JP2006020372A - バッテリ車の制御装置 - Google Patents

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

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施形態１を示すバッテリ車の制御装置の回路構成図。 実施形態１における放電動作時のタイミングチャート。 本発明の実施形態２を示す回路構成図。 本発明の実施形態３を示す回路構成図。 本発明の実施形態４を示す回路構成図。 本発明の実施形態５を示す回路構成図。 従来のバッテリ車の制御装置の回路構成図。 従来の放電動作時のタイミングチャート。

符号の説明

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

Claims (5)

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バッテリ車の制御装置。
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請求項１に記載のバッテリ車の制御装置。
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請求項１または２に記載のバッテリ車の制御装置。
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。
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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