JP6262002B2

JP6262002B2 - 電気車制御装置

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Publication number: JP6262002B2
Application number: JP2014018790A
Authority: JP
Inventors: 賢一吉川; 加藤　仁; 仁加藤; 辰哉田島; 奥田　良三; 良三奥田
Original assignee: Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-02-03
Also published as: US20170174099A1; TWI625257B; TW201540572A; EP3103675A1; EP3103675A4; JP2015146696A; WO2015115541A1

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

近年、社会を取り巻く環境の変化から省エネへの関心が高まっている。鉄道車両用の駆動システムに目を向ければ、回生エネルギーの有効利用を行うために、架線からの電力供給と車載蓄電池（バッテリ）とによるハイブリッド電源型電車が提案されている。
このようなハイブリッド型電車においては、さらに架線が設けられている電化区間において、架線からの電力供給を受けて車載蓄電池の充電を行い、架線が設けられていない非電化区間において車載蓄電池の蓄電電力を用いて駆動することも提案されている。

特開２０１２−１２９１３８号公報

ところで、鉄道車両に搭載する車載蓄電池を充電するに際し、架線からの供給電力を直接変換して充電を行う充電装置を想定した場合には、架線電圧の変動を考慮して制御を行う必要があるため、充電装置の構成が複雑になり、充電装置が大型化してしまう虞があった。
また、非電化区間を走行することを想定した場合には、当該非電化区間では、車載蓄電池の充電を行えないため、非電化区間の走行前に確実に車載蓄電池の充電を行うことが望まれる。

本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、ハイブリッド電源型電車の装置構成を簡略化し、確実に非電化区間を走行させることが可能な電気車制御装置を提供することを目的としている。

実施形態の電気車制御装置は、電化区間において架線からの電力供給を受けて電力変換を行い、車両駆動用モータに駆動電力を供給する電力変換装置と、電化区間において架線からの電力供給を受けて電力変換を行い、駆動電力の電圧よりも低い所定の補機駆動電圧を有する補機駆動電力を補機に供給する補助電源装置と、充電電力の供給を受けて蓄電を行う蓄電装置と、を備えている。
制御部は、電化区間においては蓄電装置を充電装置に接続し、充電装置は、供給された補機駆動電力を昇圧して充電電力に変換して蓄電装置に供給して充電させる。
また、制御部は、非電化区間においては蓄電装置を電力変換装置及び補助電源装置のうち、少なくとも電力変換装置に、蓄電装置の蓄電電力を架線からの電力に代えて供給させる。

図１は、実施形態の電気車制御装置の概要構成ブロック図である。図２は、実施形態の電気車制御装置の処理フローチャートである。図３は、鉄道車両の運行状態の説明図である。図４は、蓄電装置の充電状態の説明図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電気車制御装置の概要構成ブロック図である。

電気車制御装置１００は、図１に示すように、直流架線１から直流電力が供給されるパンタグラフ２と、主遮断機３と、線路４を介して接地（低電位側電源）された車輪５と、直流架線１からパンタグラフ２及び主遮断機３を介して供給された直流電力（例えば、６００Ｖ）を三相交流電力に変換する電力変換装置（インバータ）６と、電力変換装置６により生成された三相交流電力を受けて駆動され、鉄道車両を駆動する主電動機７と、直流架線１からパンタグラフ２及び主遮断機３を介して供給された直流電力を定電圧、定周波数の三相交流電力（例えば、２００Ｖ、５０Ｈｚ）に変換する補助電源装置８と、補助電源装置８により生成された三相交流電力を受けて駆動される補機（補機群）９と、備えている。

また電気車制御装置１００は、補助電源装置８から定電圧、定周波数の三相交流電力が供給され、昇圧（例えば、６００Ｖ）して充電電力とする充電装置１０と、蓄電装置１１の充電時に閉状態となる充電制御スイッチ１２と、蓄電装置１１の充電時の逆流電流を防止する充電時逆流防止ダイオード１３と、蓄電装置１１の放電時に閉状態となる放電制御スイッチ１４と、蓄電装置１１の放電時の逆流電流を防止する放電時逆流防止ダイオード１５と、蓄電装置１１の蓄電状態を監視して充電装置１０、充電制御スイッチ１２及び放電制御スイッチ１４を制御するコントローラ１６と、を備えている。

上記構成によれば、ハイブリッド電源を構成している蓄電装置１１の充電は、架線からの供給電力ではなく、補助電源装置８から供給される定電圧、定周波数の三相交流電力を変換して充電を行うので、充電装置１０は、電圧変動を考慮する必要が無いので、装置構成が単純化し、小型化を容易に図れることとなっており、既存の電車を改造して、ハイブリッド電源型電車としようとする場合でも、充電装置の設置場所の確保が容易となる。また、定電圧、定周波数に加え、少ない電流で時間をかけて充電することにより、蓄電池に対して充電による発熱量が抑えられ、寿命に好影響を与える共に、任意に設定できる充電量上限に対し、効率よい充電が可能となる。

次に実施形態の動作を説明する。
図２は、実施形態の電気車制御装置の処理フローチャートである。
まずコントローラ１６は、鉄道車両が走行している場所が、電化区間か否（非電化区間）かを判別する（ステップＳ１１）。ここで、電化区間か否かは、例えば、運転室の操作パネルに架線モードと架線レスモードとを切り換えるためのスイッチを設け、運転士がこのスイッチを操作することで区別される。また、これ以外にも、ＧＰＳ（Global Positioning System）のような位置を特定する装置から得た位置情報と、路線に沿った位置情報と電化、非電化を対応付けたデータとを対比することで判別することが可能である。

ステップＳ１１の判別において、鉄道車両が走行している場所が電化区間である場合には（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、電力変換装置６は、直流架線１から電力を受電し（ステップＳ１７）、直流架線１から受けた直流電力を三相交流電力に変換して主電動機７に出力し、駆動する（ステップＳ１８）。

次に、コントローラ１６は、通常運転状態を継続（あるいは開始）可能であるか否かを判別する（ステップＳ１９）。
ここで、通常運転状態とは、予定されている電化区間の走行区間を予定通り運転して走行できると判断される場合の運転状態である。この場合には、所定の充電パタンにより充電を行うことにより、鉄道車両が電化区間から非電化区間に進入するのに先立って非電化区間を蓄電装置の蓄電電力で十分に走行可能で、再び電化区間に戻ってくることが可能である。

ステップＳ１９の判別において、通常運転状態を継続（あるいは開始）可能である場合には（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、補助電源装置８は、直流架線１から電力を受電し、直流架線１から受けた直流電力を定電圧、定周波数の三相交流電力に変換して補機９に供給し、補機９を通常駆動する（ステップＳ２０）。例えば、補機９である空調装置を設定温度通りに駆動し、補機９である照明装置の点灯数も設定通りとする。

続いて、コントローラ１６は、充電制御スイッチ１２を閉状態（オン状態）とし（ステップＳ２１）、蓄電装置１１を充電装置１０により通常充電を行い（ステップＳ２２）、処理を再びステップＳ１１に移行する。

この場合には、電化区間を走行している期間で余裕を持って非電化区間を走行するのに十分な充電が行われることとなる。

一方、ステップＳ１９の判別において、通常運転状態を継続（あるいは開始）可能ではない場合（ステップＳ１９；Ｎｏ）、例えば、予定されている電化区間の走行区間を信号故障などの影響により途中で折り返して非電化区間に向かうこととなるような場合には、予定している通常の充電パタンでは、蓄電装置１１に所定容量の充電が完了しないこととなる。

すなわち、実際に走行することが可能な電化区間では、非電化区間を走行するのに十分な充電が行われないので、コントローラ１６は、電化区間を走行している期間で非電化区間を走行するのに十分な充電が行われるような充電パタンを（再）算出する（ステップＳ２３）。
より詳細には、コントローラ１６は、充電装置１０を介して蓄電装置１１へ供給される充電電力が大きくなる、すなわち、充電電流を大きくした充電パタン（優先充電用充電パタン）を求めることとなる。

そして、コントローラ１６は、蓄電装置１１へ供給される充電電力が大きくなるように、ひいては、補機９の駆動電力が小さくなるように、補機９を省電力駆動する（ステップＳ２４）。例えば、上述の例の場合、空調装置の設定温度を省電力側（冷房であれば、高温側、暖房であれば低温側）に設定して駆動し、照明装置の点灯数を減らしたりする。
続いて、コントローラ１６は、充電制御スイッチ１２を閉状態（オン状態）とし（ステップＳ２５）、蓄電装置１１を充電装置１０により優先充電を行い（ステップＳ２６）、処理を再びステップＳ１１に移行する。
この結果、蓄電装置１１は、通常充電よりも短時間で充電が完了可能な状態となるのである。

一方、ステップＳ１１の判別において、鉄道車両が走行している場所が電化区間ではない、すなわち、鉄道車両が走行している場所が非電化区間である場合には（ステップＳ１１；Ｎｏ）、コントローラ１６は、放電制御スイッチ１４を閉状態（オン状態）とする（ステップＳ１２）。なお、電化区間ではないとの判定は、実際の非電化区間に入る少し手前の位置で行うとしても良い。上述したように架線モードと架線レスモードとを切り換えるスイッチやＧＰＳ装置を利用すれば、どこから非電化区間になるか把握できるため、このような制御は容易に実現できる。

これにより、電力変換装置６は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を三相交流電力に変換して主電動機７に出力し、駆動する（ステップＳ１３）。
次に、コントローラ１６は、現在の蓄電装置１１の蓄電電力で通常運転状態を継続（あるいは開始）可能であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の判別において、通常運転状態を継続（あるいは開始）可能である場合には（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、補助電源装置８は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を定電圧、定周波数の三相交流電力に変換して補機９に供給し、補機９を通常駆動する（ステップＳ１５）。例えば、補機９である空調装置を設定温度通りに駆動し、補機９である照明装置の点灯数も設定通りとする。

ステップＳ１４の判別において、通常運転状態を継続（あるいは開始）可能ではない場合には（ステップＳ１４；Ｎｏ）、補機９の駆動電力が小さくなって蓄電電力の消費を抑制するように、補機９を省電力駆動する（ステップＳ１６）。例えば、上述の例の場合、空調装置の設定温度を省電力側（冷房であれば、高温側、暖房であれば低温側）に設定して駆動し、照明装置の点灯数を減らしたりする。

そしてコントローラ１６は、処理を再びステップＳ１１に移行し、以下、同様の処理を繰り返す。

以上の説明のように、本実施形態によれば、電化区間の走行状況が何らかの理由により変更されたような場合であっても、電化区間の走行期間中に非電化区間を走行可能な蓄電電力を蓄えることができ、確実に非電化区間を走行させることが可能となる。

次により具体的な動作を説明する。
図３は、鉄道車両の運行状態の説明図である。
図３においては、説明の簡略化及び理解の容易のため、鉄道車両（ハイブリッド電源型電車）は、分岐が無く、電化区間及び非電化区間を往復するような鉄道線路が設けられている場合を例としている。

すなわち、鉄道車両は、電化区間と非電化区間の境界となる駅ＳＴ１を始発駅とし、まず、電化区間を往復してから、非電化区間を往復して始発駅ＳＴ１を終点駅として運行している。

これは、蓄電装置１１の電力で非電化区間を走行するのに先立って、蓄電装置１１を充電できる電化区間を全区間走行して、蓄電装置１１を非電化区間を走行するのに十分な蓄電量とするためである。

図３の例の場合、通常運転状態である第１便においては、鉄道車両は、直流架線１から電力供給を受けて、始発駅である第１駅ＳＴ１を出発し、電化区間を走行して、第２駅ＳＴ２に向かい、さらに電化区間の終点駅である第３駅ＳＴ３に至る。
第３駅ＳＴ３に到着した鉄道車両は、進行方向を逆とし、今度は、第２駅ＳＴ２を経由して、第１駅ＳＴ１へと至る。

続いて、鉄道車両は、蓄電装置１１から電力供給を受けて第１駅ＳＴ１を出発し、非電化区間を走行して、第４駅ＳＴ４に向かい、第４駅ＳＴ４に到着した鉄道車両は、進行方向を逆とし、第１駅ＳＴ１へと至ることとなる。
これに対し、第２便においては、図３に示すように、第２駅ＳＴ２〜第３駅ＳＴ３の区間で信号故障等が発生して運行ができなくなっており、この場合には、鉄道車両は、第２駅ＳＴ２で折り返して、第４駅ＳＴ４へと向かうこととなる。

図４は、蓄電装置の充電状態の説明図である。
図４に示すように、第１便において、鉄道車両は、直流架線１から電力供給を受けて、始発駅である第１駅ＳＴ１を時刻ｔ０に出発する。
これに伴い、コントローラ１６は、充電制御スイッチ１２を閉状態（オン状態）とする。

このとき、補助電源装置８は、直流架線１から供給された定電圧、定周波数の直流電力を三相交流電力に変換し、充電装置１０は、補助電源装置から供給された定電圧、定周波数の直流電力を昇圧して、充電電力として蓄電装置１１に供給し続けることとなる。
この結果、図４に示すように、蓄電装置１１の蓄電電力は徐々に増加して、鉄道車両が第１駅ＳＴ１から第２駅ＳＴ２を経由して、時刻ｔ１において第３駅ＳＴ３に至り、第３駅で折り返して再び第２駅ＳＴ２を経由して、第１駅ＳＴ１へ戻るに先立って、時刻ｔ２において、満充電状態となる。

そして、蓄電装置１１が満充電状態のまま、時刻ｔ３において第１駅ＳＴ１を出発して非電化区間を走行するのに先立って、コントローラ１６は、パンタグラフ２を直流架線１から離間し、充電制御スイッチ１２を開状態（オフ状態）とする。そして、その後、放電制御スイッチ１４を閉状態（オン状態）とする。
そして、蓄電装置１１に蓄電された直流電力は、放電時逆流防止ダイオード１５を介して電力変換装置６及び補助電源装置８に供給される。

これにより、電力変換装置６は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を三相交流電力に変換して主電動機７に出力し、駆動して非電化区間を走行し、第４駅ＳＴ４までの線路４を往復し、時刻ｔ４において、ふたたび第１駅ＳＴ１に到着する。

また、非電化区間を走行中、補助電源装置８は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を定電圧、定周波数の三相交流電力に変換して補機９に供給し、補機９を通常駆動する。
これらの結果、時刻ｔ３から時刻ｔ４に至る時間には、蓄電装置１１の蓄電電力が消費され、蓄電装置１１の蓄電電圧は、低下の一途をたどることとなる。

そして、鉄道車両が第１駅ＳＴ１で停車中に第２駅ＳＴ２〜第３駅ＳＴ３の区間で信号故障等が発生して運行ができなくなったことが通知されると、コントローラ１６は、電化区間を走行している期間で非電化区間を走行するのに十分な充電が行われるような充電パタンを（再）算出し、蓄電装置１１へ供給される充電電力が大きくなるように、ひいては、補機９の駆動電力が小さくなるように、補機９を省電力駆動する。

この結果、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の時間で電化区間を走行している間に、コントローラ１６は、蓄電装置１１を充電装置１０により優先充電を行うこととなる。
すなわち、図４に示すように、通常充電よりもより短い時間で蓄電装置１１の蓄電電圧を上昇させる。ここで、図４の時刻ｔ５の時点で、電化区間の走行状態によっては、満充電状態に至らないが、非電化区間の走行に支障が無い程度の蓄電装置１１の蓄電電圧となるようにされる。

そして、時刻ｔ５において第１駅ＳＴ１を出発して非電化区間を走行するのに先立って、コントローラ１６は、パンタグラフ２を直流架線１から離間し、充電制御スイッチ１２を開状態（オフ状態）とする。そして、その後、放電制御スイッチ１４を閉状態（オン状態）とする。
そして、蓄電装置１１に蓄電された直流電力は、放電時逆流防止ダイオード１５を介して電力変換装置６及び補助電源装置８に供給される。

これにより、電力変換装置６は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を三相交流電力に変換して主電動機７に出力し、駆動して非電化区間を走行し、第４駅ＳＴ４までの線路４を往復し、時刻ｔ６において、ふたたび第１駅ＳＴ１に到着する。

また、非電化区間を走行中、補助電源装置８は、蓄電装置１１から電力を受電し、蓄電装置１１から受けた直流電力を定電圧、定周波数の三相交流電力に変換して補機９に供給し、補機９を省電力駆動する。
この結果、時刻ｔ５の時点で満充電状態とはなっておらず、時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る時間には、蓄電装置１１の蓄電電力が消費され、蓄電装置１１の蓄電電圧は、低下の一途をたどることとなっているが、無事、第１駅ＳＴ１にたどり着くことが可能となっている。
以上の説明では、非電化区間の走行状態については、詳細に述べなかったが、非電化区間走行前の蓄電電圧が低く、通常走行状態では、電力が不足する虞がある場合には、より低速、かつ、ブレーキをできる限り使用しない状態で走行することにより、より低電圧の状態であっても電化区間に再び戻ることも可能である。

以上の説明のように、本実施形態によれば、ハイブリッド電源型電車の装置構成を簡略化し、確実に非電化区間を走行させることが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００電気車制御装置
１直流架線
２パンタグラフ
３主遮断機
４線路
５車輪
６電力変換装置
７主電動機
８補助電源装置
９補機
１０充電装置
１１蓄電装置
１２充電制御スイッチ
１３充電時逆流防止ダイオード
１４放電制御スイッチ
１５放電時逆流防止ダイオード
１６コントローラ（制御部）
ＳＴ１〜ＳＴ４第１駅〜第４駅

Claims

電化区間において架線からの電力供給を受けて電力変換を行い、車両駆動用モータに駆動電力を供給する電力変換装置と、
前記電化区間において前記架線からの電力供給を受けて電力変換を行い、前記駆動電力の電圧よりも低い所定の補機駆動電圧を有する補機駆動電力を補機に供給する補助電源装置と、
供給された前記補機駆動電力を昇圧して前記充電電力に変換して供給する充電装置と、
前記充電電力の供給を受けて蓄電を行う蓄電装置と、
前記電化区間においては前記蓄電装置を前記充電装置に接続して充電させるとともに、非電化区間においては前記蓄電装置を前記電力変換装置及び前記補助電源装置のうち、少なくとも前記電力変換装置に、前記蓄電装置の蓄電電力を前記架線からの電力に代えて供給させる制御部と、
を備えた電気車制御装置。
前記制御部は、前記電化区間を車両が走行している期間中に、前記非電化区間を前記車両が通常走行状態で走行可能となる蓄電量を確保できるように前記蓄電装置への供給電力量を増加させる、
請求項１記載の電気車制御装置。
前記制御部は、前記電化区間の走行予定経路長が短くなった場合に、前記補機の駆動状態を制御して、前記補助電源装置から前記補機への供給電力を低減して、前記充電装置を介して前記蓄電装置への供給電力量を増加させる、
請求項２記載の電気車制御装置。
前記制御部は、前記電化区間を車両が走行している期間中に、前記非電化区間を前記車両が前記通常走行状態で走行可能となる蓄積量が確保できなかった場合に、当該非電化区間において前記車両を省電力走行状態で走行させる、
請求項２記載の電気車制御装置。
前記制御部は、前記省電力走行状態において、前記補機の駆動状態を制御して、前記補助電源装置から前記補機への供給電力を低減する、
請求項４記載の電気車制御装置。