JP2015216800A - 制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】
主に寒冷地で本システムを使用する場合，外気温度が低温の為，電子回路等の性能が低下し，動作不良を起こす恐れがある。
【解決手段】
本発明は，電力供給・回収手段と、供給される電力を交流電力へ変換する第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段により変換された交流電力によって駆動するモータと、第２の電力変換手段を介して電力を充放電可能な蓄電手段と、第１の電力変換手段を備える箱と、箱の温度検知手段とを有する車両の制御システムにおいて、抵抗手段と第１の遮断器とが並列に接続された回路が電力供給・回収手段と第２の電力変換手段との間に直列に接続され、抵抗手段と電力供給・回収手段との間に第２の遮断器を有し、温度検知手段が箱の温度が第１の所定値よりも低下したことを検知すると、電力供給・回収手段と蓄電手段との間で抵抗手段を介して電流を流すことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は制御システムに関し、特に鉄道車両用に搭載される電力変換機器箱の低温下における箱内温度低下抑制制御に関するものである。

鉄道車両や電気自動車などの電気車は、電力変換機器を介して、駆動力を有するモータへ電力を供給することで、モータに対し、所望の電圧・周波数の交流電力を供給して制御している。

主に寒冷地で電力変換機器を搭載した駆動装置を使用する場合，外気温度が極低温下での長時間停車においては，箱内の周囲温度の低下により，システム制御を担う制御論理部などの電子機器や，蓄電池などの蓄電手段の性能低下が著しく，動作不良を起こす場合が懸念される。

例えば本技術分野の背景技術として、特開２０１２−６９２８０号公報（特許文献１）がある。この公報には、蓄電手段に関しては，低温時はエネルギー授受が可能なシステムと蓄電手段との間で，充放電電流を流し続けることで蓄電池の内部抵抗の発熱を促し蓄電池の温度低下を抑制する蓄電池暖機制御技術が用いられている。

一方でシステム制御用の電子機器に関する極低温下での動作不良対策としては，同箱内にヒーター用の抵抗器を別途設置することで，同箱内の周囲温度低下を抑制し，電子機器の性能低下を防止している。

特開２０１２−６９２８０号公報

蓄電池については，前述の蓄電池暖機制御技術による昇温対策が実施されている。

しかし、システム制御用の電子機器については，電力変換機器箱内の温度を維持する為，ヒーター用の抵抗器を新設し，ヒーター用電源は外部電源から供給する必要があり，設置場所と外部電源の確保が求められることから，設置できる場所が制限される。

そこで本発明は，ヒーター用に抵抗器を新設せずに，箱内温度低下を抑制し，低温下での電子機器の性能を確保する制御システムを提供する。

上記課題を解決する為に、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電力を供給可能な電力供給・回収手段と、電力供給・回収手段から供給される電力を交流電力へ変換する第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段により変換された交流電力によって駆動するモータと、第２の電力変換手段を介して電力を充放電可能な蓄電手段と、第１の電力変換手段または第２の電力変換手段の少なくともいずれかを備える箱と、箱の内部温度を検知する温度検知手段とを有する車両の制御システムにおいて、抵抗手段と第１の遮断器とが並列に接続された回路が電力供給・回収手段と第２の電力変換手段との間に直列に接続され、抵抗手段と電力供給・回収手段との間に第２の遮断器を有し、温度検知手段が箱の温度が第１の所定値よりも低下したことを検知すると、温度が第２の所定値に達するまで、電力供給・回収手段と蓄電手段との間で抵抗手段を介して電流を流すことを特徴とする。

本発明によれば、ヒーター用の抵抗器，電源を別途設ける必要が無くなり，コスト低減，部品点数削減を図ることが可能となる制御システムを提供することができる。

本発明を適用するシステムを示した概略図 本発明の抵抗器投入・開放回路構成の具体例１ 本発明の抵抗器投入・開放回路構成の具体例２ 本発明を適用したシステムの実施例１ 本発明を適用したシステムの実施例２ 本発明に関わる主要部品の位置関係を示した部品配置図 本発明に関わる低温抑制制御開始シーケンス 本発明に関わる低温抑制制御禁止シーケンス 本発明に関わる低温抑制制御時の抵抗器投入開放シーケンス 低温抑制制御時の動作タイミングチャート

以下に，本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図６は箱内における本開発での主要部品の配置例（３面図）を示す。当該箱内温度を検知する手段である箱内温度センサ５１は箱内温度を検出する機能を有し、制御論理部である電子機器制御論理部５０に隣接設置される。当該部品を有する箱５２が車両に備えられる。本実施例では、抵抗器２０が発熱手段となるため、低温化において箱５２内の温度を上げ、電子機器５０の動作不良を防止することができる。図６のように、電子機器５０と抵抗器２０は隣接配置することで、より効果的となる。

図１に本発明に関わる適用システムの構成図を示す。

架線やエンジンなどの電力供給・回収手段１と，インバータなどの電力変換機器Ａ３と、電力変換機器Ａ３の入力段に設けられる平滑用フィルタコンデンサ９と、フィルタコンデンサ９の突入電流抑制の為のコンデンサ充電用抵抗器と抵抗器投入・開放用遮断器からなる抵抗器投入・開放回路Ａ２と，抵抗器投入・開放回路Ｂ６と，モータなどの負荷８と，蓄電池などの直流電力蓄電手段４と、直流電力蓄電手段４への供給電力を充電可能な電圧レベルに変換するＤＣ−ＤＣチョッパ等の電力変換機器Ｂ５と，交流電力を直流電力へ変換するコンバータ等の電力変換機器Ｃ７を有するシステムである。電力供給・回収手段は、例えば架線であれば、架線から電力供給を受け、また回生電力が発生した場合は当該電力を架線へと戻し、回収する機能を有するものである。

前記抵抗器投入・開放回路Ａ２，抵抗器投入・開放回路Ｂ６の回路構成は様々であり，具体的な例を図２，図３に示す。

図２は抵抗器投入・開放回路Ａ２の具体例を示す。コンデンサ充電用抵抗器２０と，抵抗器投入用遮断器２１を直列接続し，前記コンデンサ充電用抵抗器２０と抵抗器投入用遮断器２１に抵抗器短絡用遮断器２２を並列接続した構成を有している。

前記抵抗器２１，２２が共にＯＦＦ（開放）状態から、前記抵抗器投入用遮断器２１をＯＮ（短絡）することで，前記コンデンサ充電用抵抗器２０が主回路に対して直列接続され，フィルタコンデンサ９への充電電流を制限する機能を果たし，フィルタコンデンサ９の電圧が所定値以上となる時間で前記抵抗器短絡用遮断器２２をＯＮ（短絡）し，前記コンデンサ充電用抵抗器２０を短絡し，主回路から切り離す。なお、以降「遮断器がＯＮ」は「短絡」、「遮断器がＯＦＦ」は「開放」を意味する。

図３は抵抗器投入・開放回路Ｂ６の具体例を示す。前記コンデンサ充電用抵抗器２０と並列に抵抗器短絡用遮断器２２を接続し，更に回路投入用遮断器２３を直列接続した構成を有する。

前記抵抗器投入用遮断器２２がＯＦＦの状態で，前記回路投入用遮断器２３をＯＮすることで前記コンデンサ充電用抵抗器２０が主回路に直列接続され，コンデンサへの充電電流を制限する機能を果たし，前述の抵抗器投入・開放回路Ａ２と同様，フィルタコンデンサ９の充電電圧が所定値以上となる時間で前記抵抗器短絡用遮断器２２をＯＮし，前記コンデンサ充電用抵抗器２０を短絡して，主回路から切り離す。

図４に実施例１の構成を示す。

電力供給・回収手段１として直流架線３０，前記抵抗器投入・開放回路Ａ２，前記抵抗器投入・開放回路Ｂ６として図２の回路を採用した場合は，コンデンサへの突入電流を制限するコンデンサ充電用抵抗器２０ａ、２０ｂ，前記抵抗器を投入する抵抗器投入用遮断器２１ａ、２１ｂ，前記抵抗器を短絡して主回路から切り離す抵抗器短絡用遮断器２２ａ、２２ｂを有し，直流電力平滑用のフィルタリアクトル３１とフィルタコンデンサ９，前記電力変換機器Ａ３としてインバータ３２，前記負荷８として交流誘導電動機であるモータ３３，前記電力変換機器Ｂ５として蓄電手段が蓄電できる電圧レベルに変換するＤＣ−ＤＣチョッパ３４，前記直流電力蓄電手段４として直流電力を充放電可能な蓄電池３５から構成されている。

本実施例は，電力供給・回収手段１として直流架線３０が接続された場合の代表的なシステム構成であり，図１に対して，交流電力を直流電力に変換する電力変換機器Ｃ７が省略可能となる。また、蓄電池３５への電力を蓄電可能な電圧レベルに変換する為の電力変換機器Ｂ５として，ＤＣ−ＤＣチョッパ３４が接続されている。

図７は、低温抑制制御開始シーケンスを示す。つまり、モータ３３へ電力が供給されていない状態（停車中）であることを条件として，箱内温度センサ５１が設定温度以下となり，かつ低温抑制制御禁止指令によるフラグが成立しておらず、また蓄電池ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電率）が、上限及び下限に至っておらず（所定値以内である）場合に、低温抑制制御開始フラグが出力される。

図８は、上述の低温抑制制御禁止フラグのシーケンスを示す。つまり、低温抑制制御終了温度に達するか、蓄電池ＳＯＣが上限または下限に至ったかの、少なくともいずれかが検知された場合に、低温抑制制御禁止フラグが成立、出力される。

図９は、抵抗器投入開放シーケンスを示す。つまり、図７での低温抑制制御開始フラグが入力され、かつ図８での低温抑制制御禁止フラグが成立していない場合に、抵抗器投入用遮断器にオン指令が出力される。すると、抵抗器投入用遮断器２１ｂがＯＮし，コンデンサ充電用抵抗器２０ｂが投入され，直流架線３０からのエネルギーをコンデンサ充電用抵抗器２０に流して，ＤＣ−ＤＣチョッパ３４で電圧レベル変換し，畜電池３５へ充電，蓄電池３５からのエネルギーを，ＤＣ−ＤＣチョッパ３４で電圧レベル変換し，コンデンサ充電用抵抗器２０を経由して直流架線３０へ放電する経路を有する。

この経路により直流架線３０と蓄電池３５間の蓄電池充放電電流を，ＤＣ−ＤＣチョッパ３４により制御し，コンデンサ充電用抵抗器２０に微小電流を流し続け，抵抗器２０ｂから発生する熱エネルギーにより箱内温度の低下を抑制することが可能となる。

箱内温度センサ５１が低温抑制制御終了となる所定温度を検知すると，図８の低温抑制制御禁止シーケンスにより，低温抑制制御禁止フラグが成立し，図９の抵抗器投入開放シーケンスにより，抵抗器短絡用遮断器オン指令が成立し，抵抗器短絡用遮断器２２がＯＮし，コンデンサ充電用抵抗器２０が主回路より切り離され，低温抑制制御を終了する。

図１０は、低温抑制制御時の動作のタイミングチャートを示す。

ｔ１では、箱内温度が低下し、低温抑制制御開始フラグが出力される。

ｔ２では、抵抗器投入用遮断器オン指令により、ＤＣ−ＤＣチョッパ３４が動作し始める。ここで、図示しない蓄電池ＳＯＣ検知手段により、蓄電池ＳＯＣが、上限値と下限値との中間値よりも少ない場合、図１０のようにＤＣ−ＤＣチョッパ３４は放電制御を開始する。もし、蓄電池ＳＯＣが当該中間値以上である場合は、放電制御を行う。なお、当該低温抑制制御開始フラグによる最初の充電または放電のいずれかを行うかを判定するための閾値は、今回は中間値としているが、システムの設計上変更してもよい。更には、当該閾値を設定せず（蓄電池ＳＯＣに関係なく）、これまでの充放電履歴蓄積手段（図示しない）により、充電または放電の回数の少ない方を選択してもよい。これにより、蓄電池の寿命をより延ばすことができる。

ｔ３〜ｔ７では、蓄電池ＳＯＣが上限値または下限値に達する直前に、充放電切り替え手段（図示しない）により、充電と放電とを切り替える制御を行っている。当該切り替えのタイミングは、図１０のように蓄電池ＳＯＣの上限値と下限値に達する直前とすれば、各充電・放電時間をより長く確保することができ、また、上限値や下限値に達する前に、充放電切り替えのために、当該上限値よりも低い値の切り替え上限値、及び当該下限値よりも高い値の切り替え下限値を定めれば、任意のタイミングで充放電を切り替えることもできる。いずれにしても、箱内温度が低温抑制制御終了フラグが出力されるまで、充放電を繰り返し、抵抗器２０に電流を流し続けることで、箱内の温度を上昇制御させることが可能になる。

ｔ８では、低温抑制制御終了フラグが出力され、図８での低温抑制制御禁止フラグが成立するため、ｔ９で、図９での抵抗器短絡用遮断器オン指令が出力される。

本実施例では、モータ３３へ電力が供給されていない状態（停車中）であることを条件としている。つまり、次に期待される動作はモータ出力（始動）であり、その際に蓄電池ＳＯＣを使用することが予め分かっている場合には、当該低温抑制制御終了フラグ出力時に、蓄電池ＳＯＣがより多い状態にしておくことも考えられる。その場合、箱内温度が低温抑制制御終了フラグが出力される温度に近づいた（所定の閾値を超えた）ことを検知する手段（図示しない）を備えることで、当該温度を超えた場合、上述の切り替え下限値を蓄電池ＳＯＣの上限値寄りへと変更することで、低温抑制制御終了フラグ時の蓄電池ＳＯＣの下限値を調整することができる。また、低温抑制制御終了フラグの出力時の温度に幅を持たせることができれば、当該低温抑制制御終了フラグが出力された後は、蓄電池ＳＯＣは上限値（もしくは所定の値）まで引き続き充電する制御を行い、当該上限値（または所定の値）まで蓄電池ＳＯＣが到達するまで、電力変換装置を動作させ続ける制御を行ってもよい。もちろん、逆に切り替え上限値を途中で変更し、低温抑制制御終了の際の蓄電池ＳＯＣを低めに調整しておくことも可能である。直後に、回生電力や、架線から他の車両の電力が供給されることが分かっている場合に有効である。

なお、本実施例では、モータ３３へ電力が供給されていない状態（停車中）であることを条件としているが、もちろんモータ３３へ電力が供給されている状態、または停車中でない状態であっても、更に本実施例の制御を行うことで、箱内の温度上昇の効果は得られることは言うまでもない。例えば、停車していない程度の早さで走行している場面において、本実施例を使う効果は得られる。

図５に本開発の適用システムの実施例２の構成を示す。

蓄電手段または負荷とのエネルギーを授受可能なシステムとして，エンジンや交流架線などの交流電源を想定し，その一例としてエンジン４０の場合について示した実施例である。

図１に対して，前記エネルギー授受可能なシステム１としてエンジン４０，発電機４１，前記電力変換機器Ｃ７としてコンバータ４２を接続することでコンバータ４２の直流側出力電圧の制御が可能となる為，電圧レベル変換用の電力変換機器Ｂ５を省略可能とした構成である。

図４の実施例１と本実施例が異なる点は，エネルギー授受可能なシステム１としてエンジン４０が接続された場合の代表的なシステム構成となり，エンジン４０の出力を元に発電機４１で生成された３相交流電力を，コンバータ４２で交流電力から直流電力へ変換し，コンデンサ充電用抵抗器２０を経由して，畜電池３５へ充電，蓄電池３５からの直流電力を，コンデンサ充電用抵抗器２０で電流制限し，コンバータ４２で直流電力から交流電力へ変換し，エンジン４０へ放電する経路を有する点である。

この経路によりエンジン４０と蓄電池３５間の蓄電池充放電電流を，実施例１と同様にコンバータ４２により微小電流に制御し，コンデンサ充電用抵抗器２０に微小電流を流し続け，抵抗器から発生する熱エネルギーにより箱内温度の低下を抑制する。

１ エネルギー授受可能なシステム
２ 抵抗器投入・開放回路Ａ
３ 電力変換機器Ａ
４ 直流電力を蓄電する蓄電手段
５ 電力変換機器Ｂ
６ 抵抗器投入・開放回路Ｂ
７ 電力変換機器Ｃ
８ 負荷
９ フィルタコンデンサ
２０、２０ａ、２０ｂ コンデンサ充電用抵抗器
２１、２１ａ、２１ｂ 抵抗器投入用遮断器
２２、２２ａ、２２ｂ 抵抗器短絡用遮断器
２３ 回路投入用遮断器
３０ 直流架線
３１ フィルタリアクトル
３２ インバータ
３３ モータ
３４ ＤＣ−ＤＣチョッパ
３５ 蓄電池
５０ 電子機器
５１ 箱内温度センサ

Claims (5)

1. 電力を供給可能な電力供給・回収手段と、
   前記電力供給・回収手段から供給される電力を交流電力へ変換する第１の電力変換手段と、
   前記第１の電力変換手段により変換された交流電力によって駆動するモータと、
   第２の電力変換手段を介して電力を充放電可能な蓄電手段と、
   前記第１の電力変換手段または前記第２の電力変換手段の少なくともいずれかを備える箱と、
   前記箱の内部温度を検知する温度検知手段と
   を有する車両の制御システムにおいて、
   抵抗手段と第１の遮断器とが並列に接続された回路が
   前記電力供給・回収手段と前記第２の電力変換手段との間に直列に接続され、
   前記抵抗手段と前記電力供給・回収手段との間に第２の遮断器を有し、
   前記温度検知手段が前記箱の温度が第１の所定値よりも低下したことを検知すると、
   前記温度が第２の所定値に達するまで、
   前記電力供給・回収手段と前記蓄電手段との間で前記抵抗手段を介して電流を流すこと
   を特徴とする制御システム。
2. 請求項１に記載の制御システムにおいて、
   前記温度検知手段が前記箱の温度が前記第１の所定値よりも低下したことを検知すると、
   前記蓄電手段の充電率が所定の範囲内に収まるように、
   前記蓄電手段を充電、または放電、または充電と放電を繰り返すこと
   を特徴とする制御システム。
3. 請求項２に記載の制御システムにおいて、
   前記第１の遮断器により、前記抵抗手段へ電流を通すか否かを制御し、
   前記第２の遮断器により、前記蓄電池及び前記第２の電流変換手段で構成される回路へ
   電流を流すか否かを制御し、
   前記モータ停止中で、
   かつ前記温度検知手段が前記箱の温度が第１の所定値よりも低下したことを検知し、
   かつ前記蓄電手段の蓄電量が前記所定の範囲内である場合に、
   前記蓄電手段を充電、または放電、または充電と放電を繰り返すこと
   を特徴とする制御システム。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の制御システムにおいて、
   前記所定の範囲の上限値よりも低い切り替え上限値と、
   前記所定の範囲の下限値よりも高い切り替え下限値とを備え、
   前記充電率が前記切り替え上限値、または前記切り替え下限値に達した場合、
   前記蓄電手段の充電または放電を切り替えること
   を特徴とする制御システム。
5. 請求項４に記載の制御システムにおいて、
   前記箱の温度が、前記第１の所定値よりも低下した後で、かつ前記第２の所定値に達する間に、
   前記切り替え上限値または前記切り替え下限値の値を変更すること
   を特徴とする制御システム。