JPWO2018074325A1 - 蓄電池電車用蓄電池装置及び蓄電池電車 - Google Patents

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Abstract

本発明は、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室に各々設置された複数の圧力開放機構と、を備え、複数の圧力開放機構が、複数の蓄電池ユニットからガスが発生した場合に各々排出する蓄電池装置に関する。また、本発明は、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室内に各々配置された複数の自動消火機構と、を備え、複数の自動消火機構が、複数の蓄電池ユニットが発火した場合に各々消火する蓄電池装置に関する。

Description

本発明は、蓄電池電車に搭載される蓄電池装置に関する。
蓄電池電車用動力システムとして、例えば、主変圧器の２次巻線に接続されて主電動機に駆動電力を供給する主変換回路と、主変圧器の３次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路を備えたものが提案されている（特許文献１参照）。また、主変圧器の３次巻線を廃止した蓄電池電車用動力システムとして、主変圧器の２次巻線に接続されて主電動機に駆動電力を供給する主変換回路であって、コンバータとインバータを含む主変換回路の直流ステージに、補機に電力を供給する静止型インバータを接続するとともに、双方向チョッパを介して蓄電池を接続したものが提案されている（特許文献２参照）。
特開２０１４−６４３９７号公報 特開２０１４−６４３９８号公報
上記特許文献には、蓄電池装置の火災対策について記載されていない。
本発明の目的は、蓄電池電車に搭載された蓄電池装置が外部短絡や圧壊などした場合、蓄電池装置の発火を防止したり、消火したりすることに関する。
本発明は、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室に各々設置された複数の圧力開放機構と、を備え、複数の圧力開放機構が、複数の蓄電池ユニットからガスが発生した場合に各々排出する蓄電池装置に関する。
また、本発明は、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室内に各々配置された複数の自動消火機構と、を備え、複数の自動消火機構が、複数の蓄電池ユニットが発火した場合に各々消火する蓄電池装置に関する。
本発明によれば、主回路蓄電池箱が小さな領域に区分され、それぞれに圧力開放機構が設けられ、蓄電池が収納されているため、仮にある蓄電池から発火性ガスが発生しても、小さな領域内の圧力は直ぐに高まり、発火性ガスは圧力開放機構から排出される（小さな領域に区分設置されていないと、発火性ガスが発生しても圧力が高まらず、圧力開放機構から放出されず、火災になる）。
また、本発明によれば、仮に蓄電池から発火したとしても、自動消火機構のある小さな領域のそれぞれに蓄電池が配置されているため、その領域のみで鎮火できる。他の領域に火災が広がることはない。
従って、蓄電池電車に搭載される蓄電池装置の異常に伴う状態が発生した場合、蓄電池装置の異常に伴う状態を自動的に抑制したり、回復したりすることができる。
実施例にかかる蓄電池電車の要部正面図である。 実施例にかかる蓄電池電車用動力システムの全体構成図である。 実施例にかかる主回路蓄電池箱の斜視図である。 実施例にかかる蓄電池ユニットの斜視図である。 実施例にかかる蓄電池モジュールの斜視図である。 実施例にかかる自動消火機構の要部構成図である。 実施例にかかる圧力開放機構の要部構成図である。
実施例では、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室に各々設置された複数の圧力開放機構と、を備え、複数の圧力開放機構が、複数の蓄電池ユニットからガスが発生した場合に各々排出する蓄電池装置を開示する。
また、実施例では、主回路蓄電池箱が、当該主回路蓄電池箱内のガスを外部に排出する圧力開放機構を備えることを開示する。
また、実施例では、複数の圧力開放機構が、主回路蓄電池箱の下部に設置されていることを開示する。
また、実施例では、圧力開放機構が、機器室の圧力が所定の圧力を超えた場合に、当該機器室内のガスを外部に排出する弁であることを開示する。
また、実施例では、複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、複数の機器室内に各々配置された複数の自動消火機構と、を備え、複数の自動消火機構は、複数の蓄電池ユニットが発火した場合に各々消火する蓄電池装置を開示する。
また、実施例では、主回路蓄電池箱が、発火した蓄電池ユニットを消火する自動消火機構を備えることを開示する。
また、実施例では、複数の自動消火機構が、同じ機器室内に収容される複数の蓄電池ユニットの上部に各々配置されることを開示する。
また、実施例では、複数の自動消火機構が、各機器室の天板に設置されていることを開示する。
また、実施例では、自動消火機構が、その周囲温度が所定温度を超えたときに、少なくともその一部が溶けて消火液を排出する消火液収納チューブであることを開示する。
また、実施例では、蓄電池ユニットが、略枠体の内部に複数の蓄電池が配置され、当該蓄電池の表面の少なくとも一部が露出していることを開示する。
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は専ら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を限縮するものではない。
（実施例）
図１は、本実施例を示す蓄電池電車の要部正面図である。図１において、蓄電池電車１０の車体１２の下方には、複数の主回路蓄電池箱１４が３バンク分配置されている。各主回路蓄電池箱１４は、複数の蓄電池（図示せず）を収納する箱体として構成され、各蓄電池は、架線に接続された主変圧器（図示せず）からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータの出力による直流電力を三相交流電力に変換して主電動機（車輪駆動用誘導電動機）に出力するインバータとを有する主変換装置（いずれも図示せず）の直流回路に直流電力を供給する直流電源として構成される。
図２は、本実施例にかかる蓄電池電車用動力システムの全体構成図である。蓄電池電車用動力システムは、主変圧器５２と、主変換装置５４と、断流器箱３００と、断路器４００と、主回路蓄電池５００及び補助電源装置６００を備えている。主変圧器５２は、１次巻線５６と、複数の２次巻線５８、６０を有し、１次巻線５６の一端は、真空遮断器（ＶＣＢ）６２と、パンタグラフ６４を介して架線（ＡＣ２０ｋＶ、６０Ｈｚ）６６に接続され、１次巻線５６の他端は、車輪の接地ブラシ６８を介して接地される。各２次巻線５８、６０は主変換装置５４に接続される。
主変換装置５４は、複数の接触子７０、７２、７４、７６と、抵抗７８、８０と、コンバータ８２、８４と、インバータ８６、８８を備えて構成される。この際、接触子７０、７２と抵抗７８は、充電回路として構成され、接触子７４、７６と抵抗８０は、充電回路として構成される。なお、接触子７０、７２、７４、７６は、コンバータ８２、８４、インバータ８６、８８を制御するためのコントローラ（図示せず）によって、その開閉が制御される。また、コントローラは、制御手段として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェース等の情報処理資源を備えたコンピュータ装置で構成される。なお、コンバータ８２、８４の出力側には、コンデンサ２２０、２２４が接続されている。
断流器箱３００は、複数の抵抗３０２、３０４と、複数の接触子３０６、３０８、３１０、３１２、３１４を有し、入力側（各抵抗３０２、３０４の一端側）が、各コンバータ８２、８４と各インバータ８６、８８とを結ぶ直流回路（直流ステージ）に接続され、出力側（接触子３１４の一端側）が、断路器４００を介して主回路蓄電池５００に接続される。断路器４００は、スイッチ４０２と、スイッチ４０４から構成され、スイッチ４０２の一端側が接触子３１４に接続され、他端側が主回路蓄電池５００の高電位側に接続され、スイッチ４０４の一端側がコンバータ８４の低電位側に接続され、他端側が主回路蓄電池５００の低電位側に接続されている。
主回路蓄電池５００は、複数の接触子５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２と、複数の蓄電池５１４、５１６、５１８から構成される。補助電源装置６００は、補機（空調装置、照明装置）に電力を供給するための補助電源装置として構成され、例えば、入力された直流電圧を半導体素子でスイッチングし、スイッチングされた電圧をコンデンサ等で平滑化して交流電圧として出力する静止形インバータで構成される。
ここで、架線走行（力行）時には、インバータ消費電力と補機消費電力を架線６６から主変圧器５２を介して主変換装置５４に取り込み、各インバータ８６、８８により各主電動機２５０、２５２、２５４、２５６を駆動し、各コンバータ８２、８４の出力電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。この際、コントローラにより、各インバータ８６、８８と各コンバータ８２、８４の電力変換動作が実行され、各コンバータ８２、８４の出力電力で主回路蓄電池５００を充電することができる。
架線走行（回生）時には、各主電動機２５０、２５２、２５４、２５６からの回生電力（回生エネルギー）を、各インバータ８６、８８を介して主変換装置５４に取り込み、取り込んだ回生電力で主回路蓄電池５００を充電すると共に、取り込んだ回生電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。なお、充電完了後、回生電力は架線に回生される。
架線走行（惰行・停車）時には、補機消費電力と蓄電池充電電力を架線６６から主変圧器５２を介して主変換装置５４に取り込み、各コンバータ８２、８４の出力電力で主回路蓄電池５００を充電し、各コンバータ８２、８４の出力電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。充電完了後、各コンバータ８２、８４の運転は停止され、主回路蓄電池５００から補助電源装置６００を介して補機に給電される。
蓄電池走行（力行）時には、各コンバータ８２、８４の運転が停止され、主回路蓄電池５００からの電力を主変換装置５４に取り込み、各インバータ８６、８８により各主電動機２５０〜２５６を駆動し、主回路蓄電池５００からの電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。この際、コントローラにより、各インバータ８６、８８の電力変換動作が実行され、各コンバータ８２、８４の電力変換動作が停止される。
蓄電池走行（回生）時には、各コンバータ８２、８４の運転が停止され、各主電動機２５０〜２５６からの回生電力（回生エネルギー）を、各インバータ８６、８８を介して主変換装置５４に取り込み、取り込んだ回生電力で主回路蓄電池５００を充電すると共に、取り込んだ回生電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。
蓄電池走行（惰行・停車）時には、各コンバータ８２、８４、各インバータ８６、８８の運転が停止され、主回路蓄電池５００からの電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。
図３は、本実施例にかかる主回路蓄電池箱の斜視図である。図３において、主回路蓄電池箱１４は、蓄電池電車用蓄電池装置の主構成要素して、金属製の箱体１６で構成され、箱体１６内は、複数の仕切板１８によって、複数（６個）の機器室２０と複数の備品室２２に分離されている。各機器室２０内には、図４に示すように、蓄電池ユニット２４が収納される。各備品室２２には、コントローラや接触子などの備品（いずれも図示せず）が収納される。
蓄電池ユニット２４は、複数の金属フレーム２６等によって、略直方体形状の枠体として構成される。蓄電池ユニット２４内には、図５に示すように、蓄電池モジュール２８が１２個収納される。蓄電池モジュール２８は、蓄電池（セル）３０を６個収納する蓄電池収納ケースとして構成される。蓄電池モジュール２８も、略直方体形状の枠体として構成される。この際、６個の蓄電池３０が収納された蓄電池モジュール２８が１２個蓄電池ユニット２４に収納されるので、蓄電池ユニット２４には、全体として７２個の蓄電池３０が収納される。蓄電池ユニット２４及び蓄電池モジュール２８が枠体として構成されているため、収納された蓄電池３０の長手表面は露出している。また、蓄電池ユニット２４に収納された蓄電池モジュール２８は、導体バー３２を介して互いに直列に接続され（図４参照）、各蓄電池３０は、蓄電池モジュール２８内で互いに直列に接続される。即ち、蓄電池ユニット２４内の７２個の蓄電池３０は、互いに直列に接続される。蓄電池３０としては、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。
各機器室２０に収納される蓄電池ユニット２４の上部（天板）には、図６に示すように放充電により発熱する蓄電池３０を冷却するための複数の冷却用ファン３８と、自動消火機構３４が配置されている。自動消火機構３４は、消火液収納容器又は消火液収納手段としての消火液収納チューブ３６を有し、消火液収納チューブ３６内には、消火液（図示せず）が収納されている。蓄電池ユニット２４の上部に自動消火機構３４が配置されているため、蓄電池３０が発火すると、上昇気流により、自動消火機構３４の周囲温度は直ちに上昇する。消火液収納チューブ３６は、周囲温度が設定温度を超えたときに、少なくともその一部が溶けて、消火液を排出する材質のもので構成される。この際、例えば、蓄電池３０が短絡したり、蓄電池３０が外部からの圧力によってつぶれたりして、蓄電池３０から発火し、周囲温度が設定温度を超えた場合、消火液収納チューブ３６の一部が溶けて、消火液が蓄電池ユニット２４内に排出される。自動消火機構３４の下部に蓄電池ユニット２４が配置されているため、排出された消火液は、蓄電池ユニット２４の下部まで自然に浸透し、発火した蓄電池３０を覆う。このため、いずれかの蓄電池３０から発火しても、蓄電池ユニット２４内の蓄電池３０を自動的に且つ迅速に消火することができ、蓄電池ユニット２４及び主回路蓄電池箱１４の安全性を高めることができる。また、消火液収納チューブ３６としては、周囲温度に基づいて消火液を放出する構成とすることができる。例えば、消火液収納チューブ３６に、周囲温度に応じて開閉する弁を設け、消火液収納チューブ３６内の消火液の温度が設定温度を超えた場合、弁を開いて消火液を放出する。さらに、消火液収納チューブ３６の代わりに、周囲温度を検知する温度センサーの検出温度が設定温度を超えたときに、消火液を放出する消火器を用いることもできる。また、消火液の代わりに、消火粉末や消火ガスを用いた消火器でもよい。
一方、主回路蓄電池箱１４のうち各蓄電池ユニット２４の底部に対向した部位（底部）であって、各機器室２０の底部には、図７に示すように、圧力開放機構４０が配置される。圧力開放機構４０は、機器室２０毎に配置されており、機器室２０の下部の底板（カバー）４２には、圧力開放機構４０の一要素として複数の開口４４が形成されている。圧力開放機構４０は、例えば、蓄電池３０の異常に伴って、機器室２０内の圧力が設定圧力を超えたときに、機器室２０内のガスを機器室２０外に放出することができる。放出されたガスは高温であるが、機器室２０の底板にある開口４４から下方に向けて噴出するため、仮に蓄電池電車の周囲に人がいたとしても、人体に直接当ることは無い。また、圧力開放機構４０は、蓄電池３０を挟んで自動消火機構４０と対向するように機器室２０の底部に配置されているため、自動消火機構４０から排出された消火液が無駄に外部に放出されることはなく、消火液が機器室２０の底部まで速やかに浸透することに寄与する。
本実施例によれば、蓄電池電車１０に搭載される蓄電池３０の異常に伴う状態が発生した場合、蓄電池３０の異常に伴う状態を自動的に抑制することができる。即ち、主回路蓄電池箱１４内を複数の機器室２０に分離し、各機器室２０に自動消火機構３４を配置したので、いずれかの蓄電池３０から発火しても、蓄電池ユニット２４内の蓄電池３０を自動的に且つ迅速に消火することができる。仮に発火したとしても、蓄電池が配置されている小さな領域のそれぞれに消火剤が配置されているため、その領域のみで鎮火でき、蓄電池ユニット２４及び主回路蓄電池箱１４の安全性を高めることができる。また、必要な個所のみ消火することにより、消火剤を浴びて使用できなくなる蓄電池ユニット２４を最小化でき、消火液（消火剤）の量も削減することができる。
また、本実施例によれば、主回路蓄電池箱１４内を複数の機器室２０に分離し、各機器室２０に圧力開放機構４０を配置したので、各機器室２０で圧力が上昇しやすくなり、各機器室２０内の圧力が設定圧力を超えたときには、各機器室２０内のガスを各機器室２０外に迅速に放出することができる。このため、仮に、ある蓄電池から発火性のガスが発生しても、小さな領域内の圧力は直ぐにたまり、弁から解放される（小さな領域に区分設置されていないと、ガスが発生しても圧力が高まらず、弁から開放されず、火災になる）。従って、蓄電池ユニット２４及び主回路蓄電池箱１４の安全性を高めることができる。
なお、本発明は上記した実施例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、主回路蓄電池箱１４の底部のいずれかに、主回路蓄電池箱内の圧力が設定圧力を超えたときに、主回路蓄電池箱内のガスを主回路蓄電池箱外に放出する圧力開放機構を配置することもできる。この際、ガス放出時の周囲や客室への影響を最小化することができる。上記した実施例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、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０ 蓄電池電車、１２ 車体、１４ 主回路蓄電池箱、２０ 機器室、２４ 蓄電池ユニット、２８ 蓄電池モジュール、３０ 蓄電池、３４ 自動消火機構、３６ 消火液収納チューブ、４０ 圧力開放機構、５２ 主変圧器、５４ 主変換装置、８２、８４ コンバータ、８６、８８ インバータ、１３０、１９６ パワーユニット、２０４、２０６ 冷却器、２５０、２５２、２５４、２５６ 主電動機

Claims (12)

  1. 蓄電池電車に搭載される蓄電池装置であって、
    複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、
    前記複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、
    前記複数の機器室内に各々配置された複数の自動消火機構と、を備え、
    前記複数の自動消火機構は、前記複数の蓄電池ユニットが発火した場合に各々消火することを特徴とする蓄電池装置。
  2. 請求項１に記載の蓄電池装置において、
    前記複数の自動消火機構が、同じ機器室内に収容される複数の蓄電池ユニットの上部に各々配置されることを特徴とする蓄電池装置。
  3. 請求項２に記載の蓄電池装置において、
    前記複数の自動消火機構が、各機器室の天板に設置されていることを特徴とする蓄電池装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記自動消火機構が、その周囲温度が所定温度を超えたときに、少なくともその一部が溶けて消火液を排出する消火液収納チューブであることを特徴とする蓄電池装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記蓄電池ユニットが、略枠体の内部に複数の蓄電池が配置され、当該蓄電池の表面の少なくとも一部が露出していることを特徴とする蓄電池装置。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記主回路蓄電池箱が、当該主回路蓄電池箱内のガスを外部に排出する圧力開放機構を備えることを特徴とする蓄電池装置。
  7. 蓄電池電車に搭載される蓄電池装置であって、
    複数の機器室に分割された主回路蓄電池箱と、
    前記複数の機器室内に各々収納される複数の蓄電池ユニットと、
    前記複数の機器室に各々設置された複数の圧力開放機構と、を備え、
    前記複数の圧力開放機構は、前記複数の蓄電池ユニットからガスが発生した場合に各々排出することを特徴とする蓄電池装置。
  8. 請求項７に記載の蓄電池装置において、
    前記複数の圧力開放機構が、前記主回路蓄電池箱の下部に設置されていることを特徴とする蓄電池装置。
  9. 請求項７〜８のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記圧力開放機構が、前記機器室の圧力が所定の圧力を超えた場合に、当該機器室内のガスを外部に排出する弁であることを特徴とする蓄電池装置。
  10. 請求項７〜９のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記蓄電池ユニットが、略枠体の内部に複数の蓄電池が配置され、当該蓄電池の表面の少なくとも一部が露出していることを特徴とする蓄電池装置。
  11. 請求項７〜１０のいずれかに記載の蓄電池装置において、
    前記主回路蓄電池箱が、発火した前記蓄電池ユニットを消火する自動消火機構を備えることを特徴とする蓄電池装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の蓄電池装置を搭載した蓄電池電車。
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