(57)【要約】  整流器５を具備し、交流電力２を受電して直流電力に変換する受電部７０と、直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイス７と、整流器５の出力を用いた電力貯蔵デバイス７に対する充電制御と、電力貯蔵デバイス７からの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ６と、受電部７０およびＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作を制御する制御部１０と、を備えて充電装置１が構成され、整流器５の出力電圧と電力貯蔵デバイス７の放電時に整流器５の出力端に印加されるＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧とが異なる電圧に設定されている。
2012144079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力を用いた前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記整流器の出力電圧と、前記電力貯蔵デバイスの放電時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とが異なる電圧に設定されていることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記電力貯蔵デバイスの充電制御時に出力される前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項６】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時および放電制御時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断することを特徴とする請求項５に記載の充電装置。
【請求項７】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断し、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記交流遮断器を投入して受電電力を供給することを特徴とする請求項５に記載の充電装置。
【請求項８】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の充電装置。
【請求項９】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項８に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載した電力貯蔵デバイスを充電する充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した電力貯蔵デバイスを充電する従来の充電装置は、その電力貯蔵デバイスを急速充電するために必要な電力を地上に設置した電力供給設備から供給する構成となっている。例えば、下記特許文献１に示される交通システムでは、地上側に、交流遮断器、整流器用変圧器、整流器、電気二重層キャパシタ、チョッパ回路、直流遮断器を備え、電力会社からの電力系統に接続された交流遮断器を投入し、整流器にて交流電力を直流電力に変換して電気二重層キャパシタ（地上側の電力貯蔵デバイス）を充電し、電気二重層キャパシタと電気車との間に設けた直流遮断器を投入することで、電気二重層キャパシタの電力を放電して電気車に搭載した電気二重層キャパシタ（車両側の電力貯蔵デバイス）を充電している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３２１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、車両に搭載した電力貯蔵デバイスを充電する従来の充電装置は、交流遮断器と直流遮断器の投入・開放により充放電制御を切替える構成となっている。特に、車両側の電力貯蔵デバイスを充電する場合には、時間の制約から、大電流かつ短時間の急速な充電を行う必要があり、充電経路には大きな電流が流れるため、性能のよい高価な直流遮断器を選定する必要があり、装置のコストおよび規模が増加するという問題点があった。【０００５】
また、この充電装置では、地上側および車両側それぞれの電力貯蔵デバイスを充電する都度、少なくとも直流遮断器の投入・開放を制御しなければならないので、直流遮断器の寿命を延ばすことが難しく、装置全体の信頼性の低下に繋がり、さらに、メンテナンスコストが増加するという問題点があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の更なる小型化、軽量化、低コスト化および高信頼性化を可能とする充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る充電装置は、出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、前記整流器の出力を用いた前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、を備え、前記整流器の出力電圧と、前記電力貯蔵デバイスの放電時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と、が異なる電圧に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る充電装置によれば、直流遮断器を省略することが可能であり、装置の更なる小型化、軽量化、低コスト化および高信頼性化を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る充電装置を備えた電力供給システムの一構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１における電気車の一構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１における蓄電池の充放電パターンの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１における制御部の一構成例を示す図である。
【図５】図５は、図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータ制御部の一構成例を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態２における蓄電池の充放電パターンの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る充電装置および電力供給システムについて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る充電装置を備えた電力供給システムの一構成例を示す図であり、図２は、実施の形態１における電気車の一構成例を示す図である。
【００１２】
図１において、充電装置１は、例えば、駅または車両基地に設置され、電力会社から受電した交流電力２を入力電源とし、駅または車両基地に停止している電気車２０に搭載されている電力貯蔵デバイス２３を充電する装置として構成される。
【００１３】
充電装置１は、受電部７０および充電制御装置８０を備えている。受電部７０は、交流遮断器３、変圧器４および整流器５を備えて構成され、交流電力２を受電して直流電力に変換する。充電制御装置８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、電力貯蔵デバイス７、第１の電流検出器８、第１の電圧検出器９、制御部１０、第２の電流検出器１１および第２の電圧検出器１２を備えて構成される。
【００１４】
交流遮断器３は、受電した交流電力２を投入・遮断する。変圧器４は、交流遮断器３を介して入力される交流電圧を所定の交流電圧に降圧する。整流器５は、交流電圧（交流電力）を所定の直流電圧（直流電力）に変換する。電力貯蔵デバイス７は、直流電力を貯蔵する。
【００１５】
第１の電流検出器８は、整流器５の出力電流を検出し、第１の電圧検出器９は、整流器５の出力電圧を検出する。また、第２の電流検出器１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流を検出し、第２の電圧検出器１２は、電力貯蔵デバイス７の出力電圧を検出する。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、双方向の電力フロー制御が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、整流器５で変換された直流電力を用いて電力貯蔵デバイス７を充電する制御を行う。制御部１０には、第１の電流検出器８が検出する整流器５の出力電流、第１の電圧検出器９が検出する整流器５の出力電圧、第２の電流検出器１１が検出するＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流、第２の電圧検出器１２が検出する電力貯蔵デバイス７の出力電圧、外部からの運転指令、電力貯蔵デバイス７に関する情報（例えば、電力貯蔵デバイスの充電状態に関する情報（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：以下「ＳＯＣ」という）、電力貯蔵デバイスもしくは電力貯蔵デバイス周辺の温度情報）が入力される他、交流遮断器３、整流器５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の状態情報などが入力される。制御部１０は、これらの情報を用いて、整流器５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６および交流遮断器３を制御する。
【００１７】
一方、車両システム９０は、架線１４、レール１５および電気車２０を備えて構成され、電気車２０は、電力貯蔵デバイス２３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、インバータ２４、モータ２５、パンタグラフ２１および車輪２６を備えて構成される（図２）。充電装置１が供給する直流電力は、電気車２０に供給されるが、電気車２０では、パンタグラフ２１を介して架線１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、車輪２６およびレール１５により充電回路が形成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、架線１４およびパンタグラフ２１を介して受電した直流電力を用いて電力貯蔵デバイス２３を充電する。電力貯蔵デバイス２３の充電が完了するとパンタグラフ２１を下げ、インバータ２４は、電力貯蔵デバイス２３の直流電力を所望の交流電力に変換してモータ２５を駆動し、車輪２６を回転させ、電気車２０が走行する。
【００１８】
上述した充電装置１および車両システム９０のうち、実施の形態１に係る電力供給システムは、充電装置１と、車両システム９０の一部を成す架線１４およびレール１５とにより構成される。
【００１９】
なお、図１および図２では、架線１４を構成する導体部を一本の線で示しているが、架線１４を複数の並行導体部で構成することが好ましい。架線１４を複数の並行導体部で構成すれば、架線１４の抵抗値を小さくすることができるので、充電時の損失を低減することができ、充電装置１の更なる省エネルギー化、高効率化が可能となる。
【００２０】
次に、充電装置１の起動動作、充電制御および放電制御について、図１および図２の図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（起動動作）
制御部１０に外部からの運転指令が入力されると、制御部１０は、交流遮断器３を投入する。交流遮断器３が投入されると、変圧器４に交流電力２が供給される。変圧器４は、入力された交流電圧を降圧して整流器５に交流電力を供給する。整流器５は、入力された交流電力を直流電力に変換して架線１４に出力する。制御部１０は、整流器５の出力電圧が所定の電圧に加圧されたことを第１の電圧検出器９の出力により認識し、電力貯蔵デバイス７の電圧が所定の範囲にあることを第２の電圧検出器１２の出力により認識すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の制御を開始する。以上の動作により、充電装置１が起動する。
【００２２】
（充電制御）
充電装置１が起動すると、制御部１０は、電力貯蔵デバイス７に対する充電制御を開始する。制御部１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が電力貯蔵デバイス７に供給する充電電流を制御して電力貯蔵デバイス７を充電する。なお、充電制御を行う際、放電時に比して小電流で時間をかけて充電するようにすれば、整流器５、変圧器４、交流遮断器３の機器容量を小さくすることができると共に、電力会社との契約電力量を小さくして低コスト化することもできる。制御部１０は、電力貯蔵デバイス７の電圧情報または／およびＳＯＣ情報により、電力貯蔵デバイス７の充電状態を判定する。電力貯蔵デバイス７が満充電状態であると判定した場合、制御部１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を充電制御から放電制御の状態、より正確には放電制御可能状態に切り替える。なお、電力貯蔵デバイス７のＳＯＣ情報は、電力貯蔵デバイス７から貰わずに制御部１０で推定してもよい。
【００２３】
（放電制御）
ＤＣ／ＤＣコンバータ６が放電制御可能状態にあるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電力貯蔵デバイス７の電圧を所定の電圧まで昇圧して架線１４に印加する。ここで、このときのＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧は、整流器５の出力電圧より高い電圧である。したがって、整流器５の出力側には自身の出力電圧（交流電圧を直流電圧に変換した）より高い電圧が印加される。このため、整流器５を構成する一方向性導通素子（例えばダイオード）によって阻止され、整流器５からの出力電流は停止する。この放電制御可能状態は、電気車２０が駅や車両基地に停止して充電を開始するまで継続する。次に、電気車２０が駅や車両基地に停止し、電気車２０が充電を開始すると、電力貯蔵デバイス７の電力がＤＣ/Ｄコンバータ６から供給され、電気車２０に搭載の電力貯蔵デバイス２３が充電される。
【００２４】
図３は、実施の形態１における電力貯蔵デバイス７の充放電パターンの一例を示す図であり、これまで説明してきた動作を経時的に説明するのに好適なタイムチャートである。
【００２５】
図３において、Ａ〜Ｂは充電制御期間、Ｂ〜Ｄは放電制御可能期間である。また、放電制御可能期間Ｂ〜Ｄのうち、Ｂ〜Ｃは放電待機期間、Ｃ〜Ｄは放電制御期間である。充電制御期間Ａ〜Ｂでは、架線電圧（架線１４の電圧）は整流器５の出力電圧（例えば定格電圧１５００Ｖよりも低い所定電圧）となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は降圧動作となり、整流器５から供給された直流電力を用いて電力貯蔵デバイス７を充電する。このときの動作は、上述したように小電流かつ時間をかけた（放電時間に比べて充電時間の方が長い）充電制御（好適には定電流充電）が行われる。
【００２６】
充電制御期間Ａ〜Ｂから放電待機期間Ｂ〜Ｃに移行するとき、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が放電制御可能状態になるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は昇圧動作を行い、架線電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（例えば、定格電圧１５００Ｖよりも高い所定電圧）となる。
【００２７】
電気車２０が駅や車両基地に停止して充電を開始すると、放電待機期間Ｂ〜Ｃから放電制御期間Ｃ〜Ｄに移行する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、大電流かつ短時間の急速放電を行う。電力貯蔵デバイス７の放電が始まると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が低下するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、出力電圧が低下しないように所定の電圧に定電圧制御を行う。電気車２０に搭載の電力貯蔵デバイス２３への充電が完了した後、図示のように電力貯蔵デバイス７の出力電圧が低下して再度の充電が必要となる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は昇圧動作を停止する。したがって、架線電圧は整流器５の出力電圧となる。
【００２８】
なお、図３の例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電力貯蔵デバイス７の放電完了後に昇圧動作を停止し、その後、電力貯蔵デバイス７を充電する制御を行っているが、電力貯蔵デバイス７の出力電圧の低下が小さく、この状態で再度の放電制御が可能であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を低下させることなく、次の電気車２０が駅または車両基地に停止して充電を開始するまで、放電制御可能状態で待機するようにしてもよい。
【００２９】
図４は、実施の形態１における制御部１０の一構成例を示す図である。制御部１０は、表示・操作画面３１、受電制御部３２およびＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３を備えて構成される。
【００３０】
表示・操作画面３１は、ユーザ（充電装置１の操作者）と受電制御部３２およびＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３との間のインタフェースを提供する構成部であり、各機器（例えば交流遮断器３、整流器５、およびＤＣ／ＤＣコンバータ６）の状態表示や、操作入力（例えば、ユーザからの運転指令の伝達）を行う。
【００３１】
受電制御部３２は、交流遮断器３および整流器５の運転、停止などを制御する。また、受電制御部３２は、交流遮断器３および整流器５の状態信号を受信して表示・操作画面３１に伝達する。
【００３２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３は、第１の電流検出器８および第２の電流検出器１１の各検出電流ならびに第１の電圧検出器９および第２の電圧検出器１２の各検出電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の状態信号を受信すると共に、第１の電流検出器８および第２の電流検出器１１の各検出電流ならびに第１の電圧検出器９および第２の電圧検出器１２の各検出電圧を監視して、それぞれの状態信号を表示・操作画面３１に伝達する。
【００３３】
図５は、図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３の一構成例を示す図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部３３は、シーケンス処理部４１、制御目標演算部４２、電圧制御部４３、制御系切替部４４、通流率演算部４５およびＰＷＭ回路４６を備えて構成される。
【００３４】
シーケンス処理部４１は、表示・操作画面３１を通じて入力される運転指令および第１の電圧検出器９の検出電圧に基づいて動作可能信号５１を生成する。動作可能信号５１は、充電制御および放電制御を実行可能状態にする信号であり、制御目標演算部４２に入力される。シーケンス処理部４１は、第１の電圧検出器９の検出電圧をモニタし、整流器５に出力電圧が現れていることを検知した後に動作可能信号５１を生成する。
【００３５】
また、シーケンス処理部４１は、第１の電流検出器８の検出電流に基づいて充放電切替信号５２を生成する。充放電切替信号５２は、制御系の切替信号であり、制御系切替部４４に入力される。より詳細に説明すると、充電装置１の電力貯蔵デバイス７を充電する場合（すなわち充電制御の場合）、制御系切替部４４はａ側に切り替えられ、制御目標演算部４２と通流率演算部４５が接続される。一方、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電する場合（すなわち放電制御の場合）、制御系切替部４４はｂ側に切り替えられ、電圧制御部４３と通流率演算部４５が接続される。電気車２０が駅や車両基地に停止していない場合、整流器５の出力側には電流が流れない。したがって、第１の電流検出器８の検出電流をモニタすることで放電制御系（第１の制御系：切替器ａ側）から充電制御系（第２の制御系：切替器ｂ側）への切替を行うタイミングおよびその逆の切替のタイミングを判断することができる。
【００３６】
充電装置１の電力貯蔵デバイス７を充電する充電制御の場合、制御目標演算部４２は、電力貯蔵デバイス７に対する充電電流の指令値である第１の電流指令５３を生成する。一方、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電するための放電制御の場合、制御目標演算部４２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（例えば、定格電圧１５００Ｖより高い電圧）の目標値である目標電圧５４を生成する。電圧制御部４３は、放電制御のときに動作し、目標電圧５４と第１の電圧検出器９の検出電圧との差分値に基づいて、架線電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令５５を生成する。
【００３７】
通流率演算部４５は、制御系切替部４４を介して入力される第１の電流指令５３または第２の電流指令５５を用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６に具備されるスイッチング素子に対する通流率の指令値である通流率指令５６を演算してＰＷＭ回路４６に入力する。ＰＷＭ回路４６は、充電装置１の電力貯蔵デバイス７を充電する充電制御の場合、第２の電流検出器１１の検出電流が所定の定電流になるようなＰＷＭ信号５７を生成してＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する。一方、ＰＷＭ回路４６は、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電するための放電制御を実行する場合、第２の電圧検出器１２の検出電圧が所定の定電圧になるようなＰＷＭ信号５８を生成してＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する。
【００３８】
以上のように、実施の形態１の充電装置によれば、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電する場合、整流器５の出力電圧よりもＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を高く設定し、整流器５を逆加圧して出力停止としたものである。この構成により、上記特許文献１には設けられていた直流遮断器を省略することができ、装置の更なる小型化、軽量化、低コスト化および高信頼性化が可能となる。
【００３９】
また、実施の形態１の充電装置によれば、充電装置１に搭載した電力貯蔵デバイス７の準備が完了した段階で、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を整流器５の出力電圧よりも高く設定しているので、充電装置１側が放電制御可能状態にあるか否かを架線電圧のレベル（大きさ）のみで判定することが可能となる。この実施態様により、充電装置１と電気車２０との間に特別なインタフェースを設けることなく、充電装置１の準備状況を電気車２０から判定することができる。
【００４０】
また、電気車２０がパンタグラフ２１を下げた状態で、電力貯蔵デバイス２３の電力を駆動源として駅や車両基地内に進入して停止した後に、パンタグラフ２１を上昇させて架線電圧のレベル（大きさ）を確認することにより、充電装置１側が放電制御可能状態にあるか否かの判定が電気車２０側で可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態の場合、架線電圧の情報は、制御部１０の表示操作画面にて表示可能であるため、この架線電圧の情報を表示する表示装置を電気車２０の停止位置から視認できる場所に設けることとすれば、パンタグラフ２１を上昇させる制御を行うことなく、電気車２０は、充電装置１の状態を判定することができる。
【００４２】
また、実施の形態１の充電装置によれば、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電する場合、交流遮断器３を開放することなく、急速充電することができるので、交流遮断器３の寿命を長くすることができ、装置の更なる高信頼性化が可能となる。
【００４３】
さらに、実施の形態１の充電装置によれば、駅や車両基地内に電気車２０が停止したときに電力貯蔵デバイス７の充電が完了していない場合あるいは、電力貯蔵デバイス７のＳＯＣが低下している場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作を停止して整流器５から架線１４を介して電気車２０に電力を供給して電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電することができるので、充電装置１の稼働率を向上させることができると共に、充電のための不要な待ち時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００４４】
実施の形態２．
実施の形態１では、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電する場合、整流器５の出力電圧よりもＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を高く設定し、整流器５を逆加圧して整流器５の出力を停止する実施形態について説明した。一方、実施の形態２では、電気車２０の電力貯蔵デバイス２３を充電する場合、交流遮断器３を開放し、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を整流器５の出力電圧よりも低く設定する実施形態について、図６を参照して説明する。図６は、実施の形態２における電力貯蔵デバイス７の充放電パターンの一例を示す図である。なお、充電装置１の構成は、実施の形態１と同一または同等であり、その説明を省略する。
【００４５】
図６において、Ａ〜Ｄの各期間の意味は図３と同様である。すなわち、Ａ〜Ｂは充電制御期間、Ｂ〜Ｄは放電制御可能期間である。また、放電制御可能期間Ｂ〜Ｄのうち、Ｂ〜Ｃは放電待機期間、Ｃ〜Ｄは放電制御期間である。充電制御期間Ａ〜Ｂでは、架線電圧は整流器５の出力電圧（例えば、定格電圧１５００Ｖよりも高い所定電圧）となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は降圧動作となり、整流器５から供給された直流電力を用いて電力貯蔵デバイス７を定電流充電する。
【００４６】
一方、充電制御期間Ａ〜Ｂから放電待機期間Ｂ〜Ｃに移行するとき、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ６が放電制御可能状態になるとき、交流遮断器３は開放され、架線電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（例えば、定格電圧１５００Ｖよりも低い所定電圧）となる。
【００４７】
電気車２０が駅や車両基地に停止して充電を開始すると、放電待機期間Ｂ〜Ｃから放電制御期間Ｃ〜Ｄに移行する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、大電流かつ短時間の急速放電を行う。放電が始まると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が低下するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、出力電圧が低下しないように定電圧制御を行う。なお、電気車２０が充電を開始するとき、すなわち放電待機期間Ｂ〜Ｃから放電制御期間Ｃ〜Ｄへの移行時に合わせて交流遮断器３を投入する制御を行ってもよい。このような制御を行えば、整流器５とＤＣ／ＤＣコンバータ６の双方の出力を用いて電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電することができるので、充電時間の短縮化が可能となる。なお、充電装置１側が放電制御可能状態にあるか否かの判断は、放電待機期間Ｂ〜Ｃにおいて架線電圧が所定値以下であることで判断できるので、放電制御期間Ｃ〜Ｄにおいて交流遮断器３を投入する制御を行っても問題ない。
【００４８】
以上のように、実施の形態２の充電装置によれば、電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電する場合、直前に交流遮断器３を開放する期間を設けて整流器５の出力を停止し、かつ、整流器５の出力電圧よりもＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を低く設定したものである。この実施態様により、上記特許文献１には設けられていた直流遮断器３を省略することができ、装置の更なる小型化、軽量化、低コスト化および高信頼性化が可能となる。
【００４９】
また、実施の形態２の充電装置によれば、充電装置１に搭載した電力貯蔵デバイス７の準備が完了した段階で、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を整流器５の出力電圧よりも低く設定しているので、充電装置１側が放電制御可能状態にあるか否かを架線電圧のレベル（大きさ）のみで判定することが可能となる。この実施態様により、充電装置１と電気車２０との間に特別なインタフェースを設けることなく、充電装置１の準備状況を電気車２０から判定することができる。
【００５０】
また、電気車２０がパンタグラフ２１を下げ、電力貯蔵デバイス２３の電力を駆動源として駅や車両基地内に進入して停止した場合には、パンタグラフ２１を上昇させて架線電圧のレベル（大きさ）を確認することにより、充電装置１側が放電制御可能状態にあるか否かの判定が電気車２０側で可能となる。
【００５１】
なお、本実施の形態の場合、架線電圧の情報は、制御部１０の表示操作画面にて表示可能であるため、この架線電圧の情報を表示する表示装置を電気車２０の停止位置から視認できる場所に設けることとすれば、パンタグラフ２１を上昇させる制御を行うことなく、充電装置１の状態を判定することができる。
【００５２】
また、実施の形態２の充電装置によれば、駅や車両基地内に電気車２０が停止したときに電力貯蔵デバイス７の充電が完了していない場合あるいは、電力貯蔵デバイス７のＳＯＣが低下している場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作を停止して整流器５から電気車２０に電力を供給して電気車２０に搭載した電力貯蔵デバイス２３を充電することができるので、装置の稼働率を向上させることができると共に、充電のための不要な待ち時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００５３】
なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【００５４】
また、上記の説明では、本発明の用途として鉄道システムの場合を例に説明したが、その他の自動車の場合や自動二輪、自転車、船舶、航空機等の電力貯蔵デバイスを搭載した移動体と移動体が特定の場所で停止するシステムの分野にも利用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明は、装置の更なる小型化、軽量化、低コスト化および高信頼性化を可能とする充電装置および電力供給システムとして有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１  充電装置
２  交流電力
３  交流遮断器
４  変圧器
５  整流器
６，２２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
７，２３  電力貯蔵デバイス
８  第１の電流検出器
９  第１の電圧検出器
１０  制御部
１１  第２の電流検出器
１２  第２の電圧検出器
１４  架線
１５  レール
２０  電気車
２１  パンタグラフ
２４  インバータ
２５  モータ
２６  車輪
３１  表示・操作画面
３２  受電制御部
３３  ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部
４１  シーケンス処理部
４２  制御目標演算部
４３  電圧制御部
４４  制御系切替部
４５  通流率演算部
４６  ＰＷＭ回路
５１  動作可能信号
５２  充放電切替信号
５３  第１の電流指令
５４  目標電圧
５５  第２の電流指令
５６  通流率指令
５７，５８  ＰＷＭ信号
７０  受電部
８０  充電制御装置
９０  車両システム
【図１】
2012144079.tif 000003
【図２】
2012144079.tif 000004
【図３】
2012144079.tif 000005
【図４】
2012144079.tif 000006
【図５】
2012144079.tif 000007
【図６】
2012144079.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月13日(2012.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力電流を検出する電流検出器と、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御を前記電流検出器の検出値に基づいて行うＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも低いことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力を用いた前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記電力貯蔵デバイスの充電制御時に出力される前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高いことを特徴とする充電装置。
【請求項５】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時および放電制御時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項６】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断し、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記交流遮断器を投入して受電電力を供給することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項７】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項５または６に記載の充電装置。
【請求項８】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項７に記載の充電装置。
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月17日(2013.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力電流を検出する電流検出器と、
前記整流器の出力電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御を前記電流検出器の検出値に基づいて行うＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
前記整流器の出力電圧と前記電力貯蔵デバイスの放電時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とは異なる電圧に設定され、当該異なる電圧を検出する前記電圧検出器の出力を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力を用いた前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記電力貯蔵デバイスの充電制御時に出力される前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高いことを特徴とする充電装置。
【請求項５】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時および放電制御時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項６】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断し、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記交流遮断器を投入して受電電力を供給することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項７】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項５または６に記載の充電装置。
【請求項８】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令もしくは前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項７に記載の充電装置。
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月26日(2013.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力段に整流器を具備し、交流電力を受電して直流電力に変換する受電部と、
直流電力を貯蔵する電力貯蔵デバイスと、
前記整流器の出力を用いた前記電力貯蔵デバイスに対する充電制御と、前記電力貯蔵デバイスからの放電制御との双方向の電力フロー制御が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記受電部および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記電力貯蔵デバイスの充電制御時に出力される前記整流器の出力電圧は、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記整流器の出力端に印加する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高いことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時および放電制御時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記受電部には交流遮断器が設けられ、
前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスの放電待機時に前記交流遮断器を開放して受電電力を遮断し、前記電力貯蔵デバイスの放電制御時に前記交流遮断器を投入して受電電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項４】
前記制御部には、前記整流器の出力を用いて前記電力貯蔵デバイスを定電流充電する充電制御系と、前記電力貯蔵デバイスの貯蔵電力を放電して外部に設けられる他の電力貯蔵デバイスを定電圧充電する放電制御系とが構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記制御部には、
前記電力貯蔵デバイスに対する充電電流の指令値である第１の電流指令および前記他の電力貯蔵デバイスを充電するときの電圧の目標値である目標電圧を生成する制御目標演算部と、
前記目標電圧と前記整流器の出力端に印加される印加電圧との差分値に基づいて当該印加電圧を定電圧に保持するための電流の指令値である第２の電流指令を生成する電圧制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子の通流率を演算する通流率演算部と、
前記制御部の制御系を前記充電制御系または前記放電制御系の何れかに切り替える制御系切替部と、
が少なくとも設けられ、
前記制御系が前記充電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記通流率演算部の入力とされ、
前記制御系が前記放電制御系に切り替えられるとき、前記制御目標演算部の出力が前記電圧制御部の入力とされ、かつ、前記電圧制御部の出力が前記通流率演算部の入力とされる
ことを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【国際調査報告】
2012144079.tif 000009
2012144079.tif 000010