(57)【要約】【課題】本発明は、環境に対する負荷を低減し、小型・軽量化が可能な電気車制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】電力を発電する燃料電池と、前記自律電源の出力を制御する第１のコンバータと、前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から供給された電力を変換し、電気車内の空調機器や照明機器に電力を供給する補助電源装置と、前記第１のコンバータから供給された電力の充放電を行うＥＤＬＣと、前記蓄電デバイスの電圧を基準にインバータ入力電圧を制御する第２のコンバータと、前記第２のコンバータから供給された電力を変換するインバータと、前記インバータから供給される電力により駆動する主電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。【選択図】図１
2006288085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発電する燃料電池と、
前記自律電源の出力を制御する第１のコンバータと、
前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から供給された電力を変換し、電気車内の空調機器や照明機器に電力を供給する補助電源装置と、
前記第１のコンバータから供給された電力の充放電を行うＥＤＬＣと、
前記ＥＤＬＣの電圧を基準にインバータ入力電圧を制御する第２のコンバータと、
前記第２のコンバータから供給された電力を変換するインバータと、
前記インバータから供給される電力により駆動する主電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
前記第１のコンバータは、前記燃料電池の出力を一定に制御しすることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項３】
前記請求項２記載の電気車制御装置において、
前記第２のコンバータは、電気車が力行時には前記インバータへの入力電圧を一定の電圧にするように前記ＥＤＬＣの放電電流を制御し、電気車が回生時には、前記インバータへの入力電圧を一定の電圧にするように前記ＥＤＬＣの充電電流を制御することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項４】
前記請求項１乃至請求項３記載の電気車制御装置において、
前記ＥＤＬＣの充電量が所定値を超えた場合には、前記第１及び第２のコンバータは停止することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至請求項４記載の電気車制御装置において、
電気車が力行動作時に、前記ＥＤＬＣの充電量が所定値以下である場合には、前記第１のコンバータにより前記ＥＤＬＣを充電し前記第２のコンバータは停止することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５記載の電気車制御装置において、
電気車が回生動作時に、前記ＥＤＬＣの充電量が所定値を超えた場合には、前記第１のコンバータと前記第２のコンバータの動作を停止することを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図○は、従来の電気車制御装置のブロック図である。
【０００３】
従来の電気車制御装置は、ディーゼル発電機２０、制御整流器２１、バッテリー２２、コンバータ２３、インバータ２４から構成されていた。
【０００４】
従来の電気車制御装置において、ディーゼル発電機２０は、制御整流器２１と直列接続される。ディーゼル発電機２０と制御整流器２１からなる直列回路は、インバータ２４と接続される。バッテリー２２は、コンバータ２３と直列接続される。バッテリー２２とコンバータ２３からなる直列回路は、インバータ２４と接続される。
【０００５】
このように構成された従来の電気車制御装置は、力行時には、ディーゼル発電機２０による発電、若しくはバッテリー２３から放電された電力を、制御整流器２１及びインバータ２４が変換し、主電動機（図示しない）に供給する。回生時には、回生電力をコンバータ２３が変換し、コンバータ２３により変換された電力をバッテリー２２が貯蔵していた。
【０００６】
このように構成された従来の電気車制御装置は、力行時はディーゼル発電機２０が発電した電力とバッテリー２２に蓄えられた電力によって駆動することができた。
【特許文献１】特開２００３−１６４００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電気車制御装置のディーゼル発電機２０は、排気ガスを発生させるため、環境保護の観点からは好ましくないという問題がある。
【０００８】
上記課題を解決するために、ディーゼル発電機２０を燃料電池に置き換え、環境に対する負荷を減らすという方法が、近年考案されている。しかし、ディーゼル発電機２０の出力と同程度の出力を燃料電池で確保しようとすると、燃料電池の大きさが非常に大きくなってします。
【０００９】
そこで、本発明は、環境に対する負荷を低減し、小型・軽量化が可能な電気車制御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】
【００１０】
上記課題は、電力を発電する燃料電池と、前記自律電源の出力を制御する第１のコンバータと、前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から供給された電力を変換し、電気車内の空調機器や照明機器に電力を供給する補助電源装置と、前記第１のコンバータから供給された電力の充放電を行うＥＤＬＣと、前記ＥＤＬＣの電圧を基準にインバータ入力電圧を制御する第２のコンバータと、前記第２のコンバータから供給された電力を変換するインバータと、前記インバータから供給される電力により駆動する主電動機とを備えたことによって達成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、環境に対する負荷を低減し、小型・軽量化が可能な電気車制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第1の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図３は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の第１のコンバータの構成図である。
【００１３】
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、燃料電池１、燃料電池１の出力を制御し一定の出力を行う第１のコンバータ２、コンバータ２の制御を行うコンバータ制御装置２ａ、コンバータ２から供給された電力を貯蔵し、貯蔵した電力を負荷へ供給する電気二重層キャパシタ３（以後、「ＥＤＬＣ３」と記載する）、ＥＤＬＣ３の電圧を基準にインバータ入力電圧を制御する第２のコンバータ４及びコンバータ４の制御を行うコンバータ制御装置４ａ、主電動機の制御をするインバータ５及びインバータの制御を行うインバータ制御装置５ａ、主電動機６、空調機器や照明機器に電力を供給する補助電源装置１０（以後、「ＳＩＶ１０」と記載する）から構成されている。
【００１４】
このように構成された電気車制御装置において、燃料電池１は、コンバータ２と直列接続される。コンバータ２には、ＥＤＬＣ３接続される。ＥＤＬＣ３には、コンバータ４が接続される。コンバータ４にはインバータ５が接続される。インバータ５には、主電動機６が接続される。ＳＩＶ１０の入力側は、燃料電池１と接続され、ＳＩＶ１０の出力側は空調機器や照明機器と接続されている。
【００１５】
このように構成された電気車制御装置において、燃料電池１は、第１のコンバータ２とＳＩＶ１０に電力を供給する。第１のコンバータ２は、燃料電池１から供給された電力を変換し、一定の電力をＥＤＬＣ３に供給する。コンバータ2はEDLC３が十分に充電された時点（ＥＤＬＣ３の電圧から求めまれるＥＤＬＣ３の充電量が所定値を超えた場合）では運転を停止し、過充電からの保護を行なう。ＥＤＬＣ３は、自機に蓄えられた電力をコンバータ４に供給する。コンバータ４は、EDLC3の電圧を昇圧し、一定の電圧に保ち、インバータ５に供給する。インバータ５が力行の動作をするとインバータ５の入力電圧は低下に向かうが、コンバータ４の制御により、この電圧を一定にする電力をインバータ５に移行させる。回生時は逆にインバータ５の入力電圧が上昇に向かうが、コンバータ４はこの電圧を一定にする電力をEDLC３に移行し充電する。この際EDLC３が十分充電された電圧になればコンバータ４は停止する。同時に燃料電池から充電していたコンバータ２も停止し、充電を止める。ＳＩＶ１０は、燃料電池１から供給される電力を変換し、空調機器や照明機器に電力を供給する。
【００１６】
このように構成された電気車制御装置において、電気車が力行時に、主電動機６から要求される電力が、燃料電池１の出力より数倍大きな負荷変動である場合には、EDLC３に蓄積されている電力を主電動機６からの要求に従って、第２のコンバータ４に供給する。EDLC３の電圧はコンバータ４の昇圧モードでインバータ５の入力電圧をある電圧に制御する。そのため、主電動機６からの大きな電力の要求があっても、コンバータ４の制御により、インバータ５の入力電圧は維持される。また、電気車が回生時にも、インバータ５の入力電圧を一定にするように制御するので、回生電力をEDLC３に充電することが出来る（図２及び図４参照）。つまり、第２のコンバータ４は、電気車が力行時にはＥＤＬＣ３の放電電流を制御し前記インバータ５への入力電圧を一定の電圧に制御し、電気車が回生時には、ＥＤＬＣ３への充電電流をせいぎょすることで前記インバータ５への入力電圧を一定の電圧に制御する。尚、コンバータ４の昇降圧チョッパの制御により、インバータの入力電圧が自由に選択できることから力行では７５０Vに制御、回生では１０００Vに制御する。
【００１７】
一般的に、入力電源が一定なインバータ装置では、高速域でのブレーキでその運動エネルギーを電気にすべて帰ることができず、一部は機械ブレーキの作用を強いられている。それに対して、本実施の形態の電気車制御装置は、回生時のインバータ入力電圧の上昇は高速からの全電力回生または近い値を実現するので、高効率化が可能となる。
【００１８】
本実施の形態のコンバータ２は、図３に示すように、入力側には逆Ｌ形ＬＣフィルタ（リアクトル７、コンデンサ９）をもち、後段に降圧チョッパと昇圧チョッパ（リアクトル７、半導体素子、ダイオード１１等から構成される）と備える。前記ＥＤＬＣの充電が入力電圧まで充電され、昇圧チョッパ領域で動作する際は逆ＬＣ形ＬＣフィルタとそれに直列接続されたスイッチデバイスは接触器で短絡して損失を少なくすることもできる。
【００１９】
コンバータ２の制御装置２ａは燃料電池１の電圧と駆動回路への出力電流を入力し、その出力を計算する。この実出力は予め設定している基準出力Pとの比較で動作し、Pの電力がEDLCに充電される。したがって燃料電池の出力は補助電源で使用する電力にPの電力が加算される。
【００２０】
一般に鉄道車両は留置時には制御用の１００Vバッテリ以外は無電圧にする。したがって初起動時にはEDLC3は電圧が０Vの状態であり、ＥＤＬＣの充電量は所定値よりも低くなっている。この場合、燃料電池１を動作させ、コンバータ２は燃料電池１の電力を降圧動作でＥＤＬＣ３の充電をはじめる。充電が進み、ＥＤＬＣ３の電圧が燃料電池１の出力電圧相当になると、動作モードを昇圧モードに切り替えて充電を継続し設定の電圧までその動作を続ける。この動作が初動時の準備動作となり、これが確立すると、走行準備完了となる。つまり、初起動時にはEDLC３の充電状況を確認し、不足している場合は十分に充電する動作を行なう。ここまでの動作を短時間で達成する必要がある場合は停電コンバータ２の定電力制御基準値を選ぶことで、急速充電モードに切り替えることもできる。電気車の起動時には、通常の運転モードと定電力制御基準値を選ぶ初期充電のモードを切り替えることが好ましい。
【００２１】
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、燃料電池１の出力が、インバータ５の入力電圧までに2段のコンバータを介しているので、出力電圧が低いという特性を持つ燃料電池１と入力電圧は適度な高電圧の方が装置構成にとって好ましいという特性を持つインバータ５とを同じシステム内に組み入れることが出来る。
【００２２】
本実施の形態の電気車制御装置は、燃料電池１の出力は化学反応による出力でありすばやい出力変化は難しいという特性にも、コンバータ２の制御により、数分という短時間の単位で見て一定出力にすること可能であるので、燃料電池を安定に使用する事ができる。
【００２３】
このように構成された電気車制御装置は、環境に対する負荷を低減し、小型・軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。
【図２】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。
【図３】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の第１のコンバータのブロック図である。
【図４】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の走行状況とＥＤＬＣに入出力される電力量を示した図である。
【図５】従来の電気車制御装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    燃料電池
２    第１のコンバータ
３    ＥＤＬＣ（電気二重層キャパシタ）
４    第２のコンバータ
５    インバータ
６    主電動機
７    リアクトル
８    半導体素子
９    コンデンサ
１０  ＳＩＶ
１１  ダイオード
２０  ディーゼル発電機
２１  制御整流器
２２  バッテリー
２３  コンバータ
２４  インバータ
【図１】
2006288085.tif 000003
【図２】
2006288085.tif 000004
【図３】
2006288085.tif 000005
【図４】
2006288085.tif 000006
【図５】
2006288085.tif 000007