JP4495003B2 - Railway vehicle power storage device warm-up method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、2次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置とディーゼルエンジン発電機等の燃料により発電する発電装置を搭載した鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for warming up a power storage device for a railway vehicle equipped with a power storage device such as a secondary battery and an electric double layer capacitor and a power generation device such as a diesel engine generator.
エンジン発電機のほかに、2次電池等の電池を搭載した電動車両においては、この電池を有効に活用し、前記発電機と電池のいずれかの出力電力をインバータで可変電圧可変周波数の3相交流に変換し、車両駆動用の主3相交流電動機に給電する。このとき、車両駆動エネルギーの余剰分や不足分を電池に充放電することにより、エネルギー損失を抑え、高効率運転を行うことができる。 In an electric vehicle equipped with a battery such as a secondary battery in addition to the engine generator, this battery is effectively utilized, and the output power of either the generator or the battery is changed to a three-phase variable voltage variable frequency with an inverter. It converts into alternating current and feeds power to the main three-phase alternating current motor for driving the vehicle. At this time, by charging or discharging the surplus or deficiency of the vehicle drive energy to the battery, energy loss can be suppressed and high-efficiency operation can be performed.
ところで、寒冷時に、電池の温度が下がると、電池内の化学反応が鈍り、効率が低下する。これを防止するため、特許文献1には、ヒータによって電池を暖機する技術が開示されている。 By the way, when the temperature of the battery decreases during cold weather, the chemical reaction in the battery becomes dull and the efficiency decreases. In order to prevent this, Patent Document 1 discloses a technique for warming up a battery with a heater.
また、特許文献2には、始動時のエンジン発電機の出力電圧を電池電圧よりも高くし、電池を充電することで、電池の充電抵抗による発熱により電池を暖機することが開示されている。
Further,
さらに、特許文献3には、複数の電池モジュールを備え、一部の電池を発電機で充電するとともに残りの電池から外部負荷に放電させ、その後、充電した一部の電池から放電した残りの電池へ充電して、電池を暖機する技術について提案されている。
Further,
しかし、特許文献1では、暖機のために設けた熱源に頼るために効率が悪く、しかも、暖機に時間を要する課題がある。 However, in Patent Document 1, there is a problem that the efficiency is low because it depends on the heat source provided for warming up, and time is required for warming up.
また、特許文献2では、電池が満杯近く充電されておれば、十分な暖機は不可能である。
Moreover, in
さらに、特許文献3では、外部負荷が必要であり、かつ電池の充電残量が多ければ、十分な暖機を完了するまでに長時間を要する可能性がある。
Furthermore, in
本発明の目的は、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置と、2次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、電力変換器及び主電動機を搭載した鉄道車両において、効率よく、蓄電装置の暖機を実現できる鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置を提供することである。 An object of the present invention is to efficiently store power in a railway vehicle equipped with a power generator such as an engine generator and the like, a power storage device such as a secondary battery and an electric double layer capacitor, a power converter and a main motor. An object of the present invention is to provide a railway vehicle power storage device warm-up method and device that can realize warm-up of the device.
本発明の他の目的は、速やかな蓄電装置の暖機を実現できる鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for warming up a power storage device for a railway vehicle that can realize quick warm-up of the power storage device.
本発明の望ましい実施態様においては、燃料により発電する発電装置と、2次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電装置及び/又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残量を考慮して前記発電装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両において、当日の運転終了時刻までの時間が所定値以下になったことを検出し、この検出に応じて、前記蓄電装置のエネルギー残量に対する目標値を低下させる。 In a preferred embodiment of the present invention, a power generation device that generates power using fuel, a power storage device such as a secondary battery or an electric double layer capacitor, and power that supplies power from the power generation device and / or the power storage device to a main motor In a railway vehicle including a converter and controlling energy output sharing between the power generation device and the power storage device in consideration of the remaining energy of the power storage device, the time until the operation end time of the day becomes a predetermined value or less. In response to this detection, the target value for the remaining amount of energy of the power storage device is reduced.
また、本発明の他の実施態様においては、当日の運転予定距離が所定値以下になったことを検出し、この検出に応じて、蓄電装置のエネルギー残量に対する目標値を低下させる。 In another embodiment of the present invention, it is detected that the scheduled driving distance on the day is equal to or less than a predetermined value, and in response to this detection, the target value for the remaining energy of the power storage device is reduced.
例えば、当日の運転終了時刻までの時間又は当日の運転予定距離が所定値以下になったことを検出し、力行時の蓄電装置からの出力を、より低い蓄電装置の残量レベルまで許容するように切替える。 For example, it is detected that the time until the driving end time of the day or the scheduled driving distance of the day is equal to or less than a predetermined value, and the output from the power storage device during power running is allowed to a lower remaining power level of the power storage device Switch to.
これにより、翌日の始動時には、低い蓄電装置の残量となっており、発電装置からの充電により、蓄電装置を十分に暖機することができる。 Thereby, at the time of starting the next day, the remaining amount of the power storage device is low, and the power storage device can be sufficiently warmed up by charging from the power generation device.
なお、前記発電装置には、ディーゼルエンジンと発電機の組合せのほか、マイクロガスタービンと発電機の組合せや、燃料を用いて発電する燃料電池などが考えられる。以下では、発電装置として、動力発生装置(ディーゼルエンジン)と発電機の組合せを用い、蓄電装置には、2次電池を用いた場合について説明する。 In addition to the combination of a diesel engine and a generator, a combination of a micro gas turbine and a generator, a fuel cell that generates power using fuel, or the like can be considered as the power generation device. Hereinafter, a case where a combination of a power generation device (diesel engine) and a generator is used as the power generation device and a secondary battery is used as the power storage device will be described.
本発明の一実施態様によれば、効率よく、電池の暖機を実現できる鉄道車両の電池暖機方法又は装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a battery warming method or apparatus for a railway vehicle that can efficiently warm the battery.
また、本発明の一実施態様によれば、速やかな電池の暖機を実現できる鉄道車両の電池暖機方法又は装置を提供することができる。 Moreover, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a battery warming method or apparatus for a railway vehicle that can realize rapid warming of the battery.
本発明によるその他の目的及び特徴は、以下に述べる実施形態によって明らかにする。 Other objects and features of the present invention will become apparent from the embodiments described below.
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置の全体を示す概略構成図である。まず、太線で示す動力系から説明する。鉄道車両1は、主電動機2によって駆動され走行する。主電動機2としては、3相交流電動機(誘導電動機又は同期電動機)が一般的である。この3相交流電動機2に給電するために、インバータ3が搭載され、このインバータ3に対して、発電機4とコンバータ5又は電池6とチョッパ7から直流電力が供給される。発電機4は、ディーゼルエンジン等の動力発生装置8(以下、エンジンと略称)と組合され、発電装置を構成しており、3相交流電力を出力する。この3相交流電力は、コンバータ5によって、直流電力に変換され、前記インバータ3に供給される。一方、電池6は、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、鉛電池などのように充放電可能な電池で構成されている。チョッパ7は、この電池6からインバータ3の直流側への放電、あるいはインバータ3の直流側から電池6への充電の双方向制御機能を持つ昇/降圧チョッパである。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an entire control device including a battery warming-up device for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention. First, a power system indicated by a bold line will be described. The railway vehicle 1 is driven by the
次に、細線で示す制御系を述べる。公知の列車制御装置9は、マスコン10から運転手の指令を受取ってこの列車を制御する。また、後述するデータベース11及びその他からデータを入力し、前記エンジン8やエネルギー制御装置12並びに空気ブレーキ13に指令を発する。エネルギー制御装置12の詳細は後述するが、前記列車制御装置9、前記データベース11、電池6の残量及びその他からのデータを入力し、前記列車制御装置9や、充放電制御装置14に制御指令を与える。
Next, a control system indicated by a thin line will be described. A known
図2は、本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置におけるエネルギー制御装置12を中心とする機能ブロック図である。エネルギー制御装置12は、電池残存エネルギー調整部121及び制御モード決定部122を備えている。まず、電池残存エネルギー調整部121は、電池6の残存エネルギーの目標値を定めるが、通常、その電池6に好適な均衡充電状態に設定されている。そして、データベース11からの情報に基き、その日の運転終了時刻が近づくと、電池の残存充電量目標値を引き下げる。制御モード決定部122は、電池の残存充電量目標値及び電池6の実際の残量情報、並びに列車制御装置9からのノッチ情報とから、エンジン出力指令やブレーキ制御指令を決定し、列車制御装置9へ出力する。列車制御装置9は、これらの指令に基き、エンジン8、空気ブレーキ13及び充放電制御装置14を制御する。
FIG. 2 is a functional block diagram centering on the
図3は、本発明の一実施形態による電池の残存エネルギー調整部121における処理フローである。ステップ301では、車両運行ダイヤ302を読み込むか、又は、運行ダイヤに基き当日の運転終了時刻を入力する。ステップ303では、読み込んだ運転終了時刻までの時間が所定値以下になったか否かを判断する。運転終了時刻が近づくと、ステップ304に進み、電池の残存エネルギーの目標値を所定の要領で引き下げる。
FIG. 3 is a processing flow in the battery residual
図4は、本発明の一実施形態によるエンジンと電池のエネルギー分担制御の説明図である。この図は、電池6の充電量の状況に基く省エネルギー運転を表わしたもので、縦軸の充電量(残量)に対し、横軸の力行時及びブレーキ時各2種類の制御形態を示している。使用する電池6の種類に応じて、その長寿命化を図るための最適充放電範囲が決る。この実施形態では、最もエネルギー効率の良い充電量エリアを状態遷移量1〜状態遷移量2とし、長寿命化の観点から、50〜30%の範囲で充放電することが望ましい電池の場合を例に採っている。そして、上限1:60%、上限2:50%、状態遷移量1:40%、状態遷移量2:30%、下限:20%と定めている。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the energy sharing control between the engine and the battery according to one embodiment of the present invention. This figure shows energy-saving operation based on the state of charge amount of the
制御形態は、通常運転時と運転終了時刻間近の2種類に分かれる。まず、力行時について説明する。 There are two types of control modes: normal operation and close to the operation end time. First, power running will be described.
通常の力行時には、電池6の充電量が上限2(例えば50%)以上であれば、電池6は最大(予定)の放電出力とし、不足分をエンジンで補足させる。電池6の充電量が上限2(例えば50%)から状態遷移量2(例えば30%)までの理想的領域にあれば、エンジン8はその最良の燃費を発揮する回転数で運転しつつ、過不足分を電池6に充放電する。電池6の充電量が状態遷移量2(例えば30%)以下であれば、エンジン8はその出力を上げ、余剰分で電池6を充電する。
At the time of normal power running, if the charge amount of the
次に、通常のブレーキ時については、電池6の充電量が上限2(50%程度)以下であれば、無条件に回生ブレーキを用いる。また、車両が停止に向うブレーキである場合には、停止回生ブレーキ制御により、電池6の充電量上限1(約60%)まで回生を許容している。これら以上の充電量では、空気ブレーキ又は排気ブレーキを用いる。
Next, during normal braking, if the charge amount of the
これにより、エンジンと電池の協調により、回生電力を有効に活用して省エネルギー運転を図ることができ、また、電池6は、過度な充放電を避け、その長寿命化を図ることができる。
Thereby, by cooperation of an engine and a battery, the regenerative electric power can be effectively utilized to achieve an energy saving operation, and the
ところで、この列車の運転終了時刻の間近、例えば30分以内となると、電池6の残存エネルギー目標値を引き下げ、放電を1ランク余分に許容するように制御する。
By the way, when the train is close to the operation end time, for example, within 30 minutes, the residual energy target value of the
まず、力行時には、電池6の充電量が状態遷移量1(例えば40%)以上の領域まで、電池6は最大(予定)の放電出力で、不足分をエンジンで補足させる。また、電池6の充電量が状態遷移量1(例えば40%)から下限(例えば20%)間での領域まで、エンジン8をその最良の燃費を発揮する回転数で運転させ、過不足分を電池6に充放電する。電池6の充電量が下限(例えば20%)以下に達したときのみ、エンジン8はその出力を上げ、余剰分で電池6を充電する。
First, at the time of power running, the
最後に、運転終了時刻間近のブレーキ時には、電池6の充電量が状態遷移量1(例えば40%)以下でのみ、無条件に回生ブレーキを用いる。なお、車両が停止に向うブレーキである場合には、停止回生ブレーキ制御により、電池6の充電量上限2(約50%)まで回生を許容している。これら以上の充電量では、回生ブレーキを禁止し、空気ブレーキ又は排気ブレーキを用いることとしている。
Finally, at the time of braking near the driving end time, the regenerative brake is unconditionally used only when the charge amount of the
これらにより、運転終了時の電池のエネルギーを放出させ、翌日、電池の暖機に十分な充電が可能なように、充電余力を広げておくのである。この結果、1日の運転終了間近において、電池から主電動機2へのエネルギー供給を増やし、その分、エンジン燃料の消費を減らして当日の運転を終了する。この節約したエネルギーは、翌日の始動時の電池暖機運転で使用することができ、省エネルギー効果を発揮することができる。
Thus, the energy of the battery at the end of the operation is released, and the charging capacity is expanded on the next day so that the battery can be charged enough to warm up the battery. As a result, near the end of the day's operation, the energy supply from the battery to the
この実施形態を要約すると次の通りである。まず、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置4及び/又は2次電池等の電池6からの電力を主電動機2に供給する電力変換器3とを備え、電池6のエネルギー残量を考慮して発電装置4と電池6とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両1を対象とする。そして、当日の運転終了時刻までの時間が所定値以下になったことを検出(ステップ303)し、この検出に応じて、電池6のエネルギー残量に対する目標値を低下(図4)させるのである。さらに具体的には、電池6のエネルギー残量に対する目標値を、力行時の電池6からの出力を、より低い電池6の残存エネルギーレベルまで許容するように切替えている。
This embodiment is summarized as follows. First, a power generation device 4 that generates power using fuel such as an engine generator and / or a
さて、翌日の始動時の制御について、図5の処理フローを参照して説明する。 Now, the control at the start of the next day will be described with reference to the processing flow of FIG.
図5は、本発明の一実施形態によるエネルギー制御装置12における始動時の電池暖機運転の処理フロー図である。まず、ステップ501において、エンジン8が始動される。次に、ステップ502では、外気温度が所定値以下か否かを判断し、電池6の暖機運転の必要性を見極め、暖かい朝にはこの処理を終了する。暖気が必要な場合にはステップ503において、念の為、電池6のエネルギー残存量が所定値よりも少なく、充電による暖機運転が可能なことを確認する。もし、電池6のエネルギー残存量が所定値よりも多く、充電による暖機運転が不可能な場合には、ステップ508に飛んで、他の電池暖機運転を実行するしかない。例えば、電池6からヒータなどの負荷に放電させ、この放電作用による暖機が考えられる。また、負荷であるヒータの熱による暖機を併用することもできる。しかし、前述したように、本実施形態においては、1日の運転終了間近に、電池エネルギーの放出制御を実行しているので、殆どの場合において、充電が可能な状況にある。したがって、ステップ504に進んで、発電機4からの充電による電池6の暖機運転を実行する。
FIG. 5 is a process flow diagram of battery warm-up operation at startup in the
ステップ505では、電池情報506に基き、電池6の温度が所定値まで上昇したか否かを確認する。電池6の温度が所定値まで上昇すれば、この暖機運転処理を終了する。まだ、温まっていなければ、ステップ507で、電池6の残存エネルギーが上限値に達していないかを確認する。電池6の残存エネルギーが上限値に達すれば、前記ステップ508に移って、充電による暖機運転を中止し他の電池暖機運転に移行する。
In
さて、電池6の残存エネルギーが上限値に達せず、電池6の温度が所定値まで上昇しない限り、ステップ505と506の処理を繰返し、充電による電池6の暖機運転が継続される。そして、電池6の残存エネルギーが上限値に達し、前記ステップ508に移って、充電による暖機運転を中止し他の電池暖機運転に移行するか、又は、電池6の温度が所定値まで上昇して目標を達成して、この暖機運転処理を終了する。
As long as the remaining energy of the
この実施形態を要約すると、まず、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置4及び/又は2次電池等の電池6からの電力を主電動機2に供給する電力変換器3とを備えた鉄道車両1を対象としている。ここで、発電装置4の始動時に、電池6のエネルギー残量が、所定値以下であることに応じて、その上限値を限度として発電機4から電池6を充電する。これにより、効率よく、速やかに電池6の暖機を実現できる。
To summarize this embodiment, first, a railway including a power generation device 4 that generates power using fuel such as an engine generator and / or a
図6は、本発明の他の実施形態による電池の残存エネルギー調整部の処理フロー図である。この実施形態が、図3と異なる点は、ステップ601において、当日の残存運転距離を計算する点と、ステップ602で、当日の残存運転距離が所定値以下になったか否かを判断することであり、その他は図3と同様である。電池6のエネルギー充電量を所定値以下に抑制するための放電制御の開始点を、時間に代えて走行距離で判断するようにしたものである。
FIG. 6 is a process flow diagram of a battery residual energy adjusting unit according to another embodiment of the present invention. This embodiment is different from FIG. 3 in that the remaining driving distance for the day is calculated in
この実施形態においても、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置4及び/又は2次電池等の電池6からの電力を主電動機2に供給する電力変換器3とを備えた鉄道車両1において、効率よく、速やかに電池6の暖機を実現できる。
In this embodiment as well, in the railway vehicle 1 including the power generator 4 that generates power using fuel such as an engine generator and / or the
1…鉄道車両、2…主電動機、3…インバータ(電力変換装置)、4…発電装置(発電機)、5…コンバータ、6…電池(2次電池)、7…昇降圧チョッパ、8…動力発生装置(ディーゼルエンジン)、9…列車制御装置、10…マスコン、11…データベース、12…エネルギー制御装置、121…電池残存エネルギー調整部、122…制御モード決定部、13…空気ブレーキ、14…充放電制御装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Railway vehicle, 2 ... Main motor, 3 ... Inverter (power converter device), 4 ... Power generator (generator), 5 ... Converter, 6 ... Battery (secondary battery), 7 ... Buck-boost chopper, 8 ... Power Generating device (diesel engine), 9 ... Train control device, 10 ... Masscon, 11 ... Database, 12 ... Energy control device, 121 ... Battery remaining energy adjustment unit, 122 ... Control mode determination unit, 13 ... Air brake, 14 ... Charging Discharge control device.
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