JP4446970B2 - ハイブリッド鉄道車両用二次電池装置 - Google Patents

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Description

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。
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)。
特開平10−191503号記載
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。
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。
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、電源装置、インバータ装置及び二次電池装置を統括制御する統括
制御装置を備えたハイブリッド鉄道車両において、二次電池装置は、鉄道車両に
おける実用レベルの約750Vの電圧を得るに電圧約7Vの単位バッテリを10
8本直列接続したものに、第1のスイッチ素子と抵抗を並列接続した第1の接続
体と、逆極性でダイオードが並列接続された第2のスイッチ素子と、逆極性でダ
イオードが並列接続され、第2のスイッチ素子とは逆極性の第3のスイッチ素子
とを直列接続したものを1ユニットとし、該ユニットを複数並列接続してなり、
第1〜3のスイッチ素子が統括制御装置によって制御されることにより、該ユニ
ット内のバッテリを充放電する。
本発明によれば、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、最初にバッテリ装置を構築する場合、複数のバッテリユニットを所定の
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。
以下、本発明の最良の形態を図1〜図8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PW
M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〜I
bn,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。
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。
バッテリ装置6に配設され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。
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6
91〜69n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。
SOC≒((バッテリ電圧−下限電圧)/(上限電圧−下限電圧))
×100(%) (数1)
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Ec
f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P
WM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(丸印)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(丸印)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(丸印)
に示す放電余力と矢印3(丸印)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O
FF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。
図5に、本実施形態のバッテリ装置6を構成するバッテリユニット61に配設されるバッテリ691の構成を示す。
バッテリ691は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。
バッテリ691は単位バッテリ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、バッテリ691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。
図6に、本バッテリ691を配設するバッテリ装置の実装形態を示す。
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を配設するバッテリ装置6を実装し、更にバッテリ691を配設するバッテリ装置6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装置6のバッテリ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。
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。
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を配設したバッテリ装置6を実装し、更にバッテリ691を配設したバッテリ装置6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、バッテリ691の単位バッテリ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。
本発明は、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、冷却効率が向上する。
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。
また、最初にバッテリ装置を構築する場合、複数のバッテリユニットを所定の
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が確保される。
本発明の一実施形態を示す構成図 本発明のバッテリ装置の構成を示す図 本発明の充電率及びエラー情報の説明図 本発明の制御部の運転モードの説明図 本発明のバッテリの構成図 図5に示すバッテリの実装形態図 本発明の他のバッテリの構成図 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,9
b,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〜Vb
n…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、S
gc…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)

  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、
    前記電源装置、前記インバータ装置及び前記二次電池装置を統括制御する統括制
    御装置を備えたハイブリッド鉄道車両において、
    前記二次電池装置は、鉄道車両における実用レベルの約750Vの電圧を得る
    に電圧約7Vの単位バッテリを108本直列接続したものに、第1のスイッチ素
    子と抵抗を並列接続した第1の接続体と、逆極性でダイオードが並列接続された
    第2のスイッチ素子と、逆極性でダイオードが並列接続され、前記第2のスイッ
    チ素子とは逆極性の第3のスイッチ素子とを直列接続したものを1ユニットとし、
    該ユニットを複数並列接続してなり、前記第1〜3のスイッチ素子が前記統括制
    御装置によって制御されることにより、該ユニット内のバッテリを充放電するこ
    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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