CN103253155B - 电气化铁路用电力供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不需要庞大的设置面积且快速充放电特性优良且可廉价地制作的电气化铁路用电力供给系统。在具有：从交流电线路（2）接受电力的变压器（3）、与上述变压器（3）连接的整流装置（4）、和与上述整流装置（4）连接的馈电线（5）的电气化铁路用的变电站（9）中，作为直流电设备具有镍氢电池（8），上述镍氢电池（8）与馈电线（5）直接连接。

Description

电气化铁路用电力供给系统
本案是申请日为2009年2月26日、申请号为200980107092.0、发明名称为“电气化铁路用电力供给系统”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种向电气化铁路用的架线供给电力的电气化铁路用电力供给系统。
背景技术
通常，电气化铁路用变电站例如将由电力公司供给的交流电或者由铁路公司所有的发电站供给的交流电转换为直流电而供给到馈电线。供给到馈电线的直流电经由空中架线并通过受电弓而供给到电气化车辆。或者，直流电从馈电线经由第三钢轨而供给到电气化车辆。电气化车辆将供给的电力经由搭载于车辆的电力控制装置供给到行驶用的电动机（旋转电动机或者直线电动机），以此将电能转换为行驶能量而进行行驶。
电气化车辆消耗的能量根据车辆的行驶状态而变化。具体而言，加速时电气化车辆在短时间内消耗大量的电力，其结果是，致使架线或者第三钢轨的电压乃至馈电线的电压暂时下降。为了应对这样的暂时性电压下降，在具备带再生功能的电气化车辆的铁路设备中，减速时使行驶用的旋转电动机或者直线电动机作为发电机发挥作用，以将电气化车辆所具有的行驶能量转换为电能实现电力回收。用该回收的电力补充供给电压的暂时性电压下降。
专利文献1：日本特开2000-341874号公报
专利文献2：日本特开2001-260719号公报
专利文献3：日本特开2002-2334号公报
在带再生功能的电气化车辆减速时，由电动机产生并回收的电力通过电气化车辆的电力控制装置从架线或者第三钢轨送往馈电线。此时，若轨道上有其它加速中的电气化车辆，则再生电力被该电气化车辆消耗。但是，在轨道上没有加速中的电气化车辆的情况下，因再生的电力通过电气化车辆内的电力配线而使架线或者第三钢轨的电压暂时上升。若此时的电压的上升小则没有问题，但是，若电压的上升大，则使电气化车辆的电力设备和设置于铁路设备的其它电气设备的运转产生故障。特别是上升的电压超过电气设备的耐电压的情况下，有可能损伤该设备。
为了消除这样的问题，电气化车辆的电力控制装置进行抑制产生超过规定电压的再生电力的控制——再生的节流。另外，在架线等的电压极高的情况下，由电力控制装置进行切断电力再生的控制。其结果是，产生再生的失效。但是，当发生再生的节流或者失效时，电气化车辆为确保必要的减速度而使用机械制动，使行驶能量转换为热能而被无谓消耗。而且，既磨损制动片又招致维护费用的上升。
因此，为防止再生的失效，有提案提出使用再生断路器通过电阻器将再生电力转换为热能的方法。另外，在变电站设置具有将再生电力转换为交流电的能力的转换器，将再生电力转换为商用频率交流电，使其从变电站返回到电力系统、或者被车站设备使用的技术已经实用化。
另外，在专利文献1还记载了一种为了实现电力的负荷均衡而在馈电线连接铅蓄电池的电气化铁路用充放电装置。
另外，如在专利文献2、3所公示的电气化铁路用电力供给系统（电源设备）为，在变电站将具有二次电池或者电双层电容器的电力贮存装置经由升降压断路器等充放电控制装置连接于馈电线。
但是，使用上述的再生断路器通过电阻器将再生电力转换为热能的方法，使再生电力无谓消耗。另外，上述的使用设置于变电站的转换器使再生电力返回到电力系统或者由车站设备使用再生电力的方法，的确有效地利用了再生电力，但是，由于需要昂贵的转换器而存在设备费用昂贵的问题。
另外，专利文献1所记载的铅蓄电池不适合在电气化铁路用电力供给系统中使用。其理由如下：电气化车辆在其加速初期消耗大量的电力，另一方面，具有再生功能的电气化车辆在减速初期产生大量的再生电力。因此，与电力供给系统连接的蓄电池必须具有可应对急剧的负荷变动的充放电能力。但是，铅蓄电池没有可足够应对这样急剧的负荷变动的充放电能力。因此，为了将铅蓄电池应用于再生电力的贮存，就必须需要多个铅蓄电池。因此需要庞大的设备面积。
另外，在专利文献2、3所公示的用于电气化铁路用电力供给系统（电源设备）的充放电控制装置存在价格非常昂贵的问题。另外，由于充放电控制装置的响应性差，因而不能有效地贮存（充电）急剧增加的再生电力。另外，可用作充放电控制装置的升降压断路器有可能产生使信号装置产生故障的高频噪声。另外，当根据由电力公司供给的受电电压的变动而使从电气化铁路用变电站供给到馈电线的电压变动时，不能保证充放电控制装置的正常工作。
另外，馈电线因其自身具有的电阻而随着远离电气化铁路用变电站而导致大的电压下降。因此，在处于远离电气化铁路变电站的场所的电气化车辆加速的情况下，因电压下降而有可能对车辆的行驶带来障碍。
另外，即使由远离电气化铁路变电站的场所的电气化车辆再生电力的情况下，因从减速中的电气化车辆再生的电力而使馈电线电压急剧上升，有可能招致再生的节流和再生失效。
发明内容
本发明是为解决上述的问题而设立的，其目的在于提供一种既不需要庞大的设备面积，而快速充放电特性优良且廉价的电气化铁路用电力供给系统。本发明的目的还在于，提供一种即使在远离变电站的地点也可维持电气化车辆的稳定的行驶性能，不会因再生失效等而无谓消耗行驶能量的电气化铁路用电力供给系统。
为实现这些目的，具备本发明的镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统，在具有：从交流电线路接受电力的变压器、与上述变压器连接的整流装置、和与上述整流装置连接的馈电线的电气化铁路用的变电站中，作为直流电设备具有镍氢电池，上述镍氢电池与上述馈电线直接连接。在此，所谓“直接连接”是指不经过充放电控制装置而直接与馈电线连接的意思。
本发明优选使用镍氢电池。由于镍氢电池内阻小且因SOC（stateofcharge）的变动而引起的电压变动小，可有效利用电池容量，因而与其它的二次电池相比可使用小容量的电池与馈电线直接连接，不需要庞大的设置面积。另外，由于镍氢电池的电压变动小，因而不需要充放电控制装置，且不需要充放电控制装置的设置空间。由于不需要昂贵的充放电控制装置，因而使装置整体廉价。另外，由于镍氢电池的体积能量密度高，因而不需要庞大的设置面积。另外，镍氢电池没有像充放电控制装置那样的动作延迟，快速充放电特性优良。另外，若省略用作充放电控制装置的升降压断路器，也不用担心产出对信号装置造成妨碍的高频噪声。另外，由于镍氢电池内阻小且因SOC的变动而引起的电压变动小，因而在电气化车辆加速时，在极短的时间需要大电流的情况下，利用镍氢电池进行放电抑制电压的下降较之其它电池更为适合。并且，镍氢电池即使由于电气化车辆进行再生而在极短的时间产生大电流，也比其它电池更适合进行充电抑制电压的上升。因此，可实现馈电线电压的稳定化且有助于电气化车辆运行的高效化。
另外，也可以是，上述镍氢电池由一个以上电池组件构成，上述电池组件为，在相对设置的一对板状集电体之间，具有被隔板分隔的正极单元和负极单元的多个单位电池按照彼此相邻的一方的上述单位电池的正极单元和另一方的上述单位电池的负极单元相对的方式层叠而成，并且，在彼此相邻的一方的上述单位电池和另一方的上述单位电池之间设置有兼具上述一方的单位电池的正极单元和上述另一方的单位电池的负极单元的分隔壁的板状共用集电体，上述共用集电体具有由气体或者液体构成的传热介质的流通通路。
根据该结构，可有效抑制镍氢电池的发热，进而可抑制电池的劣化实现电池的长寿命化。另外，通过将电池组件做成以上述的方式层叠有单位电池的结构，可将电池组件的等效内阻抑制得更小。通过使用以上述的方式层叠有单位电池的电池组件构成镍氢电池，可实现更加小型化进而可减小设置面积。
另外，上述共用集电体也可以由多孔质的金属板构成。
另外，上述共用集电体也可以由设置有作为上述传热介质的流通通路的多个流通孔的金属板构成。若作为金属板使用铝板，则不仅导电性良好，且可良好地进行热传导。
也可以是，上述镍氢电池由一个以上的电池组件构成，上述电池组件为，由多个单位电池，按照彼此相邻的一方的上述单位电池的正极集电体和另一方的上述单位电池的负极集电体相对的方式层叠而成，并且在彼此相邻的上述单位电池之间设置有由气体或者液体构成的传热介质的流通通路，其中上述多个单位电池分别具有：相对设置的板状的正极集电体和负极集电体；配置于上述正极集电体和上述负极集电体之间的隔板；连接于上述正极集电体的正极单元；和连接于上述负极集电体的负极单元。
根据该结构，可有效抑制镍氢电池的发热，进而可抑制电池的劣化实现电池的长寿命化。另外，通过将电池组件做成以上述的方式层叠有单位电池的结构，可将电池组件的等效内阻抑制得更小。通过使用以上述的方式层叠有单位电池的电池组件构成镍氢电池，可实现更加小型化进而可减小设置面积。
另外，也可以是，上述镍氢电池由一个以上电池组件构成，上述电池组件为，由多个单位电池按照彼此相邻的一方的上述单位电池的正极集电体和另一方的上述单位电池的负极集电体相对的方式层叠而成，并且在彼此相邻的上述单位电池之间设置有由气体或者液体形成的传热介质的流通通路，其中，上述多个单位电池分别具有如下所述结构：在相对设置的板状的正极集电体和负极集电体之间充填有电解质溶液，并且按照含有正极活性物质的正极片和含有负极活性物质的负极片交替地组装的方式，从上述正极集电体向上述负极集电体配置多个上述正极片，并且从上述负极集电体向上述正极集电体配置多个上述负极片，且在上述各正极片和各负极片之间存在有隔板。
根据该构成，可有效抑制镍氢电池的发热，进而可抑制电池的劣化实现电池的长寿命化。另外，通过将电池组件做成以上述的方式层叠有单位电池的结构，可将电池组件的等效内阻抑制得更小。通过使用以上述的方式层叠有单位电池的电池组件构成镍氢电池，可实现更加小型化进而可减小设置面积。
另外，也可以是，将在上述传热介质的流通通路具有流通孔的导电性传热板，以与上述一方的单位电池的正极集电体和上述另一方的单位电池的负极集电体相接的方式，插入在彼此相邻的一方的上述单位电池和另一方的上述单位电池之间。
另外，上述传热板也可以由铝板构成。铝板电阻小热传导性良好。另外，由于通过对铝板实施镀镍可减小接触电阻，故而优选之。
另外，也可以是，在彼此相邻的一方的上述单位电池和另一方的上述单位电池之间，以分别与上述一方的单位电池的正极集电体和上述另一方的单位电池的负极集电体相接，且各自之间设置有上述传热介质的流通通路的方式插入多个导电部件。
另外，上述导电部件也可以由对表面实施过镀镍的铝板构成。铝板电阻小，通过对其实施镀镍而使接触电阻变小，因此优选其作为上述导电部件。
另外，为了实现上述目的，本发明的电气化铁路用电力供给系统由与电气化车辆用的变电站连接并从上述变电站供给直流电的馈电线、和具备镍氢电池的电力贮存供给装置构成，上述镍氢电池与上述馈电线直接连接，并且上述电力贮存供给装置设置于与上述变电站的区域内不同的场所。
特别是通过在远离变电站的地点的馈电线、例如变电站和变电站中间附近的馈电线，或与线路的终端或者起端对应的馈电线的端部直接连接镍氢电池构成电力贮存供给装置，从而可在远离变电站的地点抑制馈电线的大幅度电压下降充分发挥电气化车辆的行驶性能，并且，可抑制馈电线的大幅度的电压上升从而抑制由再生失效等引起的电气化车辆的行驶能量的无谓消耗。另外，将镍氢电池直接连接于馈电线而成的电力贮存供给装置比变电站廉价。
另外，上述的所谓“区域内”是指所需要的场所，包括电气使用场所，是使用电的全部区域内。在此所说的区域内，是指用围墙、垄沟、护栏、壕沟等隔开的地域或者设备使用人员及其相关人员以外的人员不能自由出入的地域，或者地形上通常认为以此为基准的地域。
上述的所谓“与上述变电站区域内不同的场所”是指在电气化铁路用电力供给系统中，被称为供电站的场所和设备。在这样的供电站不设置普通变压器，而是设置有二次电池等的电力贮存供给设备。
本发明实现的效果为，可提供一种不需要庞大的设置面积、快速充放电特性优良且可廉价制作的电气化铁路用电力供给系统。本发明的电气化铁路用电力供给系统在节能、再生失效对策、峰值消减、架线电压下降对策等方面有效。
另外，本发明实现的效果为，可提供一种在远离变电站的地点也可充分发挥电气化车辆的行驶性能且可抑制由再生失效等引起的电气化车辆的行驶能量的无谓消耗的电气化铁路用电力供给系统。另外，即使在变电站因停电或故障而不能送电的情况下，也可通过变电站具备的镍氢电池或含有镍氢电池的电力贮存供给装置使车辆的辅助设备不停止而能够使车辆行驶至最近的车站。另外，若是短时间，则可替代变电站而使用变电站备置的镍氢电池或者含有镍氢电池的电力贮存供给装置，因而很容易进行变电站的保养维修。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的具备镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统的概略结构图。
图2是表示本发明第一实施方式中的镍氢电池的实施例之一的电路图。
图3是表示各种电池等的相对于SOC（stateofcharge）的电压变化的SOC特性图。
图4是表示从图1抽出镍氢电池和去掉镍氢电池后的变电站部分的图。
图5（a）～（d）是表示具备本发明第一实施方式的镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统的验证试验结果的图。
图6（a）是第一结构例的电池组件的概略剖面图，（b）是表示该电池组件的局部的立体图。
图7是剖开圆筒形电池的局部的概略立体图。
图8是矩形电池的概略剖面图。
图9是表示对第二结构例的电池组件利用进行强制冷却的风扇和风洞进行冷却的结构的立体图。
图10（a）是第二结构例的电池组件的纵剖面图，（b）是表示配置于该电池组件的正极板和负极板之间的导电部件的剖面图，（c）是表示配置于单位电池的正极板外部的导电部件的立体图。
图11是传热板的立体图；
图12是第三结构例的电池组件的横剖面图。
图13是表示图12的电池组件中的传热板内的空气流动方向的图。
图14是表示图12的电池组件内的热传递方向的图。
图15是提高了耐久性的单位电池的概略剖面图。
图16是本发明第二实施方式的电气化铁路用电力供给系统的概略结构图。
图17（a）～（d）是表示第二实施方式的电气化铁路用电力供给系统的验证试验结果的图。
符号说明
1：交流电源
2：交流电线路
3：变压器
4：整流装置
5：馈电线
7：回流线
8：镍氢电池
9：电气化铁路用变电站
9a、9b：电气化铁路用变电站
10a、10b：电力贮存供给装置
11、11a、11b、11c：电气化车辆
40：电池组件
41：单位电池
42：离子透过性隔板
43：正极单元
44：负极单元
45：正极集电体
46：负极集电体
47：集电部件
48：氧气瓶
49：压力调节阀
50：路径
51a、51b、51c、51d、51e、51f：阀门
52a、52b、52c、52d、52e、52f：阀门
53：风扇
61：正极活性物质片
62：离子透过性隔板
63：负极活性物质片
64：负极端子
65：正极端子
71：正极活性物质片
72：离子透过性隔板
73：负极活性物质片
74：正极端子
75：负极端子
76、77：绝缘体
81：电池组件
82、84：空气流通空间
83a、83b：吸气扇
85：正极板
85S：正极单元
86：负极板
86S：负极单元
87：离子透过性隔板
88：空气流通空间
89：导电部件
90、91、92、93：绝缘板
94：正极端子
95：负极端子
96：传热板
97：空气流通通路
98：电池组件
99：正极集电体
100：负极集电体
101：离子透过性隔板
102：电解质溶液
103：正极板
104：负极板
105：总正极集电体
106：总负极集电体
107、108：绝缘板
111：正极集电体
112：负极集电体
113：绝缘体
114：离子透过性隔板
115：正极单元
116：负极单元
117：聚丙烯纤维无纺布
118：镍泡沫的成形体
119：聚丙烯纤维无纺布
120：镍泡沫的成形体
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的最佳实施方式。
第一实施方式
1．电气化铁路用电力供给系统的结构、动作
图1表示具备本发明第一实施方式的电气化铁路用电力供给系统的概略结构。
如图1所示，电气化铁路用变电站（以下称为“变电站”）9具备：与电力系统连接并经由交流电回路2从交流电源1接受电力的变压器3、与变压器3连接的整流装置4、与整流装置4并联连接的镍氢电池（详情后述）8。整流装置4的正侧端子与馈电线5连接，负侧端子通过配线14与回流线7连接。镍氢电池8与馈电线5和配线15直接连接。更具体而言，镍氢电池8的正极侧外部端子与馈电线5连接，负极侧外部端子经由配线15与回流线（钢轨）7连接。换言之，镍氢电池8不经由充放电电压或者充放电电流、或者控制充放电电压和充放电电流的充放电控制装置而与馈电线5连接。
在如上所述结构的电气化铁路用电力供给系统中，整流装置4将来自变压器3的交流电压转换为直流电压输出到馈电线5。从整流装置4输出的直流电经由馈电线5并经由架线即电车线供给到电气化车辆11a、11b。在电气化车辆11a、11b中，例如由车上的电力控制装置12将被供给的直流电力转换为交流而供给到行驶用的电动机13和辅助设备。另外，由电气化车辆11a、11b产生的再生电力能经由馈电线5供给到镍氢电池8而对镍氢电池8进行充电。另外，蓄积于镍氢电池8的电力其后根据馈电线5的电压状态而供给到电气化车辆11a、11b。
例如，在电气化车辆11a为处于制动状态的再生车辆，电气化车辆11b为处于加速状态的加速车辆时，来自再生车辆的再生电流能供给到加速车辆，并且剩余的再生电流能经由馈电线5流入到镍氢电池8而对镍氢电池8进行充电。另一方面，在电气化车辆11a、11b均为加速车辆时，来自镍氢电池8的放电电流从馈电线5经由电车线而供给到加速车辆。以上，为镍氢电池8充电时和放电时的例示，但不限于上述例子。
简而言之，镍氢电池8在馈电线5和回流线7之间的电压（以下，称为“馈电线电压”）比镍氢电池8的电动势（以下，称为“电池电压”）高时进行充电，在比其电动势低时进行放电。这样，可在镍氢电池8中进行浮动充电和浮动放电。在此，镍氢电池8以具有相当于馈电线电压的平均值的电池电压的方式构成。
如上所述，本实施方式的电气化铁路用电力供给系统中，在变电站9具有将镍氢电池8直接连接于馈电线5和配线15的结构。因此，可构筑整体结构简单、快速充放电特性优良且成本低的电力供给系统。
整流装置4也可以为全波整流器或者半波整流器，或者也可以是使用IGBT等控制元件构成的电力转化器即所谓的DC-DC转换器。虽然交流电源1大多为商用电力系统，但是不限于此，也可以是家用发电等电力系统，另外，电气化车辆除地上行驶的电车外，也可以是地铁电车、有轨电车、LRV（超低底盘有轨电车）等。在如图1所示的变电站9装备有变压器3、整流装置4和镍氢电池8，也可以装备有像现有技术那样的升降压断路器等的充放电控制装置或用于使再生电力返回到交流电回线的转换器（inverter）。
镍氢电池8也可以由具有与馈电线电压的平均值相当的电池电压的单个电池组件构成。或者，镍氢电池8也可以做成以能够输出相当于馈电线电压的平均值的电池电压的方式将多个电池组件串联连接的构成（以下，将该构成称为“串联电池组件”）。另外，上述单个电池组件或者上述串联电池组件也可以通过并联连接而构成。若并联连接则电池容量变大，而等效内阻下降。另外，电池组件为将多个单位电池串联连接而成的构成。
图2是表示本实施方式的镍氢电池8的结构的一实施例的图。在如图2所示的结构的情况下，镍氢电池8为将4个单元8A～8D并联连接而构成。各单元8A～8D既可以由上述单个电池组件构成，也可以由上述串联电池组件构成。
图2中，作为构成各单元8A～8D的电池发生短路时的保护电路设置有高速断路器21、22。高速断路器21配置于馈电线5侧，并且高速断路器22配置于与回流线7连接的配线15侧，电抗器23配置于镍氢电池8和高速断路器21之间。通过这样设置电抗器23，可减缓短路时电流的上升从而减轻施加于高速断路器21、22的负担，进而能可靠地阻断事故电流。另外，电抗器23也可以配置于高速断路器22和镍氢电池8之间。
另外，高速断路器21、22和电抗器23可根据情况而省略。另外，也可以设置所谓的分离器（断路器）替代高速断路器21、22。分离器没有负荷电流的遮断能力，但是在断开电路进行保养作业时有效。
2．镍氢电池的特性
以下，通过与其他种类二次电池进行比较来说明本实施方式的电气化铁路用电力供给系统所使用的镍氢电池的特性。
图3是表示各种电池等的相对于SOC（stateofcharge）的电压变化的SOC特性图。曲线a表示镍氢电池的电压变化，曲线b表示铅蓄电池的电压变化，曲线c表示锂离子电池的电压变化，曲线d表示电双层电容器的电压变化。
相对于SOC的变动的电压变化（ΔV／ΔSOC）在镍氢电池中约为0.1，在铅蓄电池中约为1.5，在锂离子电池中约为2，在电双层电容器中约为3。即，若假定为相同电压变化，则镍氢电池的电池容量能够减小为铅蓄电池的1／15、锂离子电池的1／20、电双层电容器的1／30。这样，可与此相应地缩小电池尺寸。
如图3所示，用曲线a表示的镍氢电池与其它电池等相比较，具有相对于电压的变动的SOC变动范围S宽的特性。即，镍氢电池相对于SOC的变动电池电压的变动小。与此相比较，用曲线b、c、d表示的其它电池等相对于SOC的变动电池电压的变动大。例如，若按SOC的中央值看，在镍氢电池中，在按照设中央值的电压为V1电压变动稳定在范围dV1内的方式使用的情况下，在SOC范围S的几乎全区都可使用，从而可有效利用电池容量。与此相对，在铅蓄电池中，在按照设中央值的电压为V2电压变动稳定在范围dV2内的方式使用的情况下，只能在SOC狭窄的范围使用，不能有效利用电池容量。同样，在锂离子电池中，在按照设中央值的电压为V3电压变动稳定在范围dV3内的方式使用的情况下，只能在SOC狭窄的范围使用，不能有效利用电池容量。在此，将电压变动范围的大小设为dV1／V1＝dV2／V2＝dV3／V3。
若从电压变动的观点来考察，则当SOC在范围S的大约中间（例如SOC为40～60%）时，在将镍氢电池8以图1的方式与馈电线5直接连接的情况下，通过反复进行镍氢电池8的充放电即使其充电状态发生变动，也可将电池电压的变动抑制得非常小。另一方面，在其它电池（例如锂离子电池）的情况下，电池电压的变动变大。即，镍氢电池能够有效利用电池容量。
另外，馈电线电压的变动允许范围相对于额定目标电压（例如750V或者1500V）为正负20%左右的范围。
在将电池直接连接于馈电线的情况下，在电池整体所具有的能量中可充放电的范围限定于用相对馈电线电压的变动的SOC特性表示的范围。即，只有在用相对馈电线电压的变动的SOC特性表示的范围储存于电池内的电能才可有效利用。
镍氢电池由于在馈电线电压的变动允许范围中SOC特性的绝大部分被覆盖，因而电池内的容量可有效利用。
另一方面，与镍氢电池相比较，在其它类型的二次电池中，由于相对SOC的电压变化的斜率大，因而在馈电线所允许的正负20%左右的范围，有效电池容量比较小。即、若将镍氢电池以外的铅蓄电池和锂离子电池等二次电池与馈电线直接连接而使用，则与镍氢电池相比较，其结果是需要多个电池，必须有庞大的设置面积，另外，还造成设备费用的高价。
图4是表示抽出镍氢电池8和去掉镍氢电池后的变电站部分9a的图。即，变电站9a和镍氢电池8为相对于负荷即电气化车辆并联连接的结构。
设馈电线送出电压为V1、镍氢电池8的端子电压为V2、镍氢电池8的内阻为R2、变电站9a的阻抗为R1时，则流过镍氢电池8的电流I2可用下式表示。
I2＝（V1-V2）／R2
因此，镍氢电池8的内部电阻越小，镍氢电池8中有大量的电流流动，可充放电的电量增大。
例如，在馈电线的额定目标电压为750V的情况下，若将30个单位电池串联连接而构成的电池组件串联连接20个而组成一个单元，则一个单元为750V、200Ah，内阻为160～240mΩ。若将2个该单元并联连接而构成镍氢电池8，则内阻变为80～120mΩ，若将4个该单元并联连接而构成镍氢电池8，则内阻变为40～60mΩ，可构成内阻小的镍氢电池8。
另一方面，与镍氢电池8相比较，同容量的铅蓄电池的内阻为镍氢电池8的约10倍，另外，同容量的锂离子电池的内阻为镍氢电池8的约2倍。
因此，由电气化车辆产生的再生电流与铅蓄电池和锂离子电池相比还是流过镍氢电池一方的多，对二次电池充电的电量大。
另外，在电气化车辆加速的情况下，由于可根据变电站9a所具有的阻抗和二次电池的内阻之比而分配用于电气化车辆加速的负荷电流，因而，当二次电池的内阻高时，蓄积于二次电池的电量不能充分利用。由于2500kW级的变电站的阻抗约为0.01Ω左右，因而当考虑到镍氢电池的内阻为0.05Ω时，变电站9和镍氢电池8的负荷分配约为5:1。另一方面，在铅蓄电池中，由于内阻约为0.5Ω，因而负荷分配约为50:1，与镍氢电池相比，铅蓄电池不能充分实现蓄积于电池的电量的充分利用。该情况在铅蓄电池以外的其它类型的二次电池中也同样。
如上所述，与同容量的其它二次电池相比，在镍氢电池8中，由于内阻小而流过大量电流，可进行充放电的电量大。可是，在铅蓄电池和锂离子电池的情况下，虽然只要多个并联连接就可减小内阻，但是却需要庞大的设置面积，另外，还需要高昂的设备费用。
如上所述，不论是从相对SOC的电压变化这一点看，还是从内阻这一方面看，若将铅蓄电池或锂离子电池直接连接于馈电线，则需要庞大数量的电池，并且需要庞大的设置面积，另外，还花费高昂的设备费用，因而不实用。
为了消除这样的缺陷，在其它类型的二次电池中，不得不通过使用昂贵的充放电控制装置即升降压断路器控制充电电压来进行为了使用大电池容量的控制。
3．验证试验结果
对第一实施方式的具备镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统进行了验证试验。图5（a）～（d）表示其验证试验结果。
该验证试验是在日本的某复线区间的电气化铁路用变电站，如图1所示，将镍氢电池8直接连接于馈电线5而进行。在该验证试验中，整流装置4的电压规格为750V，镍氢电池8的规格为750V、800Ah。整流装置4和镍氢电池8连接到与上行车辆用和下行车辆用的电车线连接的馈电线。此处所使用的镍氢电池8例如如图2所示，是将750V、200Ah的4个单元8A～8D并联连接而成。各单元8A～8D通过将20个37.5V、200Ah的电池组件串联连接而构成。另外，各电池组件通过将30个单位电池串联连接而构成。在此，作为电池组件可使用例如后述的图12～图14所示的第三结构例的组件，但也可以使用其它结构例的组件。
图5（a）表示验证试验当日上午10时至11时的镍氢电池8的I-V（电流-电压）特性。图5（b）表示当日上午11时至12时的镍氢电池8的I-V特性。图5（c）表示当日上午12时至13时的镍氢电池8的I-V特性。图5（d）表示当日上午13时至14时的镍氢电池8的I-V特性。在此，在电流为负值时表示充电，为正值时表示放电。
图5（a）～（d）中的I-V特性用直线e～h表示，直线e～h大约为V＝-0.05I＋775。
根据验证试验得知，在直线e～h中，电池电压的变动为1V左右，另外内阻为0.05Ω左右。
在该试验中实际取得的数据在图5（a）～（d）上用黑点表示。根据这些黑点得知，反复了多次充放电。这样，当反复进行充放电时，虽然SOC发生变动，但是如用图3的曲线a所示，镍氢电池在SOC的较宽范围S具有稳定的电压特性，且内阻小，因而总体而言可减小电压变动。
例如在替代镍氢电池8而将铅蓄电池直接连接于馈电线的情况下，由于铅蓄电池的内阻大，因而在图5（a）上成为例如用虚线k1所示那样的I-V特性。而且，由于当SOC变动时则如用图3的曲线b所表示的那样电压也发生很大变动，因而I-V特性从虚线k1例如变动为虚线k2。例如，即使通过将非常多的铅蓄电池并联连接而减小内阻，也会像上述那样I-V特性随着SOC的变动而变动。因此，铅蓄电池不适合用作充放电装置。
另外，即使在锂离子电池的情况下，当SOC变动时如用图3的曲线c所示，电压也发生很大变动。因此，锂离子电池也不适合直接连接于馈电线作为充放电装置使用。
如上所述，由于为内阻小且由SOC的变动而引起的电压变动小的镍氢电池8，所以可与馈电线5直接连接而用作充放电装置。在本实施方式中，以能够在由SOC的变动而引起的电压变动小的范围（例如图3的范围S）使用的方式设定电池容量。
在铅蓄电池和锂离子电池中，为了与馈电线直接连接而使容量极大时，则需要非常大的设置面积，另外，由于还使成本变得非常高，因而不实用。
镍氢电池8的内阻小且由SOC的变动而引起的电压变动小。因此，通过使电气化车辆进行加速而需要瞬间的大电流，即使由镍氢电池进行放电也能够抑制电压的下降。与此同时，通过使电气化车辆进行再生，即使产生瞬间的大电流，通过镍氢电池进行充电也能抑制电压的上升。这样，具备镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统可实现馈电线电压的稳定化。这一结果通过上述的验证试验也得到确认。
4．电池组件的结构例
下面，说明构成本发明第一实施方式所使用的镍氢电池8的电池组件的结构例。以下所说明的电池组件的结构例也同样可适用于后述的本发明第二实施方式中的电气化铁路用电力供给系统的镍氢电池。
4．1第一结构例
图6（a）是第一结构例的电池组件的概略截面结构图，图6（b）是表示该电池组件的局部的立体图。
如图6（a）所示，作为一例该电池组件40为将6个单位电池41串联连接的结构。各单位电池41，中间部由可使离子透过但不能使电子透过的聚丙烯纤维无纺布构成，具有用未实施亲水化处理的疏水性隔板42隔开的正极单元43和负极单元44。左端的单位电池41的正极单元43的左端壁作为正极集电体45发挥作用，右端的单位电池41的负极单元44的右端壁作为负极集电体46发挥作用。左端的单位电池41的负极单元44的右侧壁和右端的单位电池41的正极单元43的左侧壁由兼做分隔壁的集电部件47构成。在位于中间的4个单位电池41之间也配置有兼做分隔壁的集电部件47。于是，从左端的单位电池41至右端的单位电池41经由集电部件47串联连接。各正极单元43和负极单元44中充填有相同的KOH水溶液作为电解质溶液。而且，正极单元43的KOH水溶液中混合有氢氧化镍粉A，负极单元44的KOH水溶液中混合有氢吸藏合金粉B。
作为集电部件的材质有镍金属板、镍金属箔、碳板、镀镍的铁、镀镍的不锈钢，或者镀镍的碳等材料，能够使用在碱性电解质溶液中不发生腐蚀等变质、不能使离子通过并具有导电性的材料。
如上所述，在负极单元44充填有装入有氢吸藏合金粉B的电解质溶液作为负极的粉体活性物质，在正极单元43充填有装入有氢氧化镍粉A的电解质溶液作为正极的粉体活性物质。此时，由于隔板42为疏水性，因而在向负极单元44和正极单元43的内部充填电解质溶液时，可采用如下方法，即，将电池内部做成减压（约1000pa以下的内压）下的状态压入电解质溶液。
作为负极和正极的粉体活性物质的组合，例如可使用氢吸藏合金和氢氧化镍的组合。作为氢吸藏合金之一例可列举La0.3（Ce，Nd）0.15Zr0.05Ni3.8Co0.8Al0.5。
另外，作为电解质溶液可使用例如KOH水溶液、NaOH水溶液、LiOH水溶液等。
隔板42由未实施亲水化处理的疏水性材料制造。由于隔板42通常在与碱性电解质溶液接触的条件下使用，因而优选用于隔板42的疏水性材料的耐化学药品性优良。由于例如聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等聚烯烃类纤维、聚苯硫醚纤维、聚氟乙烯类纤维、聚酰胺类纤维等耐化学药品性优良，因而可优选用作隔板42。可由这些纤维形成例如织物、编织物、无纺布、线带、平纹织物等纤维片。其中，由于织物和无纺布拉伸强度高、形态稳定性优良，在电池组装时不易破损，故而优选之。作为该织物最好是平纹织物、缎纹织物、斜纹织物等。另外，作为无纺布，通过利用针刺、水流等进行络合的方法、对含有热粘接性纤维的纤维织物进行热处理或者通过热处理和加压处理进行熔接的方法、对纤维织物用粘接剂进行粘接的方法，能够得到用凝结（curd）法、空中压条（airlaying）法、纺丝粘合法、熔喷（meltblown）法等形成的纤维织物。当然，织物和无纺布并不限定于此。
另外，在如图6（a）所示的第一结构例的电池组件中，可从密封有高压氧气的氧气瓶48经由压力调节阀49通过路径50向各单位电池41的正极单元43和负极单元44供给氧气。即，经由路径50，并通过使在直至6个正极单元43的各支路上设置的阀门51a、51b、51c、51d、51e和51f；和在直至6个负极单元44的各支路上设置的阀门52a、52b、52c、52d、52e和52f开闭，并通过将氧气供给正极单元43和负极单元44双方或者只供给正极单元43或者只供给负极单元44，由此使该氧气和残留于负极单元44的剩余氢气进行反应而转换成水。即，使供给到负极单元44的氧气和残留于负极单元44内的剩余氢气进行反应而转换为水，使供给到正极单元43的氧气与透过隔板42并残留于负极单元44内的剩余氢气进行反应而转换为水。
然后，在如图6（a）所示的结构的密闭型镍氢电池的组件中，关于在从密封有高压（20kg／cm2）氧气的氧气瓶48经由压力调节阀49将2kg／cm2的氧气供给到6个单位电池41的各正极单元43和各负极单元44双方的情况下的负极单元44的内压上升抑制效果进行了确认实验，因而对其进行说明。
在实验中，将正极集电体45和负极集电体46与未图示的负荷即白炽灯连接开始进行放电，经过1个小时后，6个单位电池41的各负极单元44的内压上升至1MPa。在此，各负极单元44的没有电解质溶液的空出部分的容积为0.0012m3。
于是，当从氧气瓶48经由压力调节阀49将2kg／cm2的氧气供给到6个单位电池41的各正极单元43和各负极单元44双方时，1个小时后6个单位电池41的各负极单元44的内压下降至0.1MPa。
但是，通常，电池制造人员大多要直面如何处理由电池反应而引起的发热的问题。特别是在密闭结构的电池中，不能无视发热的问题，优选密闭结构的电池具备适当的传热结构。
由于以往的圆筒形电池和矩形电池对电池壳的外侧进行冷却，因而在将镍氢电池做成圆筒形电池或矩形电池的结构方面难以获得规定的冷却效果。这是因为，不论是圆筒形电池还是矩形电池都是做成向相对于隔板和活性物质的配置方向成直角方向、例如在为圆柱状电池的情况下向半径方向传热的结构，即，做成通过层叠的隔板和活性物质将热传递到外部的结构。
图7是与圆筒形电池之一例有关的图。如图7所示，通过依次层叠正极活性物质片61、离子透过性隔板62、负极活性物质片63和粒子透过性隔板62而缠绕成螺旋状，由此构成圆筒形电池。在该圆筒形电池中，将壳64做成负极端子，将帽65做成正极端子。图8是与矩形电池之一例有关的图。如图8所示，通过依次层叠正极活性物质片71、离子透过性隔板72、负极活性物质片73和离子透过性隔板72而构成矩形电池。在该矩形电池中，将一个端壁部74做成正极端子，将另一个端壁部75做成负极端子。侧壁部76、77为绝缘体。
如图7所示的结构，必须向垂直于活性物质片和隔板的配置方向（圆周方向）的方向（半径方向）传热，但是，难以实现经由层叠了多层的物质进行良好的热传导，更何况各层起着近似于隔热材料的作用。特别是由于层叠有热传导性低的纤维或者多孔质塑料材料即隔板，因而热传导性特别低。同样，如图8所示的结构，必须向相对于活性物质片和隔板的配置方向（水平方向）成直角的方向传热，但是难以实现经由层叠有多层的物质进行良好的热传导，更何况各层起着近似于隔热材料的作用。
而且，在电池变大时，只是与容量的（2／3）乘方成比例地增加传热面积，另外传热距离也变长。其结果是，在如图7和图8所示的电池中，即使对壳的外侧进行冷却电池内部也不能冷却到所需的温度。
因此，在如图6（a）所示的电池结构中，由于通过将兼做分隔壁的集电部件47的结构例如做成多孔质，从而若传热面积增加，则使该多孔质集电部件47也起到热传导部件的作用，因而可从该集电部件将由电池反应而产生的热充分释放。由此可抑制电池的劣化。另一方面，除将该集电部件47用作散热部件之外，还可用作蓄热部件。即，虽然由于由电池反应而产生的热在密闭结构的电池内不流通而促使电池劣化因此并不优选，但是，另一方面，为了顺利执行电池反应，而优选电池构成部件保持在一定的温度范围（约25℃～50℃）。因此，并不是强制性从多孔质集电部件47散热，而是根据情况，为了将电池构成部件设为一定温度以上例如25℃以上，能够以抑制散热的方式在一部分多孔质集电部件47的外面粘贴隔热材料。同样，在用风扇对加热板进行强制冷却的结构中，在电池构成部件为一定温度以下的情况下，能够通过不使风扇工作而抑制散热。
当电池大型化时，表面积也增大，大多情况下只对表面进行冷却使电池内部的冷却不充分。因此，如图6（a）所示，在电池为层叠有多个单位电池的结构的情况下，当对将各单位电池隔开的分隔壁即集电部件47进行冷却时，能够对电池内部也进行有效的冷却。分隔壁即集电部件47导电性优良，如图6（b）所示，将由多孔质的铝板构成的集电部件47和具有被隔板隔开的正极单元和负极单元的单位电池41紧密连接。因此，通过集电部件47既可传递电子也可传递热。
在如图6（a）所示的结构的镍氢电池组件中，进行了如下试验：为有效进行基于集电部件47的散热而将用于供给冷却用空气的风扇53设置在下方（参照图6（b））。首先，以使风扇53停止的状态在室温下进行了120%过充电，经过2个小时后，设置于电池内部的温度计的温度上升至约100℃。
因此，起动风扇53向由6个单位电池构成的电池组件供给冷风，进行120%过充电经过2个小时后，设置于电池内部的温度计的温度从室温（25℃）只上升了约10℃。
另外，在集电部件47中，也可以替代使用多孔质的铝板等，而使用例如在上下方向设置有用于使制冷剂流动的多个流通孔的铝板等金属板。
另外，在该电池组件40中，例如也可以在正极集电体45的中央部安装有与后述的图10所示的正极端子94同样的外部连接用的正极端子，在负极集电体106的中央部安装有与后述的图10所示的负极端子95同样的外部连接用的负极端子。
4．2第二结构例
图9是表示对第二结构例的电池组件81利用进行强制冷却的风扇和风洞（空气流通空间）进行冷却的构成的立体图。电池组件81下部具备空气进行流通的空气流通空间82。被吸气风扇83a和吸气风扇83b吸入的空气经由下部的空气流通空间82、电池组件81内的传热空间和上部的空气流通空间84而释放到外部。图9中的箭头表示空气流动的方向。
图10（a）是第二结构例的电池组件的纵剖面图，图10（b）是表示在图10（a）中从箭头x的方向看到的配置于该电池组件的正极板和负极板之间的导电部件的剖面图，图10（c）是表示配置于构成第二结构例的电池组件（下面将进行说明）的单位电池的正极板外侧的导电部件的立体图。图10（a）中的箭头x以外的箭头表示空气流动的方向。
该电池组件81作为一例层叠有6个单位电池。各单位电池的构成为，在正极集电体即正极板85和负极集电体即负极板86之间装入有电解质溶液，并且在正极单元85S和负极单元86S之间存在有在碱性电解质溶液中不发生腐蚀等变质使离子透过但电子不能透过的隔板87，且在正极单元85S内装入有正极活性物质，在负极单元86S内装入有负极活性物质。而且，在相邻的两个单位电池之间设置有使从吸气风扇83a和吸气风扇83b吸入的空气流通的上下方向的空气流通通路88。
另外，空气流通通路88不是遍及正极板85和负极板86对置的部分的全部而设置，而是如图10（b）和图10（c）所示，设置于正极板85和负极板86的中央部的上下方向。在空气流通通路88的两侧配置有导电部件89，正极板85和负极板86通过导电部件89连接。
作为隔板87可使用例如四氟化乙烯树脂、聚乙烯、尼龙、聚丙烯等的织物和无纺布或者膜滤器。作为导电部件89，可使用镀镍的铝板等镍金属板、镍金属箔、碳板、镀镍的铁、镀镍的不锈钢、镀镍的碳等材料，即在碱性电解质溶液中不发生腐蚀等变质、不能使离子透过具有导电性的材料。
各单位电池由绝缘板93、92将上下包围，下部和上部的空气流通空间82、84各自的下方和上方由绝缘板90、91包围。另外，在如图10所示那样的左端的正极板85的中央部安装有外部连接用的正极端子94。在如图10所示那样的右端的负极板86的中央部安装有外部连接用的负极端子95。
在图10（a）中，还可以使用具有如图6所示的多孔质的集电部件47的电池组件40替代电池组件81。
另外，也可以使用如图11所示的传热板96替代设置有空气流通通路88的导电部件89。由于该传热板96以铝为原材料实施了镀镍，因而在上下方向设置有多个空气的流通通路97。可以将该传热板96替代导电部件89插在正极板85和负极板86之间，使被吸气风扇83a和吸气风扇83b吸入的空气在流通通路9中流通。传热板96与正极板85和负极板86相接是用于将正极板85和负极板86电连接的部件，也具有导电性。在这一点上，由于铝的电阻比较低，热传导率比较大，因而具有优选作为传热板96的特性，但是具有易于氧化的缺点。因此，对铝板实施了镀镍后的材料，不仅氧化受到抑制而且通过实施镀镍而使接触电阻下降，因而更优选用作传热板96。
4．3第三结构例
图12是第三结构例的电池组件的横剖面图。图13是表示图12的电池组件中的传热板内的空气流动方向的图，图12所示的绝缘板107、108被省略。图14是表示图12的电池组件内的热传递方向的图。
该电池组件98层叠有多个单位电池。在各单位电池中，在相对设置的正极集电体99和负极集电体100之间，在碱性电解质溶液中不发生腐蚀等变质、且使离子透过而使电子不能透过的波纹状隔板101按照交替地与两集电体靠近的方式配置。另外，在各单位电池中，在由波纹状的隔板101和正极集电体99划分的空间中配置有电解质溶液102和含有正极活性物质的正极片103，在由波纹状隔板101和负极集电体100划分的空间中配置有电解质溶液102和含有负极活性物质的负极片104，正极片103和负极片104夹持隔板101交替地组装。另外，正极片103与正极集电体99相接，负极集电体104与负极集电体100相接。而且，在相邻的两个单位电池之间，以与一个单位电池的正极集电体99和与另一个单位电池的负极集电体100相接的方式插入有如图11所示的传热板96。该传热板96的空气流通通路97的朝向与正极片103和负极片104的上下方向一致。各单位电池的正极集电体99和负极集电体100之间，被隔板101分割成正极单元和负极单元，将被隔板101和正极集电体99划分的并配置有正极片103的区域作为正极单元，将被隔板101和负极集电体100划分的并配置有负极片104的区域作为负极单元。
例如，在图9中，以通过使用本结构例的电池组件98替代第二结构例的电池组件81，对电池组件98进行冷却的方式构成。
如图12所示，由导电性优良并且热传导性优良的金属构成的正极集电体99和负极集电体100分别与正极片103和负极片104直接接触，另外，各集电体99、100与起着连接正极集电体99和负极集电体100的作用的传热板96电接触。由此，电池反应的结果产生的热相对于沿着图13的箭头所示的方向在传热板96的空气流通通路97内流通的空气，沿着图14的箭头所示的方向有效传递并释放到外部。这样，将电池组件98的温度维持在能够顺利地进行电池反应的适当范围。
如图12所示，在正极的端部设置有总正极集电体105，在负极的端部设置有总负极集电体106。在电池组件98的侧部设置有绝缘体107、108。在总正极集电体105的中央部安装有例如与图10所示的正极端子94同样的正极端子，在总负极集电体106的中央部设置有例如与图10所示的负极端子95同样的负极端子。
正极片103例如为在正极活性物质、导电性充填剂和树脂中加入溶剂而形成为膏状的材料涂覆于基板上，从而成形为板状，并进行硬化而成的板。负极片104例如为在负极活性物质、导电性充填剂和树脂中加入溶剂形成为膏状的材料涂覆于基板上，从而成形为板状，并进行硬化而成的板。作为正极活性物质和负极活性物质都可以使用公知的活性物质。作为导电性填充剂能够将碳纤维、对碳纤维进行镀镍的材料、碳粒子、对碳粒子进行镀镍的材料、对有机纤维进行镀镍的材料、纤维状镍、镍离子或者镍箔单独使用或者组合使用。作为树脂可使用软化温度120℃以下的热可塑性树脂、硬化温度从常温至120℃的树脂、溶解于蒸发温度120℃以下的溶剂的树脂、溶解于可溶于水的溶剂的树脂、或者溶解于可溶于乙醇的溶剂的树脂等。作为基板可使用镍板等具有导电性的金属板。
5．提高电池耐久性的一例
在电池中加入电容器成分，通过该电容器成分进行高速、短时间的充放电，由电池负担不足部分，其结果是，可以提高电池的耐久性。这是因为，由于电容器成分的内阻比电池内阻小，因而在进行高速且短时间的充放电的情况下，电容器成分主要用于进行充放电而减轻了电池的负担。为了得到该效果，可采用将电容器电容大的物质插入隔板与正极活性物质之间和隔板与负极活性物质之间的方法。例如，可采用如图15所示的结构的单位电池。
图15所示的单位电池由正极集电体111包围正极侧，由负极集电体112包围负极侧，由绝缘体113包围侧部。在被它们包围的单元内充满电解质溶液。该单元在碱性电解质溶液中不发生腐蚀等变质，被不能透过电子而可透过离子的离子透过性的大致波纹状的隔板114分割成正极单元115和负极单元116。在正极单元115内，配置有与隔板114全面地接触的含有正极活性物质的大致波纹状的聚丙烯纤维的无纺布117，另外，还配置有与无纺布117全面接触且与正极集电体111局部接触的由含有正极活性物质的大致波纹状的镍泡沫构成的成形体118。在负极单元116内，配置有与隔板114全面地接触的含有负极活性物质的大致波纹状的聚丙烯纤维的无纺布119，另外，还配置有与无纺布119全面地接触且与负极集电体112局部接触的由含有负极活性物质的大致波纹状的镍泡沫构成的成形体120。在图15所示的结构中，大致波纹状的聚丙烯纤维的无纺布117和大致波纹状的聚丙烯纤维的无纺布119相当于电容器成分。
在如图15所示结构的密闭型电池中，去掉大致波纹状聚丙烯纤维的无纺布117和大致波纹状聚丙烯纤维的无纺布119的情况下的循环寿命为4000循环，但是，如图15所示，具有大致波纹状聚丙烯纤维的无纺布117和大致波纹状聚丙烯纤维的无纺布119的情况下的循环寿命超过了10000循环。
可将该图15所示结构的单位电池层叠多个而构成电池组件。例如，与上述的第二、第三结构例的情况同样，只要按照经如图10所示的导电部件89或者如图11所示的传热板96串联连接多个如图15所示的结构的单位电池的方式进行层叠即可。
在以上所述的各结构例中，层叠多个单位电池而构成电池组件，此时，按照在与单位电池的层叠方向（排列方向）相同方向上排列的方式配置正极单元和负极单元，并且，在彼此相邻的一个单位电池的正极单元和另一个单位电池的负极单元之间配置有板状的集电体（图6的集电部件47、图10的正极板85和负极板86、图12的正极集电体99和负极集电体100等）。而且，通过将集电体（图6的集电部件47）做成多孔质部件，而构成为集电体的内部设置有制冷剂通路的构成。或者，构成为在集电体（图10的正极板85和负极板86、图12的正极集电体99和负极集电体100）之间插入有中央形成空气流通通路88的导电部件89（参照图10）或者插入设置有作为空气流通通路97的流通孔的传热板96（参照图11）的结构。通过做成这样的结构，可将因电池反应而产生的热从集电体有效的取入到制冷剂（例如空气）而释放到外部，做成冷却效果强大的电池组件。
另外，在上述内容中作为制冷剂（传热介质）使用了空气，但是也可以构成为使用油或者水等液体的结构。另外，并不限定于此，可使用通常作为传热介质而公知的由气体或者液体形成的所有传热介质。
另外，层叠多个单位电池而构成电池组件，此时，以在与单位电池的层叠方向（排列方向）相同方向上排列的方式配置正极单元和负极单元，并且在彼此相邻的一个单位电池的正极单元和另一个单位电池的负极单元之间配置有板状的集电体（图6的集电部件47、图10的正极板85和负极板86、图12的正极集电体99和负极集电体100等），通过将一个板状的集电体（图6的集电部件47）作为相邻的2个单位电池的集电体共用，或者通过使相邻的两个板状集电体（图10的正极板85和负极板86、图12的正极集电体99和负极集电体100）经导电部件89（参照图10）或者传热板96（参照图11）通过较广的面接触而连接，从而将多个单位电池串联连接，由此可将电池组件的等效内阻抑制得更小。
如上所述，由于通过如各结构例那样构成电池组件且具备冷却结构，从而可抑制因电池反应而产生的发热，因而可抑制电池的劣化实现电池的长寿命化。另外，可将电池组件的等效内阻抑制得更小。因此，可实现镍氢电池8的长寿命化，将等效内阻抑制得更小。
6．总结
综上所述，本发明第一实施方式的电气化铁路用电力供给系统在变电站9中具有将镍氢电池8直接连接于馈电线5和配线15的结构。由于通过该结构可以不需要像升降压断路器那样的非常昂贵的充放电控制装置，因而可使装置整体的构成简单化且可降低制造成本。另外，既无充放电控制装置中的动作延迟，快速充放电特性也优良，可使馈电线电压稳定化。另外，若省略用作充放电控制装置的升降压断路器，则不用担心产生对信号装置造成妨碍的高频噪声。
由于本发明第一实施方式的电气化铁路用电力供给系统不需要充放电控制装置，因而不需要其设置空间。另外，由于通常镍氢电池的体积能量密度高，因而即使是使用了多个单位电池的高容量的镍氢电池8，也不需要庞大的设置面积。另外，通过向上述的各结构例那样使用层叠有单位电池的电池组件构成镍氢电池8，由此可实现更加小型化，减小设置面积。例如，在上述的验证试验所使用的750V、800Ah的镍氢电池8其体积为18m3。
另外，由于镍氢电池8的内阻小，因而在电池内部产生的发热量少，可降低热损失，另外，还可减少电池自身的散热装置。
在铁路的电气化车辆中，由于瞬间的大电流的输入·切断、架线和受电弓的分离、第三钢轨和集电靴的分离而产生剧烈的电流、电压的变化。由于镍氢电池具有电容器效应，因而不论是瞬间受到剧烈的电压上升变化，或者是相反在瞬间释放大电流，与其它电池相比较，作为电池整体在能够使电压的变化变得平稳的这一点上有利。作为后述的提高电池耐久性之一例，通过将镍氢电池8的单位电池做成如图15所示的单位电池的结构，由此可进一步提高镍氢电池8所具有的电容器效应。
第二实施方式
1．电气化铁路用电力供给系统的结构、动作
图16是本发明第二实施方式中的电气化铁路用电力供给系统的概略结构图。在第一实施方式中，将镍氢电池8设置于电气化铁路用变电站9。与此相对，在本发明第二实施方式的电气化铁路用电力供给系统中，在电气化铁路用变电站和变电站的中间点那样的变电站9以外的场所，设置有含有镍氢电池8的电力贮存供给装置10a、10b。
另外，构成在本发明第二实施方式的电气化铁路用电力供给系统中所使用的镍氢电池8的电池组件，优选与构成在上述的第一实施方式中所使用的镍氢电池8的电池组件相同。
在如图16所示的电气化铁路用电力供给系统中，电力贮存供给装置10a、10b的镍氢电池8具有与馈电线5直接连接的结构。在此，所谓镍氢电池5与馈电线5直接连接是指，与第一实施方式同样，不经过充放电控制装置而将镍氢电池8与馈电线5直接连接。镍氢电池8的正极侧外部端子与馈电线5连接，负极侧外部端子与回流线（钢轨）7连接。即，镍氢电池8的一对外部端子与馈电线5和回流线7连接。如在第一实施方式中所述的那样，镍氢电池由于相对于SOC的电压变动小因而不需要充放电控制装置，进而可与馈电线5和回流线7直接连接。
电力贮存供给装置10a、10b设置于与电气化铁路用变电站（电气化车辆用的变电站）9a、9b的区域内不同的场所，电力贮存供给装置10a、10b的镍氢电池8与有别于变电站9a、9b和馈电线5的连接部分的馈电线5的部分直接连接。具体而言，关于电力贮存供给装置10b，在电气化铁路用变电站9a和电气化铁路用变电站9b的中间地点的馈电线5，直接连接有镍氢电池8。另外，关于电力贮存供给装置10a，镍氢电池8与从靠馈电线5的端部5e最近的电气化铁路用变电站9a接近馈电线5的端部5e的地点的馈电线5、或者馈电线5的端部5e直接连接。
在如上所述构成的本实施方式的电气化铁路用电力供给系统中，由电气化车辆11a、11b、11c产生的再生电力被蓄积于设置在电力贮存供给装置10a、10b内的镍氢电池8。蓄积于镍氢电池8的电力根据馈电线5的电压状态适当地供给到电气化车辆11a、11b、11c。
通过这样的结构，当馈电线5的电压将要低于电力贮存供给装置10a、10b内的镍氢电池8的电压时，从镍氢电池8向馈电线5放电，以抑制馈电线电压的下降。由此，可防止因馈电线的电压下降而对各个电气化车辆的行驶产生妨碍，充分发挥电气化车辆的行驶性能，其结果是，不会对电气化车辆的整体的行驶造成影响。另外，在产生再生电力时，当馈电线电压将要高于电力贮存供给装置10a、10b内的镍氢电池8的电压时，则对镍氢电池8充电以抑制馈电线电压的上升。由此，可防止再生失效，且可防止电气化车辆的行驶能量被无谓消耗。
在此，由于馈电线5其自身具有电阻，因而距变电站越远电压下降越大。即，当在远离变电站的地点行驶的电气化车辆因加速而消耗大量的电力时，将会使电压下降进一步变大，有可能对电气化车辆的行驶造成妨碍。而相反，在电气化车辆减速时，因产生的再生电力而使馈电线电压上升。此时，通过馈电线5的电阻，产生再生电力的电气化车辆附近的馈电线的电压上升与比该电气化车辆附近靠近变电站的地点的馈电线的电压上升相比，有变大的趋势，有可能产生再生失效等。
上述的问题由馈电线5的电阻和从变电站至电气化车辆的长距离而引起。因此，在本发明的第二实施方式中，特别将电力贮存供给装置10a、10b设置于变电站9a和变电站9b之间、线路的终端或者始端附近。由此，可相对缩短从电力贮存供给装置10a、10b至电气化车辆的距离，进而可降低由馈电线5的电阻引起的从镍氢电池8放电时的馈电线电压的电压下降和对镍氢电池8充电时的馈电线电压的电压上升的变动。
另外，电力贮存供给装置10a、10b只要根据需要设置于变电站间即可，也可以不设置于所有的变电站间。例如，若变电站间的距离短则可以在该变电站间不设置。另外，只要根据需要设置于馈电线的端部即可，若馈电线的端部和变电站的距离短则可以不设置。
另外，只要有电力贮存供给装置10a、10b，即使在相邻的变电站发生故障不能送电的情况下，也可通过来自电力贮存供给装置10a、10b的电力供给使电气化车辆行驶到最近的车站。另外，若是短时间则只要将电力贮存供给装置10a、10b用作变电站的代用，则可停止变电站的功能进行变电站的保养修整。
另外，在铺设新的铁路的情况下，通过将电力贮存供给装置10a、10b设置于变电站间，可延长变电站间的间隔减少变电站的数量。与由镍氢电池8构成的电力贮存供给装置10a、10b相比，变电站的建设费用极大。另外，还可以废弃现存的铁路变电站而设置电力贮存供给装置10a、10b，有效利用余留的土地。这样将电力贮存供给装置10a、10b作为变电站的替代物，是由以下的验证试验所示的内容。
2．验证试验结果
进行本发明第二实施方式的电气化铁路用电力供给系统的验证试验。图17（a）～（d）是表示其验证试验结果的图。
该验证试验在日本的某复线区间的电气化铁路用变电站，例如以与整流装置4并联连接的方式将镍氢电池8连接于馈电线5和回流线7之间，通过停止该变电站的功能，做成具有镍氢电池8的电力贮存供给装置10a、10b的实验装置，由此，对设置于通常的变电站间隔的2倍间隔之间的电力贮存供给装置10a、10b的能力进行了确认。
在该验证试验中，馈电线的电源规格为750V，镍氢电池8的规格为712.5V、800Ah。另外，停止状态的整流装置4和镍氢电池8连接在与上行车辆用和下行车辆用的电车线连接的馈电线上。此处所使用的镍氢电池8例如如图2所示，为将4个单元8A～8D并联连接而构成。各单元8A～8D为串联连接19个37.5V、200Ah的电池组件而构成。另外，各电池组件为串联连接30个单位电池而构成。
图17（a）表示验证试验当日上午5时至6时的镍氢电池8的I-V（电流-电压）特性。图17（b）表示当日上午6时至7时的镍氢电池8的I-V特性。图17（c）表示当日上午7时至8时的镍氢电池8的I-V特性。图17（d）表示当日上午8时至9时的镍氢电池8的I-V特性。在此，在电流为负值时表示充电，为正值时表示放电。
图17（a）～（d）中的I-V特性用直线e～h表示，直线e～h大约为V＝-0.05I＋752。
根据验证试验得知，在直线e～h中，内阻为0.05Ω左右。另外，最高电压为815V，最低电压为637V，由于验证了即使在早晨的繁忙时间带也容纳于750V的馈电线电压所允许的900～600V的范围内，其结果是利用由镍氢电池形成的供电设备能够作为变电设备的替代物这一试验结果。
3．总结
本发明第二实施方式中的电气化铁路用电力供给系统与第一实施方式同样，将镍氢电池8与馈电线5直接连接。因此，由于可以不需要像升降压断路器那样非常昂贵的充放电控制装置，因而作为装置整体可使结构简单，进而可降低制造成本。另外，既无充放电控制装置中的动作延迟，快速充放电特性也优良，能够实现馈电线电压的稳定化。另外，若省略用作充放电控制装置的升降压断路器，则不用担心产生对信号装置造成妨碍的高频噪声。
特别是，在远离变电站的地点的馈电线、例如变电站和变电站的中间的馈电线5、或与线路终端或者始端对应的馈电线的端部5e直接连接有镍氢电池8而构成电力贮存供给装置10a、10b。由此，可在远离变电站的地点抑制因馈电线自身的电阻或电气化车辆加速而产生的电线的大幅度的电压下降，能够不对电气化车辆的行驶带来妨碍地充分发挥电气化车辆的行驶性能。与此同时，能够抑制电气化车辆减速时产生的再生电力造成的馈电线5的大幅度的电压上升，抑制因再生失效等引起的电气化车辆的行驶能量的无谓消耗。
另外，本发明第一实施方式中，在电气化铁路用电力供给系统中，将镍氢电池设置于电气化铁路用的变电站。另外，本发明第二实施方式中，在电气化铁路用电力供给系统中，将镍氢电池设置于电气化铁路用的变电站以外的场所。镍氢电池的设置场所不限于此。也可以将一个镍氢电池设置于电气化铁路用的变电站，同时，将另一个镍氢电池设置于电气化铁路用的变电站以外的场所。
产业上应用的可行性
具备本发明的镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统可适用作具备设置于电气化铁路用变电站的镍氢电池的电气化铁路用电力供给系统。
另外，本发明的电气化铁路用电力供给系统可适用作设置于远离电气化铁路用变电站的地点的电气化铁路用电力供给系统等。

Claims (3)

1.一种电气化铁路用电力供给系统，具备与电气化车辆用的变电站连接的且从所述变电站被供给直流电力的馈电线，该电气化铁路用电力供给系统的特征在于：
作为直流电力贮存供给设备具有镍氢电池，所述镍氢电池与所述馈电线直接连接，
所述变电站具有：从交流电线路接受电力的变压器；和与所述变压器连接的整流装置，
所述馈电线与所述整流装置连接，
所述镍氢电池的电池电压与所述馈电线的电压的平均值相同。
2.如权利要求1所述的电气化铁路用电力供给系统，其特征在于：
所述镍氢电池由一个以上的电池组件构成，
所述电池组件为，
由多个单位电池，按照彼此相邻的一方的所述单位电池的正极集电体和另一方的所述单位电池的负极集电体相对的方式层叠而成，并且在彼此相邻的所述单位电池之间设置有由气体或者液体构成的传热介质的流通通路，其中所述多个单位电池分别具有：相对设置的板状的正极集电体和负极集电体；配置于所述正极集电体和所述负极集电体之间的隔板；连接于所述正极集电体的正极单元；和连接于所述负极集电体的负极单元。
3.如权利要求1所述的电气化铁路用电力供给系统，其特征在于：
所述直流电力贮存供给设备设置于与所述变电站的区域内不同的场所。
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