JP5496793B2

JP5496793B2 - 蓄電式モータ駆動装置および方法

Info

Publication number: JP5496793B2
Application number: JP2010151230A
Authority: JP
Inventors: 優富田; 篤石原
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: JP2012016186A

Description

本発明は、超電導コイルへの急速な蓄電と、これより時間のかかる二次電池への充電とを組み合わせて車両等のモータを駆動する装置および方法に関する。

現在、リチウムイオン電池のような二次電池を搭載した路面電車では、駅に停車している短時間の間に充電し、この充電電力を利用して、次の駅までの架線の無い非電化区間を走行する方式が考えられている。このような充電走行方式では、駅に停車する毎に、例えば、パンタグラフ、コネクタで充電設備に接続して急速充電することが考えられる。

そして、このような二次電池を搭載した路面電車に関する技術として、特許文献１に示される路面電車を利用した都市交通システムが知られている。
この都市交通システムは、路面電車が蓄電池及び地上の架線から集電するパンタグラフを備えており、路面電車の軌道が架線のない区間と架線を設置した区間とを有し、架線を設置した区間でパンタグラフにより架線から集電して路面電車に搭載した蓄電池を充電し、架線のない区間で蓄電池を電源として路面電車の走行を行わせる構成である。

特開２００２‐２８１６１０号公報

ところで、上記のような二次電池を搭載した路面電車では、駅での停車時間と、駅間距離との兼ね合いで、必要な二次電池の量が決まることになるが、駅間が長い場合には、駅でない場所に部分的に架線を設けて走行しながら急速充電する、又は必要に応じて低速走行して充電時間を稼ぐことも考えられる。
しかしながら、このような二次電池の急速充電には限界があり、また、急速充電は電池の寿命を縮めるので、できれば急速充電ではなく、時間をかけた通常充電を採用することが好ましいが、現状では、運行スケジュールの都合上、長い充電時間を確保することができず、電池寿命を縮める急速充電に頼らざるを得ない状況である。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、車両に搭載される二次電池に対して劣化を発生させない長時間の通常充電を行うことができ、あるいは短時間の停車中により多くの電力を蓄電することのできができる蓄電式モータ駆動装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。すなわち、本発明では、外部電源に接続される外部電力給電線と、この外部電力給電線に接続される超電導コイル及び二次電池と、これら超電導コイル及び二次電池から電力の供給を受ける回生式モータと、前記超電導コイルと二次電池とモータとの間の電力供給回路を開閉する給電制御部とから構成され、前記給電制御部は、停車中等に前記超電導コイルを前記外部電力給電線に接続し、該外部電力給電線から給電がない場合に、前記電力供給回路を介して前記超電導コイルから、前記二次電池及びモータへ電力を供給することを特徴とする。

そして、上記構成によれば、外部電源から電力が供給される外部電力給電線に超電動コイルを接続し、給電制御部での電力供給回路の切り換えにより、停車中等に該超電導コイルに対して、外部電力給電線からの電力を供給し、また、外部電力給電線から給電がない場合に該超電導コイルから二次電池へ電力を供給する。すなわち、給電制御部での電力供給回路の切り換えにより、停車中等の極めて短時間に超電導コイルに対して、外部電力給電線からの外部電力を供給して蓄えることができ、また、該外部電力給電線から給電がない場合に、電気を蓄えた該超電導コイルから二次電池に対して時間を掛けて充電処理を行うことができる。その結果、本発明の超電導電力供給装置では、停車中に瞬時に電気を蓄えた超電導コイルから、二次電池に対して時間を掛けて充電処理を行うことができる。

また、本発明では、前記給電制御部は、停車中に前記超電導コイルを前記外部電力給電線に接続することにより、瞬時に該超電導コイルへの充電を完了することを特徴とする。

そして、上記構成によれば、停車中に超電導コイルを外部電力給電線に接続することにより、瞬時に該超電導コイルへの充電を完了することができるので、短い停車時間に充電作業を完了することができる。

また、本発明では、前記給電制御部は、車両が停車中の他、駅間に設けられた架線区間にて、走行中に前記超電導コイルに対して外部電力給電線を介して電力供給を行うことを特徴とする。

そして、上記構成によれば、給電制御部により、車両が停車中の他、駅間に設けられた架線区間にて、走行中に超電導コイルに対して外部電力給電線を介して電力供給を行うようにしたので、車両の状況に応じて、超電導コイルに対する充電を多様に行うことができる。

また、本発明では、前記給電制御部は、回生ブレーキ作動中に発生した電力を前記ニ次電池に供給することを特徴とする。

そして、上記構成によれば、回生ブレーキ作動中に発生した電力をニ次電池に供給するようにしたので、エネルギーを無駄なく利用することができ、エネルギー利用効率を高めることができる。

本発明によれば、外部電源から電力が供給される外部電力給電線に超電動コイルを接続し、給電制御部での電力供給回路の切り換えにより、停車中等に該超電導コイルに対して、外部電力給電線からの電力を供給し、また、外部電力給電線から給電がない場合に該超電導コイルから二次電池へ電力を供給する。すなわち、給電制御部での電力供給回路の切り換えにより、停車中等の極めて短時間に超電導コイルに対して、外部電力給電線からの外部電力を供給して蓄えることができ、また、該外部電力給電線から給電がない場合に、電気を蓄えた該超電導コイルから二次電池に対して時間を掛けて充電処理を行うことができる。
その結果、本発明の超電導電力供給装置では、停車中に瞬時に電気を蓄えた超電導コイルから、二次電池に対して時間を掛けて充電処理を行うことができ、車両に搭載される二次電池に対して、劣化を発生させない通常充電が可能となる。

本発明の超電導電力供給装置の一実施例を示す概略構成図である。本実施例に係る超電導電力供給装置のタイムチャートを示す図である。本実施例に係る超電導電力供給装置の電力供給経路を示す説明図である。本実施例に係る超電導電力供給装置で使用される超電導コイルのＳＭＥＳを具体的に示す図である。

［実施例］
本発明の実施例について図１〜図４を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例を示す概略構成図であって、同図において符号１で示すものは軌道２上を走行する路面電車（車両）である。
この路面電車１は車体３の下部に超電導コイル１０と二次電池１１を備えたものである。二次電池１１は、リチウムイオン電池等の複数の蓄電池が直列／並列配置されるものであって、各蓄電池に充電した電力によりモータ１２を駆動して車両１を走行させる他、該車両１に設置した空調機等の補機も作動させる。また、車両１に搭載されるモータ１２は、回生時には発電機として機能し、発生した電気エネルギーを先の二次電池１１に供給する回生式モータである。
また、超電導コイル１０は数秒という短時間で多量の電力を充電できることを特徴とするものであって、具体的なＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage）については後述する。

また、本例の路面電車１は、超電導コイル１０と二次電池１１に蓄えた電力により、駅間の架線の無い非電化区間を走行する。そのときの駆動電力は、まず、超電導コイル１０から供給されるが、該超電導コイル１０の貯蔵電力量の残量が少なくなった、又は無くなった場合には、二次電池１１より供給されることになる（詳細は後述する）。

また、前記超電導コイル１０及び二次電池１１には、外部電力給電線１３〜１５を通じて外部電源１６から供給された電力を、モータ１２に適切に配分するための給電制御部Ｃが設けられている。
この給電制御部Ｃは、外部電力給電線１４・１５の途中に設けられた接触子１７及び電極１８からなる給電手段１９、外部電力給電線１３〜１５の分岐部に設けられた外部電力供給回路２０、超電導コイル１０と二次電池１１との間の給電線２１に設けられた電力供給回路２２、超電導コイル１０及び二次電池１１とモータ１２の間の給電線２３・２４に設けられたモータ駆動回路２５、を有している。

前記接触子１７は前記路面電車１の下部に位置し、前記電極１８は軌道２内に設けられているものであって、路面電車１が駅の所定位置に停車した際に、該路面電車１の下部に位置する接触子１７が、軌道２内に設けられている電極１８に接触し、これによって外部電力給電線１３〜１５を通じて外部電源１６から超電導コイル１０及び二次電池１１に対して外部電力を供給する。なお、前記接触子は、パンタグラフ等の集電子であっても良い。
また、前記路面電車１が駅を出発した場合には、接触子１７が電極１８から離れることになり、これによって外部電源１６と、超電導コイル１０及び二次電池１１との接続状態が遮断される。

なお、このような給電手段１９の電極１８は、駅毎（例えば、１ｋｍ毎）に設け、列車が停止する毎に接触子１７を通じて充電作業を行うと良い。
また、図１において、符号２６で示すものは、モータ１２で発生した回生エネルギーを二次電池１１に回収するための給電線である。

前記外部電力供給回路２０は、外部電力給電線１３〜１５の分岐部に設けられて、外部電源１６から超電導コイル１０及び二次電池１１に供給する充電電力量が適正値になるように調整する。

前記電力供給回路２２は、超電導コイル１０と二次電池１１との間の給電線２１に設けられるものであって、予め定められた電力供給工程（後述する）に従って、超電導コイル１０に充電された電力を二次電池１１に供給する。

前記モータ駆動回路２５は、超電導コイル１０及び二次電池１１とモータ１２との間の給電線２３・２４に設けられるものであって、超電導コイル１０及び二次電池１１に充電された電力によりモータ１２を駆動する。

次に、図２のタイムチャートを参照して給電制御部Ｃの電力供給工程とともに、本発明に係る方法について説明する。
図２において、（ａ）は路面電車１の速度を示すグラフ、（ｂ）は超電導コイル１０への電力供給状態を示すグラフである。（ｃ）は外部電源１６から超電導コイル１０への電力入力（ｉｎ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、給電手段１９により実行される。（ｄ）は超電導コイル１０から二次電池１１への電力出力（ｏｕｔ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、電力供給回路２２により実行される。（ｅ）は超電導コイル１０からモータ１２への電力出力（ｏｕｔ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、モータ駆動回路２５により実行される。
また、（ｆ）は外部電源１６から二次電池１１への電力入力（ｉｎ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、給電手段１９により実行される。（ｇ）は超電導コイル１０から二次電池１１への電力入力（ｉｎ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、電力供給回路２２により実行される。（ｈ）は回生式のモータ１２から二次電池１１への電力入力（ｉｎ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、給電線２６を通じて実行される。（ｉ）は二次電池１１からモータ１２への電力出力（ｏｕｔ）のＯＮ・ＯＦＦを示す図であって、モータ駆動回路２５により実行される。

なお、上記（ｃ）〜（ｇ）の電力供給において、「○」はＯＮ．「×」はＯＦＦを示し、この中で、「△」は状況に応じてＯＮとの意味である。また、上記給電制御部Ｃでは、超電導コイル１０と二次電池１１に蓄えた貯蔵電力によりモータ１２を駆動するが、そのときのモータ１２への駆動電力は、まず、超電導コイル１０から供給するが、該超電導コイル１０の貯蔵電力量の残量が少なくなった、又は無くなった場合には、二次電池１１より供給するといった動作をモータ駆動回路２５にて実行させることを基本とする。

そして、この図２のグラフを参照して分るように、車両停車中の（ア）（エ）（キ）の区間においては、給電手段１９を通じて外部電源１６から超電導コイル１０及び二次電池１１に電力が供給され、これと同時に、超電導コイル１０から二次電池１１への電力供給も行われる。そして、このときの車両停車中の（ア）（エ）（キ）の区間において、外部電源１６から超電導コイル１０へは数秒という短時間で多量の電力を蓄えることができる。

また、車両走行中の（イ）（オ）の区間においては、給電手段１９を通じての外部電源１６から超電導コイル１０及び二次電池１１への電力供給が停止され、これと同時に、超電導コイル１０から二次電池１１への電力供給、超電導コイル１０からモータ１２への電力供給が行われる。すなわち、車両走行中において、超電導コイル１０から二次電池１１に電力が徐々に供給されることにより、該二次電池１１に対して従来のような急速充電によらない通常充電が行われる。
また、車両走行中の（イ）（オ）の区間においては、二次電池１１からモータ１２への電力供給が行われることを示す「△」が示されているが、これは超電導コイル１０内の貯蔵電力が不足したことを条件として行われる。

また、車両減速中の（ウ）（カ）の区間においては、超電導コイル１０及び二次電池１１からモータ１２への電力供給が停止されるとともに、モータ１２で発生した回生エネルギーを二次電池１１に供給する。

次に、給電制御部Ｃによる、外部電源１６から超電導コイル１０及び二次電池１１への電力供給の具体例について図３及び図４を参照して説明する。
図３に示すように超電導コイル１０として、例えば１０ｍｍ幅線６００Ａ材、３７５００ｍを使用した場合には４ＭＪの電磁エネルギーを貯蔵することができ、また、１０ｍｍ幅線６００Ａ材、７５０００ｍを使用した場合には８ＭＪの電磁エネルギーを貯蔵することができる。そして、このような超電導コイル１０を使用し、かつ６００Ｖの電圧、１０００Ａの電流で充電した場合、該超電導コイル１０に１秒以下の時間で充電を完了することができる。また、外部電源１６又は超電導コイル１０から、二次電池１１へは充電地１個当たり２０Ｗ（１ｓで２０Ｊ）で通常充電する。

また、実施例の超電導コイル１０のサンプルとして図４（ａ）（ｂ）に示すものを作成した。これらのサンプルでは、単位長さが３０００ｍ、内径１０ｃｍ、外径１０７．７ｃｍの超電導コイルを、高さ（線材の幅に相当）を５〜１０００ｍの範囲で変化させた場合の単位体積当たりの電磁エネルギー〔Ｊ〕、電磁エネルギー〔ｋＪ／ｍ^３〕を測定した。そして、この図４によれば、線材の高さを大きくして、超電導コイルの個数及び線材の使用量を少なくすることによって、単位体積当たりの電磁エネルギー〔Ｊ〕、電磁エネルギー〔ｋＪ／ｍ^３〕が大きく増加することが確認されている。おおよそでは、図４（ａ）と（ｂ）を比較して分かるように、電流を２倍にすると単位体積当たりの電磁エネルギーは４倍になり、幅を２倍にして電流も２倍にすると単位体積当たりの電磁エネルギーも２倍になることが確認されている。

以上詳細に説明したように本実施例に示す超電導電力供給装置では、外部電源１６から電力が供給される外部電力給電線１３〜１５に超電動コイル１０を接続し、給電制御部Ｃでの電力供給回路２２の切り換えにより、停車中に該超電導コイル１０に対して、外部電力給電線１３〜１５からの電力を供給し、また、外部電力給電線１３〜１５から給電がない場合に該超電導コイル１０から二次電池１１へ電力を供給する。
すなわち、給電制御部Ｃでの電力供給回路２２の切り換えにより、停車中等に極めて短時間に超電導コイル１０に対して、外部電力給電線１３〜１５から電力を供給して蓄えることができ、また、外部電力給電線１３〜１５から給電がない場合に、電気を蓄えた該超電導コイル１０から二次電池１１に対して時間を掛けて充電処理を行うことができる。
その結果、本実施例の超電導電力供給装置では、停車中に瞬時に電気を蓄えた超電導コイル１０から、二次電池１１に対して時間を掛けて充電処理を行うことができるので、車体３に搭載される二次電池１１に対して、常に劣化を発生させない通常充電ができる効果が得られる。

また、本実施例に示す超電導電力供給装置では、停車中に超電導コイル１０を外部電源１６に通じる外部電力給電線１３・１４に接続することにより、瞬時に該超電導コイル１０への充電を完了することができるので、短い停車時間に充電作業を完了することができる。

また、本実施例に示す超電導電力供給装置では、回生ブレーキ作動中に発生した電力を二次電池１１に供給するようにしたので、エネルギーを無駄なく利用することができ、エネルギー利用効率を高めることができる。

なお、本例では、接触子１７と電極１８からなる給電手段１９を介して、外部電源１６と超電導コイル１０及び二次電池１１とを接続したが、これに限定されずに、パンタグラフを利用して架線から外部電力を超電導コイル１０及び二次電池１１に供給しても良い。また、パンタグラフを利用した場合に、駅の列車停止位置に部分的に架線を設けて、車両停車中に外部電源から超電導コイル１０及び二次電池１１に給電を行う他、駅間において適宜、架線区間を設け、この架線区間を走行しながら、外部電源から超電導コイル１０及び二次電池１１に対して給電を行うようにしても良い。そして、このような駅間に架線区間を設けることにより、車両の位置及び走行状況に応じて、超電導コイル１０に対する充電を多様に行うことができる。

また、上記実施例では、路面電車１を例に挙げたが、都市交通システム、一般の鉄道車両にも適用可能である。

以上、本発明の実施例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、二次電池により非電化区間の軌道を走行する路面電車、都市交通システム、あるいは給電線を持たない移動式作業車すなわちフォークリフトやクレーンなどに利用できる技術である。

１路面電車
３軌道
１０超電導コイル
１１二次電池
１２モータ（回生式モータ）
１３〜１５外部電力給電線
１６外部電源
２２電力供給回路
Ｃ給電制御部

Claims

外部電力給電線に集電手段を介して接続される超電導コイル及び二次電池と、これら超電導コイル及び二次電池の少なくとも一方から電力の供給を受けて走行運転されるとともに、回生運転により減速されて電力を発生するモータと、前記超電導コイルと二次電池とモータとの間の電力供給回路を開閉する給電制御部とを有し、
前記給電制御部は、前記超電導コイルを前記外部電力給電線に接続して給電を受けるとともに、該外部電力給電線から給電がない場合に、前記走行運転においては、前記電力供給回路を介して前記超電導コイルから前記二次電池及びモータへ電力を供給し、前記回生運転においては、前記電力供給回路を介して前記超電導コイル及びモータから前記二次電池へ電力を供給することを特徴とする蓄電式モータ駆動装置。
前記給電制御部は、停車中に前記超電導コイルを前記外部電力給電線に接続することにより、該超電導コイルへ充電することを特徴とする請求項１に記載の蓄電式モータ駆動装置。
前記給電制御部は、車両が停車中の他、駅間に設けられた架線区間にて、走行中に前記超電導コイルに対して外部電力給電線を介して電力供給を行うことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の蓄電式モータ駆動装置。
外部電源から集電手段を介して超電導コイル及び二次電池に電力を貯蔵する過程と、これら超電導コイル及び二次電池の少なくとも一方からモータに電力を供給して運転する過程と、回生運転により減速されるモータから電力を発生する過程と、前記超電導コイルと二次電池とモータとの間の電力供給回路を開閉する過程とを有し、
前記電力供給回路の開閉は、前記超電導コイルを前記外部電源から給電を受けるとともに、外部から給電がない場合に、前記走行運転においては前記電力供給回路を介して前記超電導コイルから前記二次電池及びモータへ電力を供給し、前記回生運転においては前記電力供給回路を介して前記超電導コイル及びモータから前記二次電池へ電力を供給することを特徴とする蓄電式モータ駆動方法。