JPWO2012066682A1 - 車両用補助電源装置 - Google Patents

Abstract

装置を大規模化することなく、バッテリーの出力電圧が低下した場合でも起動可能な車両用補助電源装置を得ること。バッテリーに代わり電力を供給する非常時電源起動装置１００を、バッテリーの出力電圧が低下した場合に架線１から電力を供給するスイッチ回路２００と、スイッチ回路２００を介して入力された架線電圧を分圧して出力する直流降圧回路３００と、直流降圧回路３００の出力電圧が入力されバッテリーの正常時における出力電圧と同等の直流電圧を出力するコンバータ２６とにより構成し、スイッチング素子１８と、スイッチ回路２００とスイッチング素子１８のコレクタとの間に接続された直列抵抗１３と、スイッチング素子１８のエミッタに接続された平滑コンデンサ１９とにより直流降圧回路３００を構成し、直流降圧回路３００の出力電圧値に応じて、直列抵抗１３に流れる電流の通流率制御を行い、直流降圧回路３００の出力電圧を一定値に保つ。

Description

本発明は、車両用補助電源装置に関する。

車両用補助電源装置は、パンタグラフを介して架線から供給された電力を静止形インバータにより直流から交流に変換し、リーケージトランスを介して車両内の空調システムや照明機器などの車両用機器に電力供給を行っている。静止形インバータは、複数個のパワー半導体素子で構成され、これらのパワー半導体素子を駆動制御する制御回路は、バッテリーから供給される直流電力により駆動される。なお、このバッテリーは、車両の運転中には、静止形インバータから供給される電力により充電される。

一方、何らかの原因により車両起動時にバッテリーの出力電圧が低下している場合には、制御回路の起動に必要な電力が得られず、静止形インバータを起動することができない。日本国内においては、商用電源を供給して起動することも可能であるが、海外においては、商用電源が供給できない状況もあり、救済が困難な場合がある。このような課題を解決する技術として、第１の電力変換装置である静止形インバータに加え、架線から供給される直流電圧のみで動作する第２の電力変換装置を備え、バッテリーの電圧が所定値よりも小さい場合に、この第２の電力変換装置から制御回路に電力を供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開昭６２−２１７８０２号公報

しかしながら、上記従来技術では、架線から供給される直流電圧（例えば、１５００Ｖ等）から制御回路の駆動に必要な低電圧を得るため、多段のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が必要となる。また、架線から供給される直流電圧に応じてＩＧＢＴをより多段化する必要があるため、装置が大規模化する、という課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置を大規模化することなく、バッテリーの出力電圧が低下した場合でも起動可能な車両用補助電源装置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、本発明にかかる車両用補助電源装置は、バッテリーから供給される直流電力により動作する制御回路により駆動され、架線からの直流電力を交流電力に変換するインバータを具備し、車両内の空調システムや照明機器を含む車両用機器に前記交流電力を供給する車両用補助電源装置において、前記バッテリーの出力電圧が低下し、前記バッテリーから前記制御回路に電力を供給できない場合に、前記バッテリーに代わり前記制御回路に電力を供給する非常時電源起動装置を備え、前記非常時電源起動装置は、前記バッテリーの出力電圧が所定値以下に低下した場合に前記架線から電力を供給するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を介して入力された架線電圧を分圧して出力する直流降圧回路と、前記直流降圧回路の出力電圧を一定値に保つように制御するチョッパ制御回路と、前記直流降圧回路の出力電圧が入力され前記バッテリーの正常時における出力電圧と同等の直流電圧を出力するコンバータと、を備え、前記直流降圧回路は、一素子のスイッチング素子と、前記スイッチ回路と前記スイッチング素子の第１端子との間に接続された直列抵抗と、前記スイッチング素子の第２端子に接続され、前記コンバータへの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、装置を大規模化することなく、バッテリーの出力電圧が低下した場合でも起動することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる車両用補助電源装置の一構成例を示す図である。 図２は、非常時電源起動装置の一構成例を示す図である。 図３は、直列抵抗に流れる電流波形の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる車両用補助電源装置について説明する。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．
図１は、実施の形態にかかる車両用補助電源装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかる車両用補助電源装置は、入力回路４と、静止形インバータ５と、リーケージトランス６と、平滑コンデンサ９と、シーケンス制御回路１０と、バッテリー８と、充電回路７と、非常時電源起動装置１００と、を備えている。

静止形インバータ５は、架線１からパンタグラフ２、断路スイッチ３、および入力回路４を介して供給された直流電力を交流電力に変換して出力する。この静止形インバータ５は、シーケンス制御回路１０により制御される。

リーケージトランス６は、静止形インバータ５から出力された交流電力を所定の交流電圧に変換して車両内の空調システムや照明機器などの車両用機器１１に出力する。平滑コンデンサ９は、リーケージトランス６の出力を平滑する。

バッテリー８は、逆電圧防止ダイオード１７ａを介してシーケンス制御回路１０に電力を供給する。充電回路７は、車両の運転中においてリーケージトランス６の出力によりバッテリー８を充電する。

非常時電源起動装置１００は、車両の起動時においてバッテリー８の出力電圧が低下していた場合に、逆電圧防止ダイオード１７ｂを介してシーケンス制御回路１０に電力を供給する。

図２は、非常時電源起動装置の一構成例を示す図である。図２に示すように、非常時電源起動装置１００は、スイッチ回路２００と、直流降圧回路３００と、定電圧回路４００と、チョッパ制御回路５００と、コンバータ２６と、を備えている。

スイッチ回路２００は、ｂ接点スイッチ１２と、分圧抵抗１６と、スイッチ制御器１５と、を備えている。ｂ接点スイッチ１２は、架線１からパンタグラフ２および断路スイッチ３を介して入力される電力の供給（オン）および停止（オフ）を切り換える。スイッチ回路２００は、バッテリー８から出力される電圧値が十分である場合にはｂ接点スイッチ１２がオフとなり、バッテリー８から出力される電圧値が所定値以下に低下した場合に、ｂ接点スイッチ１２がオンとなる。すなわち、このスイッチ回路２００は、バッテリー８の出力電圧が所定値以下に低下した場合に、架線１から電力を直流降圧回路３００に供給する機能を有している。

直流降圧回路３００は、スイッチング素子１８と、直列抵抗１３と、平滑コンデンサ１９と、を備えている。直列抵抗１３は、ｂ接点スイッチ１２とスイッチング素子１８の第１端子であるコレクタとの間に接続される。平滑コンデンサ１９は、スイッチング素子１８の第２端子であるエミッタに接続され、コンバータ２６への出力電圧を平滑する。スイッチング素子１８の制御端子であるベースには、チョッパ制御回路５００から駆動パルス信号が入力される。すなわち、この直流降圧回路３００は、スイッチ回路２００を介して入力された架線電圧を分圧してコンバータ２６に出力する機能を有している。なお、スイッチング素子１８としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を用いることができる。また、スイッチング素子１８は、図２に示す構成では一素子としたが、複数のスイッチング素子を多段構成としたスイッチング回路として構成することも可能である。

定電圧回路４００は、分圧抵抗２０およびツェナーダイオード２１を備え、スイッチ回路２００を介して入力された架線電圧を分圧してチョッパ制御回路５００の各部に与える電源電圧を生成する。

チョッパ制御回路５００は、電圧センサ２３と、電圧コントローラ２４と、コンパレータ２５と、を備えている。電圧センサ２３は、直流降圧回路３００の出力電圧を検出する。電圧コントローラ２４は、電圧センサ２３が検出した電圧値に応じた電圧を出力する。コンパレータ２５は、電圧コントローラ２４の出力電圧を所定のスイッチング周波数（例えば、３０Ｈｚ）の三角波パルスと比較してスイッチング素子１８を制御する駆動パルス信号を生成する。すなわち、このチョッパ制御回路５００は、スイッチング素子１８の制御端子であるベースに駆動パルス信号を与えることにより直流降圧回路３００を駆動制御する機能を有している。

コンバータ２６は、直流降圧回路３００の出力電圧が入力され、バッテリー８の正常時における出力電圧と同等の直流電圧を出力する。このコンバータ２６は、例えばフライバック型やフォワード型等の絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成される。

ここで、非常時電源起動装置１００の構成概念について説明する。鉄道の直流電化における架線１の電圧値としては、一般に５００Ｖ〜３０００Ｖと幅広く、現在、世界的に多用されている電圧値としては、６００Ｖ、７５０Ｖ、１５００Ｖ、３０００Ｖの４種類がある。

一方、架線電圧に対する直流降圧回路３００の出力電圧の分圧比は、直列抵抗１３の抵抗値と、直流降圧回路３００のエミッタ以降の構成のインピーダンス値とにより決まる。実施の形態にかかる非常時電源起動装置１００を架線電圧が異なるシステムに対応させるためには、この分圧比を変化させて直流降圧回路３００の出力電圧値を所定の範囲内とすればよい。ここで、直列抵抗１３の抵抗値を変化させて分圧比を変化させるようにすれば、直流降圧回路３００のエミッタ以降の構成を変更することなく、架線電圧の異なるシステムに対応させることができる。したがって、図２に示すように、非常時電源起動装置１００を構成する各構成要素のうち、スイッチ回路２００および直列抵抗１３を除く構成要素を、例えばモジュール６００として一体化することも可能である。

また、チョッパ制御回路５００は、直流降圧回路３００の出力電圧値に応じて、スイッチング素子１８を制御する駆動パルス信号のデューティ比（通流率）を調整する機能を有している。図３は、直列抵抗に流れる電流波形の一例を示す図である。図３に示す例では、駆動パルス信号のスイッチング周波数が約３０Ｈｚ、デューティ比（通流率）が０．４７２である場合の電流波形を示している。

チョッパ制御回路５００は、直流降圧回路３００の出力電圧値が大きくなると、駆動パルス信号のデューティ比を減少させ、直流降圧回路３００の出力電圧値が小さくなると、駆動パルス信号のデューティ比を増加させる。これにより、図３に示すように、直列抵抗１３に流れる電流の通流率が制御され（以下、「通流率制御」という）、この通流率制御により、架線電圧が変動した場合でも、直流降圧回路３００の出力電圧が一定値に保たれる。

つぎに、実施の形態にかかる車両用補助電源装置を起動する際の一連の動作について、図１、および図２を参照して説明する。

車両の起動時には、図示しない外部の制御回路により断路スイッチ３がオン制御され、パンタグラフ２、断路スイッチ３、および入力回路４を介して、架線１から静止形インバータ５に直流電力が供給される。

ここで、バッテリー８の出力電圧が正常値である場合には、バッテリー８から逆電圧防止ダイオード１７ａを介してシーケンス制御回路１０に電力が供給され、シーケンス制御回路１０が起動して静止形インバータ５を駆動し、リーケージトランス６を経て車両用機器１１に交流電力が供給される。この場合には、ｂ接点スイッチ１２はオフの状態であり、非常時電源起動装置１００は、シーケンス制御回路１０への電力供給を停止している。なお、このとき、逆電圧防止ダイオード１７ｂは、逆電圧防止ダイオード１７ａを介してシーケンス制御回路１０に供給される電圧が非常時電源起動装置１００に印加されるのを防止している。

一方、何らかの原因によりバッテリー８の出力電圧が低下して所定値以下となると、バッテリー８からシーケンス制御回路１０に電力を供給できなくなると共に、ｂ接点スイッチ１２はオンとなり、ｂ接点スイッチ１２を介して、架線１から直流降圧回路３００および定電圧回路４００に直流電力が供給される。

架線１から定電圧回路４００に直流電力が供給されると、定電圧回路４００は、電圧センサ２３、電圧コントローラ２４、およびコンパレータ２５の電源電圧を生成する。チョッパ制御回路５００は、定電圧回路４００から電源電圧が供給されると起動し、スイッチング素子１８に対する駆動パルス信号を出力する。この駆動パルス信号によりスイッチング素子１８が駆動されることにより、直列抵抗１３に流れる電流の通流率制御が行われ、直流降圧回路３００の出力電圧が一定値に保たれる。

コンバータ２６は、直流降圧回路３００の出力電圧をバッテリー８の正常時の出力電圧と同等の直流電圧に変換し、逆電圧防止ダイオード１７ｂを介してシーケンス制御回路１０に出力する。なお、このとき、逆電圧防止ダイオード１７ａは、逆電圧防止ダイオード１７ｂを介してシーケンス制御回路１０に供給される電圧がバッテリー８に印加されるのを防止している。

そして、シーケンス制御回路１０が起動して静止形インバータ５を駆動し、リーケージトランス６を経て車両用機器１１に交流電力が供給されると共に、充電回路７は、リーケージトランス６の出力によりバッテリー８を充電する。バッテリー８が十分に充電されると、バッテリー８から逆電圧防止ダイオード１７ａを介してシーケンス制御回路１０に電力が供給されると共に、バッテリー８の出力電圧が上昇してｂ接点スイッチ１２はオフとなる。これにより、架線１から直流降圧回路３００および定電圧回路４００への直流電力の供給が停止され、非常時電源起動装置１００は、シーケンス制御回路１０への電力供給を停止する。

以上説明したように、実施の形態の車両用補助電源装置によれば、何らかの原因によりバッテリーの出力電圧が低下し、バッテリーからシーケンス制御回路に電力を供給できない場合に、バッテリーに代わりシーケンス制御回路に電力を供給する非常時電源起動装置を具備し、その非常時電源起動装置を、バッテリーの出力電圧が所定値以下に低下した場合に架線から電力を供給するスイッチ回路と、スイッチ回路を介して入力された架線電圧を分圧して出力する直流降圧回路と、直流降圧回路の出力電圧が入力されバッテリーの正常時における出力電圧と同等の直流電圧を出力するコンバータとにより構成し、一素子のスイッチング素子と、スイッチ回路とスイッチング素子の第１端子との間に接続された直列抵抗と、スイッチング素子の第２端子に接続され、コンバータへの出力電圧を平滑する平滑コンデンサとにより直流降圧回路を構成したので、スイッチング素子の多段化等による装置の大規模化を招くことなく、バッテリーの出力電圧が低下した場合でも起動することが可能な車両用補助電源装置を構成することができる。

また、直流降圧回路の出力電圧値に応じて、スイッチング素子の制御端子に与える駆動パルス信号のデューティ比を変化させ、直列抵抗に流れる電流の通流率制御を行うことにより、直流降圧回路の出力電圧を一定値に保つようにしたので、架線電圧が変動した場合でも、コンバータへの出力電圧を安定して供給することができる。

また、直流抵抗の抵抗値を変更することにより、架線電圧に対する直流降圧回路の出力電圧の分圧比を変更できるので、非常時電源起動装置を構成する各構成要素のうち、スイッチ回路と直列抵抗とを除く構成要素を一体のモジュールとして構成することができ、モジュール内の構成を変更することなく、架線電圧の異なるシステムに対応することができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、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、本発明にかかる車両用補助電源装置は、装置を大規模化することなく、バッテリーの出力電圧が低下した場合でも起動することができる発明として有用である。

１ 架線
２ パンタグラフ
３ 断路スイッチ
４ 入力回路（リアクトル、充電抵抗器ＲＣ、サイリスタＢＴＨ）
５ 静止形インバータ
６ リーケージトランス
７ 充電回路
８ バッテリー
９ 平滑コンデンサ
１０ シーケンス制御回路
１１ 車両用機器
１２ ｂ接点スイッチ
１３ 直列抵抗
１５ スイッチ制御器
１６ 分圧抵抗
１７ａ，１７ｂ 逆電圧防止ダイオード
１８ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
１９ 平滑コンデンサ
２０ 分圧抵抗
２１ ツェナーダイオード
２３ 電圧センサ
２４ 電圧コントローラ
２５ コンパレータ
２６ コンバータ
１００ 非常時電源起動装置
２００ スイッチ回路
３００ 直流降圧回路
４００ 定電圧回路
５００ チョッパ制御回路
６００ モジュール

Claims (7)

1. バッテリーから供給される直流電力により動作する制御回路により駆動され、架線からの直流電力を交流電力に変換するインバータを具備し、車両内の空調システムや照明機器を含む車両用機器に前記交流電力を供給する車両用補助電源装置において、
   前記バッテリーの出力電圧が低下し、前記バッテリーから前記制御回路に電力を供給できない場合に、前記バッテリーに代わり前記制御回路に電力を供給する非常時電源起動装置を備え、
   前記非常時電源起動装置は、
   前記バッテリーの出力電圧が所定値以下に低下した場合に前記架線から電力を供給するスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路を介して入力された架線電圧を分圧して出力する直流降圧回路と、
   前記直流降圧回路の出力電圧を一定値に保つように制御するチョッパ制御回路と、
   前記直流降圧回路の出力電圧が入力され前記バッテリーの正常時における出力電圧と同等の直流電圧を出力するコンバータと、
   を備え、
   前記直流降圧回路は、
   スイッチング素子と、
   前記スイッチ回路と前記スイッチング素子の第１端子との間に接続された直列抵抗と、
   前記スイッチング素子の第２端子に接続され、前記コンバータへの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   を備える
   ことを特徴とする車両用補助電源装置。
2. 前記スイッチング素子は、一素子構成のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。
3. 前記スイッチ回路は、
   前記架線電圧からの電力の供給および停止を切り換えるｂ接点スイッチと、
   前記バッテリーの正極に一端が接続された分圧抵抗と、
   前記分圧抵抗の他端に接続され、前記分圧抵抗の出力電圧に応じて前記ｂ接点スイッチをオフするスイッチ制御器と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。
4. 前記チョッパ制御回路は、前記直流降圧回路の出力電圧に応じて、前記スイッチング素子の制御端子に付与する駆動パルス信号のデューティ比を変化させ、前記直列抵抗に流れる電流の通流率制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。
5. 前記チョッパ制御回路は、
   前記直流降圧回路の出力電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサが検出した電圧値に応じた電圧を出力する電圧コントローラと、
   前記電圧コントローラの出力電圧を所定のスイッチング周波数の三角波パルスと比較して前記スイッチング素子を制御する駆動パルスを生成するコンパレータと、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の車両用補助電源装置。
6. 前記直流降圧回路の出力電圧は、前記チョッパ制御回路により前記直列抵抗に流れる電流が前記通流率制御され、前記平滑コンデンサにより平滑化され一定値に保たれることを特徴とする請求項４に記載の車両用補助電源装置。
7. 前記非常時電源起動装置は、前記スイッチング素子と、前記平滑コンデンサと、前記チョッパ制御回路と、前記コンバータと、が一体的にモジュール化されたことを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。

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