JP2023010129A - 移動体用の蓄電装置及びその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で信頼性の高い移動体用の蓄電装置及びその冷却方法を提供する。【解決手段】移動体用の蓄電池装置１は、複数の蓄電池のモジュール１２を内部に収容し開口部１１ａを備えた筐体１１と、前記筐体１１の開口部１１ａを覆う防塵用のフィルタ２０と、を備え、前記フィルタ２０を介して、前記筐体１１内の空気と、前記筐体外の空気との間で熱交換を行う。移動体がいずれの方向に進行する際にも、走行風が開口部１１ａに進入可能であり、これによりフィルタ２０を介して筐体１１内外の空気の熱交換が促進される。【選択図】図４

Description

本発明は、移動体用の蓄電装置及びその冷却方法に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題を背景に様々な産業分野において省エネルギー化を推進する動きが活発化している。この省エネルギー化は、輸送システム分野においても推進されており、自動車や航空機などの他の輸送システムと比較してエネルギー効率の高い鉄道においても、更なる消費電力量の削減が求められている。このような状況のもと、エンジンと蓄電池を組み合わせたハイブリッド気動車、および架線区間で蓄電池を充電し非架線区間で蓄電池のみを動力とし走行する蓄電池電車など、蓄電池を搭載した車両の研究開発も広く行われ、実用化されている。

これら車両に搭載する蓄電池は充放電に伴い発熱し高温になることで、正負極の劣化及びリチウム損失が生じ、電力容量の低下や抵抗値の上昇といった劣化が促進される。このような劣化を抑制するために、蓄電池を効率よく冷却する必要がある。

鉄道向けの蓄電装置および蓄電池収納箱は、一般的に床下または屋根上に搭載されるため、外気取込方式で冷却する場合、排気などに含まれる塵埃により蓄電池電子基板が故障するリスクがある。この対策として蓄電装置を密閉化することが考えられるが、外気取り込み方式に比べて冷却効率が小さいことが課題である。

特許文献１では、密閉構造の蓄電池収納箱内に冷却ファンを配置し、蓄電池セルからの放熱パワーの最大化を図ることができるファンの制御方法が記載されている。

特開２０２０－３５６８９号公報

本願発明者は、鉄道車両に搭載される蓄電装置を冷却する際の課題について鋭意検討した結果、次の知見を得た。

例えば、特許文献１では、ハイブリッド気動車の蓄電池収納箱を密閉構造にし、冷却ファンを設置し、蓄電池セルの発熱量に応じてファンの制御方法を変更することを提案している。しかし、ハイブリッド気動車でも蓄電池負荷が大きい場合や、蓄電池電車などのように走行時の充放電電流が大きい場合、蓄電池の発熱量が大きく、より高温になるため、箱内の空気を循環するだけでは冷却が不足する可能性がある。

また、冷却効率を向上する手段として、液冷方式を採用することも考えられるが、ラジエータやポンプなどの熱交換用機器が必要となり、冷却装置を含めた蓄電装置全体のサイズが大きくなることや、液冷に用いる冷媒の交換などメンテナンスの頻度が高いことが課題である。

本発明は、小型で信頼性の高い移動体用の蓄電装置及びその冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかる移動体用の蓄電装置の一つは、
複数の蓄電池のモジュールを内部に収容し開口部を備えた筐体と、
前記筐体の開口部を覆う防塵用のフィルタと、を備え、
前記フィルタを介して、前記筐体内の空気と、前記筐体外の空気との間で熱交換を行うことにより達成される。

また、代表的な本発明にかかる鉄道車両用の蓄電装置の冷却方法の一つは、
複数の蓄電池のモジュールを内部に収容し開口部を備えた筐体と、前記筐体の開口部を遮蔽する防塵用のフィルタと、を備えた移動体用の蓄電装置の冷却方法において、
前記開口部は、前記移動体の進行方向に対して交差する方向に対向する前記筐体の面に配置され、前記移動体が移動する際に生じる走行風により、前記フィルタを介して、前記筐体内の空気と、前記筐体外の空気との間で熱交換を促進することにより達成される。

本発明によれば、小型で信頼性の高い移動体用の蓄電装置及びその冷却方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施形態１における、鉄道車両に搭載された蓄電装置をレール方向から見た図である。 図２は、実施形態１における、蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。 図３は、実施形態１における、ユニット空間の内部構造の一例を示す斜視図である。 図４は、実施形態１における、ユニット空間をレール方向からみた図である。 図５は、実施形態２における、ユニット空間をレール方向からみた図である。 図６は、実施形態３における、ユニット空間をレール方向からみた図である。 図７は、実施形態４における、蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。 図８は、実施形態４における、ユニット空間をレール方向からみた図である。 図９は、実施形態５における、蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。 図１０は、実施形態６における、蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。 図１１は、実施形態６における、ユニット空間をレール方向からみた図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において各方向を定義する。台車の長手方向（レール方向）を４１、台車の幅方向（枕木方向）を４０、方向４０および４１に垂直な台車の高さ方向を４２とする。以下の記載では、単に、方向４０、方向４１、方向４２と記載する場合がある。

［実施形態１］
図１は、本実施形態における、移動体としての鉄道車両に搭載された蓄電装置を示す。蓄電装置１は、鉄道車両２の床下や屋根上などに設置され、車両走行時は走行風３を受ける。蓄電装置１内部は蓄電池搭載空間と、バッテリコントローラや自動電圧調整器などの機器が搭載される空間に分かれており、蓄電池搭載空間の枕木方向４０における筐体面１４（実線で図示）に防塵性の高いフィルタ２０を備える。

蓄電池搭載空間について説明する。図２は本実施形態における、蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。蓄電池搭載空間は筐体１１により覆われており、複数の蓄電池のモジュール１２が複数段複数列積層された状態で配置されている。また、蓄電池搭載空間内はモジュール１２の配置に合わせて複数に分割されている。この分割された空間を以降、ユニット空間１３と呼称する。筐体１１は、蓄電池搭載空間の枕木方向４０の筐体面１４に開口部１１ａ（図４）を有し、さらに開口部１１ａを覆うようにして防塵用のフィルタ２０を備える。枕木方向４０の筐体面１４は、脱着可能または開閉可能なカバー構造としてもよい。車両の進行方向（レール方向４１）に直交する方向に対向する、筐体１１の面に開口部１１ａを設けることで、車両がいずれの方向に進行する際にも、走行風が開口部１１ａに進入可能であり、これによりフィルタ２０を介して筐体１１内外の空気の熱交換が促進される。開口部１１ａを除き、筐体１１は密閉されている。

筐体１１に、万が一蓄電池セル１８が発火した際に開放して、火炎の方向を安全側に向ける発火用弁を設けてもよい。また、フィルタ２０に発火用弁の機能を持たせてもよい。

図３はユニット空間１３の内部構造の一例を示す斜視図、図４はユニット空間１３をレール方向４１からみた図を示す。ユニット空間１３にはモジュール１２のほか、例えば、モジュール１２を支持するためのフレームなどの支持構造１５、制御基板などの電子機器１６、循環ファン１７を備えて構成される。循環ファン１７は蓄電池セル１８表面および蓄電池セル１８間の空間に空気を供給し、ユニット空間１３内の空気を循環できるように配置される。また、ユニット空間１３に、モジュール１２を枕木方向４０にスライドするためのレール等（図示せず）を配置してもよい。

蓄電池のモジュール１２は、複数の蓄電池セル１８から構成されている。蓄電池セル１８は例えば円筒形、角形、ラミネート形をしており、蓄電池セル１８間には空気を通すための空間が設けられている。

支持構造１５は例えば、アルミ、鉄、樹脂などで構成される。支持構造１５には、モジュール１２または蓄電池セル１８へ空気を供給するための開口部を設けても良い。

循環ファン１７は、例えば軸流ファン、シロッコファン、遠心ブロアであり、蓄電池セル１８の表面に空気を供給し、蓄電装置１内に循環流を発生させるように、少なくとも一つ配置される。例えば、図３に示すようにシロッコファンをモジュール１２上下に配置し、蓄電池セル１８間の空間から空気を吸い込み、枕木方向４０の奥行きまたは手前方向へ吐き出すような配置にしても良い。循環ファン１７は蓄電装置１の筐体１１の内壁に取り付けても良く、モジュール１２に直接ボルトや治具などを用いて機械的に取りつけても良い。また、蓄電池セル１８間に空気を供給するためのファンと、装置内に循環流を発生させるファンを別々に設けても良い。また、循環ファン１７に加えて、装置内外の熱交換を促進する目的で、フィルタ２０付近に、フィルタ２０に対して垂直方向の風速を発生させるようにファンを取り付けてもよい。

フィルタ２０は、例えば、金属や樹脂製のミクロン単位の微細孔を備える繊維や膜で構成される。微細孔により塵・水分の侵入を防ぐ一方で、自然対流レベルで気体（空気）を通過させることができる。フィルタ２０の通気性は例えば３０（ｃｍ^３/s）/ｃｍ^２以下であると、開口部１１ａの外内で熱交換を有効に行える。耐火性の観点から、フィルタ２０は、フィルタ材料として金属などの耐火性に優れた材料を採用することが望ましく、また、雨や湿気などにさらされることから耐水性に優れた材料が望ましい。フィルタ２０は、例えば、蓄電装置の筐体１１にフィルタ２０よりも小さなサイズの開口部１１ａを設け、フィルタ２０端部をテープや接着剤、ゴムパッキンなどにより、筐体１１の内壁または外壁へ接着することで固定される。または、矩形開口を設けた金属板によりフィルタ２０の周囲を覆うようにして、該金属板の矩形開口を筐体１１の開口部１１ａに合わせ、さらにフィルタ２０を挟持するように該金属板と筐体１１とを固定して、フィルタ２０の外周近傍を圧潰するようにしてもよい。これにより、フィルタ２０を強固に筐体１１に固定することができる。ただし、フィルタ２０の周囲と筐体１１を隙間なく塞ぐことができれば、固定方法はこれに限らない。

蓄電池セル１８は例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池など電力を蓄えることができる蓄電素子であり、鉄道車両２の回生エネルギーを電気エネルギーとして充電し、力行の際に動力として再利用することで省エネルギー化に寄与する。

実施形態１の効果について説明する。蓄電装置１の筐体１１にフィルタ２０を備えることで、開口部１１ａを介して外気（走行風３）と筐体１１内空気との熱交換が可能になり、それによりフィルタ２０の内側の空気が冷却され、その冷却された空気が循環ファン１７により箱内全体を循環することにより、蓄電池セル１８の温度を低減することができる。また、フィルタ２０は防塵性が高いため、外気からの塵埃の侵入を防ぎ、ユニット空間１３内の制御基板などの電子機器１６が腐食などにより故障することを防ぐため、信頼性を保ったまま冷却効率を向上することができる。

さらに、フィルタ２０を枕木方向４０の筐体面１４に備えるため、メンテナンスの際にフィルタ２０の点検や交換のため、作業者がアクセスしやすい。また、走行風３が当たる面にフィルタ２０を取り付けるため、天井面に取り付ける場合に比べて冷却効率が高い。

[実施形態２]
図５は、実施形態２における鉄道車両用の蓄電装置１のユニット空間１３をレール方向４１からみた図の一例である。実施形態１との相違点として、本実施形態では、フィルタ２０を筐体１１天井面に備える。このような構成においても実施形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、蓄電装置１を床下に配置する場合、天井面上側に鉄道車両２があり塵埃が侵入しにくいため、フィルタ２０の清掃や交換の頻度を減らすことができる。一方、蓄電装置１を屋根上に配置する場合、万が一電池が発火し、フィルタ２０が破損したときには、鉛直方向上方に火炎を誘導できるため、車体側へ火炎が広がることを防ぐことができる。

［実施形態３］
図６は、実施形態３における、鉄道車両用の蓄電装置１のユニット空間１３をレール方向４１からみた図の一例である。実施形態１との相違点として、本実施形態では、フィルタ２０を筐体１１の底面に備える。このような構成においても実施形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、蓄電装置１を床下に配置すれば、万が一電池が発火し、フィルタ２０が破損した場合にも、床下方向すなわち線路側へ火炎を誘導できるため、車体側へ火炎が回ることを防ぐことができる。また、フィルタ２０周囲に火炎を線路側へガイドするためのダクトをさらに設けてもよい。

［実施形態４］
図７は、実施形態４における蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図であり、図８は鉄道車両用の蓄電装置１のユニット空間１３をレール方向４１からみた図の一例である。実施形態１との相違点として、本実施形態では、線路側へと空気をガイドする（耐火）ダクト(カバー)２１を、フィルタ２０周囲の筐体１１外側に備えることを特徴とする。ダクト２１は、フィルタ２０を設ける開口部１１ａをレール方向４１に挟んだ一対の側壁２１ａと、フィルタ２０を設ける開口部１１ａに対して高さ方向４２の上方で一対の側壁２１ａの上端を連結する矩形の上壁２１ｂと、一対の側壁２１ａと上壁２１ｂを連結する矩形の前壁２１ｃとからなるボックス構造である。

ダクト２１は例えば金属や樹脂により構成され、開口部１１ａからの空気の流れを線路側へ誘導し、また線路側の空気の流れを開口部１１ａに誘導するように配置される。ボルトや金属接合、圧潰などにより、筐体１１の外側にて、開口部１１ａの周囲全体を覆うように固定される。

ダクト２１の下端には、上壁２１ｂに対向する下壁を有しておらず、ダクト２１の下端開放部から走行風がダクト２１内へと進入する通気口を備える。かかる構成によれば、線路の砕石等が飛来した場合でも、ダクト２１によりフィルタ２０を保護することができ、また空から落下する雨雪などがフィルタ２０に付着することが抑制される。一対の側壁２１ａが台形形状を有すると、ダクト２１の下端開放部が枕木方向から視認されるようになり、走行風が進入しやすくなるので好ましい。

本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、蓄電装置１を床下に配置すれば、万が一電池が発火しフィルタ２０が破損した場合にも、ダクト２１により床下方向すなわち線路側へ火炎を誘導することで、車体側へ火炎が回ることを防ぐ。

図７では枕木方向４０の筐体面１４（実線で図示）にフィルタ２０を配置しているが、フィルタの位置は図示した位置に限らず、例えば蓄電装置１の天井面でもよい。また、個々のフィルタ２０にダクト２１をそれぞれ取り付けてもよいし、複数のフィルタ２０を一つのダクト２１で覆ってもよい。また、ダクト２１の代わりにルーバー構造を取り付けてもよい。

[実施形態５]
図９は、実施形態５における蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図である。実施形態４との相違点として、本実施形態では、ダクト２１のレール方向４１の辺長さ（一対の側壁２１ａの高さ方向の長さ）が異なる。このような構成においても、実施形態４と同様の効果を得ることができる。さらに、ダクト２１の短辺側から長辺側へ走行風３が発生するとき、走行風をフィルタ２０付近に取り込みやすいため、冷却能力が向上する。鉄道は往復運転することが多いが、山岳鉄道などのように往路と復路とで走行負荷が異なる場合や、日射の影響を受けやすい場合など、走行方向により必要な冷却能力に差が生じる場合に、実施形態５を適用できる。

[実施形態６]
図１０は、実施形態６における蓄電池搭載空間の構造の一例を示す斜視図であり、図１１は、鉄道車両用の蓄電装置１のユニット空間１３をレール方向４１からみた図の一例であり、図１１（ａ）はルーバー開口部が大きい場合（ルーバーが開いた場合）、図１１（ｂ）はルーバー開口部が小さい場合（ルーバーが閉じた場合）を示す。実施形態１との相違点として、本実施形態では、フィルタ２０を設けた開口部１１ａを覆うようにして、傾動可能な複数のルーバーを並べた可動式ルーバー構造２２を備えることを特徴とする。可動式ルーバー構造２２によりルーバーを傾動させることにより、開口部１１ａの開口面積を変更できる。例えば温度センサにより外気温が低い冬場など、外気と箱内空気の熱交換効率を下げることが好ましい場合に、開口部サイズを小さくする、または完全にふさぐことで、冷却効率を抑えることができる。蓄電池セル１８は、低温下では性能が低下することが知られており、ルーバーを閉じることで、蓄電池セル１８の性能低下を抑制できる。可動式ルーバー構造２２が可変シャッター構造を構成する。

可動式ルーバー構造２２は例えば、ルーバー構造フレーム板内２３に、複数のルーバーを傾動させる可動構造を設けており、配線などにより、アクチュエータ２４および温度センサ２５と接続される。アクチュエータ２４は、フィルタ２０近くの例えば装置内筐体壁面などに配置される。アクチュエータ２４等への電力供給源は、蓄電池セル１８を使用できる。

具体的には、蓄電池セル１８の温度が閾値を超えたことを温度センサ２５が検出して、アクチュエータ２４に信号を送出すると、アクチュエータ２４は可動式ルーバー構造２２を駆動して、ルーバーを開く（図１１（ａ））。一方、蓄電池セル１８の温度が閾値以下となったことを温度センサ２５が検出して、アクチュエータ２４に信号を送出すると、アクチュエータ２４は可動式ルーバー構造２２を駆動して、ルーバーを閉じる（図１１（ｂ））。

温度センサ２５は、例えばモジュール１２の周囲や筐体壁面、蓄電池セル１８表面などに、装置内の温度分布に応じた適切な点数配置される。ここで、モジュール１２の温度管理用に設けられているサーミスタを、温度センサ２５として活用してもよい。

可動式ルーバー構造２２の代わりに、耐火ダクト２１の下端開放部に可動式の扉を設けてもよい。また、非可動式のルーバー構造、耐火ダクト２１の周囲に可動式のシャッター構造を設けてもよい。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ユニット空間１３ごとの必要放熱量に応じてフィルタ２０の配置箇所や枚数を変更しても良い。熱的条件が特に厳しい中央のユニット空間１３（両側にユニット空間１３が存在するため、外気と接する筐体面が少ない）に対応する筐体１１の面にフィルタ２０を配置し、他のユニット空間１３に対応する筐体１１の面には配置しなくても良い。または中央のユニット空間１３に対応する筐体１１の複数面（例えば、筐体１１側面、上面、底面）にフィルタ２０を配置し、他のユニット空間１３に対応する筐体１１のいずれかの面に一つずつ配置しても良い。

上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。例えば、本発明は鉄道車両のみならず、自動車、航空機、船舶などの移動体用の蓄電装置に適用可能である。

１：蓄電装置
２：鉄道車両
３：走行風
１１：筐体
１１ａ：開口部
１２：蓄電池のモジュール
１３：ユニット空間
１４：蓄電池搭載空間の枕木方向筐体面
１５：モジュール支持構造
１６：制御基板などの電子機器
１７：循環ファン
１８：蓄電池セル
２０：フィルタ
２１：（耐火）ダクト
２２：可動式ルーバー構造
２３：ルーバー構造フレーム板
２４：アクチュエータ
２５：温度センサ
４０：枕木方向
４１：レール方向
４２：高さ方向

Claims (13)

1. 複数の蓄電池のモジュールを内部に収容し開口部を備えた筐体と、
   前記筐体の開口部を覆う防塵用のフィルタと、を備え、
   前記フィルタを介して、前記筐体内の空気と、前記筐体外の空気との間で熱交換を行うことを特徴とする移動体用の蓄電装置。
2. 請求項１に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記移動体の進行方向に対して交差する方向に対向する、前記筐体の側面に形成された前記開口部に前記フィルタを設けることを特徴とする移動体用の蓄電装置。
3. 請求項１または２に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記筐体の下面に形成された前記開口部に前記フィルタを設けることを特徴とする移動体用の蓄電装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記筐体の天井面に形成された前記開口部に前記フィルタを設けることを特徴とする移動体用の蓄電装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記フィルタは、液体の通過を防止するが、気体の通過を許容する微細孔を有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
6. 請求項１～５のいずれか一項に移動体用の蓄電装置において、
   前記フィルタは、３０（ｃｍ^３/s）/ｃｍ^２以下の通気性を有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記フィルタが配置された前記開口部を覆うカバーを有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
8. 請求項７に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記カバーは、前記移動体の進行方向に沿って前記開口部を挟むように配置された一対の側壁と、前記側壁の上端を連結する上壁と、前記側壁と前記上壁とに連結された前壁とを有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
9. 請求項８に記載の移動体用の蓄電装置において、
   前記一対の側壁のうち一方の側壁は、他方の側壁よりも長いことを特徴とする移動体用の蓄電装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の移動体用の蓄電装置において、
    前記フィルタが配置された前記開口部に、前記開口部の開口面積を変更可能な可変シャッター構造を備えたことを特徴とする移動体用の蓄電装置。
11. 請求項１０に記載の移動体用の蓄電装置において、
    前記可変シャッター構造は、前記開口部を遮蔽可能な複数のルーバーと、前記筐体内の温度を検知するセンサからの信号に基づいて、前記ルーバーを駆動するアクチュエータとを有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の移動体用の蓄電装置において、
    前記筐体内の空気を循環させるファンを有することを特徴とする移動体用の蓄電装置。
13. 複数の蓄電池のモジュールを内部に収容し開口部を備えた筐体と、前記筐体の開口部を遮蔽する防塵用のフィルタと、を備えた移動体用の蓄電装置の冷却方法において、
    前記開口部は、前記移動体の進行方向に対して交差する方向に対向する前記筐体の面に配置され、前記移動体が移動する際に生じる走行風により、前記フィルタを介して、前記筐体内の空気と、前記筐体外の空気との間で熱交換を促進することを特徴とする移動体用の蓄電装置の冷却方法。

Images