JP2008228420A - Device and method for controlling charging/discharging - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、充放電制御装置及び充放電制御方法に関し、特に、電池駆動鉄道車両の車載電池の充放電を制御する充放電制御装置及び充放電制御方法に関する。 The present invention relates to a charge / discharge control device and a charge / discharge control method, and more particularly, to a charge / discharge control device and a charge / discharge control method for controlling charge / discharge of an on-vehicle battery of a battery-powered railway vehicle.
従来、鉄道車両の車載電池の充放電制御装置として、例えば、特許文献1に記載された双方向昇降圧チョッパが知られている。この特許文献1の双方向昇降圧チョッパは、き電側の電圧とバッテリ側の電圧との大小関係に制限のある双方向昇降圧チョッパとなっており、充電時には降圧動作、放電時には昇圧動作のみ可能となっている。換言すると、充電時には、昇圧動作をすることができず、放電時には降圧動作をすることができない。また、電池の直列接続数は、き電側の電圧が電池側の電圧より高くなるような直列接続数に限られるため、電池の直列接続数が制約される。
Conventionally, for example, a bidirectional buck-boost chopper described in
一方、一般の車両の車載電池の充放電制御装置として、例えば、特許文献2に記載された双方向昇降圧チョッパが知られている。図12は特許文献2の双方向昇降圧チョッパの構成を示す図であって、(a)は回路図、(b)はスイッチング素子の制御信号を示す波形図である。
On the other hand, for example, a bidirectional buck-boost chopper described in
図12(a)に示すように、この双方向昇降圧チョッパは、回路構成上はH字形ブリッジで構成されている。なお、符号202はジェネレータ、符号203はコンデンサ、符号204はバッテリ、符号205は負荷、符号231は制御器を示す。この双方向昇降圧チョッパは、動作に関しては、降圧チョッパと昇圧チョッパとをカスケード接続した考え方になっている。つまり、図12(b)から明らかなように、H字形ブリッジにおいて、ジェネレータ2側の上アームを構成する半導体スイッチング素子211とバッテリ204側の下アームを構成する半導体スイッチング素子214とが同位相でスイッチングし、これらに対し、ジェネレータ2側の下アームを構成する半導体スイッチング素子212とバッテリ204側の上アームを構成する半導体スイッチング素子213とが逆位相でスイッチングする。これにより、この双方向昇降圧チョッパにおいては、スイッチングの通流率を連続的に変化させて昇圧動作と降圧動作との切り替えを円滑に行うことができる。
しかしながら、特許文献2の双方向昇降圧チョッパでは、4つのスイッチング素子211〜214の全てをスイッチングさせているので、スイッチング素子の導通損失に加えてスイッチング損失が発生し、それにより変換効率が低下する。
However, in the bidirectional buck-boost chopper of
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御装置及び充放電制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a charge / discharge control device and a charge / discharge control method capable of reducing switching loss.
上記課題を解決するために、本発明の充放電制御装置は、第1のスイッチング素子及び該第1のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第2のスイッチング素子からなるき電側アームと、第3のスイッチング素子及び該第3のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第4のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第1のスイッチング素子の一方の主端子と前記第3のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第3のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第4のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第1のスイッチング素子の他方の主端子と前記第2のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第1のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧(以下、き電電圧という)が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパと、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アームと前記電池側アームとの変調率を制御するための制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が1となるように前記制御を行う。このような構成とすると、変調率が1となるき電側アーム及び/又は電池側アームを構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、その分、そのスイッチング損失を低減することができる。 In order to solve the above problems, a charge / discharge control device of the present invention includes a first switching element and a second switching element having one main terminal connected to one main terminal of the first switching element. A battery-side arm comprising: a power supply side arm; a third switching element; a fourth switching element having one main terminal connected to one main terminal of the third switching element; A reactor connecting one main terminal of the switching element and one main terminal of the third switching element, and the other main terminal of the third switching element and the other of the fourth switching element The main terminals are respectively connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the storage battery, and the other main terminal of the first switching element and the other main end of the second switching element Bidirectional raising / lowering used in such a way that a voltage (hereinafter referred to as a feeding voltage) is applied between the feeding-side terminal pair consisting of The pressure chopper and the bidirectional step-up / step-down chopper are configured to charge the storage battery with power input to the feeder side terminal pair and to output power discharged from the storage battery to the feeder side terminal pair. A control device for controlling a modulation rate of the power side arm and the battery side arm, and the control device is configured to control the power feeding side arm and the battery side in at least one of the charging and discharging. The control is performed so that the modulation rate of at least one of the arms is 1. With such a configuration, the pair of switching elements constituting the feeding side arm and / or the battery side arm with a modulation factor of 1 are always on and always off, respectively, thereby reducing the switching loss accordingly. be able to.
前記充放電制御装置は、前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を備え、前記制御装置は、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御してもよい。 The charging / discharging control device includes a feeding voltage detector that detects the feeding voltage, and a storage battery voltage detector that detects a voltage of the storage battery, and the control device is configured to start charging or discharging. The starting modulation factor is determined based on the feeding voltage detected by the feeding voltage detector at that time and the storage battery voltage detected by the storage battery side voltage detector, and the charging current or The charging current or the discharging current may be controlled by controlling the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm so that the discharging current becomes zero.
前記制御装置は、所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が1となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。き電側アーム及び電池側アームの各々を構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、スイッチング損失をゼロにすることができる。 The control device is configured such that when predetermined information is input, the bidirectional buck-boost chopper discharges power from the storage battery so that the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm is 1. May be controlled such that the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm is output to the feeding side terminal pair. Since the pair of switching elements constituting each of the feeding side arm and the battery side arm is always on and always off, the switching loss can be made zero.
前記制御装置は、前記き電電圧が第1の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第2の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。 In the control device, when the feeding voltage is less than a first predetermined voltage, the bidirectional buck-boost chopper outputs power discharged from the storage battery to the feeding-side terminal pair, and the feeding When the voltage exceeds a second predetermined voltage, the bidirectional buck-boost chopper charges the storage battery with the electric power input to the feeding-side terminal pair so as to charge the storage battery and the battery-side arm. The modulation rate may be controlled.
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電であってもよい。 The bidirectional buck-boost chopper is used in such a manner that the feeder side terminal pair is connected to an electric wiring that supplies power from a pantograph to a power converter that drives a motor that drives a battery-powered railway vehicle. Yes, the discharge may be an assist discharge for supplying power to the power converter, and the charging may be a regenerative charge for absorbing regenerative power by the power converter.
また、本発明の充放電制御方法は、第1のスイッチング素子及び該第1のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第2のスイッチング素子からなるき電側アームと、第3のスイッチング素子及び該第3のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第4のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第1のスイッチング素子の一方の主端子と前記第3のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第3のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第4のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第1のスイッチング素子の他方の主端子と前記第2のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第1のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧(以下、き電電圧という)が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパを用い、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御し、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が1となるように前記制御を行う。このような構成とすると、変調率が1となるき電側アーム及び/又は電池側アームを構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、その分、そのスイッチング損失を低減することができる。 In addition, the charge / discharge control method of the present invention includes a feeding arm comprising a first switching element and a second switching element having one main terminal connected to one main terminal of the first switching element; A battery-side arm comprising a third switching element and a fourth switching element having one main terminal connected to one main terminal of the third switching element, and one main terminal of the first switching element. A reactor that connects the terminal and one main terminal of the third switching element, and the other main terminal of the third switching element and the other main terminal of the fourth switching element are each of a storage battery A feeder side end connected to the positive terminal and the negative terminal and comprising the other main terminal of the first switching element and the other main terminal of the second switching element Using a bidirectional buck-boost chopper that is used so that a voltage (hereinafter referred to as feeding voltage) is applied between the pair so that the other main terminal of the first switching element is on the high potential side. The feeding-side arm and the battery so that a forward / back-boost chopper charges the storage battery with the power input to the feeding-side terminal pair and outputs the power discharged from the storage battery to the feeding-side terminal pair The modulation rate of the side arm is controlled, and the control is performed so that the modulation rate of at least one of the feeding side arm and the battery side arm becomes 1 in at least one of the charging and discharging. With such a configuration, the pair of switching elements constituting the feeding side arm and / or the battery side arm with a modulation factor of 1 are always on and always off, respectively, thereby reducing the switching loss accordingly. be able to.
前記充放電制御方法は、前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を用い、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御してもよい。 The charge / discharge control method uses a feeding voltage detector that detects the feeding voltage and a storage battery voltage detector that detects a voltage of the storage battery, and at the start of the charging or discharging, A starting modulation factor is determined based on the feeding voltage detected by the feeding voltage detector and the storage battery voltage detected by the storage battery side voltage detector, and the charging current or discharging current is zero at this starting modulation factor. The charging current or the discharging current may be controlled by controlling the modulation factor of the feeding side arm and the battery side arm.
所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が1となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。このような構成とすると、き電側アーム及び電池側アームの各々を構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、スイッチング損失をゼロにすることができる。 When the predetermined information is input, the bidirectional buck-boost chopper supplies the electric power discharged from the storage battery so that the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm is 1, the feeding side You may control the modulation factor of the said feeding side arm and the said battery side arm so that it may output to a terminal pair. With such a configuration, since the pair of switching elements constituting each of the feeding side arm and the battery side arm are always turned on and always turned off, the switching loss can be made zero.
前記き電電圧が第1の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第2の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。 When the feeding voltage is less than a first predetermined voltage, the bidirectional buck-boost chopper outputs power discharged from the storage battery to the feeding-side terminal pair, and the feeding voltage is a second voltage When the voltage exceeds a predetermined voltage, the bidirectional buck-boost chopper controls the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm so that the storage battery is charged by the power input to the feeding side terminal pair. May be.
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電であってもよい。 The bidirectional buck-boost chopper is used in such a manner that the feeder side terminal pair is connected to an electric wiring that supplies power from a pantograph to a power converter that drives a motor that drives a battery-powered railway vehicle. Yes, the discharge may be an assist discharge for supplying power to the power converter, and the charging may be a regenerative charge for absorbing regenerative power by the power converter.
本発明は以上に説明したような構成を有し、充放電制御装置及び充放電制御方法において、スイッチング損失を抑制することができるという効果を奏する。 The present invention has the configuration as described above, and has an effect that switching loss can be suppressed in the charge / discharge control device and the charge / discharge control method.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態に係る充放電制御装置の構成を示す回路図である。図2は図1の充放電制御装置を構成する双方向昇降圧チョッパの構成を示す回路図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a charge / discharge control apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a bidirectional buck-boost chopper constituting the charge / discharge control device of FIG.
図1に示すように、本実施の形態の充放電制御装置100は、電池駆動鉄道車両(以下、鉄道車両という)に搭載される蓄電池(以下、単に電池という)5の充放電を制御するものである。
As shown in FIG. 1, the charge /
この鉄道車両は、1対の受電線30A,30Bを備えている。受電線30Aの一端はパンタグラフ6に接続され、受電線30Aの他端はVVVFインバータ31の入力側に接続されている。受電線30AにはスイッチSW11及びリアクトル11が設けられている。受電線30Bの一端は車輪7に接続され、受電線30Bの他端はVVVFインバータ31の入力側に接続されている。受電線30Aと受電線30Bとの間にはコンデンサC11が接続されている。これにより、パンタグラフ6を通じて架線から直流の架線電力が一対の受電線30A,30Bに供給される。この架線電力における電圧(架線電圧)は、受電線30Aが高位側であり受電線30Bが低位側(グランド電位)となっている。VVVFインバータ31の出力側にはこの電池駆動鉄道車両を駆動する複数のモータ(誘導電動機)Mが接続されていて、VVVFインバータ31は入力される直流電力によって、これら複数のモータMを、その速度を制御しながら駆動する。SW11はVVVFインバータ31に対し電力を供給及び停止するためのものであり、リアクトルL11及びコンデンサC11は、VVVFインバータ31に供給する電圧の変動を抑制するためのものである。
This railway vehicle is provided with a pair of receiving
充放電制御装置100は、双方向昇降圧チョッパ1と制御ユニット2とを有している。まず、双方向昇降圧チョッパ1について説明する。ここで、本明細書及び請求の範囲においては、便宜上、スイッチング素子のスイッチングされるべき電流が入出力される一対の端子を主端子と呼び、この一対の主端子間を導通及び遮断するよう制御する制御信号を入力するための端子を制御端子と呼ぶ。例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の場合には、エミッタ及びコレクタが一対の主端子であり、ゲートが制御端子である。
The charge /
図2に示すように、双方向昇降圧チョッパ1は、第1のスイッチング素子SW1と、この第1のスイッチング素子SW1の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第2のスイッチング素子SW2と、第3のスイッチング素子SW3と、この第3のスイッチング素子SW3の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第4のスイッチング素子SW4と、第1のスイッチング素子SW1の一方の主端子と第3のスイッチング素子SW3の一方の主端子とを接続するリアクトルDCLと、第1乃至第4のスイッチング素子SW1〜SW4にそれぞれ並列に接続されたダイオードD1〜D4と、を備えている。ダイオードD1〜D4は、第1乃至第4のスイッチング素子SW1〜SW4の順方向に対する逆方向がその順方向となるように接続されている。第1乃至第4のスイッチング素子SW1〜SW4は、ここでは、IGBTで構成されている。第1のスイッチング素子SW1の他方の主端子及び第2のスイッチング素子SW2の他方の主端子はそれぞれ一対のき電側端子TM1,TM2に接続されていて、この一対のき電側端子TM1,TM2の間にコンデンサC1が接続されている。また、第3のスイッチング素子SW3の他方の主端子及び第4のスイッチング素子SW4の他方の主端子はそれぞれ一対の電池側端子TM3,TM4に接続されていて、この一対の電池側端子TM3,TM4の間にコンデンサC2が接続されている。
As shown in FIG. 2, the bidirectional buck-
図1及び図2に示すように、電池側端子TM3には電池5の正極端子がリアクトルL13を介して接続されている。電池側端子TM4には電池5の負極端子が接続されている。き電側端子TM1は途中にスイッチSW12及びリアクトルL12が設けられた電気配線32Aを通じて受電線30Aに接続されている。き電側端子TM2は電気配線32Bを通じて受電線30Bに接続されている。これにより、パンタグラフ6から一対の受電線30A,30B及び一対の電気配線32A,32Bを通じて双方向昇降圧チョッパ1に直流の架線電力が供給される。スイッチSW12は、双方向昇降圧チョッパ1を一対の受電線30A,30Bに対し接続及び切断するためのものである。リアクトルL12及びコンデンサC1は、双方向昇降圧チョッパ1のき電側端子TM1,TM2間の直流電圧の変動を抑制するためのものであり、リアクトルL13及びコンデンサC2は双方向昇降圧チョッパ1の電池側端子TM3,TM4間の直流電圧の変動を抑制するためのものである。
As shown in FIG.1 and FIG.2, the positive electrode terminal of the
制御ユニット(制御装置)2は、制御器3と監視器4とを備えている。制御器3及び監視器4は、共に、CPU等の演算器で構成されている。
The control unit (control device) 2 includes a
制御器3は主として双方向昇降圧チョッパ1の第1乃至第4のスイッチング素子SW1〜SW4を制御するためのPWM信号の生成と充放電マネージメントとを行う。具体的には、充放電制御装置100には、さらに、双方向昇降圧チョッパ1のき電側の電流(以下、き電電流という)I_kidenを検出する電流センサCT1と、双方向昇降圧チョッパ1のき電側の電圧(一対のき電側端子TM1,TM2間の電圧:以下、き電電圧という)V_kidenを検出する電圧センサPT1と、双方向昇降圧チョッパ1の電池側の電流(以下、電池電流という)I_battを検出する電流センサCT2と、双方向昇降圧チョッパ1の電池側の電圧(一対の電池側端子TM3,TM4間の電圧:以下、電池電圧という)V_battを検出する電圧センサPT2と、パンタグラフを流れる電流(以下、パンタ電流という)I_panを検出する電流センサCT3と、を備えていて、これらのセンサからの検出信号が制御器3に入力される。また、受電線30Aの適所には、パンタグラフ6の電圧を検出する電圧センサが配設されていて、これが、パンタグラフが上がっているか否かの情報(パンタ昇降情報)34を検出するパンタ昇降センサ33を構成している。このパンタ昇降センサ33で検出されたパンタ昇降情報(ここではパンタグラフ6の電圧)が制御器3に入力される。
The
一方、制御器3は、入力された電池電圧V_batt、電池電流I_batt、き電電圧V_kiden、及びパンタ昇降情報を監視器4に出力する。また、制御器3は、電池電圧V_batt及びき電電圧V_kidenに基づいてオフセットofstを算出する。また、制御器3は、予め設定された電圧設定値V_set及びき電電圧設定値V_kiden_setをその内部メモリに記憶している。
On the other hand, the
監視器4には、電池電圧V_batt、電池電流I_batt、き電電圧V_kiden、及びパンタ昇降情報の他、図示されない車両制御伝送装置からの走行区間情報、速度及びノッチ情報と、温度センサで検出される電池5の温度とが入力される。走行区間情報は、鉄道車両が走行する路線の電化区間及び非電化区間の区別、鉄道車両の走行位置等に関する情報である。ノッチ情報は、鉄道車両の運転席のノッチの状態(力行、制動、速度指令等)を表す情報である。監視器4は、電池電圧V_battと電池電流I_battと電池5の温度、周囲温度とに基づいてSOC(state of charge:蓄電池残量)を算出する。また、監視器4は、算出したSOC、走行区間情報に基づいて、電流設定値I_setを算出する。この場合、監視器4は、鉄道車両の走行位置から充電できる残り時間を把握し、電化区間終了時にSOCが目標値に達するように(充電)電流設定値I_setを決定する。そして、監視器4は、これらのSOC及び電流設定値I_setを制御器3に出力する。
The monitor 4 detects the battery voltage V_batt, the battery current I_batt, the feeding voltage V_kiden, and the pantter lift information, as well as travel section information, speed and notch information from a vehicle control transmission device (not shown), and a temperature sensor. The temperature of the
制御器3は、これらのSOC、電圧設定値V_set、き電電圧設定値V_kiden_set、電流設定値I_set、及びオフセットofstと、さらに、電池電圧V_batt及び電池電流I_battを用いてPWM信号PMW1〜PWM4を生成して、これらを第1乃至第4のスイッチング素子SW1〜SW4の制御端子に出力する。また、制御器3は、パンタ昇降情報34、き電電圧V_kiden、電池電圧V_batt、及びSOCを用いて充放電マネージメントを行う。この際、き電電圧V_kidenとノッチ情報とに基づいて、VVVFインバータ31によるモータMの駆動制御が力行制御か回生制御かを判定する。
The
次に、以上のように構成された充放電制御装置100の動作を説明する。
[変調率制御]
まず、制御器3による双方向昇降圧チョッパ1の変調率制御について説明する。
Next, the operation of the charge /
[Modulation rate control]
First, the modulation rate control of the bidirectional buck-
図3は昇圧モードにおいて充電電流を所定値に維持する場合におけるPWM信号の生成方法を示す図であって、(a)はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、(b)はき電側上アームのPWM信号の波形を示す波形図、(c)は電池側上アームのPWM信号の波形を示す波形図である。図4は昇圧モードにおいて充電電流を所定値から増加させる場合におけるPWM信号の生成方法を示す図であって、(a)はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、(b)はき電側上アームのPWM信号の波形を示す波形図、(c)は電池側上アームのPWM信号の波形を示す波形図である。図5は昇圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるPWM信号の生成方法を示す図であって、(a)はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、(b)はき電側上アームのPWM信号の波形を示す波形図、(c)は電池側上アームのPWM信号の波形を示す波形図である。図6は降圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるPWM信号の生成方法を示す図であって、(a)はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、(b)はき電側上アームのPWM信号の波形を示す波形図、(c)は電池側上アームのPWM信号の波形を示す波形図である。 3A and 3B are diagrams showing a method of generating a PWM signal in the case where the charging current is maintained at a predetermined value in the boost mode. FIG. 3A is a waveform diagram showing waveforms of a carrier signal and a modulation signal, and FIG. FIG. 4C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm, and FIG. 5C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm of the battery. 4A and 4B are diagrams showing a method of generating a PWM signal when the charging current is increased from a predetermined value in the boost mode, wherein FIG. 4A is a waveform diagram showing waveforms of the carrier signal and the modulation signal, and FIG. FIG. 4C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm, and FIG. 5C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm of the battery. 5A and 5B are diagrams showing a method of generating a PWM signal when the charging current is decreased from a predetermined value in the boost mode. FIG. 5A is a waveform diagram showing waveforms of a carrier signal and a modulation signal, and FIG. FIG. 4C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm, and FIG. 5C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm of the battery. 6A and 6B are diagrams showing a method of generating a PWM signal when the charging current is decreased from a predetermined value in the step-down mode, where FIG. 6A is a waveform diagram showing waveforms of a carrier signal and a modulation signal, and FIG. FIG. 4C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm, and FIG. 5C is a waveform diagram showing the waveform of the PWM signal for the upper side arm of the battery.
本明細書及び本特許請求の範囲においては、双方向昇降圧チョッパ1のき電側アーム(スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2)の変調率(通流率、デューティー比ともいう)及び電池側アーム(スイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4)の変調率という概念を用い、き電側アームの変調率及び電池側アームの変調率をそれぞれM1及びM2と定義する。き電側アーム及び電池側アームは、共に、各々の上アーム(それぞれき電側上アーム及び電池側上アームという)の変調率が定まると各々の下アーム(それぞれき電側下アーム及び電池側下アームという)の変調率が一義的に定まることから、便宜上、各々の上アームの変調率をもって各々の変調率として定義したのである。従って、き電側上アーム(スイッチング素子SW1)の変調率及び電池側上アーム(スイッチング素子SW3)の変調率はそれぞれM1及びM2(但し、デッドタイムを含まない)となり、き電側下アーム(スイッチング素子SW2)の変調率及び電池側下アーム(スイッチング素子SW4)の変調率は、それぞれ、1−M1、及び1−M2となる。つまり、き電側下アーム(スイッチング素子SW2)のPWM信号PWM2は、き電側上アーム(スイッチング素子SW1)のPWM信号PWM1を反転させたものとなり、電池側下アーム(スイッチング素子SW4)のPWM信号PWM4は、電池側上アーム(スイッチング素子SW3)のPWM信号PWM3を反転させたものとなる。
In the present specification and claims, the modulation rate (also referred to as current ratio and duty ratio) of the feeding side arm (switching element SW1 and switching element SW2) of the bidirectional buck-
変調率M1及びM2は0から1の間の値を取り、1のときは上アームが常時オン(下アームが常時オフ)となり、0のときは上アームが常時オフ(下アームが常時オン)となる。ここで、双方向昇降圧チョッパ1が理想的なもので損失がゼロであると仮定する。また、リアクトルDCLを流れる電流をILとする。
The modulation factors M1 and M2 take values between 0 and 1. When the value is 1, the upper arm is always on (the lower arm is always off), and when the value is 0, the upper arm is always off (the lower arm is always on). It becomes. Here, it is assumed that the bidirectional buck-
図3を参照すると、定常状態においては、
V_kiden・I_kiden=V_kiden・M1・IL=V_batt・M2・IL=V_batt・I_batt
が成立する。
Referring to FIG. 3, in steady state,
V_kiden · I_kiden = V_kiden · M1 · I L = V_batt · M2 · I L = V_batt · I_batt
Is established.
スイッチング素子SW1〜SW4及びリアクトルDCLを小型化するためには、ILを小さくしたいので、V_kiden・M1及びV_batt・M2は、制御上許される範囲で大きくすることが望ましい。V_kiden及びV_battはき電電圧及び電池電圧で決まるため、制御上ではM1及びM2を大きくすることになる。電流を制御する上では、M1及びM2の双方を同時に1より小さくする必要はないので、M1及びM2のいずれかを1にし、他方を変化させて電流を制御することによって、上記の要求が満たされる。 In order to reduce the size of the switching element SW1~SW4 and the reactor DCL is, we want to reduce the I L, V_kiden · M1 and V_batt · M2, it is desirable to increase to the extent allowed by the control. Since V_kiden and V_batt are determined by the feeding voltage and the battery voltage, M1 and M2 are increased in terms of control. In controlling the current, it is not necessary to make both M1 and M2 smaller than 1 at the same time. Therefore, by controlling one of M1 and M2 and changing the other, the above requirement is satisfied. It is.
ここで、例えば、V_kiden<V_battである昇圧モードで充電する場合における変調率M1及びM2の変化を考える。また、
a:ILを所定値に維持するよう制御する場合
b:ILを所定値から増加させるよう制御する場合
c:ILを所定値から減少させるよう制御する場合
の3つの場合に分けて考える。
<aの場合>
この場合、ILを所定値に維持するので、リアクトルDCLの両端の電位差はゼロとなる。それ故、
V_kiden・M1=V_batt・M2となる。
Here, for example, consider changes in the modulation factors M1 and M2 when charging in the boost mode where V_kiden <V_batt. Also,
a: When controlling to maintain the I L to the predetermined value b: when controlling to increase the I L from the predetermined value c: be divided into three cases in the case of controlling so as to reduce the I L from a predetermined value .
<In case of a>
In this case, since maintaining a I L to a predetermined value, the potential difference across the reactor DCL is zero. Therefore,
V_kiden · M1 = V_batt · M2.
ここで、V_kiden<V_battで昇圧モードであることから、M1=1とすると、
M2=V_kiden/V_batt
となる。この状態を電圧平衡状態と呼ぶ。
Here, since V_kiden <V_batt and the boost mode, M1 = 1,
M2 = V_kiden / V_batt
It becomes. This state is called a voltage equilibrium state.
この場合、制御器3は、図3(a)に示すようなキャリア信号及び変調信号を用いて、図3(b)及び図3(c)に示すようなPWM信号を生成する。図3(a)〜図3(c)において、横軸は時間を表し、縦軸は振幅を表す。なお、PWM信号の生成方法は周知であるので、ここでは簡単に説明する。
In this case, the
図3(a)において、キャリア信号には最大値が1で最小値が0である三角波が用いられる。変調信号には、V_battに対応する変調信号(以下、V_batt変調信号という。図3(a)にV_battとして示す)とV_kidenに対応する変調信号(以下、V_kiden変調信号という。図3(a)にV_kidenとして示す)とが用いられる。V_batt変調信号は三角波キャリア信号の振幅内の一定値を取るように設定される。また、V_kiden変調信号は三角波キャリア信号の最小値より小さくかつV_batt変調信号より1だけ小さい一定値を取るように設定される。 In FIG. 3A, a triangular wave having a maximum value of 1 and a minimum value of 0 is used for the carrier signal. The modulation signal includes a modulation signal corresponding to V_batt (hereinafter referred to as a V_batt modulation signal, shown as V_batt in FIG. 3A) and a modulation signal corresponding to V_kiden (hereinafter referred to as a V_kiden modulation signal, shown in FIG. 3A). V_kiden) is used. The V_batt modulation signal is set to take a constant value within the amplitude of the triangular wave carrier signal. Further, the V_kiden modulation signal is set to take a constant value that is smaller than the minimum value of the triangular wave carrier signal and smaller by 1 than the V_batt modulation signal.
そして、三角波キャリア信号とV_kiden変調信号とが比較されて、変調率M1が1であるPWM信号PWM1が生成され、これがき電側上アームのスイッチング素子SW1に出力される。また、き電側下アームのスイッチング素子SW2には、変調率が1−M1であるPWM信号PWM2(PWM信号PWM1の反転信号)が出力される。また、三角波キャリア信号とV_batt変調信号とが比較されて、変調率M2がV_kiden/V_battであるPWM信号PWM3が生成され、これが電池側上アームのスイッチング素子SW3に出力される。また、電池側下アームのスイッチング素子SW4には、変調率が1−M2であるPWM信号PWM4(PWM信号PWM3の反転信号)が出力される。
<bの場合>
この場合、ILを増加させるよう制御するには、電圧平衡状態からV_kiden・M1を増加させる、もしくはV_batt・M2を減少させればよい。ここでは、電圧平衡状態においてM1=1であるので、M2を減少させる。
Then, the triangular wave carrier signal and the V_kiden modulation signal are compared to generate a PWM signal PWM1 having a modulation factor M1 of 1, and this is output to the switching element SW1 of the feeding side upper arm. Further, the PWM signal PWM2 (inversion signal of the PWM signal PWM1) having a modulation factor of 1-M1 is output to the switching element SW2 of the feeding side lower arm. Further, the triangular wave carrier signal and the V_batt modulation signal are compared to generate a PWM signal PWM3 having a modulation factor M2 of V_kiden / V_batt, which is output to the switching element SW3 of the battery-side upper arm. Further, the PWM signal PWM4 (inversion signal of the PWM signal PWM3) having a modulation rate of 1-M2 is output to the switching element SW4 on the battery side lower arm.
<In the case of b>
In this case, the control to increase the I L will increase the V_kiden · M1 from the voltage equilibrium, or it is sufficient to reduce the V_batt · M2. Here, since M1 = 1 in the voltage equilibrium state, M2 is decreased.
具体的には、図4(a)に示すように、V_kiden変調信号及びV_batt変調信号の値を同じだけ減少させる。これにより、変調率M2の値が減少する。
<cの場合>
ILを減少させるよう制御するには、電圧平衡状態からV_kiden・M1を減少させる、もしくはV_batt・M2を増加させればよい。変調率M1及びM2をなるべく大きく取りたいので、電圧平衡状態において1未満であるM2をまず増加させ、M2が1に達した後に、M1を減少させる。
Specifically, as shown in FIG. 4A, the values of the V_kiden modulation signal and the V_batt modulation signal are decreased by the same amount. As a result, the value of the modulation factor M2 decreases.
<In the case of c>
In controls to reduce I L reduces V_kiden · M1 from the voltage equilibrium, or may be increased to V_batt · M2. In order to make the modulation factors M1 and M2 as large as possible, M2 which is less than 1 in the voltage equilibrium state is first increased, and after M2 reaches 1, M1 is decreased.
具体的には、図5(a)に示すように、V_kiden変調信号及びV_batt変調信号の値を同じだけ増加させる。これにより、変調率M2の値が増加する。そして、図示しないが、V_kiden変調信号の値及びV_batt変調信号の値が、それぞれ、三角波キャリア信号の最大値及び最小値に一致すると、変調率M1及びM2が共に1となる。その後、図6(a)に示すように、V_batt変調信号の値を三角波キャリア信号の最大値より大きい一定値を取るように増加させ、V_kiden変調信号の値を三角波キャリア信号の振幅内の一定値を取るように増加させる。これにより、変調率M1がV_batt/V_kidenとなり、変調率M2が1となる。なお、この場合は、降圧モードとなる。 Specifically, as shown in FIG. 5A, the values of the V_kiden modulation signal and the V_batt modulation signal are increased by the same amount. Thereby, the value of the modulation factor M2 increases. Although not shown, when the value of the V_kiden modulation signal and the value of the V_batt modulation signal match the maximum value and the minimum value of the triangular wave carrier signal, the modulation factors M1 and M2 are both 1. Thereafter, as shown in FIG. 6A, the value of the V_batt modulation signal is increased to take a constant value larger than the maximum value of the triangular wave carrier signal, and the value of the V_kiden modulation signal is set to a constant value within the amplitude of the triangular wave carrier signal. Increase to take. As a result, the modulation rate M1 becomes V_batt / V_kiden, and the modulation rate M2 becomes 1. In this case, the step-down mode is set.
図7はリアクトル電流ILの変化に対する変調率M1及びM2の変化を示すグラフである。図7において、横軸は電池電圧V_battに対するき電電圧V_kidenの比率(以下、電圧比という)を表し、縦軸は変調率を表す。 Figure 7 is a graph showing a change in modulation factor M1 and M2 with respect to the change of the reactor current I L. In FIG. 7, the horizontal axis represents the ratio of the feeding voltage V_kiden to the battery voltage V_batt (hereinafter referred to as voltage ratio), and the vertical axis represents the modulation rate.
図7に示すように、この充電の場合を例に取った変調率制御においては、変調率M1を保ったまま変調率M2を電圧平衡点ofstにおける値を基準として増加又は減少させると、それに伴ってリアクトル電流ILが減少又は増加する。リアクトル電流ILを減少させるために、変調率M2を増加させて行くと、変調率M2と変調率M1とが共に1になる。この場合には、直結モードとなる。さらに、変調率M2を1とし変調率M1を1未満に減少させると降圧モードとなる。 As shown in FIG. 7, in the modulation rate control taking the case of this charging as an example, if the modulation rate M2 is increased or decreased with the value at the voltage equilibrium point ofst as a reference while the modulation rate M1 is maintained, reactor current I L Te is decreased or increased. In order to reduce the reactor current I L, when gradually increasing the modulation factor M2, a modulation factor M2 and modulation factor M1 is both 1. In this case, the direct connection mode is set. Further, when the modulation factor M2 is set to 1 and the modulation factor M1 is decreased to less than 1, the step-down mode is set.
この図7から明らかなように、降圧モードで充電する場合における変調率M1及びM2の変化も、電圧平衡点がV_kiden>V_battである領域に設定される点が異なる他は、昇圧モードの場合と同様である。 As is apparent from FIG. 7, the changes in the modulation factors M1 and M2 when charging in the step-down mode are different from those in the step-up mode except that the voltage equilibrium point is set in a region where V_kiden> V_batt. It is the same.
また、放電の場合は、昇圧及び降圧の概念が充電の場合と逆になる。つまり、充電における昇圧モード及び降圧モードが、それぞれ、放電における降圧モード及び昇圧モードに相当する。 In the case of discharging, the concept of step-up and step-down is reversed from that in charging. That is, the step-up mode and step-down mode in charging correspond to the step-down mode and step-up mode in discharging, respectively.
以上を要約すると、本実施の形態においては、電池5への充電及び電池5からの放電を行う際に、制御器3が、上述のようにき電側アーム及び電池側アームの変調率M1及びM2が変化するようなPWM信号を生成してこれを双方向昇降圧チョッパ1のスイッチング素子SW1〜SW4の制御端子に出力し、それによって、スイッチング素子SW1〜SW4の変調率制御を行う。その結果、き電側アームの変調率M1及び電池側アームの変調率M2の少なくともいずれかが常時1となり、き電側アームを構成する一対のスイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2と電池側アームを構成する一対のスイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4との少なくともいずれかの一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフとなる。よって、従来例に比べてスイッチング損失を低減することができる。
[変調率制御を用いた充放電制御]
次に、上述の変調率制御を用いた充放電制御を具体的に説明する。まず、定電流定電圧充電制御を例に挙げて説明する。
In summary, in the present embodiment, when charging the
[Charge / discharge control using modulation rate control]
Next, charge / discharge control using the above-described modulation rate control will be specifically described. First, constant current constant voltage charge control will be described as an example.
この定電流定電圧充電制御においては、昇圧の場合には双方向昇降圧チョッパ1の電池側アームの変調率M2が変化させられ、降圧の場合には双方向昇降圧チョッパ1のき電側アームの変調率M1が変化させられる。以下、この変調率が変化させられるアームに対する変調率制御の内容を説明する。なお、変調率が変化しないアームに対しては、1(上アームの場合)又は0(下アームの場合)に固定した変調率を有するPWM信号が出力される。
In this constant current constant voltage charging control, the modulation factor M2 of the battery side arm of the bidirectional buck-
図8は定電流定電圧充電制御を行う場合のブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram in the case of performing constant current constant voltage charging control.
図8において、ブロック11〜23は、図1の制御器3の内部に構成されている。充電の開始時に、まず、制御器3がき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとからオフセットofstを算出する。このオフセットofstは、以下のようにして算出される。
In FIG. 8, blocks 11 to 23 are configured inside the
昇圧(V_batt>V_kiden)の場合:ofst=V_kiden/V_batt−1
降圧(V_batt≦V_kiden)の場合:ofst=−V_batt/V_kiden+1
また、制御器3は、既述のように予め設定された電圧設定値(ここでは充電電圧設定値)V_setを記憶している。一方、監視器4は、電流設定値(ここでは充電電流設定値)I_setを算出して、これを制御器3に出力する。充電電流設定値I_setは、緩慢充電か急速充電かの別に応じて算出される。定電流定電圧充電の場合は、緩慢充電の場合の充電電流設定値I_setが算出され、後述する回生充電の場合には、急速充電の場合の充電電流設定値I_setが算出される。
When boosting (V_batt> V_kiden): ofst = V_kiden / V_batt-1
For step-down (V_batt ≦ V_kiden): ofst = −V_batt
Further, the
図8を参照すると、電圧制御ブロック11の減算器12において、充電電圧設定値V_setから、電圧センサPT2からフィードバックされた電池電圧V_battが減算されて電圧誤差v_errが算出される。ブロック13においてこの電圧誤差v_errに対しPI制御(ゲイン補償+位相遅れ補償)が行われて電流指令値i_cmdが生成される。このPI制御は、充電電流設定値I_setに応じてその程度が調整される。電圧制御ブロック14の減算器15において、この電流指令値i_cmdから、電流センサCT2からフィードバックされた電池電流I_battが減算されて電流誤差i_errが算出される。ブロック16においてこの電流誤差i_errに対しPI制御(ゲイン補償+位相遅れ補償)が行われて電圧指令値v_cmdが生成される。リミッタ17において、この電圧指令値v_cmdが−1から+1までの範囲に制限される。加減算器18とリミッタ19とはPWM信号生成器を構成しており、加減算器18において、この電圧指令値v_cmdに対し、1が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、き電側アーム変調指令値pu0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは充電開始時のみ入力される。リミッタ19において、このき電側アーム変調指令値pu0_cmdが0から+1の範囲に制限されてき電側アームの変調率M1が生成される。PWMレジスタ20において、このき電側アームの変調率M1に基づいてき電上側アーム用のPWM信号PWM1とき電下側アーム用のPWM信号PWM3とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ1のスイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2に出力される。
Referring to FIG. 8, in the
一方、加減算器21において、上述の電圧指令値v_cmdが反転されて入力され、この反転された電圧指令値v_cmdに対し、1が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、電池側アーム変調指令値pw0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは充電開始時のみ入力される。リミッタ22において、この電池側アーム変調指令値pw0_cmdが0から+1の範囲に制限されて電池側アームの変調率M2が生成される。PWMレジスタ23において、この電池側アームの変調率M2に基づいて電池上側アーム用のPWM信号PWM3と電池下側アーム用のPWM信号PWM4とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ1のスイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4に出力される。
On the other hand, in the adder /
以上の制御によれば、指令値である充電電圧設定値V_setに対する電池電圧V_battの偏差と指令値である充電電流設定値I_setに対する電池電流I_battの偏差に応じて双方向昇降圧チョッパ1の変調率が変化させられる。これにより、電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに近づき、かつ電池電流I_battが充電電流設定値I_setに近づくようフィードバック制御される。そして、この過程において、充電電流(電池電流)I_battは、充電電流設定値I_setという一定の電流を取り、この一定の電流でもって電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに到達するよう電池5が充電される。そして、電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに達するとこれを超えないように充電電流設定値I_setが変更されて充電がなされる。このようにして、定電流定電圧充電制御が遂行される。
According to the above control, the modulation rate of the bidirectional buck-
そして、上述の場合、オフセットofstはき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとの電圧平衡点に対応する変調率を表しているので、充電電流がゼロの状態から充電電流の制御を開始することができる。 In the above case, the offset ofst represents the modulation factor corresponding to the voltage equilibrium point between the feeding voltage V_kiden and the battery voltage V_batt, so that the control of the charging current can be started from the state where the charging current is zero. .
次に、その他の充放電の場合について説明する。 Next, other charge / discharge cases will be described.
回生充電の場合は、電流制御ブロック11に急速充電の場合の充電電流設定値I_setが入力される。これ以外は上述の定電流定電圧充電の場合と同様である。 In the case of regenerative charging, a charging current set value I_set for rapid charging is input to the current control block 11. The rest is the same as in the case of the constant current and constant voltage charging described above.
次に、後述するアシスト放電、昇降圧モード、及び直結モードによる放電の場合について説明する。なお、ここではアシスト放電を昇降圧モードに含めて説明する。 Next, the case of discharge in assist discharge, step-up / step-down mode, and direct connection mode, which will be described later, will be described. Here, the assist discharge is included in the step-up / step-down mode for explanation.
図9は放電制御を行う場合のブロック図である。 FIG. 9 is a block diagram when the discharge control is performed.
図9において、ブロック11〜24は、図1の制御器3の内部に構成されている。放電の開始時に、まず、制御器3がき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとからオフセットofstを算出する。このオフセットofstは、以下のようにして算出される。
In FIG. 9, blocks 11 to 24 are configured inside the
昇圧(V_batt>V_kiden)の場合:ofst=V_batt/ V_kiden−1
降圧(V_batt≦V_kiden)の場合:ofst=−V_kiden/ V_batt+1
また、制御器3は、既述のように予め設定されたき電電圧設定値(ここでは放電電圧設定値)V_kiden_setを記憶している。一方、監視器4は、電流設定値(ここでは放電電流設定値)I_setを算出して、これを制御器3に出力する。
When boosting (V_batt> V_kiden): ofst = V_batt / V_kiden-1
For step-down (V_batt ≦ V_kiden): ofst = −V_kiden
Further, the
図9を参照すると、電圧制御ブロック11の減算器12において、き電電圧設定値V_kiden_setから、き電電圧V_kidenが減算されて電圧誤差v_kiden_errが算出される。ブロック13においてこの電圧誤差v_kiden_errに対しPI制御(ゲイン補償+位相遅れ補償)が行われて電流指令値i_cmdが生成される。このPI制御は、放電電流設定値I_setに応じてその程度が調整される。電圧制御ブロック14の減算器15において、この電流指令値i_cmdから、電流センサCT2からフィードバックされた電池電流I_battが減算されて電流誤差i_errが算出される。ブロック16においてこの電流誤差i_errに対しPI制御(ゲイン補償+位相遅れ補償)が行われて電圧指令値v_cmdが生成される。この電圧指令値v_cmdは選択回路24に入力され、昇降圧モードにおける電圧指令値v_cmdとして用いられる。一方、選択回路24には、別途、その値が「0」である直結モードにおける電圧指令値v_cmdが入力されかつ電圧センサPT2から電池電圧V_battが入力されている。選択回路24は、電池電圧V_battを監視して、直結モードであるか昇降圧モードであるかを判定する。そして、昇降圧モードであると判定すると、ブロック16から入力される電圧指令値v_cmdを出力し、直結圧モードであると判定すると、別途入力されるその値が「0」である電圧指令値v_cmdを出力する。リミッタ17において、この電圧指令値v_cmdが−1から+1までの範囲に制限される。加減算器18とリミッタ19とはPWM信号生成器を構成しており、加減算器18において、この電圧指令値v_cmdに対し、1が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、き電側アーム変調指令値pu0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは放電開始時のみ入力される。リミッタ19において、このき電側アーム変調指令値pu0_cmdが0から+1の範囲に制限されてき電側アームの変調率M1が生成される。PWMレジスタ20において、このき電側アームの変調率M1に基づいてき電上側アーム用のPWM信号PWM1とき電下側アーム用のPWM信号PWM3とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ1のスイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2に出力される。
Referring to FIG. 9, the
一方、加減算器21において、上述の電圧指令値v_cmdが反転されて入力され、この反転された電圧指令値v_cmdに対し、1が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、電池側アーム変調指令値pw0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは放電開始時のみ入力される。リミッタ22において、この電池側アーム変調指令値pw0_cmdが0から+1の範囲に制限されて電池側アームの変調率M2が生成される。PWMレジスタ23において、この電池側アームの変調率M2に基づいて電池上側アーム用のPWM信号PWM3と電池下側アーム用のPWM信号PWM4とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ1のスイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4に出力される。
On the other hand, in the adder /
以上の制御によれば、昇降圧モード(アシスト放電を含む)の場合には、指令値であるき電電圧設定値V_kiden_setに対するき電池電圧V_kiden_battの偏差と指令値である放電電流設定値I_setに対する電池電流I_battの偏差に応じて双方向昇降圧チョッパ1の変調率が変化させられる。これにより、き電電圧V_kiden_battが放電電圧設定値V_setに近づき、かつ電池電流I_battが放電電流設定値I_setに近づくようフィードバック制御される。かくして昇降圧モード(アシスト放電を含む)における放電制御が遂行される。
According to the above control, in the step-up / step-down mode (including assist discharge), the deviation of the battery voltage V_kiden_batt from the command voltage supply voltage setting value V_kiden_set and the battery current relative to the command current discharge current setting value I_set. The modulation factor of the bidirectional buck-
そして、上述の場合、オフセットofstはき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとの電圧平衡点に対応する変調率を表しているので、放電電流がゼロの状態から放電電流の制御を開始することができる。 In the above case, the offset ofst represents the modulation factor corresponding to the voltage equilibrium point between the feeding voltage V_kiden and the battery voltage V_batt, so the control of the discharging current can be started from the state where the discharging current is zero. .
一方、直結モードの場合には、選択回路24は、その値が「0」である電圧指令値v_cmdを出力するので、この「0」が加減算器18及び加減算器21に入力される。また、直結モードの場合には、オフセットofstは0となる。従って、加減算器18及び加減算器21からは共に1が出力され、それによりリミッタ19及びリミッタ22から、それぞれ、その値が「1」である、き電側アームの変調率M1及び電池側アームの変調率M2が出力される。かくして、き電側アームの変調率M1と電池側アームの変調率M2とが共に1となるようにして放電制御が行われる。
On the other hand, in the direct connection mode, the
<直結モード>
この直結モードについて、図1及び図2を参照しながら説明を追加する。本実施の形態では、架線電圧(き電電圧)が600Vであるのに対し、電池5が、600Vの定格出力電圧を有する蓄電池で構成されている。そこで、鉄道車両が非電化区間を走行するとき、電池電圧V_battが所定のしきい値以内にある場合には、双方向昇降圧チョッパ1が、直結モードで放電するよう制御される。具体的には上述の通り、双方向昇降圧チョッパ1のき電アームの変調率M1及び電池側アームの変調率M2が共に1に制御される。このようにすると、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW3が共に常時オンとなり、スイッチング素子SW2及びスイッチング素子SW4が共にオフとなり、双方向昇降圧チョッパ1の電池側とき電側とが直接接続される。従って、電池5の電圧がそのままVVVFインバータ31に印加され、それによりモータMが駆動される。このため、スイッチング素子SW1〜SW4の損失は、スイッチング素子SW1及びSW3の導通損失のみとなり、スイッチング損失をゼロにすることができ、ひいては高効率な電力変換を実現することができる。
[充放電マネージメント]
次に、本実施の形態の充放電制御装置による充放電マネージメントを説明する。
<Direct connection mode>
The direct connection mode will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In the present embodiment, the overhead line voltage (feeding voltage) is 600V, whereas the
[Charge / Discharge Management]
Next, charge / discharge management by the charge / discharge control apparatus of the present embodiment will be described.
図10は図1の充放電制御装置による充放電マネージメントにおけるき電電圧の変化に対する電池電流の制御方法を示すグラフである。図11は図1の制御器3の制御プログラムの内容を示すフローチャートである。なお、この制御プログラムは制御器3の内部メモリに格納されている。
FIG. 10 is a graph showing a battery current control method with respect to a change in feeding voltage in charge / discharge management by the charge / discharge control apparatus of FIG. FIG. 11 is a flowchart showing the contents of the control program of the
まず、充放電マネージメントの概要を説明する。図10において横軸はき電電圧V_kidenを表し、縦軸は電池電流I_battを表す。図10に示すように、電池電流I_battが正の場合は充電を意味し、電池電流I_battが負の場合は放電を意味する。また、き電電圧V_kidenが定格き電電圧を越える場合は回生制動が生じている場合(回生時)を意味し、き電電圧V_kidenが定格き電電圧以下の場合は力行状態である場合(力行時)を意味する。本実施の形態では、制御器3は、き電電圧V_kidenが、定格き電電圧を中心とする下限しきい値から上限しきい値に渡る範囲内にあるときは、定電流定電圧充電を行うよう双方向昇降圧チョッパ1を制御する。上限しきい値は、回生しぼり込み電圧(プロパルジョン(ここではVVVFインバータ31)の性能保証電圧の上限値)に設定され、下限しきい値はプロパルジョンの性能保証電圧の下限値に設定される。
First, an outline of charge / discharge management will be described. In FIG. 10, the horizontal axis represents the feeding voltage V_kiden, and the vertical axis represents the battery current I_batt. As shown in FIG. 10, when the battery current I_batt is positive, it means charging, and when the battery current I_batt is negative, it means discharging. In addition, when the feed voltage V_kiden exceeds the rated feed voltage, it means that regenerative braking is occurring (during regeneration), and when the feed voltage V_kiden is less than the rated feed voltage, it is in the power running state (power running) Time). In the present embodiment, the
そして、き電電圧が上限しきい値を越えると、制御器3は、回生充電を行うよう双方向昇降圧チョッパ1を制御する。具体的には、制御器3は、き電電圧V_kidenが上昇して、上限しきい値を越えると、電池5への回生エルギー充電を開始してき電電圧V_kidenの上昇を抑制する。この場合、制御器3は、回生エネルギーをできる限り電池5に充電するため、回生電力が架線に流出しないように電池電流I_battを制御する。このように、パンタ電流I_panをゼロにすることにより回生電流を全て電池5に蓄電することができる。
When the feeding voltage exceeds the upper threshold, the
また、力行時に架線電圧の低下、又はパンタグラフ6の離線によりき電電圧V_kidenが下限しきい値を下回ると、制御器3は、アシスト放電を行うよう双方向昇降圧チョッパ1を制御する。具体的には、制御器3は、き電電圧V_kidenが下限しきい値を下回ると、電池5から放電を開始してき電電圧V_kidenを維持する。この際、電池5のSOCに応じて放電量(電池電流I_batt)をコントロールする。
Further, when the feeding voltage V_kiden falls below the lower limit threshold due to a drop in overhead voltage during power running or disconnection of the pantograph 6, the
次に、制御器3による充放電マネージメントの全体を、図11を用いて説明する。
Next, the entire charge / discharge management by the
図1、図2、図11を参照すると、制御器3は、まず、パンタ昇降センサ33からパンタ昇降情報を取得する(ステップS1)。
Referring to FIGS. 1, 2, and 11, the
次いで、制御器3は、図示されない車両制御伝送装置から走行区間情報を取得する(ステップS2)。
Next, the
次いで、制御器3は、電池情報として、電圧センサPT2から電池電圧V_battを取得するとともに監視器4からSOCを取得する(ステップS3)。
Next, the
次いで、制御器3は、電圧センサPT1からき電電圧V_kidenを取得する(ステップS4)。
Next, the
次いで、制御器3は、パンタグラフ昇降情報に基づいて鉄道車両がパンタグラフを上げているか否かを判定する(ステップS5)。
Next, the
パンタグラフを上げている場合には、電化区間であると判定して、SOCが所定の上限値以下であるか否かを判定する(ステップS6)。 If the pantograph is raised, it is determined that the current period is an electrification section, and it is determined whether or not the SOC is equal to or lower than a predetermined upper limit value (step S6).
SOCが所定の上限値以下である場合には、定電流定電圧充電を行い(ステップS7)、その後、ステップS8に進む。 When the SOC is equal to or lower than the predetermined upper limit value, constant current / constant voltage charging is performed (step S7), and then the process proceeds to step S8.
一方、SOCが所定の上限値を越える場合には、制御器3は、充電を行わず、ステップS8に進む。
On the other hand, when the SOC exceeds the predetermined upper limit value, the
ステップS8において、制御器3は、き電電圧V_kidenが下限しきい値以下となるか否か判定する(ステップS8)。
In step S8, the
き電電圧V_kidenが下限しきい値を越える場合は、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越えるか否か判定する(ステップS9)。そして、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越えない場合にはステップS1に戻る。 If the feeding voltage V_kiden exceeds the lower threshold, it is determined whether or not the feeding voltage V_kiden exceeds the upper threshold (step S9). If the feeding voltage V_kiden does not exceed the upper threshold value, the process returns to step S1.
一方、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越える場合には、回生充電を行い(ステップS13)ステップS1に戻る。 On the other hand, when the feeding voltage V_kiden exceeds the upper limit threshold value, regenerative charging is performed (step S13) and the process returns to step S1.
一方、ステップS8において、き電電圧V_kidenが下限しきい値以下であると、アシスト放電を行う(ステップS14)。その後、ステップ1に戻る。 On the other hand, if the feeding voltage V_kiden is equal to or lower than the lower threshold value in step S8, assist discharge is performed (step S14). Then, it returns to step 1.
また、ステップS5において、鉄道車両がパンタグラフを上げていない場合には、制御器3は、非電化区間であると判定して、電池電圧V_battがしきい値以内であるか否か判定する(ステップS10)。
In Step S5, when the railway vehicle does not raise the pantograph, the
そして、電池電圧V_battがしきい値以内である場合には、ステップS11において直結モードの放電により鉄道車両が駆動され、その後、ステップS9に進む。一方、電池電圧V_battがしきい値以内でない場合には、ステップS12において昇降圧モードの放電により鉄道車両が駆動され、その後、ステップS9に進む。 When the battery voltage V_batt is within the threshold value, the railway vehicle is driven by the direct connection mode discharge in step S11, and then the process proceeds to step S9. On the other hand, if the battery voltage V_batt is not within the threshold value, the railway vehicle is driven by the discharge in the step-up / step-down mode in step S12, and then the process proceeds to step S9.
以上の制御プログラムによれば、鉄道車両が電化区間を走行している場合には、ステップS5において、パンタグラフ6を上げていると判定されて、ステップS6以降に進み、SOCが所定の上限値以下であってき電電圧V_kidenが上限しきい値以下で下限しきい値を超える場合には定電流定電圧充電が行われ(ステップS7)、SOCが所定の上限値以下であってき電電圧V_kidenが上限しきい値を越える場合には回生充電が行われ(ステップS8,S9,S13)、かつSOCが所定の上限値を越えていてき電電圧V_kidenが下限しきい値以下である場合にはアシスト放電が行われる(ステップS8、S14)。そして、鉄道車両が非電化区間を走行している場合には、ステップS5において、パンタグラフ6を上げていないと判定されて、ステップS10に進み、電池電圧V_battがしきい値以内である場合には直結モードの放電により鉄道車両が駆動され(ステップS11)、電池電圧V_battがしきい値以内でない場合には昇降圧モードの放電により鉄道車両が駆動される(ステップS12)。 According to the above control program, when the railway vehicle is traveling in the electrified section, it is determined in step S5 that the pantograph 6 is raised, and the process proceeds to step S6 and subsequent steps, where the SOC is equal to or less than a predetermined upper limit value. If the electric voltage V_kiden is lower than the upper threshold and exceeds the lower threshold, constant current and constant voltage charging is performed (step S7), and the electric voltage V_kiden is lower than the predetermined upper limit and the electric voltage V_kiden is higher. When the threshold value is exceeded, regenerative charging is performed (steps S8, S9, S13), and when the SOC exceeds a predetermined upper limit value and the electric voltage V_kiden is lower than the lower limit threshold value, assist discharge is performed. Performed (steps S8 and S14). If the railway vehicle is traveling in a non-electrified section, it is determined in step S5 that the pantograph 6 has not been raised, and the process proceeds to step S10, where the battery voltage V_batt is within the threshold value. The railway vehicle is driven by the discharge in the direct connection mode (step S11), and when the battery voltage V_batt is not within the threshold value, the railway vehicle is driven by the discharge in the step-up / step-down mode (step S12).
以上の充放電マネージメントによれば、充放電制御装置は、スイッチング損失が発生しないかもしくは低減された状態で、充放電を行うことができる。 According to the charge / discharge management described above, the charge / discharge control device can perform charge / discharge in a state where switching loss does not occur or is reduced.
本発明の充放電制御装置は、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御装置として有用である。 The charge / discharge control device of the present invention is useful as a charge / discharge control device capable of reducing switching loss.
本発明の充放電制御方法は、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御方法として有用である。 The charge / discharge control method of the present invention is useful as a charge / discharge control method capable of reducing switching loss.
1 双方向昇降圧チョッパ
2 制御ユニット
3 制御器
4 監視器
5 蓄電池(電池)
6 パンタグラフ
7 車輪
11 電圧制御ブロック
12,15 減算器
13,16,17,19,22 ブロック
14 電流制御ブロック
18,21 加減算器
20 き電側PWMレジスタ
23 電池側PWMレジスタ
24 選択回路
30A,30B 受電線
31 VVVFインバータ
32A,32B 電気配線
33 パンタ昇降センサ
34 パンタグラフ昇降情報
100 充放電制御装置
C1C2,C11 コンデンサ
CT1〜CT3 電流センサ
DCL,L11,L12,L13 リアクトル
PT1,PT2 電圧センサ
PWM1〜PWM4 PWM信号
SW1〜SW4 スイッチング素子
SW11,SW12 スイッチ
TM1,TM2 き電側端子
TM3,TM4 電池側端子
DESCRIPTION OF
6
Claims (10)
前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アームと前記電池側アームとの変調率を制御するための制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が1となるように前記制御を行う、充放電制御装置。 A feeding side arm comprising a first switching element and a second switching element having one main terminal connected to one main terminal of the first switching element; a third switching element; and a third switching element A battery side arm comprising a fourth switching element having one main terminal connected to one main terminal of the switching element; one main terminal of the first switching element; and one of the third switching element. A reactor for connecting the main terminal, the other main terminal of the third switching element and the other main terminal of the fourth switching element are respectively connected to the positive terminal and the negative terminal of the storage battery, and The first switching element is interposed between a feeder terminal pair consisting of the other main terminal of the first switching element and the other main terminal of the second switching element. A bidirectional buck-boost chopper and the other main terminal is the high potential side and becomes voltage (hereinafter, referred to as feeding circuit voltage) is used so as to be applied,
The bi-directional buck-boost chopper is configured to charge the storage battery with electric power input to the feeding-side terminal pair and output the electric power discharged from the storage battery to the feeding-side terminal pair; A control device for controlling the modulation rate with the battery side arm,
The said control apparatus is a charging / discharging control apparatus which performs the said control so that the modulation factor of at least one of the said feeding side arm and the said battery side arm may be set to 1 in the case of at least any one of the said charge and discharge.
前記制御装置は、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御する、請求項1に記載の充放電制御装置。 A feeding voltage detector for detecting the feeding voltage; and a storage battery voltage detector for detecting a voltage of the storage battery,
The control device, at the start of the charging or discharging, based on the feeding voltage detected by the feeding voltage detector at that time and the storage battery voltage detected by the storage battery side voltage detector at the start modulation rate And controlling the charging current or the discharge current by controlling the modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm so that the charging current or the discharging current becomes zero at the modulation factor at the start time, The charge / discharge control apparatus according to claim 1.
前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電である、請求項4に記載の充放電制御装置。 The bidirectional buck-boost chopper is used in such a manner that the feeder side terminal pair is connected to an electric wiring that supplies power from a pantograph to a power converter that drives a motor that drives a battery-powered railway vehicle. Yes,
The charge / discharge control device according to claim 4, wherein the discharge is an assist discharge for supplying power to the power conversion device, and the charge is a regenerative charge for absorbing regenerative power by the power conversion device.
前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御し、
前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が1となるように前記制御を行う、充放電制御方法。 A feeding side arm comprising a first switching element and a second switching element having one main terminal connected to one main terminal of the first switching element; a third switching element; and a third switching element A battery side arm comprising a fourth switching element having one main terminal connected to one main terminal of the switching element; one main terminal of the first switching element; and one of the third switching element. A reactor for connecting the main terminal, the other main terminal of the third switching element and the other main terminal of the fourth switching element are respectively connected to the positive terminal and the negative terminal of the storage battery, and The first switching element is interposed between a feeder terminal pair consisting of the other main terminal of the first switching element and the other main terminal of the second switching element. Other voltage main terminal is a high potential side (hereinafter, referred to as feeding circuit voltage) of the bidirectional buck-boost chopper used as is applied using a,
The bi-directional buck-boost chopper is configured to charge the storage battery with electric power input to the feeding-side terminal pair and output the electric power discharged from the storage battery to the feeding-side terminal pair; Controlling the modulation factor of the battery side arm,
A charge / discharge control method in which the control is performed so that a modulation factor of at least one of the feeding side arm and the battery side arm becomes 1 in at least one of the charging and discharging.
前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御する、請求項6に記載の充放電制御方法。 Using a feeding voltage detector that detects the feeding voltage and a storage battery voltage detector that detects the voltage of the storage battery,
At the start of the charging or discharging, a starting modulation factor is determined based on the feeding voltage detected by the feeding voltage detector at that time and the storage battery voltage detected by the storage battery side voltage detector, The charge / discharge according to claim 6, wherein the charge current or the discharge current is controlled by controlling a modulation rate of the feeding side arm and the battery side arm so that a charging current becomes zero at a modulation rate at start. Control method.
前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電である、請求項9に記載の充放電制御方法。 The bidirectional buck-boost chopper is used in such a manner that the feeder side terminal pair is connected to an electric wiring that supplies power from a pantograph to a power converter that drives a motor that drives a battery-powered railway vehicle. Yes,
The charge / discharge control method according to claim 9, wherein the discharge is an assist discharge for supplying power to the power converter, and the charge is a regenerative charge for absorbing regenerative power by the power converter.
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