JP7040419B2 - サーバ - Google Patents

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Description

本開示は、サーバに関し、より特定的には、充電器と通信するように構成されたサーバに関する。
特開2004-312863号公報(特許文献1)には、ディーゼルエンジン式鉄道車両と電気式鉄道車両とのハイブリッド型の鉄道車両に関し、一部のバッテリが使用不可となった場合でも近隣の駅まで退避走行が可能な冗長性のあるバッテリ装置が開示されている。
特開2004-312863号公報
鉄道車両が減速を行う場合には回生ブレーキを掛けることができる。ある鉄道車両が回生ブレーキを掛けると、その鉄道車両の近くを走行する他の鉄道車両に、回生ブレーキにより発電された電力(以下、「回生電力」とも記載する)を供給することができる。したがって、鉄道システム全体で電力を有効に活用することができる。
鉄道車両の走行地域または走行時間帯によっては、鉄道車両の近くに他の鉄道車両が存在しない状況も生じ得る。そのような状況下では、回生ブレーキが十分に利かなくなる可能性があり、そうすると、発電ブレーキを掛けることが必要となる。発電ブレーキでは、鉄道車両に設けられた抵抗器等において熱が発生するのみで、エネルギーを電力として回収することはできない。つまり、鉄道システム全体で電力を有効活用することができない可能性がある。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、鉄道車両の回生電力を有効活用することである。
本開示のある局面に従うサーバは、電動車両に搭載された蓄電装置を充電することが可能な充電器と通信するように構成された通信機を備える。充電器は、サーバからの指令に応答して、架線を介して受けた鉄道車両の回生電力を蓄電装置に充電するための電力変換動作を行うように構成される。サーバは、鉄道車両の回生電力の発生地点から架線の延在方向に沿って所定距離内に他の鉄道車両が存在しない場合に、指令を送信するように通信機を制御する制御部をさらに備える。
上記構成においては、鉄道車両の回生電力の発生地点から架線の延在方向に沿って所定距離内に他の鉄道車両が存在しない場合に、充電器は、サーバからの指令により電力変換動作が行う。これにより、鉄道車両の回生電力が電動車両に搭載された蓄電装置に充電される。したがって、上記構成によれば、鉄道車両の回生電力を有効活用することができる。
本開示によれば、鉄道車両の回生電力を有効活用することができる。
本実施の形態における電力システムの全体構成を示す図である。 電力システムの電気的な構成を概略的に示すブロック図である。 車両および充電器の構成を概略的に示すブロック図である。 本実施の形態における充電器およびサーバの協調制御を示すフローチャートである。 実施の形態の変形例における充電器およびサーバの制御を示すフローチャートである。
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
本開示において、「鉄道車両」とは、架線(または第三軌条)から電力の供給を受けて走行する車両(電気車)を意味し、電車に加えてトロリーバスを含み得る。以下に説明する実施の形態では、鉄道車両が電車である構成を例に説明する。
[実施の形態]
<電力システムの構成>
図1は、本実施の形態における電力システムの全体構成を示す図である。図1を参照して電力システム10は、複数の車両1と、複数の充電器2と、複数の充電ケーブル3と、複数の鉄道車両4と、サーバ9とを備える。
複数の車両1の各々は、バッテリ110(図3参照)が搭載された電動車両であり、本実施の形態ではプラグインハイブリッド車である。複数の車両1の各々は、車外に設置された充電器2から充電ケーブル3を介して供給される電力によりバッテリ110を充電することが可能に構成されている。各車両1は、車両外部からの供給電力による充電が可能に構成されていれば、他の電動車両(電気自動車または燃料電池自動車)であってもよい。
複数の鉄道車両4は、架線61(図2参照)からの電力供給を受けて走行する。また、各鉄道車両4は、駅81に近付いたり下り坂82を下ったりする場合に回生ブレーキにより減速する。各鉄道車両4は、非常時に停車するために回生ブレーキを用いる場合もある。鉄道車両4の回生ブレーキについては後述する。
サーバ9は、たとえば、複数の鉄道車両4の運行を統一的に管理する運行管理センターに設けられている。サーバ9と各鉄道車両4とは、通信機910(図3参照)を介して、双方向の通信が可能に構成されている。この通信により、サーバ9は、複数の鉄道車両4の各々の現在地に関する情報を定期的に収集している。また、サーバ9と各充電器2とも、通信機230,910(図3参照)を介して、双方向の通信が可能に構成されている。サーバ9と充電器2との通信については後述する。
図2は、電力システム10の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。図2を参照して、本実施の形態では、電力システム10が直流き電システムである構成、すなわち、電力システム10が商用電源5から送電線6を介して受電した商用周波数の電力を交流から直流に変換し、変換された直流電力を鉄道車両4に供給する構成である例に説明する。ただし、電力システム10が直流き電システムであることは必須ではなく、電力システム10は、交流き電システムであってもよい。
電力システム10は、整流器用変圧器71と、整流器72と、回生インバータ73と、回生インバータ用変圧器74とを備える。
整流器用変圧器71の一次側は、遮断器70を介して送電線6に電気的に接続されている。整流器用変圧器71の二次側は、整流器72に電気的に接続されている。整流器用変圧器71は、送電線6より受電する三相交流の特別高圧電圧をき電に適した電圧に降圧する。
整流器72は、整流器用変圧器71から受ける三相交流電力を直流電力に整流する。整流された直流電力は、架線(き電線)61を介して鉄道車両4へ供給される。整流器72に対する電流帰路としてレール62が利用される。なお、架線61およびレール62には実際には複数の整流器が接続されているが、図1では1つの整流器72のみが例示されている。
回生インバータ73は、制御装置(図示せず)からの信号に従って、鉄道車両4の回生ブレーキ時に発生する回生電力を交流電力に変換する。回生インバータ73の交流側は、回生インバータ用変圧器74および遮断器70を介して送電線6に電気的に接続されている。
回生インバータ用変圧器74は、回生インバータ73から出力される単相交流を三相交流に変換して送電線6側に回生する。これにより、鉄道車両4に回生ブレーキ時に生じる電力(回生電力)を送電線6に回生できるため、安定したブレーキ動作や電力の有効利用が実現される。
本実施の形態における電力システム10では、車両1を充電するための充電器2が架線61およびレール62にさらに電気的に接続されている。充電器2は、商用電源5にも電気的に接続されている。
図3は、車両1および充電器2の構成を概略的に示すブロック図である。図3を参照して、車両1は、前述のようにプラグインハイブリッド車であって、バッテリ110と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)120と、エンジン130と、モータジェネレータ141,142と、動力分割装置151と、駆動輪152と、パワーコントロールユニット(PCU:Power Control Unit)160と、充電リレー170と、インレット180と、車両ECU100とを含む。
バッテリ110は、再充電可能な直流電源(蓄電装置)であって、たとえばリチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等の二次電池を含んで構成されている。バッテリ110は、モータジェネレータ141,142を駆動するための電力をPCU160に供給する。また、バッテリ110は、充電器2から供給される電力や、車両制動時にモータジェネレータ142により発電される電力を蓄える。
SMR120は、バッテリ110と充電リレー170との間に電気的に接続されている。SMR120は、車両ECU100からの信号によって制御され、充電器2によるバッテリ110の充電(外部充電)時には閉状態(導通状態)となる。
エンジン130は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関であって、車両ECU100からの信号に応じて車両1が走行するための動力を発生する。
モータジェネレータ141,142の各々は、たとえば永久磁石がロータに埋設された三相交流回転電機である。モータジェネレータ141は、エンジン130を始動する際にバッテリ110の電力を用いてエンジン130のクランク軸を回転させる。また、モータジェネレータ141はエンジン130の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ141によって発電された交流電力は、PCU160により直流電力に変換されてバッテリ110に充電されたり、モータジェネレータ142に供給されたりする。モータジェネレータ142は、バッテリ110からの電力およびモータジェネレータ141により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ142は回生ブレーキによって発電することも可能である。モータジェネレータ142によって発電された交流電力は、PCU160により直流電力に変換されてバッテリ110に充電される。
動力分割装置151は、たとえば遊星歯車機構であって、エンジン130が発生した動力を、駆動輪152に伝達される動力と、モータジェネレータ141に伝達される動力とに分割する。
PCU160は、SMR120と充電リレー170との間において電力線対(正極線PLおよび負極線NL)に電気的に接続されている。PCU160は、車両ECU100からの信号に従って、バッテリ110に蓄えられた直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ141,142に供給する。また、PCU160は、モータジェネレータ141,142が発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリ110に供給する。
充電リレー170は、SMR120とインレット180との間に電気的に接続されている。充電リレー170は、車両ECU100からの信号によって制御され、外部充電時には閉状態となる。
インレット180は、充電器2から延びる充電ケーブル3のコネクタ310と機械的に連結(嵌合)するように構成されている。
車両ECU100は、CPU(Central Processing Unit)と、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)などのメモリ領域と、各種信号を入出力するための入出力ポート(いずれも図示せず)と等を含んで構成されている。車両ECU100は、予めROMなどに格納されたプログラムをCPUがRAMに読み出して実行することによって、車両1における各種制御を実行する。代表的なものとして、車両ECU100は、外部充電の実行が許可される所定の条件が成立すると、SMR120および充電リレー170の両方を閉状態に制御する。これにより、充電器2がバッテリ110に電気的に接続され、充電器2によるバッテリ110の充電が可能となる。
充電器2は、電力変換部210,220と、通信機230と、充電ECU200とを含む。
電力変換部210は、たとえばインバータ(図示せず)を含んで構成されている。電力変換部210は、充電ECU200からの信号に従って、商用電源5から供給される交流電力を、車両1のバッテリ110を充電するための直流電力に変換する。
電力変換部220は、たとえばコンバータ(図示せず)を含んで構成されている。電力変換部210は、充電ECU200からの信号に従って、架線61およびレール62から供給される直流電力の電圧を、車両1のバッテリ110を充電に適した電圧に変換する。
通信機230は、充電ECU200からの信号に従って、サーバ9に含まれる通信機910(後述)との双方向通信が可能に構成されている。
充電ECU200は、車両ECU100と同様に、CPUと、メモリ領域と、入出力ポート(いずれも図示せず)と等を含んで構成されている。充電ECU200は、予めROMなどに格納されたプログラムをCPUがRAMに読み出して実行することによって、充電器2における各種制御を実行する。代表的なものとして、充電ECU200は、充電ケーブル3のコネクタ310と車両1のインレット180とが接続された状態において、車両1のバッテリ110を充電するための電力変換動作を電力変換部210,220に実行させる。
サーバ9は、通信機910と、制御部900とを含む。
通信機910は、制御部900からの信号に従って、充電器2に含まれる通信機230との双方向通信が可能に構成されている。また、通信機910は、複数の鉄道車両4の各々から、その現在地の位置情報を収集するためにも用いられる。
制御部900は、車両ECU100および充電ECU200と同様に、CPUと、メモリ領域と、入出力ポート(いずれも図示せず)と等を含んで構成されている。制御部900は、複数の鉄道車両4の各々の位置情報と路線図情報とを有しており、すべての鉄道車両4の運行を統一的に管理するための各種制御を実行する。さらに、本実施の形態における制御部900は、鉄道車両4の回生電力を有効活用するための制御を充電器2と協調することによって実現する。この制御を「協調制御」と称し、以下、詳細に説明する。
<協調制御>
ある鉄道車両4(以下、「鉄道車両A」とも記載する)が停車駅である駅81に近付いたり下り坂82を下ったりするときには、その鉄道車両Aは、回生ブレーキにより減速する。鉄道車両Aの近くを走行する他の鉄道車両(以下、「鉄道車両B」とも記載する)が存在する場合、鉄道車両Aの回生ブレーキにより発電された電力(回生電力)は、架線61を通して鉄道車両Bに供給され、鉄道車両Bにより消費される。これにより、電力システム10全体で回生電力を有効活用することができる。
鉄道車両Aの走行地域または走行時間帯によっては、鉄道車両Aの近くに鉄道車両Bが存在しない状況も生じ得る。そのような状況が生じても、鉄道車両Aが回生ブレーキを行おうとする地点の近くに変電設備(具体的には、図2に示した回生インバータ73および回生インバータ用変圧器74)が設置されている場合には、その変電設備により鉄道車両Aの回生ブレーキによる発電電力が直流から交流に変換され、変電設備の周囲の様々な施設における照明や空調に活用され得る。
しかし、鉄道車両Aの近くを鉄道車両Bが走行しておらず、かつ、鉄道車両Aの近くに変電設備も設置されていない状態(変電設備が存在するものの、その周囲の施設の電力消費が小さい状態を含む)において、鉄道車両Aが回生ブレーキを行いたい状況が生じることも考えられる。このように、鉄道車両Aからの電力を受電可能な他の鉄道車両Bも変電設備も存在しない状況下では、鉄道車両Aの回生ブレーキが十分に利かなくなる可能性がある。この現象は「回生失効」とも呼ばれる。回生失効が起こると、発電ブレーキを行うことが必要となる。発電ブレーキでは、鉄道車両Aに設けられた抵抗器等(図示せず)において熱が発生するのみでエネルギーを電力として回収することができない。つまり、電力システム10全体で電力を有効活用することができない可能性がある。
本実施の形態においては、鉄道車両Aが回生ブレーキを行う状況が生じ得る地点(たとえば、駅81または下り坂82)の近くに充電器2が設置されている。充電器2は、架線61およびレール62から供給される直流電力を車両1のバッテリ110を充電するため電力変換部220を含む。充電器2は、鉄道車両Aから架線61の延在方向に沿って所定距離内に他の鉄道車両(鉄道車両B)が存在しないとの情報をサーバ9との通信により受信すると、電力変換部220の電力変換動作を実行する(協調制御)。これにより、鉄道車両Aからの回生電力を車両1が受電することが可能になるので、鉄道車両Aの回生失効を抑制することが可能になるとともに、鉄道車両Aの回生ブレーキによる発電電力を車両1のバッテリ110に充電することが可能になる。したがって、電力システム10全体で電力を有効活用することができる。
<協調制御フロー>
図4は、本実施の形態における充電器2およびサーバ9の協調制御を示すフローチャートである。図4では、図中左側に充電器2の充電ECU200により実行される一連の処理を示す。この処理は、充電器2に車両1が接続されており、車両1のバッテリ110が充電可能な状態である場合(たとえばバッテリ110が満充電状態でない場合)に、たとえば所定周期毎にメインルーチン(図示せず)から呼び出されて実行される。また、図中右側にサーバ9により実行される一連の処理を示す。この処理は、所定条件が成立する度または所定周期が経過する毎にメインルーチン(図示せず)から呼び出されて実行される。後述する図5についても同様である。
なお、図4および図5に示すフローチャートに含まれる各ステップ(以下、「S」と略す)は、基本的には充電ECU200またはサーバ9によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU100またはサーバ9内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。以下では、記載の明確化および簡略化のため、充電ECU200により実行される処理については、単に充電器2による処理と記載する。
また、図示しないが、サーバ9は、充電器2の設置箇所の位置情報を予め有しているものとする。また、サーバ9は、各鉄道車両4との通信により、各鉄道車両4の現在地を示す位置情報を定期的に更新しているものとする。
図4を参照して、S11において、充電器2は、車両1のバッテリ110の充電が可能であることを示す通知(充電可能通知)をサーバ9に送信する。
サーバ9は、充電器2から充電可能通知を受けると、充電器2の周囲に鉄道車両(前述の鉄道車両A)が存在するか否かを判定する(S21)。より具体的には、架線61の延在方向に沿って充電器2から基準距離D1内に鉄道車両が存在する場合に、鉄道車両Aが存在すると判定される(S21)。なお、基準距離D1とは、鉄道車両Aから出力される回生電力を充電器2にて受電可能な距離(たとえば数百メートル~数km)である。基準距離D1は、予め定められ、サーバ9に記憶されている。
充電器2から基準距離D1内に鉄道車両Aが存在する場合(S21においてYES)、サーバ9は、架線61の延在方向に沿って鉄道車両Aから所定距離D2内に他の鉄道車両(前述の鉄道車両B)が存在するか否かを判定する(S22)。所定距離D2とは、鉄道車両Aから出力される電力を別の鉄道車両Bにて受電可能な距離(たとえば数百メートル~数km)であり、基準距離D1と同様に予め定められ、サーバ9に記憶されている。
鉄道車両Aから所定距離D2内に鉄道車両Bが存在しない場合(S22においてNO)、サーバ9は、充電器2に対し、車両1のバッテリ110の充電を許可する旨の指令(充電許可)を送信する(S23)。
サーバ9から充電許可を受けると(S12においてYES)、充電器2は、鉄道車両Aの回生ブレーキによる発電電力(回生電力)をバッテリ110に充電すべく、電力変換部220に電力変換動作を実行させる(S13)。
なお、充電器2から基準距離D1内に鉄道車両Aが存在しない場合(S21においてNO)、すなわち、充電器2と鉄道車両Aとの間の距離が遠すぎる場合には、鉄道車両Aの回生電力を充電器2にて受電することができない。また、充電器2から基準距離D1内に鉄道車両Aが存在しても当該鉄道車両Aから所定距離D2内に鉄道車両Bが存在する場合(S22においてYES)には、鉄道車両Aから鉄道車両Bへの電力供給を行うことができる。したがって、これらの場合には、サーバ9から充電器2への充電許可の送信は行われない。
また、ここでは1台の充電器2を例に説明したが、複数の充電器2が同様の協調制御を実行することにより、鉄道車両Aの回生電力が比較的大きく、1台の車両の充電可能な電力を上回る場合であっても、その回生電力を回収することができる。
以上のように、本実施の形態においては、鉄道車両Aが回生ブレーキを行いたい状況が生じ得る地点(好ましくは変電設備からも遠い地点)に充電器2が設置されている。サーバ9は、鉄道車両Aと鉄道車両Bとの間の距離が所定距離D2よりも離れている場合に充電許可を送信する。充電器2は、サーバ9からの充電許可に応答して、電力変換動作を実行するように電力変換部220を制御する。これにより、鉄道車両Aの回生電力を車両1のバッテリ110に充電して車両1の走行等に有効活用することが可能になる。また、鉄道車両Aの回生失効を抑制し、鉄道車両Aの回生ブレーキの利きを良くすることができる。
[変形例]
実施の形態では、充電器2の電力変換部220に電力変換動作を行わせることで、鉄道車両4の回生電力を車載のバッテリ110を充電する構成について説明した。しかし、停電などにより、鉄道車両4の電力需要に対して電力供給が不足する状況が生じることも考えられる。このような場合に備え、電力変換部220は、バッテリ110への電力供給(外部充電)に加えて、バッテリ110からの電力供給(外部給電)を行うための電力変換動作が可能に構成されていてもよい。本変形例においては、バッテリ110からの電力を鉄道車両4に供給する構成について説明する。なお、変形例における電力システム10の構成は、図1~図3に示した構成と同様であるため、説明は繰り返さない。
図5は、実施の形態の変形例における充電器2およびサーバ9の協調制御を示すフローチャートである。図5を参照して、S41において、サーバ9は、電力需要に対して電力供給が不足している状況が、いずれかの鉄道車両4において発生しているか否かを判定する。たとえば、サーバ9は、鉄道車両4に電力を供給する変電設備(図2に示した整流器用変圧器71および整流器72)の故障を検知した旨の信号を受けた場合に、その変電設備の近くの鉄道車両4への電力供給不足が発生していると判定する。また、サーバ9は、いずれかの鉄道車両4から電力供給を要求する信号を受けたりした場合に、その鉄道車両4への電力供給不足が発生していると判定する。以下では電力供給が不足している車両を「鉄道車両C」と記載する。電力供給不足が発生していない場合(S41においてNO)には以降の処理はスキップされる。
電力供給不足が発生している場合(S41においてYES)、サーバ9は、電力供給不足の発生地点(具体的には、故障した変電設備の設置地点や電力供給要求を送信した鉄道車両Cの現在地)から判定距離D3内に充電器2が設置されているか否かを判定する(S42)。判定距離D3とは、基準距離D1および所定距離D2と同様に、充電器2から鉄道車両Cへの電力供給が可能な距離であり、架線61およびレール62の仕様等に応じて事前に定められている。
電力供給不足の発生地点から架線61の延在方向に沿って判定距離D3内に充電器2が設置されている場合(S42においてYES)、サーバ9は、充電器2に対し、車両1のバッテリ110からの電力供給を要求する旨の指令(給電要求)を送信する(S23)。
サーバ9から給電要求を受けると、充電器2は、充電器2に充電ケーブル3を介して車両1が接続されており、その車両1のバッテリ110が電力供給可能な状態であるか否かを判定する(S31)。たとえばバッテリ110のSOC(State Of Charge)が所定値よりも高い場合に、バッテリ110が電力供給可能な状態であると判定される。
バッテリ110が電力供給可能な状態である場合(S31においてYES)に、充電器2は、バッテリ110に蓄えられた電力を鉄道車両Cに供給(外部給電)すべく、電力変換部220に電力変換動作を実行させる(S32)。なお、バッテリ110が電力供給可能な状態でない場合(S31においてNO)には、車両1の走行を優先するため、バッテリ110からの電力供給は行われない。
比較例においても実施の形態と同様に、もし、1台の車両1からの電力供給では鉄道車両Cの電力需要を賄えない場合であっても、複数の充電器2が同様の協調制御を実行することにより、鉄道車両Cの電力需要を満たすことができる。
以上のように、本変形例においては、停電などにより鉄道車両Cの電力供給が不足する場合に、車両1から充電器2を介して鉄道車両Cに電力の不足分を供給することができる。この電力を用いることで、鉄道車両Cは、たとえば最も近い駅まで退避走行を行うことが可能になる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、2 充電器、3 充電ケーブル、310 コネクタ、4,A,B,C 鉄道車両、5 商用電源、6 送電線、9 サーバ、10 電力システム、61 架線、62 レール、70 遮断器、71 整流器用変圧器、72 整流器、73 回生インバータ、74 回生インバータ用変圧器、81 駅、82 下り坂、100 車両ECU、110 バッテリ、120 SMR、130 エンジン、141,142 モータジェネレータ、151 動力分割装置、152 駆動輪、170 充電リレー、180 インレット、200 充電ECU、210,220 電力変換部、230 通信機、900 制御部、910 通信機、PL 正極線、NL 負極線。

Claims (1)

  1. サーバであって、
    電動車両に搭載された蓄電装置を充電することが可能な充電器と通信するように構成された通信機を備え、
    前記充電器は、前記サーバからの指令に応答して、架線を介して受けた鉄道車両の回生電力を前記蓄電装置に充電するための電力変換動作を行うように構成され、
    前記通信機を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記鉄道車両の回生電力の発生地点から前記架線の延在方向に沿って第1所定距離内に前記充電器が存在しており、かつ、記発生地点から前記延在方向に沿って第2所定距離内に他の鉄道車両が存在しない場合に、前記指令を送信するように前記通信機を制御する一方で、
    前記発生地点から前記延在方向に沿って前記第1所定距離内に前記充電器が存在しても、前記発生地点から前記延在方向に沿って前記第2所定距離内に前記他の鉄道車両が存在する場合には、前記指令を送信しないように前記通信機を制御する、サーバ。
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