KR20120060898A

KR20120060898A - 추진 제어 장치

Info

Publication number: KR20120060898A
Application number: KR1020127010542A
Authority: KR
Inventors: 다케오 마츠모토
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2012-06-12
Also published as: US20120296507A1; JP4973813B2; ZA201202643B; KR101387092B1; AU2009356390A1; CA2783782C; JPWO2011070609A1; CN102639354A; WO2011070609A1; CN102639354B; EP2511123B1; EP2511123A4; ES2573334T3; AU2009356390B2; MX2012006479A; RU2502614C1; CA2783782A1; US8738208B2; EP2511123A1; AU2009356390B9

Abstract

[과제] 보조 전원 장치가 주변환 장치의 중간 링크 회로에 접속되어 있는 구성에서는, 보조 전원 장치의 입력 전압인 중간 링크 전압이 주기(主機)인 주변환 장치에 의존하고, 고전압으로 설정되며, 보조 전원 장치의 주회로 소자의 발생 손실이 커지기 때문에 냉각기를 대형화해야 한다고 하는 문제가 있었다.
[해결수단] 주변환 장치는 저속ㆍ정차시를, 차량 속도를 감시함으로써 인식하고, 차량 속도에 따라 중간 링크 전압을 변화시킴으로써, 냉각 능력이 저하하는 저속ㆍ정차시에 있어서의 보조 전원 장치의 주회로 소자의 발생 손실을 저하시켜, 냉각기의 소형ㆍ경량화를 도모하는 것이다.

Description

추진 제어 장치{PROPULSION CONTROL DEVICE}

본 발명은 교류 전기차의 추진 제어 장치에 관한 것이다.

전기차에는 일반적으로 전기차 내의 조명이나 공조(空調) 등에 전력을 공급하기 위한 보조 전원 장치가 마련되어 있다. 보조 전원 장치에 대한 부하(조명이나 공조 등)는 차량 속도에 관계없이 보조 전원 장치의 주회로 소자에 열(손실)을 발생시킨다. 이에 주회로 소자의 냉각이 필요하게 되는데, 보조 전원 장치의 주회로 소자의 냉각 방식에는 주행풍을 이용하는 자기 통풍식과 팬을 이용하는 강제 풍냉식이 있다.

자기 통풍식을 채용하고 있는 경우의 냉각 능력은, 주행풍의 세기가 차량 속도에 의존하기 때문에 차량 속도가 느려지는 것과 동시에 저하하고, 주행풍을 기대할 수 없는 정차시에 가장 낮아진다. 이에, 최악의 조건하에서의 냉각 능력을 보장하기 위해서는, 정차시의 무풍 상태를 설계 조건으로 해서 보조 전원 장치의 주회로 소자의 냉각 설계를 수행한다.

한편, 교류 전기차의 전력 변환 시스템의 구성에 있어서, 주변환 장치(Converter-Inverter)의 중간 링크(link) 접속부에 보조 전원 장치를 접속하는 구성의 경우, 보조 전원 장치의 입력 전압은 주변환 장치의 중간 링크 전압이 된다. 통상 당해 전압은 주변환 장치의 부하인 주전동기(차량 구동용 모터)에 의존하기 때문에 고전압으로 설정되고, 주변압기에서 직접 전력을 얻는 구성에 비해 주회로 소자의 발생 손실이 커지는 경향이 있다.

종래부터, 전력 변환 시스템에 있어서의 주회로 소자의 발생 손실을 저감하는 하나의 방책으로서, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 직류-교류 변환 수단(인버터)이나 교류-직류 변환 수단(컨버터)을 부하 전력이나 입력 전력 등에 따라 제어하는 방법, 일례로서 인버터의 입력 전압을 상하 변경하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 특개 2006-121816호 공보(제3-4페이지, 제4도)

그러나, 상기와 같은 중간 링크 접속부에 보조 전원 장치를 접속하는 구성의 전력 변환 시스템의 경우, 중간 링크 전압이 고전압으로 설정되기 때문에 보조 전원 장치의 주회로 소자의 발생 손실이 커진다. 또한, 동(同) 전압이 주기(主機)인 주변환 장치에 의존하기 때문에 보조 전원 장치의 사정으로 상기 종래 기술을 단순하게 이용한 인버터의 입력 전압 제어를 수행할 수도 없고, 냉각 능력을 향상시키기 위해서는 냉각기를 대형화하지 않으면 안 된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 주변환 장치의 중간 링크 접속부에 보조 전원 장치를 접속하는 구성의 경우에, 보조 전원 장치의 주회로 소자의 발생 손실을 저감한 추진 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서의, 중간 링크 접속부에 자기 통풍 방식에 의해 냉각을 수행할 수 있는 보조 전원 장치를 마련한 추진 제어 장치에 있어서는, 차량 속도가 VVVF 종단속도 이하인 때에 상기 중간 링크 접속부의 전압을 낮추는 컨버터 제어부를 마련했다.

본 발명에 의하면, 주변환 장치의 중간 링크 접속부에 보조 전원 장치를 접속하는 구성의 경우에, 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 발생 손실을 저감한 추진 제어 장치를 제공할 수 있다.

도 1은　본 발명에 관한 실시형태 1에 관한 전력 변환 시스템의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 보조 전원 장치의 입력 전압과 보조 전원 장치의 주회로 소자에 있어서의 인버터 손실의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적인 주변환 장치에 있어서의 차량 속도와 출력 인장력(a) 및 출력전압(b)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 중간 링크 전압의 제어 가능한 영역을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 인버터 제어부의 구성도이다.
도 6은 일반적인 주변환 장치에 있어서의 차량 속도와 컨버터 입력 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 중간 링크 전압 지령 생성부의 예이다.
도 8은 보조 전원 장치의 주회로 소자의 발생 손실과 온도 상승의 예를 나타낸 그래프이다.

[실시형태 1]

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 시스템의 구성 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서 전력 변환 시스템은 교류 전기차에 탑재되고, 발전소로부터 가선(架線)을 타고 들어오는 교류 전류가 팬터그래프(pantagraph, 1)로부터 입력된다. 주변압기(2)는 팬터그래프(1)의 출력전압을 변환해서 출력한다.

컨버터(3)는 주변압기(2)의 출력을 교류에서 직류로 변환한다. 컨버터(3)의 출력전압이 중간 링크 전압이다. 인버터(4)는 컨버터(3)의 출력을 직류에서 3상 교류로 변환한다. 필터 콘덴서(filter capacitor, 5)는 컨버터(3)의 직류 출력 측에 마련되고, 컨버터(3)의 출력 노이즈를 제거해서 중간 링크 전압을 평활화한다. 주전동기(6)는 인버터(4)로부터 3상 교류가 입력되어 전기차를 구동한다. 보조 전원 장치(7)는 중간 직류 회로에 접속되어 있고, 조명이나 공조 등에 전력을 공급하는 전원이다. 또한, 인버터(4)는 중간 링크 전압에 의존하지 않고, 전기차의 속도에 따른 전력을 출력한다.

중간 링크 전압 지령 생성부(8)는 주전동기(6)의 로터(rotor) 주파수 FM(차량 속도에 상당)에 따르고, 중간 링크 전압 지령(Vd*)을 생성한다. 컨버터 제어부(9)는 전압 지령(Vd*)에 의해 실제로 컨버터(3)의 주회로 소자를 구동하는 게이트 펄스 신호를 생성하는 컨버터 제어부이다. 인버터 제어부(10)는 주전동기(6)의 로터 주파수(FM)가 입력되어 인버터(4)를 제어한다.

컨버터 제어부(9)는 중간 링크 전압 지령 생성부(8)로부터 전압 지령(Vd*)을 받아 예를 들면 다음과 같이 동작한다. 우선, 컨버터 제어부(9)는 중간 링크 전압이 중간 링크 전압 지령 생성부(8)로부터 받은 전압 지령(Vd*)에 일치하는 컨버터 전압 지령치를 연산한다.

아울러, 컨버터 제어부(9)는 이 전압 지령치에 기초해서 컨버터(3)의 주회로 소자를 구동하는 게이트 펄스 신호를 생성하고, 이 게이트 펄스 신호를 컨버터(3)로 보냄으로써 컨버터(3)를 제어한다. 이로 인해, 컨버터(3)의 출력은 중간 링크 전압(Vd)이 전압 지령(Vd*)에 일치하도록 제어된다.

종래의 교류 전기차용 전력 변환 시스템의 컨버터 제어부는, 통상 중간 링크 전압을 일정하게 유지하도록 컨버터(3)를 제어한다. 반면, 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 시스템의 컨버터 제어부(9)는, 후술하는 바와 같이 전압 지령(Vd*)이 차량 속도에 의해서 변화하기 때문에 그것에 대응해서 게이트 펄스 신호를 생성하고, 중간 링크 전압(Vd)을 차량 속도에 의해서 변화시키도록 컨버터(3)를 제어한다.

본 발명의 실시형태 1에 있어서의 보조 전원 장치(7)의 냉각 방식은 자기 통풍 방식이다. 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자는 도열판(導熱板)상에 마련되고, 도열판에는 방열 핀이 접속하고 있다. 주회로 소자에서 발생한 열은 도열판으로부터 방열 핀으로 전해지고, 방열 핀으로부터 대기중에 방열됨으로써 냉각이 이루어진다.

이 냉각기의 냉각 능력은, 주행풍의 세기가 차량 속도에 의존하기 때문에 차량 속도가 느려지는 것과 동시에 저하하고, 주행풍을 기대할 수 없는 정차시에 가장 낮아진다. 이에, 최악의 조건하에서의 냉각 능력을 보장하기 위해서는, 정차시의 무풍 상태를 설계 조건으로 해서 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 냉각 설계를 수행한다. 냉각 능력을 향상시키는 방법으로서 냉각 장치 전체를 대형화하는 것을 생각할 수 있지만, 대형화에 따른 냉각 장치의 중량이 증가하고, 보다 큰 스페이스의 확보가 필요하게 된다. 또한 냉각기의 비용도 증대한다.

도 2는 보조 전원 장치(7)의 입력 전압과 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자에 있어서의 인버터 손실의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 2에 있어서, 횡축은 보조 전원 장치(7)의 입력 전압이며, 종축은 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자에 있어서의 인버터 손실이다. 도 2 내의 화살표가 나타내는 바와 같이, 보조 전원 장치(7)의 입력 전압을 저하시키면 주회로 소자에 있어서의 인버터 손실을 저감시킬 수 있다. 그러나, 중간 링크 전압을 보조 전원 장치(7)의 입력 전압으로 하는 본 실시형태 1의 구성에서는, 보조 전원 장치(7)의 입력 전압을 단순하게 저하시킬 수 없으며, 발생 손실을 저감할 수 없다.

이에, 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 추진 제어 장치에 있어서는, 차량 속도에 따라 중간 링크 전압을 변화시킴으로써, 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 발생 손실을 저하시킨다. 이하, 이 점에 대해서 상세히 설명한다.

도 3은 본 실시형태 1에 관한 주변환 장치를 포함하는 일반적인 주변환 장치에 있어서의, 차량 속도와 출력 인장력(a) 및 출력전압(b)의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축은 차량 속도이며, 곡선(a)은 주전동기(6)의 출력 인장력, 곡선(b)은 주변환 장치의 인버터(4)의 출력전압을 나타내고 있다. 도 3에 있어서, A점부터 고속측은 CVVF(Constant Voltage Variable Frequency) 영역이며, A점부터 저속측은 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 영역이다. A점에 있어서의 차량 속도를 VVVF 종단속도라 한다.

CVVF 영역은 주전동기(6)가 소정의 성능을 출력하기 위해서, 인버터(4)를 최대 변조율로 운전하고 있는 영역이며, 차량 속도에 의하지 않고, 인버터(4)의 출력전압이 일정하다. 이 영역에서 중간 링크 전압을 변화시키는 것은 인버터(4)의 출력전압을 변화시키는 것과 등가가 되어 받아들여지지 않는다.

한편, VVVF 영역(차량 속도가 VVVF 종단속도 이하인 영역)은, 인버터(4)의 변조율을 가변으로 해서 인버터(4)의 출력전압을 제어하고 있는 영역이며, 차량 속도에 따라 인버터(4)의 출력전압이 변화한다. 이 영역에서는 중간 링크 전압을 변화시킬 수 있기 때문에 중간 링크 전압을 변화시킬 여지가 있다.

도 4는 차량 속도와 중간 링크 전압의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축이 차량 속도이며, 종축이 중간 링크 전압이다. 도면 내 '21'은 인버터 변조의 비동기 모드를 나타내고, '22'는 동기 모드를 나타낸다. VVVF 영역에서는 중간 링크 전압을 변화시킬 여지가 있지만, 그 변화시키는 방법은 이하와 같은 조건하에서 결정한다.

우선, 컨버터(3)가 제어 가능한 중간 링크 전압의 값에는 하한이 있어, 중간 링크 전압이 이 값을 밑돌지 않도록 해야 한다. 이 하한의 예를 도 4 내에 직선(a)으로 나타냈다. 이 제약에 의해 중간 링크 전압은 도 4 내에 있어서 직선(a)보다 높게 해야 한다.

한편, VVVF 영역에 있어서의 인버터(4)의 출력 변조율은 변조 모드(플러스 모드)에 따라 상한이 정해져 있어(예를 들면, 비동기 모드로 0.8~0.9, 동기 모드로 0.98~0.99 정도), 중간 링크 전압에는 도 3에 나타낸 (b)의 출력전압을 출력하기 위한 하한이 존재한다. 이 하한의 예를 도 4 내에 곡선(b)으로 나타냈다.

이러한 조건하에서는, 중간 링크 전압은 도 4 내에 사선으로 나타내는 영역(20)에서 제어할 수 있게 된다.

또한, 인버터 제어부(10)에 있어서의 출력 변조율은 이하에 설명하는 바와 같이 계산되어 인버터(4)가 제어되고 있다. 도 5는 인버터 제어부(10)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 5에 나타내는 출력전압 연산부(11)에는 주전동기(6)로부터 주파수(FM)가 입력된다. VVVF 영역에 있어서, 로터 주파수(FM)가 입력된 출력전압 연산부(11)는 인버터(4)의 출력전압을 도 3의 비례 직선에 따르도록 연산하고, 그 출력전압을 출력한다.

보정량 연산부(12)는 출력 전류 지령과 출력 전류 피드백에 의해 보정량을 연산하고, 그 보정량을 출력한다. 가산부(13)에서는 출력전압 연산부(11)로부터의 출력전압과 보정량 연산부(12)로부터의 보정량을 가산하고, 가산치를 상산부(14)에 출력한다. 상산부(14)에서는 가산부(13)로부터의 가산치를 중간 링크 전압(Vd)의 실제 검출치로 나누어 출력 변조율을 계산하고, 그 출력 변조율이 되도록 인버터(4)의 출력전압을 제어한다.

또한, 컨버터(3)에 입력되는 전류는 중간 링크 전압(Vd)을 바꿔도 변하지 않지만, 컨버터 출력 전류(직류 전류, Id)가 변한다. 도 6은 본 실시형태 1에 관한 주변환 장치를 포함하는 일반적인 주변환 장치에 있어서의 차량 속도와 컨버터 입력 전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축은 차량 속도이며, 곡선은 컨버터 입력 전류를 나타내고 있다. 도 6에 나타낸 컨버터 입력 전류가 일정한 영역인 정파워 영역(23)에 있어서는, 중간 링크 전압(Vd)과 컨버터 출력 전류(Id)의 곱은 일정한 값이다. 또한, 일반적으로 도체나 단자 등 각부는 정파워 영역(23)에 있어서의 컨버터 출력 전류(Id)가 컨버터 출력 전류(Id)의 최대치인 것으로 해서 설계를 수행하기 때문에, 정파워 영역(23)에 있어서 Id를 더 이상 높이는 것은 일반적으로는 불가능하다. 따라서, 정파워 영역(23)에서는 중간 링크 전압(Vd)을 낮추는 것은 일반적으로는 불가능하다.

한편, 도 6에 나타낸 정토크 영역(24)에 있어서는, 중간 링크 전압(Vd)과 컨버터 출력 전류(Id)의 곱은 차량 속도의 감소와 함께 감소한다. 따라서, 정토크 영역(24)에 있어서는, 컨버터 출력 전류(Id)가 최대치(정파워 영역(23)에 있어서의 컨버터 출력 전류(Id)의 값)를 초과하지 않는 범위에서 중간 링크 전압(Vd)을 낮출 여지가 있다.

이상에서, 도 3에서 VVVF 영역에 있어서 중간 링크 전압을 변화시키는 것은 가능하고, 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이, 중간 링크 전압을 동작점(A)으로부터 동작점(B)에 단계적으로 변화시키는 것이 가능하다. 도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 중간 링크 전압 지령 생성부(8)의 예이다. 횡축이 차량 속도이며, 종축이 중간 링크 전압이다. 중간 링크 전압 지령 생성부(8)는 저속ㆍ정지시에 중간 링크 전압이 낮아지도록 설정되어 있다. 도 7에 나타낸 바와 같은 테이블을 도 1의 중간 링크 전압 지령 생성부(8)에 설정함으로써, 컨버터(3)에 의해서 저속ㆍ정지시에 중간 링크 전압이 낮게 제어되어 보조 전원 장치(7)에서 발생하는 손실을 저감 할 수 있다.

여기서, 도 7에 나타낸 테이블에 있어서는 도 4 내에 사선으로 나타낸 영역(20)에서만 중간 링크 전압을 낮춰 제어하고 있다.

도 8은 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 발생 손실과 온도 상승의 예를 나타낸 그래프이다. 횡축은 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 인버터 손실이며, 종축은 온도 상승치이다. 직선(a)은 냉각기를 대형화하지 않고 차량 속도가 저속인 경우, 직선(b)은 냉각기를 대형화하지 않고 차량 속도가 고속인 경우, 직선(c)은 냉각기를 대형화하고 차량 속도가 직선(a)과 동일한 속도(저속)인 경우, 직선(d)은 냉각기를 직선(c)과 같게 대형화하고 차량 속도가 직선(b)과 동일한 속도(고속)인 경우에서의 동작을 각각 나타내고 있다. 파선(e)은 도 2의 동작점(B)에서의 인버터 손실선, 파선(f)은 도 2의 동작점(A)에서의 인버터 손실선을 각각 나타내고 있다. 또한, 점선(g)은 주회로 소자의 온도 상승의 한계선을 나타내고 있다.

도 8에 있어서, 주행풍을 기대할 수 있는 자기 통풍 방식의 냉각기의 경우, 고속시에 비해 저속시는 동일 인버터 손실에 대해서 온도 상승치가 높아진다. 예를 들면, 파선(f)이 나타내는 동작점(A)에서 동작하는 경우는, 직선(a)이 나타내는 바와 같이 소형의 냉각기에서는 저속시에 온도 상승치가 한계선(g)을 만족할 수 없기 때문에, 도 2 내의 화살표(h)가 나타내는 바와 같이 냉각기를 대형화하여 직선(c)이 나타내는 동작을 하도록 하지 않을 수 없었다. 반면, 본 발명에 있어서는 화살표(i)가 나타내는 바와 같이, 도 2에 있어서의 동작점(A)을 도 2에 있어서의 동작점(B)이 되도록 주변환 장치에 의해 제어해서 인버터 손실을 저감함으로써, 도 8에 있어서 저속에서도 소형의 냉각기에 의해서 한계선(g) 이하로 할 수 있어 냉각기를 대형화할 필요가 없어진다.

이상, 본 발명의 실시형태 1에 관한 추진 제어 장치는, 주변환 장치의 중간 링크 접속부에 보조 전원 장치(7)를 접속하는 구성의 전력 변환 시스템에 있어서, 보조 전원 장치(7)의 주회로 반도체의 냉각 방식으로 자기 통풍식을 채용하고 있는 경우에, 보조 전원 장치(7)의 주회로 소자의 발생 손실을 저감할 수 있다.

또한, 불필요하게 냉각기를 대형화시킬 필요가 없고, 소형ㆍ경량화를 도모할 수 있다.

또한, 보조 전원 장치(7)의 케이스 내의 온도 상승을 저감할 수 있어, 부품의 신뢰성 향상 및 수명 연장을 도모할 수 있다.

또한, 실시형태 1에 있어서는 차량 속도 정보로서 주전동기(6)의 로터 주파수(FM)를 이용했지만, 대신에 차량 속도에 상당하는 다른 정보를 이용해도 무방하다. 예를 들면, T 대차(台車)의 보안 장치에서 사용하는 차축 회전수를 이용해도 무방하다.

1 : 팬터그래프 2 : 주변압기
3 : 컨버터 4 : 인버터
5 : 필터 콘덴서 6 : 주전동기
7 : 보조 전원 장치 8 : 중간 링크 전압 지령 생성부
9 : 컨버터 제어부 10 : 인버터 제어부
11 : 출력전압 연산부 12 : 보정량 연산부
13 : 가산부 14 : 상산부

Claims

교류를 직류로 변환해서 출력하는 컨버터와,
상기 컨버터에 의해 출력된 직류를 교류로 변환해서 전동기에 공급하는 인버터와,
상기 컨버터와 상기 인버터 사이의 중간 링크 접속부에 마련된 필터 콘덴서와,
상기 중간 링크 접속부에 접속되는, 자기 통풍 방식에 의해 냉각이 이루어지는 보조 전원 장치를 구비한 추진 제어 장치에 있어서,
차량 속도의 정보가 입력되고, 그 정보에 기초해서 차량 속도의 정보가 나타내는 차량 속도가 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 종단속도 이하인 때에 상기 중간 링크 접속부의 전압을 낮추는 컨버터 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터 제어부는 상기 컨버터 입력 전류의 크기가 정파워 영역에 있어서의 전류의 크기 이하인 때에, 상기 중간 링크 접속부의 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 차량 속도의 정보는 상기 전동기의 로터(rotor) 주파수인 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 차량 속도의 정보는 상기 전동기의 로터 주파수인 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 차량 속도의 정보는 차축 회전수인 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 차량 속도의 정보는 차축 회전수인 것을 특징으로 하는 추진 제어 장치.