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 - Google Patents

蓄電池ユニットおよび蓄電池ユニットの火災検知方法 Download PDF

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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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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
  7. 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。
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