CN118003902A - 电动车以及铁道*** - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及电动车以及铁道***。本发明提供能够将运行成本抑制得较低的电动车以及铁道***。一个实施方式的电动车(6)具备：第一电力转换器(8)，将***电力的电压值转换为规定的电压值并输出；第二电力转换器(10)，将第一电力转换器(8)的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到电动机；第三电力转换器(12)，将第一电力转换器(8)的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到辅机；以及蓄电池(9)，通过第一电力转换器(8)的输出电力充电，在第二电力转换器(10)以及第三电力转换器(12)的输出电力超过第一电力转换器(8)的可输出电力的上限时放电。

Description

电动车以及铁道***

技术领域

本发明的实施方式涉及电动车以及铁道***。

背景技术

以往，电动车从直流变电站通过馈电电路受到电力供给，使车辆加速，对辅机进行电力供给。另一方面，为了在短时间内以大功率从架线取得行驶所需的电力，流过架线的电流变大，由于馈电电路的电阻(架线/馈电线/导轨)所导致的电压下降，变电站中间的受电电压降低。现状是，对变电站的间隔进行设定，以使该最低受电电压能够维持列车可以正常地行驶。例如，如果是DC1500V的电气铁道，则可以3～10km间隔设置变电站。

在路线长度长的线路区间中，为了将架线保持为规定电压以上，需要配置大量变电站，因此难以将变电站的维护成本、变电站的更新成本抑制得较低。

发明内容

本发明的实施方式是鉴于上述情况而完成的，提供能够将运行成本抑制得较低的电动车以及铁道***。

一个实施方式的电动车具备：第一电力转换器，将初级侧与架线连接，将从所述架线供给的***电力的电压值转换为规定的电压值并输出；第二电力转换器，与所述第一电力转换器的次级侧连接，将所述第一电力转换器的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到第一负载；第三电力转换器，与所述第一电力转换器的次级侧连接，将所述第一电直转换器的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到第二负载；以及蓄电池，与所述第一电力转换器的次级侧连接，通过所述第一电力转换器的输出电力充电，在所述第二电力转换器以及所述第三电力转换器的输出电力超过所述第一电力转换器的可输出电力的上限时放电，所述第一电力转换器的最大可输出电力比所述第二电力转换器的最大可输出电力小且为所述第三电力转换器的最大输出电力以上。

根据上述构成的电动车，能够将运行成本抑制得较低。

附图说明

图1是示意地表示包含一个实施方式的电动车的铁道***的一个构成例的图。

图2是表示一个实施方式的电动车的第一电力转换器的构成的一个例子的框图。

图3是表示一个实施方式的电动车的行驶路线的坡度与蓄电池的目标SOC的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的电动车以及铁道***进行详细说明。另外，在以下的实施方式的说明所使用的附图中，适当变更各部的比例尺。此外，在以下的实施方式的说明所使用的附图中，有时为了进行说明而适当省略构成。

图1是示意地表示包含一个实施方式的铁道***的电动车的一个构成例的图。

图1所示的铁道***1是通过限制来自架线的受电电力来抑制架线电压下降、将直流馈电电路内的直流变电站间隔延长的***，具备直流变电站3、架线4、导轨5和电动车6。

直流变电站3与交流***2电连接，接受来自交流***2的三相交流电力。此外，直流变电站3与架线(直流架线)4电连接，将从交流***2接受的三相交流电力转换为直流电力，发送到架线4。另外，直流变电站3与导轨5电连接而接地。在图1中，直流变电站3以规定间隔配置于两处，其他未图示的多台直流变电站3配置为按照规定间隔排列。另外，在本实施方式中，配置有直流变电站3的间隔设为10km以上。

电动车6具备第一接触器7、第一电力转换器8、蓄电池9、第二电力转换器10、电动机11(第一负载)、第三电力转换器12、辅机13(第二负载)、控制装置14和车轮15。电动车6经由受电弓(pantograph)从架线4接受直流电力。

第一接触器7配置于受电弓与第一电力转换器8之间。第一接触器7通过进行闭路(接通)将第一电力转换器8与受电弓电连接，通过进行开路(断开)将第一电力转换器8与受电弓电切断。第一接触器7基于来自控制装置14的接通指令，切换接通和断开。

第一电力转换器8的初级侧经由第一接触器7与受电弓电连接。此外，第一电力转换器8的初级侧经由车轮15以及导轨5接地。第一电力转换器8对于从受电弓供给的直流电力，第一电力转换器8将***电力的电压转换为规定的电压，并将转换后的电力经由直流链路(第一电力转换器8的次级侧的直流主电路)输出到蓄电池9、第二电力转换器10和第三电力转换器12。

蓄电池9例如构成为具备正极以及负极隔着间隔件层叠而成的电极组的锂离子二次电池。此外，蓄电池9也可以构成为大容量的电容器。

蓄电池9与第一电力转换器8的次级侧(直流链路)电连接，通过该第一电力转换器8的输出电力充电。蓄电池9也可通过经由第二电力转换器10供给的来自电动机11的再生电力充电。蓄电池9经由直流链路将充电电力向第二电力转换器10和第三电力转换器12进行放电。另外，蓄电池9的充电以及放电也可以同时进行，还可以交替地进行。蓄电池9的动作由后述的控制装置14控制。

蓄电池9通过后述详细情况的控制装置14监视SOC(State of Charge：荷电状态)，在对第一电力转换器8的输出电力进行充电的期间，控制对于第二电力转换器10和第三电力转换器12的充电电力的放电开始定时、放电结束定时以及向第二电力转换器10和第三电力转换器12放电的电量的分配等。

另外，蓄电池9例如包含使用由未图示的电流传感器测量的蓄电池9的充放电电流的值和由未图示的电压传感器测量的蓄电池9的电压值来计算出SOC的电路，将计算出的SOC值周期性地发送到控制装置14。

第二电力转换器10例如是可变电压可变频率逆变器(VVVF逆变器)等逆变器电路，将供给的直流电力转换为交流电力(三相交流电力)。第二电力转换器10将转换后的交流电力供给到电动机11。

第二电力转换器10具备由分别构成上支路和下支路的多个半导体开关构成的多个支线(leg)。第二电力转换器10例如具备三个支线，各支线分别与蓄电池9并联连接。各支线基于来自控制装置14的逆变器动作信号，对上支路以及下支路的半导体开关进行开启关闭控制，将相互相位不同的交流电力供给到电动机11。

电动机11通过从第二电力转换器10供给的交流电力来使旋转轴旋转驱动。电动机11例如是三相式的永磁铁同步电动机(PMSM)，具有：定子，具备与第二电力转换器10的各支线连接的多个绕组；以及永磁铁转子，以能够旋转的方式设置于在定子的中央部形成的空间。

电动机11根据从第二电力转换器10供给的三相交流电力进行动作，产生机械动力。在分别不同的定时从第二电力转换器10的各支线向各绕组供给交流电力。通过流过各绕组的电流在各绕组产生的磁场与定子的磁场的相互作用，产生使轴旋转的机械能量。当电动机11的轴旋转时，经由与电动机11的轴连结的齿轮等向电动车6的车轮15传递驱动力，使电动车6动力运行。

第三电力转换器12例如是辅助电源装置，将从直流链路供给的直流电力转换为交流电力(三相交流电力)。第三电力转换器12将转换后的交流电力供给到辅机13。辅机13例如是空调、压缩机、照明或者车内显示器等。另外，通过将第一电力转换器8、第二电力转换器10和第三电力转换器12用于Sic-MOSFET(碳化硅-金属氧化物半导体场效应管)，可以使上述转换器小型化。仅限于第一电力转换器8，通过使逆变器电路的输出高频化，能够使变压器20小型化。

此外，也可以是如下***，该***构成为，将多个第二电力转换器10搭载于电动车6的编组内，在第三电力转换器12发生故障时，通过将多个中的至少一个第二电力转换器10与辅机13连接，向辅机13供给所需要的电力。

控制装置14与第一电力转换器8、第二电力转换器10、第三电力转换器12和蓄电池9能够分别相互通信地连接。控制装置14例如可以是配置有对于第一电力转换器8的控制装置、对于第二电力转换器10的控制装置和对于第三电力转换器12的控制装置，通过在上述三个控制装置之间进行相互通信来收发数据的构成。

控制装置14从蓄电池9的电流传感器以及电压传感器取得蓄电池9的SOC，根据该蓄电池9的SOC对第一电力转换器8的输出电力的输出目的地进行控制。例如，控制装置14在蓄电池9的SOC小于目标SOC的情况下，以使第一电力转换器8的输出电力的输出目的地为蓄电池9、第二电力转换器10和第三电力转换器12的方式生成控制信号，并将其向第一电力转换器8输出。另一方面，控制装置14在蓄电池9的SOC为目标SOC以上的情况下，以使第一电力转换器8的输出电力的输出目的地为第二电力转换器10和第三电力转换器12的方式生成控制信号，并将其向第一电力转换器8输出。另外，控制装置14在蓄电池9的SOC为目标SOC以上的情况下，也可以控制为使第一电力转换器8的输出电力的输出目的地为蓄电池9、第二电力转换器10和第三电力转换器12，例如还可以进行使向蓄电池9输出的电力减少等控制。

控制装置14基于电动车6的车辆速度和来自电动车6的驾驶台的动作指令，生成并输出对于第二电力转换器10的控制信号。另外，控制装置14在检测出电动机11的轴的旋转一侧从检测单元等取得电动机11的轴的旋转速度，计算出电动车6的车辆速度。

控制装置14例如构成为生成脉冲信号的逻辑电路。此外，控制装置14具备作为执行运算处理的运算元件的处理器、以及存储程序以及程序中使用的数据等的存储器，可以是通过处理器执行程序来生成脉冲信号(逆变器动作信号)的构成。

图2是表示一个实施方式的电动车的第一电力转换器的构成的一个例子的框图。

第一电力转换器8具备第一滤波电抗器16、第一滤波电容器17、第一全桥逆变器电路18、交流电抗器19、变压器20、第二全桥逆变器电路21、第二滤波电容器22、第二滤波电抗器23、保险丝24和第二接触器25。第一电力转换器8例如是应用于DAB(Dual ActiveBridge：双有源桥)方式的DC/DC转换器，最大输出电力小，成为长时间供给负载电力的规范。

本实施方式的第一电力转换器8使高负载状态长时间持续地继续，因此具有容易实现DAB电路的零电压开关(ZVS)的特征，能够使第一电力转换器8发热减少，进而能够使第一电力转换器8小型化。

第一滤波电抗器16连接于受电弓、第一全桥逆变器电路18以及第一滤波电容器17的连接点之间。

第一滤波电容器17是从第一滤波电抗器16观察与第一全桥逆变器电路18并联连接的直流电源。第一滤波电容器17的高压侧端子与第一滤波电抗器16以及第一全桥逆变器电路18连接。第一滤波电容器17的低压侧端子与第一全桥逆变器电路18连接。此外，第一滤波电容器17的低压端子侧经由车轮15等与作为接地的导轨5电连接。第一滤波电容器17经由第一滤波电抗器16等使从受电弓供给的电力平滑，并供给到第一全桥逆变器电路18。

第一全桥逆变器电路18与第一滤波电容器17并联连接，第一全桥逆变器电路18的低压侧端子经由车轮15等与作为接地的导轨5电连接。

交流电抗器19与第一全桥逆变器电路18连接。交流电抗器19可以用变压器20的漏电感来代替而省略。

变压器20的初级侧与交流电抗器19和第一全桥逆变器电路18连接，次级侧与第二全桥逆变器电路21连接。变压器20是绝缘型变压器，对初级侧电压进行降压，次级侧电压变得比初级侧电压小，由此能够降低与变压器20的次级侧连接的设备的绝缘耐性，作为结果，能够使该设备整体小型化。

第二全桥逆变器电路21与第二滤波电容器22并联连接。第一全桥逆变器电路18和第二全桥逆变器电路21分别具有四个开关元件，基于来自控制装置14的控制信号控制开关元件。

第二滤波电抗器23连接于第二全桥逆变器电路21、保险丝24以及第二滤波电容器22的连接点之间。如果没有对第二电力转换器10、第三电力转换器12以及蓄电池9的高次谐波的影响则能够省略第二滤波电抗器23。

第二接触器25与第二滤波电抗器23连接，释放第一电力转换器8。

接着，对电动车6的动作进行说明。电动车6通过第一电力转换器8将从架线4接受的电力转换为规定的电压值，将转换后的输出电力供给到蓄电池9、第二电力转换器10和第三电力转换器12。在第二电力转换器10使电动机11动作所需要的输出电力与第三电力转换器12使辅机13动作所需要的输出电力的合计输出电力低于第一电力转换器8的可输出电力的上限的情况下，对蓄电池9进行充电。

另一方面，在第二电力转换器10使电动机11动作所需要的输出电力与第三电力转换器12使辅机13动作所需要的输出电力的合计输出电力超过第一电力转换器8的可输出电力的上限的情况下，蓄电池9将需要量的电力对第二电力转换器10或者第三电力转换器12的至少一方进行放电。

另外，本实施方式的电动车6所具备的第一电力转换器8的输出电力的最大值比第二电力转换器10的输出电力的最大值小且为第三电力转换器12的输出电力的最大值以上。此外，上述蓄电池9的充放电动作也可以是控制装置14基于第一电力转换器8、第二电力转换器10和第三电力转换器12的输出电力进行控制的构成。

图3是表示一个实施方式的电动车的行驶路线的坡度与蓄电池的目标SOC的关系的图。

在图3中，线E表示电动车6的位置信息中的标高(日文：標高)，线TC示出了电动车6的当前的位置信息中的目标SOC。另外，电动车6的当前的位置信息中的标高等预先被存储于数据库，能够在任意的定时取得。此外，将对于标高所需要的目标SOC设为基于周围的环境、标高等预先在数据库中设定并存储的数据。根据图3，可知在为向上坡度的情况下，目标SOC逐渐下降，另一方面，在为向下坡度的情况下，目标SOC逐渐上升。

控制装置14从外部取得当前的电动车6的位置信息、标高和蓄电池9的SOC。控制装置14取得电动车6对于当前的标高的目标SOC，与蓄电池9的SOC进行比较。

控制装置14在蓄电池9的SOC低于基于标高的目标SOC的情况下，控制为通过第一电力转换器8的输出电力对蓄电池9进行充电。控制装置14在蓄电池9的SOC高于基于标高的目标SOC的情况下，进行通过第一电力转换器8的输出电力使蓄电池9的充电停止、或者第一电力转换器8将输出到蓄电池9的电力减少等控制。另外，目标SOC也可以与标高无关地预先设定为恒定的阈值。

根据本实施方式的电动车6，在该电动车6动力运行时不从架线4接受大电力而由蓄电池9补充不足的部分，由此限制从架线4向电动车6供给的电力。此时，为了对于第三电力转换器12的电力供给、蓄电池9的恢复充电，第一电力转换器8从架线4继续接受恒定的电力。因此，对于在短时间内消耗大电力的第二电力转换器10，第一电力转换器8作为长时间从架线4接受小电力的负载发挥功能，减少从包含架线4的馈电电路流向电动车6电流，由此能够防止架线4的电压下降。其结果，能够延长配置有直流变电站3的间隔，能够将变电的受电设备、开关设备(switchgear)、整流器设备、保护继电器等的维护成本、变电站设备的更新成本抑制得较低。

在本实施方式的电动车6中，通过限制来自架线4的受电电力，抑制架线4的电压下降，能够延长变电站间隔，但通过提高直流变电站3的送出电压，也可以进一步延长直流变电站3的间隔。

例如，在DC1500V馈电的情况下，在直流变电站3在6％电压变动率下具有1590V的送出电压、在8％电压变动率下具有1620V的送出电压的情况下，也可以使其上升至最大1800V左右。在高压化至1800V的情况下，通过对蓄电池9进行充电，能够吸收再生失效的电力。

在本实施方式的铁道***1中，成为在两个直流变电站3之间有一台电动车6的构成，但实际上，成为在多个直流变电站3之间有多个电动车6的构成。在直流变电站3之间存在多个电动车6的情况下，第一电力转换器8也可以是具有基于架线4的电压降低使第一电力转换器8从架线4接受的***电力的最大值降低的特性的构成。由此，来自架线4的受电电力与架线4的电压降低一起降低，因此能够维持最低受电弓点电压(日文：最低パンダ点電圧)。

如上所述，根据本实施方式的电动车以及铁道***，能够将运行成本抑制得较低。

说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中并且包含在权利要求所记载的发明及其等同的范围中。

Claims (4)

1.一种电动车，其中，具备：

第一电力转换器，初级侧与架线连接，将从所述架线供给的***电力的电压转换为规定的电压并向次级侧输出；

第二电力转换器，与所述第一电力转换器的次级侧连接，将所述第一电力转换器的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到第一负载；

第三电力转换器，与所述第一电力转换器的次级侧连接，将所述第一电力转换器的输出电力的电压值转换为规定的电压值并输出到第二负载；以及

蓄电池，与所述第一电力转换器的次级侧连接，通过所述第一电力转换器的输出电力充电，在所述第二电力转换器以及所述第三电力转换器的输出电力超过所述第一电力转换器的可输出电力的上限时放电，

所述第一电力转换器的最大可输出电力比所述第二电力转换器的最大可输出电力小且为所述第三电力转换器的最大输出电力以上。

2.根据权利要求1所述的电动车，其中，

还具备控制装置，所述控制装置基于所述电动车的位置能量，对所述第一电力转换器向所述蓄电池输出的所述***电力进行控制。

3.根据权利要求2所述的电动车，其中，

所述控制装置，

在所述蓄电池的充电率低于目标值的情况下，以使所述第一电力转换器的输出电力的输出目的地为所述蓄电池、所述第二电力转换器和所述第三电力转换器的方式生成控制信号，

在所述蓄电池的充电率高于目标值的情况下，以使所述第一电力转换器的输出电力的输出目的地为所述第二电力转换器和所述第三电力转换器的方式生成控制信号。

4.一种铁道***，其中，具备：

直流变电站，向架线供给直流电力；以及

权利要求1所述的电动车。