JP5806459B2 - 鉄道車両用蓄電池制御システム - Google Patents
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Description
このリチウムイオン電池は、充放電の繰り返しに伴う劣化により容量が減少し、蓄えられる電力量が減少するため、鉄道車両の力行時に必要な放電量、制動時に回生される充電量が減少することになり、消費電力の低減効果が減少する。そのため、電池の正確な容量を把握し、それをもとに電池の交換時期を決定する必要がある。
充放電電荷量は所定の充放電動作期間中の電流を積分して求めることができる。
一方SOCは、端子開放電圧OCV(Open Circuit Voltage)と相関関係があり、OCVを測ることでSOCを求めることができる。
このため、容量算出のため充放電電荷量を算出する際、充放電動作期間中の電流積分は一日の運行開始から運行終了までの全期間で実施しなければならず、長時間の積分が必要になることから、測定器や積分器の誤差などの影響が大きくなり、精度良く容量を推定できないという問題があった。
すなわち、現停車駅から次の停車駅までの鉄道の運行は、例えば電車の場合、発車時に架線からモーターに給電することにより所定の速度となるまで力行(加速)させ、所定の速度に達したら、モーターへの給電を停止して、鉄道車両の巨大な慣性質量及び車輪−線路間の低転がり摩擦を利用して、惰行運転を行う。そして、次の停車駅に近づいた段階で、制動(モータによる回生ブレーキ)を開始して鉄道車両を制動し、次の停車駅で停車させる。その後、所定の停車時間を経て、さらに次の停車駅に向けて力行を開始するというパターンを採る。
そこで、現駅に停車してから次駅に向けて力行運転を開始する直前までの期間、そして力行運転を終了してから制動が開始するまでの惰行運転期間の非充放電期間に、蓄電池の電圧を測定することで、開放電圧の測定機会を増やすことで、容量検出の精度を向上させることができる。
これにより、鉄道用途における駅停車時や惰行中の短時間の非充放電期間でのSOCの算出が可能となり、運航中の容量算出を実現させる。
(1)充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備し、前記緩和時間を、予め定めた時間内における前記蓄電池の電圧変化幅が、予め定めた閾値になるまでの時間に基づいて判定し、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して充放電終了から前記緩和時間が経過した後に、マスコンから力行指令が出力されてから放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から力行開始時の充電率を演算し、力行中に、前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し、放電終了から前記緩和時間が経過した後に、前記マスコンから次の力行指令あるいは制動指令が出力されてから充電または放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、前記容量演算手段は、前記電荷量演算手段が演算した前記電流積算値と、前記充電率演算手段が演算した前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めるようにした。
電池制御システム1000は、電池システム1と電池制御装置2、充放電装置3及び、運転制御装置40から構成され、電池システム1と電池制御装置2は、信号線104により接続されている。
また、充放電装置3は、電池システム1に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。運転制御装置40は、運転手が操作するマスコン41を具備し、このマスコン41からの指令により鉄道車両の力行(加速)、惰行、制動(回生)、停止が制御される。
図2に、電池10に対して、一定電流で充電及び放電した時の電池10の電圧の変化を示す。横軸が時間で、縦軸が電池10の端子間電圧である。
図2(a)は充電期間終了後の電池10の端子間電圧の変化を、そして、図2(b)は放電期間終了後の電池10の端子間電圧の変化を示し、電池10の端子間電圧は、充放電終了後、ある時定数を持って安定した電圧である開放電圧:OCV(Open Circuit Voltage)に戻っていくことが知られている。
例えば、この緩和時間は電池10の温度に変化するが、一般的には、30秒〜1分を確保する必要がある。
緩和時間Ttr は、予め定められた時間Δt内のΔV(t)の変化が、予め定められた閾値ΔVthになるまでの時間とする。
すなわち、
充電率SOCは、次式のように定義されており、電池10が完全に放電した状態がSOC=0%、完全に充電した状態がSOC=100%となる。なお、このOCVとSOCとの相関関係は、温度や劣化によりほとんど変化しないことが知られている。
SOC(%)=電池10に蓄えられている電荷量(Ah)
÷電池10に蓄えられる総電荷量(Ah)×100
この電池10に蓄えられる総電荷量を電池10の容量Qとする。容量Qは劣化により減少していくため、この容量を検出することで電池10の劣化状態を把握できる。
図5は、鉄道の運行パターンを示しており、駅停車(t0〜t1)、力行(t1〜t2)、惰行(t2〜t3)、制動(t3〜t4)から構成され、t4で再び次駅での駅停車に戻る。
横軸が時刻(時間)、縦軸が電池10への充放電電流I、電池10の端子間の電圧V、電池10の充電率SOCであり、電池10に対し充放電電流Iを流した際の電圧V及びSOCの推移を示している。
(1)駅停車(t0〜t1)時、緩和判定手段201は電流センサ101、電圧センサ102、温度センサ103からA/D変換器21を介して、電池10の電流・電圧・温度情報を入手・観測し、蓄電池10の電圧変化ΔVを監視する。緩和判定手段201が、この電圧変化ΔVが式(1)を満たすのを確認すると、緩和終了信号を充電状態推定手段202と電流積算手段203に伝える。
また、電流積算手段203は、緩和判定手段201から緩和終了信号を受け、電流積算値をリセットする。
電流積算手段203は時刻t1〜t2間の充放電電流I(t)を積算し、電池10に蓄えられた電荷量の変化Δqを求め、劣化推定装置204に出力する。次の式(2)にΔqの算出式を示す。
劣化推定装置204は、充電状態推定手段202より入手した通電期間前後のSOCであるSOCAとSOCB及び、電流積算手段203で算出した電池10に蓄えられた電荷量の変化Δqより、電池10の容量Qを求める。これは、時刻t1での電池10に蓄えられた電荷量をqA、時刻t3に蓄えられた電荷量をqBとすると、充電率SOCは、蓄えられた電荷量と容量の比となることから、SOCAとSOCBは、式(3)、(4)に示す式で表わされる。
また、式(7)に容量の劣化度SOHQを求める式を示す。なお、Q0は電池10の初期容量である。
なお、(5)において、惰行時間(t2〜t3)が短く、電池10の緩和時間が取れなかった場合には、SOC(t1)とSOC(t4)とt1〜t4間の電流積算値Δqを用いて、電池10の容量Qを求める。なお、t1〜t4の場合は、力行時の放電と、制動時の充電が含まれているため、SOCの差やΔqが所定の値以下の場合には、誤差の影響を考慮し、計算を行わない。
また、マスコン41からのノッチ(力行、制動)指令のほかに、運転制御装置40に自動運転時モードがあり、自動運転モード時に、運転制御装置40がノッチ(力行、制動)指令を出力してもよい。
先の実施例との相違は、電池10が組電池11の直列接続により構成されている点にある。
電池制御システム1000は、電池システム1と電池制御装置2、充放電手段3から構成され、電池システム1と電池制御装置2は、信号線104により接続されている。
また、充放電手段3は、電池システム1に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。
本構成においては、単電池11は直列に接続されているため、各単電池11を流れる充放電電流は、電流センサ101より入手することができる。また、緩和判定手段201は、電圧センサ群101からの各単電池11の電圧と、電流センサ101からの充放電電流情報を観測し、全単電池11の電圧が安定する緩和時間を決定する。
電流積算手段203は、電流センサ101から入手した充放電電流を積算するとともに、劣化推定装置204は、充電状態推定手段202からの各単電池11の差と電流積算手段203の電流積算値から、各単電池11の容量Qを求める。
この容量の求め方は、図5に示す内容と同じである。
すなわち、ATOを用いたシステムは、速度制限を行うATC(Automatic Train Control system:自動列車制御システム)を発展させたものであり、線路上におかれたATO地上装置と通信し、列車の発進、減速、及び停止位置の情報を入力、車両に搭載されたATO車上装置が、力行、惰行、回生運転を指令することにより、自動運転を実現する。
ATOを用いたシステムでは、列車の発進指令を受信すると、ATCにより指定された速度まで力行運転を行い、その後、定速運転に入る。次の停車駅に近付くと、線路上にATO地上装置が置かれており、その情報から、次の停車駅までの距離を入手し、この距離と現在の速度に基づいて、ブレーキ制御を行い、指定された位置に停車する。
このように、ATOを用いたシステムにおいても、ATO車上装置から出力された運転指令をもとに、力行運転、惰行運転、回生を伴う減速運転を識別することが可能となる。
こうした蓄電池搭載型鉄道車両は、省エネルギの観点から今後幅広い導入が予想されているが、本発明によれば、高価な蓄電池の交換時期を正確に認知できることから、蓄電池の最大限の有効活用とともに、的確な保守を実現できる蓄電池制御システムとして広く利用されることが期待される。
Claims (3)
- 充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、
力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、
非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、
前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備し、
前記緩和時間を、予め定めた時間内における前記蓄電池の電圧変化幅が、予め定めた閾値になるまでの時間に基づいて判定し、
前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して充放電終了から前記緩和時間が経過した後に、マスコンから力行指令が出力されてから放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から力行開始時の充電率を演算し、
力行中に、前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、
力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し、放電終了から前記緩和時間が経過した後に、前記マスコンから次の力行指令あるいは制動指令が出力されてから充電または放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、
前記容量演算手段は、前記電荷量演算手段が演算した前記電流積算値と、前記充電率演算手段が演算した前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする蓄電池制御システム。 - 前記惰行運転期間が所定の時間以上継続して充放電終了から前記緩和時間が経過した後に、マスコンから制動指令が出力されてから放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から制動開始時の充電率を求め、
制動中は、前記電荷量演算手段が前記蓄電池に充電される充電電流を積算した電流積算値を求めるとともに、
制動終了後、惰行運転期間あるいは停車期間が所定の時間以上継続して、放電終了から前記緩和時間が経過した後に、前記マスコンから力行指令または次の制動指令が出力されてから充電または放電を開始する前に、前記充電率演算手段が電圧センサにより検出した前記蓄電池の端子開放電圧から制動終了時の充電率を求め、
前記容量演算手段は、前記電荷量演算手段が演算した前記電流積算値と、前記充電率演算手段が演算した前記制動終了時の充電率と前記制動開始時の充電率の差から、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする請求項1に記載の蓄電池制御システム。 - 非充放電期間である、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が、前記緩和時間より短い場合には、前記充電率演算手段による前記蓄電池の電圧の測定をスキップすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の蓄電池制御システム。
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