JP3969498B1 - 電気車の制御装置 - Google Patents

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Abstract

衝突、脱線や架線切れ時に、電力貯蔵部に貯蔵されたエネルギーが放出されることを防止する電気車の制御装置を得る。電動機を駆動するインバータの直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部と、上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、異常事態が発生すると予想されるとき、又は異常事態が発生したときに、上記スイッチを開放する制御部とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電力が充放電される電力貯蔵部を搭載した電気車の制御装置に関するものである。
近年、電気車の電動機を駆動するインバータに電力貯蔵部を組み合わせた電気車の制御装置を車両に搭載し、車両のブレーキ時に発生する余剰回生電力を上記電力貯蔵部に貯蔵し、車両加速時や架線電圧低下時に貯蔵した電力を使用することで、車両の持つ運動エネルギーを有効利用できることが知られている（例えば、特許文献１）。なお、電力貯蔵部は二次電池や電気二重層キャパシタ（Electric Double-Layer Capacitor）等の電力貯蔵デバイスから構成される。
このように構成された電気車の制御装置において、搭載される電力貯蔵部に蓄積される電力量は、電気車の走行に十分な電力を得るために、数ＫＷｈ〜数百ＫＷｈの大容量となる。従って、電力貯蔵部は大きなエネルギーの貯蔵が必要であり、電気車は、このような大きなエネルギーを貯蔵して走行することになる。そのため、衝突等の外的要因により電気車の制御装置に外力や衝撃が加わった場合において、電気車の制御装置の内部回路の損傷により、電力貯蔵部に貯蔵されたエネルギーが放出されると、大量の発熱や電磁力により電気車の制御装置や電気車をさらに損傷する問題がある。
特開２００３−１９９２０４号公報
この発明は、上記問題を解消するためになされたもので、電気車の制御装置（即ち本体）に衝突、脱線や架線切れ等の異常事態に基づく外的要因により外力や衝突が加わったか又は加わると予想されるときにおいて、電力貯蔵部に貯蔵されたエネルギーが放出されることを防止する電気車の制御装置を提供することを目的とする。
この発明に係わる電気車の制御装置は、直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、電気車の非常ブレーキ動作信号が入力され、電気車の非常ブレーキ動作信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたものである。
また、この発明に係わる電気車の制御装置は、直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、電気車の保安ブレーキ動作信号又は直通予備ブレーキ動作信号が入力され、電気車の保安ブレーキ動作信号又は直通予備ブレーキ動作信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたものである。
また、この発明に係わる電気車の制御装置は、直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、電気車のパンタグラフ降下信号が入力され、電気車のパンタグラフ降下信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたものである。
さらに、この発明に係わる電気車の制御装置は、直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、電気車の前後切替器の中立位置信号が入力され、電気車の前後切替器の中立位置信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたものである。
この発明に係る電気車の制御装置によれば、電気車の制御装置に異常事態が発生したか異常事態が発生すると予想されるときにおいて、電力貯蔵部に貯蔵されたエネルギーが放出されることを防止するようにしたので、発熱等により電気車の制御装置や電気車を損傷させることを防止できる。
この発明の実施の形態１における電気車の制御装置を示す構成図である。 実施の形態１における制御部を示す構成図である。 実施の形態２における電気車の制御装置を示す構成図である。 実施の形態３における電気車の制御装置を示す構成図である。 実施の形態４における電気車の制御装置を示す構成図である。
符号の説明
１ 架線 ２ パンタグラフ
３ 車輪 ４ レール
５ 運転台 １０ 電気車の制御装置
１１ インバータ １２ 電動機
１３ ＤＣＤＣコンバータ １４ スイッチ
１５ 電力貯蔵部 １６ 制御部
１６Ａ 論理和回路 １６Ｂ 比較回路
１６Ｃ 論理積回路 １６Ｄ 比較回路
１６Ｅ 論理和回路
１７ 加速度センサ １８ 車速検出器
２０ コンバータ ３０ 交流発電装置
４０ ＤＣＤＣコンバータ ５０ 直流発電装置
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の電気車の制御装置を示す構成図である。図１に示すように、架線１からレール４へパンタグラフ２と車輪３を介して電気車の制御装置１０に直流電力を取り入れるよう構成されている。電気車の制御装置１０は、架線１から例えば直流１５００Vの直流電力を交流電力（例えば可変電圧可変周波数電力）に変換して電動機１２に供給するインバータ１１と、インバータ１１を駆動する電力を貯蔵する電力貯蔵部１５と、電力貯蔵部１５に電力を貯蔵し貯蔵した電力を放出させるために、インバータ１１の直流電源側に一端が接続され他端が電力貯蔵部１５に接続されたＤＣＤＣコンバータ１３と、電力貯蔵部１５とＤＣＤＣコンバータ１３の間に接続されたスイッチ１４と、電気車の制御装置１０に生じる加速度を検出する加速度センサ１７と、制御部１６とから構成される。なお、スイッチ１４は、極力、電力貯蔵部１５の近くに配置し、電力貯蔵部１５からスイッチ１４までの配線を短くするのが好ましい。
制御部１６には、運転台５から、少なくとも非常ブレーキ動作信号ＥＢ、保安ブレーキ(換言すれば、直通予備ブレーキ)動作信号ＨＢ、パンタグラフ降下信号ＰＤ、前後切替器中立位置信号Ｎとが入力されると共に、加速度センサ１７からの加速度検出値ＯＡ、電気車の車速検出器１８からの車速Ｖが入力される。なお、電気車の車速Ｖの信号として電動機１２の回転速度信号や、インバータ１１の出力周波数を基に推定した車速信号を用いても良い。制御部１６は、前記の各入力信号に応じて、ＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させると共に、スイッチ１４を開放させるように信号ＥＳを出力する構成となっている。ＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させると、ＤＣＤＣコンバータ１３が備えるスイッチング素子がすべてオフにされる。
なお、制御部１６の入力信号は、電気車の種類によっては、上記以外のものを使用したり、上記の中で使用しないものがあったりする。電気車の制御装置では、各入力信号を制御部１６に入力し、それらの信号を用いて制御部１６が本体に外力又は衝撃が加わったか又は加わると予想されるかどうかを判断する。
ここで、非常ブレーキ動作信号ＥＢ、保安ブレーキ(直通予備ブレーキ)動作信号ＨＢ、パンタグラフ降下信号ＰＤ、前後切替器中立位置信号Ｎは、それぞれ電気車に設置されている非常ブレーキ、保安ブレーキ（直通予備ブレーキ）、パンタグラフ降下スイッチ、前後切替器からの動作信号である。それぞれを以下に説明する。
非常ブレーキ動作信号ＥＢは、運転台５で運転士や車掌が非常ブレーキをオンとした場合や、自動運転装置からの指令等により非常ブレーキが動作した場合等に入力される信号である。なお、通常時においも、電気車の運行を終了する場合に、電気車が停止してから非常ブレーキをオンの状態として車両を留置する場合があるが、電気車が走行中に非常ブレーキをオンとするのは、衝突や脱線等の異常事態が発生すると予想される場合やその異常事態が発生した場合、つまり、電気車の制御装置に外力や衝撃が加わったか又は加わると予想される場合が想定される。
保安ブレーキ(直通予備ブレーキ)動作信号ＨＢは、非常ブレーキとは別系統の設備であるバックアップブレーキであり、非常ブレーキが機能しない場合等においても電気車を停止させるために設けられている保安ブレーキ（直通予備ブレーキ）がオンとなった場合に入力される信号である。これが動作するケースも、衝突や脱線等の異常事態が発生すると予想される場合やその異常事態が発生した場合、つまり、電気車の制御装置に外力や衝撃が加わったか又は加わると予想される場合が想定される。
パンタグラフ降下信号ＰＤは、運転台５でパンタグラフ降下スイッチが扱われた場合に入力される信号である。通常、パンタグラフ降下スイッチは、電気車の運行を終了する場合にパンタグラフ２を降下させるために扱われるスイッチであるが、電気車を運行中に、運転士が前方の架線１の切断を発見した場合や、レール４上の大きな障害物との衝突の可能性を感知した場合等の異常事態が発生すると予想される場合やその異常事態が発生した場合、つまり、電気車の制御装置に外力や衝撃が加わったか又は加わると予想される場合に限って扱われるスイッチである。パンタグラフ２を降下させることにより、架線１とパンタグラフ２が絡まって短絡事故が発生したり、電気車の制御装置が破損して短絡事故が発生して被害が拡大するのを回避できる。
前後切替器中立位置信号Ｎは、運転台５に設けられている、電気車の進行方向を設定するために扱う前後切替器を中立位置とした場合に入力される信号である。前後切替器は、前進、中立、後進の３ポジションを有するのが一般的であり、通常は電気車の運行を終了する場合にのみ中立位置が選択される。中立位置は、自動車のオートマチック車のシフトレバーでたとえると、パーキング位置あるいはニュートラル位置に相当し、中立位置が選択されると、インバータ１１を停止させるように回路が構成されている。このため、電気車が走行中に中立位置を選択すると、インバータ１１を停止して電動機１２への電力供給をカットできる。通常時はこのような扱いは実施しないが、衝突や脱線等の異常事態が発生すると予想される場合やその異常事態が発生した場合、つまり、電気車の制御装置に外力や衝撃が加わったか又は加わると予想される場合には、前後切替器の中立位置が選択されることが想定される。
加速度センサ１７は、電気車や電気車の制御装置１０に設置されており、加速度に応じて発生する歪により電気抵抗が変化する素子を用い、この電気抵抗の変化を検出して加速度を検出できるように構成したものが存在するが、構成はとくにこれに限られるものではない。このようにして検出された、電気車や電気車の制御装置１０の加速度の検出値ＯＡを制御部１６に入力する構成としている。
このように構成された電気車の制御装置１０とその制御部１６の動作について説明する。図２は実施の形態１の制御部１６の構成を示す図である。図２に示すように、論理和回路１６Ａ，比較回路１６Ｂ，論理積回路１６Ｃ，比較回路１６Ｄ，論理和回路１６Ｅから構成されている。なお、１６Ａ―１６Ｅはこの機能が実現できれば、ソフトウエアで構成できることは言うまでもない。
非常ブレーキ動作信号ＥＢ、保安ブレーキ(直通予備ブレーキ)動作信号ＨＢ、パンタグラフ降下信号ＰＤ、前後切替器中立位置信号Ｎのうち、いずれかが制御部１６の論理輪回路１６Ａに入力され、且つ車速Ｖが所定の車速設定値ＶＲ以上（例えば、１０ｋｍ／ｈ以上）である場合、論理積回路１６Ｃと論理和回路１６Ｅを介して、制御部１６は停止指令ＥＳを出力し、直ちにＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させると共に、スイッチ１４をオフにして、電力貯蔵部１５をＤＣＤＣコンバータ１３から切り離す。また、加速度センサ１７からの加速度検出値ＯＡが異常事態の発生を検知するようにあらかじめ設定した所定の加速度設定値ＯＡＲ（例えば、通常時に発生する最大加速度の絶対値の数倍として、例えば、２ｍ／ｓｅｃ2）を超過した場合、比較回路１６Ｄと論理和回路１６Ｅを介して制御部１６は停止指令ＥＳを出力し、直ちにＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させると共に、スイッチ１４をオフにする。
非常ブレーキ動作信号ＥＢ、保安ブレーキ(直通予備ブレーキ)動作信号ＨＢ、パンタグラフ降下信号ＰＤ、前後切替器中立位置信号Ｎは、何れも通常状態では、電気車が停止している状態で入力されることがあっても、運行中には入力されない信号である。逆に、電気車が運行中にこれらの信号のうち何れかが入力された場合は、緊急停止を要する電気車の運行に支障をきたす何らかの異常事態が発生したか、あるいは異常事態の発生が予想される場合であり、電気車の制御装置１０に過大な外力や衝撃が加わったか、その可能性が高いと判断できる。
また、加速度センサ１７からの加速度検出値の絶対値ＯＡがあらかじめ設定した加速度設定値ＯＡＲ以上になった場合は、実際に電気車の制御装置１０に過大な外力や衝撃が加わった状態であることが判断できる。
電気車の制御装置１０がこのような過大な外力や衝撃を受けた場合、電気車の制御装置１０内の部品や配線が損傷し、電力貯蔵部１５付近の接続配線や回路に短絡が生じたときには、貯蔵されたエネルギーが短絡箇所を通して放出されることになり、その時の大量の発熱や電磁力により電気車の制御装置１０や、電気車をさらに損傷することになり、被害が拡大する。
スイッチ１４をオフさせることにより、電力貯蔵部１５に貯蔵された電力が放出されるような短絡が発生する可能性が小さくできる。ＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させることにより、スイッチ１４のＤＣＤＣコンバータ１３の側が停電状態になるので、さらに安全になる。なお、スイッチ１４をオフにすれば、ＤＣＤＣコンバータ１３の動作は必ずしも停止させなくてもよい。
そのため、実施の形態１に示した構成とすることで、電気車の制御装置１０が過大な外力や衝撃を受ける可能性のあるとき、あるいは過大な外力や衝撃を受けたとき、即ち、異常事態が発生すると予想されるか異常事態が発生したときに、これを検出してＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させ、スイッチ１４を速やかにオフさせることで、電力貯蔵部１５の貯蔵エネルギーが放出されることを回避することができ、被害の拡大を防止することができる。さらに、電気車の車速Ｖが車速設定値ＶＲ以上である場合に限って、制御部１６はＤＣＤＣコンバータ１３の動作を停止させ、スイッチ１４をオフさせるように構成すれば、電気車の停車中における電気車の制御装置１０の不要な停止を回避できる。
なお、電気車が運行中であろうと、停止中であろうと、異常事態が発生すると予想されるとき、又は異常事態が発生したときに、上記ＤＣＤＣコンバータの運転を停止させると共に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部を備えることにより、より安全に動作させることができる。
実施の形態２．
図３は実施の形態２の電気車の制御装置を示す構成図である。図１に示した構成図と異なる部分について説明し、同様な部分については説明を省略する。なお、各図を通して、同一符号は同一又は相当部分を示す。図３では、架線１に交流電力が供給されている交流電化区間で使用される電気車の制御装置を示している。架線１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ２０がインバータ１１の直流側に接続されている。このように構成された電気車の制御装置にも、この発明が適用可能であることはもちろんである。
実施の形態２に示した構成とすることで、電気車の制御装置１０が過大な衝撃を受ける可能性のある異常事態の発生が予想される場合、あるいは過大な衝撃を受けた異常事態が発生した場合に、これを検出して、ＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとすることで、電力貯蔵部１５の貯蔵エネルギーが放出されることを回避することが可能となる。そのため、被害の拡大を防止することができる電気車の制御装置１０を得ることができる。さらに、電気車の車速Ｖが車速設定値ＶＲ以上である場合に限って、制御部１６はＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとする構成にすれば、電気車の停止中の電気車の制御装置１０の不要な停止を回避できる。
実施の形態３．
図４は実施の形態３の電気車の制御装置を示す構成図である。図１に示した構成図と異なる部分について説明し、同様の部分はその説明を省略する。図４には、非電化区間を走行する車両に搭載される電気車の制御装置を示している。内燃機関等で駆動される交流発電装置３０により発生した交流電力が、コンバータ２０で直流に変換されて、インバータ１１に供給される。
このように構成された電気車の制御装置にも、この発明が適用可能であることはもちろんである。実施の形態３に示した構成とすることで、電気車の制御装置１０が過大な衝撃を受ける可能性のある異常事態の発生が予想される場合、あるいは過大な衝撃を受けた異常事態が発生した場合に、これを検出して、ＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとすることで、電力貯蔵部１５の貯蔵エネルギーが放出されることを回避できる。そのため被害の拡大を防止することができる電気車の制御装置１０を得ることができる。さらに、電気車の車速Ｖが車速設定値ＶＲ以上である場合に限って、制御部１６はＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとする構成にすれば、電気車の停止中の電気車の制御装置１０の不要な停止を回避できる。
実施の形態４．
図５は実施の形態４の電気車の制御装置を示す構成図である。図１に示した構成図と異なる部分について説明し、同様の部分は説明を省略する。図５には、非電化区間を走行する車両に搭載される電気車の制御装置を示している。燃料電池や太陽光発電装置等で構成された直流発電装置５０により発生した直流電力が、ＤＣＤＣコンバータ４０で最適な電圧の直流に変換されて、インバータ１１に供給される。このように構成された電気車の制御装置にも、この発明が適用可能であることはもちろんである。
実施の形態４に示した構成とすることで、電気車の制御装置１０が過大な衝撃を受ける可能性のある異常事態の発生が予想される場合、あるいは過大な衝撃を受けた異常事態が発生した場合に、これを検出して、ＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとすることで、電力貯蔵部１５の貯蔵エネルギーが放出されることを回避できる。そのため、被害の拡大を防止することのできる電気車の制御装置１０を得ることができる。さらに、電気車の車速Ｖが車速設定値ＶＲ以上である場合に限って、制御部１６はＤＣＤＣコンバータ１３とスイッチ１４をオフとするように構成すれば、電気車の停止中の電気車の制御装置１０の不要な停止を回避できる。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、この発明の一例であり、複数の実施の形態の構成を相互に組み合わせても良いし、別の公知の技術と組み合わせることも可能である。この発明の要旨を逸脱しない範囲で、例えば一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
この発明は、車両に適用して説明したものである。

Claims (7)

  1. 直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、
    上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、
    電気車の非常ブレーキ動作信号が入力され、電気車の非常ブレーキ動作信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
  2. 直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、
    上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、
    電気車の保安ブレーキ動作信号又は直通予備ブレーキ動作信号が入力され、電気車の保安ブレーキ動作信号又は直通予備ブレーキ動作信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
  3. 直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、
    上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、
    電気車のパンタグラフ降下信号が入力され、電気車のパンタグラフ降下信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
  4. 直流電源に接続され電動機を駆動するインバータと、上記インバータの上記直流電源側に一端が接続されたＤＣＤＣコンバータと、上記ＤＣＤＣコンバータの他端に接続されて電力を貯蔵する電力貯蔵部とを有する電気車の制御装置において、
    上記ＤＣＤＣコンバータと上記電力貯蔵部の間に設けられたスイッチと、
    電気車の前後切替器の中立位置信号が入力され、電気車の前後切替器の中立位置信号が発生している場合に、上記スイッチを開放して上記電力貯蔵部を上記ＤＣＤＣコンバータから切り離す制御部とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
  5. 上記制御部で上記スイッチを開放する場合は、異常事態が発生したか異常事態が発生すると予想されるときであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
  6. 上記制御部が上記スイッチを開放するときに、上記制御部が上記ＤＣＤＣコンバータの運転を停止させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
  7. 電気車の速度を検出する車速検出器を備え、
    上記車速検出器で検出した上記速度が上記制御部に入力され、上記速度が所定値以上であることが、上記制御部で上記スイッチを開放するための必要条件であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
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