JP2009171772A

JP2009171772A - 車両及びその充電制御方法

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Publication number: JP2009171772A
Application number: JP2008008495A
Authority: JP
Inventors: Masaya Mitsutake; 雅也三竹; Katsuaki Morita; 克明森田; Mitsuaki Hoshi; 光明星
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: JP4875633B2

Abstract

【課題】架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、その充電制御を簡素化し、低コストとする。
【解決手段】架線３から電力を得る集電装置４と蓄電装置１３を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道１０を走行する車両１において、集電装置４から得た電力Ｉdcから蓄電装置１３への充電電力Ｉbattを減算した負荷電力Ｉloadをインバータ７を介して車輪駆動モータ８に供給する充電装置主回路２１、及び該充電装置主回路２１の出力電力の電圧値及び電流値を制御する充電制御部２２からなる充電装置２と、回生ブレーキで得た回生電力を集電装置４に供給せずに蓄電装置１３にのみ回収する回収回路５と、を備え、架線区間では充電制御部２２により蓄電装置１３を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置１３を充電するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、定められた軌道を走行し、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、充電装置及び蓄電装置の制御機器類を簡素化可能にした車両の構成及び該車両の充電制御方法に関する。

近年、例えばＬＲＶ（ＬｉｇｈｔＲａｉｌＶｅｈｉｃｌｅ）と称される超低床型の路面電車が開発・研究されている。ＬＲＶは、近距離交通用として、定められた道路路面を走行し、単車もしくは連接車両で構成されている。原則として単車運行する路面電車・路線バスに対し、１編成当りの輸送力が大きい。低床式路面電車は、曲率半径２０ｍＲ以下の通過と、バリアフリー化のための低床構造を実現するため、車体及び台車の構造は以下のようになっている。

即ち、連接車両の場合、車体は通常の鉄道車両に比較し、短い車体の端をピンにて連結した連結構造をなし、連接部にはダンパやバネを設け、回転の動きに抑制をかけ、高速走行時の安定性を確保している。台車は、前部及び後部の両先頭車に配置され、中間車は１両置きに１車体１台車で配置される。ＬＲＶとしては他の配置・構成のものもあるが、台車の車輪は左右独立車輪で左右の車輪間を低く構成し、車両の床が前後に低く通せる構造になっている。

路面電車では、軌道に沿って架線を配置し、車体に架線から電力を得る集電装置を装備して、架線から電力の供給を受けて走行するが、最近では、部分的に架線レス区間を有し、車体に蓄電装置及び充電装置を装備して、架線レス区間では該蓄電装置の電力で車輪駆動モータを駆動する路面電車も出現している。このように、車体に蓄電装置及び充電装置を装備すると、これらを制御する回路構成が複雑になりやすい。

例えば特許文献１（特開２００６−１１５６９３号公報）には、バッテリ駆動の鉄道列車の構成が開示されている。特許文献１の図５は、直流架線からの受電による充電装置の構成が開示され、図６には、交流架線からの充電による充電装置の構成が開示されている。これの充電装置は、架線からバッテリに充電する機能に加え、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能を有している。

特許文献２（特開２００６−３４０５６１号公報）に、特許文献１と同様に、バッテリと集電装置とを搭載した電気車において、架線からバッテリに充電する機能に加え、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能を有した回路装置が開示されている。以下、この回路装置を図４に基づいて説明する。

図４において、この回路装置は、電気車の動力電源を供給するための集電装置０５０、フィルタリアクトル０５１、フィルタコンデンサ０５２、電圧と電流を制御するインバータ０５３、グランドレベルの電圧の車輪０５５及び車輪０５５を駆動するモータ０５４からなる主回路０２００と、主回路０２００の集電装置０５０とフィルタリアクトル０５１との間に直列に接続され、集電装置０５０の電流値を集電装置点電流値Ｉｏとして検出する電流検出器０１１と、電気車の力行時には主回路０２００に電力を供給し、回生時には電力を蓄える蓄電装置０６５と、主回路０２００と蓄電装置０６５の間に並列に接続され、主回路０２００から蓄電装置０６５への電源供給又は主回路０２００への蓄電装置０６５からの電源供給を制御するチョッパ装置主回路０１０６と、蓄電装置０６５の電圧を蓄電装置電圧値ＶＢとして検出する電圧検出器０１４と、電圧検出器０１４で検出した蓄電装置電圧値ＶＢを入力とし、当該蓄電装置電圧値ＶＢに基づいて算出した蓄電装置調整電流指令値Ｉａを出力する調整充放電制御部０１０３と、電流検出器０１１で検出された集電装置点電流値Ｉｏをオフセット制御して入力とし、当該集電装置点電流値Ｉｏに基づいて算出した蓄電装置充電電流指令値Ｉｃを出力する充電制御部０１０１と、電圧検出器１１で検出された集電装置点電流値Ｉｏをオフセット制御して入力し、当該集電装置点電流値Ｉｏに基づいて算出した蓄電装置放電電流指令値Ｉｐを出力する放電制御部０１０２と、充電制御部０１０１から出力された蓄電装置充電電流指令値Ｉｃと放電制御部０１０２から出力された蓄電装置放電電流指令値Ｉｐとを加算した値である蓄電装置電流指令値Ｉを入力とし、当該蓄電装置電流指令値Ｉに基づいて算出した通流率αを出力する蓄電装置電流制御部０１０４と、蓄電装置電流制御部０１０４から出力された通流率αを入力とし、当該通流率αに基づいて、チョッパ装置主回路０１０６の蓄電装置０６５に対する電源供給の制御を行なうための信号（上アーム点弧信号ＰＨ、下アーム点弧信号ＰＬ）を生成し、該信号ＰＨ、ＰＬをチョッパ装置主回路０１０６へ出力するＰＷＭ変調部０１０５と、を備える。

特開２００６−１１５６９３号公報（図５、図６）特開２００６−３４０５６１号公報

特許文献１又は特許文献２に開示された、架線からバッテリに充電する機能と、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能という双方向の電力供給機能を有した回路装置は、図４に示すように、回路構成が複雑となり、高コストとなるという問題がある。

即ち、図４の回路構成は、集電装置０５０とフィルタリアクトル０５１間に電圧検出器０１１を設け、電圧検出器０１１の電流検出値をチョッパ装置制御回路０１００の充電制御部０１０１及び放電制御部０１０２で検知しながら、充電制御部０１０１及び放電制御部０１０２と、これらに調整充放電制御部０１０３を加えて、回生電力を蓄電装置０６５に供給するか、あるいは架線に供給するかの判別を行なっている。

そのため、電圧検出器０１１、充電制御部０１０１、放電制御部０１０２及び調整充放電制御部０１０３等の機器を要し、充電制御部が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、その充電制御手段を簡素化し、低コストとすると共に、低コストな充電制御方法を実現することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の車両は、
架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、
集電装置から得た電力に蓄電装置が保有する電力を付加し、インバータを介して車輪駆動モータに供給する充電装置主回路、該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御する充電制御部とからなる充電装置と、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備えたものである。

本発明の車両では、回生ブレーキで得た回生電力を集電装置に供給せずに蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路を備え、該回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたので、充電装置及びその制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。

本発明の車両において、蓄電装置が設定電圧に達していないときは回生電力を該蓄電装置で回収し、該蓄電装置が設定電圧に達しているときは回生電力を熱に変換して消費するように構成するとよい。かかる構成により、蓄電装置を常に高い充電状態に保持することができると共に、蓄電装置の過充電を防止できる。これによって、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。なお、通常、回生電力を熱として消費しないよう回生電力分の電圧上昇を見越して蓄電装置の電圧を設定しておく。蓄電装置が過充電となるおそれがあるときは、熱として消費する。

また、本発明の車両において、架線区間では前記充電制御部により前記蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するように構成するとよい。かかる構成により、架線区間において、蓄電装置の過充電を防止できる。そのため、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。

また、本発明の車両において、好ましくは、前記充電制御部に、前記充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させる定電流定電圧制御部を備え、該定電流定電圧制御部によって、充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないように制御するとよい。これによって、蓄電装置を短時間で設定電圧に到達できると共に、蓄電装置を設定電圧以下の電圧に確実に保持することができる。

また、本発明の車両の充電制御方法は、
架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、
架線区間では蓄電装置からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するようにし、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたものである。

本発明方法では、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、架線区間で車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持することができるので、蓄電装置の充電状態を気にすることなく、架線レス区間へ乗り入れることができる。
また、回生ブレーキで得た回生電力を集電装置に供給せずに蓄電装置にのみ回収するようにしたので、充電装置及びその制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。

本発明方法において、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにする。従って、架線レス区間でも車両の走行が可能になる。

本発明方法において、好ましくは、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないようにするとよい。これによって、蓄電装置を短時間で設定電圧に到達できると共に、蓄電装置を設定電圧以下の電圧に確実に保持することができる。

本発明の車両によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、集電装置から得た電力に蓄電装置が保有する電力を付加し、インバータを介して車輪駆動モータに供給する充電装置主回路、及び該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御する充電制御部からなる充電装置と、回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備えたことにより、充電装置及び蓄電装置のコンパクト化が可能になる。

また、本発明方法によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するようにし、回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたことにより、架線区間でも蓄電装置を高い充電状態に保ち、充電状態を気にすることなく架線レス区間への乗り入れができ、かつ充電装置及び蓄電装置のコンパクト化が可能になる。また、蓄電装置の過充電を防止でき、これによって、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る部分架線レス路面電車の充電装置及び蓄電装置を含むブロック線図、図２は、蓄電装置の充電方法を示す線図である。本実施形態に係る路面電車の軌道は、地形的な理由又は一部路線だけ後から追設した等の理由により、部分的に架線レス区間を有するものである。

図１において、路面電車１は定められた走行路面（部分架線レス軌道）を走行する。走行路面にはレール１０が敷設され、該レール１０上を車輪１１が走行する。路面電車１の屋根１ａに集電装置としてのパンタグラフ４が設けられている。パンタグラフ４は、架線区間において給電用の架線３に接触して受電する。パンタグラフ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（充電装置）２を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１は、給電回路５によって、フィルタリアクトル６及びインバータ７を介して三相誘導モータ８に接続されている。

また、給電回路５と並列にアース回路９が設けられている。アース回路９の一端は車輪１０に接続されると共に、アース回路９の他端は、インバータ７に接続され、給電回路５とアース回路９間には、並列に電圧検出器１２、バッテリ（蓄電装置）１３及びフィルタコンデンサ１４が接続されている。そして、回生ブレーキによって三相誘導モータ８に発生した回生電力は、給電回路５を介してバッテリ１３に充電される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路２２を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路２２は、ＣＣ−ＣＶ（定電流定電圧）制御部２３とＰＷＭ変調部２４とで構成されている。電圧検出器１２でバッテリ１３の電圧が検出され、その電圧検出値がＣＣ−ＣＶ制御部２３に入力される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１の電流検出値がＣＣ−ＣＶ制御部２３に入力される。

これらの入力値に基づいて、ＣＣ−ＣＶ制御部２３でＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１の出力電流指令値（Ｉdc指令）が算出され、該出力電流指令値（Ｉdc指令）がＰＷＭ変調部２４に入力される。ＰＷＭ変調部２４では、入力された出力電流指令値（Ｉdc指令）に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１にゲート信号を発信する。ＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１では、ＰＷＭ変調部２４から入力されたゲート信号に基づいて，給電回路５に電流Ｉdcが出力される。

かかる構成の本実施形態において、架線３が設置された架線区間では、架線３からの電力供給によるＤＣ／ＤＣコンバータ主回路２１の出力電流Ｉdcからバッテリ１３の充電電流Ｉbattを減算したものが、負荷電流Ｉloadであり、負荷電流Ｉloadがインバータ７を介して三相誘導モータ８を駆動する。そして、三相誘導モータ８によって車輪１１を駆動する。これによって、車両１の力行中もバッテリ１３を高い充電状態に保持できる。架線レス区間では、バッテリ１３からの放電により車輪１１を駆動する。

また、架線区間でバッテリ１３を設定電圧以下の電圧に保持しながらバッテリ１３に充電する。即ち、ＣＣ−ＣＶ制御部２３によって、次に説明する定電流定電圧制御を行なう。この充電制御を図２に基づいて説明する。図２において、充電初期において充電電圧Ｅが比較的低いうちは一定電流値Ｉｓを保持しながら充電する（定電流領域Ｚｉ）。そしてこの状態で電圧値が上昇する。充電電圧Ｅが設定電圧Ｅｓに達したら、充電電流Ｉを減少させて、充電電圧Ｅを設定電圧Ｅｓに維持する（定電圧領域Ｚｖ）。なお、この定電流定電圧制御は、例えば、特開平５−１１１１８４号公報に開示されている（特に図１及び図３）。

このような定電流定電圧充電制御を行なうことによって、バッテリ１３の過充電を防止でき、これによって、バッテリ１３の故障を防ぎ、バッテリ１３を長寿命とすることができる。

さらに、回生ブレーキで三相誘導モータ８に得た回生電力は、架線３に供給せずに、給電回路５を介してバッテリ１３にのみ回収するように構成されている。これによって、充電制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。なお、回生電力を熱として消費しないように、予め回生電力分の電圧上昇を見越してバッテリ１３の電圧を設定しておく。バッテリ１３が過充電となるおそれがあるときは、熱として消費する。

本実施形態の回路構成と、図４に示す特許文献２の回路構成と比較すると、本実施形態では、特許文献２の回路構成に配設された、集電装置０５０を流れる電圧を検出している電圧検出器０１１と、回生電力の架線又は蓄電装置０６５への電力供給を切替え制御している充電制御部０１０１、放電制御部０１０２及び調整充放電制御部０１０３とをなくすことができる。

なお、本実施形態の路面電車１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及びバッテリ１３を搭載しているので、架線３が付設されていない場所、例えば車両基地等で自由走行することができる。

（実施形態２）
次に、本発明をゴムタイヤ式の新交通システムに適用した第２実施形態を図３に基づいて説明する。図３において、本実施形態に係る新交通システム車両３０が部分的に架線レスとなっている平面軌道３１を走行する。本実施形態では、給電用の架線３２は、平面軌道３１の側方に立設された支持壁３４に支持固定されている。そして、給電用のパンタグラフ３３は、新交通システム車両３０の車体の該架線３２に対面する位置に取り付けられている。また、車両３０の内部には、図１に示す充電及び蓄電装置が搭載されている。

かかる構成において、新交通システム車両３０の側方に設けられた架線３２からパンタグラフ３３を介して充電及び蓄電することができる。本実施形態の充電及び蓄電装置の構成及び充電及び蓄電方法は、前記第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、新交通システム車両３０が第１実施形態と同一構成の充電及び蓄電装置を搭載しているので、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、パンタグラフ３３が新交通システム車両３０の車体の側面に取り付けられているので、パンタグラフ３３の構造を簡素化することができる。また、架線３２及びパンタグラフ３３が車体側面の地面から低い場所に設置されているので、メンテナンスが容易である。

本発明によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、車両に搭載する充電制御手段を簡素化し、低コストとすることができると共に、架線レス区間での安定走行を可能とする。

本発明の第１実施形態に係る車両に搭載された充電装置及び蓄電装置のブロック線図である。前記第１実施形態の充電制御方法を示す線図である。本発明の第２実施形態に係る車両の正面図である。従来の電気車の充電及び蓄電装置の回路図である。

符号の説明

１路面電車
２ＤＣ／ＤＣコンバータ（充電装置）
３、３２架線
４、３３パンタグラフ（集電装置）
５給電回路（回生電力回収回路）
７インバータ
８三相誘導モータ（車輪駆動モータ）
１０レール（部分架線レス軌道）
１１車輪
１３バッテリ（蓄電装置）
２１ＤＣ／ＤＣコンバータ主回路（充電装置主回路）
２２ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路（充電制御部）
２３ＣＣ−ＣＶ制御部（定電流定電圧制御部）
３０新交通システム車両
３１平面軌道（部分架線レス軌道）

Claims

架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、
集電装置から得た電力に蓄電装置が保有する電力を付加し、インバータを介して車輪駆動モータに供給する充電装置主回路、及び該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御する充電制御部からなる充電装置と、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備えたことを特徴とする車両。
前記蓄電装置が設定電圧に達していないときは回生電力を該蓄電装置で回収し、該蓄電装置が設定電圧に達しているときは回生電力を熱に変換して消費するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の車両。
架線区間では前記充電制御部により前記蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら架線電力の一部を該蓄電装置に該蓄電装置が設定電圧になるまで充電するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の車両。
前記充電制御部に、前記充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させる定電流定電圧制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両。
架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、
架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するようにし、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたことを特徴とする車両の充電制御方法。
架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の車両の充電制御方法。
蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないようにしたことを特徴とする請求項５に記載の車両の充電制御方法。