采用锂离子电池作为电气化铁道车辆用储能系统的开发

 瀬山幸隆  冈崎贤二　东 直亲  作野敏郎

（日本GS·汤浅电池株式会社）

摘要：GS·汤浅电池公司与东洋电机制造公司合作共同开发了电气化铁道车辆用锂离子电池储能系统，其特点是首先采用具有高功率输入/输出特性的锂离子电池作为可储存再生能量的功能器件，该再生能量由电动火车在制动或减速时产生并供给火车的起动或加速。这种作用能有效抑制线路电压的上升和下降从而节省能量。这一系统的高功率输入/输出特性，将在西日本铁道公司的商用线路进行连续的现场验证。

Abstract：A new energy storage system with lithium-ion batteries for electric railways has been developed in cooperation with Toyo Electric Mfg. Co., Ltd. A feature of this system is the first adoption of lithium-ion batteries with high power input - output performance as a functional device capable of storage of regenerated energy produced by deceleration of electric train and supply of it to the train starting or accelerating, which is effective to suppress the line voltage going up and down and to save energy. The high input - output performance of this system will be verified by the continued field test in the commercial line of West Japan Railway Company Ltd.

Key words：Energy storage system；Electric railway；Lithium-ion battery；Regenerated energy

1　序言

近年来，地球温暖化等环境问题步步逼近，在很多行业导入了以太阳能发电为代表的绿色能源和进一步的开发飞轮等的省能化。在大量消耗电力的铁道中节省能源已是重要的课题，努力提高传统的电力利用效率化，认真研究了电池、电容存储器或飞轮等各种各样的电力存储系统的有效利用，其中之一有使用铅蓄电池的系统。这种方式是在车辆发生制动时生成的电力为蓄电池充电，当车辆在动力行驶时放电的系统，即车辆制动时产生的再生能量为电池充电，其能量（电力）为其他车辆运行时的放电系统。但是，车辆发生制动时的再生电力为数百KW的大容量电力，在导入的系统中必不可少的是可适用的能充较大容量的高性能蓄电池。对使用铅蓄电池系统的导入进行了认真的研究，但是电池的质量及使用空间方面也有不尽人意的地方。所以出现了电池小型轻量化及大电流输出化的电力储存系统最大化的课题。

本公司开发研制了与传统的铅蓄电池相比小型轻量化并具有大电流输出特点的大型锂离子电池，其中与东洋电机制作株式会社共同开发了使用其电池的电气化铁道用的电力储存系统。目前，本系统正在西日本铁路客车株式会社商用线路中以现场试验的形式进行性能评价。本报告中介绍了其系统的概况。

2　系统概况

在直流电气化铁道车辆的动力运行时，通过架线耗费电力，使架线电压下降。电压下降也会导致其他车辆的动力不足。相反，同一车辆通过电气制动直到停止的过程，将动能作为电能输送到架线上。此时，在制动车辆以外的其他车辆如果不耗费其能量，架线电压会上升。在这种情况下，因为使正常的车辆停止必须与机械并用进行制动。将这种状态称作制动失效，从再生电力的有效利用方面必须回避。

其动力·再生运行时在架线侧发生耗费能量的一部分为锂离子电池助力，此系统为电力储存装置系统功能。此装置介于双向DC/DC转换器进行放电·充电的能量循环。在转换器中有再生吸收型与电压补偿型，可选择适合于系统设置环境的运转型。

2.1　系统结构

在现场试验用实机工作效率的适应示例与其电力储存系统的结构示于图1。直流电气化铁道的标准电压DC1500V的架线中安装了隔离开关，连接DC/DC双向整流器，在其双侧作为电力储存装置与锂离子电池连接。整流器架线电压变动范围为DC900～1850V（最大电流270A），锂离子电池的电压变动范围DC500～780V（最大电流570A）作为正常的效率范围内进行电流控制。另外，锂离子电池额定容量为60Ah，额定电压是655V（总单体电池数量为182只），其充放电性能是10ItA(600A)为高性能的产品。为了参考，系统结构的规格及设置的外观照片分别示于表1及图2。

表1　储能设备规格

2.2　系统动作

再生（优先）运转型的动作示例示于图3。本示例中架线电压有时在DC1400～1700范围内时，系统为待机状态。通过再生电力，架线电压超过DC1700V时，当在DC1750V期间，一边控制电流，一边以最大570A的再生电流回充到锂离子电池中。然而，架线电压上升，超过DC1850V时系统停止工作。相反，架线电压下降到DC1400V时，在到达DC1300V期间，一边进行电流的控制，一边以最大300A的电流进行锂离子电池的放电。接着电压下降，当DC下降到1100V时系统停止工作。为了便于参考，装置的工作状态示于图4。由图得知，随着架线电压的变化，了解本系统搭载的锂离子电池的充放电状况。

图2　储能系统安装的外观

表2　新型储能系统电池组控制件的保护同步化

表3  LIM型锂离子电池的规格

2.3  电池的控制

本次新开发的锂离子电池备有专用的监测装置，从而可以保护电池的过充和过放，可时常监测电池的状态。从监测装置发出的各种警报（警告）传输给双向DC/DC整流器，作为保护的连动动作进行处理。有关电池的保护连动动作与电池的关系示于表2。 

3  LIM60H型锂离子电池

锂离子电池是正极锂含有迁移金属复合氧化物，负极是可吸收放出锂离子的炭材料，隔膜为多孔性的聚烯烃膜及电解液中使用炭酸酯系的高容量·大电流流动的二次电池。本系统采用的是LIM60型高能量密度，并且最大可以10ItA（600A）进行充放电的大电流输出输入的大型电池。其电池规格列于表3。

3.1  充放电性能

本系统是可再生吸收型及电压补尝型的两种类型。前者是以10ItA（600A）充电，后者是以10ItA（600A）进行放电的电池。LIM60H型锂离子电池10ItA（600A)的充电性能示于图5。本电池是设定的再生吸收类型。由图得知，本电池以600A定电流进行126秒的充电。其连续通电时间是规定值（30秒）的4倍以上，可以说性能良好。 

 图4  储能系统在现场试验条件下电池组电流  图5  LIM60H型锂离子电池在25℃以10 ItA

（a）及高架线电压（b)的运行特征  (600 A)充电特性

充电：在25℃以10/tA(600A)充电5

小时至4.2V

其次，设定电压补尝型，测查10ItA（600A）放电性能，其结果示于图6。由图得知，LIM60H型电池以600A定电流可放电280秒。连续通电时间是规定值（30秒）的9倍以上，因此可以说电池的性能良好。本系统中内设LIM60H型电池，可反复3次进行再生吸收型的充放电循环，其结果示于图7。通电开始时提供电池水平设定为SOC 20%。可以确认LIM60H型电池以再生吸收型的充放电中不仅是到达了终止电压（充电侧：4.2V/单只；放电侧：2.75V/单只），而且可以反复3次进行充放电。另外，放电后的停止中电压与循环中无大的差异。再生吸收型设定充放电的容量收支均等，所以LIM60H型电池即便是以10ItA～5ItA的大电流充放电可运用的充放电效率（Ah效率）几乎是100%。 

图6  LIM60 H型锂离子电在25℃以10 ItA (600 A)放电特性  图7  LIM60 H -49 A型锂离子电池组在室温的充放电特性

充电：在25℃以1 ItA (60 A)充电5小时至4.2 V 充电：10 ItA (600 A），30秒

放电：在25℃以10 ItA (600 A)放电至2.75 V 停止：30秒

放电：5 ItA (300 A），60秒

停止：180秒

从以上结果得知，LIM60H型电池作为电力储备用也可称为是具有充分的充放电性能的电池。

3.2  电池电压与充电能力的关系

电力储备系统的运行可选再生吸收式及电压补尝式2种类型，进而有必要按各自模式设定充电、放电的电流值充电能力。在此，将LIM60H型电池的充电水平与开路电压的关系示于图8。LIM60H型电池随着充电能力的变化，开路电压也接连不断地发生变化。也就是说，LIM60H型电池通过测查开路电压可以推断电池的充电能力，因此可轻而易举地采用测查开路电压来管理电池的充电能力。

 图8  LIM60 H型锂离子电池在25℃荷电状态时的开路电压的特征

4  小结

本次开发了采用大型锂离子电池的铁道用电力储备系统，本系统在西日本旅客铁道株式会社的营业线路进行现场运行试验。其结果可以确认搭载了LIM60H型锂离子电池的本文系统随着架线电压变动的电力吸收·输出动作。今后在硬件方面要完成系统的大容量化，软件方面与原有的变电所联合进一步地提高充放电控制的最佳化系统。另外，通过广泛地普及来降低成本，进一步地为防止地球温暧化作贡献。再有，本装置完成了第1阶段的现场试验，现已移至到第2阶段现场中继续进行试验。

最后，对在装备开发过程中多方面受到了西日本旅客铁道株式会社及在制作及试验方面给予大力协作的东洋电机制作株式会社的顶力帮助深表谢意。

 注：插图中的文字部分如下：

  图1 ：电压上升控制  高架线  电压下降控制  再升车辆  回扫线（轨道）

相互  换流器  断路器  反应器  充电  放电  高架线籽路开关  

锂离子电池  分度开关   

图2： DC1500 V高架线  高架线 断路开关 相互DC/DC换流器  锂离子电池

图3： 电能再生 电池充电  系统停止  570A或以下  高架线电压  系统停止  标准电压  

300A或以下  电力放电  电池放电  系统备用范围  可接受的调整

图4： 高架线电压 电池组电流 时间（分钟）

图5： 充电电流 充电电流 电压  时间/秒

图7： 电压  时间/分钟 电池温度