JP5045156B2 - 充放電制御装置及びそれを用いた鉄道車両 - Google Patents
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Description
(II)が起こる。
(II)電気容量が減る
この電気容量とは、蓄電池に無理なく蓄電できる電荷量である。電気容量を越えて無理に蓄電すると、蓄電池が変質したり、破裂する恐れがある。現象(I),(II)の程度は、蓄電池の種類や、充電/放電するタイミング、充放電時の電流の大きさ等の様々な要因で変わる。
これは、SOCが蓄電池の電圧(開回路電圧)と関係が深く、開回路電圧を測れば比較的容易にSOCを求められるためである。SOCに注意した具体的な制御としては、SOCに上限値・下限値を設け、これを越えないように充電・放電電流を制限するという方法がよく採られる。この時、先の現象(I)の抵抗のずれで充放電電流がアンバランスに分流するという現象や、蓄電量が同じであっても電気容量のずれでSOCがずれるという式
(1)から導かれる現象により、ある蓄電池だけ先にSOCが制限値に達するということが起こる。これを検知して充放電を止めると、他の蓄電池にまだある充放電余力を活用できない。こうして、並列された蓄電池のSOC格差は、組電池の性能を低下させる。
(下限)まで充電(放電)し切った時点で充電(放電)を停止すると、他の蓄電池を充電(放電)し切れない。その結果、組電池全体が発揮できる充電(放電)能力が低下し、システムの性能が低下する。
(Qmax1):蓄電池Bdの蓄電可能な電荷量(Qmax2)=1:qとなっている(q<1)。初期状態として、両蓄電池ともSOCが等しい状態を仮定する(この時、式(1)から、蓄電池Bに蓄電された電荷量(Q1):蓄電池Bdに蓄電された電荷量(Q2)=1:q)。
SOC1(T)=(∫i1(t)dt+Q1)÷Qmax1,SOC2(T)
=(∫i2(t)dt+Q2)÷Qmax2 (2)
である(積分区間は充電開始時点から時刻Tまで)。初期状態では電池Bと電池Bdの開回路電圧が等しいので、分流比は内部抵抗比に従い、電流i1:電流i2=p:1である。これから、両蓄電池のSOCの変化率(d/dt)SOC1,(d/dt)SOC2の間には以下の関係が成り立つ。
=(p×q)×(d/dt)SOC2 (3)
すなわち、充電当初、劣化が小さい蓄電池BのSOCは、劣化が大きい蓄電池Bdの
SOCの(p×q)倍の速さで増える。実際には充電に伴い、SOCの格差で開回路電圧に差が生じ、分流比は若干変化するが、この関係はおおむね成り立つ。p,qの大きさについては、例えばあるリチウムイオン電池を計測したところ、内部抵抗が2倍(p=2)になるまで劣化した時に、蓄電可能な電荷量はおよそ75%(q=0.75 )になるという結果がある。この時、(p×q)=(2×0.75)=1.5>1である。もし特性の異なる蓄電池において(p×q)<1であれば、充電時、劣化が大きい蓄電池BdのSOCの方が、劣化が小さい蓄電池BのSOCよりも速く増加する。この場合は、以下において、劣化が大きい蓄電池Bdと劣化が小さい蓄電池Bを読み替えれば同様の議論が成り立つ。ここでは(p×q)>1として話を進める。
soc2が蓄電池BdのSOCである。時刻0から充電を開始し、時刻T1で充電を停止する。この間、実線soc1は、実線soc2の(p×q)倍の傾きで増加する。時刻
T1で充電を停止する理由は、蓄電池のSOCがSOCmax を越えないようにするためである。例えばSOCmax を100%と考えれば、時刻T1での充電の停止は、無理なく安全に蓄電池を利用するため実用的な措置である。なお、SOCをあまり大きく増減させると、蓄電池の劣化が急速に進むことが知られているため、実用上はSOCmax を100%未満の適当な値(例えば70%)に設定することも少なくない。充電停止直後は、蓄電池BのSOCが蓄電池BdのSOCより大きいため、蓄電池Bの電圧が蓄電池Bdの電圧より大きい。したがって、時刻T1以降、蓄電池Bから蓄電池Bdへ電流が流れ、やがて両蓄電池のSOCは平衡する。
SOC(T)=SOCo+∫i(t)dt÷Q (4)
を計算して求める。積分区間は、初期SOCを採った時刻からT秒間である。
SOC[k]=SOCo+Σ{j=1:k}i[j]×s (5)
という離散近似式となる。SOC[k]はk周期後のSOCである。Σ{j=1:k}i[j]は、初期SOCを採った時刻からk周期後までの、周期毎の電流値の積算である。周期sは電池監視ユニットam2の処理能力に依存するため、いくらでも小さくできるわけではなく、周期間を無視したことによる誤差(サンプル誤差)が出る。式(5)を長時間に渡り計算するうちに、サンプル誤差や、電流計ai2が含む誤差が蓄積し、求められたSOCの精度が落ちる。そのため、適当なタイミングで初期SOCoを再計算し、精度の向上を図ることもできる。
(ここでは遮断器abr1と遮断器abr2の2つ)を通電できる状態へ再び切り替える処理である。処理f3に到達するのは、充電中に全ての蓄電池のSOCがCmaxとなった時、または放電中に全ての蓄電池のSOCがCminとなった時である。全てのSOCがCmaxの状態では、更に充電すべきではない。全てのSOCがCminの状態では、更に放電すべきではない。それぞれの状況に応じ、電池統括ユニットatが充放電手段acにその旨を通知し、充放電手段acの側で組電池への充電や放電を止める。したがって、組電池に次に要求されるのは、全てのSOCがCmaxの時は放電、全てのSOCがCminの時は充電である。本処理により、予め全ての蓄電池を通電できる状態にしておけば、放電が要求された時点で直ちに、全ての蓄電池を使った要求通りの放電ができる。もし全ての電池を通電できない状態にすると、組電池への通電量は0となり、組電池に充電や放電が要求されても、電池電流からその要求を検知できず、再び通電できる状態に戻す最適なタイミングが分からなくなる。もし最後の1つの蓄電池を遮断せずに残しておくと、この蓄電池に流れる電流を検知し、他の蓄電池を通電できる状態に再び切り替えるまでの間は、十分に放電できなくなる。よって、処理f3のタイミングで全ての蓄電池を通電できる状態に再び切り替える方法が、次の充電や放電に最も素早く対応できる方法である。処理f3を実行した後、処理f7に移る。
abr1,abr2 遮断器
adc1,adc2 SOC検知手段
adj 遮断制御部
ai1,ai2 電流計
av1,av2 電圧計
ac 充放電手段
am1,am2 電池監視ユニット
at 電池統括ユニット
B,Bd 蓄電池
ocv,ocv2 可変電圧源
R,R2 内部抵抗
ichg,i1,i2 電流
Ea 組電池のエネルギ
S1x,S2x,S1,S2 SOC
bat 充放電制御装置
cmd 運転装置
inv インバータ
eng エンジン
m1,m2 モータ
w1,w2 車軸
vel 走行パターン
Claims (22)
- 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、
前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、
前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、
前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有し、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、
前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、
前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、
前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有し、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、
前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、
前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、
前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有し、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、
前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、
前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、
前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有し、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項1または請求項4に記載の充放電制御装置において、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項1、請求項2、請求項4、請求項5のいずれかに記載の充放電制御装置において、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項1に記載の充放電制御装置において、
前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項7に記載の充放電制御装置において、
前記遮断制御部は、
制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替え、
制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の充放電制御装置において、
前記各蓄電池ユニットへ流れる電流を検知する複数の電流検知部を有し、
前記複数の充電容量検知部の各充電容量検知部は、前記電流検知部で検知された電流値に基づいて充電容量を算出することを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項9記載の充放電制御装置において、
前記各蓄電池ユニットに印加された電圧を検知する複数の電圧検知部を有し、
前記複数の充電容量検知部の各充電容量検知部は、前記電流検知部で検知された電流値と前記電圧検知部で検知された電圧値に基づいて充電容量を算出することを特徴とする充放電制御装置。 - 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の充放電制御装置において、
前記複数の遮断部の通電状態に応じて前記複数の蓄電池ユニットの充放電電流を増減させることを特徴とする充放電制御装置。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有する充放電制御装置と、
複数のモータと、
前記充放電制御装置から出力された電力を用いて前記複数のモータを制御するインバータと、
前記複数のモータとは独立して複数の車軸を制御するエンジンと、
前記インバータ及び前記エンジンに運転指令を出力する運転装置と、を有し、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有する充放電制御装置と、
複数のモータと、
前記充放電制御装置から出力された電力を用いて前記複数のモータを制御するインバータと、
前記複数のモータとは独立して複数の車軸を制御するエンジンと、
前記インバータ及び前記エンジンに運転指令を出力する運転装置と、を有し、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有する充放電制御装置と、
複数のモータと、
前記充放電制御装置から出力された電力を用いて前記複数のモータを制御するインバータと、
前記複数のモータとは独立して複数の車軸を制御するエンジンと、
前記インバータ及び前記エンジンに運転指令を出力する運転装置と、を有し、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 並列接続された複数の蓄電池ユニットと、前記複数の蓄電池ユニットの各蓄電池ユニットと直列に接続され、通電状態と遮断状態を制御する複数の遮断部と、前記各蓄電池ユニットの充電容量を検知する複数の充電容量検知部と、前記複数の遮断部を制御する遮断制御部と、を有する充放電制御装置と、
複数のモータと、
前記充放電制御装置から出力された電力を用いて前記複数のモータを制御するインバータと、
前記複数のモータとは独立して複数の車軸を制御するエンジンと、
前記インバータ及び前記エンジンに運転指令を出力する運転装置と、を有し、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 請求項12または請求項15に記載の充放電制御装置において、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 請求項12、請求項13、請求項15、請求項16のいずれかに記載の充放電制御装置において、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 請求項12に記載の充放電制御装置において、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 請求項18に記載の充放電制御装置において、
前記充放電制御装置の前記遮断制御部は、
制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが充電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量以上である場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが1つ以下の場合、前記複数の遮断部のすべてを通電状態に切り替え、
制御する遮断部に接続された蓄電池ユニットが放電中の場合、且つ前記充電容量検知部で検知された前記各蓄電池ユニットの充電容量が予め定めた充電容量より小さい場合、且つ前記複数の蓄電池ユニットのうち通電状態の蓄電池ユニットが2つ以上ある場合、前記制御する遮断部を遮断状態に切り替えることを特徴とする鉄道車両。 - 請求項12乃至請求項19のいずれかに記載の鉄道車両において、
前記充放電制御装置は、前記各蓄電池ユニットへ流れる電流を検知する複数の電流検知部を有し、
前記複数の充電容量検知部の各充電容量検知部は、前記電流検知部で検知された電流値に基づいて充電容量を算出することを特徴とする鉄道車両。 - 請求項20記載の鉄道車両において、
前記充放電制御装置は、前記各蓄電池ユニットに印加された電圧を検知する複数の電圧検知部を有し、
前記複数の充電容量検知部の各充電容量検知部は、前記電流検知部で検知された電流値と前記電圧検知部で検知された電圧値に基づいて充電容量を算出することを特徴とする鉄道車両。 - 請求項12乃至請求項19のいずれかに記載の鉄道車両において、
前記複数の遮断部の通電状態に応じて前記複数の蓄電池ユニットの充放電電流を増減させることを特徴とする鉄道車両。
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