JP2011004566A - Auxiliary power supply apparatus for electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気車補助電源装置に関する。 The present invention relates to an electric vehicle auxiliary power supply device.
従来、架線からの電力および主電動機からの回生電力を充電し、充電した電力を必要に応じて主電動機や各種の補助機器に供給する蓄電手段を備える電気車補助電源装置が公知である(例えば、特許文献1、2参照)。交流電気車の場合、例えば図3に示すように電気車100は、架線101から集電装置102によって交流電力を集電する。電気車100は、集電した交流電力を変圧器103により変圧した後、コンバータ104およびインバータ105によって主電動機106へ供給する電力を制御する。コンバータ104の直流出力側には、直流電圧を可変するDC/DCコンバータ107が接続されており、このDC/DCコンバータ107の出力側に例えばリチウムイオン電池などの蓄電手段108が接続されている。蓄電手段108は、比較的充電容量が大きく、一般的に主電動機106を駆動するための電力を充電および放電する。
2. Description of the Related Art Conventionally, an electric vehicle auxiliary power supply device is known that includes power storage means for charging electric power from an overhead line and regenerative electric power from a main motor, and supplying the charged electric power to the main motor and various auxiliary devices as necessary (for example, Patent Documents 1 and 2). In the case of an AC electric vehicle, for example, as shown in FIG. 3, the
しかしながら、このような従来の電気車100の場合、蓄電手段108へ充電および放電するためにはコンバータ104から出力される直流電力の電圧を可変するDC/DCコンバータ107が必要となる。そのため、素子および機器の増加を招き装置の大型化および複雑化を招くという問題がある。一方、蓄電手段108を備えていない電気車100の場合、例えば架線101の停電や、き電区分セクションいわゆる交−交セクションの通過時などのように電力を回生することができないとき、回生によって生じた電力は熱エネルギーとして消費するか、または機械的ブレーキによって制動する必要がある。その結果、エネルギーの無駄が生じるという問題がある。
However, in the case of such a conventional
そこで、本発明は、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率が高い電気車補助電源装置を提供することにある。 Therefore, the present invention is to provide an electric vehicle auxiliary power supply device with high energy use efficiency without causing an increase in size and complexity of the device.
上記の課題を解決するために本発明の電気車補助電源装置は、架線から集電した交流電力を降圧して主電動機に供給する変圧器と、前記変圧器で変圧した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電力出力側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換して補助機器へ出力するインバータと、前記インバータの直流入力側において正極と負極との間に接続され、前記架線からの電力および前記主電動機からの回生電力を充電、ならびに前記架線からの電力の供給が停止したとき前記主電動機および前記補助機器へ電力を放電する蓄電手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an electric vehicle auxiliary power supply apparatus of the present invention includes a transformer for stepping down AC power collected from an overhead line and supplying the same to a main motor, and AC power transformed by the transformer as DC power. A converter to be converted, an inverter connected to the DC power output side of the converter, converting the input DC power into AC power and outputting it to an auxiliary device, and between a positive electrode and a negative electrode on the DC input side of the inverter A power storage means connected to charge power from the overhead line and regenerative power from the main motor, and to discharge power to the main motor and the auxiliary device when supply of power from the overhead line is stopped. It is characterized by.
上記の構成により、蓄電手段は、補助機器へ電力を供給するインバータの直流入力側、すなわちコンバータの直流出力側に接続され、コンバータからインバータへ入力される直流電力によって充電される。補助機器へ電力を供給するコンバータから出力される直流電力は、主電動機へ供給される交流電力に変化する直流電力よりも電圧が低い。そのため、蓄電手段は、DC/DCコンバータを用いることなく、コンバータから出力される直流電力によって充電または放電が制御される。これにより、蓄電手段は、架線からの電力および主電動機からの回生電力によって充電される。また、蓄電手段は、放電することにより、主電動機および補助機器へ電力を供給する。そのため、例えばデッドセクションや停電など架線から集電ができない状態で電気車が停止した場合でも、蓄電手段の放電による電力によって電気車は再力行可能である。したがって、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率を高めることができる。 With the above configuration, the power storage means is connected to the DC input side of the inverter that supplies power to the auxiliary equipment, that is, the DC output side of the converter, and is charged by the DC power input from the converter to the inverter. The DC power output from the converter that supplies power to the auxiliary equipment has a lower voltage than the DC power that changes to AC power supplied to the main motor. Therefore, charging or discharging of the power storage means is controlled by direct current power output from the converter without using a DC / DC converter. Thereby, the electrical storage means is charged with electric power from the overhead wire and regenerative electric power from the main motor. The power storage means supplies power to the main motor and auxiliary equipment by discharging. Therefore, for example, even when the electric vehicle stops in a state where current cannot be collected from an overhead line such as a dead section or a power failure, the electric vehicle can be repowered by the electric power generated by the discharge of the storage means. Therefore, energy use efficiency can be increased without increasing the size and complexity of the apparatus.
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
図1に示すように、第1実施形態による電気車10は、集電器11および車輪12を備えている。集電器11は、例えばパンタグラフなどで構成され、交流の電力が供給されている架線13に摺動または転がり接触する。電気車10は、車輪12が線路上を転がることにより走行する。電気車10は、架線13に接する集電器11と線路に接する車輪12との間に電気回路を形成することにより、架線13から電力を集電する。集電器11と車輪12との間には、集電器11側から順に遮断器14および変圧器15が接続されている。遮断器14は、集電器11と車輪12との間に形成される電気回路を開閉する。また、変圧器15は、集電器11から集電した交流電力を降圧する。変圧器15は、集電器11と車輪12との間の一次巻線21、二次巻線22および三次巻線23を有している。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in a plurality of embodiments, substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the
電気車10は、主電動機31へ供給する電力を制御するコンバータ32およびインバータ33を備えている。また、電気車10は、電気車補助電源装置(以下、「補助電源装置」という。)40を搭載している。補助電源装置40は、コンバータ41、インバータ42および蓄電手段としてのバッテリ43を備えている。コンバータ32およびコンバータ41は、交流電力を直流電力に変換する、いわゆるPWM(Pulse Width Modulation)制御によるAC/DCコンバータである。具体的には、コンバータ32は、変圧器15の二次巻線22に接続している。また、コンバータ41は、変圧器15の三次巻線23に接続している。これにより、コンバータ32およびコンバータ41は、集電器11により架線13から集電され、変圧器15によって変圧された交流電力を直流電力に変換するとともに、その直流電力の電圧を制御して出力する。
The
インバータ33は、コンバータ32の直流電力出力側に接続されている。インバータ33は、コンバータ32から入力された直流電力を三相交流電力に変換して主電動機31へ出力する。具体的には、インバータ33は、コンバータ32より入力された直流電力から電気車10の走行状態に応じて電圧および周波数を可変した三相交流電力を出力するVVVFインバータで構成されている。また、インバータ42は、コンバータ41の直流電力出力側に接続されている。インバータ42は、コンバータ41から入力された直流電力を三相交流電力または単相交流電力に変換して出力する。インバータ42は、例えばコンバータ41より入力された直流電力から電圧および周波数が一定の交流電力を出力する静止形インバータで構成されている。
The
主電動機31は、例えばかご形三相誘導電動機であり、インバータ33の交流出力側から出力された三相交流電力によって駆動される。主電動機31は、図示しない駆動機構を介して車輪12と機械的に接続している。これにより、主電動機31から発生した駆動力は、駆動機構を経由して車輪12へ伝達される。その結果、電気車10は、主電動機31で発生した駆動力によって線路上を走行する。
The
インバータ42の交流電力出力側には、一つ以上の補助機器44が接続している。補助機器44は、例えば空調機器、照明およびコンプレッサなどの各種の機器が含まれる。空調機器および照明は、電気車10の客室内の空調および客室内や外部の照明を行う。コンプレッサは、電気車10の制動装置、空気ばね、あるいは扉開閉装置などへ供給するための圧縮空気を生成する。補助機器44は、インバータ42から供給される三相交流電力または単相交流電力によって駆動される。
One or more
蓄電手段としてのバッテリ43は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池で構成されている。また、蓄電手段は、バッテリ43に代えて、電気二重層コンデンサで構成してもよい。このようなバッテリ43や電気二重層コンデンサは、繰り返される充放電に対する耐久性が高く、かつ充電容量も十分に確保される。バッテリ43は、コンバータ41の直流出力側において正極と負極との間に接続されている。架線13から集電された交流電力の一部は、変圧器15の三次巻線23およびコンバータ41を経由してバッテリ43に充電される。また、電気車10の制動時に主電動機31で発生した回生電力は、必要に応じてバッテリ43に充電される。
The
コンバータ41は、出力する直流電圧を制御する。この場合、コンバータ41は、検出されたバッテリ43の充電容量に基づいてバッテリ43に印加する直流電圧を変更する。これにより、コンバータ41から出力される直流電圧によって、バッテリ43の充電および放電が制御される。変圧器15の三次巻線23から取り出される電圧は、二次巻線22から取り出される電圧に比較して低く設定されている。そのため、三次巻線23からコンバータ41、およびコンバータ41からバッテリ43へ入力される電圧も低く設定される。その結果、三次巻線23からバッテリ43へ至る電気回路の絶縁仕様は簡略化される。このように、バッテリ43の充電および放電を、補助機器44に電力を供給するために設けたコンバータ41から出力する直流電圧によって制御することにより、例えばバッテリに専用のDC/DCコンバータなどが不要になり、かつバッテリ43周辺における回路の絶縁仕様も簡略化される。したがって、機器の小型化および軽量化が図られる。
次に、上記の構成による電気車10の補助電源装置40の作動について説明する。
電気車10が架線13から集電可能な状態にあるとき、バッテリ43は集電した電力の一部によって充電される。バッテリ43の充電率は、コンバータ41から出力される直流電圧によって制御される。第1実施形態の場合、バッテリ43の充電率は、100%未満となるように充電容量に余裕が確保されている。すなわち、バッテリ43は、常に充電可能な状態に制御されている。
Next, the operation of the auxiliary
When the
電気車10が力行時にあるとき、電気車10は集電器11により架線13から交流電力を集電する。集電した交流電力は、変圧器15、コンバータ32およびインバータ33を経由して主電動機31に供給される。これにより、主電動機31は車輪12を駆動する駆動力を発生し、電気車10は走行する。一方、電気車10が制動時にあるとき、電気車10は主電動機31を発電機として機能させて回生制動を行う。制動時において主電動機31で発生した電力は、力行時とは逆にインバータ33およびコンバータ32を経由して変圧器15の二次巻線22へ印加される。ここで、回生が有効に機能しているとき、二次巻線22へ印加された交流電力は、一次巻線21から集電器11を経由して架線13へ戻される。その結果、電気車10の制動によって主電動機31で発生した電力は、同一のき電区間すなわち同一のセクション内を走行する他の電気車によって消費されることにより回生される。
When the
一方、回生が有効に機能していないとき、すなわち回生失効が生じているとき、二次巻線22へ印加された交流電力は、三次巻線23からコンバータ41を経由してバッテリ43に充電される。例えば同一のセクション内で力行する他の電気車の消費電力が自電気車の回生電力を下回るとき、交−交セクションを通過するとき、あるいは停電しているとき、主電動機31で発生した電力を十分に回生することができない回生失効が生じる。このように回生失効が生じると、電気車10は例えば図示しない抵抗器などで主電動機31で発生した電力を熱として消費したり、機械的なブレーキを用いて制動する必要がある。そのため、エネルギー効率の低下や機械的なブレーキの不必要な摩耗を招くことになる。本実施形態の場合、上述のようにバッテリ43の充電率は常に余裕が確保されている。そのため、このように回生失効が生じた場合でも、主電動機31で発生した電力はバッテリ43に充電することによって回生される。
On the other hand, when the regeneration is not functioning effectively, that is, when the regeneration is invalidated, the AC power applied to the secondary winding 22 is charged to the
バッテリ43に充電された電力は、補助機器44あるいは主電動機31の駆動によって消費される。例えば停電などによって架線13からの電力の供給が停止したとき、電気車10の空調、照明および圧縮空気を生成するコンプレッサは、バッテリ43に充電された電力によって駆動される。この場合、バッテリ43に充電された電力は、インバータ42で交流電力に変換された後、補助機器44へ供給される。
The electric power charged in the
また、例えば交−交セクションや交−直セクションなどの無電区間(デッドセクション)で電気車10が停止した場合、電気車10はバッテリ43の放電による電力によって無電区間を自力で脱出する。この場合、バッテリ43に充電された電力は、コンバータ41で交流電力に変換された後、変圧器15の三次巻線23へ印加される。そして、変圧器15の二次巻線22から取り出された電力は、コンバータ32で直流電力に変換された後、インバータ33で再び交流電力に変換されて主電動機31に供給される。主電動機31は、上記の手順でバッテリ43から供給された電力によって駆動力を発生し、電気車10を駆動する。これにより、無電区間に停止した電気車10は、この無電区間から自力で脱出することができる。
For example, when the
以上、説明した第1実施形態では、バッテリ43は、インバータ42の直流入力側、すなわちコンバータ41の直流出力側に接続され、コンバータ41からインバータ42へ入力される直流電力によって充電される。補助機器44へ電力を供給するためのコンバータ41から出力される直流電力は、主電動機31へ電力を供給するためのコンバータ32から出力される直流電力よりも電圧が低い。そのため、バッテリ43は、専用のDC/DCコンバータを用いることなく、コンバータ41から出力された直流電力によって直接充電または放電が制御される。これにより、バッテリ43は、架線13からの電力および主電動機31からの回生電力によって充電される。特に回生失効が生じているとき、主電動機31で発生した電力は、バッテリ43の充電によって回収される。したがって、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率を高めることができる。また、主電動機31で発生した電力をバッテリ43に回収することにより、制動時における機械的なブレーキの使用が低減される。したがって、機械的なブレーキの摩耗を低減することができる。
As described above, in the first embodiment described above, the
また、第1実施形態では、バッテリ43は、放電することにより主電動機31へ電力を供給することもできる。そのため、例えば交−交セクションなどのデッドセクションや停電など架線13から集電ができない状態で電気車10が停止した場合でも、バッテリ43の放電による電力によって電気車10は再力行可能である。さらに、第1実施形態では、バッテリ43は、放電することにより空調、照明およびコンプレッサなどの補助機器44へ電力を供給する。そのため、架線13から集電ができない状態で電気車10が停止した場合でも、電気車10は再力行可能であるとともに、必要な補助機器44にはバッテリ43から電力が供給される。したがって、緊急時に対する電気車10の安全性を高めることができる。
In the first embodiment, the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による補助電源装置を図2に示す。
図2に示すように、第2実施形態の場合、補助機器44は二つ以上の機器441、442から構成されている。なお、図2では、説明の簡単のため、補助機器44が二つの機器441、442を有する例を示している。インバータ42と機器441とを接続する回路には接触器51が設けられ、インバータ42と機器442とを接続する回路には接触器52が設けられている。また、補助電源装置40は、電圧検出部61および制御部62をさらに備えている。電圧検出部61は、集電器11に接続され、架線13の電圧を検出する。制御部62は、電圧検出部61で検出した架線13の電圧に基づいて機器441の接触器51または機器442の接触器52を制御する。
(Second Embodiment)
An auxiliary power supply according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, in the case of the second embodiment, the
バッテリ43は充電容量に限りがある。そのため、架線13からの交流電力の供給が停止した後、補助機器44を構成するすべての機器441、442に対しバッテリ43から電力を供給すると、バッテリ43の充電容量は早期に低下する。その結果、補助機器44を構成する機器441または機器442は、いずれも駆動できない状態となる。そこで、第2実施形態では、制御部62は、電圧検出部61によって架線13の電圧を検出し、架線13からの集電が可能であるか否かを判断する。例えば架線13の電圧が低下したり、停電によって架線13の電圧が0になると、制御部62は架線13からの集電が不可能であると判断する。そして、制御部62は、架線13からの集電が不可能であると判断すると、補助機器44を構成する機器441および機器442のうち必要性のより低い機器441の接触器51または機器442の接触器52を開放する。
The
ここで、必要性の低い機器とは例えば照明や空調などのように電気車10の走行に直接的な影響が小さいものであり、必要性の高い機器とは例えば制動のための圧縮空気を生成するコンプレッサなどのように電気車10の安全な走行に影響が大きいものである。すなわち、この例の場合、制御部62は、バッテリ43からコンプレッサへの電力の供給を維持するために、照明や空調に接続する接触器を開放する。その結果、バッテリ43に要求される負荷が低減するとともに、バッテリ43の効率的な運用を図ることができる。なお、バッテリ43から電力を供給する補助機器44を構成する機器441、442の優先度は、任意に変更可能である。例えば、電気車10の安全な走行への影響が大きな補助機器44への電力の供給を維持した上で、夏期であれば空調の維持を優先したり、夜間であれば照明を優先したりしてもよい。
Here, a low necessity device is a device that has a small direct influence on the traveling of the
(その他の実施形態)
以上説明した複数の実施形態では、補助機器44の一例としてコンプレッサを示した。従来の電気車は、一般に制動や空気ばねへ圧縮空気を供給するための主コンプレッサと、パンタグラフなどの集電器へ圧縮空気を供給するための補助コンプレッサとを備えている。これは、集電器の格納時に電力が入手できないため、まずバッテリで補助コンプレッサを駆動して集電器を駆動した後、集電器によって架線から集電し主コンプレッサを駆動するためである。これに対し、本発明の複数の実施形態では、補助機器44はバッテリ43によって駆動される。そのため、集電器11の格納時であっても、バッテリ43に蓄えられている電力により主コンプレッサを駆動することができる。したがって、補助コンプレッサを省略することができ、電気車10に搭載する機器を低減することができる。
(Other embodiments)
In the plurality of embodiments described above, a compressor is shown as an example of the
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。 The present invention described above is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
図面中、10は電気車、13は架線、31は主電動機、40は補助電源装置(電気車補助電源装置)、41はコンバータ、42はインバータ、43はバッテリ(蓄電手段)、44は補助機器を示す。 In the drawings, 10 is an electric vehicle, 13 is an overhead wire, 31 is a main motor, 40 is an auxiliary power supply (electric vehicle auxiliary power supply), 41 is a converter, 42 is an inverter, 43 is a battery (power storage means), and 44 is an auxiliary device. Indicates.
Claims (1)
前記変圧器で変圧した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流電力出力側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換して補助機器へ出力するインバータと、
前記インバータの直流入力側において正極と負極との間に接続され、前記架線からの電力および前記主電動機からの回生電力を充電、ならびに前記架線からの電力の供給が停止したとき前記主電動機および前記補助機器へ電力を放電する蓄電手段と、
を備えることを特徴とする電気車補助電源装置。 A transformer for stepping down the AC power collected from the overhead line and supplying it to the main motor;
A converter that converts AC power transformed by the transformer into DC power;
An inverter connected to the DC power output side of the converter, converting the input DC power into AC power and outputting it to auxiliary equipment;
Connected between a positive electrode and a negative electrode on the DC input side of the inverter, charging the power from the overhead line and regenerative power from the main motor, and when the supply of power from the overhead line is stopped, the main motor and the Power storage means for discharging power to the auxiliary equipment;
An electric vehicle auxiliary power supply device comprising:
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