CN102969750B - 电池充电系统和铁路车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够实现蓄电机构的高寿命化的电气铁路车辆的充电系统。至少具备：第1蓄电机构（电池（A）），具有规定的容量，向电气铁路车辆的驱动系统供给电力；供电机构（充电口（1）），在规定的车站中能够从外部电源供电；充电机构（充电装置（4）），在规定的车站中的停车时，连接到供电机构上，将第1蓄电机构充电；第2蓄电机构（电池（B）），具有比第1蓄电机构的容量大的容量；运算机构（运算装置（10）），在电气铁路车辆的行驶时，进行关于第1蓄电机构的功耗的信息的运算处理；以及，补充充电机构（补充充电装置（40）），基于运算结果，进行从第2蓄电机构对第1蓄电机构的补充充电。

Description

电池充电系统和铁路车辆
本申请基于2011年8月31日提出的日本专利申请第2011－189045号主张优先权，这里引用其全部内容。
技术领域
本发明涉及灵活利用车站停车时的停车时间、一边从地上设备补充电力一边运转的电气铁路车辆的充电系统。
背景技术
以往，铁路车辆的电车从电车线等接受电力的供给而使用。
另一方面，在没有电车线等的区间中也使用电车的情况下，开发了将电车线与电池组合的混合动力车。
该混合动力车在有电车线的区间中从电车线接受电力的供给，在没有电车线的区间中从电池接受电力的供给来使用车辆。
此外，关于将在车辆的制动时产生的再生电力向电池充电、作为接下来的动力运行时或向辅助设备类的电力而灵活利用的方法，也提出了各种方案。
作为以往技术，例如可以举出特开2009－72003号公报（专利文献1）及特开2001－352607号公报（专利文献2）。
专利文献1：特开2009－72003号公报
专利文献2：特开2001－352607号公报
但是，在以往技术中，在行驶了规定时间后，成为以较低的充电率反复充放电，有使电池的寿命缩短的问题。
发明内容
本发明鉴于上述情况，目的是提供一种能够实现蓄电机构的高寿命化的电气铁路车辆的充电系统。
为了解决上述课题，有关实施方式的电气铁路车辆的充电系统，至少具备：第1蓄电机构，具有规定的容量，对电气铁路车辆的驱动系统供给电力；供电机构，在规定的车站中能够从外部电源进行供电；充电机构，在上述规定的车站中的停车时，被连接到上述供电机构上，将上述第1蓄电机构充电；第2蓄电机构，具有比上述第1蓄电机构的容量大的容量；运算机构，在上述电气铁路车辆的行驶时，进行有关上述第1蓄电机构的功耗的信息的运算处理；以及补充充电机构，基于该运算机构的运算结果，进行从上述第2蓄电机构对上述第1蓄电机构的补充充电。
附图说明
图1是实施方式的功能框图。
图2是表示实施方式的概要的说明图。
图3是表示实施方式的主要部的电路图。
图4是表示实施方式的电池的充电状态的曲线图。
图5是表示成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统的概要的说明图。
图6是表示作为实施方式的前提的充电状态的曲线图。
附图标号说明
S1电气铁路车辆的充电系统
1车站的充电口
2电源线（电力线）
SW1～SW3开关
4（4a、4b）充电装置
A电池（第1蓄电机构）
B电池（第2蓄电机构）
10运算装置
11、12电流检测器
40（40a、40b）补充充电装置
R100铁路车辆
E1、E2电动车
T1拖车
J1、J2跳线连接器
D1、D2二极管
Tr1、Tr2晶体管
L1扼流圈
50逆变器
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本实施方式。
这里，在附图中对相同的部件赋予相同的标号，此外省略重复的说明。另外，这里的说明是实施本发明的优选的形态，但本发明并不限定于该形态。
在对有关本实施方式的电气铁路车辆的充电系统S1进行说明之前，作为比较对象，参照图5及图6，对成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10进行说明。
图5是表示成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10的概略结构的说明图。
在该电气铁路车辆的充电系统S10中，一边对于车载电池在车站停车时进行急速充电一边进行车辆的使用。
如图5所示，电气铁路车辆的充电系统S10具备对于未图示的外部电源拆装自如地连接的充电口100、经由充电口100连接在外部电源上、穿通到车辆R200内的电源线（电力线）101、将由锂离子电池等构成的充电电池（蓄电机构）B10充电的充电装置300、和经由开关SW11、SW12被开启关闭、驱动未图示的驱动马达等的设备的驱动电路D10、D11。
另外，在这里表示的例子中，车辆R200由搭载驱动马达的两台电动车E10、E11，和连结在该电动车E10、E11之间、搭载电池B10及充电装置300的拖车（trailercar）T10构成。
此外，电动车E10及E11和拖车T10经由跳线连接器（jumpercoupler）J10、J11连接。
充电装置30经由开关SW10连接在电源线101上。
在图5所示的例子中，充电装置300由扼流圈（chokecoil）L10、L11、电容器10、串联连接的整流用的二极管D20、D21及开关用的晶体管Tr10、Tr11构成。
另外，通过二极管D20、D21及晶体管Tr10、Tr11，构成使经由开关SW1取入的直流电流的电压降压至适合于电池B10的充电的电压的降压斩波电路。
驱动电路D10、D11经由开关SW11、SW12连接在电源线101上。
另外，驱动电路D10及D11，由于具有同样的结构，所以以驱动电路D10为例进行说明，对驱动电路D10赋予相同的标号、省略重复的说明。
驱动电路D10由并联连接的开关SW20、电阻R10、限制交流成分的扼流圈L20、提高电流的平滑效果的电容器C20、和与该电容器C20并联连接而将直流变换为交流的逆变器200构成。
另外，通过开关SW20的开启关闭，能够根据输入的电压来调整电压。
这里，对成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10的动作简单地进行说明。
首先，在列车R100的动力运行时，使开关SW10、SW11、SW12成为开启状态，将来自于电池10的直流电流向驱动电路D10、D11供给。
在驱动电路D10、D11中，将直流电流变换为所希望的交流电流，驱动由三相交流马达等构成的驱动系统。
此外，在停车于规定的车站时，使开关SW11、SW12成为关闭状态，并且将充电口100连接到车站的电源上。
由此，经由充电装置300电池B10被急速充电。
关于作为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10中的电力（能量），在车站中由充电装置300对车载的电池B10进行利用停车时间的充电，但是一般不能期望进行到下个车站所需的电力量（能量）的补充的情况较多。对此可以想到各种原因，但作为一个原因可以举出，一般停车时间即便较长也只有几分钟的情况较多，不能确保充分的充电时间。
在图6的曲线图中，表示由成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10进行的电池的充电状态。
如图6所示，驱动系统的负荷作为行驶时的动力运行电力而被消耗，虽然通过制动时的电力再生向电池B10充电，但由于超过在车站充电的电力（能量），所以通过该反复，成为电池B10的电力（能量）随着时间经过而在A点、B点、C点逐渐减少下去的图形。
在这样的模式中，在行驶了一段时间后，电池B10在接近于空充电的状态下被充放电，有给电池的寿命带来较大的影响的问题。
所以，本发明者为了解决上述问题而进行锐意研究，结果完成了本发明。
接着，参照图1至图4，对有关本发明的实施方式的电气铁路车辆的充电系统S1进行说明。
如图1的功能框图所示，电气铁路车辆的充电系统S1至少具备：作为第1蓄电机构的电池A，具有规定的容量（例如30kW/h等），将电力向电气铁路车辆R100的驱动系统（例如三相交流马达）供给；作为供电机构的充电口1，在规定的车站中能够从未图示的外部电源供电；作为充电机构的充电装置4（4a、4b），在上述规定的车站中的停车时，连接到充电口1上，将电池A充电；作为第2蓄电机构的电池B，具有比电池A容量大的容量（例如500kW/h以上等）；运算装置10，由作为进行在电气铁路车辆R100的行驶时进行关于功耗的信息的运算处理的运算机构的微型计算机等构成；以及，作为补充充电机构的补充充电装置40（40a、40b），基于该运算装置10的运算结果，进行从电池B对电池A的补充充电。
另外，在本实施方式中，补充充电装置40（40a、40b）兼作为充电装置4（4a、4b）。
此外，虽然没有特别限定，但电池A及电池B可以由锂离子电池、双电层电容器（电气二重层电容器）等构成。
接着，参照图2及图3，对电气铁路车辆的充电系统S1的更详细的结构进行说明。
如图2及图3所示，电气铁路车辆的充电系统S1具备对于未图示的外部电源拆装自如地连接的充电口1、经由充电口1连接到外部电源（充电用恒压电源等）上、穿通到车辆R100内的电源线（电力线）2、将由锂离子电池等构成的、作为第1蓄电机构的电池A充电的充电装置4（4a、4b）、将充电装置4a、4b相对于电源线2开启关闭的开关SW1、SW2、和经由开关SW3连接到电源线2上的作为第2蓄电机构的电池B。
另外，在本实施方式中，车辆R100由搭载驱动马达的两台电动车E1、E2、和连结在该电动车E1、E2之间、搭载电池B的拖车T1构成。
此外，电动车E1及E2与拖车T1经由跳线连接器J1、J2而被连接。
另外，在本实施方式中，如上述那样，表示了车辆R100作为连结多个车辆的列车而构成的情况，但并不限定于此，在如无轨电车那样仅由一辆车辆构成的情况下也能够适用。在此情况下，将构成充电系统S1的充电装置4、电池A、电池B等的全部的构成部件搭载到一辆车辆上。
接着，对充电装置4a、4b的结构进行说明。
另外，由于充电装置4a、4b具有相同的结构，所以以充电装置4a为例进行说明，对充电装置4b赋予相同的标号，省略重复了的说明。
在图3所示的结构例中，充电装置4a经由开关SW1被连接在电源线2上。
充电装置4a包括扼流圈L1、串联连接的整流用的二极管D1、D2及开关用的晶体管Tr1、Tr2、和与电池并联连接而将直流变换为交流的逆变器50。
另外，通过二极管D1、D2及晶体管Tr1、Tr2，构成使经由开关SW1取入的直流电流的电压降压至适合于电池A的充电的电压的降压斩波电路。
此外，在逆变器50上连接着使车辆R100驱动的三相交流马达等。
此外，虽然没有特别限定，但是电池B能够向包括车辆R100搭载的空调设备、灯电路中的至少一个的设备供给电力。
此外，充电装置4a、4b对电池A充电预先设定的规定量，运算装置10运算并判断电气铁路车辆R100的行驶时的电池A的功耗是否达到上述规定量，补充充电装置40在由运算装置10判断出上述功耗达到了上述规定量的情况下进行从电池B向电池A的补充充电。
此外，充电装置4a、4b具备从电池A检测电流量的电流检测器11、12。即，电池A的充电量由电流检测器12计测，由电池A的动力运行时的放电量被电流检测器11计测。并且，电流检测器11、12的输出被输入到运算装置10中，基于动力运行指令、再生指令、车站中的充电指令等执行运算处理，对充电装置4a、4b发出控制指令。
另外，充电装置4a、4b将在驱动马达的减速动作时产生的再生电力对电池A充电。
进而，也可以设定为，通过充电装置4a、4b被充电的再生电力的量、上述规定量、与向电池A补充充电的量之和，与由驱动马达消耗的功耗量相等。
这里，对上述结构的电气铁路车辆的充电系统S1的动作进行说明。
首先，在车辆R100的运转开始时，使开关SW1~SW3成为关闭状态，通过电池A的电力进行动力运行运转。
并且，如果车辆R100到达规定的车站，则将充电口1连接到车站所具备的外部电源上。
接着，使开关SW1和SW2成为开启状态，通过充电装置4a、4b的降压斩波动作，将电池A恒流充电至规定量。
如果成为发车时刻，则将充电口1从外部电源拆下，将开关SW1和SW2切换至关闭状态，通过电池A的电力驱动驱动系统，使车辆R100动力运行运转。
这样，在车站中由充电装置4a、4b对电池A进行利用停车时间的充电，但是由于在向下个车站的到达前被充电的电力被使用完，所以基于运算装置10的运算结果进行动作，以便利用补充充电装置40（40a、40b：如上述那样在本实施方式中兼作为充电装置4a、4b）、从电池B对电池A转移与动力运行能量相同量的能量。即，使开关SW1~SW3成为开启状态，从电池B通过补充充电装置40a、40b对电池A进行补充充电。
由此，能够将电池A的充电状态保持在大致接近满充电。
此外，将在车站停止时的制动状态下产生的再生电力充电至电池A。
在车站停车中，从地上设备向电池A进行供电，但是由于确保了能够充电规定量的能量的余富，所以来自地上设备的充电每次都能够100%灵活利用。
此外，将图4所示的表示由有关本实施方式的电气铁路车辆的充电系统S1带来的电池的充电状态的曲线图和图6所示的表示成为实施方式的前提的电气铁路车辆的充电系统S10带来的电池的充电状态的曲线图比较可知，在充电系统S1中，电池A的充电率即使反复进行车站间的运转也稳定在较高的水平，不会有如成为实施方式的前提的情况下那样车载电池的充电率逐渐减少的情况。
这样，根据有关本实施方式的电气铁路车辆的充电系统S1，由于基于通过运算装置10进行的关于电池A的功耗的信息的运算处理的运算结果，进行从电池B对电池A的补充充电，所以电池A在电气铁路车辆R100的运转周期中能够确保比较高的充电率，能够实现电池A的长寿命化。此外，对于电池B能够成为比较缓慢的放电动作，还能够实现电池B的长寿命化。
此外，由于在由运算装置10判断为功耗达到了规定量的情况下进行从电池B向电池A的补充充电，所以电池A在电气铁路车辆R100的运转周期中能够更有效地确保较高的充电率，能够实现电池A的更长寿命化。
此外，由于将在驱动系统的减速动作时产生的再生电力对电池A进行充电，所以能够使系统S1整体的能量效率提高。
进而，由于设定为，使通过充电装置4充电的再生电力的量、规定量、与向电池A补充充电的量之和与由驱动系统消耗的功耗量相等，所以能够对电池A等进行极限设计，能够使用最小容量的电池A，有向车辆R100的组装变得容易的效果。
此外，还有能够使车载的电池A及电池B的整体容量变小、能够抑制车重并且能够实现成本削减的效果。
此外，由于电池B向包括车辆R100搭载的空调设备、灯电路的至少一个的设备供给电力，所以电池B能够成为比较缓慢的放电状态，能够实现电池B的长寿命化。
此外，由于充电口1由恒压电源构成，该恒压电源和电气铁路车辆具备的电源线2在设定于规定的位置上的一个部位处连接，所以能够进行稳定的充电。
进而，由于对电池B的充电是在电气铁路车辆的工厂停留等时通过恒流－恒压充电装置被低速充电，所以能够有利于电池B的长寿命化。
另外，从电池B向电池A的电力转移考虑预测和修正也可以不是图4所示那样的矩形波状，而为平缓的波形。
此外，运算装置10能够切换多个控制模式，例如在动力运行模式中，如果将充电装置4a、4b设为充电模式，则从电池B向电池A转移能量，在再生模式中，如果将充电装置4a、4b设为放电模式，则能够从电池A向电池B转移能量。在此情况下，由于电池B被连接在列车用的灯电路或辅助设备等上，所以电池B基本上可以看作仅进行缓慢的放电模式。
此外，电池A被搭载在电动车E1、E2上，根据设备组装上的空间的容许范围，为容量比较小的电池。另一方面，电池B搭载到拖车上，一般在组装空间上有余富，所以能够搭载较大容量的电池，能够从电池B向列车R100的各种辅助设备等供给电力。
以上说明了本发明的一些实施方式，但这些实施方式是作为例子提示的，并不意味着限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替代、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的技术范围及主旨中，并且包含在与权利要求书所述的发明等价的范围中。

Claims (7)

1.一种电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
至少具备：
第1蓄电机构，具有规定的容量，对电气铁路车辆的驱动系统供给电力；
供电机构，在规定的车站中能够从外部电源进行供电；
充电机构，在上述规定的车站中的停车时，被连接到上述供电机构上，将上述第1蓄电机构充电；
第2蓄电机构，具有比上述第1蓄电机构的容量大的容量；
运算机构，在上述电气铁路车辆的行驶时，进行有关上述第1蓄电机构的功耗的信息的运算处理；以及
补充充电机构，基于该运算机构的运算结果，进行从上述第2蓄电机构对上述第1蓄电机构的补充充电；
上述充电机构对上述第1蓄电机构充电预先设定的规定量；
上述运算机构运算、判断电气铁路车辆的行驶时的上述第1蓄电机构的功耗是否达到了与上述规定量相同的量；
上述补充充电机构在由上述运算机构判断上述功耗达到了上述规定量的情况下，进行从上述第2蓄电机构向上述第1蓄电机构的补充充电。
2.如权利要求1所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
上述充电机构将在上述驱动系统的减速动作时产生的再生电力对上述第1蓄电机构进行充电。
3.如权利要求2所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
该充电系统被设定为：通过上述充电机构被充电的上述再生电力的量、上述规定量、与向上述第1蓄电机构补充充电的量之和，与由上述驱动系统消耗的功耗量相等。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
上述第2蓄电机构向包括上述电气铁路车辆搭载的空调设备、灯电路的至少一个的设备供给电力。
5.如权利要求1～3中任一项所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
上述供电机构由恒压电源构成；
该恒压电源与上述电气铁路车辆具备的电源线在设定于规定的位置上的一个部位处被连接。
6.如权利要求1～3中任一项所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
对上述第2蓄电机构的充电是在上述电气铁路车辆的停留时通过恒流－恒压充电装置被低速充电。
7.如权利要求1～3中任一项所述的电气铁路车辆的充电系统，其特征在于，
上述电气铁路车辆包括1台以上的电动车及连结在该电动车上的1台以上的拖车；
上述第1蓄电机构、上述充电机构、上述运算机构及上述补充充电机构被搭载在上述电动车上；
上述第2蓄电机构被搭载在上述拖车上。
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