JP3811894B2 - ハイブリッド鉄道車両用二次電池装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン発電機と二次電池を併用したハイブリッド鉄道車両用二次電池装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、ディーゼルエンジン式鉄道車両(以下、気動車と呼ぶ。)においては、騒音、排気等の環境問題への対応やシステムのメンテナンス性向上のため、電気式鉄道車両(以下、電気車と呼ぶ。)と部品の共通化を図ったハイブリッド化が検討されている。
このシステムでは、エンジンで発電機を駆動して交流電力を発生し、これをコンバータ装置で一旦直流電力に変換する。この直流電力を更にインバータ装置で可変電圧、可変周波数の交流電力に再変換して誘導電動機を駆動する。
このようなシステムと同様のシステムとしてハイブリッド電気自動車用システムが報告されている(例えば、特許文献1)。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−191503号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1に記載のシステムでは、エンジン発電機出力を直流電力に変換するコンバータ装置の出力側(インバータ装置の入力側)に更にバッテリを接続し、過渡的な電力の変化をバッテリで補うようにしている。
鉄道車両において同様にバッテリを用いる場合、上記電気自動車に対して10倍程度の電力が必要となるため、複数のバッテリモジュールが必要となり、装置が大型化してしまう。
また、電気自動車では1回の充放電時間が数秒程度であるのに対し、鉄道車両では数10秒程度必要であり、バッテリにとっては大電流を長時間充放電することが要求される。このため、バッテリの温度が上昇し、電気的性能の変化やバッテリ自体の劣化を招いたり、更にバッテリ内部に引火性材料を用いている場合、安全上の問題も発生する。
【0005】
本発明の課題は、ハイブリッド型の鉄道車両に適用する大容量のバッテリ装置を小型に実現すると共に、冷却効率及び安全性を向上するに好適なハイブリッド鉄道車両用二次電池装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、エンジンの動力を利用して直流電力を発生する電源装置と、電源装置から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換し、交流電力を車両を駆動する交流電動機に供給するインバータ装置と、電源装置の出力と並列に接続され、インバータ装置に対して直流電力を供給する二次電池装置とを備えたハイブリッド鉄道車両において、二次電池装置を2枚のプレートと該プレート間に円筒状の複数の単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線して構成したものであって、2枚の各プレートは蜂の巣状に多数のバッテリ固定穴を設け、当該バッテリ固定穴には、任意のバッテリ固定穴に対し、当該任意のバッテリ固定穴の周囲に単位バッテリを配置し、当該任意のバッテリ固定穴は風通し穴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、図1を用いて本発明の一実施形態の構成を説明する。
図1において、エンジン1及びエンジン1に軸で直結された発電機2は、U,V,W3相の交流電力を発生し、コンバータ装置3は、この交流電力を直流電力に変換して出力する。インバータ装置4は、コンバータ装置3から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の3相交流電力に変換し、誘導電動機5に供給する。バッテリ装置6は、コンバータ装置3の出力に並列に接続され、後述のように車両の起動時等に電力を補給する。平滑コンデンサ7は、インバータ装置4の入力に並列に接続され、インバータ入力電圧の変動を抑制する。
一方、制御部10は、電流検出器9aで検出したコンバータ出力電流Isと電圧検出器8で検出した平滑コンデンサ電圧Ecf、及び発電機回転周波数Frgによりコンバータ制御演算を実行し、コンバータ装置3に対してコンバータPWM制御信号Sgcを出力する。
また、制御部10は、電流検出器9b,9c,9dで検出した電動機電流Iu,Iv,Iwと電圧検出器8で検出した平滑コンデンサ電圧Ecf、及び電動機回転周波数(鉄道車両用電動機では通常2Hz/1回転)Frmによりインバータ制御演算を実行し、インバータ装置4に対してインバータPWM制御信号Sgiを出力する。
更に、制御部10は、バッテリ装置6から出力されるバッテリ電流Ib1〜Ibn,バッテリ電圧Vb1〜Vbn,バッテリ温度Tb11〜Tbnmによりバッテリの稼動状態を判断し、バッテリの充放電制御信号Sb1〜Sbnを出力する。
【0008】
次に、本実施形態のバッテリ装置6の構成を図2により説明する。
バッテリユニット61は、バッテリ691と、バッテリ691に直列に接続された半導体スイッチ素子631,651と、この半導体スイッチ素子631,651にそれぞれ並列に接続されたダイオード641,661と、バッテリ691と半導体スイッチ素子631,651に直列に接続されたスイッチ611と、スイッチ611に並列に接続された抵抗器621と、バッテリ691の入出力電流を検出する電流検出器671、及び直列接続されたバッテリ691の全電圧を検出する電圧検出器681で構成される。
バッテリ装置6は、このような複数のバッテリユニット61〜6nを並列接続して構成し、半導体スイッチ素子631〜63n,651〜65nをON/OFF制御する充放電制御信号Sb1〜Sbnを入力として、各ユニットのバッテリ電流Ib〜Inとバッテリ電圧Vb1〜Vbn及び各バッテリの温度Tb1〜Tbnを出力する。
なお、本実施形態において、最初にバッテリ装置6を構築する場合、複数のバッテリユニット61〜6nを下記の手順で並列接続することにより、バッテリ間に流れる電流を抑制し、更にバッテリの劣化防止と作業の安全性を確保することができる。
(1)スイッチ611〜61nを開放、半導体スイッチ素子631〜63n,651〜65nをオフ。
(2)各ユニットを並列に接続。
(3)半導体スイッチ素子631〜63n,651〜65nをオン。
(4)スイッチ611〜61nを投入。
【0009】
以下、本実施形態の動作について説明する。
制御部10は、バッテリ電流Ib1〜Ibn,バッテリ電圧Vb1〜Vbn,バッテリ温度Tb1〜Tbnに基づき、図3及び(数1)に示すような、バッテリ691〜69nの充電状態を示す充電率(上限電圧を100%、下限電圧を0%としたときの割合)SOCと異常の有無を示すエラー情報ERRを作成する。
制御部10は、この充電率SOCとエラー情報ERRに基づき、半導体スイッチ素子631〜63n,651〜65nをON/OFF制御する充放電制御信号Sb1〜Sbnを出力する。
また、制御部10は、電動機電流Iu,Iv,Iwと平滑コンデンサ電圧Ecf及び電動機回転周波数Frmに基づいてインバータ装置4を駆動するためのPWMパルス信号Sgiを出力する。
更に、制御部10は、コンバータ出力電流Isと平滑コンデンサ電圧Ecf及び発電機回転周波数Frgに基づいてコンバータ装置3を駆動するためのPWMパルス信号Sgcを出力する。
制御部10は、通常バッテリの充電率SOCが常に図4の斜線部内になるように半導体スイッチ素子を制御する。ここで、充電率最大値SOCmaxは、バッテリが十分充電された状態であり、図示の充電限界を示す。また、充電率最小値SOCminは、バッテリが十分放電しきった状態であり、図示の放電限界を示す。
例えば、電動機回転周波数Frmが0付近の低速域は、回生エネルギーを吸収するよりも力行エネルギーを確保するため、矢印▲1▼に示すように斜線部下限値から放電限界まで放電余力を確保し、電動機回転周波数FrmがFrm2以上の高速域は、力行エネルギーを確保するよりも回生エネルギーを吸収するため、矢印▲4▼に示すように斜線部上限値から充電限界までの充電余力を確保する。また、電動機回転周波数FrmがFrm1の中速域では、矢印▲2▼に示す放電余力と矢印▲3▼に示す充電余力を速度に応じてバランスよく確保する。
上記のような制御を行うなかで、万が一バッテリの充電率SOCが充電限界を超えた場合、制御部10は、該当するバッテリを含むユニットの充電電流を阻止する半導体スイッチ素子をOFFするような充放電制御信号Sb1〜Sbnを出力すると共に、回生運転時にインバータ装置4から出力される回生エネルギーをエンジン1、発電機2及びコンバータ装置3で吸収するように制御する。
また、逆にバッテリの充電率SOCが放電限界を超えた場合、制御部10は、該当するバッテリを含むユニットの放電電流を阻止する半導体スイッチ素子をOFFするような充放電制御信号Sb1〜Sbnを出力すると共に、力行運転時に不足する電力を補うため、コンバータ装置3の出力を増加するように制御する。
また、制御部10は、エラー情報ERRによりバッテリの異常を検知すると、該当するユニットの半導体スイッチ素子を全てOFFするような充放電制御信号Sb1〜Sbnを出力してユニットを切り離すと共に、不足する電力を補うようにエンジン1、発電機2及びコンバータ装置3を制御する。
【0010】
図5に、本実施形態のバッテリ691の構成を示す。
蜂の巣状に穴を設けた2枚の絶縁体プレート6911a,6911bを対向して配置し、この間に円筒状の単位バッテリ69121〜6912nを隣接する単位バッテリが互いに逆極性となるように配置する。更に、蜂の巣状に設けた穴の中心部は図示のように風通し穴6913として確保する。
単位バッテリ69121〜6912nを互いに逆極性に配置し、隣接するものどおしを配線6914で接続することにより、左上の単位バッテリ69121から右下の単位バッテリ6912nまでを最短の配線で直列に接続する。本実施形態では、電圧約7Vの単位バッテリを108本用いることにより、鉄道車両においても実用レベルの約750Vの電圧を得る。
【0011】
図6に、本バッテリ691の実装形態を示す。
図示のように、車体20の床下の車輪21a,21bの間にコンバータ装置3,インバータ装置4とバッテリ691を実装し、更にバッテリ691はコンバータ装置3,インバータ装置4より車体20の内側に実装し、これによりバッテリ691が走行風を受けやすい配置とする。
以上、本実施形態によれば、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、走行風を有効に利用することにより、冷却効率を向上することができる。
【0012】
図7は、本発明の他のバッテリ691の構成を示す。
本実施形態では、プレート6911c,6911dの風通し穴を無くすると共に、バッテリ固定穴及び配線を絶縁一体化してバッテリホルダ6915を構成し、更に、このバッテリホルダ6915と各プレート6911c,6911dを一体化した。
このプレート6911c,6911dの間に図5の実施形態と同様、単位バッテリ69121〜6912nを配置することにより、バッテリ691を構成する。
【0013】
図8に、本発明の他のバッテリ691の実装形態を示す。
図5の実施形態と同様に、車体20の床下の車輪21a,21bの間にコンバータ装置3,インバータ装置4とバッテリ691を実装し、更にバッテリ691はコンバータ装置3,インバータ装置4より車体20の内側に実装する。このとき、バッテリ691のプレート面を走行方向に対して垂直に配置し、これにより、単位バッテリ69121〜6912nが直接走行風を受けやすくする。
以上、本実施形態によれば、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、走行風を有効に利用することにより、冷却効率を向上することができる。更に、本実施形態によれば、単位バッテリの電極が絶縁カバーされている上に、配線が不要なため、安全性、作業性が向上する。
【0014】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、円筒状の複数の単位バッテリを2枚のプレート間に設けることにより、大容量のバッテリ装置を小型に実現できると共に、冷却効率を向上することができる。
また、隣接する単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線することにより、最短の配線長で大容量のバッテリ装置を構成することができる。
また、全ての単位バッテリが走行風を受けやすい構造及び実装形態としたので、効果的な冷却効率化を図ることができる。
また、バッテリホルダを構成し、このバッテリホルダと各プレートを一体化したので、バッテリ装置の組み立てや車両への実装時の安全性、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す構成図
【図2】本発明のバッテリ装置の構成を示す図
【図3】本発明の充電率及びエラー情報の説明図
【図4】本発明の制御部の運転モードの説明図
【図5】本発明のバッテリの構成図
【図6】図5に示すバッテリの実装形態図
【図7】本発明の他のバッテリの構成図
【図8】図7に示す他のバッテリの実装形態図
【符号の説明】
1…エンジン、2…発電機、3…コンバータ装置、4…インバータ装置、5…誘導電動機、6…バッテリ装置、7…平滑コンデンサ、8…電圧検出器、9a,9b,9c,9d…電流検出器、10…制御部、691…バッテリ、69121〜6912n…単位バッテリ、6911a〜6911d…プレート、6914…配線、6915…バッテリホルダ、Ib1〜Ibn…バッテリ電流、Vb1〜Vbn…バッテリ電圧、Tb11〜Tbnm…バッテリ温度、Sb1〜Sbn…半導体スイッチ素子ON/OFF信号、Iu,Iv,Iw…誘導電動機の相電流、Sgc…コンバータPWM制御信号、Sgi…インバータPWM制御信号、Ecf…平滑コンデンサ電圧、Is…コンバータ出力電流、Frm…電動機回転周波数、Frg…発電機回転周波数
Claims (1)
- エンジンの動力を利用して直流電力を発生する電源装置と、該電源装置から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換し、該交流電力を車両を駆動する交流電動機に供給するインバータ装置と、前記電源装置の出力と並列に接続され、前記インバータ装置に対して直流電力を供給する二次電池装置とを備えたハイブリッド鉄道車両において、
前記二次電池装置を2枚のプレートと該プレート間に円筒状の複数の単位バッテリが互いに逆極性となるように配置し、前記プレート端面で全単位バッテリが直列となるように配線して構成したものであって、
前記2枚の各プレートは蜂の巣状に多数のバッテリ固定穴を設け、当該バッテリ固定穴には、任意のバッテリ固定穴に対し、当該任意のバッテリ固定穴の周囲に前記単位バッテリを配置し、当該任意のバッテリ固定穴は風通し穴としたことを特徴とするハイブリッド鉄道車両用二次電池装置。
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