JP7516673B2 - Drive system and method for rail vehicles - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電池を用いた鉄道車両用の駆動システムおよび駆動方法に関する。 The present invention relates to a drive system and drive method for railway vehicles using storage batteries.
鉄道路線には、鉄道車両が架線から電力供給を受けられる電化区間と、架線が存在せず電力供給が受けられない非電化区間がある。
蓄電池電車は、充放電可能な蓄電池システムを搭載し、駆動用のエネルギー源とした鉄道車両であって、電化区間では、架線から電力供給を受け、駆動エネルギーに使用しつつ蓄電池システムを充電し、非電化区間では、蓄電池をエネルギー源に走行する。
Railway lines include electrified sections where railway vehicles can receive power from overhead lines, and non-electrified sections where there are no overhead lines and no power supply.
A battery train is a railway vehicle that is equipped with a rechargeable battery system that serves as an energy source for propulsion. In electrified sections, the train receives power from overhead lines and uses this power to propel the train while charging the battery system. In non-electrified sections, the train runs using the battery as an energy source.
蓄電池システムは、一般に複数の蓄電池モジュールを直並列に接続し構成され、直流電圧で充放電する。充電時は、充電速度や目標値を制御するために、充電機器は適切なDC電圧を印加する必要がある。同様に、蓄電池システムが放電する場合、エネルギーを使用する駆動用インバータ等の電力消費機器にも適切なDC電圧範囲があり、これを逸脱すると目的の動作の不実行、効率の低下、故障の発生等に至ることになる。
ここで、特許文献1には、直並列に切り替え可能な複数の電池から成る電池ユニットに対して直流外部電源または電力変換器を介して交流外部電源から充電する車載蓄電装置が開示されている。
また、特許文献2には、電気車に搭載される蓄電装置内の蓄電池の回路構成を直列接続及び並列接続に切り替えて、コストや手間をかけずまた昇降圧チョッパなどを用いることなく低圧電源から1回の充電操作で容易に効率よく充電する技術が開示されている。
A storage battery system is generally configured by connecting multiple storage battery modules in series and parallel, and charges and discharges with a DC voltage. When charging, the charging equipment needs to apply an appropriate DC voltage to control the charging speed and target value. Similarly, when the storage battery system discharges, the power consumption equipment such as the drive inverter that uses the energy also has an appropriate DC voltage range, and deviation from this range may result in failure to perform the intended operation, a decrease in efficiency, or the occurrence of a malfunction.
Here,
Furthermore,
また、DC電圧を異なるDC電圧に変換するDC/DCコンバータは、一般に昇圧時と降圧時で異なる回路となることが知られており、昇圧と降圧の両機能を有するDC/DCコンバータは、内部に双方の回路構造を有している。 In addition, it is known that DC/DC converters that convert a DC voltage into a different DC voltage generally have different circuits when stepping up and stepping down, and DC/DC converters that have both step-up and step-down functions have both circuit structures internally.
直流電力が架線から供給される電化区間で充電し、非電化区間で放電する態様で運用する蓄電池電車を考える時、蓄電池システムは架線の定格電圧より僅かに高い電圧まで充電されることが望ましい。これは、電力消費機器は、架線電圧で稼働するような電圧範囲である一方で、蓄電池システムは、充電率の低下によって一般に電圧低下するため、充電率の低下時も電力消費機器が稼働することを担保するためである。 When considering a battery train that is operated in a manner that charges in electrified sections where DC power is supplied from overhead lines and discharges in non-electrified sections, it is desirable for the battery system to be charged to a voltage slightly higher than the rated voltage of the overhead lines. This is because, while power consuming devices are in a voltage range that operates with the overhead line voltage, the voltage of a battery storage system generally drops as the charging rate decreases, and this ensures that the power consuming devices can continue to operate even when the charging rate decreases.
一般に、架線電圧は、直流であっても交流であっても、架線に接続された複数の力行車両と回生車両との動作バランスによって、上下双方に大きく変動する。そのため、蓄電池システムの充電電圧を制御するためには、昇圧と降圧の双方が可能なDC/DCコンバータ(以下、「昇圧降圧DC/DCコンバータ」という)が必要となる。この昇圧降圧DC/DCコンバータは、昇圧回路と降圧回路を双方有しているため、昇圧のみもしくは降圧のみのDC/DCコンバータよりも高コストで重量および体積が増加する。 In general, overhead line voltage, whether DC or AC, fluctuates greatly both upwards and downwards depending on the operational balance between multiple powered vehicles and regenerative vehicles connected to the overhead line. Therefore, to control the charging voltage of the battery system, a DC/DC converter capable of both stepping up and stepping down the voltage (hereinafter referred to as a "step-up/step-down DC/DC converter") is required. This step-up/step-down DC/DC converter has both a step-up circuit and a step-down circuit, so it is more expensive and has a larger weight and volume than a step-up-only or step-down-only DC/DC converter.
上記の課題を解決するために、代表的な本発明の鉄道車両用の駆動システムの一つは、鉄道車両に搭載される蓄電池システムおよび直流直流電力変換器から成る第1の電源部と、第1の電源部が供給する直流電力または当該第1の電源部とは異なる構成の第2の電源部から供給される直流電力により駆動され鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと、を備え、蓄電池システムは、複数の蓄電池ユニットおよび当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段を有し、直並列切替え手段は、第1の電源部が直流電力を供給する場合と第2の電源部から直流電力が供給される場合とで複数の蓄電池ユニット間の直並列状態を切り替えることを特徴とするものである。In order to solve the above problems, one representative drive system for railway vehicles of the present invention comprises a first power supply unit consisting of a storage battery system and a DC-DC power converter mounted on the railway vehicle, and a DC power supply drive system that is driven by DC power supplied by the first power supply unit or DC power supplied from a second power supply unit having a configuration different from the first power supply unit and supplies a predetermined power to a load device mounted on the railway vehicle, the storage battery system having a plurality of storage battery units and a series-parallel switching means for switching the connection state between the plurality of storage battery units to a series state or a parallel state, and the series-parallel switching means switches the series-parallel state between the plurality of storage battery units between a case where the first power supply unit supplies DC power and a case where DC power is supplied from the second power supply unit.
本発明によれば、降圧コンバータもしくは昇圧コンバータのみで蓄電池システムへの充電制御が可能であるため、昇圧降圧コンバータを使用する場合に比べ、コンバータ部の小型化および低コスト化を実現することができる。電化区間での充電時は、降圧コンバータもしくは昇圧コンバータのみを介して変圧し、非電化区間での充放電時は、変圧不要であるため、昇圧降圧コンバータを使用する場合に比べ、エネルギー変換効率の向上を図ることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
According to the present invention, since charging control to the battery system is possible using only a step-down converter or a step-up converter, it is possible to realize a smaller converter section and lower costs compared to using a step-up/step-down converter.When charging in an electrified section, voltage transformation is performed via only a step-down converter or a step-up converter, and when charging/discharging in a non-electrified section, voltage transformation is not required, so that it is possible to improve energy conversion efficiency compared to using a step-up/step-down converter.
Problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the description of the following embodiments.
以下、本発明に係る鉄道車両用の駆動システムを実施するための形態として、実施例1から実施例4について図に基づいて説明する。
以下に説明する各実施例は、蓄電装置を構成する蓄電池にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明する。ただし、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、鉛電池やニッケル水素電池など、その他の蓄電素子にも同様に適用できる。
なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First to fourth embodiments of a railway vehicle drive system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the following embodiments, the battery constituting the power storage device is a lithium-ion battery, but is not limited to a lithium-ion battery, and may be a lead battery, nickel-metal hydride battery, or other power storage device.
It should be noted that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, in the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施例1に係る鉄道車両用の駆動システムのシステム構成を示す図である。図中、実線が電力の伝送経路を示し、矢印付き点線が制御信号やセンサ値などの情報の伝送経路を示す。
鉄道車両用の駆動システム100は、電化区間では架線の直流電力を使用し、非電化区間では蓄電池の電力を使用する直流蓄電池電車を対象としたもので、直流電車駆動システム110、非電化区間対応システム120、制御装置130および運転台140から成り、電化区間では、直流架線111から直流電力の供給を受ける。
1 is a diagram showing a system configuration of a railway vehicle traction system according to a first embodiment of the present invention. In the figure, solid lines indicate power transmission paths, and dotted lines with arrows indicate transmission paths of information such as control signals and sensor values.
The railway
まず、直流電車駆動システム110は、直流架線の電化区間を走行するための直流電車の従来型の駆動システムであり、具体的構成としては、鉄道車両用の駆動システム100のP側を直流架線111に接続もしくは開放するパンタグラフ(Pan)112、架線電力で走行中の異常時に高速で鉄道車両用の駆動システム100を開放状態にする架線高速遮断器(HB)113、通常時の鉄道車両用の駆動システム100の開放・導通状態を制御する主回路接触器(LB)114、サージなどの急激な電流変化を抑制するリアクトル(FL)115、直流電力を入力し駆動用モータ118を駆動させる三相交流電力を出力するインバータ(INV)116、直流電力を入力し補器用の交流と直流電力を出力する静止型インバータ(SIV)117、AC440V電力で駆動する補器117a(補器1)、AC100V電力で駆動する補器117b(補器2)、DC100V電力で駆動する補器117c(補器3)、インバータ116の三相交流電力を入力し力行時は動力を出力し回生時には回生電力を出力する誘導電動機M118および鉄道車両用の駆動システム100のN側を接地する接地点119(多くは車輪経由で線路に接地)を有する。First, the DC electric
次に、非電化区間対応システム120は、鉄道車両用の駆動システム100が非電化区間を走行するために直流電車駆動システム110に接続されるシステムであり、蓄電池から電力を充放電する蓄電池システム121、直流架線電力を降圧し蓄電池システム121に供給する降圧DC/DCコンバータ122と、異常時に高速で蓄電池システム121を開放状態にする蓄電池高速遮断器(BTHB)124を有する。Next, the non-electrified section
ここで、架線高速遮断器113および蓄電池高速遮断器124は、鉄道車両用の駆動システム100のシステム起動時に導通状態、システム終了時に開放状態となり、システム起動中において、異常時以外は常に導通状態にある。Here, the overhead line high-
制御装置130は、鉄道車両用の駆動システム100を制御する装置であり、直流電車駆動システム110、非電化区間対応システム120および運転台140から入力された情報を基に、直流電車駆動システム110および非電化区間対応システム120の各機器を制御し、運転台140へ必要情報を出力する。The
運転台140は、運転士のとのインターフェイスであり、鉄道車両用の駆動システム100の情報を受信し運転士へ表示すると共に、運転士の操作を制御装置130へ送信する。The
蓄電池システム121は、接触器の開閉によってシステム電圧を変更できる蓄電池システムであり、蓄電池ユニット121aと121b、直列用接触器121cおよび並列用接触器121dと121eを有する。
The
蓄電池ユニット121aと121bは、少なくとも1つの蓄電池セルを有し、この蓄電池セルを直並列に接続するものである。一般に、鉄道用システムのような大型の蓄電池システムの蓄電池ユニット内部には、複数のセルを電気的に直並列に接続した上で外部に接続する出力端子を有し、セルコントローラと呼ばれるコントローラー基板を内蔵した蓄電池モジュールと呼ばれる単位で蓄電池が内包される。
The
ここで、蓄電池ユニットの電圧および電荷容量を決定するのは、セル単位での直列数と並列数である。蓄電池ユニット内部のセル直列数を増やすことで蓄電池ユニットの電圧を上昇させ、セル並列数を増やすことで蓄電池ユニットの電荷容量を増加させることができる。Here, the voltage and charge capacity of the battery unit are determined by the number of cells connected in series and in parallel. Increasing the number of cells connected in series inside the battery unit increases the voltage of the battery unit, and increasing the number of cells connected in parallel increases the charge capacity of the battery unit.
直列用接触器121c、並列用接触器121dと121eは、主回路接触器114や蓄電池システム接触器123と同様の電磁接触器であり、一般的に対抗する2極の板を電磁的に移動させ接触状態を開閉することで、回路の導通(オン状態)と開放(オフ状態)を遠隔的に操作することが可能である。The
蓄電池ユニット121aおよび121bの正極同士並びに負極同士それぞれを、並列用接触器121dおよび121eそれぞれを介して接続する。また一方で、蓄電池ユニット121aおよび121bそれぞれの正極と負極間を、直列用接触器121cを介して接続し、負極側に直列用接触器121cが接続されたユニットが高電圧側、正極側に直列用接触器121cが接続されたユニットが低電圧側に配置される。The positive and negative poles of the
蓄電池システム121は、直列用接触器121cがオン状態で並列用接触器121dおよび121eがオフ状態の時に、2つの蓄電池ユニット121aおよび121bは直列状態となり、他方、直列用接触器121cがオフ状態で並列用接触器121dおよび121eがオン状態の時に、2つの蓄電池ユニット121aおよび121bは並列状態となる。蓄電池ユニット121aおよび121bの内部構成が同一である場合には、直列繋ぎ状態は並列繋ぎ状態の2倍の電圧となる。In the
なお、各蓄電池ユニットは、並列接続時は同電圧であるが、直列接続された状態では同電流は流れるが自発的に同電圧とはならない。直列接続時にユニット間に電圧差があるまま並列接続をすると横流が発生するため、直列接続時も同電位であることが望ましい。また、各蓄電池ユニット内の内部のセル直並列が一致している場合、電池の劣化率などが一致すれば、理想的には直並列を切り替えても各蓄電池ユニット間の電圧は同一となる。 When connected in parallel, each storage battery unit has the same voltage, but when connected in series, the same current flows but the voltages do not spontaneously become the same. If a voltage difference exists between the units when connected in series and then they are connected in parallel, cross currents will occur, so it is desirable for the units to be at the same potential even when connected in series. Also, if the internal series-parallel cell arrangements within each storage battery unit are the same, and the battery deterioration rates, etc. are the same, then ideally the voltage between each storage battery unit will be the same even when switching between series and parallel.
蓄電池システム121内のユニット数とその直並列構成については、図1に示す2つの蓄電池ユニットが2直1並または1直2並と接続されるものに制限されない。図2は、N個の蓄電池ユニットを有する蓄電池システムの構成例を示す図である。
図2に示す蓄電池システム121のユニット数N(BT1~BTN)に対して、N=n1×n2となる、1を含めた2つの約数n1とn2がある場合には、一般にn1直n2並またはn2直n1並の接続状態を取ることが可能であり、蓄電池システム121の電圧と容量を柔軟に切り替えることができる。
The number of units in the
For the number of units N (BT1 to BTN) in the
降圧DC/DCコンバータ122は、入力された直流電圧を、降圧して出力する機器である。図3は、降圧DC/DCコンバータ122の構成の一例を示す図である。
図3に示す降圧DC/DCコンバータ122は、FETなどのスイッチ素子(SW1)122a、ダイオード(D1)122b、コイル(FL1)122cおよびコンデンサ(C1)122dから成る。コンデンサ(C1)122dはリプル電圧の平坦化のための素子であって、負荷の性質によっては必ずしも必要ではない。なお、降圧DC/DCコンバータ122は、図2に示す構成によらず、一般的に電圧変換する機器であればよい。
The step-down DC/
The step-down DC/
降圧DC/DCコンバータ122には外部接続端子P、NおよびPLowがあり、スイッチ素子(SW1)122aのスイッチングで生じたパルス電圧をLCによるフィルタで平滑化し、PN間の直流電圧をPLowとN間で電圧降圧して出力する。
図3に示す降圧DC/DCコンバータ122の構成は、P端子で電流を入れ、PLow端子で電流を出す方向にしか動作しないが、実施例1の降圧DC/DCコンバータ122は、蓄電池システム121の充電のみを実施するので十分である。DC/DCコンバータ122の出力を0とする場合は、スイッチ素子(SW1)122aを非導通状態とする。
The step-down DC/
3 operates only in the direction of inputting a current at the P terminal and outputting a current at the PLow terminal, but the step-down DC/
DC/DCコンバータによる電圧変換は、スイッチ素子のスイッチング動作を利用して電圧変換するため、一般にリニアレギュレータのように抵抗器による電圧降下を利用する手法に比べて効率が優れる。そのため、特に、鉄道車両のような大電力を消費する用途で採用される。 DC/DC converters use the switching action of switch elements to convert voltage, so they are generally more efficient than linear regulators, which use a resistor to drop the voltage. For this reason, they are used particularly in applications that consume large amounts of power, such as railway vehicles.
また一般に、降圧DC/DCコンバータの最小構成と昇圧DC/DCコンバータの最小構成とは異なるため、降圧と昇圧とが双方可能なDC/DCコンバータは、双方の回路を有する必要があり、昇圧または降圧のみの構成のDC/DCコンバータより大形かつ高コストとなる。 In addition, since the minimum configuration of a step-down DC/DC converter and a step-up DC/DC converter are generally different, a DC/DC converter capable of both step-down and step-up must have both circuits, making it larger and more expensive than a DC/DC converter that is only step-up or step-down configured.
蓄電池システム接触器(BPK)123は、蓄電池システム121の直流電圧に対して、直流電車駆動システム110への導通(オン)または開放(オフ)の状態を制御する。The battery system contactor (BPK) 123 controls the conductive (on) or open (off) state of the DC
電化区間では、架線電圧を蓄電池システム121に直接印加することを避け、降圧DC/DCコンバータ122を経由した電圧を印加するため、蓄電池システム接触器123は開放状態とする。In electrified sections, the overhead line voltage is not applied directly to the
非電化区間では、蓄電池システム121の直流電圧を、直流電車駆動システム110へ直接印加するため、蓄電池システム接触器123は導通状態とする。この時、降圧DC/DCコンバータ122は、スイッチ素子122aを開放し、開放状態とする。In non-electrified sections, the DC voltage of the
蓄電池高速遮断器124は、非常時に蓄電池システム121を他回路から高速に遮断するための接触器である。
The battery high-
図4は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100の制御装置130の機能構成を示す図である。図4に示す機能構成は、本発明に係る制御のための構成であって、一般にはその他の機能も有する。
制御装置130は、蓄電池状態管理部131、車両制御論理部132および主回路切替制御部133から構成される。制御装置130の機能としては、運転台140または図示しない車両監視機器によって各種操作指令や鉄道車両用の駆動システム100の各種機器の状態情報を入手し、鉄道車両用の駆動システム100の各種機器を制御すると共に、運転台140に対して運転士に認知させるべき運転台表示情報を送信する。
Fig. 4 is a diagram showing a functional configuration of the
The
蓄電池状態管理部131は、蓄電池システムの状態を監視し状態演算を行い、電池電圧、電池電流および電池温度などの情報を入力し、蓄電池システム121の充電率、許容電流および電池使用可否判定を出力する。電池電圧、電池電流および電池温度などは、蓄電池モジュールが有するセンサの測定値が、セルコントローラから送信されてもよく、またこのセンサが蓄電池モジュール外部に外付けされていてもよい。The battery
ここで、充電率は、電池の満充電時の電荷容量に対して、現在の蓄電池がどれだけ電荷を残しているかを示す指標である。この充電率は、電池に流れる電流の積分値と、開放電圧と呼ばれる電池の非通電時の電圧から算出する。Here, the charging rate is an index that indicates how much charge the battery currently has remaining compared to the charge capacity when the battery is fully charged. This charging rate is calculated from the integral value of the current flowing through the battery and the voltage of the battery when it is not energized, called the open circuit voltage.
許容電力は、電池が充放電可能な電力の予測値であり、一般に、電池が使用可能な上限電圧に到達する充電電力または電池が使用可能な下限電圧に到達する放電電力の予測値である。この許容電力は、電池の充電率から開放電圧を予測し、充電率と温度から電池抵抗を予測した上で、上限電圧または下限電圧に当たるセル電力として予測できる。 The allowable power is the predicted value of the power that the battery can charge and discharge, and is generally the predicted value of the charging power at which the upper limit voltage of the battery is reached or the discharge power at which the lower limit voltage of the battery is reached. This allowable power can be predicted as the cell power at the upper or lower limit voltage after predicting the open circuit voltage from the battery's charging rate and the battery resistance from the charging rate and temperature.
電池使用可否判定は、電池が充放電可能な判定部である。この判定により、電池が温度、充電率および電圧の観点に基づく高閾値より高い場合または低閾値より低い場合に、安全性や劣化抑制の観点から電池の使用(充放電)を停止する。The battery usability determination unit is a unit that determines whether the battery can be charged or discharged. If the battery is higher than a high threshold or lower than a low threshold based on temperature, charging rate, and voltage, this determination stops the use (charging and discharging) of the battery from the perspective of safety and preventing deterioration.
以上の充電率、許容電力および電池使用可能判定は、一般に、電池システム全体を単位として演算するより、より細分化した単位で演算する方が、制御の精度や安全性を向上させることができる。本発明の各実施例では、演算対象をシステム全体からセル単位まで限定しない。 Generally, the above charging rate, allowable power, and battery usability determination can be calculated in smaller units rather than the entire battery system, which can improve control accuracy and safety. In each embodiment of the present invention, the calculation target is not limited to the entire system or to the cell unit.
車両制御論理部132は、制御装置130の内、車両駆動に関わるインバータやコンバータなどの変換器の出力を演算し制御すると共に、異常状態を検知して高速遮断器による回路遮断を制御する。具体的に、車両制御論理部132は、運転台140から得られる運転指令、補器使用指令および非常停止指令、蓄電池状態管理部131から得られる充電率、許容電力および電池使用可否判定、並びに、各機器自身または図示しない測定器から得られるパンタグラフ状態、接触器状態および車両状態、を入力とし、架線高速遮断器113および蓄電池高速遮断器124をそれぞれ開閉させる高速遮断器開閉信号、降圧DC/DCコンバータ122の出力を制御する降圧DC/DCコンバータ出力指令値、インバータ116の出力を制御するインバータ出力指令値、静止型インバータ117の出力を制御する静止型インバータ出力指令値および運転台140に対する運転台表示情報、を出力する。The vehicle
ここで、車両状態とは、車両制御に必要な一般的な状態情報であり、例えば、車両の速度、位置、乗車重量、降雨降雪状態、気温、車内温度およびドア開閉状態などが用いられるが、特にこれら情報に限定されない。Here, vehicle status refers to general status information necessary for vehicle control, such as vehicle speed, position, passenger weight, rainfall/snowfall conditions, air temperature, interior temperature, and door open/close status, but is not limited to these information.
降圧DC/DCコンバータ122の出力、インバータ116の出力および静止型インバータ117の出力に関しては、車両の運転速度と加減速などの運転指令、補器使用指令などによって、各種機器の消費電力を予期してそれらの出力指令値を演算し動作させる。Regarding the output of the step-down DC/
降圧DC/DCコンバータ122の出力指令値、インバータ116の出力指令値および静止型インバータ117の出力指令値は、各電力変換器のスイッチング素子がトランジスタである場合、一般に矩形波のPWM信号である。このPWM信号は、各電力変換器に内蔵された図示しないゲートドライブ装置によって、トランジスタを開放状態または導通状態にするためのゲート電圧を出力する。The output command value of the step-down DC/
運転台表示情報とは、運転士が表示確認するべき情報であり、各種機器の異常フラグ、パンタグラフ状態および電池の充電率などが該当する。ただし、これら情報に限定されるものではない。 Cab display information refers to information that the driver should check and display, such as abnormality flags for various devices, pantograph status, and battery charge rate. However, it is not limited to this information.
高速遮断器開閉信号としては、運転台140から入力される非常停止指令または車両制御論理部132が各種機器の状態を判定して、回路遮断が必要な異常を検知した場合に、架線高速遮断器113および蓄電池高速遮断器124の遮断信号が出力される。架線高速遮断器113および蓄電池高速遮断器124は、通常時は導通状態にある。As for the high-speed circuit breaker opening/closing signal, when an emergency stop command is input from the
主回路切替え制御部133は、主回路のパンタグラフおよび接触器を制御し、主回路の導通経路の切り替えを制御する。具体的に、主回路切替え制御部133は、運転台140から得られる接触器開閉指令、パンタグラフ上下指令、パンタグラフ状態および接触器状態を入力とし、パンタグラフ112を上下させるためのパンタグラフ上下信号、各種接触器114、123、121c、121dおよび121eをそれぞれ開閉させるための接触器開閉信号を出力する。The main circuit switching
図5は、実施例1に係る、直列用接触器121cおよび並列用接触器121dと121eの連動回路を示す図である。実施例1では、直列用接触器121cと並列用接触器121dおよび121eのいずれかとが同時に導通状態であると、蓄電池ユニットが短絡し大電流が流れて危険である。そのため、制御装置130は、直列用接触器121cと並列用接触器121dおよび121eのいずれかとが同時に導通状態とならないように、接触器状態を監視しながらシーケンス制御を行うソフト的な安全構造を有すると共に、それに優先される構造としてハードウェア上の安全構造を有することが望ましい。5 is a diagram showing an interlocking circuit of the
図5に示すように、一般に接触器は、接触器の主回路動作と連動する接点および接点動作時に磁場を発生させ他の接触器の開閉状態を操作するコイルを有する。直列用接触器121cの接触器制御b接点121c1は、通電時に直列用接触器121cと反転し開閉するb接点である。直列用接触器121cが導通状態である時、b接点121c1は開放状態であり、接触器制御コイル121c2は磁場を発さず、この時、並列用接触器121dおよび121eは、制御装置130の信号に依らず開放状態となる。直列用接触器121cが開放状態であるとき、b接点121c1は導通状態であり、接触器制御コイル121c2は磁場を発し、この時、並列用接触器121dおよび121eは、制御装置130の信号が導通指令の場合、導通状態を取ることができる。同様に、並列用接触器121dおよび121eの少なくとも一方が導通状態である時、直列用接触器121cは 制御装置130の信号に依らず開放状態をとり、並列用接触器121dおよび121eの両方が開放状態であるとき、直列用接触器121cは制御装置130の信号が導通指令の場合、導通状態を取ることができる。すなわち、直列用接触器121cと並列用接触器121dおよび121eとは、それぞれの導通状態および開放状態が相互に排他的である。As shown in FIG. 5, a contactor generally has a contact that is linked to the main circuit operation of the contactor and a coil that generates a magnetic field during contact operation to operate the open/close state of other contactors. The contactor control b contact 121c1 of the
図6は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100の制御表を示す図である。
各条件に対して、制御操作を実施してパンタグラフ、接触器、コンバータおよびインバータを操作する。蓄電池の充放電状態は、これらの操作によって受動的に決定される。また、制御の条件全体は、電化/非電化区間、充電可能状態および運転状態によって定まる。
FIG. 6 is a diagram showing a control table of the
For each condition, control operations are performed to operate the pantograph, contactor, converter and inverter. The charge/discharge state of the battery is passively determined by these operations. The overall control conditions are determined by the electrified/non-electrified section, the chargeable state and the operating state.
まず、パンタグラフおよび接触器の操作は、電化/非電化区間によって定まり、電化区間では架線電力を受電する回路構成に、非電化区間では蓄電池システム121の電力で走行可能な回路構成に、切り替える。切り替えに関しては、運転士の操作が運転台140を経由して実施されてもよいし、制御装置130が自動的に操作してもよい。First, the operation of the pantograph and contactor is determined by whether the section is electrified or non-electrified, and in electrified sections, the circuit configuration is switched to one that receives overhead power, and in non-electrified sections, the circuit configuration is switched to one that allows the train to run on power from the
次に、コンバータおよびインバータの操作は、充電可能状態と運転状態とによって定まる。充電可能状態とは、電池の充電率が満充電率状態か非満充電率状態かを示し、満充電状態では更なる充電は避け、非満充電状態では満充電までは許容電力以下の充電を継続する。運転状態とは、鉄道車両の誘導電動機118の稼働状態を指し、車両が誘導電動機118の出力トルクによって速度を上昇させる力行状態、車両が誘導電動機118によって加速も減速もされない惰行または停車状態、車両が誘導電動機118で発電させながら減速する回生状態に区分される。Next, the operation of the converter and inverter is determined by the chargeable state and the operating state. The chargeable state indicates whether the battery is fully charged or not. In the fully charged state, further charging is avoided, and in the not fully charged state, charging continues below the allowable power until the battery is fully charged. The operating state refers to the operating state of the
図7は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100の電化区間における回路図100aである。電化区間(図6に示す条件のNo.1~6の場合)では、図7に示す回路図100aと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。
Figure 7 is a circuit diagram 100a in an electrified section of a railway
電化区間では、鉄道車両用の駆動システム100は、架線111の直流電力がインバータ116および静止型インバータ117に供給されると共に、降圧DC/DCコンバータ122で降圧し、並列状態で電圧が低下した蓄電池システム121を充電する。パンタグラフ112は、架線から電力供給を受けるために上げ(オン)状態とする。主回路接触器114は、必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。蓄電池システム接触器123は、仮に導通させると架線電圧が蓄電池システム121に直接印加され、充電速度と充電到達電圧を制御することができないため開放(オフ)状態とする。蓄電池システム121が架線111より低電圧とするため、直列用接触器121Cを開放(オフ)状態とし、並列用接触器121dと121eを導通(オン)状態とする。In an electrified section, the
図6に示す電化区間条件No.1~6では、充電可能状態と運転状態とが異なり、コンバータ・インバータ操作と蓄電池充放電操作が異なる。静止型インバータ117は、条件No.1~6で常に動作している。条件No.1~6では、車両の消費電力は、全て架線111からまたは回生電力から供給され、蓄電池システム121は充電もしくは停止している。
In electrified section conditions No. 1 to 6 shown in Figure 6, the chargeable state and operating state are different, and the converter/inverter operation and the battery charge/discharge operation are different. The
No.1は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、架線電力で誘導電動機118を力行動作し、蓄電池システム121を並列状態で降圧DC/DCコンバータ122を介し充電する。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118を力行させる3相交流電力を供給し、降圧DC/DCコンバータ122はオンし電池に直流の充電電力を出力する。
No. 1 is a case where the section is electrified, the battery is not fully charged, and the operating state is powered. At this time, the
No.2は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、架線電力で誘導電動機118を力行動作し、蓄電池システム121は充放電しない。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118を力行させる3相交流電力を供給し、降圧DC/DCコンバータ122はオフする。
No. 2 is the case where the train is in an electrified section, the battery is fully charged, and the train is in a powered operating state. At this time, the
No.3は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両庁の駆動システム100は、誘導電動機118を動作させず、蓄電池システム121を充電する。そのため、インバータ116はオフし、降圧DC/DCコンバータ122はオンし電池に直流の充電電力を出力する。
No. 3 is a case where the train is in an electrified section, the battery is not fully charged, and the train is coasting or stopped. At this time, the Railroad Rolling Stock Agency's
No.4は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、誘導電動機118を動作させず、蓄電池システム121は充放電しない。そのため、インバータ116はオフし、降圧DC/DCコンバータ122はオフする。
No. 4 is a case where the train is in an electrified section, the battery is fully charged, and the train is coasting or stopped. At this time, the
No.5は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が回生の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、誘導電動機118を回生動作し、蓄電池システム121を並列状態で充電する。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118から回生による3相交流電力を得て直流電力に変換し、降圧DC/DCコンバータ122はオンし電池に直流の充電電力を出力する。
No. 5 is a case where the train is in an electrified section, the battery is not fully charged, and the operating state is regeneration. At this time, the
No.6は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が回生の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、誘導電動機118を回生動作し、蓄電池システム121は充放電しない。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118から回生による3相交流電力を得て直流電力に変換し、降圧DC/DCコンバータ122はオフする。回生電力は、静止型インバータ117で消費されると共に、架線111へ流される。
No. 6 is the case where the train is in an electrified section, the battery is fully charged, and the operating state is regenerative. At this time, the
図8は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100の非電化区間における回路図100bである。非電化区間(図5に示す条件のNo.7~12の場合)では、図8に示す回路図100bと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。
Figure 8 is a circuit diagram 100b in a non-electrified section of the railway
非電化区間では、鉄道車両用の駆動システム100は、蓄電池システム121を直列状態とし、電圧を架線電圧近辺まで上昇させた上で、インバータ116および静止型インバータ117に供給する。回生時は、インバータ116から出力される直流電力を蓄電池システム121に充電する。パンタグラフ112は、架線から分離するため下げ(オフ)状態とする。主回路接触器114は必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。蓄電池システム接触器123は、必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。蓄電池システム121が架線111と同程度の電圧とするため、直列用接触器121Cを導通(オン)状態とし、並列用接触器121dおよび121eを開放(オフ)状態とする。蓄電池高速遮断器124と降圧DC/DCコンバータ122の間には特に接触器を配置せずとも、スイッチ素子122aを開放状態にすれば、降圧DC/DCコンバータ122は遮断される。In non-electrified sections, the
図6に示す非電化区間の条件No.7~12では、充電可能状態と運転状態が異なり、コンバータ・インバータ操作が異なる。静止型インバータ117は、条件No.7~12で常に動作している。降圧DC/DCコンバータ122は、条件No.7~12で常にオフであり、電流遮断状態である。条件No.7~12では、車両の消費電力は、全て蓄電池システム121からまたは回生電力から供給され、蓄電池システム121は、放電、充電または停止している。
In the non-electrified section under conditions No. 7 to 12 shown in FIG. 6, the chargeable state and operating state are different, and the converter/inverter operation is different. The
No.7は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、蓄電池電力により誘導電動機118を力行動作し、蓄電池システム121は、直列状態で放電する。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118を力行させる3相交流電力を供給する。
No. 7 is a case where the battery is not fully charged in a non-electrified section and the operation state is powered. At this time, the
No.8は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100の動作は、No.7に等しい。No. 8 is a case where the battery is fully charged and the train is in a powered running state in a non-electrified section. At this time, the operation of the
No.9は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、誘導電動機118を動作させず、蓄電池システム121は直列状態で放電する。そのため、インバータ116はオフする。
No. 9 is a case where the battery is not fully charged in a non-electrified section and the train is coasting or stopped. At this time, the
No.10は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100の動作はNo.9に等しい。No. 10 is a case where the battery is fully charged in a non-electrified section, and the train is coasting or stopped. At this time, the operation of the
No.11は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が回生状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム100は、誘導電動機118を回生動作し、蓄電池システム121は直列状態で充電する。そのため、インバータ116はオンし、誘導電動機118から回生による3相交流電力を得て直流電力に変換する。
No. 11 is a case where the battery is not fully charged in a non-electrified section and the operating state is a regenerative state. At this time, the
No.12は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が回生状態の場合である。この時、回生電力の受け入れ先である蓄電池システムは充電不可能であるため、鉄道車両用の駆動システム100は、車両のブレーキを誘導電動機118の回生動作ではなく、図示していないエアブレーキのような異なる方式のブレーキで実施する。蓄電池システム121は、静止型インバータ117の動作のため直列状態で放電する。
No. 12 is a case where the battery is fully charged in a non-electrified section and the operation state is regenerative. At this time, the battery system that receives the regenerative power cannot be charged, so the
以上、12の異なる条件の制御によって、鉄道車両用の駆動システム100は、電化区間と非電化区間で、蓄電池システム121の充電可能状態に応じ、力行運転、惰行または停車および回生運転が可能となる。
By controlling the 12 different conditions described above, the railway
図9は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100が、電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置130であるが、以下では動作主体の表記を省略する。
Figure 9 is a diagram showing, in tabular form, the sequence when the
Step1は、切替開始状態ステップである。切替開始時、車両は電化区間に在線している必要がある。この時、鉄道車両用の駆動システム100の回路状態は、図6に示すNo.4と同一である。
Step2では、静止型インバータ117をオフする。ここで、制御装置130や各パンタグラフおよび接触器は、図示しない制御機器用蓄電池により動作可能である。In
Step3では、パンタグラフ112をオフし(下げ)、鉄道車両用の駆動システム100を直流架線111から遮断する。
Step4では、主回路接触器114をオフする。
In
In
Step5では、並列用接触器121dおよび121eをオフし、各蓄電池ユニットを分離する。
Step6では、直列用接触器121cをオンし、各蓄電池ユニットを直列接続する。
In
In
Step7では、蓄電池システム接触器123をオンし、蓄電池システム121の電圧を主回路接触器114まで引く。
In
Step8では、蓄電池システム121をオンし、蓄電池システム121の電圧を直流電車駆動システム110に印加する。In
Step9では、静止型インバータ117をオンし、切替を完了する。この時、鉄道車両用の駆動システム100の回路状態は、図6に示すNo.10と同一である。In
図10は、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100が、非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置130であるが、以下では動作主体の表記を省略する。
Figure 10 is a diagram showing, in tabular form, the sequence when the
Step1は、切替開始状態ステップである。切替開始時、車両は電化区間に在線している必要がある。この時、鉄道車両用の駆動システム100の回路状態は、図6に示すNo.10と同一である。
Step2では、静止型インバータ117をオフする。ここで、補器用電源が遮断されるが、制御装置130や各パンタグラフおよび接触器は、図示しない制御機器用蓄電池により動作可能である。In
Step3では、蓄電池システム接触器123をオフし、蓄電池システム121の電圧を直流電車駆動システム110から遮断する。
Step4では、主回路接触器114をオフする。
In
In
Step5では、直列用接触器121cをオフし、各蓄電池ユニットを分離する。
Step6では、並列用接触器121dおよび121eをオンし、各蓄電池ユニットを並列接続する。
In
In
Step7では、パンタグラフ112をオンし(上げ)、鉄道車両用の駆動システム100を直流架線111へ導通させる。In
Step8では、主回路接触器114をオンし、鉄道車両用の駆動システム100を直流架線111と接続する。In
Step9では、静止型インバータ117を稼働し、切替を完了する。この時、鉄道車両用の駆動システム100の回路状態は、図6に示すNo.5と同一である。In
次に、実施例1の効果を説明するため、前提となる一般的な蓄電池の充電と放電描写について説明する。
図11は、蓄電池システムの最も簡単な電圧等価回路400を示す図である。内部の蓄電池セルの直並列数に寄らず任意の蓄電池システムは、電圧等価回路400で表現できる。
Next, in order to explain the effects of the first embodiment, a description will be given of charging and discharging of a general storage battery, which is the premise of the first embodiment.
11 is a diagram showing the simplest voltage
電圧等価回路400は、合成理想電池401および合成電池抵抗402を有する。合成理想電池401は、内部の電池直列数に応じた開放電圧OCVと電荷容量Qを有する。開放電圧OCVは、蓄電池に電流が流れない場合の電圧であり、合成理想電池の充電率SOCの関数である。充電率SOCは、電池が電荷容量に対して残す電荷の比率を示す指数であり、電池利用開始時のSOCをSOC0とすれば、以下の(式1)で定義できる。
合成電池抵抗Rは、蓄電池システム内部のセル内部抵抗と配線抵抗などを組み合わせた合成抵抗であり、セルの直並列構成に応じた値である。また、合成電池抵抗Rは、一般に、電池温度、電池充電率、電流値および通電時間などに依存する複雑な関数であるが、ここでは議論しない。The combined battery resistance R is a combined resistance that combines the internal cell resistance and wiring resistance inside the battery system, and is a value that corresponds to the series-parallel configuration of the cells. In addition, the combined battery resistance R is generally a complex function that depends on the battery temperature, battery charging rate, current value, and current flow time, but this will not be discussed here.
さて、蓄電池システムの端子間電圧である閉回路電圧CCVは、開放電圧OCV、充電率SOC、合成電池抵抗Rおよび電流I(充電が正、放電が負)を用い、以下の(式2)で定義できる。
ここで、(式2)が示す実施例1に関連する事実として、以下の2つがある。
第一に、蓄電池システムの充電には、目標充電率SOCにおける開放電圧OCV以上の閉回路電圧CCVを印加する必要があること、および、充電速度は電流値そのものであるため、充電速度は閉回路電圧CCVと開放電圧OCVの差に比例することである。
第二に、蓄電池システムは、目的の出力電圧である閉回路CCVで電流Iを出力するためには、電圧低下分RIを加味してOCVは目的の出力電圧以上が必要という点である。
Here, there are two facts related to the first embodiment indicated by (Equation 2) as follows.
First, to charge the battery system, it is necessary to apply a closed circuit voltage CCV that is equal to or greater than the open circuit voltage OCV at the target charging rate SOC, and since the charging rate is the current value itself, the charging rate is proportional to the difference between the closed circuit voltage CCV and the open circuit voltage OCV.
Secondly, in order for the battery storage system to output a current I through a closed circuit CCV, which is the target output voltage, the OCV must be equal to or higher than the target output voltage, taking into account the voltage drop RI.
以上の図11の説明を踏まえて、本発明の効果を図12により説明する。
図12は、実施例1による効果を示すための電圧関係を示す図である。各棒グラフは、左から、架線電圧201、2直1並時の蓄電池システムの電圧202および1直2並時の蓄電池システムの電圧203を示している。ここで、図12に示す蓄電池システムの電圧は、閉回路電圧である。
Based on the above explanation of FIG. 11, the effect of the present invention will be explained with reference to FIG.
Fig. 12 is a diagram showing voltage relationships to show the effects of Example 1. From the left, each bar graph shows an
架線電圧201は、定格電圧Vpan,ratedで常時動作はせず、架線によって接続された変電所の供給電力および他の車両の力行または回生状況など、電力の需給バランスに応じ、最小電圧Vpan,min、最大電圧Vpan,maxまで変動する。The
蓄電池システム121は、蓄電池ユニット121aおよび121bを有し、それぞれの内部構造が同一とすると、一般に、蓄電池は、(式2)のように蓄電池の充電率および電流に応じた閉回路電圧を有する。そのため、蓄電池ユニットも定格電圧Vuni,ratedで常時動作するわけではなく、最小電圧Vuni,min、最大電圧Vuni,maxまで変動する。蓄電池の定格電圧Vuni,ratedは、蓄電池の充電目標充電率での開放電圧とする。Vuni,minおよびVuni,maxは、蓄電池システムの安全および寿命を考慮した最小閉回路電圧および最大閉回路電圧であり、充電率が最小時および最大時の開放電圧とほぼ一致する。
The
電化区間では、蓄電池システムの電圧は、1直2並時の蓄電池システムの電圧203を有するので、蓄電池システム121の電圧は、蓄電池ユニットの電圧と同一となり、定格電圧Vuni,ratedで、最小電圧Vuni,minから最大電圧Vuni,maxまで変動する。ここで重要な点は、(式3)に示すように、1直2並時の蓄電池システムの電圧203の最大電圧Vuni,maxが、架線電圧201の最小値Vpan,minの電圧を下回ることである。
(式3)に示す電圧関係が満たされることで、実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100は、直流架線111の電圧を降圧DC/DCコンバータ122で降圧するのみで、直流架線111の電圧が変動していても、蓄電池システム121を最大充電率から最小充電率まで任意の電圧に充電することが可能である。
By satisfying the voltage relationship shown in (Equation 3), the railway
これによって、降圧DC/DCコンバータ122を昇圧降圧DC/DCコンバータにする必要が無く、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。なお、電池構成の都合などで(式3)に示す電圧関係をとれず、(式4)に示す電圧関係となる場合、蓄電池システムは、変動するパンタグラフの電圧に対応する開放電圧の充電率まで充電可能である、
他方、非電化区間における蓄電池システムの電圧は、2直1並時の蓄電池システムの電圧202を有するので、蓄電池システム121の電圧は、蓄電池ユニットの電圧の2倍と同一となり、定格電圧2Vuni,ratedで、最小電圧2Vuni,minから最大電圧2Vuni,maxまで変動する。On the other hand, since the voltage of the battery system in the non-electrified section is the
一般に、インバータ116や静止型インバータ117は、架線電圧201の定格値Vpan,ratedで電力変換効率が最大化されるように設計されているが、通常変動した架線電圧内でも動作する。そのため、(式2)で定義される2直1並時の蓄電池システムの電圧202は、(式5)に定義される閉回路電圧CCVが、概ね最小電圧Vpan,minから最大電圧Vpan,maxの間にあればよい。
以上のとおり、蓄電池システム121は、変圧することなく自身の直流電圧でインバータ116および静止型インバータ117を動作可能であり、DC/DCコンバータを有する回路に比べ、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。As described above, the
実施例1は、本発明を直流架線111で駆動する直流電車駆動システムに対して適用したものであるが、本発明は、交流架線を使用する鉄道車両駆動システムにも適用可能である。
図13は、図1に示す鉄道車両用の駆動システム100の内、直流電車駆動システム110を交流電車駆動システム110’に置き換えた構成を示す図である。
In the first embodiment, the present invention is applied to a DC electric railcar drive system that is driven by a DC
FIG. 13 is a diagram showing a configuration in which the DC electric
交流電車駆動システム110’は、交流架線の電化区間を走行するための交流電車の従来型の駆動システムである。鉄道車両用の駆動システム100は、パンタグラフ112を介し交流架線111’に接続して交流電力を取り込む。交流電力は、架線高速遮断器113を通過し、トランス160を介し交流変圧され、変圧された交流電力は、AC/DCコンバータ150によって直流電力に変換される。The AC electric train drive system 110' is a conventional drive system for an AC electric train for running on an electrified section of an AC overhead line. The
直流電力に変換された後の交流電車駆動システム110’の構成は、直流電車駆動システム110と等しい。このような回路では、電化区間では、AC/DCコンバータ150から架線の変動の影響のない一定のDC電圧が出力されるが、インバータ116および静止型インバータ117の最適動作点電圧で出力される。The configuration of the AC electric train drive system 110' after conversion to DC power is the same as that of the DC electric
先述したように、蓄電池システム121の開放電圧は、(式2)に示す電圧降下分を加味しインバータ等の最適動作点電圧より高い電圧とすることが望ましい。ここで、蓄電池システム121が、通常の直並列切り替えの無い電池である場合、蓄電池の充電制御にはAC/DCコンバータ150の出力電圧から低い電圧から高い電圧まで連続で制御可能な昇圧降圧DC/DCコンバータが必要である。As mentioned above, it is desirable to set the open circuit voltage of the
しかし、本発明に係る蓄電ユニットの直並列切り替えを実施することにより、降圧DC/DCコンバータ122のみで充電の制御が可能となり、回路を簡素化できる。このように、本発明は、直流架線の鉄道車両駆動システムのみを対象とせず、交流架線の鉄道車両駆動システムに対しても同様の効果を奏する。However, by implementing the series-parallel switching of the power storage unit according to the present invention, charging can be controlled only by the step-down DC/
また、図1および図13では、架線から電力を取り込む電車に対して適用したが、本発明は、エンジンで発電しモータ118で駆動する電気式気動車にも適用可能である。
図14は、図1に示す鉄道車両用の駆動システム100の内、直流電車駆動システム110を電気式気動車駆動システム110’’に置き換えた構成を示す図である。
Further, although the present invention is applied to a train that takes in power from an overhead line in the embodiments shown in Figs. 1 and 13, the present invention can also be applied to an electric diesel railcar that generates power using an engine and is driven by a
FIG. 14 is a diagram showing a configuration in which the DC electric
電気式気動車駆動システム110’’は、非電化区間を走行するための従来型の駆動システムである。鉄道車両用の駆動システム100は、エンジン170で発生したトルクで発電機180を回転させて三相交流電力を発電する。交流電力は、AC/DCコンバータ150によって直流電力に変換される。直流電力に変換された後の電気式気動車駆動システム110’’の構成は、直流電車駆動システム110と等しい。このように、電気式気動車に蓄電池を組み合わせた車両を「ハイブリッド気動車」と呼ぶ。The electric diesel railcar drive system 110'' is a conventional drive system for running on non-electrified sections. The
さらにまた、図14に示す、電気式気動車駆動システム110’’の「エンジン170+発電機180+AC/DCコンバータ150」の構成を、燃料電池に置き換えて、直流電車駆動システム110に替わる構成とすることも可能である。Furthermore, the "
本発明を図14に示す電気式気動車へ適用することに関する利点は、図13に示す交流電車への適用の場合と同様に、本発明に係る蓄電ユニットの直並列切り替えを実施することにより、降圧DC/DCコンバータ122のみで充電の制御が可能となり、回路を簡素化できる。このように、本発明は、電気式気動車の鉄道車両駆動システムに対しても同様の効果を奏する。
The advantage of applying the present invention to the electric diesel railcar shown in Figure 14 is that, similar to the application to the AC electric railcar shown in Figure 13, by implementing series-parallel switching of the storage unit according to the present invention, charging can be controlled only by the step-down DC/
また、図13に示す交流電車向け鉄道車両駆動システムに対し、更にAC/DCコンバータ150に並列して、図14に示す電気式気動車駆動システムの発電機180およびエンジン170を接続してもよい。これによって、交流電車としての駆動、電気式気動車としての駆動および蓄電池電車としての駆動を実施可能な主回路構成となる。
In addition, the
実施例1では、降圧DC/DCコンバータ122は、図3に示す単方向の降圧電流しか流せない構成であり、降圧DC/DCコンバータ122は、蓄電池システム121の充電方向の電流のみを流す動作をするため十分であるが、例えば、双方向の電流が流せる双方向降圧DC/DCコンバータ122xであってもよい。In Example 1, the step-down DC/
図15は、実施例1に係る双方向降圧DC/DCコンバータ122xの回路構成を示す図である。双方向降圧DC/DCコンバータ122xは、図3に示す単方向の降圧DC/DCコンバータ122に対して、半導体スイッチ(SW2)122e、ダイオード(D2)122f、コンデンサ(C2)122gおよびコンバータ接触器(CK)122hを付加している点で異なる。ただし、コンデンサ122gは、リプル電圧の平坦化のための素子であって、負荷の性質によっては必ずしも必要ではない。
Figure 15 is a diagram showing the circuit configuration of a bidirectional step-down DC/
この構成によって、双方向降圧DC/DCコンバータ122xは、蓄電池システム121を充電する方向(P端子から電流が入力され、PLow端子から電流が出力される)だけでは無く、放電する方向(P端子から電流が出力され、PLow端子から電流が入力される)方向にも電流を流すことが可能である。ただし、この場合、PLow端子の電圧がP端子より低圧であるという電圧の大小関係は変化しないので、昇圧はできない。
With this configuration, the bidirectional step-down DC/
双方向降圧DC/DCコンバータ122xを用いることによって奏する効果を以下に示す。
第一に、図8に示す非電化区間の回路構成により走行し、回生電力により意図せず満充電状態と定義したSOCを上回った充電状態となり、そのまま電化区間に入り図7に示す回路構成に切り替わった場合でも、余分な充電量を双方向降圧DC/DCコンバータ122xで昇圧し、直流電車駆動システム110へ放電することで、充電量を低下させることができ、電池の安全と延命に寄与する。
The effects achieved by using the bidirectional step-down DC/
First, even if the vehicle runs using the circuit configuration in the non-electrified section shown in FIG. 8 and unintentionally reaches a charged state above the SOC defined as a fully charged state due to regenerative power, and then enters an electrified section and switches to the circuit configuration shown in FIG. 7, the excess charged amount can be boosted by the bidirectional step-down DC/
第二に、図8に示す非電化区間の回路構成により走行し、意図せずSOCが低下し、蓄電池システム121の電圧が直流電車駆動システム110を変圧せず直接稼働させる電圧を下回った場合でも、通常は走行不可能なところを走行可能とする効果を奏する。この時、蓄電池システム121は直列状態のままであって、蓄電池システム接触器123を開放し、双方向降圧DC/DCコンバータ122xを用いて低圧な蓄電池システム121の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム110を稼働させることが可能となる。
Secondly, even if the SOC drops unintentionally while running using the circuit configuration in the non-electrified section shown in Figure 8 and the voltage of the
第三に、非電化区間で並列用接触器121dおよび121eが故障し、導通状態で溶着して並列状態で固定となった場合に、直列用接触器121cおよび蓄電池システム接触器123を開放し、双方向降圧DC/DCコンバータ122xを用いて低圧な蓄電池システム121の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム110を稼働させることが可能となる。
Thirdly, if the
第四に、非電化区間で蓄電池ユニット121aまたは121bのいずれかが使用不可能となった場合、一方の蓄電池ユニットのみでは、通常は走行不可能であるところを走行可能となる効果を奏する。例えば、蓄電池ユニット121bが故障した場合は、直列用接触器121cと並列用接触器121dとを開放し、並列用接触器121eを導通させ、蓄電池システム121は蓄電池ユニット121aのみを使用する状態とする。双方向降圧DC/DCコンバータ122xを用いて低圧な蓄電池システム121の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム110を稼働させることが可能となる。Fourth, if either the
ただし、双方向降圧DC/DCコンバータ122xは、ダイオード122fの存在によって、PLoW端子側がP端子より高電圧な場合に遮断できない。そのため、双方向降圧DC/DCコンバータ122xは、コンバータ接触器122hを有する。コンバータ接触器122hは、図7に示す電化区間の回路構成時には、導通し双方向降圧DC/DCコンバータ122xを動作させるが、図8に示す非電化区間の回路構成時には、開放し双方向降圧DC/DCコンバータ122xを遮断させる。コンバータ接触器122hは、蓄電池システム接触器123と常に逆の開閉動作をする。However, due to the presence of
実施例1では、蓄電池システム121は、電化区間において図7に示す低電圧状態の回路に切り替わり、図12に示す蓄電池システムの最高電圧を架線の最低電圧より低くすることで、降圧DC/DCコンバータ122の降圧動作のみを用いて充電することが可能である。
それに対して、実施例2では、蓄電池システム121は、電化区間において高電圧状態の回路に切り替わり、蓄電池システムの最低電圧を架線の最高電圧より高くすることで、昇圧DC/DCコンバータの昇圧動作のみを用いて充電することが可能である。
In Example 1, the
In contrast, in Example 2, the
図16は、本発明の実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’のシステム構成を示す図である。昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’の構成は、図1に示す実施例1に係る鉄道車両用の駆動システム100の降圧DC/DCコンバータ122が、昇圧DC/DCコンバータ122yとなった点以外は同一である。実施例1では、蓄電池ユニット121aと121bは、直列時に蓄電池システム121の電圧として直流架線111相当の電圧を有していたが、実施例2では、蓄電池ユニットそれぞれが直流架線111相当の電圧を有する。
Figure 16 is a diagram showing the system configuration of a drive system 100' for boost charging type railway vehicles according to Example 2 of the present invention. The configuration of the drive system 100' for boost charging type railway vehicles is the same as that of the
昇圧DC/DCコンバータ122yは、入力された直流電力を高い直流電圧の電力に変換し出力する機器である。降圧DC/DCコンバータ122には、外部接続端子P、NおよびPHighがあり、PN間の直流電圧を、PHigh-N間で電圧昇圧して出力する。昇圧DC/DCコンバータ122yの内部回路については、降圧DC/DCコンバータ122とは異なるが、本発明の本質では無いため詳述しない。The step-up DC/
図17は、実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’の制御表を示す図である。制御装置130の構成は、実施例1と同一であるため省略する。
制御表では、パンタグラフおよび接触器の操作は電化/非電化区間によって定まり、電化区間では架線電力を受電する回路構成に、非電化区間では蓄電池システム121の電力で走行可能な回路構成に切り替える。
17 is a diagram showing a control table of a boost charge type railway vehicle traction system 100' according to Example 2. The configuration of the
In the control table, the operation of the pantograph and contactor is determined by whether the section is electrified or non-electrified, and in electrified sections, the circuit configuration is switched to one that receives overhead power, and in non-electrified sections, the circuit configuration is switched to one that allows the train to run on power from the
図17に示す実施例2の制御表は、図6に示す実施例1の制御表に対し、直列用接触器121Cおよび並列用接触器121dと121eの各開閉動作が逆転する以外は同一である。The control table for Example 2 shown in Figure 17 is identical to the control table for Example 1 shown in Figure 6, except that the opening and closing operations of the series contactor 121C and the
図18は、実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’の電化区間における回路図100’aである。電化区間(図17に示す条件のNo.1~6)では、図18に示す回路図100’aと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。
Figure 18 is a circuit diagram 100'a in an electrified section of a drive system 100' for a boost charging type railway vehicle according to Example 2. In the electrified section (
電化区間では、以下の接続態様となる。
昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’は、架線111の直流電力がインバータ116および静止型インバータ117に供給されると共に、昇圧DC/DCコンバータ122yで昇圧し、直列状態で電圧が上昇した蓄電池システム121を充電する。
In electrified sections, the following connections will be made:
In the boost charging railway
パンタグラフ112は、架線から電力供給を受けるために上げ(オン)状態とする。
主回路接触器114は、必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。
蓄電池システム接触器123は、仮に導通させると架線電圧が蓄電池システム121に直接印加され、充電速度と充電到達電圧を制御することができないため開放(オフ)状態とする。
The
The
If the storage battery system contactor 123 were to be conductive, the overhead line voltage would be directly applied to the
蓄電池システム121が架線111より低電圧とするため、直列用接触器121Cを導通(オン)状態とし、並列用接触器121dと121eとを開放(オフ)状態とする。
In order for the
図17に示す電化区間における条件のNo.1~6におけるコンバータ・インバータ操作および蓄電池充放電操作は、実施例1の場合と同一である。 Converter/inverter operation and battery charge/discharge operation in conditions No. 1 to 6 in the electrified section shown in Figure 17 are the same as in Example 1.
図19は、実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’の非電化区間における回路図100’bである。非電化区間(図15に示す条件のNo.7~12)では、図19に示す回路図100’bと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。 Figure 19 is a circuit diagram 100'b in a non-electrified section of a drive system 100' for a boost charging type railway vehicle according to Example 2. In a non-electrified section (conditions No. 7 to 12 shown in Figure 15), the circuit state is the same as that of circuit diagram 100'b shown in Figure 19. In the figure, solid lines indicate conductive parts of the circuit, and dotted lines indicate open parts of the circuit.
非電化区間では、以下の接続態様となる。
昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’は、蓄電池システム121を並列状態とし、電圧を、架線電圧近辺まで低下させた上で、インバータ116および静止型インバータ117に供給し、回生時は、インバータ116から出力される直流電力を蓄電池システム121で充電する。
In non-electrified sections, the connections are as follows:
The drive system 100' for a boost charging type railway vehicle has a
パンタグラフ112は、架線から分離するために下げ(オフ)状態とする。
主回路接触器114は、必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。
蓄電池システム接触器123は、必要な経路上にあり、導通(オン)状態とする。
The
The
The
蓄電池システム121が架線111と同程度の電圧とするため、直列用接触器121Cを開放(オフ)状態とし、並列用接触器121dと121eとを導通(オン)状態とする。In order for the
昇圧DC/DCコンバータ122yは、内部のスイッチ素子の開放またはコンバータ接触器によって開放状態にある。The step-up DC/
図17に示す非電化区間における条件のNo.7~12におけるコンバータ・インバータ操作および蓄電池充放電操作は、実施例1の場合と同一である。 The converter/inverter operation and battery charge/discharge operation in conditions No. 7 to 12 in the non-electrified section shown in Figure 17 are the same as those in Example 1.
図20は、実施例2による効果を示すための電圧関係を示す図である。各棒グラフは、左から、架線電圧201、2直1並時の蓄電池システムの電圧202および1直2並時の蓄電池システムの電圧203を示している。ここで、図20で示す蓄電池システムの電圧は、閉回路電圧である。
Figure 20 is a diagram showing voltage relationships to demonstrate the effects of Example 2. From the left, each bar graph shows the
電化区間では、蓄電池システムの電圧は、2直1並時の蓄電池システムの電圧202を有するので、蓄電池システム121の電圧は、蓄電池ユニットの電圧の2倍と同一となり、定格電圧2Vuni,ratedで、最小電圧2Vuni,minから最大電圧2Vuni,maxまで変動する。ここで重要な点は、(式6)に示すように、2直1並時の蓄電池システムの電圧202の最小電圧2Vuni,minが、架線電圧201の最大値Vpan,mxnの電圧を上回ることである。
(式6)に示す関係が満たされることで、実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム100’は、直流架線111の電圧を昇圧DC/DCコンバータ122yで昇圧するのみで、直流架線111の電圧が変動していても、蓄電池システム121を最大充電率から最小充電率まで任意の電圧に充電することが可能である。
By satisfying the relationship shown in (Equation 6), the drive system 100' for a boost charging type railway vehicle of Example 2 is capable of charging the
これによって、昇圧DC/DCコンバータ122yを昇圧降圧DC/DCコンバータにする必要が無く、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。なお、電池構成の都合などで(式6)に示す電圧関係をとれず、(式7)に示す電圧関係となる場合、蓄電池システムは、変動するパンタグラフの電圧に対応する開放電圧の充電率まで充電可能である、
他方、非電化区間では、蓄電池システムの電圧は、1直2並時の蓄電池システムの電圧203を有するので、蓄電池システムの電圧は、蓄電池ユニットの電圧と同一となり、定格電圧Vuni,ratedで、最小電圧Vuni,minから最大電圧Vuni,maxまで変動する。On the other hand, in non-electrified sections, the voltage of the battery system has the
一般に、インバータ116や静止型インバータ117は、架線電圧201の定格値Vpan,ratedで電力変換効率が最大化されるように設計されているが、通常変動した架線電圧内でも動作する。そのため、(式2)で定義される1直2並時の蓄電池システムの電圧203は、実施例1と同様に、(式5)で定義される閉回路電圧CCVが、概ね最小電圧Vpan,minから最大電圧Vpan,maxの間にあればよい。In general,
以上のとおり、蓄電池システム121は、変圧することなく自身の直流電圧でインバータ116および静止型インバータ117を動作可能であり、DC/DCコンバータを有する回路に比べ、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。As described above, the
図21は、実施例1と実施例2における蓄電池システム121の電流電圧の比較を示す図である。ここでは、直流電車駆動システム110の駆動電圧をVとし、電化区間では電力W、電流I(W=VI)の電力で充電し、同様に、非電化区間では電力-W、電流-I(W=VI)で放電する場合を考察する。なお、電流・電圧値の計算の簡単のため、電池抵抗による電圧損失や、DC/DCコンバータの変換ロスについては考慮しない。
Figure 21 is a diagram comparing the current and voltage of the
実施例1と実施例2では、蓄電池システム121の入出力電力が同一で、蓄電池システム121が有する蓄電池セルの総数が同一である場合、各セルの電圧と電流値は同一である。
しかし、蓄電池システム121の電圧値および電流値が異なる場合であっても、それぞれ適した用途がある。
In the first and second embodiments, when the input/output power of the
However, even if the voltage and current values of the
まず、非電化区間では、本発明に係る蓄電池システム121は、直流電車駆動システム110を変圧せず直接稼働させるため、それぞれ電圧V、電流Iを出力する。実施例1では、2つの蓄電池ユニットが2直1並で接続されるため、各ユニットはV/2の電圧、Iの電流が流れる。一方、実施例2では、2つの蓄電池ユニットが1直2並で接続されるため、各ユニットはVの電圧、I/2の電流が流れる。First, in non-electrified sections, the
次に、電化区間では、本発明に係る蓄電池システム121は、直流電車駆動システム110を変圧し充電する。実施例1では、蓄電池システム121は、蓄電池ユニットを1直2並で接続するため降圧し、電圧V/2、電流2Iで充電され、各ユニットにはV/2の電圧が掛かり、Iの電流が流れる。一方、実施例2では、蓄電池システム121は、蓄電池ユニットを2直1並で接続するため昇圧し、電圧2V、電流I/2で充電され、各ユニットにはVの電圧が掛かり、I/2の電流が流れる。Next, in the electrified section, the
以上のことから、実施例1と実施例2の選択法としては、蓄電池システム121やDC/DCコンバータ122に必要な絶縁耐圧を下げたい場合には実施例1を選び、蓄電池システム121の外部接続部分やDC/DCコンバータ122の電流を下げたい場合には実施例2を選ぶことになる。
From the above, the method of selecting between Example 1 and Example 2 is to choose Example 1 when it is desired to lower the insulation voltage required for the
また、実施例2に係る昇圧充電型鉄道車両の駆動システム100’は、先の図13に示す交流電車システムおよび図14で示す電気式気動車駆動システムに対しても適用可能であり、その場合には、それぞれの降圧DC/DCコンバータ122を昇圧DC/DCコンバータ122yに置き換えることになる。In addition, the boost charging type railway vehicle drive system 100' of Example 2 can also be applied to the AC electric train system shown in Figure 13 and the electric diesel railcar drive system shown in Figure 14, in which case the respective step-down DC/
実施例1および実施例2では、蓄電池システム121の有する2つの蓄電池ユニット1(以下では、「BT1」と略す)121aと蓄電池ユニット2(以下では、「BT2」と略す)121bとは同一な内部構成である。この構成では、複数の蓄電池ユニットの電圧が、電化および非電化の両区間での走行共に常時同一となるため、ユニット間の並列接続時も、ユニット間に横流が発生しなかった。In the first and second embodiments, the two storage battery units 1 (hereinafter abbreviated as "BT1") 121a and 2 (hereinafter abbreviated as "BT2") 121b of the
実施例3は、蓄電池ユニット間の内部構成が異なる一般の場合を対象とする。なお、実施例3では、蓄電池ユニットを2つとしたが、これに限定されず、図2で示した構成のように、蓄電池ユニット数は2以上の任意の数でもよい。Example 3 is directed to a general case in which the internal configurations of the storage battery units are different. Note that, although the number of storage battery units is two in Example 3, this is not limited thereto, and the number of storage battery units may be any number equal to or greater than two, as in the configuration shown in FIG. 2.
図22は、電源並列接続時の横流を示す図である。一般に、電圧の異なる電源V1と電源V2とを並列に接続すると、その電圧差ΔV=V1-V2と並列電源を繋いだ閉回路の合成抵抗Rparとから、横流Icroは(式8)で示される。
(式8)で算出される横流は、例えば、通常の蓄電池セルの内部抵抗値が数ミリΩであることから、2個の蓄電池セルが1V差で接続されるとしても数百Aの大電流値となり、電池の安全上危険である。したがって、横流は、電池の許容値以下に抑える必要がある。 For example, the cross current calculated by (Equation 8) is a large current value of several hundred amperes, even if two storage battery cells are connected with a difference of 1 V, because the internal resistance of a normal storage battery cell is several milliohms, which is a safety hazard for the battery. Therefore, the cross current needs to be kept below the allowable value for the battery.
図23は、実施例3に関し、内部状態が異なる蓄電池ユニットを示す図である。BT1側の蓄電池セル121a1は、セル電圧Vc1でセル電荷容量Qc1を有し、BT2側の蓄電池セル121b1は、セル電圧Vc2でセル電荷容量Qc2を有する。 Figure 23 is a diagram showing battery units with different internal states according to Example 3. The battery cell 121a1 on the BT1 side has a cell charge capacity Qc1 at a cell voltage Vc1, and the battery cell 121b1 on the BT2 side has a cell charge capacity Qc2 at a cell voltage Vc2.
ここで、BT1は、蓄電池セル121a1をS1直P1並とする接続構成であり、BT2は、蓄電池セル121b1をS2直P2並とする接続構成である。そのため、BT1のユニット電圧Vu1、ユニット電荷容量Qu1、また、BT2のユニット電圧Vu2、ユニット電荷容量Qu2は、以下の(式9)で定義される。
蓄電池セル121a1および蓄電池セル121b1は、後述する並列切替点303の直列切替点304を有するため、異なるSOC-OCVカーブを有するセルが求められる。加えて、BT1内部およびBT2内部のセルの充電率を変えてもよい。
Because the storage battery cell 121a1 and the storage battery cell 121b1 have a
図23に示すBT1およびBT2は、異なるセルを用い、そのユニットのハード構造も異なるため、一般にそれぞれ異なる絶縁耐圧Viso,1およびViso,2を有する。図8に示すように、BT1とBT2との直列接続時は、BT1の方が接地点119に対し高電位となるため、BT1に高い絶縁耐圧の蓄電池ユニットを用いることで、蓄電池システム全体の絶縁耐圧を向上させることができる。BT1 and BT2 shown in Figure 23 use different cells and have different unit hardware structures, so they generally have different dielectric strength voltages Viso,1 and Viso,2. As shown in Figure 8, when BT1 and BT2 are connected in series, BT1 has a higher potential with respect to
図24は、実施例3における低電圧充電構成で、並列切替制御に関するOCV-積算電流-SOCのグラフを示す図である。低電圧充電構成は、実施例1のように、電化区間で蓄電池システム121の電圧を下げて充電する構成である。図24に示すグラフにおいて、縦軸は、各ユニットの開放電圧OCV、下側横軸は、2直1並構成から1直2並構成から切り替えた瞬間を始点とした電流積算値∫Idt、上側横軸は、BT1の充電率SOC1およびBT2の充電率SOC2を示している。
Figure 24 is a graph showing OCV-accumulated current-SOC for parallel switching control in the low-voltage charging configuration in Example 3. The low-voltage charging configuration is a configuration in which the voltage of the
図24に示すように、BT1とBT2とは異なるOCV-積算電流カーブ特性を持つため、BT1のカーブ301(実線のカーブ)とBT2のカーブ302(破線のカーブ)とは異なる。蓄電池システム121が直列状態であっても並列状態であっても、各蓄電池ユニットBT1およびBT2の態様は、図24に示すグラフに従う。OCV-積算電流の関係で、BT1のカーブ301とBT2のカーブ302とは少なくとも2点で交差する必要があり、交点として並列切替点303と直列切替点304とを持つ。As shown in FIG. 24, BT1 and BT2 have different OCV-accumulated current curve characteristics, and therefore curve 301 (solid curve) of BT1 and curve 302 (dashed curve) of BT2 are different. Whether the
まず、車両が電化区間にあって、蓄電池システム121のBT1とBT2とが並列の場合を考える。非電化区間での直列構成から電化区間での並列構成への並列切替えは、図中の並列切替点303の並列切替電圧OCVminで行う。並列切替点303ではBT1とBT2の開放電圧は一致するので、直列構成から並列構成に切り替えた時に横流は発生しない。
First, consider the case where the vehicle is in an electrified section and BT1 and BT2 of the
交点OCVminの電圧調整は、BT1およびBT2のセル種の選択、セル直並列数の選択、SOCの選択によって、一定の範囲で可能である。なお、非電化区間の直列接続時、蓄電池システム121はその直列電圧として2OCVminを最低電圧とする。これは、蓄電池システム121を充放電し並列切替点303の電圧まで電圧調整する際、非電化区間では充電電力が回生しかなく、充電方向では、電圧調整不可能な可能性があるためである。これに対して、放電方向では、車両内部の負荷を使用することでいずれの充電状態からでも放電のみで並列切替点303の電圧まで到達することが可能である。なお、SOC-OCVカーブは、BT1とBT2で一般に異なるため、OCVminでのBT1の充電率SOCmin,1とBT2の充電率SOCmin,2とは一般に異なる。
Voltage adjustment of the intersection point OCVmin is possible within a certain range by selecting the cell type of BT1 and BT2, the number of series/parallel cells, and the SOC. When the non-electrified section is connected in series, the
さて電化区間では、並列切替点303の電圧からBT1とBT2とが並列状態で充電される。この時、BT1とBT2とは並列状態で、常時CCVが同電圧であり、OCVは(式2)に従って一時的に不一致となっても、定電圧充電によって充電電流Iを抑制していく。
Now, in the electrified section, BT1 and BT2 are charged in parallel from the voltage of the
充電終了間際には、自動的にBT1とBT2のOCVは一致する。この時、BT1とBT2に流れる積分電流値∫Idtは、BT1およびBT2の電荷容量Q_u1およびQ_u2と、BT1およびBT2のSOC-OCVカーブとによって定まり、一般に一致しない。そのため、充電は、BT1およびBT2のOCV-積算電流カーブの第二の交点である直列切替点304で停止する。
Just before charging is completed, the OCVs of BT1 and BT2 automatically match. At this time, the integral current value ∫Idt flowing through BT1 and BT2 is determined by the charge capacities Q_u1 and Q_u2 of BT1 and BT2 and the SOC-OCV curves of BT1 and BT2, and generally do not match. Therefore, charging stops at
並列切替点303から直列切替点304への積算電流量は、ΔQである。回路の直列切替えを直列切替点304以外で実施した場合、2つのユニットBT1およびBT2に流れる積算電流量は一般に一致しない。The accumulated current from the
直列切替点304に、BT1およびBT2の開放電圧が到達した後、蓄電池システム121は、回路を直列に切り替える。切替え後、非電化区間で放電と回生充電とを繰り返しながら、蓄電池ユニットは、再度並列切替点303まで積算電流量-ΔQ放電する。この間、直列接続されたBT1およびBT2には同一の電流値が流れる。そのため、仮に直列への切替えを直列切替点304以外で実施した場合、充電から放電までの各ユニットの積算電流量が一致せず、並列切替点303に戻ることができないので、直列への切替えは、直列切替点304で実施する必要がある。
After the open circuit voltage of BT1 and BT2 reaches the
図25は、実施例3に係る制御装置130の機能構成を示す図である。実施例1に係る制御装置130と大部分の構成で同一である。変更点として、実施例3に係る制御装置130は、切替判定部134を有する。
切替判定部134は、蓄電池状態管理部131の出力する各蓄電池ユニットの充電率を入力とし、切替可否の判定結果を主回路切替え制御部133および車両制御論理部132へ出力する。この判定に、は蓄電池状態管理部131が出力するBT1およびBT2の充電率情報を使用する。蓄電池の充電率と開放電圧とは、一般に1対1で対応する。
25 is a diagram showing the functional configuration of the
The switching determination unit 134 receives the charging rate of each battery unit output from the battery
図24で示したように、BT1の充電率がSOCmin,1かつBT2の充電率がSOCmin,2のときに、並列切替点303の状態にあり、BT1の充電率がSOCmax,1かつBT2の充電率がSOCmax,2のときに、直列切替点304の状態にある。As shown in FIG. 24, when the charging rate of BT1 is SOCmin,1 and the charging rate of BT2 is SOCmin,2, it is in the state of
実施例3における主回路切替え制御部133では、接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令の指令状態だけではなく、上記の切替可否の判定を用い、切替えが可となっている間のみ、指令に従い直並列切替えを実施する。In the main circuit switching
実施例3における車両制御論理部132では、切替可否の判定、接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を入力とし、切替不可時に蓄電池システム121のBT1およびBT2の開放電圧状態が切替えが可となるように充放電を行う。In the vehicle
非電化区間から電化区間への切り替え時、運転台140より直列構成から並列構成に切り替える接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を受けたにも拘わらず、切替えが不可である場合、車両制御論理部132は、インバータ116または静止型インバータ117の出力値を調整し、図示しない負荷に電力を供給し、並列切替点303の状態になるまで蓄電池システム121の放電を行う。When switching from a non-electrified section to an electrified section, if the driver's
同様に、電化区間から非電化区間への切り替え時、運転台140より並列構成から直列構成に切り替える接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を受けたにも拘わらず、切替えが不可である場合、車両制御論理部132は、降圧DC/DCコンバータ122の出力値を調整し、直列切替点304の状態になるまで蓄電池システム121の充電を行う。Similarly, when switching from an electrified section to a non-electrified section, if the driver's
実施例3では、並列状態で外部電源充電する実施例1を基に説明したが、基本的構成は、直列状態で外部電源充電する実施例2でも同一である。この時、図24に示す並列切替点303と直列切替点304とは逆転する。
実施例3による効果は、異なる構成の蓄電池ユニットで直並列の切替えが可能であることである。
Although the third embodiment has been described based on the first embodiment in which charging is performed from an external power source in a parallel state, the basic configuration is the same as that of the second embodiment in which charging is performed from an external power source in a series state. At this time, the
The effect of the third embodiment is that it is possible to switch between series and parallel configurations of storage battery units having different configurations.
実施例3では、各蓄電池ユニットの開放電圧が一致する点において蓄電池システム121の並列切替えを実施することで横流を抑制した。しかし、この制御は、厳密には各蓄電池ユニットの開放電圧を一致させることは困難で、一定の横流が発生する。In Example 3, the cross current was suppressed by performing parallel switching of the
加えて、実施例1および実施例2のように、各蓄電池ユニット内の蓄電池セルのセル種、直並列構成、充電率が同一のように設計したとしても、例えば各蓄電池ユニットの温度分布の違いなどによって、蓄電池ユニット間の電荷容量は不一致となり、OCV-積算電流の関係が蓄電池ユニット間で不一致となる。In addition, even if the cell types, series-parallel configuration, and charging rates of the battery cells in each battery unit are designed to be identical, as in Examples 1 and 2, the charge capacities between the battery units will differ due to, for example, differences in the temperature distribution of each battery unit, and the relationship between the OCV and accumulated current will differ between the battery units.
このような場合、必ずしも実施例3のように、開放電圧が一致する点が2カ所存在するとは限らず、(式8)で見込まれる並列切替え時の横流は避けられない。
そこで、実施例4では、蓄電池システム121が横流抑制回路を有するものである。
In such a case, there are not necessarily two points where the open circuit voltages are the same as in the third embodiment, and the cross current at the time of parallel switching predicted by (Equation 8) cannot be avoided.
Therefore, in the fourth embodiment, the
図26は、実施例4に係る横流抑制回路を有する蓄電池システム121’を示す図である。蓄電池システム121’は、蓄電池システム121に加えて、横流抑制抵抗(Rcro)121gと横流抵抗接触器(BK4)121fを有する。図26に示す横流抵抗接触器121fは、正極側に配置しているが、負極側に配置しても構わない。
Figure 26 is a diagram showing a storage battery system 121' having a cross current suppression circuit according to Example 4. In addition to the
実施例4に係る鉄道車両用の駆動システム100では、蓄電池システム121’以外の構成は実施例1と同一である。横流抑制抵抗121gは、抵抗値Rcroを有する抵抗である。横流抑制回路が動作する場合には、蓄電池システム121’の横流抵抗接触器(BK4)121fと負極側の並列用接触器(BK3)121eは導通(オン)状態であり、直列用接触器(BK1)121cと正極側の並列用接触器(BK2)121dは開放(オフ)状態である。この時、各蓄電池ユニットBT1およびBT2に流れる横流I_croは、ユニット間の電圧差ΔV、横流抑制抵抗以外の合成抵抗Rpar、横流抑制抵抗Rcroを用い、以下の(式10)で算出される。横流I_croは、(式9)の直接並列接続した場合より抑制される。
I_cro=ΔV/(R_par+R_cro ) (式10)
ここで、横流抑制抵抗121gは固定抵抗でもよいが、遠隔的に制御可能な可変抵抗であれば、抵抗値Rcroは可変となり横流I_croを制御可能となり好ましい。
In the
I_cro=ΔV/(R_par+R_cro) (Formula 10)
Here, the cross
横流I_croは、高電圧側の蓄電池ユニットから低電圧側の蓄電池ユニットに流れるため、高電圧側の蓄電池ユニットは充電率の低下と共に開放電圧が低下し、低電圧側の蓄電池ユニットは充電率の上昇と共に開放電圧が上昇し、横流が低下しながら蓄電池ユニット間の開放電圧は近づく。横流抑制抵抗121gの抵抗値が、大き過ぎれば、蓄電池ユニット間の開放電圧差が長時間解消されず、逆に小さ過ぎれば、大きな横流が流れる。よって、(式10)、蓄電池ユニットの耐電流値およびユニット間の電圧差解消に要したい時間から見積もって求めた最適な値を用いる。
Because the cross current I_cro flows from the high-voltage battery unit to the low-voltage battery unit, the open-circuit voltage of the high-voltage battery unit decreases as the charging rate decreases, and the open-circuit voltage of the low-voltage battery unit increases as the charging rate increases, and the open-circuit voltages between the battery units approach each other as the cross current decreases. If the resistance value of the cross
横流によって、十分に2つの蓄電池ユニット間の開放電圧差が縮小した後に、蓄電池システム121’は横流抑制回路を分離する。この時、蓄電池システム121’の正極側の並列用接触器(BK2)121dと負極側の並列用接触器(BK3)121eは導通(オン)状態であり、直列用接触器(BK1)121cと横流抵抗接触器(BK4)121fは開放(オフ)状態である。After the open-circuit voltage difference between the two battery units is sufficiently reduced by the cross current, the battery system 121' separates the cross current suppression circuit. At this time, the positive-side parallel contactor (BK2) 121d and the negative-side parallel contactor (BK3) 121e of the battery system 121' are in a conductive (ON) state, and the series contactor (BK1) 121c and the cross current resistance contactor (BK4) 121f are in an open (OFF) state.
次に、実施例4に係る鉄道車両用の駆動システム100の回路切替えシーケンスを、実施例1で示したように、電化区間で並列構成となる場合を例に説明する。
図27は、実施例4に係る鉄道車両用の駆動システム100の電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。この場合、蓄電池システムは並列から直列に切り替わるため、横流は発生しない。そのため、シーケンスの構成としては、図9に示す実施例1と同一であり、動作主体は制御装置130である。
Next, a circuit switching sequence of the railway
27 is a diagram showing, in the form of a table, a sequence for switching the circuit state from an electrified section to a non-electrified section in the
図28は、実施例4に係る鉄道車両用の駆動システム100の非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置130であるが、以下では動作主体の表記を省略する。
Figure 28 is a diagram showing, in tabular form, a sequence for switching the circuit state from a non-electrified section to an electrified section in the
図28に示すシーケンスの内、Step1~5までは、図10に示す実施例1におけるStep1~5と同一である。
Step6では、横流抵抗接触器(BK4)121fと負極側の並列用接触器(BK3)121eをオンにする。
In the sequence shown in FIG. 28,
In
Step7では、抑制した安全な横流で並列接続した蓄電池ユニット間の開放電圧を均一化する。
Step8では、横流抵抗接触器(BK4)121fをオフし、横流抵抗を分離する。
In
In
Step9では、正極側の並列用接触器(BK2)121dをオンし、BK1とBK2とを並列にする。
Step10~12は、図10に示す実施例1におけるStep7~9と同一である。
In
以上では、実施例4として、並列状態で外部電源を充電する実施例1を基に説明したが、実施例4としての基本的構成は、直列状態で外部電源を充電する実施例2でも同一である。
実施例4による効果は、開放電圧が異なり横流が発生する蓄電池ユニット間を安全に並列化することである。
In the above, the fourth embodiment has been described based on the first embodiment in which the external power source is charged in a parallel state, but the basic configuration of the fourth embodiment is the same as that of the second embodiment in which the external power source is charged in a series state.
The effect of the fourth embodiment is that the storage battery units having different open circuit voltages and generating cross currents can be safely connected in parallel.
実施例1から実施例4では、鉄道車両用の駆動システム100の回路構成として、図1に示すように、各構成機器の負側を接地点119で接地する。これに対して、実施例5では、図1に示す接地点119への負側接続を分離し、各構成機器の中間的電圧で接地する構成を採用する。例えば、蓄電池システムの総電圧がVの時、V/2の地点を接地する場合である。この接地方式を取ることにより、接地回路は複雑化するものの、各機器の対地電圧を半減させることできるため、機器の絶縁設計を緩和することが可能である。なお、実施例5では、総電圧の半分の電圧点で設置する場合を示すが、中間的電圧としては一般に半分の電圧点でなくても構わない。In the first to fourth embodiments, the circuit configuration of the
実施例5では、主に蓄電池システム121の接地方法について論じ、鉄道車両用の駆動システム100の他の構成機器の接地方法については特に論じない。ただし、他の構成機器もそれぞれの中間電圧点で、蓄電池システムと同電圧点に接地する必要がある。例えば、3レベルコンバータに対応する機器が正常に動作するためには、接地点の正側半分と負側半分とに同じ電圧が印加される必要がある。また一般に、図1に示す直流電車駆動システム110を中間点で接地するには、直流架線111の電力を直流電車駆動システム110に取り込む際、直流架線111との間に絶縁型のDC/DCコンバータが必要になるが、ここでは詳述しない。In the fifth embodiment, the grounding method of the
図29は、実施例5に係る直列時中間点接地蓄電池システム121αの構成を示す図である。蓄電池システム121αは、実施例1に示す蓄電池システム121に対し、蓄電池ユニット121a、直列用接触器121c、負側の並列用接触器121eの接続部に、接地点119がある構成であって、それ以外は同一である。
この場合、蓄電池システム121αが直列時には、接地点119は、蓄電池ユニット121aと蓄電池ユニット121bの中点にあることから、鉄道車両用の駆動システム100の他の構成機器でも、接地点119から正側と負側に電圧が印加される。
Fig. 29 is a diagram showing the configuration of a series midpoint grounded storage battery system 121α according to Example 5. The storage battery system 121α is the same as the
In this case, when the storage battery system 121α is connected in series, the
一方で、蓄電池システム121αが並列時には、接地点119は、蓄電池ユニット121aおよび蓄電池ユニット121bの負側点にあることから、鉄道車両用の駆動システム100の他の構成機器では、接地点119から正側には電圧が印加されるが、負側は短絡状態になり、機器が故障する。On the other hand, when the storage battery system 121α is connected in parallel, the
そこで、実施例5では、常時中間点を接地する蓄電池システムを採用する。
図30は、常時中間点接地の蓄電池システム121βの構成を示す図である。常時中間点接地蓄電池システム121βは、先の直列時中間点接地蓄電池システム121αに対し3つの変更点がある。第1に、直列用接触器121cを2個にし、2個の直列用接触器121cの間に接地点119がある。第2に、各並列ユニット121aおよび121bは、少なくとも2個以上の蓄電池ユニットの直列繋ぎであって(図30では、121a1と121a2および121b1と121b2、の2直列)、同電圧点間が並列時接地用接触器121hを介し接続される。第3に、並列時接地用接触器121hを2個とし、2個の並列時接地用接触器121hの間に接地点119がある。
Therefore, in the fifth embodiment, a storage battery system in which the midpoint is always grounded is adopted.
FIG. 30 is a diagram showing the configuration of a battery system 121β with a constant midpoint ground. The constant midpoint grounded battery system 121β has three changes from the previous midpoint grounded battery system 121α in series. First, the number of
図31は、常時中間点接地蓄電池システム121βが直列時(高電圧時)の回路状態を示す図である。この時、並列用接触器(BK2)121dと(BK3)121e3および並列時接地用接触器(BK41とBK42)121hは、遮断(オフ)状態であり、直列用接触器(BK11とBK12)121cは導通(オン)状態である。 Figure 31 shows the circuit state of the constant-center-grounded battery system 121β in series (high voltage). At this time, the parallel contactors (BK2) 121d and (BK3) 121e3 and the parallel grounding contactors (BK41 and BK42) 121h are in the cutoff (OFF) state, and the series contactors (BK11 and BK12) 121c are in the conductive (ON) state.
すなわち、4つの蓄電池ユニットは直列に接続され、蓄電池ユニット(BTa2)121a2の負極と蓄電池ユニット(BTb1)121b1の正極との間、すなわち常時中間点接地蓄電池システム121βの中間の電圧で、接地点119に接地される。That is, the four battery units are connected in series and grounded to
図32は、常時中間点接地蓄電池システム121βが並列時(低電圧時)の回路状態を示す図である。この時、並列用接触器(BK2)121dと(BK3)121eおよび並列時接地用接触器(BK41とBK42)121hは導通(オン)状態であり、直列用接触器(BK11とBK12)121cは遮断(オフ)状態である。 Figure 32 shows the circuit state of the constant-center-grounded battery system 121β in parallel (low voltage). At this time, the parallel contactors (BK2) 121d and (BK3) 121e and the parallel grounding contactors (BK41 and BK42) 121h are in a conductive (ON) state, and the series contactors (BK11 and BK12) 121c are in a cutoff (OFF) state.
すなわち、蓄電池ユニット(BTa1とBTa2)121a1と121a2との直列繋ぎおよび蓄電池ユニット(BTb1とBTb2)121b1と121b2の直列繋ぎが並列に接続される。蓄電池ユニット(BTa1)121a1の負極と蓄電池ユニット(BTa2)121a2の正極との間、加えて、蓄電池ユニット(BTb1)121b1の負極と蓄電池ユニット(BTb2)121b2の正極との間は、常時中間点接地蓄電池システム121βの中間の電圧で接地点119に接地される。That is, the series connection of the storage battery units (BTa1 and BTa2) 121a1 and 121a2 and the series connection of the storage battery units (BTb1 and BTb2) 121b1 and 121b2 are connected in parallel. Between the negative electrode of the storage battery unit (BTa1) 121a1 and the positive electrode of the storage battery unit (BTa2) 121a2, and also between the negative electrode of the storage battery unit (BTb1) 121b1 and the positive electrode of the storage battery unit (BTb2) 121b2, are always grounded to the
実施例5に係る常時中間点接地蓄電池システム121βでは、図31および図32で示すとおり、直列時および並列時共に、システムの中間電圧で接地点119に接地されるため、鉄道車両用の駆動システム100の他の構成機器にも、接地点119から正側と負側に電圧が印加され、正常に動作することが可能である。In the constantly midpoint grounded battery system 121β of Example 5, as shown in Figures 31 and 32, the system is grounded to the
以上、本発明に係る各実施例を説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
100…鉄道車両用の駆動システム、100a…電化区間の鉄道車両駆動システム回路、100b…非電化区間の鉄道車両駆動システム回路、110…直流電車駆動システム、111…直流架線、112…パンタグラフ、113…架線高速遮断器、114…主回路接触器、115…リアクトル、116…インバータ、117…静止型インバータ、117a…AC440V補器、117b…AC100V補器、117c…DC100V補器、118…誘導電動機、119…接地点、120…非電化区間対応システム、121…蓄電池システム、121a,121b…蓄電池ユニット、121c…直列用接触器、121d,121e…並列用接触器、121c1,121d1,121e1…接触器制御b接点、121c2,121d2,121e2…接触器制御コイル、122…降圧DC/DCコンバータ、122a,122e…半導体スイッチ、122b,122f…ダイオード、122c…コイル、122d,22g…フィルタコンデンサ、122h…コンバータ接触器、123…蓄電池システム接触器、124…蓄電池高速遮断器、130…制御装置、131…蓄電池状態管理部、132…車両制御論理部、133…主回路切替え制御部、140…運転台、150…AC/DCコンバータ、160…トランス、170…エンジン、180…発電機、200…電圧図、201…架線電圧、202…2直1並時の蓄電池システムの電圧、203…1直2並時の蓄電池システムの電圧、300…OCV-電流積分値グラフ、301…BT1のOCV-電流積分値-SOCカーブ、302…BT2のOCV-電流積分値-SOCカーブ、303…並列切替点、304…直列切替点、305…最低電圧、401…合成理想電池、402…合成電池抵抗、100’…昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム、110’…交流電車駆動システム、110’’…電気式気動車駆動システム、111’…交流架線、122x…双方向降圧DC/DCコンバータ、122y…昇圧DC/DCコンバータ、121a1,121b1…蓄電池セル、134…切替判定部、121’…横流抑制回路付き蓄電池システム、121g…横流抑制抵抗、121f…横流抵抗接触器、121α…直列時中間点接地蓄電池システム、121β…常時中間点接地蓄電池システム、121a1,121a2,121b1,121b2…蓄電池ユニット、121h…並列時接地用接触器100...Traction system for railway vehicles, 100a...Traction system circuit for electrified sections, 100b...Traction system circuit for non-electrified sections, 110...DC electric train drive system, 111...DC overhead line, 112...pantograph, 113...overhead high-speed circuit breaker, 114...main circuit contactor, 115...reactor, 116...inverter, 117...static inverter, 117a...AC 440V auxiliary, 117b...AC 100V auxiliary, 117c...DC 100V auxiliary, 118...induction motor, 119...ground point, 120...system for non-electrified sections, 121...storage battery system, 121a, 121 b...storage battery unit, 121c...series contactor, 121d, 121e...parallel contactor, 121c1, 121d1, 121e1...contactor control b-contact, 121c2, 121d2, 121e2...contactor control coil, 122...step-down DC/DC converter, 122a, 122e...semiconductor switch, 122b, 122f...diode, 122c...coil, 122d, 22g...filter capacitor, 122h...converter contactor, 123...storage battery system contactor, 124...storage battery high-speed circuit breaker, 130...control device, 131...storage battery state management unit, 132...vehicle control logic unit, 133... Main circuit switching control unit, 140... cab, 150... AC/DC converter, 160... transformer, 170... engine, 180... generator, 200... voltage diagram, 201... overhead line voltage, 202... voltage of storage battery system when 2
Claims (21)
前記直流電源部から供給される直流電力、または、架線から順に、パンタグラフ、高速遮断器、主回路接触器およびリアクトルを介して供給される直流電力、により駆動され、前記鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと、
前記直流電源部および前記直流電源駆動システムを制御する制御装置と
を備え、
前記蓄電池システムは、前記高速遮断器と前記主回路接触器との間に蓄電池システム接触器を介して接続され、複数の蓄電池ユニットと当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段とを有し、
前記制御装置は、直流電力の供給を前記架線から前記直流電源部へ切り替える際に、前記パンタグラフを前記架線から下げ、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態に切り替え、前記蓄電池システム接触器をオンにし、前記主回路接触器をオンにする
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 a DC power supply unit including a storage battery system and a DC-DC power converter mounted on the railcar;
a DC power supply drive system that is driven by DC power supplied from the DC power supply unit or DC power supplied from an overhead line through a pantograph, a high-speed circuit breaker, a main circuit contactor, and a reactor in this order, and supplies a predetermined power to a load device mounted on the railway vehicle;
a control device for controlling the DC power supply unit and the DC power supply drive system,
the battery system includes a plurality of battery units and a series-parallel switching means that is connected between the high-speed circuit breaker and the main circuit contactor via a battery system contactor and that switches a connection state between the plurality of battery units to a series state or a parallel state;
a control device for a railway vehicle, when switching the supply of DC power from the overhead line to the DC power supply unit, lowers the pantograph from the overhead line, turns off the main circuit contactor, operates the series-parallel switching means to switch the connection state between the multiple storage battery units to a series state, turns on the storage battery system contactor, and turns on the main circuit contactor.
前記制御装置は、直流電力の供給を前記直流電源部から前記架線へ切り替える際に、前記蓄電池システム接触器をオフにし、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を並列状態に切り替え、前記パンタグラフを前記架線に向けて上げ、前記主回路接触器をオンにする
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 2. A drive system for a rail vehicle according to claim 1,
a control device for a railway vehicle, when switching the supply of DC power from the DC power supply unit to the overhead line, turns off the battery system contactor, turns off the main circuit contactor, operates the series-parallel switching means to switch the connection state between the multiple battery units to a parallel state, raises the pantograph toward the overhead line, and turns on the main circuit contactor.
前記架線から直流電力が供給される場合、
前記蓄電池システムの出力電圧は、前記架線から印加される直流電圧以下の電圧であり、
前記制御装置は、前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電圧を降圧し前記蓄電池システムに対して充放電を行う
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to claim 1 or 2,
When DC power is supplied from the overhead line,
An output voltage of the storage battery system is a voltage equal to or lower than a DC voltage applied from the overhead line,
The control device controls the DC-DC power converter to step down the DC voltage and charge/discharge the battery system.
前記蓄電池システムの出力電圧が前記直列状態で前記直流電源駆動システムの動作可能な電圧値を下回った場合、または、前記直並列状態の切替えが不可となった場合、
前記制御装置は、前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電源駆動システムから前記蓄電池システムへの降圧操作を行い前記蓄電池システムに対して充放電を行う
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 3,
When the output voltage of the storage battery system falls below a voltage value at which the DC power supply driven system can operate in the series state, or when switching of the series-parallel state becomes impossible,
The control device controls the DC-DC power converter to step down the voltage from the DC power supply drive system to the storage battery system, thereby charging and discharging the storage battery system.
前記制御装置は、前記直流電源部から直流電力を供給する場合に、前記蓄電池システムと前記直流電源駆動システムとを前記直流直流電力変換器を介さずに接続して、当該蓄電池システムと当該直流電源駆動システムとの間で充放電を行う
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4,
The control device, when supplying DC power from the DC power supply unit, connects the storage battery system and the DC power supply drive system without going through the DC-DC power converter, and performs charging and discharging between the storage battery system and the DC power supply drive system.
前記直並列切替え手段は、直列接続用接触器および並列接続用接触器から構成され、
前記直列接続用接触器および前記並列接続用接触器それぞれの導通状態および開放状態は、前記直並列状態の切替え時以外では相互に排他的である
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4 and 7,
the series/parallel switching means is composed of a series connection contactor and a parallel connection contactor,
13. A drive system for railway vehicles, comprising: a series connection contactor and a parallel connection contactor, the conductive state and the open state of which are mutually exclusive except when switching between the series-parallel state.
前記複数の蓄電池ユニットは、異なる絶縁耐圧を有し、
前記直並列切替え手段による前記直列状態への切替え時に、絶縁耐圧が低い前記蓄電池ユニットが低電圧側に接続される
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4, 7 and 11,
The plurality of storage battery units have different dielectric strength voltages,
a storage battery unit having a low withstand voltage is connected to a low-voltage side when the series-parallel switching means switches to the series state.
前記複数の蓄電池ユニットの異なる蓄電池ユニットそれぞれの開放電圧は、前記直列状態および前記並列状態相互の切替えに際して充放電を通して異なる2つの切替時開放電圧で一致し、
前記異なる蓄電池ユニットそれぞれの開放電圧が、前記異なる2つの切替時開放電圧のいずれかに一致したときに、前記直列状態から前記並列状態へまたは前記並列状態から前記直列状態に切り替わる
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4, 7, 11 and 12,
an open-circuit voltage of each of the different storage battery units among the plurality of storage battery units is equal to two different switching-time open-circuit voltages through charging and discharging when switching between the series state and the parallel state;
a switching state in which the open-circuit voltage of each of the different storage battery units is equal to one of the two different switching-time open-circuit voltages, and the switching state is changed from the series state to the parallel state or from the parallel state to the series state.
前記直並列切替え手段に加えて、前記複数の蓄電池ユニットの正極間または負極間に接続する横流低減回路を設け、
前記制御装置は、前記直並列切替え手段による前記直列状態から前記並列状態への切替えに際し、前記横流低減回路を導通させて当該横流低減回路を含めた態様の前記蓄電池ユニットの並列回路を構成して当該蓄電池ユニット間の電圧差を低減させた後に、前記横流低減回路を開放して当該横流低減回路を除いた前記並列状態へ切り替える
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4, 7, 11 and 12,
a cross current reducing circuit connected between positive electrodes or negative electrodes of the plurality of storage battery units in addition to the series/parallel switching means;
A drive system for a railway vehicle, characterized in that, when switching from the series state to the parallel state by the series-parallel switching means, the control device makes the cross current reduction circuit conductive to form a parallel circuit of the battery units including the cross current reduction circuit to reduce the voltage difference between the battery units, and then opens the cross current reduction circuit to switch to the parallel state excluding the cross current reduction circuit.
前記複数の蓄電池ユニットは、前記並列状態時に少なくとも2個以上の前記蓄電池ユニットが直列接続となる態様で構成され、
前記直並列切替え手段は、直列に接続した2つの接触器から成る直列接続用接触器、単独の接触器である第1の並列接続用接触器および直列に接続した2つの接触器から成る第2の並列接続用接触器から構成され、
前記直列状態時に、前記直列接続用接触器が導通し、前記第1および前記第2の並列接続用接触器が遮断すると共に、前記直列接続用接触器を成す前記2つの接触器の間に挟まれる箇所が接地され、
前記並列状態時に、前記直列接続用接触器が遮断し、前記第1および前記第2の並列接続用接触器が導通すると共に、前記直列接続した前記2個以上の蓄電池ユニット同士の間を接続する前記第2の並列接続用接触器を成す前記2つの接触器の間に挟まれる箇所が接地される
ことを特徴とした鉄道車両用の駆動システム。 A drive system for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 4, 7 and 11 to 14,
the plurality of storage battery units are configured such that at least two of the storage battery units are connected in series in the parallel state,
the series-parallel switching means is composed of a series connection contactor consisting of two contactors connected in series, a first parallel connection contactor which is a single contactor, and a second parallel connection contactor consisting of two contactors connected in series;
In the series state, the series connection contactor is conductive, the first and second parallel connection contactors are interrupted, and a portion sandwiched between the two contactors constituting the series connection contactor is grounded;
a second parallel connection contactor that connects the two or more storage battery units connected in series to each other, and a portion of the second parallel connection contactor that is sandwiched between the two contactors is grounded.
前記直流電源部から供給される直流電力、または、架線から順に、パンタグラフ、高速遮断器、主回路接触器およびリアクトルを介して供給される直流電力、により駆動され、前記鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと
を備え、
前記蓄電池システムは、前記高速遮断器と前記主回路接触器との間に蓄電池システム接触器を介して接続され、複数の蓄電池ユニットと当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段とを有し、
直流電力の供給を前記架線から前記直流電源部へ切り替える際に、前記パンタグラフを前記架線から下げ、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態に切り替え、前記蓄電池システム接触器をオンにし、前記主回路接触器をオンにする
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 a DC power supply unit mounted on the railway vehicle and including a storage battery system having a plurality of storage battery units and a DC-DC power converter;
a DC power supply drive system that is driven by DC power supplied from the DC power supply unit or DC power supplied from an overhead line through a pantograph, a high-speed circuit breaker, a main circuit contactor and a reactor in this order, and supplies a predetermined power to a load device mounted on the railway vehicle,
the battery system includes a plurality of battery units and a series-parallel switching means that is connected between the high-speed circuit breaker and the main circuit contactor via a battery system contactor and that switches a connection state between the plurality of battery units between a series state and a parallel state;
a driving method for a railway vehicle, characterized in that, when switching the supply of DC power from the overhead line to the DC power supply unit, the pantograph is lowered from the overhead line, the main circuit contactor is turned off, the series-parallel switching means is operated to switch the connection state between the multiple storage battery units to a series state, the storage battery system contactor is turned on, and the main circuit contactor is turned on.
直流電力の供給を前記直流電源部から前記架線へ切り替える際に、前記蓄電池システム接触器をオフにし、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を並列状態に切り替え、前記パンタグラフを前記架線に向けて上げ、前記主回路接触器をオンにする
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 17. A method for driving a railway vehicle according to claim 16, comprising the steps of:
a series-parallel switching means for switching a connection state between the plurality of battery units to a parallel state, a pantograph being raised toward the overhead line, and a main circuit contactor being turned on when switching a supply of DC power from the DC power supply unit to the overhead line;
前記蓄電池システムの出力電圧が前記直列状態で前記直流電源駆動システムの動作可能な電圧値を下回った場合、または、前記直列状態または前記並列状態の切替えが不可となった場合、
前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電源駆動システムから前記蓄電池システムへの降圧操作を行い前記蓄電池システムに対して充放電を行う
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 19. A drive method for a railway vehicle according to claim 16 or 18, comprising the steps of:
When the output voltage of the storage battery system falls below a voltage value at which the DC power supply driven system can operate in the series state, or when switching between the series state and the parallel state becomes impossible,
a DC-DC power converter is controlled to step down the voltage from the DC power supply drive system to the storage battery system, thereby charging and discharging the storage battery system.
前記複数の蓄電池ユニットの正極間または負極間を横流低減回路で接続し、
前記直並列切替え手段による前記直列状態から前記並列状態への切替えに際し、前記横流低減回路を導通させて当該横流低減回路を含めた態様の前記蓄電池ユニットの並列回路を構成して当該蓄電池ユニット間の電圧差を低減させ、続いて前記横流低減回路を開放して当該横流低減回路を除いた前記並列状態へ切り替える
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 A drive method for a railway vehicle according to any one of claims 16, 18 and 19, comprising the steps of:
connecting the positive electrodes or the negative electrodes of the plurality of storage battery units with a cross current reducing circuit;
A driving method for a railway vehicle, characterized in that when switching from the series state to the parallel state by the series-parallel switching means, the cross current reduction circuit is made conductive to form a parallel circuit of the battery units including the cross current reduction circuit to reduce the voltage difference between the battery units, and then the cross current reduction circuit is opened to switch to the parallel state excluding the cross current reduction circuit.
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