JP7003269B2

JP7003269B2 - 蓄電池ユニットおよび蓄電池ユニットの火災検知方法

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Publication number: JP7003269B2
Application number: JP2020534047A
Authority: JP
Inventors: 登栗原; 智晃高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: WO2020026499A1; JPWO2020026499A1

Description

本発明は、蓄電池ユニットおよび蓄電池ユニットの火災検知方法に関し、特に、鉄道車両に搭載する蓄電池ユニットに好適である。

鉄道車両は、自動車など他の交通機関に比べてエネルギー消費の少ない交通機関である。一方、地球温暖化など環境問題への関心が高まっており、鉄道車両においても更なる省エネルギー化が求められている。

鉄道車両の分野におけるこうした省エネルギー化の一環として、バッテリー技術を応用した省エネルギー化の取り組みが行われている。

例えば、気動車に蓄電池ユニットと主変換装置を搭載して、ブレーキ運転時にモータを発電機として使用することにより、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生ブレーキを行い、回生ブレーキで得られた電力を蓄電池ユニットに充電して力行運転時に使用するハイブリッド気動車が提案されている。

また、鉄道車両を駆動する主変換装置に電力を充放電できる蓄電池ユニットを搭載して、回生ブレーキ中に架空電車線に戻せない電力を蓄電池ユニットで吸収し、その電力を力行運転時に使用する回生吸収装置などが検討・実用化されている。

鉄道車両用の蓄電池ユニットの一例として、リチウムイオン電池を代表例とする蓄電池セル（以下、「セル」という）を搭載した複数のバッテリーモジュール（以下、「モジュール」という）と、モジュールの状態を監視しかつ充放電を制御する制御部とを有したユニットがある。各蓄電池セルには、サーミスタを代表例とする温度検出素子を取付け、温度状態を常に監視している。

バッテリー（蓄電池）を搭載した鉄道車両では、強い衝撃を受けた場合などにセルが発火し火災が起こる危険性がある。特許文献１には、車両火災を検知した後の動作として、火災を検知する火災センサや電池ユニット内部の発煙を検知するガス検知センサを用いて、これらセンサが火災又は電池ユニット内の発煙を検知した場合には、緊急運転指令の有無などを考慮して、電池ユニットについては電池箱筐体の給排気口の開閉、又は充放電動作の要否を判断し、主変換装置については停止・動作を判断する技術が、示されている。

特開２０１２－１２９１３６号公報

バッテリー（蓄電池）を搭載した鉄道車両では、強い衝撃を受けた場合などにセルが発火し火災が起こる危険性がある。鉄道運行における安全上の観点から、火災が発生した場合には、速やかに乗務員に認知させ、車両を停止させる等の対応が必要になる。そのためには、火災を迅速かつ正確に検知する方式が必要となる。

一方で、バッテリー（蓄電池）を搭載した鉄道車両は、搭載している機器やシステムが通常の車両に比べて非常に多い。よって、新たに機器を追加することなく、既に使用されている機器の中から火災を検知する方式を確立するのが望ましい。

上記課題を解決するために、本発明に係る蓄電池ユニットは、複数の蓄電池セルから成る蓄電池ユニットの状態を監視し充放電を制御する制御部を備え、制御部は、複数の蓄電池セル各々の温度状態を監視し、当該各蓄電池セル間の温度差を判定する機能を有し、第１の閾値以上の検出温度となった蓄電池セルに関して、当該セルに直列に接続されている断流器を開放し、当該セルの検出温度と当該セル以外の蓄電池セルの検出温度とを比較し、両方の温度差が第２の閾値以上であるか、または、当該セルの検出温度の上昇スピードが第３の閾値以上であるか、または、当該セルの検出温度の最高値が第４の閾値以上であるかの少なくともいずれか１つを満足すれば、蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定することを特徴とする。

本発明によれば、セルに取付けている温度検出器からの温度検出値を用いて、蓄電池ユニットの火災を速やかかつ正確に検知することを可能にする。また、セルの温度監視をするためにセルに取付けている温度検出器を、火災検知にも併用しているため、新たな機器を追加することなく火災検知をすることができる。

本発明に係る蓄電池ユニットを搭載した鉄道車両の主回路構成を示す図である。直流電力供給源の一例を示す図である。蓄電池ユニットの内部構成を示す図である。実施例１において、サーミスタの温度検出値から蓄電池ユニットの火災検知までのフローチャートを示す図である。実施例２において、サーミスタの温度検出値から蓄電池ユニットの火災検知までのフローチャートを示す図である。実施例１および２に係る火災検知から列車運転の判断を行うまでのフローチャートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態として、実施例１および２について、図を用いて詳細に説明する。

実施例１については、図１～４および６を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る蓄電池ユニットを搭載した鉄道車両の主回路構成を示す図である。
車両を力行させるときは、蓄電池ユニット（１０４）に充電された電力をインバータ（１０２）で三相交流に変換して、主電動機（１０３）を力行動作させる。蓄電池ユニット（１０４）に蓄えられた電力が不足する場合は、直流電力供給源（１０１）からインバータ（１０２）へ電力を追加供給すると共に蓄電池ユニット（１０４）を充電する。車両にブレーキをかけるときは、主電動機（１０３）を発電動作させ、インバータ（１０２）で変換した後に蓄電池ユニット（１０４）に充電する。

また、インバータ（１０２）と直流電力供給源（１０１）との間に、補助電源装置（１０５）を蓄電池ユニット（１０４）とは別に付属し、車内照明や空調用の電力を生成している。

蓄電池ユニット（１０４）は、蓄電池ユニット制御部（１０６）を備え、インバータ（１０２）と運転台モニタ装置（１０７）とも相互に情報のやり取りができる。また、蓄電池としては、リチウムイオン電池が代表例として挙げられるが、これに限定されるものではない。

図２は、直流電力供給源（１０１）の一例を示す図である。
エンジン（２０１）を動作させて直結した発電機（２０２）で交流電力を発生させ、この交流電力をコンバータ（２０３）で直流電力に変換して供給する。

図３は、図１に示す蓄電池ユニット（１０４）の内部構造を示す図である。
鉄道車両は、自動車に比べて直流の電圧値および電流値が共に大きいため、複数のセル（３１１～３１８）を並列および直列に接続して、高電圧、大電流に対応する構成としている。実施例１では、蓄電池ユニット（１０４）は、まず２つの並列回路に分岐し、それぞれの並列回路は、４つのセル（３１１～３１４および３１５～３１８）を直列に接続した直列回路から構成される。

また、それぞれの並列回路には、断流器１および２（３３１および３３２）が直列に接続されている。実施例１では、断流器１および２（３３１および３３２）は蓄電池ユニット（１０４）内に収められている。ただし、断流器としては、主変換装置から各セルまでの間の回路上に接続されていればよく、機器が収められている物理的な場所は問わない。

さらに、各セル（３１１～３１８）には、温度検出素子としてサーミスタ（３２１～３２８）が１つずつ取付けられている。したがって、温度検出機能を有する素子であれば、サーミスタに限定されないが、実施例としては、サーミスタを採用した場合をする。このサーミスタ（３２１～３２８）は、セル表面の温度を常に検出し、温度検出信号を図１に示す蓄電池ユニット制御部（１０６）に送信している。また、サーミスタ（３２１～３２８）の先端から蓄電池ユニット制御部（１０６）までの配線は、高温および炎への耐久を高めるために、アルミシート等でカバーされていることが望ましい。

図４は、実施例１において、各セルに取付けているサーミスタの温度検出値から、蓄電池ユニットの火災を検知するまでのフローチャートを示す図である。各セルにおける火災検知のフローチャートは共通しているので、図４では、セル１～３（３１１～３１３）に対する火災検知について示している。

以下では、セル１（３１１）における火災検知を例に採って、フローチャートに従って順に説明する。また、処理の主体は、蓄電池ユニット制御部（１０６）で共通するので、以下では主体の表記を省略する。

ステップ１１（Ｓ１１）で、サーミスタ１（３２１）の温度検出値が、第１の判定閾値ｔ１℃以上かどうかを判別する。ＮＯの場合、すなわち、サーミスタ１（３２１）の温度検出値が、第１の判定閾値ｔ１℃未満であれば、セル１（３１１）は正常と判断され、処理を終了する。ただし、このステップ１１（Ｓ１１）の処理は無限ループであるため、制御周期毎に、再びサーミスタ１（３２１）の温度検出値を更新し、処理を開始する。

ＹＥＳの場合、すなわち、サーミスタ１（３２１）の温度検出値が、第１の判定閾値ｔ１℃以上であれば、ステップ１２（Ｓ１２）で、セル１（３１１）を含む直列回路の断流器（図３では断流器１（３３１））を開放し、セル１（３１１）を含む直列回路を蓄電池ユニット（１０４）本体から切り離して電流を遮断する。

その後、ステップ１３（Ｓ１３）で、以下のi）～iii）の３つの条件の少なくともいずれか１つを満足するか否か判別する。
i）セル１（３１１）の検出温度と、当該セル１（３１１）とは物理的に最も離れた位置にあるセル８（３１８）の検出温度との温度差が、第２の判定閾値ｔ２℃以上であるか否か（要するに、ここで選択するセルは、検知対象セルに対して物理的に最も離れた位置に設置されているセルとなる。）
ii）サーミスタ１（３２１）の温度検出値（すなわち、セル１（３１１）の検出温度）の単位時間当たりの温度上昇のスピードが、第３の判定閾値ｔ３℃／ｓ以上であるか否か
iii）サーミスタ１（３２１）の温度検出値（すなわち、セル１（３１１）の検出温度）の最高値が、第４の判定閾値ｔ４℃以上であるか否か

ＹＥＳ（上記３つの条件の少なくともいずれか１つを満足する）の場合、ステップ１４（Ｓ１４）で、セル１（３１１）に火災が発生していると検知する。ＮＯの場合には、処理を終了し、蓄電池ユニット制御部（１０６）によりリセットされるまで、断流器１（３３１）は開放されたまま待機状態となる。

断流器１（３３１）を開放した後は、セル１（３１１）には電流が流れないため、温度上昇の原因が過電流であった場合、温度上昇は止まり、他のセル２～８（３１２～３１８）との温度差もほとんどなくなるはずである。しかし、セル１（３１１）が火災を起こしていた場合、電流を遮断しても他のセル２～８（３１２～３１８）との温度差は開いていくことが予想される。

鉄道車両は、蓄電池ユニット内に複数のセルを備えていることから、最も離れた位置にある（すなわち、最も遠い）セルとの物理的距離は大きくなる。よって、最も離れた位置にあるセル（セル１に対しては、セル８が該当）の温度が、火災を起こしたセルが原因で温度が上昇するとは考え難く、両セルの温度差が第２の判定閾値ｔ２℃以上であるかを判別することによって対象セルの火災検知を行うことができる。

ただし、最も離れた位置にあるセルも同時に火災が発生している可能性も否定できない。そこで、このような事態にも対応し、火災検知の信頼性向上のために、上記ii）およびiii）として、対象セルの温度上昇のスピードが第３の判定閾値ｔ３℃／ｓ以上であること、または、対象セルの検出温度の最高値が第４の判定閾値ｔ４℃以上であることも、火災検知の条件に組み入れ、上記３つの条件の少なくとも１つを満足すれば、火災発生として検知することで対応を図る。

図４には、サーミスタの温度検出値からセルの火災検知を判別するまでの処理を、セル１（３１１）～セル３（３１３）について示したが、残りセル４（３１４）～セル８（３１８）についても同様に行う。その結果、ステップ１５（Ｓ１５）で、最終的にセル１（３１１）～セル８（３１８）の少なくとも一つ以上がセル火災検知と判定された場合、蓄電池ユニット（１０４）の火災検知と判定される。

図６は、蓄電池ユニットの火災検知から列車運転の判断を行うまでのフローチャートを示す図である。このフローチャートは、実施例１および後述する実施例２において共通する。
ステップ１６（Ｓ１６）で、蓄電池ユニット制御部（１０６）は、蓄電池ユニット（１０４）の火災検知の有無を判定し、蓄電池ユニット（１０４）の火災検知が判定された場合（ＹＥＳ）、ステップ１７（Ｓ１７）で、運転台モニタ装置（１０７）へ火災検知情報を送信する。一方、判定されなかった場合（ＮＯ）には、このステップ１７（Ｓ１７）の処理は無限ループであるため、制御周期毎に、火災検知判定を繰り返す。

次に、ステップ１８（Ｓ１８）で、車両情報制御装置（図示せず）の情報から、列車の現在位置が、地下区間、トンネル区間または橋梁区間といった列車停止危険区間や人家密集地域または乗降客がいる駅といった停車回避区間など、火災を起こした列車を停車させるには不適切な停車区間に該当するか否かを判定する。この判定は、運転台モニタ装置（１０７）および車両情報制御装置（図示せず）からの車両位置情報を受信する車両運転制御装置（図示せず）が行ってもよいし、火災検知情報および車両情報制御装置（図示せず）からの車両位置情報を受信しモニタ（表示）する運転台モニタ装置（１０７）を見て運転士等の乗務員が行ってもよい。

ＹＥＳの場合には、ステップ１９（Ｓ１９）で、蓄電池ユニット（１０４）を主回路から開放し、火災を起こした列車を停止させるには不適切な停止区間の外に到るまで、直流電力供給源（１０１）を用いて、列車の走行を続け、ステップ１８（Ｓ１８）へ戻る。このステップ１９（Ｓ１９）の処理も、上記車両運転制御装置（図示せず）が行ってもよいし、運転士等の乗務員が手動で行ってもよい。

ＮＯの場合には、ステップ２０（Ｓ２０）で、蓄電池ユニット（１０４）を主回路から開放し、速やかにインバータ（１０２）を停止させて列車の停止指令を出す。この処理も、上記車両運転制御装置（図示せず）が行ってもよいし、運転士等の乗務員が手動で行ってもよい。

実施例２については、図５を用いて説明する。実施例２では、セルの火災を検知する条件が、実施例１とは異なるが、それ以外の動作態様は同じであるため省略する。なお、装置構成としては、図１～３で示した実施例１の場合と同様である。

図５は、実施例２において、各セルに取付けているサーミスタの温度検出値から、蓄電池ユニットの火災を検知するまでのフローチャートを示す図である。実施例１と同様、セル１（３１１）を例に採って説明する。また、処理の主体は、蓄電池ユニット制御部（１０６）で共通するので、以下では主体の表記を省略する。

ステップ１１（Ｓ１１）およびステップ１２（Ｓ１２）は、実施例２も実施例１と同様の処理態様であって、簡略すると、サーミスタ１（３２１）の温度検出値が第１の判定閾値ｔ１℃以上かどうかを判別し（Ｓ１１）、ＹＥＳの場合、セル１（３１１）を含む蓄電池ユニット（１０４）の直列回路の断流器１（３３１）を開放し、セル１（３１１）を含む直列回路を主回路から切り離して電流を遮断する（Ｓ１２）。

その後、ステップ２３（Ｓ２３）で、以下のiv）、ii）およびiii）の３つの条件の少なくともいずれか１つを満足するか否か判別する。
iv）セル１（３１１）の検出温度と、セル１（３１１）以外のセル２～８（３１２～３１８）の各検出温度の平均値との温度差が、第５の判定閾値ｔ５℃以上であるか否か
ii）サーミスタ１（３２１）の温度検出値（すなわち、セル１（３１１）の検出温度）の単位時間当たりの温度上昇のスピードが、第３の判定閾値ｔ３℃／ｓ以上であるか否か
iii）サーミスタ１（３２１）の温度検出値（すなわち、セル１（３１１）の検出温度）の最高値が、第４の判定閾値ｔ４℃以上であるか否か

ＹＥＳの場合、実施例１と同様に、ステップ１４（Ｓ１４）で、セル１（３１１）に火災が発生していると検知する。

以上のように、実施例１では、セル１（３１１）の検出温度と、セル１（３１１）と物理的に最も離れた位置にあるセル（セル１（３１１）に対してはセル８（３１８））の検出温度との温度差が、第２の判定閾値ｔ２℃以上であるか否かを判別したが、実施例２では、セル１（３１１）の検出温度と、セル１（３１１）以外のセル２～８（３１２～３１８）の各検出温度の平均値との温度差が、第５の判定閾値ｔ５℃以上であるか否かを判別している点が異なる。

実施例２では、セル１（３１１）に火災が発生していたときに、偶然に、物理的に最も離れた位置にあるセル（セル１（３１１）に対してはセル８（３１８））にも火災が発生していた場合でも、セル１（３１１）の検出温度とセル１（３１１）以外の残るセル全体の各検出温度の平均値とを比較することで、火災を検知することができる。

ただし、セル１（３１１）に火災が発生していた場合、セル１（３１１）の周りのセルの温度も上昇すると考えられるため、実施例２で採用する第５の判定閾値ｔ５℃は、第２の判定閾値ｔ２℃よりも大きい値に設定する。いずれにしても、実施例１と同様、対象セル自身の温度上昇のスピードが第３の判定閾値ｔ３℃／ｓ以上であること、または、対象セルの検出温度の最高値が第４の判定閾値ｔ４℃以上であることも、火災検知の条件に組み入れることにより、火災検知の信頼性向上を図るものである。

１０１：直流電力供給源、１０２：インバータ、１０３：主電動機、
１０４：蓄電池ユニット、１０５：補助電源装置、１０６：蓄電池ユニット制御部、
１０７：運転台モニタ装置、２０１：エンジン、２０２：発電機、２０３：コンバータ、
３１１：蓄電池セル１、３１２：蓄電池セル２、３１３：蓄電池セル３、
３１４：蓄電池セル４、３１５：蓄電池セル５、３１６：蓄電池セル６、
３１７：蓄電池セル７、３１８：蓄電池セル８、３２１：サーミスタ１、
３２２：サーミスタ２、３２３：サーミスタ３、３２４：サーミスタ４、
３２５：サーミスタ５、３２６：サーミスタ６、３２７：サーミスタ７、
３２８：サーミスタ８、３３１：断流器１、３３２：断流器２

Claims

複数の蓄電池セルを搭載した蓄電池ユニットであって、
当該蓄電池ユニットの充放電を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記複数の蓄電池セル各々の温度状態を監視し、前記複数の蓄電池セル各々に取り付けた温度検出素子各々からの温度検出信号の少なくとも１つが第１の閾値以上の検出温度になった前記蓄電池セルを対象セルとして、前記対象セルの検出温度と当該蓄電池ユニットの中で前記対象セルから物理的に最も離れた位置にある前記対象セル以外の前記蓄電池セルの検出温度とを比較し、両方の温度差が第２の閾値以上である場合に、当該蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定する
ことを特徴とする蓄電池ユニット。
複数の蓄電池セルを搭載した蓄電池ユニットであって、
当該蓄電池ユニットの充放電を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記複数の蓄電池セル各々の温度状態を監視し、前記複数の蓄電池セル各々に取り付けた温度検出素子各々からの温度検出信号の少なくとも１つが第１の閾値以上の検出温度に
なった前記蓄電池セルを対象セルとして、前記対象セルの検出温度と前記対象セル以外の前記蓄電池セル全ての検出温度から求めた平均値とを比較し、両方の温度差が第３の閾値以上である場合に、当該蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定する
ことを特徴とする蓄電池ユニット。
請求項１または２に記載の蓄電池ユニットであって、
前記制御部は、前記第１の閾値以上の検出温度となった前記蓄電池セルに直列に接続されている断流器を開放する
ことを特徴とする蓄電池ユニット。
請求項１～３のいずれか１項に記載の蓄電池ユニットであって、
前記制御部は、当該蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定すると、モニタ装置に前記火災発生に関する情報を送信する
ことを特徴とする蓄電池ユニット。
鉄道車両に搭載する請求項１～４のいずれか１項に記載の蓄電池ユニットであって、
前記制御部は、当該蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定すると、当該鉄道車両の現在位置が停車に不適切な区間であるか否かを判定し、前記不適切な区間であれば、当該蓄電池ユニットを主回路から開放し、他の電力供給源を用いて当該鉄道車両を前記不適切な区間を抜けるまで走行させて停車させる指令を出し、前記不適切な区間でなければ、当該蓄電池ユニットを主回路から開放し当該鉄道車両を停車させる指令を出す
ことを特徴とする鉄道車両用蓄電池ユニット。
請求項１～５のいずれか１項に記載の蓄電池ユニットを搭載した鉄道車両。
複数の蓄電池セルを搭載した蓄電池ユニットの火災検知方法であって、
前記複数の蓄電池セルの内で第１の閾値以上の検出温度となった少なくとも１つの蓄電池セルを対象セルとして、
前記対象セルの検出温度と当該蓄電池ユニットの中で前記対象セルから物理的に最も離れた位置にある蓄電池セルの検出温度とを比較し、両方の温度差が第２の閾値以上である場合に、または、
前記対象セルの検出温度と前記対象セル以外の前記蓄電池セル全ての検出温度から求めた平均値とを比較し、両方の温度差が第３の閾値以上である場合に、
当該蓄電池ユニットの火災発生を検知したと判定する
ことを特徴とする蓄電池ユニットの火災検知方法。