KR101628592B1 - 전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

DC 가선(1), 제1 전력 변환기(21), 제2 전력 변환기(51) 및 전력 저장 장치(52)가 직류 공통부(90)를 통해서 전기적으로 접속된다. 전력 저장 장치(52)는, 제2 전력 변환기(51)에 있어서의 직류 공통부(90)의 반대측에 위치하는 제1 입출력단에도 전기적으로 접속된다. 전력의 입력 양태에 따라서, 제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기 또는 AC/DC 변환기로서 동작하고, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기, AC/DC 변환기 또는 DC/DC 변환기로서 동작한다. 전력 저장 장치(52)는 직류 공통부(90) 혹은 제1 입출력단측으로부터 공급되는 직류 전력을 이용하여 충전된다. 또, 전력 저장 장치(52)는 직류 공통부(90) 혹은 제1 입출력단측에 원하는 직류 전력을 방전한다. 제어 장치(100)는 전력의 입력 양태에 따라서, 직류 공통부(90)의 전압을 고압 전압 또는 저압 전압을 포함하는 원하는 전압으로 자유롭게 조정한다.

Description

전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법{PROPULSION CONTROL DEVICE OF ELECTRIC VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전력 저장 장치를 구비한 전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 하기 특허 문헌 1에는, 철도 차량으로서, 엔진에 동력 전달 장치를 통해서 연결되는 발전기와, 그 발전기의 출력을 직류로 변환하는 정류기와, 정류기에 연결되는 인버터와, 인버터에 연결되는 모터와, 정류기와 인버터 사이의 배선으로부터 분기하여 연결되는 에너지 축적 장치와, 정류기와 인버터와 에너지 축적 장치의 사이에 접속되는 에너지 제어 장치를 가지는 구성이 개시되어 있다.
또, 하기 특허 문헌 2에는, 철도 차량의 구동 시스템으로서, 엔진과, 엔진이 발생시킨 축 회전력을 교류 전력으로 변환하는 발전기와, 발전기가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 전달 수단에 공급하는 AC/DC 변환기와, 전력 전달 수단에 의해 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 전동기를 구동하는 인버터 장치와, 엔진, 발전기, AC/DC 변환기, 인버터 장치 및 전동기를 제어하는 시스템 통괄 제어 장치를 구비하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 이 특허 문헌 2에서는, 전력 생성 수단인 엔진 및 발전기를 대신하여 축전 수단을 구비하는 구성도 개시되어 있으며, 이 경우에는, AC/DC 변환기를 대신하여 DC/DC 변환기를 구비하는 구성으로 되어 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개 2003－134604호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2010－088145호 공보
상기 특허 문헌 1에서는, 전력 저장 장치로서의 에너지 축적 장치를 가지고 있지만, 가선(架線) 전력을 이용하지 않는 하이브리드 차량이고, 또, 에너지 축적 장치를 DC/AC 변환기인 인버터의 입력단에 직결(直結)하는 구성이기 때문에, 가선 전력을 이용하는 철도 차량에 사용하는 것은 곤란하다
이 점, 특허 문헌 2에서는, 엔진 및 발전기를 전력 생성 수단으로 하는 경우에는, 이 전력 생성 수단과 가선 전압 사이의 전압차는 AC/DC 변환기가 조절하고, 전력 저장 장치를 전력 생성 수단으로 하는 경우에는, 이 전력 저장 장치와 가선 전압 사이의 전압차는 DC/DC 변환기가 조절함으로써 대응하고 있다.
그렇지만, 특허 문헌 2의 아이디어에서는, 종래의 하이브리드 차량을, 가선 전력, 엔진 및 발전기, 전력 저장 장치에 의한 3개의 전력을 이용하는 시스템 구성으로 하는 경우, 전동기를 구동하기 위한 DC/AC 변환기인 인버터와, 엔진 및 발전기에 의한 교류 전압을 가선 전압으로 조절하기 위한 AC/DC 변환기인 컨버터와, 엔진 및 발전기에 의한 교류 전압을 가선 전압으로 조절하기 위한 DC/DC 변환기(DC/DC 컨버터)에 의한 3개의 전력 변환기가 필요하기 때문에, 코스트의 증가, 장치의 대형화, 질량의 증가를 초래한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 종래의 하이브리드 차량을 가선 전력으로도 사용할 수 있도록 하는 경우여도, 전력 변환기의 증가를 초래하지 않는 전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직류 공통부에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 당해 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환해 차량에 구동력을 발생시키는 모터에 공급하고, 상기 모터의 회생 전력이 상기 모터측으로부터 입력되었을 경우에는, 필요에 따라서 AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 회생 전력을 상기 직류 공통부에 공급하는 제1 전력 변환기와, 교류 전력 공급원으로부터의 교류 전력이 제1 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 교류 전력을 직류 전력으로 변환해 상기 제1 입출력단과는 다른 제2 입출력단을 통해서 상기 직류 공통부에 출력하고, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 상기 제2 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 상기 제1 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제2 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하며, 상기 제2 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제1 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하는 제2 전력 변환기와, 상기 직류 공통부 및 상기 제1 입출력단측에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측으로부터 공급되는 직류 전력을 충전하거나, 또는 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측에 직류 전력을 방전하는 직류 전력 공급원으로서의 전력 저장 장치와, 상기 제1 전력 변환기, 상기 제2 전력 변환기 및 상기 전력 저장 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 종래의 하이브리드 차량(엔진 구동 발전기와 전력 저장 장치의 하이브리드)을 가선 전력으로도 사용할 수 있도록 하는 경우여도, 전력 변환기의 증가를 초래하지 않는 전기차의 추진 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 추진 제어 장치를 포함하는 하이브리드 차량 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 추진 제어 장치의 각 모드에 대응하는 동작을 설명하기 위한 간략 구성도이다.
도 3은 전력 저장 장치의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 발전기의 발전 전력을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 발전기의 발전 전력과 전력 저장 장치의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 6은 전력 저장 장치의 저장 전력만을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 7은 전력 저장 장치의 저장 전력만을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 도 6과는 다른 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 모터의 회생 전력을 엔진 브레이크로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 9는 모터의 회생 전력을 엔진 브레이크 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 10은 모터의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 11은 모터의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우의 도 10과는 다른 동작을 나타내는 도면이다.
도 12는 발전기의 발전 전력을 이용하여 전력 저장 장치를 충전하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 3 ~ 도 12에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면이다.
도 14는 DC 가선의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 15는 발전기의 발전 전력을 DC 가선에 회생(回生)(공급)하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 16은 DC 가선의 전력을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 17은 DC 가선의 전력과 발전기의 발전 전력의 양쪽을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 18은 DC 가선의 전력과 전력 저장 장치의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 19는 DC 가선의 전력을 모터의 구동 전력 및 전력 저장 장치로의 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 20은 모터의 회생 전력을 DC 가선에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 21은 모터의 회생 전력을 가선 전력 및 엔진 브레이크로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 22는 모터의 회생 전력을 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 23은 DC 가선과 전력 저장 장치의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 24는 도 14 ~ 도 23에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면이다.
도 25는 실시 형태 2에 따른 추진 제어 장치를 포함하는 하이브리드 차량 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 26은 실시 형태 2에 따른 추진 제어 장치의 각 모드에 대응하는 동작을 설명하기 위한 간략 구성도이다.
도 27은 DC 가선의 전력을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 28은 AC 가선의 전력을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 29는 AC 가선의 전력과 전력 저장 장치의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 30은 DC 가선의 전력과 전력 저장 장치의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 31은 모터의 회생 전력을 DC 가선에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 32는 모터의 회생 전력을 AC 가선에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 33은 모터의 회생 전력을 AC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 34는 모터의 회생 전력을 DC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 35는 DC 가선과 전력 저장 장치의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 36은 AC 가선과 전력 저장 장치의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 37은 DC 가선과 AC 가선의 사이에서 전력 융통(融通)을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 38은 DC 가선의 전력을 모터의 구동 전력 및 전력 저장 장치로의 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다.
도 39는 도 27 ~ 도 38에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면이다.
도 40은 실시 형태 2에 따른 추진 제어 장치를 포함하는 하이브리드 차량 시스템의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 전기차의 추진 제어 장치(이하, 간단하게 「추진 제어 장치」라고 칭함) 및 그 제어 방법에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 추진 제어 장치를 포함하는 하이브리드 차량 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
실시 형태 1에 따른 하이브리드 차량 시스템은, 직류 가선(이하 「DC 가선」이라고 칭함)(1)으로부터의 직류 전력을 DC 팬터그래프(2)를 통해서 수전하고, 수전한 직류 전력을 제1 차단기(11)를 통해서 직류 공통부(90)에 공급(인가)하는 구성이다. 또한, 직류 공통부(90)의 음측(negative side)은, 차륜(8)을 통해서 레일(9)에 닿아 있다.
또, 하이브리드 차량 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 모터(23), 제1 전력 변환기(21), 제1 필터 콘덴서(29), 제1 필터 리액터(28), 보조 전원 장치(Static InVerter, 이하 「SIV」로 표기)(3), 보기(補機; auxiliary machine)(4), 전력 저장 장치(52), 리액터(72), 엔진(5), 발전기(6), 제2 전력 변환기(51), 제2 필터 콘덴서(59), 제2 필터 리액터(58), 및 하이브리드 차량 시스템 전체의 동작을 통괄하는 제어 장치(100)를 주요 구성부로 하여 구성됨과 아울러, 이들 각 주요 구성부 사이에 개재하여, 전력의 공급 경로를 자유롭게 변경하기 위한 제1 단류기(25), 제2 단류기(26), 이 제2 단류기(26)에 병렬 접속되는 제1 충전 저항기(27), 제2 차단기(64), 제1 접촉기(63), 제2 접촉기(70), 제3 접촉기(61), 제3 단류기(55), 제4 단류기(56), 및 이 제4 단류기(56)에 병렬 접속되는 제2 충전 저항기(57)를 구비하여 구성된다. 또한, 이들 각 구성부에 더하여, 요소의 전류 및 전압을 검출하는 전류 검출기 및 전압 검출기나, 발전기(6) 및 모터(23)의 각 회전수를 검출하는 회전 검출기를 구비하고 있다.
다음으로, 하이브리드 차량 시스템을 구성하는 각 부의 접속 관계, 및 개략의 기능에 대해 설명한다.
엔진(5)은 전력을 발생하는 전력 공급원의 하나인 발전기(6)에 접속된다. 발전기(6)는 엔진(5)에 의해 구동되는 교류 발전기이다. 즉, 이들 엔진(5) 및 발전기(6)는, 교류 전력 공급원으로서 기능한다. 발전기(6)는 제3 접촉기(61)를 통해서 제2 전력 변환기(51)에 접속된다. 또, 발전기(6)는 제2 전력 변환기(51)에 의해 구동되어 교류 전동기로서도 동작한다. 전력 저장 장치(52)는 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지, 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터, 플라이 휠(flywheel) 등을 저장 수단으로 하는 전기 에너지의 저장 장치이며, 전력을 생성하는 다른 전력 공급원으로서, 제1 접촉기(63) 및 제2 차단기(64)를 통해서 직류 공통부(90)에 접속됨과 아울러, 제2 접촉기(70)를 통해서 제2 전력 변환기(51)에 접속되어, 직류 전력을 충방전(充放電)한다.
제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기, DC/AC 변환기 또는 DC/DC 변환기로서 동작한다. 제2 전력 변환기(51)가 AC/DC 변환기로서 동작할 때에는, 발전기(6)가 발전한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 공통부(90)에 공급한다. 또 제2 전력 변환기(51)가 DC/AC 변환기로서 동작할 때에는, 직류 공통부(90)를 통해서 공급되는 전력 저장 장치(52) 또는 DC 가선(1)에 의한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 발전기(6)를 교류 전동기로서 동작시켜 엔진(5)을 구동한다. 또, 제2 전력 변환기(51)가 DC/DC 변환기로서 동작할 때에는, 직류 공통부(90)를 통해서 공급되는 DC 가선(1) 또는 제1 전력 변환기(21)에 의한 직류 전력을 원하는 직류 전력으로 변환하여 전력 저장 장치(52)를 충전한다.
제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기 또는 AC/DC 변환기로서 동작한다. 제1 전력 변환기(21)가 DC/AC 변환기로서 동작할 때에는, 직류 공통부(90)를 통해서 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터(23)를 구동한다. 한편, 제1 전력 변환기(21)가 AC/DC 변환기로서 동작할 때에는, 모터(23)로부터의 회생 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 공통부(90)에 공급한다.
모터(23)는 제1 전력 변환기(21)로부터의 교류 전력의 공급을 받아 구동력(추진력)을 생성한다. SIV(3)는 직류 공통부(90)에 접속되어, 직류 공통부(90)를 통해서 공급되는 직류 전력을 정전압/정주파수의 교류 전력으로 변환하여 보기(4)에 공급한다. 또한, 보기(4)는 구동 장치 이외의 부하 기기의 총칭이다.
제1 단류기(25) 및 제2 단류기(26)는, 직렬로 접속되어 직류 공통부(90)와 제1 전력 변환기(21)의 사이에 삽입된다. 제2 단류기(26)와 제1 전력 변환기(21)의 사이에는, 제1 필터 리액터(28)가 삽입된다. 또, 제3 단류기(55) 및 제4 단류기(56)는 직렬로 접속되어 직류 공통부(90)와 제2 전력 변환기(51)의 사이에 삽입된다. 제4 단류기(56)와 제2 전력 변환기(51)의 사이에는, 제2 필터 리액터(58)가 삽입된다.
이하 마찬가지로, 제1 접촉기(63)는 전력 저장 장치(52)와 직류 공통부(90)의 사이에 삽입되고, 제2 접촉기(70)는 전력 저장 장치(52)와 제2 전력 변환기(51)의 사이에 삽입되며, 제3 접촉기(61)는 발전기(6)와 제2 전력 변환기(51)의 사이에 삽입된다. 제1 접촉기(63)와 제2 접촉기(70)는 전력 저장 장치(52) 측에서 일단(一端)끼리가 접속되고, 그 접속단과 전력 저장 장치(52)의 사이에는, 제2 차단기(64)가 삽입된다.
다음으로, 각 센서에 대해 설명한다. 가선 전압 검출기(13)는 가선 전압 ES를 검출한다. 가선 전류 검출기(12)는 가선 전류 IS를 검출한다. 제1 필터 콘덴서 전압 검출기(36)는 제1 필터 콘덴서(29)의 전압(제1 필터 콘덴서 전압) EFC1을 검출한다. 제1 직류 전류 검출기(35)는 제1 전력 변환기(21)에 유출입(流出入)하는 직류 전류(제1 직류 전류) IS1을 검출한다. 제1 전력 변환기 출력 전류 검출기(37)는 제1 전력 변환기(21)에 유출입하는 교류 전류(제1 교류 전류) IM1을 검출한다.
마찬가지로, 제2 필터 콘덴서 전압 검출기(66)는 제2 필터 콘덴서(59)의 전압(제2 필터 콘덴서 전압) EFC2를 검출한다. 제2 직류 전류 검출기(65)는 제2 전력 변환기(51)에 유출입하는 직류 전류(제2 직류 전류) IS2를 검출한다. 제2 전력 변환기 출력 전류 검출기(67)는 제2 전력 변환기(51)에 유출입하는 교류 전류(제2 교류 전류) IM2를 검출한다.
전력 저장 장치 전류 검출기(68)는 전력 저장 장치(52)에 유출입하는 직류 전류(전력 저장 장치 전류) IB를 검출한다. 제1 속도 검출기(34)는 모터(23)의 회전 속도(모터 회전 속도) PG1을 검출한다. 제2 속도 검출기(7)는 발전기(6)의 회전 속도(발전기 회전 속도) PG2를 검출한다.
상기의 각 센서로 검출된 검출치는, 도시와 같이 제어 장치(100)에 입력된다. 또, 상기 센서 정보에 더하여, 전력 저장 장치(52)의 상태를 나타내는 상태 정보 STB가 제어 장치(100)에 입력된다. 이 상태 정보에는, 전력 저장 장치(52)의 충전(저장) 상태를 나타내는 정보(SOC：State Of Charge), 전력 저장 장치(52)가 충전 상태인지 방전 상태인지에 대한 정보(동작 정보) 등이 포함된다.
추가로, 도시하지 않는 운전대로부터의 운전 지령도 제어 장치(100)에 입력된다. 제어 장치(100)는 운전 지령에 의해 차량의 운전 모드를 전환하고, 각종의 센서로부터의 검출치에 기초하여, 상기한 각 전력 변환기의 도시하지 않는 스위칭 소자를 제어하는 신호(PWM1, PWM2), 각 차단기의 온/오프를 제어하는 신호(HB1, HB2), 각 단류기의 온/오프를 제어하는 신호(LB1~4), 각 접촉기의 온/오프를 제어하는 신호(SW1~3)를 생성하여 제어 대상의 각 부에 출력한다. 또한, 도 1에서는, 번잡함을 피하기 위해, 각 차단기, 각 단류기 및 각 접촉기에 대한 제어 신호의 도시를 생략하고 있다.
다음으로, 실시 형태 1의 추진 제어 장치에 있어서의 각 운전 지령에 대응하는 동작에 대해 설명한다. 또한, 직류 공통부(90)에 필요한 전력이 공급되면 SIV(3)가 온 되어, 보기(4)(조명, 공조, 제어 전원 등)에 필요한 전력이 공급된다. 또한, 이 이후, SIV(3) 및 보기(4)의 동작에 대해서는, 설명을 생략한다.
제어 장치(100)는, 운전 지령이 「가선 전력에 의한 역행(力行)」으로 입력되면, 제1 단류기(25)를 온으로 제어하여, 제1 충전 저항기(27)로 전류를 제한하면서 제1 필터 리액터(28)를 통해서 제1 필터 콘덴서(29)를 충전한다. 제1 필터 콘덴서(29)가 소정의 전압까지 충전된 것을 제1 필터 콘덴서 전압 검출기(36)로 검출한 전압치에 의해 확인하면 제2 단류기(26)를 온 하여, 제1 충전 저항기(27)를 단락시킨다. 그리고 제1 전력 변환기(21)가 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 모터(23)를 구동해 차량을 주행시킨다.
역행 후, 운전 지령이 「브레이크」로 입력되면, 제어 장치(100)는 모터(23)를 발전기로서 동작시켜, 발전된 교류 전력을 제1 전력 변환기(21)로 직류 전력으로 변환하여, DC 가선(1)으로 반환한다. 가선 전압이 소정 전압보다 높은 경우는, 도시하지 않는 공기 브레이크로 차량을 정지시킨다.
또, 운전 지령이 「충전」으로 입력되면, 제어 장치(100)는 제3 단류기(55)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)로 전류를 제한하면서 제2 필터 리액터(58)를 통해서, 제2 필터 콘덴서(59)를 충전한다. 제2 필터 콘덴서(59)가 소정의 전압까지 충전된 것을 제2 필터 콘덴서 전압 검출기(66)로 검출한 전압치로 확인하면, 제4 단류기(56)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)를 단락시킨다. 추가로, 제2 접촉기(70)를 온 하고, 제2 차단기(64)를 온 하여, 제2 전력 변환기(51)가 DC 가선(1)의 가선 전압을 전력 저장 장치(52)의 전압으로 변환해, 리액터(72)를 통해서 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또, 운전 지령이 「방전」으로 입력되면, 전력 저장 장치(52)의 전압을 제2 전력 변환기(51)로 DC 가선(1)의 가선 전압으로 변환하여, DC 가선(1)으로 방전한다.
또, 운전 지령이 「시동(엔진 시동)」으로 입력되면, 제어 장치(100)는 제3 단류기(55)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)로 전류를 제한하면서 제2 필터 리액터(58)를 통해서 제2 필터 콘덴서(59)를 충전한다. 제2 필터 콘덴서(59)가 소정의 전압까지 충전된 것을 제2 필터 콘덴서 전압 검출기(66)로 검출한 전압으로 확인하면 제4 단류기(56)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)를 단락시킨다. 추가로, 제3 접촉기(61)를 온 하여, 제2 전력 변환기(51)가 직류 전력을 교류 전력으로 변환해, 발전기(6)를 구동하여 엔진(5)을 시동한다. 또한, 발전기(6)의 구동 후, 그 잉여 전력(excess power)은, 필요에 따라서, 제2 전력 변환기(51)를 통해서 DC 가선(1)에 공급하는 제어, 혹은 전력 저장 장치(52)를 충전하는 제어를 행한다.
또, 운전 지령이 「저장 전력에 의한 역행」으로 입력되면, 제어 장치(100)는 제3 단류기(55)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)로 전류를 제한하면서 제2 필터 리액터(58)를 통해서 제2 필터 콘덴서(59)를 충전한다. 제2 필터 콘덴서(59)가 소정의 전압까지 충전된 것을 제2 필터 콘덴서 전압 검출기(66)로 검출하면 제4 단류기(56)를 온 하여, 제2 충전 저항기(57)를 단락시킨다. 그리고 제1 전력 변환기(21)로 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 모터(23)를 구동해 차량을 주행시킨다.
역행 후, 운전 지령이 「브레이크」로 입력되면, 제어 장치(100)는 모터(23)를 발전기로서 동작시켜, 발전된 교류 전력을 제1 전력 변환기(21)로 직류 전력으로 변환하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 전력 저장 장치(52)가 완전(fully) 충전이 되면 충전을 정지하고, 도시하지 않는 공기 브레이크로 차량을 정지시킨다.
또, 운전 지령이 「발전 전력에 의한 역행」으로 입력되면, 제어 장치(100)는, 엔진(5)에 의해 구동된 발전기(6)의 발전 전력을 제2 전력 변환기(51)로 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 제1 전력 변환기(21)로 교류 전력으로 변환하여 모터(23)를 구동해, 차량을 주행시킨다. 또한, 역행 전력에 따라 발전 전력과 저장 전력의 충방전을 조정하는 제어를 행한다.
다음으로, 실시 형태 1의 추진 제어 장치에 있어서의 주행 구간(전화(電化) 구간, 비전화 구간)별 동작에 대해 설명한다.
우선, 전화 구간 주행시의 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(100)는 전화 구간의 주행을 개시하는 준비로서, 제1 접촉기(63)를 오프하여, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)로부터 분리시키고, 제3 접촉기(61)를 오프하여, 발전기(6)를 제2 전력 변환기(51)로부터 분리시킨다. 또, 제2 차단기(64)를 온 하고, 제2 접촉기(70)를 온 하여, 리액터(72)를 통해서 전력 저장 장치(52)를 제2 전력 변환기(51)에 접속시켜, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시킨다.
운전대로부터의 「역행 지령」을 수령하면, DC 팬터그래프(2)를 올려서, DC 가선(1)으로부터의 직류 전력을 수전한다. 이때, 제어 장치(100)는 제1 차단기(11)를 온 하여, DC 가선(1)의 직류 전력을 직류 공통부(90)에 공급한다. 또, 제어 장치(100)는 제1 단류기(25), 제2 단류기(26)와 제1 충전 저항기(27)에 의해 제1 필터 콘덴서(29)를 충전하고, 제1 전력 변환기(21)를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 모터(23)를 구동해 차량을 주행시킨다. 또, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 전력 저장 장치(52)의 출력 전압을 가선 전압으로 변환하여, 가선 전압의 변동을 억제하도록 직류 전력을 보충한다.
그 후, 운전대로부터 「브레이크 지령」을 수령하면, 제어 장치(100)는 모터(23)를 발전기로서 동작시킴과 아울러, 제1 전력 변환기(21)를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여, DC 가선(1)에 직류 전력을 반환한다. 또한, 일부의 전력은, SIV(3)로부터 보기(4)에 공급된다. DC 가선(1)의 전압이 소정의 전압보다 높아지면, DC 가선(1)으로 전력을 반환할 수 없게 되므로, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 잉여 전력을 전력 저장 장치(52)에 충전한다.
또한, 전력 저장 장치(52)의 SOC가 소정치 보다도 높은 경우, 전력 저장 장치(52)로의 충전을 할 수 없다. 이 때문에, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)로부터 분리시킨 상태에서, 회생 전력을 제1 전력 변환기(21)로 직류 전력으로 변환하고, 추가로 제2 전력 변환기(51)로 교류 전력으로 변환하여, 발전기(6)를 모터로서 구동해, 엔진(5)으로 회생 전력을 소비한다.
한편, 상기와는 반대로, 전력 저장 장치(52)의 SOC가 소정치 보다도 낮은 경우, 제2 차단기(64)를 온 함과 아울러, 제2 접촉기(70)를 온 하여, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 리액터(72)를 통해서 전력 저장 장치(52)에 회생 전력을 충전한다.
다음으로, 비전화 구간 주행시의 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(100)는 제1 접촉기(63)를 오프하여, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)로부터 분리시키고, 제3 접촉기(61)를 오프하여, 발전기(6)를 제2 전력 변환기(51)로부터 분리시킨다. 또, 제2 차단기(64)를 온 하고, 제2 접촉기(70)를 온 하여, 리액터(72)를 통해서 전력 저장 장치(52)를 제2 전력 변환기(51)에 접속시켜, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시킨다. 그리고 전력 저장 장치(52)의 방전 전력을 제2 전력 변환기(51)로 직류 전력으로 변환하고, 추가로, 제1 전력 변환기(21)를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 그 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터(23)를 구동해, 차량을 주행시킨다. 이 실시 형태에서는, 전력 저장 장치(52)의 전력으로 차량이 주행하므로, 매우 저소음이 된다.
그 후, 소정의 속도, 거리 또는 시간 등에 의해, 역 등의 사람이 많은 장소를 떠났다고 하면, 제어 장치(100)는 전력 저장 장치(52)의 방전 전력(직류 전력)을 제2 전력 변환기(51)로 교류 전력으로 변환하여, 발전기(6)를 모터로서 구동해, 엔진(5)을 시동한다. 추가로, 제어 장치(100)는 제2 차단기(64)를 오프, 제1 접촉기(63)를 오프로 제어하여, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)로부터 개방(開放)한다. 또, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 엔진(5)에 의해 구동되는 발전기(6)의 발전 전력(교류 전력)을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 제1 전력 변환기(21)로 교류 전력으로 변환하여 모터(23)를 구동해, 차량을 가속한다. 또한, 이때, 제2 전력 변환기(51)는 출력 전압인 직류 전압이 일정하게 되도록 제어된다. 즉, 이 제어에서는, 차량 주행에 기여하는 주된 전력은, 전력 저장 장치(52)의 전력이 아니라, 발전기(6)의 발전 전력이 된다.
추가로, 제어 장치(100)는 제2 전력 변환기(51)에 의해 중간 직류 전압(직류 공통부(90)의 전압)을 상승시키는 제어를 행하여, 이 중간 직류 전압을 DC 가선 전압으로 제어한다. 이때, 제1 전력 변환기(21)의 펄스 모드가 바뀌지 않도록 직류 전압을 올리는 방법을 조정하는 것이 바람직하다. 이러한 제어에 의해, 제1 전력 변환기(21)의 펄스 모드(비동기 PWM, 동기 PWM 등)의 변화에 기인하는 전자음(電磁音)의 변화를 억제할 수 있어, 전자음의 변화에 의한 불쾌음을 억제할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
또, 중간 직류 전압을 높게 함으로써, 가선하(架線下) 주행시의 모터 성능과 가선 전력을 이용하는 경우와 동등하게 할 수 있어, 장치의 소형 경량화에 효과가 있다.
또, 차량의 주행 중에, 운전대로부터의 「브레이크 지령」을 수령하면, 차량 속도와 전력 저장 장치(52)의 충전 상태(SOC)에 의해 브레이크 방법을 변경한다. 이것은, 차량의 속도의 대소(大小)에 회생 전력의 대소가 대략 비례하기 때문에, 전력 저장 장치의 충전 상태에 의해 전력 저장 장치에 충전할 수 있는 회생 전력이 제한되기 때문이다. 그 결과, 나머지의 전력을 엔진(5) 및 발전기(6)로 소비하던지, 도시하지 않는 공기 브레이크로 정지하게 된다. 또, 일부는, SIV(3)로부터 보기(4)로 공급되어 소비된다.
차량 속도가 높고, 또한, SOC가 높은 경우, 전력 저장 장치(52)에 대한 회생 전력의 충전을 거의 할 수 없기 때문에, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)로부터 분리시킨 상태에서, 모터(23)를 발전기로서 동작시켜, 회생 전력을 제1 전력 변환기(21)로 직류 전력으로 변환하고, 추가로 제2 전력 변환기(51)로 교류 전력으로 변환하여, 발전기(6)를 모터로서 구동해, 엔진(5)으로 회생 전력을 소비한다.
차량 속도가 높고, 또한, SOC가 낮은 경우, 제2 차단기(64)를 온 함과 아울러, 제2 접촉기(70)를 온 하여, 제2 전력 변환기(51)를 DC/DC 컨버터로서 동작시켜, 리액터(72)를 통해서 전력 저장 장치(52)에 회생 전력을 충전한다.
한편, 차량 속도가 낮은 경우에는, 제2 차단기(64)를 온 함과 아울러, 제1 접촉기(63)를 온 하여, 전력 저장 장치(52)를 직류 공통부(90)에 접속시켜, 제1 전력 변환기(21)로부터의 회생 전력에 의해 전력 저장 장치(52)를 충전한다.
다음으로, 실시 형태 1의 추진 제어 장치에 있어서의 각 모드별 동작에 대해 설명한다. 도 2는 실시 형태 1에 따른 추진 제어 장치의 각 모드에 대응하는 동작을 설명하기 위한 간략 구성도이다. 이 간략 도면에 의하면, 직류 가선(1), 제1 전력 변환기(21), 제2 전력 변환기(51) 및 전력 저장 장치(52)가 직류 공통부(90)를 통해서 전기적으로 접속되고, 전력 저장 장치(52)는 제2 전력 변환기(51)에 있어서의 직류 공통부(90)의 반대측(逆側)에 위치하는 제1 입출력단에도 전기적으로 접속되는 구성으로 된다.
또한, 이 도 2에서는, 도 1의 구성에 있어서의 엔진(5), 모터(23) 및 전력 저장 장치(52)를 각각 「ENG」, 「M」 및 「BAT」라고 표기하고 있다. 또, 제1 전력 변환기(21) 및 제2 전력 변환기(51)에 대해서는, 그 기능에 주목한 표기로 하고 있다. 구체적으로, 제1 전력 변환기(21)가 AC/DC 변환기로서 동작하는 경우가 「CNV」이고, DC/AC 변환기로서 동작하는 경우가 「INV」이다. 마찬가지로, 제2 전력 변환기(51)가 AC/DC 변환기로서 동작하는 경우가 「CNV」이고, DC/AC 변환기로서 동작하는 경우가 「INV」이며, DC/DC 변환기로서 동작하는 경우가 「DC/DC」이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, DC 가선(1)의 공칭 전압을 예를 들면 1500Vdc라고 하고, 전력 저장 장치(52)의 완전 충전 전압을 예를 들면 600Vdc라고 한다.
(a－1：시동)
도 3은 전력 저장 장치(52)의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 전력 저장 장치(52)의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기(INV)로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)로부터 인가된 저압(低壓)의 직류 전압을 삼상 교류 전압으로 변환해 발전기(6)를 모터로서 구동하여, 발전기(6)에 접속된 엔진(5)을 시동한다.
(a－2：역행)
도 4는 발전기(6)의 발전 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 이러한 제어는, 전력 저장 장치(52)를 사용하지 않는 경우, 혹은 전력 저장 장치(52)가 고장난 경우 등을 상정하고 있다. 도시와 같이, 발전기(6)의 발전 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기(CNV)로서 동작하고, 제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기(INV)로서 동작하여 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은, 가선 전압에 맞춘 고압(高壓) 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다. 즉, 직류 공통부의 전압은, 차량의 시동시(발차시)와 역행시에서 서로 다른 전압으로 제어되고 있다.
(a－3：역행＋방전)
도 5는 발전기(6)의 발전 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 발전기(6)의 발전 전력 및 전력 저장 장치(52)의 저장 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기로서 동작하고, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51) 및 전력 저장 장치(52)로부터의 각 직류 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은, 전력 저장 장치(52)의 전압(600Vdc 근방)에 맞춘 600Vdc 혹은 그 근방의 전압(이하 「저압 전압」이라고 함)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(a－4：역행)
도 6은 전력 저장 장치(52)의 저장 전력만을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 전력 저장 장치(52)의 저장 전력만을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 DC/DC 변환기로서 동작하고, 제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은, 가선 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다. 이 때문에, 제1 전력 변환기(21)에 대한 입력 전압을 높게 유지할 수 있어, 차량을 고속으로 구동하는 것이 가능해진다.
(a－5：역행)
도 7은 전력 저장 장치(52)의 저장 전력만을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 도 6과는 다른 동작을 나타내는 도면이다. 전력 저장 장치(52)의 저장 전력만을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, 도 6과는 달리 도 7과 같이 제어해도 좋다. 이러한 제어는, 제2 전력 변환기(51)가 고장난 경우 등을 상정하고 있다. 도 7의 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 전력 저장 장치(52)로부터의 직류 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부에는, 전력 저장 장치(52)의 전압이 직접적으로 인가되므로, 직류 공통부의 전압은 저압 전압(600Vdc 근방)이 된다. 이 때문에, 제1 전력 변환기(21)의 동작은 제한되고, 차량의 구동은 저속이 된다.
(a－6：회생)
도 8은 모터(23)의 회생 전력을 엔진 브레이크로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 엔진 브레이크로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작함과 아울러, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기(INV)로서 동작하여, 발전기(6)를 구동함으로써 엔진 브레이크를 건다. 또한, 이 제어에서는, 전력 저장 장치(52)는 직류 공통부에 대해서 분리되어 있으므로, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방)으로 제어된다.
(a－7：회생＋충전/엔진 브레이크)
도 9는 모터(23)의 회생 전력을 엔진 브레이크 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 엔진 브레이크 및 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 제1 전력 변환기(21)로부터 공급되는 잉여 전력을 이용하여 발전기(6)를 구동해, 엔진 브레이크를 건다. 또한, 이 제어에서는, 전력 저장 장치(52)가 직류 공통부에 접속되므로, 직류 공통부의 전압은 저압 전압(600Vdc 근방)으로 제어된다.
(a－8：회생＋충전)
도 10은 모터(23)의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작함과 아울러, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 효율 좋게 전력 저장 장치(52)에 충전하기 위해서, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방)으로 제어된다.
(a－9：회생＋충전)
도 11은 모터(23)의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우의 도 10과는 다른 동작을 나타내는 도면이다. 모터(23)의 회생 전력의 전부를 충전 전력으로서 이용하는 경우, 도 10과는 달리 도 11과 같이 제어해도 좋다. 이러한 제어는, 제2 전력 변환기(51)가 고장난 경우 등을 상정하고 있다. 도 11의 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)로부터의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부에는, 전력 저장 장치(52)의 전압이 직접적으로 인가되므로, 직류 공통부의 전압은 저압 전압(600Vdc 근방)이 된다. 이 때문에, 충전 전력으로 제공되는 회생 전력은, 도 10의 경우와 비교하여 작아진다.
(a－10, 모드：발전 충전)
도 12는 발전기(6)의 발전 전력을 이용하여 전력 저장 장치(52)를 충전하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 발전기(6)의 발전 전력을 이용하여 전력 저장 장치(52)를 충전하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기(CNV)로서 동작하여 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또한, 이 제어에서는, 전력 저장 장치(52)는 직류 공통부에 접속되므로, 직류 공통부의 전압은 저압 전압(600Vdc 근방)으로 제어된다.
도 13은 도 3 ~ 도 12에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면으로, 이들 도면에 도시된 각 부의 동작 상태 또는 제어 상태뿐만 아니라, 도 1의 도면에 대응하는 각 부의 제어 상태를 나타내고 있다. 제1, 제2 전력 변환기의 란에 기재되어 있는 "INV", "CNV", "DC/DC"는, 제1, 제2 전력 변환기의 동작 상태를 나타내고 있고, "×" 표시는 제1, 제2 전력 변환기를 이용하지 않는 것을 의미하고 있다. 팬터그래프의 란에 기재되어 있는 "OFF"는 DC 팬터그래프(2)가 내려져 있는 것을 의미하고 있다. 제1, 제2 차단기, 제1 ~ 제4 단류기 및 제1 ~ 제3 접촉기의 란에 기재되어 있는 "○" 표시는 도통 상태인 것을 의미하고, "×" 표시는 비도통 상태에 있는 것을 의미하고 있다. 또한, 도시된 내용은, 상술한 대로이므로, 상세한 설명은 생략한다.
지금까지의 설명은, DC 가선의 전력을 사용하지 않는 경우의 동작 설명이었다. 다음으로, DC 가선의 전력을 사용하는 경우의 동작에 대해 설명한다.
(b－1：시동)
도 14는 DC 가선(1)의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력을 이용하여 엔진 시동을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, DC 가선(1)으로부터 인가된 고압의 직류 전압을 삼상 교류 전압으로 변환하여 발전기(6)를 모터로서 구동해, 발전기(6)에 접속된 엔진(5)을 시동한다.
(b－2：발전 회생)
도 15는 발전기(6)의 발전 전력을 DC 가선(1)에 회생(공급)하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 발전기(6)의 발전 전력을 DC 가선(1)에 회생하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 DC/DC 변환기로서 동작하여 DC 가선(1)에 발전 전력을 공급한다. 또한, 이 제어에서는, 제2 전력 변환기(51)의 출력 전압은, 가선 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제어된다.
(b－3：역행)
도 16은 DC 가선(1)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다.
(b－4：역행＋발전)
도 17은 DC 가선(1)의 전력과 발전기(6)의 발전 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 이러한 제어는, 전력 저장 장치(52)의 SOC가 낮은 경우나, 전력 저장 장치(52)가 고장난 경우 등을 상정하고 있다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력 및 발전기(6)의 발전 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기로서 동작하고, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51)의 전력 및 가선 전력의 양쪽을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은, 가선 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(b－5：역행＋방전)
도 18은 DC 가선(1)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 전력 저장 장치(52)의 저장 전력을 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작한다. 또, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51)의 출력 전력 및 가선 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은, 가선 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(b－6：역행＋충전)
도 19는 DC 가선(1)의 전력을 모터(23)의 구동 전력 및 전력 저장 장치(52)로의 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 가선 전력을 모터(23)의 구동 전력 및 전력 저장 장치(52)로의 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 가선 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 가선 전력의 일부를 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다.
(b－7：회생)
도 20은 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(b－8：회생＋엔진 브레이크)
도 21은 모터(23)의 회생 전력을 가선 전력 및 엔진 브레이크로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 가선 전력 및 엔진 브레이크로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 제1 전력 변환기(21)로부터 공급되는 잉여 전력을 이용하여 발전기(6)를 구동해, 엔진 브레이크를 건다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(b－9：회생＋충전)
도 22는 모터(23)의 회생 전력을 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 회생 전력의 일부를 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(b－10：충전/방전)
도 23은 DC 가선(1)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전/방전을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, 제1 차단기(11)는 온, 제3 접촉기(61)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 전력 저장 장치(52)로의 충전을 행하는 경우, 제2 전력 변환기(51)는 DC/DC 변환기로서 동작하여, 가선 전압(1500Vdc 근방)을 소정의 저압 전압으로 강압(降壓)하여 충전한다. 한편, 전력 저장 장치(52)로부터 방전을 행하는 경우에는, 충전 전압(600Vdc 근방)을 가선 전압(1500Vdc 근방)으로 승압(昇壓)하도록 하여 방전한다.
도 24는 도 14 ~ 도 23에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면으로, 이들 도면에 도시된 각 부의 동작 상태 또는 제어 상태뿐만 아니라, 도 1의 도면에 대응하는 각 부의 제어 상태를 나타내고 있다. 각 기호 등의 의미는, 도 13에서 참조되어 설명한 대로이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 24에 기재된 내용도, 상술한 대로이므로, 상세한 설명은 생략한다.
이상 설명한 것처럼, 실시 형태 1의 추진 제어 장치에 의하면, 전력의 입력 양태에 따라서, 제1 전력 변환기(21)를 DC/AC 변환기 또는 AC/DC 변환기로서 동작시키고, 제2 전력 변환기(51)를 DC/AC 변환기, AC/DC 변환기 또는 DC/DC 변환기로서 동작시켜서, 전력 저장 장치(52)에 대한 충전은, 직류 공통부(90) 혹은 직류 공통부(90)와 접속되어 있지 않은 제1 입출력단측으로부터 공급되는 직류 전력을 이용하여 행하고, 전력 저장 장치(52)로부터의 방전은, 직류 공통부(90) 혹은 제1 입출력단을 통해서 행하도록 하고 있다. 이것에 의해, 제3 전력 변환기를 마련할 필요가 없어진다. 이 때문에, 종래의 하이브리드 차량을 가선 전력으로도 사용할 수 있도록 하는 경우여도, 전력 변환기의 증가를 초래하지 않는 구성이 가능해진다.
또, 실시 형태 1의 추진 제어 장치에 의하면, 직류 공통부(90)의 전압을 공급 전력의 입력 양태에 따라서, 고압 전압 또는 저압 전압을 포함하는 원하는 전압으로 자유롭게 조정할 수 있다. 즉, 일부의 입력 양태를 제외하고, 직류 공통부(90)의 전압을 고압 전압으로 유지하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 제1 전력 변환기(21)의 능력을 최대한으로 활용시키는 경우를 증가시키는 것이 가능해진다. 또, 전력 저장 장치(52)에 대한 충전을 효율적으로 실시하는 것도 가능해진다.
실시 형태 2.
도 25는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 추진 제어 장치를 포함하는 하이브리드 차량 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
실시 형태 1의 하이브리드 차량 시스템은, DC 가선 및 전력 저장 장치와 같은 2개의 직류 전력 공급원과, 엔진 및 발전기에 의한 1개의 교류 전력 공급원을 구비하는 구성이었다. 한편, 실시 형태 2의 하이브리드 차량 시스템에서는, 엔진(5) 및 발전기(6)를 구비하는 구성을 대신하여, 단상(單相)의 교류 가선(이하 「AC 가선」이라고 칭함)(83)으로부터의 교류 전력을 AC 팬터그래프(82)를 통해서 수전하고, 수전한 교류 전력을 변압기(80) 및 제3 차단기(81)를 통해서 제2 전력 변환기(51)에 공급(인가)하는 구성으로 하고 있다. 또한, 그 외의 구성은, 도 1과 동일 또는 동등하여, 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 실시 형태 2의 추진 제어 장치에 있어서의 각 모드별 동작에 대해 설명한다. 도 26은 실시 형태 2에 따른 추진 제어 장치의 각 모드에 대응하는 동작을 설명하기 위한 간략 구성도이다. 또한, 이 도 26에 있어서의 표기의 방법은, 도 2에 도시된 것과 동일하다. 또, 도 2와 마찬가지로, 각 모드별 동작에 크게 관련하는 주요한 구성부만을 나타내고 있다.
(c－1：역행)
도 27은 DC 가선(1)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 모터(23)를 구동한다.
(c－2：역행)
도 28은 AC 가선(83)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, AC 가선(83)의 전력을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, AC 팬터그래프(82)는 올려지며, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 차단기(81)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기로서 동작하여, AC 가선 전력을 직류 전력으로 변환한다. 또, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51)의 변환 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은 DC 가선의 공칭 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(c－3：역행＋방전)
도 29는 AC 가선(83)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, AC 가선(83)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, AC 팬터그래프(82)는 올려지며, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 차단기(81)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 AC 가선 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작한다. 또, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51)의 출력 전력 및 전력 저장 장치(52)의 저장 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 전력 저장 장치(52)가 직류 공통부에 접속되므로, 직류 공통부의 전압이 저압 전압(600Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(c－4：역행＋방전)
도 30은 DC 가선(1)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)의 전력과 전력 저장 장치(52)의 저장 전력의 양쪽을 이용하여 모터(23)를 구동하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제2 전력 변환기(51)는 전력 저장 장치(52)의 저장 전력을 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작한다. 또, 제1 전력 변환기(21)는 제2 전력 변환기(51)의 출력 전력 및 DC 가선 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또한, 이 제어에서는, 직류 공통부의 전압은 DC 가선 전압에 맞춘 고압 전압(1500Vdc 근방)이 되도록 제2 전력 변환기(51)가 제어된다.
(c－5：회생)
도 31은 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(c－6：회생)
도 32는 모터(23)의 회생 전력을 AC 가선(83)에 반환하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 AC 가선(83)에 반환하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, AC 팬터그래프(82)는 올려지며, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 차단기(81)는 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 직류 전력으로 변환한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 제1 전력 변환기(21)의 출력 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작하여, 변환한 교류 전력을 AC 가선(83)에 반환한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 효율 좋게 AC 가선(83)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(c－7：회생＋충전)
도 33은 모터(23)의 회생 전력을 AC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 AC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, AC 팬터그래프(82)는 올려지며, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 차단기(81)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 이용해 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 제1 전력 변환기(21)로부터 공급되는 잉여 전력을 교류 전력으로 변환해, 그 변환 전력을 AC 가선(83)에 반환한다. 또한, 이 제어에서는, 전력 저장 장치(52)가 직류 공통부에 접속되므로, 직류 공통부의 전압은 저압 전압(600Vdc 근방)으로 제어된다.
(c－8：회생＋충전)
도 34는 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 모터(23)의 회생 전력을 DC 가선 전력 및 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 모터(23)의 회생 전력을 받아들여 AC/DC 변환기로서 동작하여, 이 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 회생 전력의 일부를 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다. 또한, 이 제어에서는, 회생 전력을 DC 가선(1)에 반환하기 위해, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방, 혹은 그 이상의 소정 전압)으로 제어된다.
(c－9：충전/방전)
도 35는 DC 가선(1)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전/방전을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 전력 저장 장치(52)로의 충전을 행하는 경우, 제2 전력 변환기(51)는 DC/DC 변환기로서 동작하여, 가선 전압(1500Vdc 근방)을 소정의 저압 전압으로 강압하여 충전한다. 한편, 전력 저장 장치(52)로부터 방전을 행하는 경우에는, 충전 전압(600Vdc 근방)을 가선 전압(1500Vdc 근방)으로 승압하도록 하여 방전한다.
(c－10：충전/방전)
도 36은 AC 가선(83)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전 또는 방전을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, AC 가선(83)과 전력 저장 장치(52)의 사이에서 충전/방전을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 내려지고, AC 팬터그래프(82)는 올려지며, 제1 차단기(11)는 오프, 제3 차단기(81)는 온, 제1 접촉기(63)는 온, 제2 접촉기(70)는 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 전력 저장 장치(52)로의 충전을 행하는 경우, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기로서 동작하여, AC 가선 전압을 소정의 저압 전압으로 강압하여 충전한다. 한편, 전력 저장 장치(52)로부터 방전을 행하는 경우에는, 전력 저장 장치(52)의 전압을 소정의 교류 전압으로 승압하도록 하여 AC 가선(83)에 방전한다. 또한, 전력 저장 장치(52)의 전압(충전 전압, 600Vdc 근방)으로부터 AC 가선 전압으로의 변환은, 변압기(80)의 권선비(卷線比)를 고려하여 제2 전력 변환기(51)의 승압비(昇壓比)를 조정함으로써 행해진다.
(c－11：전력 융통(融通))
도 37은 DC 가선(1)과 AC 가선(83)의 사이에서 전력 융통을 행하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선(1)과 AC 가선(83)의 사이에서 전력 융통을 행하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)도 올려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)도 온, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)도 오프로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, DC 가선(1)으로부터 AC 가선(83)에 대해서 전력 융통을 행하는 경우, 제2 전력 변환기(51)는 DC/AC 변환기로서 동작하여, DC 가선 전압을 소정의 AC 가선 전압으로 변환해 AC 가선에 공급한다. 한편, AC 가선(83)으로부터 DC 가선(1)에 대해서 전력 융통을 행하는 경우, 제2 전력 변환기(51)는 AC/DC 변환기로서 동작하여, AC 가선 전압을 소정의 DC 가선 전압으로 변환해 DC 가선에 공급한다. 또한, 이 제어에서는, DC 가선(1)이 직류 공통부에 접속되므로, 직류 공통부의 전압은 고압 전압(1500Vdc 근방)으로 제어된다.
(c－12：역행＋충전)
도 38은 DC 가선(1)의 전력을 모터(23)의 구동 전력 및 전력 저장 장치(52)로의 충전 전력으로서 이용하는 경우의 동작을 나타내는 도면이다. 도시와 같이, DC 가선 전력을 모터(23)의 구동 전력 및 전력 저장 장치(52)로의 충전 전력으로서 이용하는 경우, DC 팬터그래프(2)는 올려지고, AC 팬터그래프(82)는 내려지며, 제1 차단기(11)는 온, 제3 차단기(81)는 오프, 제1 접촉기(63)는 오프, 제2 접촉기(70)는 온으로 제어된다. 이러한 제어하에 있어서, 제1 전력 변환기(21)는 DC 가선 전력을 받아들여 DC/AC 변환기로서 동작해, 모터(23)를 구동한다. 또, 제2 전력 변환기(51)는 DC 가선 전력의 일부를 받아들여 DC/DC 변환기로서 동작하여, 전력 저장 장치(52)를 충전한다.
도 39는 도 27 ~ 도 38에 나타낸 동작을 표 형식으로 일람 표시한 도면으로, 이들 도면에 도시된 각 부의 동작 상태 또는 제어 상태뿐만 아니라, 도 25의 도면에 대응하는 각 부의 제어 상태를 나타내고 있다. 각 기호 등의 의미는, 도 13에서 참조되어 설명된 대로이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 39에 도시한 내용도, 상술한 대로이므로, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 형태 2에서는, AC 가선이 단상인 경우를 일례로서 설명했지만, 도 40에 도시된 바와 같이 AC 팬터그래프(86) 및 삼상 변압기(85)를 통해서 3상의 AC 가선(87)으로부터 전력 공급을 받도록 구성되어 있어도 상관없다. 요점이 되는 동작에 대해서는, 단상의 교류 가선의 경우와 마찬가지임과 아울러, 단상의 교류 가선의 경우와 마찬가지인 효과가 얻어진다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명은 종래의 하이브리드 차량을 가선 전력으로도 사용할 수 있도록 하는 경우여도, 전력 변환기의 증가를 초래하지 않는 전기차의 추진 제어 장치로서 유용하다.
1: 직류 가선(DC 가선) 2: DC 팬터그래프
3: 보조 전원 장치(SIV) 4: 보기
5: 엔진 6: 발전기
7: 속도 검출기 8: 차륜
9: 레일 11: 제1 차단기
12: 가선 전류 검출기 13: 가선 전압 검출기
21: 전력 변환기 23: 모터
25: 제1 단류기 26: 제2 단류기
27: 제1 충전 저항기 28: 제1 필터 리액터
29: 제1 필터 콘덴서 34: 제1 속도 검출기
35: 제1 직류 전류 검출기
36: 제1 필터 콘덴서 전압 검출기
37: 제1 전력 변환기 출력 전류 검출기
51: 제2 전력 변환기 52: 전력 저장 장치
55: 제3 단류기 56: 제4 단류기
57: 제2 충전 저항기 58: 제2 필터 리액터
59: 제2 필터 콘덴서 61: 제3 접촉기
63: 제1 접촉기 64: 제2 차단기
65: 제2 직류 전류 검출기
66: 제2 필터 콘덴서 전압 검출기
68: 전력 저장 장치 전류 검출기
70: 제2 접촉기 72: 리액터
80: 변압기 81, 87: 교류 가선(AC 가선)
81: 제3 차단기 82, 86: AC 팬터그래프
85: 삼상 변압기 90: 직류 공통부
100: 제어 장치

Claims (18)

  1. 직류 공통부에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 당해 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환하여 차량에 구동력을 발생시키는 모터에 공급하고, 상기 모터의 회생 전력이 상기 모터측으로부터 입력되었을 경우에는, AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 회생 전력을 상기 직류 공통부에 공급하는 제1 전력 변환기와,
    교류 전력 공급원으로부터의 교류 전력이 제1 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 제1 입출력단과는 다른 제2 입출력단을 통해서 상기 직류 공통부에 출력하고, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 상기 제2 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여 상기 제1 입출력단측에 원하는 교류 전력을 출력하고, 상기 제1 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제2 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하며, 상기 제2 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제1 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하는 제2 전력 변환기와,
    상기 직류 공통부 및 상기 제1 입출력단측에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측으로부터 공급되는 직류 전력을 이용하여 충전되거나, 또는 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측에 직류 전력을 방전하는 직류 전력 공급원으로서의 전력 저장 장치와,
    상기 제1 전력 변환기, 상기 제2 전력 변환기 및 상기 전력 저장 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제2 전력 변환기가 DC/DC 변환기로서 동작할 때에 상기 제1 입출력단측에 입력되는 직류 전력은 상기 전력 저장 장치로부터 방전되는 전력인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    발전기가 상기 교류 전력 공급원으로서 마련되어,
    상기 제어 장치는, 상기 제2 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 발전기의 발전 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 제1 전력 변환기에 공급함과 아울러, 상기 제1 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 상기 제2 전력 변환기 및 상기 전력 저장 장치로부터의 각 직류 전력을 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 공통부의 전압이 상기 전력 저장 장치의 출력 전압에 맞춘 저압 전압이 되도록 상기 제2 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제2 전력 변환기를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 전력 저장 장치의 직류 전력을 원하는 직류 전력으로 변환하여 상기 제1 전력 변환기에 공급함과 아울러, 상기 제1 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 상기 제2 전력 변환기로부터의 직류 전력을 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 공통부의 전압이 다른 직류 전력 공급원의 출력 전압에 맞춘 고압 전압이 되도록 상기 제2 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 다른 직류 전력 공급원이 직류 가선인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 가선의 전력을 추가로 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    엔진과, 이 엔진에 의해서 구동되는 발전기가 상기 교류 전력 공급원으로서 마련되어, 상기 직류 가선의 전력이 상기 직류 공통부에 공급되지 않을 때,
    상기 제어 장치는, 상기 전력 저장 장치의 전력을 상기 직류 공통부에 공급하여, 상기 제2 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 상기 발전기를 모터로서 구동하여 상기 엔진을 시동하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    발전기가 상기 교류 전력 공급원으로서 마련되어,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 모터의 회생 전력을 받아들여 상기 전력 저장 장치를 충전함과 아울러, 상기 제2 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 상기 제1 전력 변환기로부터 공급되는 잉여 전력을 이용하여 상기 발전기를 구동해 엔진 브레이크를 거는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 공통부의 전압이 상기 전력 저장 장치의 출력 전압에 맞춘 저압 전압이 되도록 상기 제1 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 모터의 회생 전력을 직류 전력으로 변환함과 아울러, 상기 제2 전력 변환기를 DC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 제1 전력 변환기의 변환 전력을 상기 제1 입출력단측으로부터 공급하여 상기 전력 저장 장치를 충전하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 공통부의 전압이 다른 직류 전력 공급원의 출력 전압에 맞춘 고압 전압이 되도록 상기 제1 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 다른 직류 전력 공급원이 직류 가선인 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 가선의 전력을 추가로 이용하여 상기 전력 저장 장치를 충전하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 전력 공급원으로서의 교류 가선이 변압기를 통해서 상기 제2 전력 변환기의 상기 제1 입출력단측에 접속되는 구성일 때,
    상기 제어 장치는, 제1 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 모터의 회생 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 전력 저장 장치를 충전함과 아울러, 상기 제2 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시켜, 상기 제1 전력 변환기로부터 공급되는 회생 전력의 잉여 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류 가선에 공급하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 전력 저장 장치로의 충전을 행하는 경우에는, 상기 제2 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시켜, 상기 교류 가선의 전압을 소정의 저압 전압으로 강압하여 상기 전력 저장 장치를 충전하고, 상기 전력 저장 장치로부터 방전을 행하는 경우에는, 상기 전력 저장 장치의 출력 전압을 소정의 교류 전압으로 승압하여 상기 교류 가선에 방전하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 직류 공통부에 접속된 직류 가선으로부터 상기 교류 가선에 대한 전력 융통을 행하는 경우에는, 상기 제2 전력 변환기를 DC/AC 변환기로서 동작시키고, 상기 교류 가선으로부터 상기 직류 가선에 대한 전력 융통을 행하는 경우에는, 상기 제2 전력 변환기를 AC/DC 변환기로서 동작시키는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치.
  18. 직류 공통부에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여, 당해 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환하여 차량에 구동력을 발생시키는 모터에 공급하고, 상기 모터의 회생 전력이 상기 모터측으로부터 입력되었을 경우에는, AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 회생 전력을 상기 직류 공통부에 공급하는 제1 전력 변환기와,
    교류 전력 공급원으로부터의 교류 전력이 제1 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 AC/DC 변환기로서 동작하여, 당해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 제1 입출력단과는 다른 제2 입출력단을 통해서 상기 직류 공통부에 출력하고, 상기 직류 공통부로부터의 직류 전력이 상기 제2 입출력단측으로부터 입력되었을 경우에는 DC/AC 변환기로서 동작하여 상기 제1 입출력단측에 원하는 교류 전력을 출력하며, 상기 제1 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제2 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하고, 상기 제2 입출력단측으로부터 직류 전력이 입력되었을 경우에는 DC/DC 변환기로서 동작하여 상기 제1 입출력단측에 원하는 직류 전력을 출력하는 제2 전력 변환기와,
    상기 직류 공통부 및 상기 제1 입출력단측에 접속 가능하게 구성되어, 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측으로부터 공급되는 직류 전력을 이용하여 충전되거나, 또는 상기 직류 공통부 혹은 상기 제1 입출력단측에 직류 전력을 방전하는 직류 전력 공급원으로서의 전력 저장 장치와,
    상기 제1 전력 변환기, 상기 제2 전력 변환기 및 상기 전력 저장 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제2 전력 변환기가 DC/DC 변환기로서 동작할 때에 상기 제1 입출력단측에 입력되는 직류 전력은 상기 전력 저장 장치로부터 방전되는 전력이며,
    상기 직류 공통부의 전압을 차량의 발차(發車)시와 역행(力行)시에 서로 다른 전압으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차의 추진 제어 장치의 제어 방법.
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