(57)【要約】【課題】可逆変換器を使うことなく簡単な構成により列車運転に合わせて蓄電装置の電力を負荷となる駆動装置との間で入出力し、尚且つ二次電池とキャパシタ間の蓄電電力を制御可能とする。【解決手段】インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両の集電装置と列車制御装置との間に並列に蓄電装置を接続する蓄電装置１として、電気二重層キャパシタ３と二次電池２とを並列接続して構成し、電気二重層キャパシタ３は、等価内部抵抗Ｒｃを二次電池２の等価内部抵抗Ｒｂの２分の１以下にすると共に、各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量Ｃｃを有し、二次電池２は、所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量Ｃｂを有する。【選択図】図１
2008118761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、き電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置と列車制御装置との間に並列に蓄電装置を接続して前記蓄電装置に蓄電し、力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電して所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両のハイブリッド蓄電装置であって、前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量とを有すると共に、前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有することを特徴とする電気車両のハイブリッド蓄電装置。
【請求項２】
前記所定の路線長は、前記集電する集電装置に前記き電変電所等の地上電源装置から電力を集電可能になった路線長であることを特徴とする請求項１記載の電気車両のハイブリッド蓄電装置。
【請求項３】
インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両であって、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して蓄電装置を構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量とを有すると共に、前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有し、き電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置と列車制御装置との間に並列に前記蓄電装置を接続して前記蓄電装置に蓄電し、力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とするハイブリッド蓄電装置を搭載した電気車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に地上電源装置からの電力を蓄電した後、走行に要する電力を蓄電装置から駆動制御装置に供給して安定に運転走行するための電気車両のハイブッリド蓄電装置及び電気車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
列車に電力を供給する直流き電変電所は、通常交流電力を整流器で直流に変換してき電線を介して列車に直流を供給する。直流き電変電所と列車との距離が長くなるに連れて、き電線抵抗が増えてこの抵抗による電圧降下が大きくなり、列車集電部での電圧は低下する。列車集電部での電圧低下の値が大きい場合には列車走行特性に影響するので電圧補償が求められる。この対策として通常、き電変電所の変圧器のタップを選択して出力電圧を高くすることや、き電線抵抗を低減するためにき電線を太くすることや、変電所間隔を短くすること等各種の対策が行なわれている。
【０００３】
最近は電気二重層キャパシタ等を蓄電部に利用したき電電圧補償装置を地上側もしくは列車側に設置して電圧降下対策と列車制動時の回生電力の吸収をして回生失効対策をすることも合わせて研究されている（例えば、特許文献１、２参照）。更に最近は蓄電装置の蓄電部を構成する二次電池として、鉛蓄電池や特にリチウムイオン電池の性能改善が見られ、このような二次電池からなる蓄電装置に充電された電力を使い、架線給電に依存しない列車やバス等の車両走行が研究されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５９２４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８７０２号公報
【特許文献３】特開２００６−５４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気車両の走行、特に鉄車輸を使用する列車の走行において、消費電力は、駅出発後の加速する時が大である。駅間走行では、走行抵抗に対して列車速度を維持するために要する電力が必要であるが、この電力は在来線のように駅間走行距離が比較的短い路線ではあまり大きくはない。また、次駅での停止のための制動運転では、列車の運動エネルギーが大で、これを再利用するには短時間に回生された電力を蓄電できる装置が必要である。
【０００５】
二次電池、特にリチウムイオン電池は、単位重量あたりの蓄電量に優れ長時間での充放電に優れた特性を有している。しかし、最高速度が９０ｋｍ／ｈ程度の列車においては、加速時間や制動時間が３０秒程度であり、リチウムイオン電池の充放電特性は、このような短時間での加速や減速に適したものではなく発熱が大きくなる。電気二重層キャパシタは、短時間での加速や減速に適した充放電特性を有しているが、列車の駆動電源として単独で電気二重層キャパシタを使用することを考えると、単位重量あたりの蓄電量が十分に確保できない。
【０００６】
二次電池とキャパシタは、蓄電する機能においては同じであるが、前者は出力電圧を一定に維持する特性を有し、逆にキャパシタは蓄電された電気量に応じて出力電圧が決まる特性を有する。したがって、この両者を接続して蓄電装置を構成するには、この間に電力を入出力することのできる可逆変換器が必要であると一般にいわれている。しかし、列車運転に合わせて蓄電装置の電力を負荷となる駆動装置との間で入出力し、尚且つ、可逆変換器を使い両者の蓄電電力を制御することはたやすくない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであって、可逆変換器を使うことなく簡単な構成により列車運転に合わせて蓄電装置の電力を負荷となる駆動装置との間で入出力し、尚且つ二次電池とキャパシタ間の蓄電電力を制御可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために本発明は、インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、き電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置と列車制御装置との間に並列に蓄電装置を接続して前記蓄電装置に蓄電し、力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電して所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両のハイブリッド蓄電装置であって、前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量とを有すると共に、前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有することを特徴とし、前記所定の路線長は、前記集電する集電装置に前記き電変電所等の地上電源装置から電力を集電可能になった路線長であることを特徴とする。
【０００９】
また、インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両として、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して蓄電装置を構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量とを有すると共に、前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有し、き電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置と列車制御装置との間に並列に前記蓄電装置を接続して前記蓄電装置に蓄電し、力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
列車の走行に適する駆動電源の特性としては、加速運転と制動運転での短時間充放電に適し、しかも路線長にわたり走行運転に適する蓄電量の多い蓄電装置が必要となる。本発明は、この両者の特性を得る為に夫々の特性に優れている二次電池と電気二重層キャパシタとを組み合わせてハイブリッド蓄電装置を構成している。そして、本発明によれば両者の蓄電量と内部抵抗に基づく充放電特性に着目して、路線長と駅間走行に要する電力に見合った容量及び等価内部抵抗に最適化するので、両者間の電力の授受を適切に行なうことができ、架線レス電気車両として、駆動制御装置による力行時の電圧を安定化しまた制動時には回生電力を蓄電してこの電力を駆動電力として有効に利用することができる。
【００１１】
本発明によれば、キャパシタの静電容量は、次駅までの力行電力を蓄電するに足る容量を最小限とし、その内部抵抗は二次電池の内部抵抗の２分の１以下にすることで充放電される電流を適切に分担させる。したがって複雑な電力制御となるＤＣ−ＤＣコンバータをこの両者間に設けることなく、電力変換損失を少なくして応答性の優れたキャパシタと蓄電量の大きい二次電池の利点を蓄電装置として活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係るハイブリッド蓄電装置を搭載した電気車両の実施の形態を説明する簡易等価回路構成を示す図、図２はハイブリッド蓄電装置の入出力特性を説明する図である。図中、１はハイブリッド蓄電装置、２は二次電池、３は電気二重層キャパシタ、４は電流源、５はＤＣ−ＤＣコンバータ、６は負荷、Ｓｗ１、Ｓｗ２はスイッチを示している。Ｒｃ、Ｃｃはハイブリッド蓄電装置１を構成する電気二重層キャパシタ３の等価内部抵抗と静電容量を示し、また、ＲｂとＣｂは同じくこのハイブリッド蓄電装置１を構成する二次電池２の等価内部抵抗と蓄電量について等価な回路を示している。この二次電池２の等価回路については特開２００１−３０７７８０号公報の「二次電池の等価回路、この回路を利用した二次電池の蓄電量検出方法及び二次電池とキャパシタとからなるハイブリッド電源装置」で説明しているので詳細の説明は省略する。
【００１３】
図１において、図１に示す本実施形態のハイブリッド蓄電装置１において、電気二重層キャパシタ３は、静電容量Ｃｃを列車の次駅までの走行に必要な電力量で決め、図示の例は電圧ＤＣ６１５Ｖで７０Ｆとするものである。等価内部抵抗Ｒｃは、０．０５Ωで二次電池２の等価内部抵抗Ｒｂの５０％以下、つまり２分の１以下とする。二次電池２は、電圧ＤＣ６１５Ｖで、静電容量Ｃｂを７００Ｆとし、路線長での走行に必要な蓄電量３７ｋＷｈとする。この組電池の等価内部抵抗Ｒｂは０．１Ωである。このように、電気二重層キャパシタ３の等価内部抵抗Ｒｃは、二次電池２の等価内部抵抗Ｒｂの２分の１以下とし、それぞれの内部抵抗だけでその条件を満たすことができない場合に接続する付加抵抗を含めて以下、等価内部抵抗という。
【００１４】
図１において、電気二重層キャパシタ３に流れる電流をＩｃとし、二次電池２に流れる電流をＩｂとすると、充放電電流Ｉは、
〔数１〕
Ｉ＝Ｉｃ＋Ｉｂ
充放電電流が一定であるときは、
〔数２〕
Ｉ＝Ｋ（一定値で例えば４００Ａ）
充放電電流が無いときは、
〔数３〕
Ｉ＝０
蓄電装置の電圧Ｅは、
〔数４〕
Ｅ＝Ｉｃ・Ｒｃ＋（１／Ｃｃ）・∫Ｉｃｄｔ
＝Ｉｂ・Ｒｂ＋（１／Ｃｂ）・∫Ｉｂｄｔ
の関係式が成り立つ。これらの式において具体的に充放電電流、蓄電容量、等価内部抵抗を決めている。このハイブリッド蓄電装置１の充電は、地上電源で行なわれ、図１に示す本実施形態では電流源４とスイッチＳＷ１にて充電を行う地上電源を示している。ハイブリッド蓄電装置１からの放電は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５で負荷６が必要とする電圧に変換され、スイッチＳＷ２がオンされて行なわれる。
【００１５】
この回路構成で１０秒間電流源から４００Ａの入力電流で充電した後１０秒間休止し、１０秒間負荷に４００Ａの負荷電流で放電して休止するようにハイブリッド蓄電装置１を充放電制御したときの特性を図２に示す。図２においては、時間軸１０秒時点から２０秒時点までの間に電流源４からＤＣ４００Ａの電流で充電が行われ、充電を開始した１０秒時点では、二次電池２と電気二重層キャパシタ３がほぼ同じ電圧の充電状態から等価内部抵抗Ｒｂ、Ｒｃの比に応じ入力電流の約７０％が電気二重層キャパシタ３に、３０％が二次電池２にそれぞれ分担して流れる。
【００１６】
電気二重層キャパシタ３は二次電池２に比べて大きな充電電流が分担して流れるため、電圧の上昇率が大きくなる。電気二重層キャパシタ３の電圧と二次電池２の電圧の上昇速度の差に応じ徐々に電気二重層キャパシタ３に分担して流れる電流が小さくなり、２０秒時点ではこの電流分担は反転している。２０秒時点で電流源４からの充電電流がなくなると、この時点で二次電池２の電圧に比べて電気二重層キャパシタ３の電圧が大きくなっているため、それらの電圧の差に応じて電気二重層キャパシタ３から二次電池２に電流が流れ、電圧の差がなくなる方向に蓄電量の配分が調整される。
【００１７】
次に、３０秒時点より負荷にＤＣ４００Ａで放電すると、初め負荷電流のうち電気二重層キャパシタ３の電圧と二次電池２の電圧との差に応じて８０％が電気二重層キャパシタ３より、残り２０％が二次電池２よりそれぞれ供給される。この比率は放電するのに伴い電気二重層キャパシタ３の電圧が大きく低下するため図２に示しているように反転している。この放電が４０秒時点で終わると、それ以降は二次電池２より電気二重層キャパシタ３に両者の電圧差に応じて再充電がされる。
【００１８】
以上説明したように電気二重層キャパシタ３と二次電池２とを並列に接続することにより、この電気二重層キャパシタ３と二次電池２とからなる両蓄電デバイス間で蓄電容量と等価内部抵抗に基づく電流の分担、授受が行なわれて外部からの充放電電流を分担することができる。次にこの原理を利用した列車でのハイブリッド蓄電装置について述べる。
【００１９】
図３はキャパシタ蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路の構成を示す図、図４はハイブリッド蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路の構成を示す図、図５は図３に示すキャパシタ蓄電装置での走行特性について説明する図、図６は図４に示すハイブリッド蓄電装置での走行特性について説明する図であり、列車は重量が３０トンで駅間７５０ｍを走行する例を示している。
【００２０】
図３に示す列車インバータ駆動回路では、地上電源装置から電線路１１を介して電力を車両に供給し、車両では可逆変換器（コンバータ）１２でキャパシタ蓄電装置を構成する電気二重層キャパシタ３を充放電する。図４に示す列車インバータ駆動回路では、二次電池２と電気二重層キャパシタ３を並列接続してハイブリッド蓄電装置１を構成する。二次電池２は車両の全走行に適した電力を蓄電することができる容量Ｃｂを有する。電気二重層キャパシタ３はこの車両が駅出発から次駅での停止までの内、少なくとも、力行走行に要する電気量を蓄電することができる容量Ｃｃを有する。ここで、この電気二重層キャパシタ３の力行走行に要する容量Ｃｃについて説明する。
【００２１】
蓄電装置として電気二重層キャパシタ３のみで構成した図３に示す例の場合には、可逆コンバータ１２より電気二重層キャパシタ３の定格電圧まで充電し、放電時にはこの定格電圧の５０％程度まで利用することが一般的である。即ちインバータ１３を通して負荷１４に所定の電力を放電するためには、電圧が低下するにつれて放電する電流量が増大しコンバータ１２の電流耐量の制限が生じるが、電圧半減まで放電すれば電気二重層キャパシタ３の蓄電量の７５％まで利用したことになる。
【００２２】
そこで、図３に示すキャパシタ蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路において、力行走行に要する電気量を蓄電することができる容量とは、例えば車両走行にて力行区間で電気二重層キャパシタ３の電圧が５０％まで低下する状態とする。図４に示すハイブリッド蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路においても、この図３と同様の電気二重層キャパシタ３を二次電池２と並列接続してハイブリッド蓄電装置１を構成する。このことにより、図３も図４も列車に積載された蓄電装置の初期充電が電線路１１よりなされた後、列車はこの蓄電量のみで電線路無しでも駅出発から次駅での停止まで所定の走行特性で走行することができる。すなわち、二次電池２は、所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行するのに必要な蓄電容量を有し、電気二重層キャパシタ３は、各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が蓄電可能な容量を有する。二次電池２の蓄電容量を超える路線長では途中に蓄電装置の充電を行う電線路を設ける。このことで、再充電しながら全路線区間を走行することができる。
【００２３】
次駅までの走行に必要な容量を有するキャパシタ蓄電装置を使用した走行特性について図５にて説明する。キャパシタ容量は７０Ｆで初期にＤＣ６１５Ｖまで充電されている。列車が加速して次駅まで走行するにつれて電圧は降下し、ＤＣ−ＤＣコンバータの最低動作電圧ＤＣ３００Ｖ付近まで低下する。これ以降は駅停止のための回生制動が作用して、電気二重層キャパシタ３には回生電力による充電電流が流れるので、電圧は上昇している。このような電圧が半減する、つまり蓄電量が７５％まで利用される電気二重層キャパシタ３の容量が次駅までの走行に必要な容量である。
【００２４】
次駅までの走行に必要な容量の電気二重層キャパシタ３に対し、走行路線長にわたって走行に必要な十分な容量を有する二次電池２を並列接続して構成されるハイブリッド蓄電装置を使用した走行特性について図６にて説明する。図６では電気二重層キャパシタ３の等価内部抵抗を二次電池２の等価内部抵抗の５０％以下に小さくしており、このことにより、列車加速時（時間軸０．００〜１０．００）の電流の約５０％が電気二重層キャパシタ３で分担される。等速区間（時間軸１０．００〜５０．００）での走行で列車の速度を維持するための電流は二次電池２より供給され、この内一部の電流は電気二重層キャパシタ３に充電されるが、ほとんどが電動機の駆動電力として供給される。駅停止のため減速を開始（時間軸５０．００〜）して回生電力が発生すると、電気二重層キャパシタ３が主に電流分担して二次電池２の分担が減少する。列車が停止した以降は、電気二重層キャパシタ３から二次電池２に電流が移転して、時間軸８５．００では電気二重層キャパシタ３の電圧がほぼ初期のＤＣ６１５Ｖに回復している。
【００２５】
上記のように本発明に係るハイブリッド蓄電装置を搭載した電気車両では、インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有し、電流源４で示すき電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置とＤＣ−ＤＣコンバータ５、負荷６で示す列車制御装置との間に並列にハイブリッド蓄電装置１を接続してこれに蓄電する。そして、力行時には蓄電した電力を放電してき電線を介さないで列車制御装置の駆動電力に利用し、列車制御装置からの回生電力をハイブリッド蓄電装置１に充電して所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する。ハイブリッド蓄電装置１は、電気二重層キャパシタ３と二次電池２とを並列接続して構成し、このハイブリッド蓄電装置を使用した列車運転では、電気二重層キャパシタ３の容量Ｃｃと等価内部抵抗Ｒｃを二次電池２の夫々の定数Ｃｂ、Ｒｂに対して適切に決め最適化することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくても両者間で特性に合わせて充放電電流を分担することができる。この分担において、力行加速運転時には、電気二重層キャパシタ３より電流Ｉｃが約５０％分担されて、短時間で出力電流が大となるときの二次電池２の負担を軽減している。力行等速運転では、電力量は少ないが二次電池２より電力が供給され、制動運転時には、電気二重層キャパシタ３が主に回生電力を蓄電し、停止時間には電気二重層キャパシタ３に二次電池２より電力が移されて初期状態に回復して次の駅間走行に蓄電電力が備えられている。
【００２６】
次に、上記のように電気二重層キャパシタ３が力行走行に要する容量Ｃｃか、例えば図３及び図５で説明した車両走行にて力行区間で電気二重層キャパシタ３の電圧が５０％まで低下する容量の設計値になっているか否かを評価する支援システムの例を示す。図７は電気二重層キャパシタの設計評価支援システムの実施の形態を説明する図、図８は電気二重層キャパシタと負荷回路の概要を説明する図、図９はキャパシタデータの構成例を説明する図、図１０は負荷データの構成例を説明する図、図１１は解析データ及び評価データの構成例を説明する図である。図７において、２１はキャパシタデータ、２２は負荷データ、２３はキャパシタ電流演算部、２４はキャパシタ充放電演算部、２５は評価データ生成処理部、２６は解析データ格納・出力部を示す。
【００２７】
本実施形態の電気二重層キャパシタの設計評価支援システムは、図７に示すように設計データとして与えられるキャパシタデータ２１及び負荷データ２２、これらの設計データに基づき時系列に電気二重層キャパシタの充放電電流を求めるキャパシタ電流演算部２３、電圧（原電圧、端子電圧）を求めるキャパシタ充放電演算部２４、電気二重層キャパシタの必要蓄電容量及び許容熱容量の評価に関する情報を求める評価データ生成処理部２５、それらのデータを格納し、また、表やリスト、波形図、グラフなどに編集して出力する解析データ格納・出力部２６を有する。キャパシタデータ２１として、電気二重層キャパシタの定格仕様に関するデータを格納し、負荷データ２２として、時系列の動作パターンや負荷パターン等のデータを格納することにより、電気二重層キャパシタの設計評価支援システムでは、それぞれ電気二重層キャパシタ３とその負荷回路（図８に示す可逆コンバータ１２、インバータ１３、モータ１４）に関するデータに基づき、例えば電気二重層キャパシタが許容範囲内の終止電圧や蓄電容量、温度上昇となるキャパシタの直並列数の判定を行う。
【００２８】
そのため、まず、時系列の負荷パターンのデータ及び電気二重層キャパシタ３の定格仕様を含む設計データに基づいて時系列に電気二重層キャパシタの電流、電圧、充放電量、電力損失、温度上昇の情報を含む解析データを求める。さらに解析データに基づいて電気二重層キャパシタの容量設計、評価に関する情報を含む評価データを求めて、それら解析データ及び評価データを出力する。このことにより、時系列の負荷パターンのデータ及び電気二重層キャパシタの定格仕様を含む設計データに応じてシミュレーションした解析データ及び評価データを電気二重層キャパシタの設計評価支援データとして提供する。
【００２９】
図８において、電気二重層キャパシタ３に関するデータが、例えばｔi 時にバンク電圧（キャパシタ電圧、原電圧）ｖci、静電容量Ｃc 、内部抵抗ｒc 、蓄電量ｗciであるとすると、電気二重層キャパシタ３から必要電力ｗli（回生電力の場合には負）を給電するには、出力電圧ｖtiに対応した所定の電流ｉi が流れるように充放電制御をしなければならない。このとき、電気二重層キャパシタ内に発生する電力損失は、内部抵抗ｒc と電流ｉi より（ｉi 2 ×ｒc ）として求められ、また、電気二重層キャパシタのバンク電圧ｖciは、内部抵抗ｒc に電流ｉi が流れて生じる電圧降下分を出力電圧ｖtiに加算した（ｖti＋ｉi ×ｒc ）、電気二重層キャパシタでの蓄電量ｗciは、Ｃc ×ｖci2 ／２、充放電量Δｗciは、（ｗci-1−ｗci）としてそれぞれ求められる。さらに、発熱量や放熱量は、電力損失に応じた関数に基づき求められ、これら各時ｔi の値として求めたのが解析データである。なお、電気二重層キャパシタの蓄電容量Ｗcmaxは、バンクを満充電電圧ｖcfまで充電したときの（Ｃc ×ｖcf2 ／２）となる。
【００３０】
キャパシタデータ２１は、例えば図９に示すモジュール電圧ｖM 、セル直列数ＮS 、モジュール静電容量ＣM 、モジュール内部抵抗ｒM 、許容温度Ｔref 、モジュール直列数ＮMS、並列数ＮMP、バンク電圧ｖc （満充電時の電圧ｖcf）、バンク静電容量Ｃc 、バンク内部抵抗ｒc 、モジュール数ＮM 、さらには発熱・放熱係数、温度上昇関数、熱許容量等の定格仕様を含む、所謂電気二重層キャパシタの設計データであり、記憶保持するメモリ等に格納される。モジュールは、所定数のセルを直列接続した電気二重層キャパシタ３の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続して電気二重層キャパシタを構成するものである。
【００３１】
例えば２．５（Ｖ）のセルを２５個直列接続してモジュール電圧ｖM が５０（Ｖ）のモジュールを構成する。このモジュールを基本構成単位とすると、負荷の使用（開始）電圧ｖL が６５０（Ｖ）である場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数ＮMSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖcf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量Ｃc はＣM ／１３、バンク内部抵抗ｒc は１３×ｒM により求められる。並列数ＮMPが１から２になれば、それに応じて新たなバンク静電容量Ｃc が２倍、バンク内部抵抗ｒc が２分の１、モジュール数ＮM が２倍になる。このようにバンクに関する定格仕様の値は、まず、バンク電圧が決まると共に他の値も決まる。
【００３２】
負荷データ２２は、例えば図１０に示す使用電圧ｖL 、電気二重層キャパシタに対して時系列ｔi に要求される電力（必要電力）ｗliを有する負荷パターンのデータであり、記憶保持するメモリ等に格納される。単位時間Δｔ毎の負荷容量ｗliでもよいし、経時的に変化する負荷容量の関数でもよい。例えば入力される加減速走行パターンからトルクが算出され、その走行パターンの回転数トルクの乗算により負荷パターン（＝回転数×トルク）が得られる。
【００３３】
キャパシタ電流演算部２３は、キャパシタデータ２１及び負荷データ２２に基づき電気二重層キャパシタ３から必要電力に見合って充放電される電流ｉi を求めるものであり、時刻更新により解析データの一部として解析データ格納・出力部７に格納され、その時系列更新されたキャパシタデータの電圧が次のデータとして使用される。負荷データの各時ｔi における必要電力ｗli（＝ｖti×ｉi ）に見合って流れるキャパシタ電流ｉi は、
〔数５〕
ｉi ＝｛ｖci±√（ｖci2 −４×ｒc ×ｗli）｝／（２×ｒc ）
ここで、ｉi ×ｖci＝ｗli＋ｉi 2 ×ｒc ＝Δｗci
により求められる。
【００３４】
キャパシタ充放電演算部２４は、キャパシタ電流演算部２３で求めた電気二重層キャパシタ３の電流ｉi と各データに基づきバンク電圧（キャパシタ電圧、原電圧）、端子電圧を求め時刻更新するものであり、ｔi 時における電気二重層キャパシタ３の端子（出力）電圧ｖtiは、
〔数６〕
ｖti＝ｖci−ｉi ×ｒc 
電流ｉi による放電の後（ｔi+1 時）の電気二重層キャパシタ３のバンク電圧ｖci+1は、
〔数７〕
ｖci+1＝√（ｖci2 −２×ｉi ×ｖci／Ｃc ）
ここで、Ｃc ×ｖci2 ／２＝（Ｃc ×ｖci+12 ／２）＋（ｉi ×ｖci）
ｗci＝ｗci+1＋Δｗci
により求められる。
【００３５】
評価データ生成処理部２５は、電気二重層キャパシタ３の温度を内部抵抗ｒc での電力損失ｉi 2 ×ｒc と発熱・放熱係数や温度上昇関数との演算により求め、或いはその積算値である総電力損失Σｉi 2 ×ｒc と温度上昇係数（実験値として求まる値、例えば１〜３）との演算により求める。また、総電力損失をジュール熱に変換し、モジュールの比熱を用いて温度上昇の値を算出してもよい。そして、電気二重層キャパシタ３の必要蓄電容量及び許容熱容量の評価に関する情報を求める。例えば放電量が最も大きい、つまり蓄電残容量（各時における蓄電量）が最も少なくなる電圧の最小値、終止電圧、それらの電圧に対応する蓄電残容量、最大放電量（＝電気二重層キャパシタの蓄電容量−蓄電残容量の最小値）、電気二重層キャパシタの利用率、温度上昇値、余裕率等を求める。例えば電気二重層キャパシタの温度に関しては、温度上昇値が温度上昇許容範囲又は上限値に納まるか否かを、温度上昇値のそれら温度上昇値、上限値に対する割合や温度上昇値と上限値との差のそれら温度上昇値、上限値に対する割合などを余裕率として求める。
【００３６】
解析データ格納・出力部２６は、解析・評価データファイルとして、電気二重層キャパシタ３の電圧（バンク電圧）ｖci、電流ｉi 、充放電量Δｗci、電力損失ｉi 2 ×ｒc 、発熱・放熱量Ｑti、内部抵抗ｒc による電圧降下を除いた出力電圧ｖti、総電力損失Σｉi 2 ×ｒc （＝∫ｉ2 ×ｒc ｄｉ）を含む例えば図１１（ａ）に示す解析データと、バンク電圧の最小値ｖcmin、必要電力量の最大値Ｗmax 、電気二重層キャパシタの利用率η、温度上昇値Ｔmax 、余裕率γを含む図１１（ｂ）に示す評価データを格納し、表やリスト、波形図、グラフなどに編集して出力するものである。解析データは、時系列ｔi の負荷パターンｗliのそれぞれに対応して求められる。
【００３７】
次に、具体的な処理により本実施形態をさらに説明する。図１２は本実施形態の電気二重層キャパシタの設計評価支援システムにおける処理の例を説明する図である。電気二重層キャパシタの１基本構成単位であるモジュールのキャパシタデータはデータファイルに既に格納されているとする。図１２に示すようにまず、負荷データを入力することにより（ステップＳ１１）、所望の電圧（ｖL 、ｖc ）の得られるモジュール直列数ＮMSを求める（ステップＳ１２）。次に、並列数ＮMPを入力することにより（ステップＳ１３）、電気二重層キャパシタの各定格値（バンク電圧ｖc 、バンク静電容量Ｃc 、バンク内部抵抗ｒc 、モジュール数ＮM ）を求める（ステップＳ１４）。
【００３８】
負荷データの各時ｔi における必要電力ｗliに見合ったキャパシタ電流ｉi を求め（ステップＳ１５）、さらにバンク電圧ｖci、出力電圧ｖti、充放電量Δｗci、電力損失ｉi 2 ×ｒc 、発熱・放熱量Ｑti等を求めてキャパシタデータを格納する（ステップＳ１６）。そして、時刻を更新（ｔi ←ｔi+1 ）して（ステップＳ１７）、全時刻について処理を終了したか否かを判定し（ステップＳ１８）、全時刻について処理を終了するまで、ステップＳ１５に戻って同様の処理を繰り返し実行する。
【００３９】
全時刻について処理を終了すると、バンク電圧の最小値ｖcminを抽出し（ステップＳ１９）、必要電力量の最大値Ｗmax （＝Ｃc ×ｖcf2 ／２−Ｃc ×ｖcmin2 ／２）を求める（ステップＳ２０）。さらに、発熱・放熱に基づき求められる各時の上昇温度から最大値を抽出し、或いは電力損失から温度上昇値求めて（ステップＳ２１）、電気二重層キャパシタの利用率η、余裕率γを含めた各処理データを出力する（ステップＳ２２）。さらに、電気二重層キャパシタの容量増加等の条件変更があるか否かを判定し（ステップＳ２３）、条件変更であれば、ステップＳ１３に戻り新たな並列数を入力して以下同様の処理を繰り返して実行する。また、条件変更では、図１２（ｂ）に示すように負荷データやモジュールデータ等を新たに入力して設定し直すようにしてもよい（ステップＳ１１→Ｓ１２′）。
【００４０】
電気二重層キャパシタ３は、モジュールの直列数を増やすと使用開始電圧が高くなると共に電流損失を減らすことができる。また、並列数を増やすと蓄電容量が増加すると共に内部抵抗を減らすことができる。つまり、モータ又は出力側の電力変換装置の耐電圧が許容される範囲で直列数を増やすことができ、体積、重量、コストが許容される範囲で直並列数を増やすことができる。上記の処理によれば、所定の負荷データに対してモジューの直列数、それらの並列数を増減させながら繰り返すことにより、許容範囲内の最適な電気二重層キャパシタを見いだすことができる。また、初期値を１とし順次増やして上記処理による解析を行えば、許容範囲内におさまったところを最適な設計値とすることもできる。
【００４１】
負荷パターンの情報を入力する例をさらに説明する。図１３はモータ負荷の回転数、トルク、電力の波形例を示す図、図１４は負荷データの一部構成例を示す図、図１５は速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例を説明する図である。
【００４２】
電気二重層キャパシタは、加速、力行走行の間に放電され、減速し停止する間の回生電力により充電されることにより、バンク電圧が上下動する。したがって、負荷パターンにより解析されたバンク電圧が最小値ｖcminとなったときの満充電からの放電量（Ｗcmax−Ｗcmin＝Ｗmax ）が電気二重層キャパシタとして少なくとも必要となる蓄電容量となり、電気二重層キャパシタの蓄電容量に対する割合が利用率となる。また、温度上昇値は、電力損失の関数、例えば（総電力損失Σｉi 2 ｒc ×Ｋ＋Ｔ0 ）で求め、この温度上昇値の許容温度に対する割合を余裕率として求めることができる。ここで、Ｋは１〜３、Ｔ0 は１〜５で実験値として求められるものである。したがって、それぞれが電気二重層キャパシタの評価を行う情報となる。
【００４３】
モータ負荷回路において、例えば図１３（ａ）に示すように一定の加速度ｎ′で加速する加速域Ａ、定速域Ｂ、一定の減速度−ｎ′で減速する減速域Ｃからなる動作パターンが与えられると、負荷特性にしたがって図１３（ｂ）に示すトルクτ、さらにそのトルクτに見合った図１３（ｃ）に示す負荷電力Ｐが求めることができる。負荷電力Ｐは、減速域Ｃで負になり回生電力として電気二重層キャパシタの充電に使用される。電気二重層キャパシタでは、必要電力ｗliを供給するために放電することにより電圧が降下するが、回生電力により充電して電圧が上昇し回復する。
【００４４】
動作パターンを速度で与えるデータの例を示したのが図１４（ａ）であり、この場合には速度の単位時間の変化率（微分）で加速度が求められる。加速度で与えるデータの例を示したのが図１４（ｂ）である。複数の異なる種別の負荷を有する場合、負荷の種別により所望の加速度を得るために必要なトルク、そのトルクを得るために必要な電力も異なってくる。負荷の種別を指定することによりそれに対応して必要な電力が求められる。そのトルク・電力変換関数のデータの例を示したのが図１４（ｃ）である。
【００４５】
図１５に示す速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例では、図１４（ａ）、（ｂ）に示す速度或いは加速度プロファイルのデータを入力し（ステップＳ３１）、負荷の種別、モジュールの種別、定格を選択して指定することにより（ステップＳ３２）、図１４（ｃ）に示す変換関数に基づき各時刻のトルク、負荷電力を算出し（ステップＳ３３）、その負荷電力から各時刻の電気二重層キャパシタの必要電力を算出して（ステップＳ３４）、先に説明した処理と同様にキャパシタの解析処理を実行する。
【００４６】
上記のように本実施形態の設計評価支援システムでは、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定に応じて解析データ、評価データを出力することにより、それぞれの負荷と電気二重層キャパシタとの組み合わせが適合するか否かを評価、判定することができるので、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定を変数として更新しながら繰り返し解析データ、評価データを出力して、最適な電気二重層キャパシタの解を求めることができる。電気二重層キャパシタを使用した図３及び図５における設計評価を行う例で説明したが、これを図１や図４、図６におけるハイブリッド蓄電装置にも同様に適用可能である。ハイブリッド蓄電装置について上記演算を行う場合には、二次電池に図１に示す等価回路を用いて演算を行うようにしてもよいが、二次電池を定電圧源として演算を行うようにしてもよい。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、電気車両として、き電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置と列車制御装置を搭載した架線レスの列車で説明したが、都市交通システムや路面電車、バス等、所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する交通システムにも同様に適してもよい。また、地上電源装置は、路線の中間駅に適宜配置することによって中間駅でハイブリッド蓄電装置を充電し、全路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有しない二次電池を搭載した場合でも、長い路線長を運行できるようにしてもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るハイブリッド蓄電装置を搭載した電気車両の実施の形態を説明する簡易等価回路構成を示す図。
【図２】ハイブリッド蓄電装置の入出力特性を説明する図。
【図３】キャパシタ蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路の構成を示す図。
【図４】ハイブリッド蓄電装置を使用した列車インバータ駆動回路の構成を示す図。
【図５】蓄電装置としてのキャパシタ蓄電装置での走行特性を示す図。
【図６】ハイブリッド蓄電装置での走行特性を示す図。
【図７】電気二重層キャパシタの設計支援システムの実施の形態を説明する図。
【図８】電気二重層キャパシタと負荷回路の概要を説明する図。
【図９】キャパシタデータの構成例を説明する図。
【図１０】負荷データの構成例を説明する図。
【図１１】解析データ及び評価データの構成例を説明する図。
【図１２】電気二重層キャパシタの設計支援システムにおける処理の例を説明する図。
【図１３】モータ負荷の回転数、トルク、電力の波形例を示す図。
【図１４】負荷データの一部構成例を示す図。
【図１５】速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例を説明する図。
【符号の説明】
【００４９】
１…ハイブリッド蓄電装置、２…二次電池、３…電気二重層キャパシタ、４…電流源、５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６…負荷、Ｓｗ１、Ｓｗ２…スイッチ
【図１】
2008118761.tif 000003
【図２】
2008118761.tif 000004
【図３】
2008118761.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008118761.tif 000012
【図１１】
2008118761.tif 000013
【図１２】
2008118761.tif 000014
【図１３】
2008118761.tif 000015
【図１４】
2008118761.tif 000016
【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月2日(2007.4.2)
【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】
インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有する列車制御装置とき電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置との間に蓄電装置を並列に接続して蓄電し、き電線を介さないで蓄電した前記蓄電装置から前記列車制御装置に給電し所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両のハイブリッド蓄電装置であって、
前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して構成し、
前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が、電気二重層キャパシタ３の電圧がほぼ５０％まで低下する状態で蓄電可能な容量とを有すると共に、
前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有することを特徴とする電気車両のハイブリッド蓄電装置。
【請求項２】
前記所定の路線長は、前記集電する集電装置に前記き電変電所等の地上電源装置から電力を集電可能になった路線長であることを特徴とする請求項１記載の電気車両のハイブリッド蓄電装置。
【請求項３】
インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有する列車制御装置とき電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置との間に蓄電装置を並列に接続して蓄電し、き電線を介さないで蓄電した前記蓄電装置から前記列車制御装置に給電し所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両であって、
電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して蓄電装置を構成し、
前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が、電気二重層キャパシタ３の電圧がほぼ５０％まで低下する状態で蓄電可能な容量とを有し、
力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とするハイブリッド蓄電装置を搭載した電気車両。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
そのために本発明は、インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有する列車制御装置とき電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置との間に蓄電装置を並列に接続して蓄電し、き電線を介さないで蓄電した前記蓄電装置から前記列車制御装置に給電し所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両のハイブリッド蓄電装置であって、前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が、電気二重層キャパシタ３の電圧がほぼ５０％まで低下する状態で蓄電可能な容量とを有すると共に、前記二次電池は、前記所定の路線長の走行に要する電力が蓄電可能な容量を有することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、インバータによる交流電動機制御やチョッパ装置による直流電動機制御等での回生制動機能を有する列車制御装置とき電変電所等の地上電源装置からの電力を集電する集電装置との間に蓄電装置を並列に接続して蓄電し、き電線を介さないで蓄電した前記蓄電装置から前記列車制御装置に給電し所定の路線長の各駅間を所定の走行特性に従って走行する電気車両として、電気二重層キャパシタと二次電池とを並列接続して蓄電装置を構成し、前記電気二重層キャパシタは、前記二次電池の等価内部抵抗の２分の１以下の等価内部抵抗と、前記各駅間走行に要する各電力のうち、少なくとも最大の電力が、電気二重層キャパシタ３の電圧がほぼ５０％まで低下する状態で蓄電可能な容量とを有し、力行時には前記蓄電した電力を放電してき電線を介さないで前記列車制御装置の駆動電力に利用し、前記列車制御装置からの回生電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とする。