JP2006020372A - バッテリ車の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回生エネルギーの放電効率を改善、さらに装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】バッテリ4を直流電源とする電力変換装置3によってモータ1を可変速制御し、モータからの回生電力でバッテリの端子電圧が設定値を越えたときに放電用トランジスタ5DのON制御で放電抵抗5Eに放電させる回生電力消費用チョッパにおいて、回生電力消費用チョッパは、放電用トランジスタを一旦ONさせたときは、ON状態を一定時間だけ継続させる。
バッテリや放電抵抗の温度や電流を基にして放電用トランジスタのON時間を可変制御することも含む。
【選択図】 図1
【解決手段】バッテリ4を直流電源とする電力変換装置3によってモータ1を可変速制御し、モータからの回生電力でバッテリの端子電圧が設定値を越えたときに放電用トランジスタ5DのON制御で放電抵抗5Eに放電させる回生電力消費用チョッパにおいて、回生電力消費用チョッパは、放電用トランジスタを一旦ONさせたときは、ON状態を一定時間だけ継続させる。
バッテリや放電抵抗の温度や電流を基にして放電用トランジスタのON時間を可変制御することも含む。
【選択図】 図1
Description
本発明は、バッテリ車のモータを可変速駆動する制御装置に係り、特にモータからの回生電力を抵抗で放電する放電回路を具備した制御装置に関する。
トンネル工事において、建設資材や土砂の運搬には、排気ガスを発生するディーゼル車に代えて、バッテリを電源とする電気機関車が用いられる。この電気機関車が、下り坂での定速走行時や減速時に発生する回生エネルギーは、バッテリへの充電電力として回生されることになるが、バッテリが満充電状態の場合、この回生エネルギーは放電抵抗で消費するなどの方策が必要となる。
この放電動作を行う回路は、一般的に、回生電力消費用チョッパと呼ばれ、図7に示すバッテリ車の制御装置に、一点鎖線内部に示すような回路構成で設けられる。図7において、モータ(誘導電動機)1は機関車駆動輪2に結合され、電力変換装置(インバータ)3はバッテリ4を直流電源として周波数及び電圧を制御した交流電力を得、モータ1を可変速駆動する。
回生電力消費用チョッパ5は、バッテリ電圧を検出する電圧検出回路5Aと、放電動作電圧設定回路5Bと、両回路5A,5Bの電圧比較でバッテリ電圧上昇を検出するコンパレータ5Cと、コンパレータ5Cの検出でON動作する放電用トランジスタ(放電用半導体スイッチ)5Dと、このトランジスタ5DのON動作で放電電流を流す放電抵抗5Eとで構成される。
この回生電力消費用チョッパ5を具備する制御装置において、車両の減速動作などにより、モータ1が発生した回生エネルギーは、電力変換装置3を介してバッテリ4へ充電(同図内、矢印Aで示す)される。この充電で、バッテリ4の端子電圧が上昇すると、回生電力消費用チョッパ5の電圧検出値も上昇し、放電動作電圧設定値を超えるレベルに達すると、コンパレータ5Cが動作して放電用トランジスタ5DをONさせる。これにより、モータ1からの回生電流およびバッテリ4からの放電電流が放電抵抗5Eに流れ(同図内、矢印B)、バッテリ4の端子電圧の上昇を抑制し、バッテリ4の過充電を防止する。
なお、回生電力消費用チョッパ5は、電源投入時などバッテリ電圧の変化に応じて、放電動作電圧を2段階に切り替える方式のものもある(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−092880号公報
前記の回生電力消費用チョッパをバッテリ車へ適用した場合の問題点は、放電効率の悪い放電モードがあり、高効率な放電システムを構築出来ない点である。
図8は放電動作時のタイミングチャートである。モータ1からの回生エネルギー(マイナスのモータ出力)の増大とともにバッテリ4に充電電流が流入し、バッテリ4の端子電圧が上昇する。端子電圧がコンパレータ5Cの放電動作設定電圧レベルを超えると、放電用トランジスタ5DがONし放電動作が行われる。逆に、端子電圧がコンパレータの動作レベルを下回ると放電用トランジスタがOFFし、放電動作が停止される。
図8より、充放電動作時に、バッテリの端子電圧が瞬時に変化しているが、これはバッテリが持っている内部抵抗による電圧降下の影響である。同図の前半に示しているが、この内部抵抗による電圧降下は、放電用トランジスタが不必要に充放電動作を繰り返す原因となり、その温度上昇を防止するために冷却装置を必要とするなど、放電効率の良いシステムとはならない。
また、特許文献1のような放電動作電圧の切り替え回路を設けない場合や電圧設定が不適切な場合は、放電用トランジスタのON/OFF動作切り替えが不適切なものになって、放電抵抗の温度上昇の問題やバッテリの過充電や温度上昇の問題が起きる。
本発明の目的は、上記の課題を解決したバッテリ車の制御装置を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、放電用半導体スイッチを一旦ONさせたときは、ON動作を一定時間だけ継続させるON時間調整手段を設け、これに加えて、バッテリや放電抵抗の温度や電流からそれらの異常を早期に検出したON時間の可変制御でそれらを保護できるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
(1)バッテリを直流電源とする電力変換装置によってバッテリ車の駆動モータを可変速制御し、放電抵抗と放電用半導体スイッチの直列回路を前記バッテリに並列に設けた回生電力消費用チョッパによって、モータからの回生電力でバッテリの端子電圧が設定値を越えたときに該放電用半導体スイッチをON制御するバッテリ車の制御装置において、
前記回生電力消費用チョッパは、前記放電用半導体スイッチを一旦ONさせたときは、ON状態を一定時間だけ継続させるON時間調整手段を設けたことを特徴とする。
前記回生電力消費用チョッパは、前記放電用半導体スイッチを一旦ONさせたときは、ON状態を一定時間だけ継続させるON時間調整手段を設けたことを特徴とする。
(2)前記回生電力消費用チョッパは、前記バッテリの充電電流検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該バッテリへの充電電流が大電流充電になるのを回避し、かつ充電時間を速める充電電流に制御するバッテリ充電電流調整手段を設けたことを特徴とする。
(3)前記回生電力消費用チョッパは、前記バッテリの温度検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該バッテリの発熱を抑制するバッテリ温度調整手段を設けたことを特徴とする。
(4)前記回生電力消費用チョッパは、前記放電抵抗の放電電流検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該放電抵抗に過負荷電流が流れるのを回避する放電抵抗負荷調整手段を設けたことを特徴とする。
(5)前記回生電力消費用チョッパは、前記放電抵抗の温度検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該放電抵抗の発熱を抑制する放電抵抗温度調整手段を設けたことを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、放電用半導体スイッチを一旦ONさせたときは、ON動作を一定時間だけ継続させるON時間調整手段を設けたため、放電効率を改善することができる。
これに加えて、バッテリや放電抵抗の温度や電流を基にして放電用半導体スイッチのON時間を可変制御するため、バッテリでの異常、放電抵抗部での異常を早期に検出し、バッテリ部での充放電量の調整を行うことにより、信頼性の向上を図ることができる。
(実施形態1)
図1はバッテリ車の制御装置の回路図を示す。この回路は図7に対して、コンパレータ5Cに時間調整機能をもたせている点が異なっている。図2は放電動作時のタイミングチャートである。この時間調整機能付きコンパレータ5Cは、放電動作電圧設定回路5Bを内蔵するほか、放電用トランジスタ5Dを一旦ONさせると、そのON動作を一定時間だけ継続させるタイマ機能を内蔵する。このタイマ機能により、図8で示した不必要に充放電を繰り返す動作モードでも、期間T1で示すように放電時間の割合を増やすことができ、放電効率を上げることが出来る。
図1はバッテリ車の制御装置の回路図を示す。この回路は図7に対して、コンパレータ5Cに時間調整機能をもたせている点が異なっている。図2は放電動作時のタイミングチャートである。この時間調整機能付きコンパレータ5Cは、放電動作電圧設定回路5Bを内蔵するほか、放電用トランジスタ5Dを一旦ONさせると、そのON動作を一定時間だけ継続させるタイマ機能を内蔵する。このタイマ機能により、図8で示した不必要に充放電を繰り返す動作モードでも、期間T1で示すように放電時間の割合を増やすことができ、放電効率を上げることが出来る。
なお、期間T2では、図8のその期間に対して、放電効率が落ちる部分があるようにみえるが、実際には放電時間≫充電時間に構成できるため、放電効率の悪化はほとんどない。
(実施形態2)
図7に示す充放電電流の流れより、放電用トランジスタ5DのON,OFF時間の割合を調整することにより、充電電流と放電電流の割合を変えることができる。
図7に示す充放電電流の流れより、放電用トランジスタ5DのON,OFF時間の割合を調整することにより、充電電流と放電電流の割合を変えることができる。
そこで、本実施形態では、図3に回路図を示すように、バッテリ4に流れ込む電流を電流検出器6で検出し、この検出電流を電流検出回路5Fで平滑および適当な電圧レベルに変換し、この検出電流を基にコンパレータ5CではON,OFF時間を可変とすることにより、バッテリ4の充電電流を調整できるバッテリ充電電流調整回路を実現する。なお、コンパレータ5Cは、実施形態1における一定時間継続機能に加えて、そのON,OFF時間を調整するものであり、以下の実施形態3〜5も同様にされる。
この回路構成をとることにより、例えば電気機関車の回生エネルギーを利用してバッテリへの充電動作を行う場合、バッテリに相性の良い充電電流(大電流充電を回避かつ充電時間を速める電流)に制御して充電することが可能となる。
(実施形態3)
本実施形態では、図4に回路図を示すように、バッテリの温度を温度センサ7で検出し、この検出温度を温度検出回路5Gで適当な電圧レベルに変換し、この検出温度を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、バッテリの充電電流を調整できるバッテリ温度調整回路を実現する。
本実施形態では、図4に回路図を示すように、バッテリの温度を温度センサ7で検出し、この検出温度を温度検出回路5Gで適当な電圧レベルに変換し、この検出温度を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、バッテリの充電電流を調整できるバッテリ温度調整回路を実現する。
この回路構成をとることにより、例えば、回生エネルギーによりバッテリを充電中にバッテリの異常発熱を検出したとき、充電電流の一部あるいは全部を放電抵抗へ流すことによりバッテリの発熱を抑制し、バッテリを保護することができる。
(実施形態4)
本実施形態では、図5に回路図を示すように、放電抵抗5Eに流れる電流を電流検出器8で検出し、この検出電流を電流検出回路5Fで平滑および適当な電圧レベルに変換し、この検出電流を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、放電抵抗への放電電流を調整できる放電抵抗負荷調整回路を実現する。
本実施形態では、図5に回路図を示すように、放電抵抗5Eに流れる電流を電流検出器8で検出し、この検出電流を電流検出回路5Fで平滑および適当な電圧レベルに変換し、この検出電流を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、放電抵抗への放電電流を調整できる放電抵抗負荷調整回路を実現する。
この回路構成をとることにより、例えば、放電動作時に放電抵抗での消費電力を演算し、過負荷状態を検出した場合でバッテリの充電状態にまだ余力があると予測される場合は放電電流の一部あるいは全部をバッテリへ流すことにより放電抵抗を保護することができる。
(実施形態5)
本実施形態では、図6に回路図を示すように、放電抵抗5Eの発熱温度を温度センサ8で検出し、この検出温度を温度検出回路5Gで適当な電圧レベルに変換し、この検出温度を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、放電抵抗への放電電流を調整する放電抵抗温度調整回路を実現する。
本実施形態では、図6に回路図を示すように、放電抵抗5Eの発熱温度を温度センサ8で検出し、この検出温度を温度検出回路5Gで適当な電圧レベルに変換し、この検出温度を基にコンパレータ5CのON,OFF時間の割合を調整することで、放電抵抗への放電電流を調整する放電抵抗温度調整回路を実現する。
この回路構成をとることにより、例えば、放電動作時に放電抵抗の異常発熱を検出したとき、バッテリの充電状態にまだ余力があると予測される場合は放電電流の一部あるいは全部をバッテリへ流すことにより放電抵抗を保護することができる。
なお、実施形態2〜5の回路構成は、適宜組み合わせて実施形態1の回路に適用できる。
1 モータ
2 機関車駆動輪
3 電力変換装置(インバータ)
4 バッテリ
5 回生電力消費用チョッパ
6、8 電流検出器
7、9 温度センサ
5A 電圧検出器
5B 放電動作電圧設定器
5C コンパレータ
5D 放電用トランジスタ
5E 放電抵抗
5F 電流検出回路
5G 温度検出回路
2 機関車駆動輪
3 電力変換装置(インバータ)
4 バッテリ
5 回生電力消費用チョッパ
6、8 電流検出器
7、9 温度センサ
5A 電圧検出器
5B 放電動作電圧設定器
5C コンパレータ
5D 放電用トランジスタ
5E 放電抵抗
5F 電流検出回路
5G 温度検出回路
Claims (5)
- バッテリを直流電源とする電力変換装置によってバッテリ車の駆動モータを可変速制御し、放電抵抗と放電用半導体スイッチの直列回路を前記バッテリに並列に設けた回生電力消費用チョッパによって、モータからの回生電力でバッテリの端子電圧が設定値を越えたときに該放電用半導体スイッチをON制御するバッテリ車の制御装置において、
前記回生電力消費用チョッパは、前記放電用半導体スイッチを一旦ONさせたときは、ON状態を一定時間だけ継続させるON時間調整手段を設けたことを特徴とするバッテリ車の制御装置。 - 前記回生電力消費用チョッパは、前記バッテリの充電電流検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該バッテリへの充電電流が大電流充電になるのを回避し、かつ充電時間を速める充電電流に制御するバッテリ充電電流調整手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載のバッテリ車の制御装置。
- 前記回生電力消費用チョッパは、前記バッテリの温度検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該バッテリの発熱を抑制するバッテリ温度調整手段を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のバッテリ車の制御装置。
- 前記回生電力消費用チョッパは、前記放電抵抗の放電電流検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該放電抵抗に過負荷電流が流れるのを回避する放電抵抗負荷調整手段を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のバッテリ車の制御装置。
- 前記回生電力消費用チョッパは、前記放電抵抗の温度検出信号を基に前記放電用半導体スイッチのON,OFF時間の割合を調整し、該放電抵抗の発熱を抑制する放電抵抗温度調整手段を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のバッテリ車の制御装置。
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2004
- 2004-06-30 JP JP2004192427A patent/JP2006020372A/ja active Pending
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