KR20120037997A - 전기차 추진용 전력 변환 장치 - Google Patents

전기차 추진용 전력 변환 장치 Download PDF

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KR20120037997A
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히데토시 기타나카
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

인버터부(30)로부터 전력 저장부(50)로의 전력 회생, 또는 전력 저장부(50)로부터의 인버터부(30)로의 전력 공급을 다용하는 용도에 바람직한 전기차 추진용 전력 변환 장치를 제공한다. 외부에서 전원 전압이 입력되어 소정값의 직류로 변환하여 출력하는 컨버터부(10)와, 컨버터부(10)의 출력측에 접속되어 전동기(40)를 구동하는 인버터부(30)와, 컨버터부(10)의 출력측에 접속된 전력 저장부(50)를 구비하고, 컨버터부(10)에 구비되는 컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10)의 전류 지령을 생성함과 아울러, 이 전류 지령에 기초하여 전력 저장부(50)의 충방전 전류를 제어한다.

Description

전기차 추진용 전력 변환 장치{ELECTRIC-VEHICLE PROPULSION POWER-CONVERSION DEVICE}
본 발명은 전기차의 추진 제어에 제공되는 전기차 추진용 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기차는 가선으로부터의 전력을 집전 장치로 수신하고, 수신한 전력을 사용하여 인버터 등의 전력 변환 장치로 전동기를 구동하여 주행하는 구성으로 하고 있다.
또, 전기차에서는 차량에 브레이크를 걸 때, 전동기를 회생 운전하여 브레이크력을 얻는, 이른바 회생 브레이크가 이용된다. 이때 발생하는 회생 전력은 가선이나 제3 궤도 등을 통하여, 자차(自車) 부근에 존재하는 다른 역행 차량이나 차량의 공조 등의 부하에 공급되어 거기에서 소비되게 된다.
그렇지만, 이른 아침, 야간이나, 열차의 운행 대수가 적은 한산한 선로 구간에서는, 자차 부근에 다른 차량이 존재하지 않는(회생 부하가 부족함) 경우가 발생하여, 회생 브레이크에 의해 발생한 회생 전력이 충분히 소비되지 않는 경우가 존재한다. 다른 차량으로 소비되는 전력보다도 자차의 회생 전력이 커지면 가선 전압이 상승하게 됨으로써, 가선에 접속되는 여러 가지의 기기를 과전압으로 트립시키거나 파손시키거나 하는 우려가 있다.
이 때문에, 가선 전압이 상승한 경우, 인버터 장치는 회생 브레이크를 축소하고, 회생 전력의 발생을 억제하는 회생 축소 제어를 실행한다. 이때, 이 회생 추출 제어에 의해 회생 브레이크력이 감소하기 때문에, 감소하여 부족한 브레이크력은 마찰 브레이크로 보충한다.
한편, 마찰 브레이크를 사용하는 것은, 본래 전력 회생이 가능한 전기차의 운동 에너지의 일부를 열로서 대기중에 폐기하는 것에 관련되기 때문에, 에너지 절약성의 관점에서 문제가 있다.
이에, 전기차에 2차 전지나 전기 이중층 캐패시터와 같은 전력 저장 소자를 탑재하여 필요에 따라서 회생 전력을 전력 저장 소자에 저장함으로써, 회생 부하가 부족한 케이스에서도 안정한 회생 브레이크를 얻는 시스템이 개발되어 있다. 또한, 전력 저장 소자에 저장한 전력은 다음에 전기차가 가속할 경우에 사용하는 것이 가능하기 때문에, 에너지가 절약된다.
또, 전력 저장 소자를 탑재한 전기차가 가선으로부터의 수전(受電)을 실행하지 않는 비전화(非電化) 구간을 주행하는 경우는, 전력 저장 소자로부터의 전력만을 사용하여 전동기를 구동하여 가속하고, 또 브레이크시에 전동기가 발생하는 회생 전력은 모두 전력 저장 소자에 저장하게 된다.
[특허 문헌 1] 일본국 특개 제2005－278269호 공보
여기서, 상기 특허 문헌 1에 개시된 차량용 구동 장치의 구성은 가선에 대해서, 전동기를 구동하는 인버터부와, 전력 저장 장치를 접속하여 전력 저장 소자로의 충전 및 전력 저장 소자로부터의 방전을 제어하는 DCDC 컨버터부(이하, 간단하게 「컨버터부」라고 칭함 )를 병렬 접속한 형태의 것이다.
이 형태에서는, 전력 저장 소자와 인버터부의 사이에 컨버터부가 개재(介在)하므로, 인버터부로부터 전력 저장 소자로의 충방전을 실행할 때, 컨버터부에 있어 서 전력 손실이 발생한다. 이 때문에, 대용량의 전력 저장 소자를 탑재하여, 인버터부로부터 전력 저장 소자로의 전력 회생, 또 전력 저장 소자로부터의 인버터부로의 전력 공급을 다용(多用)하는 용도에서는 시스템 효율이 나빠진다.
전력 저장 소자와 인버터부의 사이에 컨버터부를 개재시키지 않는 구성으로서, 입력이 가선에 접속된 컨버터부의 출력에 전동기를 구동하는 인버터부와 전력 저장 소자를 병렬 관계로 접속한 구성을 생각할 수 있다. 그렇지만 이 형태에서는 컨버터부가 가선과 인버터부와 전력 저장 소자의 사이의 전력 플로우를 전기차의 주행 조건에 따라서 최적으로 제어할 필요가 있어, 컨버터부의 제어 방법과 구성에 과제가 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 인버터부로부터 전력 저장 소자로의 전력 회생, 또 전력 저장 소자로부터 인버터부로의 전력 공급을 다용하는 용도에 바람직한 전기차 추진용 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전기차 추진용 전력 변환 장치는 외부에서 전원 전압이 입력되어 소정값의 직류로 변환하여 출력하는 제1 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속되어 부하를 구동하는 제2 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속된 전력 저장부와, 상기 제1 전력 변환부를 제어하는 제1 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 컨버터부와 전력 저장부의 사이, 또는 인버터부와 전력 저장부의 사이에, 전력 저장부로의 충방전 전류를 제어하는 전력 변환 회로를 마련할 필요가 없고, 가선과 인버터부와 전력 저장부의 사이의 전력 플로우를 전기차의 주행 조건에 따라서 최적으로 제어하는 것을 가능하게 하는 시스템 효율이 좋은 전기차 추진용 전력 변환 장치의 제공이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차 추진용 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 회로인 도 2와는 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 과충전 억제 게인 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 제1 전류 지령 조정부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 인버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관련된 전기차 추진용 전력 변환 장치에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 제시하는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차 추진용 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도시하지 않은 외부 전원인 변전소로부터의 전력은, 가선(1)으로부터 집전 장치(2)를 통하여 제1 전력 변환부이며, 예를 들면 DCDC 컨버터인 컨버터부(10)에 입력된다. 컨버터부(10)로부터의 리턴 전류는 차륜(3)을 경유하여 레일(4)에 접속되어 도시하지 않은 변전소의 부(負)측으로 돌아간다.
컨버터부(10)는 직류／직류 변환을 실행하는 주회로인 컨버터 회로(13)와 제1 제어부인 컨버터 제어부(14)를 구비한다. 또한, 컨버터 회로(13)는 양방향 승강압 초퍼 회로가 바람직하다. 또, 컨버터 회로(13)에는 그 입력측과 출력측에 전압이나 전류를 평활화하기 위한 리액터(reactor)나 콘덴서로 이루어진 필터 회로를 포함하는 경우가 일반적이다.
도 2에 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 회로(13)의 구성예를 나타낸다. 도 2에 도시된 형태는, 컨버터 회로(13)의 1차측의 전압 EFCD와 2차측의 전압 BES의 대소 관계가 EFCD＞BES 관계인 경우에 적용이 가능한 컨버터 회로로서, 입력측으로부터 필터 회로를 이루는 필터 리액터(131) 및 필터 콘덴서(132)와, 스위칭 회로를 이루는 1차측 상단 암(upper arm) 스위칭 소자(133A) 및 1차측 하단 암 스위칭 소자(133B)와, 이 스위칭 회로의 2차측에 접속된 평활 리액터(134)를 구비하여 구성된다.
도 2의 컨버터 회로(13)에서는, 1차측 상단 암 스위칭 소자(133A)와 1차측 하단 암 스위칭 소자(133B)를 적절하게 온 오프 제어함으로써, 1차측으로부터 2차측으로, 또는 2차측으로부터 1차측으로, 임의 방향으로 임의 크기의 전력을 통과시키는 것이 가능하다.
한편, 도 3에 도시된 형태는 컨버터 회로(13)의 1차측의 전압 EFCD와 2차측의 전압 BES의 대소 관계에 의하지 않고 적용이 가능한 컨버터 회로로서, 입력측으로부터 필터 회로를 이루는 필터 리액터(131) 및 필터 콘덴서(132)와, 1차측 스위칭 회로를 이루는 1차측 상단 암 스위칭 소자(133A) 및 1차측 하단 암 스위칭 소자(133B)와, 2차측 스위칭 회로를 이루는 2차측 상단 암 스위칭 소자(133C) 및 2차측 하단 암 스위칭 소자(133D)와, 이들 1차측 스위칭 회로와 2차측 스위칭 회로를 접속하는 평활 리액터(134)와, 2차측 스위칭 회로의 2차측에 접속된 평활 콘덴서(135)를 구비하여 구성된다.
도 3의 컨버터 회로(13)에서는, 1차측 상단 암 스위칭 소자(133A)와, 1차측 하단 암 스위칭 소자(133B)와, 2차측 상단 암 스위칭 소자(133C)와, 2차측 하단 암 스위칭 소자(133D)를, 이하에 설명하는 것처럼 적절하게 온 오프 제어함으로써, 컨버터 회로(13)를 통과하는 전류 또는 전력을 1차측으로부터 2차측으로, 또는 2차측으로부터 1차측으로, 임의 방향의 임의 크기(제로를 포함함)의 전류 또는 전력이 되도록 제어가 가능해진다.
또한, 본 실시 형태 1에 있어서의 컨버터 회로는, 도 2 및 도 3에 도시된 이외의 회로 구성이어도 상관없다. 예를 들어, 상기에서는 가선(1)이 직류 전원인 경우를 일례로서 설명을 했지만, 가선(1)이 교류 전원인 경우, 컨버터 회로로서는 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 양방향으로 변환 가능한 회로인 PWM 컨버터 회로가 바람직하다.
도 1로 돌아와, 컨버터부(10)의 출력은 2계통으로 분기되어 있고, 그 한쪽에는 제2 전력 변환부인 인버터부(30)가 접속된다. 인버터부(30)는 직류／교류 변환을 실행하는 주회로인 인버터 회로(33)와 제2 제어부인 인버터 제어부(34)를 구비한다. 또한, 인버터 회로는 전압형 PWM 인버터 회로가 바람직하고, 그 회로 구성은 공지이므로 설명을 생략한다. 또, 그 입력측에는 전압이나 전류를 평활화하기 위한 리액터나 콘덴서로 이루어진 필터 회로를 포함하는 경우가 일반적이다.
인버터부(30)의 교류 출력측에는 전동기(40)가 접속된다. 전동기(40)는 복수 대를 병렬로 접속하여도 좋다. 전동기(40)는 차륜(3)을 구동하여 전기차를 주행시킨다. 전동기(40)에는 그 회전 속도를 검출하는 회전 검출기(41)가 마련되어 전동기(40)의 회전 속도 정보인 속도 VEL를 컨버터 제어부(14)에 입력한다. 또한, 전동기(40)의 회전 속도 정보는 회전 검출기(41)로 얻는 것으로 한정되지 않고, 다른 수단이라도 좋다.
컨버터부(10)의 출력의 2계통 중 다른 한쪽에는, 2차 전지나 전기 이중층 캐패시터와 같은 전력 저장 소자(51)를 직병렬로 접속해서 이루어지는 전력 저장부(50)가 접속된다. 전력 저장부(50)의 내부 온도(또는 전력 저장 소자(51)의 온도)는 온도 검출기(52)로 검출되어 컨버터 제어부(14)에 입력된다.
또한, 도시는 하고 있지 않지만, 인버터부(30)는 공조 장치 등의 보조 기기로의 전력 공급을 실행하는 보조 전원 장치를 포함하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 후술 설명에 있어서, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1에는 전동기(40)를 구동하기 위한 역행 소비 전류 또는 회생 전류 외, 이 보조 기기에 있어서의 소비 전류가 포함된 것으로 된다.
또, 도 1에서는 컨버터부(10), 인버터부(30), 및 전력 저장부(50)는 각각 1대씩 접속한 형태로서 설명하고 있지만, 각각을 복수 대 마련하는 구성이어도, 본 발명의 전개가 가능하다.
컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10: 컨버터 회로(13))의 입력 전압 ESD와, 컨버터 회로(13)의 출력 전압 BES(이후, 필요에 따라서 「전력 저장부(50)의 전압」이라고 표기하는 경우도 있음)와, 입력 전류 ISD와, 출력 전류 IMD와, 제2 전력 변환부인 인버터부(30)로의 출력 전류 IMB1(이후, 필요에 따라서 「인버터부(30)의 입력 전류」라고 표기하는 경우도 있음)과, 전동기(40)의 속도 VEL과, 전력 저장부(50)로부터의 전지 온도 BTMP가 입력되고, 이러한 신호에 기초하여 컨버터 회로(13)의 내부 스위칭 소자(133A~133D)로의 제어 신호 GD를 출력한다.
또한, 도 1에서는 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD를 컨버터 제어부(14)에 입력하는 구성으로 하고 있지만, 컨버터 회로(13)의 필터 콘덴서(132: 도 2 및 도 3 참조)의 전압 EFCD를 입력하는 구성이라고 해도 좋다.
컨버터 제어부(14)는 입력이 가선에 접속된 컨버터부(10)의 출력에 전동기(40)를 구동하는 인버터부(30)와 전력 저장부(50)를 병렬 관계로 접속한 구성에 있어서, 컨버터부(10)가 가선(1)과 인버터부(30)와 전력 저장부(50)의 사이의 전력 플로우를 전기차의 주행 조건에 따라서 최적으로 제어하기 위해서 중요해지는 부분으로서, 본 실시 형태의 요지가 되는 부분이다.
또한, 컨버터 제어부(14)의 더욱 상세한 구성은 추후에 설명된다.
인버터 제어부(34)는 인버터부(30)의 입력 전압 ES와 인버터 회로(33)의 출력 전류 IM을 입력으로 하고, 인버터 회로(33)의 내부 스위칭 소자로의 제어 신호 GI를 출력한다.
또, 인버터 제어부(34)는 후술하는 전동기(40)가 토크 지령대로 토크를 발생하도록, 인버터 회로(33)의 출력 전류와 출력 전압을 제어한다. 또한, 그 동작의 자세한 설명은 후술한다.
가선(1)과 인버터부(30)와 전력 저장부(50)의 사이의 전력 플로우를 전기차의 주행 조건에 따라서 최적으로 제어하기 위해서, 컨버터 제어부(14) 및 인버터 제어부(34)는 본 실시 형태의 요지를 이루는, 적어도 이하의 기능을 실현한다.
(A) 역행 방전 제어
인버터부(30)의 역행 전류를 가선(1)으로부터 우선적으로 수전하면서, 소정 조건에 있어서 전력 저장부(50)로부터 어시스트 방전(assist discharge)을 실시한다.
(B) 회생 충전 제어
인버터부(30)의 회생 전류를 전력 저장부(50)의 허용 범위 내에서 전력 저장부(50)에 지연 없게 회생 충전한다. 전력 저장부(50)로의 회생이 곤란한 회생 전류분은 가선(1)에 회생한다.
(C) 강제 방전 제어
임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 방전을 실행한다.
(D) 강제 충전 제어
임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 충전을 실행한다.
이상의 기능을 실현하기 위해, 우선, 컨버터 제어부(14)는 이하의 제어를 실현 가능하게 한다.
(a) 전동기(40)의 구동 상태(역행／회생)에 의해 발생하는 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 빈번한 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 및 강제 방전 제어
(b) 전력 저장부(50)의 전압 상태, 온도 상태, 및 최대 허용 전류를 고려한 제어
(c) 집전 장치(2)의 온도 상승 억제 및 가선(1)의 회생 부하 상태를 고려한 제어
(d) 컨버터부(10)의 최대 허용 전류를 고려한 제어
(e) 가선(1)의 전압 변동이나, 전력 저장 소자(51)의 내부 저항 변화 등에 의해 생기는 전압 변동 등의 외란(外亂)에 영향을 받지 않고, 또한 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 고속의 제어
상기 제어를 실현 가능하게 하기 위해, 컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10)를 통과하는 전류 또는 전력을, 제로를 포함한 임의 값으로, 또한 임의 방향으로, 순간값(instantaneous value) 베이스로의 고속의 제어를 통해서, 전력 저장부(50)의 전류를 제로를 포함하는 임의 값으로, 또한 임의 방향으로, 순간값 베이스로의 고속의 제어가 가능해지도록 구성한다. 구체적으로는, 이하와 같이 구성된다.
＜＜컨버터 제어부의 구성 설명＞＞
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다. 컨버터 제어부(14)는 속도 VEL과, 컨버터부(10)의 출력 전류이며 인버터부(30)의 입력부의 전류인 IMB1과, 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 입력으로 하여 제2 전류 지령 IBREF3을 생성하는 제1 전류 지령 생성부(60)와, 제2 전류 지령 IBREF3과 인버터부(30)의 입력부의 전류 IMB1의 합을 취하여 신호 IDREF1을 생성하는 가산기(90)와, 속도 VEL이 입력되어 신호 ISDR을 생성하는 입력 전류 제한값 설정부(91)와, 컨버터부(10)의 입력 전류 ISD의 크기를 연산하여 신호 ISDA를 출력하는 절대값 연산부(94)와, 신호 ISDR와 신호 ISDA의 차이를 연산해 출력하는 감산기(92)와, 감산기(92) 출력의 정(正)값을 커트하여 신호 ISOV를 생성하는 정값 커트부(93)와, 신호 IDREF1과 신호 ISOV를 입력으로 하여 신호 IDREF2를 생성하는 제3 전류 지령 조정부(100)와, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD(또는 필터 콘덴서 전압 EFCD)가 입력되어 게인 VLMG를 생성하는 입력 전압 상승 억제부(102)와, 신호 IDREF2를 입력으로 하여 신호 VLMG와의 곱을 취해 신호 IDREF3을 생성하는 곱셈기(101)와, 신호 IDREF3의 크기를 제한하여 제1 전류 지령인 IDREF를 생성하는 전류 지령 제한부(103)와, 제1 전류 지령인 IDREF와 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 입력으로 하여 컨버터 회로(13)에 스위칭 신호 GD를 출력하는 전류 제어부(110)를 구비하여 이루어진다.
또한, 인버터부(30)의 입력부의 전류인 IMB1은 그것을 전류 검출기로 검출하는 것이 바람직하지만, 인버터부(30)의 출력부의 전류나 전압의 상태량으로부터 연산하여 산출하는 것도 가능하다.
다음으로, 제1 전류 지령 생성부(60)를 구성하는 각 부의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 역행 어시스트량 설정부(63)에는 속도 VEL이 입력된다. 역행 어시스트량 설정부(63)는 입력된 속도 VEL에 기초하여 0~1 값을 취하는 역행 어시스트 게인 PAG를 생성하여 출력한다.
이 역행 어시스트량 설정부(63)에서는, 예를 들면 속도 VEL이 소정값 이상이 된 조건으로, 역행 어시스트 게인 PAG를 0에서 0.5로 바꾸는 처리가 실행되고, 전동기(40)의 역행 전력의 50％을 전력 저장부(50)로부터, 나머지 50％를 가선(1)으로부터 공급할 수 있다. 또한, 동작의 자세한 설명은 이후에 설명한다.
또한, 역행 어시스트량 설정부(63)로의 입력은 도시한 속도 VEL 이외더라도 좋고, 예를 들면 입력 전압이나 입력 전력에 관계하는 양인 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD나, 컨버터부(10)의 입력 전력(ESD와 ISD의 곱), 인버터부(30)의 입력 전압이나 입력 전력이어도 좋고, 이러한 입력에 기초하여 역행 어시스트 게인 PAG를 생성하는 것도 가능하다.
컨버터부(10)의 출력 전류 IMB1(인버터부(30)의 입력부의 전류와 동일함)은 IMB1이 정일 때는 IMB1을 그대로 출력하고, IMB1이 부일 때는 제로를 출력하는 부값 커트부(61)에 입력된다. 부값 커트부(61)의 출력 신호는 극성 반전 게인(62)을 통해 극성이 반전되어 신호 IMBP를 생성한다.
예를 들면, 전동기(40)가 역행 운전인 경우는, IMB1이 정이 되므로 신호 IMBP는 IMB1과 동일한 값이 된다. 한편, 전동기(40)가 회생 운전인 경우는, IMB1이 부가 되므로 신호 IMBP는 제로가 된다. 즉, 신호 IMBP는 전동기(40)가 역행 운전인 경우에만, 출력 신호 IMB1과 크기가 동일하고 극성이 반대인 값으로서 생성된다. 전동기(40)가 회생 운전시인 경우는 신호 IMBP는 제로가 된다.
신호 IMBP 및 역행 어시스트 게인 PAG는 곱셈기(64)로 곱셈되어 신호 IPAS를 생성한다. 신호 IPAS는 인버터부(30)의 역행 전류의 일부를 전력 저장부(50)로부터 방전시키기 위한 방전 전류의 지령인 역행 어시스트 방전 전류 지령이며, 전동기(40)가 역행 운전시에 있어서, 역행 어시스트량 설정부(63)의 설정에 따라서 출력 전류 IMB1에 0~1의 게인 PAG를 곱한 값으로서 산출된다. 도 4에 도시된 구성에서는, 통상 신호 IPAS는 부값을 취한다.
또, 컨버터부(10)의 출력 전류 IMB1은 IMB1이 부일 때는 IMB1을 그대로 출력하고, IMB1이 정일 때는 제로를 출력하는 정값 커트부(65)에 입력된다. 정값 커트부(65)의 출력 신호는 극성 반전 게인(66)을 통해 극성이 반전되어 신호 IMBN을 생성한다.
예를 들면, 전동기(40)가 역행 운전인 경우는, IMB1이 정이 되므로 신호 IMBN는 제로가 된다. 한편, 전동기(40)가 회생 운전인 경우는, IMB1이 부가 되므로 신호 IMBN의 크기는 IMB1과 동일해진다. 즉, 신호 IMBN는 전동기(40)가 회생 운전인 경우에만, 출력 신호 IMB1과 크기가 동일하고 극성이 반대인 값으로서 생성된다. 전동기(40)가 역행 운전시인 경우는 신호 IMBN는 제로가 된다.
다음으로, 과충전 억제 게인 생성부(67)에는 전력 저장부(50)의 전압 BES가 입력된다. 과충전 억제 게인 생성부(67)는 입력된 전압 BES에 기초하여 0~1의 값을 취하는 과충전 억제 게인 HVG를 생성하여 출력한다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 과충전 억제 게인 생성부(67)의 구성예를 나타내는 도면이다.
이 과충전 억제 게인 생성부(67)에서는, 전압 BES가 제1 설정값 이하인 경우는 게인 HVG는 1로 하고, 전압 BES가 제1 설정값을 초과했을 경우, 전압 BES에 따라서 게인 HVG를 1로부터 감소시켜, 전압 BES가 상한값인 제2 설정값이 된 시점에서 게인 HVG를 제로로 하는 처리가 행해진다.
신호 IMBN 및 과충전 억제 게인 HVG는 곱셈기(68)에서 곱셈되어 신호 IREGREF가 생성된다. 또한, 도 4에 도시된 구성에서는, 통상 신호 IREGREF는 정값을 취한다.
신호 IREGREF는 인버터부(30)로부터의 회생 전류를 전력 저장부(50)에 충전하기 위한 충전 전류의 지령인 회생 충전 전류 지령이며, 전동기(40)의 회생 운전시에, 상기에서 설명한 것처럼 인버터부(30) 입력부의 전류 IMB1과 전력 저장부(50)의 전압 BES에 기초하여 산출된다.
이와 같이 하여, 전력 저장부(50)의 전압 BES가 제1 설정값 이하일 때는 인버터부(30)로부터의 회생 전류 IMB1과 크기가 동일한 신호 IREGREF를 생성하고, 전력 저장부(50)의 전압 BES가 제1 설정값 이상이 된 시점에서 신호 IREGREF의 크기를 억제하고, 전압 BES가 상한값인 제2 설정값이 된 시점에서 신호 IREGREF를 제로로 할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 전력 저장부(50)의 충전량이 증가하여 전압 BES가 소정값보다도 커졌을 때에 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 지령인 회생 충전 전류 지령 IREGREF의 크기를 억제하여 전압 BES가 제2 설정값 이상이 되지 않게 동작시킬 수 있다. 이 때문에, 후술하는 전력 저장부(50)가 과충전이 되지 않도록 제1 전류 지령 IDREF를 생성할 수 있어 전력 저장 소자(51)의 열화를 억제할 수 있다.
신호 IPAS를 강제 방전 전류 설정부(601)에 입력한다. 강제 방전 전류 설정부(601)는 전력 저장부(50)의 전력을 인버터부(30)의 입력 전류 상태(역행, 회생)나 역행 어시스트 방전 상태(실시, 비실시)에 의하지 않고, 임의의 전류값으로 강제적으로 방전시키고 싶은 경우에 실시하는 강제 방전 제어를 실시하기 위한 구성요소이다. 강제 방전 전류 설정부(601)는 상한 설정값이 가변인 리미터이며, 신호 IPAS와 강제 방전 전류 설정값인 신호 HREF가 입력되어 신호 IPAS의 상한이 신호 HREF 이상이 되지 않도록 조정한 신호 IPAS1을 생성하여 출력한다. 신호 HREF는 통상, 부값을 설정한다. 예를 들면 전력 저장부(50)로부터 적어도 100A를 강제 방전하는 경우는 신호 HREF를 -100으로 한다. 그러면 신호 IPAS1은 -100A이상은 되지 않기 때문에, 이하에 차례로 설명하는 것처럼, 적어도 100A로 방전하는 것이 가능해진다. 또한 신호 HREF를 제로로 설정하면, 강제 방전 제어는 실행되지 않는다.
다음으로, 신호 IREGREF를 강제 충전 전류 설정부(602)에 입력한다. 강제 충전 전류 설정부(602)는 전력 저장부(50)의 전력을 인버터부(30)의 입력 전류 상태(역행, 회생)에 의하지 않고, 임의의 전류값으로 강제적으로 충전시키고 싶은 경우에 실시하는 강제 충전 제어를 실시하기 위한 구성요소이다.
강제 충전 전류 설정부(602)는 하한 설정값이 가변인 리미터로서, 신호 IREGREF와 강제 충전 전류 설정값인 신호 JREF가 입력되어 신호 IREGREF의 하한이 신호 JREF 이하가 되지 않도록 조정한 신호 IREGREF1을 생성하여 출력한다. 신호 JREF는 통상, 정값을 설정한다. 예를 들면, 전력 저장부(50)를 적어도 100A로 강제 충전하는 경우는 신호 JREF를 ＋100으로 한다. 그러면 신호 IREGREF1은 ＋100A이하는 되지 않기 때문에, 이하에 차례로 설명하는 것처럼, 적어도 100A로 충전하는 것이 가능해진다. 또한 신호 JREF를 제로로 설정하면, 강제 충전 제어는 행해지지 않는다.
신호 IPAS1과 신호 IREGREF1은 가산기(69)로 가산되어 신호 IBREF1이 생성된다. 이 신호 IBREF1은 전력 저장부(50)의 역행 어시스트 방전 전류 지령과 회생 충전 전류 지령을 합성한 전력 저장부(50)에 대한 충방전 전류의 지령인 역행 어시스트 방전／회생 충전 전류 지령이다.
신호 IBREF1은 제1 전류 지령 조정부(70)에 입력된다. 제1 전류 지령 조정부(70)는 신호 IBREF1을 전력 저장부(50)의 전압 BES에 기초하여 조정한 신호 IBREF2를 생성한다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 제1 전류 지령 조정부(70)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 전류 지령 조정부(70)는 전압 BES에 기초하여 신호 HVG1을 출력하는 제2 과충전 억제 게인 생성부(71A)와, 전압 BES에 기초하여 신호 LVG1을 출력하는 과방전 억제 게인 생성부(71B)와, 신호 IBREF1이 정일 때(전력 저장부(50)를 충전할 방향일 때)에 HVG1을 출력하고 그 이외 경우는 1을 출력하는 스위치(72A)와, 신호 IBREF1이 부일 때(전력 저장부(50)를 방전할 방향일 때)에 LVG1을 출력하고 그 이외 경우는 1을 출력하는 스위치(72B)와, 신호 HVG1과 신호 LVG1을 각각 신호 IBREF1에 곱셈하여 신호 IBREF2를 생성하는 곱셈기(73)로 이루어진다.
제1 전류 지령 조정부(70)는 전력 저장부(50)의 과충전／과방전을 억제하기 위한 조정부이며, 전력 저장부(50)로의 전류 지령인 신호 IBREF1이 정(=충전 방향, 회생 충전)인 경우에는, 전압 BES가 소정값을 초과하지 않도록 입력된 신호 IBREF1의 크기를 억제한 신호 IBREF2를 생성한다.
예를 들면, 전압 BES가 충전 전류의 억제를 개시하기 위한 제5 설정값 이하인 경우는 신호 HVG1을 1로 하여 신호 IBREF2를 신호 IBREF1과 동일한 값으로 하고, 전압 BES가 충전 전류의 억제를 개시하기 위한 제5 설정값 이상인 경우는 신호 HVG1을 1에서 0의 사이의 값으로 하여 신호 IBREF2를, 신호 IBREF1의 크기를 억제한 값으로 한다. 전압 BES가 상한인 제6 설정값에 도달한 시점에서, 신호 HVG1을 0으로 하여 신호 IBREF2를 제로로 한다.
또, 전력 저장부(50)로의 전류 지령인 신호 IBREF1이 부(=방전 방향, 역행 어시스트 방전)인 경우에는, 전압 BES가 소정값을 하회하지 않도록 입력된 신호 IBREF1의 크기를 억제한 신호 IBREF2를 생성한다.
예를 들면, 전압 BES가 방전 전류의 억제를 개시하기 위한 제7 설정값 이상인 경우는 신호 IBREF2는 신호 IBREF1과 동일한 값으로 하고, 전압 BES가 방전 전류의 억제를 개시하는 제7 설정값 이하인 경우는, 신호 IBREF2는 신호 IBREF1의 크기를 억제한 값으로 한다. 전압 BES가 하한인 제8 설정값에 이른 시점에서, 신호 IBREF2는 제로로 된다.
이와 같이 하여, 전력 저장부(50)의 전압 BES가 상한값인 제6 설정값을 초과하거나 하한값인 제8 설정값을 하회하지 않도록 조정한 충방전 전류 지령인 신호 IBREF2를 생성한다. 이와 같이 구성함으로써, 전력 저장 소자(51)의 과충전이나 과방전에 의한 열화를 억제할 수 있다.
상기와 같이 생성된 신호 IBREF2는 제2 전류 지령 조정부(80)에 입력된다. 제2 전류 지령 조정부(80)는 신호 IBREF2를 전력 저장부(50)의 온도 BTMP에 기초하여 조정한 신호 IBREF21을 생성한다.
제2 전류 지령 조정부(80)는 전력 저장부(50)가 소정값보다도 고온인 경우에 전력 저장부(50)의 충방전 전류를 저감하고, 또 전력 저장부(50)가 소정값보다도 저온인 경우에는, 특히 충전 전류를 저감하도록 하는 조정부로서, 온도 BTMP에 기초하여 입력된 신호 IBREF2의 크기를 필요에 따라서 억제한 신호 IBREF21을 생성한다. 이와 같이 구성함으로써, 고온 아래, 또는 저온 아래에서의 충방전 전류를 억제할 수 있으므로 전력 저장 소자(51)의 열화를 억제할 수 있다.
신호 IBREF21은 전류 지령 제한부(81)에 입력된다. 전류 지령 제한부(81)는 입력된 신호 IBREF21의 상한과 하한을 소정값으로 제한하고, 제2 전류 지령인 신호 IBREF3을 생성하여 출력하는 리미터이다. 통상은 상한값에는 전력 저장 소자(51)의 허용 충전 전류 최대값을 세트하고, 하한값에는 전력 저장 소자(51)의 허용 방전 전류 최대값을 세트한다. 이와 같이 구성함으로써, 전력 저장부(50)의 최대 허용 전류를 초과한 충방전 전류를 전력 저장부(50)에 흘리는 것을 회피할 수 있어 전력 저장부(50)의 손상을 회피할 수 있다. 또, 충전 전류의 허용치, 방전 전류의 허용치를 각각 개별적으로 설정할 수 있다.
신호 IBREF3은 제2 전류 지령이며, 상술한 제1 전류 지령 조정부(70) 및 제2 전류 지령 조정부(80)에 의해 조정된 전력 저장부(50)의 최종적인 충방전 전류의 지령이다.
신호 IBREF3과 컨버터부(10)의 출력 전류 IMB1은 가산기(90)로 가산되어 신호 IDREF1이 생성된다.
신호 IDREF1은 제3 전류 지령 조정부(100)에 입력된다. 제3 전류 지령 조정부(100)는 입력된 신호 ISOV에 기초하여 신호 IDREF1을 조정한 신호 IDREF2를 생성한다.
다음으로, 제3 전류 지령 조정부(100)에 입력되는 신호 ISOV에 대해서 설명한다.
우선, 속도 VEL이 입력 전류 제한값 설정부(91)에 입력된다. 입력 전류 제한값 설정부(91)는 속도 VEL에 기초하여 입력 전류 ISD의 상한값인 신호 ISDR을 생성한다.
다음으로, 입력 전류 ISD가 절대값 연산부(94)에 입력된다. 절대값 연산부(94)는 입력 전류 ISD의 크기 신호인 신호 ISDA를 생성한다.
다음으로, 감산기(92)로 신호 ISDR로부터 신호 ISDA를 감산하는 처리가 실행되어 그 차분값이 정값 커트부(93)에 입력된다. 정값 커트부(93)는 정값을 커트한 신호로서 신호 ISOV를 생성한다.
이러한 구성에 의해, 입력 전류 ISD의 크기가 상한값인 신호 ISDR을 초과한 시점에서 신호 ISOV가 생성된다.
제3 전류 지령 조정부(100)는 신호 ISOV가 제로인 경우는 입력된 신호 IDREF1을 그대로 신호 IDREF2로서 출력하고, 신호 ISOV가 제로가 아닌 부값을 취한 경우, 신호 ISOV에 기초하여 입력된 신호 IDREF1의 크기를 저감한 신호 IDREF2를 생성한다. 이 구성에 의해, 컨버터부(10)의 입력 전류 ISD의 크기가 상한값 ISDR을 초과하지 않도록 조정한 신호 IDREF2를 얻을 수 있다.
또한, 입력 전류 ISD의 상한값인 신호 ISDR은, 예를 들면, 속도 VEL이 소정값보다 낮은 영역에서는 낮은 값(도면에서는 200A)으로 해두고, 속도 VEL이 소정값보다 높은 영역에서는 높은 값(도면에서는 800A)으로 해두는 것을 생각할 수 있다. 이와 같이 설정하면, 전기차가 정지시나 저속 주행시에는 입력 전류 ISD의 크기를 낮게 제한하고, 전기차의 속도가 높은 영역에서는 입력 전류 ISD의 크기를 크게 취할 수 있다. 이와 같이 하면, 특히 전기차가 정지중이나 저속 주행시에 집전 장치(2)의 집전 전류를 억제할 수 있으므로, 집전 장치(2)나, 가선(1)과 집전 장치(2)의 접촉부에 있어서 온도 상승을 억제할 수 있다.
여기서, 상기 온도 상승에 대해서, 보충 설명을 한다. 전기차가 정차 중일 때는, 집전 장치(2)와 가선(1)의 접촉점이 변화하지 않기 때문에, 접촉 저항과 입력 전류 ISD에 의해 생기는 손실로 접촉점이 국소적으로 발열하는 것을 생각할 수 있다. 또, 전기차가 정차 중일 때는 집전 장치(2)와 가선(1)의 접촉 개소가 접동(摺動)하지 않기 때문에, 접촉점이 더러워져(stain) 있어 접촉 상태가 나쁜 경우는, 접촉 저항이 큰 상태로 되어 발열이 조장되는 것을 생각할 수 있다. 과도한 발열은 집전 장치(2)나 가선(1)을 용융(溶融)시키는 등의 원인이 된다. 한편, 전기차가 주행중일 때는, 집전 장치(2)와 가선(1)의 접촉점은 접동하면서 이동하기 때문에, 접촉점이 항상 이동하고, 또 접동에 의해 접촉점이 깨끗해지므로 정차 중과 같은 문제는 발생하지 않는다.
상기와 같이, 정차 중이나 저속 주행시에는 입력 전류 ISD를 낮게 설정할 수 있는 구성으로 함으로써, 집전 장치(2)와 가선(1)의 접촉점의 발열을 방지할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된, 입력 전류 제한값 설정부(91)와 절대값 연산부(94)와 감산기(92)와 정값 커트부(93)로 이루어지는 입력 전류 제한부(95)의 구성은 상기의 목적을 실현할 수 있으면 이외의 구성으로 하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
제3 전류 지령 조정부(100)가 생성한 신호 IDREF2는 곱셈기(101)에 입력된다. 곱셈기(101)에서는 신호 IDREF2와 신호 VLMG가 곱셈되어 신호 IDREF3을 생성한다. 신호 IDREF3은 전류 지령 제한부(103)에 입력된다. 전류 지령 제한부(103)는 신호 IDREF3의 상한값과 하한값의 크기를 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD의 허용 최대 전류 이하가 되도록 제한하여, 제1 전류 지령인 신호 IDREF를 생성한다. 이 신호 IDREF는 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD의 지령인 컨버터 출력 전류 지령이다. 이 전류 지령 제한부(103)에 의해, 신호 IDREF를 어떠한 경우에서도 컨버터 회로(13)의 허용 전류값 이하로 할 수 있으므로, 이것에 기초하여 제어된 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD의 크기를 허용 전류값 이하로 할 수 있으므로, 컨버터부(10)를 과전류로 손상하는 것을 회피할 수 있다.
다음으로, 곱셈기(101)에 입력되는 신호 VLMG에 대해서 설명한다.
신호 VLMG는 전동기(40)가 회생 운전시, 또는 전력 저장부(50)의 전력을 가선(1)으로 강제 방전중인 경우에, 가선(1)의 회생 부하가 부족한 경우에 있어서, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD(또는 필터 콘덴서(132)의 전압 EFCD)가 상승하는 것을 억제하기 위한 입력 전류 상승 억제 게인이다. 구체적으로는, 도시된 것처럼 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD(또는 필터 콘덴서(132)의 전압 EFCD)를 입력 전압 상승 억제부(102)에 입력한다.
입력 전압 상승 억제부(102)는 전압 ESD(또는 전압 EFCD)가 소정값(예를 들면 도면에서는 1750V) 이하인 경우에는 신호 VLMG를 1로 하고, 전압 ESD가 소정값을 초과하는, 상한값(도면에서는 1800V)에 도달한 시점에서 신호 VLMG를 제로로 한다. 이 처리에 의해, 전압 ESD가 소정값(본 예에서는 1750V) 이하인 경우에는, 신호 IDREF3과 신호 IDREF2는 동일해진다. 한편, 전압 ESD가 상한값(본 예에서는 1800V)에 도달한 시점에서 신호 IDREF3은 제로가 된다.
일반적으로, 가선(1)의 공칭 전압이, 예를 들면 DC 1500V인 전기 철도에서는, 가선(1)의 전압이 1750V~1800V를 상회하지 않게 할 필요가 있지만, 상술한 구성에 의해, 전동기(40)가 회생 운전시 또는 전력 저장부(50)를 강제 방전하는 경우에 있어서, 즉 컨버터부(10)가 출력측으로부터 입력측으로 전력을 흘리고 있는 경우에 있어서, 가선(1)의 회생 부하가 부족한 경우에, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD가 소정의 상한값을 초과하는 일이 없도록 조정된 신호 IDREF3을 얻을 수 있다. 이것에 의해, 회생 부하가 부족한 경우에 있어서도 컨버터부(10)가 과전압으로 트립되거나 컨버터부(10)가 손상되는 것을 회피할 수 있다.
이상과 같이, 컨버터부(10)가 과전압으로 트립되거나 컨버터부(10)가 손상되는 것을 회피할 수 있는 제1 전류 지령인 컨버터 출력 전류 IDREF를 얻을 수 있다.
컨버터 제어부(14)의 최종단에서는, 신호 IDREF와 컨버터부(10)의 출력 전류 IMD가 전류 제어부(110)에 입력된다. 전류 제어부(110)는 신호 IDREF와 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD의 편차에 기초하여 제1 전류 지령 IDREF에 출력 전류 IMD가 일치하도록 비례 적분 제어를 실시하고, 컨버터부(10)의 스위칭 소자의 온 오프(PWM) 제어를 실행하여, 컨버터 회로(13)의 스위칭 소자의 스위칭 신호 GD를 생성한다.
상기와 같이 구성한 컨버터 제어부(14)에 의하면, 전동기(40)의 역행 운전시에는 가선(1)으로부터의 전력과 전력 저장부(50)로부터의 전력의 배분을 임의로 설정하여 인버터부(30)에 역행 전력을 공급할 수 있고, 전동기(40)의 회생 운전시에는 회생 전력을 전력 저장부(50)에 흡수 충전시키는 것이 가능해진다.
또, 이때에, 전력 저장부(50)가 과충전, 과방전이 되는 것을 회피하고, 또 온도에 따른 적절한 충방전을 실행할 수 있다.
또, 컨버터부(10)의 입력 전류 ISD의 상한을 제한할 수 있으므로, 집전 장치(2)나, 가선(1)과 집전 장치(2)의 접촉부의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있다.
＜＜인버터 제어부의 구성 설명＞＞
다음으로, 인버터 제어부(34)의 구성을 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 인버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
인버터 제어부(34)는 인버터부(30)의 입력 전압 ES가 입력되고, ES에 기초하여 토크 감소량(torque reduction amount) VDT를 생성하는 회생 토크 감소량 설정부(35)와, 도시하지 않은 외부의 제어부에서 생성된 회생 브레이크 토크의 요구값인 요구 토크 PTRS로부터 토크 추출량 VDT를 감산하여 토크 지령 PTR로서 출력하는 감산기(36)와, 토크 지령 PTR에 기초하여 전동기(40)가 토크 지령 PTR대로의 회생 토크를 발생하도록 토크 제어를 실행하는 토크 제어부(37)를 구비하여 이루어진다.
회생 토크 감소량 설정부(35)는, 예를 들면 전압 ES가 제3 설정값(도 7의 예에서는 650V) 이하인 영역에서는 토크 감소량 VDT를 제로로 한다. 이 경우, 요구 토크 PTRS=토크 지령 PTR가 된다. 전압 ES가 제3 설정값(동일한 650V) 이상인 영역에서는 토크 감소량 VDT를 증가시키고, 전압 ES가 더 상승하여 제４ 설정값(동일한 700V) 이상이 된 시점에서, 토크 감소량 VDT를 요구 토크 PTRS와 동일해질 때까지 증가시켜 토크 지령 PTR을 제로로 하는 처리가 행해진다.
상기와 같이 구성하였기 때문에, 전동기(40)가 회생 운전 중으로서, 전력 저장부(50)가 회생 전력에 의해 충전되고 있는 경우에, 전력 저장부(50)의 전압 BES가 상한값인 제４ 설정값을 초과하지 않도록 전동기(40)의 회생 토크를 감소시킴으로써 회생 전력을 억제하여 전력 저장부(50)가 과충전이 되는 것을 회피할 수 있다.
또한, 회생 토크 감소량 설정부(35)에 있어서, 회생 토크의 감소를 개시하는 제3 설정값은 과충전 억제 게인 생성부(67)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 억제를 개시하는 제1 설정값 또는 제1 전류 지령 조정부(70)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 억제를 개시하는 제5 설정값보다도 큰 값으로 하는 것이 바람직하다.
또, 회생 토크 감소량 설정부(35)에 있어서, 회생 토크의 감소를 개시하는 제3 설정값은 과충전 억제 게인 생성부(67)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류를 거의 제로로 감소시키는 제2 설정값 또는 제1 전류 지령 조정부(70)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류를 거의 제로로 감소시키는 제6 설정값보다도 큰 값으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 전동기(40)가 회생 운전 중에, 회생 전류로 전력 저장부(50)를 충전하고 있을 때, 전력 저장부(50)의 충전량이 증가해 전압 BES가 상승하고, 제1 설정값 또는 제5 설정값을 초과했을 경우에, 우선, 과충전 억제 게인 생성부(67) 또는 제1 전류 지령 조정부(70)에 있어서 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 지령인 제2 전류 지령 IBREF3의 크기가 억제되어 전력 저장부(50)로의 충전을 억제함과 아울러, 억제된 만큼에 상당하는 회생 전류는 컨버터부(10)를 통해서 가선(1)에 회생되도록 동작하므로, 전력 저장부(50)의 충전량이 높고 회생 전류의 수신을 충분히 할 수 없는 경우에도, 전동기(40)의 회생 전류가 감소되는 일이 없이 연속한 안정된 회생 브레이크를 얻을 수 있다.
또한, 전동기(40)로부터의 회생 운전이 계속되어 전력 저장부(50)의 충전량이 더욱 증가하여 전압 BES가 제2 설정값 또는 제6 설정값까지 도달했을 경우에, 과충전 억제 게인 생성부(67) 또는 제1 전류 지령 조정부(70)에 있어서 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 지령인 제2 전류 지령 IBREF3의 크기를 거의 제로까지 삼소시키는 동작을 하므로, 전동기(40)로부터의 회생 전류는 모두 컨버터부(10)를 통해서 가선(1)에 회생되도록 동작하게 되어, 전력 저장부(50)의 충전량을 그 이상 증가시키는 일이 없다. 즉 과충전을 억제할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서도, 회생 토크의 감소를 개시하는 제3 설정값이 제2 설정값 또는 제6 설정값보다 큰 값으로 설정되어 있으므로, 전동기(40)의 회생 전력이 감소하는 일이 없어 연속한 안정된 회생 브레이크가 얻어진다.
이 상태에 있어서, 가선(1)의 회생 부하의 부족이 생겼을 경우에는, 가선(1)의 전압 ESD가 증가하므로, 이것에 따라서 신호 VLMG에 의해 제1 전류 지령 IDREF가 감소하기 때문에, 컨버터부(10)는 가선(1)으로의 회생 전류를 억제할 수 있어 입력 전압의 상승을 억제할 수 있다. 이때, 가선(1)으로의 회생 전류가 억제된 만큼만, 전동기(40)의 회생 전류는 전력 저장부(50)에 흘러들게 된다. 이 때문에, 전압 BES는 더욱 상승하게 되므로, 회생 토크 감소량 설정부(35)에 있어서, 회생 토크의 감소를 개시하는 제3 설정값(과충전 억제 게인 생성부(67)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 억제를 개시하는 제1 설정값 또는 제1 전류 지령 조정부(70)로 설정하는 전력 저장부(50)로의 충전 전류의 억제를 개시하는 제5 설정값보다도 큰 값임)을 초과한 단계에서, 인버터부(30)에 의해 전동기(40)의 회생 토크가 감소된다. 전압 BES가 제４ 설정값에 도달한 시점에서 회생 토크는 제로까지 감소되므로, 더 이상 전력 저장부(50)가 충전되는 일은 없다. 따라서 전력 저장부(50)의 허용 상한 전압을 제４ 설정값으로 하여 설정하면 좋다.
이와 같이 동작하므로, 전력 저장부(50)의 충전 상태가 증가해 전압 BES가 상한 부근에 도달하더라도, 가선(1)의 회생 부하가 충분히 있는 경우는 전동기(40)의 회생 전력을 가선(1)에 회생하도록 연속적으로 동작하므로, 가선(1)의 회생 부하가 부족하지 않은 한 전동기(40)의 회생 브레이크 토크가 감소되는 일이 없다. 따라서 회생 브레이크시에는, 전력 저장부(50)로의 회생 충전을 우선적으로 실행하여, 또한 전력 저장부(50)가 과충전되지 않도록 회생 전류의 과잉분을 가선(1)에 회생 가능하게 할 수 있으므로, 회생 전력을 최대한, 전력 저장부(50)에 회수 가능하게 함과 아울러, 전동기(40)의 회생 브레이크 토크의 감소를 최대한 회피한 연속적이고 안정된 회생 브레이크를 얻을 수 있다.
또한, 회생 토크 감소량 설정부(35), 과충전 억제 게인 생성부(67), 제1 전류 지령 조정부(70) 모두를, 전력 저장부(50)의 전압 BES에 기초하여 신호를 생성하는 구성으로 설명했지만, 전력 저장부(50)의 충전 상태를 나타내는 신호라면 전압 BES 이외여도 좋고, 예를 들면 전력 저장부(50)의 SOC(State Of Charge: 충전량) 이라도 좋다.
또, 회생 토크 감소량 설정부(35)와 감산기(36)로 이루어지는 회생 감소 처리의 구성은, 상기한 기능, 즉 인버터부(30)의 입력 전압의 크기에 기초하여 전동기(40)의 회생 토크의 감소 제어를 실현할 수 있으면 좋고, 도 7에 도시된 것 이외여도 상관없다. 신호 VDT를 요구 토크 PTRS에 대한 0~1의 값을 취하는 게인으로 하여도 좋고, 토크 지령 대신에 전동기(40)의 토크분 전류 지령을 감소시키는 구성으로 하여도 좋다.
다음으로, 상술한 구성의 요점 및 효과를 이하에 나타낸다.
인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 회생 방향의 전류인 경우는, 이 전류를 전력 저장부(50)에 우선적으로 흘려서 회생 충전을 실행하기 위한 신호 IMBN을 생성하고, 이 신호 IMBN과 전력 저장부(50)의 전압 BES에 기초하여 전력 저장부(50)의 과충전을 회피하기 위한 전류 억제 처리를 실행한 신호 IREGREF를 생성하도록 구성했다. 신호 IREGREF는 회생 충전 제어를 실행하기 위한 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값이다. 이와 같이 구성하였기 때문에, 인버터부(30)의 회생 전류를 전력 저장부(50)의 허용 범위 내에서 전력 저장부(50)에 지연 없게 회생 충전하는 제어를 실행할 수 있다.
다음으로, 강제 충전 전류 설정부(602)는 신호 IREGREF의 값에 기초하여, 전력 저장부(50)의 충전 전류의 크기의 최저값이 강제 충전 전류 지령 JREF 이상이 되도록 처리한 신호 IREGREF1을 생성하도록 구성하였다. 신호 IREGREF1은 회생 충전 제어와 강제 충전 제어를 실행하기 위한 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값이다. 이와 같이 구성하였기 때문에, 인버터부(30)의 회생 전류를 전력 저장부(50)의 허용 범위 내에서 전력 저장부에 우선적으로 지연 없게 회생 충전하고, 또한 임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 충전을 실행하는 제어를 실행할 수 있다.
인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 역행 방향의 전류인 경우는, 이 전류를 가선(1)으로부터 우선적으로 수전하기 위한 신호 IMBP를 생성하고, 이 신호 IMBP와 신호 PAG로부터 신호 IPAS를 생성하도록 구성했다. 신호 IPAS는 역행 방전 제어를 실행하기 위한 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값이다. 이와 같이 구성하였기 때문에, 인버터부(30)의 역행 전류를 가선(1)으로부터 우선적으로 수전하면서, 임의 비율로 전력 저장부(50)로부터 어시스트 방전을 실시하는 것이 가능한 제어계를 구축할 수 있다.
다음으로, 강제 방전 전류 설정부(601)는 신호 IPAS의 값에 기초하여, 전력 저장부(50)의 방전 전류의 크기의 최저값이 강제 방전 전류 지령 HREF 이상이 되도록 처리한 신호 IPAS1을 생성하도록 구성했다. 신호 IPAS1은 역행 방전 제어와 강제 방전 제어를 실행하기 위한 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값이다. 이와 같이 구성하였기 때문에, 인버터부(30)의 역행 전류를 가선(1)으로부터 우선적으로 수전하면서, 임의 비율로 전력 저장부(50)로부터 어시스트 방전을 실시하는 것, 또한 임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 방전을 실행하는 제어를 실행할 수 있다.
또, 상기와 같이 생성한 신호 IREGREF1과 신호 IPAS1로부터 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값인 신호 IBREF1을 생성하도록 구성했다. 신호 IBREF1은 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어의 각 기능을 실현하는 전력 저장부(50)의 전류의 기본적인 목표값이 된다. 이와 같이, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB의 순간값에 기초하여 신호 IBREF1을 생성하기 때문에, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 크기와 방향의 변화에 순간적으로 대응한 신호 IBREF1을 생성할 수 있으므로, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어를 실현하는 제어를 실행할 수 있다.
다음으로, 신호 IBREF1에 기초하여 전력 저장부(50)의 상태(전압 상태, 온도 상태)와 전력 저장 소자(51)의 허용 최대 전류를 고려하여, 실제로 전력 저장부(50)가 충방전 가능한 전류의 순간값을 결정하여, 최종적인 전력 저장부(50)의 충방전 전류의 지령인 제2 전류 지령 IBREF3을 생성하도록 구성했다. 이와 같이 구성했으므로, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어를 실현하고, 또한 전력 저장부(50)의 전압 상태, 온도 상태, 허용 최대 전류를 고려한 제어를 실행할 수 있다.
다음으로, 제2 전류 지령 IBREF3과 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1에 기초하여 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD의 전류 지령의 기본이 되는 신호 IDREF1을 생성하도록 구성했다. 신호 IDREF1은 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어를 실현하고, 또한 전력 저장부(50)의 전압 상태, 온도 상태, 허용 최대 전류를 고려한 제어를 실행하기 때문에, 컨버터부(10)가 부담해야 할 전류의 기본적인 지령이 된다. 이와 같이 구성했으므로, 전력 저장부(50)의 전류를 제2 전류 지령 IBREF3에 일치시키기 위해서 필요한 컨버터부(10)가 부담하는 전류의 순간값의 지령을 생성할 수 있다.
다음으로 신호 IDREF1에 기초하여, 집전 장치(2)의 온도 상승 억제, 컨버터부(10)의 입력 전압 상태, 컨버터부(10)의 허용 최대 전류를 고려하고, 최종적으로 컨버터부(10)가 부담하는 전류의 지령인 제1 전류 지령 IDREF를 생성하도록 구성했다. 제1 전류 지령 IDREF는 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어를 실현하고, 또한 전력 저장부(50)의 전압 상태, 온도 상태, 정격 최대 전류를 고려한 제어를 실행하고, 또한 집전 장치(2)의 온도 상승과 컨버터부(10)의 입력 전압의 상승을 억제하여, 컨버터부(10)의 전류를 최대 허용 전류 이하로 하는 컨버터부(10)가 부담해야 할 전류의 전류 지령이 된다. 이와 같이 구성했으므로, 전력 저장부(50)의 전류를 제2 전류 지령 IBREF3과 일치시키고, 또한 집전 장치(2)의 온도 상승 억제, 가선(1)의 회생 부하 상태, 컨버터부(10)의 최대 허용 전류를 고려한 컨버터부(10)의 전류의 순간값의 지령을 생성할 수 있다.
다음으로 제1 전류 지령 IDREF와 컨버터부(10)의 출력 전류 IMD의 편차에 기초하여, 제1 전류 지령 IDREF에 출력 전류 IMD가 일치하도록 비례 적분 제어를 실시하여 컨버터부(10)의 스위칭 소자의 온 오프(PWM) 제어를 실행하도록 구성했다. 이와 같이 구성했으므로, 가선(1)의 전압 변화나 전력 저장부(50)의 전압 변화 등의 외란에 영향을 받지 않고, 또 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동이 있어도, 컨버터부(10)의 출력 전류 IMD를 제1 전류 지령 IDREF에 고속으로 추종시키도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(14)를 상기와 같이 구성함으로써, 이하의 사항을 동시에 충족하는 제어 기능을 실현될 수 있다.
인버터부(30)의 회생 전류를 전력 저장부(50)의 허용 범위 내에서 전력 저장부(50)에 우선적으로 지연 없게 회생 충전하고, 또한 임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 충전을 실행하는 제어를 실행할 수 있다.
인버터부(30)의 역행 전류를 가선(1)으로부터 우선적으로 수전하면서, 소정 조건에 있어서 전력 저장부(50)로부터 어시스트 방전을 실시하는 것, 또한 임의의 전류로 전력 저장부(50)의 강제 방전을 행하는 제어를 실행할 수 있다.
인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대한 높은 추종성을 가진 역행 방전 제어, 회생 충전 제어, 강제 충전 제어, 강제 방전 제어를 실현하는 제어를 실행할 수 있고, 또한 전력 저장부(50)의 전압 상태, 온도 상태, 최대 허용 전류를 고려한 제어를 실행할 수 있다.
집전 장치(2)의 온도 상승 억제, 가선(1)의 회생 부하 상태를 고려하여 컨버터부(10)를 제어할 수 있다. 또, 컨버터부(10)의 최대 허용 전류를 고려하여 컨버터부(10)를 제어할 수 있다.
가선(1)의 전압이나 전력 저장부(50)의 전압 변동의 외란에 영향을 받지 않고, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 변동에 대해서 고속으로 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10)를 통과하는 전류 또는 전력을 제로를 포함한 임의 값으로, 또한 임의 방향의 대응 지령값과 일치하도록, 순간값 베이스로의 고속의 제어가 가능해진다. 따라서 가선(1)과 인버터부(30)와 전력 저장부(50)의 사이의 전력 플로우를 전기차의 주행 조건에 따라서 최적으로 제어하는 것을 가능하게 하는 시스템 효율이 좋은 전기차 추진용 전력 변환 장치의 제공이 가능해진다.
또한, 상기 설명에서는, 신호 IMB1, 신호 IMBP, 신호 IPAS, 신호 IPAS1, 신호 IMBN, 신호 IREGREF, 신호 IREGREF1, 신호 IBREF1, 신호 IBREF2, 신호 IBREF21, 신호 IBREF3, 신호 IDREF1, 신호 IDREF2, 신호 IDREF3, 신호 IDREF에 대해서, 각각 회로 중의 소정 부분의 전류, 또는 전류 지령으로서 설명했지만, 이러한 신호를 당해 부의 전력 또는 전력 지령에 상당하는 양으로 하여 구성해도 상관없다. 전력이 전류와 전압의 곱인 것을 이용하면, 전력에 기초한 제어계로 치환하는 것은 용이하다.
즉, 신호 IMB1, 신호 IMBP, 신호 IPAS, 신호 IPAS1, 신호 IMBN, 신호 IREGREF, 신호 IREGREF1, 신호 IBREF1, 신호 IBREF2, 신호 IBREF21, 신호 IBREF3, 신호 IDREF1, 신호 IDREF2, 신호 IDREF3, 신호 IDREF에 관한 각각의 회로 중의 당해 부분의 전류, 또는 전류 지령은 당해 개소의 전력 또는 전력 지령도 포괄한 의미이다.
또, 신호 IMB1은 인버터부(30)의 입력 전류로서 설명하고 있지만, 인버터부(30)를 통과하는 전류 또는 전력에 상당하는 양이면, 이외의 신호를 이용해도 구성이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 즉, 신호 IMB1은 제2 전력 변환부인 인버터부(30)를 통과하는 전류 또는 전력을 의미하고 있다.
이와 같이, 본 명세서 중에 있어서 「전류」 및 「전류 지령」이 되는 용어를 「전력」 및 「전력 지령」도 포함하는 「전기량」 및 「전기량 지령」로 바꾸어 기재한 경우에는, 「전류」 및 「전류 지령」 뿐만 아니라, 「전력」 및 「전력 지령」도 포함한 개념인 것을 의미한다.
＜＜시스템의 동작의 설명＞＞
다음으로, 이상 설명한 구성에 있어서 전기차 추진용 전력 변환 장치로서의 동작 및 효과에 대해서 설명한다.
＜＜전기차가 역행 가속하는 경우(역행 방전 제어)＞＞
전기차가 역행 가속하는 경우에 있어서, 역행 어시스트량 설정부(63)의 출력 신호 PAG가 0인 경우는, 제2 전류 지령이며 전력 저장부(50)의 충방전 전류 지령인 신호 IBREF3가 제로가 되므로, 제1 전류 지령이며 컨버터 회로(13)의 출력 전류 지령인 신호 IDREF는 인버터부(30)의 입력 전류인 IMB1과 동일해진다. 전류 제어부(110)는 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD가 신호 IDREF와 동일해지도록 제어하므로, 전동기(40)의 역행 전력은 컨버터부(10)를 통해서 모두 가선(1)으로부터 공급된다. 이와 같이 함으로써, 가선(1)으로부터 충분한 전력을 효율적으로 수전할 수 있을 때는, 전력 저장부(50)의 전력을 소비하는 일이 없기 때문에 전력 저장부(50)의 충전량의 저하를 회피하는 것이 가능해진다.
여기서, 역행 어시스트량 설정부(63)의 출력 신호 PAG를 0~1 중 임의의 값 n으로 한 경우는, 제2 전류 지령이며 전력 저장부(50)의 충방전 전류 지령인 신호 IBREF3은 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1과 극성이 반대이고, 크기는 입력 전류 IMB1에 상기 임의의 값 n을 곱셈한 값이 된다. 이 때문에, 제1 전류 지령이며 컨버터 회로(13)의 출력 전류 지령인 신호 IDREF는 전류 IMB1에서, 전력 저장부(50)로부터 공급되는 방전 전류분인 신호 IBREF3 분을 공제한 값이 된다. 전류 제어부(110)는 컨버터 회로(13)의 출력 전류를 신호 IDREF와 동일해지도록 제어하므로, 전동기(40)의 역행 전력 중, n×100％는 전력 저장부(50)로부터 공급되고, 나머지인 (1－n)×100％는 컨버터부(10)를 통해서 가선(1)으로부터 입력된다.
이와 같이, 전동기(40)에 공급하는 역행 전력을 전력 저장부(50)와 가선(1)으로부터 임의 비율로 공급할 수 있다. 따라서 예를 들어, 전기차의 속도가 높아 역행 전류가 큰 상태나, 가선(1)의 저항분이 커서 가선(1)의 전압이 저하한 상태에 있어서, 필요한 역행 전류의 일부를 전력 저장부(50)로부터 어시스트 방전하는 것이 가능하게 된다. 이렇게 함으로써, 전기차의 역행 성능을 유지하면서 가선(1)으로부터 수전하는 전류를 줄일 수 있으므로, 가선(1)의 저항으로 생기는 전력 손실이나, 가선(1)의 전압 강하를 억제할 수 있다.
＜＜전기차가 회생 브레이크로 감속하는 경우(회생 충전 제어)＞＞
다음으로, 전기차가 회생 브레이크를 걸고 있는 상태, 즉 인버터부(30)가 전동기(40)를 회생 운전하고 있는 경우에 대해서 설명한다.
전동기(40)를 회생 운전하고 있을 때, 전동기(40)로부터의 회생 전력은 인버터부(30)의 출력측으로부터 입력측으로 흐르므로, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1의 극성은 부가 된다. 전력 저장부(50)의 충전량이 낮고 신호 HVG가 1인 경우는, 제2 전류 지령이며 전력 저장부(50)의 충방전 전류 지령인 신호 IBREF3은 극성이 정이며 크기는 신호 IMB1과 동일한 값이 되므로, 제1 전류 지령이며 컨버터 회로(13)의 출력 전류 지령인 신호 IDREF는 제로가 된다. 전류 제어부(110)는 컨버터 회로(13)의 출력 전류를 신호 IDREF와 동일해지도록 제로로 제어하므로, 전동기(40)의 회생 전력은 모두 전력 저장부(50)에 충전된다. 전동기(40)의 회생 전력을 우선적으로 전력 저장부(50)에 충전함으로써, 가선(1)에 회생할 경우에 생기는 가선(1)에서의 전력 손실이나, 가선(1)의 전압 상승을 억제할 수 있다.
또, 회생 브레이크시에 인버터부(30)로부터의 회생 전류를 모두 전력 저장부(50)에 충전하고 있을 때, 전력 저장부(50)의 충전량이 증가하여 전압 BES가 제1 설정값을 초과했을 경우, 신호 IREGREF의 크기가 억제되고 제2 전류 지령 IBREF3의 크기가 억제된다. 이 억제분과 동일한 크기의 제1 전류 지령 IDREF가 생성되고, 억제분은 가선(1)에 회생된다. 이 때문에, 전동기(40)의 회생 토크가 감소되는 일은 없고, 연속적인 안정된 회생 브레이크를 얻을 수 있다.
또한, 도시는 하고 있지 않지만, 제2 전류 지령이며 전력 저장부(50)의 충방전 전류 지령인 신호 IBREF3에 임의로 게인 n(n=0~1)을 곱함으로써, 전동기(40)의 회생 전력을 전력 저장부(50)와 가선(1)에 임의 비율로 회생할 수 있다.
또, 가선(1)의 회생 부하가 부족한 경우, 입력 전압 상승 억제부(102)에 의해 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD의 상승을 억제하도록 조정한 제1 전류 지령이며 컨버터 회로(13)의 출력 전류 지령인 신호 IDREF를 생성하고, 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 신호 IDREF와 일치하도록 제어하는 구성으로 했으므로, 컨버터부(10)가 과전압을 검지하여 트립되거나 가선(1)에 연결되는 기기를 손상시키는 것을 회피할 수 있다.
＜＜전력 저장부(50)를 강제 충전하는 경우(강제 충전 제어)＞＞
전기차가 정차 중(인버터부(30)의 입력 전류 IMB1=0)일 때, 전력 저장부(50)를 강제 충전하는 경우를 예로서 설명한다. 우선, 강제 충전 전류 지령인 신호 JREF=100A로 설정한다. 그러면 제2 전류 지령 IBREF3=100A로 되어 제1 전류 지령 IDREF=100A가 되므로, 컨버터부(10)는 가선(1)으로부터 전력 저장부(50)에 100A로 충전을 실행한다.
다음으로, 전기차가 역행 중(인버터부(30)의 입력 전류 IMB1＞0)에서 역행 어시스트 제어를 실시하고 있지 않는 경우(신호 PAG=0)에 있어서, 전력 저장부(50)를 강제 충전하는 경우를 예로서 설명한다. 상기와 동일하게, 신호 JREF=100A로 설정한다. 그러면 신호 IREGREF1=100A가 된다. 신호 PAG=0이므로, 신호 IPAS1=0이 된다. 따라서 제2 전류 지령 IBREF3=100A가 된다. 제1 전류 지령 IDREF는 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1과 IBREF3(=100A)의 합계가 되고, 컨버터부(10)는 가선(1)으로부터 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1과 IBREF3(=100A)의 합계 전류를 가선(1)으로부터 수전한다. 전력 저장부(50)에는 인버터부(30)로의 전류 IMB1을 공제한 100A로 충전을 실행할 수 있다.
다음으로, 전기차가 회생 중(인버터부(30)의 입력 전류 IMB1＜0)이면서, 전력 저장부(50)를 강제 충전하는 경우를 예로서 설명한다. 우선, 상기와 동일하게 신호 JREF=100A로 설정한다. 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 예를 들면 -300A라면, 신호 IREGREF=300A가 된다. 이것은 신호 JREF(=100A)보다도 크기 때문에, 신호 IREGREF1=300A가 된다. 따라서 제2 전류 지령 IBREF3=300A가 된다. 제1 전류 지령 IDREF는 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1(=－300A)과 IBREF3(=300A)의 합계이기 때문에 제로가 되어, 컨버터부(10)는 가선(1)에서는 전류를 취득하지 않고, 전력 저장부(50)는 인버터부(30)로부터의 회생 전류만으로 충전을 실행하게 된다.
또한, 지금까지의 설명으로부터 알 수 있듯이, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 예를 들어 -50A라면, 컨버터부(10)는 신호 JREF(=100A)와의 차분인 50A를 가선(1)으로부터 취득하고, 전력 저장부(50)는 인버터부(30)로부터의 회생 전류와 가선(1)으로부터의 전류를 합한 100A로 충전을 실행하게 된다. 즉, 강제 충전 제어에서는 전력 저장부(50)의 충전 전류의 크기를, 적어도 신호 JREF로 설정한 값(=100A)으로 할 수 있다. 이 강제 충전 제어는, 예를 들어, 역행 어시스트 방전을 다용하는 경우나, 전기차를 비전화 구간을 주행시키기 전 등에 전력 저장부(50)의 충전량을 증가시키고 싶은 경우에 유용하다.
＜＜전력 저장부(50)를 강제 방전하는 경우(강제 방전 제어)＞＞
전기차가 정차 중(인버터부(30)의 입력 전류 IMB1=0)일 때, 전력 저장부(50)를 강제 방전하는 경우를 예로서 설명한다. 우선, 강제 방전 전류 지령인 신호 HREF=－100A로 설정한다. 그러면 제2 전류 지령 IBREF3=－100A로 되고, 제1 전류 지령 IDREF=－100A가 되므로, 컨버터부(10)는 전력 저장부(50)로부터 가선(1)에 100A로 방전을 실행한다.
다음으로, 전기차가 역행 중(인버터부(30)의 입력 전류 IMB1＞0)일 때 역행 어시스트 제어를 실시하고 있지 않는 경우(신호 PAG=0)에 있어서, 전력 저장부(50)를 강제 방전하는 경우를 예로서 설명한다. 상기와 동일하게, 신호 HREF=－100A로 설정한다. 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 예를 들면 300A로 하면, 신호 IPAS=－300A가 된다. 이 IPAS는 신호 HREF(－100A)보다 작기 때문에, 신호 IPAS1=－300A가 된다. 따라서 제2 전류 지령 IBREF3=－300A가 된다. 제1 전류 지령 IDREF는 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1(=300A)과 IBREF3(=－300A)의 합계이기 때문에 제로가 되고, 컨버터부(10)는 가선(1)에는 방전하지 않고, 전력 저장부(50)는 인버터부(30)의 역행 전류(300A)로 방전된다.
또한, 지금까지의 설명으로부터 알 수 있듯이, 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1이 예를 들면 50A라면, 컨버터부(10)는 신호 HREF(=－100A)와의 차분인 50A를 가선(1)에 방전하고, 전력 저장부(50)는 인버터부(30)로의 전류 IMB1과 가선(1)으로의 방전 전류를 합한 100A로 방전을 실행하게 된다. 즉, 강제 방전 제어에서는 전력 저장부(50)의 방전 전류의 크기를 적어도 100A로 할 수 있다. 이 강제 방전 제어는, 예를 들어, 전기차의 운행이 종료되었을 때 등에 있어서, 전력 저장부(50)의 충전량을 저하시키고 싶은 경우에 유용하다.
어느 제어시에 있어서도, 과충전 억제 게인 생성부(67), 제1 전류 지령 조정부(70)에 의해, 운전 중에 전력 저장부(50)의 전압 BES가 상한값인 제2 설정값 또는 제6 설정값을 초과하지 않고, 하한값인 제8 설정값을 하회하지 않도록 조정한 제1 전류 지령인 신호 IDREF를 생성하고, 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 신호 IDREF와 일치하도록 제어하는 구성으로 하고 있으므로, 전력 저장 소자(51)의 과충전이나 과방전에 의한 열화를 억제할 수 있다.
또, 과충전 억제 게인 생성부(67), 제1 전류 지령 조정부(70)에 의해, 운전중에 전력 저장부(50)의 전압 BES가 상한값인 제2 설정값을 초과하지 않고, 하한값인 제8 설정값을 하회하지 않도록 조정한 제2 전류 지령 IBREF3과 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1에 기초하여 제1 전류 지령인 신호 IDREF를 생성하고, 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 신호 IDREF와 일치하도록 제어하는 구성으로 하고 있으므로, 전력 저장부(50)의 충전량이 높아서 충분히 회생 충전할 수 없는 경우나, 충전량이 낮아서 충분히 방전을 할 수 없는 경우에서도, 인버터부(30)의 역행 전류 또는 회생 전류 중 전력 저장부(50)로 부담할 수 없는 과부족분의 전류를, 연속적이고 순간적으로 가선(1)으로부터 수전 또는 가선(1)에 회생할 수 있으므로, 인버터부(30)의 역행 또는 회생 동작에 영향을 주지 않고 전동기(40)의 운전 상태에 영향을 주지 않는다.
또한, 제2 전류 지령 조정부(80)에 의해, 전력 저장부(50)가 소정값보다도 고온인 경우에 전력 저장부(50)의 전류를 저감하고, 또 전력 저장부(50)가 소정값보다도 저온인 경우에, 특히 충전 전류를 저감하도록 조정한 제1 전류 지령인 신호 IDREF를 생성하여, 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 신호 IDREF와 일치하도록 제어하는 구성으로 하고 있으므로, 고온 아래, 저온 아래에서의 충방전에 의한 전력 저장 소자(51)의 열화를 억제할 수 있다.
또, 제2 전류 지령 조정부(80)에 의해, 전력 저장부(50)가 소정값보다도 고온인 경우에 전력 저장부(50)의 전류를 저감하고, 또 전력 저장부(50)가 소정값보다도 저온인 경우에, 특히 충전 전류를 저감하도록 조정한 제2 전류 지령 IBREF3과 인버터부(30)의 입력 전류 IMB1에 기초하여 제1 전류 지령인 신호 IDREF를 생성하여, 컨버터 회로(13)의 출력 전류 IMD를 신호 IDREF와 일치하도록 제어하는 구성으로 하고 있으므로, 전력 저장부(50)의 온도가 적정한 범위 외여서 충분히 충방전을 할 수 없는 경우에서도, 인버터부(30)의 역행 전류 또는 회생 전류 중 전력 저장부(50)로 부담할 수 없는 과부족분의 전류를 연속적이고 순간적으로 가선(1)으로부터 수전 또는 가선(1)에 회생할 수 있으므로, 인버터부(30)의 역행 또는 회생 동작에 영향을 주지 않고 전동기(40)의 운전 상태에 영향을 주지 않는다.
또, 제3 전류 지령 조정부(100)에 의해, 전기차가 정지시나 저속 주행시에는 입력 전류 ISD의 크기를 낮게 제한하고, 전기차의 속도가 높은 영역에 있어서는 입력 전류 ISD의 크기를 크게 취할 수 있는 구성으로 하여, 특히, 전기차가 정지 중이거나 저속 주행시에 집전 장치(2)의 집전 전류를 억제할 수 있는 구성으로 하고 있으므로, 집전 장치(2)나, 가선(1)과 집전 장치(2)의 접촉부의 온도 상승의 억제가 가능해진다.
또, 전력 저장부(50)는 컨버터부(10)와 인버터부(30)에 직결하여 배치하고, 컨버터부(10)의 컨버터 제어부(14)에 의해 전력 저장부(50)의 충방전 전류 지령을 생성하고, 이 충방전 전류 지령에 기초하여 컨버터 회로(13)를 통과하는 전류를 제어하는 구성으로 했으므로, 컨버터부(10)에 의해 전력 저장부(50)의 충방전 전류를, 제로를 포함한 임의 크기, 임의 방향의 최적값으로 제어하는 것이 가능해진다. 그 결과, 컨버터부(10)와 전력 저장부(50)의 사이, 또는 인버터부(30)와 전력 저장부(50)의 사이에 전력 저장부(50)로의 충방전 전류를 제어하는 전력 변환 회로를 마련할 필요가 없어 소형 저비용의 시스템 구성이 가능해진다.
이상 설명한 것처럼, 가선으로부터의 전력을 컨버터부에 입력하고, 이 컨버터부의 출력측에 부하인 전동기를 구동하는 인버터부와 전력 저장 소자를 병렬에 접속함과 아울러, 컨버터부에는 전력 저장 소자로의 전류를, 제로를 포함한 임의 크기, 임의 방향의 최적값으로 제어할 수 있는 컨버터 제어부를 가진 구성으로 함으로써, 인버터부로부터 전력 저장 소자로의 회생, 또는 전력 저장 소자로부터의 인버터부로의 방전을 다용하는 용도에 바람직한 전기차 추진용 전력 변환 장치를 구성하는 것이 가능해진다.
또한, 컨버터부(10)로서 집전 장치(2)로부터 직류가 입력되고 직류를 출력하는 형태로 나타냈지만, 컨버터부(10)는 교류가 입력되고 직류를 출력하는 형태여도 상관없다. 이와 같은 구성은, 가선(1)이 교류인 교류 전화(電化) 구간을 주행하는 전기차의 경우에 바람직하다. 이 경우, 컨버터부(10)는 PWM 컨버터 회로를 가지고 구성하는 것이 바람직하다. 또한, PWM 컨버터 회로는 공지 기술이다. 컨버터 제어부(14)의 구성으로서는, 제1 전류 지령인 신호 IDREF에 기초하여, 교류 입력의 전류를 제어하는 컨버터 입력 전류 제어 수단을 부가하면 좋다. 또한 컨버터 입력 전류 제어 수단에 대해서도, 여러 가지의 구성이 공지되어 있다.
이상의 설명에서는 컨버터부(10), 인버터부(30), 전력 저장부(50)는 각각 1조(組)로 구성된 예로 설명했지만, 예를 들어 컨버터부(10), 인버터부(30), 전력 저장부(50)를 복수 대 병렬 접속하여 시스템을 확장하는 경우에 있어서도, 본 발명의 내용을 적용하는 것은 용이하다.
또한, 상기 실시 형태에 제시된 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 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 관한 전기차 추진용 전력 변환 장치는 인버터부로부터 전력 저장부에의 전력 회생, 또 전력 저장부로부터의 인버터부로의 전력 공급을 다용하는 용도에 유용하다.
1: 가선 2: 집전 장치
3: 차바퀴 4: 레일
10: 컨버터부 13: 컨버터 회로
131: 필터 리액터 132: 필터 콘덴서
133A: 1차측 상단 암 스위칭 소자 133B: 1차측 하단 암 스위칭 소자
133C: 2차측 상단 암 스위칭 소자 133D: 2차측 하단 암 스위칭 소자
134: 평활 리액터 135: 평활 콘덴서
14: 컨버터 제어부 30: 인버터부
33: 인버터 회로 34: 인버터 제어부
35: 회생 토크 감소량 설정부 36, 92: 감산기
37: 토크 제어부 40: 전동기
41: 회전 검출기 50: 전력 저장부
51: 전력 저장 소자 52: 온도 검출기
60: 제1 전류 지령 생성부 61: 부(負)값 커트부
62, 66: 극성 반전 게인 63: 역행 어시스트량 설정부
64, 68, 101: 곱셈기 65, 93: 정(正)값 커트부
67: 과충전 억제 게인 생성부 69, 90: 가산기
601: 강제 방전 전류 설정부 602: 강제 충전 전류 설정부
70: 제1 전류 지령 조정부 71A: 제2 과충전 억제 게인 생성부
71B: 과방전 억제 게인 생성부 72A, 72B: 스위치
73: 곱셈기 80: 제2 전류 지령 조정부
81: 전류 지령 제한부 91: 입력 전류 제한값 설정부
94: 절대값 연산부 95: 입력 전류 제한부
100: 제3 전류 지령 조정부 102: 입력 전압 상승 억제부
103: 전류 지령 제한부 110: 전류 제어부

Claims (28)

  1. 외부 전원에서 입력된 전압을 소망한 직류로 변환하여 출력하고, 출력측으로부터 상기 외부 전원측으로의 전력 회생이 가능하게 구성된 제1 전력 변환부와,
    상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속되어 부하를 구동하는 제2 전력 변환부와,
    상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속되고 전력 저장 소자를 포함하는 전력 저장부와,
    상기 제1 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력의 지령인 제1 전기량 지령을 생성함과 아울러, 생성한 제1 전기량 지령에 기초하여 상기 전력 저장부의 전류 또는 전력을 제어하는 제1 제어부를 가진 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력에 기초하여 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력에 기초하여, 상기 전력 저장부의 전류 또는 전력의 지령인 제2 전기량 지령을 생성하는 제1 전기량 지령 생성부를 가지고, 상기 제2 전기량 지령에 기초하여 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력에 기초하여, 상기 전력 저장부의 전류 또는 전력의 지령인 제2 전기량 지령을 생성하는 제1 전기량 지령 생성부를 가지고, 상기 제2 전기량 지령과 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력에 기초하여 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전기량 지령과 상기 제1 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력의 편차에 기초하여 상기 편차를 최소로 하는 제어를 상기 제1 전력 변환부에 대해서 실행하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 역행 방향의 흐름인 경우에는, 상기 전력 저장부의 전류 또는 전력을 거의 제로로 제어 가능한 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 역행 방향의 흐름인 경우에는, 상기 제2 전기량 지령을 거의 제로로 하는 제어를 실행하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 역행 방향의 흐름인 경우에는, 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력 중, 상기 외부 전원으로부터 수전하는 분과 상기 전력 저장부로부터 공급하는 분을 임의 비율로의 배분을 제어 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 역행 방향의 흐름인 경우에는, 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력 중 임의 비율분에 기초하여 상기 제2 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름인 경우에는, 상기 전력 저장부의 전류 또는 전력을 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력과 동일한 크기로 제어 가능한 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름인 경우에는, 상기 제1 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력을 거의 제로로 제어 가능한 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름인 경우에 있어서, 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값에 기초하여, 상기 제1 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력을 조정하여, 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 회생 전류 또는 회생 전력 중 일부를 상기 외부 전원에 회생하는 제어를 실행하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  13. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름인 경우에 있어서, 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값에 기초하여 상기 제2 전기량 지령을 조정하여, 상기 제2 전기량 지령과 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력에 기초하여 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름이고, 또한 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값이 제1 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 상기 제2 전기량 지령의 크기를 감소시키는 제어를 가능하게 하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름이고, 또한 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값이 제2 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 상기 제2 전기량 지령의 크기를 거의 제로로 하는 제어를 가능하게 하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름이고, 또한 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값이 제1 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력의 일부를 상기 외부 전원측에 회생 가능하게 구성되고,
    상기 제2 전력 변환부의 제어부인 제2 제어부는 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값이, 상기 제1 설정값보다도 큰 값으로 설정된 제3 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 전동기로부터의 회생 전류 또는 회생 전력을 감소 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력이 회생 방향의 흐름이고, 또한 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 값이 제2 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력 모두를 상기 외부 전원측에 회생 가능하게 구성되고,
    상기 제2 전력 변환부의 제어부인 제2 제어부는 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 소정값이 상기 제2 설정값보다도 큰 값으로 설정된 제3 설정값을 초과하는 경우에 있어서, 상기 전동기로부터의 회생 전류 또는 회생 전력을 감소 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력의 크기에 의하지 않고, 별도로 정한 강제 방전 전류값에 상당하는 전류 또는 전력을, 상기 전력 저장부로부터 방전하는 것을 가능하게 하는 제1 전기량 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제2 전력 변환부를 통과하는 전류 또는 전력의 크기에 의하지 않고, 별도로 정한 강제 충전 전류값에 상당하는 전류 또는 전력을, 상기 전력 저장부에 충전하는 것을 가능하게 하는 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  20. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 전기량 지령 생성부는 상기 전력 저장부의 충전 상태를 나타내는 신호가 입력되고, 상기 충전 상태를 나타내는 신호에 기초하여 상기 제2 전기량 지령의 조정을 실행하는 제1 전기량 지령 조정부를 가진 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 충전 상태를 나타내는 신호는 상기 전력 저장부의 전압인 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  22. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 전기량 지령 생성부는 상기 전력 저장부의 온도가 입력되고, 상기 전력 저장 소자의 온도에 기초하여 상기 제2 전기량 지령의 조정을 실행하는 제2 전기량 지령 조정부를 가진 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  23. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 입력 전압이 입력되고, 상기 입력 전압에 기초하여 상기 제1 전기량 지령의 조정을 실행하는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 입력 전압이 소정값 이상인 경우, 상기 입력 전압이 상기 소정값 이하인 경우보다도 상기 제1 전기량 지령의 크기를 감소시키는 구성으로 된 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  25. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 입력 전류 또는 입력 전력이 소정값 이하가 되도록 조정된 제1 전기량 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 제1 제어부는 전기차의 속도에 상당하는 속도 정보가 더 입력되고,
    전기차의 차속이 낮은 경우의 상기 소정값은 차속이 높은 경우의 상기 소정값보다도 낮은 값인 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  27. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 전력 저장부의 충전 전류 또는 충전 전력, 및 방전 전류 또는 방전 전력의 크기를, 각각 소정의 제한값 이하로 제어 가능하게 결정된 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
  28. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 전류 또는 전력의 크기를, 소정의 제한값 이하로 제어 가능하게 결정된 상기 제1 전기량 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 추진용 전력 변환 장치.
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