JP2019186985A - 蓄電池システムおよび電気車制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 車両のエネルギー利用効率を改善する。【解決手段】 実施形態による蓄電池システムは、第１外部接続部ＣＮ１と、第２外部接続部ＣＮ２と、高電圧側端子ＴＡと低電圧側端子ＴＢとを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路１０８と、主回路が低電圧側端子ＴＢと接続される蓄電池装置１０１と、高電圧側端子ＴＡと第１外部接続部ＣＮ１とを電気的に接続する経路に設けられた第１接触器１０６と、蓄電池装置１０１の主回路と低電圧側端子ＴＢとを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器１０９と、蓄電池装置１０１の主回路と第１外部接続部ＣＮ１とを電気的に接続する経路に設けられた第３接触器１０３と、蓄電池装置１０１の主回路と第２外部接続部ＣＮ２とを電気的に接続する経路に設けられた第４接触器１０２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システムおよび電気車制御システムに関する。

車両内に搭載されている電気車制御システムは、高電圧配線を介して車両外のパンタグラフまたはサードレールと接続され、直流電力が電気車制御システムの電力変換装置に供給される。電力変換装置は、供給された直流電力を車両走行に利用可能な交流電力に変換し、交流電力により主電動機を駆動して車両を走行させる。

近年、電源として蓄電池を有する電力変換装置の提案がなされている。例えば車両走行時の回生運転中においては、変電所に返しきれない回生電力を蓄電池へ充電して、必要なタイミングで蓄電池に蓄えられたエネルギーを利用することにより、エネルギー利用効率を改善することができる。

特開２０１６−１８７２８０号公報

何らかの要因で車両外のパンタグラフまたはサードレールが電力供給を行えなくなったとき、車両は主な電力供給源を失い走行を継続できなくなる。
また、車両に予備の電源として主回路にチョッパ回路を備えた蓄電池が搭載されているとき、蓄電池からのアシスト機能を利用するためにはチョッパ回路を制御しなければならず、蓄電池に蓄えられたエネルギーを最大限利用することが困難であった。

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、車両のエネルギー利用効率を改善する蓄電池システムおよび電気車制御システムを提供することを目的とする。

実施形態による蓄電池システムは、第１外部接続部と、第２外部接続部と、高電圧側端子と低電圧側端子とを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路と、主回路が前記低電圧側端子と接続される蓄電池装置と、前記高電圧側端子と前記第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第１接触器と、前記蓄電池装置の前記主回路と前記低電圧側端子とを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器と、前記蓄電池装置の前記主回路と前記第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第３接触器と、前記蓄電池装置の前記主回路と前記第２外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第４接触器と、を備える。

図１は、第１実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。 図２は、第２実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。 図３は、第３実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。 図４は、第４実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。

以下、複数の実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、複数の実施形態に共通する構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。また、以下の複数の実施形態は組み合わせることが可能であり、複数の実施形態にて説明する蓄電池システムおよび電気車制御システムのそれぞれは、他の実施形態にて説明した構成を備えていても構わない。

図１は、第１実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電気車制御システムは、蓄電池システムＢＴと、遮断器１１１と、接触器１１２と、電力変換装置１１３と、補助電源装置１１４と、制御装置１０００と、電気車運転台２００と、を備えている。なお、遮断器１１１と接触器１１２とは、常開型である。
電源１００は、電気車制御システムの外部に設けられ、例えば高電圧配線を介して接続されるパンタグラフやサードレールなどを含み得る。

蓄電池システムＢＴは、第１外部接続部ＣＮ１と第２外部接続部ＣＮ２とを備えている。
電力変換装置１１３は、接触器１１２および遮断器１１１を介して電源１００と電気的に接続可能であり、接触器１１２を介して蓄電池システムＢＴの第１外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

本実施形態の電気車制御システムにおいて、蓄電池システムＢＴと電源１００とは、電力変換装置１１３に対して並列に接続している。換言すると、電力変換装置１１３は、遮断器１１１の後段（電気車制御システム側）において、電源１００に対して蓄電池システムＢＴと並列に接続される。
接触器（第５接触器）１１２は、遮断器１１１の後段（電気車制御システム側）において、電源１００と電力変換装置１１３とを電気的に接続する経路に設けられている。接触器１１２は、制御装置１０００により動作を制御される。
遮断器１１１は、電源１００と電気車制御システムとの間を接続する経路に設けられ、電源１００との間の電気的接続を切替える。遮断器１１１は、制御装置１０００により動作を制御される。

電力変換装置１１３は、電源１００及び／又は蓄電池システムＢＴから供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、主電動機（図示せず）を駆動して車両を走行させることができる。また、電力変換装置１１３は、主電動機（図示せず）から供給される回生電力を所定の直流電力に変換し、電源１００及び／又は蓄電池システムＢＴへ供給可能に構成されている。

本実施形態の蓄電池システムＢＴは、接触器１０２、１０３、１０４、１０６、１０９と、抵抗器１０５と、フィルタコンデンサ１０７と、チョッパ回路１０８と、蓄電池装置１０１と、接地スイッチ１１０と、を備えている。なお、本実施形態の蓄電池装置１０１は、例えば、公称電圧が約６００[Ｖ]であり、接触器１０２、１０３、１０４、１０６、１０９は、常開型であり、制御装置１０００により開閉動作を制御される。

チョッパ回路（双方向チョッパ回路）１０８は、蓄電池装置１０１から供給される直流電圧を昇圧して電源１００および電力変換装置１１３側へ出力可能であり、電源１００および／又は電力変換装置１１３から供給される直流電圧を降圧して蓄電池装置１０１側へ出力可能な、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。

チョッパ回路１０８は、例えば、高電圧側端子ＴＡと、低電圧側端子ＴＢと、直列に接続した一対のスイッチング素子を各相に備えたｎ相（ｎは１以上の整数）の回路である。一対のスイッチング素子の間は、抵抗器を介して低電圧側端子ＴＢと電気的に接続している。一対のスイッチング素子の一端は高電圧側端子ＴＡと電気的に接続し、一対のスイッチング素子の他端は接地スイッチ１１０を介して接地されている。

チョッパ回路１０８の低電圧側端子ＴＢは、接触器（第２接触器）１０９を介して蓄電池装置１０１の主回路と電気的に接続可能である。チョッパ回路１０８の高電圧側端子ＴＡは、接触器（第１接触器）１０６を介して第１外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

フィルタコンデンサ１０７の一端は、チョッパ回路１０８の高電圧側端子ＴＡと電気的に接続している。フィルタコンデンサ１０７の他端は、接地スイッチ１１０を介して接地されている。すなわち、フィルタコンデンサ１０７は、チョッパ回路１０８の高圧側において、チョッパ回路１０８の一対のスイッチング素子と並列に接続している。

蓄電池装置１０１は、蓄電池と、蓄電池と主回路との電気的接続状態を切替え可能な遮断器と、電池制御部と、を備えている。遮断器は、例えば電気的に開閉を制御可能であり、電池制御部により動作を制御される。

蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器（第２接触器）１０９を介してチョッパ回路１０８と電気的に接続可能である。また、蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器（第３接触器）１０３を介して第１外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。また、蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器(第４接触器)１０２を介して第２外部接続部ＣＮ２と電気的に接続可能である。蓄電池装置１０１の低電位側の主回路は、接地スイッチ１１０を介して接地される。

電池制御部は、例えば、蓄電池に含まれる複数の電池セルの電圧や蓄電池の温度を検出し、電池セルの電圧や蓄電池の充放電電流の値に基づいて、蓄電池のＳＯＣ（state of charge）を演算することができる。また、電池制御部は、外部と通信可能に構成され、蓄電池の情報（ＳＯＣなど）を外部へ出力可能であるとともに、制御装置１０００からの制御指令に基づいて遮断器の動作など蓄電池装置１０１を制御することができる。

接触器１０４および抵抗器１０５は、接触器１０６と並列に接続している。接触器１０４と抵抗器１０５とは、互いに直列に接続している。したがって、チョッパ回路１０８の高電圧側端子ＴＡは、接触器１０６を介する経路と、接触器１０４および抵抗器１０５を介する経路とにより第１外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

補助電源装置１１４は、例えばＳＩＶ（static inverter）であり、電源１００または蓄電池装置１０１から供給された直流電力を交流電力に変換し、車両の照明機器、空調機器、制御機器、メータなどを作動させる電源を供給することができる。

電気車運転台２００は、電気車の運転手による操作に基づいて、車両の制御指令を制御装置１０００へ出力する。本実施形態の電気車制御システムでは、電気車運転台２００は非常走行スイッチ１００１を備えている。

非常走行スイッチ１００１は、例えば、車両の通常走行中に非常走行へ切替えるときに運転手により操作され得る。運転手が非常走行スイッチ１００１を操作すると、電気車運転台２００から制御装置１０００へ非常走行指令が出力される。

制御装置１０００は、車両に含まれる構成が協調して動作するように、車両に含まれる構成を制御可能である。制御装置１０００に含まれる制御ブロックは、ハードウエアにより実現されてもよく、ソフトウエアにより実現されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより実現されてもよい。制御装置１０００は、例えば、ＭＰＵ（micro processing unit）やＣＰＵ（central processing unit）などのプロセッサを１つ以上と、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリと、を備えていてもよい。

制御装置１０００は、接触器投入論理生成部１００２と、接触器投入指令部１００３、１００４と、を備えている。制御装置１０００は、例えば補助電源装置１１４から電源を供給される。
接触器投入論理生成部１００２は、電源１００から電力変換装置１１３へ電力が供給されているか否かを監視するとともに、非常走行スイッチ１００１からの非常走行指令を受信可能である。接触器投入論理生成部１００２は、例えば、電力変換装置１１３と電源１００とが電気的に接続するポイントの電圧値（若しくは電圧に相当する値）を周期的に取得し、取得した値に基づいて電源１００から電力が供給されているか否かを判断することができる。

接触器投入論理生成部１００２は、電源１００から電力変換装置１１３への電力供給が停止し、かつ、非常走行スイッチ１００１から非常走行指令を受信したときに、接触器投入指令部１００３、１００４から接触器１０２、１０３へ投入指令を出力させる。

なお、本実施形態の電気車制御システムにおいて、接触器投入論理生成部１００２は、電源１００からの電力供給が停止したことを検出したことのみ、および、非常走行指令を受信したことのみに基づいて、非常走行への切り換えを行わない。これは、電源１００からの電力供給が停止した場合であっても、運転手が車両を走行させる必要がないと判断したときには非常走行を行わず、蓄電池装置１０１に蓄えられたエネルギーを必要な場合にのみ利用する為である。また、電源１００から電力供給が行われているときに運転手が誤って非常走行スイッチ１００１を操作した場合に、非常走行への切り換えを行うことを回避することができる。

接触器投入指令部１００３は、接触器投入論理生成部１００２から投入指令を受信したときに、接触器１０２を閉じる。
接触器投入指令部１００４は、接触器投入論理生成部１００２から投入指令を受信したときに、接触器１０３を閉じる。

なお、本実施形態では、制御装置１０００は、通常走行時において、電源１００から供給される電力のみで車両を走行させることができる。電源１００からの電力のみによる通常走行時は、例えば、遮断器１１１および接触器１１２が閉じた状態であり、接触器１０２、１０３、１０４、１０６、１０９は開いた状態である。
また、制御装置１０００は、通常走行時において、電源１００から供給される電力と、蓄電池システムＢＴから供給される電力とを利用して車両を走行（力行運転および回生運転）させることができる。このとき、例えば、遮断器１１１および接触器１１２、１０６、１０９が閉じた状態であり、接触器１０２、１０３、１０４は開いた状態である。

また、本実施形態では、非常走行時において、制御装置１０００は、蓄電池システムＢＴから供給される電力のみで車両を走行させることができる。非常走行時は、例えば、接触器１１２、１０２、１０３が閉じた状態であり、接触器１０４、１０６、１０９は開いた状態である。なお、制御装置１０００は、非常走行時は、安全の為に遮断器１１１を開いた状態とし、電源１００からの電力供給が再開して通常走行に切り換わるときに遮断器１１１を閉じてもよい。

次に、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。ここでは、車両が通常走行から非常走行へと切り替わる際の動作の一例について説明する。
制御装置１０００の接触器投入論理生成部１００２は、電源１００から電力変換装置１１３への電力供給が停止したと判断し、かつ、電気車運転台２００からの非常走行指令を受信したとき、接触器投入指令部１００３、１００４へ投入指令を送信する。このとき、制御装置１０００は、遮断器１１１を開いた状態としてもよい。なお、接触器投入論理生成部１００２は、例えば、電力変換装置１１３と電源１００とが電気的に接続するポイントの電圧に基づいて、電源１００からの電力供給が停止したか否かを判断することができる。

接触器投入指令部１００３は、接触器投入論理生成部１００２から投入指令を受信すると、接触器１０３を閉じる。接触器１０３が投入されると、蓄電池装置１０１の主回路が接触器１０３、１１２を介して電力変換装置１１３と電気的に接続され、蓄電池装置１０１から電力変換装置１１３へ電力が供給される。

接触器投入指令部１００４は、接触器投入論理生成部１００２から投入指令を受信すると、接触器１０２を閉じる。接触器１０２が投入されると、蓄電池装置１０１の主回路が接触器１０２を介して補助電源装置１１４と電気的に接続され、蓄電池装置１０１から補助電源装置１１４へ電力が供給される。

上記のように、電源１００から電力が供給されないときは、蓄電池装置１０１から接触器１０２を介して補助電源装置１１４へ、接触器１０３を介して電力変換装置１１３へ電力を供給することが可能となる。このことにより、制御装置１０００へ補助電源装置１１４から電源が供給され、電力変換装置１１３へ蓄電池システムＢＴから電力が供給されて、制御装置１０００の制御により車両の走行を行うことができる。

なお、本実施形態では、車両の非常走行時において、蓄電池装置１０１から供給される電力はチョッパ回路１０８を介さずに電力変換装置１１３へ供給されるため、制御装置１０００はチョッパ回路１０８による電力制御を行う必要がない。したがって、蓄電池装置１０１から出力される電力を効率よく車両の走行に利用することができる。
すなわち、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムによれば、車両のエネルギー利用効率を改善することができる。

次に、第２実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムについて図面を参照して詳細に説明する。
図２は、第２実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電気車制御システムは、蓄電池システムと、接触器１０２と、遮断器１１１と、接触器１１２と、電力変換装置１１３と、補助電源装置１１４と、速度発電機３００と、制御装置１０００と、を備えている。

本実施形態の電気車制御システムは、速度発電機３００を備える点と、制御装置１０００の構成とが上述の第１実施形態と異なっている。
速度発電機３００は、例えば車両の車軸（図示せず）に取り付けられ、車両の走行速度に応じた電力を出力する。

制御装置１０００は、力行指令部２０００と、速度信号出力部２００１と、速度判定部２００２と、チョッパゲート生成部２００３と、ゲート指令部２００４と、を備えている。
力行指令部２０００は、電力変換装置１１３の動作に基づいて車両が力行しているか否かを監視し、車両が力行運転しているときに力行指令を出力する。なお、力行指令部２０００は、例えば、電力変換装置１１３の出力電流に基づいて車両が力行運転しているか否かを判断してもよく、また、電力変換装置１１３に供給されるトルク指令値などの制御指令の値に基づいて、車両が力行運転しているか否かを判断してもよい。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両速度に応じた電力を受信し、車両の速度信号を生成して出力する。
速度判定部２００２は、速度信号出力部２００１から速度信号を受信し、車両速度が所定の範囲に含まれるか否かを判定し、判定結果を出力する。速度判定部２００２は、例えば、車両速度が第１閾値Ｔ１以上第２閾値Ｔ２以下の範囲に含まれるか判定し、所定の範囲に含まれる場合に第１レベル（例えば「１」）の信号を出力し、所定の範囲に含まれない場合に第２レベル（例えば「０」）の信号を出力する。

ここで、第１閾値Ｔ１と第２閾値Ｔ２とは、車両が力行運転をしているときに蓄電池システムから供給されるエネルギーを用いてアシストすることにより、車両全体としてエネルギー利用効率が改善される速度範囲である。例えば、車両が力行運転中であって速度が低いときは、車両が停止した状態から走行を開始した所定期間など、大きなエネルギーが必要であるときを含む。また、車両を運転する際には、最高速度が制限されている場合もある。これらの事を考慮して、例えば、第１閾値Ｔ１は５[ｋｍ／ｈ]程度、第２閾値Ｔ２は４０[ｋｍ／ｈ]程度としてもよい。

チョッパゲート生成部２００３は、力行指令部２０００から力行指令を受信し、かつ、速度判定部２００２から車両速度が所定の範囲に含まれるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信したときに、チョッパ回路１０８を介して蓄電池システムから供給される電力により、車両走行のアシストを行うようにゲート指令部２００４へ制御指令を出力する。チョッパゲート生成部２００３は、例えば、車両走行のアシストに必要な蓄電池システムの出力値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。なお、蓄電池システムから供給される電力により車両走行をアシストする場合には、チョッパゲート生成部２００３は、ゲート指令部２００４へ制御指令を出力するタイミングと同期して、接触器１０６、１０９を投入してもよい。

なお、例えば、チョッパゲート生成部２００３は、蓄電池装置１０１の電池制御部から蓄電池のＳＯＣを取得し、蓄電池のＳＯＣの値に基づいて、車両走行のアシストを行うか停止するかを判断してもよい。例えば、蓄電池のＳＯＣが放電可能な範囲に含まれない場合には、チョッパゲート生成部２００３は、車両走行のアシストを行わない（若しくは停止する）と判断することができる。

ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給される制御指令に基づいて、チョッパ回路１０８のスイッチング素子を切替えるゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８へ出力する。例えば、ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給された蓄電池システムの出力値を実現するゲート指令を生成して、生成したゲート指令によりチョッパ回路１０８を動作させる。
本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムは、上記の構成以外は上述の第１実施形態と同様である。

次に、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
ここでは、車両が力行しているときの蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
車両が、蓄電池システムからのアシスト無しで力行しているときには、例えば、遮断器１１１および接触器１１２が閉じた状態であり、接触器１０２、１０３、１０４、１０６、１０９は開いた状態である。

制御装置１０００の力行指令部２０００は、電力変換装置１１３の動作（例えば出力電流）に基づいて、車両が力行運転していると判断したときに力行指令を出力する。力行指令部２０００は、例えば、電力変換装置１１３の出力電流が正（電力変換装置１１３から負荷へ向かう方向）であるときに車両が力行運転中であり、出力電流が負（負荷から電力変換装置１１３へ向かう方向）であるときに車両が回生運転中であり、出力電流が略ゼロであるときに車両が停止又は惰行運転中であると判断することができる。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両の速度に対応する電力を受信し、受信した電力から把握される車両速度を出力する。
速度判定部２００２は、速度信号出力部２００１から受信した車両速度が所定の速度範囲（第１閾値Ｔ１以上第２閾値Ｔ２以下）に含まれているか否かを判断し、車両速度が所定の速度範囲に含まれているときに第１レベルの信号を出力し、車両速度が所定の速度範囲に含まれていないときに第２レベルの信号を出力する。

チョッパゲート生成部２００３は、力行指令部２０００から力行指令を受信し、かつ、速度判定部２００２から車両速度が所定の範囲に含まれるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信したときに、車両走行のアシストに必要な蓄電池システムの出力値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。
制御装置１０００は、例えば、チョッパゲート生成部２００３からゲート指令部２００４へ制御指令が出力されるタイミングと同期して、接触器１０６、１０９を投入してもよい。

ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から受信した必要な蓄電池システムの出力値に応じてゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８のスイッチング素子の動作を制御する。

この結果、蓄電池装置１０１からチョッパ回路１０８を介して電力変換装置１１３への電力供給が可能となり、車両の力行運転のアシストを行うことができる。したがって、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムは、非常時以外も蓄電池システムに蓄えられたエネルギーを車両の走行に利用することが可能である。
すなわち、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムによれば、車両のエネルギー利用効率を改善することができる。

次に、第３実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムについて図面を参照して詳細に説明する。
図３は、第３実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電気車制御システムは、蓄電池システムと、接触器１０２と、遮断器１１１と、接触器１１２と、電力変換装置１１３と、補助電源装置１１４と、速度発電機３００と、制御装置１０００と、を備えている。

本実施形態の電気車制御システムは、速度発電機３００を備える点と、制御装置１０００の構成とが上述の第１実施形態と異なっている。
速度発電機３００は、例えば車両の車軸（図示せず）に取り付けられ、車両の走行速度に応じた電力を出力する。

制御装置１０００は、回生指令部３０００と、速度信号出力部２００１と、速度判定部２００２と、チョッパゲート生成部２００３と、ゲート指令部２００４と、を備えている。
回生指令部３０００は、電力変換装置１１３の動作に基づいて車両が回生運転しているか否かを監視し、車両が回生運転しているときに回生指令を出力する。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両速度に応じた電力を受信し、車両の速度信号を生成して出力する。
速度判定部２００２は、速度信号出力部２００１から速度信号を受信し、車両速度が所定の範囲に含まれるか否かを判定し、判定結果を出力する。速度判定部２００２は、例えば、車両速度が第３閾値Ｔ３以上第４閾値Ｔ４以下の範囲に含まれるか判定し、所定の範囲に含まれる場合に第１レベル（例えば「１」）の信号を出力し、所定の範囲に含まれない場合に第２レベル（例えば「０」）の信号を出力する。

ここで、第３閾値Ｔ３と第４閾値Ｔ４とは、車両が回生運転をしているときに蓄電池システムへ回生エネルギーを供給して蓄電池を充電することにより、車両全体としてエネルギー利用効率が改善される速度範囲である。例えば、車両が回生運転中であって速度が低いときは、回生エネルギーが小さい状態であり、電源１００へ返すことができない電力が略ないものと考えられる。また、車両を運転する際には、最高速度が制限されている場合もある。これらの事を考慮して、例えば、第１閾値Ｔ１は２０[ｋｍ／ｈ]程度、第２閾値Ｔ２は７０[ｋｍ／ｈ]程度としてもよい。

チョッパゲート生成部２００３は、回生指令部３０００から回生指令を受信し、かつ、速度判定部２００２から車両速度が所定の範囲に含まれるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信したときに、チョッパ回路１０８を介して電力変換装置１１３から供給される電力により、蓄電池システムの蓄電池を充電する。チョッパゲート生成部２００３は、例えば、蓄電池の充電に必要な充電電流値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。電力変換装置からの回生エネルギーにより蓄電池を充電する場合には、チョッパゲート生成部２００３は、ゲート指令部２００４へ制御指令を出力するタイミングと同期して、接触器１０６、１０９を投入してもよい。

なお、例えば、チョッパゲート生成部２００３は、蓄電池装置１０１の電池制御部から蓄電池のＳＯＣを取得し、蓄電池のＳＯＣの値に基づいて、蓄電池を充電するか否かを判断してもよい。例えば、蓄電池のＳＯＣが充電可能な範囲に含まれない場合には、チョッパゲート生成部２００３は、蓄電池の充電を行わない（若しくは停止する）と判断することができる。

ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給される制御指令に基づいて、チョッパ回路１０８のスイッチング素子を切替えるゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８へ出力する。例えば、ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給された蓄電池の充電電流値を実現するゲート指令を生成して、生成したゲート指令によりチョッパ回路１０８を動作させる。
本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムは、上記の構成以外は上述の第１実施形態と同様である。

次に、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
ここでは、車両が回生運転しているときの蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
車両が、蓄電池システムへの充電を行わずに回生運転しているときには、例えば、遮断器１１１および接触器１１２が閉じた状態であり、接触器１０２、１０３、１０４、１０６、１０９は開いた状態である。

制御装置１０００の回生指令部３０００は、電力変換装置１１３の動作（例えば出力電流）に基づいて、車両が回生していると判断したときに回生指令を出力する。回生指令部３０００は、例えば、電力変換装置１１３の出力電流が正（電力変換装置１１３から負荷へ向かう方向）であるときに車両が力行運転中であり、出力電流が負（負荷から電力変換装置１１３へ向かう方向）であるときに車両が回生運転中であり、出力電流が略ゼロであるときに車両が停止又は惰行運転中であると判断することができる。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両の速度に対応する電力を受信し、受信した電力から把握される車両速度を出力する。
速度判定部２００２は、速度信号出力部２００１から受信した車両速度が所定の速度範囲（第３閾値Ｔ３以上第４閾値Ｔ４以下）に含まれているか否かを判断し、車両速度が所定の速度範囲に含まれているときに第１レベルの信号を出力し、車両速度が所定の速度範囲に含まれていないときに第２レベルの信号を出力する。

チョッパゲート生成部２００３は、回生指令部３０００から回生指令を受信し、かつ、速度判定部２００２から車両速度が所定の範囲に含まれるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信したときに、蓄電池装置１０１の充電に必要な充電電流値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。
制御装置１０００（例えばチョッパゲート生成部２００３は）は、例えば、チョッパゲート生成部２００３からゲート指令部２００４へ制御指令が出力されるタイミングと同期して、接触器１０６、１０９を投入してもよい。

ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から受信した必要な充電電流値に応じてゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８のスイッチング素子の動作を制御する。

この結果、電力変換装置１１３からチョッパ回路１０８を介して蓄電池装置１０１への電力供給が可能となり、回生エネルギーを利用して蓄電池を充電することができる。例えば、車両から電源１００へ回生エネルギーを返しきれないときには、従来、余剰のエネルギーが損失となっていた。これに対し、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムは、電源１００へ返しきれない回生エネルギーが発生したときでも、余剰のエネルギーを利用して蓄電池を充電し、非常走行時に蓄電池システムに蓄えられたエネルギーを車両の走行に利用することが可能となる。

すなわち、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムによれば、車両のエネルギー利用効率を改善することができる。

次に、第４実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムについて図面を参照して詳細に説明する。
図４は、第４実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電気車制御システムは、蓄電池システムと、接触器１０２と、遮断器１１１と、接触器１１２と、電力変換装置１１３と、補助電源装置１１４と、速度発電機３００と、制御装置１０００と、を備えている。

本実施形態の電気車制御システムは、速度発電機３００を備える点と、制御装置１０００の構成とが上述の第１実施形態と異なっている。
速度発電機３００は、例えば車両の車軸（図示せず）に取り付けられ、車両の走行速度に応じた電力を出力する。

制御装置１０００は、力行／回生指令部４０００と、速度信号出力部２００１と、速度判定部４００１と、チョッパゲート生成部２００３と、ゲート指令部２００４と、を備えている。

力行／回生指令部４０００は、電力変換装置１１３の動作に基づいて、車両が力行運転しているか否か、および、車両が回生運転しているか否かを監視し、車両が力行運転しているときに力行指令を出力し、車両が回生運転しているときに回生指令を出力する。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両速度に応じた電力を受信し、車両の速度信号を生成して出力する。
速度判定部４００１は、速度信号出力部２００１から速度信号を受信し、車両の速度がゼロであるか否かを判定し、判定結果を出力する。速度判定部２００２は、車両速度がゼロである場合に第１レベル（例えば「１」）の信号を出力し、所定の範囲に含まれない場合に第２レベル（例えば「０」）の信号を出力する。

チョッパゲート生成部２００３は、力行／回生指令部４０００から力行指令と回生指令とのいずれも受信せず、速度判定部２００２から車両速度がゼロであるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信し、かつ、蓄電池装置１０１から取得した蓄電池のＳＯＣが所定の閾値以下であるときに、ゲート指令部２００４へ制御指令を出力して、チョッパ回路１０８を介して電力変換装置１１３から供給される電力により、蓄電池システムの蓄電池を充電する。チョッパゲート生成部２００３は、例えば、蓄電池の充電に必要な充電電流値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。
なお、蓄電池を充電する場合には、例えばチョッパゲート生成部２００３は、ゲート指令部２００４へ制御指令を出力するタイミングと同期して、接触器１０６、１０９を投入してもよい。

また、例えば、チョッパゲート生成部２００３は、蓄電池装置１０１の電池制御部から蓄電池のＳＯＣを取得し、蓄電池のＳＯＣの値に基づいて、蓄電池を充電する（および充電を継続する）か否かを判断してもよい。例えば、蓄電池のＳＯＣが充電可能な範囲に含まれない場合には、チョッパゲート生成部２００３は、蓄電池の充電を行わない（若しくは停止する）と判断することができる。

ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給される制御指令に基づいて、チョッパ回路１０８のスイッチング素子を切替えるゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８を制御する。例えば、ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から供給された蓄電池の充電電流値を実現するゲート指令を生成して、生成したゲート指令によりチョッパ回路１０８を動作させる。
本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムは、上記の構成以外は上述の第１実施形態と同様である。

次に、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
ここでは、車両が停車しているときの蓄電池システムおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。
車両が、停車しているときには、例えば、遮断器１１１および接触器１１２、１０２、１０３、１０４、１０６、１０９は開いた状態である。蓄電池装置１０１および制御装置１０００には、補助電源装置１１４から電源が供給されている。補助電源装置１１４には電源１００から電源が供給されている。

制御装置１０００の力行／回生指令部４０００は、電力変換装置１１３の動作（例えば出力電流）に基づいて、車両が力行していると判断したときに力行指令を出力し、車両が回生していると判断したときに回生指令を出力する。力行／回生指令部４０００は、例えば、電力変換装置１１３の出力電流が正（電力変換装置１１３から負荷へ向かう方向）であるときに車両が力行運転中であり、出力電流が負（負荷から電力変換装置１１３へ向かう方向）であるときに車両が回生運転中であり、出力電流が略ゼロであるときに車両が停止又は惰行運転中であると判断することができる。

速度信号出力部２００１は、速度発電機３００から車両の速度に対応する電力を受信し、受信した電力から把握される車両速度を出力する。

速度判定部４００１は、速度信号出力部２００１から受信した車両速度がゼロであるか否かを判断し、車両速度がゼロであるときに第１レベルの信号を出力し、車両速度がゼロでないときに第２レベルの信号を出力する。

チョッパゲート生成部２００３は、力行／回生指令部４０００から力行指令および回生指令のいずれも受信せず、速度判定部２００２から車両速度がゼロであるとの判定結果（例えば第１レベルの信号）を受信し、蓄電池装置１０１のＳＯＣが所定の閾値以下であるときに、蓄電池装置１０１の充電に必要な充電電流値を制御指令として、ゲート指令部２００４に供給する。

制御装置１０００（例えばチョッパゲート生成部２００３）は、例えば、チョッパゲート生成部２００３からゲート指令部２００４へ制御指令が出力されるタイミングと同期して、遮断器１１１、および、接触器１０６、１０９を投入してもよい。
ゲート指令部２００４は、チョッパゲート生成部２００３から受信した必要な充電電流値に応じてゲート指令を生成し、チョッパ回路１０８のスイッチング素子の動作を制御する。

この結果、電源１００からチョッパ回路１０８を介して蓄電池装置１０１への電力供給が可能となり、車両が停止中に蓄電池を充電することができる。したがって、非常走行や蓄電池装置１０１からのアシストを行うときに備えて、蓄電池に十分なエネルギーを蓄えることが可能となる。

すなわち、本実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムによれば、車両のエネルギー利用効率を改善することができる。

上記のように、第１乃至第４実施形態によれば、何らかの要因で車両外の電源１００（パンタグラフまたはサードレール）が電力供給を行えなくなったとき、蓄電池を接触器１０３経由で電力変換装置に接続し、非常走行を行うことができる。また、チョッパ回路１０８を接触器１０６経由で電力変換装置１１３に接続し、車両の力行運転時に蓄電池システムから電力をアシストすることが可能であり、車両の回生運転時に電源１００に返しきれない回生電力を蓄電池システムに充電することが可能である。さらに、例えば車両の非常走行時に備えて、車両が停車しているときに予め蓄電池装置１０１を充電することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１００…電源（外部電源）、１０１…蓄電池装置、１０２…接触器（第４接触器）、１０３…接触器（第３接触器）、１０４…接触器、１０５…抵抗器、１０６…接触器（第１接触器）、１０７…フィルタコンデンサ、１０８…チョッパ回路（双方向チョッパ回路）、１０９…接触器（第２接触器）、１１０…接地スイッチ、１１１…遮断器、１１２…接触器（第５接触器）、１１３…電力変換装置、１１４…補助電源装置、２００…電気車運転台、３００…速度発電機、１０００…制御装置、１００１…非常走行スイッチ、１００２…接触器投入理論生成部、１００３…接触器投入指令部、１００４…接触器投入指令部、２０００…力行指令部、２００１…速度信号出力部、２００２…速度判定部、２００３…チョッパゲート生成部、２００４…ゲート指令部、３０００…回生指令部、４０００…力行／回生指令部、４００１…速度判定部、ＣＮ１…第１外部接続部、ＣＮ２…第２外部接続部

Claims (6)

1. 第１外部接続部と、
   第２外部接続部と、
   高電圧側端子と低電圧側端子とを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路と、
   主回路が前記低電圧側端子と接続される蓄電池装置と、
   前記高電圧側端子と前記第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第１接触器と、
   前記蓄電池装置の前記主回路と前記低電圧側端子とを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器と、
   前記蓄電池装置の前記主回路と前記第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第３接触器と、
   前記蓄電池装置の前記主回路と前記第２外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第４接触器と、を備えた蓄電池システム。
2. 請求項１記載の蓄電池システムと、
   外部電源と前記第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた遮断器と、
   前記遮断器の後段において、前記外部電源に対して前記蓄電池システムと並列に接続される電力変換装置と、
   前記遮断器の後段において、前記外部電源と前記電力変換装置とを電気的に接続する経路に設けられた第５接触器と、
   前記第２外部接続部と電気的に接続する補助電源装置と、
   前記第１乃至第５接触器と前記遮断器との動作を制御可能な制御装置と、
   を備えた電気車制御システム。
3. 前記制御装置は、前記外部電源からの電力供給が停止し、かつ、非常走行させる指令を受けたときに、前記遮断器と前記第１接触器と前記第２接触器とを開いた状態とし前記第３接触器と前記第４接触器と前記第５接触器とを閉じた状態とする、請求項２記載の電気車制御システム。
4. 前記制御装置は、前記電力変換装置の動作に基づいて前記外部電源から供給された電力により力行運転中であると判断し、走行速度が第１閾値以上であり第２閾値以下であるときに、前記遮断器と前記第１接触器と前記第２接触器と前記第５接触器とが閉じた状態であり前記第３接触器と前記第４接触器とを開いた状態とし、前記双方向チョッパ回路を制御して前記蓄電池システムから前記電力変換装置へ電力を供給させる、請求項２又は請求項３記載の電気車制御システム。
5. 前記制御装置は、前記電力変換装置の動作に基づいて回生運転中であると判断し、走行速度が第３閾値以上であり第４閾値以下であるときに、前記遮断器と前記第１接触器と前記第２接触器前記第５接触器とが閉じた状態であり前記第３接触器と前記第４接触器とを開いた状態とし、前記双方向チョッパ回路を制御して前記電力変換装置から前記蓄電池システムへ電力を供給させる、請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の電気車制御システム。
6. 前記制御装置は、前記電力変換装置の動作に基づいて力行運転中および回生運転中のいずれでもないと判断し、走行速度がゼロであるときに、前記第３接触器と前記第４接触器と前記第５接触器を開いた状態とし、前記遮断器と前記第１接触器と前記第２接触器とを閉じた状態として、前記双方向チョッパ回路を制御して前記外部電源から前記蓄電池システムへ電力を供給させる、請求項２乃至請求項５のいずれか１項記載の電気車制御システム。