JP4395136B2 - 電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システム - Google Patents

Description

本発明は、電気車両の列車に搭載される蓄電装置及び蓄電装置システムに関する。特には、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体の電気二重層キャパシタ（以下、「ＥＤＬＣ」ともいう）の円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能な電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムに関する。

近年、電気車両において架線などの外部からの電源による電気車両の運行に加えて、電気車両内部に設けられたバッテリなどの蓄電部からの電源で電気車両を運行する方式が考えられている。

例えば、並列蓄電装置の場合、インバータ制御の電気車両に関して、ブレーキ時の回生失効を防止する有効な手段は、インバータ入力段に並列に、蓄電装置を挿入することである。これにより、架線に返らない回生電力を吸収し、力行時に放出することができる。

また、直列蓄電装置の場合、低い電圧定格（昇圧分の２倍程度）で小型に蓄電装置を構成することができる。さらに、インバータ電圧を昇圧してモータパワーを増大できるため、高速域において電気ブレーキ力を増加し、力行加速度を向上することができる。
小笠、田口、上園、丸山：車載高性能電池による架線ハイブリッド回生失効防止定置試験結果：２００４−１２−１７ 電気学会研究会資料ＳＰＣ−０４−１７７ 関島、乾、戸田、門田、長谷部：電気二重層キャパシタを適用した直流用電力貯蔵装置の開発：２００５−３−１７ 電気学会全国大会５−１７６

しかしながら、従来からの並列蓄電装置によれば、電圧定格はVVVFインバータと同等であるため、装置が大型となる。

また、従来の直列蓄電装置によれば、高速スイッチングは行わずに、通電する列を数秒オーダーで切替えていたため、安定した昇圧電圧が確保できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体の電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能な電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の電気車両の蓄電装置は、電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルに接続されたインバータと、フィルタリアクトルとインバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置であって、蓄電装置は、架線側のパンタグラフと、フィルタリアクトル及びフィルタコンデンサの間に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチと、１列の双方向スイッチと、１列以上の蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチと、を並列に接続して構成される、ことを特徴とする。

ここで、蓄電素子は、双方向スイッチの間に接続される蓄電素子コンデンサと、蓄電素子コンデンサに並列に接続され、蓄電素子コンデンサが逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードと、蓄電素子コンデンサに並列に接続され、該蓄電素子に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチは、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチと、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチと、を備える。

また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチ及び第２のスイッチとそれぞれ並列に接続されたダイオードを備える。

また、蓄電装置は、１以上のインバータに接続される、ことができる。

また、蓄電装置は、架線側のパンタグラフの替わりに、帰線側の車輪と、フィルタリアクトル及びフィルタコンデンサの間に接続される、ようにしてもよい。

また、上記課題を解決するため、本発明の電気車両の蓄電装置システムは、電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルに接続されたインバータと、フィルタリアクトルとインバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置システムであって、上述の蓄電装置と、蓄電装置に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値と、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御手段と、指令値演算・シーケンス制御手段から入力された昇圧指令値及び動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子のうち通電する列を決定して、適切な通流率を算出して出力する通流率制御手段と、通流率制御手段から入力された通流率に基づいて、蓄電装置の前記機械的スイッチ及び双方向スイッチを制御するゲート信号を出力するゲート制御手段と、を備える、ことを特徴とする。

本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムによれば、ＥＤＬＣとその周辺の回路構成を改良して高速スイッチング動作を可能とし、ＥＤＬＣに通電する電流を通流率制御することによって、ＥＤＬＣの充電量を制御し、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体のＥＤＬＣの円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムの実施の形態を説明する。

図１は、本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。この電気車両の回路は、電源を供給する架線側のパンタグラフ２０と、グランドである帰線側の車輪５０と、パンタグラフ２０に接続されたフィルタリアクトルＦＬ０及びフィルタコンデンサＦＣ０と、フィルタリアクトルＦＬ０に接続された蓄電装置１０と、蓄電装置１０に接続されたフィルタリアクトルＦＬと、フィルタリアクトルＦＬに接続されたＶＶＶＦインバータ３０と、フィルタリアクトルＦＬとＶＶＶＦインバータ３０の間に並列に接続されるフィルタコンデンサＦＣと、ＶＶＶＦインバータ３０に接続された駆動源の主電動機４０と、を備えている。また、フィルタリアクトルＦＬ０と蓄電装置１０の間の架線側とＶＶＶＦインバータ３０の帰線側には他のインバータユニットや補助電源が接続される。

ここで、フィルタリアクトルＦＬ、フィルタコンデンサＦＣは、ＶＶＶＦインバータ３０のフィルタリアクトル、フィルタコンデンサであり、フィルタリアクトルＦＬとパンタグラフ２０の間に蓄電装置を挿入する。基本的に１つの ＶＶＶＦインバータ２０につき蓄電装置１０を１つ挿入するが、蓄電装置１０の電流容量が許容するならば複数のＶＶＶＦインバータにつき蓄電装置１０を１つとしてもよい。

図１では、蓄電装置１０とパンタグラフ２０の間にはフィルタリアクトルＦＬ０とフィルタコンデンサＦＣ０が挿入されているが、なくともよい。これは、架線・帰線に流出する高調波電流が問題となる場合に、これを抑制するためのフィルタ回路である。１つのパンタグラフ２０につき複数台のＶＶＶＦインバータ３０が接続される場合には、フィルタリアクトルＦＬ０とフィルタコンデンサＦＣ０の負荷側から分岐させる。その際には、昇圧装置スイッチング用の三角波キャリアに位相差を与えることで、架線・帰線に流出する高調波電流を低減できる。

また、蓄電装置１０は、架線側のパンタグラフ２０と、フィルタリアクトルＦＬ及びフィルタコンデンサＦＣの間に接続され、短絡用の機械的スイッチＬＢ（４列目）を一列と、双方向スイッチＱ３ａ，Ｑ３ｂ（３列目）を一列と、蓄電素子（ＥＤＬＣ）を中間に挟んだ双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（２列目）及びＱ１ａ，Ｑ１ｂ（１列目）を一列以上と、を並列に接続して構成される。

ここで、蓄電素子（２列目）は、双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂの間に接続される蓄電素子コンデンサＣ２と、蓄電素子コンデンサＣ２に並列に接続され、蓄電素子コンデンサＣ２が逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードＤ２と、蓄電素子コンデンサＣ２に並列に接続され、該蓄電素子コンデンサＣ２に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂは、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチＱ２ａと、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチＱ２ｂと、を備える。また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチＱ２ａ及び第２のスイッチＱ２ｂとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを備える。

同様に、蓄電素子（１列目）は、双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ１ｂの間に接続される蓄電素子コンデンサＣ１と、蓄電素子コンデンサＣ１に並列に接続され、蓄電素子コンデンサＣ１が逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードＤ１と、蓄電素子コンデンサＣ１に並列に接続され、該蓄電素子コンデンサＣ１に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ１ｂは、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第１のスイッチＱ１ａと、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第２のスイッチＱ１ｂと、を備える。また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチＱ１ａ及び第２のスイッチＱ１ｂとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂを備える。

蓄電装置１０の内部は、上述のように短絡用の機械的スイッチＬＢを１列、双方向スイッチＱ３ａ，Ｑ３ｂを１列、蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ）を１列以上の、合計３列以上を並列接続して構成される。蓄電素子を含む列の列数は図３では２列（１列目、２列目）としたが、必要な蓄電容量に応じて増減可能である。増加したほうがＥＤＬＣの電圧範囲を広範に使用できて容量を有効利用できるが、制御は複雑となりスイッチ数が増加する。双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ）をＯＮ−ＯＦＦさせることにより、並列された列間で電流Ｉｂを転流させる。

１列目を例にとると、ＥＤＬＣである蓄電素子コンデンサＣ１の充電電流を制御するのが第２スイッチングＱ１ｂ、放電電流を制御するのが第１スイッチＱ１ａ、蓄電素子コンデンサＣ１が逆極性にチャージされるのを防ぐのがダイオードＤ１、素子コンデンサＣ１に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するのがＲＣスナバであり、これは他の素子に付随するスナバ（図3では省略）より大容量である。

回生時には１〜３列目のＱ１ｂ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ｂの各素子を、力行時には１〜３列目のＱ１ａ，Ｑ２ａ，Ｑ３ａの各素子を適宜高速スイッチングすることで所定の昇圧電圧Ｖｂを確保する。

図２は、本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。図２において、蓄電装置１０は、ＶＶＶＦインバータ３０の架線側ではなく、帰線側に挿入する。これにより、蓄電装置の対地絶縁耐圧を下げることができる。

図３は、本発明の電気車両の蓄電装置システムを備える電気車両の回路を示す図である。図３において、この蓄電装置システムは、図１に示した電気車両の回路の蓄電装置１０に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチＬＢを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値Ｖｂｒｅｆと、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御部６０と、指令値演算・シーケンス制御部６０から入力された昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ及び動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子（ＥＤＬＣ）のうち電圧を通流させる蓄電素子（ＥＤＬＣ）を決定して通流率ｄ１ａ，ｄ２ａ，ｄ３ａ，ｄ１ｂ，ｄ２ｂ，ｄ３ｂ（制御周期に対するゲートオン時間の割合：ｄ１ａはスイッチＱ１ａ、ｄ２ａはスイッチＱ２ａ、ｄ３ａはスイッチＱ３ａ、ｄ１ｂはスイッチＱ１ｂ、ｄ２ｂはスイッチＱ２ｂ、ｄ３ｂはスイッチＱ３ｂを制御する）を算出して出力する通流率制御部部７０と、通流率制御部７０から入力された通流率ｄ１ａ，ｄ２ａ，ｄ３ａ，ｄ１ｂ，ｄ２ｂ，ｄ３ｂに基づいて、蓄電装置１０の機械的スイッチＬＢ及び双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ２ａ，Ｑ３ａ，Ｑ１ｂ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ｂを制御するゲート信号を出力するゲート制御部８０と、を備える。

ここで、指令値演算・シーケンス制御部６０では、架線側電流Ｉｂ、架線電圧Ｖｐ、ＶＶＶＦインバータ電圧指令値Ｖｉｎｖ、１列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ１、２列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ２を入力とし、機械的スイッチＬＢ（４列目）の開閉を制御するＬＢ開閉指令、蓄電装置１０への昇圧指令値Ｖｂｒｅｆおよび動作モードを出力する。

通流率制御部７０では、昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ、動作モード、１列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ１、２列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ２、架線側電流Ｉｂを入力とし、通流率ｄ１ａ〜ｄ３ｂを決定する。

ゲート駆動部８０は、通流率制御部７０からの通流率ｄ１ａ〜ｄ３ｂに基づき、ゲート信号を蓄電装置１０へ発生する。

ここで、車両１編成に複数台の蓄電装置１０を搭載する場合は、動作モードと昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆが同一となるように動作協調する。

図４は、指令値演算・シーケンス制御部６０からの動作モードの遷移図を示す。動作モードの決定を以下に説明する。各モード毎に、点弧する素子や、昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ、通流率算出式が異なる。

遷移条件は、ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２と架線側電流Ｉｂである。ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２が中間領域にある場合、架線側電流Ｉｂを監視して回生電流（Ｉｂ＜α）を検知すれば回生昇圧に遷移し、電流がなくなれば待機モードに遷移する。力行電流（Ｉｂ＞β）を検知すれば力行昇圧に遷移して、電流がなくなれば待機状態に遷移する。

ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２は、常にＶ１＞Ｖ２となるように制御する。Ｖ１＜Ｖ２となった場合は、１列目と２列目を入れ替えて考えれば、同一の制御が適用できる。力行昇圧モードではＥＤＬＣの放電が進み、Ｖ１＜Ｖ１ｍｉｎ（Ｖ１の所定の最小値）となると待機モードに遷移する。次に昇圧モードとなる場合に、Ｖ１ｍｉｎ以上の昇圧電圧を即座に確保するために、Ｖ１ｍｉｎ以下には放電しない。

回生昇圧モードでＥＤＬＣの充電が進み、Ｖｍａｘ（ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２の所定の最大値）＜Ｖ１且つＶｍａｘ＜Ｖ２となると、待機モードに遷移する。これは過充電を避けるためである。なお、定期的にＥＤＬＣの列を入替えて制御することにより、使用程度に差が生じない工夫が可能である。これを容易にするため、各列のＥＤＬＣ容量は同一が望ましい。

待機モードは、機械的スイッチＬＢを閉じて装置を短絡するため、蓄電装置１０の非設置と同等な状態となる。回生昇圧モードでは昇圧しながらＥＤＬＣの充電、力行昇圧モードでは昇圧しながらＥＤＬＣの放電を行う。なお、すべてのモード遷移条件にはヒステリシスを設け、不必要にモードが遷移するハンチングを避ける。

図４において、具体例としては、αは−３０［Ａ］程度、βはＶＶＶＦインバータ３０が特性領域（１パルスモード）に移行する少し前に対応した電流値であり、ＶＶＶＦインバータ特性に応じて決定される。昇圧効果がない多パルスモードでは昇圧せず、１パルスモードから昇圧するための条件であり、厳密に設定しなくてよい。また、Ｖｍａｘはキャパシタの電圧定格と余裕を考慮して決定する。Ｖｍｉｎはこれ以下には放電せず、常時残しておきたい電圧値とする。

図５は、昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆの演算方法を示す図である。ＶＶＶＦインバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒは、力行昇圧モード、回生昇圧モードそれぞれに固有の値である。例えば、力行昇圧モードでは１８００［Ｖ］、回生昇圧モードでは１９００［Ｖ］等と定める。これらと架線電圧Ｖｐの差分（Ｖｂｒｅｆ’）にＲＩドロップ補償部６１で架線側電流Ｉｂ及びＲｄ（ＥＤＬＣ、スイッチング素子、フィルタリアクトル等の等価抵抗）などでＲＩドロップ補償を施し、昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆが０〜昇圧電圧指令値最大値（Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘ）の範囲内になるようにリミッタ６２を介し、ソフトスタート・ストップ６３の制御によって出力されたものが昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆとなる。

リミッタ６２は、０［Ｖ］〜Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘ［Ｖ］に設定する。Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘは、蓄電装置１０への要求によって様々であるが、既存のインバータ車両への適用を前提とした場合は２００［Ｖ］〜４００［Ｖ］程度と考えられる。また、ソフトスタート・ストップ６３のランプ関数は０〜１の値を出力し、立上がり・立下り時間は０．２［秒］前後とする。これによってモードが変化した際の昇圧電圧Ｖｂの変化を滑らかとし、リアクトルＦＬとコンデンサＦＣの共振発生を防止する。

次に、図１に基づいて、昇圧原理を述べる。簡単のため、ＥＤＬＣの内部抵抗やインダクタンスは無視し、スイッチング素子Ｑ１ａ〜Ｑ３ｂを理想スイッチと扱い、１制御周期の間に１列目ＥＤＬＣ電圧Ｖ１、１列目ＥＤＬＣ電圧Ｖ２、昇圧電圧Ｖｂは一定と仮定する。１制御周期は三角波キャリアの周期と同期し、ゲート信号は三角波キャリア比較方式で出力する。すると、コンデンサＣ１に通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝Ｖ１、コンデンサＣ２に通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝Ｖ２、双方向スイッチに通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝０となる。フィルタリアクトルＦＬの作用によって、定常的にはフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０の時間平均値が昇圧電圧Ｖｂとなるため、次に示す＜式１＞が成立する。通流率ｄ＊は、０≦ｄ＊≦１の値をとる。

＜式１＞
回生時：Ｖｂ＝ｄ１ｂ×Ｖ１＋ｄ２ｂ×Ｖ２＋ｄ３ｂ×０
（但し、ｄ１ｂ＋ｄ２ｂ＋ｄ３ｂ＝１）
力行時：Ｖｂ＝ｄ１ａ×Ｖ１＋ｄ２ａ×Ｖ２＋ｄ３ａ×０
（但し、ｄ１ａ＋ｄ２ａ＋ｄ３ａ＝１）
これらより、昇圧電圧Ｖｂの出力可能範囲は、０≦Ｖｂ≦max（Ｖ１，Ｖ２）である。

通流率の決定は、まずＥＤＬＣの電圧Ｖ１、Ｖ２に応じて通流させる列を１〜２列に決定する。これには、ＥＤＬＣの過電圧を避けること、所要電圧を出力可能なこと、各ＥＤＬＣが望ましい充放電経過をたどることを考慮して決定する。次に＜式１＞の関係を用いて、Ｖｂｒｅｆ＝Ｖｂとなるように演算する。例として、回生時に１列目と２列目に通流させる場合は、ｄ３ｂ＝０、Ｖｂｒｅｆ＝Ｖｂを代入し、次のように求まる。
＜式２＞
Ｖｂｒｅｆ＝（１−ｄ２ｂ）×Ｖ１＋ｄ２ｂ×Ｖ２
従って、
ｄ２ｂ＝（Ｖ１−Ｖｂｒｅｆ）／（Ｖ１−Ｖ２）

図６〜１１は、回生昇圧モードと力行昇圧モードにおける電流経路を示す図である。上述において、ｄ１ｂ＝１−ｄ２ｂと求まるが、ゲート制御を容易にするためにｄ１ｂ＝１とする。これによってスイッチＱ２ｂがＯＦＦの期間は必ずスイッチＱ１ｂに通流できるようにする。他方、常にＶ１＞Ｖ２となるよう制御するため、Ｑ２ｂがＯＮの期間は必ず第２列に通流する。つまり、ｄ１ｂ＝１としても実質的な通流率はｄ１ｂ＝１−ｄ２ｂとなり、なおかつ必ずいずれかの列が通流可能となる（図６、図７参照）。

以下、図６〜８を参照して、回生昇圧モードにおける電流経路を説明する。図６において、スイッチＱ１ｂがＯＮとなっているときに、スイッチＱ２ｂをＯＮすると、Ｖ１＞Ｖ２のため、１列目の電流は減少し、２列目に自然転流する（図７）。Ｑ２ｂをＯＦＦすると、強制転流によって図６の状態に戻る。この際、Ｖ２、Ｖ１にはサージ電圧が現れる。次に、図７においてスイッチＱ３ｂをＯＮすると、Ｖ２＞０のため、２列目の電流は減少し、３列目に自然転流する（図８）。ここで、スイッチＱ３ｂをＯＦＦすると、強制転流によって図７の状態に戻る。この際、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。

次に図９〜１１を参照して、力行昇圧モードにおける電流経路を説明する。図９において、スイッチＱ３ａがＯＮとなっているときに、スイッチＱ２ａをＯＮすると、Ｖ２＞０のため、３列目の電流は減少し、２列目に自然転流する（図１０）。スイッチＱ２ａをＯＦＦすると、強制転流によって図９の状態に戻る。この際、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。次に、スイッチＱ２ａがＯＮ（図１０）となっているときに、Ｑ１ａをＯＮすると、Ｖ１＜Ｖ２のため、２列目の電流は減少し、１列目に自然転流する（図１１）。ここで、スイッチＱ１ａをＯＦＦすると、強制転流によって図１０の状態に戻る。この際、Ｖ１、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。

図１２は、通流率演算式を整理した図である。図１２（Ａ）は、回生昇圧モードにおける通流率演算を、図１２（Ｂ）は、力行昇圧モードにおける通流率演算を示す。矢印は、蓄電や放電が進む経過を示している。塗りつぶした矢印が望ましい経過である。図１２（Ａ）において▲印を付した領域では、所定の昇圧電圧が出力できないため、この領域は避けるべきである。

ＥＤＬＣ列が３列以上の場合は、充放電経過に応じて通電対象の列を２列選定することで、本提案の通流率制御を準用可能である。また、１列のみの場合にはＶ２を無視してＶ１のみに着目し、本提案の通流率制御を適用可能である。

図１３は、回生昇圧モードで、Ｖｂｒｅｆ＜Ｖ１、Ｖ２＜Ｖｂｒｅｆの場合の各部波形の概略である。図１３（Ａ）は、ゲート制御、（Ｂ）は、ゲート信号、（Ｃ）はＥＤＬＣ電流、（Ｄ）は、ＥＤＬＣ電圧を示す。以下、ゲート駆動部８０の動作について説明する。図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ゲート信号は三角波比較によって生成する。三角波Ｖｔｒｉの周波数は、数百［Ｈｚ］〜１０００［Ｈｚ］程度が妥当と考えられ、ＥＤＬＣの発熱や高調波電流の許容値等を考慮して決定する必要がある。制御周期は三角波と同期させるのが望ましい。

図１３（Ｃ）に示すように、１列目と２列目に交互に通流し、Ｖ１、Ｖ２を交互に充電していく。この際、出力電圧Ｖｂは指令値Ｖｂｒｅｆと等しくなるよう制御されている。

以上のように、本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムによれば、ＥＤＬＣとその周辺の回路構成を改良して高速スイッチング動作を可能とし、ＥＤＬＣに通電する電流を通流率制御することによって、ＥＤＬＣの充電量を制御し、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体のＥＤＬＣの円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能とすることができる。

本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。 本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。 本発明の電気車両の蓄電装置システムを備える電気車両の回路を示す図である。 指令値演算・シーケンス制御部６０からの動作モードの遷移図を示す。 昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆの演算方法を示す図である。 回生昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 回生昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 回生昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 力行昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 力行昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 力行昇圧モードにおける電流経路を示す図である。 通流率演算式を整理した図である。 回生昇圧モードで、Ｖｂｒｅｆ＜Ｖ１、Ｖ２＜Ｖｂｒｅｆの場合の各部波形の概略である。

符号の説明

１０ 蓄電装置
２０ パンタグラフ
３０ ＶＶＶＦインバータ
４０ 主電動機
５０ 車輪
６０ 指令値演算・シーケンス制御部
６１ ＲＩドロップ補償部
６２ リミッタ
６３ ソフトスタート・ストップ
７０ 流通制御部
８０ ゲート駆動部

Claims (6)

1. 電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、前記パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルに接続されたインバータと、前記フィルタリアクトルと前記インバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置であって、
   前記蓄電装置は、
   架線側の前記パンタグラフと、前記フィルタリアクトル及び前記フィルタコンデンサの間に接続され、
   １列の短絡用の機械的スイッチと、
   １列の双方向スイッチと、
   １列以上の蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチと、
   を並列に接続して構成される、
   ことを特徴とする電気車両の蓄電装置。
2. 前記蓄電素子は、
   前記双方向スイッチの間に接続される蓄電素子コンデンサと、
   前記蓄電素子コンデンサに並列に接続され、前記蓄電素子コンデンサが逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードと、
   前記蓄電素子コンデンサに並列に接続され、該蓄電素子に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、
   を備え、
   前記双方向スイッチは、
   前記蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチと、
   前記蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチと、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の電気車両の蓄電装置。
3. 前記蓄電素子は、前記双方向スイッチの前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチとそれぞれ並列に接続されたダイオードを備える、ことを特徴とする請求項２記載の電気車両の蓄電装置。
4. 前記蓄電装置は、１以上のインバータに接続される、ことを特徴とする請求項１から３何れか記載の電気車両の蓄電装置。
5. 前記蓄電装置は、架線側の前記パンタグラフの替わりに、帰線側の前記車輪と、前記フィルタリアクトル及び前記フィルタコンデンサの間に接続される、ことを特徴とする請求項１から４何れか記載の電気車両の蓄電装置。
6. 電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、前記パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルに接続されたインバータと、前記フィルタリアクトルと前記インバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置システムであって、
   前記請求項１から５何れか記載の蓄電装置と、
   前記蓄電装置に接続され、前記１列の短絡用の機械的スイッチを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値と、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御手段と、
   前記指令値演算・シーケンス制御手段から入力された前記昇圧指令値及び前記動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子のうち通電する列を決定して、適切な通流率を算出して出力する通流率制御手段と、
   前記通流率制御手段から入力された前記通流率に基づいて、前記蓄電装置の前記機械的スイッチ及び双方向スイッチを制御するゲート信号を出力するゲート制御手段と、
   を備える、ことを特徴とする電気車両の蓄電装置システム。
   
   
   

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