JP7140531B2 - 電気車制御システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システムおよび電気車制御装置に関する。

車両内に搭載されている電気車制御システムは、高電圧配線を介して車両外のパンタグラフまたはサードレールと接続され、直流電力が電気車制御システムの電力変換装置に供給される。電力変換装置は、供給された直流電力を車両走行に利用可能な交流電力に変換し、交流電力により主電動機を駆動して車両を走行させる。

近年、電源として蓄電池を有する電力変換装置の提案がなされている。例えば車両走行時の回生運転中においては、変電所に返しきれない回生電力を蓄電池へ充電して、必要なタイミングで蓄電池に蓄えられたエネルギーを利用することにより、エネルギー利用効率を改善することができる。

特開２０１６－１８７２８０号公報

蓄電池がチョッパ回路を介して外部電源からの電源供給ラインと電気的に接続されているときに、蓄電池の電圧が外部電源の電圧より高くなると、チョッパ回路のフライホイールダイオードを介して蓄電池から外部電源へ電力が流れ込んでしまう。このように外部電源へ流れる電力は、蓄電池に蓄えられたエネルギーの利用に際して意図されたものではなく、蓄電池に蓄えられたエネルギーを本来意図していたように車両内で利用することができなくなる可能性があった。また、制御されない電力がチョッパ回路や外部電源に供給されることにより、チョッパ回路や外部電源などの不具合の原因となる可能性があった。

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、蓄電池システムに蓄えられたエネルギーを効率よく車両内で利用可能とする、蓄電池システムおよび電気車制御システムを提供することを目的とする。

実施形態による電気車制御システムは、外部接続部と、高電圧側端子と低電圧側端子とを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路と、蓄電池の主回路が前記低電圧側端子と接続される蓄電池装置と、前記蓄電池装置の前記主回路と前記低電圧側端子とを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器と、前記高電圧側端子に並列に接続したフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧値を検出する第１電圧検出器と、前記蓄電池の電圧値を検出する第２電圧検出器と、を備えた蓄電池システムと、前記外部電源および前記蓄電池システムに電気的に接続され得る電力変換装置と、前記第１電圧検出器から取得した前記フィルタコンデンサの電圧値が、前記第２電圧検出器から取得した前記蓄電池の電圧値よりも低くなったときに、前記第２接触器を開いた状態とする制御回路と、を備える。

図１は、第１実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。 図２は、一実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの他の構成例を概略的に示す図である。

以下、実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、複数の実施形態に共通する構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。また、以下の複数の実施形態は組み合わせることが可能であり、複数の実施形態にて説明する蓄電池システムおよび電気車制御システムのそれぞれは、他の実施形態にて説明した構成を備えていても構わない。

図１は、一実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電気車制御システムは、蓄電池システムＢＴと、遮断器１０８と、接触器１０９と、電力変換装置１１０と、制御装置１０００と、を備えている。なお、遮断器１０８と接触器１０９とは、常開型である。

電源１００は、電気車制御システムの外部に設けられ、例えば高電圧配線を介して接続されるパンタグラフやサードレールなどを含み得る。
電力変換装置１１０は、接触器１０９および遮断器１０８を介して電源１００と電気的に接続可能であり、接触器１０９を介して蓄電池システムＢＴの外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

本実施形態の電気車制御システムにおいて、蓄電池システムＢＴと電源１００とは、電力変換装置１１０に対して並列に接続している。換言すると、電力変換装置１１０は、遮断器１０８の後段（電気車制御システム側）において、電源１００に対して蓄電池システムＢＴと並列に接続される。

接触器１０９は、遮断器１０８の後段（電気車制御システム側）において、電源１００と電力変換装置１１０とを電気的に接続する経路に設けられている。接触器１０９は、制御装置１０００により動作を制御される。

遮断器１０８は、電源１００と電気車制御システムとの間を接続する経路に設けられ、電源１００との間の電気的接続を切替える。遮断器１０８は、制御装置１０００により動作を制御される。

電力変換装置１１０は、電源１００及び／又は蓄電池システムＢＴから供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、主電動機（図示せず）を駆動して車両を走行させることができる。また、電力変換装置１１０は、主電動機（図示せず）から供給される回生電力を所定の直流電力に変換し、電源１００及び／又は蓄電池システムＢＴへ供給可能に構成されている。

本実施形態の蓄電池システムＢＴは、接触器１０２、１０５と、電圧検出器１０３、１０６と、フィルタコンデンサ１０４と、チョッパ回路１０７と、蓄電池装置１０１と、外部接続部ＣＮ１と、を備えている。なお、本実施形態の蓄電池装置１０１は、例えば、公称電圧が約６００[Ｖ]であり、接触器１０２、１０５は、常開型であり、制御装置１０００により開閉動作を制御される。

チョッパ回路（双方向チョッパ回路）１０７は、蓄電池装置１０１から供給される直流電圧を昇圧して電源１００および電力変換装置１１０側へ出力可能であり、電源１００および／又は電力変換装置１１０から供給される直流電圧を降圧して蓄電池装置１０１側へ出力可能な、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。

チョッパ回路１０７は、例えば、高電圧側端子ＴＡと、低電圧側端子ＴＢと、直列に接続した一対のスイッチング素子を各相に備えたｎ相（ｎは１以上の整数）の回路である。一対のスイッチング素子の間は、抵抗器を介して低電圧側端子ＴＢと電気的に接続している。一対のスイッチング素子の一端は高電圧側端子ＴＡと電気的に接続し、一対のスイッチング素子の他端は接地されている。

また、チョッパ回路１０７は、一対のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続したフライホイールダイオードを備えている。フライホイールダイオードは、低電位側端子ＴＢ（蓄電池装置１０１側）から高電位側端子ＴＡ（電源１００側）へ向かう方向が順方向となるようにスイッチング素子に接続されている。

チョッパ回路１０７の低電圧側端子ＴＢは、接触器（第２接触器）１０５を介して蓄電池装置１０１の主回路と電気的に接続可能である。チョッパ回路１０７の高電圧側端子ＴＡは、接触器（第１接触器）１０２を介して外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

フィルタコンデンサ１０４の一端は、チョッパ回路１０７の高電圧側端子ＴＡと電気的に接続している。フィルタコンデンサ１０４の他端は接地されている。すなわち、フィルタコンデンサ１０４は、チョッパ回路１０７の高圧側において、チョッパ回路１０７の一対のスイッチング素子と並列に接続している。
電圧検出器１０３は、フィルタコンデンサ１０４と並列に接続し、フィルタコンデンサ１０４の電圧を検出する。

蓄電池装置１０１は、蓄電池と、蓄電池と主回路との電気的接続状態を切替え可能な遮断器と、電池制御部と、を備えている。遮断器は、例えば電気的に開閉を制御可能であり、電池制御部により動作を制御される。

蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器（第２接触器）１０５を介してチョッパ回路１０７と電気的に接続可能である。蓄電池装置１０１の低電位側の主回路は接地されている。

電池制御部は、例えば、蓄電池に含まれる複数の電池セルの電圧や蓄電池の温度を検出し、電池セルの電圧や蓄電池の充放電電流の値に基づいて、蓄電池のＳＯＣ（state of charge）を演算することができる。また、電池制御部は、外部と通信可能に構成され、蓄電池の情報（ＳＯＣなど）を外部へ出力可能であるとともに、制御装置１０００からの制御指令に基づいて遮断器の動作など蓄電池装置１０１を制御することができる。
電圧検出器１０６は、蓄電池装置１０１の蓄電池と並列に接続し、蓄電池の電圧を検出する。

制御装置１０００は、車両に含まれる構成が協調して動作するように、車両に含まれる構成を制御可能である。制御装置１０００に含まれる制御ブロックは、ハードウエアにより実現されてもよく、ソフトウエアにより実現されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより実現されてもよい。制御装置１０００は、例えば、ＭＰＵ（micro processing unit）やＣＰＵ（central processing unit）などのプロセッサを１つ以上と、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリと、を備えていてもよい。

制御装置１０００は、フィルタコンデンサ電圧取得部１００１と、蓄電池電圧取得部１００２と、電圧比較部１００３と、接触器オフ指令部１００４と、を備えている。
フィルタコンデンサ電圧取得部１００１は、電圧検出器１０３で検出されたフィルタコンデンサ１０４の電圧の値を周期的に取得する。フィルタコンデンサ電圧取得部１００１は、取得した電圧値を電圧比較部１００３へ送信する。なお、接触器１０２が閉じて蓄電池システムＢＴが電源１００と接続されているとき、フィルタコンデンサ１０４の電圧値は、電源１００の電圧値に相当する値である。

蓄電池電圧取得部１００２は、電圧検出器１０６で検出された蓄電池の電圧の値を周期的に取得する。蓄電池電圧取得部１００２は、取得した電圧値を電圧比較部１００３へ送信する。なお、蓄電池電圧取得部１００２とフィルタコンデンサ電圧取得部１００１とが値を取得するタイミングは同期していることが望ましく、例えば共通のクロック信号に基づくタイミングにおいて電圧値を取得する。

電圧比較部１００３は、フィルタコンデンサ電圧取得部１００１からフィルタコンデンサの電圧値を受信し、蓄電池電圧取得部１００２から蓄電池の電圧値を受信し、蓄電池電圧値がフィルタコンデンサ電圧値よりも大きいか否か判断する。蓄電池電圧値がフィルタコンデンサ電圧値よりも大きいときに、電圧比較部１００３は第１レベルの信号（例えば１）を出力し、蓄電池電圧値がフィルタコンデンサ電圧値以下のときに、電圧比較部１００３は第２レベルの信号（例えばゼロ）を出力する。

接触器オフ指令部１００４は、電圧比較部１００３から出力された信号を受信し、受信した信号の値が第１レベルのときに接触器１０５を開く（オフする）。なお、接触器オフ指令部１００４は、接触器１０５がオフされているときに、電圧比較部１００３から第２レベルの信号を受信したときには、接触器１０５を閉じてもよい。また、接触器オフ指令部１００４は、接触器１０５を開くときに、接触器１０２を開いてもよい。

なお、本実施形態では、制御装置１０００は、通常走行時において、電源１００から供給される電力のみで車両を走行させることができる。電源１００からの電力のみによる通常走行時は、例えば、制御装置１０００は、遮断器１０８および接触器１０９が閉じた状態とし、接触器１０２、１０５が開いた状態とする。

また、制御装置１０００は、通常走行時において、電源１００から供給される電力と、蓄電池システムＢＴから供給される電力とを利用して車両を走行（力行運転および回生運転）させることができる。このとき、例えば、制御装置１０００は、遮断器１０８および接触器１０９、１０２、１０５が閉じた状態とする。

また、制御装置１０００は、蓄電池システムＢＴから供給される電力のみで車両を走行させることができる。このとき、例えば、制御装置１０００は、接触器１０２、１０５、１０９を閉じた状態とする。なお、このとき、制御装置１０００は、遮断器１０８を開いた状態とし、電源１００からの電力供給を再開するとうに切り換えるときに遮断器１０８を閉じてもよい。

次に、本実施形態の蓄電池システムＢＴおよび電気車制御システムの動作の一例について説明する。ここでは、蓄電池システムＢＴを電源１００と接続している際に、電源１００の電圧（フィルタコンデンサ１０４の電圧）が蓄電池の電圧よりも低くなったときの、電気車制御システムの動作の一例について説明する。なおこの例では、遮断器１０８および接触器１０２、１０５、１０９は閉じた状態である。

フィルタコンデンサ電圧取得部１００１は、電圧検出器１０３で検出されたフィルタコンデンサ１０４の電圧の値を周期的に取得し、電圧比較部１００３へ送信する。
蓄電池電圧取得部１００２は、電圧検出器１０６で検出された蓄電池の電圧の値を周期的に取得し、電圧比較部１００３へ送信する。

電圧比較部１００３は、フィルタコンデンサ１０４の電圧値と蓄電池の電圧値とを受信し、これらの値を比較する。蓄電池の電圧値がフィルタコンデンサの電圧値よりも大きいと判断したとき、第１レベルの信号を出力し、蓄電池の電圧値がフィルタコンデンサの電圧値以下であると判断したとき、第２レベルの信号を出力する。

接触器オフ指令部１００４は、電圧比較部１００３から第１レベルの信号を受信したときに、接触器１０５を開く（オフする）。なお、接触器オフ指令部１００４は、接触器１０５がオフされているときに、電圧比較部１００３から第２レベルの信号を受信したときには、接触器１０５を閉じてもよい。また、接触器オフ指令部１００４は、接触器１０５を開くときに、接触器１０２も開いてもよい。

何らかの理由により電源１００の電圧（フィルタコンデンサ１０４の電圧に相当）が蓄電池の電圧よりも低くなったときに、蓄電池と電源１００とが電気的に接続されている状態であると、チョッパ回路１０７のダイオードを介して、蓄電池から電源１００に向かう方向へ、制御されない電力が流れる。このような電力が蓄電池システムＢＴから出力されると、蓄電池に蓄えられたエネルギーが意図しない用途に用いられることとなり、本来想定していた用途に用いるときには蓄電池に十分な容量がなくなっていることが生じ得る。したがって、蓄電池に蓄えられたエネルギーを車両内で効率よく利用することができない可能性があった。また、制御されない電流がチョッパ回路１０７や電源１００へ流れることとなり、チョッパ回路１０７や電源１００の不具合の原因となる可能性があった。

本実施形態の蓄電池システムＢＴおよび電気車制御システムでは、フィルタコンデンサ１０４の電圧値と蓄電池の電圧値とを監視し、蓄電池の電圧値がフィルタコンデンサ１０４の電圧値よりも大きくなったときに、接触器１０５をオフすることで、蓄電池装置１０１とチョッパ回路１０７とを電気的に切り離し、制御されない電力が蓄電池装置１０１から電源１００に流れ込むことを回避している。このことにより、本実施形態によれば、蓄電池システムＢＴに蓄えられたエネルギーを効率よく車両内で利用可能とする、蓄電池システムおよび電気車制御システムを提供することができる。

次に、一実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの変形例について説明する。なお以下の説明において、上述の実施形態にて説明した蓄電池システムおよび電気車制御システムと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図２は、一実施形態の蓄電池システムおよび電気車制御システムの他の構成例を概略的に示す図である。この電気車制御システムの例では、蓄電池システムＢＴの構成と、補助電源装置１１４を備える点が上述の例と異なっている。

本実施形態の蓄電池システムＢＴは、接触器１０２、１０５、１０９、１１１、１１３、１１５と、抵抗器１１２と、電圧検出器１０３、１０６と、フィルタコンデンサ１０４と、チョッパ回路１０７と、蓄電池装置１０１と、を備えている。なお、本実施形態の蓄電池装置１０１は、例えば、公称電圧が約６００[Ｖ]であり、接触器１０２、１０５、１０９、１１１、１１３、１１５は、常開型であり、制御装置１０００により開閉動作を制御される。

チョッパ回路（双方向チョッパ回路）１０７は、蓄電池装置１０１から供給される直流電圧を昇圧して電源１００および電力変換装置１１０側へ出力可能であり、電源１００および／又は電力変換装置１１０から供給される直流電圧を降圧して蓄電池装置１０１側へ出力可能な、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。

チョッパ回路１０７は、例えば、高電圧側端子ＴＡと、低電圧側端子ＴＢと、直列に接続した一対のスイッチング素子を各相に備えたｎ相（ｎは１以上の整数）の回路である。一対のスイッチング素子の間は、抵抗器を介して低電圧側端子ＴＢと電気的に接続している。一対のスイッチング素子の一端は高電圧側端子ＴＡと電気的に接続し、一対のスイッチング素子の他端は接地されている。

また、チョッパ回路１０７は、一対のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続したフライホイールダイオードを備えている。フライホイールダイオードは、低電位側端子ＴＢ（蓄電池装置１０１側）から高電位側端子ＴＡ（電源１００側）へ向かう方向が順方向となるようにスイッチング素子に接続されている。

チョッパ回路１０７の低電圧側端子ＴＢは、接触器１０５を介して蓄電池装置１０１の主回路と電気的に接続可能である。チョッパ回路１０７の高電圧側端子ＴＡは、接触器１０２を介して外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

フィルタコンデンサ１０４の一端は、チョッパ回路１０７の高電圧側端子ＴＡと電気的に接続している。フィルタコンデンサ１０４の他端は接地されている。すなわち、フィルタコンデンサ１０４は、チョッパ回路１０７の高圧側において、チョッパ回路１０７の一対のスイッチング素子と並列に接続している。

電圧検出器１０３は、フィルタコンデンサ１０４と並列に接続し、フィルタコンデンサ１０４の電圧を検出する。

蓄電池装置１０１は、蓄電池と、蓄電池と主回路との電気的接続状態を切替え可能な遮断器と、電池制御部と、を備えている。遮断器は、例えば電気的に開閉を制御可能であり、電池制御部により動作を制御される。

蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器１０５を介してチョッパ回路１０７と電気的に接続可能である。また、蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器（第３接触器）１１５を介して外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。また、蓄電池装置１０１の高電位側の主回路は、接触器(第４接触器)１１３を介して第２外部接続部ＣＮ２と電気的に接続可能である。蓄電池装置１０１の低電位側の主回路は接地されている。

電池制御部は、例えば、蓄電池に含まれる複数の電池セルの電圧や蓄電池の温度を検出し、電池セルの電圧や蓄電池の充放電電流の値に基づいて、蓄電池のＳＯＣ（state of charge）を演算することができる。また、電池制御部は、外部と通信可能に構成され、蓄電池の情報（ＳＯＣなど）を外部へ出力可能であるとともに、制御装置１０００からの制御指令に基づいて遮断器の動作など蓄電池装置１０１を制御することができる。

電圧検出器１０６は、蓄電池装置１０１の蓄電池と並列に接続し、蓄電池の電圧を検出する。

接触器１１１および抵抗器１１２は、接触器１０２と並列に接続している。接触器１１１と抵抗器１１２とは、互いに直列に接続している。したがって、チョッパ回路１０７の高電圧側端子ＴＡは、接触器１０２を介する経路と、接触器１１１および抵抗器１１２を介する経路とにより外部接続部ＣＮ１と電気的に接続可能である。

補助電源装置１１４は、例えばＳＩＶ（static inverter）であり、電源１００または蓄電池装置１０１から供給された直流電力を交流電力に変換し、車両の照明機器、空調機器、制御機器、メータなどを作動させる電源を供給することができる。

図２に示す電池システムＢＴおよび電気車制御システムは、上記以外の構成は図１に示す電池システムＢＴおよび電気車制御システムと同様である。

例えば、制御装置１０００は、接触器１１５を投入して、チョッパ回路１０７を介さずに蓄電池装置１０１と外部接続部ＣＮ１とを接続することができる。さらに、制御装置１０００は、接触器１１３を投入することにより、蓄電池装置１０１から補助電源装置１１４へ電源を供給することが可能である。したがって、例えば電源１００の電圧が低下し続け、電源１００からの電力供給が停止したとき、蓄電池装置１０１から供給される電力により車両を駆動させることが可能となる。

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…電源、１０１…蓄電池装置、１０２…接触器（第１接触器）、１０３…電圧検出器（第１電圧検出器）、１０４…フィルタコンデンサ、１０５…接触器（第２接触器）、１０６…電圧検出器（第２電圧検出器）、１０７…チョッパ回路（双方向チョッパ回路）、１０８…遮断器、１０９…接触器、１１０…電力変換装置、１１１…接触器、１１２…抵抗器、１１３…接触器（第４接触器）、１１４…補助電源装置、１１５…接触器（第３接触器）、１０００…制御装置、１００１…フィルタコンデンサ電圧取得部、１００２…蓄電池電圧取得部、１００３…電圧比較部、１００４…接触器オフ指令部、ＣＮ１…外部接続部、ＣＮ２…第２外部接続部

Claims (2)

1. 外部電源に電気的に接続される外部接続部と、高電圧側端子と低電圧側端子とを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路と、蓄電池の主回路が前記低電圧側端子と接続される蓄電池装置と、前記蓄電池装置の前記主回路と前記低電圧側端子とを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器と、前記高電圧側端子に並列に接続したフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧値を検出する第１電圧検出器と、前記蓄電池の電圧値を検出する第２電圧検出器と、を備えた蓄電池システムと、
   前記外部電源および前記蓄電池システムに電気的に接続され得る電力変換装置と、
   前記第１電圧検出器から取得した前記フィルタコンデンサの電圧値が、前記第２電圧検出器から取得した前記蓄電池の電圧値よりも低くなったときに、前記第２接触器を開いた状態とする制御回路と、を備えた電気車制御システム。
2. 前記蓄電池システムは、補助電源装置と電気的に接続される第２外部接続部と、前記高電圧側端子と前記外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第３接触器と、前記高電圧側端子と前記第２外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第４接触器と、を更に備え、
   前記制御回路は、前記第１電圧検出器および前記第２電圧検出器にて検出された電圧の値に基づいて、前記第３接触器および前記第４接触器の動作を制御可能である、請求項１記載の電気車制御システム。
   

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