JP2010193570A - 蓄電型電車の給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 車載の蓄電装置のより短時間での急速充電ができ、電気車両の軽量化及びそのメンテナンスコストの低減を図ることのできる蓄電型電車の給電システムを提供する。
【解決手段】 蓄電装置１１を搭載した電気車両１と、電力供給装置１６とを備えた給電システムであって、電気車両１は、蓄電装置１１の正極及び負極に接続された一対の充電端子５３ａ、５３ｂを有し、電力供給装置１６は、整流器４と、整流器４と並列に接続される地上用蓄電装置５と、一対の入力端子が地上用蓄電装置５の正極及び負極に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ６と、このコンバータ６の一対の出力端子に接続された一対の給電端子２６ａ、２６ｂと、一対の給電端子２６ａ、２６ｂが、一対の充電端子５３ａ、５３ｂと離間した状態から接触した状態となるように、また、接触した状態から離間した状態となるように、給電端子２６ａ、２６ｂを移動させる給電端子可動手段とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走行中に電力供給が無い非電化区間を走行する電気車両に好適な蓄電型電車の給電システムに関する。

近年、電力供給が無い非電化区間を走行可能な蓄電手段搭載型の電気車両の開発が進められている。この電気車両は、車両に蓄電池もしくはキャパシタ等の蓄電手段を搭載し、車両が充電設備のある車両基地または駅に停車している間に、次の充電設備のある箇所までに、車両の走行に必要な電力や車両内機器などで消費される電気車両の運行に必要な電力（以下、単に「必要電力」という）が蓄電手段に充電されるように構成されている。

上記の蓄電手段搭載型の電気車両に必要電力を充電するためには、車両が充電設備のある車両基地または駅に停車している短時間のうちに充電を完了しなければならず、そのためには大電流による充電が必要になる。

そこで、このような停車中の大電流による短時間充電を可能にするための構成の一例が、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特許文献１には、蓄電手段として蓄電池が搭載され、給電用の架線がある電化区間において架線からの電力を取り込むための通常のパンタグラフの他に、接触面積を大にした導電接触体を有した大電流充電対応のパンタグラフが設けられ、電化区間及び非電化区間のいずれの区間も走行可能な電気車両の構成が記載されている。この場合、給電用の架線がない非電化区間においては、走行中には大電流充電対応のパンタグラフを降ろして走行し、充電設備のある車両基地または駅に停車中に、大電流充電対応のパンタグラフを上昇させて導電接触体を充電設備の給電用剛体架線に接触させ、電気車両に搭載された蓄電池の充電を行うようになっている。

また、特許文献２には、蓄電手段として蓄電池が搭載され、パンタグラフが備えられるとともに、台車枠の中央部の下部に昇降自在に配置され広い接触面積を有するレール集電用接触子が備えられた電気車両の構成が記載されている。この場合、停留所に充電用架線が設けられ、電気車両が停留所に停車したときに、電気車両のパンタグラフが充電用架線と接触し、レール集電用接触子を下降させてレールと接触させ、電気車両に搭載された蓄電池の充電を行うようになっている。

また、特許文献３には、蓄電手段として蓄電池が搭載され、蓄電池と接続された接触子が屋根に固設された電気車両の構成が記載されている。また、地上の充電設備には、充電器と、充電器に接続され昇降可能な給電部とを有しており、電気車両が駅などに停車したときに、給電部を下降させて電気車両の屋根に設けられた接触子と接触させ、電気車両に搭載された蓄電池の充電を行うようになっている。

特開２００７−０６８２４２号公報 特開２００７−０６８２４１号公報 特開２００８−２１１９３９号公報

上記の特許文献１に記載の構成では、充電設備のある駅等において、大電流充電対応のパンタグラフを介して車載の蓄電池の充電が行われるが、パンタグラフと給電用剛体架線との接触面積を大きくすることには限界があり、より大電流によるより短時間での急速充電を行うための構成には適していないので、充電設備のある駅等での電気車両の停車時間を短縮することができない。更に、パンタグラフを介して電流が供給され、台車の車輪からレールへと帰線電流が流れるが、この場合、車載の蓄電池の負側端子に電気的に接続されたブラシを介して車軸から車輪へ、さらに車輪からレールへと電流が流れる。このため、電気抵抗が大きくなり、大電流を流せば、それに応じた電圧降下とジュール熱が発生し、大電流を流すことを阻害する。このことからも、充電設備のある駅等での電気車両の停車時間を短縮するために、より大電流によるより短時間での急速充電を行うための構成には適していない。

また、特許文献１に記載の構成では、大電流充電対応のパンタグラフを設けているが、パンタグラフには昇降させるための可動部分があり、メンテナンスの頻度及びコストが増加する。またパンタグラフは重量的にも重い設備であるため、車両重量が重くなる。車両重量が重くなれば、走行に必要な電力量が増加するだけでなく、線路のメンテナンスの頻度及びコストも増加するという問題がある。

また、特許文献２に記載の構成では、帰線電流を流すレールとの接触面積を増加させるために電気車両の台車枠の下部に昇降可能なレール集電用接触子が備えられているが、レール集電用接触子を昇降させるための可動部分があり、メンテナンスの頻度及びコストが増加する。またこのような可動部分を有する設備にすると重量的にも重い設備となり、車両重量が重くなる。車両重量が重くなれば、走行に必要な電力量が増加するだけでなく、線路のメンテナンスの頻度及びコストも増加するという問題がある。また、パンタグラフを介して電流が供給されるため、供給される電流は１０００Ａから最大でも数１０００Ａ程度と考えられる。

また、特許文献３に記載の構成では、電気車両の屋根に設けられた接触子（受電部）及び充電設備の給電部は、それぞれ１個ずつしか明記されておらず、また、１個の接触子が車載の蓄電地の一方の電極に接続された構成であるため、帰線電流は、車輪等を介してレールへ流れるものと考えられる。この場合、車輪からレールへと電流が流れることにより、特許文献１の構成の場合と同様、電気抵抗が大きくなるなどの問題がある。

以上、特許文献１〜３に記載の構成では、充電設備から車載の蓄電地を充電するために流す電流は、１０００Ａから最大でも数１０００Ａ程度と考えられる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、車載の蓄電装置のより短時間での急速充電を可能にするとともに、電気車両の軽量化及びそのメンテナンスの頻度及びコストの低減を図ることのできる蓄電型電車の給電システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の蓄電型電車の給電システムは、車載用蓄電装置と、回生機能を有する電力変換器と、前記車載用蓄電装置を電源として前記電力変換器を介して電力が供給される車両走行用電動機とを有する電気車両と、地上に設置され、前記電気車両の前記車載用蓄電装置へ直流電力を供給するための電力供給装置とを備えた蓄電型電車の給電システムであって、前記電気車両は、前記車載用蓄電装置の正極及び負極に接続された一対の充電端子を有し、前記電力供給装置は、入力される交流を直流に整流する整流器と、前記整流器と並列に接続される地上用蓄電装置と、一対の入力端子が前記地上用蓄電装置の正極及び負極に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一対の出力端子に接続され前記直流電力を出力するための一対の給電端子と、前記一対の給電端子が、前記電気車両の前記一対の充電端子と離間した状態から接触した状態となるように、前記一対の給電端子を移動させるとともに、前記接触した状態から前記離間した状態となるように、前記一対の給電端子を移動させる給電端子可動手段とを有し、前記一対の給電端子が前記電気車両の前記一対の充電端子と接触した状態において前記地上用蓄電装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記車載用蓄電装置の充電を行うように構成されている。

この構成によれば、電気車両に設けた一対の充電端子に、電力供給装置の一対の給電端子を接触させた状態にて給電端子から直流電力を出力して車載用蓄電装置を充電するようにしている。充電端子及び給電端子をそれぞれ板状に形成することにより、充電端子と給電端子との接触面積を充分大きくすることができ、電気抵抗を小さくできる。また、この構成によれば、レールを直流電流の帰線として用いないので、通常のパンタグラフや従来技術として記載した帰線電流を車輪を介してレールに流す場合と比較してより大きな電流を流すことができ、車載用蓄電装置のより短時間での急速充電が可能になる。この構成によれば、一対の充電端子に一対の給電端子を接触させた状態にて、１万アンペア以上の電流を流して車載用蓄電装置を充電することが可能である。

また、電気車両に設けられる充電端子にはパンタグラフや従来技術として記載した昇降可能なレール集電用接触子のような可動部分がないため、充電端子の表面の清掃作業が必要となる程度であり、電気車両のメンテナンスの頻度及びコストを低減することができる。

また、充電端子は、可動部分を有するパンタグラフや上記昇降可能なレール集電用接触子に比べて重量的にも軽く、電気車両の軽量化が図れるため、１回の充電による走行距離を伸ばすことができるとともに、線路のメンテナンスの頻度及びコストの低減も図ることができる。

通常の架線とパンタグラフのすり板との組み合わせでは、架線とすり板とが直交しているため、接触面積が数ｃｍ^２程度の面積しかとれない。

また、特許文献１に記載されている充電設備の給電用剛体架線とパンタグラフの幅広の導電接触体との組み合わせでも、給電用剛体架線と導電接触体とが直交して接触するため、５０〜２００ｃｍ^２程度の接触面積しかとれないと推測される。

また、前記一対の充電端子は前記電気車両の車幅方向に並んで配置され車長方向に延びた一対の長板状の第１の導電板からなり、前記一対の給電端子は前記一対の充電端子と接触した状態のときに前記電気車両の車幅方向に並んで前記一対の充電端子と重なり合う一対の長板状の第２の導電板からなるようにしてもよい。

このように、充電端子と給電端子を長板状に形成し、同一方向で正対して向かい合うようにして接触させることによって、通常の架線とパンタグラフのすり板との組み合わせの場合と比較すれば、接触面積を格段に大きくすることが可能となるため、接触抵抗を小さくすることが容易である。そのため、充電端子と給電端子の間で大電流を流すことが可能となり、大電流が流れても面全体で接触することによって溶着することがない。また、充電端子及び給電端子を車長方向に長くすることにより、充電端子と給電端子との位置決め精度に余裕を持たせることが可能になる。

また、前記一対の給電端子と前記一対の充電端子とが接触した状態は、前記第１の導電板と前記第２の導電板とが面接触した状態であることが接触抵抗を小さくできるので好ましい。

また、前記給電端子可動手段は、弾性体により支持された前記給電端子を保持し、かつこの保持した状態で前記給電端子を移動させるように構成されていてもよい。

車体が若干傾斜した場合や、乗客の乗降等の原因で車体が振動したり揺れる場合でも、このように弾性体により給電端子が支持されることにより、給電端子を充電端子に面接触させることが可能になり、また、面接触した状態を保持できる。

また、前記給電端子可動手段の前記弾性体がばねであってもよい。

また、前記一対の充電端子は、前記電気車両の屋根に設置されていてもよい。

また、前記一対の充電端子は、前記電気車両の屋根に前記給電端子との接触面となる一主面が上方を向くように設置され、前記電気車両の車幅方向に並んで配置され車長方向に延びた一対の長板状の第１の導電板からなり、前記一対の給電端子は、前記一対の充電端子と接触した状態のときに前記電気車両の車幅方向に並んで前記一対の長板状の第１の導電板と重なり合って面接触する一対の長板状の第２の導電板からなり、前記給電端子可動手段は、前記給電端子の前記充電端子との接触面となる一主面が下方を向いた状態で前記一対の給電端子を上昇及び下降させることができ、下降させたときに前記一対の給電端子が前記一対の充電端子と接触した状態となり、上昇させたときに前記一対の給電端子が前記一対の充電端子と離間した状態となるように、前記一対の給電端子を上昇及び下降させるように構成されていてもよい。

また、前記電力供給装置の前記地上用蓄電装置はニッケル水素電池からなるものが好ましい。

ニッケル水素電池は、体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた大容量のニッケル水素電池であっても小型化を図ることができる。また、ニッケル水素電池は、ＳＯＣ（state of charge）の変動に対して電池電圧の変動が小さく、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるという特性を有するため、電池容量を有効に利用することができ、キャパシタや他の二次電池と比較して小容量で小型のものを用いることができ、広大な設置面積を必要とせず、電力供給装置の小型化も図れ、設備費を安価にできる。

また、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるという特性を有するため、ＳＯＣの中ほど、例えばＳＯＣが４０〜６０パーセントのときの電池電圧が整流器の出力電圧と等しいか略等しいニッケル水素電池を地上用蓄電装置として用いれば、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、充電制御装置による電圧調整機能を用いることなく、電池電圧の変動を非常に小さく抑えながら充電することができる。このように、充電制御装置を介さずに整流器から直接充電することができるので、地上用蓄電装置を充電するための充電制御装置の必要がなく、コストの低減を図ることができる。

また、ニッケル水素電池からなる地上用蓄電装置から電気車両の車載用蓄電装置へ急速放電を行う場合においても、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータにより電流値と電圧を制御する範囲は狭く、ＤＣ／ＤＣコンバータの役割が小さくて済むため、ＤＣ／ＤＣコンバータを小型化でき、コスト的にも有利である。

また、前記電気車両の前記車載用蓄電装置はニッケル水素電池からなるものが好ましい。

ニッケル水素電池は、体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた大容量のニッケル水素電池であっても小型化を図り、かつ、大電流による短時間充電を行うことが可能であり、車載する蓄電装置として適している。また、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く、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるという特性を有するため、電池容量を有効に利用することができ、キャパシタや他の二次電池と比較して小型化を図ることができ、設置スペースを小さくすることができるとともに、設備費を安価にできる。また、ニッケル水素電池は、キャパシタや他の二次電池と比較して、ＳＯＣの広い範囲において車両走行用の電力変換器の可動電圧範囲（例えば設定電圧の上下２０％以内の範囲）内の電圧とすることができるため、車載用蓄電装置をニッケル水素電池によって構成することにより、電気車両にチョッパのように高価な充放電制御装置を搭載する必要がなく、車両重量の軽減及び車両コストの低減が図れる。

また、前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、前記電池モジュールは、それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体の間に配したセパレータと、前記正極集電体に接する正極セルと前記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられてあってもよい。

この構成によれば、ニッケル水素電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュールを上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。上記のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。

本発明は、以上に説明した構成を有し、車載の蓄電装置のより短時間での急速充電を可能にするとともに、電気車両の軽量化及びそのメンテナンスの頻度及びコストの低減を図ることのできる蓄電型電車の給電システムを提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態の蓄電型電車の給電システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態の蓄電型電車の給電システムの給電部と充電端子部の外観の斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態の蓄電型電車の給電システムの給電部と充電端子部の外観の側面図であり、（ｂ）は、同給電システムの給電部と充電端子部の外観の正面図である。 （ａ）は、本実施の形態における第１構成例の給電部を示す側面図であり、（ｂ）は、同給電部を示す正面図であり、（ｃ）は、同給電部を示す平面図である。 （ａ）は、本実施の形態における第２構成例の給電部を示す側面図であり、（ｂ）は、同給電部を示す正面図であり、（ｃ）は、同給電部を示す平面図である。 本発明の実施の形態における電気車両の一例を示す概略構成図である。 図６の電気車両を用いた場合の充電設備の設置場所の一例を示す概略図である。 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。 一構成例の電池モジュールにおいて、強制冷却を行うファンと風洞により冷却を行う構成を示した斜視図である。 一構成例の電池モジュールの横断面図である。 一構成例の電池モジュールに用いられる伝熱板の斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態の蓄電型電車の給電システムの概略構成図である。図２は、同給電システムの給電部と充電端子部の外観の斜視図である。また、図３（ａ）は、同給電システムの給電部と充電端子部の外観の側面図であり、図３（ｂ）は、同給電システムの給電部と充電端子部の外観の正面図である。

図１の例では、車載用蓄電装置１１を搭載した２両の電気車両１の間に、蓄電装置１１を搭載していない電気車両１ａが連結された３両編成の列車が示されているが、これは一例である。

電気車両１は、車載用蓄電装置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車両走行用の電動機１３とを搭載し、電動機１３によって車輪１５が駆動され、き電線が無い非電化区間のレール２２上を走行することが可能に構成されている。さらに、電気車両１の屋根上には充電端子部１４が設けられている。充電端子部１４は、蓄電装置１１の正極側端子と電気的に接続された正側充電端子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充電端子５３ｂとを有している。蓄電装置１１としては、ニッケル水素電池を用いることが好ましいが、ニッケル水素電池のように大電流による短時間充電が可能であり、かつ、車両に搭載可能な小型化を図ることができれば、他の二次電池やキャパシタを用いてもよい。

電気車両１が走行中において、特にその加速時には、蓄電装置１１からの直流電力が電力変換器１２によって交流に変換され、車両走行用の電動機１３に供給される。また、減速時には、電動機１３において発生する回生電力が電力変換器１２によって直流に変換されて蓄電装置１１へ供給され、蓄電装置１１が充電される。

図１には車両基地又は充電設備のある駅に設備された充電ステーションが示されている。この充電ステーションには、電気車両１の蓄電装置１１を充電するための充電設備として電力供給装置１６が設置されている。電力供給装置１６は、大地に固定されており、交流遮断器２と、電力会社等の商用電源に接続された電力回線Ｐｗから交流遮断器２を介して受電する変圧器３と、変圧器３に接続された整流器４と、整流器４と並列に接続された地上用蓄電装置５と、地上用蓄電装置５に接続され地上用蓄電装置５の直流電力を入力とするＤＣ／ＤＣコンバータ６と、直流遮断器２０と、給電部２１とを備えている。地上用蓄電装置５の正極側外部端子は、整流器４の正側端子とＤＣ／ＤＣコンバータ６の正側入力端子との夫々に接続され、地上用蓄電装置５の負極側外部端子は、整流器４の負側端子とＤＣ／ＤＣコンバータ６の負側入力端子との夫々に接続されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の正側出力端子は直流遮断器２０を介して給電部２１の正側給電端子２６ａに電気的に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の負側出力端子は給電部２１の負側給電端子２６ｂに電気的に接続されている。なお、整流器４は、全波整流器または半波整流器であってもよい。好ましくは、ＩＧＢＴ等の制御素子を用いて構成される電力変換器いわゆるＡＣ／ＤＣコンバータであってもよい。また、交流電力回線Ｐｗは、商用電力系統であることが多いが、これに限定されるものではなく、自家発電等の電力系統であってもよい。

例えば、交流遮断器２が投入され、交流電力回線Ｐｗからの交流は変圧器３を介して整流器４に入力され、整流器４によって直流に変換された後、地上用蓄電装置５へ流入し、地上用蓄電装置５が充電される。これにより、地上用蓄電装置５は、電気車両１に対して充分電力供給が可能となる充電状態を維持しながら待機している。交流遮断器２は、地上用蓄電装置５の充電を行わない場合は遮断状態としてもよい。

なお、充電ステーションに電気車両１が停車していない場合は、直流遮断器２０は遮断状態としてもよい。

また、整流器４と地上用蓄電装置５との間に図示しない直流遮断器を設けてもよい。この直流遮断器は、例えば地上用蓄電装置５の充電が不要なときや保守点検を行なうときに開路させるものである。

図１に示すように、充電ステーションに電気車両１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２６ａ、２６ｂを下降させて充電端子部１４の充電端子５３ａ、５３ｂに面接触させる。これにより、電気車両１の蓄電装置１１は給電部２１の給電端子と電気的に接続された状態になる。その後、直流遮断器２０を投入して導通状態とし、地上用蓄電装置５を、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電気車両１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まで十分に走行可能な状態に充電される。

また、電気車両１は、駅構内進入に当たってはブレーキがかけられて減速し、その際、車両走行用の電動機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、電動機１３が回生状態となる度に蓄電装置１１は充電されるので、充電ステーションに到着時には相当量のエネルギーが蓄積され、停車中における電力供給装置１６からの充電は次の充電ステーションまでの走行に要する電力不足分のみでよい。このため、地上用蓄電装置５から電気車両１への電力供給量は少なくてすみ、より一層の短時間による電力供給が可能になる。そして、整流器４から地上用蓄電装置５に充電する時間を長くとることが可能になるとともに、少ない電力充電ですむので、整流器４の容量を小さくできて低圧受電が可能となり、変圧器３も低圧設備とすることができ、設備の小型化及び設備費の削減に寄与する。

次に、図２及び図３を参照しながら充電端子部１４及び給電部２１の詳細な構成について説明する。

電気車両１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充電端子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充電端子５３ｂとが、それぞれ碍子５４を介して固設されている。充電端子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。正側充電端子５３ａ及び負側充電端子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。これらの充電端子５３ａ、５３ｂによって充電端子部１４が構成されている。

なお、屋根５１には、点検等の作業者Ｍ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、充電端子５３ａと歩み板５２ａとの間、及び充電端子５３ｂと歩み板５２ｂとの間に、感電事故防止用の絶縁性の保護柵５５が設けられている。

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。

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２０に接続されており、この直流遮断器２０の投入時（導通時）にはＤＣ／ＤＣコンバータ６の正側出力端子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ＤＣ／ＤＣコンバータ６の負側出力端子と電気的に接続されている。

なお、電気車両１の屋根５１に設置された長板状の充電端子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の充電端子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が充電端子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が充電端子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。

図２、図３では、電気車両１が充電ステーション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が電気車両の正側充電端子５３ａと対向し、負側給電端子２６ｂが電気車両の負側充電端子５３ｂと対向している状態である。

いま、電気車両１が充電ステーション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の下面と正側充電端子５３ａの上面とを面接触させるとともに、負側給電端子２６ｂの下面と負側充電端子５３ｂの上面とを面接触させる。これにより、電気車両１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２０を投入して導通状態とし、地上用蓄電装置５を、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電気車両１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２０を開路させて、給電端子２６ａ、２６ｂを上昇させる。この後、電気車両１は次の停車駅へ向かって走行する。

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の充電の開始及び終了の制御等について、その一例を示しておく。

まず、電気車両１が充電ステーション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指令台から充電を行う旨の指示が出されると、電気車両１の図示していない制御装置（以下、「車両側制御装置」という）から電力供給装置１６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２０を投入して導通状態とし、続いてＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御して地上用蓄電装置５からの放電を開始させる。

また、電気車両１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。

給電側制御装置では、電気車両１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、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御して地上用蓄電装置５からの放電を終了させる。続いて、直流遮断器２０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、例えば運転指令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車両１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。

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、例えば電気車両１が所定位置に停車したことを検出する検出手段（例えば、ＡＴＯ装置（自動列車運転装置）を備えた信号／車両設備の場合における定点停止のためのトランスポンダや、より簡易な装置としては光学センサや超音波センサを用いた検出手段）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。

本実施の形態において、給電端子２６ａ、２６ｂを下降させるとき、給電端子２６ａ、２６ｂが充電端子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の下面に対して充電端子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の下面を充電端子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。

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。

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。

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充電端子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、充電端子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。

次に、給電部２１の上下可動機構部２３及び絶縁支持部２４の具体的な構成の一例について、図４、図５を参照しながら説明する。

図４（ａ）は、本実施の形態における第１構成例の給電部を示す側面図であり、図４（ｂ）は、同給電部を示す正面図であり、図４（ｃ）は、同給電部を示す平面図である。なお、図４（ｃ）では、２つの取付け部３０の図示を省略している。

図３の大地に固定された構造物２９に、水平且つ平行に２つの取付け部３０が固定されており、これら２つの取付け部３０に、それぞれ２つずつのモータ３１が固定されている。これら４つのそれぞれのモータ３１のモータ軸には、ボールネジナット３３が取り付けられたボールネジ３２が直結されている。ボールネジナット３３にはスライダ３４の一端が固定され、スライダ３４の他端は端子取付けベース板３５に固定されている。

給電端子２６ａ、２６ｂのそれぞれの長手方向の両端近傍部分には、２つのばね２５を介して碍子取付け板３７が取り付けられ、碍子取付け板３７と端子取付けベース板３５が碍子３７を介して固定されている。

この構成の場合、４つのモータ３１を駆動して一方向に回転させると、それぞれのボールネジ３２が回転して例えばボールネジナット３３及びスライダ３４が下降し、それに伴い端子取付けベース板３５及び給電端子２６ａ、２６ｂが下降する。また、４つのモータ３１を上記一方向とは逆方向に回転させると、それぞれのボールネジ３２が逆回転して例えばボールネジナット３３及びスライダ３４が上昇し、それに伴い端子取付けベース板３５及び給電端子２６ａ、２６ｂが上昇する。

なお、給電端子２６ａ、２６ｂにはそれぞれ電線取付け部２７、２８が設けられ、電線３８，３９が接続されている。正側給電端子２６ａに接続された電線３８は直流遮断器２０と接続され、負側給電端子２６ｂに接続された電線３９はＤＣ／ＤＣコンバータ６の負側出力端子と接続されている。

この第１構成例の場合、取付け部３０とモータ３１とボールネジ３２とボールネジナット３３とスライダ３４と端子取付けベース板３５とによって図３の上下可動機構部２３が構成され、碍子３６と碍子取付け板３７とによって図３の絶縁支持部２４が構成されている。碍子３６によって一対の給電端子２６ａ、２６ｂの間の絶縁は図られているが、より安全性を保つためには端子取付けベース板３５として例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成された絶縁板を用いるのが好ましい。

次に、図５（ａ）は、本実施の形態における第２構成例の給電部を示す側面図であり、図５（ｂ）は、同給電部を示す正面図であり、図５（ｃ）は、同給電部を示す平面図である。なお、図５（ｃ）では、２つの取付け部４０ａ、４０ｂの図示を省略している。

図３の大地に固定された構造物２９に、水平且つ平行に２つの取付け部４０ａ、４０ｂが固定されている。端子取付けベース板４５には、前述の第１構成例の端子取付けベース板３５の場合と同様にして、碍子３６、碍子取付け板３７及びばね２５を介して、給電端子２６ａ、２６ｂが取り付けられている。さらに同様に、給電端子２６ａ、２６ｂにはそれぞれ電線取付け部２７、２８が設けられ、電線３８，３９が接続されている。

この端子取付けベース板４５は、第１構成例の端子取付けベース板３５とはその平面形状が異なり、長方形の平面形状をしている。端子取付けベース板４５も、第１構成例の端子取付けベース板３５と同様、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成された絶縁板を用いるのが好ましい。端子取付けベース板４５上には、２つの取付け部４０ａ、４０ｂの間隔と同一の間隔をあけて２つの取付け板４４ａ、４４ｂが立設されている。

そして、２つの取付け部４０ａ、４０ｂに２つの軸Ｐ１，Ｐ３が回動可能に取り付けられている。この２つの軸Ｐ１，Ｐ３は所定の間隔をあけ、かつ平行に取り付けられている。一方、２つの取付け板４４ａ、４４ｂに２つの軸Ｐ２，Ｐ４が回動可能に取り付けられている。この２つの軸Ｐ２，Ｐ４は軸Ｐ１，Ｐ３の間隔と同一の間隔をあけ、かつ平行に取り付けられている。

そして、長さが同一のアーム部材Ｒ１，Ｒ３がその両端が軸Ｐ１と軸Ｐ２とに固定して設けられている。一方のアーム部材Ｒ１は取付け部４０ａ及び取付け板４４ａの近傍となるように、また、他方のアーム部材Ｒ３は取付け部４０ｂ及び取付け板４４ｂの近傍となり、かつアーム部材Ｒ１と平行となるように、それぞれ軸Ｐ１、Ｐ２に固定されている。

また、アーム部材Ｒ１，Ｒ３と同一長さのアーム部材Ｒ２，Ｒ４がその両端が軸Ｐ３と軸Ｐ４とに固定して設けられている。一方のアーム部材Ｒ２は取付け部４０ａ及び取付け板４４ａの近傍となるように、また、他方のアーム部材Ｒ４は取付け部４０ｂ及び取付け板４４ｂの近傍となり、かつアーム部材Ｒ２と平行となるように、それぞれ軸Ｐ３、Ｐ４に固定されている。

すなわち、図５（ａ）に示されるように、取付け部４０ｂの軸Ｐ１と軸Ｐ３の間の部分と、取付け板４４ｂの軸Ｐ２と軸Ｐ４の間の部分と、アーム部材Ｒ３，Ｒ４とによって平行リンク機構が構成されている。同様に、取付け部４０ａの軸Ｐ１と軸Ｐ３の間の部分と、取付け板４４ａの軸Ｐ２と軸Ｐ４の間の部分と、アーム部材Ｒ１，Ｒ２とによって平行リンク機構が構成されている。

そして、アーム部材Ｒ１の中央付近とアーム部材Ｒ３の中央付近とを連結する軸Ｐ６が、軸Ｐ１，Ｐ２と平行に、かつアーム部材Ｒ１、Ｒ３に回動可能に取り付けられている。

また、２つの取付け部４０ａ、４０ｂには、軸Ｐ５が軸Ｐ１，Ｐ３と平行に、かつ回動可能に取り付けられている。この軸Ｐ５の中央部には、モータ軸が軸Ｐ５と垂直になるようにモータ４１が固定されている。モータ４１のモータ軸には、ボールネジナット４３が取り付けられたボールネジ４２が直結されている。ボールネジナット４３は軸Ｐ６の中央部に挿入され軸Ｐ６に固定されている。

この構成の場合、モータ４１を駆動して一方向に回転させると、ボールネジ４２が回転して例えばボールネジナット４３及び軸Ｐ６がモータ４１から遠ざかる方向へ移動し、それに伴い端子取付けベース板４５及び給電端子２６ａ、２６ｂが斜めに下降する。また、モータ４１を上記一方向とは逆方向に回転させると、ボールネジ４２が逆回転してボールネジナット４３及び軸Ｐ６がモータ４１に近づく方向へ移動し、それに伴い端子取付けベース板４５及び給電端子２６ａ、２６ｂが斜めに上昇する。

この第２構成例の場合、碍子３６と碍子取付け板３７とによって図３の絶縁支持部２４が構成され、その上部部分、すなわち取付け部４０ａ、４０ｂから端子取付けベース板４５までの構成によって図３の上下可動機構部２３が構成されている。

この第２の構成例では、軸Ｐ６の位置を、モータ４１、ボールネジ４２及びボールネジナット４３を用いて移動させるようにしているが、これらに代えて、油圧シリンダまたは空圧シリンダ等を用いてもよい。

なお、上下可動機構部２３及び絶縁支持部２４の構成については、上記第１、第２の構成例に限られず、同様の作用が得られれば、他の構成でもよい。

本実施の形態では、電気車両１の屋根に設けた板状の充電端子５３ａ、５３ｂに、電力供給装置１６の板状の給電端子２６ａ、２６ｂを面接触させた状態にて蓄電装置１１を充電するようにしている。充電端子５３ａ、５３ｂ及び給電端子２６ａ、２６ｂはそれぞれ板状に形成されているため、充電端子５３ａ、５３ｂと給電端子２６ａ、２６ｂとの接触面積を充分大きくすることができ、電気抵抗を小さくできるので、通常のパンタグラフや従来技術として記載した大電流充電対応のパンタグラフの場合と比較して大電流を流すことができ、車載用蓄電装置１１のより短時間での急速充電が可能になる。本実施の形態の場合には、例えば、３００００Ａ、５秒間充電というように大電流による短時間充電を行うことができるが、通常のパンタグラフの場合には、高々、１０００Ａ程度の電流しか流せず、同様の充電を行うためには１０００Ａ、１５０秒間の充電が必要になり、充電時間が長くなる。なお、パンタグラフの場合でも、パンタグラフを多数搭載すれば大電流を流すことは理論上可能であるが、パンタグラフの個数増加によるそのメンテナンスコストの増加だけでなく、車両重量が非常に重くなり、１回の充電による走行距離の短縮や、線路のメンテナンスの頻度及びコストの増加というデメリットが大きくなる。また、パンタグラフ等を用いて帰線電流を車輪を介してレールへ流す場合には、帰線電流がブラシを介して車軸から車輪、さらに車輪からレールという電気抵抗が大きな経路を流れるため、例えば３００００Ａというような大電流を流す構成には適していない。

また、充電端子５３ａ、５３ｂ及び給電端子２６ａ、２６ｂを車長方向に長い板状に形成することにより、充電端子５３ａ、５３ｂと給電端子２６ａ、２６ｂとの接触面積を大きくして大電流を流すことが可能になるとともに、充電端子５３ａ、５３ｂと給電端子２６ａ、２６ｂとの位置決め精度に余裕を持たせることが可能になる。

また、電気車両１に設けられる充電端子５３ａ、５３ｂはパンタグラフ等のような可動部分がないため、充電端子５３ａ、５３ｂの表面の清掃作業が必要となる程度であり、メンテナンスの頻度及びコストを低減することができる。

また、充電端子５３ａ、５３ｂは、可動部分を有するパンタグラフ等に比べて重量的にも軽く、電気車両の軽量化が図れるため、１回の充電による走行距離を伸ばすことができるとともに、線路のメンテナンスの頻度及びコストの低減も図ることができる。

また、本実施の形態では、給電システムとして可動部分を有するのは、給電設備として備えられる電力供給装置１６であり、可動部分を有するパンタグラフ等が電気車両に設けられる場合と比較して、可動部分の個数を大幅に削減することができ、メンテナンス上有利である。

図６は、本実施の形態における電気車両１の一例を示す概略構成図である。

この電気車両１は、蓄電装置１１としてニッケル水素電池１１ａを、電力変換器１２として可変電圧可変周波数制御インバータ１２ａ（以下、「インバータ１２ａ」と略記する）を、車両走行用電動機１３として誘導電動機１３ａをそれぞれ搭載している。

ニッケル水素電池１１ａの正極側外部端子には、高速度遮断器７と電磁接触器８とフィルタリアクトル９とを介して可変電圧可変周波数制御インバータ１２ａ（以下、「インバータ１２ａ」と略記する）の正側入力端子が接続され、インバータ１２ａの負側入力端子にはニッケル水素電池１１ａの負極側外部端子が接続されている。また、フィルタリアクトル９とともにローパスフィルタを構成するフィルタコンデンサ１０が、インバータ１２ａと並列に接続されている。インバータ１２ａの出力端子には、車輪１５を駆動するための車両走行用の誘導電動機１３ａが接続されている。

さらに、ニッケル水素電池１１ａの正極側外部端子には、高速度遮断器７ａと電磁接触器８ａとフィルタリアクトル９ａとを介して定電圧定周波数制御インバータ１８（以下、「インバータ１８」と略記する）の正側入力端子が接続され、インバータ１８の負側入力端子にはニッケル水素電池１１ａの負極側外部端子が接続されている。また、フィルタリアクトル９ａとともにローパスフィルタを構成するフィルタコンデンサ１０ａが、インバータ１８と並列に接続されている。インバータ１８の出力端子には、負荷１９が接続されている。この負荷１９は、空調装置、車内照明装置、ブレーキ用コンプレッサ等の補機である。

制御装置１７は、運転手の運転操作による運転指令台からの指令信号や、誘導電動機１３ａに取り付けられている速度センサからの回転速度等に応じて、インバータ１２ａ、１８、高速度遮断器７，７ａ及び電磁接触器８，１１を制御する。電磁接触器８，１１は、運転指令台の電源スイッチのオン、オフに応じて、オン、オフする。高速度遮断器７，７ａは過電流を遮断するための保護回路である。

また、ニッケル水素電池１１ａの正極側外部端子は正側充電端子５３ａに接続され、負極側外部端子は負側充電端子５３ｂに接続されている。充電ステーションにて、給電部２１から充電端子５３ａ、５３ｂを介して直流電力が供給されることにより、ニッケル水素電池１１ａの充電が行われる。

電気車両１の走行中において、その加速時には、ニッケル水素電池１１ａからの直流電力はインバータ１２ａに供給され、インバータ１２ａは、供給された直流電力を運転指令台からの指令速度に応じた周波数、電圧の３相交流電力に変換し、誘導電動機１３ａへ出力する。誘導電動機１３ａは、インバータ１２ａから供給された三相交流電力により駆動される。さらにニッケル水素電池１１ａからの直流電力はインバータ１８に供給され、インバータ１８は、供給された直流電力を定電圧、定周波数の３相交流電力に変換し、負荷１９へ出力する。

また、電気車両１の減速時には、誘導電動機１３ａが交流の回生電力を発生し、インバータ１２ａはコンバータ運転されて誘導電動機１３ａが発生する交流の回生電力を直流電力に変換してニッケル水素電池１１ａへ出力する。このときニッケル水素電池１１ａが充電される。

ニッケル水素電池１１ａは、インバータ１２ａ，１８の許容入力電圧範囲内の電圧に相当する電池電圧を有するように構成され、放電を行うとともに、回生ブレーキ時にインバータ１２ａからの回生電力で充電を行う。

充電ステーションにて、地上用蓄電装置５からＤＣ／ＤＣコンバータ６に入力される直流電力は所定電圧の直流電力に変換されて出力され、電気車両１のニッケル水素電池１１ａが充電される。例えば、充電初期においては定電流で充電を行うことにより、急速な充電を可能とし、充電末期においては定電圧で充電を行うことにより、電池の寿命を短くすることがなく、安全にかつ効率よく充電する。かかる制御機能はＤＣ／ＤＣコンバータ６に兼ね備えさせてもよいし、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とは別に制御装置（図示せず）を設けてもよい。この図６のように、蓄電装置１１として、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さいニッケル水素電池１１ａを搭載することにより、ＳＯＣの広い範囲において電力変換器であるインバータ１２ａ，１８の許容入力電圧範囲（例えば設定電圧の上下２０％以内の範囲）内の電圧とすることができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータを電気車両１に搭載する必要がなく、装置を小型化でき、コスト的にも有利である。

また、ニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた大容量のニッケル水素電池１１ａであっても小型化を図り、かつ、例えば、３００００Ａ，５秒間充電というように、大電流による極めて短時間での充電を行うことが可能であり、車載用蓄電装置１１として適している。

すなわち、地上用蓄電装置５として急速充放電可能なニッケル水素電池を用いるとともに、車載用蓄電装置１１としても急速充放電可能なニッケル水素電池を用いることにより、地上用蓄電装置５から車載用蓄電装置１１への大電流による極めて短時間での充電を行うことができる。また、充電端子５３ａ、５３ｂ及び給電端子２６ａ、２６ｂを長板状に形成することにより、充電端子５３ａ、５３ｂと給電端子２６ａ、２６ｂとの接触面積を大きくし、極めて短時間での充電を行うための大電流を流すことが可能になる。

図７は、図６の電気車両１を用いた場合の充電設備の設置場所の一例を示す概略図である。図７において、電力供給装置本体１６ａと給電部２１とを備えた電力供給装置１６は、図１と同様のものであり、電力供給装置本体１６ａが図１の交流遮断器２と変圧器３と整流器４と地上用蓄電装置５とＤＣ／ＤＣコンバータ６と直流遮断器２０とによって構成されている。ただし、図７の場合の電力供給装置１６は、給電部２１が１つであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と直流遮断器２０も１つである。電力供給装置１６として、図１のように、地上用蓄電装置５に複数のＤＣ／ＤＣコンバータ６を接続して複数の給電部２１を有する構成としてもよいし、図７の場合のように地上用蓄電装置５に１つのＤＣ／ＤＣコンバータ６を接続して１つの給電部２１を有する構成としてもよい。

電気車両１には、図６のように蓄電装置１１としてニッケル水素電池１１ａが搭載されている。充電ステーションは、充電設備がある車両基地Ａ及び駅Ｂ１、Ｂ２であり、駅Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、充電設備がなく、充電ステーションではない。電気車両１の蓄電装置１１としてニッケル水素電池１１ａを用いることにより、小型で大容量のニッケル水素電池１１ａを搭載して走行距離を長くすることができ、全ての駅に充電設備を設けなくてもよい。

なお、本実施の形態において、蓄電装置１１の正極側端子と正側充電端子５３ａとの間（図６の場合には、ニッケル水素電池１１ａの正極側外部端子と正側充電端子５３ａとの間）に、図示しない直流遮断器を設けてもよい。この直流遮断器は、蓄電装置１１（図６の場合には、ニッケル水素電池１１ａ）の電力供給装置１６からの充電が不要なときや電気車両１の保守点検を行なうときに開路させるものである。

また、本実施の形態では、電気車両１として、鉄道車両を例示しているが、路面電車、ＬＲＶ（超低床路面電車）、トロリーバス、その他の人を運ぶ手段、蓄電装置を備えた機関車または貨物電車であってもよく、好ましくは鉄道車両であるが、これに限定されない。

充電ステーションの地上用蓄電装置５及び車上の蓄電装置１１として用いるニッケル水素電池は、複数の単位電池が直列接続されてなる電池モジュールによって構成されており、単数の電池モジュールで構成されていてもよいし、複数の電池モジュールが直列接続された直列電池モジュールで構成されていてもよい。あるいは、上記単数の電池モジュールまたは上記直列電池モジュールが並列接続されて構成されていてもよい。並列接続すれば電池容量が大きくなるとともに、等価的な内部抵抗は低下する。

図８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。

ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化とすれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に小さくできる。

図８に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較してＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ_１とし電圧変動が範囲ｄＶ_１内におさまるように使用する場合、ＳＯＣのほぼ全ての範囲において使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池を中央値の電圧をＶ_２とし電圧変動が範囲ｄＶ_２内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池を中央値の電圧をＶ_３とし電圧変動が範囲ｄＶ_３内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、電気二重層キャパシタを中央値の電圧をＶ_４とし電圧変動が範囲ｄＶ_４内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、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、ｄＶ_１／Ｖ_１＝ｄＶ_２／Ｖ_２＝ｄＶ_３／Ｖ_３＝ｄＶ_４／Ｖ_４とする。

したがって、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど、例えばＳＯＣが４０〜６０パーセントのときの電池電圧が整流器４の出力電圧と等しいか略等しいニッケル水素電池を地上用蓄電装置５として用いれば、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、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電圧調整機能を用いることなく、電池電圧の変動を非常に小さく抑えながら充電することができ、電池容量を有効に利用することができる。

ニッケル水素電池は、図８の曲線ａの特性により示されるように、ＳＯＣのほぼ全ての範囲で電池電圧の変動範囲をＳＯＣの中央値の電圧Ｖ_１の±２０％以下の範囲内に収めることができる。

一般的な鉄道車両及び鉄道のき電線の許容電圧範囲は、定格電圧（例えば６００Ｖ，７５０Ｖまたは１５００Ｖ）の±２０％程度であるため、既存の変電所などの既存設備を利用して電力供給装置１６を構成しても、電池の容量を有効に利用することが可能である。

一方、ニッケル水素電池と比較して他の種類の二次電池や電気二重層キャパシタでは、ＳＯＣに対する電圧変化の傾斜が大きいので、ＳＯＣの中央値の電圧の±２０％程度の範囲では、有効な容量は比較的少なくなる。即ち、ニッケル水素電池以外の鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池を使用すれば、ニッケル水素電池と比較して結果的に多数の電池が必要になり、広大な設置面積が必要となり、更に設備費が高価となる。また、電気二重層キャパシタを使用しても、非常に大きな電気二重層キャパシタが必要になり、広大な設置面積が必要となり、更に設備費が高価となる。

以上、述べたように、ニッケル水素電池はＳＯＣの変動による電圧変動が小さく、また、一般的に体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた高容量のニッケル水素電池であっても、小型化を図ることができ、広大な設置面積を必要としない。したがって、電力供給装置１６の地上用蓄電装置５にニッケル水素電池を用いることにより、他の二次電池や電気二重層キャパシタを用いた場合に比べて、電力供給装置１６のさらなる小型化が図れ、広大な設置面積を必要とせず、設備費が安価になる。

また、ニッケル水素電池は、図８の曲線ａの特性で示されるように、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるため、整流器４の出力電圧と、地上用蓄電装置５に用いるニッケル水素電池のＳＯＣの例えば中央付近の電圧が等しいか略等しい場合は、ニッケル水素電池の充電のための充電制御用のＤＣ／ＤＣコンバータは不要である。キャパシタや他の二次電池の場合には、充電制御用のＤＣ／ＤＣコンバータが必要であることと比較すると、構成がシンプルであり、コスト的にも有利である。

また、ニッケル水素電池からなる地上用蓄電装置５から電気車両１の蓄電装置１１へ急速放電を行う場合においても、ニッケル水素電池は、図８の曲線ａの特性で示されるように、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により電流値と電圧を制御する範囲は狭く、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の役割が小さくて済むため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を小型化でき、コスト的にも有利である。この場合、電気車両１の蓄電装置１１は急速充電され、その充電初期においては定電流で充電を行い、充電末期においては定電圧で充電を行うように制御することが一般的であるが、蓄電装置１１として、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるニッケル水素電池１１ａを搭載することは、ＤＣ／ＤＣコンバータを電気車両１に搭載する必要がなく、有利である。

また、後述する構成例のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。

また、ニッケル水素電池は内部抵抗が小さいため、電池内部で発生する発熱量が少なく、熱損失が少ないだけでなく、電池自体の放熱装置を少なくすることが可能になる。

また、図６のように、車載用蓄電装置１１としてニッケル水素電池１１ａを用いた場合、ニッケル水素電池１１ａの充放電が繰り返されることによりその充電状態が変動しても電池電圧の変動を非常に小さく抑えることができるので、電池容量を有効に利用することができる。

二次電池をＤＣ／ＤＣコンバータのような充放電制御装置を介さずにインバータ１２ａ，１８に接続する場合は、電池全体がもっているエネルギー量の中で充放電可能である範囲は、インバータ１２ａ，１８の入力電圧の変動に対応するＳＯＣの範囲であり、その範囲でしか電池内にある電力が有効に活用されない。ニッケル水素電池は、インバータ１２ａ，１８の許容入力電圧範囲で、ＳＯＣの範囲の大半がカバーされるため、電池内の容量が有効に利用される。

一方、ニッケル水素電池と比較して他の種類の二次電池や電気二重層キャパシタでは、ＳＯＣに対する電圧変化の傾斜が大きいので、ＳＯＣの中央値の電圧の±２０％程度の範囲では、有効な容量は比較的少なくなる。即ち、車載用蓄電装置１１として、ニッケル水素電池以外の鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池を使用すれば、ニッケル水素電池と比較して結果的に多数の電池が必要になり、大きな設置スペースが必要となり、更に設備費が高価となる。また、電気二重層キャパシタを使用しても、非常に大きな電気二重層キャパシタが必要になり、大きな設置スペースが必要となり、更に設備費が高価となる。電気車両１に蓄電装置１１を搭載するスペースは限られているため、従来、他の種類の二次電池や電気二重層キャパシタを用いた場合には、充放電制御装置であるＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、充放電電圧をコントロールすることによって容量の多くを使用するようにしている。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータは高価であるため、やはり設備費が高価となる。

以上のように、ニッケル水素電池は、他の電池等に比較してＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さく、ＳＯＣの広い範囲において略一定電圧であるという特性を有するため、電池容量を有効に利用することができる。したがって、図６のように、車載用蓄電装置１１としてニッケル水素電池１１ａを用いることにより、他の二次電池や電気二重層キャパシタに比して小型化を図ることができ、設置スペースを小さくすることができるとともに、設備費を安価にできる。電気車両１に蓄電装置１１を搭載するスペースは限られているため、小型化できるニッケル水素電池１１ａを用いることはより有利である。

この車載するニッケル水素電池１１ａについても、後述する構成例のように単位電池が積層された電池モジュールを用いて構成することにより、より小型化を図り、搭載スペースを小さくすることができる。

次に、本実施の形態における地上用蓄電装置５及び車載用蓄電装置１１として用いるニッケル水素電池を構成する電池モジュールの構成例について述べる。

〔電池モジュールの一構成例〕
図９は、図１０に示す一構成例の電池モジュールにおいて、強制冷却を行うファンと風洞（空気流通空間）により冷却を行う構成を示した斜視図である。電池モジュール８１は下部に空気が流通する空気流通空間８２を備えており、吸気ファン８３ａと８３ｂによって吸い込まれた空気は空気流通空間８２から電池モジュール８１内の伝熱空間を経て上部の空気流通空間８４を経て外部に放出される。これにより電池モジュール８１を冷却し、電池の発熱を抑えることができる。図９における矢印は空気の流れる方向を示す。

図１０は、一構成例の電池モジュールの横断面図である。図１１は、図１０の電池モジュールに用いられている伝熱板の斜視図である。

この電池モジュール８１は、複数の単位電池を積層したものである。各単位電池は、対向して設けられた正極集電体９９と負極集電体１００の間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１０１が交互に両集電体に近接するように配置され、蛇腹状のセパレータ１０１と正極集電体９９とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに正極活物質を含有する正極シート１０３を配置し、蛇腹状のセパレータ１０１と負極集電体１００とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに負極活物質を含有する負極シート１０４を配置し、正極シート１０３と負極シート１０４がセパレータ１０１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池はセパレータ１０１を蛇腹状とすることにより、正極シート１０３、負極シート１０４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができ、大容量化が容易である。また、これにより電極面積が大きくなり、隣り合うセル間を非常に小さな抵抗で繋ぐことができるためセル間を繋ぐケーブルが不要となり、電池が全体としてコンパクトになる。

また、正極シート１０３は正極集電体９９に接し、負極シート１０４は負極集電体１００に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体９９ともう一方の単位電池の負極集電体１００に接するように図１１に示す伝熱板９６が挿入されている。この伝熱板９６の空気通流孔９７は正極シート１０３と負極シート１０４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体９９と負極集電体１００との間は、セパレータ１０１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１０１と正極集電体９９とで区画され正極シート１０３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１０１と負極集電体１００とで区画され負極シート１０４が配置される領域が負極セルとなる。

図１０に示すように、単位電池の電流を通すとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体９９と負極集電体１００が、それぞれ正極シート１０３及び負極シート１０４と直接接触し、その上、各集電体９９，１００が、電気的に正極集電体９９と負極集電体１００をつなぐ役割を果たす伝熱板９６と接触しているため、電池反応の結果発生した熱は、各正極シート１０３から正極集電体９９の方向へ効率的に伝達され、さらに正極集電体９９から伝熱板９６の空気通流孔９７を流通する空気に伝達されて外部に放出されるとともに、各負極シート１０４から負極集電体１００の方向へ効率的に伝達され、さらに負極集電体１００から伝熱板９６の空気通流孔９７を流通する空気に伝達されて外部に放出されるので、電池モジュール８１の温度を電池反応をスムーズに実行することができる適正な範囲に維持することができる。

１０５は統括正極集電体、１０６は統括負極集電体、１０７と１０８は絶縁板である。統括正極集電体１０５の中央部に接続用の正極端子（図示せず）が取り付けられ、統括負極集電体１０６の中央部に接続用の負極端子（図示せず）が取り付けられる。

正極シート１０３は、例えば、正極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものであり、負極シート１０４は、例えば、負極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものである。正極活物質および負極活物質としては、すべての公知の活物質材料を用いることができる。導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、ニッケル箔を単独または組み合わせて用いることができる。樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板などの電気伝導性のある金属板を用いることができる。

伝熱板９６は、アルミニウムを素材としてニッケルメッキを施したもので、空気の流通経路として上下方向に貫通した通流孔９７が多数設けられている。この伝熱板９６を正極集電体９９と負極集電体１００の間に挿入して、吸気ファン８３ａと８３ｂによって吸い込んだ空気を通流孔９７を流通させることができる。伝熱板９６は、正極集電体９９と負極集電体１００に接して正極集電体９９と負極集電体１００を電気的に接続するための部材であり、電気伝導性を有する。その点で、アルミニウムは電気抵抗が比較的低く、熱伝導率が比較的大きいので、伝熱板９６として好ましい特性を有しているが、酸化しやすいという欠点を有している。そこで、アルミニウム板にニッケルメッキを施したものは、ニッケルメッキを施すことにより接触抵抗を低下させることができるので、伝熱板９６としてさらに好ましい。

上記の電池モジュール８１では、互いに隣り合う単位電池の間に、伝熱媒体の流通経路となる通流孔９７を設けた伝熱板９６が設けられているため、電池モジュール８１を効果的に冷却し、電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュール８１を上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。また、単位電池を上記の構造とすることにより、正極シート１０３及び負極シート１０４が電極板となり、電極板面積の増大及び電極板間隔の狭小化を実現でき、電池のより小型化及び高容量化を図ることができるため、ニッケル水素電池をより小型化し、設置スペースを小さくすることができる。

なお、通流孔９７を設けた伝熱板９６に代えて、通流孔９７を設けていない多孔質の部材（例えば多孔質のアルミニウム板）からなる伝熱板（以下、「多孔質伝熱板」という）を用いてもよい。この多孔質伝熱板では、多孔質とすることで、伝熱面積を増やし、伝熱部材としての役割を果たし、電池反応により発生した熱を放散し、電池の劣化を抑えることができる。一方、この多孔質伝熱板を放熱部材として利用する以外に、蓄熱部材として利用することもできる。すなわち、電池反応により発生した熱が密閉構造の電池内にこもることは電池の劣化が促進されるので好ましいことではないが、電池反応をスムーズに実行するためには、電池構成部材は一定の温度範囲（約２５℃〜５０℃）にあることが好ましい。そこで、多孔質伝熱板から強制的に放熱するのではなく、場合によっては、電池構成部材を一定温度以上、例えば約２５℃以上とするために、放熱を抑えるように、一部の多孔質伝熱板の外面に断熱材を貼着することもできる。同様に、多孔質伝熱板をファンで強制冷却を行う構造の場合、電池構成部材が一定温度以下の場合には、ファンを稼働させないことにより放熱を抑えるようにすることができる。

電池が大型化すると、表面積も大きくなり、表面を冷却するだけでは電池内部の冷却が不充分なことが多い。本構成例のように、電池が複数の単位電池を積層した構造である場合、隣り合う２つの単位電池の間に挟まれ、一方の単位電池の正極集電体９９と他方の単位電池の負極集電体１００に挟まれた伝熱板９６を冷却すると電池内部も効果的に冷却することが可能である。

なお、積層される各単位電池の他の例としては、正極集電体である正極板と負極集電体である負極板との間に電解質溶液を装入するとともに、正極セルと負極セルの間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させないセパレータを介在させ、正極セル内に正極活物質を装入し、負極セル内に負極活物質を装入してなる構成のものを用いてもよい。この構成の場合、セパレータは平面状のものであり、この平面状のセパレータによって正極セルと負極セルとが仕切られている。正極セルと負極セルには、共通の電解質溶液として例えばＫＯＨ水溶液が用いられ、正極セルの電解質溶液には正極の粉体活物質として水酸化ニッケル粉が混入され、負極セルの電解質溶液には負極の粉体活物質として水素吸藏合金粉が混入されている。

本発明に係る蓄電型電車の給電システムは、非電化区間のみを走行する電気車両の蓄電装置に対し大電流による短時間急速充電を行うことができる蓄電型電車の給電システム等として有用である。

１ 電気車両
２ 交流遮断器
３ 変圧器
４ 整流器
５ 地上用蓄電装置
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 車載用蓄電装置
１１ａ ニッケル水素電池
１２ 電力変換器
１２ａ 可変電圧可変周波数制御インバータ
１３ 車両走行用電動機
１３ａ 誘導電動機
１４ 充電端子部
１５ 車輪
１６ 電力供給装置
２０ 直流遮断器
２１ 給電部
２２ レール
２５ ばね
２６ａ 正側給電端子
２６ｂ 負側給電端子
５１ 屋根
５２ａ、５２ｂ 歩み板
５３ａ 正側充電端子
５３ｂ 負側充電端子
５４ 碍子
５５ 絶縁性保護柵
８１ 電池モジュール
８２ 空気流通空間
８３ａ 吸気ファン
８３ｂ 吸気ファン
８４ 空気流通空間
９６ 伝熱板
９７ 空気通流孔
９９ 正極集電体
１００ 負極集電体
１０１ イオン透過性セパレータ
１０２ 電解質溶液
１０３ 正極シート
１０４ 負極シート
１０５ 統括正極集電体
１０６ 統括負極集電体
１０７ 絶縁板
１０８ 絶縁板

Claims (10)

1. 車載用蓄電装置と、回生機能を有する電力変換器と、前記車載用蓄電装置を電源として前記電力変換器を介して電力が供給される車両走行用電動機とを有する電気車両と、
   地上に設置され、前記電気車両の前記車載用蓄電装置へ直流電力を供給するための電力供給装置とを備えた蓄電型電車の給電システムであって、
   前記電気車両は、
   前記車載用蓄電装置の正極及び負極に接続された一対の充電端子を有し、
   前記電力供給装置は、
   入力される交流を直流に整流する整流器と、前記整流器と並列に接続される地上用蓄電装置と、一対の入力端子が前記地上用蓄電装置の正極及び負極に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一対の出力端子に接続され前記直流電力を出力するための一対の給電端子と、前記一対の給電端子が、前記電気車両の前記一対の充電端子と離間した状態から接触した状態となるように、前記一対の給電端子を移動させるとともに、前記接触した状態から前記離間した状態となるように、前記一対の給電端子を移動させる給電端子可動手段とを有し、前記一対の給電端子が前記電気車両の前記一対の充電端子と接触した状態において前記地上用蓄電装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記車載用蓄電装置の充電を行うように構成された、蓄電型電車の給電システム。
2. 前記一対の充電端子は前記電気車両の車幅方向に並んで配置され車長方向に延びた一対の長板状の第１の導電板からなり、前記一対の給電端子は前記一対の充電端子と接触した状態のときに前記電気車両の車幅方向に並んで前記一対の充電端子と重なり合う一対の長板状の第２の導電板からなる、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
3. 前記一対の給電端子と前記一対の充電端子とが接触した状態は、前記第１の導電板と前記第２の導電板とが面接触した状態である、請求項２に記載の蓄電型電車の給電システム。
4. 前記給電端子可動手段は、弾性体により支持された前記給電端子を保持し、かつこの保持した状態で前記給電端子を移動させるように構成された、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
5. 前記給電端子可動手段の前記弾性体がばねである、請求項４に記載の蓄電型電車の給電システム。
6. 前記一対の充電端子は、前記電気車両の屋根に設置されている、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
7. 前記一対の充電端子は、前記電気車両の屋根に前記給電端子との接触面となる一主面が上方を向くように設置され、前記電気車両の車幅方向に並んで配置され車長方向に延びた一対の長板状の第１の導電板からなり、
   前記一対の給電端子は、前記一対の充電端子と接触した状態のときに前記電気車両の車幅方向に並んで前記一対の長板状の第１の導電板と重なり合って面接触する一対の長板状の第２の導電板からなり、
   前記給電端子可動手段は、前記給電端子の前記充電端子との接触面となる一主面が下方を向いた状態で前記一対の給電端子を上昇及び下降させることができ、下降させたときに前記一対の給電端子が前記一対の充電端子と接触した状態となり、上昇させたときに前記一対の給電端子が前記一対の充電端子と離間した状態となるように、前記一対の給電端子を上昇及び下降させるように構成された、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
8. 前記電力供給装置の前記地上用蓄電装置はニッケル水素電池からなる、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
9. 前記電気車両の前記車載用蓄電装置はニッケル水素電池からなる、請求項１に記載の蓄電型電車の給電システム。
10. 前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
    前記電池モジュールは、それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体の間に配したセパレータと、前記正極集電体に接する正極セルと前記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項８または請求項９に記載の蓄電型電車の給電システム。

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