JPH0254014B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低電圧大連続動作電流直流用の電気開
閉装置に関するものである。開閉装置は、特に約
150000アンペア以上の動作電流のダイアフラム型
電池等の電気化学的電池の端子間に用いる並列分
路用である。

このような電気化学的電池は、米国特許第
4227987号に記載されており、複数の電池は一般
に定電流電力源に直列に設けられている。分路開
閉装置は電気化学的電池の端子間に接続されて、
電池を運転系統から分離して系統全体を運転停止
せずに修理あるいは交換作業ができるようにす
る。分路開閉装置は、極めて大きな電流を遮断し
系統電流を修理の終つた電池に戻すように作動で
きる効率的な電流側路装置でなければならない。

当該分野では上述の如き分路開閉器あるいは側
路開閉器としてナイフエツジ接触器等の空隙接触
子型の電気開閉器を用いるのが普通であつた。最
近は米国特許第4216359号に記載されている如く
分路開閉装置に真空短絡開閉器を用いるものがあ
る。米国特許出願第827398号（1977年８月24日出
願）には、並列接続された真空開閉器を略々同時
に作動させるよう設計された複式真空開閉器分路
装置が記載されている。この装置に於ては、所定
の抵抗値の略々管状の母線導体が各真空開閉器か
ら電池端子にまで延びている。管状の母線導体は
離間距離が小さく整列していてインダクタンスが
小さくなるようにしてある。米国特許出願第
154153号（1980年５月28日出願）には別の真空開
閉器分路装置が記載されており、並列接続された
複数の真空開閉器は各々直列接続された抵抗器を
有し別個のエアシリンダーで別々に作動できる。

電気化学的電池に用いる分路開閉装置は母線導
体材料費およびインダクタンスを最少限にするた
めにできるだけ小さくすることが望ましい。分路
開閉装置の開閉器は過熱や過大な電気的損失無し
に側路系統電流を効率的に通すものでなければな
らない。電気開閉器は系統電流を電池に戻すこと
ができまた遮断アーク電流を消散させることがで
きるものでなければならない。

大電流電気化学的電池装置に用いる場合のジヤ
ンパー開閉器装置即ち側路開閉器装置の開閉器の
連続動作性および信頼性は、装置の蓄積された誘
導エネルギーを接点開離中に消散する開閉器性能
により定まる。このエネルギーは普通5000乃至
50000ジユールであり、大きな接点磨耗および腐
食を生ずるものである。複数の並列接続側路開閉
器装置に対しては、このエネルギーを複数の並列
開閉器に分けるためには、複雑な電流を平衡させ
るための母線構成を要し、あるいは開閉器用の駆
動機構即ち操作機構を調整して同期させるために
非常な注意を必要とする。このような機械的操作
装置に必要な0.5ミリ秒単位で開閉器の同期操作
を効果的に行なうことは全く不可能ではないにし
ても極めて困難である。

従つて本発明は隣接の直列接続された電気化学
的電池の端子に接続され得て、分路された電池を
迂回する効率的な大電流容量の分路を形成し、所
定の時間関数的に分路電流を分路された電池に戻
し得る電気化学的電池分路開閉装置に於て、第１
および第２母線コネクターと、上記第１および第
２母線コネクター間に接続できる複数の並列スイ
ツチモジユールからなるマトリツクスアレイとを
備え、上記第１母線コネクターは一端で分路すべ
き電池に隣接した電池の端子に接続され得、上記
第２母線コネクターは一端で分路すべき電池に隣
接した他の電池の端子に接続され得、上記第１お
よび第２母線コネクターの他端は互いに離間した
平行平面内に配置されてなり、上記マトリツクス
アレイは複数の分路スイツチモジユールと複数の
分流スイツチモジユールとを備え、上記分路スイ
ツチモジユールは各々相対的に往復し得てスイツ
チ接点を開閉する接点を有するスイツチ装置を備
え、一方の上記スイツチ接点は一方の上記母線コ
ネクターへの選択された低抵抗装置に直列に接続
され、他方の上記スイツチ接点は可撓性コネクタ
ーにより他方の母線コネクターに接続され、上記
スイツチ接点を開閉するように上記可撓性コネク
ターに接続された上記スイツチ接点に個々の操作
装置が接続され、上記低抵抗装置は高効率電流分
路を形成するように選択されてなり、上記分流ス
イツチモジユールは各々、スイツチ装置と操作装
置とを備え、選択された高抵抗装置が一つのスイ
ツチ接点と一方の母線コネクターとに直列に接続
され、上記高抵抗装置は、上記分路スイツチモジ
ユールが開いたとき、分路電流の選択された部分
が分路された電池に戻され、個々の上記分流スイ
ツチモジユールを順次開いて、最後の分流スイツ
チモジユールの開動作により全ての電流が分路さ
れていた電池に戻るまで、電池に戻される分路電
流を増大させるように選択されてなる電気化学的
電池分路開閉装置に在る。

本発明の分路開閉装置は、スイツチが順々に作
動して増大する系統電流の部分を側路された電池
に戻すようなスイツチモジユールのマトリツクス
アレイ構造を用いたものである。開閉装置は、ス
イツチが閉じたとき電池の分路即ち電流の側路を
高効率で行ない得る高抵抗スイツチ素子と低抵抗
スイツチ素子とのマトリツクスアレイを備えてい
る。分流時には、低抵抗スイツチ素子を開き次に
高抵抗スイツチ素子を順々に開いて電流を分路開
閉装置から電池に段階的に分流（戻す）させる。
このような高抵抗スイツチ素子の順々の開離によ
り分路開閉装置全体の抵抗値が段階的に増大す
る。最終に開く高抵抗スイツチ素子は、スイツチ
の設計エネルギー消減能力内に段階的に大幅に減
少した電流だけを消散させるだけで良い。従つ
て、定格設計電流負荷より大きい負荷を遮断しな
ければならないスイツチ接点は一つもなく、電流
は腐食なしでスイツチ寿命に影響を殆んど与えず
に遮断される。

複数の母線コネクターと隣接の交互の低抵抗ス
イツチ素子および高抵抗スイツチ素子とのマトリ
ツクス構成により、相互接続インダクタンスが小
さくなり蓄積される誘導エネルギーが最小限にな
る。

このような互いに並列の複数の低抵抗路スイツ
チモジユールおよび複数の高抵抗路スイツチモジ
ユールのマトリツクス分路開閉装置により作動電
池装置のエネルギーコストを大幅に節減できる。
低抵抗路スイツチモジユールは電気的損失を最小
限として分路効率を高くすることができる。高抵
抗路スイツチモジユールは、分路した電池の再接
続即ち始動中に電流を次第に分流できるようにす
る。この始動中の暫進的な分流は、ダイアフラム
電池の膜に有利であるだけでなく最後に開くスイ
ツチモジユールが消滅しなければならぬエネルギ
ーを最小限にするという利点も備えている。

次に添付図面に示す本発明の実施例に沿つて本
発明を説明する。

第１図に於て、複数の直列接続された電気化学
電池１０ａ，１０ｂおよび１０ｃは、直流大電流
源に接続された図示してない多数の電池からなる
電池装置のうちの一部である。電池は周知の如く
膜型即ちダイアフラム型のクロールーアルカリ電
池である。

分路開閉装置１２即ち電池側路開閉装置は鎖線
により表わされ、電池１０ｂの分路即ち側路とし
て電池１０ｂに並列に接続できるものである。こ
の分路開閉装置１２は、第１および第２母線コネ
クター１４および１６を介して隣接の電池１０ａ
および１０ｃに組合わされた夫々の対向端子１８
および２０に接続されている。開閉装置１２内に
４つの破線で表わした複数のスイツチモジユール
２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよび２２ｄは、複数の
並列分路として第１および第２母線コネクター１
４および１６間に電気的に接続されている。スイ
ツチモジユール２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよび２
２ｄは、夫々直列接続された抵抗素子Ra，Rb，
RcおよびRdを有する夫々密封された直流大連続
電流定格スイツチSa，Sb，ScおよびSdを備えて
いる。スイツチSa等の個々のスイツチを開閉す
る別個の操作機構が各スイツチモジユール内に含
まれており、これは第２図および第３図に関連し
て後に説明する。スイツチSa等は米国特許第
4216361号に記載されており、スイツチモジユー
ル２２ａは米国特許出願第154153号に記載されて
いる。操作機構は例えば往復運動ロツドがスイツ
チの接点に接続されて開閉させる２位置エアシリ
ンダーである。

スイツチモジユール２０ａおよび２０ｃは低抵
抗素子RaおよびRcを有し、スイツチモジユール
２０ｂおよび２０ｄは高抵抗素子RbおよびRdを
有している。例えば、低抵抗素子RaおよびRcは
約10マイクロオームより小さい抵抗値の水冷銅製
管状部材であり、高抵抗素子RbおよびRdは約
100マイクロオームの比較的高い抵抗値のステン
レス銅製水冷管状部材である。この抵抗値間の相
対的な差が一方の抵抗を低くし他方の抵抗を比較
的高くするのである。

抵抗値の選択は、低抵抗値により電気的損失お
よびスイツチモジユールの発熱を最小限にする効
率的な分路動作ができるように充分に低い抵抗の
分路を形成するように行なわれる。高抵抗値の抵
抗器は分路された電池の始動即ち再接続中に次第
に即ち段階的に分流させるための所望の時間フレ
ームが得られるように選択される。

通常の側路即ち分路運転中はスイツチが全て閉
じており、低抵抗スイツチモジユールが殆んどの
分路電流を流している。電池１０ｂを電池装置に
再接続して分路電流を遮断し、分路開閉装置を電
池１０ｂから切離す場合には、先ず低抵抗スイツ
チモジユールを開離させ、次に高抵抗スイツチモ
ジユールを順々に開離させて分路開閉装置から電
池へ分路電流を段階的に戻す。

第２図乃至第４図に示す実施例に於て、第１お
よび第２母線コネクター１４および１６は夫々互
いに接近した複数のＬ字形平面状母線導体であ
り、これら導体は互いに離間して重ねられてい
る。５対の母線導体１４−１乃至１４−５は第１
母線コネクター１４を構成し、５本の母線導体１
６−１乃至１６−５は第２母線コネクター１６を
構成している。各Ｌ字形の第１母線導体１４−１
乃至１４−５の横に延びた部分２４は電池１０ｂ
の横方向に延びて、隣接の電池１０ａから横方向
に延びた電池端子に係合している。Ｌ字形の第１
母線導体１４−１乃至１４−５のの他の部分２５
は電池１０ｂに平行に延びている。同様に第２母
線導体１６−１乃至１６−５は、電池１０ｂの横
方向で隣接の電池１０ｃから横方向に延びた端子
に係合した第１横方向部分２６を有している。Ｌ
字形の第２母線導体１６−１乃至１６−５の他の
部分２７は電池１０ｂに平行に延びまた第１母線
導体１４−１乃至１４−５の部分２５に平行に延
びている。スイツチモジユールは、第１および第
２母線導体１４および１６の上述の平行に離間し
た部分間に接続されている。

マトリツクス分路開閉装置１２の構造は第２図
および第４図、特に第４図からより容易に理解で
きる。第２図の頂面図では、最上段の第１母線導
体１４と列あるいは欄になつたスイツチモジユー
ル２２ａ乃至２２ｈだけしか見えないが、第４図
では共通垂直面内に整列した５つの堆積された母
線導体１４−１乃至１４−５が示されている。こ
れらの導体は互いに離間していて隣接の母線導体
間にスイツチモジユールを受入れるようにされて
いる。５本の母線導体間には各々８個のスイツチ
モジユールからなる４つの欄がある。第４図に於
て、１つの欄は８個のスイツチモジユール２２ａ
乃至２２ｈを含み、第２の欄のスイツチモジユー
ルは２２ａ１乃至２２ｈ１であり４つの欄につき
順次同様の符号が与えられている。

このマトリツクス中の互いに隣接のスイツチモ
ジユールは対照的な抵抗値のもの即ち一方が高抵
抗で他方は低抵抗のものである。従つて、例えば
スイツチモジユール２２ａが低抵抗であればスイ
ツチモジユール２２ｂおよび２２ａ１は高抵抗で
あり、スイツチモジユール２２ｂ１は低抵抗であ
る。可撓性母線コネクター装置は各スイツチモジ
ユールをモジユール各側の離間した母線導体に接
続するものである。

５本の堆積した母線導体１４−１乃至１４−５
と同様に、他方の母線導体１６は、マトリツクス
のスイツチモジユールの他端が接続された５本の
離間した母線導体１６−１乃至１６−５を有して
いる。

スイツチモジユール２２ａは第３図に詳細に示
してあり、絶縁性のＣ字形リンク部材２８の後方
に破線で示す気密封止され排気された電気スイツ
チSaを備えている。リンク部材２８は、エアコ
ネクター３２および３４を有する複動エアシリン
ダーである操作装置３０とスイツチSaの一方の
接点に連結された往復動操作ロツド３６との間に
延びている。管状の水冷抵抗器RaはスイツチSa
の他側とリンク部材２８とに接続されて冷却流体
入口３８および出口４０を有している。可撓性母
線コネクター部４２ａおよび４２ｂは操作装置３
０に接続されたスイツチ接点の反対側から延びて
スイツチモジユール２２ａを離間した母線導体１
４−１および１４−２に接続できるようにしてい
る。抵抗器Raの他端にはフランジコネクター４
４が設けられ、スイツチモジユール２２ａを母線
導体１６−１および１６−２に接続できるように
してある。

この実施例に於て、第１および第２母線コネク
ターが５本づつあり、スイツチモジユールは第２
図に示す如く各々４つのスイツチモジユールを有
する８列に配置されている。スイツチモジユール
は可撓性コネクター装置によつて一方のスイツチ
接点で隣接の第１母線コネクターに接続されてい
る。一枚に水冷である管状抵抗素子は、各スイツ
チモジユールの他方の接点に接続され、また隣接
の第２母線コネクターに接続されている。マトリ
ツクスアレイとは、ここでは離間した第１および
第２母線コネクター間のスイツチモジユールの行
および列を意味する。各高抵抗スイツチモジユー
ルはそれに隣接して低抵抗スイツチモジユールを
有し、従つてモジユールの市松模様状マトリツク
スが分路電流を分配し、しかも分路開閉装置のイ
ンダクタンスは最少限である。

この実施例に於ては32個のスイツチモジユール
があり、そのうち16個は電池側路運転中に分路電
流を効率的に流す低抵抗スイツチモジユールであ
る。他の16個の高抵抗スイツチモジユールは16個
の比抵抗スイツチモジユールが初期開離した後の
順次分流機構の作用をする。高抵抗スイツチモジ
ユールの開離動作間の時間は、運転効率を高める
ために電流を急速に電池に戻すように変えること
もできるし、あるいはスイツチ開離動作間に所望
の時間を与えて米国特許第4251334号に記載され
ている如く制御された低電流始動を行なうことも
できる。

32個のスイツチが全て閉じたとき、電池装置の
電流は16個の低抵抗スイツチモジユールに殆んど
流れ、これは完全分路運転状態である。分路電流
を側路即ち分路された電池に戻す場合には、16個
の低抵抗スイツチモジユールを開く。並列の16個
の高抵抗スイツチモジユールは、分路電流の小部
分を並列の電池に戻すように制御された大電流路
を形成する。16個の高抵抗スイツチモジユールは
次に時間制御されたシーケンスで開かれて系統電
流の一部を次第に増大させながら電池に戻す。

個々のスイツチモジユール２２ａは第３図に良
く示されている。電気スイツチSaは排気され気
密封止された装置である。接点は電流を電池に戻
すときに真空中で開離できるものである。このよ
うな真空スイツチは米国特許第4216361号に詳細
に説明されている。スイツチSaは可撓性のダイ
アフラム囲繞体部分を有し、気密封止された外管
を通つて延びる円筒形接点の往復運動ができるよ
うにしてある。第１の接点は可撓性母線リンクを
介して隣接の第１母線導体に接続されている。第
２の接点は管状の抵抗素子Raに剛体的い接続さ
れており、また絶縁性Ｃ字形リンク部材を介して
エアシリンダーである操作装置に剛体的に接続さ
れている。

各スイツチには夫々の操作装置が組合わされて
いる。操作装置は一般に復動エアシリンダーであ
り、スイツチの一方の接点に連結された往復駆動
ロツドを作動させてスイツチ内の接点を開閉させ
る。

低および高抵抗装置は、抵抗装置の水冷端子と
スイツチの接点との間に密に接触して他のスイツ
チの接点に接続された水冷管状体であり、スイツ
チモジユールの連続電流定格を直流12.5KAとす
るような冷却能力を有するものである。

第５図は、本発明による２つの別個のマトリツ
クス分路開閉装置を先ず電池を側路即ち分路され
るのに用い、次に分路した電池の交換電池を次第
に始動させるのに用いる別の電池分路装置を示す
概略回路図である。この型式の電池側路および始
動装置は米国特許第4251334号に示唆されてる。
本発明のマトリツクス分路開閉装置は便利で効率
的な分路開閉器を提供しまた電池始動即ち再接続
用の可変抵抗分流開閉装置をも提供する。

第１開閉装置４６は電池１０ａに並列に接続さ
れ、着脱式リンク導体４８が取外されて開閉装置
４６は電池１０ｂに直列である。第１開閉装置４
６は単に説明のためにだけ２つのスイツチモジユ
ール４６ａ，４６ｂだけで構成されているとして
図示してある。実際には第４図に示す如きスイツ
チモジユールのマトリツクスがあり、多数のスイ
ツチモジユールは必要な電流定格を得るように設
計される。第２開閉装置５０は修理あるいは交換
すべき電池であり、従つて分路すべき電池１０ｂ
に並列である。この第２開閉装置５０はリンク導
体４８を取外したとき電池１０ｂを迂回する分路
装置の作用をする。第２開閉装置５０も同様に２
つのスイツチモジユール５０ａおよび５０ｂだけ
を有するとして示してあるが、実際には第４図に
示す如きスイツチモジユールのマトリツクスを有
して所望の電流定格を得るようにしてある。第１
開閉装置４６はその後電流の所定部分を電池１０
ｂに分流し戻すための分流装置として用いること
ができる。両開閉装置４６および５０は本発明の
マトリツクス開閉装置構造である。電流を完全に
電池１０ｂに分流し戻す場合には、リンク導体４
８を電池１０ａと電池１０ｂとの間に連結し、両
開閉装置４６および５０を取外して他の電池に使
用できるようにする。

本発明を第２図および第４図に示す如く32個の
スイツチモジユールと５列の母線導体とを有する
実施例に沿つて説明した。マトリツクスアレイ
は、並列母線導体の数およびスイツチモジユール
の数を容易に変えて開閉装置に所望の電流定格を
与えるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気化学的電池の端子間に接続された
開閉装置の概略図、第２図はマトリツクスアレイ
開閉装置の頂面図、第３図は第２図の開閉装置の
一つのスイツチモジユールの拡大側面図、第４図
は電池に向つて見た第２図の開閉装置の側面図、
第５図は開閉装置を用いた他の実施例の概略回路
図である。 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ……電池、１２……分
路開閉装置、１４……第１母線コネクター、１６
……第２母線コネクター、１８，２０……端子、
２２ａ乃至２２ｄ……スイツチモジユール、Ra
乃至Rd……抵抗素子、Sa乃至Sd……スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 隣接の直列接続された電気化学的電池の端子
   に接続され得て、分路された電池を迂回する効率
   的な大電流容量の分路を形成し、所定の時間関数
   的に分路電流を分路された電池に戻し得る電気化
   学的電池分路開閉装置に於て、 第１および第２母線コネクターと、 上記第１および第２母線コネクター間に接続で
   きる複数の並列スイツチモジユールからなるマト
   リツクスアレイとを備え、 上記第１母線コネクターは一端で分路すべき電
   池に隣接した電池の端子に接続され得、上記第２
   母線コネクターは一端で分路すべき電池に隣接し
   た他の電池の端子に接続され得、上記第１および
   第２母線コネクターの他端は互いに離間した平行
   平面内に配置されてなり、 上記マトリツクスアレイは複数の分路スイツチ
   モジユールと複数の分流スイツチモジユールとを
   備え、上記分路スイツチモジユールは各々相対的
   に往復し得てスイツチ接点を開閉する接点を有す
   るスイツチ装置を備え、一方の上記スイツチ接点
   は一方の上記母線コネクターへの選択された低抵
   抗装置に直列に接続され、他方の上記スイツチ接
   点は可撓性コネクターにより他方の母線コネクタ
   ーに接続され、上記スイツチ接点を開閉するよう
   に上記可撓性コネクターに接続された上記スイツ
   チ接点に個々の操作装置が接続され、上記低抵抗
   装置は高効率電流分路を形成するように選択され
   てなり、 上記分流スイツチモジユールは各々、スイツチ
   装置と操作装置とを備え、選択された高抵抗装置
   が一つのスイツチ接点と一方の母線コネクターと
   に直列に接続され、上記高抵抗装置は、上記分路
   スイツチモジユールが開いたとき、分路電流の選
   択された部分が分路された電池に戻され、個々の
   上記分流スイツチモジユールを順次開いて、最後
   の分流スイツチモジユールの開動作により全ての
   電流が分路されていた電池に戻るまで、電池に戻
   される分路電流を増大させるように選択されてな
   る電気化学的電池分路開閉装置。 ２ 上記並列スイツチモジユールのマトリツクス
   アレイが、上記第１および第２母線コネクター間
   で行および列に配列された分流スイツチモジユー
   ルを有する分路スイツチモジユールを備え、隣接
   のスイツチモジユールは交互に分路スイツチモジ
   ユールおよび分流スイツチモジユールである特許
   請求の範囲第１項記載の電気化学的電池分路開閉
   装置。 ３ 上記第１および第２母線コネクターは各々複
   数の互いに離間した平面状導体を備え、上記第１
   母線コネクターの上記平面状導体は略々共通の平
   面状堆積体として整列しており、上記第２母線コ
   ネクターの上記平面状導体は上記第１母線コネク
   ターに対して平行に離間した別の略々共通の平面
   状堆積体として整列しており、電気的に並列接続
   されたスイツチのマトリツクスアレイが離間した
   上記第１および第２母線コネクター間に接続され
   てなる特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載
   の電気化学的電池分路開閉装置。 ４ 上記分路スイツチモジユールに直列接続され
   た低抵抗装置が10マイクロオームであり、上記分
   流スイツチモジユールの高抵抗装置が100マイク
   ロオームである特許請求の範囲第１項、第２項あ
   るいは第３項記載の電気化学的電池分路開閉装
   置。 ５ 上記分路スイツチモジユールに直列接続され
   た低抵抗装置が10マイクロオームであり、分流ス
   イツチモジユールの高抵抗装置が所望の分流特性
   を有するように選択されてなる特許請求の範囲第
   １項、第２項あるいは第３項記載の電気化学的電
   池分路開閉装置。