JP6951061B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来、電気車両は、架線から供給される電力を用いて走行し、走行停止時には回生ブレーキにより生じた電力を架線に戻し、別の車両の走行に使用させることで、エネルギーを有効に利用している。さらに、エネルギーを有効に利用するために、電気車両に二次電池を搭載し、回生ブレーキにより生じた電力を二次電池に充電させる技術が知られている。しかしながら、従来の技術では、二次電池を効率良く使用することができない場合があった。

特開２０１５−７６９１１号公報

本発明が解決しようとする課題は、二次電池を効率良く使用をすることができる電気車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、電力変換部と、二次電池と、電圧検出部と、温度検出部と、充電部と、充電制御部とを持つ。電力変換部は、架線からの電力を、走行用モータを駆動するための電力に供給する。二次電池は、前記電力変換部の入力側に接続される。電圧検出部は、前記二次電池の電圧を検出する。温度検出部は、前記二次電池の温度を検出する。充電部は、前記二次電池を充電する。充電制御部は、前記電圧検出部により検出される電圧に基づいて前記充電部を制御し、前記走行用モータが回生運転する場合、前記電力変換部から前記二次電池に供給される電力を調整する充電制御部であって、前記温度検出部により検出される温度が低くなる程、前記電力変換部から前記二次電池に供給される電力を増加させるように前記充電部を制御する。

実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システム１の構成図。 実施形態の電気車制御装置２０の機能ブロック図。 実施形態の電気車制御装置２０の充電処理を示すフローチャート。 二次電池を流れる電流と温度の関係の一例を示す図。 二次電池を流れる電流と車両の走行速度の関係の一例を示す図。 実施形態の電気車制御装置２０の放電処理を示すフローチャート。 実施形態の二次電池の温度変化の一例を示す図。

以下、実施形態の電気車制御装置を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システム１の構成図である。図１に示す電気車（鉄道車両）は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器１０と、変圧器１６と、モータ４０と、電気車制御装置２０とを備える。電気車制御装置２０は、コンバータ２２と、電力変換部２６（インバータ）と、平滑コンデンサ２３と、電圧検出部２４と、蓄電部２８と、制御部１００とを備える。

集電器１０は、架線Ｐから交流電力を取得する。変圧器１６は、集電器１０により出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。コンバータ２２は、変圧器１６から入力された交流電力を直流電力に変換する。コンバータ２２は、例えば中性点クランプ方式（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped）方式）の電力変換回路である。

電気車制御装置２０では、コンバータ２２と電力変換部２６とを導通させる複数系統の給電線が設けられている。平滑コンデンサ２３は、コンバータ２２から電力変換部２６に出力される電圧を平滑化する。電圧検出部２４は、コンバータ２２と、電力変換部２６との間における正極側と負極側との間の電圧を検知する。電力変換部２６は、コンバータ２２から出力された直流電力を、制御部１００から入力された制御信号（例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号）に基づいて、所望の周波数や電圧等を有する三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換し、変換した三相交流をモータ４０へ出力する。蓄電部２８は、制御部１００の指示に基づいて、回生運転時にモータ４０により回収された電力を蓄え、力行運転時にモータ４０へ電力を供給する。

モータ４０は、例えば、三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータ４０の出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに伝達され、伝達された駆動力により車輪Ｗを回転させることで、電気車を走行させる。モータ４０は、例えば、かご型三相誘導電動機である。なお、車輪Ｗは、線路Ｒを介して接地される。

電気車システム１は、操作盤１１０と、表示盤１２０とを備える。操作盤１１０は、例えば電気車の主電源をオン／オフするためのマスタースイッチや、運転手が種々の操作を行うマスターコントローラ等を含む。マスターコントローラは、種々の対応を採用し得るが、例えば前方に押すことによって制動・減速による電気車の回生運転を指示し、後方に引くことによって電気車の加速による力行運転を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラに対してなされた操作量を示す信号、あるいは操作に基づいて決定される制御信号は、制御部１００に入力される。表示盤１２０は、制御部１００の指示に基づいて、電気車の速度等を含む各種情報を表示する。

次に、実施形態における蓄電部２８について説明する。図２は、実施形態の蓄電部２８の機能ブロック図である。図２に示すように、蓄電部２８は、例えば、二次電池２８２と、温度検出部２８４と、二次電池電圧検出部２８５と、電圧変換部２８６（充電部）と、コントローラ２８８（充電制御部）とを備える。

二次電池２８２は、例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などの充放電可能な二次電池である。
温度検出部２８４は、二次電池２８２の温度を検出する。温度検出部２８４は、二次電池２８２の内部又は筐体に取付けられてもよいし、二次電池２８２の温度とみなすことができる温度を測定できる程度に、二次電池２８２から離れた場所に取付けられてもよい。温度検出部２８４は、検出した温度を電圧変換部２８６に出力する。二次電池電圧検出部２８５は、二次電池２８２の正極と負極の間の電圧を検出する。温度検出部２８４は、検出した電圧をコントローラ２８８に出力する。

電圧変換部２８６は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータである。電圧変換部２８６は、内部のスイッチング素子をスイッチングすることにより、昇圧または降圧動作を行う。コントローラ２８８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアを有する。コントローラ２８８は、制御部１００からの指示に基づいて二次電池２８２に流れる電流を制御し、二次電池２８２を充電し、又は二次電池２８２に放電させる。
充電または放電を行う際に、コントローラ２８８は、温度検出部２８４により検出された温度に基づいて、二次電池２８２に流す電流を決定する。また、コントローラ２８８は、二次電池電圧検出部２８５により検出された電圧に基づいて、充電または放電の終了タイミングを決定する。

次に、コントローラ２８８により実行される充電処理の流れについて説明する。図３は、コントローラ２８８により実行される充電処理の流れの一例を示すフローチャートである。図３に示す処理は、例えば、制御部１００からコントローラ２８８に回生運転開始の指示が通知されたタイミングで開始される。

まず、コントローラ２８８は、温度検出部２８４から二次電池２８２の温度Ｔｍを取得する（ステップＳ１）。次に、コントローラ２８８は、取得した温度Ｔｍに基づいて、二次電池２８２に流す電流Ｉｏを決定する（ステップＳ２）。

コントローラ２８８は、ステップＳ２で決定した電流Ｉｏが二次電池２８２に流れるように、電圧変換部２８６の昇圧比または降圧比を決定する（ステップＳ３）。二次電池２８２に電流Ｉｏが流れ込むことにより二次電池２８２に電荷が蓄積され充電が行われる。

なお、図３に示すように、コントローラ２８８は、上述したステップＳ１で取得した二次電池２８２の温度を、充電処理中に更新しないようにしてもよい。これによって、頻繁に温度を検出させることにより生じる処理負荷の増大を抑制することができる。

次に、コントローラ２８８は、二次電池２８２にかかる電圧Ｅｃが、二次電池２８２の充電限界である電圧Ｅｆｕｌｌ以上となったこと、または制御部１００から回生終了の指示が通知されたことのうち少なくとも一方を満たすか否かを判定する（ステップＳ５）。これらのうち少なくとも一方を満たす場合、コントローラ２８８は、本フローチャートの処理すなわち充電を終了する。

ここで、コントローラ２８８による二次電池２８２に流す電流Ｉｏの決定方法について図４を用いて説明する。図４は、コントローラ２８８が決定する電流量と二次電池の温度との関係を示す例である。

図４の例において、縦軸は二次電池２８２に流す電流Ｉを示し、横軸は二次電池２８２の温度Ｔを示す。温度と電流の関係は、二次電池２８２の温度が低いほど二次電池２８２に流す電流を大きくする傾向にある。図４に示す例では、温度と電流の関係が曲線的に変化しているが、温度が低いほど電流が大きくなる関係があればよく、例えば直線的に変化する関係でも、段階的に変化する関係でも構わない。

このように、コントローラ２８８が温度に応じて電流を変化させるのは、二次電池が充電可能な容量が温度に依存するためである。一般的に、二次電池は、温度が低いほど充電可能な電力が大きくなる傾向がある。このため、コントローラ２８８は、温度が低いほど二次電池２８２に流す電流を大きくすることで、一定時間に充電する量（充電レート）を増加させる。こうすることで、温度が低い場合に、充電可能な電力までより迅速に充電することができる。

また、コントローラ２８８は、二次電池２８２に流す電流Ｉｏを決定する際の決定因子として、二次電池２８２の温度に加えて別のパラメータを用いてもよい。ここでは、コントローラ２８８が、電気車の速度に基づいて二次電池２８２に流す電流Ｉｏを決定する方法について図５を用いて説明する。図５は、コントローラ２８８が決定する電流量と電気車の速度との関係を示す例である。

図５の例において、縦軸は二次電池２８２に流す電流Ｉを示し、横軸は電気車の速度Ｖを示す。速度と電流の関係は、電気車の速度Ｖが低い、つまり速度が遅いほど二次電池２８２に流す電流を大きくする関係にある。速度に応じて電流を変化させるのは、回生運動時の電気車の速度が遅いほど、大きな電力の回収を見込めるためである。

このように、コントローラ２８８が決定した二次電池２８２に流す電流Ｉｏに対し、速度が遅いほど二次電池に流す電流を大きくし、速度が速いほど二次電池に流す電流を小さくする。このとき、コントローラ２８８は、速度が変化する中で、二次電池に流す電流の平均がＩｏとなるように制御する。このようにすることで、充電可能な状態となる頻度の高い低速域で二次電池２８２へ流す電流を大きくすることができ、省エネルギーに寄与することができる。

さらに、コントローラ２８８により実行される放電処理の流れについて説明する。図６は、コントローラ２８８により実行される放電処理の流れの一例を示すフローチャートである。図６に示す処理は、例えば、制御部１００からコントローラ２８８に放電開始の指示が通知されたタイミングで開始される。

まず、コントローラ２８８は、温度検出部２８４から二次電池２８２の温度Ｔｍを取得する（ステップＳ１０）。次に、コントローラ２８８は、取得した温度Ｔｍに基づいて二次電池２８２に流す電流Ｉｏを決定する（ステップＳ１１）。次に、コントローラ２８８は、二次電池電圧検出部２８５から二次電池２８２の正極と負極との間の電圧Ｅｃを取得する（ステップＳ１２）。

コントローラ２８８は、取得した二次電池２８２の電圧Ｅｃに基づいて、放電可能な電圧Ｅを決定する（ステップＳ１３）。放電可能な電圧Ｅとは、放電可能な電力（容量）を、その放電を行うことによる電圧降下分に変換した概念である。より具体的には、放電可能な電圧Ｅとは、二次電池２８２の電圧Ｅｃから、非常時に必要な電圧Ｅｅを除いた値である。非常時に必要な電圧Ｅｅとは、例えば、停電時など架線Ｐからの電力供給がない場合に二次電池２８２からの電力を用いて次の駅まで（所定の距離の間）電気車を走行させることができるだけの電圧である。次の駅までの距離は、例えば、路線の最長駅間隔と同じ程度と想定し、これを走行するのに必要な電力を電圧降下分に変換したのが、非常時に必要な電圧Ｅｅである。

コントローラ２８８は、放電可能な電圧Ｅと放電に必要な最低電圧Ｅｌｉｍとを比較する。放電に必要な最低電圧Ｅｌｉｍとは、二次電池２８２が放電する際に、電圧降下がこの値未満であると安定的に電力を供給できなくなる最低の電圧降下分である。そして、コントローラ２８８は、放電可能な電圧Ｅが放電に必要な最低電圧Ｅｌｉｍ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。放電可能な電圧Ｅが放電に必要な最低電圧Ｅｌｉｍ以上である場合、コントローラ２８８は、ステップＳ２で決定した電流Ｉｏを二次電池２８２に放電させる（ステップＳ１５）。

コントローラ２８８は、制御部１００より力行終了の通知を取得するか、または、二次電池２８２の電圧Ｅｃが放電に必要な最低電圧Ｅｌｉｍ未満である場合には、二次電池２８２から電流Ｉｏを流すことを停止させ放電を終了させる（ステップＳ１６）。

実施例の構成によって電気車を走行させた場合における二次電池２８２の温度の推移について図７を用いて説明する。図７は、電気車を走行させた場合における二次電池２８２の温度の推移を示す図である。図中、５１は、二次電池２８２の温度が高温の場合の高温時グラフであり、５２は、二次電池２８２の温度が低温の場合の低温時グラフである。

図７において、縦軸は二次電池２８２の温度Ｔを示し、横軸は時間Ｔｉｍｅを示す。二次電池２８２の温度は、力行および回生時に上昇し、惰行および停車時に下降する。温度が上昇する一因は、二次電池２８２が充放電する電流と、二次電池２８２の内部抵抗との作用によって熱が発生するためである。電気車の走行運動では、例えば、力行、惰行、回生、停止の順に運動状態が変更される。力行および回生時の温度上昇と、惰行および停車時の温度下降との間の変化量に差がある場合、電気車の走行運動が繰り返し行われることにより、二次電池２８２の温度は上昇と下降を繰り返しながら温度が推移する。

二次電池２８２には、動作を保障する温度の上限（温度上限）Ｔｌｉｍが定められている。この温度上限Ｔｌｉｍを超えないように二次電池２８２を使用することで、予め定められた二次電池の寿命が確保される。

コントローラ２８８は、二次電池２８２の温度が温度上限Ｔｌｉｍを超えないように制御する。より具体的には、コントローラ２８８は、二次電池２８２の温度が温度上限Ｔｌｉｍに近づく、或いは超えた場合、二次電池２８２の充放電を停止または抑制して温度を低下させる。

また、前述したように、本実施形態のコントローラ２８８は、二次電池２８２の温度が低温である場合には、二次電池２８２に流す電流を増やすように制御する。こうすることで、二次電池２８２と温度上限値Ｔｌｉｍとの間の温度余裕を不必要に大きくすることなく、効率的により多くの充電または放電を行うことができる。

また、本実施形態によれば、図５に示すように、コントローラ２８８が電気車の速度が遅い場合に二次電池に流れる電流を大きくなるように制御することで、充電可能な電力が大きい回生時の低速運転時に、より多くの電力を二次電池２８２に充電させることができる。

さらに、本実施形態によれば、図６の放電フローチャートのステップＳ１３に示すように、力行時の放電について、二次電池２８２が非常時に必要な電力を充電した状態を維持するように放電制御することで、非常時に備えることができる。例えば、コントローラ２８８は、電気車が駅と駅との間の走行区間で停電が発生し、架線Ｐから電力の供給がなされなくなった場合でも、二次電池２８２から電力を供給させ、次の駅まで電気車を走行させることが可能となる。

なお、駅間を走行するために必要な電力は、走行区間ごとに異なるため、コントローラ２８８は、二次電池２８２が充電して維持すべき電力量を制御部１００から通知されるようにして、走行場所に応じて非常時に必要な電力を可変としてもよいし、前述したように、走行区間における駅間の最長距離に基づく一定の電力を非常時に必要な電力として維持するようにしてもよい。

本実施形態においては、モータ４０が交流電動機である場合について説明したが、これに限らず、モータ４０は直流電動機であってもよい。

また、本実施形態においては、架線Ｐから交流電力が給電された場合について説明したが、これに限らず、直流電化区間を走行する車両にも適用することができる。この場合、変圧器１６やコンバータ２２を省略することができ、架線Ｐからの直流電力を電力変換部２６に供給させる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、架線Ｐからの電力を、走行用モータ４０を駆動するための電力に供給する電力変換部２６と、電力変換部２６の入力側に接続された二次電池２８２と、二次電池２８２の電圧を検出する二次電池電圧検出部２８５と、二次電池２８２の温度を検出する温度検出部２８４と、二次電池２８２を充電する電圧変換部２８６と、二次電池電圧検出部２８５により検出される電圧に基づいて電圧変換部２８６を制御し、走行用モータ４０が回生運動する場合、電圧変換部２８６から二次電池２８２に供給される電力を調整するコントローラ２８８であって、温度検出部２８４により検出される温度が低くなる程、電圧変換部２８６から二次電池２８２に供給される電力を増加させるように電圧変換部２８６を制御するコントローラ２８８と、を持つことにより、二次電池を効率良く使用することができる。

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同様に、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ものである。

1…電気車システム、１０…集電器、１６…変圧器、２０…電気車制御装置、２２…コンバータ、２３…平滑コンデンサ、２４…電圧検出部、２６…電力変換部、２８…蓄電部、４０…走行用モータ、５１…高温時グラフ、５２…低温時グラフ、１００…制御部、１１０…操作盤、１２０…表示盤、２８２…二次電池、２８４…温度検出部、２８５…二次電池電圧検出部、２８６…電圧変換部、２８８…コントローラ、Ｐ…架線、Ｗ…車輪、Ｒ…レール

Claims (3)

1. 架線からの電力を、走行用モータを駆動するための電力に供給する電力変換部と、
   前記電力変換部の入力側に接続された二次電池と、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池の温度を検出する温度検出部と、
   前記二次電池を充電する充電部と、
   前記電圧検出部により検出される電圧に基づいて前記充電部を制御し、前記走行用モータが回生運転する場合、前記電力変換部から前記二次電池に供給される電力を調整する充電制御部であって、予め定められた動作を保証する温度の上限を超えない範囲において、前記温度検出部により検出される温度が低くなる程、前記電力変換部から前記二次電池に供給される電力を増加させるように前記充電部を制御する充電制御部と、
   を備え、
   前記充電制御部は、電気車の速度が低い場合に、前記二次電池に流れる電流を増加させるように前記充電部を制御する、
   電気車制御装置。
2. 前記充電制御部は、前記二次電池が停電時を含む非常時に必要な電力を充電した状態を維持するように、前記電力変換部または前記二次電池の放電回路を制御する、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記非常時に必要な電力は、電気車が所定距離を走行可能な電力である、
   請求項２に記載の電気車制御装置。

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