特許 5977979 鉄道車両用の蓄電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5977979

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月24日

(54)【発明の名称】鉄道車両用の蓄電装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/36 20060101AFI20160817BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20160817BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20160817BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20160817BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/36 AZHV

   H01M10/48 P

   H01M10/44 Q

   H01M10/44 P

   H02J7/00 X

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-79960(P2012-79960)

(22)【出願日】2012年3月30日

(65)【公開番号】特開2013-210257(P2013-210257A)

(43)【公開日】2013年10月10日

【審査請求日】2015年3月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000221616

【氏名又は名称】東日本旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(74)【代理人】

【識別番号】110001036

【氏名又は名称】特許業務法人暁合同特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 耕治

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 寛

(72)【発明者】

【氏名】柴沼 健一

(72)【発明者】

【氏名】西田 淳

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 康貴

(72)【発明者】

【氏名】石本 孔律

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 広和

【審査官】 濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０８５２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４８５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９１１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０４３７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９２６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２９４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３１／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電素子の電力で走行する鉄道車両用の蓄電装置であって、
前記蓄電素子と、
前記蓄電素子の端子電圧を測定する電圧測定部と、
前記蓄電素子の温度を測定する温度測定部と、
前記蓄電素子の温度と、当該温度における前記蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときの前記蓄電素子の分極電圧値及び前記蓄電素子のＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報が記憶されるメモリと、
外部電源からの電力により前記蓄電素子を充電する充電部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第１ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第１ＯＣＶに対応する第１ＳＯＣを特定する第１ＳＯＣ特定処理と、
第１ＳＯＣ特定処理の実行後に、前記充電部により、前記蓄電素子を一定電流で一定時間だけ充電する電気量変更処理と、
前記電気量変更処理後に、前記蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときにおける前記電圧測定部及び前記温度測定部の測定結果に基づき前記メモリの情報を参照して前記蓄電素子の第２ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第２ＯＣＶに対応する第２ＳＯＣを特定する第２ＳＯＣ特定処理と、
前記第１ＳＯＣと前記第２ＳＯＣとの差であるＳＯＣ変化量、および、前記電気量変更処理で充電した電気量に基づき、前記蓄電素子の満充電容量を検出する容量検出処理とを実行する構成を有する鉄道車両用の蓄電装置。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両用の蓄電装置であって、
前記鉄道車両は、架線に接続された架線区間と、架線に接続されていない非架線区間とを走行し、
前記架線区間において前記制御部は、
前記電気量変更処理では、前記充電部により、前記蓄電素子を、当該充電部に電気的に接続された前記架線から供給される電力により充電する、鉄道車両用の蓄電装置。

【請求項3】

蓄電素子の電力で走行する鉄道車両用の蓄電装置であって、
前記蓄電素子と、
前記蓄電素子の端子電圧を測定する電圧測定部と、
前記蓄電素子の温度を測定する温度測定部と、
前記蓄電素子の温度と、当該温度における前記蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときの前記蓄電素子の分極電圧値及び前記蓄電素子のＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報が記憶されるメモリと、
前記蓄電素子の電力を外部に放電する放電部と、
制御部と、を備え、
前記メモリには、前記温度と前記分極電圧値との対応関係を示す情報が記憶され、
前記制御部は、
前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第１ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第１ＯＣＶに対応する第１ＳＯＣを特定する第１ＳＯＣ特定処理と、
第１ＳＯＣ特定処理の実行後に、前記放電部により、前記蓄電素子を一定電流で一定時間だけ放電する電気量変更処理と、
前記電気量変更処理後に、前記蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときにおける前記電圧測定部及び前記温度測定部の測定結果に基づき前記メモリの情報を参照して前記蓄電素子の第２ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第２ＯＣＶに対応する第２ＳＯＣを特定する第２ＳＯＣ特定処理と、
前記第１ＳＯＣと前記第２ＳＯＣとの差であるＳＯＣ変化量、および、前記電気量変更処理で放電した電気量に基づき、前記蓄電素子の満充電容量を検出する容量検出処理と、を実行する構成を有する鉄道車両用の蓄電装置。

【請求項4】

請求項３に記載の鉄道車両用の蓄電装置であって、
前記鉄道車両は、架線に接続された架線区間と、架線に接続されていない非架線区間とを走行し、
前記架線区間において前記制御部は、
前記電気量変更処理では、前記放電部により、前記蓄電素子から放電された電力を、当該放電部に電気的に接続された前記架線に供給する、鉄道車両用の蓄電装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の鉄道車両用の蓄電装置であって、
前記蓄電素子は、劣化によらず、前記ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係は不変である、鉄道車両用の蓄電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、車両に搭載された蓄電装置の電力で走行可能な鉄道車両用の蓄電装置に関し、特に、蓄電装置の満充電容量を検出する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及進展に伴い、蓄電装置の性能向上が著しく、蓄電池電車など、搭載された蓄電装置の電力で走行可能な鉄道車両も開発されている。このような鉄道車両では、例えば定期点検などで、鉄道車両用の蓄電装置の満充電容量を検出し、その検出結果から蓄電装置の劣化度や交換時期を把握する必要がある。

【0003】

ここで、従来から、蓄電装置の満充電容量を検出するバッテリ容量検出装置がある（特許文献１）。このバッテリ容量検出装置では、中間放電状態から満充電状態までの充電時間に関する充電特性が充電特性記憶部に予め格納されている。そして、実際に、バッテリが、所定の中間放電状態から満充電状態に充電され、その充電に要した充電時間が測定され、その充電時間と上記充電特性とに基づきバッテリの満充電容量が検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−２６５８０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来のバッテリ容量検出装置では、満充電容量を検出するために、バッテリを満充電状態にすることが必須である等の問題があり、他の手段により満充電容量を検出する技術が要望されていた。

【0006】

本明細書では、従来技術とは異なる手段により、蓄電装置の満充電容量を検出することが可能な技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書によって開示される、蓄電素子の電力で走行する鉄道車両用の蓄電装置は、前記蓄電素子と、前記蓄電素子の端子電圧を測定する電圧測定部と、前記蓄電素子のＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報が記憶されるメモリと、外部電源からの電力により前記蓄電素子を充電する充電部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第１ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第１ＯＣＶに対応する第１ＳＯＣを特定する第１ＳＯＣ特定処理と、第１ＳＯＣ特定処理の実行後に、前記充電部により、前記蓄電素子を一定電流で一定時間だけ充電する電気量変更処理と、前記電気量変更処理後に、前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第２ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第２ＯＣＶに対応する第２ＳＯＣを特定する第２ＳＯＣ特定処理と、前記第１ＳＯＣと前記第２ＳＯＣとの差であるＳＯＣ変化量、および、前記電気量変更処理で充電した電気量に基づき、前記蓄電素子の満充電容量を検出する容量検出処理と、を実行する構成を有する。

【0008】

電気量変更処理の前後のＳＯＣ変化量と、蓄電素子の満充電容量とは相関関係がある。また、第１ＳＯＣと第２ＯＣＶは、第１ＯＣＶおよび第２ＯＣＶ、および、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報に基づき特定することができる。そこで、この鉄道車両用の蓄電装置によれば、ＳＯＣ変化量、および、電気量変更処理で充電した電気量に基づき、蓄電素子の満充電容量を検出することができる。しかも、電気量変更処理では電流が一定であるため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、積算誤差等により満充電容量の検出精度が低下することを抑制することができる。

【0009】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記鉄道車両は、架線に接続された架線区間と、架線に接続されていない非架線区間とを走行し、前記架線区間において前記制御部は、前記電気量変更処理では、前記充電部により、前記蓄電素子を、当該充電部に電気的に接続された前記架線から供給される電力により充電する構成でもよい。これにより、架線がある区間ではどこでも充電・各処理をすることができる。

【0010】

また、蓄電素子の電力で走行する鉄道車両用の蓄電装置は、前記蓄電素子と、前記蓄電素子の端子電圧を測定する電圧測定部と、前記蓄電素子のＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報が記憶されるメモリと、前記蓄電素子の電力を外部に放電する放電部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第１ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第１ＯＣＶに対応する第１ＳＯＣを特定する第１ＳＯＣ特定処理と、第１ＳＯＣ特定処理の実行後に、前記放電部により、前記蓄電素子を一定電流で一定時間だけ放電する電気量変更処理と、前記電気量変更処理後に、前記電圧測定部の測定結果に基づき前記蓄電素子の第２ＯＣＶを特定し、前記相関関係において、当該第２ＯＣＶに対応する第２ＳＯＣを特定する第２ＳＯＣ特定処理と、前記第１ＳＯＣと前記第２ＳＯＣとの差であるＳＯＣ変化量、および、前記放電処理で放電した電気量に基づき、前記蓄電素子の満充電容量を検出する容量検出処理と、を実行する構成を有してもよい。

【0011】

電気量変更処理の前後のＳＯＣ変化量と、蓄電素子の満充電容量とは相関関係がある。また、第１ＳＯＣと第２ＯＣＶは、第１ＯＣＶおよび第２ＯＣＶ、および、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に関する情報に基づき特定することができる。そこで、この鉄道車両用の蓄電装置によれば、ＳＯＣ変化量、および、電気量変更処理で放電した電気量に基づき、蓄電素子の満充電容量を検出することができる。しかも、電気量変更処理では電流が一定であるため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、積算誤差等により満充電容量の検出精度が低下することを抑制することができる。

【0012】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記制御部は、前記電気量変更処理では、前記放電部により、前記蓄電素子から放電された電力を、当該放電部に電気的に接続された架線に供給してもよい。

【0013】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記制御部は、前記第２ＳＯＣ特定処理では、前記電気量変更処理後、前記蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときにおける前記電圧測定部の測定結果に基づき、前記第２ＯＣＶを特定してもよい。

【0014】

この鉄道車両用の蓄電装置によれば、電気量変更処理後、蓄電素子の端子電圧がＯＣＶに収束する前の非収束期間だけ経過したときにおける電圧測定部の測定結果に基づき、第２ＯＣＶが特定される。電気量変更処理では電流が一定であるため、非収束期間経過時の端子電圧と収束期間経過後のＯＣＶとはほぼ相関関係がある。このため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、第２ＯＣＶの特定精度のばらつきを抑制しつつ、非収束期間内において満充電容量を検出することができる。

【0015】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記メモリには、前記非収束期間経過時における前記蓄電素子の分極電圧値が記憶され、前記制御部は、前記第２ＳＯＣ特定処理では、前記測定結果の端子電圧値、および、前記分圧電極値に基づき、前記第２ＯＣＶを特定してもよい。

【0016】

この鉄道車両用の蓄電装置によれば、非収束期間経過時における測定結果の端子電圧値、および、予め測定された分圧電極値に基づき、第２ＯＣＶが特定される。これにより、分圧電極値を考慮せずに第２ＯＣＶを特定する構成に比べて、第２ＯＣＶを精度よく検出することができる。

【0017】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記蓄電素子の温度を測定する温度測定部を備え、前記メモリには、前記温度と前記分極電圧値との対応関係を示す情報が記憶され、前記制御部は、前記第２ＳＯＣ特定処理では、前記対応関係を示す情報を参照して、前記温度測定部の測定結果に対応する前記分極電圧値を導出してもよい。

【0018】

この鉄道車両用の蓄電装置によれば、蓄電素子の温度と分極電圧値との対応関係を示す情報を参照して、温度測定部の測定結果に対応する分極電圧値が導出され、この導出された分極電圧値を利用して第２ＯＣＶが特定される。これにより、蓄電素子の温度変化により分極電圧値が変動しても、その変動により、第２ＯＣＶの特定精度が低下することを抑制することができる。

【0019】

上記鉄道車両用の蓄電装置では、前記蓄電素子は、劣化によらず、前記ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係は不変であることが好ましい。

【発明の効果】

【0020】

本明細書によって開示される発明によれば、従来技術とは異なる手段により、蓄電装置の満充電容量を検出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施形態１に係る蓄電池駆動電車システムの全体構成図

【図2】ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係を示すグラフ

【図3】電圧戻り特性を示すグラフ

【図4】劣化判定処理を示すフローチャート

【図5】容量比と経過期間との関係を示すグラフ

【図6】実施形態２の劣化判定処理を示すフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0022】

＜実施形態１＞
実施形態１の蓄電池駆動電車システム１について図１〜図５を参照しつつ説明する。

【0023】

（蓄電池駆動電車システムの構成）
図１に示すように、蓄電池駆動電車システム１は、非電化区間（非架線区間の一例）を蓄電池１５の電力のみで走行可能な鉄道車両１０と、蓄電池１５を短時間で充電するための地上充電設備３０を備えて構成されている。なお、鉄道車両１０は、蓄電池の電力により走行可能であれば、例えば、液体式ディーゼル車、ディーゼル・蓄電ハイブリッド車、架線レス電気車、架線・地上蓄電ハイブリッド、架線・車上蓄電ハイブリッドなどのいずれでもよい。

【0024】

鉄道車両１０は、モータ１１，インバータ１２，電力変換装置１３、蓄電システム１４、補助電源装置１９を備える。モータ１１は、図示しない車輪の車軸に動力を与えて鉄道車両１０を走行させる誘導電動機であり、出力は例えば９５ｋＷである。インバータ１２は、例えば、入力電圧が直流６００ＶのＶＶＶＦ方式（可変電圧可変周波数制御方式）のインバータを有し、モータ１１を回転制御する。電力変換装置１３は、充電部の一例であり、ＤＣＤＣコンバータを有し、架線４０の直流１５００Ｖと蓄電池用の直流６００Ｖを双方向に変換可能である。また、電力変換装置１３は、パンタグラフ４１を介して架線４０に電気的に接続される。

【0025】

蓄電システム１４は、鉄道車両用の蓄電装置の一例であり、蓄電池１５と、電池管理装置１６とを備えて構成されている。蓄電池１５は、具体的には、リチウムイオン電池である。ここで、本実施形態で適用されるリチウムイオン電池としては、種々のものが対象となるが、例えば、正極活物質としてマンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、複合ニッケル酸リチウム（ニッケルの一部をマンガン、コバルトなどの遷移金属で置換したもの）またはこれらの混合物、負極活物質として炭素材料を用いたものに適用できる。

【0026】

特に、各極活物質として単成分の活物質が用いられているリチウムイオン電池の場合に適用するのが好ましく、より好ましくは、正極活物質としてマンガン酸リチウム、負極活物質として非晶質系の炭素材料を用いたリチウムイオン電池の場合に適用するのが良い。その理由は、電池使用に伴うＯＣＶとＳＯＣとの相関関係の変化が少ないためである。勿論、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係に変化が生じる電池でもよい。このような電池でも、検出精度が多少低下するが、満充電容量をおおよその範囲で検出することが可能であるからである。以下の説明では、蓄電池１５を構成する電池セル１５Ａは、定格容量３０Ａｈ、正極にマンガン酸リチウムが用いられ、負極に非晶質系炭素材料が用いられたものであるとする。電池セル１５Ａは、蓄電素子の一例である。

【0027】

蓄電池１５は、電池モジュール１７が複数個直列に接続されて構成されている。各電池モジュール１７は、複数の電池セル１５Ａが直列に接続された電池セル群１７Ａと、電池監視基板１７Ｂ、温度センサ１７Ｃとを有する。各電池セル群１７Ａは、電力変換装置１３の一対の出力間に、ブレーカ１８を介して直列に接続されている。各温度センサ１７Ｃは、例えばサーミスタであって、それに対応する電池セル群１７Ａの周囲温度に応じた信号を出力する。各電池監視基板１７Ｂは、それに対応する各セル単位の電圧（以下、単にセル電圧という）を測定し、その測定結果に応じた電圧測定信号、および、各温度センサ１７Ｃから出力された信号を温度換算した温度測定信号を電池管理装置１６に送信することが可能である。なお、電池監視基板１７Ｂは、電圧測定部の一例であり、温度センサ１７Ｃは、温度測定部の一例である。

【0028】

以下では、蓄電池１５を構成する各電池セル１５Ａについて満充電容量を検出し、最小の満充電容量を、蓄電池１５の満充電容量として劣化判定する構成を例に挙げて説明する。放電できる容量は、上記最小の満充電容量に制約されるからである。勿論、電池セル１５Ａ間の特性ばらつきがある程度小さい場合には、蓄電池１５全体の電圧に基づき満充電容量を直接検出して劣化判定する構成や、各電池セル１５Ａの満充電容量の平均値等を、蓄電池１５の満充電容量として劣化判定する構成でもよい。

【0029】

電池管理装置１６は、制御部の一例であり、ＣＰＵ１６Ａ（中央処理装置）およびメモリ１６Ｂを有する。メモリ１６Ｂには、例えばＲＡＭやＲＯＭを有し、電池管理装置１６の動作を制御するための各種のプログラム（劣化判定プログラムを含む）が記憶されており、ＣＰＵ１６Ａは、メモリ１６Ｂから読み出したプログラムに従って、後述する劣化判定処理を実行するなど、各部の制御を行う。また、ＣＰＵ１６Ａは、電池監視基板１７Ｂからの電圧測定信号に基づき、各セル電圧を合算して、蓄電池１５全体の電圧を算出することができ、温度測定信号に基づき、各電池セル群１７Ａごとの温度を測定することができる。

【0030】

また、メモリ１６Ｂには、蓄電池１５の電池セル１５Ａの充電状態時におけるＯＣＶ−ＳＯＣ関係データが記憶されている。このＯＣＶ−ＳＯＣ関係データは、図２に示すように、電池セル１５Ａについて、ＯＣＶ（開放電圧 Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）と、ＳＯＣ（残存容量 Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）との相関関係を示す情報であり、これは電池セル１５Ａに対する実験や仕様等により予め求めることができる。なお、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データは、ＯＣＶとＳＯＣとの対応関係テーブルでもよいし、関数データでもよい。

【0031】

また、図３には、蓄電池１５を、一定電流で一定時間だけ充電した後、充電を停止し、蓄電池１５の電池セル１５Ａを、電流が流れない開放状態（無負荷状態）で放置したときのセル電圧の変化、いわゆる電圧戻り特性が示されている。同図では、一定電流の値はＩで示されており、鉄道車両１０の走行停止時において１００Ａ以上であることが好ましく、本実施形態では例えば１８０Ａである。本実施形態では、定電流充放電や電流測定のために定格電流３００Ａのホールセンサを使用しており、精度向上のためには、前記のように電流センサの定格電流値の３０％以上の電流、好ましくは５０％以上の電流を使用するのが良い。また、一定時間はＴ０で示されており、例えば１８０秒である。従って、充電される電気量（＝Ｉ×Ｔ０）は、９Ａｈであり、電池セル１５Ａの定格容量の約３割の容量が好ましい。電池セル１５Ａのセル電圧は、充電が停止された時点で、蓄電池１５の内部抵抗に応じた電圧分ΔＶＲだけ降下し、その後、開放電圧ＶＥに収束していく。以下、充電停止時から、開放電圧ＶＥへの収束時までの時間を収束期間ＴＥという。この収束期間ＴＥは、例えば５，６時間である。

【0032】

ここで、充電停止時から、非収束期間ＴＭ（＜収束期間ＴＥ）経過したときのセル電圧ＶＭと開放電圧ＶＥとの差ΔＶＭは、その時点での電池セル１５Ａ蓄電池１５の分極電圧値を示す。そこで、メモリ１６Ｂには、予め測定された分極電圧値ΔＶＭが記憶されている。なお、この分極電圧値ΔＶＭは、電池セル１５Ａの温度によって異なるため、メモリ１６Ｂには、例えば５度ずつ異なる複数の設定温度それぞれに分極電圧値ΔＶＭが対応付けられて記憶されている。なお、非収束期間ＴＭは、例えば９００秒である。

【0033】

地上充電設備３０は、変圧器３１、整流器３２、電力変換装置３３および蓄電池３４を備える。変圧器３１および整流器３２は、図示しない配電線からの電力を、交流６６００Ｖから直流１５００Ｖに変換し、架線４０および電力変換装置３３に供給する。電力変換装置３３は、ＤＣＤＣコンバータを有し、架線４０の直流１５００Ｖと蓄電池用の直流６００Ｖを双方向に変換可能である。蓄電池３４は、電力変換装置３３から供給される電力により充電される。

【0034】

以上の構成により、電化区間（架線区間の一例）では、鉄道車両１０は、パンタグラフ４１を介して架線４０から供給される電力が、電力変換装置１３により降圧されつつインバータ１２に走行用電力として与えられる。また、蓄電池１５のＳＯＣが低い場合、架線４０からの電力の一部が、蓄電池１５の充電に利用される。また、ブレーキ時の回生電力は、蓄電池１５の充電への利用が優先されるが、ＳＯＣが高い場合には、架線４０への回生に利用される。

【0035】

一方、非電化区間では、鉄道車両１０は、電力変換装置１３を停止させ、これにより、蓄電池１５からの電力のみが、インバータ１２に走行用電力として与えられる。なお、ブレーキ時の回生電力は蓄電池１５の充電以外に、補助電源装置１９の充電にも利用される。

【0036】

蓄電池１５を充電する場合、図１に示すように、鉄道車両１０は、例えば上記地上充電設備３０が設置されている駅で停車し、パンタグラフ４１を上げることで、架線４０を介して地上充電設備３０と電気的に接続され、蓄電池１５に対して急速充電が行われる。

【0037】

（劣化判定処理）
図１に示すように、鉄道車両１０が地上充電設備３０に電気的に接続された状態で、電池管理装置１６は、蓄電池１５について、図４に示す劣化判定処理を実行する。具体的には、ＣＰＵ１６Ａは、電力変換装置１３を制御して、蓄電池１５を、ＳＯＣが初期値Ｘ０になるまで放電させる初期放電処理を実行する。具体的には、ＣＰＵ１６Ａは、蓄電池１５を放電させ（Ｓ１）、例えば蓄電池１５を構成する複数の電池セル１５Ａのセル電圧のうち、最小のセル電圧値が、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データにおいて初期値Ｘ０に対応する開放電圧と同じ値になったかどうかを判断する（Ｓ２）。なお、初期値Ｘ０は、２０％±１０％の範囲内に設定するのが好ましい。また、この初期放電処理では、蓄電池１５から放電された電力は、架線４０または補助電源装置１９に供給される。

【0038】

ＣＰＵ１６Ａは、最小のセル電圧が、初期値Ｘ０に対応する開放電圧と同じでないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、放電を継続し、同じであると場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、放電を中止する（Ｓ３）。そして、ＣＰＵ１６Ａは、例えばブレーカ１８を開状態にして蓄電池１５を開放状態にし、所定の待機時間だけ放置する（Ｓ４）。待機時間は、収束期間ＴＥ以上とし、例えば５，６時間、好ましくは１２時間以上である。これにより、初期放電前の蓄電池１５の状態が、充電状態および放電状態のいずれであったかが不明の場合でも、蓄電池１５を、平衡状態にして各電池セル１５Ａの開放電圧を正確に測定することが可能になる。

【0039】

ＣＰＵ１６Ａは、各電池セル１５Ａについて第１ＳＯＣ特定処理を実行する（Ｓ５）。具体的には、ＣＰＵ１６Ａは、上記平衡状態になった蓄電池１５の電池セル１５Ａのセル電圧を測定し、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データを参照して、当該セル電圧の測定値Ｖ１に対応する第１ＳＯＣの値Ｘ１を特定する（図２参照）。次に、ＣＰＵ１６Ａは、ブレーカ１８を閉状態にして電力変換装置１３を制御し、地上充電設備３０からの電力により、前述した電流値Ｉで一定時間Ｔ０だけ定電流充電を実行する電気量変更処理を実行する（Ｓ６）。その後、ＣＰＵ１６Ａは、ブレーカ１８を開状態にし、蓄電池１５を開放状態にして上記非収束期間ＴＭだけ放置し（Ｓ７）、当該非収束期間ＴＭだけ経過した時に蓄電池１５の電池セル１５Ａのセル電圧および温度を測定する（Ｓ８）。

【0040】

ＣＰＵ１６Ａは、各電池セル１５Ａについて、測定した温度に対応した分極電圧値ΔＶＭをメモリ１６Ｂから抽出し、そのセル電圧の測定値Ｖと、当該分極電圧値ΔＶＭとから、ＯＣＶの値Ｖ２（Ｖ２１、Ｖ２２＝Ｖ−ΔＶＭ）を算出する（Ｓ９）。これにより、収束期間ＴＥまで待たずに各電池セル１５ＡのＯＣＶを特定することができる。そして、ＣＰＵ１６Ａは、各電池セル１５Ａについて、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データを参照して、当該セル電圧の値Ｖ２に対応する第２ＳＯＣの値Ｘ２（Ｘ２１、Ｘ２２）を特定する（Ｓ１０ 図２参照）。この処理は、第２ＳＯＣ特定処理の一例である。

【0041】

ここで、図２に示すように、新品の蓄電池１５を、ＳＯＣがＸ１である状態から、上記電気量だけ充電すると、開放電圧はＶ２１に達し、ＳＯＣはＸ２１に達する。これに対し、劣化した蓄電池１５を、ＳＯＣがＸ１である状態から、上記電気量だけ充電すると、開放電圧はＶ２１を超えてＶ２２に達し、ＳＯＣはＸ２１を超えてＸ２２に達する。要するに、第１ＳＯＣと第２ＳＯＣの差であるＳＯＣ変化量ΔＸ（＝Ｘ２−Ｘ１）と、蓄電池１５の満充電容量とは、相関関係があり、次の式で表すことができる。

【0042】

ＳＯＣ変化量ΔＸ＝（Ｓ６で充電された電気量（Ｉ×Ｔ０）／満充電容量）×１００
但し、Ｓ６で充電された電気量は固定値。

【0043】

従って、ＳＯＣ変化量ΔＸを算出できれば、当該式から、満充電容量を特定することができる。そして、上述した蓄電池１５の各電池セル１５ＡのＯＣＶとＳＯＣとの相関関係は、蓄電池１５の劣化度に関係無くほとんど変わらない。つまり、劣化度に関係なく、ＯＣＶからＳＯＣを算出するのに、共通のＯＣＶ−ＳＯＣ関係データを利用することができる。従って、Ｓ５、Ｓ１０のように、各電池セル１５Ａについて、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データを利用して、当該電池セル１５ＡのＯＣＶから第１ＳＯＣの値Ｘ１と第２ＳＯＣの値Ｘ２を特定し、ＳＯＣ変化量ΔＸを算出することができる。

【0044】

ＣＰＵ１６Ａは、各電池セル１５Ａについて、Ｓ５で特定した第１ＳＯＣの値Ｘ１、Ｓ１０で特定した第２ＳＯＣの値Ｘ２、および、上記電気量に基づき、蓄電池１５の満充電容量を検出する、容量検出処理を実行する（Ｓ１１）。次に、ＣＰＵ１６Ａは、検出した各電池セル１５Ａごとの満充電容量のうち、最小の満充電容量を、蓄電池１５の満充電容量として劣化判定を行う（Ｓ１２）。具体的には、ＣＰＵ１６Ａは、新品時の満充電容量に対する、今回検出した満充電容量の相対量が閾値（例えば５０％）未満である場合に、蓄電池１５が交換すべき程度まで劣化していると判定する。なお、図５に示すように、満充電容量の検出値および検出時期をメモリ１６Ｂに記憶しておき、複数回分の上記相対量（容量比）および検出時期から近似線Ｌを導出し、その近似線Ｌの延長線と閾値との交点に基づき、交換時期までの残存期間ΔＴを推定する構成でもよい。なお、複数回分の満充電容量の算出値および検出時期から近似線を導出する構成でもよい。ＣＰＵ１６Ａは、劣化判定を行った後と、本劣化判定処理を終了する。

【0045】

（本実施形態の効果）
Ｓ６での電気量変更処理の前後のＳＯＣ変化量ΔＸと、蓄電池１５の電池セル１５Ａの満充電容量とは相関関係がある。また、第１ＳＯＣの値Ｘ１と第２ＯＣＶの値Ｘ２は、第１ＯＣＶおよび第２ＯＣＶ、および、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データに基づき特定することができる。そこで、本実施形態によれば、ＳＯＣ変化量ΔＸ、および、電気量変更処理で充電した電気量（＝Ｉ×Ｔ０）に基づき、蓄電池１５の各電池セル１５Ａの満充電容量を検出することができる。しかも、電気量変更処理では電流が一定であるため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、積算誤差等により満充電容量の検出精度が低下することを抑制することができる。

【0046】

また、電気量変更処理後、非収束期間ＴＭだけ経過したときにおけるセル電圧の測定値に基づき、第２ＯＣＶの値Ｘ２が特定される。電気量変更処理では電流が一定であるため、非収束期間ＴＭ経過時のセル電圧ＶＭと収束期間ＴＥ経過後のＯＣＶ（ＶＥ）とはほぼ相関関係がある。このため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、第２ＯＣＶの値Ｘ２の特定精度のばらつきを抑制しつつ、非収束期間ＴＭ内において満充電容量を検出することができる。

【0047】

更に、非収束期間ＴＭ経過時におけるセル電圧値ＶＭ、および、予め測定された分圧電極値ΔＶＭに基づき、第２ＯＣＶの値Ｘ２が特定される。これにより、分圧電極値ΔＶＭを考慮せずに第２ＯＣＶの値Ｘ２を特定する構成に比べて、第２ＯＣＶを精度よく検出することができる。

【0048】

また、蓄電池１５の温度と分極電圧値との対応関係を示す情報を参照して、温度の測定値に対応する分極電圧値ΔＶＭが導出され、この導出された分極電圧値ΔＶＭを利用して第２ＯＣＶの値Ｘ２が特定される。これにより、蓄電池１５の温度変化により分極電圧値ΔＶＭが変動しても、その変動により、第２ＯＣＶの特定精度が低下することを抑制することができる。

【0049】

＜実施形態２＞
図６は実施形態２を示す。前記実施形態１との相違は、劣化判定処理にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

【0050】

メモリ１６Ｂには、蓄電池１５の電池セル１５Ａの放電状態時におけるＯＣＶ−ＳＯＣ関係データが記憶されている。また、メモリ１６Ｂには、蓄電池１５の電池セル１５Ａを、一定電流Ｉで一定時間Ｔ０だけ放電した後、放電を停止し、蓄電池１５を開放状態で非収束期間ＴＭだけ放置したときにおける分極電圧値ΔＶＭが記憶されている。

【0051】

図６に示すように、ＣＰＵ１６Ａは、電力変換装置１３を制御して、蓄電池１５を、地上充電設備３０からの電力により、ＳＯＣが初期値Ｘ０になるまで充電させる初期充電処理を実行する。具体的には、ＣＰＵ１６Ａは、蓄電池１５を充電させ（Ｓ２１）、例えば蓄電池１５を構成する複数の電池セル１５Ａのセル電圧のうち、最小のセル電圧値が、ＯＣＶ−ＳＯＣ関係データにおいて初期値Ｘ０に対応する開放電圧と同じ値になったかどうかを判断する（Ｓ２２）。なお、初期値Ｘ０は、８０％±１０％の範囲内に設定するのが好ましい。

【0052】

ＣＰＵ１６Ａは、最小のセル電圧が、初期値Ｘ０に対応する開放電圧と同じでないと判断した場合（Ｓ２２：ＮＯ）、充電を継続し、同じであると場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、充電を中止する（Ｓ２３）。また、Ｓ２６では、ＣＰＵ１６Ａは、ブレーカ１８を閉状態にして電力変換装置１３を制御し、電流値Ｉで一定時間Ｔ０だけ定電流放電を実行する電気量変更処理を実行する。このとき、蓄電池１５から放電された電力は、架線４０または補助電源装置１９に供給される。また、電力変換装置１３は、放電部の一例である。Ｓ２９では、ＣＰＵ１６Ａは、各電池セル１５Ａについて、セル電圧の測定値Ｖと分極電圧値ΔＶＭとから、ＯＣＶの値Ｖ２（＝Ｖ＋ΔＶＭ）を算出する。

【0053】

本実施形態によれば、ＳＯＣ変化量、および、Ｓ２６の電気量変更処理で放電した電気量に基づき、蓄電池１５の各電池セル１５Ａの満充電容量を検出することができる。しかも、電気量変更処理では電流が一定であるため、電流が一定でなく電気量を積算する構成に比べて、積算誤差等により満充電容量の検出精度が低下することを抑制することができる。

【0054】

また、電気量変更処理では、蓄電池１５から放電された電力が架線４０に供給される。従って、蓄電池１５からの放電電力を有効活用することができる。更に、蓄電池１５の内部抵抗は温度が低いほど大きくなる。このため、電力変更処理（Ｓ６）で充電を行う上記実施形態１では、例えば１０度以下の低温時において、セル電圧が極端に高くなって定電流制御ができなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態であれば、電力変更処理（Ｓ２６）で放電を行うため、上記実施形態１よりも低温状態下で劣化判定処理を実行することができる。

【0055】

＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。

【0056】

上記実施形態では、制御部の一例として、ＣＰＵ１６Ａによって劣化判定処理の各処理を実行する電池管理装置１６を例に挙げた。しかし、制御部は、これに限らず、１または複数のＣＰＵのみで各処理を実行する構成や、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのハード回路のみで各処理を実行する構成や、ハード回路及びＣＰＵの両方で各処理を実行する構成でもよい。例えば上記劣化判定処理の一部または全部を、別々のＣＰＵやハード回路で実行する構成でもよい。また、上記劣化判定処理の一部または全部を、人が行う構成でもよい。

【0057】

上記実施形態では、劣化判定プログラムの一例として、ＲＡＭやＲＯＭを有するメモリ１６Ｂに記憶されたものを例に挙げた。しかし、劣化判定プログラムは、これに限らず、ハードディスク装置、フラッシュメモリ（登録商標）などの不揮発性メモリや、ＣＤ−Ｒなどの記憶媒体などに記憶されたものでもよい。

【0058】

上記実施形態では、蓄電素子の一例として、リチウムイオン電池を挙げた。しかし、蓄電素子は、これに限らず、他の二次電池でも、また、電気二重層コンデンサでもよい。また、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係が新品時と劣化時とで異なる蓄電素子でもよい（特願２０１０−２７２３６５参照）。

【0059】

上記実施形態では、電圧測定部の一例として、蓄電池１５に内蔵された電池監視基板１７Ｂを例に挙げた。しかし、電圧測定部は、これに限らず、蓄電池１５の外部に設けた電圧センサ等でもよい。また、温度測定部として、蓄電池１５の外部に設置されたものでもよい。

【0060】

上記実施形態において、電池管理装置１６は、例えば図示しない上位装置からの指示により、定電流充電時の電流値Ｉ、一定時間Ｔ０および非収束期間ＴＭの少なくともいずれか１つを変更できる構成としてもよい。ただし、この構成の場合、予め、電流値Ｉ、一定時間Ｔ０および非収束期間ＴＭの組み合わせごとに、分極電圧値ΔＶ２を算出し、メモリ１６Ｂに記憶しておく必要がある。

【0061】

上記実施形態において、ＣＰＵ１６Ａが、随時算出されるＳＯＣ変化量ΔＸの変化に基づき蓄電池１５の劣化度を判定する構成でもよい。また、ＣＰＵ１６Ａが、新品時のＳＯＣ変化量ΔＸに対する、ＳＯＣ変化量ΔＸの算出値の相対量（両者の差や比率）を算出し、当該相対量が、所定値以下になった場合に交換時期であると判定する構成でもよい。これらの構成では、満充電容量を検出せずに蓄電池１５の劣化判定を行うことができる。

【0062】

上記実施形態では、劣化判定処理の実行前では、鉄道車両１０は走行中であり、蓄電池１５の状態（放電状態・充電状態）や充放電電流が逐次変動している可能性が高い。このため、第１ＯＣＶ特定処理では、第２ＯＣＶ特定処理とは異なり、非収束期間経過時における端子電圧と分極電圧値に基づきＯＣＶを特定する処理を適用しなかった。しかし、劣化判定処理の実行前の蓄電池１５の状態等の変動が所定範囲内であったり、当該状態等を特定可能であれば、第１ＯＣＶ特定処理について、第２ＯＣＶ特定処理と同様、非収束期間経過時における端子電圧と分極電圧値に基づきＯＣＶを特定する処理を適用してもよい。

【0063】

上記実施形態では、第１ＯＣＶ特定処理の実行前に、蓄電池１５を、ＳＯＣが初期値Ｘ０になるまで放電または充電させる初期放電処理または初期充電処理を実行する構成であった。しかし、これに限らず、初期放電処理または初期充電処理を実行しない構成でもよい。但し、上記実施形態の構成であれば、電圧変換処理により過放電や過充電になることを抑制することができる。また、電圧変換処理の開始前に、ＳＯＣを、初期ＳＯＣに近い値に合わせることにより、初期放電処理または初期充電処理を実行しない構成に比べて、蓄電池１５の劣化判定の精度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0064】

１０：鉄道車両 １３：電力変換装置 １４：蓄電システム １５Ａ：電池セル １７Ｂ：電池監視基板 １６：電池管理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】