СИСТЕМА БАТАРЕЙ, СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛЬСОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И БАТАРЕЙНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01M2/26 H01M2/30 H01M10/04 H01M10/585 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе батарей, системе электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств и батарейному модулю, которые используются в наземных устройствах аккумулирования электроэнергии, транспортных средствах и им подобном.

Уровень техники

Традиционно обычная подстанция для электрических рельсовых транспортных средств преобразует энергию переменного тока, подаваемую, например, электроэнергетической компанией, в энергию постоянного тока и подает энергию постоянного тока на фидер. Электрические транспортные средства получают энергию постоянного тока от фидера через расположенную над ними контактную линию для осуществления движения. В случае поездов метро и им подобного электроэнергия подается через третий рельс вместо расположенной сверху контактной линии.

Когда электрическое транспортное средство ускоряется, электроэнергия, подаваемая через расположенную сверху контактную линию, подается на работающий двигатель через контроллер электроэнергии, установленный на транспортном средстве. Таким образом, электроэнергия преобразуется в движущую силу, и электрическое транспортное средство осуществляет перемещение. Когда электрическое транспортное средство ускоряется, электрическому транспортному средству нужно большое количество электроэнергии. Следовательно, напряжение на расположенной сверху контактной линии или ей подобном падает. Хотя это и зависит от степени снижения напряжения, снижение напряжения расположенной сверху контактной линии может неблагоприятно отразиться на работе других электрических транспортных средств, перемещающихся в той же области.

Когда электрическое транспортное средство, обладающее способностью рекуперации, замедляется, энергия движения электрического транспортного средства преобразуется в электроэнергию посредством использования работающего двигателя в качестве генератора электроэнергии. Полученная электроэнергия называется рекуперативной электроэнергией.

Для возврата рекуперативной электроэнергии в расположенную сверху контактную линию контроллер электроэнергии, установленный на электрическом транспортном средстве, осуществляет операцию управления увеличением напряжения расположенной сверху линии. Таким образом, напряжение расположенной сверху контактной линии обычно увеличивается.

Конечно, если другое электрическое транспортное средство, перемещающееся одновременно с указанным выше электрическим транспортным средством, ускоряется, рекуперативная электроэнергия потребляется другим транспортным средством. Тем не менее, если электрического транспортного средства, потребляющего рекуперативную электроэнергию, нет, то напряжение расположенной сверху контактной линии увеличивается и контроллер электроэнергии осуществляет операцию управления ограничением генерации рекуперативной электроэнергии в электрическом транспортном средстве, когда напряжение равно или больше определенного напряжения. Эта операция обычно называется уменьшением рекуперации. Далее, если напряжение расположенной сверху контактной линии еще сильнее увеличивается, контроллер электроэнергии осуществляет операцию управления завершения рекуперации. Эта операция обычно называется прекращением рекуперации.

Если происходит уменьшение рекуперации или прекращение регенерации, активируется механический тормоз для получения необходимого замедления, а энергия движения преобразуется в тепловую энергию, которая будет рассеяна.

Для предотвращения прекращения рекуперации может применяться способ, в котором для потребления рекуперативной электроэнергии на подстанции используется преобразователь, и рекуперативная электроэнергия преобразуется в тепловую энергию электрическим резистором. Тем не менее, даже в этом случае рекуперативная электроэнергия неэкономично рассеивается.

Более того, для предотвращения потери рекуперативной электроэнергии существует способ, в котором: например, инвертор, сконфигурированный для преобразования рекуперативной электроэнергии в энергию переменного тока, предоставляется на подстанции; избыток рекуперативной электроэнергии преобразуется в энергию переменного тока, имеющую частоту общей сети; и энергия переменного тока передается обратно или используется на станциях и им подобном. В этом случае, хотя рекуперативная электроэнергия и может быть эффективно использована, этот способ требует использования дорогого инвертора.

Также предлагается, чтобы: крупная система батарей была расположена на подстанции; избыток рекуперативной электроэнергии аккумулировался путем заряда системы батарей избытком рекуперативной электроэнергии; система батарей разряжалась, отдавая избыток рекуперативной электроэнергии, когда напряжение расположенной сверху контактной линии снижается; и, таким образом, снижение напряжения расположенной сверху контактной линии ограничивалось (см. патентную литературу 1, выкладка патентной заявки Японии № 2001-260719). Такая система батарей привлекает внимание с точки зрения эффективного использования рекуперативной электроэнергии и сохранения эффективности передвижения путем поддержания нужного значения напряжения на расположенной сверху контактной линии.

Была предложена система электроснабжения, которая реализует эффективное использование рекуперативной электроэнергии путем использования системы батарей, расположенной на подстанции, без использования контроллера заряда и разряда и дополняет пропускную способность подстанции (см. патентную литературу 2, WO 2009/107715).

Сущность изобретения

Предложена система электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств, которая оснащена крупной системой батарей на подстанции и аккумулирует рекуперативную электроэнергию (см. патентную литературу 1). Тем не менее, эта система электроснабжения требует наличия контроллера заряда и разряда, сконфигурированного для должного регулирования напряжения системы батарей и для соединения с расположенной сверху контактной линией.

Это из-за того, что в случае нормальной вторичной батареи выходное напряжение (а точнее, напряжение на контактах) относительно SOC (состояния заряда) батареи изменяется настолько существенно, что применяется способ соединения системы батареи с расположенной сверху контактной линией через контроллер заряда и разряда с целью регулирования напряжения системы батарей к напряжению расположенной сверху контактной линии. Контроллер заряда и разряда дорогой и требует пространства для установки. Это те факторы, которые препятствуют распространению такой системы батарей.

В случае никель-металл-гидридной батареи изменение выходного напряжения (а точнее, напряжения на контактах) относительно SOC (состояния заряда) батареи мало, и контроллер заряда и разряда не требуется для регулирования выходного напряжения батареи к напряжению расположенной сверху контактной линии (см. патентную литературу 2).

В случае конфигурации системы батареи путем последовательного соединения множества батарейных модулей, каждый из которых сконфигурирован путем складывания множества отдельных батарей, выходное напряжение системы батарей может регулироваться в элементе выходного напряжения батарейного модуля. Таким образом, даже в случае никель-металл-гидридной батареи контроллер заряда и разряда необходим, если желательно предварительно установленное выходное напряжение.

Потребность в соответствующем регулировании выходного напряжения системы батарей существует не только в системе электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств, но также и в системах электроснабжения в основной промышленности. Тем не менее, выходное напряжение батареи высокой емкости, имеющей модульную структуру, не может изменяться необходимым образом.

Например, в случае, когда номинальное напряжение равно 820 В, система батарей может быть собрана таким образом, что: выходное напряжение на отдельную батарею равно 1,367 В; 30 отдельных батарей соединены последовательно для формирования одного батарейного модуля; и 20 батарейных модулей соединены последовательно (выходное напряжение: 30×1,367 В × 20=820 В).

В связи с эффективностью трансформатора и выпрямителя, условиями использования трансформатора и выпрямителя и условием работы электрического транспортного средства в качестве нагрузки, система не обязательно работает при номинальном напряжении и может работать при напряжении, отличном от номинального. В этом случае, если число батарейных модулей равно 19, выходное напряжение равно 779 В (30×1,367 В × 19=779 В), и выходное напряжение системы батарей не может регулироваться в интервале между 779 В и 820 В.

Даже если номинальное напряжение равно 820 В, реальное напряжение может отличаться от номинального. Когда система батарей соединена с расположенной сверху контактной линией, уровень напряжения расположенной сверху контактной линии может изменяться в результате воздействия системы батарей в зависимости от спецификации (как, например, емкости батарей) системы батарей. В этом случае установленное значение выходного напряжения предприятия становится отличным от должного уровня напряжения.

Для того чтобы эффективно заряжать систему батарей рекуперативной электроэнергией и подавать электроэнергию системы батарей на расположенную сверху контактную линию, при необходимости желательно, чтобы SOC системы батарей было равно примерно 80% относительно производительности системы батарей. Это связано с тем, что, если SOC слишком велико, емкость для поглощения рекуперативной электроэнергии становится маленькой, а если SOC слишком низкое, возникает дефицит электроэнергии, когда требуется электроэнергия системы батарей. Таким образом, для работы системы батарей в состоянии, когда SOC равно примерно 80%, существует требование к регулированию выходного напряжения в рамках требуемого диапазона. В этом случае, в соответствии с описанным выше примером с вычислениями, проблема заключается в том, что регулирование напряжения осуществляется ступенями по 41 В.

Выходное напряжение системы батарей может регулироваться путем подготовки батарейного модуля, в котором число уложенных в стопу отдельных батарей меньше 30 (например, 10 или 20), среди батарейных модулей, каждый из которых, как обычно, включает в себя 30 отдельных батарей. Тем не менее, в этом случае такой батарейный модуль нужно производить отдельно, что снижает эффективность производства. Кроме того, так как система батарей сконфигурирована таким образом, что большое количество батарейных модулей заключено в корпусе, добавление батарейного модуля, включающего в себя менее 30 отдельных батарей, в корпус на месте после отгрузки с завода является трудной задачей, так как батарейный модуль много весит (например, 240 кг).

Вышесказанное являлось разъяснением случая, когда номинальное напряжение равно 820 В, и каждый батарейный модуль включает в себя 30 отдельных батарей. Тем не менее, аналогичные приведенным выше проблемы возникают даже в случае, когда номинальное напряжение и число отдельных батарей в каждом батарейном модуле отличаются от приведенных выше значений.

Для того чтобы решить указанные выше проблемы, задача настоящего изобретения заключается в предоставлении системы батарей, сконфигурированной путем последовательного соединения множества батарейных модулей и способной легко регулировать выходное напряжение системы батарей.

Решение проблемы

Система батарей в соответствии с настоящим изобретением является системой батарей, сконфигурированной путем последовательного соединения множества батарейных модулей, причем каждый из батарейных модулей сконфигурирован путем укладки в стопу множества отдельных батарей, причем соединительный контакт, через который получается электричество, обеспечен между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода, по меньшей мере, одного из множества батарейных модулей.

В соответствии с этой конфигурацией в системе батарей, сконфигурированной путем последовательного соединения батарейных модулей, соединительный контакт, отличный от контакта положительного электрода, через который получается электричество на стороне высокого потенциала, и от контакта отрицательного электрода, через который получается электричество на стороне низкого потенциала, обеспечивается между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода батарейного модуля. При этом может быть получено более низкое напряжение по сравнению с напряжением между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода. Таким образом, выходное напряжение системы батарей является регулируемым. Аналогично вышесказанному, соединительный контакт обеспечивается между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода и используется для получения напряжения между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода. Таким образом, соединительный контакт служит в качестве отвода от средней точки. Батарейный модуль, включающий в себя соединительный контакт, может быть любым из множества батарейных модулей. Предпочтительно, чтобы батарейный модуль, включающий в себя соединительный контакт, являлся последним батарейным модулем из множества соединенных последовательно батарейных модулей, причем чтобы последний батарейный модуль был расположен на стороне низшего потенциала, или являлся первым батарейным модулем из множества соединенных последовательно батарейных модулей, причем чтобы первый батарейный модуль был расположен на стороне высшего потенциала.

Соединительный контакт может являться одним из множества соединительных контактов, обеспеченных на по меньшей мере одном из множества батарейных модулей, и множество соединительных контактов соответственно соединено с множеством положений, которые расположены в батарейном модуле и отличаются друг от друга потенциалом. Число соединительных контактов может быть от одного до четырех, но, предпочтительно, равно двум. Если число соединительных контактов велико, выходное напряжение может регулироваться точно. Тем не менее, увеличиваются время изготовления и трудозатраты.

Предпочтительно, чтобы отдельные батареи являлись никель-металл-гидридными батареями. Путем применения никель-металл-гидридных батарей изменение выходного напряжения относительно SOC (состояния заряда батареи) может быть обеспечено малым. Таким образом, система батарей может быть эффективно использована во всем диапазоне SOC батареи без контроллера заряда и разряда.

Предпочтительно, чтобы промежуточный токосъемник был обеспечен между отдельными батареями; и соединительный контакт был соединен с промежуточным токосъемником. Так как соединительный контакт служит для отвода электричества из батарейного модуля, промежуточный токосъемник обеспечен в батарейном модуле, и соединительный контакт обеспечен на промежуточном токосъемнике. При такой конфигурации электричество может быть легко получено из батарейного модуля.

Предпочтительно, чтобы промежуточный токосъемник был подвергнут покрытию никелем. Это делается по следующей причине: путем покрытия никелем контактное сопротивление становится маленьким и равным внутреннему сопротивлению при уменьшении заряда батареи; и, таким образом, эффективность системы батарей увеличивается.

Пластина отвода тепла сконфигурирована для отвода тепла, генерируемого в отдельных батареях, может быть обеспечена между отдельными батареями, и толщина промежуточного токосъемника может быть равна общей толщине одной отдельной батареи и одной пластины отвода тепла или одной отдельной батареи и двух пластин отвода тепла. Путем установки толщины промежуточного токосъемника в соответствии с вышесказанным стандартизация размера батарейного модуля может быть реализована. Это объясняется тем, что в батарейном модуле, не включающем соединительный контакт, промежуточный токосъемник может быть обеспечен в положении, при котором отдельная батарея или ей подобные обычно хранятся. При этом объем выпуска продукции увеличивается, а стоимость производства может быть уменьшена.

Батарейные модули, предпочтительно, хранятся в корпусе. Хранение батарейных модулей в корпусе упрощает их обслуживание и предпочтительно по соображениям безопасности. Путем установки воздушного кондиционера или ему подобного в корпусе батарейные модули могут эффективно охлаждаться как единое целое.

В системе батарей в соответствии с данным изобретением, предпочтительно, корпус может быть снабжен множеством контактов питания для внешнего соединения, и множество контактов питания может быть электрически соединено с соединительным контактом, контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода. Более предпочтительно, контакты питания для внешнего соединения могут храниться в контактной камере с крышкой, и контактная камера может быть обеспечена на корпусе. При такой конфигурации выходное напряжение системы батарей может регулироваться снаружи корпуса, и время и трудозатраты на регулирование на месте могут быть уменьшены.

Предпочтительно, чтобы соединительный контакт был съемным. Если число соединительных контактов велико, все соединительные контакты обычно не используются. Когда соединительный контакт сконфигурирован таким образом, чтобы его можно было снять с промежуточного токосъемника, присоединение неиспользуемых соединительных контактов может быть опущено. Если соединение соединительного контакта, который относится к части заряда, пропускается, это делает возможным упрощение использования системы батарей.

Система электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств в соответствии с данным изобретением является системой электроснабжения, применяемой на подстанции для электрических рельсовых транспортных средств, причем система электроснабжения включает в себя: трансформатор, сконфигурированный для приема электричества через силовую линию переменного тока; выпрямительное устройство, соединенное с трансформатором; и фидер, соединенный с выпрямительным устройством, при этом система батарей сконфигурирована путем последовательного соединения батарейных модулей, причем каждый из батарейных модулей сконфигурирован путем укладки в стопу множества отдельных батарей; и соединительный контакт, через который получается электричество, обеспечивается между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода по меньшей мере одного из множества батарейных модулей.

В соответствии с данной конфигурацией, так как система батарей непосредственно соединена с расположенной сверху контактной линией без контроллера заряда и разряда, дорогостоящий контроллер заряда и разряда не нужен.

Батарейный модуль в соответствии с данным изобретением является батарейным модулем, сконфигурированным путем укладки в стопу множества никель-металл-гидридных батарей, причем промежуточный токосъемник, покрытый никелем, обеспечивается между отдельными батареями; и соединительный контакт присоединяется к промежуточному токосъемнику. Это полезно, когда один батарейный модуль используется в качестве источника питания и требуется регулирование выходного напряжения этого батарейного модуля.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 изображает внешний вид системы батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.2 - вид сбоку в частично разобранном виде, изображающий батарейный модуль в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.3 - общий вид частей отдельной батареи, использованной в батарейном модуле с фиг.2;

фиг.4 - общий вид, изображающий внутреннюю часть оболочки батарейного модуля с фиг.2;

фиг.5 - вид в поперечном сечении по линии V-V с фиг.4;

фиг.6А - вид сверху, изображающий батарейный модуль в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.6В - вид сбоку батарейного модуля, изображенного на фиг.6А;

фиг.6С - часть увеличенного вида батарейного модуля, изображенного на фиг.6В;

фиг.7А - схема соединения батарейного модуля, составляющего систему батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, причем батарейный модуль включает в себя соединительный контакт;

фиг.7В - схема соединения нормального батарейного модуля, составляющего систему батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.7С - схема, изображающая состояние соединения всей системы батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.8 - схема системы электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств, включающая в себя систему батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг.9 - диаграммы зависимости SOC, отображающие изменение напряжения относительно SOC каждой из различных батарей.

Описание вариантов осуществления изобретения

Здесь и далее вариант осуществления системы батарей в соответствии с изобретением будет объяснен со ссылкой на чертежи. Тем не менее, данное изобретение не ограничено этим вариантом осуществления.

Фиг.1 является общим видом, изображающим конфигурацию системы батарей А в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Как изображено на фиг.1, двадцать батарейных модулей В уложены в массив из четырех рядов и пяти столбцов в корпусе К. Здесь число уложенных батарейных модулей В определяется на основании желаемой электрической спецификации и не ограничено двадцатью. Для более ясного объяснения дверца корпуса К не изображена на фиг.1. Контакт электрода 10 одного батарейного модуля В соединен с соседним батарейным модулем В через кабель 60. В целом батарейные модули В соединены друг с другом последовательно. Батарейные модули В и В′, соответственно, расположенные с обоих концов соединенных последовательно батарейных модулей, выведены наружу корпуса К с помощью кабелей (не изображено). Контактная камера 80 с крышкой 80а обеспечена на внешней поверхности корпуса К. Три положительных контакта питания 81А, 81В и 81С для внешнего соединения и один отрицательный контакт питания 82 для внешнего соединения размещены в контактной камере 80. Вместо кабелей могут быть использованы шины.

Среди двадцати батарейных модулей на фиг.1 один батарейный модуль является батарейным модулем В′, включающим в себя соединительный контакт в соответствии с данным изобретением, а остальные девятнадцать батарейных модулей являются батарейными модулями В, не включающими в себя соединительный контакт. Здесь и далее, сначала будет объяснен один пример батарейного модуля В, не включающий в себя соединительного контакта, а затем будет объяснен батарейный модуль В′, включающий в себя соединительный контакт в соответствии с данным изобретением.

Фиг.2 является частично разобранным видом сбоку, изображающим конфигурацию батарейного модуля В. Батарейный модуль В обеспечен, например, на подстанции для электрических рельсовых транспортных средств. Батарейный модуль В включает в себя в качестве основных элементов группу сложенных батарей 1, боковые пластины 3, пластины 5 сжатия и крепежные болты 7. Группа сложенных батарей 1 конфигурируется путем укладки в стопу множества (тридцати в данном варианте осуществления) отдельных батарей С одна с другой в направлении ширины отдельной батареи С. Отдельная батарея С является, предпочтительно, квадратной герметичной батареей. Боковые пластины 3, пластины 5 сжатия и крепежные болты 7 предоставляются для соединения и закрепления группы сложенных батарей 1 в направлении укладки в стопу Х. Эти основные элементы покрыты оболочкой 9 из изоляционного материала.

Как изображено на фиг.3, отдельная батарея С включает в себя элемент в виде прямоугольной рамы 14, первый элемент крышки 15 и второй элемент крышки 16. Никель-металл-гидридная батарея (не изображена) хранится в пространстве, сформированном элементом в виде рамы 14, первым элементом крышки 15 и вторым элементом крышки 16. В целом эти элементы составляют отдельную батарею.

В данном варианте осуществления каждый из первого элемента крышки 15 и второго элемента крышки 16 сформирован из покрытой никелем стальной пластины. Первый и второй элементы крышки 15 и 16 соответственно соединены с положительным электродом и отрицательным электродом никель-металл-гидридной батареи. Более конкретно, первый и второй элементы крышки 15 и 16 соответственно служат в качестве контакта положительного электрода и контакта отрицательного электрода отдельной батареи С.

Далее будет объяснена конфигурация батарейного модуля В, составленного отдельными батареями С. Как изображено на фиг.2, группа сложенных батарей 1 батарейного модуля В в данном варианте осуществления сформирована путем укладки в стопу отдельных батарей С и пластин 31 отвода тепла. Как изображено на фиг.3, отдельные батареи С складываются таким образом, что первый элемент крышки 15 одной из соседних отдельных батарей С и второй элемент крышки 16 другой из соседних отдельных батарей С расположены напротив друг друга. Кроме того, пластина 31 отвода тепла снабжена отверстиями (не изображены), через которые проходит охлаждающее вещество. В данном варианте осуществления одна пластина 31 отвода тепла обеспечена для двух отдельных батарей С. Тем не менее, одна пластина 31 отвода тепла может быть обеспечена для одной отдельной батареи С, то есть пластины 31 отвода тепла могут быть соответственно обеспечены с обеих поверхностей отдельной батареи С.

Фиг.4 является частично разобранным видом, изображающим основную часть модуля 47, которая является главной частью батарейного модуля В. В последующем объяснении сторона положительного электрода (ближняя сторона на фиг.4) группы сложенных батарей 1 называется передней стороной, а сторона отрицательного электрода (дальняя сторона на фиг.4) группы сложенных батарей 1 называется задней стороной. Боковые пластины 3, сформированные в виде пары элементов в форме пластин, проходящих вдоль направления укладки в стопу Х, соответственно обеспечены с обеих боковых поверхностей группы сложенных батарей 1, причем обе боковые поверхности проходят вдоль направления укладки в стопу Х. Таким образом, боковые пластины 3 соответственно покрывают обе боковые поверхности группы сложенных батарей 1. Пластины 5 сжатия (сдавливания), которые являются элементами сжатия в форме пластин, соответственно закреплены в передней и задней краевых частях в направлении укладки в стопу Х каждой из боковых пластин 3 боковыми болтами 32. Таким образом, передняя и задняя поверхности в направлении укладки в стопу Х группы сложенных батарей 1 соответственно закрыты пластинами 5 сжатия, расположенными с передней и задней сторон. Пластина 33 верхней поверхности и пластина 34 нижней поверхности, которые являются элементами в форме пластин, проходящими вдоль направления укладки в стопу Х, соответственно обеспечены на верхней стороне и нижней стороне в направлении укладки в стопу группы сложенных батарей 1. Каждая из пластины 33 верхней поверхности и пластины 34 нижней поверхности прикреплена к боковым пластинам 3 болтами.

Фиг.5 является видом в поперечном сечении по линии V-V на фиг.4. Как изображено на фиг.5, первый токосъемник 35, который является элементом съема тока на стороне положительного электрода, размещен с передней стороны первого элемента крышки 15 (фиг.3) отдельной батареи С, расположенной в передней части группы сложенных батарей 1. Кроме того, изолирующая пластина 37 и пластина 39 защиты изолирующей пластины расположены в передней части первого токосъемника в указанном порядке.

Множество крепежных болтов 7 соответственно вкручиваются в резьбовые отверстия 50 пластины 5 сжатия с передней стороны в направлении укладки в стопу Х группы сложенных батарей 1, чтобы войти в пластину 5 сжатия. Концы крепежных болтов 7 находятся в контакте с пластиной 39 защиты изолирующей пластины, чтобы прижимать группу сложенных элементов 1 в обратную сторону вдоль направления укладки в стопу Х через пластину 39 защиты изолирующей пластины, изолирующую пластину 37 и первый токосъемник 35. Задняя краевая часть группы сложенных батарей 1 имеет ту же конфигурацию, что и передняя часть, изображенная на фиг.5. Крепежные болты 7 прижимают заднюю краевую часть группы сложенных батарей в прямом направлении вдоль направления укладки в стопу Х через пластину 39 защиты изолирующей пластины, изолирующую пластину 37 и второй токосъемник 36 (фиг.7).

Круглые отверстия 37а и 39а соответственно сформированы в центральных частях изолирующей пластины 37 и пластины 39 защиты изолирующей пластины. В этих отверстиях 37а и 39а болт контакта положительного электрода 45, который служит в качестве контакта 11 положительного электрода батарейного модуля В, вкручен в резьбовое отверстие 44, сформированное в практически центральной части первого токосъемника 35. Как и в случае передней крайней части группы сложенных батарей 1, в задней крайней части контакт отрицательного электрода 12 (фиг.7) вкручен и присоединен к второму токосъемнику 36 (фиг.7).

Далее вариант осуществления батарейного модуля В′, включающего в себя соединительный контакт в соответствии с данным изобретением, будет объяснен со ссылкой на фиг.6. Объяснения элементов, аналогичных элементам батарейного модуля В, будут опущены, и те же ссылочные позиции используются для одинаковых элементов.

Фиг.6А является видом сверху батарейного модуля В′. Фиг.6В является видом сбоку. Фиг.6С является увеличенным видом важной части с фиг.6В. В варианте осуществления, изображенном на фиг.6А-6С, пластины 31 отвода тепла соответственно обеспечены с обеих сторон отдельной батареи С. Тем не менее, как изображено на фиг.2, одна пластина 31 отвода тепла может быть обеспечена для двух отдельных батарей С.

В данном варианте осуществления два промежуточных токосъемника 20 отдельно предоставлены между первым токосъемником 35, который является частью токосъемника положительного электрода, и вторым токосъемником 36, который является частью токосъемника отрицательного электрода. Каждый из двух промежуточных токосъемников 20 обеспечен между отдельными батареями С. Точнее, промежуточный токосъемник 20 расположен таким образом, что одна его поверхность находится в контакте с первым элементом 15 крышки (фиг.3) одной отдельной батареи С, а другая его сторона находится в контакте со вторым элементом 16 крышки (фиг.3) другой отдельной батареи С. Батарейный модуль В′ составлен путем укладки в стопу двадцати восьми отдельных батарей С таким образом, что девять отдельных батарей С расположены между вторым токосъемником и промежуточным токосъемником 20, расположенным в задней крайней части; девять отдельных батарей С расположены между первым токосъемником 35 и промежуточным токосъемником 20, расположенным в передней крайней части, и десять отдельных батарей С расположены между двумя промежуточными токосъемниками 20. Предпочтительно, чтобы промежуточный токосъемник 20 был сформирован из алюминия (сплава алюминия), который является хорошим проводником электричества, подвергнутого нанесению никеля. Промежуточный токосъемник 20 не ограничен алюминием (или сплавом алюминия). Промежуточный токосъемник 20 может являться хорошим проводником электричества, например, нержавеющей сталью. Контактное сопротивление может быть уменьшено при помощи никелевого покрытия. Тем не менее, покрытие может не наноситься.

Так как промежуточный токосъемник 20 является хорошим проводником электричества, электричество одной из соседних батарей С может быть передано на другую соседнюю батарею С.

Толщина промежуточного токосъемника 20 равна общей толщине одной батареи С и двух пластин 31 теплоотвода. Таким образом, батарейный модуль В может быть преобразован в батарейный модуль В′ путем удаления одной отдельной батареи С и двух пластин 31 отвода тепла из батарейного модуля В и включения промежуточного токосъемника 20 в батарейный модуль В. Таким образом, в батарейном модуле В′ может быть применена структура батарейного модуля В, и части и компоновка батарейного модуля В могут быть совместно использованы.

В случае, когда одна пластина 31 отвода тепла предоставляется для двух отдельных батарей С в батарейном модуле В, толщина промежуточного токосъемника 20 может быть установлена равной общей толщине одной отдельной батареи С и одной пластины 31 отвода тепла.

Промежуточный токосъемник 20 может быть снабжен отверстиями (не изображены), через которые проходит охлаждающее вещество. В этом случае промежуточный токосъемник 20 участвует в охлаждении батареи.

Резьбовое отверстие 23 сформировано практически в центральной части верхней поверхности промежуточного токосъемника 20. Круглые отверстия 9а и 33а соответственно сформированы на верхней пластине оболочки 9 и на пластине 33 верхней поверхности над резьбовыми отверстиями 23. В этих отверстиях 9а и 33а болт соединительного контакта 22 вкручивается сверху в резьбовое отверстие 23, чтобы присоединить соединительный контакт к промежуточному токосъемнику 20.

Круглая закрывающая пластина 24 обеспечена на верхней поверхности отверстия 9а. Круглая закрывающая пластина 24 выполнена из изоляционного материала и имеет отверстие, которое сформировано в центральной части круглой закрывающей пластины 24 и через которое проходит соединительный контакт 21. Круглая закрывающая пластина 24 предотвращает попадание посторонних элементов снаружи. Круглая закрывающая пластина 25, не имеющая в центральной части отверстия, через которое проходил бы соединительный контакт 21, размещена на отверстиях 9а и 33а, расположенных над промежуточным токосъемником 20, в котором не обеспечен соединительный контакт 21.

Кабель (не изображен) соединен с соединительным контактом 21. Кабель проходит наружу корпуса К для соединения с положительным контактом питания системы батарей. Кабель (не изображен) соединен с контактом отрицательного электрода 12 батарейного модуля В, который расположен напротив батарейного модуля В′. Кабель проходит наружу корпуса для соединения с отрицательным контактом питания системы батарей.

Далее способ регулирования выходного напряжения системы батарей будет объяснен со ссылкой на чертежи. Фиг.7А является схемой для объяснения состояния соединения батарейного модуля В′, включающего в себя соединительный контакт. Фиг.7В является схемой для объяснения состояния соединения обычного батарейного модуля В. Батарейный модуль В составлен из тридцати отдельных батарей. Батарейный модуль В′ составлен из 28 отдельных батарей, и электричество можно получать с каждых девяти или десяти отдельных батарей через соединительный контакт. Число отдельных батарей (число ячеек) в батарейном модуле В может отличаться от тридцати, а число соединительных контактов в батарейном модуле В′ может быть любым в интервале от одного до четырех.

Как изображено на фиг.7А, кабели 66а и 66b, через которые подается электричество для внешней системы, соответственно соединены с соединительными контактами 21а и 21b, а кабель 62 соединен с контактом положительного электрода 11. Контакт отрицательного электрода 12 соединен через кабель 64 с контактом положительного электрода 11 соседнего батарейного модуля В. Контакт отрицательного электрода 12 этого соседнего батарейного модуля В соединен через кабель 64 с контактом положительного электрода 11 следующего соседнего батарейного модуля В и так далее. Кабель 65 соединен с контактом отрицательного электрода 12 последнего батарейного модуля Bb. В результате состояние соединения, изображенное на фиг.7С, сформировано во всей системе батарей.

Конкретнее, контакт 11 положительного электрода батарейного модуля В′, расположенный на стороне наивысшего потенциала в системе батарей, электрически соединен через кабель 62 с положительным контактом 81А питания (фиг.1) корпуса К, и соединительные контакты 21а и 21b соответственно электрически соединены через кабели 66а и 66b с положительными контактами 81B и 81С питания (фиг.1) корпуса К. Кроме того, контакт 12 отрицательного электрода батарейного модуля В, расположенный на стороне низшего потенциала в системе батарей, соединен через кабель 65 с отрицательным контактом 82 питания (фиг.1) корпуса К.

После того, как корпус К системы батарей доставляют на место, сначала отрицательный контакт 82 питания системы батарей соединяют со стороной низкого потенциала (например, заземленным рельсом) расположенной сверху контактной линии, и один из трех положительных контактов 81А, 81В и 81С питания соединяют со стороной высокого потенциала расположенной сверху контактной линии, причем расположенная сверху контактная линия является нагрузкой.

В этом случае система батарей составлена из 19 батарейных модулей В и одного батарейного модуля В′, и выходное напряжение на ее контактах равно 817 В (=30×1,367 В×19+28×1,367 В). Если это напряжение велико в связи с состоянием нагрузки и состоянием работы других устройств, кабель 66а, потенциал которого ниже по сравнению с потенциалом кабеля 62 на величину потенциала, соответствующую девяти отдельным батареям (12 В), соединяется со стороной высокого напряжения, расположенной сверху контактной линии. Если выходное напряжение все еще слишком высокое, кабель 66b, потенциал которого ниже потенциала кабеля 66а на величину потенциала, соответствующую десяти отдельным батареям, соединяется со стороной высокого напряжения расположенной сверху контактной линии. В соответствии с вышесказанным, часть соединения, где расположенная сверху контактная линия и система батарей соединяются друг с другом, перемещается из положения, где потенциал высокий, в направлении положения, где потенциал низкий, чтобы регулировать выходное напряжение. Наконец, один положительный контакт питания, соединенный с расположенной сверху контактной линией, определяется. При этом в реальных условиях работы история применения используемых отдельных батарей С может быть выровнена, и отклонения среди отдельных батарей С могут быть уменьшены. В батарейном модуле В′ один контакт, соединенный с землей, может быть окончательно определен таким образом, чтобы: батарейный модуль В′ обеспечивался на стороне низшего потенциала в системе батарей; и часть соединения, где соединяются друг с другом земля и батарейный модуль В′, перемещалась из положения, где потенциал низкий, в положение, где потенциал высокий, чтобы регулировать выходное напряжение.

В варианте осуществления, изображенном на фиг.7А-7С, батарейный модуль В′ обеспечен на стороне высокого потенциала системы батарей. Тем не менее, система батарей может быть сконфигурирована таким образом, чтобы батарейный модуль В′ обеспечивался на стороне низкого потенциала. В случае, когда батарейный модуль В′ обеспечен на стороне низкого потенциала в системе батарей, при регулировании напряжения могут быть получены определенные преимущества из соображений безопасности.

Фиг.8 является принципиальной схемой системы электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств, включающей в себя систему батарей по варианту осуществления данного изобретения. На подстанции 100 для электрических рельсовых транспортных средств система 108 батарей в соответствии с данным изобретением непосредственно соединяется с расположенной выше контактной линией 109 через фидер 105. Положительный контакт питания системы 108 батарей соединен с фидером 105, а ее отрицательный контакт питания соединен с обратной цепью (рельсом) 107 через линию 115. Другими словами, система 108 батарей соединена с расположенной выше контактной линией 109 без применения контроллера заряда и разряда, сконфигурированного для управления напряжениями заряда и разряда.

Система 99 электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств включает в себя трансформатор 103 и выпрямительное устройство 104, соединенное последовательно с трансформатором 103. Трансформатор 103 получает электроэнергию, подаваемую от источника 101 питания переменного тока, предоставляемого электроэнергетической компанией, через силовую линию 102 переменного тока. Положительный контакт выпрямительного устройства 104 соединен с расположенной выше контактной линией 109, и его отрицательный контакт соединен с обратной цепью 107.

Выдаваемая энергия постоянного тока с выпрямительного устройства 104 подается через фидер 105 и расположенную сверху контактную линию 109 на электрическое транспортное средство 110. В электрическом транспортном средстве 110 подаваемая энергия постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока при помощи, например, контроллера 112 электроэнергии, установленного на транспортном средстве, и энергия переменного тока подается на работающий электрический двигатель 113 и вспомогательные механизмы.

Например, в случае, когда электрическое транспортное средство 110 является рекуперативным транспортным средством в режиме торможения, и нет другого электрического транспортного средства, которому требуется рекуперативная электроэнергия, напряжение расположенной сверху контактной линии увеличивается, а система 108 батарей заряжается рекуперативной электроэнергией. В противном случае, когда электрическое транспортное средство 110 является ускоряющимся транспортным средством, и напряжение на расположенной сверху контактной линии уменьшается, электроэнергия подается от системы 108 батарей через расположенную сверху контактную линию 109 на ускоряющееся транспортное средство.

В целом, система 108 батарей заряжается, когда напряжение между расположенной сверху контактной линией 109 и обратной цепью 107 выше напряжения батарей системы 108 батарей, и система батарей 108 разряжается, когда напряжение между расположенной сверху контактной линией 109 и обратной цепью 107 ниже напряжения батарей системы 108 батарей. В соответствии с вышесказанным система 108 батарей функционирует с целью компенсации избытков и недостатков электроэнергии в расположенной сверху контактной линии 109. Таким образом, достигаются экономия энергии и надежная работа электрического транспортного средства.

В случае, когда генерируется рекуперативная электроэнергия, и напряжение системы 108 батарей выше напряжения расположенной сверху контактной линии, система 108 батарей не заряжается рекуперативной электроэнергией. Кроме того, в случае, когда есть ускоряющееся транспортное средство, а напряжение системы 108 батарей ниже напряжения расположенной сверху контактной линии, электроэнергия не подается от системы 108 батарей на расположенную сверху контактную линию 109. Система 108 батарей эффективно поглощает рекуперативную электроэнергию для осуществления экономии энергии. Кроме того, система 108 батарей подает электроэнергию, соответствующую недостающему, на ускоряющееся транспортное средство для надежной работы транспортного средства. Тем не менее, как было описано выше, если напряжение системы 108 батарей неправильное, система 108 батарей не может нормально функционировать. Для избежания таких неправильных ситуаций необходимо регулировать напряжение системы 108 батарей.

Кроме того, предпочтительно, чтобы батарея, применяемая в системе батарей в соответствии с данным изобретением, использовалась в состоянии, при котором SOC батареи равно примерно от 70 до 80%. Это связано с тем, что: если SOC слишком велико, емкость для поглощения рекуперативной электроэнергии становится маленькой; а если SOC слишком низкое, имеет место недостаток электроэнергии, когда необходима электроэнергия системы батарей. Таким образом, когда выходное напряжение системы батарей в соответствии с данным изобретением регулируется на месте, необходимо выбрать выходное напряжение таким, чтобы SOC стало равно примерно от 70 до 80%, предпочтительно примерно 80%.

Как описано ниже, изменение напряжения никель-металл-гидридной батареи относительно SOC мало, и одна особенность никель-металл-гидридной батареи заключается в том, что никель-металл-гидридная батарея не нуждается в контроллере заряда и разряда, который необходим обычной батарее для регулирования напряжения. Для того чтобы система батарей нормально функционировала с учетом этой особенности, выходное напряжение системы батарей нужно точно регулировать, и необходима система батарей, включающая в себя батарейный модуль, имеющий соединительный контакт в соответствии с данным изобретением.

На фиг.9 представлены диаграммы зависимости SOC, отображающие изменение напряжения относительно SOC (состояния заряда) каждой из различных батарей и им подобного. Кривая а отображает изменение напряжения никель-металл-гидридной батареи. Кривая b отображает изменение напряжения свинцовой аккумуляторной батареи. Кривая c отображает изменение напряжения литиево-ионной батареи. Кривая d отображает изменение напряжения электрического двухслойного конденсатора.

Изменение напряжения относительно изменения SOC составляет примерно 0,1 В в никель-металл-гидридной батарее, примерно 1,5 В в свинцовой аккумуляторной батарее, примерно 2,0 В в литиево-ионной батарее и примерно 3,0 В в электрическом двухслойном конденсаторе. Точнее, если принять одинаковое изменение напряжения, изменение напряжения никель-металл-гидридной батареи будет мало, составляя вплоть до 1/15 относительно изменения напряжения свинцовой аккумуляторной батареи, 1/20 относительно изменения напряжения литиево-ионной батареи или 1/30 относительно изменения напряжения электрического двухслойного конденсатора.

Как изображено на фиг.9, характеристика напряжения никель-металл-гидридной батареи, отображенная кривой а, более плавная по сравнению с характеристиками напряжения других батарей и им подобного в широком диапазоне SOC. Точнее, изменение напряжения никель-металл-гидридной батареи мало в широком диапазоне SOC. Изменения напряжений других батарей, отображенные кривыми b, c и d относительно изменения SOC, больше по сравнению с изменением напряжения никель-металл-гидридной батареи. Например, со ссылкой на среднее значение SOC, в случае, когда напряжение никель-металл-гидридной батареи при среднем значении SOC равно V₁, и никель-металл-гидридная батарея используется таким образом, что изменение напряжения никель-металл-гидридной батареи не выходит за рамки интервала dV₁, никель-металл-гидридная батарея может использоваться практически на всем интервале значений SOC. Таким образом, емкость батареи может быть эффективно использована. Напротив, в случае, когда напряжение свинцовой аккумуляторной батареи при среднем значении SOC равно V₂, и свинцовая аккумуляторная батарея используется таким образом, чтобы изменение напряжения свинцовой аккумуляторной батареи не выходило за рамки интервала dV₂, свинцовая аккумуляторная батарея может использоваться только в узком диапазоне значений SOC. Таким образом, емкость батареи не может использоваться эффективно. Аналогично, в случае, когда напряжение литиево-ионной батареи при среднем значении SOC равно V₃, и литиево-ионная батарея используется таким образом, чтобы изменение напряжения литиево-ионной батареи не выходило за рамки интервала dV₃, литиево-ионная батарея может использоваться только в узком диапазоне значений SOC. Таким образом, емкость батареи не может использоваться эффективно. Здесь размер диапазона изменения напряжения был приведен к среднему значению напряжения, так что справедливо соотношение ″dV₁/V₁=dV₂/V₂=dV₃/V₃″.

Таким образом, в случае, когда система 108 батарей, в которой напряжение батарей, когда SOC соответствует середине диапазона S, например, SOC равно от 50 до 70%, равно или практически равно номинальному значению выходного напряжения системы электроснабжения электрических рельсовых транспортных средств, изображенной на фиг.8, непосредственно соединена с расположенной сверху контактной линией 109, как на фиг.8, и даже если состояние заряда (SOC) системы 108 батарей отклоняется в результате повторения заряда и разряда системы 108 батарей, изменение напряжения батарей мало. Следовательно, емкость батареи может быть эффективно использована.

Таким образом, в системе батарей по данному изобретению допустимый диапазон изменения напряжения расположенной сверху контактной линии покрывает практически весь диапазон значений SOC. Следовательно, емкость батареи эффективно используется без контроллера заряда и разряда.

Предложена система батарей, обеспечивающая электроснабжение электрических транспортных средств, преимущественно рельсовых, которая сконфигурирована путем последовательного соединения множества батарейных модулей, где каждый из множества батарейных модулей сконфигурирован путем укладки в стопу множества отдельных батарей. Соединительный контакт, через который получается электричество, обеспечен между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода по меньшей мере одного из множества батарейных модулей, чтобы выводить электроэнергию из по меньшей мере одного батарейного модуля по меньшей мере через указанный один соединительный контакт, который имеет потенциал между потенциалом положительного электрода и потенциалом отрицательного электрода. Предложенное устройство обеспечивает точное регулирование выходного напряжения системы батарей в рамках требуемого диапазона. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система батарей, содержащая:
множество батарейных модулей, сконфигурированное путем последовательного соединения, причем каждый из батарейных модулей сконфигурирован путем укладки в стопу множества отдельных батарей, так что указанное множество отдельных батарей соединены последовательно; и
по меньшей мере один соединительный контакт, обеспеченный между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода по меньшей мере одного из множества батарейных модулей, чтобы выводить электроэнергию из по меньшей мере одного батарейного модуля по меньшей мере через указанный один соединительный контакт, который имеет потенциал между потенциалом контакта положительного электрода и потенциалом контакта отрицательного электрода.

2. Система батарей по п.1, в которой
указанный по меньшей мере один соединительный контакт является одним из множества соединительных контактов, обеспеченных по меньшей мере на одном из множества батарейных модулей; и
множество соединительных контактов соответственно соединено с множеством положений, которые расположены в батарейном модуле и отличаются друг от друга потенциалом.

3. Система батарей по п.1, в которой множество отдельных батарей представляет никель-металл-гидридные батареи.

4. Система батарей по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один промежуточный токосъемник, обеспеченный между соседними отдельными батареями в каждом из множества батарейных модулей, и указанный по меньшей мере один соединительный контакт, соответственно присоединен к по меньшей мере одному промежуточному токосъемнику.

5. Система батарей по п.4, в которой промежуточный токосъемник покрыт никелем.

6. Система батарей по п.4, дополнительно содержащая по меньшей мере одну теплоотводную пластину, сконфигурированную для отвода тепла, генерируемого в отдельных батареях, причем по меньшей мере одна теплоотводная пластина обеспечена между соседними отдельными батареями в каждом из батарейных модулей, причем толщина промежуточного токосъемника равна общей толщине одной отдельной батареи и одной теплоотводной пластины или общей толщине одной отдельной батареи и двух теплоотводных пластин.

7. Система батарей по п.6, дополнительно содержащая корпус, причем батарейные модули размещены в корпусе.

8. Система батарей по п.7, дополнительно содержащая множество контактов питания для внешнего соединения, причем корпус снабжен множеством контактов питания, указанное множество контактов питания соответственно электрически соединено с соединительным контактом, с контактом положительного электрода и с контактом отрицательного электрода.

9. Система батарей по п.1, в которой соединительный контакт является съемным.

10. Система электроснабжения для электрических рельсовых транспортных средств, используемая на подстанции для электрических рельсовых транспортных средств, содержащая:
трансформатор, сконфигурированный для приема электричества через силовую линию переменного тока;
выпрямительное устройство, соединенное с трансформатором;
фидер, соединенный с выпрямительным устройством; и
систему батарей, непосредственно соединенную с фидером, причем система батарей включает в себя:
множество батарейных модулей, сконфигурированных для последовательного соединения, причем каждый из батарейных модулей сконфигурирован путем укладки в стопу множества отдельных батарей, так что указанное множество отдельных батарей соединены последовательно; и
по меньшей мере один соединительный контакт, размещенный между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода по меньшей мере одного из множества батарейных модулей, чтобы выводить электроэнергию из по меньшей мере одного батарейного модуля, по меньшей мере через указанный один соединительный контакт, который имеет потенциал между потенциалом контакта положительного электрода и потенциалом контакта отрицательного электрода.

11. Батарейный модуль, содержащий:
множество никель-металл-гидридных отдельных батарей, причем указанный батарейный модуль сконфигурирован путем укладки в стопу множества никель-металл-гидридных отдельных батарей, так что указанное множество никель-металл-гидридных отдельных батарей соединены последовательно;
по меньшей мере один соединительный контакт, размещенный между контактом положительного электрода и контактом отрицательного электрода батарейного модуля, чтобы выводить электроэнергию из по меньшей мере одного батарейного модуля, при этом по меньшей мере один соединительный контакт имеет потенциал между потенциалом контакта положительного электрода и потенциалом контакта отрицательного электрода; и
по меньшей мере один промежуточный токосъемник, покрытый никелем и размещенный между соседними никель-металл-гидридными отдельными батареями, причем по меньшей мере один соединительный контакт соответственно присоединен к по меньшей мере одному промежуточному токосъемнику.

12. Батарейный модуль по п.11, дополнительно содержащий по меньшей мере одну теплоотводную пластину, сконфигурированную для отвода тепла, генерируемого в никель-металл-гидридных отдельных батареях, причем по меньшей мере одна теплоотводная пластина размещена между соседними никель-металл-гидридными отдельными батареями, при этом толщина промежуточного токосъемника равна общей толщине одной никель-металл-гидридной отдельной батареи и одной теплоотводной пластины или общей толщине одной отдельной никель-металл-гидридной батареи и двух теплоотводных пластин.