JP2018078763A - Power conversion device, power conversion method, power conversion program, and electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置に関する。また、本発明は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムに関する。さらに、本発明は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両に関する。 The present invention relates to a power conversion device used in an electric vehicle such as a railway vehicle. Moreover, this invention relates to the power conversion method and power conversion program which are used in such a power converter device. Furthermore, this invention relates to the electric vehicle carrying such a power converter device.
近年、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間においても走行が可能な鉄道車両が開発されている。そのような鉄道車両の中には、非電化区間において、燃料電池又は蓄電池から供給される電力を用いて走行するものがある。蓄電池は、電化区間においても充電されるが、直流電化区間及び交流電化区間のいずれにおいても蓄電池の充電を可能にすることが求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, railway vehicles have been developed that travel while being supplied with a DC voltage or an AC voltage from an overhead line in an electrified section and capable of traveling in a non-electrified section. Among such railway vehicles, there are those that travel using electric power supplied from a fuel cell or a storage battery in a non-electrified section. Although the storage battery is charged even in the electrification section, it is required to allow the storage battery to be charged in both the direct current electrification section and the alternating current electrification section.
関連する技術として、特許文献1には、燃料電池を動力源の1つとするハイブリッド鉄道車両用の電圧変換装置が開示されている。この電圧変換装置は、非電化区間で燃料電池を利用する場合と、電化区間で架線からの交流電源又は直流電源を利用する場合とを切り換えることができる。さらに、不足した電力を補うために蓄電池が使用される。
As a related technique,
また、非特許文献1には、非電化区間においても走行が可能な蓄電池駆動電車が開示されている。この蓄電池駆動電車は、電化区間において、架線から供給される直流電圧によって走行すると共に、主回路蓄電池の充電を行う。そのために、電力変換装置が、架線から供給される直流電圧を降圧するDC/DCコンバーターと、主電動機を駆動するVVVF(可変電圧可変周波数)インバーターとで構成されている。
Non-Patent
特許文献1の図5を参照すると、直流電化区間においては、パンタグラフ20を介して架線から供給される直流電圧(例えば、1500V)が、インダクションモーター110を駆動するインバーター100にスイッチ140を介して供給される。一方、非電化区間においては、燃料電池50から供給される直流電圧(例えば、500V)が、コンバーター103によって、例えば、1500Vに昇圧されて、インバーター100に供給される。
Referring to FIG. 5 of
さらに、この鉄道車両には、不足した電力を補う機能部として、バッテリー(蓄電池)80が設けられている。一般に、鉄道車両用の蓄電池の充電電圧は、架線から供給される直流電圧よりも低く、例えば、600V〜1000V程度であり、両者の間には大きな電圧差がある。しかしながら、特許文献1には、異なる直流電圧間における充放電を制御する回路構成が開示されていないので、直流電化区間において架線から供給される直流電圧を用いて蓄電池を充電することはできなかった。架線の直流電圧を降圧するためにDC/DCコンバーターを追加すると、回路規模や部品点数が増加して、鉄道車両の重量も増加してしまう。
Further, the railway vehicle is provided with a battery (storage battery) 80 as a functional unit that compensates for the insufficient power. Generally, the charging voltage of a storage battery for a railway vehicle is lower than the DC voltage supplied from the overhead line, for example, about 600V to 1000V, and there is a large voltage difference between the two. However, since
また、非特許文献1の図9において、VVVFインバーターと電池システム群(主回路蓄電池)とは、互いに並列に接続されている。従って、DC/DCコンバーターからVVVFインバーターには、主回路蓄電池に供給されるのと同じDC630Vが供給されるので、主電動機として一般的な電車の誘導電動機を採用することができない。また、VVVFインバーターに供給される直流電圧が低いことから、主電動機に対する駆動能力が低下して、車両の加速等の走行性能が制限されてしまう。
Further, in FIG. 9 of Non-Patent
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第1の目的は、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第2の目的は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することである。 Therefore, in view of the above points, the first object of the present invention is to drive the main motor in the DC electrification section, the AC electrification section, and the non-electrification section without increasing the circuit scale and the number of parts so much. An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of charging a storage battery without impairing the driving capability for a main motor in a DC electrification section. The second object of the present invention is to provide a power conversion method and a power conversion program used in such a power conversion device.
本発明の第3の目的は、本発明の第1の目的に加えて、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第4の目的は、本発明の第3の目的に加えて、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動したり、さらには、蓄電池を充電したりすることが可能な電力変換装置を提供することである。 A third object of the present invention is to provide a power converter capable of charging a storage battery even in an AC electrification section, in addition to the first object of the present invention. According to a fourth object of the present invention, in addition to the third object of the present invention, it is possible to drive a main motor using electric power supplied from a fuel cell, and to charge a storage battery. It is to provide a power conversion device.
本発明の第5の目的は、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することである。 The fifth object of the present invention is that the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle. An object of the present invention is to provide an electric vehicle capable of charging a storage battery without damage.
以上の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第1の観点に係る電力変換装置は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスと、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給する切換回路と、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオン状態となり、第2のモードにおいてオフ状態となる第1のスイッチ回路と、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる第2のスイッチ回路とを備え、コンバーターが、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電すると共に、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給する。 In order to solve at least a part of the above problems, a power converter according to a first aspect of the present invention includes an inverter that generates a drive voltage for a main motor based on a DC voltage supplied from a power supply line, an inverter, A converter connected in parallel to the power supply line, a transformer that transforms the AC voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side, and a DC voltage supplied to the input terminal in the first mode In the second mode, the switching circuit that supplies the AC voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer is electrically connected between the converter and the storage battery. The first switch circuit, which is turned on and turned off in the second mode, is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter, and enters the first mode. And a second switch circuit that is turned off in the second mode and the converter generates a step-down voltage by stepping down the DC voltage supplied to the power supply line in the first mode, Supplying the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery, and in the second mode, converting the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage And supply it to the power line.
また、本発明の第2の観点に係る電力変換方法は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、第1のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ(a)と、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(b)と、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御するステップ(c)と、第2のモードにおいて、第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第2のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ(d)と、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給するように切換回路を制御するステップ(e)と、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御するステップ(f)とを備える。 A power conversion method according to a second aspect of the present invention includes an inverter that generates a drive voltage for a main motor based on a DC voltage supplied from a power line, and a converter that is connected to the power line in parallel with the inverter. A power conversion method used in a power converter including a transformer that transforms an alternating voltage supplied to a primary side and outputs from a secondary side, and in a first mode, between a converter and a storage battery The step of controlling the first switch circuit electrically connected to the on state and the second switch circuit electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter to the off state (a) And (b) controlling the switching circuit to supply the DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and in the first mode. A step (c) of controlling the converter so as to step down the DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery; In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to the OFF state and the second switch circuit to the ON state, and the AC voltage supplied to the input terminal in the second mode are Step (e) for controlling the switching circuit to supply to the primary side of the transformer, and in the second mode, the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit is converted to the DC link voltage. And (f) controlling the converter so as to convert it into a power supply line.
さらに、本発明の第3の観点に係る電力変換プログラムは、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換プログラムであって、第1のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順(a)と、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順(b)と、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御する手順(c)と、第2のモードにおいて、第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第2のスイッチ回路をオン状態に制御する手順(d)と、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給するように切換回路を制御する手順(e)と、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御する手順(f)とをCPUに実行させる。 Furthermore, the power conversion program according to the third aspect of the present invention includes an inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from the power line, and a converter that is connected to the power line in parallel with the inverter. A power conversion program used in a power conversion device including a transformer that transforms an alternating voltage supplied to a primary side and outputs from a secondary side, and in a first mode, between a converter and a storage battery Procedure for controlling the first switch circuit electrically connected to the on state and controlling the second switch circuit electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter to the off state (a ), A procedure (b) for controlling the switching circuit to supply a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and a first mode. A step (c) for controlling the converter so as to step down the DC voltage supplied to the power supply line to generate a stepped down voltage and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery; In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to the OFF state and the second switch circuit to the ON state, and the AC voltage supplied to the input terminal in the second mode (E) for controlling the switching circuit so as to supply the primary side of the transformer to the primary side of the transformer, and in the second mode, the alternating current voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit is the direct current link The CPU is caused to execute a procedure (f) for controlling the converter so as to convert it into a voltage and supply it to the power supply line.
本発明の第1〜第3の観点によれば、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧がインバーターに供給されると共に、コンバーターが、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電する。蓄電池に充電された電力は、非電化区間において主電動機を駆動するために利用することができる。また、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧がトランスに供給されて、コンバーターが、トランス及び第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーターに供給する。 According to the first to third aspects of the present invention, in the first mode, the DC voltage supplied to the input terminal is supplied to the inverter, and the converter generates a step-down voltage by stepping down the DC voltage. Then, the storage battery is charged by supplying the storage battery via the first switch circuit. The electric power charged in the storage battery can be used to drive the main motor in the non-electrified section. Further, in the second mode, the AC voltage supplied to the input terminal is supplied to the transformer, and the converter converts the AC voltage supplied via the transformer and the second switch circuit into a DC link voltage and converts it into an inverter. To supply.
従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。 Accordingly, the main motor is driven in the DC electrified section, the AC electrified section, and the non-electrified section without increasing the circuit scale and the number of parts so much, and the storage battery can be installed without impairing the driving ability for the main motor in the DC electrified section. A power conversion device that can be charged can be provided. Moreover, the power conversion method and power conversion program which are used in such a power converter device can be provided.
ここで、電力変換装置が、電源ラインと蓄電池との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる第3のスイッチ回路をさらに備え、コンバーターが、第2のモードにおいて、第3のスイッチ回路を介して蓄電池に直流リンク電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能となる。 Here, the power conversion device further includes a third switch circuit that is electrically connected between the power supply line and the storage battery and is turned off in the first mode and turned on in the second mode, The converter may charge the storage battery by supplying a DC link voltage to the storage battery via the third switch circuit in the second mode. Thereby, the storage battery can be charged even in the AC electrification section.
また、電力変換装置が、燃料電池とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第1及び第2のモードにおいてオフ状態となり、第3のモードにおいてオン状態となる第4のスイッチ回路をさらに備え、第3のモードにおいて、第1及び第2のスイッチ回路がオフ状態となって、コンバーターが、燃料電池から第4のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインに供給するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動することが可能となる。 Further, the power converter is electrically connected between the fuel cell and the converter, and further includes a fourth switch circuit that is turned off in the first and second modes and turned on in the third mode. In the third mode, the first and second switch circuits are turned off, and the converter boosts the DC voltage supplied from the fuel cell through the fourth switch circuit to generate a boosted voltage. However, it may be supplied to the power supply line. As a result, the main motor can be driven using the electric power supplied from the fuel cell.
さらに、第3のモードにおいて、第3のスイッチ回路がオン状態となって、コンバーターが、第3のスイッチ回路を介して蓄電池に昇圧電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて蓄電池を充電することが可能となる。 Further, in the third mode, the third switch circuit may be turned on so that the converter supplies the boosted voltage to the storage battery via the third switch circuit to charge the storage battery. Thereby, it becomes possible to charge a storage battery using the electric power supplied from a fuel cell.
本発明の第4の観点に係る電気車両は、本発明のいずれかの観点に係る電力変換装置を備える。本発明の第4の観点によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することができる。 An electric vehicle according to a fourth aspect of the present invention includes the power conversion device according to any one of the aspects of the present invention. According to the fourth aspect of the present invention, the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle, and travel such as acceleration of the vehicle in the DC electrified section. An electric vehicle capable of charging a storage battery without impairing performance can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
<電気車両>
図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。電気車両100は、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間(無架線下)においても走行が可能である。図1には、架線から電気車両100に直流電圧が供給される場合の接続状態が示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted.
<Electric vehicle>
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an electric vehicle including a power conversion device according to an embodiment of the present invention. The
図1に示すように、電気車両100は、パンタグラフ10と、真空遮断器11と、直流高速度遮断器12と、起動用スイッチ回路13及び14と、接地用スイッチ回路15と、蓄電池20と、主電動機30と、補助回路用電源装置(補機)40とに加えて、インバーター50等で構成される電力変換装置を備えている。また、電気車両100は、抵抗R1と、インダクターL1及びL2と、キャパシターC1及びC2とを備えており、燃料電池FC1及びFC2と、インダクターL3及びL4と、キャパシターC3及びC4とをさらに備えても良い。
As shown in FIG. 1, an
パンタグラフ10は、電気車両100の屋根の上に取り付けられて、架線から電力が供給される。真空遮断器11及び直流高速度遮断器12は、短絡事故電流等が流れたときに回路を遮断することにより、電気車両100の内部回路を保護する。また、接地用スイッチ回路15がオン状態となることにより、レールに接触する車輪を介して接地ラインGLに接地電位(0V)が与えられる。
The
パンタグラフ10が架線に接触して集電を開始する際には、起動用スイッチ回路13がオン状態となり、起動用スイッチ回路14がオフ状態となって、パンタグラフ10から起動用スイッチ回路13及び抵抗R1を介して電力変換装置に電力が供給される。その後は、起動用スイッチ回路14がオン状態となって、パンタグラフ10から起動用スイッチ回路14を介して電力変換装置に電力が供給される。
When the
インダクターL1及びキャパシターC1は、ローパスフィルターを構成しており、パンタグラフ10から電源ラインPLに供給される電圧を平滑化する。また、インダクターL2及びキャパシターC2は、ローパスフィルターを構成しており、蓄電池20に供給される電圧を平滑化する。
The inductor L1 and the capacitor C1 constitute a low-pass filter, and smooth the voltage supplied from the
蓄電池20としては、例えば、充電が可能なリチウムイオン二次電池等が用いられる。蓄電池20は、主に電化区間において充電され、非電化区間において電力変換装置に電力を供給する。蓄電池20の充電電圧は、例えば、600V〜1000Vである。
As the
主電動機30は、例えば、インダクションモーター(IM)で構成され、力行時に、三相交流電圧(U相、V相、W相)が供給されて車輪を駆動すると共に、回生時に、車輪にブレーキ力を与えて交流起電力を発生する。
The
補助回路用電源装置40は、例えば、インバーターを含み、電源ラインPLから供給される直流電圧を交流電圧に変換することにより、走行用以外の空調装置等の車内設備に交流電圧を供給する。
The auxiliary circuit
燃料電池FC1及びFC2は、例えば、正極剤として酸素と負極剤として水素とを化学反応させることにより、水の電気分解と逆の反応を利用して電気エネルギーを生成する。非電化区間における走行のために、燃料電池FC1及びFC2が電気車両100に搭載される場合には、蓄電池20を活用することにより、燃料電池FC1及びFC2において消費される燃料を節約することができる。
The fuel cells FC1 and FC2 generate electric energy by utilizing a reaction opposite to the electrolysis of water, for example, by chemically reacting oxygen as a positive electrode agent and hydrogen as a negative electrode agent. When the fuel cells FC1 and FC2 are mounted on the
<電力変換装置>
本実施形態に係る電力変換装置は、インバーター50と、コンバーター60と、トランス70と、切換回路80と、第1のスイッチ回路81と、第2のスイッチ回路82と、制御部90と、格納部91とを含んでおり、第3のスイッチ回路83と、第4のスイッチ回路84とをさらに含んでも良い。
<Power conversion device>
The power converter according to this embodiment includes an
インバーター50は、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成する。コンバーター60は、インバーター50と並列に電源ラインPLに接続されている。トランス70は、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力する。
切換回路80及び第1のスイッチ回路81〜第4のスイッチ回路84は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成されたスイッチを含み、制御部90から供給される制御信号T0〜T4にそれぞれ従って動作する。
The switching
制御部90は、アナログ回路で構成しても良いし、デジタル回路で構成しても良い。あるいは、制御部90は、中央演算装置(CPU)と、CPUに各種の手順を実行させるためのソフトウェア(電力変換プログラム)とで構成されても良い。ソフトウェアは、格納部91の記録媒体に格納される。記録媒体としては、内蔵のハードディスク、外付けハードディスク、フレキシブルディスク、MO、MT、RAM、CD−ROM、DVD−ROM、又は、各種のメモリー等を用いることができる。
The
電気車両100は、第1のモードにおいて、架線から直流電圧が供給されて走行し、第2のモードにおいて、架線から交流電圧が供給されて走行する。また、電気車両100は、第3のモードにおいて、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から直流電圧が供給されて走行することも可能である。
The
制御部90は、オペレーターの操作に従って、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定しても良い。あるいは、制御部90は、切換回路80の入力端子80aに供給される直流電圧が第1の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第1のモードに設定し、切換回路80の入力端子80aに供給される交流電圧が第2の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第2のモードに設定しても良い。それら以外の場合には、制御部90は、電力変換装置を第3のモードに設定しても良い。
切換回路80は、第1のモードにおいて、入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給し、第2のモードにおいて、入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給する。
The switching
第1のスイッチ回路81は、コンバーター60と蓄電池20との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオン状態となり、第2のモード及び第3のモードにおいてオフ状態となる。図1に示す例においては、コンバーター60が入出力ノードとして複数のノードN1及びN2を有しており、第1のスイッチ回路81が、ノードN1と蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチと、ノードN2と蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチとを含んでいる。
The
第2のスイッチ回路82は、トランス70の2次側とコンバーター60との間に電気的に接続されて、第1のモード及び第3のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第2のスイッチ回路82が、トランス70の2次側の2つの端子とコンバーター60のノードN1及びN2との間にそれぞれ接続された2つのスイッチを含んでいる。
The
第3のスイッチ回路83は、電源ラインPLと蓄電池20との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモード及び第3のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第3のスイッチ回路83が、電源ラインPLと蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチで構成される。
The
第4のスイッチ回路84は、燃料電池FC1及びFC2とコンバーター60との間に電気的に接続されて、第1及び第2のモードにおいてオフ状態となり、第3のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第4のスイッチ回路84が、燃料電池FC1とコンバーター60のノードN1との間にインダクターL3を介して接続されたスイッチと、燃料電池FC2とコンバーター60のノードN2との間にインダクターL4を介して接続されたスイッチとを含んでいる。
The
インダクターL3及びキャパシターC3は、ローパスフィルターを構成しており、第4のスイッチ回路84がオン状態となっているときにノードN1の電圧が変化しても、燃料電池FC1の両端間の電圧を平滑化する。また、インダクターL4及びキャパシターC4は、ローパスフィルターを構成しており、第4のスイッチ回路84がオン状態となっているときにノードN2の電圧が変化しても、燃料電池FC2の両端間の電圧を平滑化する。
The inductor L3 and the capacitor C3 form a low-pass filter, and smooth the voltage across the fuel cell FC1 even if the voltage at the node N1 changes when the
<インバーター>
インバーター50は、例えば、主電動機30に三相交流電圧を供給するために、スイッチング素子Q51〜Q56と、スイッチング素子Q51〜Q56にそれぞれ並列接続されたダイオードD51〜D56とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q51〜Q56の各々は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスター)である。
<Inverter>
スイッチング素子Q51〜Q53は、電源ラインPLに接続されたコレクターと、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD51〜D53は、電源ラインPLに接続されたカソードと、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q51 to Q53 have a collector connected to power supply line PL, an emitter connected to each of three terminals of
スイッチング素子Q54〜Q56は、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD54〜D56は、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q54 to Q56 each have a collector connected to each of three terminals of
スイッチング素子Q51〜Q56は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、インバーター50は、例えば、架線から電源ラインPLに供給される直流電圧1500Vを三相交流電圧1500V0−Pに変換して、主電動機30の駆動電圧を生成する。
Switching elements Q51 to Q56 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from
インバーター50は、力行時に、電源ラインPLに供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して主電動機30に供給すると共に、回生時に、主電動機30において発生した交流起電力を直流電圧に変換して電源ラインPLに供給する。この直流電圧は、蓄電池20の充電に用いられるか、又は、架線を介して他の電気車両に供給される。なお、インバーター50は、直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成できるものであればどのようなものでも良く、VVVF(可変電圧可変周波数)インバーターであっても良い。
The
<コンバーター>
コンバーター60は、例えば、スイッチング素子Q61〜Q64と、スイッチング素子Q61〜Q64にそれぞれ並列接続されたダイオードD61〜D64とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q61〜Q64の各々は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスター)である。
<Converter>
スイッチング素子Q61及びQ62は、電源ラインPLに接続されたコレクターと、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD61及びD62は、電源ラインPLに接続されたカソードと、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたアノードとを有している。 Switching elements Q61 and Q62 have a collector connected to power supply line PL, an emitter connected to each of nodes N1 and N2, and a gate to which each control signal is supplied. Diodes D61 and D62 have a cathode connected to power supply line PL and an anode connected to nodes N1 and N2, respectively.
スイッチング素子Q63及びQ64は、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD63及びD64は、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。 The switching elements Q63 and Q64 have collectors connected to the nodes N1 and N2, respectively, emitters connected to the ground line GL, and gates to which the respective control signals are supplied. Diodes D63 and D64 have a cathode connected to nodes N1 and N2, respectively, and an anode connected to ground line GL.
<第1のモード>
第1のモードにおいては、電気車両100が、架線から供給される直流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路80が、架線から入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給する。それにより、インバーター50に直流電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、第1のスイッチ回路81がオン状態となり、第2のスイッチ回路82、第3のスイッチ回路83、及び、第4のスイッチ回路84がオフ状態となる。
<First mode>
In the first mode,
コンバーター60のスイッチング素子Q61及びQ62は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、架線から電源ラインPLに供給される直流電圧(例えば、1500V)を降圧して降圧電圧(例えば、600V〜1000V)を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電する。
Switching elements Q61 and Q62 of
図2は、図1に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートにそれぞれ供給される制御信号G1及びG2を交互にハイレベルに活性化し、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートにそれぞれ供給される制御信号G3及びG4をローレベルに維持する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ62が交互にオン状態となり、スイッチング素子Q63及びQ64がオフ状態のままとなる。
2 is a diagram showing an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. The
それにより、コンバーター60は、電源ラインPLに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧をノードN1及びN2から出力する降圧チョッパーとして動作する。降圧電圧の値は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。
Thereby,
降圧電圧は、第1のスイッチ回路81及びインダクターL2を介して蓄電池20に供給されて、蓄電池20の充電が行われる。それにより、直流電化区間において、主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することができる。蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第1のスイッチ回路81をオフ状態に制御する。
The step-down voltage is supplied to the
<第2のモード>
図3は、図1に示す電気車両の第2のモードにおける動作を説明するための図である。第2のモードにおいては、電気車両100が、架線から供給される交流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路80が、架線から入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給する。また、第1のスイッチ回路81及び第4のスイッチ回路84がオフ状態となり、第2のスイッチ回路82及び第3のスイッチ回路83がオン状態となる。なお、直流高速度遮断器12、起動用スイッチ回路13及び14、及び、接地用スイッチ回路15は、オフ状態となる。
<Second mode>
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation in the second mode of the electric vehicle shown in FIG. In the second mode,
トランス70は、架線から1次側に供給される交流電圧(例えば、20kV)を変圧して、2次側から交流電圧(例えば、800V)を出力する。2次側の交流電圧は、トランス70の等価的なリアクタンス及び第2のスイッチ回路82を介してコンバーター60のノードN1及びN2に供給される。
The
コンバーター60のスイッチング素子Q61〜Q64は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、トランス70の2次側から第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧(例えば、600V〜1000V)に変換して電源ラインPLに供給する。なお、直流リンク電圧とは、キャパシターC1の両端間に発生する脈動直流電圧のことをいう。キャパシターC1の容量を大きくすることにより、直流リンク電圧の脈動振幅を低下させることができる。
Switching elements Q61 to Q64 of
図4は、図3に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ63のゲートにそれぞれ供給される制御信号G1及びG3を交互にハイレベルに活性化すると共に、スイッチング素子Q62及びQ64のゲートにそれぞれ供給される制御信号G2及びG4を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ63が交互にオン状態となり、スイッチング素子Q62及びQ64が交互にオン状態となる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. The
ここで、制御信号G1〜G4の生成方法の一例について説明する。図4の上段には、互いに逆相の三角波キャリアVC1及びVC2の波形と、架線から供給される交流電圧に同期する単位正弦波(変調波)VMの波形とが示されている。図4に示す例においては、三角波キャリアVC1及びVC2の振幅が「1」に正規化されている。 Here, an example of a method for generating the control signals G1 to G4 will be described. In the upper part of FIG. 4, the waveforms of triangular wave carriers VC1 and VC2 having opposite phases and the waveform of a unit sine wave (modulated wave) VM synchronized with the AC voltage supplied from the overhead wire are shown. In the example shown in FIG. 4, the amplitudes of the triangular wave carriers VC1 and VC2 are normalized to “1”.
制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも大きい期間において、制御信号G1をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G3をローレベルに非活性化する。また、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも小さい期間において、制御信号G1をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G3をハイレベルに活性化する。
The
さらに、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも小さい期間において、制御信号G2をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G4をローレベルに非活性化する。また、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも大きい期間において、制御信号G2をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G4をハイレベルに活性化する。
Furthermore, the
その結果、キャパシターC1の両端間に発生する直流リンク電圧をVdとしたときに、ノードN1の電位とノードN2の電位との差である線間電圧(電圧指令値)Vcが、変調波VMの正の半周期において交互に「0」とVdとになり、変調波VMの負の半周期において交互に「0」と−Vdとになる。 As a result, when the DC link voltage generated across the capacitor C1 is Vd, the line voltage (voltage command value) Vc, which is the difference between the potential of the node N1 and the potential of the node N2, is In the positive half cycle, it alternately becomes “0” and Vd, and in the negative half cycle of the modulated wave VM, it becomes “0” and -Vd alternately.
それにより、コンバーター60は、ノードN1及びN2に供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給するPWM(パルス幅変調)コンバーター(整流器)として動作する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Q61〜Q64のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー等によって所望の値に制御することができる。直流リンク電圧は、電源ラインPLに供給される。それにより、インバーター50に直流リンク電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。
Thereby,
また、コンバーター60は、第2のモードにおいて、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に直流リンク電圧を供給して蓄電池20を充電する。それにより、交流電化区間においても蓄電池20を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を用いて蓄電池20を充電しても良い。
Further, in the second mode,
蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、第3のスイッチ回路83をオフ状態に制御しても良い。回生時において、蓄電池20の充電が終了した後は、コンバーター60が、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を交流電圧に変換して架線に供給しても良い。
When the
なお、図3において、インバーター50の前段にDC/DCコンバーターを設けても良い。その場合には、DC/DCコンバーターが、直流リンク電圧(例えば、600V〜1000V)を昇圧することにより、インバーター50に高電圧(例えば、1500V)を供給することができる。
In FIG. 3, a DC / DC converter may be provided before the
<第3のモード>
図5は、図1に示す電気車両の第3のモードにおける動作を説明するための図である。第3のモードにおいては、電気車両100が、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から供給される電力を用いて走行する。そのために、第1のスイッチ回路81及び第2のスイッチ回路82がオフ状態となり、第3のスイッチ回路83及び第4のスイッチ回路84がオン状態となる。なお、真空遮断器11、直流高速度遮断器12、起動用スイッチ回路13及び14はオフ状態となり、接地用スイッチ回路15をオフ状態としても良い。
<Third mode>
FIG. 5 is a diagram for explaining an operation in the third mode of the electric vehicle shown in FIG. 1. In the third mode, the
燃料電池FC1及びFC2から出力される直流電圧は、インダクターL3及びL4を介してノードN1及びN2にそれぞれ供給される。また、コンバーター60のスイッチング素子Q63及びQ64は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、燃料電池FC1及びFC2から第4のスイッチ回路84を介して供給される直流電圧(例えば、300V〜400V)を昇圧して昇圧電圧(例えば、600V〜1000V)を生成し、電源ラインPLに供給する。
The DC voltage output from the fuel cells FC1 and FC2 is supplied to the nodes N1 and N2 via the inductors L3 and L4, respectively. Switching elements Q63 and Q64 of
図6は、図5に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートに供給される制御信号G1及びG2をローレベルに維持し、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートに供給される制御信号G3及びG4を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ62がオフ状態のままとなり、スイッチング素子Q63及びQ64が交互にオン状態となる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle illustrated in FIG. The
制御信号G3がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q63がオン状態となる。それにより、燃料電池FC1から、インダクターL3、第4のスイッチ回路84、及び、スイッチング素子Q63を介して、接地ラインGLに電流が流れる。その際に、インダクターL3に流れる電流によって、インダクターL3において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードD61は、オフ状態となる。
During the period in which the control signal G3 is activated to a high level, the switching element Q63 is turned on. Thereby, a current flows from the fuel cell FC1 to the ground line GL via the inductor L3, the
一方、制御信号G3がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q63がオフ状態となる。その際に、インダクターL3に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池FC1から、インダクターL3、第4のスイッチ回路84、及び、ダイオードD61を介して、電源ラインPLに電流が流れる。
On the other hand, switching element Q63 is turned off during a period in which control signal G3 is inactivated to a low level. At that time, the magnetic energy stored in the inductor L3 is released as electric energy, and a current flows from the fuel cell FC1 to the power supply line PL via the inductor L3, the
同様に、制御信号G4がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q64がオン状態となる。それにより、燃料電池FC2から、インダクターL4、第4のスイッチ回路84、及び、スイッチング素子Q64を介して、接地ラインGLに電流が流れる。その際に、インダクターL4に流れる電流によって、インダクターL4において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードD62は、オフ状態となる。
Similarly, switching element Q64 is turned on during a period in which control signal G4 is activated to a high level. Thereby, a current flows from the fuel cell FC2 to the ground line GL via the inductor L4, the
一方、制御信号G4がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q64がオフ状態となる。その際に、インダクターL4に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池FC2から、インダクターL4、第4のスイッチ回路84、及び、ダイオードD62を介して、電源ラインPLに電流が流れる。
On the other hand, switching element Q64 is turned off during a period in which control signal G4 is deactivated to a low level. At that time, the magnetic energy stored in the inductor L4 is released as electric energy, and a current flows from the fuel cell FC2 to the power supply line PL via the inductor L4, the
それにより、コンバーター60は、ノードN1及びN2に供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を電源ラインPLに供給する昇圧チョッパーとして動作する。昇圧電圧の値は、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。昇圧電圧は、電源ラインPLに供給される。それにより、インバーター50に昇圧電圧が供給され、燃料電池FC1及びFC2から供給される電力を用いて主電動機30を駆動することが可能となる。制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。
Thereby,
また、コンバーター60は、第3のモードにおいて、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に昇圧電圧を供給して蓄電池20を充電する。それにより、燃料電池FC1及びFC2から供給される電力を用いて蓄電池20を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を用いて蓄電池20を充電しても良い。
In the third mode,
蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御して、電気車両100が、蓄電池20から供給される電力を用いて走行するようにしても良い。
When the
なお、図5において、インバーター50の前段にDC/DCコンバーターを設けても良い。その場合には、DC/DCコンバーターが、昇圧電圧(例えば、600V〜1000V)を昇圧することにより、インバーター50に高電圧(例えば、1500V)を供給することができる。
In FIG. 5, a DC / DC converter may be provided before the
このように、制御部90は、切換回路80及び第1のスイッチ回路81〜第4のスイッチ回路84を制御すると共に、コンバーター60を、降圧チョッパー、PWMコンバーター、又は、昇圧チョッパーとして動作させるように複数の制御信号を生成してコンバーター60に供給する。
As described above, the
<電力変換方法>
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換方法について、図1、図3、図5、及び、図7を参照しながら説明する。図7は、本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
<Power conversion method>
Next, a power conversion method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 3, FIG. 5, and FIG. FIG. 7 is a flowchart illustrating a power conversion method according to an embodiment of the present invention.
この電力変換方法は、図1に示すように、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成するインバーター50と、インバーター50と並列に電源ラインPLに接続されたコンバーター60と、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランス70とを含む電力変換装置において用いられる。
In this power conversion method, as shown in FIG. 1, an
図7に示すステップS1において、制御部90が、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定する。電気車両100は、第1のモードにおいて、架線から供給される直流電圧を用いて走行し、第2のモードにおいて、架線から供給される交流電圧を用いて走行し、第3のモードにおいて、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から供給される電力を用いて走行する。
In step S1 illustrated in FIG. 7, the
図7に示すステップS2〜S4は、第1のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図1参照)。まず、ステップS2において、制御部90が、トランス70の2次側とコンバーター60との間に電気的に接続された第2のスイッチ回路82、電源ラインPLと蓄電池20との間に電気的に接続された第3のスイッチ回路83、及び、燃料電池FC1及びFC2とコンバーター60との間に電気的に接続された第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御する。また、制御部90が、コンバーター60と蓄電池20との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路81をオン状態に制御する。
Steps S2 to S4 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the first mode (see FIG. 1). First, in step S <b> 2, the
ステップS3において、制御部90が、入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路80を制御する。それにより、インバーター50に直流電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。
In step S3, the
ステップS4において、電源ラインPLに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電するように、制御部90がコンバーター60を制御する。それにより、直流電化区間において、主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することができる。
In step S4, the
図7に示すステップS5〜S7は、第2のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図3参照)。まず、ステップS5において、制御部90が、第1のスイッチ回路81及び第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御し、第3のスイッチ回路83をオン状態に制御した後、第2のスイッチ回路82をオン状態に制御する。
Steps S5 to S7 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the second mode (see FIG. 3). First, in step S5, the
ステップS6において、制御部90が、入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給するように切換回路80を制御する。
In step S6, the
ステップS7において、制御部90が、トランス70の2次側から第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給するようにコンバーター60を制御する。それにより、インバーター50に直流リンク電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、コンバーター60が、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に直流リンク電圧を供給して蓄電池20を充電する。
In step S7, the
図7に示すステップS8〜S10は、第3のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図5参照)。まず、ステップS8において、制御部90が、第1のスイッチ回路81及び第2のスイッチ回路82をオフ状態に制御すると共に、第3のスイッチ回路83及び第4のスイッチ回路84をオン状態に制御する。
Steps S8 to S10 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the third mode (see FIG. 5). First, in step S8, the
ステップS9において、燃料電池FC1及びFC2から第4のスイッチ回路84を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインPLに供給するように、制御部90がコンバーター60を制御する。それにより、インバーター50に昇圧電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、コンバーター60が、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に昇圧電圧を供給して蓄電池20を充電する。
In step S9, the
蓄電池20が十分に充電されると、ステップS10において、蓄電池20のみを用いるか否かが判定される。蓄電池20のみを用いると判定された場合には、ステップS11において、制御部90が、コンバーター60の制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御する。それにより、電気車両100が、蓄電池20のみから供給される電力を用いて走行する。
When the
本実施形態によれば、第1のモードにおいて、入力端子80aに供給される直流電圧がインバーター50に供給されると共に、コンバーター60が、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電する。蓄電池20に充電された電力は、非電化区間において主電動機30を駆動するために利用することができる。また、第2のモードにおいて、入力端子80aに供給される交流電圧がトランス70に供給されて、コンバーター60が、トランス70及び第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーター50に供給する。
According to the present embodiment, in the first mode, the DC voltage supplied to the
従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機30を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。
Therefore, the
さらに、本実施形態によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池20を充電することが可能な電気車両100を提供することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle.
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by those having ordinary knowledge in the technical field.
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置、又は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両において利用することが可能である。 The present invention can be used in a power conversion device used in an electric vehicle such as a railway vehicle or an electric vehicle equipped with such a power conversion device.
10…パンタグラフ、11…真空遮断器、12…直流高速度遮断器、13、14…起動用スイッチ回路、15…接地用スイッチ回路、20…蓄電池、30…主電動機、40…補助回路用電源装置、50…インバーター、60…コンバーター、70…トランス、80…切換回路、80a…入力端子、81…第1のスイッチ回路、82…第2のスイッチ回路、83…第3のスイッチ回路、84…第4のスイッチ回路、90…制御部、91…格納部、100…電気車両、FC1、FC2…燃料電池、R1…抵抗、L1〜L4…インダクター、C1〜C4…キャパシター、Q51〜Q64…スイッチング素子、D51〜D64…ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、
1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスと、
第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給する切換回路と、
前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、前記第1のモードにおいてオン状態となり、前記第2のモードにおいてオフ状態となる第1のスイッチ回路と、
前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続されて、前記第1のモードにおいてオフ状態となり、前記第2のモードにおいてオン状態となる第2のスイッチ回路と、
を備え、前記コンバーターが、前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電すると共に、前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給する、電力変換装置。 An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line;
A converter connected to the power line in parallel with the inverter;
A transformer that transforms an AC voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side;
A switching circuit for supplying a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and supplying an AC voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode; ,
A first switch circuit that is electrically connected between the converter and the storage battery and is turned on in the first mode and turned off in the second mode;
A second switch circuit that is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter, and is turned off in the first mode and turned on in the second mode;
And the converter generates a step-down voltage by stepping down a DC voltage supplied to the power line in the first mode, and supplies the stepped-down voltage to the storage battery via the first switch circuit. In the second mode, the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer through the second switch circuit is converted into a DC link voltage and supplied to the power line. apparatus.
前記コンバーターが、前記第2のモードにおいて、前記第3のスイッチ回路を介して前記蓄電池に直流リンク電圧を供給して前記蓄電池を充電する、請求項1記載の電力変換装置。 A third switch circuit that is electrically connected between the power line and the storage battery and is turned off in the first mode and turned on in the second mode;
The power converter according to claim 1 with which said converter supplies a direct-current link voltage to said storage battery via said 3rd switch circuit, and charges said storage battery in said 2nd mode.
前記第3のモードにおいて、前記第1及び第2のスイッチ回路がオフ状態となって、前記コンバーターが、前記燃料電池から前記第4のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、前記電源ラインに供給する、請求項1又は2記載の電力変換装置。 A fourth switch circuit electrically connected between the fuel cell and the converter, wherein the fourth switch circuit is turned off in the first and second modes and turned on in the third mode;
In the third mode, the first and second switch circuits are turned off, and the converter boosts the DC voltage supplied from the fuel cell via the fourth switch circuit. The power converter according to claim 1, wherein a voltage is generated and supplied to the power supply line.
第1のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ(a)と、
前記第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(b)と、
前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御するステップ(c)と、
第2のモードにおいて、前記第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第2のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ(d)と、
前記第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給するように前記切換回路を制御するステップ(e)と、
前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御するステップ(f)と、
を備える電力変換方法。 An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line, a converter connected to the power line in parallel with the inverter, and an AC voltage supplied to the primary side are transformed. A power conversion method used in a power conversion device including a transformer that outputs from a secondary side,
In the first mode, the first switch circuit electrically connected between the converter and the storage battery is controlled to be turned on, and is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter. Controlling the switched second switch circuit to an off state;
(B) controlling the switching circuit to supply a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode;
In the first mode, the converter is configured to step down a DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage, and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery. Step (c) for controlling
In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to an OFF state and controlling the second switch circuit to an ON state;
(E) controlling the switching circuit to supply an alternating voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode;
In the second mode, the converter is controlled to convert an AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage and supply it to the power line. (F) and
A power conversion method comprising:
第1のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順(a)と、
前記第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順(b)と、
前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御する手順(c)と、
第2のモードにおいて、前記第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第2のスイッチ回路をオン状態に制御する手順(d)と、
前記第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給するように前記切換回路を制御する手順(e)と、
前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御する手順(f)と、
をCPUに実行させる電力変換プログラム。 An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line, a converter connected to the power line in parallel with the inverter, and an AC voltage supplied to the primary side are transformed. A power conversion program used in a power conversion device including a transformer that outputs from a secondary side,
In the first mode, the first switch circuit electrically connected between the converter and the storage battery is controlled to be turned on, and is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter. A step (a) for controlling the second switch circuit that has been switched to an OFF state;
In the first mode, a procedure (b) for controlling the switching circuit so as to supply the DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line;
In the first mode, the converter is configured to step down a DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage, and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery. A procedure (c) for controlling
In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to an off state and controlling the second switch circuit to an on state;
A step (e) of controlling the switching circuit so as to supply an alternating voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode;
In the second mode, a procedure for controlling the converter to convert an AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage and supply it to the power line. (F) and
The power conversion program which makes CPU execute.
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CN109085449A (en) * | 2018-08-14 | 2018-12-25 | 深圳市成鹏基电子科技有限公司 | A kind of double-power intelligent wakes up to line hunting instrument |
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