JP2024081865A - 電気駆動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気駆動車両が、架線が敷設されている区間を走行する時に架線に回生電力を供給するのを抑制する。
【解決手段】 電動機を駆動する第１の電力変換器と、蓄電池を充電する第２の電力変換器と、制御部とを有し、制御部は、第２の電力変換器が架線からの電力で蓄電池を充電している際に、電動機の回生電力が蓄電池の充電電力より大きい場合には、回生電力が充電電力以下になるように電動機のトルク指令を補正し、機械ブレーキへの指令を生成する電気駆動車両。
【選択図】 図１

Description

本発明は、架線から電力を給電されて走行する電気駆動車両に関する。

架線が敷設されている区間ではパンタグラフなどの集電装置を介して給電された電力で走行し、架線が敷設されていない区間では車両に搭載したバッテリーに蓄えられた電力で走行する電気駆動車両が知られている。

このような車両において、ブレーキ操作を実施した時に発生する回生電力は、車両に搭載したバッテリーに蓄えられたり、あるいは架線を介して地上の蓄電設備に蓄えられたり、あるいは架線を介して走行中の他の車両に供給されたりする。

電気駆動車両に関して、特許文献１が知られている。特許文献１には、電気ブレーキ使用時の回生電力の供給先を確保し、また車内負荷装置の負荷量を制御し、架線電圧を回生動作に適した値に維持することにより、回生効率を向上すると共に、ＡＴＯ車両の停止位置精度を向上させる技術が開示されている。

特開２０１３－７０６１１号公報

特許文献１では、上記したように、回生効率を向上するといった課題は解決できる。しかし、地上に蓄電設備が無い場合や、架線を走行している他の車両がいない場合に、架線に回生電力を供給すると架線電圧が上昇するなどの問題が発生する。特許文献１では、このような問題への配慮が、十分ではない。

上記した問題が発生した場合には、発生した回生電力は車両に搭載したバッテリーで全て吸収する必要がある。しかし、バッテリーの充電状態などによっては、回生電力を車両に搭載したバッテリーで全て吸収できるとは限らない。

本発明の目的は、電気駆動車両が、架線が敷設されている区間を走行する時に架線に回生電力を供給するのを抑制することである。

本発明は、電動機を駆動する第１の電力変換器と、
蓄電池を充電する第２の電力変換器と、
制御部とを有し、
前記制御部は、
第２の電力変換器が架線からの電力で前記蓄電池を充電している際に、
前記電動機の回生電力が前記蓄電池の充電電力より大きい場合には、
前記回生電力が前記充電電力以下になるように前記電動機のトルク指令を補正し、機械ブレーキへの指令を生成する電気駆動車両である。

本発明によれば、架線が敷設されている区間を走行する時に架線に回生電力を供給するのを抑制することができる。

実施例１の構成を示す図。 トルク指令演算器の出力特性を示す図。 電力演算器の構成を示す図。 充電可否判定器の構成を示す図。 トルク指令補正器の構成を示す図。 機械ブレーキ指令演算器の構成を示す図。 実施例１の動作波形例を示す図。 実施例２の構成を示す図。 実施例３の構成を示す図。

以下、本発明に係る電気駆動車両の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、電気駆動車両の実施例１の構成を示す。本実施例の電気駆動車両１は、パンタグラフ１０１、インバータ１０２、電動機１０３、DC/DC変換器１０４、バッテリー（蓄電池）１０５、コントローラ１０６、機械ブレーキ１０７を有している。

直流電圧を供給する架線２が敷設されている区間を電気駆動車両１が走行する場合、パンタグラフ１０１は架線２に接続し、架線２から電気駆動車両１に供給される直流電力はインバータ１０２に供給されて、インバータ１０２がその直流電力を三相交流電力に変換して電動機１０３に供給し、電動機１０３はその三相交流電力に駆動されることで電気駆動車両１が走行する。さらに、架線２から電気駆動車両１に供給される直流電力は、DC/DC変換器１０４に供給され、DC/DC変換器１０４からバッテリー１０５に直流電力が供給されて、バッテリー１０５に電力が充電される。

一方、架線２が敷設されていない区間を電気駆動車両１が走行する場合、バッテリー１０５に蓄えられた電気エネルギーをDC/DC変換器１０４がインバータ１０２へ直流電力として供給し、インバータ１０２がその直流電力を三相交流電力に変換して電動機１０３に供給し、電動機１０３はその三相交流電力に駆動されることで電気駆動車両１が走行する。

コントローラ１０６はトルク指令演算器１０６１、電力演算器１０６２、充電可否判定器１０６３、トルク指令補正器１０６４、機械ブレーキ指令演算器１０６５を有している。コントローラ１０６は、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの半導体集積回路（演算制御手段）によって構成してもよい。コントローラの１０６の機能のいずれかまたは全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアで構成することができる。コントローラの１０６のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、メモリなどの記録装置に保持するプログラムを読み出して、演算部などの各部の処理を実行する。

トルク指令演算器１０６１は、運転者のアクセルやブレーキなどのペダル操作から与えられるペダル指令１２０、電動機１０３の電動機速度検出値１２１を入力として、電動機１０３に与えるトルク指令１２５を演算する。ここで、電動機速度検出値１２１は速度検出センサの信号を用いて検出した検出値でも良いし、速度検出センサを用いずに推定した推定値でも良い。

電力演算器１０６２はトルク指令演算器１０６１の出力するトルク指令１２５、電動機速度検出値１２１を入力として、電動機１０３に与えられる電力を演算する。

充電可否判定器１０６３はバッテリー１０５を充放電するバッテリー充放電電力指令１２４と電力演算器１０６２の出力する電力演算値１２３を入力として、電動機１０３へ与えるトルク指令１２５を補正する補正指令１２７を出力する。

なお、バッテリー充放電電力指令１２４は、例えばワット（Ｗ）数などで指定したバッテリー１０５へ充電したい量を示す指令である。バッテリー１０５に充電できる最大電力値であってもよいし、それより低い充電させたい量であってもよい。本実施例では、バッテリー充放電電力指令１２４は放電時が正の値、充電時が負の値とする。

トルク指令補正器１０６４はトルク指令演算器１０６１の出力するトルク指令１２５、充電可否判定器１０６３の出力する補正指令１２７を入力として、補正後のトルク指令１２６を演算し、インバータ１０２へ補正後のトルク指令１２６を出力する。

インバータ１０２はトルク指令補正器１０６４が出力する補正後のトルク指令１２６を受けて、電動機１０３が出力するトルクがそのトルク指令１２６に従うように電動機１０３を制御する。

機械ブレーキ指令演算器１０６５はトルク指令演算器１０６１の出力するトルク指令１２５、充電可否判定器１０６３の出力する補正指令１２７を入力として、機械ブレーキ１０７に与える機械ブレーキ指令１２８を演算して、機械ブレーキ１０７に出力する。

機械ブレーキ１０７は機械ブレーキ指令演算器１０６５が出力する機械ブレーキ指令を受けて、電気駆動車両１を制動する。

図２はトルク指令演算器１０６１の出力特性の例を示す。図２に示すように、運転者が電気駆動車両１を加速させようとしている時には、加速時トルク指令の特性から電動機速度に応じた正のトルク指令を出力し、運転者が電気駆動車両１を減速させようとしている時には、減速時トルク指令の特性から電動機速度に応じた負のトルク指令を出力する。

図３は電力演算器１０６２の構成を示す。電力演算器１０６２は、乗算器１０６２１を有する。乗算器１０６２１はトルク指令１２５及び電動機速度検出値１２１を入力として、それらを乗算した結果を電力演算値１２３として出力する。

図４は充電可否判定器１０６３の構成を示す。充電可否判定器１０６３は、除算器１０６３１、リミッタ１０６３２、符号判定器１０６３３、補正指令出力器１０６３４を有している。

除算器１０６３１はバッテリー充電電力指令と電力演算値１２３を入力として、バッテリー充放電電力指令１２４を電力演算値１２３で除算した値を出力する。

リミッタ１０６３２は除算器１０６３１の出力を入力として、上限値１、下限値０のリミッタ処理を実施する。

符号判定器１０６３３は電力演算値１２３を入力として、その符号から力行運転か回生運転かの判定を実施して、その結果を出力する。

補正指令出力器１０６３４はリミッタ１０６３２の出力と符号判定器１０６３３の出力を入力として、符号判定器１０６３３の出力結果が力行運転の場合は補正指令として1を出力する。また、符号判定器１０６３３の出力結果が回生運転の場合は、補正指令出力器１０６３４は補正指令としてリミッタ１０６３２の出力をそのまま出力する。詳細は後述するが、この補正指令は後段のブロックでゲインとして使用されるので、補正指令が1の場合は補正をしないことと等価になる。

補正指令出力器１０６３４は、力行運転の場合はバッテリー１０５を充電しないので、トルク指令１２５を補正する必要がなく、補正指令１２７として1を出力する。一方、回生運転の場合はバッテリー１０５を充電するので、バッテリー充放電電力指令１２４と電力演算値１２３を用いて演算した値を補正指令１２７として出力する。

図５はトルク指令補正器１０６４の構成を示す。トルク指令補正器１０６４は、乗算器１０６４１を有する。乗算器１０６４１は、トルク指令１２５及び補正指令１２７を入力として、それらを乗算し、その乗算結果を補正後トルク指令１２６として出力する。

図６は機械ブレーキ指令演算器１０６５の構成を示す。機械ブレーキ指令演算器１０６５は減算器１０６５１、乗算器１０６５２、乗算器１０６５３を有している。

減算器１０６５１は1から補正指令１２７を減算する。乗算器１０６５２は減算器１０６５１からの値をトルク指令１２５に乗算する。更に、乗算器１０６５３は乗算器１０６５２からの値に-1を乗算して符号を反転した結果を機械ブレーキ指令１２８として出力する。これにより、トルク指令１２５が補正されることで減少するブレーキトルクを演算し、その減少分を機械ブレーキ指令１２８として出力する。

図７に実施例１の動作波形例を示す。電気駆動車両１は架線２に接続して走行しているとし、時間T1までは運転者が電気駆動車両１を加速させようとペダル操作をするとする。この時は力行運転１３０であり、トルク指令は正の値であるため、電力演算値も正の値になる。したがって、符号判定器１０６３３は力行運転１３０と判定し、その結果、補正指令出力器１０６３４は補正指令として1を出力する。その結果、補正後のトルク指令１２６は元のトルク指令１３２と一致し、機械ブレーキ指令はゼロとなる。この期間は、力行運転１３０であり回生電力は発生しないため、トルク指令を補正する必要がなく、機械ブレーキを使用する必要もない。

次に、時間T1～時間T2の期間では運転者が電気駆動車両１を減速させようとペダル操作をするとする。この時は回生運転１３１であり、トルク指令は負の値であるため、電力演算値も負の値になる。

したがって、符号判定器１０６３３は回生運転１３１と判定し、補正指令出力器１０６３４はリミッタ１０６３２の出力を補正指令として出力する。ここで、電力演算値の大きさはバッテリー充放電電力指令１２４の大きさよりも小さいとすると、リミッタ１０６３２の出力は1となり、補正指令出力器１０６３４は補正指令として1を出力する。

その結果、補正後のトルク指令は元のトルク指令と一致し、機械ブレーキ指令はゼロとなる。この期間は、回生運転１３１であり回生電力が発生するが、その回生電力の大きさはバッテリー１０５の充電電力よりも小さいため、回生電力は全てバッテリー１０５に充電されることになる。したがって、回生電力が架線２に供給されることがないため、トルク指令を補正する必要がなく、機械ブレーキを使用する必要もない。

次に、時間T2～時間T3の期間では運転者が電気駆動車両１を更に減速させようとペダル操作をするとする。この時は回生運転１３１であり、トルク指令は負の値であるため、電力演算値も負の値になる。したがって、符号判定器１０６３３は回生運転１３１と判定し、補正指令出力器１０６３４はリミッタ１０６３２の出力を補正指令として出力する。ここで、電力演算値の絶対値としての大きさはバッテリー充放電電力指令１２４の絶対値としての大きさよりも大きいとすると、リミッタ１０６３２の出力は１よりも小さくなり、補正指令出力器１０６３４は補正指令として1よりも小さい値を出力する。

その結果、補正後のトルク指令１２６の大きさは元のトルク指令１３２の大きさよりも絶対値が小さくなり、機械ブレーキ指令はそのトルク指令の減少分を補償するようにブレーキ指令を出力する。電力演算値の大きさ（電動機の回生電力）に対するバッテリー充放電電力指令１２４の大きさの比が、１より小さい場合には、その比を電動機へのトルク指令に乗算することでトルク指令を補正するようにしてもよい。また、機械ブレーキ指令はトルク指令の補正量に相当する値としてトルク指令の減少分を補償するようにしてもよい。この期間は、回生運転１３１であり回生電力が発生し、元のトルク指令１３２ではその回生電力の大きさがバッテリー１０５の充電電力よりも大きくなるが、トルク指令が補正されることでその回生電力の大きさはバッテリー１０５の充電電力と一致し、回生電力が架線２に供給されることはない。また、トルク指令が補正された分は機械ブレーキが補償することで、電気駆動車両１の減速特性は変化しない。

次に、時間T3～時間T4の期間では運転者が電気駆動車両１の減速を緩めるようにペダル操作をするとする。この時は回生運転１３１であり、トルク指令は負の値であるため、電力演算値も負の値になる。したがって、符号判定器１０６３３は回生運転１３１と判定し、補正指令出力器１０６３４はリミッタ１０６３２の出力を補正指令として出力する。ここで、電力演算値の大きさはバッテリー充放電電力指令１２４の大きさよりも小さいとすると、リミッタ１０６３２の出力は1となり、補正指令出力器１０６３４は補正指令として1を出力する。

その結果、補正後のトルク指令は元のトルク指令と一致し、機械ブレーキ指令はゼロとなる。この期間は、回生運転１３１であり回生電力が発生するが、その回生電力の大きさはバッテリー１０５の充電電力よりも小さいため、回生電力は全てバッテリー１０５に充電されることになる。したがって、回生電力が架線２に供給されることがないため、トルク指令を補正する必要がなく、機械ブレーキを使用する必要もない。

次に、時間T4以降は運転者が電気駆動車両１を加速させようとペダル操作をするとする。この時は力行運転１３０であり、トルク指令は正の値であるため、電力演算値も正の値になる。したがって、符号判定器１０６３３は力行運転１３０と判定し、その結果、補正指令出力器１０６３４は補正指令として１を出力する。

その結果、補正後のトルク指令は元のトルク指令と一致し、機械ブレーキ指令はゼロとなる。この期間は、力行運転１３０であり回生電力は発生しないため、トルク指令を補正する必要がなく、機械ブレーキを使用する必要もない。

以上述べたように本実施例によれば、回生電力がバッテリー１０５の充電電力よりも大きくならないようにトルク指令が補正されることで、架線２へ回生電力が供給されるのを抑制することができる。また、本実施例によれば、トルク指令が補正された分は機械ブレーキが補償することで、電気駆動車両１の減速特性は変化しない。

図８は、電気駆動車両の実施例２の構成を示す。本実施例の電気駆動車両３は実施例１の電気駆動車両１の構成に加えて、表示器１０８を備えている点が異なる。それ以外は実施例１と同様であるので、説明は省略する。

表示器１０８は充電可否判定器１０６３の補正指令１２７を入力として、その補正指令１２７が1より小さい場合は、トルク指令１２５が補正されて、機械ブレーキ１０７が動作することを運転者に通知する。実施例１では、運転者に何も通知されずにトルク指令１２５が補正されて、その補正を補償するために機械ブレーキ１０７が動作する。しかし、本実施例では表示器１０８が運転者に通知することで、運転者はそのような状況を認識することができる。機械ブレーキ１０７は使用回数が増えるほど摩耗するため、例えば運転者が機械ブレーキ１０７の摩耗を抑制したければ、ペダル操作を調整して回生電力が小さくなるように元のトルク指令１２５を調整することが可能となる。

図９は、電気駆動車両の実施例３の構成を示す。本実施例の電気駆動車両４は実施例１の電気駆動車両１の構成に加えて、DC/DC変換器１０４の出力電圧を検出する電圧センサ１１０、DC/DC変換器１０４の出力電流を検出する電流センサ１１１を備え、電圧センサ１１０の出力する電圧検出値、電流センサ１１１の出力する電流検出値を入力とするコントローラ１０９を備えている。

コントローラ１０９は実施例１のコントローラ１０６の構成に加えて、バッテリー充放電電力検出器１０６６を備えている。実施例１と同様であるので、説明は省略する。

バッテリー充放電電力検出器１０６６は電圧センサ１１０の出力する電圧検出値、電流センサ１１１の出力する電流検出値を入力として、バッテリー１０５が充放電する電力検出値１４０を演算し、その結果を充電可否判定器１０６３に出力する。

実施例１ではバッテリー１０５に充放電する電力指令を用いてトルクの補正指令を演算するが、本実施例ではバッテリー１０５に充放電する電力検出値１４０を用いてトルク補正指令を演算することになる。したがって、バッテリー１０５に充放電される電力が指令通りに制御されていない場合にも、本実施例では回生電力をバッテリー１０５に全て充電することができるかどうかの判定が正しく実施できるため、回生電力を架線２に供給するのを抑制することができる。

１：電気駆動車両、２：架線、３：電気駆動車両、４：電気駆動車両、１０１：パンタグラフ、１０２：インバータ、１０３：電動機、１０４：DC/DC変換器、１０５：バッテリー、１０６：コントローラ、１０６１：トルク指令演算器、１０６２：電力演算器、１０６２１：乗算器、１０６３：充電可否判定器、１０６３１：除算器、１０６３２：リミッタ、１０６３３：符号判定器、１０６３４：補正指令出力器、１０６４：トルク指令補正器、１０６４１：乗算器、１０６５：機械ブレーキ指令演算器、１０６５１：減算器、１０６５２：乗算器、１０６５３：乗算器、１０６６：バッテリー充放電電力検出器、１０７：機械ブレーキ、１０８：表示器、１０９：コントローラ、１１０：電圧センサ、１１１：電流センサ

Claims (8)

1. 電動機を駆動する第１の電力変換器と、
   蓄電池を充電する第２の電力変換器と、
   制御部とを有し、
   前記制御部は、
   第２の電力変換器が架線からの電力で前記蓄電池を充電している際に、
   前記電動機の回生電力が前記蓄電池の充電電力より大きい場合には、
   前記回生電力が前記充電電力以下になるように前記電動機のトルク指令を補正し、機械ブレーキへの指令を生成する電気駆動車両。
2. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   表示部を有し、
   前記表示部は、
   前記トルク指令を補正したこと、もしくは前記機械ブレーキが動作することを表示する電気駆動車両。
3. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記制御部は、
   前記蓄電池の充電する電力を演算し、演算した充電電力から、補正された前記電動機のトルク指令を演算する電気駆動車両。
4. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記制御部は、
   前記蓄電池の充放電電力指令から、補正された前記電動機のトルク指令を演算する電気駆動車両。
5. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記機械ブレーキの指令は、前記トルク指令の補正量に相当する値である電気駆動車両。
6. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記制御部は、
   前記蓄電池の充電電力と前記電動機の回生電力との比を演算し、
   演算した前記比を使い、前記電動機のトルク指令を補正する電気駆動車両。
7. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記制御部は、
   力行運転の際には、
   前記電動機のトルク指令を演算し、当該トルク指令に基づいて第１の電力変換器を制御する電気駆動車両。
8. 請求項１に記載の電気駆動車両において、
   前記架線には、直流電圧が供給され、
   第２の電力変換器は、ＤＣ／ＤＣ変換器である電気駆動車両。

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