JP4958846B2 - 間歇受電を行う車両用制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば鉄道車両用車両などの車両に搭載される制御装置に関し、特に主電動機を駆動するインバータ装置の入力側に設けられた蓄電装置を有する車両用制御装置に関する。
従来、電気鉄道のシステムにおいては電車線より電力を得て車両を駆動するのが前提であるが、線路の状況や周辺設備などの理由で電車線が設備できない区間もあり、万一電車線非設備区間で車両が停止すると以後の移動ができなくなる。このような場所では車両は事前に所定の速度を確保し、電車線のない区間は惰行で通過するなどの運転操作によりこの部分の電力供給不能区間の走行をカバーしている。
特開２００５−３２８６１８号公報
しかしながら、このような電車線非設備区間が長距離にわたる場合や、多頻度に存在する区間で、さらに車両の速度制限などがあり運転方法が制限されるような場合は、これら区間で停止することがないように、運転扱いも高度な技術を要することとなり、運転者への負担は大きくなる。さらに本来電車線非設備区間は無いのが理想であるから、線路形状などの条件によっては地上の電車線に関する設備、工事などにおいても電車線非設備区間を最小化するため困難な作業を要することもある。
したがって少なくとも１回の力行が可能な程度のエネルギー源を車両側で有しこのエネルギーを利用して電車線非設備区間を走行できるようにしておけば、上記の運転者への負担や、地上工事への要求は軽減されシステム全体としての効果は大きい。
これらの問題を解決する為に、車上側に充放電能力が十分に高くかつ必要最低限の充電容量を有する２次電池など蓄電装置及び制御用チョッパ装置を設け、電車線設備のある場所で充電し、電車線設備のない場所では上記蓄電装置に蓄えられたエネルギーをチョッパ装置により放出し、これにより走行できるようにすることが考えられる。この場合、たとえ電車線非設備区間で車両が停止しても蓄電エネルギーを使用して自力走行が可能であるので運転技量、地上設備への要求も大幅に緩和される。
しかしながら、エネルギー源として蓄電装置を利用する場合、蓄電システム特有の問題点がある。即ち、蓄電装置が蓄積できるエネルギーには限りがあるので、電車線非設備区間に入る前には可能な限り十分エネルギーの蓄積がなされているように管理されている必要がある。
また電車線電圧は必ずしも一定でなく周辺の負荷状態や電力の送り出し設備からの距離などにより変動するので、その電圧変動などの条件によって蓄電装置の許容充放電電流を越えた電流を流さないよう防護することや、許容充電量をこえて充電する過充電が発生しないように管理されていることが必要である。
即ち、どのような条件で充電・放電を行うべきかを定める充放電制御を必要とする。さらに多くの蓄電装置は過充電・過放電を嫌うものも多く、多くの場合最大充放電電流の制限も有す。したがって、エネルギー蓄電装置を利用する場合、蓄積エネルギーの管理方法、充放電量制限、充放電電流制限などの手法の確立が不可欠である。
本発明の目的は蓄電装置の充放電を適正に管理し電車線非設備区間において蓄電装置に蓄えられたエネルギーを使用し自力走行を可能にする車両用制御装置を提供することにある。
本発明の車両用制御装置は、電車線から集電装置を介して直流電圧の供給を受け、主電動機の駆動を制御するインバータ装置と、このインバータ装置の直流側に接続された半導体スイッチング装置と、この半導体スイッチング装置に接続された蓄電装置と、前記半導体スイッチング装置が接続されたインバータ装置の直流側の電圧を計測する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の出力に応じて前記半導体スイッチング装置を制御する充放電制御部とを有し、前記充放電制御部は、充電量を所定の値に保つように前記半導体スイッチング装置を制御する制御部と、前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧を所定の範囲に保つよう前記半導体スイッチング装置を制御する制御部とを備えており、電車線の設備区間で電車線から集電装置を介して直流電圧の供給を受けて、前記直流電圧検出手段の検出値が電車線電源送り出し電圧以上の場合に、前記インバータ装置との接続点に対して前記蓄電装置から充放電を行い蓄電装置の充電量を所定の値に保つように前記半導体スイッチング装置を制御し、電車線非設備区間で電車線から分離し集電装置を介して直流電圧の供給を受けられず前記直流電圧検出手段の検出値が電車線電源送り出し電圧と前記インバータ装置の制御可能な最低直流入力電圧との間に設定された特定電圧範囲内となる場合に、前記直流電圧検出手段の出力に応じて、前記蓄電装置から充放電を行い前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧を前記特定電圧範囲内に設定される制御目標電圧値近傍に保つよう前記半導体スイッチング装置を制御することを特徴とする。
本発明に係わる車両用制御装置では、前記半導体スイッチング装置は電車線に電力を供給する地上電源システムの送り出し電圧に係わる電圧値とインバータ装置が制御可能な最低直流入力電圧値の間の電圧範囲内の特定電圧範囲においては、前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点への電流の出入りを制御し該接続点の電圧を前記特定電圧範囲内に設定された制御目標電圧に保つように制御する定電圧制御モードとし、前記特定電圧範囲よりも高い電圧範囲では蓄電装置への充電電流に対し定電流充電制御するモードとし、前記特定電圧範囲よりも低い電圧範囲では蓄電装置からの放電電流に対し定電流放電制御を行うため、定電圧制御目標値以上の電圧がインバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点に印加されると前記接続点から電流を吸収して蓄電装置への充電が行われ、定電圧制御目標値以下の電圧が前記接続点に印加されると前記接続点へ電流を放出して蓄電装置からの放電が行われる。したがって定電圧制御の目標電圧を電車線電圧よりも低く設定しておくことにより、電車線への接触がなされている時は蓄電装置への充電が行われ、電車線から分離されている時は蓄電装置からの充放電により定電圧制御目標値相当の電圧がインバータ直流入力に現れる。定電圧制御目標値はインバータ装置の最低動作電圧以上に設定されているのでこの蓄電装置からのインバータ装置直流側電圧に対する制御電圧でインバータ装置は主電動機の運転が可能である。
以上説明したように、本発明によれば、電車線非設備区間においても蓄電装置７における充放電電流、充電量の許容値をも守りつつ、かつ蓄電装置７の能力の範囲で、力行、回生動作が可能となり運転取り扱い上厄介な運転制限を無くすることができ、また地上設備側においても適度な電車線の非設備区間が許容される。
尚、本説明では電車線非設備区間が大きくないケースを中心に説明したが蓄電容量が十分に大きくできれば、それに対応して電車線非設備区間は大きくできることは明らかである。例えば駅間距離の短い路線などでは蓄電容量が十分であれば駅周辺のみに電車線を有する電気鉄道システムも可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、図１を用いて本発明の一実施例の構成を説明する。図示のように電車線と電気的に接続する集電装置１とフィルタリアクトル２を介し電車線に接続されるインバータ装置４と、このインバータ装置４の入力側にフィルタコンデンサ３が、インバータ装置４の出力側に主電動機５がそれぞれ接続される。
またフィルタコンデンサ３と並列に、半導体スイッチング装置であるチョッパ装置６が接続される。このチョッパ装置６は、フリーホイールダイオードを並列接続された第１のＩＧＢＴ６ａのエミッタとフリーホイールダイオードを並列接続された第２のＩＧＢＴ６ｂのコレクタが接続されてなる。ＩＧＢＴ６ａのコレクタはフィルタリアクトル２とインバータ装置４の間に接続され、ＩＧＢＴ６ｂのエミッタはインバータ装置４の直流低電位側に接続される。ＩＧＢＴ６ｂのコレクタとエミッタ間にはインバータ装置４が制御可能な最低直流入力電圧値よりも低い端子電圧を持つように選択された蓄電装置７が接続される。
また、インバータ装置４の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧値（Ｖｆｃ）を検出する直流電圧検出器９、インバータ装置４への入力電流（Ｉｉｎｖ）の値を検出するインバータ直流電流検出器１０、蓄電装置７の端子電圧（Ｖｃｈ）の値を検出する２次電池直流電圧検出器１１および、蓄電装置７からＩＧＢＴ６ｂのコレクタに出力される電流（Ｉｃｈ）の値を検出する蓄電装置直流電流検出器１２がそれぞれ設けられる。またチョッパ装置６には充放電制御装置１３が接続される。さらにインバータ装置４にはインバータ制御装置１４が接続され、また蓄電装置７には蓄電制御装置１６が接続され、蓄電制御装置１６と充放電制御装置１３の間には情報伝達手段１７が設けられている。蓄電制御装置１６は蓄電装置７の充電量や内部温度を検出し許容最大充放電電流を算出するとともに、これらの情報を充放電制御装置１３に渡すように構成される。
図２は図１に示した半導体スイッチング装置であるチョッパ装置６の駆動方法を示す構成例である。充放電制御部２１はチョッパ装置６を動作させる時はｏｎ／ｏｆｆ信号をオンとし制御目標に関連したパルス幅のＰＷＭパルスＰｐを出力する。このパルスは一方で反転機能２４により論理反転しＰｎが生成され、Ｐｎ，Ｐｐが論理積機能２２，２３を介してＩＧＢＴ６ａとＩＧＢＴ６ｂに与えられる。
本構成のチョッパ装置６の駆動方法は蓄電装置７が接続される低圧（Ｖｃｈ）側から電源・負荷が接続される高圧（Ｖｆｃ）側に昇圧し電流を流す動作と、その逆に高圧（Ｖｆｃ）側から降圧し低圧（Ｖｃｈ）側に電流を流す両方向の動作を連続的に行うことが可能なよく知られた回路方式である。
図３にその動作波形を示す。Ｉｃｈを蓄電装置７から電圧変換用リアクトル８に向かって流れる向きを正と定義し、（図３ａ）に示すようなＰｐを与えるとすると、図２に示すチョッパ装置入力電圧Ｖｂは電圧変換用リアクトル８を流れる電流の向きに係わらず（図３ｂ）の波形となる。この電圧と蓄電装置電圧（Ｖｃｈ）が電圧変換用リアクトル８に印加されるので蓄電池からＩｃｈは（図３ｃ）に示すような電流波形となる。
ここでインダクタンス（Ｌ）に流れる電流（Ｉ）と両端電圧（Ｖ）の関係はよく知られているように次の（１）式で表される。
Ｌ・ｄｉ・ｄｔ＝Ｖ・・・・・・・（１）
ここでｔは時間を示す。
また、図３に示す各物理量を以下のように定義し
ｔｏｎ：Ｇａｔｅ ｂがオンの時間
ｔｏｆｆ：Ｇａｔｅ ｂがオフの時間
ｔｃ：Ｇａｔｅ ｂのパルスの出力される周期
ΔＩｏｎ：ｔｏｎ時間の間でのＩｃｈの増分
ΔＩｏｆｆ：ｔｏｆｆ時間の間でのＩｃｈの増分
ΔＩｃ：ｔｃ時間の間でのＩｃｈの増分
Ｖａｖ：ｔｃ時間の間でのＶｂの平均値
ｔｏｎ、ｔｏｆｆが十分小さいとして、（１）式を図２の電圧変換用リアクトル８に適用すれば、Ｇａｔｅ ｂがオンのときはＩＧＢＴ６ａがオフしＩＧＢＴ６ｂがオンしているので、
Ｌ・ΔＩｏｎ＝（Ｖｃｈ−０）・ｔｏｎ・・・・（２）
Ｇａｔｅ ｂがオフのときはＩＧＢＴ６ａがオンしＩＧＢＴ６ｂがオフしているので、
Ｌ・ΔＩｏｆｆ＝（Ｖｃｈ−Ｖｆｃ）・ｔｏｆｆ・・・・（３）
である。
また、
ｔｃ＝ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ・・・・・・・・・・・・（４）
ΔＩｃ＝ΔＩｏｎ＋ΔＩｏｆｆ・・・・・・・・・（５）
Ｖａｖ＝Ｖｆｃ・ｔｏｆｆ／ｔｃ・・・・・・・・・・（６）
であるから、（２）式と（３）式の和を取り整理すると、
Ｌ・ΔＩｃ＝（Ｖｃｈ−Ｖａｖ）・ｔｃ・・・・・・・・（７）
が得られる。
（１）式と（７）式を比べれば理解されるようにΔＩ即ちｔｃ時間の間でのＩｃｈの増分は電圧変換用リアクトル８の両端に印加されるｔｃ間の平均電圧即ち（Ｖｃｈ−Ｖａｖ）が直流的に電圧変換用リアクトル８印加されていると同等の電流の変化率となる。（２）式、（３）式は電圧変換用リアクトル８に流れる電流の向きにかかわらず成立し、かつＶａｂは（６）式のようにｔｏｎ／ｔｃによりコントロールできるから図２の構成で蓄電装置７への充放電が連続的に制御可能である。したがってＶａｖ＞Ｖｃｈとなるようｔｏｆｆ（またはｔｏｎ）時間を制御すればＩｃｈは負側に（充電側）に移行し、Ｖａｖ＜Ｖｃｈとなるようｔｏｆｆ（またはｔｏｎ）時間を制御すればＩｃｈは正側に（放電側）に移行する。
次に、充放電制御部２１による充放電制御について説明する。図４は、図２に示した充放電制御部２１の構成例を示すブロック図である。図５は、図４に示した構成の充放電制御部２１による制御を行った際の電圧電流制御特性示した図である。この充放電制御部２１では、電車線に電圧を供給する地上側電源の送り出し電圧値（Ｖｓ）より低く、インバータ装置４の入力電圧Ｖｆｃに関する最低制御可能電圧値（Ｖｂｏ）よりも高い制御目標値を発生する基準値発生器４１の出力（Ｖｏ）から直流電圧検出器９で検出したフィルタコンデンサ３の両端電圧Ｖｆｃの値を減算器４２により減算し、その差分に対し係数器４３により適度な係数Ｋ１を乗算して上記電圧差分に比例して大きさの定まるチョッパ電流目標値をＩｃｈＰ１算出する。
基準値ＶｏよりＶｆｃが大きい場合はチョッパ装置６の電流制御目標ＩｃｈＰ１は負となる。このため後に示すようにインバータ装置４の直流側から電流を取る側即ちＶｆｃを下げる側に動作する。基準値ＶｏよりＶｆｃが小さい場合はチョッパ装置６の制御目標は正となり、上記とは逆にインバータ装置４の直流側へ電流を送り出しＶｆｃを上げる側に動作する。この動作によりインバータ入力電圧Ｖｆｃを一定に保つような動作すなわち定電圧制御の動作をする。
次に、リミット機能４４により、ＩｃｈＰ１の値をｍｉｎＬ以上からｍａｘＬ以下の範囲に限定し、この値を最終的なチョッパ電流目標値ＩｃｈＰ４とする。ｍｉｎＬは蓄電制御装置１６より情報伝達手段１７を介して得られる許容最大充電電流値を負の値で示したＩｃｈＰ２と蓄電装置７の充電量を示す値ＳＯＣとにより演算され出力される負の値である。またその値はＳＯＣを入力しＳＯＣが許容される最高値を示す閾値３以上のとき０、ＳＯＣが閾値３よりやや小さいもう一つの閾値４以下の場合は１を出力し、かつ、閾値３、閾値４の間は０から１の中間値を出力するＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の出力をＩｃｈＰ２に乗じたものである。
一方ｍａｘＬは蓄電制御装置１６より情報伝達手段１７を介して得られる許容最大放電電流値を正の値で示したＩｃｈＰ３とＳＯＣとにより演算され出力される正の値である。またその値はＳＯＣを入力しＳＯＣが許容される最低値を示す閾値１以下のとき０、ＳＯＣが閾値１よりやや大きいもう一つの閾値２以上の場合は１を出力し、かつ、閾値１、閾値２の間は０から１の中間値を出力するＳＯＣ下限リミットパターン発生器５０の出力をＩｃｈＰ２に乗じたものである。
このようにして得られる最終的なチョッパ電流目標値ＩｃｈＰ４に対し蓄電装置電流検出部１２により検出されるＩｃｈを蓄電装置７から放電する向きを正としてネガティブフィードバックし電流制御部（ＡＣＲ）４６により比例積分などの処置を行い通流角指令とする。この値をＰＷＭ変換器４７により通流角指令に比例したパルス幅を有するパルス信号に変換し、図２に示すＰｐとして出力する。電流の向きを含めてＩｃｈの増減はチョッパ装置６のパルス幅により制御できることは上記図３において説明したとおりである。
ＩｃｈＰ４はＩｃｈＰ２からＩｃｈＰ３の範囲に限定され、ＩｃｈＰ４がＩｃｈの最終的な制御目標値とされる。この機能により蓄電装置７は最低許容充電量以下では蓄電装置の放電が禁止され最低許容充電量が確保され、蓄電装置７が最高許容充電量以上では蓄電装置７の充電が禁止され最高許容充電量が保証される。
またＩｃｈＰ４はｍｉｎＬ以上（負の値であるから絶対値としては許容値以下）、ｍｉｎＬは許容最大充電電流値ＩｃｈＰ２以上（負の値であるから絶対値としては許容値以下）であり、かつＩｃｈＰ４はｍａｘＬ以下、ｍａｎＬは許容最大放電電流値ＩｃｈＰ３以下であるから蓄電装置７の充放電電流は最大充放電許容電流値以内に制限される。
図５に上記で説明したＳＯＣ下限リミットパターン発生器５０の特性を示す。同様に図６に上記で説明したＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の特性を示す。
また、図７に図４による制御を行った場合の蓄電装置７の充放電特性を示す。制御電圧目標値ＶｏよりもＶｆｃが低いところではＩｃｈの制御目標値ＩｃｈＰ１は正、即ち蓄電装置７から放電の向きに電流を制御するよう目標値が決められ、制御電圧目標値ＶｏよりもＶｆｃが高いところではＩｃｈの制御目標値ＩｃｈＰ１は負、即ち蓄電装置７へ充電の向きに電流を制御するよう目標値が決められる。
またＶｆｃがこの制御電圧目標値Ｖｏより大きく離れた時には、このＩｃｈＰ１はリミット機能４４により正側はｍａｘＬ、負側はｍｉｎＬにリミットされ、図７の特性となる。これをＩｃｈＰ４としてその後段の電流制御部ＡＣＲ４６に入力され、これに追従制御することで図７の特性を得る。
本発明の車両用制御装置を搭載した車両が電車線非設備区間を通過する際の動作を図８で説明する。ここで、Ｉｉｎｖはインバータ装置４の入力電流、Ｖｆｃはインバータ装置の入力電圧、Ｉｄｃは電車線からの供給電流、Ｉｃｈは蓄電装置７の充放電電流、ＳＯＣは蓄電装置の充電率を示す。
電車線の設備区間である図８のＡ点において力行を開始し、（図８ａ）に示すように所定の電流を取りながら力行の状態でＢ点で電車線非設備区間に入ったとする。Ａ点では電車線電圧を受けているから（図８ｂ）に示すようにインバータ装置４の入力電圧Ｖｆｃは電車線電圧相当である。図７に示すようにこの電圧領域ではチョッパ装置６は充電動作になっているから、このときインバータ装置４の入力電流は（図８ｃ）に示すように電車線から集電装置１を介して供給される。
蓄電装置７は電車線電圧によりチョッパ装置６が充電動作領域にあるので充電状態、または十分充電がなされている時は図４のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の働きにより充電電流をほぼ０に絞り込んだ状態となっている。（図８ｄ）にはＡ点でこの充電電流を絞り込んだ状態になっているとして表記してある。
したがって（図８ｅ）にはＳＯＣがほぼ上限リミット値付近に図示されている。Ｂ点で電車線非設備区間に入ると（図８ｃ）に示すように電車線からの電流の供給が無くなり、Ｖｆｃは（図８ｂ）に示すように急降下するが、Ｖｆｃがチョッパ装置６の制御目標Ｖｏまで降下すると図４の４２、４３の定電圧制御機能によりＶｆｃをＶｏ近傍に保つよう放電が開始され、（図８ｄ）のＢ−Ｃ区間に示すようにチョッパ装置６より電流が供給される。このとき蓄電装置７は放電を行うので（図８ｅ）のように充電量ＳＯＣは減少する。
さらにインバータ装置４の多くは入力電圧変動に対して定電力を取るよう制御されているものが多いので（図８ａ）にはＢ点通過後電圧の降下分に対応して入力電流が増加する様子が示されている。
次に車両がＣ点において再び電車線設備区間に入るとインバータ装置４には（図８ｂ）に示すように再び電車線電圧が印加されるが、このときチョッパ装置６はＶｆｃの上昇により図５に示すように充電動作に移行し、（図８ｄ）のように充電を開始する。したがって（図８ｃ）に示すごとく、電車線から供給される電流は（図８ａ）に示すインバータ装置４に入力する電流と（図８ｄ）に示すチョッパ装置６が蓄電装置７に充電するために入力する電流の合計となる。
この後、力行をオフすると（図８ｃ）のＤ点で示すごとくインバータ装置４の力行電流分Ｉｉｎｖが電車線の供給電流Ｉｄｃから減少し、蓄電装置７への充電が完了するとＥ点に示すごとく充電電流分が電車線の供給電流Ｉｄｃから減少する。尚、蓄電装置７への充電完了は充電により充電量ＳＯＣが上昇し、図６の閾値３に達することにより図４の４８の出力が０を出力し、その結果ｍｉｎＬが０となり、一方で電車線が印加されているのでＩｃｈＰ１が負を示しているため制御目標電流値ＩｃｈＰ４が０となることにより自動的に行われる。
本発明のシステムの適用における注意点として以下の点がある。多くの車両駆動用インバータ装置は車両の乗り心地を考慮し、運転の変更操作が行われていない短時間の範囲では電動機に一定出力を出力するように制御されている。このため入力電力も一定電力を取るよう制御される。本発明の装置を搭載した車両において、電車線非設備区間で車両を運転する際に蓄電装置７が供給できる最大電力以上の電力をインバータ装置４が取るような運転扱いをされた場合、蓄電装置７が最大放電を行ったとしても蓄電装置４からの電力が不足しインバータ入力電圧Ｖｆｃを制御目標電圧に保持できなくなる。
さらに、インバータ装置４は上記のように一定電力を入力するよう制御されているからインバータ装置４の入力電圧Ｖｆｃが制御目標電圧を離れインバータ装置の最低制御電圧Ｖｂｏ以下となりインバータ装置４が制御不能、運転停止に至ってしまう。これを避ける為に一つの例としては電車線非設備区間においては蓄電装置７の最大放電電力以上の電力を取る運転を取り扱い上行わないという手法も考えられる。しかしながら上記のようなインバータ装置４の最低制御電圧Ｖｂｏ以下となる状況を自動的に回避できればより有効である。
図９のグラフは本発明のシステムの適用における、良好なインバータ装置４の特性を示す。即ちインバータ装置４の入力電圧Ｖｆｃに関する最大出力特性を図９のごとくインバータ装置４の最低制御電圧値Ｖｂｏで０、Ｖｂｏよりやや大きい所定の値Ｖｂａ以上で通常時の最大出力特性値としてＶｂａ、Ｖｂｏ間を最大出力を漸減させるよう制御するものである。インバータ装置４の出力最大特性をこのようにすることにより、インバータ装置４が蓄電装置７の最大放電電力以上の電力を取っていたとしてもＶｆｃが低下しＶｂｏに近づくとインバータ装置４の入力が低減され蓄電装置の放電電力以下となってＶｆｃがＶｂｏ以上に保たれるのでインバータ装置４が制御不能、運転停止に至ることを回避できる。
次に、充放電制御部２１の他の実施例を示す。図１０は、図２に示した充放電制御部２１の他の構成例を示すブロック図である。図１１は、図１０に示した構成に用いるＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８、４８ａの特性図である。図１２は、図１０に示した構成による制御を行った際の電圧電流制御特性を示した図である。
本実施例は蓄電装置７の蓄電容量が大きく、非電車線区間での走行に必要な蓄電容量に対して蓄電容量的に余裕を持つ場合に有効な実施例である。図４の実施例は非電車線区間を確実に走行することを目的とするものであるため、蓄電容量を非電車線区間での走行を確実にすることを最優先とし、図８でも示したように電車線設備区間に入ると充放電制御装置１３は蓄電装置へ許容される上限のＳＯＣまで充電するよう動作する。したがって回生時の回生エネルギーを吸収しにくい特性がある。本例は蓄電容量の上記余裕を利用して回生エネルギー吸収を行い易くするものである。
本実施例の充放電制御部２１は、図４の構成に対し以下を追加したものである。具体的には、図４に示す基準値発生器４１を第１の基準発生器４１とし、これに対して第２の基準値発生器４１ａと、基準値発生器４１の出力と基準値発生器４１ａの出力を切り替えるスイッチ５２と、回生ブレーキ操作がなされたことを検出する回生検出部５３と、蓄電装置７の充電量ＳＯＣが所定の値を超えたことを検出する比較器５４と、回生検出部５３の出力と前記比較器５４の出力を入力し、回生時以外でかつＳＯＣの値が以下に示す閾値３ｐを超えているとき前記スイッチ５２を第２の基準値発生器４１ａの出力が選ばれそれ以外では基準値発生器４１の出力が選ばれるよう出力する論理積機能５５とを追加し、さらに図４に示すＳＯＣ上限パターン発生器４８を第１のＳＯＣ上限パターン発生器４８とし、これに対してＳＯＣを入力し充電電流限界ＩｃｈＰ２に対する乗算値を発生する第２のＳＯＣ上限パターン発生器４８ａと、回生時にはＳＯＣ上限パターン発生器４８の出力をそれ以外の条件では第２のＳＯＣ上限パターン発生器４８ａの出力を選択するよう切り替えるスイッチ５６と追加したものである。
また、回生検出部５３は、例えば図示しない運転用装置において運転士により減速にかかる操作がなされたことを示す制御信号が出力された際には、これを検出して回生とみなすものである。さらに第２の基準値発生器４１ａは電車線に電圧を供給する地上側電源の送り出し電圧値Ｖｓと一致もしくはＶｓの極近傍の値（Ｖｓｏ）を出力し、第２のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａは第１のＳＯＣ上限リミットパターン発生器を４８に比較して蓄電量ＳＯＣが低い上限値を持つもので、図６に示す閾値３よりも低い値の閾値３ｐを持ちＳＯＣが閾値３ｐ以上のとき０、ＳＯＣが閾値３ｐよりやや小さいもう一つの閾値４ｐ以下の場合は１を出力し、かつ、閾値３ｐ、閾値４ｐの間は０から１の中間値を出力するよう構成する。第１のＳＯＣ上限リミットパターン発生器を４８と第２のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａの特性の関係を図１１に示す。
本実施例の構成によれば、スイッチ５２、５６により次の４つの動作状態に切り替わる。
（１）回生時かつＳＯＣが図１１の閾値３ｐ以上の時
（２）回生時かつＳＯＣが図１１の閾値３ｐ以下の時
（３）非回生時かつＳＯＣが図１１の閾値３ｐ以上の時
（４）非回生時かつＳＯＣが図１１の閾値３ｐ以下の時
（１）（２）の場合は第１の基準値発生器４１の出力Ｖｏがスイッチ５２により選択され、ＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の出力がスイッチ５６により選択される。
したがって図４と同じ制御構成となり動作も図４で説明したように閾値３まで充電が可能である。
（４）の場合は第１の基準値発生器４１の出力Ｖｏがスイッチ５２により選択され、ＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａの出力がスイッチ５６により選択される。したがって図４で説明した動作と同様であるが充電量ＳＯＣが閾値３ｐまでで制限される。即ち蓄電装置７の許容される上限閾値３に対して閾値３と閾値３ｐの差分余裕を持って充電が停止される。
（３）の場合は第２の基準値発生器４１ａの出力Ｖｓｏがスイッチ５２により選択され、ＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の出力がスイッチ５６により選択される。この場合減算器４２に入力されインバータ装置入力電圧Ｖｆｃと比較される信号がＶｓｏとなる。したがって減算器４２、係数器４３によりＶｓｏを制御目標とする定電圧制御が行われる。
図１２にこのときの定電圧制御の特性を示す。Ｖｓｏは電車線送り出し電圧Ｖｓとほぼ同じであるから、図１２から明らかなように電車線設備区間においても集電装置１を介して入力されるインバータ装置入力電圧Ｖｆｃが電車線送り出し電圧より低い時、即ち当該車両及び付近の当該車両以外の何らかの電気設備が電力を消耗しこれにより電車線電圧が低下していれば上記定電圧制御は放電側に動作する。
この動作は（４）の場合即ち充電量が閾値３ｐを超えた非回生時であるから回生していない時を選んで充電量ＳＯＣを３ｐに戻すように動作する。即ち回生時に閾値３ｐを超えて充電された時、電車線設備区間であっても放電動作を行いＳＯＣを閾値３ｐに戻すことが可能である。したがって回生時以外は充電量ＳＯＣは閾値３ｐに近づくように動作し、回生時は上記（１）（２）に示したように閾値３まで充電が可能なように制御されているから、回生エネルギーの吸収が可能となる。
次に本実施例の動作の例を図１３により説明する。ここで、Ｉｉｎｖはインバータ装置４の入力電流、Ｖｆｃはインバータ装置４の入力電圧、Ｉｄｃは電車線からの供給電流、Ｉｃｈは蓄電装置７の充放電電流、ＳＯＣは蓄電装置７の充電率を示す。本例は（図１３ｅ）に示すように電車線設備区間で非回生時のＳＯＣ上限リミット値閾値３ｐまで蓄電装置７が充電されている状態で電車線非設備区間に入り回生し、その後電車線設備区間に入り力行したケースを示している。この条件は、図４に示す実施例の場合では最初の電車線設備区間でＳＯＣが許容上限リミット値閾値３まで充電されるから電車線非設備区間での回生では回生エネルギーを吸収できず回生が動作できないケースである。
まず最初に、Ａ点で力行を行ったとする。力行により若干電車線電圧が下がり（図１３ｂ）のようにＶｆｃが低下するがこの状態は上記（４）の条件に当たるから定電圧制御目標はＶｏでありチョッパ装置６は充電動作状態であるがＳＯＣが閾値３ｐにあるので第２のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａの出力は０であり、この出力が選択されｍｉｎＬが０となっているため充放電ともに行われず、（図１３ｃ）のように電車線からの電流Ｉｄｃがインバータに供給される。力行オフ後力行電流がなくなることによりＶｆｃは一旦復帰するが、Ｂ点において電車線非設備区間に入り図４の場合と同様にチョッパ装置６の定電圧制御目標値Ｖｏに低下する。
この状態では惰行状態なのでチョッパ装置６は定電圧制御を行うけれども（図１３ｄ）のチョッパ電流Ｉｃｈはほとんど０である。この後Ｃ点において回生が行われると上記（２）の状態即ちスイッチ５６によって第１のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の出力が選択されるが、ＳＯＣは閾値３ｐ付近にあるので図１１からもわかるように０ではない有限の値が出力される。これによりｍｉｎＬは負の有限の値が出力され回生によるインバータ装置入力電圧Ｖｆｃの上昇を抑えるようチョッパ装置の定電圧制御機能により蓄電装置７への充電即ち回生電力の吸収がおこなわれ、ＳＯＣは閾値３ｐを越えて上記（１）の状態となり閾値３にむかって上昇する。
Ｄ点において回生がオフされると上記（３）の状態になるからチョッパ装置６の定電圧制御目標値はスイッチ５２によって切り替えられＶｓｏを目標とする定電圧制御に切り替わり（図１３ｂ）で示すようにＶｆｃはＶｓ付近に上昇する。また同時にスイッチ５６によってＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａの出力が選択されｍｉｎＬは０となる。
即ち、蓄電装置７への充電は０となりＶｆｃが電車線の送り出しにほぼ等しいＶｓｏより低ければ放電動作を行う状態となる。この後Ｅ点で電車線設備区間に入ると（図１３ｃ）、（図１３ｄ）で示すごとく自車両以外で電力を消費している場合にはチョッパ装置６からは放電がなされ自車両外に向かってＩｄｃが流れる。Ｆ点で自車両が力行を開始しＶｆｃがさらに低下すると（図１３ｄ）のＦ−Ｇ間で示されるようにチョッパ装置６の定電圧制御がこれに反応し、より多くの放電がなされる。Ｄ−Ｇ間の放電によりＳＯＣが低減しＳＯＣが閾値３ｐに達すると比較器５４が反転することによりスイッチ５２により制御基準値が切り替えられ上記（４）の状態に切り替わりチョッパ装置６の定電圧制御の制御目標電圧はＶｏとなる。定電圧制御の制御目標電圧Ｖｏは電車線電圧より低い値に設定されているからチョッパ装置６は放電を停止し充電動作状態に戻る。
ただし、Ｇ点の直後ではＳＯＣは閾値３ｐ付近にあるのでｍｉｎＬはほぼ０を示しており充電電流はほぼ０となる。この後力行がオフされるＨ点までの間は蓄電装置７からの充放電がほぼ停止されている状態なので（図１３ｃ）に示すようにインバータ装置４には電車線からの電流のみが供給される。
尚、Ｇ点に達した時点で蓄電装置７の充電状態、スイッチ５２、５６はすべてＡ点での状態に復帰しているので繰り返し同様な運転がなされても上記説明と同様に電車線非設備区間での運転が可能であることは明らかである。また図１３では示さなかったが、電車線非設備区間での力行動作についてはすべての動作が（４）の状態で行われるので図４で説明したものにおいて閾値３を閾値３ｐに読み替えることで図４で説明したものと同じに説明できる。
以上、本実施例によれば、電車線設備区間において蓄電装置７の充電量ＳＯＣを許容される最大値よりもやや低い値になるよう充電制御を行うので次に電車線非設備区間に入った後、インバータ装置４の力行動作のみでなく回生動作も可能であり、このとき蓄電装置７への充電によるエネルギー吸収が可能である。
本発明の実施形態を示す図である。 図１に示した充放電制御装置１３の構成例を示すブロック図である。 図２に示した充放電制御装置１３の動作波形例を示すブロック図である。 図２に示した充放電制御部２１の構成例を示すブロック図である。 図１に示したＳＯＣ下限リミットパターン発生器５０の特性図である。 図１に示したＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８の特性図である。 図１に示した構成例の制御特性図である。 図４に示した構成の充放電制御部２１による制御を行った際の動作波形図である。 図１に示した構成のインバータ装置４の好ましい特性図である。 図２に示した充放電制御部２１の他の構成例を示すブロック図である。 図１０に示した第２のＳＯＣ上限リミットパターン発生器４８ａの特性図である。 図１０に示した構成の放電制御部による制御を行った際の動作特性図である。 図１０に示した構成の放電制御部による制御を行った際の動作波形図である。
符号の説明
１ 集電装置
２ フィルタリアクトル
３ フィルタコンデンサ
４ インバータ装置
５ 主電動機
６ チョッパ装置
６ａ、６ｂ ＩＧＢＴ
７ 蓄電装置
８ 電圧変換用リアクトル
９，１１ 直流電圧検出器
１０，１２ 直流電流検出器
１３ 充放電制御装置
１４ インバータ制御装置
１６ 蓄電制御装置
１７ 情報伝達手段
２１ 充放電制御部
２２，２３，５５ 論理積機能
２４ 反転機能
４１，４１ａ 基準値発生器
４２，４５ 減算器
４３ 係数器
４４ リミット機能
４６ ＡＣＲ（電流制御部）
４７ ＰＷＭ変調器
４８，４８ａ，５０ パターン発生器
４９，５１ 乗算器
５２，５６ スイッチ
５３ 回生検出部
５４ 比較器

Claims (8)

  1. 電車線から集電装置を介して直流電圧の供給を受け主電動機の駆動を制御するインバータ装置と、このインバータ装置の直流側に接続された半導体スイッチング装置と、この半導体スイッチング装置に接続された蓄電装置と、前記半導体スイッチング装置が接続されたインバータ装置の直流側の電圧を計測する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の出力に応じて前記半導体スイッチング装置を制御する充放電制御部とを有し、
    前記充放電制御部は、充電量を所定の値に保つように前記半導体スイッチング装置を制御する制御部と、前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧を所定の範囲に保つよう前記半導体スイッチング装置を制御する制御部とを備えており、
    電車線の設備区間で電車線から集電装置を介して直流電圧の供給を受けて、前記直流電圧検出手段の検出値が電車線電源送り出し電圧以上の場合に、前記インバータ装置との接続点に対して前記蓄電装置から充放電を行い蓄電装置の充電量を所定の値に保つように前記半導体スイッチング装置を制御し、
    電車線非設備区間で電車線から分離し集電装置を介して直流電圧の供給を受けられず前記直流電圧検出手段の検出値が電車線電源送り出し電圧と前記インバータ装置の制御可能な最低直流入力電圧との間に設定された特定電圧範囲内となる場合に、前記直流電圧検出手段の出力に応じて、前記蓄電装置から充放電を行い前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧を前記特定電圧範囲内に設定される制御目標電圧値近傍に保つよう前記半導体スイッチング装置を制御することを特徴とする間歇受電を行う車両用制御装置。
  2. 請求項１に記載の車両用制御装置において、
    前記蓄電装置の端子電圧の最大値はインバータ装置が制御可能な最低直流入力電圧値よりも低い電圧となるよう選択され、
    かつ前記半導体スイッチング装置は、前記直流電圧検出手段が計測した前記インバータ装置の直流側の電圧が、前記特定電圧範囲においては、前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点への電流の出入りを制御し該接続点の電圧を前記特定電圧範囲内に設定された制御目標電圧値近傍に保つように制御する定電圧制御モードの制御を行い、
    前記直流電圧検出手段が計測した前記インバータ装置の直流側の電圧が、前記特定電圧範囲よりも高い電圧範囲では、前記蓄電装置への充電電流が最大充電許容電流値に制限される定電流充電制御モードの制御を行い、前記直流電圧検出手段が計測した前記インバータ装置の直流側の電圧が、前記特定電圧範囲よりも低い電圧範囲では、前記蓄電装置からの放電電流が最大放電許容電流値に制限される定電流放電制御モードの制御を行うことを特徴とする車両用制御装置。
  3. 請求項２に記載の車両用制御装置において、
    前記充電電流に対する定電流充電制御モードにおける制御目標値は、前記蓄電装置に許容される最大充電電流値に係わる値であり、前記放電電流に対する定電流放電制御モードにおける制御目標値は、前記蓄電装置に許容される最大放電電流値に係わる値であることを特徴とする車両用制御装置。
  4. 請求項３に記載の車両用制御装置において、
    前記充電電流に対する定電流充電制御モードにおける前記制御目標値は、前記蓄電装置の蓄電量が許容される上限値以上となった時には零とされ、前記放電電流に対する定電流放電制御モードにおける前記制御目標値は、前記蓄電装置の蓄電量が許容される下限値以下となった時には零とされることを特徴とする車両用制御装置。
  5. 請求項４に記載の車両用制御装置において、
    前記充電電流に対する定電流充電制御モードにおける制御目標値は、前記蓄電装置の蓄電量が許容内で、前記蓄電量が許容される上限値近傍となった時には前記蓄電装置に許容される最大充電電流値に係わる値よりも低減され、前記放電電流に対する定電流放電制御モードにおける制御目標値は、前記蓄電装置の蓄電量が許容内で、前記蓄電量が許容される下限値近傍となった時には前記蓄電装置に許容される最大充電電流値に係わる値よりも低減されることを特徴とする車両用制御装置。
  6. 請求項２に記載の車両用制御装置において、
    前記インバータ装置は制御可能な最低直流入力電圧値の高電圧側近傍で入力電圧と制御可能な最低直流入力電圧値との差分に対応して前記インバータ装置の出力を低減する機能を有することを特徴とする車両用制御装置。
  7. 請求項４に記載の車両用制御装置において、
    前記蓄電装置の蓄電量の上限値は回生ブレーキ作用時以外の場合と回生ブレーキ作用時の場合を区別して設定され、回生ブレーキ作用時以外の前記蓄電装置の蓄電量が許容される上限値は、回生ブレーキ作用時の前記蓄電装置の蓄電量が許容される上限値より低く設定されることを特徴とする車両用制御装置。
  8. 請求項７に記載の車両用制御装置において、
    前記回生ブレーキ作用時以外で、かつ前記蓄電装置の蓄電量が回生ブレーキ作用時以外の場合における蓄電量の許容される上限値を超えている時、前記インバータ装置の直流側と前記半導体スイッチング装置の接続点の電圧に対する定電圧制御モードにおける制御目標電圧を送り出し電圧近傍の値に切り替えることを特徴とする車両用制御装置。
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