JP5485319B2 - 二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動用電池搭載鉄道車両における電池充放電制御方法と装置に関し、特に電化区間と非電化区間が混在する区間を走行する電車における駆動用電池の充放電制御方法および装置に関する。

電動モータで駆動する電車は、架線または第三軌条からパンタグラフなどの車載集電装置経由で車両駆動系および補機への電力供給を行って電化区間を走行する。電化区間と非電化区間にまたがって走行する鉄道車両では、非電化区間の境界でディーゼルカーに繋ぎ替えたり、ディーゼル機関で発電して電気駆動するディーゼル気動車を使ったりする。
一方、近年、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池、あるいは電気二重層キャパシタなど、蓄電装置の性能が向上したため、蓄電装置を搭載して電化区間におけるパワーアシストに利用したり、非電化区間において充電ステーションで適宜充電して車両駆動系に使用したりする電池搭載車両が開発されている。

特許文献１には、蓄電装置を搭載して、回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギーを蓄電装置に蓄積し、高速域での力行時に蓄電装置からのパワーアシストを行うことにより、効果的にエネルギーを利用することができる電気車両システムが開示されている。

また、特許文献２には、架線から電力の供給を受けずに走行する電気車両を用いた架線レス交通システムが開示されている。開示された架線レス交通システムは、車両にリチウムイオン電池などの高性能二次電池を搭載し、適宜な間隔で設けた充電場所で車載の蓄電装置を充電するときに、次の充電場所までの間で車両本体が使用する消費電力量を予測して充電電力量を設定する。

開示された架線レス交通システムによると、蓄電装置のＳＯＣ（state of charge）を最適な範囲から外れないように管理することにより、蓄電装置の劣化を抑制し、蓄電装置の寿命を延ばすことができる。ここで、ＳＯＣとは電池の充電状態を表す尺度であり、充電している電気量を電池容量に対する百分率で表す。
しかし、開示の架線レス交通システムは、電化区間に設けられる架線を利用する構成を備えず、電化区間と非電化区間を通して運行する電車に適用することは考慮されていない。

そこで、電化区間で架線などから集電して充電し非電化区間で車両を電池駆動する駆動用蓄電装置を電車に搭載したシステムを利用すれば、機関車の入替えをしないでも電化区間と非電化区間をまたがって運行する電車が実現できることになる。
駆動用電池を車載することにより非電化区間走行が可能となるが、電化区間を走行している間に次の非電化区間を走りきれるだけの電力量を電池に充電しておかなければならない。また、ラッシュ時間帯においては複数の列車が同時に力行する確率が高くなり架線電圧が下がり気味となる。架線電圧が下がりすぎると所定の加速性能が発揮できずに列車が遅延して、列車運行に障害を来す場合がある。

さらに、高速充放電特性に優れたニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池なども、大きな容量を備えると設備費が高騰し、また過剰な電流で充電したり適正容量を超えて充電したりすると電池寿命が急激に短縮して経済性が劣化する。
したがって、電化区間と非電化区間を跨って運行する駆動用蓄電装置を搭載した電車を円滑に運用するためには、システムに適合した電池充放電制御技術が求められる。

特開２００２−３６９３０８号公報 特開２００６−０５４９５８号公報

本発明が解決しようとする課題は、電化区間に引き続いて非電化区間を走行する電車のために、電池残存容量（ＳＯＣ）が非電化区間走行に必要な所定値となるように電化区間の充放電制御を行う方法と装置を提供することである。また、電化区間走行時に、架線電圧変動が発生した場合に電池アシスト放電による電力供給補完を行う方法と装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法は、架線から直流電力を取得して直流リンク線に供給するパンタグラフと、直流リンク線から入力される直流電力を交流に変換するインバータと、車両駆動用の二次電池と、直流リンク線と二次電池の間に設けた可逆チョッパとを備えて電化区間と非電化区間に跨って運行する二次電池搭載車両に適用される制御系であって、可逆チョッパとパンタグラフを繋ぐ直流リンク線の電圧である直流リンク電圧の指令値と直流リンク電圧の測定値との偏差に基づいてフィードバック制御し二次電池に充電する電池電流を定める電池電流指令値を出力する直流リンク電圧制御系と、電池電流の計測値と電池電流指令値との偏差に基づいてフィードバック制御して可逆チョッパのチョッパ通流率を調整する電池電流制御系とを含む二次電池の充放電制御系において、
充電要求時には電池電流が電池電流目標値になるようにフィードバック制御する定電流定電圧充電制御系と、放電要求時には架線とパンタグラフの間に流れる電流が０になるようにフィードバック制御するパンタ電流抑制制御系と、充放電不要時には電池電流を０にするようにフィードバック制御する電池電流０制御系をさらに備えて、
充電要求時には定電流定電圧充電制御系の制御出力が直流リンク電圧制御系の指令値を増減し、放電要求時にはパンタ電流抑制制御系の制御出力が直流リンク電圧制御系の指令値を増減し、充放電不要時には電池電流０制御系の制御出力が直流リンク電圧制御の指令値を増減することを特徴とする。

本発明の二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法により、電化区間を走行／停車中に非電化区間運行に必要な電力を二次電池に充電することができる。本方法によれば、二次電池の容量が過大にならないため、二次電池の価格も低くまた設備費も合理的になる。また、二次電池のＳＯＣを適正な値に保持するように充放電するので、電池寿命を長期化し経済的な設備とすることができる。

なお、本発明の二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法は、電池電流制御に直流リンク電圧制御をオーバーライドした制御系で形成されチョッパ通流率を調整する充放電制御系において、充電要求時には電池電流が電池電流目標値になるようにフィードバック制御する定電流定電圧充電制御の制御出力が、放電要求時にはパンタ電流が０になるようにフィードバック制御するパンタ電流抑制制御の制御出力が、充放電不要時には電池電流を０にするようにフィードバック制御する電池電流０制御の制御出力が、直流リンク電圧制御の指令値を修正することを特徴とする。

なお、充電要求時とは、充電要求がされる場合であって、ＳＯＣを所定の値に保持するために充電が必要なときで、たとえばパンタグラフが架線に接していて、ＳＯＣが所定値より低くブレーキが掛かっていない状態から判別することができる。もちろんこれに限られるものではなく、たとえばＳＯＣが運転台の充電スイッチにより充電要求された状態で判断することもできる。ここで、ＳＯＣにおける所定の値とは、好ましくは７０〜７８％であり、６０〜８０％であってもよい。

また、ＳＯＣが高すぎると電池寿命に悪影響が生じる。このため、ＳＯＣが一定値以上に上昇すると、これを下げるために放電要求をして、電池が放電するように制御する必要がある。このような状態においては、電池の出力可能な電流値が車両の必要とする電流値よりも大きいときは、パンタグラフを流れる電流値は零となり、電池の出力可能な電流値が車両の必要とする電流値よりも小さいときは、その不足分がパンタグラフを通じてインバータに流れることとなる。電池に与えられた電力を最大限利用する結果、パンタ電流抑制制御がなされることになる。
パンタグラフが上がっていて、ＳＯＣが所定値より高いかブレーキが働いている状態を検知したときに、放電要求時と判定して制御を切り替えればよいが、判定論理はこれに限定されないことはいうまでもない。

充放電が不要なときは、ＳＯＣが適正な範囲にあり充放電を必要としない場合である。すなわち、パンタグラフが上がっていて、しかも充電要求がなく、放電要求もない状態である。充放電不要時には、電池電流０制御がなされる。
なお、列車が回生状態にある場合は、回生失効を防ぎかつ回生電力を有効に蓄えるために電池充電がされることになる。これは、上記のパンタ電流抑制制御が働くからである。
なお、ここで、パンタ電流とは、架線とパンタグラフの間に流れる電流をいう。

電池充電時には、搭載の二次電池を損なわず、速やかに充電するために、定電流充電を行う。そして、二次電池が充電して電池電圧が所定値に達したときには、過剰な充電をしないよう定電圧充電に切り替わる。

さらに、車両位置により求められる電化区間の残距離に基づいて定められる補正値が、また電池温度に基づいて定められる充電電流補正値が、また二次電池のＳＯＣがＳＯＣ目標値になるようにフィードバック制御するＳＯＣ制御の制御出力が、定電流定電圧充電制御における電池電流指令値を修正して電池電流目標値とすることが好ましい。

これらの機能を備えることにより、電化区間の終点に達するまでに必要電力を確実に充電することができ、また電池に適合した安全な充電電流を維持することができ、さらにＳＯＣの目標値との偏差が残らないように調整することができる。

また、電池電流制御に直流リンク電圧制御をカスケード接続した制御系において、直流リンク電圧制御はＰ−Ｄ制御となっていて積分動作を含まない構成とすることが好ましい。ここで、直流リンク電圧とは、可逆チョッパのパンタグラフ側の電圧をいい、直流リンク電圧制御は直流リンク電圧の指令値と直流リンク電圧測定値の偏差によるフィードバック制御を行い、後段の電池電流制御に対して電池電流指令値を出力する。電池電流制御は、直流リンク電圧制御からの電池電流指令値と電池電流計測値の偏差によりフィードバック制御を行い、可逆チョッパのチョッパ通流率を操作する。

直流リンク電圧制御においては、架線と電池との負荷分担が問題となる。すなわち、変電所がインバータを有しており、変電所が定電圧制御を行い、電池の充放電制御装置もまた積分ゲインを持った定電圧制御を行うとすると、負荷分担が一定に定まらない。これを回避するために、充放電制御装置の直流リンク電圧制御に積分ゲインを持たせないことにより、変電所がインバータを持つなど定電圧制御能力を有する場合においても、架線と電池の負荷分担が安定して定まることが期待できる。

上記課題を解決するため、本発明の二次電池搭載車両のパワーフロー制御装置は、電化区間と非電化区間に跨って運行する二次電池搭載車両の二次電池充放電制御装置に付帯するパワーフロー制御装置において、二次電池充放電制御装置の設定値入力回路に並列に、充電要求時に切り替わる第１切換回路を介して電池電流が電池電流指令値に近づくようにフィードバック制御する定電流定電圧充電制御装置が接続され、放電要求時に切り替わる第２切換回路を介してパンタ電流が０になるようにフィードバック制御するパンタ電流抑制制御装置が接続され、充放電不要時に切り替わる第３切換回路を介して電池電流を０にするようにフィードバック制御する電池電流０制御装置が接続されていて、直流リンク電圧制御器が、第１から第３の切換回路の開閉にしたがって定電流定電圧充電制御装置とパンタ電流抑制制御装置と電池電流０制御装置の出力を修正値として加えた指令値を目標値としてフィードバック制御することを特徴とする。

なお、本発明のパワーフロー制御装置は、車両位置により電化区間の残距離を求めて残距離に基づく補正値を出力する充電電流残距離補正器を備え、また電池温度を入力して電池温度に対応する充電電流補正値を出力する充電電流電池温度補正器を備え、さらにＳＯＣの値を入力してＳＯＣ目標値に対する偏差について積分要素を含むフィードバック制御演算を行って制御出力を出力するＳＯＣ制御装置を備えて、これら出力を用いて定電流定電圧充電制御における定電流充電時の電池電流指令値を修正することが好ましい。

本発明のパワーフロー制御装置により、電化区間を走行／停車中に非電化区間運行に必要な電力を二次電池に充電することができる。本装置によれば、二次電池の容量が過大にならず、二次電池のＳＯＣを適正な値に保持して充放電するので電池寿命が長期化し、経済的な設備とすることができる。

本発明の１実施例に係るパワーフロー制御方法を適用する二次電池搭載車両の充放電制御装置の回路図である。 本実施例に係るパワーフロー制御方法において、電化区間と非電化区間における二次電池搭載車両の運転状態と二次電池の充電状態にしたがって変化する二次電池搭載車両の電力のフローを説明する図面である。 本実施例に パワーフロー制御を実現化する制御器の構成を示すパワーフロー制御回路の回路図である。 本実施例に係る切換スイッチの制御ロジックを説明する論理図である。

以下、図面を用いて、本発明の二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法および装置の最良の実施形態を詳細に説明する。
図１は本実施例に係るパワーフロー制御を適用する二次電池搭載車両の充放電制御装置の回路図、図２は本実施例のパワーフロー制御方法において電化区間と非電化区間における運転状態と二次電池の充電状態にしたがって変化する電力のフローを説明する図面、図３は本実施例のパワーフロー制御装置の回路図、図４は本実施例のパワーフロー制御装置において制御モードを切り換えるスイッチを操作するロジックを説明する論理図である。

本実施例は、図１に示した駆動回路を備えた二次電池搭載車両に本発明のパワーフロー制御を適用した例である。
本実施例のパワーフロー制御回路１７は、四象限チョッパ回路１６を制御する。四象限チョッパ回路１６の一端側にパンタグラフ１２の電力取り込み線が接続され、他端側にニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池１５が接続される。
パンタグラフ１２は架線１１から直流電力を取り込んで直流リンク線を介してインバータ１３に供給する。インバータ１３は、供給された直流電力を交流に変換してモータ１４に供給し、モータ１４を回転駆動させる。図外の二次電池搭載車両はモータ１４の回転により軌道上を走行する。

二次電池１５は、架線１１が存在する電化区間を二次電池搭載車両が走行する間、第１象限または第２象限チョッパ回路として動作する可逆チョッパ回路１６を介して架線１１からの直流電力で充電し、架線のない非電化区間を二次電池搭載車両が走行する間、第３象限または第４象限チョッパ回路として動作する可逆チョッパ回路１６を介し直流リンク線を介して車両のインバータ１３に電力を供給して放電し、モータ１４の運転を維持する。
もちろん、二次電池搭載車両が電化区間を走行する間に架線１１の電圧が不足したりした場合にも、二次電池１５が電力を供給し直流リンク線の電圧、すなわち直流リンク電圧を維持することができる。

図１の可逆チョッパ回路１６は、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のそれぞれにダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を逆並列に接続したアームを２個直列に接続したレグを入力側と出力側でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて両レグのアーム接続点の間にリアクトルＬ０を接続して形成したパルス幅変調方式の可逆チョッパ回路である。

パワーフロー制御回路１７は、可逆チョッパ回路１６内の半導体スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のオンオフを制御して、四象限のチョッパ機能を実現させる。半導体スイッチ素子を高速高頻度でオンオフするので、電流の平滑化のためリアクトルＬ１，Ｌ２とキャパシタが接続されている。
パワーフロー制御回路１７には、本発明のパワーフロー制御機能が組み込まれている。

高電圧の直流リンク線から低電圧の二次電池１５に電流を供給するときは、二次電池側上アームの半導体スイッチ素子Ｓ３を導通し直流リンク側レグの半導体スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を断続してチョッパ出力電圧Ｖｏを調整して、可逆チョッパ回路１６に降圧チョッパとしての動作をさせる。可逆チョッパ回路１６のチョッパ出力電圧Ｖｏの平均値Ｖ１は、可逆チョッパ回路１６のチョッパ入力電圧Ｖｉに実質的にはＳ１の導通率になる直流リンク側レグの通流率γ１を掛けた値になる。すなわち、
Ｖ１＝γ１×Ｖｉ

一方、低電圧の直流リンク線に対して高電圧の二次電池１５が電流を供給するように電圧を変換する場合は、直流リンク側上アームの半導体スイッチ素子Ｓ１を導通し、二次電池側レグの半導体スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４を断続して、可逆チョッパ回路１６に昇圧チョッパとしての動作をさせる。下アームのスイッチＳ４は、オンしたときにリアクトルＬ０にエネルギーを蓄積させ、オフしたときに二次電池１５からのエネルギーとリアクトルＬ０に蓄積されたエネルギーを出力側に接続された二次電池搭載車両の負荷に供給する。

リアクトルＬ０が十分大きく、流れる電流Ｉが一定であるとすれば、スイッチＳ４がオンのとき（ｔon）にリアクトルＬ０に蓄えられた電力が、スイッチＳ４がオフの時間（ｔoff）に負荷に放出されるので、
Ｖｉ×Ｉ×ｔon＝（Ｖｏ−Ｖｉ）×Ｉ×ｔoff
ここで、Ｔ＝ｔon＋ｔoff、ｂ＝ｔoff／Ｔ、出口側レグの通流率γ２＝ｔon／Ｔとすれば、昇圧チョッパとして動作するときの可逆チョッパ回路１６のチョッパ出力電圧Ｖ２は、
γ２＋ｂ＝１
Ｖ２＝Ｖｉ×Ｔ／ｔoff＝Ｖｉ／（１−γ２）

このようにして、パワーフロー制御回路１７の制御出力によって可逆チョッパ回路１６の昇降圧比（電圧変換率）λ＝（Ｖｉ／（１−γ２））／（γ１×Ｖｉ）＝１／（γ１×（１−γ２））をレグの通流率γ１，γ２を使って調整することにより、パンタグラフ１２から二次電池１５、二次電池１５から直流リンク線への電力移動を制御することができる。ここで、γ１は入口側レグの通流率である。

図２は電化区間と非電化区間における二次電池搭載車両の運転状態と二次電池１５の充電状態にしたがって変化する二次電池搭載車両の電力のフローを説明する図面、図３は図２の電力のフローを実現化する制御器の構成を示すパワーフロー制御回路の回路図、図４は図３に示すパワーフロー制御回路における切換スイッチの制御ロジックを説明する論理図である。
電化区間を運行する間の運転状態および二次電池１５の充電状態における電池駆動車両の電力のフローを図２（ａ）〜（ｉ）の９図、非電化区間における運転状態および二次電池１５の充電状態における二次電池搭載車両の電力のフローを図２（ｊ），（ｋ），（ｍ）の３図で示す。
本実施例においては、二次電池１５のＳＯＣの保持されるべき範囲（適正な範囲）は６０〜８０％であり、好ましくは７０〜７８％である。したがって、二次電池１５のＳＯＣが低いとはＳＯＣが下限値の６０％あるいは７０％より低いことをいい、ＳＯＣが高いとはＳＯＣが上限値の８０％あるいは７８％より高いことをいい、ＳＯＣが高くないとはＳＯＣが上限値の８０％あるいは７８％より低いことをいう。

図２（ａ）〜（ｃ）は、電化区間を運行する場合の加速時における二次電池搭載車両の電力のフローを示す。
図２（ａ）は二次電池１５のＳＯＣが高いときの状態を示す。このとき、二次電池搭載車両のパンタグラフ１２が架線１１に接触しているにもかかわらずパンタグラフ１２から取り込む電流が０になるように制御するパンタグラフ電流抑制制御を行い、二次電池１５のＳＯＣが適正値に低下するまで二次電池１５から供給される電力が電動機１４を作動させる主制御装置と空調機などの補機に供給されるようにする。
図２（ｂ）は二次電池１５のＳＯＣが適正な範囲にあるときを示す。二次電池１５は充放電せず、パンタグラフ１２から取り込んだ電力のみが主制御装置と補機に供給されるようにする。ただし、直流リンク線の電圧が低下した場合は電圧を運転可能な値に保つため、二次電池１５は直流リンク線の電圧低下をアシストする放電を行う。
図２（ｃ）は二次電池１５のＳＯＣが低いときを示す。パンタグラフ１２から取電した電力の一部を使って、二次電池１５のＳＯＣが適正値になるまで二次電池１５の充電をする。

図２（ｄ）はアシスト放電の状態を示す。架線１１から取得する電力では不足する場合、その不足分を二次電池１５から補給する。
図２（ｅ）は二次電池搭載車両のブレーキを掛けたときに得られる回生電力が補機の動力より小さい場合を示す。パンタグラフ１２から取り込む電流を０に抑制し直流リンク電圧の変動を抑える。このとき、電動機１４からの回生電力では補機の動力に不足する場合、その不足分を二次電池１５が補給する。
図２（ｆ）はブレーキを掛けたときであって、回生電力が補機電力より大きい場合を示す。パンタグラフ１２から取り込む電流を０に抑制し直流リンク電圧の変動を抑える。このとき、補機の動力に使った余りの回生電力を二次電池１５に供給する。

図２（ｇ）〜（ｉ）は車両が停車し主制御装置が停止している場合に関する。図２（ｇ）は二次電池１５のＳＯＣが高いときの状態を示す。架線１１からの電力は消費せず、二次電池１５から供給される電力を空調機などの補機に供給して、ＳＯＣを適正な範囲に下げる。
図２（ｈ）は二次電池１５のＳＯＣが適正な範囲にあるときの状態を示す。二次電池１５は基本的に充放電せず、補機にはパンタグラフ１２から取り込んだ電力を供給する。
図２（ｉ）は二次電池１５のＳＯＣが低いときの状態を示す。架線１１から供給される電力を補機に供給するほかに、二次電池１５にも供給する。

図２（ｊ）は系統電源に繋がる架線が敷設されていない非電化区間を二次電池搭載車両が運行する間で加速する状態を示す。この状態では、二次電池１５が放電した電力で直流リンク電圧を一定に制御することで、二次電池１５が放電した電力は主制御装置を介して電動機１４に供給されると共に補機にも供給される。
図２（ｋ）は非電化区間で二次電池搭載車両がブレーキを掛けたときに得られる、電動機１４で回生電力が発生しているときの状態を示す。二次電池１５のＳＯ
Ｃが上限値より低い場合は回生電力が補機に供給される他に二次電池１５にも供給される。ただし、ＳＯＣが上限値より高いときは二次電池１５には充電しない。
図２（ｍ）は非電化区間で二次電池搭載車両が停車中の状態を示す。空調等の補機は停車中でも稼働させる必要があるので、二次電池１５から放電した電力で直流リンク電圧を一定に制御することで、必要な動力を供給する。

こうした要求に従うように可逆チョッパ回路１６の通流率γ１，γ２を調整する半導体スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のオンオフの操作を制御する操作信号を出力するパワーフロー制御回路１７の回路例を図３に示す。
図３のパワーフロー制御回路１７は、可逆チョッパ回路１６の通流率を調整するための半導体スイッチのオンオフの操作を制御する操作信号を生成する第２制御系と、第２制御系の設定値信号となる直流リンク電圧指令値に必要な変成を加えるための第１制御系とから構成される。

第２制御系は、フィードバック制御によって直流リンク線の電圧に基づき二次電池１５の電流を設定する設定値信号を生成して供給する直流リンク電圧制御器２２と、直流リンク電圧制御器２２から供給される設定値信号に修正を加えるダンピング制御器２３と、直流リンク電圧制御器２２に直列に接続されフィードバック制御によってこの修正後の設定値信号および二次電池１５に流れる電流に基づいて半導体スイッチのオンオフの操作を制御する操作信号を生成する電池電流制御器２１と、から構成される。

また、第１制御系は、充電要求スイッチ４１を介して接続される二次電池の定電流定電圧充電制御器３１と、放電要求スイッチ４２を介して接続されるパンタ電流抑制制御器３２と、充放電不要スイッチ４４を介して接続される電池電流０制御器３３から構成される。

なお、定電流定電圧充電制御器３１の設定値入力には、定電圧充電スイッチ４３により選択される電池電流指令値の入力回路と電池電圧制御器３５が接続されている。さらに、電池電流指令値入力回路にはＳＯＣ制御器３４と残距離補正器３６と電池温度補正器３７が接続されていて、それぞれの出力信号が電池電流指令値に加算されるようになっている。

充電要求スイッチ４１は、ＳＯＣを所定の値に保持するために、二次電池１５が充電を必要とする充電要求状態であることを検出したときに回路を切替えるスイッチである。なお、二次電池１５にはＳＯＣ検出手段が設けられていて、その出力からＳＯＣを知ることができる。
図４に例示したように、パンタグラフ１２が上がって架線に接触していること、二次電池１５のＳＯＣが低いこと、またＳＯＣが高くないこと、ブレーキが働いていないこと、あるいは運転台における充電指令スイッチがオンであることなどの条件が満たされるとき充電要求スイッチ４１がオンして定電流定電圧充電制御器３１が接続される。

なお、パンタグラフ１２には位置検出スイッチが設けられていて、この位置検出スイッチの作動によりパンタグラフが上がっていて架線と接触していることを知ることができる。さらに、ブレーキが掛かっているか否かは、運転手がブレーキを操作したときにオンとなるブレーキ検出スイッチにより知ることができる。

放電要求スイッチ４２は、ＳＯＣが高くなりすぎると二次電池の寿命に悪影響が生じるため、ＳＯＣを下げるように二次電池１５に放電させるもので、パンタ電流が抑制状態であることを検出して回路切換を行うスイッチである。図４に例示するように、パンタグラフが架線に接触し、ブレーキが掛かっているか二次電池のＳＯＣがたとえば７８％あるいは８０％などの所定値より高いときに、パンタ電流を抑制する制御を行うパンタ電流抑制制御器３３を接続する。この結果、放電要求状態においては、電池から放電される電流のほぼ全てはインバータ等の駆動系に供給され、パンタグラフには電流は流れないことになる。

充放電不要スイッチ４４は、ＳＯＣが適正な範囲にあり充放電を必要としない場合に、二次電池を充電する電池電流を０に制御するべき状態であることを検出して回路切換をするスイッチである。図４に例示するように、パンタグラフが架線に接触していて、回生中でも充電中でもなく、パンタ電流抑制中でもないときにオンとなって、電池電流を０にする制御を行う電池電流０制御器３３を接続する。
ただし、回生時には、充放電不要スイッチ４４が作動しても、別途、パンタ電流抑制制御が働いて電池が充電される。回生電力が吸収あるいは消費されないと回生失効が起こり、車両の運行上悪影響が出ると共に省エネに反することになるので、余剰の回生電力を電池に蓄えている。

定電圧充電スイッチ４３は、充電が進み二次電池１５の電圧が高くなったときに電流値一定で充電するのを止めて一定電圧で充電する定電流定電圧充電を行うようにするもので、二次電池１５の充電が最終段階になったことを検出して定電流定電圧充電を行うよう制御する定電流定電圧充電制御器３１の設定値を電流指令値から電池電圧指令値に切り替えるスイッチである。図４に例示するように、充電状態においてＳＯＣが所定値より高く電池電圧が所定値より高いときにオンとなって、定電流定電圧充電制御器３１の設定値入力を電池電圧制御器３５の出力に切り替え、定電圧充電を行う。
これにより、充電初期においては電流値一定で充電して充電に必要な時間の短縮を図り、充電末期においては一定電圧で充電することにより過電圧を防止して二次電池１５を保護する。

本実施例の二次電池搭載車両パワーフロー制御系は、架線１１からの給電を受けた電化区間における架線走行と、二次電池１５のみを電源とする非電化区間における電池走行を、パンタグラフ１２の上げ下げにより即座に切り替える車両システムにおいて動作する。

電化区間における架線走行では、走行中と停車中のいずれにおいても、二次電池１５のＳＯＣが設定値近傍に留まるよう二次電池１５の充放電制御を行う。ＳＯＣがＳＯＣ設定値近傍に留まるようＳＯＣ制御器３４で算定した調整値を使って電池電流指令値を調整し、調整後の指令値を設定値として定電流定電圧充電制御器３１に入力して二次電池１５の充放電制御を行う。架線走行はパンタグラフが上がっていることを検知して判定することができる。

電池の充電レートは、さらに、電池温度が上昇すると充電電流が制約されることから、電池温度に基づいて電池電流指令値の補正をする制約電流を算定する電池温度補正器３７の出力を用いて補正することが好ましい。また、電化区間走行距離が残り少なくなると十分な充電を行うことが困難になることから、車両の現在位置を測定して残りの距離を算出し、残距離補正器３６により、残り距離が短くなると充電レートを増大する補正を行うことが好ましい。

電池走行と架線走行とに関わらず、回生電力は補機等の車内負荷に使用するものは除いて、二次電池１５に充電することが好ましい。
そこで、電池走行では直流リンク電圧制御器２２により、たとえば設定値６００Ｖとして直流リンク電圧制御を行って、直流リンク電圧の変動を抑えることにより、回生電力による電力増加分を二次電池１５に充電する。

また、架線走行では、パンタ電流抑制制御器３２を使ってパンタ電流を０付近に抑制することにより、回生電力のみを充電する。なお、このときあえて０ではなく少量の電流が流れるようにすると、直流リンク電圧が架線電圧と同程度からやや低い電圧となって架線電圧に対して高止まりすることを防ぐことができる。

なお、直流リンク電圧制御器２２の設定端子に上下限リミッタ５１を設置し、架線電圧が下がりすぎたときには、下限リミッタの作用により充電を止めて放電するようにすることができる。
上下限リミッタ５１の上限値は、スイッチング素子の耐圧により決まる。本実施例では、公称電圧６００Ｖの時に使用する素子に対して、７５０Ｖに設定したが、７００Ｖや８００Ｖとしてもよい。また、公称電圧が変われば上限値も変化する。
また、下限値としては、インバータを含めたモータからなる駆動系の動作可能な下限電圧を設定する。本実施例では公称電圧６００Ｖに対して５００Ｖとしたが、４５０Ｖあるいは５５０Ｖであってもよい。また、公称電圧が変われば下限値も変化する。

また、ＳＯＣがたとえば７５％など所定の設定値に達したら、充電要求スイッチ４１が働いて定電流定電圧充電制御器３１を切り離し、回生充電以外の充放電をしない動作に移行する。ＳＯＣを過剰に上昇させないことにより電池の寿命を確保することができる。

さらに、ＳＯＣがたとえば８０％など所定の上限値に達したら、パンタ電流抑制制御器３２により架線電圧が０近傍になるように制御することにより大きな負荷に電池電流を流して、ＳＯＣを設定値まで低下させる。パンタ電流抑制制御は、ＳＯＣが高く電池を放電する必要がある場合に実施すると、パンタグラフを経て流れ込む電流を０Ａ付近に押さえ込み車内の負荷を全て二次電池１５に負担させてＳＯＣを素早く減少させる効果がある。

なお、二次電池のＳＯＣは、電池の寿命や容量に大きな影響を与えるので、設定値や上限値などは重要な要素になる。設定値を８０％とするときは、寿命が短縮するおそれがあるが、電池容量はより小さくて済み、装置コストが低減する。また、設定値を７０％とすれば、電池容量が大きくなりコストは上昇するが、寿命は長期化し、運行時における容量余裕が大きくなる。
なお、二次電池としては、アルカリイオン電池やニッケル水素電池など特に充放電特性に優れたものを使用することが好ましいが、鉛蓄電池なども利用できることはいうまでもない。

また、パンタグラフを下げて二次電池搭載車両が電池の動力で走行する場合では、充電要求スイッチ４１、放電要求スイッチ４２、充放電不要スイッチ４４、定電圧充電スイッチ４３がオフになって、直流リンク電圧制御器２２の目標値が一定になり直流リンク電圧の変動を抑えるように二次電池１５の充放電制御をする。

なお、直流リンク電圧制御器２２の制御特性はＰ−Ｄ制御とし、積分動作を含まない構成となっている。直流リンク電圧の制御においては、架線電源と電池との負荷分担が問題となる。インバータを有する変電所が定電圧制御を行い、電池の充放電制御装置もまた積分ゲインを持った定電圧制御を行うとすると、負荷分担が一定に定まらない。これを回避するために、充放電制御装置の直流リンク電圧制御に積分ゲインを持たせないことにより、変電所が定電圧制御能力を有する場合においても、架線と電池の負荷分担が安定して定まるようになる。

また、直流リンク電圧制御器２２とカスケード接続した電池電流制御器２１の制御特性は微分先行型のいわゆるＰＩ−Ｄ制御となっている。
電池の電流制御は、電池の状態や環境条件によって電池特性が変化するため、電流振動が発生するなど制御性が悪化する場合がある。ＰＩ−Ｄ制御を適用することで、指令値変化による外乱を与えることなく、微分補償をかけ、電池の内部抵抗低下などの特性変動による振動発生を抑える効果が得られる。

１１ 架線
１２ パンタグラフ
１３ インバータ
１４ モータ
１５ 二次電池
１６ パルス幅変調方式可逆チョッパ回路
１７ 制御回路
２１ 電池電流制御器
２２ 直流リンク電圧制御器
２３ ダンピング制御器
３１ 定電流定電圧充電制御器
３２ パンタ電流抑制制御器
３３ 電池電流０制御器
３４ ＳＯＣ制御器
３５ 電池電圧制御器
３６ 残距離補正器
３７ 電池温度補正器
４１ 充電要求スイッチ
４２ 放電要求スイッチ
４３ 定電圧充電スイッチ
４４ 充放電不要スイッチ
５１ 上下限リミッタ

Claims (11)

1. 架線から直流電力を取得して直流リンク線に供給するパンタグラフと、該直流リンク線から入力される直流電力を交流に変換するインバータと、車両駆動用の二次電池と、前記直流リンク線と前記二次電池の間に設けた可逆チョッパとを備え電化区間と非電化区間に跨って運行する二次電池搭載車両に適用される制御系であって、前記直流リンク線の電圧である直流リンク電圧の指令値と該直流リンク電圧の測定値との偏差に基づいてフィードバック制御し前記二次電池に充電する電池電流を定める電池電流指令値を出力する直流リンク電圧制御系と、前記電池電流の計測値と前記電池電流指令値との偏差に基づいてフィードバック制御して前記可逆チョッパのチョッパ通流率を調整する電池電流制御系とを含む二次電池の充放電制御系において、
   前記二次電池における充電要求時には前記電池電流が電池電流目標値になるようにフィードバック制御する定電流定電圧充電制御系と、放電要求時には前記架線と前記パンタグラフの間に流れるパンタ電流が０になるようにフィードバック制御するパンタ電流抑制制御系と、充放電不要時には前記電池電流を０にするようにフィードバック制御する電池電流０制御系をさらに備えて、
   充電要求時には前記定電流定電圧充電制御系の制御出力が前記直流リンク電圧制御系の指令値を増減し、放電要求時には前記パンタ電流抑制制御系の制御出力が前記直流リンク電圧制御系の指令値を増減し、充放電不要時には前記電池電流０制御系の制御出力が前記直流リンク電圧制御の指令値を増減することを特徴とする二次電池搭載車両のパワーフロー制御方法。
2. 前記二次電池のＳＯＣがＳＯＣの目標値になるようフィードバック制御するＳＯＣ制御の制御出力が、前記定電流定電圧充電制御における電池電流指令値を増減して電池電流目標値を修正することを特徴とする請求項１記載のパワーフロー制御方法。
3. 電池温度に基づいて定められる充電電流補正値が、前記定電流定電圧充電制御における電池電流指令値を増減して電池電流目標値を修正することを特徴とする請求項１または２記載のパワーフロー制御方法。
4. 車両位置から非電化区間までの残り距離を求め、該残り距離に基づいて定められる補正値が、前記定電流定電圧充電制御における電池電流指令値を増減して電池電流目標値を修正することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーフロー制御方法。
5. 前記充電要求時であってＳＯＣが所定値より高く電池電圧が所定値より高いときには、電池電圧が電池電圧指令値になるようにフィードバック制御する電池電圧制御の制御出力を、前記定電流定電圧充電制御における目標値とすることを特徴とする請求項１記載のパワーフロー制御方法。
6. 前記直流リンク電圧制御系と前記電池電流制御系が直列に接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーフロー制御方法。
7. 架線から直流電力を取得して直流リンク線に供給するパンタグラフと、該直流リンク線から入力される直流電力を交流に変換するインバータと、車両駆動用の二次電池と、前記直流リンク線と前記二次電池の間に設けた可逆チョッパとを備え電化区間と非電化区間に跨って運行する二次電池搭載車両の二次電池の充放電制御装置に付帯するパワーフロー制御装置において、前記直流リンク線の電圧である直流リンク電圧に係る直流リンク電圧指令値を与える回路に並列に、前記二次電池における充電要求時に切り替わる第１切換回路を介して該充電要求時には前記二次電池に充電する電池電流が電池電流指令値に近づくようにフィードバック制御する定電流定電圧充電制御器が接続され、放電要求時に切り替わる第２切換回路を介して前記架線と前記パンタグラフの間に流れるパンタ電流が０になるようにフィードバック制御するパンタ電流抑制制御器が接続され、充放電不要時に切り替わる第３切換回路を介して前記電池電流を０にするようにフィードバック制御する電池電流０制御器が接続されてなることを特徴とするパワーフロー制御装置。
8. 前記二次電池のＳＯＣを入力してＳＯＣ目標値に対する偏差について積分要素を含むフィードバック制御演算を行って制御出力を出力するＳＯＣ制御器を備えて、該制御出力が前記定電流定電圧充電制御器における電池電流指令値を増減して電池電流目標値を修正することを特徴とする請求項７記載のパワーフロー制御装置。
9. 前記二次電池の温度測定値を入力して前記二次電池の温度に基づいて定められる充電電流補正値を出力する充電電流電池温度補正器を備えて、該充電電流補正値を用いて前記定電流定電圧充電制御器における電池電流指令値を増減して修正し電池電流目標値とすることを特徴とする請求項７または８記載のパワーフロー制御装置。
10. 車両位置により非電化区間までの残り距離を求めて該残り距離に基づいて定められる補正値を出力する充電電流残距離補正器を備えて、該補正値を用いて前記定電流定電圧充電制御器における電池電流指令値を増減して修正し電池電流目標値とすることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のパワーフロー制御装置。
11. 前記充放電制御装置が、前記直流リンク電圧が設定された直流電圧指令値になるようにフィードバック制御して前記電池電流指令値を出力する直流リンク電圧制御器と、前記電池電流の計測値と前記電池電流指令値との偏差に基づいてフィードバック制御して前記可逆チョッパのチョッパ通流率を調整する電池電流制御器を備え、前記直流リンク電圧制御器と前記電池電流制御器が直列に接続されることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のパワーフロー制御装置。

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