JP4809271B2 - 電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システム - Google Patents
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Description
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」、電気学会研究会資料SPC−04−177、2004年12月17日 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」、電気学会全国大会5−176、2005年3月17日
図1は、本発明の第1の実施形態に係る蓄電装置システムを備えた電気車両の回路構成を示す図である。
Vp+Vb=Vinv ・・・(1)
Pp=Ip・Vp ・・・(2)
Ps=Ip・Vb ・・・(3)
Pinv=Ip・Vinv ・・・(4)
Vb=D1・V1+D2・0=D1・V1 ・・・(5)
D1=Vbref/V1 ・・・(6)
D2=1−D1 ・・・(6’)
ここで、昇圧電圧指令値Vbrefは、インバータ入力電圧指令値Virefを用いて、次式(7)によって算出される。なお、実際には、式(7)によって算出された昇圧電圧指令値に対して、電圧降下の補償等が施されるが、これについては後で説明する。
Vbref=Viref−Vp ・・・(7)
力行昇圧モードにおいては、インバータ入力電流Iinvが正の値をとる(Iinv>0)。力行昇圧モードにおいて、トランジスタQ2b及びQ1bは、常にオフ状態としておき、トランジスタQ2aは、常にオン状態としておく。ここで、トランジスタQ1aをオン状態とすることにより、ノードAから、ダイオードQd1b、キャパシタC1、トランジスタQ1aを介して、ノードBに向けて電流が流れる。その際に、キャパシタC1が放電される。また、トランジスタQ1aをオフ状態とすることにより、ノードAから、ダイオードQd2b及びトランジスタQ2aを介して、ノードBに向けて電流が流れる。このように、トランジスタQ1aを適宜スイッチングして転流を高速に繰り返すことにより、所望の昇圧電圧Vbが確保される。
力行昇圧モードにおいては、インバータ入力電流Iinvが正の値をとる(Iinv>0)。力行昇圧モードにおいて、トランジスタQ2bは、常にオフ状態としておく。ここで、トランジスタQ1aをオン状態とすることにより、ノードAから、キャパシタC1及びトランジスタQ1aを介して、ノードBに向けて電流が流れる。その際に、キャパシタC1が放電される。また、トランジスタQ1aをオフ状態とすることにより、ノードAから、ダイオードQd2bを介して、ノードBに向けて電流が流れる。このように、トランジスタQ1aを適宜スイッチングして転流を高速に繰り返すことにより、所望の昇圧電圧Vbが確保される。
図7は、シミュレーションモデルを示す回路図であり、図8は、シミュレーションモデルにおける回路定数を示す図である。この動作シミュレーションにおいては、式(5)〜(7)の他に、図4に示す低周波リップルダンピング制御部440による低周波リップルダンピング制御を適用している。なお、インバータ入力電圧指令値Virefは、1800Vに設定されている。
図10に、解析のための等価回路を示す。ここで、パンタ電圧Vp及びインバータ入力電流Iinvが一定であるものと仮定する。この等価回路における関係式は、次式(8)によって表される。
Vbref=a×t (0≦t≦τ)
このような昇圧電圧指令値Vbrefを用いてPWM制御を行うことにより、出力電圧Vb0のパルス幅を次第に変化させる。ここで、解析を簡単にするために、スイッチングを考慮せずに、Vb0=Vbrefと仮定すると、出力電圧Vb0のラプラス変換は、次式(12)によって表される。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る蓄電装置システムを備えた電気車両の回路構成を示す図である。第2の実施形態においては、蓄電装置30が、架線側ではなく、帰線側に挿入されている。これに伴い、第2のローパスフィルタ80は、蓄電装置30とインバータ60との間に挿入されたフィルタリアクトル82と、インバータ60に並列に接続されたフィルタコンデンサ83とによって構成される。その他の点に関しては、図1に示す第1の実施形態と同様である。本発明の第2の実施形態によれば、蓄電装置30の対地絶縁耐圧を下げることができる。
2 レール
11 パンタグラフ
12 車輪
20、50、80 ローパスフィルタ
21、51、82 フィルタリアクトル
22、52、83 フィルタコンデンサ
30 蓄電装置
40 制御部
410 減算部
420 電圧降下補償部
430 加算部
440 低周波リップルダンピング制御部
441 減算部
442 バンドパスフィルタ処理部(BPF)
443 ゲイン調整部
450 加算部
460 動作モード決定部
470 乗算部
480 通流率演算部
490 ゲート制御部
60 VVVFインバータ
70 主電動機
Claims (11)
- 架線を介して電力が供給されるパンタグラフと、接地電位のレールに接触する車輪と、力行時に交流電圧が供給されて前記車輪を駆動すると共に、回生時に前記車輪にブレーキ力を発生させて交流起電力を生じる電動機と、力行時に供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機に供給すると共に、回生時に前記電動機において生じた交流起電力に基づいて直流電圧を発生するインバータとを有する電気車両において、前記パンタグラフ又は前記車輪と前記インバータとの間に少なくとも1つのローパスフィルタを介して直列に接続される第1の端子及び第2の端子を有する蓄電装置であって、
前記第1の端子と前記第2の端子との間に直列に接続された蓄電素子及び第1のスイッチ回路を含む第1列の回路であって、前記第1のスイッチ回路が、並列に接続された第1のトランジスタ及び第1のダイオードを含む、前記第1列の回路と、
前記第1の端子と前記第2の端子との間に接続された第2のスイッチ回路を含む第2列の回路であって、前記第2のスイッチ回路が、並列に接続された第2のトランジスタ及び第2のダイオードを含む、前記第2列の回路と、
前記第1の端子と前記第2の端子との間に接続された機械的スイッチを含む第3列の回路と、
を具備し、力行時において、前記第1のトランジスタがオン状態とされた場合に、前記第1のトランジスタが前記蓄電素子を放電させつつ前記第1の端子から前記第2の端子に向けて電流を流し、前記第1のトランジスタがオフ状態とされた場合に、前記第2のダイオードが前記第1の端子から前記第2の端子に向けて電流を流し、回生時において、前記第2のトランジスタがオン状態とされた場合に、前記第2のトランジスタが前記第2の端子から前記前記第1の端子に向けて電流を流し、前記第2のトランジスタがオフ状態とされた場合に、前記第1のダイオードが前記蓄電素子を充電させつつ前記第2の端子から前記第1の端子に向けて電流を流す、前記蓄電装置。 - 前記蓄電素子の両端間に直列に接続された抵抗及びキャパシタを含むスナバ回路をさらに具備する請求項1記載の蓄電装置。
- 請求項1又は2記載の蓄電装置と、
前記電気車両の動作モードとして、力行時に前記蓄電装置によって昇圧を行う力行昇圧モードと、回生時に前記蓄電装置によって昇圧を行う回生昇圧モードと、昇圧を行わない待機モードとの内のいずれかを選択し、力行昇圧モード及び回生昇圧モードにおいて、前記第1及び第2のトランジスタのオン/オフを制御すると共に、待機モードにおいて、機械的スイッチをオンさせる制御手段と、
を具備する蓄電装置システム。 - 前記制御手段が、前記蓄電装置を流れる電流の値と前記蓄電素子の両端間の電圧の値とに基づいて、力行昇圧モードと回生昇圧モードと待機モードとの内のいずれかを選択する、請求項3記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、前記蓄電装置を流れる電流が設定範囲内である場合に、待機モードを選択し、前記蓄電装置を流れる電流が前記設定範囲よりも小さいときに、前記蓄電素子の両端間の電圧が第1の設定値よりも小さい場合に待機モードから回生昇圧モードに遷移し、前記蓄電素子の両端間の電圧が増加して第1の設定値よりも大きくなった場合又は前記蓄電装置を流れる電流が設定範囲内になった場合に回生昇圧モードから待機モードに遷移し、前記蓄電装置を流れる電流が前記設定範囲よりも大きいときに、前記蓄電素子の両端間の電圧が第2の設定値(第1の設定値>第2の設定値)よりも大きい場合に待機モードから力行昇圧モードに遷移し、前記蓄電素子の両端間の電圧が減少して第2の設定値よりも小さくなった場合又は前記蓄電装置を流れる電流が設定範囲内になった場合に力行昇圧モードから待機モードに遷移する、請求項4記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、動作モードの遷移の条件にヒステリシス特性を持たせる、請求項5記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、少なくともインバータ入力電圧指令値とパンタグラフに印加される電圧の値とに基づいて、前記蓄電装置における昇圧電圧を定める昇圧電圧指令値を求め、該昇圧電圧指令値に基づいて前記第1又は第2のトランジスタがオン又はオフする期間を決定する、請求項3〜6のいずれか1項記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、前記蓄電装置を流れる電流の値と前記インバータの入力電流の値との差分を求め、該差分にバンドパスフィルタ処理及びゲイン調整を施して得られる値を用いて昇圧電圧指令値を修正する、請求項7記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、前記蓄電装置を流れる電流の値と前記インバータの入力電流の値との差分に、前記蓄電装置の第1の端子に接続されているローパスフィルタとインバータ入力部のローパスフィルタとの共振周波数が含まれる周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ処理を施す、請求項8記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、動作モードを切り換える際に、昇圧電圧指令値の立上がり及び/又は立下がりの変化を滑らかにする、請求項7〜9のいずれか1項記載の蓄電装置システム。
- 前記制御手段が、前記蓄電装置の第2の端子に接続されているローパスフィルタの共振周期の自然数倍の期間において、ランプ関数に従って、昇圧電圧指令値の立上がり及び/又は立下がりの変化を滑らかにする、請求項10記載の蓄電装置システム。
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