JP2010183667A

JP2010183667A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2010183667A
Application number: JP2009022788A
Authority: JP
Inventors: Minoru Murashima; 稔村島; Keita Tanaka; 啓太田中
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】二次電池を搭載した電気車両に於いて、二次電池の充電状態が不明であるが故に、回生ブレーキ時に二次電池の受容力不足による直流ステージの過電圧が発生するなどの、問題点があった。
【解決手段】二次電池の二次電池電流、二次電池電圧、二次電池温度などから電池の充電状態の指標であるSOC信号の演算が可能であり、この値を、電気車制御装置に入力することにより、上記の課題の解消や、二次電池走行での走行可能距離の延伸など性能改善が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両側に搭載した二次電池を走行電源として使用する電気車制御装置で、力行時は、二次電池に蓄積された電気エネルギーの有効活用を図り、ブレーキ時には、発生した電気エネルギーを極力二次電池に変換して二次電池のみでの走行可能距離の延伸による性能向上を図るものである。

鉄道車両の走行電源に二次電池を用いて、架線のない区間でも電気車両として走行可能なシステムとすることにより、架線保守の低減、内燃動車に比べて、低騒音であり、排気ガスを発生せず環境負荷が小さく、エンジン、トルクコンバ−タなどの複雑で精密な機器の保守に比べて保守が容易であるなどの様々なメリットある鉄道車両システムが実現出来る。

しかし、二次電池に蓄えられる電気エネルギーの量は有限であり、蓄えられた電気エネルギーで極力長い距離を走行可能とすることは、鉄道車両システムに求められる性能要求の重要な一つである。

一般に電気車の回生ブレーキは、架線側に接続された他の電気車の有無や、その走行状態などにより、回生車両の負荷となり得るかで、回生ブレーキの有効性に大きな条件差があったが、一般的にこれらの負荷状態を回生ブレーキをかける以前に予測することは困難な状況にあった。

一方、二次電池を搭載した電気車両では、回生電力を受け入れる二次電池の充電状態について、二次電池の充電状態を示す状態信号であるSOC（State of charge）については、下記の特許文献等で、演算法が確立されており、比較的容易に、二次電池の充電状態を知ることが出来る。

特開平１１−６１０６８号公報

従来の電気車制御装置では、回生ブレーキの負荷状態について、実際に回生ブレーキを作用させた時に、直流電圧の上昇度合いにより、直流ステージ電圧の上昇を抑制する制御を行ったり、ブレーキチョッパの通流率を制御して、回生ブレーキの分担率を決めていた。このため、減速度を確保するために、一時的に、空気ブレーキに依存するか、場合によっては、直流ステージ過電圧の発生などの不都合点があり、結果的に最大限に電気エネルギーを有効活用ができない場面があった。

請求項１の発明によれば、架線集電により走行可能な電気車において、集電装置と、高速度遮断器と、パワー制御、軽負荷回生制限パターン、ブレーキチョッパ制御パターンなどを制御変更する電気車制御装置と、主電動機に加え、走行用電力源としての二次電池と、二次電池電流検出器と、二次電池電圧検出器と、二次電池温度検出器と、通常の架線走行には開放することにより架線より走行電力を入力し、二次電池を充電するためには遮断することにより地上に設置された充電器により二次電池を充電する二次電池接続遮断器と、二次電池電流値、二次電池電圧値、二次電池温度値より二次電池の充電状態SOC(State of charge)を演算する二次電池状態監視演算部と、該SOC(State of charge)の演算値より該電気車制御装置を制御する電気車制御装置制御演算部を備え、前記SOC（State of charge）演算値の大きさにより、電気車制御装置の、パワー制御、軽負荷回生制限パターン、ブレーキチョッパ制御パターンなどの制御パターンを変更することにより、二次電池走行による走行距離の延伸を図ることを特徴とする電気車制御装置である。

すなわち、二次電池を搭載した電気車両では、二次電池による走行時には、極力、二次電池を主たる回生エネルギーの吸収先として制御することが重要であり、駆動制御装置がその時の二次電池の充電状態を示す指標であるSOC(State of charge)信号の値を参照できる様にすることを改善の手段とする。

駆動制御の電気車制御装置が、二次電池の蓄電状態を示す指標であるSOC(State of charge)信号を状態信号として参照することにより、直流電圧の上昇を抑制する制御パターンを可変としたり、ブレーキチョッパ付きのシステムでは、ブレーキチョッパの制御パターンを可変とすることで回生失効や、電気ブレーキの失効機会を低減することができる。
また、力行側の制御では、SOC(State of charge)信号の値が、減って来た時に、力行制御パターンを可変として、直流電流ピーク値を引き下げて、性能を落としても走行可能距離を伸ばすなどの方策を採ることも可能である。

走行用二次電池搭載電気車主回路説明図である。（実施例１）

以下、図１を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１は、ブレーキチョッパ付きのＶＶＶＦ制御車に、二次電池を付加して、架線集電による走行のほかに、集電装置を降ろして、車載の二次電池を電源とする二次電池走行が可能な、構成とした電気車両の主回路接続と一部説明のための信号線を記入した図である。

図１の集電装置１、高速度遮断器２、電気車制御装置３、主電動機４、５の部分は、ごく一般的な、架線集電により走行可能な電気車の主回路を示す。
さらに、二次電池接続遮断器７、二次電池電流検出器１０、二次電池８、二次電池電圧検出器１２、二次電池温度検出器１４、二次電池状態監視演算部９のハードウェアを追加することにより、２次電池を電源とする二次電池走行モードでの走行が可能になる。

図１の動作モードについて、３つに分類して説明する。
１つは、通常の架線走行モードで、７の二次電池接続遮断器を開放した状態で、架線より走行電力を入力し、ブレーキ時は、回生電力を、架線に戻すと共に、回生負荷が不足の場合は、３の電気車制御装置３内のブレーキチョッパで、発電ブレーキを作用させるモードである。このモードを架線走行モードと呼ぶことにする。
２つ目は、８の二次電池を充電するためのモードで、充電モードと呼ぶことにする。充電モードでは、集電装置１を充電用架線に接続し、７の二次電池接続遮断器を投入して、地上に設置された充電器により二次電池８を充電する。二次電池８は、二次電池電流１１、二次電池電圧１３、二次電池温度１５を逐次９の二次電池状態監視演算部により、二次電池８の状態が監視され、また、SOC(State of charge)も演算されて、１６の信号ラインにより電気車制御装置３の電気車制御装置制御演算部６に入力される。SOC(State of charge)演算値１６は、充電完了の判断にも使用することができる。
３つ目のモードは、充電された二次電池８を使用して二次電池８の電力で走行するモードで、充電モードが完了すると、地上側充電器の遮断器が開放した後、集電装置１を降下させて、充電用架線と切り離した後、３の電気車制御装置に起動指令を与え、８の二次電池８の電力で走行する。ブレーキ時は、回生電流を二次電池８を主たる回生電力吸収先とし、吸収しきれない分を電気車制御装置３内のブレーキチョッパ回路で分担する様に動作させる。このモードを二次電池走行モードと呼ぶことにする。当然のことながら、この時も充電モード時同様、二次電池電流１１、二次電池電圧１３、二次電池温度１５を逐次９の二次電池状態監視演算部により、二次電池８の状態が監視され、また、SOC(State of charge)も演算されて、１６の信号ラインにより電気車制御装置３の電気車制御装置制御演算部６に入力される。

今回の発明は、前記の３つ目のモードである二次電池走行モードで活用される。

９の二次電池状態監視演算部で演算された、SOC(State of charge)信号であるSOC (State of charge)演算値１６は、電気車制御装置制御演算部６に入力される。SOC(State of charge)演算値１６は、二次電池８の充電状態を示すものであり、SOC(State of charge)演算値１６が低い値の時は、より大きな回生ブレーキ電力を受入れ可能であることを示し、逆にSOC(State of charge)演算値１６が大きな値の時には、二次電池８での回生電力の受容能力が低いことを示し、SOC(State of charge)演算値１６に応じて、ブレーキチョパ装置の制御パターンを変えたり、ブレーキチョッパの無いシステムでは、直流ステージ電圧上昇の抑制制御パターンをSOC(State of charge)演算値１６の大小により変えるなどの制御が可能になる。従来、架線走行モードでは、回生負荷の状態を容易に推定することができなかったので、非常に有益である。
また、力行側の制御に於いては、SOC(State of charge)演算値１６が減少してきた時に、入力電流のピーク値を引き下げた制御パターンに変えることにより、二次電池走行モードでの走行可能距離を延伸するなどのインテリジェント化が図れ、性能改善に寄与できる。

ここでは、説明の容易化のために、充電装置が、地上側にある例を示したが、車載充電器方式の電気車両にも適用可能であり、また、架線と二次電池とで、ハイブリッド走行する車両では、さらに効用が高いと考えられる。

１集電装置
２高速度遮断器
３電気車制御装置
４主電動機１
５主電動機２
６電気車制御装置制御演算部
７二次電池接続遮断器
８二次電池
９二次電池状態監視演算部
１０二次電池電流検出器
１１二次電池電流検出値
１２二次電池電圧検出器
１３二次電池電圧検出値
１４二次電池温度検出器
１５二次電池温度検出値
１６ SOC(State of charge)演算値

Claims

架線集電により走行可能な電気車において、集電装置と、高速度遮断器と、
パワー制御、軽負荷回生制限パターン、ブレーキチョッパ制御パターンなどを制御変更する電気車制御装置と、主電動機に加え、
走行用電力源としての二次電池と、二次電池電流検出器と、二次電池電圧検出器と、二次電池温度検出器と、
通常の架線走行には開放することにより架線より走行電力を入力し、二次電池を充電するためには遮断することにより地上に設置された充電器により二次電池を充電する二次電池接続遮断器と、
二次電池電流値、二次電池電圧値、二次電池温度値より二次電池の充電状態SOC(State of charge)を演算する二次電池状態監視演算部と、
該SOC(State of charge)の演算値より該電気車制御装置を制御する電気車制御装置制御演算部を備え、
前記SOC（State of charge）演算値の大きさにより、電気車制御装置の、パワー制御、軽負荷回生制限パターン、ブレーキチョッパ制御パターンなどの制御パターンを変更することにより、二次電池走行による走行距離の延伸を図ることを特徴とする電気車制御装置。