JP2010213506A - 電源制御装置及び電源制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】昇降圧チョッパにおける電力損失及びノイズの発生を低減可能な電源制御装置を提供する。
【解決手段】電源制御装置（１０）は、複数のスイッチング素子のスイッチング動作により電圧変換を行う昇降圧チョッパを有し、蓄電池（２０）の充放電を制御する充放電制御装置（１１）と、充放電制御装置に並列に接続され、オンしたときに充放電制御装置を迂回して蓄電池の充放電を可能とするバイパス経路を形成し、オフしたときにバイパス経路を遮断するバイパス回路（１２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電源制御装置及び電源制御方法に関し、特に、昇降圧チョッパを備え、電気車両に搭載される蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置を含む電源制御装置、及びその制御方法に関する。

従来の鉄道車両は、車両上部に取り付けられたパンタグラフを介して、空中に敷設された架線から電力を受け、その電力でモータを駆動して走行する。近年、架線が敷設された区間（以下「架線区間」という。）のみならず、架線が敷設されていない区間（以下「架線レス区間」という。）においても走行可能な鉄道車両が開発されている（例えば、特許文献１参照）。そのような車両は、内部に蓄電池を有し、その蓄電池に蓄えた電力を用いて架線レス区間を走行する。このような車両では、蓄電池への充電は、架線区間を走行中に、又は架線レス区間に設けられた所定の充電所にて、パンタグラフを介して架線から電力を取り込むことで行われる。または、蓄電池は車両のブレーキ動作時に発生する回生電力によっても充電される。

一般に架線電圧と蓄電池電圧とは異なるため、架線から蓄電池に充電を行う場合、架線電圧を所定の電圧に変換し、その変換した電圧で充電を行う必要がある。これは、回生電力による充電の場合も同様である。また、蓄電池の電圧は充電状態により変動するため、蓄電池からモータや補機のような負荷へ電力を供給する場合（すなわち、蓄電池から放電する場合）も、蓄電池の出力電圧を一定の電圧に変換する必要がある。このため、従来、蓄電池の充電及び放電制御のために充放電制御装置を設けていた（例えば、特許文献２参照）。

図４に、特許文献２に開示された充放電制御装置の構成を示す。図４に示すように、特許文献２の充放電制御装置１００は双方向昇降圧チョッパ１Ａと制御ユニット２とを有している。双方向昇降圧チョッパ１Ａは、第１のスイッチング素子ＳＷ１と、第１のスイッチング素子ＳＷ１の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子ＳＷ２と、第３のスイッチング素子ＳＷ３と、第３のスイッチング素子ＳＷ３の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子ＳＷ４と、第１のスイッチング素子ＳＷ１の一方の主端子と第３のスイッチング素子ＳＷ３の一方の主端子とを接続するリアクトルＤＣＬと、第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４とを備えている。

特許文献２の充放電制御装置では、充電及び放電時において、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２とを含むき電源側アームと、第３のスイッチング素子ＳＷ３と第４のスイッチング素子ＳＷ４とを含む電池側アームとの少なくともいずれかの変調率（通流率）が１となるように制御を行っている。この構成により、変調率（通流率）が１のアームのスイッチング素子は常時ＯＮまたは常時ＯＦＦとなることから、スイッチング損失を低減することができる。

特開２００１−３５２６０７号公報 特開２００８−２２８４２０号公報

しかしながら、特許文献２の充放電制御装置は、蓄電池に対する充電時及び放電時の双方において昇降圧チョッパ１Ａを動作させている。このため、昇降圧チョッパ１Ａに含まれるリアクトルＤＣＬやスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４における導通損失が発生する。さらに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング動作に伴いスイッチング損失やスイッチング時に伴う電磁ノイズが発生する。このスイッチングノイズが他の信号へ影響を及ぼす可能性もある。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、昇降圧チョッパにおける電力損失及びノイズの低減を可能とした電源制御装置及び電源制御方法を提供することにある。

本発明に係る電源制御装置は、電気車両に搭載された蓄電池の充放電を制御する電源制御装置であって、複数のスイッチング素子のスイッチング動作により電圧変換を行う昇降圧チョッパを有し、蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置と、充放電制御装置に並列に接続され、オンしたときに前記充放電制御装置を迂回して前記蓄電池の充放電を可能とするバイパス経路を形成し、オフしたときに前記バイパス経路を遮断するバイパス回路とを備える。

本発明に係る電源制御方法は、複数のスイッチング素子のスイッチング動作により電圧変換を行う昇降圧チョッパを備え、電気車両に搭載された蓄電池の充放電を制御する電源制御装置の制御方法である。その制御方法は、架線レス区間を走行する場合、電気車両の蓄電池から放電された電力でモータを駆動して走行中は、昇降圧チョッパを動作させないように制御するとともに、昇降圧チョッパを迂回するバイパス経路を形成してバイパス経路を介して蓄電池の充放電を行う。電気車両が架線区間を走行する場合は、架線からの電力でモータを駆動して走行中は、バイパス経路を遮断する。

上記の電気車両は、好ましくは、架線区間では、架線から車両に電力を得ることで走行するとともに搭載した蓄電池に充電し、架線レス区間では、搭載した蓄電池に充電した電力により走行可能な電池駆動車両である。

本発明によれば、バイパス回路によって、充放電制御装置（昇降圧チョッパ）を迂回して蓄電池の充放電を可能とする。これにより、蓄電池に対する充放電を充放電制御装置（昇降圧チョッパ）を動作させずに行えることから、従来、昇降圧チョッパ内で生じていた、リアクトルやスイッチング素子の導通損失、スイッチング損失を削減でき、また、スイッチングノイズの発生も防止できる。

本発明の実施形態の電源制御装置を備えた電池駆動車両の構成図 充放電制御装置の詳細な構成図 各種電池等における、ＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性を示した図 従来の充放電制御装置の構成を示した図

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

１．構成
図１は、本発明の実施形態の電源制御装置を搭載した電池駆動車両の構成を示した図である。図１では、電池駆動車両１は３両編成で構成されている。車両Ａには、モータ６０を駆動する主制御装置（ＶＶＶＦインバータ）６５が搭載され、車両Ｂには、架線３から電力を取り込むためのパンタグラフ５が設けられている。車両Ｃには、モータ６０や補機（車両内の客室灯、ヒータ、クーラ、放送設備等）を含む負荷への電源の供給を制御する電源制御装置１０と、電力を蓄積し、架線３から電力を受けられないときに負荷へ電力を供給する蓄電池２０とが搭載されている。なお、電池駆動車両とは、架線区間及び架線レス区間または架線レス区間のみを走行する電池を搭載した電気車両をいう。電池駆動車両は電池で駆動されるが、さらに架線からの電力やディーゼル機関等によって駆動されてもよい。

主制御装置６５は、架線３からの直流電圧を所望の周波数及び電圧の三相交流電圧に変換しモータ６０に供給してモータ６０を駆動する。

蓄電池２０は、モータ６０を駆動するのに十分な出力電圧が得られる二次電池で構成する。また、蓄電池２０は、出力電圧の変動幅が小さい二次電池で構成されるのが好ましい。このような電池として、例えば、ニッケル水素電池がある。ニッケル水素電池は、後述するように充電状態（SOC: State of Charge）によらず電圧の変動幅が小さいという特性を持つ。なお、蓄電池２０は、モータ６０を駆動するのに十分な出力電圧が得られ、出力変動幅が仕様上の許容範囲内のものであれば、ニッケル水素電池以外の他のタイプの二次電池で構成してもよい。本実施形態では、蓄電池２０はニッケル水素電池で構成されるとする。

電源制御装置１０は、充放電制御装置１１と、バイパス回路１２と、補助電源装置１３と、ダイオード１５とを含む。補助電源装置１３は、車両内の客室灯、ヒータ、クーラ、放送設備等の補機に対する電源の供給を制御する。

バイパス回路１２は充放電制御装置１１と並列に接続されている。バイパス回路１２はオンして導通すると、昇降圧チョッパ３３の高圧側母線におけるノードＸとノードＹを短絡し、昇降圧チョッパ３３に対するバイパス経路を形成する。バイパス回路１２はオフしたときにノードＸとノードＹ間のバイパス経路を遮断（開放）する。すなわち、バイパス回路１２は、充放電制御装置１１（昇降圧チョッパ３３）を迂回して蓄電池２０への充電又は蓄電池２０からの放電を可能とするバイパス経路を形成する。

バイパス回路１２は、接触器や、双方向に導通可能な半導体スイッチで構成できる。半導体スイッチは、例えば、単体で又は一対の、トライアック、ＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、等の半導体素子で構成できる。半導体素子は導通損失の小さいものが好ましい。

充放電制御装置１１は蓄電池２０への充電及び蓄電池２０からの放電を制御する。充放電制御装置１１及びバイパス回路は高速度遮断器３７を介して架線３側と接続されている。

図２に、充放電制御装置１１及びその周辺回路の詳細な構成を示す。充放電制御装置１１は昇降圧チョッパ３３を含む。昇降圧チョッパ３３は、架線３又は蓄電池２０から受けた電圧を所望の電圧に昇圧または降圧する機能を有する。

図２に示すように、昇降圧チョッパ３３は、蓄電池２０側に設けられた第１のスイッチング素子４１と第２のスイッチング素子４２の直列回路からなるハーフブリッジと、架線３側に設けられた第３のスイッチング素子４３と第４のスイッチング素子４４の直列回路からなるハーフブリッジと、第１のスイッチング素子４１と第２のスイッチング素子４２の接続点と第３のスイッチング素子４３と第４のスイッチング素子４４の接続点との間に接続されたリアクトル４５とを含む。第１乃至第４のスイッチング素子４１〜４４にはそれぞれダイオード４１ｄ〜４４ｄが逆並列に接続されている。各スイッチング素子４１〜４４は例えばＩＧＢＴで構成される。図２に示す昇降圧チョッパ３３の回路構成は特許文献２に開示された双方向昇降圧チョッパの回路構成と同じであり、その動作も特許文献２に開示されたとおりである。よって、ここでは、昇降圧チョッパ３３の基本的な昇降圧動作の説明は省略する。なお、本実施形態で示す昇降圧チョッパの構成は一例であり、昇降圧チョッパの回路構成は他の構成であってもよい。

制御ユニット３５は、昇降圧チョッパ３３の各スイッチング素子４１〜４４のスイッチング動作及びバイパス回路１２のオン・オフを制御する。

充放電制御装置１１はさらに、電源の脈流成分を除去するフィルタコンデンサ５１ｆ、５２ｆ及びフィルタリアクトル５１ｌ、５２ｌと、サージ電圧を抑制するスナバコンデンサ５１ｓ、５２ｓを含む。

２．動作
本実施形態の電池駆動車両１は架線区間と架線レス区間の双方を走行可能な車両である。本実施形態の電池駆動車両１において、架線レス区間走行時は、バイパス回路１２をオンし、充放電制御装置１１を介さずに蓄電池２０を主制御装置６５及び補助電源装置１３に直結する。一方、架線区間走行時は、バイパス回路１２をオフし、充放電制御装置１１を介して蓄電池２０を主制御装置６５及び補助電源装置１３に接続する。以下、架線区間及び架線レス区間それぞれにおける動作を詳細に説明する。

２．１ 架線レス区間走行時の動作
架線レス区間を走行中、電池駆動車両１は架線３から電力の供給を受けることができないため、電池駆動車両１は蓄電池２０に蓄積された電力を用いて負荷を駆動する。その際、バイパス回路１２をオンして導通させ、昇降圧チョッパ３３に対するバイパス経路を形成する。その際、昇降圧チョッパ３３は、スイッチング素子４１〜４４を全てオフにすることで停止させる。これにより、蓄電池２０からの電力は、バイパス回路１２を経由して主制御装置６５及び補助電源装置１３に直接供給される。なお、このようなことが可能なのは、蓄電池２０の電圧変動が小さいことと、主制御装置６５及び補助電源装置１３の入力電圧範囲が蓄電池２０の電圧変動範囲内に収まるように設計されていることによる。

架線レス区間における充電制御機能を有する充電所からの充電時や、主制御装置６５からの回生電力の充電時には、充電電圧はバイパス回路１２を経由して蓄電池２０に直接供給される。

以上のように、架線レス区間走行時においては、バイパス回路を経由して蓄電池２０の充放電を行い、昇降圧チョッパ３３を動作させない。このため、昇降圧チョッパ３３動作時に発生するリアクトル４５及びスイッチング素子４１〜４４の導通損失及びスイッチング損失並びにスイッチング時に伴う電磁ノイズを低減することが可能となる。

ここで留意すべき点として、バイパス回路１２をオンさせるタイミングがある。蓄電池２０側の電圧と架線３側の電圧とに大きな電圧差がある状態で、バイパス回路１２をオンすると、大電流が瞬時に流れ、昇降圧チョッパ３３内の回路素子が破壊されるという問題がある。これを防止するため、バイパス回路１２は、昇降圧チョッパ３３の高圧側母線のノードＸの電圧（架線３側の電圧）と、ノードＹの電圧（蓄電池２０の電圧）とが同じになった時点でオンするようにする。具体的には、第１及び第３のスイッチング素子４１、４３の変調率（通流率）が１になり、第２及び第４のスイッチング素子４２、４４の変調率（通流率）が０になったときに（すなわち、ノードＸの電圧（架線３側の電圧）とノードＹの電圧（蓄電池２０の電圧）とが同じになったときに）、バイパス回路１２をオンする。そして、バイパス回路１２がオンした後、昇降圧チョッパ３３の第１乃至第４のスイッチング素子４１〜４４を全てオフする。なお、スイッチング素子の変調率（通流率）は０〜１の値をとり、０が常時オフ、１が常時オンに対応する。

２．２ 架線区間走行時の動作
架線区間走行時においては、バイパス回路１２はオフしてバイパス経路を開放する。

架線区間走行中、電池駆動車両１はパンタグラフ５を介して架線３から電力の供給を受ける。電源制御装置１０は、パンタグラフ５を介して受けた電力を主制御装置６５、補助電源装置１３及び充放電制御装置１１に供給する。また、架線電圧が低下した場合には、蓄電池２０からの電力を、充放電制御装置１１の昇降圧チョッパ３３により所望の電力に変換した後、主制御装置６５及び補助電源装置１３に供給する。

ブレーキ時に発生した回生電力は、充電制御装置１１の昇降圧チョッパ３３により所定の充電電圧に変換されて蓄電池２０に供給され、蓄電池２０を充電する。

以上のように架線区間走行中、バイパス回路１２はオフするが、ここで、留意すべきことは、架線レス区間から架線区間へ移行した場合の、バイパス回路１２をオンからオフにするタイミングである。前述のように架線レス区間では、昇降圧チョッパ３３は動作が停止している。そこで、昇降圧チョッパ３３の第１及び第３のスイッチング素子４１、４３の変調率（通流率）を１にした後、バイパス回路をオフして、スイッチング素子４１〜４４の変調率（通流率）を１〜０までの指令値に制御して、補助電源装置（補機）１３への充放電制御装置を介した通電を開始する。その後、パンタグラフを上昇させる。

３．その他
電源制御装置１０において、充放電制御装置１１の高圧入力端側にダイオード１５が設けられている。このダイオード１５は、蓄電池２０の電圧が架線３の電圧よりも高くなるような場合に、蓄電池２０から架線３への放電を防止する機能を有する。

４．補足
以下、蓄電池２０として使用されるニッケル水素電池の特性について説明する。図３に、各種電池等における、ＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性を示す。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化をそれぞれ示す。同図より、ＳＯＣの変動に対する電圧変化の割合（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３となっている。つまり、同じ電圧変化（ΔＶ）とすれば、ニッケル水素電池の体積は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に小さくできる。

図３のように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比して、電圧の変動に対するＳＯＣの範囲（範囲Ｓ）が広いという特性を有する。換言すれば、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対する電池電圧の変動が小さいという特性を有する。これに対して曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ１とし、電圧変動が範囲ｄＶ１内におさまるように使用する場合、ＳＯＣの範囲Ｓのほぼ全てにおいて使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池を、中央値の電圧をＶ２とし、電圧変動がｄＶ２内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池を、中央値の電圧をＶ３とし電圧変動が範囲ｄＶ３内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。なお、電圧変動範囲の大きさはｄＶ１／Ｖ１＝ｄＶ２／Ｖ２＝ｄＶ３／Ｖ３とする。

このように、ニッケル水素電池は、他の電池等に比して変動幅が小さい安定した出力電圧が得られるため、本実施形態のように、バイパス回路１２を介して蓄電池２０を主制御装置６５に直結することが可能となる。

５．まとめ
従来の充放電制御装置では、架線レス区間走行時において、力行時の蓄電池からの放電、回生時の蓄電池への充電において、昇降圧チョッパを動作させて電圧変換を行う必要があった。これに対して、本実施形態では、架線レス区間走行時は、充放電制御装置１１（すなわち、昇降圧チョッパ３３）を動作させずに、力行時の蓄電池２０からの放電、回生時の蓄電池２０への充電を可能としている。このため、昇降圧チョッパの動作に伴い生じていた、リアクトルの導通損失及びスイッチング素子のスイッチング損失及びスイッチング時に伴う電磁ノイズの発生を低減できる。

本実施形態の構成によれば、昇降圧チョッパ３３の故障時においても、バイパス回路１２をオンしてバイパス経路を設けることで、蓄電池２０に対する充放電が可能となり、電気車両の運行を停止させずに継続して運転することが可能となる。このことは、電気車両が公共交通機関に使用された場合、特に大きな利点となる。

また、本実施形態では、架線区間では、充放電制御装置を動作させるが、架線レス区間では、充放電制御装置を動作させずに蓄電池の充放電を行うことにより、架線レス区間での電力損失を低減し、全体として電力消費の低減を図っている。このことは、架線区間及び架線レス区間の双方を走行可能な電気車両にとって利点となる。

１ 電池駆動車両
３ 架線
５ パンタグラフ
１０ 電源制御装置
１１ 充電制御装置
１２ バイパス回路
１３ 補助電源制御装置
１５ ダイオード
２０ 蓄電池
３３ 昇降圧チョッパ
３５ 制御部
３７ 高速度遮断器
６０ モータ
６５ 主制御装置（ＶＶＶＦインバータ）

Claims (14)

1. 電気車両に搭載された蓄電池の充放電を制御する電源制御装置であって、
   複数のスイッチング素子のスイッチング動作により電圧変換を行う昇降圧チョッパを有し、前記蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置と、
   前記充放電制御装置に並列に接続され、オンしたときに前記充放電制御装置を迂回して前記蓄電池の充放電を可能とするバイパス経路を形成し、オフしたときに前記バイパス経路を遮断するバイパス回路と、
   を備えた電源制御装置。
2. 前記蓄電池はニッケル水素電池である、請求項１記載の電源制御装置。
3. 前記充放電制御装置及びバイパス回路の動作を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記電気車両が架線から受けた電力でモータを駆動して走行中は、前記バイパス回路をオフするように前記バイパス回路を制御する、請求項１記載の電源制御装置。
4. 前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路の動作を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記電気車両が前記蓄電池から放電された電力でモータを駆動して走行中は、前記バイパス回路をオンし、且つ前記昇降圧チョッパを動作させないように、前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路の動作を制御する、請求項１記載の電源制御装置。
5. 前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路の動作を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記昇降圧チョッパにおける蓄電池側にある第１のノードの電圧と架線側にある第２のノードの電圧とを同じにした後に、前記バイパス回路をオフからオンに切り替えるように前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路を制御する、請求項１記載の電源制御装置。
6. 前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路の動作を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記昇降圧チョッパにおける蓄電池側にある第１のノードの電圧と架線側にある第２のノードの電圧とを同じにした後に、前記バイパス回路をオンからオフに切り替えるように前記昇降圧チョッパ及び前記バイパス回路を制御する、請求項１記載の電源制御装置。
7. 前記充放電制御装置及び前記バイパス回路の前段にさらにダイオードを挿入した、請求項１記載の電源制御装置。
8. 前記電気車両は、架線のある区間では、架線から車両に電力を得ることで走行するとともに搭載した蓄電池に充電し、架線の無い区間では、搭載した蓄電池に充電した電力により走行可能な電池駆動車両である、請求項１記載の電源制御装置。
9. 前記バイパス回路は半導体スイッチである、請求項１記載の電源制御装置。
10. 前記バイパス回路は接触器である、請求項１記載の電源制御装置。
11. 複数のスイッチング素子のスイッチング動作により電圧変換を行う昇降圧チョッパを備え、電気車両に搭載された蓄電池の充放電を制御する電源制御装置の制御方法であって、
    前記電気車両が前記蓄電池から放電された電圧でモータを駆動して走行中は、前記昇降圧チョッパを動作させないように制御するとともに、前記昇降圧チョッパを迂回するバイパス経路を形成して前記バイパス経路を介して前記蓄電池の充放電を行い、
    前記電気車両が架線から受けた電圧でモータを駆動して走行中は、前記バイパス経路を遮断する、
    電源制御方法。
12. 前記バイパス経路を新たに形成する際に、前記昇降圧チョッパにおける蓄電池側にある第１のノードの電圧と架線側にある第２のノードの電圧とを同じにした後に、前記バイパス経路を形成する、請求項１１記載の電源制御方法。
13. 前記形成されたバイパス経路を遮断する際に、前記昇降圧チョッパにおける蓄電池側にある第１のノードの電圧と架線側にある第２のノードの電圧とを同じにした後に、前記バイパス経路を遮断する、請求項１１記載の電源制御方法。
14. 前記電気車両は、架線のある区間では、架線から車両に電力を得ることで走行するとともに搭載した蓄電池に充電し、架線の無い区間では、搭載した蓄電池に充電した電力により走行可能な電池駆動車両である、請求項１１記載の電源制御方法。

Images