JP5996095B2 - 電気車制御装置および電気車のブレーキ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気車制御装置および、空気ブレーキと回生ブレーキとを併用する電気車のブレーキ制御方法に関する。

従来、例えば下記特許文献１に開示された車両用電力変換器の制御装置では、高速域における回生ブレーキ動作範囲を拡大するため、チョッパ装置やチョッパ制御装置を追設していた。

特開２００４−２３６３９７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、チョッパ装置やチョッパ制御装置を追設する必要があるため、装置が大型化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、チョッパ装置やチョッパ制御装置などの付加的な装置を追設することなく、高速域における回生ブレーキの動作範囲を拡大することができる電気車制御装置をおよび電気車のブレーキ制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電動機を駆動するインバータと、ブレーキング指令を検出した際に回生ブレーキトルク負担率を演算する演算部と、前記インバータに具備されるスイッチング素子の温度を検出する素子温度検出部と、を備え、前記演算部は、車両速度の検出値である車両速度情報に応じて前記回生ブレーキトルク負担率を決定するブレーキトルク負担率決定部と、前記素子温度検出部が検出した素子温度情報を用いて前記ブレーキトルク負担率決定部が決定した回生ブレーキトルク負担率を補正するブレーキトルク負担率補正部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、付加的な装置を追設することなく、高速域における回生ブレーキの動作範囲を拡大することができるという効果が得られる。

図１は、実施の形態１に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る電気車制御装置の要部動作を説明するための図である。 図３は、実施の形態１に係る演算部の一構成例を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１に係る電気車制御装置の要部動作を示すフローチャートである。 図５は、実施の形態２に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。 図６は、実施の形態２に係る演算部の一構成例を示すブロック図である。 図７は、実施の形態３に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。 図８は、実施の形態３に係る電気車制御装置の要部動作を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車制御装置および電気車のブレーキ制御方法について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。実施の形態１に係る電気車制御装置１は、図１に示すように、少なくともスイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路２、スイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂを具備し、電気車を駆動するための少なくとも１台以上の電動機８を接続してなるインバータ３、およびインバータ３に具備されるスイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれ生成して出力する制御部７を備えて構成される。なお、インバータ３に接続される電動機８としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。

入力回路２の一端は集電装置１１を介して架線１０に接続され、他端は車輪１３を介して大地電位であるレール１２に接続されている。架線１０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置１１を介して入力回路２の一端に入力されるとともに、入力回路２の出力端に生じた電力（直流電圧）がインバータ３に入力（印加）される。

インバータ３は、スイッチング素子４ａ，５ａ，６ａで構成される正側アーム（例えばＵ相では４ａ）と、スイッチング素子４ｂ，５ｂ，６ｂで構成される負側アーム（例えばＵ相では４ｂ）とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ３には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されている。なお、スイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂとしては、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子やＩＰＭ素子が好適である。

また、制御部７は、演算部４１、回生ブレーキ指令生成部４２および、空気ブレーキ指令生成部４３を備えている。制御部７には、運転台１６からのブレーキング指令３１、車両情報管理装置１７からの気温情報３２、素子温度検出部であるサーミスタ１８からの素子温度情報３３、速度検出部である回転数検出器１５からの車両速度情報３４が入力される。

車両情報管理装置は、列車情報（列車運行情報、列車位置情報、ＡＴＳ(Automatic Train Stop)制御情報等）を管理する装置の一般的な名称である。なお、この実施の形態では、車両情報管理装置１７が保持している気温情報３２を電気車制御装置周辺の周囲温度情報として得る形態について説明するが、車両情報管理装置１７以外の他の装置または他のセンサ等から周囲温度情報を得るようにしてもよい。

素子温度情報３３は、インバータ３に具備されるスイッチング素子４ａ〜６ｂの温度を表す情報であるが、素子自体の温度を表す情報である必要はなく、素子温度に関連する情報、つまり素子の温度変化を推定できる情報であればどのような情報であってもよい。

図２は、実施の形態１に係る電気車制御装置の要部動作を説明するための図である。図２（ａ）は周囲温度が相対的に高いときのブレーキトルク負担率マップを示す図であり、図２（ｂ）は周囲温度が相対的に低いときのブレーキトルク負担率マップを示す図であり、横軸は車両速度、縦軸は回生ブレーキトルク負担率をそれぞれ表している。なお、回生ブレーキトルク負担率は、回生ブレーキトルクと空気ブレーキトルクとを合わせた全体のブレーキトルクに対する回生ブレーキトルクの比率である。

図２（ａ），（ｂ）において、曲線Ｋ１（Ｋ２）よりも右側のハッチング領域は空気ブレーキを使用する領域を示し、曲線Ｋ１（Ｋ２）よりも左側の非ハッチング領域は回生ブレーキを使用する領域を示している。

車両速度Ｖ１において、周囲温度が相対的に高い場合には、回生ブレーキと空気ブレーキを併用するが、周囲温度が相対的に低い場合には、回生ブレーキのみを使用する（図２（ａ）：回生ブレーキトルク負担率＝７０％、図２（ｂ）：回生ブレーキトルク負担率＝１００％）。一方、車両速度Ｖ１よりも速い車両速度Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）では、回生ブレーキと空気ブレーキとを併用する領域であっても、周囲温度が相対的に高い場合と低い場合とでは、同じ車両速度でも回生ブレーキトルク負担率が異なっている（図２（ａ）：回生ブレーキトルク負担率＝２０％、図２（ｂ）：回生ブレーキトルク負担率＝４０％）。

つまり、実施の形態１の電気車制御装置では、周囲温度の高低に応じて、回生ブレーキトルク負担率を変更する処理を行う。具体的には、周囲温度が低くなれば回生ブレーキトルク負担率が大きくなるように制御し、周囲温度が高くなれば回生ブレーキトルク負担率が小さくなるように制御する。

図３は、図１に示す演算部４１の一構成例を示すブロック図である。演算部４１は、ブレーキトルク負担率決定部５１およびブレーキトルク負担率補正部５２を備えて構成される。

つぎに、演算部４１の動作について図１〜図４の図面を参照して説明する。なお、図４は、実施の形態１に係る電気車制御装置の要部動作を示すフローチャートであり、詳細には、演算部４１の動作を示す図である。

ブレーキトルク負担率決定部５１には、運転台１６からのブレーキング指令３１、車両情報管理装置１７からの気温情報３２、回転数検出器１５からの車両速度情報３４が入力される（図３参照）。また、ブレーキトルク負担率決定部５１には、ブレーキトルク負担率マップ５６（図２、３参照）が設けられる。ブレーキトルク負担率マップ５６は、周囲温度に応じて切り替えられるように、例えば５℃刻みあるいは１０℃刻みなど、所定の刻み幅毎に複数設けられることが好ましい。なお、ブレーキトルク負担率マップ５６のようなマップ形式とはせずに、周囲温度と車両速度から関数計算により求めるようにしてもよい。

ブレーキトルク負担率決定部５１は、ブレーキング指令３１を検出すると（図４：ステップＳ１０１）、気温情報３２および車両速度情報３４を用い、ブレーキトルク負担率マップ５６を参照し、回生ブレーキトルク負担率５３を演算してブレーキトルク負担率補正部５２に出力する（図４：ステップＳ１０２）。

ブレーキトルク負担率補正部５２には、回生ブレーキトルク負担率５３に加えてサーミスタ１８からの素子温度情報３３が入力される（図３参照）。ブレーキトルク負担率補正部５２は、素子温度情報３３を用いて回生ブレーキトルク負担率５３の値を補正する（図４：ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、演算部４１の処理サイクルで繰り返し実行され、処理サイクル毎に変化する演算値が回生ブレーキ情報５４および空気ブレーキ情報５５として、回生ブレーキ指令生成部４２および空気ブレーキ指令生成部４３に対してそれぞれ出力される。

回生ブレーキ指令生成部４２は、回生ブレーキ情報５４を用いて所要の回生ブレーキトルクが発生するようなゲート指令（ＰＷＭ信号）３６を生成してインバータ３に具備されるスイッチング素子４ａ〜６ｂを制御する（ステップＳ１０４）。また、空気ブレーキ指令生成部４３は、空気ブレーキ情報５５を用いて所要の空気ブレーキトルクが発生するような空気ブレーキ指令３７を生成して空気ブレーキ装置２０に出力する（ステップＳ１０４）。

上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理は、ブレーキング指令の検出の都度、実行される。

つぎに、ブレーキトルク負担率補正部５２の具体的な処理の一例について説明する。例えば、周囲温度が低いときに、ブレーキトルク負担率決定部５１が決定した回生ブレーキトルク負担率５３が増加した場合（すなわち回生ブレーキトルク負担率が増加した場合）を仮定する。このような場合であっても、何らかの原因で素子温度が許容温度に近い場合も想定される。このような場合、周囲温度が低いからといって、回生ブレーキトルクを大きくすることは素子保護の観点から好ましくない。このような場合、ブレーキトルク負担率補正部５２は、例えば許容温度よりも低い温度を閾値温度として設定し、この閾値温度を超えた場合には、回生ブレーキトルク負担率を減ずる処理を行う。なお、回生ブレーキトルク負担率を減ずる処理としては、回生ブレーキトルク負担率の演算値に１未満の補正係数を乗算するような手法でもよいし、回生ブレーキトルク負担率の演算値から補正値を減ずるような手法でもよい。また、閾値温度は１つではなく複数個設定してもよい。

つぎに、実施の形態１に係る電気車制御装置が具備する固有の効果について説明する。

まず、従来の電気車制御装置では、図２（ａ）に示すような唯一のブレーキトルク負担率マップを参照して回生ブレーキトルク負担率を決定していた。このため、回生ブレーキを使用する車両速度は常に固定であった。

これに対し、実施の形態１に係る電気車制御装置は、周囲温度により回生を開始する速度領域を変化させるものであるため、回生ブレーキの使用率を高くすることが可能になる。この点は、図２（ａ）と図２（ｂ）の非ハッチング領域を比較すれば明らかである。このように、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、高速域における回生ブレーキの動作範囲を拡大することができるという効果が得られる。また、回生ブレーキの動作範囲を拡大することができるので、省エネルギーの効果も得られる。

また、回生ブレーキの使用率を高くできれば、空気ブレーキ装置の使用率を低くすることが可能となる。このため、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、ブレーキシューの消耗を抑制することができ、その結果、ブレーキシューの寿命を延伸できるという効果も得られる。

また、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、素子温度情報に基づいて、演算した回生ブレーキトルク負担率を補正可能に構成しているので、スイッチング素子が許容温度を超えてしまうような状況を確実に回避できるという効果も得られる。

なお、電気車の場合、ブレーキ抵抗で電力を消費する抵抗ブレーキ装置を具備することが一般的である。高速域における回生ブレーキの動作範囲を拡大する制御を行う場合、架線電圧を上昇させる機会が増加するが、架線電圧を上昇させないように抵抗ブレーキ装置を動作させる制御を行うことで問題のない対応が可能である。

また、実施の形態１では、図３の演算部４１の構成および、図４のステップＳ１０２，Ｓ０１３に示すように、気温情報３２および車両速度情報３４を用いて回生ブレーキトルク負担率５３を演算し、その後に素子温度情報３３を用いて回生ブレーキトルク負担率５３の値を補正する処理としているが、気温情報３２、車両速度情報３４および素子温度情報３３を一緒に用いて回生ブレーキトルク負担率５３を演算するようにしてもよい。具体的な処理の一例を説明すると、例えば素子温度が、許容温度に基づいて設定される閾値温度よりも低い場合には、図２（ａ），（ｂ）示すような車両速度に応じた複数のブレーキトルク負担率マップを保有し、車両速度に応じて複数のブレーキトルク負担率マップを切り替える制御を行う一方で、素子温度が閾値温度よりも高い場合には、複数のブレーキトルク負担率マップを切り替える制御は行わずに、図２（ａ）に示すブレーキトルク負担率マップのみを参照するような制御を行えばよい。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る電気車制御装置の一構成例を示す図であり、図６は、実施の形態２に係る演算部４１の一構成例を示すブロック図である。実施の形態１では、図１、図３および図４に示すように、気温情報３２を用いて回生ブレーキトルク負担率を決定する構成および処理を示したが、実施の形態２では、図５および図６に示すように、気温情報３２を用いずに回生ブレーキトルク負担率を決定する構成を示すものである。なお、その他の構成については、図１および図３に示す実施の形態１の構成と同一もしくは同等であり、共通の構成部には同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

実施の形態２に係る電気車制御装置では、演算部４１に設けられるブレーキトルク負担率決定部５１は、車両速度情報３４を用いて回生ブレーキトルク負担率５３を決定してブレーキトルク負担率補正部５２に出力する。ブレーキトルク負担率補正部５２は、素子温度情報３３を用いて回生ブレーキトルク負担率５３の値を補正し、補正した回生ブレーキトルク負担率５３を用いて回生ブレーキ情報５４および空気ブレーキ情報５５を生成して出力する。

実施の形態２に係る電気車制御装置では、回生を開始する速度領域を変化させる制御は行わないが、素子温度情報３３を用いて回生ブレーキトルク負担率５３の値を補正する制御は行うので、図２（ａ）もしくは（ｂ）に示すブレーキトルク負担率マップ上における非ハッチング領域の面積を従来のものよりも大きくすることができる。このため、実施の形態２に係る電気車制御装置によれば、従来よりも、回生ブレーキの使用率を高くすることができ、ブレーキシューの消耗を抑制して、ブレーキシューの寿命を延伸できるという効果が得られる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る電気車制御装置の一構成例を示す図であり、図８は、実施の形態３に係る電気車制御装置の要部動作を示すフローチャートである。実施の形態１では、図１、図３および図４に示すように、気温情報３２を用いて回生ブレーキトルク負担率を決定する構成および処理を示したが、実施の形態３では、図７および図８に示すように、気温情報３２の代わりに日付情報３８を用いて回生ブレーキトルク負担率を決定する構成を示すものである。なお、その他の構成については、図１および図４に示す実施の形態１の構成または処理と同一もしくは同等であり、共通の構成部には同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

日付情報３８は、当該情報を用いて実施の形態１で説明した周囲温度に関係づけられるものであればどのような情報であってもよい。すなわち、何月何日という日付自体を特定する情報だけに限定されず、月の情報であってもよいし、季節が特定できる情報であってもよい。なお、運行地域によっては、国土が長大であったり、季節による温度変動が激しかったりするため、運行地域における年間の気温情報を有していることが好ましい。

なお、制御部７が日付情報３８もしくは、これに相当する情報を有している場合には、車両速度情報３４から日付情報３８を入手する必要はないことは言うまでもない。

実施の形態３に係る電気車制御装置によれば、回生ブレーキの使用率を高める制御を気温情報を用いずに日付情報を用いて行うことができるので、気温情報が得られない場合でも制御が可能になるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１〜３において、スイッチング素子４ａ〜６ｂは、シリコン、ＧａＡｓなどの一般的な半導体で形成されていてもよいし、ＳｉＣ、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体で形成されていてもよい。

ここで、スイッチング素子４ａ〜６ｂを、例えばＳｉＣで形成した場合を考える。ＳｉＣを用いた場合、同じ動作電流で比較したときの損失はＳｉを用い場合よりも低くできるので、同じ動作電流に対する発熱量を低減することができる。また、ＳｉＣはＳｉに比して耐熱性も高いため、許容温度が高くなる。したがって、スイッチング素子４ａ〜６ｂをワイドバンドギャップ半導体で形成すれば、回生ブレーキの使用率を更に高めることが可能となる。

また、以上の実施の形態１〜３に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、付加的な装置を追設することなく、高速域における回生ブレーキの動作範囲を拡大することができる電気車制御装置として有用である。

１ 電気車制御装置、２ 入力回路、３ インバータ、４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂ スイッチング素子、７ 制御部、８ 電動機、１０ 架線、１１ 集電装置、１２ レール、１３ 車輪、１５ 回転数検出器（速度検出部）、１６ 運転台、１７ 車両情報管理装置、１８ サーミスタ（素子温度検出部）、２０ 空気ブレーキ装置、４１ 演算部、４２ 回生ブレーキ指令生成部、４３ 空気ブレーキ指令生成部、５１ ブレーキトルク負担率決定部、５２ ブレーキトルク負担率補正部。

Claims (5)

1. 架線から供給される電力を用いて電動機を駆動するインバータと、
   ブレーキング指令を検出した際に、回生ブレーキトルクと空気ブレーキトルクとを合わせた全体のブレーキトルクに対する前記回生ブレーキトルクの比率である回生ブレーキトルク負担率を演算する演算部と、
   前記インバータに具備されるスイッチング素子の温度を検出する素子温度検出部と、
   を備え、
   前記演算部は、
   車両速度の検出値である車両速度情報に応じて前記回生ブレーキトルク負担率を決定するブレーキトルク負担率決定部と、
   前記素子温度検出部が検出した素子温度情報を用いて前記ブレーキトルク負担率決定部が決定した回生ブレーキトルク負担率を補正するブレーキトルク負担率補正部と、
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記演算部には周囲温度情報が入力され、
   前記ブレーキトルク負担率決定部は、前記車両速度情報と共に前記周囲温度情報を用いて前記回生ブレーキトルク負担率を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記演算部には日付情報が入力され、
   前記ブレーキトルク負担率決定部は、前記車両速度情報と共に前記日付情報を用いて前記回生ブレーキトルク負担率を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 架線から供給される電力を用いて駆動される電動機を備え、空気ブレーキと回生ブレーキとを併用して用いる電気車のブレーキ制御方法であって、
   前記電気車の速度情報、前記電気車の周囲温度情報および、前記電気車の前記電動機を駆動するインバータに具備されるスイッチング素子の温度情報に基づいて、前記回生ブレーキトルクと前記空気ブレーキトルクとを合わせた全体のブレーキトルクに対する前記回生ブレーキトルクの比率である回生ブレーキトルク負担率を演算し、演算した前記回生ブレーキトルク負担率に基づいて回生ブレーキ指令および空気ブレーキ指令を生成することを特徴とする電気車のブレーキ制御方法。
5. 架線から供給される電力を用いて駆動される電動機を備え、空気ブレーキと回生ブレーキとを併用して用いる電気車のブレーキ制御方法であって、
   前記電気車の速度情報および周囲温度情報に基づいて、前記回生ブレーキトルクと前記空気ブレーキトルクとを合わせた全体のブレーキトルクに対する前記回生ブレーキトルクの比率である回生ブレーキトルク負担率を決定する第１ステップと、
   前記電気車の前記電動機を駆動するインバータに具備されるスイッチング素子の温度情報に基づいて前記第１ステップにて決定した回生ブレーキトルク負担率を補正する第２ステップと、
   前記第２ステップにて補正した回生ブレーキトルク負担率に基づいて回生ブレーキ指令および空気ブレーキ指令を生成する第３ステップと、
   を含むことを特徴とする電気車のブレーキ制御方法。

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