JP6479417B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来、電気車に搭載された電動機に電力を供給するための複数のインバータ（電力変換装置）を、単一の筐体に収容したインバータユニットを備える電気車制御装置が知られている。この電気車制御装置は、インバータユニットに加えて、インバータユニットを冷却する冷却ユニットやインバータを制御する制御ユニットを有することが多い。この種の電気車制御装置は、電気車における客室の下部に収容されるため、装置サイズが問題となる場合があった。

特開２０１１−２２９３７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、装置の小型化を図ることができる電気車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、インバータユニットと、コンデンサと、冷却ユニットと、制御ユニットと、を持つ。インバータユニットは、電力用スイッチング素子を駆動させて、電気車の走行駆動力を発生する電動機に電力を供給するインバータを有する。コンデンサは、インバータに並列に接続される。冷却ユニットは、インバータユニットの一方側に設けられ、電力用スイッチング素子を冷却する。制御ユニットは、インバータユニットの他方側に設けられる。

制御ユニットは、ゲート基板と、放電回路基板と、制御回路基板とを持つ。ゲート基板は、電力用スイッチング素子のゲート端子に対して電圧を印加するゲート回路を搭載する。放電回路基板は、コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路の少なくとも一部を搭載する。制御回路基板は、入力信号に基づいてゲート回路を制御する制御回路を搭載する。制御ユニットは、制御回路基板と放電回路基板とが同一面を形成するように隣接して配置され、制御回路基板および放電回路基板に対向してゲート基板が配置される。

実施形態の電気車制御装置１が搭載される電気車Ｔを側面から見た模式図。 実施形態の電気車制御装置１が搭載される電気車Ｔを正面から見た模式図。 実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す正面図。 実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す上面図。 実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す下面図。 実施形態の電気車制御装置１において、第１基板ユニット４０に収容されるゲート基板を示す平面図。 実施形態の電気車制御装置１の電気的な構成を示す回路図。 実施形態の電気車制御装置１を上面から見た簡略構成図。 実施形態の電気車制御装置１における制御ユニットを俯瞰的に見た斜視図。

以下、実施形態の電気車制御装置を、図面を参照して説明する。必要に応じて、ＸＹＺ座標系を用いて説明を行う。
図１は、実施形態の電気車制御装置１が搭載される電気車Ｔを側面から見た模式図である。図２は、実施形態の電気車制御装置１が搭載される電気車Ｔを正面から見た模式図である。図３は、実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す正面図である。図４は、実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す上面図である。図５は、実施形態の電気車制御装置１の外観の一例を示す下面図である。なお、図１〜５におけるＹ方向は、電気車Ｔの進行方向である。

電気車制御装置１は、図１に示すように、客室２の下部に配置される。また、電気車制御装置１は、図２に示すように、Ｘ方向において他の電気車制御装置１と対向するように配置される。電気車制御装置１は、集電装置３から供給された架線電力が供給される。電気車制御装置１は、架線電力を三相交流に変換して、電動機４に供給する。これにより電気車制御装置１は、電動機４にトルクを発生させ、電気車をＹ方向に走行させる。実施形態において、電動機４は、例えば永久磁石同期電動機である。

電気車制御装置１は、図３〜５に示すように、冷却ユニット１０と、インバータユニット２０と、電力供給端子群３０と、第１基板ユニット４０と、第２基板ユニット５０とを有する。

冷却ユニット１０は、インバータユニット２０の一方側（＋Ｘ方向側）に設けられ、インバータユニット２０内の電力用スイッチング素子を冷却する。冷却ユニット１０は、格子状に通気穴が形成された冷却用カバー１２内に、インバータユニット２０の熱を排熱させる排熱機構が収容されている。この排熱機構は、インバータユニット２０における複数の電力用スイッチング素子の熱が伝導される受熱板と、当該受熱板に接続されてインバータユニット２０から略Ｘ方向に延伸する排熱パイプと、排熱パイプに形成された排熱フィンとを含む。排熱パイプには、インバータユニット２０との間で循環される冷却媒体が通過される。発熱機構には、電気車Ｔが走行することにより冷却用カバー１２の通気穴からＹ方向に空気が供給される。冷却媒体は供給された空気と熱交換される。この結果、インバータユニット２０の熱を奪って冷却する。

インバータユニット２０は、冷却ユニット１０から見て−Ｘ方向側に設けられる。インバータユニット２０は、電力用スイッチング素子を駆動させて、電動機４に電力を供給するインバータを有する。
インバータユニット２０は、インバータを収容する。なお、この実施形態におけるインバータユニット２０は、２つのインバータを単一の筐体に収容した２ｉｎ１型のインバータユニットについて説明する。

インバータユニット２０は、バスバー部２４と、電力用端子部２２とを有する。電力用端子部２２は、インバータにおける複数の電力用スイッチング素子およびバスバー部２４と接続される複数の端子である。バスバー部２４は、電力供給端子群３０における端子と電力用端子部２２における端子とを接続するように成形された複数の板状導体である。バスバー部２４は、電力用端子部２２を介して電力用スイッチング素子から供給された駆動用電流を電力供給端子群３０の出力端子に供給する。

電力供給端子群３０は、電力入力端子３２と、三相交流電力出力端子３４と、放電端子３６とを有する。
電力入力端子３２は、各インバータにおける正極線に接続された正極端子（Ｐ）と、各インバータにおける負極線に接続された負極端子（Ｎ）である。正極端子（Ｐ）と負極端子（Ｎ）間には、架線電力に対応した直流電圧が印加される。

三相交流電力出力端子３４は、２つのインバータのそれぞれのＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応した電力出力端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）である。三相交流電力出力端子３４は、バスバー部２４を介して２つのインバータのそれぞれのＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応した電力を出力する。また、三相交流電力出力端子３４は、電力線を介して２つの電動機４に接続される。三相交流電力出力端子３４は、２つのインバータのそれぞれについてのＵ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流がバスバー部２４から供給され、供給されたＵ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流を２つの電動機４に供給する。

放電端子３６は、後述するフィルタコンデンサ１０７に蓄えられた電力を放電させるための端子である。放電端子３６は、バスバー部２４を介してフィルタコンデンサ１０７に接続される。また、放電端子３６は、抵抗を介してグランド端子に接続される。放電端子３６は、フィルタコンデンサ１０７から放電された電力を、抵抗を介してグランド端子に導く。

第１基板ユニット４０および第２基板ユニット５０は、インバータユニット２０の一方側（−Ｘ方向側）に設けられる。第１基板ユニット４０および第２基板ユニット５０は、Ｘ方向において積層するように配置される。第１基板ユニット４０には、図６に示すゲート基板４０Ａが収容される。第２基板ユニット５０には、後述する放電回路基板６０および制御回路基板５０Ａが収容される。

図６は、実施形態の電気車制御装置１において、第１基板ユニット４０に収容されるゲート基板を示す平面図である。
ゲート基板は、２つのインバータに対応した２つのゲート回路部４０−１、４０−２を有する。各ゲート回路部４０−１、４０−２は、インバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに上アームおよび下アームの電力用スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加するスイッチ回路を有する。また、各ゲート回路部４０−１、４０−２は、電力用スイッチング素子に印加されるゲート電圧を所定の電圧に変換するトランス回路を有する。

図７は、実施形態の電気車制御装置１の電気的な構成を示す回路図である。
電気車制御装置１は、集電装置１００と、高速遮断器１０１と、充電抵抗用短絡接触器１０２と、充電抵抗器１０３と、開放接触器１０４と、リアクトル１０５と接続される。電気車制御装置１は、上述した電力供給端子群３０における電力入力端子３２の正極端子（３２（Ｐ））がリアクトル１０５に接続される。また、電力入力端子３２における負極端子（３２（Ｎ））が、グランド端子として機能する車輪１１２に接続される。電気車制御装置１は、正極端子（３２（Ｐ））と負極端子（３２（Ｎ））との間に架線電力に応じた電圧が印加される。

電気車制御装置１は、放電回路１０６と、フィルタコンデンサ１０７と、直流電圧センサ１０８とを有する。放電回路１０６、フィルタコンデンサ１０７、および直流電圧センサ１０８は、電力入力端子３２の正極端子（Ｐ）および負極端子（Ｎ）間に並列に接続される。
放電回路１０６は、正端子（３２（Ｐ））と負端子（３２（Ｎ））との間に直列接続されたフィルタリアクトル１０６ａおよび放電用スイッチ部１０６ｂを有する。
フィルタコンデンサ１０７は、インバータユニット２０における電力用スイッチング素子の収容ケースに取り付けられる。フィルタコンデンサ１０７は、インバータ１１０Ａ、１１０Ｂに供給される架線電力を蓄積する。フィルタコンデンサ１０７に蓄積された電力は、放電用スイッチ部１０６ｂが非導通状態から導通状態に切り替えられたことに応じてフィルタリアクトル１０６ａを介して放電される。放電電力は、上述した放電端子３６から放電される。

電力入力端子３２の正極端子（３２（Ｐ））と負極端子（３２（Ｎ））との間には、インバータユニット２０に収容されるインバータ群１０９が接続される。インバータ群１０９には、インバータ１１０Ａとインバータ１１０Ｂとが含まれる。なお、インバータ群１０９には、インバータ１１０Ａとインバータ１１０Ｂと共に受熱板１０Ａに形成される放電用スイッチ部１０６ｂが含まれる。インバータ１１０Ａ、１１０Ｂは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに、正極端子（３２（Ｐ））と負極端子（３２（Ｎ））との間に直列に接続された上アームおよび下アームの電力用スイッチング素子を有する。電力用スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。電力用スイッチング素子は、ゲート回路の動作によりゲート端子にゲート電圧が印加されたことに応じて、非導通状態から導通状態に切り替えられる。

インバータ１１０Ａ、１１０Ｂには、三相交流電力出力端子３４が接続される。インバータ１１０Ａ、１１０Ｂにおける電力用スイッチング素子は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して三相交流電力出力端子３４−１（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）、３４−２（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）が接続される。インバータ１１０Ａ、１１０Ｂから出力された三相交流電力は、三相交流電力出力端子３４−１、３４−２を介して電動機１１１Ａ、１１１Ｂに供給される。

次に、実施形態の電気車制御装置１における各部のレイアウトについて説明する。図８は、実施形態の電気車制御装置１を上面から見た簡略構成図である。図９は、実施形態の電気車制御装置１における制御ユニットを俯瞰的に見た斜視図である。図８において、インバータユニット２０および電力供給端子群３０の筐体、第１基板ユニット４０および第２基板ユニット５０における筐体に相当する部分を点線で示し、筐体に収容された構成を実線で示す。

第１基板ユニット４０は、ゲート基板４０Ａを有する。第２基板ユニット５０は、制御回路基板５０Ａと、放電回路基板６０とを有する。

ゲート基板４０Ａは、電力用スイッチング素子のゲート端子に対して電圧を印加するゲート回路が搭載される。ゲート基板４０Ａには、−Ｙ方向側の端部に制御信号の入力コネクタ４０ａが設けられる。入力コネクタ４０ａに入力された制御信号は、ゲート回路に供給される。

制御回路基板５０Ａは、入力信号に基づいてゲート回路を制御する制御回路が搭載される。制御回路基板５０Ａには、入力信号の入力回路５０ａと、制御信号の出力コネクタ５０ｂが設けられる。入力回路５０ａは、制御回路基板５０ＡにおけるＹ方向の一方端（＋Ｙ方向側）に形成される。出力コネクタ５０ｂは、制御回路基板５０ＡにおけるＹ方向の他方端（−Ｙ方向側）に形成される。
入力信号は、例えば、ノッチ指令に基づいて生成された電動機の駆動指令である。制御回路は、入力回路５０ａに入力された入力信号に基づいて制御信号を生成して、コネクタ５０ｂから制御信号を出力する。

放電回路基板６０には、フィルタコンデンサ１０７に蓄えられた電力を放電させる放電回路１０６が搭載される。また、放電回路基板６０には、制御信号の入力コネクタ６０ａと、制御信号の出力コネクタ６０ｂが設けられる。また、放電回路基板６０には、入力コネクタ６０ａと出力コネクタ６０ｂとを電気的に接続する信号伝達回路６０ｃが形成される。
入力コネクタ６０ａは、放電回路基板６０におけるＹ方向の一方端（＋Ｙ方向側）に形成される。入力コネクタ６０ａは、出力コネクタ５０ｂと嵌合することで、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とを電気的に接続する。出力コネクタ６０ｂは、放電回路基板６０におけるＹ方向の他方端（−Ｙ方向側）に形成される。信号伝達回路６０ｃは、制御回路から出力された制御信号が入力コネクタ６０ａから供給され、供給された制御信号を出力コネクタ６０ｂに供給する。

出力コネクタ６０ｂは、放電回路基板６０における基板表面からＸ方向に突出するように形成される。出力コネクタ６０ｂは、入力コネクタ４０ａと嵌合され、放電回路基板６０とゲート基板４０Ａとを電気的接続する。出力コネクタ６０ｂは、信号伝達回路６０ｃから伝達された制御信号を入力コネクタ４０ａに出力する。

このような制御ユニットは、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とが同一面を形成するように隣接して配置される。また、制御ユニットは、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０に対向してゲート基板４０Ａが配置される。

このように構成することにより、第１基板ユニット４０および第２基板ユニット５０のＹ方向長さを、インバータユニット２０および冷却ユニット１０のＹ方向長さと同等または短くするよう配置させることができる。また、制御ユニットは、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とを含む層とゲート基板４０Ａを含む層とが２層構造になるように構成される。これにより、制御ユニットは、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とゲート基板４０Ａの３層構造とするよりも、Ｘ方向長さが短くなる。

なお、制御回路基板５０Ａおよび放電回路基板６０とゲート基板４０Ａとを積層させるためのコネクタは、−Ｙ方向の端部付近に設けたが、＋Ｙ方向の端部付近に設けてもよい。ただし、制御回路基板５０Ａの＋Ｙ方向側には入力回路５０ａが配設されるため、入力回路５０ａの形成箇所以外に制御信号の出力コネクタを設ける必要がある。

また、電気車制御装置１は、電力用スイッチング素子２０ｂと、放電回路基板６０と接続された放電用スイッチ部１０６ｂとが冷却ユニット１０における受熱板１０Ａに形成される。電力用スイッチング素子２０ｂは、Ｘ方向において制御回路基板５０Ａと対向するよう配設される。また、放電用スイッチ部１０６ｂは、Ｘ方向において放電回路基板６０と対向するように配設される。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とが同一面を形成するように隣接して配置され、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０に対向してゲート基板４０Ａが配置されるので、制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とゲート基板４０Ａとを２層構造とすることができ、この結果、装置の小型化を図ることができる。

実施形態において、制御回路基板５０Ａは、ゲート基板４０ＡよりもＹ方向における長さを短くすることができる。このことを利用し、実施形態によれば、制御回路基板５０Ａを放電回路基板６０とＹ方向において隣接して配置することにより、ゲート基板４０ＡのＹ方向長さと、制御回路基板５０ＡのＹ方向長さと放電回路基板６０のＹ方向長さとの合計長さとを略同一にすることができる。
また、この実施形態によれば、制御ユニットがインバータユニット２０や冷却ユニット１０よりも大きくなることが無く、第１基板ユニット４０および第２基板ユニット５０を箱型ないし略直方体に形成することができ、電気車制御装置１の取り付けを容易にすることができる。

さらに、実施形態によれば、放電回路基板６０に制御回路基板５０Ａから出力された信号を中継してゲート基板４０Ａに出力する信号伝達回路６０ｃが形成されるので、制御回路基板５０Ａから出力された制御信号を、信号伝達回路６０ｃを経由してゲート基板４０Ａに供給することができる。

さらに、実施形態によれば、制御回路基板５０Ａおよび放電回路基板６０に、相互に隣接する面に形成されたコネクタ（５０ｂ、６０ａ）をそれぞれ設け、隣接されたコネクタ（５０ｂ、６０ａ）同士が嵌合されて制御回路基板５０Ａと放電回路基板６０とを電気的に接続させ、放電回路基板６０およびゲート基板４０Ａに、相互に対向する面に形成されたコネクタ（６０ｂ、４０ａ）をそれぞれ設け、対向されたコネクタ（６０ｂ、４０ａ）同士が嵌合されて放電回路基板６０とゲート基板４０Ａとを電気的に接続させる。この結果、実施形態によれば、制御回路基板５０Ａ、放電回路基板６０、およびゲート基板４０Ａを電線で接続する必要が無く、省スペース化を図ることができる。さらに、この実施形態によれば、配線作業の煩雑さを軽減することができる。

さらに、実施形態によれば、制御回路基板５０Ａが、出力コネクタ５０ｂが形成された面とは反対側に外部から供給された信号を入力する入力回路５０ａを有するので、一方の端部から入力信号を入力させ、他方の端部から制御信号を出力させることができる。この結果、制御回路基板５０Ａ内において制御信号を、制御回路基板５０Ａ内において処理を受けながら、ほぼ−Ｙ方向に一方通行で流すことが可能となるため、基板内の信号送受信を効率的にすることができる。

さらに、実施形態によれば、電力用スイッチング素子２０ｂと、放電回路基板６０と接続された放電用スイッチ部１０６ｂとが冷却ユニット１０における受熱板１０Ａに形成され、電力用スイッチング素子２０ｂを制御回路基板５０Ａと対向させ、放電用スイッチ部１０６ｂを放電回路基板６０と対向させるので、制御回路基板５０Ａと電力用スイッチング素子２０ｂとを接続する配線を短くすると共に、放電回路基板６０と放電用スイッチ部１０６ｂとを接続する配線を短くすることができる。また、この実施形態によれば、配線作業の煩雑さを軽減することができる。

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同様に、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ものである。

１…電気車制御装置、４、１１１Ａ、１１１Ｂ…電動機、１０…冷却ユニット、１０Ａ…受熱板、２０…インバータユニット、２０ｂ…電力用スイッチング素子、４０…第１基板ユニット、４０ａ…入力コネクタ、４０Ａ…ゲート基板、５０…第２基板ユニット、５０ａ…入力回路、５０Ａ…制御回路基板、５０ｂ…出力コネクタ、６０…放電回路基板、６０ａ…入力コネクタ、６０ｂ…出力コネクタ、６０ｃ…信号伝達回路、１０６…放電回路、１０７…フィルタコンデンサ、１１０Ａ、１１０Ｂ…インバータ

Claims (5)

1. 電力用スイッチング素子を駆動させて、電気車の走行駆動力を発生する電動機に電力を供給するインバータを有するインバータユニットと、
   前記インバータに並列に接続されたコンデンサと、
   前記インバータユニットの一方側に設けられ、前記電力用スイッチング素子を冷却する冷却ユニットと、
   前記インバータユニットの他方側に設けられた制御ユニットと、を有し、
   前記制御ユニットは、
   前記電力用スイッチング素子のゲート端子に対して電圧を印加するゲート回路を搭載したゲート基板と、
   前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路の少なくとも一部を搭載した放電回路基板と、
   入力信号に基づいて前記ゲート回路を制御する制御回路を搭載した制御回路基板と、を有し、
   前記制御回路基板と前記放電回路基板とが同一面を形成するように隣接して配置され、前記制御回路基板および前記放電回路基板に対向して前記ゲート基板が配置される、
   電気車制御装置。
2. 前記放電回路基板には、前記制御回路基板から出力された信号を中継して前記ゲート基板に出力する信号伝達回路が形成される、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記制御回路基板および前記放電回路基板は、相互に隣接する面に形成されたコネクタをそれぞれ有し、隣接されたコネクタ同士が嵌合されて前記制御回路基板と前記放電回路基板とを電気的に接続させ、
   前記放電回路基板および前記ゲート基板は、相互に対向する面に形成されたコネクタをそれぞれ有する、対向されたコネクタ同士が嵌合されて前記放電回路基板と前記ゲート基板とを電気的に接続させ、
   請求項１または２に記載の電気車制御装置。
4. 前記制御回路基板は、前記コネクタが形成された面とは反対側に外部から供給された信号を入力する入力回路を有する、
   請求項３に記載の電気車制御装置。
5. 前記電力用スイッチング素子と、前記放電回路基板と接続された放電用スイッチ部とが前記冷却ユニットにおける受熱板に形成され、
   前記電力用スイッチング素子は、前記制御回路基板と対向し、
   前記放電用スイッチ部は、前記放電回路基板と対向するように配置される、
   請求項１から４のうち何れか１項に記載の電気車制御装置。

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