JP4875633B2 - 車両及びその充電制御方法 - Google Patents

車両及びその充電制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、定められた軌道を走行し、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、充電装置及び蓄電装置の制御機器類を簡素化可能にした車両の構成及び該車両の充電制御方法に関する。
近年、例えばLRV(Light Rail Vehicle)と称される超低床型の路面電車が開発・研究されている。LRVは、近距離交通用として、定められた道路路面を走行し、単車もしくは連接車両で構成されている。原則として単車運行する路面電車・路線バスに対し、1編成当りの輸送力が大きい。低床式路面電車は、曲率半径20mR以下の通過と、バリアフリー化のための低床構造を実現するため、車体及び台車の構造は以下のようになっている。
即ち、連接車両の場合、車体は通常の鉄道車両に比較し、短い車体の端をピンにて連結した連結構造をなし、連接部にはダンパやバネを設け、回転の動きに抑制をかけ、高速走行時の安定性を確保している。台車は、前部及び後部の両先頭車に配置され、中間車は1両置きに1車体1台車で配置される。LRVとしては他の配置・構成のものもあるが、台車の車輪は左右独立車輪で左右の車輪間を低く構成し、車両の床が前後に低く通せる構造になっている。
路面電車では、軌道に沿って架線を配置し、車体に架線から電力を得る集電装置を装備して、架線から電力の供給を受けて走行するが、最近では、部分的に架線レス区間を有し、車体に蓄電装置及び充電装置を装備して、架線レス区間では該蓄電装置の電力で車輪駆動モータを駆動する路面電車も出現している。このように、車体に蓄電装置及び充電装置を装備すると、これらを制御する回路構成が複雑になりやすい。
例えば特許文献1(特開2006−115693号公報)には、バッテリ駆動の鉄道列車の構成が開示されている。特許文献1の図5は、直流架線からの受電による充電装置の構成が開示され、図6には、交流架線からの充電による充電装置の構成が開示されている。これの充電装置は、架線からバッテリに充電する機能に加え、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能を有している。
特許文献2(特開2006−340561号公報)に、特許文献1と同様に、バッテリと集電装置とを搭載した電気車において、架線からバッテリに充電する機能に加え、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能を有した回路装置が開示されている。以下、この回路装置を図4に基づいて説明する。
図4において、この回路装置は、電気車の動力電源を供給するための集電装置050、フィルタリアクトル051、フィルタコンデンサ052、電圧と電流を制御するインバータ053、グランドレベルの電圧の車輪055及び車輪055を駆動するモータ054からなる主回路0200と、主回路0200の集電装置050とフィルタリアクトル051との間に直列に接続され、集電装置050の電流値を集電装置点電流値Ioとして検出する電流検出器011と、電気車の力行時には主回路0200に電力を供給し、回生時には電力を蓄える蓄電装置065と、主回路0200と蓄電装置065の間に並列に接続され、主回路0200から蓄電装置065への電源供給又は主回路0200への蓄電装置065からの電源供給を制御するチョッパ装置主回路0106と、蓄電装置065の電圧を蓄電装置電圧値VBとして検出する電圧検出器014と、電圧検出器014で検出した蓄電装置電圧値VBを入力とし、当該蓄電装置電圧値VBに基づいて算出した蓄電装置調整電流指令値Iaを出力する調整充放電制御部0103と、電流検出器011で検出された集電装置点電流値Ioをオフセット制御して入力とし、当該集電装置点電流値Ioに基づいて算出した蓄電装置充電電流指令値Icを出力する充電制御部0101と、電圧検出器11で検出された集電装置点電流値Ioをオフセット制御して入力し、当該集電装置点電流値Ioに基づいて算出した蓄電装置放電電流指令値Ipを出力する放電制御部0102と、充電制御部0101から出力された蓄電装置充電電流指令値Icと放電制御部0102から出力された蓄電装置放電電流指令値Ipとを加算した値である蓄電装置電流指令値Iを入力とし、当該蓄電装置電流指令値Iに基づいて算出した通流率αを出力する蓄電装置電流制御部0104と、蓄電装置電流制御部0104から出力された通流率αを入力とし、当該通流率αに基づいて、チョッパ装置主回路0106の蓄電装置065に対する電源供給の制御を行なうための信号(上アーム点弧信号PH、下アーム点弧信号PL)を生成し、該信号PH、PLをチョッパ装置主回路0106へ出力するPWM変調部0105と、を備える。
特開2006−115693号公報(図5、図6) 特開2006−340561号公報
特許文献1又は特許文献2に開示された、架線からバッテリに充電する機能と、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能という双方向の電力供給機能を有した回路装置は、図4に示すように、回路構成が複雑となり、高コストとなるという問題がある。
即ち、図4の回路構成は、集電装置050とフィルタリアクトル051間に電圧検出器011を設け、電圧検出器011の電流検出値をチョッパ装置制御回路0100の充電制御部0101及び放電制御部0102で検知しながら、充電制御部0101及び放電制御部0102と、これらに調整充放電制御部0103を加えて、回生電力を蓄電装置065に供給するか、あるいは架線に供給するかの判別を行なっている。
そのため、電圧検出器011、充電制御部0101、放電制御部0102及び調整充放電制御部0103等の機器を要し、充電制御部が複雑になるという問題がある。
そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、その充電制御手段を簡素化し、低コストとすると共に、低コストな充電制御方法を実現することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の車両は、
架線から得た直流電力を変圧して出力する直流変圧回路を含んでなる集電装置と該集電装置から出力された電力を蓄電可能な蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、
集電装置から出力された電流から蓄電装置に流れる充電電流を減算した電流を、インバータを介して車輪駆動モータに供給することにより前記車輪駆動モータを力行する充電装置主回路、及び該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御することにより前記蓄電装置の充電を制御する充電制御部からなる充電装置と、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備え、
前記充電制御部は、前記蓄電装置の電圧が設定電圧以下になるように前記集電装置から出力される電流の目標値である電流指令値を設定し、前記集電装置から出力される電流値が前記設定された電流指令値になるようにフィードバック制御することにより、架線区間では架線電力の一部を該蓄電装置に該蓄電装置が設定電圧になるまで充電し、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにしたものである。
本発明の車両では、回生ブレーキで得た回生電力を集電装置に供給せずに蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路を備え、該回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたので、充電装置及びその制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。
また、本発明の車両において、架線区間では前記充電制御部により前記蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するように構成したので、架線区間において、蓄電装置の過充電を防止できる。そのため、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。
本発明の車両において、蓄電装置が設定電圧に達していないときは回生電力を該蓄電装置で回収し、該蓄電装置が設定電圧に達しているときは回生電力を熱に変換して消費するように構成するとよい。かかる構成により、蓄電装置を常に高い充電状態に保持することができると共に、蓄電装置の過充電を防止できる。これによって、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。なお、通常、回生電力を熱として消費しないよう回生電力分の電圧上昇を見越して蓄電装置の電圧を設定しておく。蓄電装置が過充電となるおそれがあるときは、熱として消費する。
また、本発明の車両において、好ましくは、前記充電制御部に、前記充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させる定電流定電圧制御部を備え、該定電流定電圧制御部によって、充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないように制御するとよい。これによって、蓄電装置を短時間で設定電圧に到達できると共に、蓄電装置を設定電圧以下の電圧に確実に保持することができる。
また、本発明の車両の充電制御方法は、
架線から得た直流電力を変圧して出力する直流変圧回路を含んでなる集電装置と該集電装置から出力された電力を蓄電可能な蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、
前記集電装置から出力された電流から前記蓄電装置に流れる充電電流を減算した電流を、インバータを介して車輪駆動モータに供給することにより前記車輪駆動モータを力行させて走行し、
前記蓄電装置の電圧が設定電圧以下になるように前記集電装置から出力される電流の目標値である電流指令値を設定し、前記集電装置から出力される電流値が前記設定した電流指令値になるようにフィードバック制御することにより、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電し、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにし、
回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたものである。
本発明方法では、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、架線区間で車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持することができるので、蓄電装置の充電状態を気にすることなく、架線レス区間へ乗り入れることができる。
また、回生ブレーキで得た回生電力を集電装置に供給せずに蓄電装置にのみ回収するようにしたので、充電装置及びその制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。
また、本発明方法では、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するので、架線レス区間でも車両の走行が可能になる。
本発明方法において、好ましくは、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないようにするとよい。これによって、蓄電装置を短時間で設定電圧に到達できると共に、蓄電装置を設定電圧以下の電圧に確実に保持することができる。
本発明の車両によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、集電装置から得た電力に蓄電装置が保有する電力を付加し、インバータを介して車輪駆動モータに供給する充電装置主回路、及び該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御する充電制御部からなる充電装置と、回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備えたことにより、充電装置及び蓄電装置のコンパクト化が可能になる。
また、本発明方法によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電するようにし、回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたことにより、架線区間でも蓄電装置を高い充電状態に保ち、充電状態を気にすることなく架線レス区間への乗り入れができ、かつ充電装置及び蓄電装置のコンパクト化が可能になる。また、蓄電装置の過充電を防止でき、これによって、蓄電装置の故障を防ぎ、長寿命化することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではない。
(実施形態1)
本発明の第1の実施形態を図1及び図2に基づいて説明する。図1は、本実施形態に係る部分架線レス路面電車の充電装置及び蓄電装置を含むブロック線図、図2は、蓄電装置の充電方法を示す線図である。本実施形態に係る路面電車の軌道は、地形的な理由又は一部路線だけ後から追設した等の理由により、部分的に架線レス区間を有するものである。
図1において、路面電車1は定められた走行路面(部分架線レス軌道)を走行する。走行路面にはレール10が敷設され、該レール10上を車輪11が走行する。路面電車1の屋根1aに集電装置としてのパンタグラフ4が設けられている。パンタグラフ4は、架線区間において給電用の架線3に接触して受電する。パンタグラフ4は、DC/DCコンバータ(充電装置)2を構成するDC/DCコンバータ主回路21に接続される。DC/DCコンバータ主回路21は、給電回路5によって、フィルタリアクトル6及びインバータ7を介して三相誘導モータ8に接続されている。
また、給電回路5と並列にアース回路9が設けられている。アース回路9の一端は車輪10に接続されると共に、アース回路9の他端は、インバータ7に接続され、給電回路5とアース回路9間には、並列に電圧検出器12、バッテリ(蓄電装置)13及びフィルタコンデンサ14が接続されている。そして、回生ブレーキによって三相誘導モータ8に発生した回生電力は、給電回路5を介してバッテリ13に充電される。
DC/DCコンバータ2は、DC/DCコンバータ制御回路22を備え、DC/DCコンバータ制御回路22は、CC−CV(定電流定電圧)制御部23とPWM変調部24とで構成されている。電圧検出器12でバッテリ13の電圧が検出され、その電圧検出値がCC−CV制御部23に入力される。また、DC/DCコンバータ主回路21の電流検出値がCC−CV制御部23に入力される。
これらの入力値に基づいて、CC−CV制御部23でDC/DCコンバータ主回路21の出力電流指令値(Idc指令)が算出され、該出力電流指令値(Idc指令)がPWM変調部24に入力される。PWM変調部24では、入力された出力電流指令値(Idc指令)に基づいて、DC/DCコンバータ主回路21にゲート信号を発信する。DC/DCコンバータ主回路21では、PWM変調部24から入力されたゲート信号に基づいて,給電回路5に電流Idcが出力される。
かかる構成の本実施形態において、架線3が設置された架線区間では、架線3からの電力供給によるDC/DCコンバータ主回路21の出力電流Idcからバッテリ13の充電電流Ibattを減算したものが、負荷電流Iloadであり、負荷電流Iloadがインバータ7を介して三相誘導モータ8を駆動する。そして、三相誘導モータ8によって車輪11を駆動する。これによって、車両1の力行中もバッテリ13を高い充電状態に保持できる。架線レス区間では、バッテリ13からの放電により車輪11を駆動する。
また、架線区間でバッテリ13を設定電圧以下の電圧に保持しながらバッテリ13に充電する。即ち、CC−CV制御部23によって、次に説明する定電流定電圧制御を行なう。この充電制御を図2に基づいて説明する。図2において、充電初期において充電電圧Eが比較的低いうちは一定電流値Isを保持しながら充電する(定電流領域Zi)。そしてこの状態で電圧値が上昇する。充電電圧Eが設定電圧Esに達したら、充電電流Iを減少させて、充電電圧Eを設定電圧Esに維持する(定電圧領域Zv)。なお、この定電流定電圧制御は、例えば、特開平5−111184号公報に開示されている(特に図1及び図3)。
このような定電流定電圧充電制御を行なうことによって、バッテリ13の過充電を防止でき、これによって、バッテリ13の故障を防ぎ、バッテリ13を長寿命とすることができる。
さらに、回生ブレーキで三相誘導モータ8に得た回生電力は、架線3に供給せずに、給電回路5を介してバッテリ13にのみ回収するように構成されている。これによって、充電制御回路をコンパクト化でき、イニシャルコストを低減することができる。なお、回生電力を熱として消費しないように、予め回生電力分の電圧上昇を見越してバッテリ13の電圧を設定しておく。バッテリ13が過充電となるおそれがあるときは、熱として消費する。
本実施形態の回路構成と、図4に示す特許文献2の回路構成と比較すると、本実施形態では、特許文献2の回路構成に配設された、集電装置050を流れる電圧を検出している電圧検出器011と、回生電力の架線又は蓄電装置065への電力供給を切替え制御している充電制御部0101、放電制御部0102及び調整充放電制御部0103とをなくすことができる。
なお、本実施形態の路面電車1は、DC/DCコンバータ2及びバッテリ13を搭載しているので、架線3が付設されていない場所、例えば車両基地等で自由走行することができる。
(実施形態2)
次に、本発明をゴムタイヤ式の新交通システムに適用した第2実施形態を図3に基づいて説明する。図3において、本実施形態に係る新交通システム車両30が部分的に架線レスとなっている平面軌道31を走行する。本実施形態では、給電用の架線32は、平面軌道31の側方に立設された支持壁34に支持固定されている。そして、給電用のパンタグラフ33は、新交通システム車両30の車体の該架線32に対面する位置に取り付けられている。また、車両30の内部には、図1に示す充電及び蓄電装置が搭載されている。
かかる構成において、新交通システム車両30の側方に設けられた架線32からパンタグラフ33を介して充電及び蓄電することができる。本実施形態の充電及び蓄電装置の構成及び充電及び蓄電方法は、前記第1実施形態と同一である。
本実施形態によれば、新交通システム車両30が第1実施形態と同一構成の充電及び蓄電装置を搭載しているので、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、パンタグラフ33が新交通システム車両30の車体の側面に取り付けられているので、パンタグラフ33の構造を簡素化することができる。また、架線32及びパンタグラフ33が車体側面の地面から低い場所に設置されているので、メンテナンスが容易である。
本発明によれば、架線から電力を得る集電装置と蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、車両に搭載する充電制御手段を簡素化し、低コストとすることができると共に、架線レス区間での安定走行を可能とする。
本発明の第1実施形態に係る車両に搭載された充電装置及び蓄電装置のブロック線図である。 前記第1実施形態の充電制御方法を示す線図である。 本発明の第2実施形態に係る車両の正面図である。 従来の電気車の充電及び蓄電装置の回路図である。
符号の説明
1 路面電車
2 DC/DCコンバータ(充電装置)
3、32 架線
4、33 パンタグラフ(集電装置)
5 給電回路(回生電力回収回路)
7 インバータ
8 三相誘導モータ(車輪駆動モータ)
10 レール(部分架線レス軌道)
11 車輪
13 バッテリ(蓄電装置)
21 DC/DCコンバータ主回路(充電装置主回路)
22 DC/DCコンバータ制御回路(充電制御部)
23 CC−CV制御部(定電流定電圧制御部)
30 新交通システム車両
31 平面軌道(部分架線レス軌道)

Claims (5)

  1. 架線から得た直流電力を変圧して出力する直流変圧回路を含んでなる集電装置と該集電装置から出力された電力を蓄電可能な蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両において、
    集電装置から出力された電流から蓄電装置に流れる充電電流を減算した電流を、インバータを介して車輪駆動モータに供給することにより前記車輪駆動モータを力行する充電装置主回路、及び該充電装置主回路の出力電力の電圧値及び電流値を制御することにより前記蓄電装置の充電を制御する充電制御部からなる充電装置と、
    回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収する回生電力回収回路と、を備え、
    前記充電制御部は、前記蓄電装置の電圧が設定電圧以下になるように前記集電装置から出力される電流の目標値である電流指令値を設定し、前記集電装置から出力される電流値が前記設定された電流指令値になるようにフィードバック制御することにより、架線区間では架線電力の一部を該蓄電装置に該蓄電装置が設定電圧になるまで充電し、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにしたことを特徴とする車両。
  2. 前記蓄電装置が設定電圧に達していないときは回生電力を該蓄電装置で回収し、該蓄電装置が設定電圧に達しているときは回生電力を熱に変換して消費するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の車両。
  3. 前記充電制御部に、前記充電装置主回路の出力電力を、蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させる定電流定電圧制御部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の車両。
  4. 架線から得た直流電力を変圧して出力する直流変圧回路を含んでなる集電装置と該集電装置から出力された電力を蓄電可能な蓄電装置を車体に搭載し、部分的に架線レスの軌道を走行する車両の充電制御方法において、
    前記集電装置から出力された電流から前記蓄電装置に流れる充電電流を減算した電流を、インバータを介して車輪駆動モータに供給することにより前記車輪駆動モータを力行させて走行し、
    前記蓄電装置の電圧が設定電圧以下になるように前記集電装置から出力される電流の目標値である電流指令値を設定し、前記集電装置から出力される電流値が前記設定した電流指令値になるようにフィードバック制御することにより、架線区間では架線からの電力供給で車輪駆動モータを駆動することにより、車両の力行中も蓄電装置を高い充電状態に保持すると共に、該蓄電装置を設定電圧以下の電圧に保持しながら該蓄電装置に充電し、架線レス区間では蓄電装置から放電して車輪駆動モータを駆動するようにし、
    回生ブレーキで得た回生電力を該集電装置に供給せずに該蓄電装置にのみ回収するようにしたことを特徴とする車両の充電制御方法。
  5. 蓄電装置の電圧が設定電圧より低い時は定電流で蓄電装置に充電し、蓄電装置が設定電圧に達した後は、該設定電圧を維持しながら供給電流値を減少させることにより、蓄電装置が設定電圧を超えないようにしたことを特徴とする請求項4に記載の車両の充電制御方法。
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