JP5766640B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。
従来、架線等の電源から電力を供給されて走行する電気車両には、主電動機(モーター)を発電機として作動させることで、発電機からの回生電流を架線等の電源に戻すことで車両にブレーキをかけた状態と同様な作用をもたせる回生ブレーキ制御が用いられている。
また近年は、従来の電気車両にバッテリが搭載されるようになってきた。このような電気車両では、電気車両を構成する複数の付随車両に、バッテリがそれぞれ設けられている。各付随車両に分散搭載された各バッテリをパワーラインによって並列接続し、そのパワーラインを列車内に引通している。このとき、車両の駆動性能に対してバッテリ電圧が引くすぎるため、車両の走行開始時にバッテリ電圧を、車両内に設けた昇圧チョッパにて高電圧に昇圧する。つまり、昇圧チョッパでは、電動機への駆動電力を生成するインバータに必要な定格電圧までバッテリ電圧を印加している。このような、パワーラインから昇圧チョッパを介して電動車両を駆動する技術が提案されている。また主電動機から回生電流が発生した際に、主回路電圧を降圧してバッテリに回生電流を戻す駆動制御を行なっている。
特開2001−352607号公報
このように従来の電気車両では、架線から電力の供給を受けるため、バッテリ電圧を架線の電圧よりも低くなるように設計されていることが多い。
このような従来のバッテリを有する電気車において、主電動機の高速回転時の回生ブレーキ制御では、主回路電圧によって主電動機の回生効率が決まってしまう。したがって、必要なブレーキ力が、主回路電圧に基づいて回生できる電気ブレーキ力を上回ってしまった場合、停止または減速するために必要なブレーキ力が不足するため、空気ブレーキを利用する必要がある。空気ブレーキを利用すると、発熱でエネルギーを浪費することになり、回生効率が低くなるという問題が生じる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回生効率を向上させる電気車制御装置を提供することを目的とする。
実施形態の電気車制御装置は、コンタクタと、バッテリと、昇降圧チョッパと、制御部と、を備える。コンタクタは、電力供給源と電気車両内に引通されたパワーラインとの間に設けられる。バッテリは、電気車両の主電動機に電力を供給する。昇降圧チョッパは、パワーラインとバッテリとの間に設けられ、電圧の昇降圧を行う。制御部は、電気車両ブレーキ時に、コンタクタを用いて電力供給源とパワーラインとの間の接続を遮断し、バッテリによるバッテリ電圧でブレーキをした時の回生電流の電流値が主電動機の電流値以上となる、電気車両の基準速度より電気車両の速度が速い場合に、バッテリから供給される電力を昇降圧チョッパで電力供給源より高い電圧に昇圧し、昇圧された電力が供給される主電動機に回生制動を行わせ、基準速度より電気車両の速度が遅い場合に、昇降圧チョッパで昇圧せずに主電動機に回生制動を行わせる
図1は、第1の実施形態にかかる電気車両の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図2は、車両のブレーキ時における主電動機誘起電圧と速度との関係を示した図である。 図3は、第1の実施形態にかかる電気車制御装置における、電気車両の力行時の処理の手順を示すフローチャートである。 図4は、第1の実施形態にかかる電気車制御装置における、車両を停止する際の処理の手順を示すフローチャートである。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態にかかる電気車両の電気車制御装置100の主回路構成を示した図である。図1に示すように電気車制御装置100は、図示しない電力供給源(例えば、架線、第三軌条など)にコンタクタ101が接続され、電力が供給される。そして、電気車制御装置100は、架線からコンタクタ101を介して、パワーライン102に接続される。
コンタクタ101は、架線と、電気車両内に引通されたパワーライン102との間に設けられ、TCMS150により架線との接続/非接続とが制御される。
そして、パワーライン102から、高速度遮断機103_1、103_2、103_3を介して、インバータ、充電装置等の各構成と接続されている。そして、電気車制御装置100は、TCMS(Train Control Management System)150を備えている。
TCMS150は、電気車制御装置100の各構成を制御する。例えば、TCMS150は、コンタクタ101や昇降圧チョッパ120の制御を行うことができる。さらに、TCMS150は、主電動機108_1、108_2を用いた回生制動を実現できる。
本実施形態では、架線からパワーライン102に供給される電力の電圧を600Vとするが、電圧値を制限するものではなく、実施態様に応じて適切な電圧が供給されるものとする。
また、本実施形態にかかる電気車制御装置100は、抵抗104_1と、スイッチング素子105_1と、リアクトル109_1と、コンデンサ106_1と、インバータ107_1と、主電動機108_1とが、高速度遮断機103_1を介してパワーライン102に接続されている。
インバータ107_1がバッテリ110から供給される電力で力行動作を行う場合、TCMS150は、昇降圧チョッパ120を動作させず、バッテリ110からの電力は、ダイオード125を介してパワーライン102に到達する。これにより、バッテリ電圧がDC600Vの場合、パワーライン102の電圧もDC600Vとなる。
そして、TCMS150は、スイッチング素子105_1をオフにして、抵抗104_1とコンデンサ106_1とを直列につないで、コンデンサ106_1を充電する制御を行う。コンデンサ106_1に充電がなされた後、スイッチング素子105_1をオンにして、並列に接続されたコンデンサ106_1とインバータ107_1とに対して電力を供給する。電力の供給先は、バッテリ110に制限するものではなく、架線でもよい。
そして、電気ブレーキを使用する際、電気車制御装置100は、主電動機108_1を発電機として機能させ、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。これにより、回生電流Iregが、パワーライン102側に流れる。
また、本実施形態にかかる電気車制御装置100は、抵抗104_2と、スイッチング素子105_2と、リアクトル109_2と、コンデンサ106_2と、インバータ107_2と、主電動機108_2とが、高速度遮断機103_2を介してパワーライン102に接続され、上述した動作を行う。
また、本実施形態にかかる電気車制御装置100は、バッテリ110と、昇降圧チョッパ120とが、高速度遮断機103_3を介してパワーライン102に接続されている。
バッテリ110は、昇降圧チョッパ120及びインバータ107_1、107_2を介して、主電動機108_1、108_2に電力を供給する。また、バッテリ110は、TCMS150や電気車両内の各設備に対して電力を供給することができる。また、バッテリ110は、主電動機108_1、108_2を用いた電気ブレーキによる回生制動で充電が行われる。
昇降圧チョッパ120は、パワーライン102とバッテリ110との間に設けられ、リアクトル127と、コンデンサ126と、上アームのダイオード125と、上アームのIGBT122と、下アームのダイオード124と、下アームのIGBT123と、リアクトル121と、を備えている。そして、TCMS150が、上アームのIGBT122及び下アームのIGBT123のうち、いずれか一つ以上を制御することで、電力の昇圧又は降圧を行う。これによりバッテリ110から供給される電力を昇降圧できる。
図1に示すように、本実施形態にかかる電気車制御装置100では、主電動機108_1、108_2を駆動する各インバータ107_1、107_2は、パワーライン102に接続されている。そして、パワーライン102とバッテリ110との間に、昇降圧チョッパ120が接続された構成となる。
そして、本実施形態にかかる電気車制御装置100は、力行時に架線からの電力又はバッテリからの電力で電気車両を駆動される。また、電気車制御装置100は、高速からの回生ブレーキ時に、昇降圧チョッパ120により昇圧することで、全回生電気ブレーキを可能にする。次に昇圧する理由について説明する。
図2は、車両のブレーキ時における主電動機誘起電圧と速度との関係を示した図である。図2の横軸が車両の速度であり、縦軸が主電動機電流値、及び回生電流値とする。パワーライン102の電圧がDC600Vの場合、主電動機電流の特性を示した線201と、回生電流を示した線202と、で示される。
ところで、電気車両の力行時に昇降圧チョッパ120を停止状態にしておくと、パワーライン102の電圧は、バッテリ110によるバッテリ電圧となる。力行では主電動機108_1、108_2の誘起電圧がバッテリ電圧に達する速度まで、定トルク制御が行なわれ、さらに高速まではその定トルクは出力できない。このため、TCMS150は、主電動機108_1、108_2のトルクを低減する制御をして加速する。
これに対し、ブレーキ操作では高速から停止まで一定のブレーキ力が要求される。このため、高速からブレーキを操作した場合、図2に示すように、主電動機108_1、108_2の誘起電圧は、バッテリのバッテリ電圧以上の値となり、制御不能となる。
例えば、車両の速度V2の時にブレーキ操作を行う場合、パワーライン102の電圧がDC600Vでは、電流の差分210だけ、空気ブレーキで補足する必要が生じる。
このため、全電気ブレーキで制御を可能にするにはパワーライン102の電圧を上昇させる必要がある。そこで、本実施形態にかかる電気車制御装置100は、昇降圧チョッパ120のバッテリ110への充電制御を行なって力行と回生でパワーライン電圧を変えることとした。
例えば、パワーライン102の電圧をDC800Vに昇圧した場合、主電動機電流の特性を示した線203と、回生電流を示した線204と、で示される。これらの関係から、車両の速度V2の時であっても、空気ブレーキを用いる必要がなくなる。
換言すれば、本実施形態にかかる電気車制御装置100では、パワーライン102の電圧をDC800Vにまで上昇させることで、主電動機電流に定電流を流す領域が拡大するため、ブレーキ時に全電気ブレーキによる回生動作で、車両の全ての運動エネルギーを電気ブレーキで回収することができる。しかしながら、パワーライン102と接続されている架線はDC600Vであるため、架線と接続した状態では、パワーライン102をDC800Vまで昇圧することはできない。
そこで、本実施形態では、TCMS150が、主電動機108_1、108_2を発電機として起動し、電気ブレーキとして回生制動を行わせる際に、コンタクタ101を制御して、架線との接続を遮断する。遮断した後、TCMS150が、昇降圧チョッパ120を制御して、バッテリから供給される電力を昇圧し、パワーライン102の電圧をDC800Vまで昇圧する。
そして、電気ブレーキ(回生ブレーキ)により回生された電流Iregが、充電入力電流として昇降圧チョッパ120に流入する。その際、TCMS150は、昇降圧チョッパ120を降圧モードで制御し、電圧をDC800VからDC600Vに降圧させることで、DC600Vのバッテリ110に対する充電を実現する。
図2に示すように、車両の速度V1の場合には、DC600Vでも、電気ブレーキによる回生制動で、車両の全ての運動エネルギーを電気ブレーキで回収することができる。そこで、TCMS150は、車両の速度に応じて、パワーライン102の電圧を切り替えるように制御を行っても良い。
本実施形態ではTCMS150は、電気ブレーキを掛ける際に、基準速度Vt以上であるか否かに基づいて、昇降圧チョッパ120で昇圧を行うか否かを決定する。例えば、TCMS150は、車両の速度が基準速度Vt以上であると判定した場合に、昇降圧チョッパ120を制御して、バッテリ110から供給される電力をDC800Vに昇圧する。基準速度とは、バッテリ110によるバッテリ電圧で電気ブレーキをした時の回生電流の電流値が、主電動機108_1、108_2に流れる電流値以上となる速度とする。
実際には、電気ブレーキの起動時には、主電動機108_1、108_2のトルクが小さいため、回生電流も小さくなる。このため、基準速度Vt以上であっても、DC600Vによる電気ブレーキで回生制動は可能である。換言すれば、図2に示される境界線201を下回る領域であれば、DC600Vによる電気ブレーキで回生制動は可能となる。
そこで、本実施形態では、TCMS150が、基準速度Vt以上であると判定した場合、まずDC600Vによる電気ブレーキによる回生制動を開始する。そして、回生電流が図2の境界線201を上回る前に、TCMS150が、コンタクタ101を制御して、架線との接続を遮断し、昇降圧チョッパ120で昇圧すればよい。
そして、再び車両を力行するために、コンタクタ101を架線と接続する際には、TCMS150は、図示しない架線電圧検知部を用いて、架線電圧を検知した上で、パワーライン102の電圧を、架線電圧に合わせた上で、コンタクタ101を接続する。
また、力行時は、昇降圧チョッパ120によるスイッチングを行う必要がないため、昇降圧チョッパ120によるスイッチングによる損失を抑止できる。
次に、本実施形態にかかる電気車制御装置100における、電気車両の力行について説明する。図3は、本実施形態にかかる電気車制御装置100における上述した処理の手順を示すフローチャートである。
まず、電気車制御装置100のTCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分(例えば、満充電)であるか否かを判定する(ステップS301)。
TCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分であると判定した場合(ステップS301:Yes)、バッテリ110から供給される電力をインバータ107_1、107_2に供給し、主電動機108_1、108_2を駆動させて、車両を力行する(ステップS302)。
一方、TCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分ではないと判定した場合(ステップS301:No)、コンタクタ101を介して接続された架線から供給される電力で、主電動機108_1、108_2を駆動させて、車両を力行する(ステップS303)。
次に、本実施形態にかかる電気車制御装置100における、車両を停止する際の処理について説明する。図4は、本実施形態にかかる電気車制御装置100における上述した処理の手順を示すフローチャートである。
ブレーキを掛ける際に、電気車制御装置100のTCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分(例えば、満充電)であるか否かを判定する(ステップS401)。
TCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分であると判定した場合(ステップS401:Yes)、コンタクタ101による架線との接続を継続し、TCMS150が、空気(機械)ブレーキ及び電気ブレーキのうち少なくとも1つ以上を用いて、ブレーキ制御を行う(ステップS402)。電気ブレーキにより生じた回生電流は、架線に戻す。
一方、TCMS150は、バッテリ110のSOC範囲が十分ではないと判定した場合(ステップS401:No)、まず、TCMS150は、主電動機108_1、108_2を発電機として起動し、電気ブレーキによる回生制動を開始する(ステップS403)。その後、TCMS150は、コンタクタ101を制御して、架線とパワーライン102との間の接続を遮断する(ステップS404)。
その後、TCMS150は、車両の速度が、図2に示すDC600Vによる電気ブレーキで制御可能な基準速度以上であるか否かを判定する(ステップS405)。なお、基準速度は予め定められた速度とし、本実施形態では、図2に示された基準速度Vtとする。
TCMS150が、電気ブレーキで制御可能な基準速度Vtより小さいと判定した場合(ステップS405:No)、パワーライン102をDC600Vに保ち、IGBT122を常にオンにし、IGBT123を常にオフにする(ステップS406)。これにより、TCMS150は、昇降圧チョッパ120を用いた昇降圧を行わず、主電動機108_1、108_2を用いた電気ブレーキによる回生制動で、スイッチング損失を生じることなく、回生電流でバッテリ110を充電する(ステップS407)。
一方、TCMS150が、電気ブレーキで制御可能な基準速度Vt以上と判定した場合(ステップS405:Yes)、昇降圧チョッパ120を用いて、パワーライン102の電圧をDC800Vに昇圧する(ステップS407)。DC800Vで主電動機108_1、108_2を用いた電気ブレーキによる回生制動が開始される。そして、DC800Vによる回生制動が開始された後、TCMS150は、流入する回生電流に対して、昇降圧チョッパ120を降圧モードでDC600Vに降圧した後、バッテリ110を充電する(ステップS409)。
さらに、本実施形態にかかるTCMS150は、回生時に、上述したように、昇降圧チョッパ120を用いてパワーライン102の電圧を高電圧に上昇する制御を行っている。ところで、インバータ107_1、107_2がパワーライン102に向けて、回生エネルギーを移行させようとすると、この回生エネルギーの受け口が無い状態ではパワーライン102の電圧を上昇させるように動作することになる。そこで、TCMS150は、この上昇しようとする電圧を高電圧の基準電圧(本実施形態ではDC800V)を維持するために、パワーライン102の電圧が基準電圧を上回るとバッテリ110への充電電流を増加させ、下回るとバッテリ110の充電電流を減少させる制御を行うこととした。
なお、本実施形態では、800Vに昇圧する例について説明したが、昇圧後の電圧値を制限するものではなく、昇圧後の電圧は、空気(機械)ブレーキを用いずに、電気ブレーキで回生制動が可能な電圧値であればよい。
本実施形態では、バッテリ110を充電する際に、空気ブレーキを用いず、全て電気ブレーキで回生制動を行うことで、全ての運動エネルギーを回収できるので、エネルギーの効率化を実現できる。
本実施形態にかかる電気車制御装置100では、力行時に昇降圧チョッパ120のIGBT122、123のオンオフ制御をしないため、充電装置の損失を低減させることができる。
(変形例1)
また、回生制動中に、パワーライン102を常にDC800Vで保持する必要はなく、例えば車両の速度が基準速度Vtを下回った場合には、TCMS150は、昇降圧チョッパ120を用いて、パワーライン102の電圧をDC600Vに戻してもよい。
パワーライン102の電圧をDC600Vに戻した場合に、TCMS150が、コンタクタ101を制御して、架線とパワーライン102とを接続してもよい。この場合、回生電流を、架線に戻すこともできる。
(変形例2)
また、本実施形態では、基準速度Vtであるか否かを用いて判定する例について説明したが、図2で示したパワーライン102の電圧毎の車両の速度と回生電流(又は主電動機108_1、108_2)との対応関係を示したテーブルを、図示しない記憶部に記憶し、TCMS150は、当該テーブルを参照して、昇圧を行うか否かを判定してもよい。
変形例2では、TCMS150は、車両の速度と回生電流との対応関係、換言すれば、図2の境界線201で定められる速度領域に含まれているか否かに応じて、昇降圧チョッパ120による昇降圧制御を行う。これにより、さらに詳細な回生制動を実現できる。
(変形例3)
上述した実施形態では、車両の力行時の電圧がバッテリ電圧の例について説明した。しかしながら、力行時の電圧をバッテリ110によるバッテリ電圧に制限するものではない。そこで、変形例3では、TCMS150が、力行時に昇降圧チョッパ120を用いて昇圧することとした。
つまり、TCMS150が、力行する時に、昇降圧チョッパ120で昇圧することで、力行時のパワーライン102の電圧を昇圧する。これにより、力行性能を高めることができる。
上述した実施形態及び変形例にかかる電気車制御装置100は、力行時はバッテリ電圧で車両を駆動させるが、高速からの電気ブレーキ(回生ブレーキ)時は昇降圧チョッパ120により高電圧に昇圧されるため、全回生電気ブレーキを可能にする。これにより、全運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、バッテリ110に戻すことを可能とした。これにより、回生効率の向上を図ることができる。
ところで、従来、バッテリ駆動電気車に搭載されるバッテリは、十分な容量を搭載しようとすると、搭載できる場所の確保、重量が非常に大きなものとなるため、大きな負担になっていた。そこで、バッテリのエネルギーを効率よく使用することは非常に大事になる。
そこで、上述した実施形態及び変形例にかかる電気車制御装置100では、上述した構成で高い回生効率を実現したため、搭載するバッテリ量を、小さくすることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100…電気車制御装置、101…コンタクタ、102…パワーライン、103_1、103_2、103_3…高速度遮断機、104_1、104_2…抵抗、105_1、105_2…スイッチング素子、106_1、106_2…コンデンサ、107_1、107_2…インバータ、108_1、108_2…主電動機、109_1、109_2…リアクトル、110…バッテリ、120…昇降圧チョッパ、121…リアクトル、122、123…IGBT、124、125…ダイオード、126…コンデンサ、127…リアクトル

Claims (2)

  1. 電力供給源と電気車両内に引通されたパワーラインとの間に設けられるコンタクタと、
    前記電気車両の主電動機に電力を供給するバッテリと、
    前記パワーラインと前記バッテリとの間に設けられ、電圧の昇降圧を行う昇降圧チョッパと、
    前記電気車両ブレーキ時に、前記コンタクタを用いて前記電力供給源と前記パワーラインとの間の接続を遮断し、前記バッテリによるバッテリ電圧でブレーキをした時の回生電流の電流値が前記主電動機の電流値以上となる、前記電気車両の基準速度より前記電気車両の速度が速い場合に、前記バッテリから供給される電力を前記昇降圧チョッパで前記電力供給源より高い電圧に昇圧し、昇圧された電力が供給される前記主電動機に回生制動を行わせ、前記基準速度より前記電気車両の速度が遅い場合に、前記昇降圧チョッパで昇圧せずに前記主電動機に回生制動を行わせる制御部と、
    を備える電気車制御装置。
  2. 前記基準速度と前記回生電流とを対応付けて記憶した記憶手段をさらに備え、
    前記制御部は、前記記憶手段に記憶された前記対応付けに従って、昇圧を行うか否かを判定する、
    請求項に記載の電気車制御装置。
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