KR101260139B1 - 전기차의 추진 제어 장치 - Google Patents

전기차의 추진 제어 장치 Download PDF

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Abstract

직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(50)와, 전력 저장 소자(60)와, 전력 저장 소자(60)에 접속되는 DCDC 컨버터(40)를 구비한 전기차의 추진 제어 장치에 있어서, 외부 전원으로부터 집전 장치(2)를 통하여 공급되는 전력과 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력 중 어느 하나를 선택하여 인버터(50)에 출력하는 회로 절환부(70)와, 적어도 DCDC 컨버터(40)와 회로 절환부(70)를 연계하여 제어하는 연계 제어부(200)를 구비하고, 연계 제어부(200)는 전기차가 외부 전원으로부터 수전하여 주행하는 경우와 전력 저장 소자(60)로부터의 전력으로 주행하는 경우 각각에 따라서, 적어도 DCDC 컨버터(40) 및 회로 절환부(70)에 각각 제어 신호(C1~C4)를 입력하고, 또한, 그것들을 연계하여 제어한다.

Description

전기차의 추진 제어 장치{PROPULSION CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC CAR}
본 발명은 전기차 제어 장치에 관한 것이며, 특히 가선 정전 또는 집전 장치의 고장 등에 의해 가선으로부터 수전(受電)할 수 없는 경우에, 전력 저장 소자로부터 공급된 전력에 의해 전기차를 주행시키는 전기차의 추진 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기차는 집전 장치를 통하여 가선의 전력을 도입하고, 당해 전력으로 전동기를 구동하여 주행한다. 또, 근래에는 2차 전지 또는 전기 이중층 캐패시터 등의 전력 저장 소자의 성능이 향상되고 있기 때문에, 이것들을 전기차에 탑재하여, 전력 저장 소자의 전력으로 전동기를 구동하여 주행하는 시스템의 개발이 진행되고 있다.
종래, 예를 들면 하기 특허 문헌 1에 제시되는 전기차 제어 장치는, 가선으로부터의 전력을 수전할 수 있는 경우(이하 「통상시」라고 함), 종래의 전기 철도와 마찬가지로 가선으로부터의 전력으로 전동기를 구동한다. 한편, 가선의 정전이나 집전 장치의 고장 등에 의해 가선으로부터 수전할 수 없는 경우(이하 「비상시」라고 함), 전력 저장 소자로부터의 전력으로 전동기를 구동함으로써 근처역까지의 주행을 가능하게 하여, 전기차가 역간의 선로 상에서 꼼짝못하지 않도록 구성되어 있다.
이 전기차 제어 장치에 있어서의 주행예는 이하와 같다. 통상시는, 집전 장치인 팬더그래프를 상승시켜서 가선으로부터 전력을 집전하여 전동기를 구동함으로써 기존의 전기 철도로서 주행한다. 비상시는, 팬더그래프를 강하시키고, 전력 저장 소자의 전력에 의해 주행한다. 이 전력 저장 소자에는, 가선으로부터 수전 가능한 때, 충전 제어에 의해 가선으로부터의 전력이 충전되어 소정 용량의 전력이 유지된다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개 제2006-014395호 공보
그렇지만, 현재의 기술 레벨에서는, 전력 저장 소자의 에너지 밀도, 출력 밀도가 모두 작고, 탑재 스페이스, 중량 등의 제약에 의해, 가선으로부터 수전하여 주행하는 경우와 동일한 성능을 발휘할 수 있을 정도의 전력 저장 소자를 전기차에 탑재하는 것이 곤란하다. 따라서 상기 특허 문헌 1에 제시된 전기차 제어 장치에 있어서, 전력 저장 소자의 전력으로 전기차를 주행시키는 경우, 가선으로부터 수전하여 주행하는 경우에 비교하여, 전동기로의 공급 전력이 제한되기(충분하지 않음) 때문에, 전동기가 발휘할 수 있는 성능이 낮아져서, 차속이 낮아진다. 이와 같은 장면은 비상시로 한정되기 때문에, 차속이 낮아지는 것 자체는 허용할 수 있지만, 주로 이하에서 설명되는 과제가 발생한다.
제1 과제로서 차속이 낮아지면, 전기차 제어 장치에 탑재되는 인버터는, 스위칭 손실이 큰 영역에서 연속적으로 운전되어, 인버터가 과열된다는 것을 들 수 있다. 이것을 상세하게 설명하면, 일반적으로 전기차의 인버터는, 기동으로부터 최고 속도의 1/4 정도까지의 차속에서는, 스위칭 주파수가 1000Hz 전후의 다펄스 PWM 모드에서 구동된다. 다음으로, 인버터의 출력 주파수가 높아지면, 인버터의 출력 전압 반주기(half cycle) 중에 포함되는 펄스 수가 감소하여 파형 왜곡이 증가하는 것을 회피하기 위해서, 동기 펄스 모드로 절환된다. 이 때, 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수는 9, 5, 3 정도이다. 이러한 펄스 수는 속도에 의해서 선택된다. 그리고 최고 속도의 1/3 정도 이후의 차속에서는, 인버터의 출력 전압을 최대로 하기 위해서, 1 펄스 모드에서 구동된다. 이 때, 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수는 최소 1이 되므로, 스위칭 손실도 최소로 할 수 있어 인버터의 냉각 핀을 소형화할 수 있다.
구체적인 차속으로 설명하면, 일반적인 통근 전철에서는, 최고 속도가 120 km/h 정도이기 때문에, 기동에서부터 30km/h(최고 속도의 1/4)까지는 다펄스 PWM 모드, 그 후 동기 펄스 모드를 통하여, 40km/h(최고 속도의 1/3정도) 정도에서 1 펄스 모드로 절환된다.
그렇지만, 전력 저장 소자의 전력으로 주행하는 경우, 상술한 것처럼, 전동기로의 공급 전력이 제한되어 최고 속도는 30km/h 정도가 된다. 이 때문에, 인버터는, 항상 1000Hz전후의 다펄스 PWM 모드로 스위칭되어 스위칭 손실이 큰 상태로 연속적으로 운전되고, 따라서 1 펄스 모드로의 운전을 염두하여 설계되어 있는 인버터의 냉각 핀에서는, 냉각 성능이 부족해진다.
상기의 과제에 대한 대책으로서, 저속도로의 운전을 고려하여 냉각 성능을 강화한 인버터를 특별히 설계할 수 있지만, 이것은 인버터 장치의 중량, 치수, 비용 등의 증가를 초래한다.
제2 과제로서, 전기차를 주행시키기 위해서는 브레이크를 구동하는 압축 공기를 생성하는 압축기(compressor), 보안 장치, 제어 장치 등의 부하에 전력을 공급할 필요가 있다. 통상시, 보조 전원 장치는, 가선으로부터 공급된 전력을 AC 400V 전후, DC 100V 전후의 저압 전력으로 변환하여 각 부하에 공급하고 있다.
한편, 비상시는, 보조 전원 장치도 기능하지 않기 때문에, 각 부하에 전력을 공급할 수 없게 되고, 특히 압축기가 동작하지 않게 되기 때문에, 브레이크용 압축 공기를 확보할 수 없게 되어, 전기차의 주행이 불가능하게 된다.
전기차의 주행을 가능하게 하기 위해서, 전력 저장 소자의 전력으로 보조 전원 장치를 동작시켜, 각 부하에 전력을 공급하는 구성이 생각되지만, 보조 전원 장치의 입력 전압이 통상시에 가선으로부터 수전하는 전압의 범위를 일탈하면, 보조 전원 장치는 규정의 출력 전압을 유지하지 못하고 정지하는 문제가 있다. 따라서 가선으로부터의 수전 전압 및 전력 저장 소자의 전압의 양쪽 모두에 대응할 수 있도록, 특별하게 설계한 보조 전원 장치가 필요해지고, 이는 중량, 치수, 비용의 증가를 초래한다.
본 발명은 상술한 관점에서 이루어진 것으로서, 전동기를 구동하는 인버터, 및 부하로의 전력 공급을 실행하는 보조 전원 장치의 중량, 치수, 비용의 증가를 회피하면서, 가선 정전시 등의 비상시에, 전력 저장 소자의 전력을 이용하여 전기차의 주행을 바람직하게 실행할 수 있는 전기차의 추진 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 전기차의 추진 제어 장치는, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 전력 저장 소자와, 상기 전력 저장 소자에 접속되는 DCDC 컨버터를 구비한 전기차의 추진 제어 장치에 있어서, 외부 전원으로부터 집전 장치를 통하여 공급되는 전력과 상기 전력 저장 소자로부터 공급되는 전력 중 하나를 선택하여 상기 인버터에 출력하는 회로 절환부와, 적어도 상기 DCDC 컨버터와 상기 회로 절환부를 연계하여 제어하는 연계 제어부를 구비하고, 상기 연계 제어부는 전기차가 외부 전원으로부터 수전하여 주행하는 경우와 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우 각각에 따라서, 적어도 상기 DCDC 컨버터 및 상기 회로 절환부에, 각각 제어 신호를 입력하고, 또한, 그것들을 연계하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 전기차의 추진 제어 장치에 의하면, 외부 전원으로부터 공급되는 전력 또는 전력 저장 소자로부터 공급되는 전력 중 하나를 선택하여 인버터에 전력을 공급하는 회로 절환부와, DCDC 컨버터와 회로 절환부를 연계하여 제어하는 연계 제어부를 가지고, DCDC 컨버터와 회로 절환부를 연계하여 제어하도록 구성했으므로, 인버터, 및 보조 전원 장치의 중량, 치수, 비용의 증가를 회피하면서, 가선 정전시 등의 비상시에, 전력 저장 소자의 전력을 이용한 전기차의 주행 제어를 바람직하게 실행하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 인버터의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 DCDC 컨버터의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 전력 저장 소자의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 보조 전원 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 인버터 출력 전압, 차속, 및 펄스 모드의 관계 일례를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명에 관한 전기차의 추진 제어 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태.
도 1은 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 전기차의 추진 제어 장치는, 주된 구성부로서, 보조 전원 장치(20), 부하(31), DCDC 컨버터(40), 회로 절환부인 회로 절환 스위치(70), 전력 저장 소자(60), 인버터(50), 및 전동기(71)를 포함하여 구성되어 있다. 또, 가선(1)과 집전 장치(2)의 접속 상태, 또는 집전 장치(2)의 상태를 검출하는 집전 상태 검출부(11)와, 가선(1)과 전기차의 추진 제어 장치의 전력 계통을 분리시키는 개폐부인 개폐 스위치(10)를 가지고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기차의 추진 제어 장치는, 변전소(도시하지 않음)에 접속된 외부 전원인 가선(1)으로부터, 집전 장치(2)를 통하여 전력을 수전한다. 가선(1)으로부터 공급된 전력은, 개폐 스위치(10)를 통해 보조 전원 장치(20), DCDC 컨버터(40), 및 회로 절환 스위치(70)에 각각 공급된다. 또한, 도 1에는, 가선(1)으로서의 가공(架空) 전철선, 집전 장치(2)로서의 팬더그래프 형태의 것을 각각 나타내고 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면, 지하철 등에서 사용되고 있는 제3 궤조(rail), 제3 궤조용 집전 장치가 사용될 수도 있다.
보조 전원 장치(20)는 집전 장치(2) 또는 DCDC 컨버터(40)로부터 입력 단자 P-N 사이에서 수전한 전력(일반적으로는 가선(1)의 전압인 DC 600V~3000V 정도)을 저압 전력(일반적으로는 AC 400V 또는 DC 100V 정도)으로 변환하여 출력하는 장치이며, 그 출력은 부하(31)에 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는, 보조 전원 장치(20)의 출력 단자를 U-V-W로 하여, 삼상 교류가 출력되는 형태만을 나타내고 있지만, 직류 출력을 포함하는 복수의 출력 계통이 존재하는 것이 일반적이고, 여러 가지의 전력 형태에 대응 가능하다.
부하(31)는 전기차의 브레이크의 공기원(air source)을 생성하는 압축기, 보안 기기, 제어 기기, 공조(空調), 및 차내 조명 등이고, 보조 전원 장치(20)로부터 출력된 저압 전력으로 동작한다. 또한, 이들 모두의 부하 합계는, 예를 들면 10량 편성 통근 전철의 예에서는 400kW 정도이다. 그 중에서 브레이크의 공기원을 생성하는 압축기를 필두로 하는 보안 기기, 제어 기기 등의 전기차의 주행에 필수가 되는 중요 부하의 합계는 50kW 정도이다.
연계 제어부(200)는 외부에서 제어 신호(HC)가 입력되고, 개폐 스위치(10), 회로 절환 스위치(70), DCDC 컨버터(40), 및 인버터(50)에 대해 제어 신호(C1, C2, C3, C4)를 출력하고, 이러한 장치를 연계하여 제어하는 구성이다. 또한, 연계 제어부(200)는 개폐 스위치(10), 회로 절환 스위치(70), DCDC 컨버터(40), 인버터(50) 각 1대에 제어 신호(C1, C2, C3, C4)를 출력하는 구성을 나타내고 있지만, 이러한 장치가 각각 복수 대 존재하는 경우에는, 이러한 복수 대의 각 장치에 제어 신호 (C1, C2, C3, C4)를 출력하는 구성일 수도 있다. 제어 신호(HC)는 예를 들면 전기차의 운전 기사에 의한 버튼 조작이나, 전기차의 외부에 위치하여 열차의 운행을 지령·관리하는 운행 지령 센터 등의 외부 요소에 있어서 발생하는 신호이고, 가선(1)이 정전되거나, 혹은 집전 장치(2)가 고장난 경우에, 전기차가 가선(1)으로부터의 전력으로 주행할 수 없을 때에 발생하는 신호이다. 또한, 제어 신호(C1)는 개폐 스위치(10)의 개폐 제어를 실행하고, 제어 신호(C2)는 회로 절환 스위치(70)의 절환 제어를 실행하는 신호이다. 또, 제어 신호(C3)는 후술하는 DCDC 컨버터 제어부(48)의 제어 모드 절환과 운행·정지 지령을 포함하는 신호이다. 또한, 제어 신호(C4)는 후술하는 인버터 제어부(59)의 입력 전압에 관한 보호 설정치의 설정 변경을 실행하는 신호이다. 또한, 후술하지만, 제어 신호(C4)는 필수는 아니다.
또한, 연계 제어부(200)는 인버터(50), DCDC 컨버터(40) 등의 전기차의 추진 제어 장치의 내부에 마련할 수도 있고, 전기차의 추진 제어 장치의 외부에 마련할 수도 있다. 또 연계 제어부(200)는 모든 기능을 하나의 장치에 탑재할 수도 있고, 그 기능을 복수로 분할하여, 인버터(50), DCDC 컨버터(40) 등의 복수 장치에, 각각 탑재할 수도 있다. 요컨대, 개폐 스위치(10), 회로 절환 스위치(70), DCDC 컨버터(40), 및 인버터(50)를 연계 제어하는 것이 가능하다면, 물리적인 배치의 제약은 없다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 인버터의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 인버터(50)는 리액터(reactor; 51)와 필터 캐패시터(52)로 이루어진 입력 필터, 반도체 스위칭 소자(53a~53f)로 이루어진 브리지 회로로 구성되는 인버터 회로(53), 및 입력 전압 감시부(59a)와 보호 동작부(59b)를 포함하여 이루어진 인버터 제어부(59)를 포함하여 구성되어 있다.
인버터(50)는 회로 절환 스위치(70; 도 1 참조)로부터 출력된 직류 전력을, 입력 필터를 통하여 수신하고, 인버터 회로(53)에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 변환된 교류 전력은 단자 U-V-W로부터 출력된다. 또한, 인버터(50)의 단자 U-V-W에는 전동기(71)가 접속된다.
또한, 도 2에서는, 인버터 회로(53)로서 일반적인 삼상 2레벨 PWM 인버터 회로를 나타내고 있지만, 그 동작은 공지 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또, 인버터 회로(53)는 삼상 2레벨 PWM 인버터 회로로 한정되지 않고, 예를 들면 상수는 삼상 이외일 수도 있고, 3레벨 인버터 회로가 사용될 수도 있다.
냉각 플레이트에 탑재된 반도체 스위칭 소자(53a~53f)의 냉각 방식은 이하와 같다. 예를 들면, 냉각 플레이트에 삽입되어 있는 히트 파이프 등의 열수송 수단의 일단에 배치된 냉각 핀이, 전기차의 주행풍을 받는다. 반도체 스위칭 소자(53a~53f)로부터 발생한 열은, 냉각 플레이트 및 열수송 수단을 통하여, 냉각 핀으로부터 방열된다. 그 결과로서, 반도체 스위칭 소자(53a~53f)는 냉각된다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 DCDC 컨버터의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 DCDC 컨버터(40)는 리액터(41)와 필터 캐패시터(42)로 이루어진 입력 필터, 반도체 스위칭 소자(43a)와 반도체 스위칭 소자(43b)로 이루어진 암 회로(arm circuit)로 구성되는 스위칭 회로(43), 리액터(45), 전류 검출기(47), 및 DCDC 컨버터 제어부(48)를 포함하여 구성되어 있다.
DCDC 컨버터(40)는 전류 검출기(47)에서 검출된 리액터(45)의 전류를 소정의 지령치에 일치하도록 제어하는 전류 제어 모드와, 필터 캐패시터(42)의 전압을 소정의 지령치에 일치하도록 제어하는 전압 제어 모드를 가지고 있고, 상술한 제어 신호(C3)에 의해, 이러한 제어 모드를 절환 가능한 구성이다. 이 때문에, 입력 필터를 통하여 공급된 직류 전력은, 스위칭 회로(43)와 리액터(45)에 의해, 전압 가변의 직류 전력으로 변환되어 단자(P2-N)로부터 출력된다.
또, DCDC 컨버터(40)는 전력 저장 소자(60)의 충전에 필요한 변환 용량을 가지고 있다. DCDC 컨버터(40)의 변환 용량은, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력을 다 사용한 상태로부터 만충전(full charging)될 때까지의 요구 시간으로 결정한다. 예를 들면, 전기차의 운용을 고려하여 수시간으로 충전을 완료할 수 있는 것이 필요하기 때문에, 2시간에 만충전하는 설계로 하면, DCDC 컨버터(40)의 변환 용량은, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력량을 충전 시간으로 나눈 100kWh/2시간 = 50kW 가 된다.
이에 더하여, DCDC 컨버터(40)는 비상시에 있어서, 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력을, 가선(1)의 정격(공칭) 전압 부근 혹은 통상의 가선(1)의 전압 변동 범위 내로 승압하여, 보조 전원 장치(20)에 공급한다. 단, 보조 전원 장치(20)에 접속되는 부하(31)의 용량은, 주행에 필요한 중요 부하만을 상정하여, 50kW 정도이다. 즉, 상술한 변환 용량과 동일한 정도의 용량이다.
또한, 도 3에서는, DCDC 컨버터 회로로서 일반적인 쌍방향 강압 초퍼 회로(bidirectional step-down chopper circuit)를 도시하고 있지만, 그 동작은 공지 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또, DCDC 컨버터 회로는 이외에도 다수의 회로 구성이 알려져 있고, 동일한 기능이 실현될 수 있다면, 그 구성은 임의적이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 전력 저장 소자의 구성예를 나타내는 도면이다. 전력 저장 소자(60)는 니켈 수소 2차 전지, 리튬 이온 2차 전지, 전기 이중층 캐패시터 등의 전력 저장 소자로 구성된 것이고, 그 종류는 임의적이다. 또, 전력 저장 소자(60)는 전력 저장 셀(61)을 복수개 직병렬 접속하여 구성되고, 전력 저장 셀(61)의 직렬 개수를 조정함으로써, 출력 단자 +/- 간의 전압을 조정할 수 있다. 또 병렬 개수를 조정함으로써, 저장 전력량을 조정할 수 있다. 또한, 전력 저장 셀(61)의 종류는 상기 것들과 다를 수 있다.
전력 저장 소자(60)는 비상시에 있어서, 예를 들면, 10량 편성 통근차인 전기차를 근처역까지 수 km 정도 이동시키는 것을 상정하여 설계되어 있고, 100kWh 정도의 저장 전력량을 가진다. 또, 전력 저장 소자(60)의 +/- 단자 간의 전압은, 전력 저장 셀(61)의 직렬 개수를 조정함으로써, 비상시의 주행에 있어서의 순항 속도 근방에서, 인버터(50)가 1 펄스 모드로 동작 가능해지도록 조정한다.
구체적으로는, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력 용량에도 의존하지만, 가선(1)의 정격(공칭) 전압이 1500V인 경우, 전력 저장 소자(60)의 +/- 단자 간의 전압은 300V~750V로 설정한다. 또, 가선(1)의 정격(공칭) 전압이 600V인 경우, 전력 저장 소자(60)의 +/- 단자 간의 전압은 120V~300V로 설정한다. 즉, 전력 저장 소자(60)의 +/- 단자 간의 전압은 가선(1)의 정격(공칭) 전압의 20%~50%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 전력 저장 소자(60)의 +/- 단자 간의 전압, 차속, 및 펄스 모드의 관계는 후술한다.
회로 절환 스위치(70)는 A측이 집전 장치(2) 측에 접속되고, B측이 전력 저장 소자(60) 측에 접속되고, 공통 단자 C가 인버터(50)의 P단자에 접속된다. 회로 절환 스위치(70)에 내장되는 접점을 절환함으로써, 전력의 공급원을 절환하는 것이 가능하기 때문에, 인버터(50)는 집전 장치(2)로부터 공급된 전력으로 동작하는 모드 또는 전력 저장 소자(60)로부터 공급된 전력으로 동작하는 모드에서, 전동기(71)를 구동할 수 있다. 전동기(71)는 삼상 유도 전동기, 영구자석 동기 전동기 등의 교류 전동기이고, 전동기(71)에 의해 차륜(3)을 구동하여 전기차를 주행시킨다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 보조 전원 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 보조 전원 장치(20)는 리액터(21), 필터 캐패시터(22)로 이루어진 입력 필터와 반도체 스위칭 소자(23a~23f)로 구성되는 브리지 회로로 구성되는 인버터 회로(23)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 교류 필터(29)와 변압기(transformer; 30)를 갖춘다.
보조 전원 장치(20)는 집전 장치(2) 또는 DCDC 컨버터(40)로부터 출력된 직류 전력을, 입력 필터를 통하여 인가받고, 인버터 회로(23)에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 변환된 교류 전력은 교류 필터(29)에 의해 스위칭 리플(switching ripple)이 제거된 후, 변압기(30)로 절연되고, 소정의 전압(일반적으로는 AC 400V 정도)으로 조정되어 단자 U-V-W로부터 부하(31)에 출력된다.
또한, 도 5에서는, 인버터 회로(23)로서 일반적인 삼상 2레벨 PWM 인버터 회로를 나타내고 있지만, 그 동작은 공지 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또, 인버터 회로(23)는 삼상 2레벨 PWM 인버터 회로로 한정되지 않고, 예를 들면 상수는 삼상 이외일 수도 있고, 3 레벨 인버터 회로가 사용될 수도 있다.
다음으로, 보조 전원 장치(20)의 동작에 대해서, 구체적인 수치를 이용하여 설명한다.
가선(1)의 전압은 예를 들어, 정격(공칭) 전압이 1500V인 가선의 경우, 약 1000V~1800V의 범위에서 변동하기 때문에, 보조 전원 장치(20)의 입력 단자 P-N 간의 전압도 마찬가지로 변동한다. 이 전압의 변동분은 반도체 스위칭 소자(23a~23f)로 구성되는 인버터 회로(23)에서 흡수되고 있다. 구체적으로는, 보조 전원 장치(20)의 입력 전압이 최소의 값인 1000V 일 때는, 보조 전원 장치(20)는 인버터 회로(23)의 변조율을 최대치 부근까지 증가시키고, 입력 전압이 최대의 값인 1800V 일 때는, 인버터 회로(23)의 변조율을 감소시킴으로써, 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압을 일정하게 유지하는 제어를 실행하고 있다. 또한, 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압은 600V 정도, 출력측(2차측) 전압은 400V 정도이다.
여기서, 입력 전압이 1000V 미만으로 저하한 경우, 인버터 회로(23)의 변조율은 최대치가 되어 그 이상 증가할 수 없기 때문에, 인버터 회로(23)의 출력 전압은 입력 전압의 저하에 비례해서 저하한다. 즉, 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압을 규정치(상기 예에서는 600V 정도)로 유지하지 못하고, 부하(31)로의 출력 전압도 규정치(상기 예에서는 400V 정도)로 유지할 수 없게 된다. 그 결과, 도시하지 않은 보호 기능이 동작하여 보조 전원 장치(20)는 정지한다.
입력 전압이 1000V 미만으로 저하한 경우에서도, 부하(31)로의 출력 전압을 규정치(상기 예에서는 400V 정도)로 유지하려면, 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압을 낮은 전압, 예를 들면 500V로 설정하고, 인버터 회로(23)의 변조율에 상한으로부터의 마진을 갖게 할 필요가 있다. 그렇지만, 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압을 낮게 설정하면, 동일한 전력을 얻기 위해서는 전류치가 커지고, 반도체 스위칭 소자(23a~23f)와 변압기(30)의 체적, 중량, 비용이 증가한다. 본 실시 형태의 구성에서는, 이와 같은 특별한 설계를 고려하지 않더라도, 보조 전원 장치(20)의 정지를 회피 가능하다.
보조 전원 장치(20)의 N 단자, DCDC 컨버터(40)의 N 단자, 전력 저장 소자(60)의 - 단자, 및 인버터(50)의 N 단자는, 각각 차륜(3)에 접속되어 있기 때문에, 각 단자로부터 출력되는 리턴 전류는, 레일(4)을 통하여 변전소(도시하지 않음)에 귀환된다.
또한, 상술한 각 구성요소 가운데, 임의의 복수의 요소를 전기차의 추진 제어 장치라고 볼 수 있다. 또, 각 구성요소 각각을 전기차의 추진 제어 장치라고 볼 수도 있다.
또, 도 1에서는, 보조 전원 장치(20), DCDC 컨버터(40), 전력 저장 소자(60), 인버터(50), 전동기(71) 등의 각 구성요소가, 각각 1대로 도시되어 있지만, 각각 복수로 분할할 수도 있다.
다음으로, 10량 편성 정도의 일반적인 통근 전철을 모델로 하여, 각 기기의 정격 용량에 대해서 설명한다. 또한, 편성 개수가 변화한 경우에 있어서도, 개별적 구성요소의 용량들 간의 상대적 관계는 거의 유지되는 것으로 한다.
가선(1)의 정격(공칭) 전압은 DC 600V, DC 750V, DC 1500V, DC 3000V 등이 주로 존재한다. 부하 용량은 상술한 것처럼, 합계로 400kW 정도이다. 따라서 보조 전원 장치(20)의 변환 용량은 400kW 정도이다. 또한, 중요 부하의 합계는 상술한 것처럼, 50kW 정도이다.
전동기(71)는 1대 당 150kW 정도이고, 전동차 1량에 4대가 장비되어 있다. 10량 편성의 경우, 전동차는 4량 정도 존재하기 때문에, 편성 전체에 탑재되는 전동기(71)의 수량은 16대이다. 따라서 전동기(71)의 출력의 합계는, 2400kW 정도이다.
집전 상태 검출부(11)는 가선(1)과 집전 장치(2)의 접속 상태, 또는 집전 장치(2)의 상태를 검출한다. 검출된 상태는 연계 제어부(200)에 입력된다. 연계 제어부(200)는 집전 장치(2)가 가선(1)으로부터 확실하게 이탈한 것을 확인하고 나서 DCDC 컨버터(40)를 기동하고, 전력 저장 소자(60)의 전압을 승압하여, 보조 전원 장치(20)에 급전하는 동작을 개시한다. 이와 같이 하면, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 가선(1)에 단락 등의 고장 개소가 있는 경우, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 당해 고장 개소에 인가되어, 피해가 확대되는 사태를 회피할 수 있다.
개폐 스위치(10)는 보조 전원 장치(20) 및 DCDC 컨버터(40)의 접속부와 집전 장치(2)의 사이에 설치되어, 보조 전원 장치(20) 및 DCDC 컨버터(40)를 집전 장치(2)로부터 분리시킬 수 있다. 개폐 스위치(10)의 상태는 연계 제어부(200)에 입력된다. 연계 제어부(200)는 개폐 스위치(10)가 개방된 것을 조건으로 하여, DCDC 컨버터(40)를 기동하고, 전력 저장 소자(60)의 전압을 승압하여, 보조 전원 장치(20)에 급전하는 동작을 개시한다. 이와 같이 하면, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있으므로, 가선(1)에 단락 등의 고장 개소가 있는 경우, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 당해 고장 개소에 인가되어, 피해가 확대되는 사태를 회피할 수 있다.
각 인버터(50)에는 전동기(71)가 4대 병렬 접속되고, 각 인버터(50)가 4대의 전동기(71)를 일괄 구동하는 구성이 일반적이다. 따라서 각 인버터(50)의 변환 용량은 600kW 정도이다. 또한, 인버터(50)는 10량 편성의 전기차에 4대 탑재되게 된다.
전력 저장 소자(60)는 상술한 것처럼, 비상시에 전기차를 근처역까지 수 km이동시키는 것을 상정하고, 100kWh 정도의 전력량을 가진다. DCDC 컨버터(40)의 변환 용량은 상술한 것처럼, 50kW(100kWh/2시간)이다.
이와 같이, DCDC 컨버터(40)의 출력 용량은 보조 전원 장치(20)에 접속되는 중요 부하에 전력을 공급할 수 있는 용량일 수 있고, 보조 전원 장치(20)의 출력 용량보다 작을 수 있다. 본 실시 형태에 나타내는 전기차의 추진 제어 장치에서는, DCDC 컨버터(40)는 소용량의 장치로 구성할 수 있으므로, 추진 제어 장치의 소형 경량화, 저비용화가 가능해진다.
다음으로, 전기차의 추진 제어 장치의 동작을 설명한다. 통상시의 동작은 이하와 같다. 회로 절환 스위치(70)가 A측을 선택한다. 보조 전원 장치(20)는 가선(1)으로부터 공급된 전력에 의해 부하(31)에 전력을 공급한다.
한편, 인버터(50)는 가선(1)으로부터 공급된 전력에 의해 전동기(71)를 구동한다. 전동기(71)에 공급되는 전력은 상술한 것처럼, 합계로 2400kW이다. DCDC 컨버터(40)는 가선(1)으로부터 공급된 전력에 의해 전력 저장 소자(60)를 충전한다.
비상시의 동작은 이하와 같다. 회로 절환 스위치(70)가 B측을 선택한다. DCDC 컨버터(40)는 전력 저장 소자(60)의 전압을 가선(1)의 정격(공칭) 전압 부근 또는 통상의 가선(1)의 전압 변동 범위 내로 승압하고, 보조 전원 장치(20)에 공급한다. 보조 전원 장치(20)는 DCDC 컨버터(40)로부터 공급된 전력에 의해 부하(31)를 구동한다. 부하(31)에 공급되는 전력은 중요 부하를 구동할 수 있는 50kW 정도이다.
한편, 인버터(50)는 DCDC 컨버터(40)를 통하지 않고 전력 저장 소자(60)로부터 공급된 전력에 의해 전동기(71)를 구동한다. 전동기(71)에 공급할 수 있는 전력은, 전력 저장 소자(60)의 특성(출력 밀도)에도 의존할 수 있지만, 일반적으로 전력 저장 소자(60)의 Wh용량(100kWh)의 5배(500kW) 정도이다. 따라서 전동기(71)에 공급할 수 있는 전력은 통상시(2400kW)의 20% 정도이다. 이 경우, 전기차의 차속은 저속이 되고, 가속도와 최고 속도는 모두 통상시보다 낮은 값을 나타내지만, 전기차는 부하(31) 및 전동기(71)에 공급된 전력에 의해 주행 가능하다.
다음으로, 연계 제어부(200)의 동작을 설명한다.
외부로부터 입력되는 제어 신호(HC)가 오프인 경우, 전기차는 가선(1)으로부터 전력을 수전하여 주행이 가능한 것(통상시)으로 판단하고, 제어 신호(C1~C3) 에 의해, 개폐 스위치(10)를 온시키고, 회로 절환 스위치(70)를 A측에 접속하고, DCDC 컨버터(40)를, 리액터(45)의 전류를 소정의 지령치에 일치하도록 제어하는 전류 제어 모드로 운전한다. 이에 더하여, 제어 신호(C4)에 기초하여, 인버터(50) 내부의 입력 전압에 관한 보호 설정치의 설정을 실행한다.
인버터(50)는 전압 검출부(54)를 이용하여 입력 전압(필터 캐패시터(52)의 전압)을 감시하는 입력 전압 감시부(59a)를 가지고 있다. 또, 인버터(50)는 입력 전압이 규정 범위로부터 일탈하는 경우에 인버터(50)를 정지시키는 보호 동작부(59b)를 가지고 있다. 입력 전압 감시부(59a)는 전기차가 가선(1)으로부터 수전하여 주행하는 경우는, 가선(1)의 공칭 전압이 1500V인 케이스에서는, 규정 범위를 1000V~1900V 정도로 설정한다.
이와 같이 함으로써, 인버터(50)와 보조 전원 장치(20)는 가선(1)의 전력을 직접 입력하는 것이 가능해진다. 또, DCDC 컨버터(40)에 의해 전력 저장 소자(60)를 소정 값까지 충전해 두는 것이 가능해진다. 또한, 인버터(50)는 가선(1)의 전압이 규정치 이내인 경우에는 안정적으로 동작할 수 있고, 가선(1)의 전압이 규정 범위 외인 경우에는 신속하게 정지할 수 있다.
외부로부터 입력되는 제어 신호(HC)가 온인 경우, 전기차는 가선(1)으로부터 전력을 수전하여 주행하는 것이 불가능한 것(비상시)으로 판단하고, 제어 신호(C1~C3)에 의해, 개폐 스위치(10)를 오프시키고, 회로 절환 스위치(70)를 B측에 접속하고, DCDC 컨버터(40)를, 필터 캐패시터(42)의 전압을 소정의 지령치에 일치하도록 제어하는 전압 제어 모드로 운전한다. 또한, DCDC 컨버터(40)의 운전은 개폐 스위치(10)가 오프된 것을 조건으로 개시한다. 또한, 제어 신호(C4)에 기초하여 인버터(50) 내부의 입력 전압에 관한 보호 설정치의 설정 변경을 실행한다.
인버터(50)는 상술한 것처럼, 입력 전압 감시부(59a)를 가지고 있지만, 이 입력 전압 감시부(59a)는 전기차가 전력 저장 소자(60)로부터 수전하여 주행하는 경우는, 전력 저장 소자(60)의 공칭 전압이 600V인 케이스에서는, 규정 범위를 400V~700V 정도로 설정한다.
이와 같이 함으로써, 인버터(50)는 전력 저장 소자(60)의 전압이 규정치 이내인 경우에는, 안정하게 동작할 수 있고, 전력 저장 소자(60)의 전압이 규정 범위외의 경우에는, 신속하게 정지할 수 있다. 추가로, 전력 저장 소자(60)의 전력을 직접 인버터(50)에 입력하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력을 손실하지 않고, 인버터(50)를 통하여 전동기(71)에 공급할 수 있다. 또, DCDC 컨버터(40)에 의해, 전력 저장 소자(60)의 전력을 소정 값까지 승압하여 보조 전원 장치(20)에 공급하는 것이 가능해진다.
또한, 보호 동작부(59b)와 입력 전압 감시부(59a)에 설정하는 입력 전압에 관한 보호 설정치는, 인버터(50)의 내부에서 독립하여 설정하는 구성일 수도 있고, 반드시 제어 신호(C4)에 기초하여 설정할 필요는 없다. 예를 들면, 입력 전압의 평균치로부터 보호 설정치를 결정하여 설정하는 구성일 수도 있다.
또한, 연계 제어부(200)는 보조 전원 장치(20)의 급전 범위에 있는 전기차에 탑재되고 있는 공조 장치(도시하지 않음)에 대해서, 제어 지령을 출력하는 구성으로 하고, 전기차가 전력 저장 소자(60)로부터의 전력으로 주행하는 경우에는, 상기 공조 장치로의 정지 지령을 출력하여, 공조 장치를 정지시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 공조 장치에서의 전력 소비를 절감할 수 있으므로, 전력 저장 소자(60)의 전력을 최대한 주행하기 위해서 사용할 수 있다.
또한, 연계 제어부(200)는 보조 전원 장치(20)의 급전 범위에 있는 전기차에 탑재되어 있는 공조 장치(도시하지 않음)에 대해서, 제어 지령을 출력하는 구성으로 하고, 전기차가 전력 저장 소자(60)로부터의 전력으로 주행하는 경우에는, 상기 공조 장치에 내장되어 있는 냉매 압축용의 압축기(도시하지 않음)의 정지 지령을 출력하고, 별도로 마련된 전기차 차내로의 송풍 팬(도시하지 않음)의 운전을 계속시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 공조 장치의 전력 소비의 대부분을 차지하는 냉매 압축용의 압축기에서의 전력 소비를 절감하면서, 전기차 차내로의 송풍은 유지할 수 있으므로, 차내 환경을 크게 해치지 않고, 전력 저장 소자(60)의 전력을 최대한 주행하기 위해서 사용할 수 있다.
이와 같이, 연계 제어부(200)는 전기차의 추진 제어 장치에 탑재되는 개폐 스위치(10), 회로 절환 스위치(70), DCDC 컨버터(40), 및 인버터(50)에 대해서, 제어 신호(C1, C2, C3, C4)를 출력하고, 이러한 장치를 연계하여 제어하는 기능을 가진다. 이 때문에, 연계 제어부(200)는 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치라는 시스템에 대해서, 통상시 또는 비상시에 있어서의 최적인 동작을 제공하는 핵심이 된다.
또한, 비상시에 있어서, DCDC 컨버터(40)가 승압 제어하는 필터 캐패시터(42)의 전압은, 통상의 가선(1)의 변동 범위의 하한치 부근(예를 들어, 가선(1)의 정격(공칭) 전압이 1500V인 케이스에서는 1200V 정도)으로 하는 것이 바람직하다. 이 전압은 보조 전원 장치(20)의 허용 입력 전압의 하한치와 거의 같다. 이와 같이 함으로써, DCDC 컨버터(40)의 승압비가 작아져, 리액터(45)로부터의 소음을 저하시키는 것이 가능해진다.
또한, DCDC 컨버터(40)는 그 내부에 전력 저장 소자(60)로의 저장 전력량의 목표치를 가지고 있고, 이 저장 전력량의 목표치에 실제의 전력 저장 소자(60)의 저장 전력량이 일치하도록 충방전 동작을 실행하는 기능을 가진다. 전력 저장 소자(60)의 최대 저장 가능 전력량에 대한 현재의 저장 전력량의 비율을 SOC(State Of Charge)라고 칭한다. 저장 전력량의 목표치는 전기차가 운행하는 동안에는 SOC를 최대, 즉 거의 100%로 설정한다. 이것은, 만일 전기차가 운행하는 동안에 가선(1)으로부터 수전하여 주행할 수 없게 된 경우에, 전력 저장 소자(60)의 성능을 최대한 활용하여 주행거리를 최대로 확보할 수 있기 때문이다. 한편, 전기차가 운행을 종료한 후는, SOC는 예를 들면, 운행하는 동안의 SOC 보다 낮은 값인 80% 이하 정도까지 저하되어 유지된다. 이것은, 전력 저장 소자(60)의 SOC를 100% 근처까지 장시간 유지시키면, 전력 저장 소자(60) 내부의 열화가 진행되기 때문에, 열화를 회피하기 위함이다. 이와 같이, SOC를 가능한 한 낮게 설정함으로써, 전력 저장 소자(60)의 수명을 길게 사용할 수 있다. 또한, 저장 전력량의 목표치는 DCDC 컨버터(40)의 내부에 있는 시각 정보에 의해, 전기차가 기동한 것을 조건으로 SOC를 100% 근처가 되도록 설정하고, 야간에 소정의 시간이 되면, SOC를 저감시키도록 설정하는 구성이 고려된다.
또, 저장 전력량의 목표치는, 외부의 연계 제어부(200)로부터의 제어 신호로서, DCDC 컨버터(40)에 입력하는 구성으로 할 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 예를 들어 전기차의 편성 중에 복수 대의 DCDC 컨버터(40) 및 전력 저장 소자(60)가 존재하는 경우에 있어서, 그러한 동작을 총괄적으로 제어할 수 있다.
또, 저장 전력량의 목표치는, 전기차를 장시간 사용하지 않는다고 예상되는 경우에 있어서, 상기 저장 전력량의 목표치를 저하시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 인버터(50)의 동작 상태(역행, 브레이크 상태, 전류 상태 등)를 감시하여, 일정 시간 동작하지 않는 경우에는 전기차가 차고에 유치되어 있다고 판단하여 SOC를 저하시키도록, 저장 전력량의 목표치를 설정하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 물론, 열차의 운행에 관한 정보를 통일적으로 파악하고 있는 운행 지령 센터 등의 외부로부터 저장 전력량의 목표치를 설정하는 구성일 수도 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치에 의한 메리트를 이하에 설명한다.
첫째로, 인버터(50)에 대한 특별한 설계 배려가 불필요한 것이다. 도 6은, 본 실시 형태에 관한 인버터 출력 전압, 차속, 및 펄스 모드의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6의 상측에 도시된 그래프의 세로축은 인버터(50)의 출력 전압을 나타내고, 횡축은 전기차의 차속을 나타내고 있다. 그래프에는, 일례로서 가선(1)의 정격(공칭) 전압(1500V)이 인버터(50)에 인가된 경우의 출력 전압-속도 특성과, 전력 저장 소자(60)의 단자 전압(600V)이 인버터(50)에 인가된 경우의 출력 전압-속도 특성이 도시되어 있다.
도 6의 하부에는, 가선(1)의 정격(공칭) 전압(1500V)이 인버터(50)에 인가된 경우의 펄스 모드의 변화 상태가 도시되어 있다. 이에 더하여, 전력 저장 소자(60)의 단자 전압(600V)이 인버터(50)에 인가된 경우의 펄스 모드의 변화 상태가 도시되어 있다.
통상시에 있어서, 집전 장치(2)로부터 공급된 전력으로 인버터(50)를 구동하는 경우, 인버터(50)의 출력 전압은 0V~1170V(
Figure 112011023663185-pct00001
;공지된 식)까지 직선 모양으로 증가한다. 인버터(50)는 기호 A로 도시되는 다펄스 PWM 모드, 및 기호 B로 도시되는 동기 펄스 모드로 동작한다.
40km/h 부근에서, 인버터(50)의 출력 전압은 최대치 1170V에 도달하고, 인버터(50)는 기호 C로 도시되는 1 펄스 모드로 동작한다. 또한, 통상시의 전기차의 순항 속도는 80km/h~100km/h이므로, 인버터(50)는 가감속시를 제외한 대부분의 동안 1 펄스 모드로 동작한다.
한편, 비상시에 있어서, 단자 전압이 600V로 설정된 전력 저장 소자(60)의 전력으로 인버터(50)를 구동하는 경우, 인버터(50)의 출력 전압은 0V~468V(
Figure 112011023663185-pct00002
; 공지된 식)까지 직선 모양으로 증가한다. 인버터(50)는 기호 A로 도시된 다펄스 PWM 모드, 및 기호 B로 도시된 동기 펄스 모드로 동작한다.
16km/h 부근에서, 인버터(50)의 출력 전압은 최대치 468V에 도달하고, 인버터(50)는 기호 C로 도시되는 1 펄스 모드로 동작한다. 또한, 비상시의 전기차의 순항 속도는 일반적으로 30km/h 전후가 되므로, 인버터(50)는 가감속시를 제외한 대부분의 동안 1 펄스 모드로의 동작이 가능해진다. 즉, 인버터(50)의 출력 전압 반주기 중의 펄스 수는 최소 1을 나타내고, 스위칭 손실도 최소가 된다.
만약, 전력 저장 소자(60)의 단자 전압이 가선(1)의 전압과 같은 1500V로 설정되어 있는 경우, 비상시에 전력 저장 소자(60)로부터 인버터(50)에 공급되는 전력에 의해, 전기차의 최고 속도가 30km/h 전후여도, 인버터(50)는 인버터(50)의 입력 전압에 대응하는 출력 전압-속도 특성으로부터 유도되는 펄스 모드, 즉 다펄스 PWM 모드의 스위칭 주파수(1000Hz 전후)에서 항상 동작한다. 스위칭 손실이 큰 상태로 인버터(50)가 동작하면, 1 펄스 모드에서의 운전을 염두하여 설계되어 있는 냉각 핀에서는 냉각 성능이 부족하여, 인버터(50)가 과열하는 문제가 발생한다.
상기 문제의 대책으로서, 저속 운전을 고려하여 냉각 성능을 강화한 인버터를 특별히 설계하는 것은 가능하지만, 인버터 장치의 중량, 치수, 비용 등의 증가를 초래한다.
본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치에서는, 가선(1)으로부터 공급되는 전력 또는 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력 중 하나를 선택하여 인버터(50)에 출력하는 회로 절환 스위치(70)을 가져서, 통상시는 가선(1)의 전력을 인버터(50)에 공급하고, 비상시는 전력 저장 소자(60)의 전력을 인버터(50)에 공급하는 구성으로 한 다음, 전력 저장 소자(60)로부터 인버터(50)에 인가되는 전압이, 가선(1)으로부터 인버터(50)에 인가되는 전압에 비교하여 낮게 함으로써, 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력으로 저속 주행하는 경우에도, 인버터(50)는 1 펄스 모드로 동작 가능하다. 이 때문에, 냉각 성능을 강화한 인버터를 특별히 설계할 필요가 없고, 인버터(50)의 중량, 치수, 비용 등의 증가를 회피할 수 있다.
또한, 전기차가 경사지를 주행하는 동안에 있어서, 전기차의 속도가 예를 들면 16 km/h 이하까지 저하한 경우, 인버터(50)는 다펄스 PWM 모드로의 스위칭이 된다. 이 경우, 상술한 바와 같이 인버터(50)는 냉각 능력이 부족하여 과열될 수 있다. 이것을 회피하기 위해, 인버터(50)를 구성하는 반도체 스위칭 소자(53a~53f)의 온도에 따라, 인버터(50)의 출력 전압을 변화시켜서, 인버터(50)가 1 펄스 모드로의 운전이 가능해지도록 제어를 실행하는 구성으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
구체적으로는, 인버터(50)를 구성하는 반도체 스위칭 소자(53a~53f)의 온도가 소정 값 이상으로 상승한 경우, 인버터(50)의 출력 전압을 증가시키고, 상술한 구성보다 낮은 속도에서 인버터(50)가 1 펄스 모드로 운전하도록 제어한다.
인버터(50)의 출력 전압은 인버터(50)가 1 펄스 모드에서의 스위칭 동작이 될 때까지 증가시키는 것이 바람직하다.
인버터(50)의 출력 전압을 증가시키는 방법으로서는, 인버터(50)에 내장되는 전동기 제어부(도시하지 않음) 내부의 전동기(71)에 대한 여자 전류 지령을 증가시켜, 인버터(50)의 출력 전압을 상승시키는 것이 유효하다. 또한, 인버터(50)의 출력 전압을 증가시키면, 동일 속도(주파수)에서 통상보다도 높은 전압이 전동기(71)에 인가되어, 전동기(71)의 여자 전류가 정격시보다도 커지는 소위 과여자 상태(overexcited state)로의 운전이 된다. 이것에 의해, 전동기(71)의 온도가 상승하게 되지만, 전동기(71)는 인버터(50)와 비교하여 열시정수(thermal time constant)가 크기 때문에, 전기차를 제일 가까운 역까지 주행시키는 케이스에서는 문제가 되지 않는다.
둘째로, 인버터(50)를 포함한 전기차의 추진 제어 장치 전체의 시스템 손실을 최소로 할 수 있다. 회로 절환 스위치(70)에 의해 전력 저장 소자(60)를 인버터(50)에 직접 연결할 수 있으므로, 전력 저장 소자(60)와 인버터(50)의 사이에 전압 변환 회로 등을 마련할 필요가 없다. 이 때문에, 당해 전압 변환 회로 등에 의한 전력 손실이 없고, 인버터(50)를 포함한 전기차의 추진 제어 장치 전체의 시스템 손실을 최소로 할 수 있어, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력량을 최대한 이용할 수 있다.
셋째로, 보조 전원 장치(20)에 대한 특별한 설계 배려가 불필요하다. DCDC 컨버터(40)는 비상시에 전력 저장 소자(60)의 전압을 가선(1)의 정격(공칭) 전압 부근 또는 통상의 가선(1)의 전압 변동 범위 내로 승압하여, 통상시와 동일한 전원 조건으로 보조 전원 장치(20)를 동작시킬 수 있다. 이 때문에, 보조 전원 장치(20)는 보조 전원 장치(20)에 내장되는 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압의 설정을 낮추는 등의 설계를 실행할 필요가 없고, 반도체 스위칭 소자(23a~23f)와 변압기(30)의 체적, 중량, 비용이 증가하지 않는다.
넷째로, 전력 저장 소자(60)의 충전에 사용하는 DCDC 컨버터(40)를 효율적으로 이용할 수 있다. DCDC 컨버터(40)의 변환 용량은, 보조 전원 장치(20)로의 승압 급전에 필요한 용량과, 전력 저장 소자(60)를 소정 시간에 만충전하기 위해서 필요한 용량이 거의 같은 정도(상술한 실시예에서는 50kW)이다. 이 때문에, DCDC 컨버터(40)에 특별한 장치를 부가하지 않아도, 통상시는 전력 저장 소자(60)를 충전하고, 비상시는 보조 전원 장치(20)로의 승압 급전을 할 수 있다. 즉, 전기차의 추진 제어 장치에 전력 저장 소자(60)의 충전용으로서 제공되는 DCDC 컨버터(40)를 이용 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치는 집전 상태 검출부(11)를 구비하고, 집전 장치(2)가 가선(1)으로부터 확실히 이탈한 것을 확인하고 나서, DCDC 컨버터(40)의 승압 운전을 개시하는 구성이기 때문에, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있어, 가선(1)의 단락 개소 등에 있어서의 피해 확대를 회피할 수 있다.
이에 더하여, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치는 보조 전원 장치(20) 및 DCDC 컨버터(40)의 접속부와 집전 장치(2)의 사이에 개폐 스위치(10)를 구비하고, 개폐 스위치(10)가 개방된 것을 조건으로 하여, DCDC 컨버터(40)의 승압 운전을 개시하는 구성이기 때문에, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있으므로, 가선(1)의 단락 개소 등에 있어서의 피해 확대를 회피할 수 있다.
이상과 같이 구성하였기 때문에, 전동기(71)를 구동 제어하는 인버터(50)와, 부하(31)에 전력을 공급하는 보조 전원 장치(20)의 중량, 치수, 비용의 증가를 회피하면서, 가선 정전시 등의 비상시에 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력에 의해 전기차를 주행시키는데 바람직한 전기차의 추진 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 나타내는 전기차의 추진 제어 장치의 구성은 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 일부를 생략하는 등, 변경하여 구성하는 것도 가능하다 것은 말할 필요도 없다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치에 의하면, 외부 전원으로부터 공급되는 전력 또는 전력 저장 소자(60)로부터 공급되는 전력 중 하나를 선택하여 인버터(50)에 전력을 공급하는 회로 절환 스위치(70)와, 인버터(50), DCDC 컨버터(40), 및 회로 절환 스위치(70)를 연계하여 제어하는 연계 제어부(200)를 가지고, 인버터(50), DCDC 컨버터(40), 및 회로 절환 스위치(70)를 연계하여 제어하도록 구성하였기 때문에, 인버터(50), 및 보조 전원 장치(20)의 중량, 치수, 비용의 증가를 회피하면서, 가선 정전시 등의 비상시에, 전력 저장 소자(60)의 전력을 이용한 전기차의 주행 제어를 바람직하게 실행하는 것이 가능해진다.
또, 회로 절환 스위치(70)에 의해 전력 저장 소자(60)를 인버터(50)에 직접 연결할 수 있는 구성이므로, 전력 저장 소자(60)와 인버터(50)의 사이에 전압 변환 회로 등을 마련할 필요가 없고, 인버터(50)를 포함한 전기차의 추진 제어 장치 전체의 시스템 손실을 최소로 억제하여, 전력 저장 소자(60)의 저장 전력량을 최대한 이용할 수 있다.
또, DCDC 컨버터(40)는 비상시에 전력 저장 소자(60)의 전압을 가선(1)의 정격(공칭) 전압 부근 또는 통상의 가선(1)의 전압 변동 범위 내로 승압하여, 통상시와 동일한 전원 조건으로 보조 전원 장치(20)를 동작시킬 수 있는 구성이므로, 보조 전원 장치(20)는 보조 전원 장치(20)에 내장되는 변압기(30)의 입력측(일차측) 전압의 설정을 내리는 등의 설계를 실행할 필요가 없어, 반도체 스위칭 소자(23a~23f)와 변압기(30)의 체적, 중량, 비용의 증가를 회피할 수 있다.
또, DCDC 컨버터(40)의 변환 용량은, 보조 전원 장치(20)로의 승압 급전에 필요한 용량과, 전력 저장 소자(60)를 소정 시간에 만충전하기 위해서 필요한 용량이 거의 동일한 정도(상술한 실시예에서는 50kW)이기 때문에, DCDC 컨버터(40)에 특별한 장치를 부가하지 않더라도, 통상시는 전력 저장 소자(60)를 충전하고, 비상시는 보조 전원 장치(20)로의 승압 급전을 할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치는 집전 상태 검출부(11)를 구비하고, 집전 장치(2)가 가선(1)으로부터 확실히 이탈한 것을 확인하고 나서 DCDC 컨버터(40)의 승압 운전을 개시하는 구성이기 때문에, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있어, 가선(1)의 단락 개소 등에 있어서의 피해 확대를 회피할 수 있다.
이에 더하여, 본 실시 형태에 관한 전기차의 추진 제어 장치는 보조 전원 장치(20) 및 DCDC 컨버터(40)의 접속부와 집전 장치(2)의 사이에 개폐 스위치(10)를 구비하고, 개폐 스위치(10)가 개방된 것을 조건으로 하여, DCDC 컨버터(40)의 승압 운전을 개시하는 구성이기 때문에, DCDC 컨버터(40)에서 승압된 전압이 가선(1)에 유입하는 것을 방지할 수 있어, 가선(1)의 단락 개소 등에 있어서의 피해 확대를 회피할 수 있다.
산업상의 이용 가능성
이상과 같이, 본 발명에 관한 전기차의 추진 제어 장치는, 가선 정전시 등의 비상시에, 전력 저장 소자의 전력에 의해 전기차를 주행시키는 전기차의 추진 제어 장치에 유용하다.
1: 가선 2: 집전 장치
3: 차륜 4: 레일
10: 개폐 스위치(개폐부) 11: 집전상태 검출부
20: 보조 전원 장치 21,41,45,51: 리액터
22,42,52: 필터 캐패시터 23,53: 인버터 회로
23a,23b,23c,23d,23e,23f,43a,43b,53a,53b,53c,53d,53e,53f: 반도체 스위칭 소자
29: 교류 필터 30: 변압기
31: 부하 40: DCDC 컨버터
43: 스위칭 회로 54: 전압 검출부
59a: 입력 전압 감시부 47: 전류 검출기
48: DCDC 컨버터 제어부 50: 인버터
59: 인버터 제어부 59b: 보호 동작부
60: 전력 저장 소자
70: 회로 절환 스위치(회로 절환부)
71: 전동기 200: 연계 제어부
C1, C2, C3, C4, HC: 제어 신호

Claims (26)

  1. 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 전력 저장 소자와, 상기 전력 저장 소자에 접속되는 DCDC 컨버터를 구비한 전기차의 추진 제어 장치에 있어서,
    외부 전원으로부터 집전 장치를 통하여 공급되는 전력과, 상기 전력 저장 소자로부터 공급되는 전력 중 하나를 선택하여, 상기 인버터에 출력하는 회로 절환부를 구비하고,
    상기 인버터는 상기 전기차의 속도 또는 상기 인버터의 출력 전압에 따라 펄스 모드를 변경하는 소정의 동작을 실시하고, 상기 펄스 모드의 변경에 의해서 상기 인버터의 출력 전압 기본파 반주기 중에 포함되는 펄스 수가 소정 수 이하인 펄스 수에서 동작 가능하게 구성되고,
    상기 전기차가 상기 외부 전원으로부터 수전하여 주행할 때보다도, 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행할 때가, 보다 낮은 속도에서 펄스 모드를 변경하여, 상기 소정 수 이하의 펄스 수로 동작하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전기차가 상기 외부 전원으로부터 수전하여 주행하는 경우와, 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우 각각에 따라, 상기 DCDC 컨버터와 상기 회로 절환부에 제어 신호를 출력하고, 적어도 상기 DCDC 컨버터와 상기 회로 절환부를 연계하여 제어하는 연계 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전력 저장 소자의 단자간 전압은, 상기 전력 저장 소자로부터의 전력에 의해 주행할 때의 순항 속도에 있어서, 상기 인버터가 1 펄스 모드로 동작할 수 있도록 조정된 값인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전력 저장 소자의 단자의 전압치는 상기 외부 전원의 정격 전압의 20~50% 값인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 소정 수는 1인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기차에 탑재되는 부하에 전력을 공급하는 보조 전원 장치를 구비하고,
    상기 DCDC 컨버터는 상기 외부 전원으로부터의 전력 수전이 불가능하게 된 경우, 상기 전력 저장 소자의 전압을, 상기 보조 전원 장치가 통상 상기 외부 전원으로부터 수전하는 전압 정도까지 승압하고, 상기 보조 전원 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 전원과 상기 집전 장치의 접속 상태를 검출하는 집전 상태 검출부를 구비하고,
    상기 외부 전원과 상기 집전 장치의 접속이 절단된 것을 상기 집전 상태 검출부가 검출한 것을 조건으로 하여, 상기 DCDC 컨버터는 승압 운전을 실행하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 보조 전원 장치 및 상기 DCDC 컨버터의 접속부와 상기 집전 장치의 사이에 설치되어, 상기 보조 전원 장치 및 상기 DCDC 컨버터를 상기 집전 장치로부터 분리시키는 개폐부를 구비하고,
    상기 개폐부가 개방된 것을 조건으로 하여, 상기 DCDC 컨버터는 승압 운전을 실행하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  9. 청구항 2에 있어서, 상기 연계 제어부는,
    상기 외부 전원으로부터의 수전에 의한 전기차의 주행이 가능하다고 판단한 경우에는, 상기 인버터가 상기 외부 전원과 직접 연결되도록 상기 회로 절환부를 제어함과 아울러, 상기 DCDC 컨버터가 상기 전력 저장 소자에 상기 외부 전원의 전력을 충전하는 동작을 실행하도록 제어하고,
    상기 외부 전원으로부터의 수전에 의한 전기차의 주행이 불가능하다고 판단한 경우, 상기 인버터가 상기 전력 저장 소자에 직접 연결되도록 상기 회로 절환부를 제어함과 아울러, 상기 DCDC 컨버터가 전기차에 탑재되는 부하에 전력을 공급하는 보조 전원 장치에 상기 전력 저장 소자의 전력을 공급하는 동작을 실행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 보조 전원 장치의 급전 범위에 있는 전기차의 공조 장치에 대해서, 상기 연계 제어부로부터의 제어 신호를 출력하는 구성으로 되어 있고,
    상기 연계 제어부는,
    전기차가 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우, 상기 공조 장치로의 정지 지령을 출력하여 상기 공조 장치를 정지시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 보조 전원 장치의 급전 범위에 있는 전기차에 탑재되어 있는 공조 장치에 대해서, 상기 연계 제어부로부터의 제어 신호를 출력하는 구성으로 되어 있고,
    상기 연계 제어부는,
    전기차가 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우, 상기 공조 장치에 내장되어 있는 냉매 압축용 압축기의 정지 지령을 출력하고, 전기차 차내에 탑재되는 송풍 팬의 운전을 계속시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는,
    상기 외부 전원에 접속된 리액터 및 필터 캐패시터로 이루어진 입력 필터 회로와,
    상기 필터 캐패시터의 직류 전압을 임의의 직류 전압으로 변환하여 출력하는 스위칭 회로를 가지고,
    상기 스위칭 회로는,
    상기 필터 캐패시터에 병렬 접속된 상암측(upper arm side) 스위칭 소자와 하암측(lower arm side) 스위칭 소자로 구성되고, 상기 상암측 스위칭 소자와 상기 하암측 스위칭 소자의 접속점에 리액터가 접속된 구성인 경우,
    상기 DCDC 컨버터의 상기 필터 캐패시터 전압을 소정 값으로 제어하는 전압 제어 모드와, 상기 DCDC 컨버터의 상기 리액터 전류를 소정 값으로 제어하는 전류 제어 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는 전기차가 외부 전원으로부터 수전하여 주행하는 경우와, 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우에서, 상기 제어 모드를 절환하여 운전하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는 상기 DCDC 컨버터가 가지는 필터 캐패시터의 전압을 상기 보조 전원 장치의 입력 전압의 허용 하한치 부근으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는,
    상기 전력 저장 소자의 저장 전력량에 관한 목표치를 가지고, 상기 전력 저장 소자로의 충방전을 실행하여 상기 저장 전력량을 상기 목표치로 제어하는 것으로서,
    상기 저장 전력량의 목표치를 적어도 시각에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  16. 청구항 2에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는,
    상기 전력 저장 소자의 저장 전력량에 관한 목표치를 가지고, 상기 전력 저장 소자로의 충방전을 실행하여 상기 저장 전력량을 상기 목표치로 제어하는 것으로서,
    상기 저장 전력량의 목표치를 상기 연계 제어부로부터의 제어 신호에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는,
    상기 전력 저장 소자의 저장 전력량에 관한 목표치를 가지고, 상기 전력 저장 소자로의 충방전을 실행하여 상기 저장 전력량을 상기 목표치로 제어하는 것으로서,
    상기 인버터의 동작 상태에 따라, 상기 저장 전력량의 목표치를 저하시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  18. 청구항 6에 있어서, 상기 DCDC 컨버터의 출력 용량은 상기 보조 전원 장치의 출력 용량 이하인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  19. 청구항 2에 있어서, 상기 인버터는,
    적어도 상기 인버터의 입력 전압을 감시하는 입력 전압 감시부를 가지고, 상기 입력 전압이 소정의 범위로부터 일탈하는 경우, 상기 인버터를 정지시키는 보호 동작부를 구비한 것으로서,
    상기 입력 전압 감시부는,
    전기차가 외부 전원으로부터 수전하여 주행하는 경우와, 상기 전력 저장 소자로부터의 전력으로 주행하는 경우에서, 입력 전압에 관한 상기 소정의 범위를 절환하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 인버터는, 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 온도에 따라, 인버터의 출력 전압을 변화시키는 소정의 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 인버터는, 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 온도가 소정 값 이상인 경우, 인버터의 출력 전압을 증가시키는 소정의 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 인버터는, 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 온도가 소정 값 이상인 경우, 인버터의 출력 전압을 1 펄스 모드에서의 스위칭 동작이 될 때까지 증가시키는 소정의 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  23. 청구항 20 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정의 동작은 상기 인버터의 부하인 전동기의 여자 전류를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  24. 청구항 9에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는 상기 DCDC 컨버터의 필터 캐패시터 전압을 소정 값으로 제어하는 전압 제어 모드 및 상기 DCDC 컨버터의 리액터 전류를 소정 값으로 제어하는 전류 제어 모드를 상기 연계 제어부로부터의 상기 제어 신호에 따라 절환하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  25. 청구항 19에 있어서, 상기 인버터는 상기 입력 전압에 관한 소정의 범위를 상기 연계 제어부로부터의 상기 제어 신호에 따라 절환하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  26. 청구항 1에 있어서, 상기 DCDC 컨버터는 상기 전력 저장 소자의 저장 전력량에 관한 목표치를 가지고, 상기 전력 저장 소자로의 충방전을 실행하여 상기 저장 전력량을 상기 목표치로 제어하는 것으로서, 상기 저장 전력량의 목표치를 외부로부터의 제어 신호에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
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