JP2005176528A

JP2005176528A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2005176528A
Application number: JP2003414259A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Numazaki; 光浩沼崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】走行に必要な電力変換装置の故障による直流入力回路短絡発生の際の、回生電力貯蔵手段に蓄積されたエネルギーによる故障部位の被害拡大を防止することが可能な電気車制御装置を提供する。
【解決手段】主たる電源１から直流電力が供給されて走行用電動機（車両駆動用電動機）５を制御する電力変換装置４と、車両が回生ブレーキを作用させたときに、電力変換装置４が発生する回生電力を一時的に貯蔵する電気二重層キャパシタ８と間に電流遮断装置７を設置する。電力変換装置４が故障した場合には、電流遮断装置７を開き、電気二重層キャパシタ８から電力変換装置４への事故電流を遮断し、電力変換装置４の被害拡大を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は電気車制御装置に関し、特に、電気車制御装置における回生電力の一時貯蔵、及び貯蔵した電力の力行電力、補助電源電力への再利用に関する技術に関する。

従来、電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵装置を利用して車両の回生ブレーキによる電力を一時貯蔵し、再利用する技術は知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。この場合において、主たる電源及び車両駆動用電力変換装置と並列に電気二重層キャパシタを接続するか、チョッパ装置などの電力変換装置を介して電気二重層キャパシタと接続する方式が提案されている。

図９に、並列に電気二重層キャパシタ８を接続した一例を示す。走行用の電力変換装置４に電圧型インバータを使用した例であるが、電圧型インバータにはフィルタコンデンサ６がある。電力貯蔵用途での電気二重層キャパシタ８においては、このフィルタコンデンサ６に比べ、はるかに大容量のキャパシタとなっている。

電力変換装置４の素子故障などが発生して、電力変換装置４の内部で短絡事故となった場合、電気二重層キャパシタ８に蓄積されたエネルギーが電力変換装置４内部の故障部位にて解放される。電気二重層キャパシタ８は非常に大きな容量であり、従い装置内部で解放されるエネルギーは莫大となり、装置の被害がさらに拡大され、焼損、発煙、火災などの原因となり得る。また、電気二重層キャパシタ８が短絡故障となった場合は、車両が運転不能となる。

図１０は、電力変換装置４と電気二重層キャパシタ８との間に、別の電力変換装置すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介した場合である。この場合においては走行用の電力変換装置４の故障に連動してＤＣ／ＤＣコンバータ１３を直ちに停止する機能を持たせることにより解決できそうに思われる。

しかるに、ここに用いるＤＣ／ＤＣコンバータ１３の目的を考えると、電気二重層キャパシタ８の電圧が主電源１の電圧より低いときでも、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３によって電気二重層キャパシタ８の電圧を昇圧して電力変換装置４に供給する機能を持たせるのが通例である。

よって昇圧チョッパと同様、図１１に示すように、平滑リアクトル２０、スイッチング素子２１、２２とともに、還流ダイオード２３、２４が内蔵される。

この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の動作を停止しても電気二重層キャパシタ８の電荷は還流ダイオード２３を経由して故障した電力変換装置４に流入するため、先の例と同様に被害の拡大が起こり得る。
特開２００２−３０５８０３号公報小笠正道、山本貴光著「鉄道車両のエネルギー蓄積」、財団法人鉄道総合研究所発行、雑誌"ＲＲＲ"、２００２．９、ｐ２０−２４

上述のように、主たる電源１及び車両駆動用電力変換装置４と並列に電気二重層キャパ
シタ８を接続したものにおいては、走行に必要な電力変換装置４の故障による直流入力回路短絡発生の際の、電気二重層キャパシタ８に蓄積されたエネルギーによる故障部位の被害拡大が起こり得る。更に、電気二重層キャパシタ８が短絡故障となった場合は、車両が運転不能となる。

また、電気二重層キャパシタ８と電力変換装置４との間に別の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１３を介したものにおいても、この電力変換装置１３が短絡故障した場合には、走行用の電力変換装置４に電源が加圧できず、車両として運転不能となるという問題があった。

本発明は、従来のこのような点に鑑みて為されたもので、走行に必要な電力変換装置の故障による直流入力回路短絡発生の際の、回生電力貯蔵手段に蓄積されたエネルギーによる故障部位の被害拡大を防止することが可能な電気車制御装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、回生電力貯蔵手段短絡故障、あるいは回生電力貯蔵手段と電力変換装置の間に接続された別の電力変換装置の故障など、走行の機能には直結しない部位の故障の場合には、走行に必要な電力変換装置を使用可能とする電気車制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、主たる電源から直流電力が供給されて車両駆動用電動機を制御する電力変換装置と、主たる電源と電力変換装置を電気的に切り離すための手段と、車両が回生ブレーキを作用させたときに、電力変換装置が発生する回生電力を一時的に貯蔵する回生電力貯蔵手段とを備えた電気車制御装置において、回生電力貯蔵手段から電力変換装置に対して貯蔵した電力を供給する回路の途中に、電流遮断装置を直列に設置したことを特徴とする。

本発明によれば、装置の追加により、万一の電力変換装置の故障被害拡大を防止することができる。また、回生電力貯蔵手段など走行の機能には直結しない部位の故障による車両の運転不能を防止することもできる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この実施形態は、主たる電源１から直流電力が供給されて走行用電動機（車両駆動用電動機）５を制御する電力変換装置４と、車両が回生ブレーキを作用させたときに、電力変換装置４が発生する回生電力を一時的に貯蔵する回生電力貯蔵手段である電気二重層キャパシタ８と間に電流遮断装置７を設置する。この電流遮断装置７は事故時の大電流を遮断する能力及び通常運転時の回路開放能力があれば機械式の高速度遮断器でも半導体スイッチでもよい。

また主たる電源１を電力変換装置４及び電気二重層キャパシタ８からなる回路と切り離すための手段として接触器２を有する。この接触器２は電流遮断装置７の動作と関連して、すなわち、電気二重層キャパシタ８の充電、放電の切り換えに関連して動作するように
構成されている。なお、３はフィルタリアクトルである。

次に、この第１の実施形態の作用について説明する。

初期の力行においては、電流遮断装置７を開き、接触器２を閉じて、主たる電源１より電力変換装置４に電力を供給する。次に回生ブレーキ時においては、接触器２を開き、電流遮断装置７を閉じて、電気二重層キャパシタ８に回生電力を蓄積する。

電気二重層キャパシタ８の電圧が、主たる電源１の電圧より低い場合には上記の動作であるが、電気二重層キャパシタ８の電圧が、主たる電源１と同等以上に達した場合には、力行時においても電気二重層キャパシタ８に蓄積した電力を走行に使用する。即ち接触器２は開放とし、電流遮断装置７を閉じて電気二重層キャパシタ８の電力を電力変換装置４に供給する。

回生ブレーキ時は、電力変換装置４と電気二重層キャパシタ８を電流遮断装置７で接続したままで、回生電力を電気二重層キャパシタ８に蓄積する。

電力変換装置４が故障した場合には、電流遮断装置７を開き、電気二重層キャパシタ８から電力変換装置４への事故電流を遮断し、電力変換装置４の被害拡大を防止する。

また、電気二重層キャパシタ８の短絡故障の場合には、電流遮断装置７を開き、車両が運行不能となることを防止する。

（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この第２の実施形態は、上述の第１の実施形態における電流遮断装置７を、ヒューズ９及び接触器１０で構成したものである。すなわち、電力変換装置４の故障時の事故電流は、ヒューズ９で遮断するように構成している。

この第２の実施形態の作用と上述の第１の実施形態の作用の違いを説明する。

通常時の電気二重層キャパシタ８の回路への接続、開放の動作、即ち第１の実施形態の電流遮断装置７の投入、開放の動作を、接触器１０で行う。ただし、電力変換装置４の故障においては、接触器１０の開放によらず、ヒューズ９により高速で事故電流を遮断する。また、電気二重層キャパシタ８の短絡故障の場合も、ヒューズ９により高速で事故電流を遮断し、車両が運行不能となることを防止する。

（第３の実施形態）
図３に、本発明の第３の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この第３の実施形態は、上述の第２の実施形態における接触器１０の代わりに、半導体スイッチ１１とダイオード１２を設け、かつダイオード１２は電気二重層キャパシタ８から電力変換装置４に電流を流す向きに設置するものである。電力変換装置４故障時、あるいは電気二重層キャパシタ８故障時の事故電流は、図２に示す第２の実施形態の場合と同様に、ヒューズ９で遮断するように構成している。

この第３の実施形態においては、電気二重層キャパシタ８の電圧が主たる電源１の電圧以下の場合の動作は、図１、図２に示す第１及び第２の実施形態の動作と同等である。即ち、力行においては、必ず主たる電源１から電力変換装置に電力が供給される。回生ブレ
ーキ時には、半導体スイッチ１１をオンにすることによって電気二重層キャパシタ８に充電する。

電気二重層キャパシタ８の電圧が、主たる電源１の電圧以上になると、ダイオード１２を介して電力変換装置４には電気二重層キャパシタ８から電力が供給されるようになる。この場合接触器２は開放しておくようにする。ただし、接触器２を閉じたままにしておく場合でも、主たる電源１を通じて他の電気車などに電気二重層キャパシタ８から電力が供給されることになるので、特に不都合はない。

電気二重層キャパシタ８が放電して主たる電源１の電圧以下になれば電気二重層キャパシタ８の放電は停止し、主たる電源１からの供給に切り換わる。

（第４の実施形態）
図４に、本発明の第４の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この第４の実施形態は、上述の第１の実施形態における電流遮断装置７として、高速度遮断器７ａを設け、この高速度遮断器７ａの動作頻度を低減するために、別に接触器１０を設けたものである。

通常の回路の投入、開放は接触器１０により、事故電流遮断を高速度遮断器７ａによる
。

勿論、高速度遮断器７ａに多頻度型のものを使用すれば接触器１０は不要となり、図１に示す第１の実施形態の場合と同様の構成となる。

（第５の実施形態）
図５に、本発明の第５の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この第５の実施形態は、フィルタリアクトル３を２分割し、分割したリアクトル３₁、３₂の中間の端子に、高速度遮断器７ａ及び電気二重層キャパシタ８を接続したものである。

この場合は、電力変換装置４の故障に伴う事故電流は、リアクトル３₂のインダクタンスによってその電流上昇率が抑制され、遮断時の電流をより小さくできるという利点がある。

（第４及び第５の実施形態の変形例）
図４、図５に示す第４及び第５の実施形態に関し、高速度遮断器７ａを半導体スイッチに置換してもほぼ同じ作用、効果を得ることが可能である。

また、図４に示す第４の実施形態に関し、高速度遮断器７ａをヒューズに置換すれば、図２に示す第２の実施形態の場合と同様の構成となる。

（第６の実施形態）
図６に、本発明の第６の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

同図に示すように、この第６の実施形態は、電気二重層キャパシタ８と電力変換装置４との間に、別の電力変換装置すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ１３を有する。この実施形態では、接触器１０はなく、ヒューズ９をＤＣ／ＤＣコンバータ１３と直列に挿入しているが、この実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接触器１０に相当する電流開閉手段
として機能する。電力変換装置４の故障時にはヒューズ９により事故電流を遮断し、被害拡大を防止する。

また、電気二重層キャパシタ８の故障時あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１３の故障時における事故電流もヒューズ９で遮断し、この時のヒューズ溶断により、故障した電気二重層キャパシタ８あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１３を主回路から切り離し、車両の運転継続を可能とする。

（第７の実施形態）
図７に、本発明の第７の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

この実施形態は、内燃機関１４で発電機１５を駆動し、整流器１６を介して電力変換装置４に電力を供給する回路構成である。すなわち、この実施形態は、内燃機関１４、発電機１５、整流器１６で主たる電源を構成している。なお、主たる電源と電力変換装置４とを切り離すための手段として、発電機１５または整流器１６に図示しない接触器を設けている。

この場合、回生ブレーキ時は、半導体スイッチ１１をオンにすることで、回生電力は電気二重層キャパシタ８に蓄積される。回生エネルギーは整流器１６で阻止され、発電機１５の電源側には戻らない。

また、内燃機関１４の機関速度が低いときには整流器１６の出力電圧が低くなり、この電圧が電気二重層キャパシタ８の電圧より低くなると、力行時にはダイオード１２を介して電気二重層キャパシタ８に蓄積されたエネルギーが力行電力として使用される。

機関速度が高くなり、整流器１６の出力電圧が高くなると、電力変換装置４への電力供給は自動的に発電機１５側からの供給に切り換わる。

（第８の実施形態）
図８に、本発明の第８の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す。

この実施形態は、上述の第７の実施形態における整流器１６の出力に補助電源１７も並列に接続したものである。この場合は、内燃機関１４の機関速度低下時に、電気二重層キャパシタ８電圧が整流器１６電圧より高い場合には、車両が力行していなくても、補助電源１７への電力供給が、電気二重層キャパシタ８からダイオード１２を介してなされる。

以上のような構成にすると、特に内燃車のように主たる電源の電圧が大きく変わるような用途では、特別にＤＣ／ＤＣコンバータなどを設けなくとも比較的容易な回路構成にて回生電力の蓄積及び有効な再利用が図れる利点がある。

（他の実施形態）
なお、上記の各実施形態においては、遮断装置を電気二重層キャパシタの正極側に接続する方法によっているが、特に正極側によらず、電気二重層キャパシタの負極側に接続した場合、もしくは正極側、負極側双方に遮断装置を接続したでも同様の効果が得られる。

また、回生電力貯蔵手段としては、上記の各実施形態のように、電気二重層キャパシタを用いるのが好ましいが、電気二重層キャパシタの代わりにバッテリーを用いることもできる。

以上説明したように、上記各実施形態によれば、最低限の部品、装置の追加により、万
一の電力変換装置の故障被害拡大、及び電力蓄積回路の故障による車両の運転不能を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第２の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第３の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第４の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第５の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第６の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第７の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第８の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図。従来の一構成例を示すブロック図。従来の他の構成例を示すブロック図。図１０に示す例におけるＤＣ／ＤＣコンバータの具体的構成を示す回路図。

符号の説明

１…主たる電源
２…接触器
３、３₁、３₂…フィルタリアクトル
４…電力変換装置
５…走行用電動機
６…フィルタコンデンサ
７…電流遮断装置
７ａ…高速度遮断器
８…電気二重層キャパシタ
９…ヒューズ
１０…接触器
１１…半導体スイッチ
1２…ダイオード
１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４…内燃機関
１５…発電機
１６…整流器
１７…補助電源

Claims

主たる電源から直流電力が供給されて車両駆動用電動機を制御する電力変換装置と、前記主たる電源と前記電力変換装置を電気的に切り離すための手段と、車両が回生ブレーキを作用させたときに、前記電力変換装置が発生する回生電力を一時的に貯蔵する回生電力貯蔵手段とを備えた電気車制御装置において、
前記回生電力貯蔵手段から前記電力変換装置に対して貯蔵した電力を供給する回路の途中に、電流遮断装置を直列に設置したことを特徴とする電気車制御装置。
請求項１に記載の電気車制御装置において、前記電流遮断装置として、ヒューズと電流開閉手段とを直列に設けたことを特徴とする電気車制御装置。
請求項１に記載の電気車制御装置において、前記電流遮断装置として、ヒューズと半導体スイッチとを直列に設け、前記半導体スイッチと並列に、前記回生電力貯蔵手段から前記電力変換装置に電流を供給する方向にダイオードを設けたことを特徴とする電気車制御装置。