JP2014117120A - ハイブリッド電気車の電源供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の発電機あるいは複数の電源をハイブリッド電気車の電源として用いる場合に、装置の大型化を避けることができるハイブリッド電気車の電源供給システムを提供する。
【解決手段】実施の形態は、駆動モータ７と、エンジン１及び発電機２と、前記発電機２から発電した交流を整流手段３を通して直流に変換する変換器と、蓄電装置５と、前記変換器又は蓄電装置５を直流電源とし、直流を入力として駆動モータ用の交流電力に変換して出力する直交変換器とを備え、前記変換器出力と蓄電装置出力を並列に前記直交変換器に給電するようにしたハイブリッド電気車の電源供給システムを特徴とする。
【選択図】図１

Description

実施の形態は、ハイブリッド電気車の電源供給システムに関する。

従来のハイブリッド電気車の電源供給システムでは、蓄電装置の出力にチョッパ装置を接続し、充電量によって出力電圧が変動する蓄電装置の電圧変動に合わせて電圧を制御するか、あるいはエンジン発電機の出力にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータを接続し、同じく充電量によって出力電圧が変動する蓄電装置から電気車の走行状態などの負荷変動に応じた入出力電力管理を行っている。

ところが、従来の電気車の電源供給システムでは、蓄電装置側の電力が大きな場合には必要以上に大きなチョッパ装置を具備しなければならず、車両の軽量化を阻害する問題点があった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、大容量の発電機あるいは複数の電源をハイブリッド電気車の電源として用いる場合に、装置の大型化を避けることができるハイブリッド電気車の電源供給システムを提供することを目的とする。

実施の形態の特徴は、駆動モータと、エンジン及びこれにより発電する発電機と、発電機から発電した交流を整流手段を通して直流に変換する変換器と、駆動モータに電力を給電するための蓄電装置と、変換器又は蓄電装置を直流電源とし、直流を入力として駆動モータ用の交流電力に変換して出力する直交変換器とを備え、変換器出力と蓄電装置出力を並列に直交変換器に給電するようにしたハイブリッド電気車の電源供給システムである。

第１の実施の形態の電気車の電源供給システムの回路ブロック図。 第２の実施の形態の電気車の電源供給システムの回路ブロック図。 第３の実施の形態の電気車の電源供給システムの回路ブロック図。

以下、実施の形態を図に基づいて詳説する。

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムを示しており、エンジン１の回転軸は発電機２の軸とカップリングさせてあり、エンジン１により発電機２を回転させる。発電機２は交流電力を発電する。発電機２の出力は整流器３に接続してあり、発電機２の出力する交流を整流器３にて平滑して直流にする。この整流器３の出力側、接続点Ａに、直前にチョッパ装置４を挿入した蓄電装置５が接続してある。接続点Ａの出力側には、必要台数のインバータ６と補機負荷８が並列に接続してある。各インバータ６により駆動モータ７各々が駆動される。

整流器３の出力線には電圧検出器１１が設置してあり、蓄電装置５の出力線には電圧検出器１２が設置してあり、これらの電圧検出器１１，１２の電圧検出信号は電圧制御部１３に入力する。電圧制御部１３は、インバータ６と駆動モータ７、補機負荷８が必要とする電力を、蓄電装置５からの出力と整流器３からの出力とにより供給される入力電力が等しくなるような電圧を演算してチョッパ装置４を制御する。エンジン１はエンジン制御部１４にて必要な出力を出すように制御される。

本実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムでは、エンジン制御部１４は運転指令によりエンジン１を起動させて列車速度に応じた電力を発電するように制御する。

これと共に、電圧制御部１３は蓄電装置５の直流電圧を電圧検出器１２の電圧検出信号に基づいて監視し、蓄電装置５の出力電圧が所定値以下に低下していれば、チョッパ装置４に整流器３から入力される直流電圧を見て、Ａ点の出力電圧が蓄電装置５の出力電圧よりも高い電圧になるように、チョッパ装置４により整流器３からの直流電圧を上昇させてＡ点に出力させる。このようにしてチョッパ装置４の電圧出力Ｖａを蓄電装置５の直流電圧Ｖｂよりも高くなるように制御することにより、Ａ点の直流電力を蓄電装置５側にも流がして蓄電装置５を充電する。蓄電装置５の直流電圧Ｖｂが満充電状態の電圧に到達すれば上の昇圧制御を停止し、チョッパ装置４の出力電圧が蓄電装置５の直流電圧よりも所定値だけ低い電圧になるように昇圧制御する。接続点Ａの電圧が蓄電装置５の電圧よりも低くなれば、発電機２の発電電力が交直変換されてインバータ６、補機負荷８に出力されると共に、これと並列に、蓄電装置５の直流電圧がインバータ６、補機負荷８に出力される。

インバータ６、補機負荷８へ供給する電力の大部分は蓄電装置５側であり、エンジン発電系統の発電電力はそれに比べれば小さい割合である。そのため、以上の構成の本実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムによれば、大容量の蓄電装置５側ではなく、発電系統上にチョッパ装置４を設置したことにより、チョッパ装置４を従来のように蓄電装置５の大電流に耐える仕様のものにしなくても済み、したがって比較的小容量のものを採用することができ、コスト的に適切なチョッパ装置にてシステムを構成できる。

［第２の実施の形態］
図２に示す第２の実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムは、図１に示した第１の実施の形態に対して、整流器３とチョッパ装置４に代えてＰＷＭコンバータ９を採用し、電圧制御部１３に代えて電力制御部１５を採用したことを特徴とする。蓄電装置５に対しては、その蓄電状態を監視するために電圧計１２が設置してある。尚、この電圧計１２に代えて、蓄電装置５の出力する積算電流計により蓄電装置５の蓄電状態を監視する構成であってもよい。

本実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムでは、運転指令を受けてエンジン制御部１４はエンジン１を起動させ、効率が最高の回転数にてエンジン１を回転させる。これによって発電機２が回転して交流を発電する。ＰＷＭコンバータ９は、電力制御部１５の制御に基づき交直変換により所定電圧の直流を出力する。電力制御部１５は、蓄電装置５の直流電圧を監視する電圧計１２の電圧検出信号から蓄電装置５の充電状態を推定し、充電が必要であればＰＷＭコンバータ９が蓄電装置５の直流電圧よりも所定値だけ高めの直流電圧を出力するようにＰＷＭコンバータ９を制御する。このＰＷＭコンバータ９の直流出力電圧により、蓄電装置５は充電される。そして蓄電装置５の直流電圧が所定電圧まで上昇すれば充電完了とし、電力制御部１５はＰＷＭコンバータ９の直流出力が蓄電装置５の直流電圧よりも所定値だけ低い電圧になるように制御を切り替える。こうして接続点Ａの電圧が蓄電装置５の電圧よりも低くなれば、発電機２の発電電力が交直変換されてインバータ６、補機負荷８に出力されると共に、これと並列に、蓄電装置５の直流電圧がインバータ６、補機負荷８に出力される。

インバータ６、補機負荷８へ供給する電力の大部分は蓄電装置５側であり、エンジン発電系統の発電電力はそれに比べれば小さい割合である。そのため、本実施の形態によれば、大容量の蓄電装置５側ではなく、発電系統上にＰＷＭコンバータ９を設置したことにより、ＰＷＭコンバータ９を従来のように蓄電装置５の大電流に耐える仕様のものにしなくても済み、したがって比較的小容量のものを採用することができ、コスト的に適切なＰＷＭコンバータ９にてシステムを構成できる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態のハイブリッド電気車の電源供給システムは、発電手段にエコ発電手段としての燃料電池２０を採用し、燃料電池２０の発電電力をＤ−Ｄコンバータ２２にて所定電圧の直流に変換し、蓄電装置５側の直流電力と並列にインバータ６及び補機負荷８に供給する構成を特徴とする。

燃料電池２０の発電は制御部２１にて行い、Ｄ−Ｄコンバータ２２の制御は電力制御部２３にて行う。運転指令を受けて制御部２１は燃料電池２０を起動して発電させる。Ｄ−Ｄコンバータ２２は、電力制御部２３の制御に基づきＤ−Ｄ変換により所定電圧の直流を出力する。電力制御部２３は、蓄電装置５の直流電圧を監視する電圧計１２の電圧検出信号から蓄電装置５の充電状態を推定し、充電が必要であればＤ−Ｄコンバータ２２が蓄電装置５の直流電圧よりも所定値だけ高めの直流電圧を出力するようにＤ−Ｄコンバータ２２を制御する。このＤ−Ｄコンバータ２２の直流出力電圧により、蓄電装置５は充電される。そして蓄電装置５の直流電圧が所定電圧まで上昇すれば充電完了とし、電力制御部２３はＤ−Ｄコンバータ２２の直流出力が蓄電装置５の直流電圧よりも所定値だけ低い電圧になるように制御を切り替える。こうして接続点Ａの電圧が蓄電装置５の電圧よりも低くなれば、燃料電池２０の発電電力がＤ−Ｄ変換されてインバータ６、補機負荷８に出力されると共に、これと並列に、蓄電装置５の直流電圧がインバータ６、補機負荷８に出力される。

インバータ６、補機負荷８へ供給する電力の大部分は蓄電装置５側であり、発電系統の発電電力はそれに比べれば小さい割合である。そのため、本実施の形態の場合にも、大容量の蓄電装置５側ではなく、発電系統上にＤ−Ｄコンバータ２３を設置したことにより、Ｄ−Ｄコンバータ２２を従来のように蓄電装置５の大電流に耐える仕様のものにしなくても済み、したがって比較的小容量のものを採用することができ、コスト的に適切なＤ−Ｄコンバータ２２にてシステムを構成できる。

尚、第３の実施の形態における燃料電池２０、Ｄ−Ｄコンバータ２２のエコ発電系統は、第１の実施の形態のエンジン発電系統に代えて採用することができる。またこれらの実施の形態で、エコ発電系統には燃料電池の他に、太陽光発電システムを採用することも可能である。また、第１、第２の実施の形態において、エンジン発電系統と共にエコ発電系統を設置することもできる。また、各実施の形態にあって、補機負荷８は必須の構成要件ではない。

１ エンジン
２ 発電機
３ 整流器
４ チョッパ装置
５ 蓄電装置
６ インバータ
７ 駆動モータ
８ 補機負荷
９ ＰＷＭコンバータ
１３ 電圧制御部
１４ エンジン制御部
１５ 電力制御部
２０ 燃料電池
２１ 制御部
２２ Ｄ−Ｄコンバータ
２３ 電力制御部

Claims (1)

1. 駆動モータ及び補助電源と、
   エンジンと発電機とで交流電力を発電する交流発電手段と、
   前記交流発電手段の発電した交流を整流する整流手段と、
   前記整流手段の整流した直流を、所定の直流電圧に昇圧する電圧変換手段と、
   蓄電装置と、
   前記電圧変換手段の直流出力又は蓄電装置を直流電源とし、前記駆動モータ用の電力に変換して出力するインバータ装置とを備え、
   前記電圧変換手段と蓄電装置とから前記インバータ装置に並列に直流電源を給電することを特徴とする電気車の電源供給システム。

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