JP2011010482A - 車両駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電手段を安全に利用するとともに蓄電手段の劣化を防止する車両駆動システムを提供する。
【解決手段】発電手段１と、発電手段１の電力を直流に変換する第１変換器２と、第１変換器２によって変換された電力が第２変換器５を介して供給される蓄電手段７と、蓄電手段７の残容量を計算する残容量検出部６と、第１変換器１と第２変換器５とから出力された電力を交流に変換する第３変換器３と、第３変換器３によって変換された電力を利用する電動機４と、発電装置１、第１変換器２、第２変換器５、および第３変換器３の動作を制御する制御手段８と、を備え、制御手段８は、蓄電手段７の残容量が第１値ＰＳとなった時に発電手段１を駆動させ、蓄電手段７の残容量が第２値ＰＥとなった時に発電手段１を停止させる充電手段８Ａを備える車両駆動システム。
【選択図】図１

Description

本発明は車両駆動システムに関し、特に、発電手段と蓄電手段とを備える車両駆動システムに関する。

近年、二次電池等の蓄電手段の高電圧、高エネルギー密度の実現が可能となり、携帯型電子機器の電源、さらには電気自動車や鉄道車両などの車両駆動用の電源などとして注目されている。

蓄電手段を搭載した鉄道車両としては、例えばエンジン等の発電機と蓄電装置とを備えた車両を駆動する駆動システムが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の駆動システムでは、動力装置と発電装置と二次電池で構成されるハイブリッド鉄道車両において、走行パターンを予測して充放電を行うものが提案されている。

特開２００８−６７５１０号公報

しかし、ハイブリッドの車両走行時の二次電池等の蓄電手段の利用は、モータの負荷や回生エネルギーによって受動的に決定されており、電池の劣化や安全性を考慮した残容量範囲での動作するための運転は行われてなかった。

上記の特許文献１に開示されている技術は、二次電池等の蓄電手段の電池特性を考慮した上での利用すべき残容量範囲で動作を行なったり、蓄電手段の内部抵抗を考慮して動作を行なったりするものではなかった。そのため、蓄電手段が適切な残容量範囲で使用されず、過充電および過放電が生じる場合があり、蓄電手段を安全に利用するとともに劣化を防止することが難しかった。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、蓄電手段を安全に利用するとともに蓄電手段の劣化を防止する車両駆動システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様による車両駆動システムは、発電手段と、前記発電手段の電力を直流に変換する第１変換器と、前記第１変換器によって変換された電力が第２変換器を介して供給される蓄電手段と、前記蓄電手段の残容量を計算する残容量検出部と、第１変換器と第２変換器とから出力された電力を交流に変換する第３変換器と、第３変換器によって変換された電力を利用する電動機と、前記発電装置、前記第１変換器、前記第２変換器、および前記第３変換器の動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記蓄電手段の残容量が第１値よりも小さくなった時、前記発電手段を駆動させ第２値になるまで充電させる充電手段を備える車両駆動システムである。

本発明によれば、蓄電手段を安全に利用するとともに蓄電手段の劣化を防止する車両駆動システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる車両駆動システムの一構成例を説明するための図である。 図１に示す車両駆動システムにおける発電機の運転方法の一例について説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る車両駆動システムの他の構成例を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る車両駆動システムにおける発電機の運転方法の一例について説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る車両駆動システムにおける発電機の運転方法の一例について説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係る車両駆動システムの一構成例を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る車両駆動システムの一構成例を説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る車両駆動システムについて、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る車両駆動システムは、発電機１と、発電機１から出力された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器２と、ＡＣ／ＤＣ変換器２によって変換された直流電力を変圧するＤＣ／ＤＣ変換器５を介して供給され、ＤＣ／ＤＣ変換器５から供給された直流電力を蓄電する蓄電手段としての二次電池７と、二次電池７の残容量を計算する残容量検出部６と、ＡＣ／ＤＣ変換器２とＤＣ／ＤＣ変換器５とから出力された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器３と、ＤＣ／ＡＣ変換器３によって変換された交流電力を利用して駆動する電動機４と、発電装置１、ＡＣ／ＤＣ変換器２、ＤＣ／ＤＣ変換器５、および、ＤＣ／ＡＣ変換器３、の動作を制御する列車制御部８と、を備えている。

二次電池７は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池の電池セルを複数備えている。ＡＣ／ＤＣ変換器２は、発電機１で発電された交流電圧を直流電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器５は、ＡＣ／ＤＣ変換器２から出力された電圧を変換するとともに、二次電池７から出力される電圧を変換する。

ＤＡ／ＡＣ変換器３は、ＡＣ／ＤＣ変換器２とＤＣ／ＤＣ変換器５とから出力された電力を交流に変換するとともに、電動機４から供給される回生電力を直流電力に変換してＤＣ／ＤＣ変換器５に供給する。

列車制御部８には、残容量検出部６により検出された二次電池７の残容量の値が供給される。列車制御部８は、二次電池７の残容量が第１値ＰＳとなった時、発電機１を駆動させ第２値ＰＥ（第１値ＰＳ＜第２値ＰＥ）になるまで発電機１からの出力により二次電池７を充電させる充電手段８Ａを備えている。

図２に示すように、列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第１値である発電開始ポイント（例えば残容量４０％）ＰＳより小さくなった時、発電機１を駆動させて二次電池７を充電し、第２値である発電停止ポイント（例えば残容量６０％）ＰＥより大きくなったら発電機１を停止させる。列車制御部８は、二次電池７の残容量が発電開始ポイントＰＳとなった場合に、再び発電機を駆動する。

上記のように、二次電池７の充電を行うと、二次電池７の残容量を適正な範囲内に保つことができ、二次電池７の劣化を防ぎ、過剰な充放電も防止することができる。したがって、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、二次電池を安全に利用するとともに二次電池の劣化を防止する車両駆動システムを提供することができる。

なお、図１に示す車両駆動システムは蓄電手段として二次電池７を備えていたが、図３に示すように、蓄電手段として二次電池７の代わりに電気２重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）等の大容量コンデンサを備えていてもよい。その場合であっても、蓄電手段である大容量コンデンサを安全に利用するとともに大容量コンデンサの劣化を防止する車両駆動システムを提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る車両駆動システムについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る車両駆動システムの列車制御部８は、二次電池７の残容量が第１値ＰＳとなった時に発電機１を駆動させ、第３値ＰＡ（第１値ＰＳ＜第３値ＰＡ＜第２値ＰＥ）になった時に発電機１の出力を徐々に低下させ、第２値ＰＥになるまで発電機１からの出力により二次電池７を充電させる充電手段８Ａを備えている。

図４に示すように、列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第１値である発電開始ポイント（例えば残容量４０％）ＰＳより小さくなった時、発電機１を駆動させて二次電池７を充電し、二次電池７の残容量が第３値である発電出力低下開始ポイント（例えば５０％）ＰＡより大きくなったら、二次電池７の残容量が第２値である発電停止ポイント（例えば６０％）ＰＥとなるまで発電機１の出力を低下させていく。列車制御部の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が発電停止ポイントＰＥより大きくなると、発電機１を停止させる。

上記のように二次電池７を充電すると、二次電池７の残容量が一定以上となった状態となる、発電出力低下開始ポイントＰＡから発電停止ポイントＰＥまでの期間において、発電機１の出力を徐々に低下させることにより、二次電池７の電圧が充電停止電圧を超過することを防止することができ、安全に充電することができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の効果を得ることができるとともに、より安全に二次電池７を充電することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る車両駆動システムについて図面を参照して説明する。本実施形態に係る車両駆動システムの列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第１値ＰＳとなった時に発電機１を駆動させ、二次電池７の残容量が第４値ＰＢとなるまで発電機１の出力を徐々に増加させる。

列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第４値ＰＢになると、二次電池７の残容量が第３値ＰＡとなるまで発電機１の出力を一定にする。列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第３値ＰＡになると、発電機１の出力を徐々に低下させ、第２値ＰＥになるまで発電機１からの出力により二次電池７を充電させる。列車制御部８の充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第２値ＰＥになると発電機１を停止する。

図５に示すように、充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が第２値である発電停止ポイントＰＥとなる満充電状態から、二次電池７の残容量が減少し、二次電池７の残容量が第１値である発電開始ポイント（例えば残容量４５％）ＰＳとなるまで発電機１を停止させる。

充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が発電開始ポイントＰＳより小さくなった時、発電機１を駆動させて二次電池７を充電し、さらに二次電池７の残容量が減るにつれて、二次電池７の残容量が第４値である発電出力最大ポイント（例えば４０％）ＰＢ（発電出力最大ポイントＰＢ＜発電開始ポイントＰＳ）となるまで発電機１の出力をまで増加させていく。

充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が発電出力最大ポイントＰＢを超えた後は、二次電池７の残容量が第３値である発電出力低下開始ポイント（例えば５０％）ＰＡとなるまで、最大出力で発電機１を運転させる。

充電手段８Ａは、二次電池７の残容量が発電出力低下開始ポイントＰＡより大きくなったら、発電停止ポイント（例えば６０％）ＰＥとなるまで、発電機１の出力を徐々に低下させるようなヒステリシス動作を行う。

上記のように二次電池７を充電すると、二次電池７の残容量が発電開始ポイントＰＳと発電出力最大ポイントＰＢとの間である期間において、二次電池７の残容量が小さくなるにつれて発電機１の出力が大きくなっていくため、二次電池７が過放電による放電終止電圧以下になることを防ぐことができる。

また、二次電池７の残容量が発電出力低下開始ポイントＰＡと発電停止ポイントＰＥとの間である期間において、二次電池７の残容量が大きくなるにつれて、発電機１の出力が小さくなっていくため、二次電池７が充電時に充電終止電圧以上になることを防ぎ、過充電を防止することができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の効果を得ることができるとともに、より安全に二次電池７を放電および充電することができる。

次に、本発明の第４実施形態に係る車両駆動システムについて図面を参照して説明する。本実施形態に係る車両駆動システムは、図６に示すように、二次電池７の内部抵抗を算出する内部抵抗算出部９をさらに備えている。

内部抵抗算出部９は、例えば、二次電池７の温度を検出する温度検出手段（図示せず）と、電池温度に対する内部抵抗の値のデータテーブルとを備えていてもよく、放電中の二次電池７の電圧と電流とから、電圧と電流と内部抵抗との関係式により計算することによって内部抵抗を求める手段を備えていてもよい。内部抵抗算出部９は、算出した内部抵抗値を列車制御部８に供給する。

列車制御部８の充電手段８Ａは、内部抵抗算出部９から供給された、内部抵抗値に応じて、発電開始ポイントＰＳ、発電停止ポイントＰＥ、発電出力低下開始ポイントＰＡ、および発電出力最大ポイントＰＢの残容量値を変化させる変化手段（図示せず）を備えている。内部抵抗算出部９および変化手段を備えること以外は、上述の第３実施形態に係る車両駆動システムと同様の構成である。

例えば、二次電池７の内部抵抗が大きいときには、変化手段は、発電開始ポイントＰＳと発電出力最大ポイントＰＢとが高くなるように変化させ、発電停止ポイントＰＥと発電出力低下開始ポイントＰＡとが低くなるように変化させる。

二次電池７の内部抵抗が小さいときには、変化手段は、発電開始ポイントＰＳと発電出力最大ポイントＰＢとが低くなるように変化させ、発電停止ポイントＰＥと発電出力低下開始ポイントＰＡとが高くなるように変化させる。

上記のように、内部抵抗値に応じて、発電開始ポイントＰＳ、発電停止ポイントＰＥ、発電出力低下開始ポイントＰＡ、および発電出力最大ポイントＰＢの残容量値を変化させること以外は、充電手段８Ａは、上述の第３実施形態に係る車両駆動システムと同様に二次電池７を充電する。

上記のように二次電池７を充電すると、二次電池７の内部抵抗の増加したことによって生じる、充電終止電圧や放電終止電圧を超える充電および放電を防止することができる。また、二次電池７の内部抵抗が低下した際には二次電池７の使用可能容量範囲を広げることができ、二次電池７の容量を最大限に利用して有効利用することができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の効果を得ることができるとともに、より安全に二次電池７を放電および充電し、二次電池７を有効利用することができる。

次に、本発明の第５実施形態に係る車両駆動システムについて、図面を参照して説明する。本実施形態に係る車両駆動システムは、図７に示すように、内部抵抗算出部９と、発電モード選択部１０と、発電モード表示部１１とを更に備えている。

内部抵抗算出部９は、上述の第４実施形態に係る車両駆動システムと同様に、例えば、二次電池７の温度を検出する温度検出手段（図示せず）と、電池温度に対する内部抵抗の値のデータテーブルとを備えていてもよく、放電中の二次電池７の電圧と電流とから、電圧と電流と内部抵抗との関係式により計算することによって内部抵抗を求める手段を備えていてもよい。内部抵抗算出部９は、算出した内部抵抗値を列車制御部８に供給する。

発電モード選択部１０は、発電機１の動作を制御するための複数の発電モードを記憶する記憶手段（図示せず）と、記憶手段に記録された複数の発電モードのいずれかを選択するとともに、発電モードの情報を列車制御部８に供給する選択手段（図示せず）とを備えている。選択手段には運転手が操作手段（図示せず）を操作することによる操作信号が供給され、供給された操作信号に基づいて選択手段が発電モードを選択する。

発電機１の発電モードは、車両が走行する経路の勾配や長さに応じて複数のパターンが準備されていてもよく、車両の数に応じて複数のパターンが準備されていてもよく、車両が走行する時間帯に応じて複数のパターンが準備されていてもよい。

列車制御部８は、発電モード選択部１０により選択された発電モードの情報に応じて発電機１の動作を制御するモード制御手段（図示せず）を備えている。モード制御手段は、例えば選択された発電機１の発電モードに応じて、発電開始ポイントＰＳ、発電停止ポイントＰＥ、発電出力低下開始ポイントＰＡ、および発電出力最大ポイントＰＢの残容量値を変化させる。

例えば、上りの勾配が大きい経路を走行するための発電機１の発電モードが選択された場合には、モード制御手段は、発電開始ポイントＰＳと発電出力最大ポイントＰＢとが高くなるように変化させて、二次電池７の過放電を防止する。

逆に、下りの勾配が大きい経路を走行するための発電機１の発電モードが選択された場合には、モード制御手段は、電動機４からの回生電力が二次電池７に供給されることによる過充電を防止するため、発電機１の出力を低くしたり発電機１を停止したりして、発電モードに応じて発電機１の動作を制御する。

発電モード表示部１１には、列車制御部８から選択された運転モード情報が供給される。発電モード表示部１１は、供給された運転モード情報に応じて、車両の運転パターンを表示させる表示手段（図示せず）を備えている。

表示手段は、例えば液晶表示パネルや有機ＥＬ表示パネル等の表示パネルのように電気的に表示させる表示手段であってもよく、選択されたパターンを機械的に表示させるものであってもよい。上記の構成以外は、上述の第３実施形態に係る車両駆動システムと同様である。

上記のように発電機１の運転モードに応じて発電機１の運転を制御することにより、運転手により発電機１の運転パターンを任意に変更することが可能となり、予想外の状況にも対応することが可能となる。また、発電機１の運転パターンは発電モード表示部１１に表示されるため、運転手が発電機１の運転状況を把握でき、安全に走行することができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の効果を得ることができるとともに、より安全に車両を走行させることができる。

次に、本発明の第６実施形態に係る車両駆動システムについて説明する。本実施形態に係る車両駆動システムは、電動機４の負荷を測定する負荷測定手段（図示せず）を備えている。負荷測定手段により測定された電動機４の負荷の大きさは列車制御部８に供給される。

列車制御部８は、電動機４の負荷の大きさに応じて発電機１の出力を変化させる手段（図示せず）を備えている。本実施形態に係る車両駆動システムは、上記の構成以外は、上述の第３実施形態に係る車両駆動システムと同様である。

例えば、電動機４の負荷が所定の値よりも大きい場合には、発電機１を駆動して、電動機４の負荷が所定の値よりも小さくなると発電機１を停止させる。したがって、電動機４の負荷が所定の値よりも大きい場合には、発電機１と二次電池７とからの電力が電動機４に供給され、電動機４の負荷が所定の値よりも小さくなると、二次電池７から電動機４に電力が供給される。

また、電動機４から回生電力が得られている場合には、発電機１を停止し、回生電力のみによって二次電池７を充電させる。したがって、発電機１と回生電力とにより二次電池７が充電されて過充電となることを防止することができる。

上記のように、電動機４の負荷の大きさに応じて発電機１の出力を変化させることにより、二次電池７の充電および放電の頻度を減少させることができ、ＤＣ／ＤＣ変換器５による変換時におけるエネルギーの損失も減少させることができるため、効率よく車両を駆動させることができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の効果を得ることができるとともに、二次電池７の充放電頻度が減り、ＤＣ／ＤＣ変換器５における損出も減るため、効率の良く車両を運転することができる。

次に、本発明の第７実施形態に係る車両駆動システムについて説明する。本実施形態に係る車両駆動システムは、列車制御部８が制御解除手段（図示せず）を備えていること以外は上述の第３実施形態に係る車両駆動システムと同様である。

制御解除手段には、運転手が操作手段を操作することにより制御解除信号が供給される。制御解除信号が供給されると、制御解除手段は、二次電池７の残容量が発電開始ポイントＰＳになっても、二次電池７の放電を続けさせ、二次電池７の容量を全て使いきることを可能にする。

このように発電機１の制御を解除することによって、発電機１の故障時や事故を回避する必要がある時等、非常時に車両を駆動する電源を確保することができる。

すなわち、本実施形態に係る車両駆動システムによれば、上述の第１実施形態に係る車両駆動システムと同様の高価を得ることができるとともに、非常時の安全を確保する車両駆動システムを提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

ＰＳ…第１値（発電開始ポイント）、ＰＥ…第２値（発電停止ポイント）、１…発電手段（発電機）、２…第１変換器（ＡＣ／ＤＣ変換器）、３…第３変換器（ＡＣ／ＤＣ変換器）、４…電動機、５…第２変換器（ＤＣ／ＤＣ変換器）、６…残容量検出部、７…蓄電手段（二次電池）、８…制御手段（列車制御部）、８Ａ…充電手段。

Claims (9)

1. 発電手段と、
   前記発電手段から出力された電圧を直流に変換する第１変換器と、
   前記第１変換器によって変換された電圧が第２変換器を介して供給される蓄電手段と、
   前記蓄電手段の残容量を計算する残容量検出部と、
   第１変換器と第２変換器とから出力された電圧を交流に変換する第３変換器と、
   第３変換器によって変換された電圧が供給される電動機と、
   前記発電装置、前記第１変換器、前記第２変換器、および前記第３変換器の動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記蓄電手段の残容量が第１値となった時に前記発電手段を駆動させ、前記蓄電手段の残容量が第２値となった時に前記発電手段を停止させる充電手段を備える車両駆動システム。
2. 前記蓄電手段は、大容量コンデンサである請求項１記載の車両駆動システム。
3. 前記蓄電手段は、二次電池である請求項１記載の車両駆動システム。
4. 前記充電手段は、前記蓄電手段の残容量が前記第１値よりも大きく前記第２値より小さい第３値となった時から、前記発電手段の出力の低下を開始させる手段を備える請求項１記載の車両駆動システム。
5. 前記充電手段は、前記蓄電手段の残容量が前記第２値に達した後、前記第１値となるまでの期間は前記発電装置を停止させるとともに、前記蓄電手段の残容量が前記第１値となった時に前記発電手段の出力の上昇を開始させて前記蓄電手段の残容量が前記第１値よりも小さい第４値となった時に前記発電手段の出力を最大にする手段を備える請求項１記載の車両駆動システム。
6. 前記蓄電手段の内部抵抗を検出する検出部をさらに備え、
   前記充電手段は、前記検出部により検出された内部抵抗の大きさに応じて、前記第１値と前記第２値とを変化させる変化手段を備える請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の車両駆動システム。
7. 前記複数の発電モードのいずれかを選択する発電モード選択手段と、前記発電装置の運転状況と前記発電モードとを表示させる発電モード表示手段と、をさらに備え、
   前記発電モード選択手段は、前記発電手段の複数の発電モードを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された複数の発電モードのいずれかを選択し、選択された発電モード情報を前記制御手段に供給する選択手段と、を備え、
   前記制御手段は、供給された発電モード情報に従って前記発電装置を運転する手段と、を備える請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の車両駆動システム。
8. 前記電動機の負荷の大きさを測定する測定手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記測定手段から得た負荷が所定の値より大きい場合のみ前記発電装置を運転させる請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の車両駆動システム。
9. 前記制御手段は、前記蓄電手段の残容量を全て使用可能とする制御解除手段をさらに備える請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の車両駆動システム。

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