铁道车辆用的电池箱和铁道车辆

摘要

本发明涉及一种铁道车辆用的电池箱以及铁道车辆。在应用于铁道车辆的驱动系统的情况下，需要制作高电压，但还要确保组装时的安全性，并且由于搭载于铁道车辆的有限空间中，所以需要实现小型化。本发明的铁道车辆用的电池箱具有：收纳多个锂离子电池单元的多个电池模块(11)、收纳该多个电池模块的电池模块收纳部(1)、检测多个电池模块的状态并控制充放电的控制部(2)和能够将电池模块收纳部和控制部在车辆的行驶方向上并列设置的电池箱筐体(3)。

权利要求

1.一种铁道车辆用的电池箱，其具有：收纳多个锂离子电池单元的多个电池模块；

收纳所述多个电池模块的电池模块收纳部；

检测所述多个电池模块的状态，控制充放电的控制部；

能够并列设置所述电池模块收纳部和所述控制部的电池箱筐体，所述铁道车辆用的电池箱的特征在于：所述控制部具有：

用于使所述电池模块与外部设备连接的连接端子；

使所述电池模块接地的接地端子；

与所述连接端子或所述接地端子连接，而将所述电池模块切换成连接状态或接地状态的切换机构，所述连接端子及所述接地端子，在外侧设置电位低的端子，并设置越向中央电位越比外侧高的端子。

2.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述多个电池模块中的每个电池模块的重量为35kg以下。

3.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块收纳部具有使各所述多个电池模块在水平方向上相对于所述电池箱筐体能够拆装的电池模块移动机构。

4.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块收纳部具有能够与所述电池模块电连接的连接器。

5.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块收纳部具有对被收纳的所述多个电池模块的一端部侧进行排放热的风扇。

6.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块具有收纳多个锂离子电池单元的电池模块筐体和设于所述电池模块筐体的上表面和下表面的管道。

7.如权利要求6所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块筐体具有测量锂离子电池单元的温度的温度传感器。

8.如权利要求6所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述电池模块筐体具有检测电解液从锂离子电池单元泄漏的情况的气体传感器。

9.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述控制部具有当将所述切换机构从所述接地状态切换为所述连接状态时，在所述切换机构与所述连接端子连接之前与该切换机构连接的辅助连接端子，在所述连接端子和所述辅助连接端子之间具有电阻体。

10.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，所述切换机构为模块连接杆。

11.如权利要求1所述的铁道车辆用的电池箱，其中，在将串联连接的多个电池模块作为电池组的情况下，所述连接端子及所述接地端子在并列设有所述电池模块收纳部和所述控制部的方向上，从一端起顺次设置电位第奇数位低的所述电池组的阴极、阳极，从另一端起设置电位第偶数位低的所述电池组的阴极、阳极。

12.一种铁道车辆，其中，

其具有权利要求1或11所述的铁道车辆用的电池箱。

说明书

铁道车辆用的电池箱和铁道车辆

[0001] 本申请是分案申请，其母案申请的申请号：200910166446.0，申请日：2009.8.17，发明名称：铁道车辆用的电池箱和铁道车辆。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种搭载于铁道车辆上的电池箱和铁道车辆。

背景技术

[0003] 一般在铁道车辆中作为非常用电源装备有蓄电池，以当来自架线的电源供给切断时或者由发电机等故障而切断电源供给的状态下也能够在一定时间内确保车室内客箱中照明等的一定功能。并且，这样的蓄电池收纳于安装在通常车体上的蓄电池箱内。

[0004] 在专利文献1中公开有这样的铁道车辆用蓄电池箱，为了确保其蓄电池箱的小型化和移动托盘的稳定性，搭载有电池的移动托盘以能够通过所述开口部抽出的方式被收纳，移动托盘被收纳时，在接出连接器与接入连接器连接的方向上引导移动托盘，能够顺畅地进行电连接。

[0005] 专利文献1：特开2004-231024号公报

[0006] 在电池中使用锂离子电池的情况下，根据联合国危险货物运输建议书，其受到打包状态下可运输重量的限制，所以要使运输时的重量为限制以下，并且需要使运输后的组装容易。

[0007] 另外，在铁道车辆的驱动系统中应用锂离子电池单元的情况下，需要将多个锂离子电池单元串联连接，制作高电压，但还需要确保组装时的安全性。另外，由于搭载于铁道车辆的有限空间内，所以需要实现进一步的小型化。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于，提供一种即使在连接有多个电池的高电压系统中也能够确保组装时的安全性并构成小型的电池箱。

[0009] 为了解决上述问题，本发明的铁道车辆的电池箱形成具有收纳多个锂离子电池单元的多个电池模块；收纳所述多个电池模块的电池模块收纳部；检测所述多个电池模块的状态，控制充放电的控制部；能够并列设置所述电池模块收纳部和所述控制部的电池箱筐体，所述铁道车辆用的电池箱的特征在于：所述控制部具有：用于使所述电池模块与外部设备连接的连接端子；使所述电池模块接地的接地端子；与所述连接端子或所述接地端子连接，而切换成连接状态或接地状态的切换机构，所述连接端子及所述接地端子，在外侧设置电位低的端子，并设置越向中央电位越比外侧高的端子。

[0010] 〔发明效果〕

[0011] 根据本发明，能够提供即使在连接有多个电池的高电压系统中也能够确保组装时的安全性并构成小型的电池箱。

附图说明

[0012] 图1是本发明的铁道车辆用的电池箱的立体图。

[0013] 图2是本发明的铁道车辆用的电池箱的俯视图。

[0014] 图3是图2的铁道车辆用的电池箱的B-B′剖面图。

[0015] 图4是图2的铁道车辆用的电池箱的A-A′剖面图。

[0016] 图5是表示本发明的电池模块的一实施例的图。

[0017] 图6是表示本发明的电池模块的一实施例的图。

[0018] 图7是表示本发明的电池模块的连接时的连接器的状态的图。

[0019] 图8是表示本发明的电池模块的连接时的连接器的状态的图。

[0020] 图9是本发明的铁道车辆用的电池箱的一实施例的电路图。

[0021] 图10是本发明的铁道车辆用的电池箱的另一实施例的电路图。

[0022] 图11是本发明的铁道车辆用的电池箱的另一实施例的电路图。

[0023] 图12是本发明的维护开关的主视图。

[0024] 图13是表示本发明的维护开关的接地状态的侧面图。

[0025] 图14是表示本发明的维护开关的切换状态的侧面图。

[0026] 图15是表示本发明的维护开关的连接状态的侧面图。

[0027] 附图标记说明

[0028] 1 电池模块收纳部

[0029] 2 控制部

[0030] 3 电池箱筐体

[0031] 11 电池模块

[0032] 12 保持部

[0033] 13 轨道

[0034] 14 信号阳型连接器

[0035] 15 主电路阳型连接器

[0036] 16 风扇

[0037] 17 百叶窗

[0038] 18 过滤单元

[0039] 19 前部密封板

[0040] 20 后部密封板

[0041] 111 电池单元

[0042] 112 单元控制器

[0043] 113 电池模块筐体

[0044] 114 信号阴型连接器

[0045] 115 主电路阴型连接器

[0046] 116 把手

[0047] 117 温度传感器

[0048] 118 气体传感器

[0049] 119 保险丝

[0050] 120 吸气管道

[0051] 121 排气管道

[0052] 122 安装部

[0053] 201 蓄电池控制器

[0054] 202 维护开关

[0055] 202a2、202b2、202c2、202d2、202e2、202f2、202g2、202h2 模块连接杆[0056] 202a3、202b3、202c3、202d3、202e3、202f3、202g3、202h3 模块辅助连接端子[0057] 202a4、202b4、202c4、202d4、202e4、202f4、202g4、202h4 模块连接端子[0058] 202b1、202d1、202f1、202h1 接地端子

[0059] 203 接近开关

[0060] 204 电流检测器

[0061] 205 保险丝

[0062] 206 电压检测器

[0063] 207 模块信号连接器

[0064] 208 模块主电路连接器

[0065] 209 外部主电路端子

[0066] 210 风扇连接器

[0067] 211 上位通信连接器

[0068] 212a～212g 冲击电流防止电阻

[0069] 213b～213h 接地电阻

[0070] 301 操作杆

具体实施方式

[0071] 参照附图说明以下各实施例。

[0072] 〔实施例1〕

[0073] <电池箱的说明>

[0074] 利用图1～图4说明本发明的电池箱的结构。

[0075] 图1、图2、图3和图4分别为电池箱的立体图、拆下上面面板的状态下的俯视图、图2的B-B′剖面图和图2的A-A′剖面图。另外，在图2中，下侧为前面、上侧为背面、左侧为左侧面、右侧为右侧面。另外，在车辆中电池箱的侧面朝向前后方向安装，前面朝向车辆左右方向的外侧搭载。

[0076] 本发明的电池箱如图2所记载，由收纳该多个电池模块的电池模块收纳部1、检测多个电池模块的状态并控制充放电的控制部2和能够将电池模块收纳部1和控制部2并列设置的电池箱筐体3构成。为了确保乘客等搭乘用的空间，搭载于铁道车辆上的机器大多安装在车地板上或屋檐上。因此，车载的机器的高度受到限制。例如，一般车辆的情况下，为650mm左右。另外，前后方向即车辆的左右方向也要受到为了防止与设置在地上的设备接触而设的车辆标界限制。相对于此，如本发明的电池箱所示，通过将电池模块收纳部1和控制部2在左右即车辆的行驶方向上并列配置，从而能够应对这些限制。

[0077] 电池模块收纳部1由多个(本实施例中为八个)的电池模块11、安装在电池模块上的保持部12、能够在前后方向移动保持部12的保持轨道13、用于将电池模块的信号线与电池箱连接而安装的连接器即能够与电池模块电连接的连接器(信号阳型连接器14、主电路阳型连接器15)、从筐体内部向筐体外部排放冷却风的、即对被收纳的多个电池模块的一端部侧排放热的四个风扇16、防止异物从背面侵入的百叶窗17、组合防止异物从正面侵入的百叶窗和从由外部吸入的冷却风除去尘埃等的过滤器而成的过滤单元18、前部密封板19和后部密封板20构成。

[0078] 如图1所示，使安装在电池箱上的保持部12相对于轨道13滑动并同时从前面插入电池模块11，顺次安装前部密封板19、过滤单元18。在前部密封板19上如图4所示开设使电池模块11的冷却所需要的冷却风通过的孔。另外，在后部密封板20上也同样开设使电池模块11的冷却所需要的冷却风通过的孔。

[0079] 另外，电池模块收纳部设置有多个电池模块11的各个电池模块能够在水平方向相对于电池箱筐体3拆脱的电池模块移动机构、在本实施例中为轨道13。这样，各电池模块从相对于车辆行驶方向垂直的方向即车辆侧面拆脱，起到维护性能优越的效果。

[0080] <电池模块的说明>

[0081] 接着，使用图5～图8说明电池模块11的详细情况。

[0082] 图5(a)为前面图，图5(b)为俯视图，图5(c)为侧面图，图5(d)为底面图。另外图6(a)为图5(a)的背面图，图6(b)为图5(b)的C-C′剖面图，图6(c)为图5(c)的D-D′剖面图。

[0083] 电池模块11由四十八个电池单元111(本实施例中使用锂离子电池单元)、单元控制器112、收纳多个锂离子电池单元的电池模块筐体113、信号阴型连接器114、用于流通电池的充放电电流的主电路阴型连接器115、运送电池模块11时使用的把手116、测量电池单元111的温度的温度传感器117(图6(b)中使用两个传感器)、检测电解液从电池单元111泄漏的气体传感器118(图6(b)中在设置有电池模块113的电池单元的底面上使用两个传感器)、保险丝119、设于电池模块筐体113的上表面以及下表面的管道(设于电池模块筐体113的下表面的两个吸气管道120、设于电池模块筐体113的上表面的两个排气管道
121)、安装部122以及前述的保持部12构成。

[0084] 如图6(b)所示，多个锂离子电池单元收纳在一个电池模块11中。另外，图5(c)、图6(b)以电池单元111为水平状态的方式绘制，但是安装在电池箱上的情况下，使吸气管道120的下表面、排气管道121的上表面以及保持部12为水平状态而插入。由此，能够防止电池箱的上部和下部形成无用的空间。另外，插入时由于不受对电池模块11的重力影响，能够防止拆脱时发生事故。

[0085] 电池单元111经由主电路阴型连接器115和主电路阳型连接器15与控制部2连接，进行充放电。

[0086] 单元控制器112被输入内设于电池模块筐体113中的四十八个电池单元111的各电压、测量电池单元111的温度的温度传感器117以及检测电解液从电池单元111泄漏的情况的气体传感器118的信号，将其转换为串行传送，经由信号阴型连接器114和信号阳型连接器14与控制部2连接。单元控制器112将各电池单元111的电压、温度传感器117、气体传感器118的信号转换为串行通信，经由信号阴型连接器114传送给后述的蓄电池控制器。另外，根据蓄电池控制器的指令进行每个电池单元的充电量的调整。

[0087] 温度传感器117至少根据冷却条件，安装在温度最高的电池单元和温度最低的单元。通过电池单元最高的温度传感器，利用风扇16的控制和充放电电流的限制来限制影响电池单元的寿命的高温侧的使用温度。另外，通过温度最低的电池单元的温度传感器，利用风扇16的控制来限制电池单元能力降低的低温侧的使用温度。

[0088] 电池模块11中，将保持部12搭载于安装在电池箱筐体3上的轨道13上并在其上滑动，并同时将电池模块11以拉出的方式向后方插入。通过插入电池模块11，从而能够使固定在电池模块11上的信号阴型连接器114和主电路阴型连接器115分别与固定在电池箱筐体3上的信号阳型连接器14以及主电路阳型连接器15结合。

[0089] 该情况示于图7和图8。图7为结合前的状态，图8为刚结合后的状态。由此，能够使电池模块11和控制部2与连接器不直接接触而连接。特别是，电池模块11的主电路连接器由于常常施加有电压，所以能够防止触电或连接错误导致的事故发生。信号阴型连接器114以及主电路阴型连接器115也能够配置在电池模块11的后端部，但是通过配置在侧部，能够减少当搭载于铁道车辆上的情况下限制较严格的前后方向的尺寸。

[0090] 另外，电池模块的重量为35kg以下。这样，能够符合打包状态下处于联合国危险货物运输建议书中规定的重量(35kg以下)范围内，所以能够对归属为危险货物利用航空器进行运输，在拆下电池模块11的状态下通过航空器运输，在运输目的地容易进行组装。

[0091] 另外，由于能够从电池箱的前面即车辆的侧方拆脱电池模块11，所以即使在将电池箱搭载于车辆上的状态下也能够拆脱模块。另外，通过使电池模块侧的连接器采用阴型连接器，从而能够降低发生短路造成的事故的可能性。另外，通过在模块内设置保险丝，从而即使在使主电路阴型连接器115短路的情况下也能够遮断短路电流，所以能够确保安全性。

[0092] 接着，说明电池单元111的冷却。吸气管道120按压在前部密封板19上，吸气管道120的外侧通过前部密封板19以及吸气管道而从具有过滤单元18的空间隔离。吸气管道120的内侧经由前部密封板19的孔与具有过滤单元18的空间相连。排气管道121按压在后部密封板20上，排气管道121的外侧通过后部密封板20以及排气管道121而从具有风扇16的空间隔离。排气管道121的内部经由后部密封板20的孔而与具有风扇16的空间相连。

[0093] 用于抑制伴随因充放电使电池单元111散热而使温度上升的冷却风，经由过滤单元18而将该冷却风送入电池箱内。送入的冷却风从设于前部密封板19上的孔，通过电池模块的吸气管道120，而冷却电池单元111的侧面。因进行冷却而温度上升的冷却风通过排气管道121，从设于后部密封板20上的孔中抽出，通过风扇16和百叶窗17，向电池箱外排出。

[0094] 如前所述，冷却风仅由电池单元111的侧部引导，不进入信号阳型连接器14、信号阴型连接器114、主电路阳型连接器15以及主电路阴型连接器115的周围。另外，该冷却风同样地不进入控制部2。由此，不能由过滤单元18除尽的尘埃等不会堆积在连接器或控制部2的机器上，能够抑制因接触不良、腐蚀、短路而发生故障。

[0095] 另外，通过将模块内用图6(c)虚线所示的部分制成密封的结构，尘埃不会堆积在设于电池单元111的左右(两端)的电极部分或单元控制器112上，从而能够抑制腐蚀或短路而发生故障。

[0096] 另外，伴随电解液泄漏而产生的气体，由于比空气重，所以通过在收纳电池单元111的空间中最低的部位设置气体传感器118，能够有效地测知电解液的泄漏。另外，如前所述，由于保持部12以形成水平状态的方式插入，所以后部的电池单元111变低。

[0097] <控制部的说明>

[0098] 接着，关于控制部2，使用图9～图11进行说明。图9是全部串联连接多个(本实施例中为8个)的电池模块111的情况(8串)的电路图。

[0099] 控制部2由电池控制器201、维护开关202、接近开关203、电流检测器204、保险丝205、电压检测器206、模块信号连接器207、模块主电路连接器208、外部主电路端子209、风扇连接器210、上位通信连接器211、冲击电流防止电阻212a～212g以及接地电阻213b～
213h构成。

[0100] 电池控制器201与检测维护开关的状态的接近开关203、检测电池模块的充放电电流的电流检测器204、进行电池模块的过电流保护的保险丝205的断线检测器、检测输出电压的电压检测器206连接。另外，经由模块信号连接器207、信号阳型连接器14以及信号阴型连接器114与单元控制器112连接，经由风扇连接器210与风扇16连接，经由上位通信连接器211与上位控制器连接。

[0101] 这样，由于经由连接器与电池模块收纳部1或外部连接，所以容易拆除连接结构。另外，形成将控制部2从前面抽出的结构。由此，控制部2能够容易从电池箱筐体3拆除，所以维护性优良。在蓄电池控制器201中，根据电流检测器204的输出、电压检测器206的输出以及由通信传送的单元控制器112所检测的温度，来进行电池单元111的充电量的计算以及保护所需的异常状态的检测，通过串行通信对上位控制器传送充电量和异常状态的信息。蓄电池控制器201检测保险丝205的断线状态和风扇16的异常，同样地将其传送给上位控制器。另外，根据单元控制器112所检测的各电池单元的电压，对单元控制器112指令充电量的平衡控制。另外，电池控制器201根据温度最高的电池单元的温度来控制风扇
16的运转开始，根据温度最低的电池单元的温度，控制风扇16的运转停止。

[0102] 接着，说明主电路的连接。电池模块11每两个串联连接，并经由模块主电路连接器208与维护开关202连接，另外经由外部主电路端子209与外部连接。

[0103] 维护开关具有：接地端子202b1、202d1、202f1、202h1；模块连接杆202a2、202b2、202c2、202d2、202e2、202f2、202g2、202h2；模块辅助连接端子202a3、202b3、202c3、202d3、
202e3、202f3、202g3、202h3；模块 连接 端子 202a4、202b4、202c4、202d4、202e4、202f4、
202g4、202h4。

[0104] 电池模块11经由模块主电路连接器208与模块连接杆连接，基本上进行接地端子和模块连接端子的切换。在模块连接杆与模块连接端子连接的通常状态时，电池模块11全部与外部设备串联连接。通常该状态下使用电池箱。但是，由于在电池模块11中具有高电位的地方，所以该状态下若进行电池模块11的插拔等操作，有触电等危险。接着，在模块连接杆与接地端子连接的接地状态时，对应每个串联连接的两个电池模块11，阴极的主电路阴型连接器经由接地端子213b～213h接地。该状态下，全部电池模块11的电位能够被抑制很低，所以在进行电池模块11的插拔等操作的情况下能够降低触电等危险。

[0105] 即，在本实施例中，形成控制部2具有用于将电池模块与外部设备连接的模块连接端子、用于使电池模块接地的接地端子和与连接端子或接地端子连接而切换为连接状态或接地状态的切换机构在此为模块连接杆的结构。

[0106] 另外，从接地状态向连接状态切换时，最初与模块连接杆和模块辅助连接端子连接，经由冲击电流防止电阻进行串联连接和外部连接，抑制向杂散电容等的充电电流。之后，将模块连接杆和连接端子连接。即，从接地状态向连接状态切换时，模块连接杆在与连接端子连接之前与模块辅助连接端子连接，从而能够抑制连接时的冲击电流。这是因为如上所述，将接地电阻这样的电阻体设置在模块连接端子和接地端子之间。

[0107] 另外，在并联连接两个通过将四个电池模块11串联连接而成的电池组的情况下(4串2并)的电路图示于图10，并联连接四个将两个电池模块11串联连接而成的电池组的情况下(2串4并)的电路图示于图11。随着组数的增加，仅通过增加电流检测器204、保险丝205以及电压检测器206的数量，变更维护开关202的连接，而能够应对。

[0108] 即，电池组关于一个组，至少需要一个电流检测器204、保险丝205以及电压检测器206，如图10、图11所示组数每有增加，则电流检测器204、保险丝205和电压检测器206增加，但是这些仅通过变更维护开关202的连接，能够轻易地增加组数。

[0109] <维护开关>

[0110] 使用图12～图15说明维护开关202的结构。

[0111] 图12表示维护开关202的连接状态的主视图。301为用于综合操作模块连接杆(202a2、202b2、202c2、202d2、202e2、202f2、202g2、202h2)的操作杆。从上顺次配置模块连接端子(202f4)、模块连接辅助端子(202f3)、模块连接杆(202f2)、接地端子(202f1)。另外，在横方向上(电池模块收纳部和控制部并列设置的方向，即车辆的行驶方向)的模块连接端子和接地端子排列为在外侧放置电位低的端子，越向中央越配置电位比外侧高的端子。具体地，从最左端的端子顺次配置电位第一低的电池组的阴极、电位第一低的电池组的阳极、电位第三低的电池组的阴极、电位第三低的电池组的阳极，即顺次排列设置电位第奇数位低的电池组的阴极、阳极，从最右端的端子顺次配置电位第二低的电池组的阴极、电位第二低的电池组的阳极、电位第四低的电池组的应急、电位第四低的电池组的阳极，即顺次排列设置电位第偶数位低的电池组的阴极、阳极。另外，电池组在本实施例中表示串联连接的两个电池模块。

[0112] 由此，能够抑制维护开关202内的电极间的电压，能够缩短表面距离，并能够将维护开关202的两侧的电极电位抑制得较低，所以也能够缩短与筐体间的距离，能够实现机器的小型化。

[0113] 另外，也可以左右调换，从左配置第偶数位、从右配置第奇数位的端子。另外，电位第一低的电池组的阳极、电位第二低的电池组的阴极等相同电位的电极也能够调换。

[0114] 图13是接地状态的维护开关202的侧面图。在从接地端子202f1经由绝缘材料而向前方保持的接地杆和接地端子之间连接接地电阻213f。

[0115] 接着，从接地状态向连接状态切换的过程中的维护开关202的侧面图示于图14。最初，模块连接杆202f2和模块连接辅助端子202f3接触，经由冲击电流防止电阻212f连接。另外，冲击电流防止电阻212f连接在模块连接辅助端子202f3和模块连接端子202f4之间。另外，当操作模块连接杆202f2时，则形成图15所示的连接状态。该状态下，冲击电流防止电阻212f的两端子短路，不用介入冲击电流防止电阻212f而能够直接连接。另外，相对于模块连接端子(202f4)在模块连接辅助端子(202f3)的相反侧(上侧)配置接近开关203。这样，图15这样的连接状态时，接近开关203检测操作杆301，能够检测到维护开关202为连接状态，维护开关202的切换遗漏能够经由蓄电池控制器201由上位控制器检测。

[0116] 另外，通过在铁道车辆上搭载以上这样的电池箱，从而即使在连接多个电池的高电压的系统中，也能够确保组装时的安全性，并能够提供搭载有小型的电池箱的混合型铁道车辆。