JP4635874B2 - 車両用補助電源装置 - Google Patents
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Description
【0001】
この発明は、高圧電力を変換して電気車両用のエアコンや照明等の負荷に、低圧電力を供給する車両用補助電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、電気車両は、車両内の機器のバックアップ用バッテリを搭載している。また、車両内には、架線からの高圧電力を低圧電力に変換し、車両内の負荷に低圧電力を供給するための車両用補助電源装置がある。バックアップ用バッテリ電圧により、車両用補助電源装置内の制御部に電源が供給され、制御部が動作することで、初めて、車両用補助電源装置全体が起動可能となっていた。しかしながら、バックアップ用バッテリ電圧が低下し、上記の制御部の動作可能電圧に達しない場合、制御部は起動せず、車両用補助電源装置全体が動作しなくなる。
【0003】
そこで、例えば、特開平1−259704号公報の第1図及び第2図に開示されているように、車両用補助電源装置の起動時に、架線からの高圧電力を変換して、制御部(制御回路)に電力(電源)を与えるための起動部(コンバータ)を設けていた。起動部の動作により、車両の起動時に、バックアップ用バッテリ電圧が低下していても、起動部から供給される電力により、車両用補助電源装置の制御部は正常に動作する。
【0004】
しかしながら、上述の従来の車両用補助電源装置においては、次のような問題点があった。起動部は、その使用頻度を抑えるために、車両用補助電源装置の起動時のみ動作し、電力変換部の出力から電力が得られると、その動作を停止していた。起動部の停止時に、電力変換部から負荷までの低圧側に、絶縁破壊等の影響による短絡故障が発生した場合、電力変換部の出力を停止させるため、制御部が電力変換部に動作の停止を指令する必要があるが、短絡により電力変換部から正常な電力が得られず、また、起動部も停止しているので、制御部電源が停電し、制御部からの指令に基づく電力変換部の動作を正常に停止させることができなかった。
【0005】
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、起動部の使用頻度を最小限に抑え、かつ、電力変換部の出力から、正常に電力が得られなくなった場合でも、直ちに、起動部から制御部へ電力供給を開始することで、電力変換部を正常に停止させることができる車両用補助電源装置を得ることを目的とする。
【発明の開示】
【0006】
この発明に係る車両用補助電源装置は、架線からの直流の第1の電力を直流の第2の電力に変換して直流負荷に供給する電力変換部と、架線からの第1の電力を直流の第3の電力に変換する起動部と、電力変換部及び起動部に接続され、第2の電力が供給される第1のダイオードと第3の電力が供給される第2のダイオードとから成り、第2の電力と第3の電力のうち高電圧の方を出力する突合せダイオードと、突合せダイオードからの出力を受け、制御信号を出力する制御部と、制御部からの制御信号に基づき電力変換部への電流を制御する充電スイッチ部とを備え、制御部は、突合せダイオードによる起動部からの第3の電力により電力変換部を起動し、電力変換部からの第2の電力に電力供給源が切り替わった後、電力変換部からの第2の電力が得られなくなった場合には、突合せダイオードにより切り替わって供給される起動部からの第3の電力を受け充電スイッチ部に電力変換部への電流を停止させることを特徴とするので、起動部の使用頻度を最小限に抑え、かつ、電力変換部の出力から正常に電力が得られなくなった場合、直ちに起動部から制御部へ電力供給を開始することにより、電力変換部を正常に停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
第1図は、この発明の実施の形態1に係る車両用補助電源装置の構成を示した図である。
第2図は、この発明の実施の形態2に係る車両用補助電源装置の構成を示した図である。
第3図は、この発明の実施の形態3に係る車両用補助電源装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
この発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
実施の形態1.
第1図は、この発明における実施の形態1の車両用補助電源装置の構成を示した図である。図において、1は架線、2はパンタグラフであり、架線1からの高圧電力が、パンタグラフ2を介して、車両用補助電源装置内に供給される。架線1としては、地上に設置されるものや地下鉄のサードレールが挙げられる。
【0009】
車両用補助電源装置内の構成を説明する。3は自動起動部であり、ヒューズ4、電磁接触器部5、入力フィルタ用リアクトル6から構成される。電磁接触器部5は、コイル、スイッチ部、電圧降下用の抵抗とが示されている。また、図示しないが、抵抗とコイルとの間には、接触器が設けられている。パンタグラフ2からの入力過電圧を後述の制御部が検知し、接触器を開くことで、コイルに電流が流れなくなり、スイッチ部が開く。通常は、接触器が閉じているため、自動で起動し、コイルが励磁されて、スイッチ部が閉じ、車両用補助電源装置内に高圧電力が印加される。架線1からの過大な電流に対しては、ヒューズ4の切れにより、架線1と車両用補助電源装置内とを切り離す。
【0010】
7は電力変換部であり、充電スイッチ部8、入力フィルタ用コンデンサ9、インバータ10、変圧部11、整流部12、平滑フィルタ13から構成される。電力変換部7は、自動起動部3からの直流の高圧電力を低圧電力に変換し、負荷及び車両用補助電源装置内に供給する。入力フィルタ用リアクトル6及び入力フィルタ用コンデンサ9によって、架線1からの電圧に対する平滑化を行う。充電スイッチ部8は、車両の起動時の入力フィルタ用コンデンサ9を保護する目的で、後述の制御部に基づき、その充電を調節する。インバータ10は、直流の電力を交流に変換するためのものである。変圧部11は、インバータ10からの交流の高圧電力を低圧に変換する。整流部12は、変圧部11からの交流の低圧電力を直流に変換する。平滑フィルタ13は、整流部12からの直流の低圧電力を、後段の負荷に供給できるように平滑化する。
【0011】
14は制御部であり、通常、電力変換部7を制御する。制御部14は、入力フィルタ用コンデンサ9を保護するために、その充電状態を検知し(図示せず)、充電スイッチ部8に制御信号を出力する。充電後、インバータ10に変換動作を指示する。
【0012】
15は起動部であり、インバータ16、変圧部17、整流部18から構成される。起動部15は、自動起動部3からの直流の高圧電力を直流の低圧電力に変換する。起動部15から出力される電圧は、電力変換部7から出力される電圧よりも低い。両電圧は、変圧部11、変圧部17のコイルの構成により調整される。
【0013】
19は突合せダイオードであり、ダイオード20及びダイオード21のカソード部が突き合わされて、制御部14に接続されている。突合せダイオード19の各アノード部は、それぞれ平滑フィルタ13及び整流部18に接続されている。突合せダイオード19により、電力変換部7及び起動部15から供給された電力の内、高電圧の方が、制御部14に供給される。突合せダイオード19に供給される上述の2つの電力の電圧は異なるが、双方とも、制御部14が正常に動作できる範囲内の電源供給となるように、電力変換部7及び起動部15が構成される。
22は照明等の直流負荷であり、平滑フィルタ13からの直流の低圧電力が供給される。
【0014】
次に、この車両用補助電源装置の動作を説明する。
車両用補助電源装置は、車両中で最初に始動する装置であり、架線1からパンタグラフ2を介して直流の高圧電力が供給される。架線1からの電力は、1,500V等の高圧であるので、そのままでは、車両内の直流負荷22に使用できないため、100V等の低圧の電力に変換して、直流負荷22に供給する必要がある。この変換を車両用補助電源装置が行う。
【0015】
車両が始動すると、パンタグラフ2からの高圧電力が、自動起動部3に供給される。自動起動部3は、後段の電力変換部7や起動部15への過大な高圧電力に対する入力保護を行うための保護部である。自動起動部3を通過した高圧電力は、電力変換部7の充電スイッチ部8と起動部15のインバータ16とに供給される。双方に供給された時点では、電力変換部7においては、制御部14から充電スイッチ部8への制御信号が出力されていないので、充電スイッチ部8は動作していない。
【0016】
一方、起動部15は、供給された高圧電力に基づき動作する。高圧電力は、インバータ16にて直流から交流に変換され、変圧部17で低圧に変換される。変換後の交流の低圧電力は、整流部18にて、直流の低圧電力に変換される。変換された低圧電力は、突合せダイオード19のダイオード21に供給される。電力変換部7に接続されたダイオード20には、電力変換部7からの電力供給が無く、突合せダイオード19のダイオード21に供給されている方の電圧が高くなるので、その電力が、制御部14に電源として供給される。
【0017】
電源供給により、制御部14が動作する。制御部14は、入力フィルタ用コンデンサ9の充電状態(電圧等)を検知し、制御部14に予め組み込まれている制御情報(図示せず)に基づき、検知結果に応じた制御信号を充電スイッチ部8に出力する。充電スイッチ部8は、制御信号に基づき、起動時の入力フィルタ用リアクトル6から入力フィルタ用コンデンサ9への電流を制御し、入力フィルタ用コンデンサ9の急激な充電から保護する。入力フィルタ用コンデンサ9は、架線1と同電圧になるまで充電される。
【0018】
入力フィルタ用コンデンサ9が充電後、制御部14は、インバータ10に制御信号を出力する。インバータ10に供給された直流の高圧電力は、制御信号に基づき、交流に変換される。交流に変換後、変圧部11にて低圧に変換され、整流部12で、直流の低圧電力に変換される。その後、平滑フィルタ13において、直流の低圧電力が平滑化されて、直流負荷22及び突合せダイオード19のダイオード20に供給される。
【0019】
突合せダイオード19において、ダイオード21よりもダイオード20に供給される電圧の方が高くなるので、ダイオード20からの出力が優先され、電源として、制御部14に供給される。
【0020】
電力変換部7から直流負荷22までの低圧側に短絡故障が発生し、電力変換部7からの出力が得られなくなった場合、ダイオード20に供給されていた電力の電圧が、ダイオード21に供給されている電力の電圧より低くなるので、ダイオード21からの電力が、電源として、直ぐに、制御部14に供給される。制御部14は、電力変換部7の充電スイッチ部8、インバータ10等に制御信号を出力して、電力変換部7の動作の停止を行う。
【0021】
ダイオード20からの電力が制御部14に供給されている間、ダイオード21からの電力が低電圧のため電源供給できないだけで、起動部15は動作を停止しておらず、制御部14に、いつでも電力供給できるような状態でスタンバイしている。ダイオード20及びダイオード21の電圧の大小関係が反転すれば、整流部18から、ダイオード21を介して、制御部14に電源供給される。
【0022】
突合せダイオード19の役割は3つある。まず、起動部15から直流負荷22への電力供給を防止することである。次に、起動部15を構成する回路素子の使用頻度を削減するために、電力変換部7が起動し、その出力が得られると、制御部14への電力供給源を、起動部15から電力変換部7へ自動的に切り替えることである。更に、故障などにより電力変換部7からの出力が得られなくなれば、起動部15の出力が電力変換部7の出力より高電圧となるので、制御部14への電力供給源が、電力変換部7の出力から起動部15へと、自動的に切り替える点である。
【0023】
なお、車両点検の安全性確保のため、パンタグラフ2とヒューズ4との間を切離せるような構成にしても良い。また、直流負荷22がバックアップ用バッテリの場合には、バッテリ消費を防止するため、平滑フィルタ13とバックアップ用バッテリとの間が適宜切離せるように接触器を設けても良い。
【0024】
以上のように、この発明の実施の形態1に係る車両用補助電源装置は、電力変換部7から直流負荷22までの低圧側に短絡故障が生じ、電力変換部7からの電力供給ができなくなった場合、スタンバイしていた起動部15からの電力が突合せダイオード19を介して、直ちに、制御部14に供給されるので、制御部14の電源を停電させずに、制御部14の動作を維持できるとともに、制御部14から電力変換部7に、正常に動作の停止を行うことができる。
【0025】
また、制御部14による制御を通常必要とせず自動起動する自動起動部3と、制御部14による制御を必要とする電力変換部7とに分けて構成されているので、自動起動部3までの動作が終わり、制御部14の起動が必要となって初めて起動部15が動作する。したがって、制御部14が不要な間の起動部15の動作が抑えられる。
【0026】
また、バックアップ用バッテリ及び起動部からの各出力電圧の突合せで、選択的に車両用補助電源装置の制御部に電力供給するような構成では、全体の車両用補助電源装置が動作していても、バックアップ用バッテリ電圧が供給可能電圧に達していなければ、供給可能電圧に充電されるまで、起動部による制御部への電力供給が継続されていた。
【0027】
これに対し、実施の形態1のように、電力変換部7及び起動部15の各出力電圧を突合せる場合、車両用補助電源装置にバックアップ用バッテリ電圧が不要となるので、上記の例に比べ、起動時の起動部15の使用時間が、電力変換部7の出力が得られるまでとなり短い。したがって、制御部14に電力を与える起動部15の使用頻度が極力抑えられ、起動部15の回路素子の寿命を延ばすことができる。
【0028】
実施の形態2.
実施の形態1では、直流電力のみを出力する車両用補助電源装置について説明したが、実施の形態2では、交流電力及び直流電力の両方を出力する車両用補助電源装置について説明する。
【0029】
第2図は、実施の形態2における車両用補助電源装置の構成を示した図である。
図において、23は電力変換部、24はインバータ、25は平滑フィルタ、26及び27は変圧部、28は交流負荷である。交流負荷28は、エアコン等の交流負荷である。他の符号は、実施の形態1で示したものと同じ構成である。
【0030】
実施の形態1と同様に、自動起動部3からの直流の高圧電力が、インバータ24に供給されると、インバータ24で交流の高圧電力に変換される。インバータ24は、交流に変換するためのものであるが、実施の形態1のような単相出力ではなく、3相出力を採用する。変圧部26によるノイズ発生を防止するために、平滑フィルタ25で、交流の高圧電力を平滑化する。変圧部26で、低圧の交流電力に変換され、交流負荷28に供給される。
【0031】
変圧部26からの交流の低圧電力(単相出力)が変圧部27に供給される。供給された電力は、変圧部27にて、更に低圧電力に変換され、整流部12で交流から直流へ変換される。平滑フィルタ13で平滑化された直流の低圧電力は、直流負荷22及び突合せダイオード19のダイオード20に供給される。ここでは、変圧部27及び整流部12を用いたが、代わりに、変圧部26の交流3相出力を、そのまま3相ブリッジ整流回路を用いて整流しても良い。
【0032】
電力変換部23からの出力が得られると、実施の形態1と同様に、突合せダイオード19のダイオード20からの出力が、制御部14に電源として供給される。
【0033】
以上のように、実施の形態2の車両用補助電源装置は、実施の形態1における車両用補助電源装置と同様の効果を得ることができる。
【0034】
更に、交流負荷と直流負荷の両方に電力供給することができる車両用補助電源装置を得ることができる。
【0035】
実施の形態3.
第3図は、この発明の実施の形態3における車両用補助電源装置の構成を示す図である。
図において、29は自動起動部であり、ヒューズ30を有する。31は電力変換部、32は電磁接触器部、33は入力フィルタ用リアクトル、35は制御部である。他の符号は、実施の形態1で示したものと同じ構成である。
【0036】
実施の形態1、2の車両用補助電源装置では、起動できる電圧まで電圧降下させる抵抗を用いることで、電磁接触器部5を自動起動させたが、車両を使用する地域によっては、架線1の電圧が高圧過ぎるため、自動起動可能な耐圧特性を有する電磁接触器部が無い場合や、電磁接触器部が自動起動できる電圧まで電圧降下させるための大きな抵抗が必要となり車両用補助電源装置の大型化を招く場合がある。
【0037】
第3図の構成では、起動時に、制御部35の指令を必要としない自動起動部29は、ヒューズ30のみから成る。制御部35の指令を必要とする電力変換部31に、電磁接触器部32及び入力フィルタ用リアクトル33が設けられている。ヒューズ30は、架線1から電力変換部31へ、過大な電流が流れるのを防止する。制御部35は、自動起動部29からの電圧等を検知し(図示せず)、電磁接触器部32のコイルを制御する。コイルの作用により、スイッチ部が開閉する。電磁接触器部32は、自動起動のための電圧降下用の抵抗を無くし、制御部35により制御される構成である。
【0038】
起動時に、制御部35は、ダイオード21からの出力により、自動起動部29からの電力の電圧を検知する(図示せず)。電力変換部31が許容できる電圧値よりも大きい場合、電磁接触器部32のコイルを制御することで、スイッチ部が開き、架線1からの過大な電圧に対し、電力変換部31が保護される。
【0039】
一方、許容範囲内の電圧の場合、制御部35が電磁接触器部32のコイルを制御することで、コイルが励磁され、スイッチ部が閉じ、入力フィルタ用リアクトル33、充電スイッチ部8、入力フィルタ用コンデンサ9が通電する。ヒューズ30、電磁接触器部32は、架線1からの電力に対する電力変換部31の入力保護を行う保護部である。電磁接触器部32は、制御部35の制御により動作する。
【0040】
入力フィルタ用コンデンサ9が充電後、制御部35の制御により、インバータ10が動作し、直流の高圧電力が交流に変換される。更に、変圧部11、整流部12、平滑フィルタ13により、直流の低圧電力に変換される。電力変換部31からの出力が得られると、実施の形態1と同様に、突合せダイオード19のダイオード20からの出力が、制御部35に電源として供給される。
【0041】
実施の形態3の車両用補助電源装置は以上のように構成されているので、実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0042】
また、架線1の電圧が高圧過ぎる場合でも、車両用補助電源装置の大型化を招くことがない。
【0043】
以上のように、この発明によれば、起動部の使用頻度を最小限に抑え、かつ、電力変換部の出力から、正常に電力が得られなくなった場合でも、直ちに、起動部から制御部へ電力供給を開始することで、電力変換部を正常に停止させることができる車両用補助電源装置が得られる。
【0044】
【産業上の利用可能性】
この発明は、電気車両において、起動部の使用頻度を最小限に抑え、かつ、電力変換部の出力から、正常に電力が得られなくなった場合でも、直ちに、起動部から制御部へ電力供給を開始することで、電力変換部を正常に停止させることのできる車両用補助電源装置の実現に有用である。
Claims (4)
- 架線からの直流の第1の電力を直流の第2の電力に変換して直流負荷に供給する電力変換部と、
前記架線からの前記第1の電力を直流の第3の電力に変換する起動部と、
前記電力変換部及び前記起動部に接続され、前記第2の電力が供給される第1のダイオードと前記第3の電力が供給される第2のダイオードとから成り、前記第2の電力と前記第3の電力のうち高電圧の方を出力する突合せダイオードと、
前記突合せダイオードからの出力を受け、制御信号を出力する制御部と、
前記制御部からの制御信号に基づき前記電力変換部への電流を制御する充電スイッチ部とを備え、
前記制御部は、前記突合せダイオードによる前記起動部からの前記第3の電力により前記電力変換部を起動し、前記電力変換部からの前記第2の電力に電力供給源が切り替わった後、前記電力変換部からの前記第2の電力が得られなくなった場合には、前記突合せダイオードにより切り替わって供給される前記起動部からの前記第3の電力を受け前記充電スイッチ部に前記電力変換部への電流を停止させることを特徴とする車両用補助電源装置。 - 前記架線と前記電力変換部との間に接続され、前記架線からの前記第1の電力に対する
前記電力変換部の保護を行う第1の保護部を備えたことを特徴とする請求項1記載の車両用補助電源装置。 - 前記起動部は、前記第1の保護部を介して前記第1の電力が供給されることを特徴とす
る請求項2記載の車両用補助電源装置。 - 前記電力変換部は、前記第1の電力を交流の第4の電力に変換して交流負荷に供給する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の車両用補助電源装置。
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