KR20080015460A - 전기차의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

보조 전원 장치와 구동 제어 장치와 전력 저장 시스템이 병렬로 접속된 전기차의 제어 장치에 있어서, 상기 전력 저장 시스템은 컨덴서가 병렬로 접속된 DC-DC 컨버터와, 전력 저장부와, 이들의 제어를 행하는 전력 저장 시스템 제어부로 구성되고, 상기 전력 저장 시스템 제어부는 가선의 정전, 지락을 검출하는 것이 가능한 구성으로 하였다.

Description

전기차의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 직류 전력을 흡수ㆍ방출시키는 전력 저장 시스템을 적용한 전기차의 제어 장치에 관한 것이다.
최근, 전기차의 제어 장치에 2차 전지ㆍ전기 2중층 캐패시터 등의 전력 저장 디바이스를 이용한 전력 저장 시스템을 적용하는 개발이 행해지고 있고, 차량의 회생(回生) 브레이크시에 발생하는 잉여 회생 전력을 저장하고, 또 역행(力行) 가속시에 저장한 전력을 이용하는 구성으로 하는 것에 의해, 차량이 갖는 운동 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).
특허 문헌 1 : 일본 특개 2006-14395
상기 전력 저장 시스템을 적용한 전기차에 있어서는 변전소가 의도적으로 가선(架線)으로의 전력 공급을 정지한 경우나 가선의 절단시 등의 가선 정전시에, 전력 저장 시스템이 운전을 계속하면, 전력 저장 시스템이 가선으로 전압을 역인가해 버려, 작업 등으로 가선에 접하는 경우에 감전의 우려가 있는 등, 의도적으로 가선을 정전시키고 싶은 경우에 있어서도 이것이 불가능하게 되는 문제가 있다.
또, 가선이 지락(地絡) 고장났을 때에는 전력 저장 시스템이 지락 개소(箇所)로 전류를 계속 공급하게 되어, 지락 개소의 손상을 확대하는 문제가 있다.
따라서, 가선 정전시, 가선 지락시에는 신속하게 이것을 검출하여, 전력 저장 시스템을 확실하게 정지할 필요가 있다. 또, 예를 들어 가선에 정전이 발생한 경우에, 가장 가까운 역까지 전력 저장 시스템의 전력으로 차량을 주행시키는 경우는 전력 저장 시스템이 가선으로 전압을 역인가하는 것을 회피하면서, 전력 저장 시스템을 유효하게 동작시킬 필요가 있다.
상기 특허 문헌 1에는 전력 저장 시스템을 적용한 전기차의 제어 장치에, 수전(受電) 불가 검출기를 설치하고, 이에 의해 수전 불가 상태를 검출한 경우에 전력 저장 시스템을 탑재한 전기차의 제어 장치의 스위치를 여는 것이 나타나 있다. 그러나, 구체적인 수전 불가 상태의 검출 방법과 전력 저장 시스템의 제어부의 구체적인 구성은 나타나 있지 않다.
본 발명은, 가선으로부터 전력을 수수(授受)하여 주행하는 경우(이하, 집전 주행 모드라고 기록함)에 있어서는 가선 정전이나 가선 지락를 검출하여, 신속하게 전력 저장 시스템을 정지시켜, 가선으로 전압을 역인가하는 것을 회피할 수 있고, 또한 가선으로부터 전력을 수수하지 않고 주행하는 경우(이하, 자립 주행 모드라고 기록함)에 있어서는 가선으로 전압을 역인가하는 것을 회피하면서, 보조 전원 장치와 구동 제어 장치를 안정적으로 운전할 수 있도록 구성한 제어부를 갖는, 전력 저장 시스템을 적용한 전기차의 제어 장치를 제공하는 것이다.
전력 저장 시스템이 병렬로 접속된 구동 제어 장치와 보조 전원 장치로 이루어진 전기차의 제어 장치에 있어서, 상기 전력 저장 시스템은 컨덴서가 병렬로 접속된 DC-DC 컨버터와; 전력 저장부와; 이들의 제어를 행하는 전력 저장 시스템 제어부로 구성되고, 상기 전력 저장 시스템 제어부는 가선의 정전, 지락를 검출하는 것이 가능한 구성으로 하였다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전력 저장 시스템 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 DC-DC 컨버터의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1의 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1의 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시 형태 1의 전압 급감 검출부(760)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1의 저전압 검출부(770)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1의 과전압 검출부(780)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 제1, 제2의 과전압 설정값 OVC1, OVC2와 제1, 제2의 저전압 설정값 LVC1, LVC2와, 전압 상한 설정값 VLMTH와, 전압 하한 설정값 VLMTL과, 구동 제어 장치(60)가 과전압을 검지하여 정지하는 과전압 정지 레벨과, 구동 제어 장치(60)가 저전압을 검지하여 정지하는 저전압 정지 레벨과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 가선 정전시의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 가선 지락시의 동작을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 2의 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(2))의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3의 전기차의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 3의 구성예와 동작을 설명하는 도면이다.
<부호의 설명>
1 : 변전소,
1a : 전압원,
2 : 스위치,
3 : 가선,
10 : 단선 개소,
11 : 지락 경로,
12 : 임피던스,
20 : 집전 장치,
21 : 레일,
22 : 차륜,
40 : 총괄 스위치,
50 : 다이오드,
51 : 보조 전원 장치,
52 : 부하,
60 : 구동 제어 장치,
61 : 스위치,
62 : 리액터,
63 : 컨덴서,
64 : 구동 제어 인버터,
65 : 구동용 모터,
66a, 66b : 전압 검출기,
70 : 전력 저장 시스템,
71 : 스위치,
73 : 컨덴서,
74 : DC-DC 컨버터,
74a ~ 74d : 스위칭 소자,
74e : 결합 리액터,
74f : 컨덴서,
74g : 리액터,
74h, 74i : 스위칭 소자,
74j : 리액터,
75 : 전력 저장부,
76a, 76b : 전압 검출기,
100 : 신호 생성부,
101a : 신호원,
110 : 신호 검출부,
110a : 추출부,
110b : 판정 회로,
600 : 구동 제어부,
700 : 전력 저장 시스템 제어부,
710a, 710b : 지령 수신 분배부,
720 : 흡수ㆍ방출 지령 생성부,
723a : 전력 부담 비율 지령 생성부,
724 : 승산기,
730(1), 730(2) : DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부,
731a, 731b : 감산기,
732a, 732b : 비례 적분 제어기,
734 : 가산기,
733a1 : 전압 리티머,
733b : 전류 리미터,
735 : 스위치,
731b : 감산기,
740 : DC-DC 컨버터 제어부,
750 : 전압 지령 생성부,
760 : 전압 급감 검출부,
761 : 전압 감소율 연산부,
762a, 762b : 필터,
763 : 비교기,
770 : 저전압 검출부,
771 : 필터,
772a, 772b : 비교기,
773 : 지연 회로,
774 : 논리합 회로,
780 : 과전압 검출부,
781 : 필터,
782a, 782b : 비교기,
783 : 지연 회로,
784 : 논리합 회로,
790 : 논리합 회로.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1의 전기차의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 전압원(1a)과 스위치(2)로 구성된 변전소(1)가 가선(3)과 레일(21)에 접속되고, 가선(3)으로부터 집전 장치(20), 차륜(22)을 통하여 전력을 받아들일 수 있는 구성으로 하고, 집전 장치(20)의 후단에는 총괄 스위치(40)가 있고, 총괄 스위치(40)의 후단에는 부하(52)가 접속된 보조 전원 장치(51)와, 구동용 모터(65)가 접속된 구동 제어 장치(60)와, 전력 저장 시스템(70)이 병렬로 접속되어 있다. 또한, 다이오드(50)는 필요에 따라 장비되는 역류 방지용의 다이오드이다.
또, 상기 보조 전원 장치(51)와 구동 제어 장치(60)와 전력 저장 시스템(70)은 각각 다른 장치로서 전기차에 탑재되는 경우나, 어느 것을 조합하여 복수를 일체로 한 장치로서 전기차에 탑재되는 경우가 있으나, 모든 경우가 본 발명의 대상으로 된다.
또한, 도시하고 있는 바와 같이, 보조 전원 장치(51)의 입력 전력을 PA(입력 전류를 IA)로 하고, 방향은 보조 전원 장치(51)에 유입하는 방향을 정(正)으로 하고 있다. 또, 구동 제어 인버터(64)의 입력 전력을 PT(입력 전류를 IT)로 하고, 방향은 구동 제어 인버터(64)에 유입하는 방향을 정으로 하고 있다. 또한, 전력 저장 시스템(70)의 입력 전력을 PS(입력 전류를 IS)로 하고, 방향은 전력 저장 시스템으로부터 유출하는 방향을 정으로 하고 있다.
상기 구동 제어 장치(60)는 입력 전압 VT1을 검출하는 전압 검출기(66a), 스위치(61), 리액터(62), 컨덴서(63), 컨덴서의 전압 VT2를 검출하는 전압 검출기(66b), 구동 제어 인버터(64), 구동 제어부(600)로 구성된다. 또, 상기 전력 저장 시스템(70)은 입력 전압 VS1을 검출하는 전압 검출기(76a), 스위치(71), 컨덴서(73), 컨덴서의 전압 VS2를 검출하는 전압 검출기(76b), DC-DC 컨버터(74), 전력 저장부(75), 전력 저장 시스템 제어부(700)로 구성된다. 또한, 상기 전력 저장 시스템(70)의 입력측은 정측이 구동 제어 장치(60)의 컨덴서(63)의 정측에 접속되고, 부(負)측이 차륜(22)에 접속되어 있다.
또한, 정측을 총괄 스위치(40)의 후단에 접속해도 되지만, 이 경우는 구동 제어 장치(60)의 구성과 동일하게, 스위치(71)와 컨덴서(73) 사이에 별도 리액터(도시하지 않음)가 필요하다. 단, 이 리액터에 의해 전력 저장 시스템이 흡수ㆍ방출하는 전류의 변화율이 제한되어 버려 응답 성능이 열화하게 되므로 바람직하지 않다. 또, 스위치(71), 컨덴서(73)를 구동 제어 장치(60)의 스위치(61), 컨덴서(63)와 공유하는 구성(즉, 스위치(71), 컨덴서(73)를 생략하고, DC-DC 컨버터(74)의 입력을 구동 제어 장치(60)의 컨덴서(63)의 양단에 접속하는 구성)으로 해도 되지만, 예를 들어 DC-DC 컨버터(74)가 고장난 경우에, 이것을 구동 제어 장치(60)로부터 분리하는 것이 불가능하게 되어, 구동 제어 장치(60)도 정지시킬 필요가 생겨서 전기차의 주행이 불가능하게 되는 문제가 있기 때문에, DC-DC 컨버터(74)가 고장난 경우 등에 전력 저장 시스템(70)을 구동 제어 장치(60)로부터 분리하고, 구동 제어 장치(60)를 활용하여 전기차의 주행이 가능하게 되도록, 스위치(71), 컨덴서(73)를 마련하는 도 1의 구성으로 하는 것이 바람직하다.
구동 제어부(600)에는 입력 전압 VT1, 컨덴서 전압 VT2 이외, 도시하지 않으나, 입력 전류 IT, 구동용 모터(65)의 회전수 FM가 최저한(最低限) 입력되고, 외부로부터 가속 지령, 브레이크 지령, 또 그 강도가 최저한 입력된다.
또한, 구동용 모터(65)의 회전수 FM은 구동 제어부(600)에 의해 연산하여 구하는 것도 가능하고, 이것을 이용해도 된다. 또, 가속 지령과 브레이크 지령과 그 강도는 운전사의 조작에 의해 설정되는 경우와, 도시하지 않은 자동 운전 시스템 등으로부터 입력되는 경우 등이 있다.
또, 전력 저장 시스템 제어부(700)에는 입력 전압 VS1, 컨덴서 전압 VS2, 전력 PS(또는 전류 IS), 보조 전원 장치(51)의 전력 PA(또는 전류 IA), 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT(또는 전류 IT), 구동 모터(65)의 회전 주파수 FM과 인버터 주파수 FINV와 차속 VB를 최저한 포함하는 구동 제어부(600)로부터 상태 신호 CV가 입력되고, 외부로부터 집전 주행 모드 지령, 자립 주행 모드 지령을 포함하는 운전 지령 C2가 입력된다.
또한, 집전 주행 모드 지령은 변전소(1)와의 사이에서 전력의 수수를 행하면 서, 주행하는 경우에 설정되는 지령이고, 자립 주행 모드 지령은 변전소(1)와의 사이에서 전력의 수수를 행하지 않고, 전력 저장 시스템(70)으로부터의 전력만을 이용하여 주행을 행하는 경우에 설정되는 지령이고, 예를 들어 가선 정전시에 가장 가까운 역까지 전력 저장 시스템(70)의 전력만으로 주행하는 케이스가 상정된다. 이들 신호의 설정은 운전사가 행하는 경우나, 중앙 지령소(도시하지 않음)나 차량의 다른 시스템(예를 들어, 도시하지 않은 자동 운전 장치)이 행하는 경우 등을 생각할 수 있다.
도 1에는 이외, 가선(3)에 발생한 단선 개소(10)와, 지락 경로(11)를 나타내고 있다. 이하의 설명중, 가선 정전이 발생한 경우를 설명하는 경우는 변전소(1)의 스위치(2)가 개방되거나, 또는 단선 개소(10)에서 가선(3)이 단선된 경우를 상정하고 있다. 또, 가선의 지락이 발생한 경우를 설명하는 경우에는 지락 경로(11)를 통하여 가선이 레일에 지락하고 있는 경우를 상정하고 있다.
또한, 가선이 통상 상태에 있어서는 단선 개소(10), 지락 경로(11)는 존재하지 않는 것으로서 설명하고 있다.
이어서, 본 발명의 중심이 되는 전력 저장 시스템 제어부(700)의 구성예를 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 블록도를 이용하여 그 구성을 설명하겠으나, 각각의 내용은 H/W로 구성해도 되고 S/W로 구성해도 된다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1의 전력 저장 시스템 제어부(700)의 구성예를 나타내는 도면이다.
또한, 도 2 이후의 도면에 있어서는 PT(또는 IT), PA(또는 IA), PS(또는 IS), PL(또는 IL), PO*(또는 10*)와 병기하고 있으나, 이것은 보조 전원 장치(51)의 전력 PA, 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT, PA와 PT의 합인 전력 PL, 전력 저장 시스템(70)의 전력 PS를 이용하여 제어계를 구성하는 경우와, 보조 전원 장치(51)의 전류 IA, 구동 제어 인버터(64)의 전류 IT, IA와 IT의 합인 전류 IL, 전력 저장 시스템(70)의 전류 IS를 이용하여 제어계를 구성하는 경우를 동일 도면상에 병기하는 것이 목적이고, 어느 방법으로 제어계를 구성해도 본 발명에 있어서 동양(同樣)의 효과가 얻어진다.
단, 이하의 설명에서는 전력 PA, 전력 PT, 전력 PL, 전력 PS를 이용하여 제어계를 구성하는 경우를 상정하여 설명을 한다.
전류 IA, 전류 IT, 전류 IL, 전류 IS를 이용하여 제어계를 구성하는 경우는 이하의 설명에 있어서, 전력 PA를 전류 IA로 치환하고, 전력 PT를 전류 IT로 치환하고, 전력 PL을 전류 IL로 치환하고, 전력 PS를 전류 IS로 치환하고, 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 출력을 기본 전력 지령 PO*로부터 기본 전류 지령 I0*로 치환하면 된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 전력 저장 시스템 제어부(700)는 지령 수신 분배부(710a), 지령 수신 분배부(710b), 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720), DC-DC 컨버터 전류 조절 생성부(730(1), 730(2)), 전압 지령 생성부(750), 전압 급감 검출부(760), 저전압 검출부(770), 과전압 검출부(780), 논리합 회로(790), DC-DC 컨버터 제어부(740)에 의해 구성된다.
지령 수신 분배부(710a)는 외부로부터 복수의 지령이 포함되는 운전 지령 C2 를 수신하고, 그 내용에 집전 주행 모드 지령, 자립 주행 모드 지령이 포함되는 경우는 그에 따른 제어 모드 지령 CMC를 DC-DC 컨버터 전류 조절 생성부(730(1))에 입력하는 구성이다. 지령 수신 분배부(710b)는 구동 제어부(600)로부터 복수의 지령이 포함되는 상태 신호 CV를 수신하고, 이 중에서 구동 모터(65)의 회전 주파수 FM, 또는 인버터 주파수 FINV, 차속 VB를 추출하여 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)에 입력하는 구성이다.
흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)는 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT와 보조 전원 장치(51)의 전력 PA와의 합인 전력 PL과, 구동 모터(65)의 회전 주파수 FM, 또는 인버터 주파수 FINV, 차속 VB가 입력되고, 기본 전력 지령 PO*를 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))에 입력하는 구성이다. 전압 지령 생성부(750)는 컨덴서(73)의 전압 VS2의 지령(목표값)인 제2의 전압 지령 VS2B*를 생성하여, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))에 입력하는 구성이다.
DC-DC 컨버터 전류 조절 생성부(730(1))는 기본 전력 지령 PO*와, 제2의 전압 지령 VS2B*와, 전력 저장 시스템(70)의 전력 PS와, 컨덴서(73)의 전압 VS2와, 제어 모드 지령 CMC가 입력되고, DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*을 DC-DC 컨버터 제어부(740)에 대해 출력하는 구성이다. DC-DC 컨버터 제어부(740)는 DC-DC 컨버터(740)의 전류가 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*에 일치하도록 전류 제어를 실행하는 구성이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1의 DC-DC 컨버터(74)의 회로 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3(a)은 쌍방향 승강압형(昇降壓形) DC-DC 컨버터 회로(74(1))를 이용한 예를 나타내며, 스위칭 소자(74a ~ 74d), 결합 리액터(74e), 컨덴서(74f), 리액터(74g)로 구성된다. 또, 도 3(b)은 쌍방향 강압형 DC-DC 컨버터 회로(74(2))를 이용한 예를 나타내며, 스위칭 소자(74h, 74i), 리액터(74j)로 구성된다.
또한, DC-DC 컨버터 제어부(740)에 의해 제어하는 전류 IL의 부위를 도 3(a), 도 3(b)에 나타낸다. 각각 결합 리액터(74e)의 전류 IL, 리액터(74j)의 전류 IL가 적합하지만, 이외의 개소의 전류를 제어해도 된다.
도 2로 되돌아와서, 전압 급감 검출부(760)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 입력되고, 전압 급감 검출 신호 VD를 논리합 회로(790)에 입력하는 구성이다. 동양으로, 저전압 검출부(770)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 입력되고, 저전압 검출 신호 LV를 논리합 회로(790)에 입력하는 구성, 과전압 검출부(780)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 입력되고, 과전압 검출 신호 OV를 논리합 회로(790)에 입력하는 구성이다.
상기 논리합 회로(790)는 상기 전압 급감 검출 신호 VD, 저전압 검출 신호 LV, 과전압 검출 신호 OV의 논리합을 구하고, 그 결과를 컨버터 정지 지령 COF로서 DC-DC 컨버터 제어부(740)에 입력하는 동시에, 스위치(61, 71), 총괄 스위치(40)에 스위치 개방 지령 SOF, SOF1을 출력한다. 또한, 논리합 회로(790)의 출력은 도시하지 않으나, 한 번 하이 레벨로 변화하면 그 상태가 래치되고 별도 리셋될 때까지 그 상태가 유지되는 구성으로 하고 있다.
다음에, 상기 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720), 상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1)), 상기 전류 급감 검출부(760), 상기 저전압 검출부(770), 상기 과 전압 검출부(780)의 구성예를 설명한다.
도 4는 상기 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 전력 부담 비율 지령 생성부(723a)에서, 구동 모터(65)의 회전 주파수 FM 또는 인버터 주파수 FINV, 차속 VB에 따라 변화시킬 수 있는 전력 부담 비율 지령 PDP*를 생성한다.
또한, 전력 부담 비율 지령 PDP*는 컨덴서(73)의 전압 VS2, DC-DC 컨버터(74)의 온도, 전력 저장부(75)의 전압, 전류, 축적 전력량, 온도 등에 따라 가변할 수 있는 구성으로 해도 된다. 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)에서는 승산기(724)로 전력 PL과 PDP*와의 곱을 구하고, 이것을 기본 전력 지령 PO*로서 출력하는 구성이다. 상기 전력 부담 비율 지령 PDP*는 0 ~ 1 까지의 임의의 값이다. 본 발명의 효과를 얻기 위해서는 1보다 작은 예를 들어 O.9 정도의 값이 바람직하다. 또한, 보조 전원 장치(51)의 전력 PA는 적기 때문에, 무시하거나 제로로 상정해도 본 발명의 효과를 크게 손상시키는 일은 없다.
중요한 것은 전력 저장 시스템(70)이 흡수, 방출하는 전력 PS의 크기와, 상기 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT와 보조 전원 장치(51)의 전력 PA의 합인 전력 PL의 크기를 일치시키지 않도록 유지하는 것이고, 항상 과부족이 되는 전력 PP를 의도적으로 발생시켜서, 이 전력 PP를 변전소(1)와의 사이에서 수수를 행하도록 하는 것이다.
따라서, 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 구성은 상기 목적을 달성할 수 있는 구성이면, 도 4에 기재된 구성으로 한정되는 일은 없다.
또한, 설명에 있어서는 전력 저장 시스템(70)이 흡수, 방출하는 전력 PS의 크기를, 상기 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT와 보조 전원 장치(51)의 전력 PA의 합인 전력 PL의 크기보다 작게 유지하는 경우로 설명하고 있으나, 전력 저장 시스템(70)이 흡수, 방출하는 전력 PS의 크기를, 상기 구동 제어 인버터(64)의 전력 PT와 보조 전원 장치(51)의 전력 PA의 합인 전력 PL의 크기보다 크게 유지하는 것이어도 된다.
도 5는 상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))는 기본 전력 지령 P0*와 전력 저장 시스템이 흡수ㆍ방출하는 전력 PS의 차를 구하는 감산기(731a), 감산기(731a)의 후단에 위치하는 비례 적분 제어기(732a), 비례 적분 제어기(732a)의 출력과 컨덴서(73)의 전압 VS2를 가산하는 가산기(734), 가산기(734)의 출력의 상하한을 전압 상한 설정값 VLMTH, 전압 하한 설정값 VLMTL로 제한하고, 이것을 제1의 전압 지령 VS2A*로서 출력하는 전압 리미터(733a1)를 구비하고 있다.
또, 전압 지령 발생부(750)로부터 입력되는 제2의 전압 지령 VS2B*와 상기 제1의 전압 지령 VS2A*를 제어 모드 지령 CMC에 따라 전환하는 스위치(735), 스위치(735)의 출력으로부터 컨덴서(73)의 전압 VS2를 빼는 감산기(731b), 감산기(731b)의 후단에 위치하는 비례 적분 제어기(732b), 비례 적분 제어기(732b)의 출력에 위치하고, 그 상하한을 전류 상한 설정값 ILMTH, 전류 하한 설정값 ILMTL으로 제한하고, 이것을 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*로서 출력하는 전류 리미터(733b) 를 구비하고 있다. 또한, 스위치(735)는 제어 모드 지령 CMC가 집전 주행 모드를 지시하는 경우는 제1의 전압 지령 VS2A*측으로 전환하고, 자립 주행 모드를 지시하는 경우는 제2의 전압 지령 VS2B*측으로 전환하는 구성으로 하고 있다.
다음에, 상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))의 동작을 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 동작은 가선이 정전하고 있지 않은 상태에서의 통상 상태에 있어서 동작이다. 가선이 정전한 경우의 동작은 뒤에 설명한다.
(1) 집전 주행 모드(스위치(735)는 제1의 전압 지령 VS2A*측으로 전환되어 있는 상태)
전기차의 역행 가속시에 있어서, 기본 전력 지령 PO*(극성은 정)에 대해, 전력 저장 시스템이 방출하고 있는 전력 PS가 큰 경우를 상정하면, 감산기(731a)의 출력은 부가 되어 비례 적분 제어기(732a)의 출력은 감소한다. 이에 의해 가산기(734)의 출력도 감소한다. 가산기(734)의 출력이 전압 상한 설정값 VLMTH, 전압 하한 설정값 VLMTL 사이에 위치하는 통상의 경우는 전압 리미터(733a1)는 기능하지 않고, 가산기(734)의 출력은 스위치(735)를 통하여 그대로 감산기(731b)에 입력되기 때문에 감산기(731b)의 출력도 감소한다. 이에 의해 비례 적분 제어기(732b)의 출력이 감소하고, 전류 리미터(733b)를 통한 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*도 감소한다. 이와 같은 제어 동작에 의해, 전력 저장 시스템이 방출하는 전력 PS는 감소한다.
한편, 전기차의 역행 가속시에 있어서, 기본 전력 지령 PO*에 대해, 전력 저장 시스템이 방출하고 있는 전력 PS가 작은 경우, 감산기(731a)의 출력은 정으로 되고, 비례 적분 제어기(732a)의 출력은 증가한다. 이에 의해 가산기(734)의 출력도 증가한다. 가산기(734)의 출력이 전압 상한 설정값 VLMTH, 전압 하한 설정값 VLMTL 사이에 위치하는 통상의 경우는 전압 리미터(733a1)는 기능하지 않고, 가산기(734)의 출력은 스위치(735)를 통하여 그대로 감산기(731b)에 입력되기 때문에 감산기(731b)의 출력도 증가한다. 이에 의해 비례 적분 제어기(732b)의 출력이 증가하고, 전류 리미터(733b)를 통한 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*도 증가한다. 이와 같은 제어 동작에 의해, 전력 저장 시스템이 방출하는 전력 PS는 증가한다.
이상과 같은 제어 동작에 의해, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS는 기본 전력 지령 PO*에 일치하도록 제어되고, 정상 상태에서는 비례 적분 제어기(732a)의 출력은 거의 제로로 된다. 또한, 전기차가 회생 브레이크시인 경우는 기본 전력 지령 P0*와 전력 PS의 극성이 부가되는 이외는 상기에 설명한 것과 동양인 제어 동작이므로, 설명은 생략한다.
(2) 자립 주행 모드(스위치(735)는 제2의 전압 지령 VS2B*측으로 전환되어 있는 상태)
제2의 전압 지령 VS2B*가 스위치(735)를 통하여 감산기(731b)에 입력되고, 감산기(731b)로 VS2B*와 컨덴서(73)의 전압 VS2의 차가 구해진다.
전기차가 역행 가속시, 또는 회생 브레이크시에 있어서, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제2의 전압 지령 VS2B*보다 커지면, 감산기(731b)의 출력은 부가 되고, 비례 적분 제어기(732b)의 출력은 감소한다. 이에 의해 전류 리미터(733b)를 통하여 출력되는 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*도 감소하고, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS가 감소하기 때문에 컨덴서(73)의 전압 VS2는 감소한다.
반대로, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제2의 전압 지령 VS2B*보다 작아지면, 감산기(731b)의 출력은 정으로 되고, 비례 적분 제어기(732b)의 출력은 증가한다. 이에 의해, 전류 리미터(733b)를 통하여 출력되는 DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*도 증가하고, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS가 증가하기 때문에 컨덴서(73)의 전압 VS2는 증가한다.
이상과 같은 제어 동작에 의해, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 제2의 전압 지령 VS2B*에 일치하도록 제어된다.
도 6은 상기 전압 급감 검출부(760)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 전압 급감 검출부(760)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 필터(762a)를 통하여 입력되고, 이어서 전압 감소율 연산부(761)에서 전압 감소율 ΔV/ΔT 가 연산된다. 전압 감소율 ΔV/ΔT 는 필터(762b)를 통해 비교기(763)에 입력되고, 전압 감소율 설정값 VDC와 비교된다. 전압 감소율 ΔV/ΔT 가 전압 감소율 설정값 VDC보다 작은 경우(즉, 전압 감소율 설정값으로 설정한 감소율보다 급격하게 컨덴서(73)의 전압 VS2가 감소한 경우), 비교기(763)는 하이 레벨을 출력한다. 비교기(763)의 출력을 전압 급감 검출 신호 VD로서 출력한다.
또한, 필터(762a, 762b)는 VS2에 포함되는 불필요한 고주파 노이즈를 제거하는 것으로, 필요에 따라 설치하면 된다. 또, 전압 급감 검출부(760)에서는 전압 감소율 ΔV/ΔT 를 연산하고, 비교하는 구성으로 하고 있으나, 전압의 감소를 검출할 수 있으면 이외의 구성이어도 된다. 예를 들어 VS2를 시정수가 다른 복수의 필터를 통하여 얻어진 신호를 비교하는 것으로도 전압의 감소를 검출하는 것이 가능하다.
또한, 도 6에서는 전압 급감 검출부(760)에 컨덴서(73)의 전압 VS2를 입력하는 구성으로 하고 있으나, 입력 전압 VS1, 또는 구동 제어 장치(60)의 컨덴서(63)의 전압 VT2, 입력 전압 VT1을 대신 입력하여 이용해도 된다.
도 7은 상기 저전압 검출부(770)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 저전압 검출부(770)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 필터(771)를 통하여 입력되고, 필터(771)의 출력이 비교기(772a, 772b)에 입력되고, 각각 제1의 저전압 설정값 LVC1, 제2의 저전압 설정값 LVC2와 비교된다.
비교기(772a)는 그 입력이 제1의 저전압 설정값 LVC1보다 저하된 경우, 하이 레벨을 출력하고, 비교기(772b)는 그 입력이 제2의 저전압 설정값 LVC2보다 저하한 경우, 하이 레벨을 출력한다.
비교기(772b)의 출력은 지연 회로(773)에 입력되고, 비교기(772b)의 출력이 일정한 시간(Δtsa) 계속해서 하이 레벨인 경우에, 지연 회로(773)의 출력이 하이 레벨로 된다.
마지막으로, 논리합 회로(774)는 비교기(772a)와 지연 회로(773)의 출력의 논리합을 구하고, 저전압 검출 신호 LV를 출력한다. 또한, 도 7에서는 저전압 검출부(770)에 컨덴서(73)의 전압 VS2를 입력하는 구성으로 하고 있으나, 입력 전압 VS1, 또는 구동 제어 장치(60)의 컨덴서(63)의 전압 VT2, 입력 전압 VT1을 대신하여 입력하여 이용해도 된다.
도 8은 상기 과전압 검출부(780)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 과전압 검출부(780)는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 필터(781)를 통하여 입력되고, 필터(781)의 출력이 비교기(782a, 782b)에 입력되고, 각각 제1의 과전압 설정값 OVC1, 제2의 과전압 설정값 OVC2와 비교된다.
비교기(782a)는 그 입력이 제1의 과전압 설정값 OVC1을 초과한 경우, 하이 레벨을 출력하고, 비교기(782b)는 그 입력이 제2의 과전압 설정값 OVC2를 초과한 경우, 하이 레벨을 출력한다.
비교기(782b)의 출력은 지연 회로(783)에 입력되고, 비교기(782b)의 출력이 일정한 시간(Δtsb) 계속해서 하이 레벨인 경우, 지연 회로(783)의 출력이 하이 레벨로 된다.
마지막으로, 논리합 회로(784)는 비교기(782a)와 지연 회로(783)의 출력의 논리합을 구하고, 과전압 검출 신호 OV를 출력한다. 또한, 도 8에서는 과전압 검출부(780)에 컨덴서(73)의 전압 VS2를 입력하는 구성으로 하고 있으나, 입력 전압 VS1, 또는 구동 제어 장치(60)의 컨덴서(63)의 전압 VT2, 입력 전압 VT1를 대신해서 입력해서 이용해도 된다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 제1, 제2의 과전압 설정값 OVC1, OVC2와 제1, 제2의 저전압 설정값 LVC1, LVC2와, 전압 상한 설정값 VLMTH와, 전압 하한 설정값 VLMTL와, 구동 인버터(60)가 과전압을 검지하여 정지하는 과전압 정지 레벨과, 구동 인버터(60)가 저전압을 검지하여 정지하는 저전압 정지 레벨과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 설정 전압이 높은 순서로 구동 제어 장치(60)의 과전압 정지 레벨, 제1의 과전압 설정값 OVC1, 전압 상한 설정값 VLMTH, 제2의 과전압 설정값 OVC2, 제2의 저전압 설정값 LVC2, 전압 하한 설정값 VLMTL, 제1의 저전압 설정값 LVC1, 구동 제어 장치(60)의 저전압 정지 레벨로 된다. 또한, 제2의 과전압 설정값 OVC2는 전압 상한 설정값 VLMTH보다 조금 낮은 값으로 설정하고, 제2의 저전압 설정값 LVC2는 전압 하한 설정값 VLMTL보다 조금 높은 값으로 설정해 둔다.
다음에, 상술한 실시 형태 1에 나타낸 전기차의 제어 장치의 구성에 있어서, 가선 정전시, 가선 지락시의 제어 동작을 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 가선 정전시의 동작을 설명하는 도면이다. 또한, 이하의 설명은 전기차가 집전 주행 모드로 주행중에, 가선(3)이 정상적인 상태로부터 정전 상태로 이행한 경우를 상정하고 있고, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730)내의 스위치(735)는 제1의 전압 지령 VS2A*측으로 전환되어 있는 상태에서의 동작이다.
도 10(a)은 역행 가속시의, 도 10(b)은 회생 브레이크시의 대표적인 동작을 나타낸다. 각각 최상단은 전력 PP, PL, PS의 시간 변화, 중단이 컨덴서(73)의 전압 VS2의 시간 변화, 최하단이 스위치(61, 71)의 동작을 나타내는 도면이다.
(역행 가속시에 가선 정전이 발생한 경우)
도 10(a)에 기초하여 역행 가속시의 동작을 설명한다.
시간 tOa ~ t1a까지는 가선이 정전되어 있지 않은 기간이고, 이미 설명한 바와 같이 전력 저장 시스템(70)은 도 4에 나타낸 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)에 의 해, 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 설정된 기본 전력 지령 PO*에 기초하여, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1)), DC-DC 컨버터 제어부(740)에 의해 DC-DC 컨버터(74)가 제어되고 있기 때문에, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS의 크기는 전력 PL의 크기보다 작은 상태로 제어되고 있다. 이렇기 때문에, 부족한 전력 PP(=PL-PS)가 변전소(1)로부터 집전 장치(20)를 통하여 전기차에 공급되고 있다. 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS와 변전소(1)로부터 공급되는 전력 PP와의 합이 전력 PL와 동일하고, 균형 잡힌 상태이기 때문에, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 거의 가선(3)의 전압으로 유지되게 되어, 전압 상한 설정값 VLMTH와 전압 하한 설정값 VLMTL 사이에 위치하고 있다.
시간 t1a의 시점에서, 변전소(1)의 스위치(2)가 개방되거나, 또는 가선(3)에 단선 개소(10)가 생긴 등의 이유에 의해 가선(3)의 정전이 발생한 것으로 한다. 이에 의해 변전소(1)로부터의 전력 공급이 끊겨 변전소(1)로부터 집전 장치(20)를 통하여 전기차에 공급되는 전력 PP는 제로로 된다.
보조 전원 장치(51)와 구동 제어 인버터(64)는 일정한 전력을 부하(52)나 구동용 모터(65)에 계속 공급하도록 정전력(定電力) 제어되는 것이 일반적이므로, 가선(3)의 정전후도 전력 PA, 전력 PT는 변화하지 않고, 이들의 합인 전력 PL도 변화하지 않고 일정해진다.
전력 저장 시스템(70)의 전력 PS의 크기는 이미 설명한 바와 같이, 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 제어된 채이다.
본 상태에 있어서는 소비되는 전력 PL의 크기에 대해, 전력 저장 시스템(70) 이 방출하는 전력 PS의 크기가 부족하다는 이유로, 변전소(1)로부터의 전력 공급도 없는 상태이기 때문에, 부족한 전력은 구동 제어 장치(60)내의 컨덴서(63), 전력 저장 시스템(70)내의 컨덴서(73)에 축적된 전력이 소비되는 것에 의해 조달된다. 이렇기 때문에, 시간 t1a 이후는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 저하를 시작한다.
이어서, 시간 t2a의 시점에서, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 하한 설정값 VLMTL 이하로 되면, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))(도 5)의 전압 리미터(733a1)의 입력이 전압 하한 설정값 VLMTL보다 작게 되어, 전압 리미터(733a1)의 출력인 제1의 전압 지령 VS2A*는 VLMTL로 제한된다. 이렇기 때문에, VLMTL로부터 VS2를 뺀 감산기(731b)의 출력이 정방향으로 증가하기 시작하고, 이것이 비례 적분 제어기(732b)로 증폭되어, DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*가 정방향으로 증가한다. 이렇기 때문에, DC-DC 컨버터(74)는 그 전류가 정방향으로 증가하도록 제어되고, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS는 증가한다.
전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS가 증가하면, 소비되는 전력 PL에 대한 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS의 부족이 개선되어, 컨덴서(73)의 전압 VS2의 저하가 억제된다. 비례 적분 제어기(732b)의 출력은 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 하한 설정값 VLMTL에 일치하여 비례 적분 제어기(732b)의 입력이 제로가 될 때까지 정방향으로 계속 증가하므로, 최종적으로는 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS가 소비되는 전력 PL와 균형 잡힌 시점에서 안정되고, 이 상태가 유지된다.
이와 같이, 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 출력인 기본 전력 지령 PO*의 크 기는 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 설정된 채이지만, 전력 저장 시스템(70)이 방출하는 전력 PS는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 하한 설정값 VLMTL에 일치할 때까지 증가하여, 전력 PS가 전력 PL와 균형 잡힌 상태로 제어된다. 이렇기 때문에, 컨덴서(63, 73)로부터의 전력의 소비가 정지되고, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 VLMTL로 유지된다.
시간 t2a ~ t3a의 기간은 상기한 바와 같이 전력 PS가 전력 PL과 균형 잡힌 상태로 제어되고 있고, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 VLMTL에 유지된 상태이다. 이 상태에서는 저전압 검출부(770)에 있어서, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제2의 저전압 검출 레벨 LVC2 이하로 되기 때문에, 비교기(772b)는 하이 레벨을 출력하고, 지연 회로(773)가 시간 계측을 개시한다.
계속해서, 시간 t3a의 시점에서, 지연 회로(773)의 설정 시간 Δtsa가 경과하고, 논리합 회로(774)를 통해 저전압 검출 신호 LV가 출력되고, 논리합 회로(790)(도 2)를 통하여 DC-DC 컨버터 정지 지령 COF, 스위치(61, 71)의 정지 지령 SOF가 출력되고, DC-DC 컨버터(74)는 정지하고, 스위치(71, 61)는 개방된다. 또한, 정지 지령 SOF1에 의해 총괄 스위치(40)를 개방해도 된다.
또한, DC-DC 컨버터 제어부(740)의 고장 등에 의해 시간 t2a ~ t3a 사이, 전력 PS를 전력 PL과 균형 잡힌 상태로 제어하는 것이 불가능하게 되어, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 VLMTL로 유지할 수 없는 경우, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제1의 저전압 검출 레벨 LVC1 이하로 되므로, 비교기(772a)(도 7)는 하이 레벨을 출력하고, 논리합 회로(774)를 통해 저전압 검출 신호 LV가 출력되고, 논리합 회로(790)를 통 하여 DC-DC 컨버터 정지 지령 COF, 스위치(61, 71)의 정지 지령 SOF가 출력되고, DC-DC 컨버터(74)는 정지하고 스위치(71, 61)는 개방된다. 또한, 정지 지령 SOF1에 의해 총괄 스위치(40)(도 1)를 개방해도 된다.
(회생 브레이크시에 가선 정전이 발생한 경우)
도 10(b)에 기초하여, 회생 브레이크시의 동작을 설명한다.
또한, 회생 브레이크시에 있어서는 구동용 모터(65)가 발생한 전력이 구동 제어 인버터(64)를 통하여 회생되므로 전력 PT의 방향은 역행 가속시와는 역방향의 회생 방향의 전력이 된다. 보조 전원 장치(51)가 소비하는 전력 PA는 역행 가속시와 변함없지만, 발생한 전력 PT의 크기는 소비되는 전력 PA의 크기와 비교해서 훨씬 크기 때문에, 이들 합인 전력 PL는 회생 방향의 전력이 된다.
시간 t0b ~ t1b까지는 가선이 정전되고 있지 않은 기간이고, 이미 설명한 바와 같이, 전력 저장 시스템(70)은 도 4에 나타낸 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)에 의해, 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 설정된 기본 전력 지령 PO*에 기초하여, 상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1)), DC-DC 컨버터 제어부(740)에 의해 DC-DC 컨버터(74)가 제어되고 있기 때문에, 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS의 크기는 발생하는 전력 PL의 크기보다 작은 상태로 제어되고 있다. 이렇기 때문에, 과잉이 되는 전력 PP(=PL-PS)가 집전 장치(20)를 통하여 변전소(1)에 방출되고 있다. 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS와 변전소(1)에 방출되는 전력 PP의 합은 발생한 전력 PL과 동일한 상태이고, 균형 잡힌 상태이기 때문에, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 거의 가선(3)의 전압으로 유지되게 되어, 전압 상한 설정값 VLMTH와 전압 하한 설정값 VLMTL 사이에 위치하고 있다.
시간 t1b의 시점에서, 변전소(1)의 스위치(2)가 개방되거나, 또는 가선(3)에 단선 개소(10)가 생기는 등의 이유에 의해 가선(3)의 정전이 발생한 것으로 한다. 이에 의해 변전소(1)에 대한 전력 방출 경로가 끊겨, 집전 장치(20)를 통하여 변전소(1)에 방출되는 전력 PP는 제로로 된다.
보조 전원 장치(51)는 일정한 전력을 부하(52)에 계속 공급하고, 구동 제어 인버터(64)는 일정한 전력을 구동용 모터(65)가 계속하여 발생하도록 정전력 제어되는 것이 일반적이라는 이유로, 가선(3)의 정전후도 전력 PA, 전력 PT는 변화하지 않기 때문에, 이들 합인 전력 PL도 변화하지 않고 일정하게 된다.
한편, 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS의 크기는 이미 설명한 바와 같이, 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 제어된 채이다.
본 상태에 있어서는 발생한 전력 PL은 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS에 대해 과잉이라는 이유로, 변전소(1)에 대한 전력 방출 경로도 끊긴 상태이기 때문에, 과잉이 되는 전력이 구동 제어 장치(60)내의 컨덴서(63), 전력 저장 시스템(70)내의 컨덴서(73)에 축적된다. 이렇기 때문에, 시간 t1b 이후는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 증가를 시작한다.
이어서, 시간 t2b의 시점에서 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 하한 설정값 VLMTH 이상으로 되면, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))(도 5)의 전압 리미터(733a1)의 입력이 전압 상한 설정값 VLMTH보다 크게 되어, 전압 리미터(733a1)의 출력인 제1의 전압 지령 VS2A*는 VLMTH로 제한된다. 이렇기 때문에, VLMTH로부터 VS2를 뺀 감산기(731b)의 출력이 부의 방향으로 증가하기 시작하고, 이것이 비례 적분 제어기(732b)로 증폭되어, DC-DC 컨버터 전류 지령 IL*가 부의 방향으로 증가한다. 이렇기 때문에, DC-DC 컨버터(74)는 그 전류의 크기가 부의 방향으로 증가하도록 제어되어, 전력 저장 시스템(70)이 흡수 하는 전력 PS가 증가한다.
전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS가 증가하면, 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS에 대해 발생하는 전력 PL이 과잉인 상태가 개선되어, 컨덴서(73)의 전압 VS2의 상승이 억제된다. 비례 적분 제어기(732b)의 출력은 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 상한 설정값 VLMTH에 일치하여, 비례 적분 제어기(732b)의 입력이 제로가 될 때까지 부로 계속 증가하므로, 최종적으로는 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS가 회생 전력인 전력 PL과 균형 잡힌 시점에서 안정되고, 이 상태가 유지된다.
이와 같이, 흡수ㆍ방출 지령 생성부(720)의 출력인 기본 전력 지령 PO*의 크기는 발생하는 전력 PL의 크기보다 작은 값으로 설정된 채이지만, 전력 저장 시스템(70)이 흡수하는 전력 PS의 크기는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 전압 상한 설정값 VLMTH에 일치할 때까지 증가하여, 전력 PS가 전력 PL과 균형 잡힌 상태로 제어된다. 이렇기 때문에, 컨덴서(63, 73)에 대한 전력의 축적이 정지되어 컨덴서(73)의 전압 VS2는 VLMTH로 유지된다.
시간 t2b ~ t3b의 기간은 상기대로 전력 PS가 전력 PL과 균형된 상태로 제어되고 있고, 컨덴서(73)의 전압 VS2는 VLMTH로 유지된 상태이다. 이 상태에서는 과전압 검출부(780)(도 8)에 있어서, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제2의 과전압 검출 레 벨 OVC2 이상으로 되므로, 비교기(782b)는 하이 레벨을 출력하고, 지연 회로(783)가 시간 계측을 개시한다.
이어서, 시간 t3b의 시점에서, 지연 회로(783)의 설정 시간 Δtsb가 경과하여, 논리합 회로(784)를 통해 과전압 검출 신호 OV가 출력되고, 논리합 회로(790)를 통하여 DC-DC 컨버터 정지 지령 COF, 스위치(61, 71)의 정지 지령 SOF가 출력되고, DC-DC 컨버터(74)는 정지하고, 스위치(71, 61)는 개방된다. 또한, 정지 지령 SOF1에 의해 총괄 스위치(40)를 개방해도 된다.
또한, DC-DC 컨버터 제어부(740)의 고장 등에 의해 시간 t2b ~ t3b 동안, 전력 PS를 전력 PL과 균형 잡힌 상태로 제어하는 것이 불가능하게 되어, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 VLMTH로 유지할 수 없는 경우, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제1의 과전압 검출 레벨 OVC1 이상으로 되므로, 비교기(782a)는 하이 레벨을 출력하고, 논리합 회로(784)를 통해 과전압 검출 신호 OV가 출력되고, 논리합 회로(790)를 통하여 DC-DC 컨버터 정지 지령 COF, 스위치(61, 71)의 정지 지령 SOF가 출력되고, DC-DC 컨버터(74)는 정지하고, 스위치(71, 61)는 개방된다. 또한, 정지 지령 SOF1에 의해 총괄 스위치(40)를 개방해도 된다.
또한, 전기 철도에 있어서는 통상의 운행에 있어서, 가선(3)이나 차량의 동요 등에 의해 집전 장치(20)와 가선(3)과의 접촉이 일시적으로 떨어져서, 전력의 수수가 끊기는 이선(離線)이라고 불리는 현상이 빈번히 발생한다. 이 이선은 전기차의 제어 장치측으로부터 보면, 가선 정전과 동일한 사상이다. 단, 이선 시간은 일반적으로 수 ms ~ 수백 ms 정도의 시간이고, 가선(3)에 설치되는 절연 섹션(도시 하지 않음)을 통과하는 경우는 이것보다 길어지나 몇 초 이내이다.
도 10(a), 도 10(b)에 있어서, 시간 t2a, 또는 t2b의 시점에서 가선 정전이라고 판단하여, DC-DC 컨버터(74)를 정지하고, 스위치(71, 61)를 개방시키는 것은 물론 가능하지만, 상기와 같은 이선시나 섹션 통과시에 구동 제어 장치(60)와 전력 저장 시스템(70)을 가끔 정지하게 되어, 전기차의 안정 주행을 저해하므로 바람직하지 않다. 이렇기 때문에, 상기에 설명한 바와 같이, 가선의 정전시에는 컨덴서(73)의 전압 VS2를 전압 상한 설정값 VLMTH, 전압 하한 설정값 VLMTL로 유지하는 제어를 행하고, 잠시 동안 구동 제어 장치(60)와 전력 저장 시스템(70)의 운전을 허용하여, 지연 회로(773, 783)에서 설정한 Δtsa, Δtsb 후에 가선 정전이라고 판단하여 구동 제어 장치(60)와 전력 저장 시스템(70)의 운전을 정지하는 구성으로 하고 있다.
물론, 지연 회로(773, 783)에서 설정하는 Δtsa, Δtsb는 상기 이선 시간이나, 섹션 통과 시간보다 길게 설정하는 것에 의해 본 발명의 구성에 의한 효과가 달성된다. 또, 본래의 목적인 가선 정전시의 가선(3)에 대한 전압의 역가압(逆加壓) 방지의 관점에서, Δtsa, Δtsb는 극히 짧은 편이 좋은 것은 물론이며, 몇 초 정도로 설정하는 것이 적당하다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 가선 지락시의 동작을 설명하는 도면이다. 또한, 이하의 설명은 전기차가 집전 주행 모드로 주행중에, 가선(3)이 정상적인 상태로부터 지락 상태로 이행한 경우를 상정하고 있다. 도 11에 있어서, 최상단은 가선(3)의 상태, 중단이 컨덴서(73)의 전압 VS2의 시간 변화, 최하단이 스 위치(61, 71)의 동작을 나타내는 도면이다.
시간 tOc ~ t1c까지, 가선은 지락하고 있지 않으며 정상적인 기간이고, 전력 저장 시스템(70)의 동작은 상기 도 9의 t0a ~ t1a, 또는 t0b ~ t1b에 나타내는 동작과 동양이다.
컨덴서(73)의 전압 VS2는 거의 가선(3)의 전압으로 유지되게 되고, 전압 상한 설정값 VLMTH와 전압 하한 설정값 VLMTL 사이에 위치하고 있다.
지금, 시간 t1c의 시점에서, 가선(3)이 지락 경로(11)에 의해 지락한 것으로 한다. 일반적으로 지락 개소의 임피던스는 매우 적기 때문에, 큰 지락 전류 IG가 흘러, 구동 제어 장치(61)내의 컨덴서(63), 전력 저장 시스템(70)내의 컨덴서(73)에 축적된 전력이 급격하게 지락 개소를 향해 방출된다. 이렇기 때문에, 시간 t1c 이후는 컨덴서(73)의 전압 VS2가 급격하게 저하를 시작한다.
이 전압 VS2의 급격한 저하에 의해, 전압 급감 검출부(760)의 전압 감소율 연산부(761)에서 연산된 전압 감소율 ΔV/ΔT 가 전압 감소율 설정값 VDC보다 작아지면, 비교기(763)는 전압 급감 검출 신호 VD를 하이 레벨로서 논리합 회로(790)에 입력하고, 논리합 회로(790)로부터 DC-DC 컨버터 정지 지령 COF, 스위치(61, 71)의 정지 지령 SOF가 출력되어, DC-DC 컨버터(74)는 정지하고, 스위치(71, 61)는 개방된다.
또, 가선 지락시에 있어서는 지락 개소에 큰 단락 전류 IG가 흐르기 때문에, 피해의 확대를 회피하기 위해, 신속하게 지락 개소으로의 전력 공급을 정지할 필요가 있다. 이렇기 때문에, 컨덴서(73)의 전압 VS2의 급격한 저하를 검출하면, 신속 하게 DC-DC 컨버터(74)를 정지하여, 스위치(71, 61)를 개방하는 구성으로 하고 있다.
또한, 상기와 같은 가선 정전 또는 가선 지락이 발생한 후, 전기차가 막혀서 오도 가도 못하는 것을 피하기 위해, 전기차를 가장 가까운 역까지 이동시키거나, 또는 차량을 가선(3)이 없는 구간을 주행시키는 경우는 운전사나 중앙 지령소(도시하지 않음) 등으로부터의 설정에 의해 제어 모드 지령 CMC를 자립 주행 모드로 전환하고, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730)내의 스위치(735)를 제2의 전압 지령 VS2B*측으로 전환한다. 제2의 전압 지령 VS2B*는 보조 전원 장치(51)와 구동 제어 장치(60)가 가장 효율적으로 동작하는 전압으로 하면 되고, 일반적으로는 공칭 가선 전압과 동일하게 하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라 변화시키는 것도 가능하다.
이것에 의해, DC-DC 컨버터(74)가, 컨덴서(73)의 전압 VS2가 제2의 전압 지령 VS2B*에 일치하도록 제어되므로, 보조 전원 장치(51)와 구동 제어 장치(60)를 안정적으로 운전하는 것이 가능하게 되어, 가선 정전중 또는 가선 지락중에 차량을 가장 가까운 역까지 이동 시키거나, 또는 차량을 가선(3)이 없는 구간을 주행시키는 것이 가능하게 된다. 물론, 이 경우, 가선(3)에 대한 역가압을 방지하기 위해 집전 장치(20)를 격납하거나, 총괄 스위치(40)를 오프로 한다. 구동 제어 장치(60)의 스위치(61)를 오프로 해도 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태 1의 구성에 의하면, 변전소(1)와의 전력의 수수를 행하는 집전 주행 모드에 있어서, 가선 정전시 또는 가선 지락시에, 그것을 신속하게 검출하여, DC-DC 컨버터(74)를 정지하고, 스위치(71, 61), 총괄 스위치(40)를 개방하는 것이 가능하게 된다.
이에 의해, 가선(3)을 의도적으로 정전시키고 싶은 경우나, 가선에 단선 개소가 발생한 경우 등의 가선 정전시에, 전력 저장 시스템(70)측이 가선(3)에 전압을 역가압해 버리는 과제를 해소할 수 있는 전기차의 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 가선 지락시에는 전력 저장 시스템(70)이 지락 개소에 전력을 계속 공급하는 것에 의해 지락 개소의 피해를 확대하는 일이 없도록 신속하게 정지시키는 것이 가능한, 전기차의 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.
또한, 변전소(1)와의 전력의 수수를 행하지 않는 자립 주행 모드에 있어서는 가선(3)에 전압을 역가압하는 일 없이 보조 전원 장치(51)와 구동 제어 장치(60)를 안정적으로 운전할 수 있어 차량을 주행시키는 것이 가능한 전기차의 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.
실시 형태 2.
이하에, 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전기차의 제어 장치의 구성예를 설명한다. 또한, 실시 형태 2는 실시 형태 1과 비교해서, 이하에 나타내는 바와 같이 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(2))의 구성만이 다르므로, 이 부분만을 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 2의 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(2))의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, DC-DC 컨버터 전류 지 령 생성부(730(2))는 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부(730(1))로부터 스위치(735)를 삭제하고, 전압 리미터(733a1)를 새로운 전압 리미터(733a2)로 치환하고, 이 전압 리미터(733a2)의 출력을 감산기(731b)에 입력하는 구성으로 한 것이다.
전압 리미터(733a2)에는 제2의 전압 지령 VS2B*와 제어 모드 지령 CMC가 입력되고, 제어 모드 지령 CMC가 집전 주행 모드를 지시하는 경우는 전압 상한 설정값 VLMTH, 전압 하한 설정값 VLMTL은 실시 형태 1과 동양으로 설정되고, 제어 모드 지령 CMC가 자립 주행 모드를 지시하는 경우는 전압 상한 설정값 VLMTH와 전압 하한 설정값 VLMTL은 양쪽 모두 제2의 전압 지령 VS2B*와 동일한 값으로 설정되는 구성으로 하고 있다.
이와 같이 구성하는 것에 의해, 제어 모드 지령 CMC의 변화시에, 전압 리미터(733a2)의 설정값 변경만으로, 실시 형태 1에 나타낸, 스위치(735)로 전압 지령을 전환하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있고, DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부를 단일의 제어계로 구성하는 것이 가능하게 되므로, H/W 또는 S/W의 구성을 간략화한 전기차의 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.
실시 형태 3.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3의 전기차의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 또한, 실시 형태 3은 실시 형태 1의 구성을 베이스로 한 것이기 때문에, 실시 형태 1에서 설명을 실시한 부분에 관해서는 설명을 생략하고, 실시 형태 1의 내용과 다른 부분만을 설명한다.
실시 형태 1의 도 1과 비교해서, 변전소(1)의 전압원(1a)에 병렬로 신호 생 성부(100)가 접속되고, 집전 장치(20)와 차륜(22) 사이에 신호 검출부(110)가 접속된다.
신호 생성부(100)는 예를 들어 수 kHz ~ 수 GHz의 주파수를 포함하는 신호를 생성하는 것이고, 신호 검출부(110)는 상기 신호 생성부(100)가 발생하는 주파수의 신호를 검출하고, 그 유무를 판정하여, 총괄 스위치(40)의 개방 신호 SOF2, 판정 결과 신호 HDD를 출력하는 구성으로 하고 있다.
또한, 신호 생성부(100)에서 발생시키는 신호는 단일 주파수라도 되지만, 변조를 행한 신호이어도 된다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 3의 구성예와 동작을 설명하는 도면이다.
신호 생성부(100) 내부의 신호원(101a)으로부터 신호가 발생되고, 가선(3)과 레일(21)을 통해 집전 장치(20)와 차륜(22)을 통하여 신호 검출부(110)에 입력된다. 신호 검출부(110) 내부에서, 추출부(110a)에서 신호원(101a)이 발생하는 신호의 성분을 추출하고, 그 유무를 판정 회로(110b)에서 판정하여 그 결과를 총괄 스위치(40)의 개방 신호 SOF2, 판정 결과 신호 HDD로서 출력하는 구성이다.
가선(3)에 단선 개소(10), 지락 경로(11)가 없는 정상적인 상태에서는 신호원(101a)으로부터 발생한 신호는 가선(3)과 레일(21)을 통하여 집전 장치(20)와 차륜(22)을 통하여 신호 검출부(110)에 입력되고, 추출부(110a)에서 상기 신호의 성분이 추출된다. 그 후, 판정 회로(110b)에서, 신호가 있다고 판단되어, 총괄 스위치(40)의 개방 신호 SOF2, 판정 결과 신호 HDD는 출력되지 않는다. 가선(3)에 단선 개소(10), 또는 지락 경로(11)가 있는 상태에서는 신호원(101a)으로부터 발생한 신 호는 가선(3)과 레일(21)을 통해 집전 장치(20)와 차륜(22)을 통하여 신호 검출부(110)에 입력되지 않기 때문에, 추출부(110a)에서 상기 신호의 주파수 성분이 추출되지 않고, 판정 회로(110b)에서 신호가 없다고 판단되어, 총괄 스위치(40)의 개방 신호 SOF2, 판정 결과 신호 HDD가 출력된다.
그 결과, 총괄 스위치(40)가 개방되고, HDD를 받은 구동 제어부(600), 전력 저장 시스템 제어부(700)에 의해 스위치(61, 71)가 개방된다.
또한, 스위치(61, 71)는 판정 결과 신호 HDD에 의해 직접 개방하는 구성으로 해도 된다.
또, 가선(3)을 의도적으로 정전시켰을 경우는 신호 생성부(100)의 신호원(101a)을 정지시킨다. 이렇게 하는 것으로 신호 검출부(110)에 신호가 입력되지 않기 때문에, 추출부(110a)에서 상기 신호의 주파수 성분이 추출되지 않고, 판정 회로(110b)에서 신호가 없다고 판단되어, 총괄 스위치(40)의 개방 신호 SOF2, 판정 결과 신호 HDD가 출력된다. 그 결과, 총괄 스위치(40)가 개방되고, HDD를 받은 구동 제어부(600), 전력 저장 시스템 제어부(700)에 의해 스위치(61, 71)가 개방된다. 또한, 스위치(61, 71)는 판정 결과 신호 HDD에 의해 직접 개방하는 구성으로 해도 된다.
이와 같이, 가선과 레일을 통하여 변전소와 차량간에 신호를 보내고, 차량측에서 신호의 유무를 판별하는 구성으로 하는 것에 의해, 가선 정전, 가선 지락 상태를 검출하는 것이 가능해져서, 가선(3)에 단선 개소(10), 또는 지락 경로(11)가 발생한 경우, 또는 의도적으로 가선을 정전시키고 싶은 경우에 있어서, 전력 저장 시스템을 정지할 수 있는 전기차의 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 이상의 실시 형태 1 ~ 3에 나타낸 구성은 본 발명의 내용의 일례이고, 각 실시 형태를 조합하여 구성하는 것도 가능하고, 다른 공지된 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 일부를 생략하는 등, 변경해서 구성하는 것도 가능한 것을 말할 것도 없다. 도시하고 있지 않으나, 변전소(1)가 교류 전력을 공급하는 교류 전력의 시스템에 적용해도 된다.
본 명세서에서는 전철에 대한 전력 저장 시스템의 적용을 고려하여 발명 내용의 설명을 실시하고 있으나, 적용 분야는 이에 한정되는 것이 아니라, 자동차, 엘리베이터, 전력 시스템 등, 여러 가지의 관련 분야에 대한 응용이 가능하다.

Claims (11)

  1. 보조 전원 장치와, 구동용 모터를 제어하는 구동 제어 장치와, 전력 저장 디바이스를 갖는 전력 저장 시스템이 병렬 관계로 접속되어 있는 전기차의 제어 장치에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템은 컨덴서가 병렬 접속된 DC-DC 컨버터와, 상기 컨덴서의 전압을 검출하는 전압 검출기와, 상기 DC-DC 컨버터와의 사이에서 전력을 주고 받는 전력 저장 디바이스를 갖는 전력 저장부와, 이들의 제어를 행하는 전력 저장 시스템 제어부로 구성되고,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 가선(架線)의 정전, 지락(地絡)을 검출하는 것이 가능한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 전력 저장 시스템이 방출 또는 흡수하는 전력이 상기 구동 제어 장치의 전력, 또는 상기 구동 제어 장치와 상기 보조 전원 장치의 전력의 합에 일치하지 않도록 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 운전 지령에 따른 제어 모드 지령을 발생하 는 지령 수신 분배부와, 상기 구동 제어 장치의 전력과 상기 보조 전원 장치의 전력의 합인 전력과 구동 모터의 회전 주파수, 인버터 주파수, 차속의 적어도 하나의 신호에 기초하여 기본 전력 지령을 발생하는 흡수ㆍ방출 지령 생성부와, 상기 컨덴서의 전압의 목표값인 제2의 전압 지령을 발생하는 전압 지령 발생부와, 상기 제어 모드 지령, 상기 기본 전력 지령, 상기 제2의 전압 지령, 상기 전력 저장 시스템의 전력, 컨덴서의 전압의 각 신호에 기초하여 DC-DC 컨버터 전류 지령을 발생하는 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부와, 상기 DC-DC 컨버터 전류 지령에 일치하도록 상기 DC-DC 컨버터의 전류 제어를 행하는 DC-DC 컨버터 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부는 상기 전력 저장 시스템이 흡수ㆍ방출하는 전력과 상기 기본 전력 지령의 차에 비례하는 출력과 상기 컨덴서의 전압을 가산하는 가산기와, 이 가산 출력의 상하한을 설정하여 제1의 전압 지령으로서 출력하는 전압 리미터와, 상기 전압 지령 발생기로부터 발생되는 제2의 전압 지령과 상기 제1의 전압 지령을 상기 제어 모드 지령에 따라 전환하는 전환 수단과, 상기 전환 수단의 출력으로부터 상기 컨덴서의 전압을 감산하는 감산기와, 상기 감산 출력의 상하한을 설정하여 DC-DC 컨버터 전류 지령으로서 출력하는 전류 리미터로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터 전류 지령 생성부는 상기 전력 저장 시스템이 흡수ㆍ방출하는 전력과 상기 기본 전력 지령의 차에 비례하는 출력과 상기 컨덴서의 전압을 가산하는 가산기와, 이 가산 출력과 상기 전압 지령 발생기로부터 발생되는 제2의 전압 지령을 입력하여 상기 제어 모드 지령에 따라 상하한을 설정하는 전압 리미터와, 상기 전압 리미터의 출력으로부터 상기 컨덴서의 전압을 감산하는 감산기와, 상기 감산 출력의 상하한을 설정하여 DC-DC 컨버터 전류 지령으로서 출력하는 전류 리미터로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 컨덴서의 전압이 급감한 경우에 이것을 검출하여, 상기 구동 제어 장치 또는 전력 저장 시스템의 입력측에 마련된 스위치를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 컨덴서의 전압이 저하한 경우에 이것을 검출하여, 상기 구동 제어 장치 또는 전력 저장 시스템의 입력측에 마련된 스위치를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 컨덴서의 전압이 과대로 된 경우에 이것을 검출하여, 상기 구동 제어 장치 또는 전력 저장 시스템의 입력측에 마련된 스위치를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 컨덴서의 전압의 상한과 하한을, 각각 설정된 값으로 유지하도록 제어할 수 있는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템 제어부는 상기 전력 저장 시스템의 상기 컨덴서의 전압을, 설정된 값과 일치하도록 제어할 수 있는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    변전소에 신호 발생부가 설치되고, 상기 전기차에 상기 신호 발생부가 발생하는 신호를 수신하는 신호 검출부를 탑재한 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치.
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