JP4005627B1 - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

この発明の電気車の制御装置は、電動機を駆動する第１のインバータ５と、負荷に電力を供給する第２のインバータ１０と、前記第１及び第２のインバータ５、１０に電力を供給する電力貯蔵部７と、前記電力貯蔵部７の貯蔵電力量に応じて前記負荷量を制御することができる負荷制御部９Ａとを設け、電力貯蔵部７の貯蔵電力量あるいは状態量に応じて、負荷制御部９Ａから送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３の一部または全部を停止する等、制御可能な構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ駆動電気車の制御装置、特に直流電力を充放電する電力貯蔵部を搭載したインバータ駆動電気車の制御装置に関する。

近年、インバータ駆動電気車において、バッテリ等の電力貯蔵デバイスからなる電力貯蔵部を電気車に搭載し、車輪駆動用の電動機を制御するインバータに、この電力貯蔵部から電力を供給できる構成とすることで、架線のない区間においても電気車の走行を可能とするバッテリ駆動電気車が知られている。（例えば、特許文献１参照）

昨今、二次電池・電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵デバイスの開発が盛んとなっており、貯蔵電力量の増大が図られてはいるものの、電気車を走行させるのに十分な電力量を得るためには、現在の技術では、かなり大型で重量のある電力貯蔵部が必要となる。ところが、電気車への搭載スペースは床下等に限られているため、極力、電力貯蔵部のサイズ、質量を抑えることが必要となり、余裕を持った貯蔵電力量を確保するのは困難であることが多い。このため、限られた貯蔵電力を有効に利用することが必要不可欠となる。

一方、架線のない区間を走行する電気車の適用例としては、たとえば路面電車が有力視されており、路面電車用の電気車を上記電力貯蔵部からの電力で走行できる構成とすることで、既設路線の一部区間の架線を取り除くことが可能となり、架線や支柱が不要となることから景観が向上する。特に歴史的建造物や景勝地の周囲に敷設された路線では、架線や支柱を取り外すことの景観上のメリットは大きい。また、既設路線から路線を延長する場合、長距離でなければ線路のみを延長して架線の敷設を不要とでき、工事費用や期間を短縮できるメリットも生じる。

しかしながら、路面電車は自動車と走行路を共有することになるため、自動車の渋滞等の影響を受けて、架線のない区間での走行時間、停車時間が延びる等、あらかじめ決められたダイヤで走行することのできる通常の鉄道路線の電気車とは異なる運行形態となる。

このため、搭載する電力貯蔵部の容量は、架線のない区間での走行時間、停止時間が延びることを想定して余裕を持って見積もらねばならず、通常必要な容量よりも大きな容量が必要となる問題がある。
さらに、渋滞がひどく、長時間の停車を強いられた場合、電気車に搭載されている空調装置（冷房装置、暖房装置）により電力貯蔵部の貯蔵電力を消耗してしまい、電気車の走行に必要な電力量が不足して走行が不能となり、電気車が架線のない区間で立ち往生してしまう事態も考えられる。

特開２００６−１０１６９８ （図９及び段落（００２６）参照）

本発明は、以上の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、架線がない区間に電気車があらかじめ想定した時間よりも長く滞在する場合でも、架線がある区間まで走行できる電力量を確保することができる電気車の制御装置を提供するものである。

本発明の電気車の制御装置は、電動機を駆動する第１のインバータと、負荷に電力を供給する第２のインバータと、前記第１及び第２のインバータに電力を供給する電力貯蔵部とを備えた電気車において、前記電力貯蔵部の貯蔵電力量あるいは状態量に応じて前記負荷量を制御することができる負荷制御部を設けたことを特徴とするものである。

この発明の電気車の制御装置は、架線のない区間に、あらかじめ想定した時間以上長く滞在する場合でも、架線がある区間まで走行できる電力量を確保できるようになる。

本発明の実施の形態１における電気車の制御装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における負荷制御部の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における送風装置と空調装置と換気装置の冷房時の動作を示す図である。 本発明の実施の形態における送風装置と空調装置と換気装置の暖房時の動作を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による電気車の制御装置の構成例を示す図である。図１において、架線１からパンタグラフ２、車輪３、レール４を通して電力を取り入れることができる構成とし、電気車の制御装置２０により電動機６を駆動すると共に、送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３等の負荷に電力を供給することができるようになっている。なお、図１は、電気車が架線１のない区間を走行している状態を示している。

上記電気車の制御装置２０は、電動機６を駆動する可変電圧・可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ５、ＤＣ/ＤＣコンバータ８に接続された電力貯蔵部７、前記ＤＣ/ＤＣコンバータと電力貯蔵部７を制御する制御部９、前記負荷である送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３に電力を供給する一定電圧・一定周波数（ＣＶＣＦ）インバータ１０から構成されている。上記制御部９には前記電力貯蔵部７の貯蔵電力量を測定し、前記負荷の負荷量を制御する負荷制御部９Ａを備えている。なお、図示しないが、ＣＶＣＦインバータ１０からは車内の蛍光灯・放送装置等の負荷にも電力が供給されているが、その消費電力は小さいため、ここでは割愛している。上記電力貯蔵部７は、電気二重層キャパシタや二次電池等の電力貯蔵デバイスで構成されており、貯蔵電力量は、搭載スペースの制約から、現在の技術では５０ＫＷｈ程度が限度である。

図２は本発明の実施の形態１の負荷制御部９Ａの構成例を示す図である。図に示すとおり、負荷制御部９Ａは、制御部９の内部に設けられ、電力貯蔵部７の貯蔵電力量（以下ＳＯＣと表記する）を測定し、このＳＯＣと内部の設定値ＬＶ０、ＬＶ１、ＬＶ２とを比較して、その結果に応じて制御信号ＦＮＣ、ＡＣＣ、ＶＴＣを出力し、送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３へ入力することでこれらの運転を制御可能な構成としている。具体的な制御論理については、図３、図４により後述する。ＳＯＣとは、Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅの略であり、満充電を１００％としたときの貯蔵電力量の割合である。貯蔵電力量の１／２消費するとＳＯＣ＝５０％となり、完全放電ではＳＯＣ＝０％となる。このＳＯＣは、電力貯蔵部７の端子電圧や充放電電流から演算して算出することができ、種々の構成が公知技術として存在する。

本発明は、上記電力貯蔵部７の貯蔵電力量に応じて、制御部９から直接的、あるいは間接的に送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３を制御可能な構成としていることを特徴とする。
直接的とは、図１に示す構成のように、制御部９の負荷制御部９Ａから直接、送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３に制御信号ＦＮＣ、ＡＣＣ、ＶＴＣを与える構成を示し、間接的とは、制御部９とは別に車両内の各機器の情報を集約して各機器を制御できる車両管理制御装置（図示せず）を設け、この車両管理制御装置内に貯蔵電力量の情報を入力する負荷制御部９Ａを設け、上記負荷制御部９Ａを介して送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３を制御するようにする構成を示す。

本発明の構成は、上記直接的、間接的な制御構成のいずれでもよい。なお、送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３が、制御部９あるいは車両管理制御装置内の負荷制御部９Ａにアクセスし、貯蔵電力量を自立的に把握してそれに応じて各々が運転状態を制御する構成としてもよい。要するに、電力貯蔵部７の貯蔵電力量に応じて、負荷制御部９Ａから送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３を制御可能な構成としたものである。

このように構成された電気車の制御装置２０の動作を、図１を参照しながら以下に説明する。電気車が架線のある区間を走行する場合は、架線１とレール４とからパンタグラフ２と車輪３を介して、電気車の制御装置２０に直流電力を取り入れ、ＶＶＶＦインバータ５により電動機６を駆動し、ＣＶＣＦインバータ１０により送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３へ電力を供給することにより運転を行う。
一方、電気車が架線のない区間を走行する場合（図１に示している状態の場合）は、電気車の制御装置２０内部に配置された電力貯蔵部７に貯蔵された電力を使用して、ＶＶＶＦインバータ５により電動機６を駆動し、ＣＶＣＦインバータ１０により送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３へ電力を供給する構成である。

なお、電力貯蔵部７への充電は、電気車が架線のある区間を走行中にＤＣ/ＤＣコンバータ８を介して実施してもよいし、図示しないが、駅に停車中等に外部の充電装置を介して充電する構成でもよいし、駅に停車中等に、すでに充電済みの電力貯蔵部と交換する構成でもよく、その形態は限定されない。

図１において、空調装置１２は、冷房装置と、暖房装置を総称して示しており、それぞれ電気車の客室内の温度を快適温度に維持するための装置である。冷房装置の構成は、一般によく知られているとおり、電動機によりコンプレッサを駆動して冷媒を循環させて熱を輸送できる構成とした装置であり、室内側熱交換器から室内の熱を吸収し、室外側熱交換器から吸収した熱を放熱する構成である。室内側熱交換器、室外側熱交換器はそれぞれ室内ファン、室外ファンにて積極的に空気を循環させる構成となっていることも周知である。暖房装置の構成も一般に良く知られているものであり、電熱線によるものや、半導体ヒータなどで構成される。なお、冷房装置と逆の構成として室外の熱を室内に輸送して暖房するヒートポンプ式暖房装置でも良い。

ここで、空調装置１２（冷房装置、暖房装置）の消費電力量について以下に説明する。
一般的な路面電車１両に搭載される冷房装置の消費電力は１５ＫＷ程度である。従って、夏季にフル運転している場合の消費電力量は１５ＫＷｈ程度となる。特にコンプレッサを駆動する電動機の消費電力は１０ＫＷ前後とほとんどを占めており、室外ファン、室内ファンの消費電力は数十Ｗ〜百Ｗ程度であり、全体の消費電力に対する割合は僅かである。また、一般的な路面電車１両に搭載される暖房装置の消費電力も同程度であり、冬季に暖房装置をフル運転した場合の消費電力量も１５ＫＷｈ程度となる。つまり、空調装置１２は、夏季、冬季には１５ＫＷｈ程度の電力量を消費する。

一方、上記したとおり、電力貯蔵部７の貯蔵電力量は５０ＫＷｈ程度であり、空調装置１２のみをフル稼働させた場合、５０ＫＷｈ／１５ＫＷｈ＝３．３時間で、電力貯蔵部７に貯蔵された電力をすべて消費してしまう計算となる。実際には、電力貯蔵部７の貯蔵電力をすべて放電すると、電力貯蔵部７を構成する二次電池を永久劣化させてしまうため、最大でも全容量の７０％程度しか放電できない。したがって、二次電池を永久劣化させない範囲で貯蔵電力量を使い切るまでの時間は、３．３時間×０．７＝２．３時間となる。

なお、送風装置１１は車内に設置された所謂扇風機であり、換気装置１３は車内の空気を車外へ排出したり、車外の空気を車内へ吸気する装置である。その消費電力は、各々数十Ｗ程度であり、空調装置１２のそれと比較して十分に小さく、１／１００以下である。空調装置１２として冷房装置を考える場合、それに内蔵される室内ファンの消費電力は数十Ｗ〜百Ｗ程度と十分に小さいのは上述したとおりである。

次に、走行に要する電力量を以下に説明する。
一般的な路面電車の電動機６の定格出力は１２０ＫＷ程度であり、この出力を連続した場合、二次電池を永久劣化させない範囲で貯蔵電力を使い切るまでの時間は、５０ＫＷｈ×０．７／１２０ＫＷｈ＝１７．５分程度である。このように、空調装置１２が消費する電力量は、走行に要する電力量の１６％を超える量であり、無視できない程大きいことが分かる。

また、電気車が停車中でも、空調装置１２は車内温度を維持するために電力を消費し続ける。このため、電気車に搭載する電力貯蔵部７の容量は、架線のない区間での走行時間と、停止時間が延びることを想定して余裕を持って見積もらねばならず、通常必要な容量よりも大きな容量が必要となる問題がある。
さらに、渋滞がひどく、長時間の停車を強いられた場合、電気車に搭載されている空調装置１２により電力貯蔵部７の貯蔵電力を消耗してしまい、電気車の走行に必要な電力量が不足して電動機６の駆動が不可となり、電気車が架線のない区間で立ち往生してしまう事態も考えられる。

そこで、本発明では、電力貯蔵部７のＳＯＣに応じて、空調装置１２、送風装置１１、換気装置１３を制御する構成とすることで上記の課題を解決するものである。
以下に具体的な制御方法について説明する。図３は、本発明の実施に形態における送風装置１１と空調装置１２と換気装置１３の動作を示す図である。図３は、夏季において、空調装置１２（冷房装置）を稼動させた状態で、渋滞等の影響で電気車が架線１のない区間で長時間停車し、ＳＯＣが徐々に低下している状態を示している。図３に示すとおり、電力貯蔵部７のＳＯＣが最初の設定値ＬＶ０を下回ると、負荷制御部９Ａは空調装置１２に信号ＡＣＣにより、空調装置１２を強運転から弱運転に切替える。これにより、消費電力量が低減されるので、ＳＯＣの減少率は緩やかになる。

さらにＳＯＣが第二の設定値ＬＶ１を下回ると、負荷制御部９Ａは信号ＡＣＣにより、空調装置１２を停止させる。同時に、車内の温度環境を維持するため、信号ＦＮＣにより送風装置１１を起動し、さらに車内温度上昇を防ぐために、信号ＶＴＣにより換気装置１３を運転する。このとき、空調装置１２は、コンプレッサ用の電動機と室外ファンのみを停止し、消費電力が十分に小さい室内ファンは運転を継続するようにしても良い。このようにすれば、少なくとも室内への送風は可能となるので、車内の快適性を最低限維持することが可能となる。さらにＳＯＣが低下し、第三の設定値ＬＶ２を下回った場合、負荷制御部９Ａは信号ＦＮＣにより送風装置１１を停止して換気装置１３のみの運転とする。
換気装置１３は、車内温度上昇が増加するのを抑制するためにＳＯＣが低下しても運転を継続させるのが好ましい。

図４は、本発明の実施に形態における送風装置１１と空調装置１２と換気装置１３の動作を示す図である。図４は、冬季において、空調装置１２（暖房装置）を稼動させた状態で、渋滞等の影響で電気車が架線１のない区間で長時間停車し、ＳＯＣが徐々に低下している状態を示している。
図４に示すとおり、電力貯蔵部７のＳＯＣが最初の設定値ＬＶ０を下回ると、負荷制御部９Ａは信号ＡＣＣにより、空調装置１２を強運転から弱運転に切替える。これにより、消費電力量が低減されるので、ＳＯＣの減少率は緩やかになる。さらにＳＯＣが第二の設定値ＬＶ１を下回ると、負荷制御部９Ａは信号ＡＣＣにより、空調装置１２を停止させる。なお、送風装置１１は冬季には不要であるので停止させておき、換気装置１３も特に換気の必要がない場合は停止させておくのが好ましい。

なお、以上に示した第一の設定値ＬＶ０、第二の設定値ＬＶ１、第三の設定値ＬＶ２は、あらかじめ決定した一定の値としてもよいし、条件により可変としてもよい。たとえば、電気車が架線のある区間に到達するまでの残距離や時間により可変にすれば、空調装置１２の運転を最大限確保できるので、車内環境をより長く維持できることになる。また、電力貯蔵部７の貯蔵電力量ＳＯＣが第一の設定値ＬＶ０、第二の設定値ＬＶ１、第三の設定値ＬＶ２を下回っていても、電気車が架線１のある区間に到着し、架線１から電力を受電可能な場合は、空調装置１２の運転を再開したり、強運転へ戻したりする構成としてもよいことは言うまでもない。架線１から受電可能かどうかを負荷制御部９Ａに入力してもよいし、電力貯蔵部７のＳＯＣが増加していることから負荷制御部９Ａが架線１から受電していると判断するようにしてもよい。

このようにして電気車が架線のない区間に長時間停車した場合においても、空調装置１２による貯蔵電力量の消耗を抑制し電力貯蔵部７のＳＯＣの低下を抑制することで、車内温度環境を極力維持しつつ、電気車が走行するための電力量を確保することが可能となる。
これにより、電気車の走行に必要な電力量を確保することで、電気車を架線のある区間まで走行させることが可能となる。さらに、架線のない区間での長時間停車に備えて、電力貯蔵部７の貯蔵電力量に大きな余裕を見込む必要がなくなるため、電力貯蔵部７を必要最小限に小形化することが可能となる。

本実施の形態では、空調装置１２を強運転、弱運転、停止の３段制御としたが、強運転から停止まで連続して制御してもよい。また、送風装置１１、換気装置１２は、ＳＯＣが第二の設定値ＬＶ１を下回った場合に運転することとしたが、すでに述べたとおり消費電力が小さいので、ＳＯＣが第二の設定値ＬＶ１以上の場合にも運転することとしても良い。

また、図１においては、送風装置１１と空調装置１２と換気装置１３を制御する負荷制御部９Ａは、ＤＣ/ＤＣコンバータ８と電力貯蔵部７を制御する制御部９に内蔵し、電力貯蔵部７の貯蔵電力量を上記負荷制御部９Ａに伝送する構成として示しているが、これに限定されるわけではなく、電力貯蔵部７のＳＯＣを把握できる構成であれば、図示しないＶＶＶＦインバータ５の制御部やＣＶＣＦインバータ１０の制御部に内蔵しても良いし、これらを包含する制御部（図示しない）に内蔵する構成でも良い。

この他、負荷制御部９Ａから、車両内の各機器の動作情報を集約し状況に応じて各機器を制御する機能を有する車両管理制御装置（図示せず）にＳＯＣの情報を伝送する構成としても良い。
逆に、送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３が負荷制御部９Ａ、あるいは車両管理制御装置にアクセスし、ＳＯＣを自立的に把握してそれに応じてそれぞれが自身の運転状態を制御する構成としても良い。
なお、本実施の形態では、電力貯蔵部７の貯蔵電力量ＳＯＣにより負荷の制御を行う構成を示しているが、たとえば電力貯蔵部７の電圧等の状態量からも貯蔵電力量は算出可能である。一例として、電力貯蔵部７に好適な電気二重層キャパシタは、その電圧から容易に貯蔵電力量を算出することができる。従って、本実施の形態は、負荷制御をＳＯＣにより行う形態に限定されるものではなく、ＳＯＣを電力貯蔵部７の電圧等の状態量に読み替えて構成しても実施が可能であることは言うまでもない。

図１においては、ＶＶＶＦインバータ５、ＤＣＤＣコンバータ８、電力貯蔵部７、ＣＶＣＦインバータ１０、負荷制御部９Ａを有する制御部９を含む機器構成を電気車の制御装置２０として示しているが、前述したように負荷制御部９Ａを、車両管理制御装置（図示しない）に設けた場合、あるいは送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３のいずれか少なくとも一つに設けた場合は、それらの装置の負荷制御部９Ａが電気車の制御装置２０の範囲に含まれる。要するに、電力貯蔵部７の貯蔵電力量あるいは状態量に応じて送風装置１１、空調装置１２、換気装置１３のいずれか少なくとも一つを制御することができれば、どのようなシステム構成をとってもよく、図１の構成に限定されるものではない。なお、負荷制御部を制御部とは異なる装置に設けた場合は、電力貯蔵部の貯蔵電力量ＳＯＣあるいは状態量が電力貯蔵装置から負荷制御部に、制御部または他の装置を介してあるいは直接に伝送される。

なお、本実施の形態では、路面電車への適用を考慮して説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、自動車、エレベータ等の種々のエネルギー貯蔵を応用した移動体への適用が可能であることも言うまでもない。また、本実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、例えば一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

Claims (9)

1. 車両を駆動する電動機に電力を供給する第１のインバータと、前記車両に搭載された負荷に電力を供給する第２のインバータと、前記第１及び第２のインバータに電力を供給する電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部の貯蔵電力量あるいは状態量と所定の設定値とに応じて前記負荷である空調装置と換気装置と送風装置とを選択的に動作させて車内の温度環境を維持する負荷制御部を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
2. 前記設定値は、第１の設定値とそれより小さい第２の設定値とからなり、前記電力貯蔵量が前記第１の設定値を下回った時に前記空調装置の運転を弱め、前記電力貯蔵量が前記第２の設定値を下回った時に前記空調装置の運転を停止させると共に少なくとも前記換気装置と送風装置の何れかを動作させることを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。
3. 前記設定値は、前記車両が架線のある区間に到達するまでの距離あるいは時間によって可変とすることを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。
4. 前記負荷制御部は、前記車両が架線から受電可能である場合、前記電力貯蔵量と前記設定値によらず前記負荷の通常運転を再開することを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。
5. 車両を駆動する電動機に電力を供給する第１のインバータと、前記車両に搭載された負荷に電力を供給する第２のインバータと、前記第１及び第２のインバータに電力を供給する電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部の貯蔵電力量あるいは状態量に応じて前記負荷を制御する負荷制御部を備え、前記負荷制御部は、貯蔵電力量あるいは状態量に応じて前記負荷である空調装置に内蔵されたコンプレッサ駆動用電動機と室外ファンを停止させ、室内ファンを運転させるようにしたことを特徴とする電気車の制御装置。
6. 前記負荷制御部は、前記電力貯蔵部を制御する制御部内に設けられたことを特徴とする請求項１あるいは５に記載の電気車の制御装置。
7. 前記負荷制御部は、車両内の機器情報を集約して各機器を制御する車両管理制御装置内に設けられたことを特徴とする請求項１あるいは５に記載の電気車の制御装置。
8. 前記負荷制御部は、前記負荷である空調装置、送風装置、換気装置のうち少なくとも一つに設けられたことを特徴とする請求項１あるいは５に記載の電気車の制御装置。
9. 前記負荷制御部が前記電力貯蔵部を制御する制御部とは異なる装置であり、前記電力貯蔵部から前記負荷制御部に前記電力貯蔵部の貯蔵電力量あるいは状態量を伝送することを特徴とする請求項１あるいは５に記載の電気車の制御装置。

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