JP5389758B2 - 車両用制御装置および故障検出方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、車両用制御装置に関する。

車両内に搭載されている主変換装置は、高電圧配線を介して車両外のパンタグラフと接続される。パンタグラフの電力は、高電圧配線を通して主変換装置に供給され、主変換装置は供給された電力を車両が走行するための電力に変換する。車両の走行中、上記の高電圧配線が何らかの原因によって、主変換装置の筐体に接触すると、その接触部分を介して短絡が起こり、地絡事故が発生することになる。車両には、このような地絡事故を地絡故障として検知する制御部を有する車両用制御装置が備えられている。車両用制御装置が地絡故障を検知すると、パンタグラフと主変圧器を接続する遮断器を開放するように制御する。遮断器を開放することで、主変圧器に接続されている主変換装置もパンタグラフから電気的に切り離され、地絡事故により主変換装置が故障することを防止していた。このような地絡事故発生に対する対策が取られている。

特開２０１０−４１８９２号公報 特開２００９−２２５５２８号公報

しかしながら、従来の車両用制御装置において、上記の開放動作または保護動作は地絡事故を誤って検出した場合にも発生してしまう。このような誤検知による主変換装置の切り離しが実行されると、車両走行のための走行力が低下し、車両の運行に支障が出るおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、地絡誤検知を検出することができる車両用制御装置を提供することである。

実施形態の車両用制御装置は、パンタグラフが受けた電力が、変圧器および接触器を介して供給され、この電力を車両が駆動するための駆動電力に変換する電力変換器と、この電力変換器に接続され、地絡故障に伴って流れる電流を検出するための電流検出器と、この電流検出器に模擬電流を流すための模擬電流出力部と、電源が投入され、かつ前記接触器が開放されていることが検出されると、第１の所定期間とこの第１の所定期間に続く第２の所定期間に、および車両の走行中に前記電流検出器によって検出された電流値に基づいて地絡の発生が検出されたときに、前記電流検出器が故障しているか否かを判定する制御部とを備え、この制御部は、前記第１の所定期間では、前記模擬電流出力部からの模擬電流の出力をさせず、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第１の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第１の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、前記第２の所定期間では、前記模擬電流出力部に模擬電流を出力させ、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第２の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第２の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、さらに前記地絡の発生が検出されると、前記接触器を開放させ、接触器が開放されているときに前記電流検出器によって電流値が検出されると、前記電流検出器が故障していると判定する。

第１の実施形態の車両用制御装置の全体構成を示す図。 第１の実施形態の車両用制御装置の制御部の動作を示すフローチャート。 第１の実施形態の車両用制御装置の制御システムの動作を示すタイムチャート。 第２の実施形態の車両用制御装置の制御部の動作を示すフローチャート。

以下、実施形態の制御装置を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の車両用制御装置の全体構成を示す図である。図２は、第１の実施形態の車両用制御装置の制御部の動作を示すフローチャートである。図３は、第１の実施形態の車両用制御装置の制御システムの動作を示すタイムチャートである。

（構成）
まず、本実施形態の構成について説明する。図１は、パンタグラフ１００、遮断器１０１、主変圧器１０２、主接地１０３、接触器１０４、電力変換器１０５、モータ１０６、電流検出器１０７、電力変換装置用接地１０８、電流検出器動作確認回路１０９、電力変換装置１１０、制御部１０００、地絡検出演算部１００１、模擬電流出力部１００２、接触器状態検出部１００３、ＣＴ故障検出部１００４、開放指令出力部１００５で構成される。

パンタグラフ１００は、遮断器１０１を介して主変圧器１０２と接続される。主変圧器１０２のパンタグラフ１００と反対側には主接地１０３が接続される。主変圧器１０２の二次側には、主変換装置１１０が接続される。主変換装置１１０は、主変圧器１０２と反対側に接触器１０４を介して電力変換器１０５および、モータ１０６が接続される。電力変換器１０５には電流検出器１０７、電力変換器１０５の筐体を介して電力変換装置用接地１０８が接続されている。

また電力変換装置１１０は、遮断器１０１、接触器１０４、電流検出器１０７、電流検出器動作確認回路１０９接続され、地絡検出演算部１００１、模擬電流出力部１００２、接触器状態検出部１００３、ＣＴ故障検出部１００４、開放指令出力部１００５を内蔵する制御部１０００を有している。

制御部１０００の地絡検出演算部１００１は、電流検出器１０７、開放指令出力部１００５、ＣＴ故障検出部１００４、模擬電流出力部１００２と接続される。模擬電流出力部１００２は、電流検出器動作確認回路１０９、接触器状態検出部１００３と接続される。接触器状態検出部１００３は、接触器１０４、模擬電流状態検出部１００２、電流検出器ＣＴ故障検出部１００４と接続される。開放出力指令部１００５は、地絡検出演算部１００１、遮断器１０１、接触器１０４と接続される。

このような構成を有する車両は、以下のように動作する。架線から送られてくる電力はパンタグラフ１００及び、通常の走行時は投入状態にある遮断器１０１を通り、主変圧器１０２へ送られ、主変圧器１０２で降圧される。主変圧器１０２で降圧された電圧は、通常列車の走行時には投入状態にある接触器１０４を介して電力変換器１０５に送られる。電力変換器１０５は、電力をモータ１０６が駆動可能な状態に変換し、モータ１０６に供給する。電力を得たモータ１０６は、駆動力を発生し、車両を走行させる。

（動作）
このような車両の駆動時または走行時に、電力変換装置１１０とパンタグラフ１００を接続する高電圧配線が、電力変換装置１１０の筐体と接触することで地絡事故が起きた場合、地絡検出システムが作動する。地絡事故が起きると、主変圧器１０２から、電力変換器１０５、電力変換装置用接地１０８、主接地１０３という、地絡電流が流れる循環経路を形成する。地絡電流が発生すると、モータ１０６が駆動力を得られない、電力変換器１０５が破損するなど、車両の安全な走行の障害となる様々な問題が生じる。

そのため、通常の地絡検出システムは、地絡事故が起きた場合には、電流検出器１０７によって検出されている電流（Ｉｃｔ）を地絡検出演算部１００１で予め設定された所定値（α）を超えているかどうかを算出する。超えていると地絡事故と判断され、地絡検知信号が開放指令出力部１００５に入力される。地絡検知信号を受け取った開放指令出力部１００５は、遮断器１０１が開放するように開放指令を出力する。

開放指令出力部１００５からの開放指令信号を受けた遮断器１０１が開放すると、架線からパンタグラフ１００を介して電力変換装置１１０に流れる電流を遮断するため、地絡事故により電力変換器１０５の破損を防止し、出力が低下しながらも車両の安全な走行は保たれる。このように地絡検出システムが正常に動作している場合は、車両の安全は維持できる。

しかしながら、電流検出器１０７が故障している場合は、地絡事故が起きていても地絡検出ができないケースや、または、地絡事故が起きていないにもかかわらず、地絡事故が検出してしまうケースがある。その場合、車両の安全で安定的な走行が損なわれる恐れがあった。そのため、以下に、地絡検出システムの正常な動作を維持するための本実施形態の車両用制御装置の電流検出器異常検出手段について図２、図３を参照して説明する。

図２または図３（ａ）に示すように、電源をＯＮにすると電流検出器異常検出手段の動作が開始する電源投入信号を模擬電流出力部１００２が受け取る（Ｓ１）。電源投入信号を受け取った模擬電流出力部１００２は、接触器状態検出部１００３からの接触器１０４の開放状態を示す信号を入力されているかどうかを判定する（Ｓ２）。電源投入信号を受け取り、さらに接触器１０４の開放状態を示す信号が入力されている場合、図３（ｂ）に示すように模擬電流出力部１００２は一定時間後、電流検出器動作確認回路１０９の接触器を投入し、電流検出器動作確認回路１０９に模擬電流が流れるようにする。模擬電流検出部１００２では、模擬電流を電流検出器動作確認回路１０９に流すと同時に、この動作を行ったことを示す模擬電流出力信号を地絡検出演算部１００１に出力する。また、地絡検出演算部１００１には、電流検出器１０７により検出された電流値も入力される。図３（ｃ）に示すように正常に動作している場合は、一定時間後に電流検出器動作確認回路１０９に模擬電流が流れるため、電流検出器１０７では０以上の電流値を検出することになる。このような模擬電流を流しているかどうかを判断するため、模擬電流出力部１００２から地絡検出演算部１００１へ模擬電流信号を入力し、地絡検出演算部１００１では模擬電流出力信号が入力されるかどうかを判定する（Ｓ３）。また、接触器開放信号が無いと判定された場合は（Ｓ２）は、接触器に異常があるとする（Ｓ６）。

図３のＡ点からＢ点のように模擬電流出力信号が入力されない期間において、地絡検出かあるかどうかは以下のように判断される。地絡検出演算部１００１では、電流検出器１０７より検出される電流値（Ｉｃｔ）が０以上の値であるかどうかを判定する（Ｓ４）。検出された電流値（Ｉｃｔ）が０以上である場合、地絡検出演算部１００１より接触器開放信号・有、模擬出力信号・無、Ｉｃｔ＞０の情報を持った第１地絡検出信号がＣＴ故障検出部１００４へ入力される。第１地絡検出信号を受け取ったＣＴ故障検出部１００４は、第１パターンの電流検出器１０７の故障が発生していると判断する（Ｓ７）。図３（ｄ）に示すように、電流検出器１０７が短絡等により地絡検出演算部１００１に電流が送られる状態になることを第１パターンＣＴ故障とする。ＣＴ故障第１パターンの信号を受け取ったＣＴ故障検出部１００４は、接触器１０４へ開放信号を出力し、接触器１０４を開放する。また、この時の地絡検出演算部１００１で電流値（Ｉｃｔ）と比較する値は、予め設定する０以外の所定値でもよい。

一方で、検出された電流値（Ｉｃｔ）が０以下である場合、地絡検出信号がＣＴ故障検出部１００４に入力されない。ＣＴ故障検出部１００４で地絡検出信号を受けとらなければ接触器１０４の開放指令は出力されず、制御部１０００では電流検出器１０７は正常に動作している判断される（Ｓ８）。

また、図３のＢ点からＣ点のような模擬電流出力信号が入力される期間において、地絡検出かあるかどうかは以下のように判断される。一定時間経過後、模擬電流出力部１００２から地絡検出演算部１００１に模擬出力信号が出力される。また同時に、模擬電流出力部１００１からの指令で電流検出器動作確認回路１０９の接触器は投入され、電流検出器動作確認回路１０９に模擬電流が流れるようになる。模擬電流が回路内を流れるようになると、電流検出器１０７から電流が検出されるようになる。その電流値（Ｉｃｔ）は、地絡検出演算部１００１に入力される。検出電流値（Ｉｃｔ）を受け取った地絡検出演算部１００１では、電流値（Ｉｃｔ）が所定の値（α）を超えているかどうかを判定する（Ｓ５）。検出された電流値（Ｉｃｔ）が所定の値を超えていない場合、地絡検出演算部１００１より接触器開放信号・有、模擬出力信号・有、Ｉｃｔ＜αの情報を持った第２地絡検出信号がＣＴ故障検出部１００４に入力され、第２パターンの電流検出器１０７の故障が発生していると判断される（Ｓ１０）。図３（ｅ）に示すように、電流検出器１０７が破損等により絶縁物となり地絡検出演算部１００１に電流が送られない状態になることを第２パターンＣＴ故障とする。地絡検出演算部１００１よりＣＴ故障第２パターンの信号を受け取ったＣＴ故障検出部１００４は、接触器１０４へ開放信号を出力し、接触器１０４を開放する。

一方で、図３（ｃ）に示すように、検出された電流値（Ｉｃｔ）が所定の値（α）を超えている場合、地絡検出演算部１００１より地絡検出信号がＣＴ故障検出部１００４へ入力されない。ＣＴ故障検出部１００４で地絡検出信号を受けとらなければ接触器１０４の開放指令は出力されず、制御部１０００では、電流検出器１０７は正常に動作している判断される（Ｓ９）。

このような電流検出器異常検出手段を有することで、故障している電流検出器１０４を検知し、接触器１０４を開放することで、車両の安全な走行が維持できる。

また、ひとつの主変圧器１０２に複数の電力変換装置１１０が設置されているような場合には、各電力変換装置１１０の電流検出器１０７の故障を検出することで、故障が発見された電力変換装置１１０の接触器１０４のみを開放することができる。そのため、不必要な電力変換装置１１０の切り離しを発生させることがなく、不必要な出力低下を防止できる。また、メンテナンス時には故障が発生している電流検出器を特定できるため、作業効率を向上させることが可能である。また、電流検出器故障第１パターン及び、電流検出器故障第２パターンと故障状態を特定することで、故障の原因を特定することに役立つ。また本実施形態は、電圧値を検出して動作させることも可能である。また、走行途中で確認ボタンにより電流検出器異常検出手段を動作させることもできる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の制御装置によれば、電流検出器異常判定手段により、地絡誤検知を検出することで、不必要な電力変換器の開放を防止することが可能となる。そのため、車両の安全な運行を維持することが可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４は、第２の実施形態の車両用制御装置の制御部の動作を示すフローチャートである。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、車両の走行途中に電流検出器１０７が地絡を検知した際に、電流検出器１０７の故障の有無を検出するためのものである。以下、その点について詳細に説明する。

（作用）
図４に示すように、地絡検出演算部１００１で地絡が検出されると（Ｓ２００）、開放指令出力部１００５より接触器１０４へ開放指令が出力される。開放指令受けた接触器１０４は開放され、その開放状態を接触器状態検出部１００３が受け取る。接触器開放信号をｃｔ故障検出部１００４に入力する。ｃｔ故障検出部１００４では、接触器１０４が開放状態にあるかどうかを判断する（Ｓ２０１）。接触器開放信号があると判断されると、電流検出器１０７で電流値（Ｉｃｔ）が検知されるかどうかを判定する（Ｓ２０２）。電流値（Ｉｃｔ）が検知されると、第３パターンの電流検出器故障として電流検出器故障が検知される（Ｓ２０４）。電流検出器１０７が短絡等により地絡検出演算部１００１に電流が送られる状態になることを第３パターン電流検出器故障とする。そのため、地絡事故が発生しないとして、電流検出器故障第３パターンの信号を受け取ったＣＴ故障検出部１００４は、地絡事故は発生していないが、電流検出器１０７が故障してるとし、接触器１０４を開放したまま遮断器１０１を再投入する。

また、接触器開放信号が入力されなければ、接触器１０４が異常であると判断される（Ｓ２０３）。

また、電流（Ｉｃｔ）が検出されなければ、電流検出器正常第３パターンが開放指令出力部１００５に入力される（Ｓ２０５）。電流検出器正常とされ電流検出器１０７は正常状態で動作されていることが確認されたことになる。そのため、電流検出器故障第３パターンの信号を受け取ったＣＴ故障検出部１００４は、接触器１０４へ開放信号を出力し、接触器１０４の開放を継続することになる。このような動作は遮断器１０１でも適用可能である。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の制御装置によれば、電流検出器異常判定手段により、地絡誤検知を検出することで、不必要な電力変換器の開放を防止することが可能となる。そのため、車両の安全な運行を維持することが可能である。

１００ パンタグラフ
１０１ 遮断器
１０２ 主変圧器
１０３ 主接地
１０４ 接触器
１０５ 電力変換器
１０６ モータ
１０７ 電流検出器（電流検出器）
１０８ 電力変換装置用接地
１１０ 電力変換装置
１０００ 制御部
１００１ 地絡検出演算部
１００２ 模擬電流出力部
１００３ 接触器状態検出部
１００４ 電流検出器故障検出部
１００５ 開放指令出力部

Claims (6)

1. パンタグラフが受けた電力が、変圧器および接触器を介して供給され、この電力を車両が駆動するための駆動電力に変換する電力変換器と、
   この電力変換器に接続され、地絡故障に伴って流れる電流を検出するための電流検出器と、
   この電流検出器に模擬電流を流すための模擬電流出力部と、
   電源が投入され、かつ前記接触器が開放されていることが検出されると、第１の所定期間とこの第１の所定期間に続く第２の所定期間に、および車両の走行中に前記電流検出器によって検出された電流値に基づいて地絡の発生が検出されたときに、前記電流検出器が故障しているか否かを判定する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記第１の所定期間では、前記模擬電流出力部からの模擬電流の出力をさせず、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第１の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第１の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、
   前記第２の所定期間では、前記模擬電流出力部に模擬電流を出力させ、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第２の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第２の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、
   前記地絡の発生が検出されると、前記接触器を開放させ、接触器が開放されているときに前記電流検出器によって電流値が検出されると、前記電流検出器が故障していると判定する
   ことを特徴とする車両用制御装置。
2. 前記制御部は、前記第１の所定期間において、前記電流検出器が所定の電流値を検出した場合に前記第１の条件を満たしたと判断し、前記第２の所定の期間において、前記電流検出器が所定の電流値を検出しない場合に前記第２の条件を満たしたと判断することを特徴とする請求項１に記載の車両用制御装置。
3. 前記制御部は、前記電流検出器が検出する電流値が第１の値より大きい場合に前記第１の条件を満たしたと判断し、前記電流検出器が検出する電流値が第２の値に満たない場合に前記第２の条件を満たしたと判断することを特徴とする請求項１に記載の車両用制御装置。
4. 変圧器および接触器に接続され車両を駆動させるための駆動電力を出力する電力変換器に接続され、地絡故障に伴って流れる電流を検出するための電流検出器の故障検出方法であって、
   電源が投入され、かつ前記接触器が開放されていることが検出されると、
   第１の所定期間において、前記電流検出器への模擬電流を供給させず、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第１の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第１の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、
   第２の所定期間において、模擬電流を前記電流検出器に供給させ、前記電流検出器が検出する電流値に基づいて前記電流検出器が故障していると判断するための第２の条件を満たすか判断し、この判断の結果、前記第２の条件を満たした場合は前記電流検出器が故障していると判定し、
   さらに、車両の走行中に前記電流検出器によって検出された電流値に基づいて地絡が検出されると、前記接触器を開放させ、接触器が開放されているときに前記電流検出器によって電流値が検出されると、前記電流検出器が故障していると判定する
   ことを特徴とする故障検出方法。
5. 前記第１の所定期間において、前記電流検出器が所定の電流値を検出した場合に前記第１の条件を満たしたと判断し、前記第２の所定の期間において、前記電流検出器が所定の電流値を検出しない場合に前記第２の条件を満たしたと判断することを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の故障検出方法。
6. 前記第１の所定期間において、前記電流検出器が検出する電流値が第１の値より大きい場合に前記第１の条件を満たしたと判断し、前記第２の所定期間において、前記電流検出器が検出する電流値が第２の値に満たない場合に前記第２の条件を満たしたと判断することを特徴とする請求項４に記載の故障検出方法。

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