７】
この構成によれば、給電用接続子とこれに嵌合する受電用接続子からなる電気コネクターを用いて、き電線と蓄電装置を電気的に接続してもよい。一般に係る電気コネクターはプラグとレセプタクルからなり、プラグはケーブル側に取り付けられ、レセプタクルは機器側に取り付けられる。電気コネクターは、安全に、確実に、かつ容易に人手での脱着が可能である。電気コネクターは、ねじ式や嵌合式等種々の組み合わせがある。電気コネクターによる接続は、比較的車高の低い乗用車のような電気自動車に適している。ガソリン車における給油の感覚で電気コネクターを電気自動車に接続することができる。
【００３８】
（請求項７）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記電気自動車の上部であって前記受電用接続子と前記蓄電装置との間に伸縮自在な蛇腹部を有し、前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【００３９】
この構成によれば、蛇腹部はラックとピニオン式で伸縮を可能にしたものであってよく、また、空気シリンダーとピストンの組み合わせにより伸縮をさせてもよく、あるいは電動サーボを用いて伸縮させてもよく、更には電動モータとリミットスイッチにより伸縮させてもよい。道路走行中は蛇腹部を縮めて受電用接続子を下げ、充電ステーションで充電時に蛇腹部を延伸して受電用接続子を上げてもよい。
【００４０】
（請求項８）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所に備えられていて、前記電気自動車の屋根であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、電気鉄道用の電力供給システムのき電線から直流電力の供給を受けて高電圧で大電流で充電するので、急速充電が可能である。すなわち、本発明による充電システムによれば、充電に必要な大電力は電気鉄道用の電力供給システムから供給されるので、別途大電力の契約の必要がなく、高価な充電器やＤＣ−ＤＣコンバータを必要としないので安価なシステムを提供する。副次的には、電気鉄道における回生電力の貯蔵や、電力不足によるき電線電圧の低下に対処することが可能となり、省エネルギー効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの概略構成図である。
【図２】ニッケル水素電池を構成する単位電池の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す単位電池の枠形部材、第１蓋部材及び第２蓋部材の構造を示す斜視図である。
【図４】電池モジュールの横断面図である。
【図５】電池モジュールに用いられる伝熱板の斜視図である。
【図６】各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの給電部と受電端子部の外観の斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの給電部と受電端子部の外観の側面図であり、（ｂ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の正面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの給電コネクターの外観の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの充電方法を示すフローチャートである。
【図１２】（ａ）は、本発明の第３の実施形態の電気自動車の走行時の状態を示す図であり、（ｂ）は、充電時の状態を示す図である。また（ｃ）は、（ｂ）における要部の拡大図である。
【図１３】本発明の参考例の電気自動車の充電システムの概略構成を示す図である。
【図１４】電車と電池バスを示した充電システムの構想図である。
【図１５】路面電車と電池バスを示した充電システムの構想図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの試験結果を示す表である。
【図１７】従来技術からなる電気鉄道の電力供給システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づき説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
１．[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気自動車の充電システムの概略構成図である。図１において、電気自動車１０は変電所８とは異なる場所に設けられた充電ステーション２に、電気自動車１０の蓄電装置１１を充電するための設備が準備されている。すなわち、電気自動車１０は、車載用の蓄電装置１１と、回生機能を有する電力変換器１２と、蓄電装置１１から電力変換器１２を介して電力が供給される走行用モータ１３とを搭載し、走行用モータ１３によって車輪１５が駆動され、一般道路上を走行可能に構成されている。
【００４５】
そして、電気自動車１０の屋根には受電端子部２２が設けられている。この受電端子部２２は、蓄電装置１１の正極側端子（図示せず）と電気的に接続された正側受電端子５３ａと、蓄電装置１１の負極側端子（図示せず）と電気的に接続された負側受電端子５３ｂとを有している（図８参照）。蓄電装置１１としては、充電が可能な二次電池やキャパシタを用いてもよい。
【００４６】
なお、電気自動車１０がガソリンエンジンをも搭載してなるハイブリッド車である場合においては、ハイブリッド車に搭載された蓄電装置へも充電が可能である。
【００４７】
図１に示す電気鉄道用の変電所８では、電力会社の商用交流電源系統１からの交流電力を受電して、変圧器３で適当な電圧に降圧した後、整流器４にて直流電力に変換し、き電線５を介して電気車両１６に直流電力を供給する。
【００４８】
電気車両１６は、供給された直流電力を車両に搭載された電力変換器１７を介して走行用モータ１８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力行（加速走行）を行う。加速時には電気車両１６は大きな電力負荷となるので、き電線５に大電流が流れき電線５の電圧が降下する。しかし、変電所８に電力貯蔵装置６が設置されておれば、電力貯蔵装置６から電力をき電線５に供給することにより電圧の低下は軽減される。
【００４９】
一方減速時には、電気車両１６が持っている走行エネルギーは、走行用モータ１８が発電機として作用して、電気エネルギーに変換を行い、回生電力を発生させる。
【００５０】
回生電力は、同時に走行している他の電気車両が加速時であれば、その電気車両で消費されるが、回生電力を消費する加速電気車両がない場合は、変電所８に設置した電力貯蔵装置６に貯蔵される。電力貯蔵装置６を設置することにより、回生失効を防ぎつつ省エネルギーを実現することができる。
【００５１】
図１に示す充電ステーション２は、電気自動車１０が駐車可能になっている。そして、この充電ステーション２において、き電線５は直流遮断器９および給電線２０を介して給電部２１に接続されている。直流遮断器９はき電線５からの直流電力の投入／遮断の制御を行うとともに、充電システムに異常が生じたときに事故電流を遮断して、充電システムを保護する。充電ステーション２に電気自動車１０が進入して所定位置に停車した状態で、給電部２１の給電端子２６を下降させて受電端子部２２の受電端子５３に接触させる。これにより、電気自動車１０の蓄電装置１１は給電部２１の給電端子２６と電気的に接続された状態になり、結果的には給電線２０を介してき電線５に接続される。その後、直流遮断器９を投入して導通状態とし、き電線５から給電線２０を介して電気自動車１０の蓄電装置１１を急速充電する。その結果、短時間で蓄電装置１１は次の充電ステーション２まで十分に走行可能な状態に充電される。なお、図１には充電ステーション２が１つ示されているが、充電ステーション２は１つに限らず複数個所に配置してもよい。
【００５２】
また、電気自動車１０は、充電ステーション２への進入に当たってブレーキをかけて減速するが、その際、走行用モータ１３には回生電力が発生する。この回生電力は、電力変換器１２を介して蓄電装置１１に供給され、蓄電装置１１を充電する。このように、走行用モータ１３が回生状態となる度に蓄電装置１１は充電されるので、充電ステーション２に到着時には幾分のエネルギーが蓄積され、停車中におけるき電線５からの充電は次の充電ステーション２までの走行に要する電力不足分でよい。このような場合、電気自動車１０への電力供給量は少なくてすみ、短時間の急速充電が可能になる。
【００５３】
ここで、蓄電装置が積層構造を有するニッケル水素電池である場合を例に取り、その構造と特性について図を参照しながら説明する。図２及び図３は、上述の積層型ニッケル水素電池の単位電池の構成例を説明するための図である。
【００５４】
図２は、上記単位電池Ｃの構造を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１６１、正極を構成する正極板１６２、及び負極を構成する負極板１６３を含む電極体１６５と、電極体１６５を電解液と共に収容する空間を形成する矩形の枠形部材１６７と、第１蓋部材１６９と、第２蓋部材１７１とを備えている。なお、図２に示す単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素２次電池として構成している。
【００５５】
図３に示すように、第１蓋部材１６９は、枠形部材１６７の一方の開口１６７ａを覆う平板状の本体部１６９ａを有しており、本体部１６９ａの４つの各辺において一体に形成された縁部が、枠形部材１６７の４つの各辺１６７ｂにほぼ沿うように折り曲げられて、枠形部材１６７の外周面の一部を覆う側部１６９ｂを形成している。第２蓋部材１７１も、第１蓋部材１６９と同様に、本体部１７１ａ及び側部１７１ｂを有しており、枠形部材１６７の他方の開口１６７ｃを覆っている。
【００５６】
電極体１６５は、図２に示すように、正極板１６２と負極板１６３とが、セパレータ１６１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。より具体的にはプリーツ状に折り曲げられたセパレータを介して、正極板１６２と負極板１６３とが交互に積層されて対向するプリーツ構造を有している。図２及び図３に示す単位電池Ｃにおいて、電極体１６５は、枠形部材１６７の、図３の左右方向に向かい合う一組の辺１６７ｂ、１６７ｂの一方から他方に向かう方向Ｙに積層されている。
【００５７】
このようなプリーツ型セパレータが単位電池に採用されることにより、多数の単位電池で構成されるニッケル水素電池においては、セパレータの面積Ｓは非常に大きいものとなり、その結果、ニッケル水素電池全体の静電容量も非常に大きいものとなる。
【００５８】
図４は、電池モジュールＢの横断面図である。図５は、図４の電池モジュールＢに用いられている伝熱板の斜視図である。
【００５９】
この電池モジュールＢは、複数の単位電池を積層したものである。単位電池の各々では、対向して設けられた正極集電体１２９と負極集電体１３０の間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１３１が交互に両集電体に近接するように配置される。更に各単位電池では、蛇腹状のセパレータ１３１と正極集電体１２９とで区画される空間に電解質溶液１３２とともに正極活物質を含有する正極シート１３３が配置され、蛇腹状のセパレータ１３１と負極集電体１３０とで区画される空間に電解質溶液１３２とともに負極活物質を含有する負極シート１３４が配置され、正極シート１３３と負極シート１３４がセパレータ１３１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池はセパレータ１３１を蛇腹状とすることにより、正極シート１３３、負極シート１３４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができる。このことにより、隣り合うセル間を非常に小さな抵抗で繋ぐことができるためセル間を繋ぐケーブルが不要となり、電池が全体としてコンパクトになる。
【００６０】
また、正極シート１３３は正極集電体１２９に接し、負極シート１３４は負極集電体１３０に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体１２９ともう一方の単位電池の負極集電体１３０に接するように図５に示す伝熱板１２６が挿入されている。この伝熱板１２６の空気通流孔１２７の向きは、正極シート１３３と負極シート１３４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体１２９と負極集電体１３０との間は、セパレータ１３１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１３１と正極集電体１２９とで区画され正極シート１３３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１３１と負極集電体１３０とで区画され負極シート１３４が配置される領域が負極セルとなる。
【００６１】
図４に示すように、導電性に優れるとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体１２９と負極集電体１３０が、それぞれ正極シート１３３及び負極シート１３４と直接接触し、その上、各集電体１２９、１３０が、電気的に正極集電体１２９と負極集電体１３０をつなぐ役割を果たす伝熱板１２６と接触している。
【００６２】
次に、上述の構造を有する積層型ニッケル水素電池の特性について説明する。
ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣ（state of charge）の変動による電圧変動が小さい。また、他の蓄電池に比べて電池容量を有効利用できるため、電気自動車の中で大きなスペースが必要なくコンパクトに設置できる。
【００６３】
ニッケル水素電池は電圧変動が小さいため蓄電池の充放電制御を行なうＤＣ−ＤＣコンバータを必要とはせず、ＤＣ−ＤＣコンバータの設置スペースを必要としない。高価なＤＣ−ＤＣコンバータを用いないため、装置全体として廉価となる。更に、ニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いことからも、電気自動車の中で大きなスペースが必要なくコンパクトに設置できる。
【００６４】
また、ニッケル水素電池は、ＤＣ−ＤＣコンバータのような動作遅れもなく、急速充放電特性に優れている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる昇降圧チョッパーが省略されれば、制御装置の障害となる高調波ノイズが発生するおそれもない。更に、ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいことから、電気車両の加速時に、極めて短い時間に大電流が必要となる場合にニッケル水素電池から放電を行って電圧の低下を抑えるのに他の電池よりも適している。更に、ニッケル水素電池は、電気車両が回生を行うことによって極めて短い時間に大電流が発生しても、充電を行って電圧の上昇を抑えるのに他の電池よりも適している。したがって、き電線電圧の安定化を図り、電気車両運行の効率化に資することが可能となる。
【００６５】
以下、本実施の形態の充電システムに使用されるニッケル水素電池の特性について他の種類の蓄電池と比較しながら説明する。
【００６６】
図６は、各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示す。
【００６７】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化を想定すれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に電池容量を小さくできる。よって、これに相応して電池寸法を小さくすることができる。
【００６８】
図６に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較して電圧の変動に対するＳＯＣの変動の範囲Ｓが広いという特性を有する。即ち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ１ とし電圧変動が範囲ｄＶ１ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣの範囲Ｓのほぼ全てにおいて使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池では中央値の電圧をＶ２ とし電圧変動が範囲ｄＶ２ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池では中央値の電圧をＶ３ とし電圧変動が範囲ｄＶ３ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。ここで、電圧変動範囲の大きさは、ｄＶ１ ／Ｖ１ ＝ｄＶ２ ／Ｖ２ ＝ｄＶ３ ／Ｖ３ とする。
【００６９】
電圧変動の観点から考察すれば、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど（例えばＳＯＣが４０〜６０パーセント）のとき、ニッケル水素電池を図１のようにき電線に直結した場合、ニッケル水素電池の充放電が繰り返されることによりその充電状態が変動しても電池電圧の変動を非常にさく抑えることができる。他方、他の電池（例えば、リチウムイオン電池）の場合は、電池電圧の変動が大きくなる。つまり、ニッケル水素電池は、電池容量を有効に利用することができる。
【００７０】
次に、図７及び図８を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る受電端子部２２および給電部２１の詳細な構成について説明する。図７は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の斜視図である。また、図８（ａ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の側面図であり、図８（ｂ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の正面図である。
【００７１】
電気自動車１０の屋根５１の上には、蓄電装置１１の正極側端子と電気的に接続された正側受電端子５３ａと、蓄電装置１１の負極側端子と電気的に接続された負側受電端子５３ｂとが、それぞれ碍子５４を介して固設されている。受電端子５３ａ、５３ｂはそれぞれ、例えば銅あるいは銅合金で形成された長板状の導電板からなる。正側受電端子５３ａ及び負側受電端子５３ｂは、それぞれ車長方向に長く、かつ車幅方向に平行に並んで設けられている。これらの受電端子５３ａ、５３ｂによって受電端子部２２が構成されている。
【００７２】
なお、屋根５１には、作業者が屋根上を歩くための歩み板５２ａ、５２ｂが車幅方向の両端部分に沿って設置されている。
【００７３】
給電部２１は、大地に固定された構造物２９に、上下可動機構部２３が取り付けられ、この上下可動機構部２３によって正側給電端子２６ａ及び負側給電端子２６ｂを上昇及び下降させることができるように構成されている。正側給電端子２６ａ及び負側給電端子２６ｂは、それぞれ４個のばね２５を介して絶縁支持部２４に支持されている。ばね２５はコイルばねである。絶縁支持部２４は、上下可動機構部２３に取り付けられ、上下可動機構部２３によって上昇及び下降させられることによって、給電端子２６ａ、２６ｂが上昇及び下降する。
【００７４】
給電端子２６ａ、２６ｂはそれぞれ、例えば銅あるいは銅合金で形成された長板状の導電板からなる。正側給電端子２６ａは電線（図示せず）によって直流遮断器９に接続されており、この直流遮断器９の投入時（導通時）にはき電線５の正側出力と電気的に接続される。また、負側給電端子２６ｂは電線（図示せず）によってき電線５の負側出力（帰線７）と電気的に接続されている。
【００７５】
なお、電気自動車１０の屋根５１に設置された長板状の受電端子５３ａ、５３ｂは、長板状の給電端子２６ａ、２６ｂとの接触面となる一主面が上方を向くように設けられている。そして、給電部２１の上下可動機構部２３は、給電端子２６ａ、２６ｂの受電端子５３ａ、５３ｂとの接触面となる一主面が下方を向いた状態で給電端子２６ａ、２６ｂを上昇及び下降させることができ、下降させたときに給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂと面接触した状態となり、上昇させたときに給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂと離間した状態となるように、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇及び下降させるように構成されている。
【００７６】
図７、図８では、電気自動車１０が充電ステーション２の所定の充電位置に停車し、給電端子２６ａ、２６ｂが上昇しているときの状態を示している。このとき、正側給電端子２６ａが電気自動車１０の正側受電端子５３ａと対向し、負側給電端子２６ｂが電気自動車１０の負側受電端子５３ｂと対向している状態である。
【００７７】
いま、電気自動車１０が充電ステーション２へ進入してきて所定の充電位置に停車した直後であれば、この後、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させて、正側給電端子２６ａの下面と正側受電端子５３ａの上面とを面接触させるとともに、負側給電端子２６ｂの下面と負側受電端子５３ｂの上面とを面接触させる。これにより、電気自動車１０の蓄電装置１１は給電端子２６ａ、２６ｂと電気的に接続された状態になる。その後、直流遮断器９を投入して導通状態とし、地上用蓄電装置６を、き電線５を介して電気自動車１０の蓄電装置１１へ急速放電させる。その結果、短時間で蓄電装置１１は次の充電ステーション２まで十分に走行可能な状態に充電される。その後、直流遮断器９を開路させて、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇させる。この後、電気自動車１０は次の停車駅へ向かって走行する。
【００７８】
ここで、給電端子２６ａ、２６ｂの下降及び上昇の制御と、蓄電装置１１の充電の開始および終了の制御等について、その一例を示しておく。
【００７９】
まず、電気自動車１０が充電ステーション２に進入して所定位置に停車し、運転手の操作によって運転台から充電を行う旨の指示が出されると、電気自動車１０の図示していない制御装置（以下、「車両側制御装置」という）から充電ステーション２の図示していない制御装置（以下、「給電側制御装置」という）へ充電指令信号が送信される。これを受けて給電側制御装置は、ＳＯＣ送信指令信号を車両側制御装置へ送信し、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させる。次に、給電側制御装置は、直流遮断器９を投入して導通状態とし、き電線５からの充電を開始させる。
【００８０】
また、電気自動車１０の蓄電装置１１には、そのＳＯＣ（充電状態）を検出するＳＯＣ検出手段が設けられており、ＳＯＣ検出手段によるＳＯＣ検出値は常時、車両側制御装置へ入力されている。車両側制御装置は、給電側制御装置からのＳＯＣ送信指令信号を受信してから後述の充電完了信号を受信するまでの間、常時、ＳＯＣ検出値を給電側制御装置へ送信する。
【００８１】
給電側制御装置では、電気自動車１０の蓄電装置１１の充電状態を監視しながら、ＳＯＣ検出値が所定の値になるまで充電を行い、所定の値になれば、き電線５からの充電を終了させる。続いて、直流遮断器９を開路させて、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇させる。そして、給電側制御装置は充電完了信号を車両側制御装置へ送信する。これを受けて車両側制御装置では、例えば運転台に設けている充電終了ランプを点灯させる。運転手は、充電終了ランプの点灯を確認してから電気自動車１０の走行を開始させる。走行を開始させると充電終了ランプは消灯する。
【００８２】
なお、上述のように運転手の操作によって充電指令信号を発生させる代わりに、例えば電気自動車１０が所定位置に停車したことを検出する検出手段を地上に設けておき、その検出信号を充電指令信号として給電側制御装置へ入力するようにしてもよい。
【００８３】
本実施形態において、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させるとき、給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂに押しつけられて、給電端子２６ａ、２６ｂを保持しているばね２５が若干縮む程度まで下降させるようにしている。これにより、給電端子２６ａ、２６ｂの下面に対して受電端子５３ａ、５３ｂの上面がいずれの方向に傾いていたとしても、その傾きが各々のばね２５の伸縮度合いが異なることによって吸収され、給電端子２６ａ、２６ｂの下面を受電端子５３ａ、５３ｂの上面に容易に面接触させることができ、また、その面接触した状態を保持することができる。
【００８４】
なお、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを４個のばね２５で保持しているが、これに限らず、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できれば、５個以上のばねで保持するようにしてもよいし、３個以下のばねで保持するようにしてもよい。
【００８５】
また、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂをばね２５で保持しているが、これに限らず、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できる部材であればよい。
【００８６】
また、給電部２１にばね２５を設ける代わりに、車両側にばねを設けてもよい。例えば、各碍子５４の上にばねを介して受電端子５３ａ、５３ｂを取り付けるようにしてもよい。この場合も、ばねに限らず、受電端子５３ａ、５３ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できる部材であればよい。
【００８７】
なお、本発明の第１の実施形態のように、電車における架線とパンタグラフによる給電方法を擬した充電システムは、電気車両におけるそれと同様に大電力の授受を可能にし、急速充電により適した構造となっている。
【００８８】
ここで、いくつかの蓄電池を組み合わせて全体として５０Ａｈの容量で１，２００Ｖの蓄電池の全容量の５０％を充電する場合について検討してみる。この場合、充電量は３０ｋＷｈとなる。これを商用交流電源系統から給電する場合、例えば一般的な契約電力である５０ｋＷ未満の低圧受電であれば、３０ｋＷｈを充電するのに少なくとも３６分を要する。これより大きな電力で充電する場合、高圧受電契約となり契約電力料金が高額となり、さらに受電設備ならびに充電設備も高額となる。
【００８９】
一方、本発明にかかる電気自動車の充電システムによる充電方法を例にあげれば、電気鉄道におけるき電線は１，５００Ｖで１，０００Ａ以上の電力を供給することができる。例えば１，０００Ａで充電するとすれば１，５００ｋＷの給電となり、３０ｋＷｈの蓄電池を充電するのに要する時間は１分１２秒となる。このようにき電線からの給電は、設備費が少なくてすむ上に、充電時間が短く急速充電を実現させる。
【００９０】
２．[第２の実施形態]
次に、図９、図１０を参照しながら本発明の第２の実施形態に係る電気自動車の充電システムの詳細について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る電気自動車の充電システムの概略構成図である。図１０は、充電システムの給電コネクターの１例を示す外観の斜視図である。
【００９１】
図９において、変電所８とは異なる場所に設けられた充電ステーション３０には、電気自動車３７の蓄電装置４６を充電する設備が準備されている。すなわち、電気自動車３７は、蓄電装置４６と、回生機能を有する電力変換器４７と、蓄電装置４６から電力変換器４７を介して電力が供給される走行用モータ４８とを搭載し、走行用モータ４８によって車輪が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。
【００９２】
き電線５と給電ケーブル３３の間には直流遮断器３９が接続されている。直流遮断器３９はき電線５からの直流電力の投入／遮断の制御を行うとともに、充電システムに異常が生じたときに事故電流を遮断して、充電システムを保護する。
【００９３】
給電ケーブル３３は給電コネクタ４０を介して電気自動車３７に搭載された動力用の蓄電装置４６に接続可能になっている。すなわち、給電コネクタ４０は、給電ケーブル３３の端部に取り付けられた給電プラグ３１と電気自動車３７に取り付けられた受電レセプタクル４１からなっており、給電プラグ３１と受電レセプタクル４１とが嵌合することにより、き電線５と蓄電装置４６とが電気的に接続可能になっている（図１０参照）。
【００９４】
図１０に示す受電レセプタクル４１は、有底円筒状になっていて、その底部外表面には車体取付け用のレセプタクルフランジ４３が設けられている。受電レセプタクル４１のレセプタクルフランジ４３の反対側の面には給電プラグ３１と嵌合するための凹部４９が形成されていて、当該凹部４９に正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂとが当該凹部４９の底部に配した絶縁板により電気的に絶縁された状態で、凸状の端子として設けられている。
【００９５】
そして、正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂは、それぞれ、蓄電装置４６の正極側と負極側に配線４５を介して接続されている。受電レセプタクル４１の凹部４９の開口部にはレセプタクル蓋４２が設けられていて、受電レセプタクル４１の凹部４９に内設した正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂとを保護可能にしている。なお、図１０はレセプタクル蓋４２が開いた状態を示す。
【００９６】
給電プラグ３１は、給電ケーブル３３に接続され、給電プラグ３１を把持操作するための把持部３４と一体的に設けられていて、ロックレバー３２を図１０の矢符で示す本体側に近づける方向に握り締めることにより、受電レセプタクル４１との嵌脱が可能になっている。給電プラグ３１の給電ケーブル３３と反対側であって、受電レセプタクル４１と当接可能となっている面には、絶縁体で覆われ凹状に形成された正側給電端子３５ａと負側給電端子３５ｂとが設けられていて、それぞれ、正側給電端子３５ａと正側受電端子４４ａおよび負側給電端子３５ｂと負側受電端子４４ｂとが互いに嵌合することで、き電線５と蓄電装置４６とが電気的に接続可能になっている。
【００９７】
ここで、急速充電の手順を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。
先ず、電気自動車３７が充電ステーション３０の所定の位置に停車するのを待って（ステップＳ１）、電気自動車３７のシフトレバーをパーキングにして、パーキングブレーキを掛け、パワースイッチをＯＦＦにする。
【００９８】
次に、電気自動車３７の受電レセプタクル４１のレセプタクル蓋４２を開ける（ステップＳ２）。そして、図示しない充電スタンドから給電プラグ３１の把持部３４を握り給電プラグ３１を取り外し、親指でリリースレバー３６を押しながら電気自動車３７の受電レセプタクル４１にしっかり差し込む（ステップＳ３）。
【００９９】
次のステップＳ４にて、リリースレバー３６を放し、把持部３４をもって軽く手前に引いても抜けないかを確認する。そして、ステップＳ５で、給電プラグ３１のロックレバー３２をカチッと音がするまで握り固定する。
【０１００】
ステップＳ６にて、直流遮断器３９を投入して充電を開始する。ステップＳ７にて充電が完了すると、ステップＳ８にて直流遮断機３９を開列して、き電線５と蓄電装置４６とを遮断する。その後、ステップ９にてリリースレバー３６を押す。そうするとステップＳ１０にてロックが解除されロックレバー３２が元の位置に戻る。
【０１０１】
次にステップＳ１１にて、リリースレバー３６を再度押しながら給電プラグ３１を手前に抜き、ステップＳ１２にて、電気自動車３７の受電レセプタクル４１のレセプタクル蓋４２をカチッと音がするまで閉じる。その後ステップＳ１３にて、図示しない充電スタンドに給電プラグ３１を戻す。
【０１０２】
３．[第３の実施形態]
本発明の第３の実施形態に係る電気自動車の充電システムの詳細について、図１２を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、電気自動車７０の走行時の蛇腹部７５の状態を示す図であり、（ｂ）は、充電ステーションにおける充電時の蛇腹部７５の状態を示す図である。また（ｃ）は、（ｂ）における要部の拡大図である。
【０１０３】
電気自動車７０は、車載用の蓄電装置７２と、回生機能を有する電力変換器７３と、蓄電装置７２から電力変換器７３を介して電力が供給される走行用モータ７４とを搭載し、走行用モータ７４によって車輪が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。電気自動車７０の屋根７８には、上下方向に伸縮自在な蛇腹部７５に支持されて受電端子７１が設けられていて、この受電端子７１は電気自動車７０に搭載された蓄電装置７２に配線により電気的に接続されている。
【０１０４】
蛇腹部７５はラックとピニオン式で伸縮自在になっており、図示しないピニオンは図示しない電動モータにより駆動されて、図示しないラックを上下に駆動する。蛇腹部７５は、空気シリンダーとピストンの組み合わせにより伸縮をさせてもよく、あるいは電動サーボを用いて伸縮させてもよく、更には電動モータとリミットスイッチにより伸縮させてもよい。道路走行中は蛇腹部７５を縮めることにより受電端子７１を下げ（図１２（ａ））、充電ステーションで充電時に蛇腹部７５を延伸して受電端子７１を上げる（図１２（ｂ））。
【０１０５】
充電ステーション内であって電気自動車７０の駐車位置の上方にはき電線５に電気的に接続された架線７７が張られていて、受電端子７１と当接可能となっている。図１２（ｃ）において矢符で示す方向に蛇腹部７５を延伸させて、蛇腹部７５の上部に設けた正側受電シュー７６ａと負側受電シュー７６ｂとを、それぞれ、正側の架線７７ａと負側の架線７７ｂとに適当な圧力を持って押し当てて互いに接触させる。
【０１０６】
このように蛇腹部７５を延伸自在とすることにより、電気自動車７０の走行時における車両に対する建物の建築限界に余裕を持たせることが可能となる。
【０１０７】
最後に、図１３を用いて本発明の参考例に係る電気自動車の充電システムについて説明する。電気自動車９３には、車載用の蓄電装置８８と、蓄電装置８８から電力の供給を受けて駆動される走行用モータ９１とを搭載し、走行用モータ９１によって車輪９２が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。なお、図１３において電気自動車９３は、ディーゼルエンジン９０も搭載してハイブリッド車となっている。
【０１０８】
き電線５からの直流電力の供給を受ける電源箱８１が充電ステーション内に設置されている。この電源箱８１にはき電線５からの直流電力の投入／遮断を行なう直流遮断器８２と高周波発生器８３が収納されており、高周波発生器８３は配線８４を介して、電気自動車９３の駐車位置の地上に備えた一次コイル８５に接続されている。
【０１０９】
電気自動車９３の床面には、電気自動車９３が所定の駐車位置に停車したときに、一次コイル８５と電磁的に結合する位置に、二次コイル８６が取付けられている。二次コイル８６には整流器８７を介して蓄電装置８８に接続されている。
【０１１０】
直流遮断器８１を投入すれば、き電線５からの直流電力は高周波発生器８３で高周波交流で交流変換されて一次コイル８５に供給される。一次コイル８５は交番磁界を発生して、この交番磁界により二次コイル８６には交流の起電力が生じる。つまり、一次コイル８５と二次コイル８６は電磁結合することにより、一次コイル８５の交流電力が二次コイル８６に伝達される。この交流電力は整流器８７により直流電力に直されて蓄電装置８８を充電可能としている。
【０１１１】
図１４に示す電車と電池バスの充電システムの構想図によれば、き電線または変電所に併設された電車の加減速時に発生する電力を吸収しき電線の電圧を安定させる蓄電設備からの電力により、駅構内を始発/終発点とする電池バスを、始発/終発の短時間で、１走行（１０ｋｍ程度）可能な電力量を充電することが可能である。
【０１１２】
電車の減速時に発生した電力を、電池バスへの充電に用いることは、エネルギーの有効利用につながり、蓄電設備を備えた鉄道き電システムと電池バスへの充電を行うシステム全体としての省エネ効果が高い。
【０１１３】
また、列車本数が多く、駅構内を始発/終発点とする電池バスが頻発するケースほど、電車の減速時に発生する電力を電池バスへ有効に充電できる確率が高まるのでシステム全体で効率が高くなるので、大都市圏およびその郊外に多い鉄道とバスの乗り換え交通網の例が多い大都市圏の鉄道網において、本発明の効果は高い。
【０１１４】
駅構内に充電設備があるため、鉄道の変電所またはき電線と充電設備の距離が近く、電線長が短くて済むため、設備費のコストが少ないだけでなく、電線自身の抵抗により電圧降下や発熱が少ない点からも、省資源で省エネルギー効果が高い。
【０１１５】
図１５に示す路面電車と電池バスの充電システムの構想図によれば、路面電車のき電システムを利用し、路面電車の路線の近傍にある電池バスの停留所を兼ねた充電設備を設けることは可能である。この方法を採用すれば、路面電車の路線の近傍に、新たな受電設備を設置することなくき電線からの電力を受けるだけで、電池バスの充電設備を設けることが可能となる。路面電車の路線はバス路線との関係が深いため充電設備の設置間隔を短く想定できるため、１充電あたりの走行距離が短い小型の蓄電池を搭載した電池バスの採用が可能となり、電池バスに搭載される蓄電池の小型化ができるため、バス路線と路面電車路線が緊密な関係のある路線であれば、充電設備と電池バス本体を含んだ電池バスシステム全体としてローコストでコンパクトに構成できる利点がある。
【０１１６】
図１６のＮｏ．１は、蓄電装置を単独運転した場合の結果であり、当然のことながら、回生電力の回収は行われず、したがって、省エネルギー効果は見られなかった。これに比べて、蓄電装置をき電線に接続して系統連系した場合は、Ｎｏ．２およびＮｏ．３に見られるように、年間４００〜６００ＭＷｈの省エネルギー効果があることが分かった。また、二酸化炭素発生の抑制効果も年間１６０ｔから２３０ｔ期待できるので、環境に優しい発明であることも確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明に係る充電システムは、一般道路を走行する電気自動車について、電気鉄道用の給電を行なうき電線を利用して、電気自動車に搭載した動力用の蓄電装置に対して大電流による短時間急速充電を行うことができ、電気自動車の充電システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 商用交流電源系統
２ 充電ステーション
３ 変圧器
４ 整流装置
５ き電線
６ 電力貯蔵装置
８ 電気鉄道用の変電所
９ 直流遮断器
１０ 電気自動車
１１ 蓄電装置
１２ 電力変換器
１３ 駆動用モータ
２０ 給電線
２１ 給電部
２２ 受電端子部
２３ 上下可動機構部
２６ａ 正側給電端子
２６ｂ 負側給電端子
３０ 充電ステーション
３１ 給電プラグ
３２ ロックレバー
３３ 給電ケーブル
３４ 把持部
３５ａ 正側給電端子
３５ｂ 負側給電端子
３６ リリースレバー
３７ 電気自動車
３９ 直流遮断器
４０ 給電コネクター
４１ 受電レセプタクル
４４ａ 正側受電端子
４４ｂ 負側受電端子
４６ 蓄電装置
４７ 電力変換器
４８ 走行用モータ
４９ 凹部
５１ 屋根
５３ａ 正側受電端子
５３ｂ 負側受電端子
７０ 電気自動車
７１ 受電端子
７２ 蓄電装置
７３ 電力変換器
７４ 走行用モータ
７５ 蛇腹部
７６ａ 正側受電シュー
７６ｂ 負側受電シュー
７７ 架線
７８ 屋根
８３ 高周波発生器
８５ 一次コイル
８６ 二次コイル
８７ 整流器
８８ 蓄電装置
９３ 電気自動車
Ｂ 電池モジュール
Ｃ 単位電池
１２６ 伝熱板
１６５ 電極体
１６７ 枠形部材
１６９ 第１蓋部材
１７１ 第２蓋部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車の動力用蓄電池を充電する為の電気自動車用の充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、動力用蓄電池を搭載して、この動力用蓄電池からの電力をモータに供給して走行する。したがって、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等を動力とした一般の自動車のように排気ガスの問題がなく、クリーンで環境に優しい技術として期待されている。
【０００３】
電気自動車の充電方法については、種々の方法が提案されている。電気自動車に関していえば、ガソリン車やディーゼル車との対比の関係で、その航続距離（走行可能距離）と充電時間が問題となる。すなわち、電気自動車は動力用蓄電池に蓄えられた電気エネルギーを動力源として走行するので、１回あたりの蓄電池の充電での航続距離が問題になるとともに、蓄電池の充電時間が、電気自動車の競争力を決める重要なファクターとなっている。これは、ガソリン車等の給油時間に比べて、蓄電池の充電時間がかなり長いことに起因している。
【０００４】
電気自動車に搭載の蓄電池を充電する方法として、特許文献１に示すようにＤＣ−ＤＣコンバータを用いる方法や、特許文献２および特許文献３に示すように別途用意した蓄電池を用いて充電する方法や、特許文献４に示すように蓄電池の交換による方法が提案されている。
【０００５】
特許文献１を除き、いずれも電気自動車に搭載される動力用蓄電池の急速充電を課題としたものであり、充電に必要な時間の短縮に関する技術が開示されている。なお、特許文献１には、充電対象として電気自動車ではなく、鉄道もしくは軌道の電気車両に搭載の蓄電池の充電に関する技術が開示されている。
【０００６】
ここで、本発明のバックボーンとなる電気鉄道の電力供給システムについて、電気鉄道固有の事項を中心に説明する。図１７は、現在採用されている一般的な電気鉄道用の電力供給システムである（例えば、特許文献５）。電気鉄道用の変電所３０９では、電力会社の商用交流電源系統３０１から交流電力を受電して、変圧器３０３で適当な電圧に降圧した後、整流器３０４にて直流電力に変換し、き電線３０５を介して空中架線３０６からパンタグラフ３１１を通じて電気車両３１０に直流電力を供給している。
【０００７】
電気車両３１０は、供給された直流電力を車両に搭載された電力変換装置３１２を介して走行用モータ３１３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力行（加速走行）を行う。加速時には電気車両３１０は大きな電力負荷となるので、架線３０６に大電流が流れ架線電圧が降下し、ひいてはき電線３０５の電圧が降下する。
【０００８】
また、反対に回生能力を持つ電気車両３１０は、減速時には電気車両３１０が持っている走行エネルギーを、走行用モータ３１３を発電機として使用して、電気エネルギーに変換を行い、それが回生電力となる。
【０００９】
回生電力は、同時に走行している他の電気車両が加速走行時であれば、その電気車両で消費されるが、加速走行する電気車両がない場合は回生電力は消費されず、架線電圧が上昇してき電線電圧が上昇する。そのため、電気車両３１０では一定電圧以上で回生電力の発生を抑えるよう電気車両の電力変換装置３１２による制御が行われ、いわゆる回生の絞り込みが行われる。さらに、それ以上に電圧が上昇すれば、電気車両３１０の電力変換装置３１２によって電力の回生を打ち切る制御が行われ、一般的にいわれる回生失効となる。
【００１０】
回生の絞り込みもしくは回生失効が起これば、電気車両３１０の必要な減速度を確保するために機械ブレーキを使用することになり、走行エネルギーは最終的に熱エネルギーに変換され無駄に廃棄されることになる。
【００１１】
回生失効を防止するため、変電所で回生電力を消費するためにチョッパーを利用して回生電力を抵抗器で熱エネルギーに変換する方法もとられているが、この場合も回生電力が無駄に廃棄されることになる。図１７に示す変電所３０９においては、回生失効を防止するため、電力貯蔵装置３０８を配置して、充放電制御を行なうＤＣ−ＤＣコンバータ３０２を介して電力貯蔵装置３０８に回生電力の貯蔵を行う例が示されている。このような電力供給システムでは回生電力は無駄に廃棄されることはないが、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０２や電力貯蔵装置３０８は高価であるので変電所３０９の建設費が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２３７８５号公報
【特許文献２】特開２００９−７７５５７号公報
【特許文献３】特開平０７−２５０４０５号公報
【特許文献４】再表２００８−１２３５４３号公報
【特許文献５】特開２００１−２６０７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電気自動車に搭載の蓄電池の充電を短時間に行ないたいという要望は、ガソリン車等との対抗上、強く求められている。そして、その手法が種々提案されているが、一般的に短時間で蓄電池を充電するためには、高電圧を印加して、大電流を流して蓄電池を充電する必要がある。つまり、電圧と電流の積が電力であるので、急速充電には大電力を必要とすることになり、設備費と契約電力料金が大きくなるという問題がある。
【００１４】
例えば、１ｋＷｈで５ｋｍ走行する電気自動車を５００ｋｍ走行させる仕様で１００ｋＷｈの蓄電池が搭載されている場合、３６秒で充電するためには１０，０００ｋＷの充電設備が必要になる。日本では契約電力は１ｋＷ当り１ヶ月間で約１，７００円必要なので年間の契約料は２億４００万円になる。
【００１５】
更に、充電器は使用最大電力に応じてその体格が大きくなり、価格が高くなる。例えば、５万円／ｋＷとすると充電器は５億円になり過大な設備費用を必要とする。
【００１６】
特許文献２には、車外に設置した急速充電器から車載の高圧蓄電池に充電して、この高圧充電器で低圧蓄電池を充電する技術が開示されている。この場合、車外に設置した充電器が高価になるという問題がある。また、車載の高圧蓄電池も必要とするので充電システムが複雑化し高価になるという問題がある。
【００１７】
特許文献３には、車外に設置した大容量の蓄電池から車載の蓄電池を充電する技術が開示されている。これは蓄電池から蓄電池への充電が比較的速やかに行なわれることを利用したものである。この方法によれば、車外に設置した大容量の蓄電池の充電は深夜電力によって充電されるので、充電に大電力を必要とせず、契約電力の低減および充電器の小型化・低価格化が可能である。しかし、この方法では、別途大容量の蓄電池が必要となり、大きな設備費用を必要とする。
【００１８】
特許文献４には、車載の蓄電池を既に充電済みの蓄電池との交換を行うことにより、蓄電池の充電に要する時間の短縮を図る技術が開示されている。この技術によれば、蓄電池の交換作業と、交換した蓄電池を充電場所まで搬送して充電する作業が必要になるので、作業が煩瑣となり工賃が高くなる。また、交換用の蓄電池が別途必要となり、大きな設備費用を必要とする。
【００１９】
特許文献１には、電気車両に搭載の蓄電池を電気鉄道のき電線から充電する技術が開示されているが、き電線の公称電圧と蓄電池の仕様電圧にはギャップがある（例えば、き電線の公称電圧が１，５００Ｖであるところ蓄電池の仕様電圧が６００Ｖである場合等）。この電圧のギャップをうめて降圧し、適切に蓄電池の充放電を行うために蓄電池の充電に別途ＤＣ−ＤＣコンバータを必要としている。これは、電気鉄道の電力供給システムにおいて、電力供給系統の電圧変動が大きいためである。すなわち、商用の電力系統において、その電圧変動は高々１０％程度であるところ、電力供給システムにおいては、ときには３０％を超えることがある。この電圧変動に耐えて適切に蓄電池の充放電を行なうために、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。急速充電をする場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータは大電力仕様とする必要があり、高価となる。
【００２０】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電気鉄道のき電線から電気自動車に搭載された動力用蓄電池を充電することにより、高価な充電器もしくはＤＣ−ＤＣコンバータを必要とせず、また、多大な契約電力の負担を要せず、別途充電用の大容量蓄電池も不要であり、蓄電池の交換の手間もない、安価でシンプルな電気自動車に搭載された蓄電池の急速充電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（請求項１）
上記の目的を達成するために、本発明に係る電気自動車の充電システムは、交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用電力供給システムにおいて、電気自動車に搭載され、当該電気自動車に走行用の駆動電力を供給する充電可能な蓄電装置と、前記き電線に接続された給電用接続子と、前記電気自動車に取り付けられ、前記蓄電装置に接続された受電用接続子とを備え、前記給電用接続子と前記受電用接続子とを電気的に接続することにより、前記蓄電装置が前記給電用接続子を介して前記き電線と接続して充電される。
【００２２】
この構成によれば、好ましくは、き電線と給電用接続子の間に直流遮断器を設けてもよい。直流遮断器を設ければ、充電システムに過電流が流れもしくは地絡事故が生じたときに、事故電流を遮断して充電システムを保護することが可能となる。直流遮断器は高速度で作動する高速直流遮断器であってもよい。直流遮断器は、空気遮断器であってもよく、真空遮断器であってもよい。
【００２３】
電気自動車は充電ステーションに駐車して、き電線から直流電力の供給を受けて電気自動車に搭載の蓄電装置の充電を行う。ここに、受電用接続子は電気自動車に取り付けられているが、給電用接続子は地上設備として設けられていて、充電ステーションの固定設備の一部をなす。
【００２４】
電気自動車は、充電可能な蓄電装置と、蓄電装置から電力変換器を介して走行用のモータに電力が供給されて運転される。本発明に係る電気自動車は、前記蓄電装置や電力変換器を備えるとともに、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンを搭載したいわゆるハイブリッド車であってもよい。ハイブリッド車によっては、搭載した蓄電装置の充電が必要になることもあるからである。
【００２５】
蓄電装置は、好ましくは充電が可能な二次電池であって、二次電池として、例えば鉛電池、ニッケル水素電池またはリチウム電池であってもよい。また、蓄電装置として、二次電池以外では、キャパシタなどの電力貯蔵が可能なものであってもよい。電気自動車は、乗用車であってもよく、バスやトラックであってもよく、バイクであってもよい。充電可能な蓄電装置と電力変換器を介して走行用のモータで運転が可能であればよい。バスの場合は、電池バスとして知られている。
【００２６】
充電ステーションは、一般道路の近傍に設けられておれば、随時充電が可能である。電気自動車が、公共交通機関として定められた路線を定期的に運行される路線バス（電池バス）である場合は、停留所または車庫に充電ステーションが設けられていてもよい。路線バスが停留所または車庫に停車中に充電を行えば、電池バスの充電が電池バスの運行に与える影響を少なくすることができる。充電ステーションの好適な場所としては、き電線が近くを通る電気鉄道の沿線沿いが考えられる。このような場合、き電線の延伸距離が短くてすみ、設置費用が安価であり、電力損失も少なくすることができる。なお、本発明の説明において電気鉄道とは、いわゆる電気鉄道の他、軌道法における軌道を含むものとする。
【００２７】
充電ステーションに停車する電気自動車は１台に限定されるものでなく、複数台であってもよい。電気自動車が複数台充電ステーションにき電線を介して接続されていれば、電気鉄道の電力供給システムとして、電気自動車の蓄電装置の分だけ、電力貯蔵装置の抵抗が小さくなって省エネ効果が大きくなるので、電力供給システムにとっては好ましい。すなわち、回生電力を多く貯蔵することができ、省エネルギーに役立つ。また、電気車両の力行に伴うき電線の電圧低下の軽減にも、大容量の電力貯蔵は威力を発揮する。
【００２８】
給電用接続子および受電用接続子は、２つの導体を電気的に接続する役割を果たすものであり、電気コネクタのプラグとレセプタクルや、端子形状をしたものや、ブスバーとシューの組み合わせたものであってもよい。
【００２９】
（請求項２）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記き電線と前記蓄電装置が直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに接続されていてもよい。
【００３０】
電気鉄道用の変電所には、き電線の公称電圧と蓄電池の仕様電圧の電圧ギャップをうめて降圧し、適切に蓄電池の充放電を行うために、特許文献１に示すような直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを設けることがある。これは、電気鉄道の電力供給システムにおいて、その電力供給系統の電圧変動が大きいためである。これは、電気車両が力行、回生を行うからであり、電圧変動がときには３０％を超えることがある。この電圧変動を抑制して適切に機器の運転を行うために、直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを設けることがある。本発明の構成によれば、高価なＤＣ−ＤＣコンバータを必要としない。
【００３１】
（請求項３）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所と異なる箇所に設けられていてもよい。
【００３２】
この構成によれば、給電用接続子が変電所に設けられていないので、充電ステーションは、変電所の設置場所とは独立に自由に選択可能となるので、充電ステーションの配置の融通性が高まる。
【００３３】
（請求項４）
上記蓄電装置は積層型ニッケル水素電池であることが好ましい。また、当該ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含むことが好ましい。
【００３４】
（請求項５）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記受電用接続子が前記電気自動車の屋根に設けられていて、当該受電用接続子に充電時に対向する位置に前記給電用接続子が配されていてもよい。
【００３５】
この構成によれば、好ましくは電気自動車の屋根に設けられた受電用接続子に対抗する上方に、給電用接続子を地上側設備として設け、当該給電用接続子をき電線に接続する。電気自動車が充電ステーションの所定位置に停車したときに、受電用接続子を上昇させるか、給電用接続子を降下させることにより、受電用接続子と給電用接続子とを接触させて、電気的に接続可能にする。したがって、受電用接続子は電気自動車の屋根近傍に設置されていればよく、電気自動車の上方部に位置していればよい。係る受電用接続子には、作業の安全のために感電防止板を設けてもよい。電気自動車が電池バスのような大型自動車である場合、受電用接続子を電気自動車の屋根に設けることは、き電線の空中配線が可能となり、充電ステーションの設備の簡素化に有利である。
【００３６】
（請求項６）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記電気自動車の側部もしくは床部であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【００３７】
この構成によれば、給電用接続子とこれに嵌合する受電用接続子からなる電気コネクターを用いて、き電線と蓄電装置を電気的に接続してもよい。一般に係る電気コネクターはプラグとレセプタクルからなり、プラグはケーブル側に取り付けられ、レセプタクルは機器側に取り付けられる。電気コネクターは、安全に、確実に、かつ容易に人手での脱着が可能である。電気コネクターは、ねじ式や嵌合式等種々の組み合わせがある。電気コネクターによる接続は、比較的車高の低い乗用車のような電気自動車に適している。ガソリン車における給油の感覚で電気コネクターを電気自動車に接続することができる。
【００３８】
（請求項７）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記電気自動車の上部であって前記受電用接続子と前記蓄電装置との間に伸縮自在な蛇腹部を有し、前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【００３９】
この構成によれば、蛇腹部はラックとピニオン式で伸縮を可能にしたものであってよく、また、空気シリンダーとピストンの組み合わせにより伸縮をさせてもよく、あるいは電動サーボを用いて伸縮させてもよく、更には電動モータとリミットスイッチにより伸縮させてもよい。道路走行中は蛇腹部を縮めて受電用接続子を下げ、充電ステーションで充電時に蛇腹部を延伸して受電用接続子を上げてもよい。
【００４０】
（請求項８）
また、本発明に係る電気自動車の充電システムは、前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所に備えられていて、前記電気自動車の屋根であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、電気鉄道用の電力供給システムのき電線から直流電力の供給を受けて高電圧で大電流で充電するので、急速充電が可能である。すなわち、本発明による充電システムによれば、充電に必要な大電力は電気鉄道用の電力供給システムから供給されるので、別途大電力の契約の必要がなく、高価な充電器やＤＣ−ＤＣコンバータを必要としないので安価なシステムを提供する。副次的には、電気鉄道における回生電力の貯蔵や、電力不足によるき電線電圧の低下に対処することが可能となり、省エネルギー効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの概略構成図である。
【図２】ニッケル水素電池を構成する単位電池の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す単位電池の枠形部材、第１蓋部材及び第２蓋部材の構造を示す斜視図である。
【図４】電池モジュールの横断面図である。
【図５】電池モジュールに用いられる伝熱板の斜視図である。
【図６】各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの給電部と受電端子部の外観の斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの給電部と受電端子部の外観の側面図であり、（ｂ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の正面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの給電コネクターの外観の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の電気自動車の充電システムの充電方法を示すフローチャートである。
【図１２】（ａ）は、本発明の第３の実施形態の電気自動車の走行時の状態を示す図であり、（ｂ）は、充電時の状態を示す図である。また（ｃ）は、（ｂ）における要部の拡大図である。
【図１３】本発明の参考例の電気自動車の充電システムの概略構成を示す図である。
【図１４】電車と電池バスを示した充電システムの構想図である。
【図１５】路面電車と電池バスを示した充電システムの構想図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態の電気自動車の充電システムの試験結果を示す表である。
【図１７】従来技術からなる電気鉄道の電力供給システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づき説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
１．[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気自動車の充電システムの概略構成図である。図１において、電気自動車１０は変電所８とは異なる場所に設けられた充電ステーション２に、電気自動車１０の蓄電装置１１を充電するための設備が準備されている。すなわち、電気自動車１０は、車載用の蓄電装置１１と、回生機能を有する電力変換器１２と、蓄電装置１１から電力変換器１２を介して電力が供給される走行用モータ１３とを搭載し、走行用モータ１３によって車輪１５が駆動され、一般道路上を走行可能に構成されている。
【００４５】
そして、電気自動車１０の屋根には受電端子部２２が設けられている。この受電端子部２２は、蓄電装置１１の正極側端子（図示せず）と電気的に接続された正側受電端子５３ａと、蓄電装置１１の負極側端子（図示せず）と電気的に接続された負側受電端子５３ｂとを有している（図８参照）。蓄電装置１１としては、充電が可能な二次電池やキャパシタを用いてもよい。
【００４６】
なお、電気自動車１０がガソリンエンジンをも搭載してなるハイブリッド車である場合においては、ハイブリッド車に搭載された蓄電装置へも充電が可能である。
【００４７】
図１に示す電気鉄道用の変電所８では、電力会社の商用交流電源系統１からの交流電力を受電して、変圧器３で適当な電圧に降圧した後、整流器４にて直流電力に変換し、き電線５を介して電気車両１６に直流電力を供給する。
【００４８】
電気車両１６は、供給された直流電力を車両に搭載された電力変換器１７を介して走行用モータ１８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力行（加速走行）を行う。加速時には電気車両１６は大きな電力負荷となるので、き電線５に大電流が流れき電線５の電圧が降下する。しかし、変電所８に電力貯蔵装置６が設置されておれば、電力貯蔵装置６から電力をき電線５に供給することにより電圧の低下は軽減される。
【００４９】
一方減速時には、電気車両１６が持っている走行エネルギーは、走行用モータ１８が発電機として作用して、電気エネルギーに変換を行い、回生電力を発生させる。
【００５０】
回生電力は、同時に走行している他の電気車両が加速時であれば、その電気車両で消費されるが、回生電力を消費する加速電気車両がない場合は、変電所８に設置した電力貯蔵装置６に貯蔵される。電力貯蔵装置６を設置することにより、回生失効を防ぎつつ省エネルギーを実現することができる。
【００５１】
図１に示す充電ステーション２は、電気自動車１０が駐車可能になっている。そして、この充電ステーション２において、き電線５は直流遮断器９および給電線２０を介して給電部２１に接続されている。直流遮断器９はき電線５からの直流電力の投入／遮断の制御を行うとともに、充電システムに異常が生じたときに事故電流を遮断して、充電システムを保護する。充電ステーション２に電気自動車１０が進入して所定位置に停車した状態で、給電部２１の給電端子２６を下降させて受電端子部２２の受電端子５３に接触させる。これにより、電気自動車１０の蓄電装置１１は給電部２１の給電端子２６と電気的に接続された状態になり、結果的には給電線２０を介してき電線５に接続される。その後、直流遮断器９を投入して導通状態とし、き電線５から給電線２０を介して電気自動車１０の蓄電装置１１を急速充電する。その結果、短時間で蓄電装置１１は次の充電ステーション２まで十分に走行可能な状態に充電される。なお、図１には充電ステーション２が１つ示されているが、充電ステーション２は１つに限らず複数個所に配置してもよい。
【００５２】
また、電気自動車１０は、充電ステーション２への進入に当たってブレーキをかけて減速するが、その際、走行用モータ１３には回生電力が発生する。この回生電力は、電力変換器１２を介して蓄電装置１１に供給され、蓄電装置１１を充電する。このように、走行用モータ１３が回生状態となる度に蓄電装置１１は充電されるので、充電ステーション２に到着時には幾分のエネルギーが蓄積され、停車中におけるき電線５からの充電は次の充電ステーション２までの走行に要する電力不足分でよい。このような場合、電気自動車１０への電力供給量は少なくてすみ、短時間の急速充電が可能になる。
【００５３】
ここで、蓄電装置が積層構造を有するニッケル水素電池である場合を例に取り、その構造と特性について図を参照しながら説明する。図２及び図３は、上述の積層型ニッケル水素電池の単位電池の構成例を説明するための図である。
【００５４】
図２は、上記単位電池Ｃの構造を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１６１、正極を構成する正極板１６２、及び負極を構成する負極板１６３を含む電極体１６５と、電極体１６５を電解液と共に収容する空間を形成する矩形の枠形部材１６７と、第１蓋部材１６９と、第２蓋部材１７１とを備えている。なお、図２に示す単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素２次電池として構成している。
【００５５】
図３に示すように、第１蓋部材１６９は、枠形部材１６７の一方の開口１６７ａを覆う平板状の本体部１６９ａを有しており、本体部１６９ａの４つの各辺において一体に形成された縁部が、枠形部材１６７の４つの各辺１６７ｂにほぼ沿うように折り曲げられて、枠形部材１６７の外周面の一部を覆う側部１６９ｂを形成している。第２蓋部材１７１も、第１蓋部材１６９と同様に、本体部１７１ａ及び側部１７１ｂを有しており、枠形部材１６７の他方の開口１６７ｃを覆っている。
【００５６】
電極体１６５は、図２に示すように、正極板１６２と負極板１６３とが、セパレータ１６１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。より具体的にはプリーツ状に折り曲げられたセパレータを介して、正極板１６２と負極板１６３とが交互に積層されて対向するプリーツ構造を有している。図２及び図３に示す単位電池Ｃにおいて、電極体１６５は、枠形部材１６７の、図３の左右方向に向かい合う一組の辺１６７ｂ、１６７ｂの一方から他方に向かう方向Ｙに積層されている。
【００５７】
このようなプリーツ型セパレータが単位電池に採用されることにより、多数の単位電池で構成されるニッケル水素電池においては、セパレータの面積Ｓは非常に大きいものとなり、その結果、ニッケル水素電池全体の静電容量も非常に大きいものとなる。
【００５８】
図４は、電池モジュールＢの横断面図である。図５は、図４の電池モジュールＢに用いられている伝熱板の斜視図である。
【００５９】
この電池モジュールＢは、複数の単位電池を積層したものである。単位電池の各々では、対向して設けられた正極集電体１２９と負極集電体１３０の間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１３１が交互に両集電体に近接するように配置される。更に各単位電池では、蛇腹状のセパレータ１３１と正極集電体１２９とで区画される空間に電解質溶液１３２とともに正極活物質を含有する正極シート１３３が配置され、蛇腹状のセパレータ１３１と負極集電体１３０とで区画される空間に電解質溶液１３２とともに負極活物質を含有する負極シート１３４が配置され、正極シート１３３と負極シート１３４がセパレータ１３１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池はセパレータ１３１を蛇腹状とすることにより、正極シート１３３、負極シート１３４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができる。このことにより、隣り合うセル間を非常に小さな抵抗で繋ぐことができるためセル間を繋ぐケーブルが不要となり、電池が全体としてコンパクトになる。
【００６０】
また、正極シート１３３は正極集電体１２９に接し、負極シート１３４は負極集電体１３０に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体１２９ともう一方の単位電池の負極集電体１３０に接するように図５に示す伝熱板１２６が挿入されている。この伝熱板１２６の空気通流孔１２７の向きは、正極シート１３３と負極シート１３４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体１２９と負極集電体１３０との間は、セパレータ１３１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１３１と正極集電体１２９とで区画され正極シート１３３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１３１と負極集電体１３０とで区画され負極シート１３４が配置される領域が負極セルとなる。
【００６１】
図４に示すように、導電性に優れるとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体１２９と負極集電体１３０が、それぞれ正極シート１３３及び負極シート１３４と直接接触し、その上、各集電体１２９、１３０が、電気的に正極集電体１２９と負極集電体１３０をつなぐ役割を果たす伝熱板１２６と接触している。
【００６２】
次に、上述の構造を有する積層型ニッケル水素電池の特性について説明する。
ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣ（state of charge）の変動による電圧変動が小さい。また、他の蓄電池に比べて電池容量を有効利用できるため、電気自動車の中で大きなスペースが必要なくコンパクトに設置できる。
【００６３】
ニッケル水素電池は電圧変動が小さいため蓄電池の充放電制御を行なうＤＣ−ＤＣコンバータを必要とはせず、ＤＣ−ＤＣコンバータの設置スペースを必要としない。高価なＤＣ−ＤＣコンバータを用いないため、装置全体として廉価となる。更に、ニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いことからも、電気自動車の中で大きなスペースが必要なくコンパクトに設置できる。
【００６４】
また、ニッケル水素電池は、ＤＣ−ＤＣコンバータのような動作遅れもなく、急速充放電特性に優れている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる昇降圧チョッパーが省略されれば、制御装置の障害となる高調波ノイズが発生するおそれもない。更に、ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいことから、電気車両の加速時に、極めて短い時間に大電流が必要となる場合にニッケル水素電池から放電を行って電圧の低下を抑えるのに他の電池よりも適している。更に、ニッケル水素電池は、電気車両が回生を行うことによって極めて短い時間に大電流が発生しても、充電を行って電圧の上昇を抑えるのに他の電池よりも適している。したがって、き電線電圧の安定化を図り、電気車両運行の効率化に資することが可能となる。
【００６５】
以下、本実施の形態の充電システムに使用されるニッケル水素電池の特性について他の種類の蓄電池と比較しながら説明する。
【００６６】
図６は、各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示す。
【００６７】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化を想定すれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に電池容量を小さくできる。よって、これに相応して電池寸法を小さくすることができる。
【００６８】
図６に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較して電圧の変動に対するＳＯＣの変動の範囲Ｓが広いという特性を有する。即ち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ１ とし電圧変動が範囲ｄＶ１ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣの範囲Ｓのほぼ全てにおいて使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池では中央値の電圧をＶ２ とし電圧変動が範囲ｄＶ２ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池では中央値の電圧をＶ３ とし電圧変動が範囲ｄＶ３ 内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。ここで、電圧変動範囲の大きさは、ｄＶ１ ／Ｖ１ ＝ｄＶ２ ／Ｖ２ ＝ｄＶ３ ／Ｖ３ とする。
【００６９】
電圧変動の観点から考察すれば、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど（例えばＳＯＣが４０〜６０パーセント）のとき、ニッケル水素電池を図１のようにき電線に直結した場合、ニッケル水素電池の充放電が繰り返されることによりその充電状態が変動しても電池電圧の変動を非常にさく抑えることができる。他方、他の電池（例えば、リチウムイオン電池）の場合は、電池電圧の変動が大きくなる。つまり、ニッケル水素電池は、電池容量を有効に利用することができる。
【００７０】
次に、図７及び図８を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る受電端子部２２および給電部２１の詳細な構成について説明する。図７は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の斜視図である。また、図８（ａ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の側面図であり、図８（ｂ）は、同充電システムの給電部と受電端子部の外観の正面図である。
【００７１】
電気自動車１０の屋根５１の上には、蓄電装置１１の正極側端子と電気的に接続された正側受電端子５３ａと、蓄電装置１１の負極側端子と電気的に接続された負側受電端子５３ｂとが、それぞれ碍子５４を介して固設されている。受電端子５３ａ、５３ｂはそれぞれ、例えば銅あるいは銅合金で形成された長板状の導電板からなる。正側受電端子５３ａ及び負側受電端子５３ｂは、それぞれ車長方向に長く、かつ車幅方向に平行に並んで設けられている。これらの受電端子５３ａ、５３ｂによって受電端子部２２が構成されている。
【００７２】
なお、屋根５１には、作業者が屋根上を歩くための歩み板５２ａ、５２ｂが車幅方向の両端部分に沿って設置されている。
【００７３】
給電部２１は、大地に固定された構造物２９に、上下可動機構部２３が取り付けられ、この上下可動機構部２３によって正側給電端子２６ａ及び負側給電端子２６ｂを上昇及び下降させることができるように構成されている。正側給電端子２６ａ及び負側給電端子２６ｂは、それぞれ４個のばね２５を介して絶縁支持部２４に支持されている。ばね２５はコイルばねである。絶縁支持部２４は、上下可動機構部２３に取り付けられ、上下可動機構部２３によって上昇及び下降させられることによって、給電端子２６ａ、２６ｂが上昇及び下降する。
【００７４】
給電端子２６ａ、２６ｂはそれぞれ、例えば銅あるいは銅合金で形成された長板状の導電板からなる。正側給電端子２６ａは電線（図示せず）によって直流遮断器９に接続されており、この直流遮断器９の投入時（導通時）にはき電線５の正側出力と電気的に接続される。また、負側給電端子２６ｂは電線（図示せず）によってき電線５の負側出力（帰線７）と電気的に接続されている。
【００７５】
なお、電気自動車１０の屋根５１に設置された長板状の受電端子５３ａ、５３ｂは、長板状の給電端子２６ａ、２６ｂとの接触面となる一主面が上方を向くように設けられている。そして、給電部２１の上下可動機構部２３は、給電端子２６ａ、２６ｂの受電端子５３ａ、５３ｂとの接触面となる一主面が下方を向いた状態で給電端子２６ａ、２６ｂを上昇及び下降させることができ、下降させたときに給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂと面接触した状態となり、上昇させたときに給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂと離間した状態となるように、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇及び下降させるように構成されている。
【００７６】
図７、図８では、電気自動車１０が充電ステーション２の所定の充電位置に停車し、給電端子２６ａ、２６ｂが上昇しているときの状態を示している。このとき、正側給電端子２６ａが電気自動車１０の正側受電端子５３ａと対向し、負側給電端子２６ｂが電気自動車１０の負側受電端子５３ｂと対向している状態である。
【００７７】
いま、電気自動車１０が充電ステーション２へ進入してきて所定の充電位置に停車した直後であれば、この後、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させて、正側給電端子２６ａの下面と正側受電端子５３ａの上面とを面接触させるとともに、負側給電端子２６ｂの下面と負側受電端子５３ｂの上面とを面接触させる。これにより、電気自動車１０の蓄電装置１１は給電端子２６ａ、２６ｂと電気的に接続された状態になる。その後、直流遮断器９を投入して導通状態とし、地上用蓄電装置６を、き電線５を介して電気自動車１０の蓄電装置１１へ急速放電させる。その結果、短時間で蓄電装置１１は次の充電ステーション２まで十分に走行可能な状態に充電される。その後、直流遮断器９を開路させて、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇させる。この後、電気自動車１０は次の停車駅へ向かって走行する。
【００７８】
ここで、給電端子２６ａ、２６ｂの下降及び上昇の制御と、蓄電装置１１の充電の開始および終了の制御等について、その一例を示しておく。
【００７９】
まず、電気自動車１０が充電ステーション２に進入して所定位置に停車し、運転手の操作によって運転台から充電を行う旨の指示が出されると、電気自動車１０の図示していない制御装置（以下、「車両側制御装置」という）から充電ステーション２の図示していない制御装置（以下、「給電側制御装置」という）へ充電指令信号が送信される。これを受けて給電側制御装置は、ＳＯＣ送信指令信号を車両側制御装置へ送信し、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させる。次に、給電側制御装置は、直流遮断器９を投入して導通状態とし、き電線５からの充電を開始させる。
【００８０】
また、電気自動車１０の蓄電装置１１には、そのＳＯＣ（充電状態）を検出するＳＯＣ検出手段が設けられており、ＳＯＣ検出手段によるＳＯＣ検出値は常時、車両側制御装置へ入力されている。車両側制御装置は、給電側制御装置からのＳＯＣ送信指令信号を受信してから後述の充電完了信号を受信するまでの間、常時、ＳＯＣ検出値を給電側制御装置へ送信する。
【００８１】
給電側制御装置では、電気自動車１０の蓄電装置１１の充電状態を監視しながら、ＳＯＣ検出値が所定の値になるまで充電を行い、所定の値になれば、き電線５からの充電を終了させる。続いて、直流遮断器９を開路させて、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇させる。そして、給電側制御装置は充電完了信号を車両側制御装置へ送信する。これを受けて車両側制御装置では、例えば運転台に設けている充電終了ランプを点灯させる。運転手は、充電終了ランプの点灯を確認してから電気自動車１０の走行を開始させる。走行を開始させると充電終了ランプは消灯する。
【００８２】
なお、上述のように運転手の操作によって充電指令信号を発生させる代わりに、例えば電気自動車１０が所定位置に停車したことを検出する検出手段を地上に設けておき、その検出信号を充電指令信号として給電側制御装置へ入力するようにしてもよい。
【００８３】
本実施形態において、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させるとき、給電端子２６ａ、２６ｂが受電端子５３ａ、５３ｂに押しつけられて、給電端子２６ａ、２６ｂを保持しているばね２５が若干縮む程度まで下降させるようにしている。これにより、給電端子２６ａ、２６ｂの下面に対して受電端子５３ａ、５３ｂの上面がいずれの方向に傾いていたとしても、その傾きが各々のばね２５の伸縮度合いが異なることによって吸収され、給電端子２６ａ、２６ｂの下面を受電端子５３ａ、５３ｂの上面に容易に面接触させることができ、また、その面接触した状態を保持することができる。
【００８４】
なお、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを４個のばね２５で保持しているが、これに限らず、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できれば、５個以上のばねで保持するようにしてもよいし、３個以下のばねで保持するようにしてもよい。
【００８５】
また、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂをばね２５で保持しているが、これに限らず、それぞれの給電端子２６ａ、２６ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できる部材であればよい。
【００８６】
また、給電部２１にばね２５を設ける代わりに、車両側にばねを設けてもよい。例えば、各碍子５４の上にばねを介して受電端子５３ａ、５３ｂを取り付けるようにしてもよい。この場合も、ばねに限らず、受電端子５３ａ、５３ｂを任意の方向に傾き可能な状態で保持できる部材であればよい。
【００８７】
なお、本発明の第１の実施形態のように、電車における架線とパンタグラフによる給電方法を擬した充電システムは、電気車両におけるそれと同様に大電力の授受を可能にし、急速充電により適した構造となっている。
【００８８】
ここで、いくつかの蓄電池を組み合わせて全体として５０Ａｈの容量で１，２００Ｖの蓄電池の全容量の５０％を充電する場合について検討してみる。この場合、充電量は３０ｋＷｈとなる。これを商用交流電源系統から給電する場合、例えば一般的な契約電力である５０ｋＷ未満の低圧受電であれば、３０ｋＷｈを充電するのに少なくとも３６分を要する。これより大きな電力で充電する場合、高圧受電契約となり契約電力料金が高額となり、さらに受電設備ならびに充電設備も高額となる。
【００８９】
一方、本発明にかかる電気自動車の充電システムによる充電方法を例にあげれば、電気鉄道におけるき電線は１，５００Ｖで１，０００Ａ以上の電力を供給することができる。例えば１，０００Ａで充電するとすれば１，５００ｋＷの給電となり、３０ｋＷｈの蓄電池を充電するのに要する時間は１分１２秒となる。このようにき電線からの給電は、設備費が少なくてすむ上に、充電時間が短く急速充電を実現させる。
【００９０】
２．[第２の実施形態]
次に、図９、図１０を参照しながら本発明の第２の実施形態に係る電気自動車の充電システムの詳細について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る電気自動車の充電システムの概略構成図である。図１０は、充電システムの給電コネクターの１例を示す外観の斜視図である。
【００９１】
図９において、変電所８とは異なる場所に設けられた充電ステーション３０には、電気自動車３７の蓄電装置４６を充電する設備が準備されている。すなわち、電気自動車３７は、蓄電装置４６と、回生機能を有する電力変換器４７と、蓄電装置４６から電力変換器４７を介して電力が供給される走行用モータ４８とを搭載し、走行用モータ４８によって車輪が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。
【００９２】
き電線５と給電ケーブル３３の間には直流遮断器３９が接続されている。直流遮断器３９はき電線５からの直流電力の投入／遮断の制御を行うとともに、充電システムに異常が生じたときに事故電流を遮断して、充電システムを保護する。
【００９３】
給電ケーブル３３は給電コネクタ４０を介して電気自動車３７に搭載された動力用の蓄電装置４６に接続可能になっている。すなわち、給電コネクタ４０は、給電ケーブル３３の端部に取り付けられた給電プラグ３１と電気自動車３７に取り付けられた受電レセプタクル４１からなっており、給電プラグ３１と受電レセプタクル４１とが嵌合することにより、き電線５と蓄電装置４６とが電気的に接続可能になっている（図１０参照）。
【００９４】
図１０に示す受電レセプタクル４１は、有底円筒状になっていて、その底部外表面には車体取付け用のレセプタクルフランジ４３が設けられている。受電レセプタクル４１のレセプタクルフランジ４３の反対側の面には給電プラグ３１と嵌合するための凹部４９が形成されていて、当該凹部４９に正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂとが当該凹部４９の底部に配した絶縁板により電気的に絶縁された状態で、凸状の端子として設けられている。
【００９５】
そして、正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂは、それぞれ、蓄電装置４６の正極側と負極側に配線４５を介して接続されている。受電レセプタクル４１の凹部４９の開口部にはレセプタクル蓋４２が設けられていて、受電レセプタクル４１の凹部４９に内設した正側受電端子４４ａと負側受電端子４４ｂとを保護可能にしている。なお、図１０はレセプタクル蓋４２が開いた状態を示す。
【００９６】
給電プラグ３１は、給電ケーブル３３に接続され、給電プラグ３１を把持操作するための把持部３４と一体的に設けられていて、ロックレバー３２を図１０の矢符で示す本体側に近づける方向に握り締めることにより、受電レセプタクル４１との嵌脱が可能になっている。給電プラグ３１の給電ケーブル３３と反対側であって、受電レセプタクル４１と当接可能となっている面には、絶縁体で覆われ凹状に形成された正側給電端子３５ａと負側給電端子３５ｂとが設けられていて、それぞれ、正側給電端子３５ａと正側受電端子４４ａおよび負側給電端子３５ｂと負側受電端子４４ｂとが互いに嵌合することで、き電線５と蓄電装置４６とが電気的に接続可能になっている。
【００９７】
ここで、急速充電の手順を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。
先ず、電気自動車３７が充電ステーション３０の所定の位置に停車するのを待って（ステップＳ１）、電気自動車３７のシフトレバーをパーキングにして、パーキングブレーキを掛け、パワースイッチをＯＦＦにする。
【００９８】
次に、電気自動車３７の受電レセプタクル４１のレセプタクル蓋４２を開ける（ステップＳ２）。そして、図示しない充電スタンドから給電プラグ３１の把持部３４を握り給電プラグ３１を取り外し、親指でリリースレバー３６を押しながら電気自動車３７の受電レセプタクル４１にしっかり差し込む（ステップＳ３）。
【００９９】
次のステップＳ４にて、リリースレバー３６を放し、把持部３４をもって軽く手前に引いても抜けないかを確認する。そして、ステップＳ５で、給電プラグ３１のロックレバー３２をカチッと音がするまで握り固定する。
【０１００】
ステップＳ６にて、直流遮断器３９を投入して充電を開始する。ステップＳ７にて充電が完了すると、ステップＳ８にて直流遮断機３９を開列して、き電線５と蓄電装置４６とを遮断する。その後、ステップ９にてリリースレバー３６を押す。そうするとステップＳ１０にてロックが解除されロックレバー３２が元の位置に戻る。
【０１０１】
次にステップＳ１１にて、リリースレバー３６を再度押しながら給電プラグ３１を手前に抜き、ステップＳ１２にて、電気自動車３７の受電レセプタクル４１のレセプタクル蓋４２をカチッと音がするまで閉じる。その後ステップＳ１３にて、図示しない充電スタンドに給電プラグ３１を戻す。
【０１０２】
３．[第３の実施形態]
本発明の第３の実施形態に係る電気自動車の充電システムの詳細について、図１２を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、電気自動車７０の走行時の蛇腹部７５の状態を示す図であり、（ｂ）は、充電ステーションにおける充電時の蛇腹部７５の状態を示す図である。また（ｃ）は、（ｂ）における要部の拡大図である。
【０１０３】
電気自動車７０は、車載用の蓄電装置７２と、回生機能を有する電力変換器７３と、蓄電装置７２から電力変換器７３を介して電力が供給される走行用モータ７４とを搭載し、走行用モータ７４によって車輪が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。電気自動車７０の屋根７８には、上下方向に伸縮自在な蛇腹部７５に支持されて受電端子７１が設けられていて、この受電端子７１は電気自動車７０に搭載された蓄電装置７２に配線により電気的に接続されている。
【０１０４】
蛇腹部７５はラックとピニオン式で伸縮自在になっており、図示しないピニオンは図示しない電動モータにより駆動されて、図示しないラックを上下に駆動する。蛇腹部７５は、空気シリンダーとピストンの組み合わせにより伸縮をさせてもよく、あるいは電動サーボを用いて伸縮させてもよく、更には電動モータとリミットスイッチにより伸縮させてもよい。道路走行中は蛇腹部７５を縮めることにより受電端子７１を下げ（図１２（ａ））、充電ステーションで充電時に蛇腹部７５を延伸して受電端子７１を上げる（図１２（ｂ））。
【０１０５】
充電ステーション内であって電気自動車７０の駐車位置の上方にはき電線５に電気的に接続された架線７７が張られていて、受電端子７１と当接可能となっている。図１２（ｃ）において矢符で示す方向に蛇腹部７５を延伸させて、蛇腹部７５の上部に設けた正側受電シュー７６ａと負側受電シュー７６ｂとを、それぞれ、正側の架線７７ａと負側の架線７７ｂとに適当な圧力を持って押し当てて互いに接触させる。
【０１０６】
このように蛇腹部７５を延伸自在とすることにより、電気自動車７０の走行時における車両に対する建物の建築限界に余裕を持たせることが可能となる。
【０１０７】
最後に、図１３を用いて本発明の参考例に係る電気自動車の充電システムについて説明する。電気自動車９３には、車載用の蓄電装置８８と、蓄電装置８８から電力の供給を受けて駆動される走行用モータ９１とを搭載し、走行用モータ９１によって車輪９２が駆動され、一般道路上を走行することが可能に構成されている。なお、図１３において電気自動車９３は、ディーゼルエンジン９０も搭載してハイブリッド車となっている。
【０１０８】
き電線５からの直流電力の供給を受ける電源箱８１が充電ステーション内に設置されている。この電源箱８１にはき電線５からの直流電力の投入／遮断を行なう直流遮断器８２と高周波発生器８３が収納されており、高周波発生器８３は配線８４を介して、電気自動車９３の駐車位置の地上に備えた一次コイル８５に接続されている。
【０１０９】
電気自動車９３の床面には、電気自動車９３が所定の駐車位置に停車したときに、一次コイル８５と電磁的に結合する位置に、二次コイル８６が取付けられている。二次コイル８６には整流器８７を介して蓄電装置８８に接続されている。
【０１１０】
直流遮断器８１を投入すれば、き電線５からの直流電力は高周波発生器８３で高周波交流で交流変換されて一次コイル８５に供給される。一次コイル８５は交番磁界を発生して、この交番磁界により二次コイル８６には交流の起電力が生じる。つまり、一次コイル８５と二次コイル８６は電磁結合することにより、一次コイル８５の交流電力が二次コイル８６に伝達される。この交流電力は整流器８７により直流電力に直されて蓄電装置８８を充電可能としている。
【０１１１】
図１４に示す電車と電池バスの充電システムの構想図によれば、き電線または変電所に併設された電車の加減速時に発生する電力を吸収しき電線の電圧を安定させる蓄電設備からの電力により、駅構内を始発/終発点とする電池バスを、始発/終発の短時間で、１走行（１０ｋｍ程度）可能な電力量を充電することが可能である。
【０１１２】
電車の減速時に発生した電力を、電池バスへの充電に用いることは、エネルギーの有効利用につながり、蓄電設備を備えた鉄道き電システムと電池バスへの充電を行うシステム全体としての省エネ効果が高い。
【０１１３】
また、列車本数が多く、駅構内を始発/終発点とする電池バスが頻発するケースほど、電車の減速時に発生する電力を電池バスへ有効に充電できる確率が高まるのでシステム全体で効率が高くなるので、大都市圏およびその郊外に多い鉄道とバスの乗り換え交通網の例が多い大都市圏の鉄道網において、本発明の効果は高い。
【０１１４】
駅構内に充電設備があるため、鉄道の変電所またはき電線と充電設備の距離が近く、電線長が短くて済むため、設備費のコストが少ないだけでなく、電線自身の抵抗により電圧降下や発熱が少ない点からも、省資源で省エネルギー効果が高い。
【０１１５】
図１５に示す路面電車と電池バスの充電システムの構想図によれば、路面電車のき電システムを利用し、路面電車の路線の近傍にある電池バスの停留所を兼ねた充電設備を設けることは可能である。この方法を採用すれば、路面電車の路線の近傍に、新たな受電設備を設置することなくき電線からの電力を受けるだけで、電池バスの充電設備を設けることが可能となる。路面電車の路線はバス路線との関係が深いため充電設備の設置間隔を短く想定できるため、１充電あたりの走行距離が短い小型の蓄電池を搭載した電池バスの採用が可能となり、電池バスに搭載される蓄電池の小型化ができるため、バス路線と路面電車路線が緊密な関係のある路線であれば、充電設備と電池バス本体を含んだ電池バスシステム全体としてローコストでコンパクトに構成できる利点がある。
【０１１６】
図１６のＮｏ．１は、蓄電装置を単独運転した場合の結果であり、当然のことながら、回生電力の回収は行われず、したがって、省エネルギー効果は見られなかった。これに比べて、蓄電装置をき電線に接続して系統連系した場合は、Ｎｏ．２およびＮｏ．３に見られるように、年間４００〜６００ＭＷｈの省エネルギー効果があることが分かった。また、二酸化炭素発生の抑制効果も年間１６０ｔから２３０ｔ期待できるので、環境に優しい発明であることも確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明に係る充電システムは、一般道路を走行する電気自動車について、電気鉄道用の給電を行なうき電線を利用して、電気自動車に搭載した動力用の蓄電装置に対して大電流による短時間急速充電を行うことができ、電気自動車の充電システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 商用交流電源系統
２ 充電ステーション
３ 変圧器
４ 整流装置
５ き電線
６ 電力貯蔵装置
８ 電気鉄道用の変電所
９ 直流遮断器
１０ 電気自動車
１１ 蓄電装置
１２ 電力変換器
１３ 駆動用モータ
２０ 給電線
２１ 給電部
２２ 受電端子部
２３ 上下可動機構部
２６ａ 正側給電端子
２６ｂ 負側給電端子
３０ 充電ステーション
３１ 給電プラグ
３２ ロックレバー
３３ 給電ケーブル
３４ 把持部
３５ａ 正側給電端子
３５ｂ 負側給電端子
３６ リリースレバー
３７ 電気自動車
３９ 直流遮断器
４０ 給電コネクター
４１ 受電レセプタクル
４４ａ 正側受電端子
４４ｂ 負側受電端子
４６ 蓄電装置
４７ 電力変換器
４８ 走行用モータ
４９ 凹部
５１ 屋根
５３ａ 正側受電端子
５３ｂ 負側受電端子
７０ 電気自動車
７１ 受電端子
７２ 蓄電装置
７３ 電力変換器
７４ 走行用モータ
７５ 蛇腹部
７６ａ 正側受電シュー
７６ｂ 負側受電シュー
７７ 架線
７８ 屋根
８３ 高周波発生器
８５ 一次コイル
８６ 二次コイル
８７ 整流器
８８ 蓄電装置
９３ 電気自動車
Ｂ 電池モジュール
Ｃ 単位電池
１２６ 伝熱板
１６５ 電極体
１６７ 枠形部材
１６９ 第１蓋部材
１７１ 第２蓋部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用電力供給システムにおいて、
電気自動車に搭載され、当該電気自動車に走行用の駆動電力を供給する充電可能な蓄電装置と、
前記き電線に接続された給電用接続子と、
前記電気自動車に取り付けられ、前記蓄電装置に接続された受電用接続子とを備え、
前記給電用接続子と前記受電用接続子とを電気的に接続することにより、前記蓄電装置が前記給電用接続子を介して前記き電線と接続して充電される電気自動車の充電システム。
【請求項２】
前記き電線と前記蓄電装置が直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに接続されてなる請求項１に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項３】
前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所と異なる箇所に設けられてなる請求項１または請求項２に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項４】
電気自動車に搭載された充電可能な前記蓄電装置が、積層型ニッケル水素電池である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項５】
前記受電用接続子が前記電気自動車の屋根に設けられていて、
当該受電用接続子に充電時に対向する位置に前記給電用接続子が配された請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項６】
前記電気自動車の側部もしくは床部であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項７】
前記電気自動車の上部であって前記受電用接続子と前記蓄電装置との間に伸縮自在な蛇腹部を有し、前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された前記受電用接続子を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項８】
前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所に備えられていて、
前記電気自動車の屋根であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えてなる請求項１または請求項２に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項１】
交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されたき電線とを有する電気鉄道用電力供給システムにおいて、
電気自動車に搭載され、当該電気自動車に走行用の駆動電力を供給する充電可能な蓄電装置と、
前記き電線に接続された給電用接続子と、
前記電気自動車に取り付けられ、前記蓄電装置に接続された受電用接続子とを備え、
前記給電用接続子と前記受電用接続子とを電気的に接続することにより、前記蓄電装置が前記給電用接続子を介して前記き電線と接続して充電される電気自動車の充電システム。
【請求項２】
前記き電線と前記蓄電装置が直流電圧の調整が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに接続されてなる請求項１に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項３】
前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所と異なる箇所に設けられてなる請求項１または請求項２に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項４】
電気自動車に搭載された充電可能な前記蓄電装置が、積層型ニッケル水素電池である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項５】
前記受電用接続子が前記電気自動車の屋根に設けられていて、
当該受電用接続子に充電時に対向する位置に前記給電用接続子が配された請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項６】
前記電気自動車の側部もしくは床部であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項７】
前記電気自動車の上部であって前記受電用接続子と前記蓄電装置との間に伸縮自在な蛇腹部を有し、前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された前記受電用接続子を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の充電システム。
【請求項８】
前記給電用接続子が、前記変圧器が設置された変電所に備えられていて、
前記電気自動車の屋根であって前記給電用接続子に充電時に対向する位置に前記電気自動車に搭載された前記蓄電装置に接続された受電用接続子を備えてなる請求項１または請求項２に記載の電気自動車の充電システム。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−８０６２８（Ｐ２０１２−８０６２８Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１６５６（Ｐ２０１０−２２１６５６）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（５９１１３９６３３）東京急行電鉄株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（５９１１３９６３３）東京急行電鉄株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]