(57)【要約】  電力変換制御部４０は、第一の電圧検出器により検出された電圧値ＢＥＦＣがＡ／Ｄ変換部４５にてデジタル信号に変換された電圧信号ＢＥＦＣと、第二の電圧検出器により検出された直列合計電圧値ＥＢＡＴとから電圧値ＢＥＦＣを補正するための補正値ＤＥ２を算出する補正値演算部５０と、電圧値ＢＥＦＣを補正値ＤＥ２により補正した補正後電圧値としての電圧信号ＢＥＦＣ１を算出する補正後電圧演算部６０と、電圧信号ＢＥＦＣ１に基づいて電力変換部の制御を行うゲート制御部４４と、を備える。
2010058468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記電力変換制御部は、
前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、複数の前記電力貯蔵素子の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出された第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、
前記第一の電圧値を前記補正値または補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、
を備え、
前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記補正値は、前記第一の電圧値を平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を平均化した電圧値との差に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記補正係数は、前記第一の電圧値を平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を平均化した電圧値との割合に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換制御部は、
前記第二の電圧値が正常な値であるか否かを監視するデータ監視部と、
前記データ監視部の出力に基づき、前記第一の電圧値を前記補正値で補正するか否かを選択できる補正選択部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換制御部は、前記補正値の上下限を制限するリミッタ部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、所定の制御目標値に前記補正後電圧値を一致させる制御を行うゲート制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記補正後電圧値を前記制御目標値に一致させる制御を行う際、
前記ゲート制御部は、前記電力変換部から前記電力貯蔵装置に供給される電圧が一定電圧となるゲート信号を出力して前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、前記各電力貯蔵素子の電圧異常を検出した場合に、前記電力変換部の動作を停止させる制御信号を前記ゲート制御部に出力する保護処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＡＣインバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換部は、ＡＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第一の電圧検出器を装置の内部に設けたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車への応用に好適な電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電気車は、架線や第三軌条等から集電装置で電力を取り入れ、集電した電力を使用して電動機を駆動して走行する構成とされる。近年、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子の性能が向上してきていることから、これらの電力貯蔵素子を電気車に搭載し、電力貯蔵素子の電力を併用して電動機を駆動して走行するシステムの開発が進められている。【０００３】
このようなシステムでは、二次電池や電気二重層キャパシタ等のセルまたはモジュールである電力貯蔵素子を複数個接続して所定の電圧を得るように構成した電力貯蔵装置を含み、電力貯蔵装置の充放電を行うために外部電源と電力貯蔵装置との間に充放電の制御を行うための電力変換装置が接続される（例えば、特許文献１，２など）。【０００４】
電力変換装置を構成する電力変換部としては、種々の回路形態が存在する。例えば、直流電源と電力貯蔵部との間の電力を所定値に制御して充放電を行う機能を有したＤＣ−ＤＣコンバータ回路や、交流電動機からの回生電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置に充電したり、あるいは電力貯蔵装置の直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動したりする機能を有したＤＣ−ＡＣインバータ回路、交流電源と電力貯蔵装置との間の電力を所定値に制御して充放電を行う機能を有したＡＣ−ＤＣコンバータなどが、主要な形態として挙げられる。【０００５】
上記した電力変換装置は、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する電圧検出器（以下「第一の電圧検出器」と称する）を有し、この第一の電圧検出器により検出された電圧に基づいて、電力貯蔵装置に対する充放電制御を行うことが一般的な構成とされている。【０００６】
電力貯蔵装置に使用される電力貯蔵素子は、充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）に依存してその端子電圧が変化するという特性があり、ＳＯＣが高いほど端子電圧が高くなるという特性を有している。このため、電力貯蔵装置を具備する電力変換装置では、各電力貯蔵素子の過放電、過充電による損傷を防ぐために電力貯蔵素子の端子電圧には上限となる許容最大電圧と下限となる許容最小電圧が設定されており、第一の電圧検出器が検出した電圧が許容最大電圧を超過しないように充電電流を減少させる制御が行われ、検出した電圧が許容最低電圧を下回らないように放電電流を減少させる制御が行われる。【０００７】
一方、電力貯蔵装置に内蔵された各電力貯蔵素子には、各セルまたはモジュール単位毎に電圧検出器が設けられ、電力貯蔵素子を具備する電力貯蔵装置には、各電力貯蔵素子の電圧を検出して監視し、所定の値を超過したり下回ったりした場合には、その状態を上位のシステムへ出力して異常を通知する機能や、セルまたはモジュール間の電圧ばらつきが発生した場合にはこれを検出してばらつきを抑制するように均等化を図ったりするセルモニタ等と呼称される監視機能を有することが一般的な構成とされている。【０００８】
ところで、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の電圧を検出できるように高電圧に耐える性能が必要とされる。この電圧検出器の主な目的は、電力変換装置の電圧を高速に制御することであり、入出力の応答遅れは０．３ｍｓと小さいが、電圧の検出精度は±３％程度と大きい。一般に、高電圧を検出できる電圧検出器は、内部の絶縁手段等が複雑となり検出精度が悪くなる傾向にある。【０００９】
一方、電力貯蔵素子の電圧をモニタする電圧検出器（以下「第二の電圧検出器」と称する）は、セル電圧やモジュールの電圧である数Ｖ〜数十Ｖの電圧を検出するものである。この電圧検出器の主な目的は、各セルあるいはモジュールの電圧を高精度に監視することにより、各セルあるいはモジュールを過充電や過放電から保護することにあるため、入出力の応答遅れは数十ｍｓと大きいが、電圧の検出精度は±０．３％前後と高精度である。【００１０】
電力変換装置により電力貯蔵素子を充電する場合を例に説明すると、電力貯蔵素子のＳＯＣが低く、端子電圧が上限値から十分に余裕がある場合は、一定の電流にて電力貯蔵素子の充電を行う定電流充電（ＣＣ(Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ)充電）を行う。ＳＯＣが増加してゆき、端子電圧が許容最大電圧付近まで到達すると、端子電圧が上限値を超えないように定電流充電から定電圧充電（ＣＶ(Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ)充電）に切り替え、電力貯蔵素子の電圧が許容最大電圧を超えない所定値に維持するよう電流を減少させた充電を継続して行う。【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２７４７５６号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＣＶ充電を行う場合、第一の電圧検出器の検出電圧値が電力貯蔵素子の許容最大電圧を超えない最大電圧となるように目標電圧を設定して電力変換部を制御するが、このときの目標電圧は、第一の電圧検出器の検出精度の最大公差を考慮して決定する必要がある。つまり、電力貯蔵素子が複数接続されてなる電力貯蔵装置の許容最大電圧が７００Ｖである場合、３％の公差を考慮すると７００Ｖ×０．０３＝２１Ｖの検出誤差が存在することになるので、これを見越して目標電圧を７００Ｖ−２１Ｖ＝６７９Ｖ以下に設定する必要がある。【００１３】
しかしながら、この２１Ｖの検出誤差は、仮に第一の電圧検出器の公差がゼロであった場合には考慮する必要の無い値であり、検出誤差が大きいほど過剰に充電電流を減少させることになるため、充電時間が余計にかかるという不都合が生じる。【００１４】
上記の不都合を解消するためには、第一の電圧検出器の検出精度を向上させる必要があるが、上述したとおり高電圧を検出できる電圧検出器は、検出精度が悪くなる傾向にあり、技術的に困難である。【００１５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器として、検出精度のあまり高くない検出器を用いた場合であっても、電力貯蔵素子に対する充電時間を短縮でき、効率的な充放電を可能とする電力変換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】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、前記電力変換制御部は、前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、複数の前記電力貯蔵素子の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出された第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、前記第一の電圧値を前記補正値または補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、を備え、前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる電力変換装置によれば、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器の検出電圧を補正した補正後の電圧検出値に基づいて電力変換部の制御を行う構成としたので、電力貯蔵素子の充電時間を短縮でき、効率的な充放電が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における電力貯蔵装置の構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における電力変換制御部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における効果例を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他の電力変換装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  架線
２  集電装置
３  車輪
４  レール
５  リアクトル
６  コンデンサ
７  電圧検出器
１１  上アーム側スイッチング素子
１２  下アーム側スイッチング素子
２０  平滑リアクトル
２１  電流検出器
２３  第一の電圧検出器
３０  電力貯蔵装置
３１ａ〜３１ｎ  電力貯蔵素子
３２ａ〜３２ｎ  第二の電圧検出器
３３  電力貯蔵制御部
３４  Ａ／Ｄ変換部
３５  加算部
３６  通信処理部
３７  信号伝送路
４０，４０ａ  電力変換制御部
４１  加算器
４２  保護処理部
４４  ゲート制御部
４５  Ａ／Ｄ変換器
５０  補正値演算部
５１  平均化処理部
５２  平均化処理部
５３  減算部
５４  リミッタ
５５  スイッチ（補正選択部）
５６  データ監視部
５７  通信処理部
６０  補正後電圧値演算部
１００  電力変換装置
１０５  電力変換部（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１１０  電力変換部（ＡＣ−ＤＣコンバータ）
１１５  コンデンサ
１２０  電力変換部（ＤＣ−ＡＣインバータ）
２００  外部電源
３００  電動機
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に添付図面参照して、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を詳細に説明する。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。【００２１】
図１は、本発明の実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。図１において、本実施の形態の電力変換装置１００は、直流電源となる変電所（図示せず）に接続された架線１、架線１から電力を受電する集電装置２、リターン電流の戻り回路となる車輪３、変電所に接続されたレール４に接続されている。なお、架線１から供給される電圧は、ＤＣ６００Ｖ〜３０００Ｖであり高電圧である。【００２２】
電力変換装置１００を構成する主回路構成要素は、高調波電流が変電所側に流出するのを抑制するための入力リアクトルであるリアクトル５、入力コンデンサであるコンデンサ６とからなるＬＣフィルタ回路、コンデンサ６の直流電圧ＥＦＣを検出する電圧検出器７、コンデンサ６に並列に接続され、上アーム側スイッチング素子１１と下アーム側スイッチング素子１２とからなる電力変換部１０５、上アーム側スイッチング素子１１と下アーム側スイッチング素子１２との接続点に一端が接続され、電流リプルのフィルタリングを行う平滑フィルタである平滑リアクトル２０、平滑リアクトル２０の電流値ＩＳＬを検出する電流検出器２１、電力変換装置１００と電力貯蔵装置３０との接続箇所の主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧を検出する第一の電圧検出器である電圧検出器２３、および、前記各検出器からの電圧値ＥＦＣ，ＢＥＦＣあるいは電流値ＩＳＬまたは電力貯蔵装置３０に内蔵された第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎで検出された電圧値ＥＢＡＴが入力され、電力変換部１０５への制御信号を出力する電力変換制御部４０を有してなり、電力貯蔵装置１００は、直流電力を貯蔵する電力貯蔵装置３０に接続されている。【００２３】
第一の電圧検出器２３は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の電圧を検出できるように高電圧に耐える仕様の検出器であり、主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧を図示しない絶縁手段を介して低圧のアナログ信号レベルに変換して電圧検出値ＢＥＦＣとして出力する。この第一の電圧検出器２３の主な目的は、主回路導体Ｐ―Ｎ間の電圧を高速に制御するために最小の遅れ電圧を検出することにある。【００２４】
なお、第一の電圧検出器２３は、内部構成のほとんどがアナログ信号処理となるので入出力の応答遅れは数百マイクロ秒前後と少ないが、電圧の検出精度は±３％程度であり、電圧検出誤差が比較的大きい。一般に、高電圧を検出できる電圧検出器は、内部の絶縁手段等が複雑となり検出精度が悪化する傾向にある。【００２５】
図２は、本発明の実施の形態における電力貯蔵装置３０の構成例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１００からの主回路導体Ｐ，Ｎは、直列接続されている電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎに接続されている。なお、図中では電力貯蔵素子３１を電池の記号で示しているが、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等が好適である一方で、これらに限定されることはなく他の電力蓄積手段でもよい。また、図中では電力貯蔵素子３１をそれぞれ電池の記号で示しているが、その形態は単セルでもよいし、複数のセルの接続体であるモジュールでもよい。【００２６】
各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎの両端の電圧は、それぞれ第二の電圧検出器である電圧検出器３２ａ〜３２ｎで検出され、それぞれが電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎとして電力貯蔵制御部３３に入力される。【００２７】
電力貯蔵制御部３３は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３４、Ａ／Ｄ変換部３４から入力された電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和を生成処理する加算部３５および、加算部３５から入力された電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和である直列合計電圧値ＥＢＡＴにシリアルデータ変換等の通信処理を施した後、ケーブル、光ファイバ等で構成されたデジタル信号の伝送手段である信号伝送路３７へ出力する通信処理部３６を備えて構成される。【００２８】
なお、必要に応じて、電力貯蔵制御部３３の内部に、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎと信号伝送路３７との間の絶縁処理を行う絶縁部（図示省略）を設ける。【００２９】
電力貯蔵制御部３３と電力変換装置１００内の電力変換制御部４０とは、一定周期で通信を行い、電力貯蔵制御部３３から電力変換制御部４０へ上記の直列合計電圧値ＥＢＡＴの値をデータ送信する。【００３０】
上記のように構成することで、種々の演算処理（加算処理、通信処理等）がデジタル処理することが可能となり、直列合計電圧値ＥＢＡＴの精度を確保できる。【００３１】
なお、電力貯蔵制御部３３の内部に加算部３５を設けず、通信処理部３６で電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎをそれぞれシリアルデータ変換等の通信処理を施した後、ケーブル、光ファイバ等で構成されたデジタル信号の伝送手段である信号伝送路３７へ出力する構成としてもよい。【００３２】
この場合、電力貯蔵制御部３３と電力変換制御部４０とは一定周期で通信を行い、電力貯蔵制御部３３から電力変換制御部４０へ上記の電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの値をそれぞれデータ送信し、電力変換制御部４０内にて、電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和である直列合計電圧値ＥＢＡＴに相当する値を生成する構成とすればよい。【００３３】
第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎは、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎのセル電圧やモジュールの電圧である数Ｖ〜数十Ｖの電圧を検出するものである。この第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎの主な目的は、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎの電圧を高精度に監視することにより各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎを過充電（過電圧）や過放電（低電圧）から保護することにある。【００３４】
直列合計電圧値ＥＢＡＴは、上述したとおり、Ａ／Ｄ変換処理、絶縁処理、加算処理、通信処理等を介して生成する信号であるため、応答遅れは数十ｍｓと大きいが、電圧値の精度は±０．３％前後と高精度である。【００３５】
図３は、本発明の実施の形態における電力変換制御部４０の構成例を示す図である。図３に示すように、電力変換制御部４０は、補正値演算部５０、Ａ／Ｄ変換器４５および加算器４１を有する補正後電圧値演算部６０、保護処理部４２、ならびにゲート制御部４４を備えてなり、直列合計電圧値ＥＢＡＴと、電圧値ＢＥＦＣ、電流値ＩＳＬ、電圧値ＥＦＣが入力され、電力変換部１０５への制御信号ＧＳＧが出力される。【００３６】
つぎに、補正値演算部５０の構成、動作等について説明する。補正値演算部５０は、平均化処理部５１，５２、減算部５３、リミッタ５４、補正選択部であるスイッチ５５、データ監視部５６、および通信処理部５７を備えている。【００３７】
補正値演算部５０には、電力貯蔵装置３０から信号伝送路３７経由で入力される直列合計電圧値ＥＢＡＴと、第一の電圧検出器２３で検出された電圧ＢＥＦＣをＡ／Ｄ変換器４５にてデジタル信号に変換された電圧信号ＢＥＦＣＤとがそれぞれ入力される。【００３８】
補正値演算部５０では、信号伝送路３７経由で入力された直列合計電圧値ＥＢＡＴが通信処理部５７にてシリアルパラレル変換等のデータ変換処理が施され、通信処理部５７から出力された直列合計電圧値ＥＢＡＴとＡ／Ｄ変換部４５から出力された電圧信号ＢＥＦＣＤとが、それぞれ平均化処理部５１，５２にて平均化処理が施され、それぞれ平均化後電圧値ＥＢＡＴＡ，ＢＥＦＣＡとして減算器５３に出力される。減算器５３では、両者の差を演算した電圧偏差ＤＥ０が演算される。【００３９】
電圧偏差ＤＥ０はリミッタ５４に入力され、リミッタ５４にて、その上限値および下限値が所定値に制限する処理が施された後、電圧偏差ＤＥ１として出力される。また、電圧偏差ＤＥ１は、スイッチ５５を介して補正値ＤＥ２となる。【００４０】
スイッチ５５は、後述するデータ監視部５６からの補正許可信号ＯＫがＨ（許可）の場合、電圧偏差ＤＥ１を補正値ＤＥ２として出力し、補正許可信号ＯＫがＬ（不許可）のときは、補正値ＤＥ２をゼロとする機能を有する構成部であり、補正選択部として動作する。【００４１】
データ監視部５６は、直列合計電圧値ＥＢＡＴのデジタル信号に不正がないかを監視する機能を有しており、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路でのデータの破壊がないかを監視する。その際、デジタル信号が正常であれば補正許可信号ＯＫをＨ（許可）とし、デジタル信号が不正であれば補正許可信号ＯＫをＬ（不許可）とする。【００４２】
リミッタ５４を設けたことにより、万一上流の処理において異常な値が演算された場合であっても、補正値ＤＥ２が正規の値から大きく外れるのを回避することができる。【００４３】
また、データ監視部５６とスイッチ５５を設けたことにより、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路でのデータの破壊があった場合には補正値ＤＥ２を補正に使用しない制御を行うことにより、電力変換装置１００や電力貯蔵装置３０の破損等の被害の発生を防止できる。【００４４】
上記のように生成された補正値ＤＥ２は、補正後電圧値演算部６０に入力され、加算器４１にて電圧信号ＢＥＦＣＤと加算され、電圧信号ＢＥＦＣ１が生成される。この電圧信号ＢＥＦＣ１は、補正後電圧値として保護処理部４２およびゲート制御部４４に入力される。【００４５】
なお、補正値ＤＥ２の算出手法は、上記の内容に限定されるものではない。例えば、減算器５３の代わりに除算器（図示せず）を設け、平均化後電圧値であるＥＢＡＴＡとＢＥＦＣＡとの割合（＝ＥＢＡＴＡ／ＢＥＦＣＡ）を算出して誤差割合（補正係数）とし、この誤差割合に応じて補正値ＤＥ２を生成する手法を用いてもよい。この場合、電圧信号ＢＥＦＣＤに誤差割合を掛けることで電圧信号ＢＥＦＣ１を生成する構成とするのが好ましい。もちろんリミッタ５４、スイッチ５５の機能は上記説明した内容と同様である。【００４６】
このようにして生成された補正後電圧値としての電圧信号ＢＥＦＣ１は、第一の電圧検出器２３で検出された電圧ＢＥＦＣに対して、電圧値ＢＥＦＣと直列合計電圧値ＥＢＡＴとの平均的な偏差（つまり第一の電圧検出器２３の平均的な誤差）を補正した電圧信号となる。電圧ＢＥＦＣを基に生成しているので、電圧検出遅れは小さい。したがって、電圧信号ＢＥＦＣ１は、電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号となる。【００４７】
この電圧信号ＢＥＦＣ１が入力された保護処理部４２は、電圧信号ＢＥＦＣ１が電力貯蔵素子３１の許容最大電圧以下の所定の値以上であるか、あるいは許容最小電圧以上の所定の値以下である場合に、それぞれ停止信号ＳＴＰを“Ｈ”として、ゲート制御部４４に出力する。【００４８】
また、電圧信号ＢＥＦＣ１が入力されたゲート制御部４４は、例えば電力変換装置１００の出力電圧（Ｐ−Ｎ間の電圧）が制御目標値である所定の値になるように電力変換部１０５のスイッチング素子１１，１２をオンオフ制御するフィードバック制御部（図示せず）を有しており、フィードバック制御の結果として出力される制御信号ＧＳＧ（スイッチング素子１１，１２に対するオンオフ指令となる制御信号）を生成する。【００４９】
また、ゲート制御部４４は、上述した停止信号ＳＴＰが“Ｈ”の場合、制御信号ＧＳＧをオフに制御する。したがって、例えば保護検知処理部４２が電力貯蔵素子３１の電圧限界を超える電圧信号ＢＥＦＣ１の過電圧あるいは低電圧を検知した場合に電力変換部１０５の動作を停止させることができる。この制御により、電力貯蔵素子３１の過充電や過放電を回避することが可能となる。【００５０】
なお、図３では、平滑リアクトルに流れる電流値ＩＳＬおよび、コンデンサ６の直流電圧である電圧値ＥＦＣが、共に入力される構成を図示しているが、これらの構成に限定されるものではなく、これらに相当する電圧値および電流値を入力する構成でも構わない。例えば、平滑リアクトルに流れる電流値に代えて、電力貯蔵素子３１への充電電流を検出して入力するようにしてもよい。【００５１】
上記のように構成された実施の形態１の電力変換装置では、以下の効果が得られる。【００５２】
図４は、本発明の実施の形態における効果例を説明する図であり、より詳細には、電力変換装置１００により電力貯蔵素子３１を充電する場合の電力貯蔵素子３１の両端電圧と電力貯蔵素子３１への充電電流（＝平滑リアクトル電流ＩＳＬ）と電力貯蔵素子３１に対する充電量ＳＯＣとの関係を示す図である。【００５３】
図４において、実線で示す特性は、本発明を適用した場合の各特性であり、一点鎖線で示す特性は、従来例の場合の各特性である。【００５４】
まず、充電開始直後の定電流（ＣＣ）充電の領域では、一定電流を出力するようゲート制御部４４が電力変換部１０５を制御するので、電力貯蔵素子３１の充電量ＳＯＣは直線状に増加して行く。なお、この領域では、本発明を適用した場合と従来例とでは差はない。【００５５】
一方、充電量ＳＯＣが増加して行き、電力貯蔵素子３１の両端電圧（総電圧）が規定の許容最大電圧に到達しそうになると、定電流（ＣＣ）充電から定電圧（ＣＶ）充電に制御が切替えられる。つまり、ゲート制御部４４は、主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧が所定の制御目標値に一致するよう電力変換部１０５を定電圧制御する。【００５６】
このとき、従来例では第一の電圧検出器２３の公差を考慮して定電圧制御の制御目標値を低めに決定する必要があるが、本発明では電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号ＢＥＦＣ１が得られるので、限りなく電力貯蔵素子３１の許容最大電圧に近い値を制御目標値とすることが可能となる。すなわち、定電圧（ＣＶ）充電時の電力変換部１０５の制御目標値を従来例よりも高く設定することが可能となる。【００５７】
これにより、定電流充電の領域を広く確保することができ、充電電流を最大とすることが可能となり、電力貯蔵素子３１の充電時間を従来例よりも短縮できる。【００５８】
さらに、電力変換装置１００の主回路導体Ｐ−Ｎ間電圧として、電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号ＢＥＦＣ１が得られるので、これを保護処理部４２の処理に用いることで、電力貯蔵素子３１の許容最大電圧以下で極力許容最大電圧に近い所定の値、あるいは許容最小電圧以上で極力許容最小電圧に近い所定の値で精度よく電力変換装置１００内部の電力変換部１０５を停止させることが可能となる。【００５９】
これにより、電力貯蔵素子３１の使用可能電圧範囲を最大限とすることができるので、より多くの電力の充放電が可能となるとともに電力貯蔵素子３１の損傷を防止することが可能となる。【００６０】
なお、本実施の形態の電力変換装置を電気車に適用する場合、上記した電力変換装置１００および電力貯蔵装置３０の双方共に、かなり大型の装置となり、それぞれが別々の場所に配置されることが多いため、特に信号伝送路３７の断線等の故障時に備えた構成であることが好ましい。【００６１】
一方、本実施の形態では、第一の電圧検出器２３を電力変換装置１００の内部に設け、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣを電力変換装置１００の外部を経由しないように直接的に電力変換制御部４０に入力する構成としたので、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路が故障したりして使用できなくなっても、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣは使用できるので、電力変換部１０５の運転を停止することなく制御を継続することが可能となる。したがって、電力変換装置１００の冗長性、信頼性を確保することが可能となる。【００６２】
また、本実施の形態では、第一の電圧検出器２３を電力変換装置１００内部に設けることにより、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣを通信処理部を介してシリアルパラレル変換等のデータ変換を行うことなく、信号伝送路３７を介さずに直接的に電力変換制御部４０に入力することが可能となる。その結果、通信処理部５７でのデータ変換に伴う検出値の遅れ時間を小さくすることが可能となる。【００６３】
なお、上述した説明では、電力変換部１０５として、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用した例で説明したが、図５に示すとおり、外部電源２００である交流電源に接続され、所定の電流あるいは電圧に調整された直流電力をコンデンサ１１５に供給するＡＣ−ＤＣコンバータ１１０を電力貯蔵装置３０に接続する構成にも適用可能である。【００６４】
また、図５に示すとおり、コンデンサ１１５の直流電力から交流電力を生成して電動機３００へ供給する構成であり、直流側と交流側の間の電力フローを可逆的に制御するＤＣ−ＡＣインバータ１２０の直流側を電力貯蔵装置３０に接続する構成にも適用可能である。【００６５】
つまり、電力変換部１０５あるいは電力変換装置１００は、図１、図５に示した形態に限定されるものではなく、電力変換を行うあらゆる形態の電力変換装置に適用可能である。【００６６】
なお、本実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、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。【００６７】
さらに、本明細書では、電鉄分野への適用を想定した電力変換装置を対象として発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の産業応用分野への応用が可能であることも言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、電力貯蔵素子への充放電を行う電力変換部を有する電力変換装置に有用である。
【図１】
2010058468.tif 000003
【図２】
2010058468.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月2日(2009.10.2)
【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】
電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記電力変換制御部は、
前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、前記各電力貯蔵素子におけるセル単位またはモジュール単位の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出された第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、
前記第一の電圧値を前記補正値または前記補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、
を備え、前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うと共に、
前記電力貯蔵装置を定電圧充電する構成を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記補正値は、前記第一の電圧値を時間平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を時間平均化した電圧値との差に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記補正係数は、前記第一の電圧値を時間平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を時間平均化した電圧値との割合に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換制御部は、
前記第二の電圧値が正常な値であるか否かを監視するデータ監視部と、
前記データ監視部の出力に基づき、前記第一の電圧値を前記補正値で補正するか否かを選択できる補正選択部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換制御部は、前記補正値の上下限を制限するリミッタ部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、所定の制御目標値に前記補正後電圧値を一致させる制御を行うゲート制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記補正後電圧値を前記制御目標値に一致させる制御を行う際、
前記ゲート制御部は、前記電力変換部から前記電力貯蔵装置に供給される電圧が一定電圧となるゲート信号を出力して前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、前記各電力貯蔵素子の電圧異常を検出した場合に、前記電力変換部の動作を停止させる制御信号を前記ゲート制御部に出力する保護処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＡＣインバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換部は、ＡＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第一の電圧検出器を装置の内部に設けたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車への応用に好適な電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電気車は、架線や第三軌条等から集電装置で電力を取り入れ、集電した電力を使用して電動機を駆動して走行する構成とされる。近年、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子の性能が向上してきていることから、これらの電力貯蔵素子を電気車に搭載し、電力貯蔵素子の電力を併用して電動機を駆動して走行するシステムの開発が進められている。
【０００３】
このようなシステムでは、二次電池や電気二重層キャパシタ等のセルまたはモジュールである電力貯蔵素子を複数個接続して所定の電圧を得るように構成した電力貯蔵装置を含み、電力貯蔵装置の充放電を行うために外部電源と電力貯蔵装置との間に充放電の制御を行うための電力変換装置が接続される（例えば、特許文献１，２など）。
【０００４】
電力変換装置を構成する電力変換部としては、種々の回路形態が存在する。例えば、直流電源と電力貯蔵部との間の電力を所定値に制御して充放電を行う機能を有したＤＣ−ＤＣコンバータ回路や、交流電動機からの回生電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置に充電したり、あるいは電力貯蔵装置の直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動したりする機能を有したＤＣ−ＡＣインバータ回路、交流電源と電力貯蔵装置との間の電力を所定値に制御して充放電を行う機能を有したＡＣ−ＤＣコンバータなどが、主要な形態として挙げられる。
【０００５】
上記した電力変換装置は、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する電圧検出器（以下「第一の電圧検出器」と称する）を有し、この第一の電圧検出器により検出された電圧に基づいて、電力貯蔵装置に対する充放電制御を行うことが一般的な構成とされている。
【０００６】
電力貯蔵装置に使用される電力貯蔵素子は、充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）に依存してその端子電圧が変化するという特性があり、ＳＯＣが高いほど端子電圧が高くなるという特性を有している。このため、電力貯蔵装置を具備する電力変換装置では、各電力貯蔵素子の過放電、過充電による損傷を防ぐために電力貯蔵素子の端子電圧には上限となる許容最大電圧と下限となる許容最小電圧が設定されており、第一の電圧検出器が検出した電圧が許容最大電圧を超過しないように充電電流を減少させる制御が行われ、検出した電圧が許容最低電圧を下回らないように放電電流を減少させる制御が行われる。
【０００７】
一方、電力貯蔵装置に内蔵された各電力貯蔵素子には、各セルまたはモジュール単位毎に電圧検出器が設けられ、電力貯蔵素子を具備する電力貯蔵装置には、各電力貯蔵素子の電圧を検出して監視し、所定の値を超過したり下回ったりした場合には、その状態を上位のシステムへ出力して異常を通知する機能や、セルまたはモジュール間の電圧ばらつきが発生した場合にはこれを検出してばらつきを抑制するように均等化を図ったりするセルモニタ等と呼称される監視機能を有することが一般的な構成とされている。
【０００８】
ところで、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の電圧を検出できるように高電圧に耐える性能が必要とされる。この電圧検出器の主な目的は、電力変換装置の電圧を高速に制御することであり、入出力の応答遅れは０．３ｍｓと小さいが、電圧の検出精度は±３％程度と大きい。一般に、高電圧を検出できる電圧検出器は、内部の絶縁手段等が複雑となり検出精度が悪くなる傾向にある。
【０００９】
一方、電力貯蔵素子の電圧をモニタする電圧検出器（以下「第二の電圧検出器」と称する）は、セル電圧やモジュールの電圧である数Ｖ〜数十Ｖの電圧を検出するものである。この電圧検出器の主な目的は、各セルあるいはモジュールの電圧を高精度に監視することにより、各セルあるいはモジュールを過充電や過放電から保護することにあるため、入出力の応答遅れは数十ｍｓと大きいが、電圧の検出精度は±０．３％前後と高精度である。
【００１０】
電力変換装置により電力貯蔵素子を充電する場合を例に説明すると、電力貯蔵素子のＳＯＣが低く、端子電圧が上限値から十分に余裕がある場合は、一定の電流にて電力貯蔵素子の充電を行う定電流充電（ＣＣ(Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ)充電）を行う。ＳＯＣが増加してゆき、端子電圧が許容最大電圧付近まで到達すると、端子電圧が上限値を超えないように定電流充電から定電圧充電（ＣＶ(Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ)充電）に切り替え、電力貯蔵素子の電圧が許容最大電圧を超えない所定値に維持するよう電流を減少させた充電を継続して行う。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２７４７５６号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＣＶ充電を行う場合、第一の電圧検出器の検出電圧値が電力貯蔵素子の許容最大電圧を超えない最大電圧となるように目標電圧を設定して電力変換部を制御するが、このときの目標電圧は、第一の電圧検出器の検出精度の最大公差を考慮して決定する必要がある。つまり、電力貯蔵素子が複数接続されてなる電力貯蔵装置の許容最大電圧が７００Ｖである場合、３％の公差を考慮すると７００Ｖ×０．０３＝２１Ｖの検出誤差が存在することになるので、これを見越して目標電圧を７００Ｖ−２１Ｖ＝６７９Ｖ以下に設定する必要がある。
【００１３】
しかしながら、この２１Ｖの検出誤差は、仮に第一の電圧検出器の公差がゼロであった場合には考慮する必要の無い値であり、検出誤差が大きいほど過剰に充電電流を減少させることになるため、充電時間が余計にかかるという不都合が生じる。
【００１４】
上記の不都合を解消するためには、第一の電圧検出器の検出精度を向上させる必要があるが、上述したとおり高電圧を検出できる電圧検出器は、検出精度が悪くなる傾向にあり、技術的に困難である。
【００１５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器として、検出精度のあまり高くない検出器を用いた場合であっても、電力貯蔵素子に対する充電時間を短縮でき、効率的な充放電を可能とする電力変換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】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、前記電力変換制御部は、前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、前記各電力貯蔵素子におけるセル単位またはモジュール単位の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出された第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、前記第一の電圧値を前記補正値または前記補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、を備え、前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うと共に、前記電力貯蔵装置を定電圧充電する構成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる電力変換装置によれば、電力貯蔵装置との接続点の電圧を検出する第一の電圧検出器の検出電圧を補正した補正後の電圧検出値に基づいて電力変換部の制御を行う構成としたので、電力貯蔵素子の充電時間を短縮でき、効率的な充放電が可能となるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面参照して、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を詳細に説明する。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。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。図１において、本実施の形態の電力変換装置１００は、直流電源となる変電所（図示せず）に接続された架線１、架線１から電力を受電する集電装置２、リターン電流の戻り回路となる車輪３、変電所に接続されたレール４に接続されている。なお、架線１から供給される電圧は、ＤＣ６００Ｖ〜３０００Ｖであり高電圧である。
【００２０】
電力変換装置１００を構成する主回路構成要素は、高調波電流が変電所側に流出するのを抑制するための入力リアクトルであるリアクトル５、入力コンデンサであるコンデンサ６とからなるＬＣフィルタ回路、コンデンサ６の直流電圧ＥＦＣを検出する電圧検出器７、コンデンサ６に並列に接続され、上アーム側スイッチング素子１１と下アーム側スイッチング素子１２とからなる電力変換部１０５、上アーム側スイッチング素子１１と下アーム側スイッチング素子１２との接続点に一端が接続され、電流リプルのフィルタリングを行う平滑フィルタである平滑リアクトル２０、平滑リアクトル２０の電流値ＩＳＬを検出する電流検出器２１、電力変換装置１００と電力貯蔵装置３０との接続箇所の主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧を検出する第一の電圧検出器である電圧検出器２３、および、前記各検出器からの電圧値ＥＦＣ，ＢＥＦＣあるいは電流値ＩＳＬまたは電力貯蔵装置３０に内蔵された第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎで検出された電圧値ＥＢＡＴが入力され、電力変換部１０５への制御信号を出力する電力変換制御部４０を有してなり、電力貯蔵装置１００は、直流電力を貯蔵する電力貯蔵装置３０に接続されている。
【００２１】
第一の電圧検出器２３は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の電圧を検出できるように高電圧に耐える仕様の検出器であり、主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧を図示しない絶縁手段を介して低圧のアナログ信号レベルに変換して電圧検出値ＢＥＦＣとして出力する。この第一の電圧検出器２３の主な目的は、主回路導体Ｐ―Ｎ間の電圧を高速に制御するために最小の遅れ電圧を検出することにある。
【００２２】
なお、第一の電圧検出器２３は、内部構成のほとんどがアナログ信号処理となるので入出力の応答遅れは数百マイクロ秒前後と少ないが、電圧の検出精度は±３％程度であり、電圧検出誤差が比較的大きい。一般に、高電圧を検出できる電圧検出器は、内部の絶縁手段等が複雑となり検出精度が悪化する傾向にある。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態における電力貯蔵装置３０の構成例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１００からの主回路導体Ｐ，Ｎは、直列接続されている電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎに接続されている。なお、図中では電力貯蔵素子３１を電池の記号で示しているが、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等が好適である一方で、これらに限定されることはなく他の電力蓄積手段でもよい。また、図中では電力貯蔵素子３１をそれぞれ電池の記号で示しているが、その形態は単セルでもよいし、複数のセルの接続体であるモジュールでもよい。
【００２４】
各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎの両端の電圧は、それぞれ第二の電圧検出器である電圧検出器３２ａ〜３２ｎで検出され、それぞれが電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎとして電力貯蔵制御部３３に入力される。
【００２５】
電力貯蔵制御部３３は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３４、Ａ／Ｄ変換部３４から入力された電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和を生成処理する加算部３５および、加算部３５から入力された電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和である直列合計電圧値ＥＢＡＴにシリアルデータ変換等の通信処理を施した後、ケーブル、光ファイバ等で構成されたデジタル信号の伝送手段である信号伝送路３７へ出力する通信処理部３６を備えて構成される。
【００２６】
なお、必要に応じて、電力貯蔵制御部３３の内部に、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎと信号伝送路３７との間の絶縁処理を行う絶縁部（図示省略）を設ける。
【００２７】
電力貯蔵制御部３３と電力変換装置１００内の電力変換制御部４０とは、一定周期で通信を行い、電力貯蔵制御部３３から電力変換制御部４０へ上記の直列合計電圧値ＥＢＡＴの値をデータ送信する。
【００２８】
上記のように構成することで、種々の演算処理（加算処理、通信処理等）がデジタル処理することが可能となり、直列合計電圧値ＥＢＡＴの精度を確保できる。
【００２９】
なお、電力貯蔵制御部３３の内部に加算部３５を設けず、通信処理部３６で電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎをそれぞれシリアルデータ変換等の通信処理を施した後、ケーブル、光ファイバ等で構成されたデジタル信号の伝送手段である信号伝送路３７へ出力する構成としてもよい。
【００３０】
この場合、電力貯蔵制御部３３と電力変換制御部４０とは一定周期で通信を行い、電力貯蔵制御部３３から電力変換制御部４０へ上記の電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの値をそれぞれデータ送信し、電力変換制御部４０内にて、電圧検出値ＥＢ１〜ＥＢｎの和である直列合計電圧値ＥＢＡＴに相当する値を生成する構成とすればよい。
【００３１】
第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎは、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎのセル電圧やモジュールの電圧である数Ｖ〜数十Ｖの電圧を検出するものである。この第二の電圧検出器３２ａ〜３２ｎの主な目的は、各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎの電圧を高精度に監視することにより各電力貯蔵素子３１ａ〜３１ｎを過充電（過電圧）や過放電（低電圧）から保護することにある。
【００３２】
直列合計電圧値ＥＢＡＴは、上述したとおり、Ａ／Ｄ変換処理、絶縁処理、加算処理、通信処理等を介して生成する信号であるため、応答遅れは数十ｍｓと大きいが、電圧値の精度は±０．３％前後と高精度である。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態における電力変換制御部４０の構成例を示す図である。図３に示すように、電力変換制御部４０は、補正値演算部５０、Ａ／Ｄ変換器４５および加算器４１を有する補正後電圧値演算部６０、保護処理部４２、ならびにゲート制御部４４を備えてなり、直列合計電圧値ＥＢＡＴと、電圧値ＢＥＦＣ、電流値ＩＳＬ、電圧値ＥＦＣが入力され、電力変換部１０５への制御信号ＧＳＧが出力される。
【００３４】
つぎに、補正値演算部５０の構成、動作等について説明する。補正値演算部５０は、平均化処理部５１，５２、減算部５３、リミッタ５４、補正選択部であるスイッチ５５、データ監視部５６、および通信処理部５７を備えている。
【００３５】
補正値演算部５０には、電力貯蔵装置３０から信号伝送路３７経由で入力される直列合計電圧値ＥＢＡＴと、第一の電圧検出器２３で検出された電圧ＢＥＦＣをＡ／Ｄ変換器４５にてデジタル信号に変換された電圧信号ＢＥＦＣＤとがそれぞれ入力される。
【００３６】
補正値演算部５０では、信号伝送路３７経由で入力された直列合計電圧値ＥＢＡＴが通信処理部５７にてシリアルパラレル変換等のデータ変換処理が施され、通信処理部５７から出力された直列合計電圧値ＥＢＡＴとＡ／Ｄ変換部４５から出力された電圧信号ＢＥＦＣＤとが、それぞれ平均化処理部５１，５２にて平均化処理が施され、それぞれ平均化後電圧値ＥＢＡＴＡ，ＢＥＦＣＡとして減算器５３に出力される。減算器５３では、両者の差を演算した電圧偏差ＤＥ０が演算される。
【００３７】
電圧偏差ＤＥ０はリミッタ５４に入力され、リミッタ５４にて、その上限値および下限値が所定値に制限する処理が施された後、電圧偏差ＤＥ１として出力される。また、電圧偏差ＤＥ１は、スイッチ５５を介して補正値ＤＥ２となる。
【００３８】
スイッチ５５は、後述するデータ監視部５６からの補正許可信号ＯＫがＨ（許可）の場合、電圧偏差ＤＥ１を補正値ＤＥ２として出力し、補正許可信号ＯＫがＬ（不許可）のときは、補正値ＤＥ２をゼロとする機能を有する構成部であり、補正選択部として動作する。
【００３９】
データ監視部５６は、直列合計電圧値ＥＢＡＴのデジタル信号に不正がないかを監視する機能を有しており、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路でのデータの破壊がないかを監視する。その際、デジタル信号が正常であれば補正許可信号ＯＫをＨ（許可）とし、デジタル信号が不正であれば補正許可信号ＯＫをＬ（不許可）とする。
【００４０】
リミッタ５４を設けたことにより、万一上流の処理において異常な値が演算された場合であっても、補正値ＤＥ２が正規の値から大きく外れるのを回避することができる。
【００４１】
また、データ監視部５６とスイッチ５５を設けたことにより、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路でのデータの破壊があった場合には補正値ＤＥ２を補正に使用しない制御を行うことにより、電力変換装置１００や電力貯蔵装置３０の破損等の被害の発生を防止できる。
【００４２】
上記のように生成された補正値ＤＥ２は、補正後電圧値演算部６０に入力され、加算器４１にて電圧信号ＢＥＦＣＤと加算され、電圧信号ＢＥＦＣ１が生成される。この電圧信号ＢＥＦＣ１は、補正後電圧値として保護処理部４２およびゲート制御部４４に入力される。
【００４３】
なお、補正値ＤＥ２の算出手法は、上記の内容に限定されるものではない。例えば、減算器５３の代わりに除算器（図示せず）を設け、平均化後電圧値であるＥＢＡＴＡとＢＥＦＣＡとの割合（＝ＥＢＡＴＡ／ＢＥＦＣＡ）を算出して誤差割合（補正係数）とし、この誤差割合に応じて補正値ＤＥ２を生成する手法を用いてもよい。この場合、電圧信号ＢＥＦＣＤに誤差割合を掛けることで電圧信号ＢＥＦＣ１を生成する構成とするのが好ましい。もちろんリミッタ５４、スイッチ５５の機能は上記説明した内容と同様である。
【００４４】
このようにして生成された補正後電圧値としての電圧信号ＢＥＦＣ１は、第一の電圧検出器２３で検出された電圧ＢＥＦＣに対して、電圧値ＢＥＦＣと直列合計電圧値ＥＢＡＴとの平均的な偏差（つまり第一の電圧検出器２３の平均的な誤差）を補正した電圧信号となる。電圧ＢＥＦＣを基に生成しているので、電圧検出遅れは小さい。したがって、電圧信号ＢＥＦＣ１は、電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号となる。
【００４５】
この電圧信号ＢＥＦＣ１が入力された保護処理部４２は、電圧信号ＢＥＦＣ１が電力貯蔵素子３１の許容最大電圧以下の所定の値以上であるか、あるいは許容最小電圧以上の所定の値以下である場合に、それぞれ停止信号ＳＴＰを“Ｈ”として、ゲート制御部４４に出力する。
【００４６】
また、電圧信号ＢＥＦＣ１が入力されたゲート制御部４４は、例えば電力変換装置１００の出力電圧（Ｐ−Ｎ間の電圧）が制御目標値である所定の値になるように電力変換部１０５のスイッチング素子１１，１２をオンオフ制御するフィードバック制御部（図示せず）を有しており、フィードバック制御の結果として出力される制御信号ＧＳＧ（スイッチング素子１１，１２に対するオンオフ指令となる制御信号）を生成する。
【００４７】
また、ゲート制御部４４は、上述した停止信号ＳＴＰが“Ｈ”の場合、制御信号ＧＳＧをオフに制御する。したがって、例えば保護検知処理部４２が電力貯蔵素子３１の電圧限界を超える電圧信号ＢＥＦＣ１の過電圧あるいは低電圧を検知した場合に電力変換部１０５の動作を停止させることができる。この制御により、電力貯蔵素子３１の過充電や過放電を回避することが可能となる。
【００４８】
なお、図３では、平滑リアクトルに流れる電流値ＩＳＬおよび、コンデンサ６の直流電圧である電圧値ＥＦＣが、共に入力される構成を図示しているが、これらの構成に限定されるものではなく、これらに相当する電圧値および電流値を入力する構成でも構わない。例えば、平滑リアクトルに流れる電流値に代えて、電力貯蔵素子３１への充電電流を検出して入力するようにしてもよい。
【００４９】
上記のように構成された実施の形態１の電力変換装置では、以下の効果が得られる。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態における効果例を説明する図であり、より詳細には、電力変換装置１００により電力貯蔵素子３１を充電する場合の電力貯蔵素子３１の両端電圧と電力貯蔵素子３１への充電電流（＝平滑リアクトル電流ＩＳＬ）と電力貯蔵素子３１に対する充電量ＳＯＣとの関係を示す図である。
【００５１】
図４において、実線で示す特性は、本発明を適用した場合の各特性であり、一点鎖線で示す特性は、従来例の場合の各特性である。
【００５２】
まず、充電開始直後の定電流（ＣＣ）充電の領域では、一定電流を出力するようゲート制御部４４が電力変換部１０５を制御するので、電力貯蔵素子３１の充電量ＳＯＣは直線状に増加して行く。なお、この領域では、本発明を適用した場合と従来例とでは差はない。
【００５３】
一方、充電量ＳＯＣが増加して行き、電力貯蔵素子３１の両端電圧（総電圧）が規定の許容最大電圧に到達しそうになると、定電流（ＣＣ）充電から定電圧（ＣＶ）充電に制御が切替えられる。つまり、ゲート制御部４４は、主回路導体Ｐ−Ｎ間の電圧が所定の制御目標値に一致するよう電力変換部１０５を定電圧制御する。
【００５４】
このとき、従来例では第一の電圧検出器２３の公差を考慮して定電圧制御の制御目標値を低めに決定する必要があるが、本発明では電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号ＢＥＦＣ１が得られるので、限りなく電力貯蔵素子３１の許容最大電圧に近い値を制御目標値とすることが可能となる。すなわち、定電圧（ＣＶ）充電時の電力変換部１０５の制御目標値を従来例よりも高く設定することが可能となる。
【００５５】
これにより、定電流充電の領域を広く確保することができ、充電電流を最大とすることが可能となり、電力貯蔵素子３１の充電時間を従来例よりも短縮できる。
【００５６】
さらに、電力変換装置１００の主回路導体Ｐ−Ｎ間電圧として、電圧検出遅れが小さく、尚且つ高い電圧精度を有する電圧信号ＢＥＦＣ１が得られるので、これを保護処理部４２の処理に用いることで、電力貯蔵素子３１の許容最大電圧以下で極力許容最大電圧に近い所定の値、あるいは許容最小電圧以上で極力許容最小電圧に近い所定の値で精度よく電力変換装置１００内部の電力変換部１０５を停止させることが可能となる。
【００５７】
これにより、電力貯蔵素子３１の使用可能電圧範囲を最大限とすることができるので、より多くの電力の充放電が可能となるとともに電力貯蔵素子３１の損傷を防止することが可能となる。
【００５８】
なお、本実施の形態の電力変換装置を電気車に適用する場合、上記した電力変換装置１００および電力貯蔵装置３０の双方共に、かなり大型の装置となり、それぞれが別々の場所に配置されることが多いため、特に信号伝送路３７の断線等の故障時に備えた構成であることが好ましい。
【００５９】
一方、本実施の形態では、第一の電圧検出器２３を電力変換装置１００の内部に設け、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣを電力変換装置１００の外部を経由しないように直接的に電力変換制御部４０に入力する構成としたので、電力貯蔵制御部３３の各構成要素、信号伝送路３７、通信処理部５７等の信号伝送路が故障したりして使用できなくなっても、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣは使用できるので、電力変換部１０５の運転を停止することなく制御を継続することが可能となる。したがって、電力変換装置１００の冗長性、信頼性を確保することが可能となる。
【００６０】
また、本実施の形態では、第一の電圧検出器２３を電力変換装置１００内部に設けることにより、第一の電圧検出器２３からの検出値ＢＥＦＣを通信処理部を介してシリアルパラレル変換等のデータ変換を行うことなく、信号伝送路３７を介さずに直接的に電力変換制御部４０に入力することが可能となる。その結果、通信処理部５７でのデータ変換に伴う検出値の遅れ時間を小さくすることが可能となる。
【００６１】
なお、上述した説明では、電力変換部１０５として、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用した例で説明したが、図５に示すとおり、外部電源２００である交流電源に接続され、所定の電流あるいは電圧に調整された直流電力をコンデンサ１１５に供給するＡＣ−ＤＣコンバータ１１０を電力貯蔵装置３０に接続する構成にも適用可能である。
【００６２】
また、図５に示すとおり、コンデンサ１１５の直流電力から交流電力を生成して電動機３００へ供給する構成であり、直流側と交流側の間の電力フローを可逆的に制御するＤＣ−ＡＣインバータ１２０の直流側を電力貯蔵装置３０に接続する構成にも適用可能である。
【００６３】
つまり、電力変換部１０５あるいは電力変換装置１００は、図１、図５に示した形態に限定されるものではなく、電力変換を行うあらゆる形態の電力変換装置に適用可能である。
【００６４】
なお、本実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、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。
【００６５】
さらに、本明細書では、電鉄分野への適用を想定した電力変換装置を対象として発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の産業応用分野への応用が可能であることも言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、電力貯蔵素子への充放電を行う電力変換部を有する電力変換装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における電力貯蔵装置の構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における電力変換制御部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における効果例を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他の電力変換装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  架線
２  集電装置
３  車輪
４  レール
５  リアクトル
６  コンデンサ
７  電圧検出器
１１  上アーム側スイッチング素子
１２  下アーム側スイッチング素子
２０  平滑リアクトル
２１  電流検出器
２３  第一の電圧検出器
３０  電力貯蔵装置
３１ａ〜３１ｎ  電力貯蔵素子
３２ａ〜３２ｎ  第二の電圧検出器
３３  電力貯蔵制御部
３４  Ａ／Ｄ変換部
３５  加算部
３６  通信処理部
３７  信号伝送路
４０，４０ａ  電力変換制御部
４１  加算器
４２  保護処理部
４４  ゲート制御部
４５  Ａ／Ｄ変換器
５０  補正値演算部
５１  平均化処理部
５２  平均化処理部
５３  減算部
５４  リミッタ
５５  スイッチ（補正選択部）
５６  データ監視部
５７  通信処理部
６０  補正後電圧値演算部
１００  電力変換装置
１０５  電力変換部（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１１０  電力変換部（ＡＣ−ＤＣコンバータ）
１１５  コンデンサ
１２０  電力変換部（ＤＣ−ＡＣインバータ）
２００  外部電源
３００  電動機
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月19日(2010.3.19)
【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】
電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記電力変換制御部は、
前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、前記各電力貯蔵素子におけるセル単位またはモジュール単位の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出され、前記第一の電圧値よりも精度がよく且つ応答の遅い第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、
前記第一の電圧値を前記補正値または前記補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、
を備え、前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うと共に、
前記電力貯蔵装置を定電圧充電する構成を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記補正値は、前記第一の電圧値を時間平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を時間平均化した電圧値との差に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記補正係数は、前記第一の電圧値を時間平均化した電圧値と、前記第二の電圧値を時間平均化した電圧値との割合に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換制御部は、
前記第二の電圧値が正常な値であるか否かを監視するデータ監視部と、
前記データ監視部の出力に基づき、前記第一の電圧値を前記補正値で補正するか否かを選択できる補正選択部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換制御部は、前記補正値の上下限を制限するリミッタ部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、所定の制御目標値に前記補正後電圧値を一致させる制御を行うゲート制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記補正後電圧値を前記制御目標値に一致させる制御を行う際、
前記ゲート制御部は、前記電力変換部から前記電力貯蔵装置に供給される電圧が一定電圧となるゲート信号を出力して前記電力変換部を制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換制御部は、前記補正後電圧値に基づき、前記各電力貯蔵素子の電圧異常を検出した場合に、前記電力変換部の動作を停止させる制御信号を前記ゲート制御部に出力する保護処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＡＣインバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換部は、ＡＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記電力変換部は、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第一の電圧検出器を装置の内部に設けたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、電力貯蔵素子を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置に対する充放電を行う電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する電力変換制御部と、を備えた電力変換装置において、前記電力変換制御部は、前記電力変換部と前記電力貯蔵装置との接続箇所の電圧を検出する第一の電圧検出器により検出された第一の電圧値と、前記電力貯蔵装置に内蔵され、前記各電力貯蔵素子におけるセル単位またはモジュール単位の電圧を検出する第二の電圧検出器により検出され、前記第一の電圧値よりも精度がよく且つ応答の遅い第二の電圧値とから補正値または補正係数を算出する補正値演算部と、前記第一の電圧値を前記補正値または前記補正係数により補正した補正後電圧値を算出する補正後電圧演算部と、を備え、前記補正後電圧値に基づいて前記電力変換部の制御を行うと共に、前記電力貯蔵装置を定電圧充電する構成を有することを特徴とする。
【国際調査報告】
2010058468.tif 000008
2010058468.tif 000009