JP2013116015A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ用のパワー半導体デバイスを低耐圧の素子で対応してコストダウンを実現すると共に動作安定性のさらなる向上を図る。
【解決手段】インバータ１１〜１４の直流リンクには蓄電装置２１〜２４を接続し、交流リンクにはモータ３１〜３４を接続する。インバータ及び蓄電装置を直列に接続し、主回路を多重直列回路とする。各インバータには６つの接触器と１つのフィルタコンデンサを接続する。蓄電装置は蓄電素子９とＤＣ／ＤＣコンバータ１０で構成する。インバータに使用されるパワー半導体デバイスの耐圧値は、蓄電装置のＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧を基準にして決める。蓄電装置２１〜２４は４台あるのでＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧は架線１の電圧の１／４に相当するように調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は車両制御装置に関する。

一般に、車両制御装置は、架線から得た直流電力を交流電力に変換し、交流電力によって車両を走行させる装置である。このような車両制御装置ではパンタグラフ等の直流電力集電器が架線から直流電力を受け取り、これを可変電圧可変周波数型のインバータに出力する。

インバータは複数の素子がスイッチング動作を行うことで交流電力を生成しており、交流電力の実効電圧と周波数を任意に制御する。モータはインバータから交流電力を受けて回転駆動し、広い可変速範囲で車両を走行させる。

特開２００４−９６８３４号公報

ところで、車両制御装置は架線から直流電圧を取り込むので、インバータに使用されるパワー半導体デバイスは、架線電圧の大きさを基準にして、素子の耐圧を検討する必要がある。このため従来では、インバータ用のパワー半導体デバイスには耐圧の高い素子を使用している。しかしながら、高耐圧の素子は高価であり、車両制御装置のコストを増大させる要因となっている。

また、公共機関たる鉄道等の交通分野では、節電や動作安定性に対するニーズが高い。したがって、車両制御装置においては、万が一、装置の一部が故障しても正常な部分がこれをカバーして動作を継続させることが求められている。

本実施形態の車両制御装置は、上記の課題を解決するためのものである。本実施形態の目的は、インバータ用のパワー半導体デバイスを低耐圧の素子で対応してコストダウンを実現すると共に動作安定性のさらなる向上を図った車両制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、実施形態の車両制御装置は、次のような特徴を有している。
（ａ）交流電力を生成するインバータ。
（ｂ）前記インバータの生成した交流電力により駆動するモータ。
（ｃ）前記インバータの直流リンクに接続し直流電力を蓄電する蓄電装置。
以上の（ａ）〜（ｃ）の構成要素を含むユニットを構成し、当該ユニットを複数直列に接続してなる回路を前記車両制御装置の主回路として、前記主回路の最大電位の部分と外部から直流電力を供給する架線とを接続したことを特徴とするものである。

第１の実施形態の構成図。 第１の実施形態の要部構成図。 第２の実施形態の要部構成図。 第３の実施形態の要部構成図。

（１）第１の実施形態
［第１の実施形態の構成］
図１及び図２を参照して、車両制御装置に係る第１の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の車両制御装置には、架線１から直流電力を得るための集電器として、パンタグラフ１５が車両の上部に配置されている。

パンタグラフ１５にはフィルタリアクトル２、接触器３、４が順次接続されている。接触器４にはフィルタコンデンサ６と接触器７が接続されている。フィルタコンデンサ６は車輪１６を介してレール１７に接地されている。また、接触器４、接触器７にはそれぞれ充電抵抗５、８が並列に取り付けられている。

接触器７には、４つのユニットＡ〜Ｄが接続されている。ユニットＡ〜Ｄは直列に接続され、この４つのユニットＡ〜Ｄにより本実施形態の主回路が構成される。本実施形態の主回路の最大電位部分が接触器７に接続されている。各ユニットＡ〜Ｄにはインバータ１１〜１４と、蓄電装置２１〜２４と、モータ３１〜３４とが含まれている。

ユニットＡ〜Ｄにおいて、インバータ１１〜１４の直流リンクに蓄電装置２１〜２４が接続され、インバータ１１〜１４の交流リンクにモータ３１〜３４が接続される。このうち、インバータ１１〜１４及び蓄電装置２１〜２４は直列に接続されている。そのため、４つのユニットＡ〜Ｄからなる主回路は多重直列回路となる。

［インバータ］
インバータ１１〜１４は直流を任意の電圧及び周波数の交流に変換する可変電圧可変周波数型の電力変換装置である。各インバータ１１〜１４の交流リンクに前記モータ３１〜３４が接続される。

各インバータ１１〜１４において、直流リンクの正側電位点には接触器１０３、２０３、３０３、４０３が接続され、負側電位点には接触器１０４、２０４、３０４、４０４が接続されている。正側電位点に接続された接触器１０３、２０３、３０３、４０３には、接触器１０１、２０１、３０１、４０１及び接触器１０６、２０６、３０６、４０６が接続されている。

一方、負側電位点に接続された接触器１０４、２０４、３０４、４０４には、接触器１０２、２０２、３０２、４０２及び接触器１０７、２０７、３０７、４０７が接続されている。つまり、各インバータ１１〜１４の直流リンクには、接触器１０１〜１０４及び１０６、１０７、２０１〜２０４及び２０６、２０７、３０１〜３０４及び３０６、３０７、４０１〜４０４及び４０６、４０７という６つの接触器が接続されている。

また、ユニットＡの接触器１０６と接触器１０７の間には蓄電装置２１が接続されている。ユニットＢの接触器２０６と接触器２０７の間には蓄電装置２２が接続されている。ユニットＣの接触器３０６と接触器３０７の間には蓄電装置２３が接続されている。ユニットＤの接触器４０６と接触器４０７の間には蓄電装置２４が接続されている。

さらに、ユニットＡの接触器１０２、１０７とユニットＢの接触器２０１、２０６とが接続されることでユニットＡとユニットＢが接続される。ユニットＢの接触器２０２、２０７とユニットＣの接触器３０１、３０６とが接続されることでユニットＢとユニットＣが接続される。ユニットＣの接触器３０２、３０７とユニットＤの接触器４０１、４０６が接続されることでユニットＣとユニットＤが接続される。このようにして、４つのユニットＡ〜Ｄからなる本実施形態の多重直列回路では、インバータ１１〜１４及び蓄電装置２１、２２、２３、２４が直列に接続される。なお、インバータ１４の直流リンクの負側電位点に接続された接触器４０２、４０７は車輪１６を介してレール１７に接地されている。

また、各ユニットＡ〜Ｄにおいて、接触器１０１、２０１、３０１、４０１には充電抵抗１０５、２０５、３０５、４０５が並列に取り付けられる。また、接触器１０１〜１０４、２０１〜２０４、３０１〜３０４、４０１〜４０４にはそれぞれフィルタコンデンサ１０８、２０８、３０８、４０８が接続されている。さらにフィルタコンデンサ１０８、２０８、３０８、４０８はインバータ１１〜１４及び蓄電装置２１、２２、２３、２４と並列に取り付けられる。

［蓄電装置］
図２に示すように、蓄電装置２１〜２４はそれぞれ、蓄電素子９とＤＣ／ＤＣコンバータ１０で構成される。蓄電素子９としてはリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は蓄電素子９の電池残量により変化する直流電圧を一定の電圧にして出力する機器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、出力される直流電圧が架線１の直流電圧の１／４に相当するように調整される。

［モータ］
モータ３１〜３４はインバータ１１〜１４から交流電力を受け取り、トルクを車両の車輪１６に伝える誘導電動機あるいは同期電動機である。図１ではモータ３１〜３４と車輪１６とは、便宜的に独立して図示しているが、実際にはモータ３１〜３４の回転軸がギアを介して車輪１６に接続されている。

［第１の実施形態の作用効果］
以上の構成を有する本実施形態は、全ての接触器を投入状態として、次のように動作する。パンタグラフ１５は、架線１から直流電力を集電し、直流電力を各ユニットの蓄電装置２１〜２４に送る。蓄電装置２１〜２４では、直流電力により蓄電素子９を充電すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０にて一定の電圧とし、インバータ１１〜１４に直流電力を出力する。

直流電力を取り込んだインバータ１１〜１４はスイッチング動作により、任意の電圧と周波数を持つ交流電力を生成し、これをモータ３１〜３４に出力する。モータ３１〜３４はインバータ１１〜１４から交流電力を受け、トルクを車輪１６に出力して車両を走行させる。

上記の本実施形態では、インバータ１１〜１４に使用されるパワー半導体デバイスの耐圧値は、蓄電装置２１〜２４のＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧を基準にして決めることができる。蓄電装置２１〜２４は４台あるのでＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧は、架線１の電圧の１／４に相当するように調整することが可能である。

したがって、インバータ１１〜１４用のパワー半導体デバイスとして耐圧の低い素子を使用することができる。その結果、インバータ１１〜１４に用いるパワー半導体の耐圧レベルを大幅に低減することができ、コストダウンを実現して経済性が向上する。

また、第１の実施形態では、蓄電装置２１〜２４を４台設けてＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧を架線１電圧の１／４相当としたので、たとえインバータ１１〜１４用のパワー半導体デバイスに耐圧の低い素子を使用したとしても、インバータ１１〜１４の動作性能を安定化させることが可能である。このような第１の実施形態によれば、経済性の向上に加えて、優れた信頼性を獲得することができる。

（２）第２の実施形態
［第２の実施形態の構成］
図３を参照して、車両制御装置に係る第２の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

図３に示すように、蓄電装置２１〜２４には電池残量を測定する電池残量測定部１８が接続されている。第２の実施形態では、電池残量測定部１８の測定した電池残量が、予め決められた所定の値よりも高ければ、接触器３、４に開放指令を出力して、主回路である多重直列回路から架線１を切り離すようになっている。また、第２の実施形態では、電池残量測定部１８の測定した電池残量が所定値よりも低ければ、接触器３、４に投入指令を出力して、多重直列回路に架線１を接続するようになっている。

［第２の実施形態の作用効果］
蓄電装置２１〜２４に組み込まれた蓄電素子９の電池残量が十分であれば、架線１から直流電力を得なくても、蓄電素子９の持つエネルギーを各インバータ１１〜１４に与えるだけで、モータ３１〜３４の駆動制御が可能である。そこで、第２の実施形態では、電池残量測定部１８の測定した電池残量が所定の値よりも高ければ、接触器３、４に開放指令を出力して架線１を多重直列回路から切り離すようになっている。

すなわち、第２の実施形態においては、蓄電素子９の電池残量が十分であれば、架線１を多重直列回路から切り離すことで架線１からは直流電力を受け取ることがない。このとき、インバータ１１〜１４に接続された６つの接触器及び接触器７を投入することで、インバータ１１〜１４は蓄電装置２１〜２４の蓄電素子９から直流電力を受け取るのみとなる。このようなインバータ１１〜１４が交流電力を生成してモータ３１〜３４に出力する。つまり、モータ３１〜３４は蓄電素子９の出力する電力だけで車両を走行させることができる。

また、第２の実施形態では、電池残量測定部１８の測定した電池残量が所定の値よりも低ければ、接触器３、４に投入指令を出力して、架線１を多重直列回路に接続する。このため、蓄電素子９の電池残量が少なくなれば、各インバータ１１〜１４は架線１からの直流電力と、蓄電装置２１〜２４の蓄電素子９からの直流電力の両方を受け取ることが可能となる。

このとき、インバータ１１〜１４に接続された６つの接触器及び接触器７を投入することで、インバータ１１〜１４は架線１からの直流電力と、蓄電装置２１〜２４の蓄電素子９から直流電力を受け取る。このようなインバータ１１〜１４が交流電力を生成してモータ３１〜３４に出力する。つまり、モータ３１〜３４は架線１及び蓄電素子９の出力した電力で車両を走行させることができる。

このような第２の実施形態においては、蓄電素子９の電池残量が僅かであったとしても、インバータ１１〜１４は十分な大きさの交流電力を生成することができ、蓄電素子９の出力する電力に加え、架線１からの電力で車両が走行することが可能である。以上の第２の実施形態によれば、蓄電素子９の電池残量にかかわらず、インバータ１１〜１４は常に安定した動作性能を発揮することができ、優れた信頼性を獲得することができる。

また、第２の実施形態では、蓄電素子９にエネルギーが十分残っていれば、架線１から直流電力を得なくとも、インバータ１１〜１４はモータ３１〜３４に交流電力を与えることが可能である。反対に、蓄電装置２１〜２４の蓄電素子９の電池残量が少なければ、架線１からの直流電力の利用を選択することができる。このような第２の実施形態によれば、いわゆる直流供給電源のハイブリッド化を実現することが可能であり、効率よくエネルギーを利用して省エネ性能を高めることができる。

（３）第３の実施形態
［第３の実施形態の構成］
図４を参照して、車両制御装置に係る第３の実施形態について説明する。上記第１の実施形態と同様の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

図４に示すように、インバータ１１にはインバータ１１の故障を検知するインバータ故障検知部１９が接続されている。また、蓄電装置２１には蓄電装置２１の故障を検知する蓄電装置故障検知部２０が接続されている。なお、図４ではユニットＡだけを示し、ユニットＢ〜Ｄについては図示を省いたが、ユニットＢ〜Ｄも図４に示したユニットＡと同様の構成を有している。すなわち、インバータ１２〜１４にはそれぞれインバータ故障検知部１９が接続され、蓄電装置２２〜２４にはそれぞれ蓄電装置故障検知部２０が接続されている。

第３の実施形態では、これら故障検知部１９もくしは２０の検知結果に応じて、ユニット内の接触器を開放し、これにより故障した部分をユニットＡ〜Ｄの回路から切り離すように構成されている。また、第３の実施形態においては、インバータ１１〜１４に直結されるフィルタコンデンサ１０８、２０８、３０８、４０８の容量を同一に設定しておくものとする。

［作用効果］
第３の実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、車両制御装置の運転中にインバータ１１〜１４や蓄電装置２１〜２４が故障すると、インバータ１１〜１４の直流リンクが短絡する恐れがある。そこで、故障検知部１９もくしは２０がインバータ１１〜１４もしくは蓄電装置２１〜２４の故障を検知した場合、故障部分をユニットＡ〜Ｄの回路から切り離す。

［インバータの故障］
例えば、インバータ故障検知部１９がユニットＡ内のインバータ１１の故障を検出すると、接触器１０３、１０４を開放してインバータ１１をユニットＡの回路から切り離す。なお、ユニットＡ内の接触器１０３、１０４を開放した後も、ユニットＡ内の接触器１０１、１０２、１０６、１０７は投入状態を継続する。

このとき、接触器１０１、１０２、１０６、１０７が投入状態にあれば、インバータ１１が故障した状態でも、蓄電装置２１の出力電圧によりフィルタコンデンサ６の電圧は変化することがない。このため、故障したインバータ１１に対し架線１から直流電力が流れ込むことはなく、インバータ１１をユニットＡの回路から切り離す前の状態のままで、車両制御装置の運転を継続することができる。また、他のインバータが故障しても、さらには複数台のインバータが同時に故障しても、上記と同様にユニット内の接触器の開放を行うことで故障したインバータをユニットの回路から切り離すことで、車両制御装置の運転を安全に継続することができる。

［蓄電装置の故障］
また、蓄電装置２１〜２４のうち、例えばユニットＡ内の蓄電装置２１が故障した場合、蓄電装置故障検知部２０がこれを検出すると、ユニットＡ内の接触器１０６、１０７を開放することで、蓄電装置２１をユニットＡの回路から切り離す。この時、ユニットＡ内のフィルタコンデンサ１０８の電圧は、他の正常な蓄電装置２２〜２４の電圧の和と架線１の電圧によって決まる。したがって、ユニットＡ内にフィルタコンデンサ１０８が存在することで、インバータ１１は蓄電装置２１の故障前と同様に運転することができる。なお、他の蓄電装置が故障しても同様である。

また、蓄電装置２１〜２４のうち複数台が故障した場合、例えばユニットＡ内の蓄電装置２１とユニットＢ内の蓄電装置２２が故障した場合は、蓄電装置２１をユニットＡの回路から切り離し、蓄電装置２２をユニットＢの回路から切り離す。第３の実施形態では、インバータ１１〜１４に直結されるフィルタコンデンサ１０８、２０８、３０８、４０８の容量を同一にしてある。

このため、蓄電装置２１、２２がユニットＡ、Ｂに接続されていなくても、フィルタコンデンサ１０８、２０８、３０８、４０８の電圧を均等に分圧することが可能である。したがって、インバータ１１、１２の直流リンクにかかる電圧は、正常なインバータ１３、１４の直流リンクと同一になる。これにより、たとえ複数の蓄電装置２１、２２が故障したとしても、インバータ１１、１２は蓄電装置２１、２２の故障前と同様に運転することが可能である。

以上のような第３の実施形態によれば、インバータ１１〜１４もしくは蓄電装置２１〜２４が万が一、故障しても、故障部分をユニットＡ〜Ｄの回路から切り離して短絡を回避し、車両制御装置の運転を安全に継続することが可能である。したがって、動作性能の安定化を図り、信頼性がより向上する。

（４）他の実施形態
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。

これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、必要なモータ数やインバータに用いる素子の耐圧などに応じて、多重直列化するインバータの数を適宜変更してもよい。

また、上記第２の実施形態では、電池残量測定部１８にて測定した蓄電装置２１〜２４の電池残量に応じて架線１からの直流電力を利用するか否かを選択したが、測定した電池残量を、蓄電装置２１〜２４の充電の目安としてもよい。すなわち、電池残量測定部１８の測定した電池残量が所定の値よりも低いと、接触器１０３、１０４、２０３、２０４、３０３、３０４、４０３、４０４を開放して、ユニットＡ〜Ｄからインバータ１１〜１４を切り離し、架線１から電力を得て蓄電装置２１〜２４を充電するようにしてもよい。

また、電池残量測定部１８にて測定した電池残量が所定の値よりも低くなった時、全ての蓄電装置２１〜２４を充電するのではなく、電池残量が所定の値よりも低下した蓄電装置に限って充電することも可能である。例えば、インバータ１１に接続される蓄電装置２１の電池残量のみが低下した場合は、ユニットＡの接触器１０３、１０４を開放し、架線１から電力を得て走行して蓄電装置２１を充電することができる。

１…架線
２…フィルタリアクトル
３、４、７、１０１〜１０４、１０６、１０７、２０１〜２０４、２０６、２０７、３０１〜３０４、３０６、３０７、４０１〜４０４、４０６、４０７…接触器
５、８、１０５、２０５、３０５、４０５…充電抵抗
６、１０８、２０８、３０８、４０８…フィルタコンデンサ
９…蓄電素子
１０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１〜１４…インバータ
１５…パンタグラフ
１６…車輪
１７…レール
１８…電池残量測定部
１９…インバータ故障検知部
２０…蓄電装置故障検知部
２１〜２４…蓄電装置
３１〜３４…モータ

Claims (8)

1. 交流電力を生成するインバータと、
   前記インバータの生成した交流電力により駆動するモータと、
   前記インバータの直流リンクに接続し直流電力を蓄電する蓄電装置と、
   前記インバータ、前記モータ及び前記蓄電装置を含むユニットを構成し、
   当該ユニットを複数直列に接続してなる回路を前記車両制御装置の主回路とし、
   前記主回路の最大電位の部分と外部から直流電力を供給する架線とを接続したことを特徴とする車両制御装置。
2. 前記蓄電装置は一定の直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータを一体的に組み込むことを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
3. 前記主回路の最大電位の部分と外部から直流電力を供給する架線とを接続するための接触器を備え、
   前記インバータは、前記接触器を開放すると前記蓄電装置から直流電力を受け取り、前記接触器を投入すると前記蓄電装置及び前記架線の両方から直流電力を受け取るように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両制御装置。
4. 前記蓄電装置の電池残量を測定する電池残量測定部を備え、
   前記接触器は、前記電池残量測定部の測定した電池残量が所定の値よりも高いと開放動作を行い、前記電池残量が所定の値よりも低いと投入動作を行うように構成したことを特徴とする請求項３に記載の車両制御装置。
5. 前記インバータ及び前記蓄電装置を接続するための前記ユニット内の接触器と、
   前記インバータの故障を検知するインバータ故障検知部と、を備え、
   前記インバータ故障検知部が前記インバータの故障を検知すると、前記ユニット内の接触器は開放動作を行って前記ユニットから故障した前記インバータを切り離すように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両制御装置。
6. 前記インバータ及び前記蓄電装置を接続するための前記ユニット内の接触器と、
   前記蓄電装置の故障を検知する蓄電装置故障検知部と、を備え、
   前記蓄電装置故障検知部が前記蓄電装置の故障を検知すると、故障した前記蓄電装置に接続された前記ユニット内の接触器は開放動作を行って前記ユニットから故障した前記蓄電装置を切り離すように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両制御装置。
7. 前記蓄電装置の電池残量を測定する電池残量測定部と、
   前記インバータ及び前記蓄電装置を接続するための前記ユニット内の接触器と、を備え、
   前記電池残量測定部の測定した電池残量が所定の値よりも低いと、前記ユニット内の接触器は開放動作を行って前記ユニットから前記インバータを切り離し、且つ前記架線から前記蓄電装置を充電するように構成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両制御装置。
8. 前記電池残量測定部の測定した電池残量が所定の値よりも低い前記蓄電装置について、この蓄電装置に接続された前記ユニット内の接触器は開放動作を行って前記ユニットから前記インバータを切り離し、且つ前記架線から当該蓄電装置を充電するように構成したことを特徴とする請求項７に記載の車両制御装置。

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