(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御装置及び充放電制御方法を提供する。【解決手段】双方向昇降圧チョッパ１が、き電側端子対に入力される電力によって蓄電池５を充電しかつ蓄電池５から放電される電力をき電側端子対に出力するようき電側アームと電池側アームとの変調率を制御するための制御装置２を備え、制御装置２は、充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が１となるように前記制御を行う。【選択図】図１
2008228420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスイッチング素子及び該第１のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子からなるき電側アームと、第３のスイッチング素子及び該第３のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第１のスイッチング素子の一方の主端子と前記第３のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第３のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第４のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第１のスイッチング素子の他方の主端子と前記第２のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第１のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧（以下、き電電圧という）が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパと、
前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アームと前記電池側アームとの変調率を制御するための制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が１となるように前記制御を行う、充放電制御装置。
【請求項２】
前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御する、請求項１に記載の充放電制御装置。
【請求項３】
前記制御装置は、所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が１となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御する、請求項１に記載の充放電制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記き電電圧が第１の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第２の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御する、請求項１に記載の充放電制御装置。
【請求項５】
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、
前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電である、請求項４に記載の充放電制御装置。
【請求項６】
第１のスイッチング素子及び該第１のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子からなるき電側アームと、第３のスイッチング素子及び該第３のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第１のスイッチング素子の一方の主端子と前記第３のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第３のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第４のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第１のスイッチング素子の他方の主端子と前記第２のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第１のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧（以下、き電電圧という）が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパを用い、
前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御し、
前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が１となるように前記制御を行う、充放電制御方法。
【請求項７】
前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を用い、
前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御する、請求項６に記載の充放電制御方法。
【請求項８】
所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が１となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御する、請求項６に記載の充放電制御方法。
【請求項９】
前記き電電圧が第１の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第２の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御する、請求項６に記載の充放電制御方法。
【請求項１０】
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、
前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電である、請求項９に記載の充放電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電制御装置及び充放電制御方法に関し、特に、電池駆動鉄道車両の車載電池の充放電を制御する充放電制御装置及び充放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両の車載電池の充放電制御装置として、例えば、特許文献１に記載された双方向昇降圧チョッパが知られている。この特許文献１の双方向昇降圧チョッパは、き電側の電圧とバッテリ側の電圧との大小関係に制限のある双方向昇降圧チョッパとなっており、充電時には降圧動作、放電時には昇圧動作のみ可能となっている。換言すると、充電時には、昇圧動作をすることができず、放電時には降圧動作をすることができない。また、電池の直列接続数は、き電側の電圧が電池側の電圧より高くなるような直列接続数に限られるため、電池の直列接続数が制約される。
【０００３】
一方、一般の車両の車載電池の充放電制御装置として、例えば、特許文献２に記載された双方向昇降圧チョッパが知られている。図１２は特許文献２の双方向昇降圧チョッパの構成を示す図であって、（ａ）は回路図、（ｂ）はスイッチング素子の制御信号を示す波形図である。
【０００４】
図１２（ａ）に示すように、この双方向昇降圧チョッパは、回路構成上はＨ字形ブリッジで構成されている。なお、符号２０２はジェネレータ、符号２０３はコンデンサ、符号２０４はバッテリ、符号２０５は負荷、符号２３１は制御器を示す。この双方向昇降圧チョッパは、動作に関しては、降圧チョッパと昇圧チョッパとをカスケード接続した考え方になっている。つまり、図１２（ｂ）から明らかなように、Ｈ字形ブリッジにおいて、ジェネレータ２側の上アームを構成する半導体スイッチング素子２１１とバッテリ２０４側の下アームを構成する半導体スイッチング素子２１４とが同位相でスイッチングし、これらに対し、ジェネレータ２側の下アームを構成する半導体スイッチング素子２１２とバッテリ２０４側の上アームを構成する半導体スイッチング素子２１３とが逆位相でスイッチングする。これにより、この双方向昇降圧チョッパにおいては、スイッチングの通流率を連続的に変化させて昇圧動作と降圧動作との切り替えを円滑に行うことができる。
【特許文献１】特開２００２−３６９３０８号公報（特に図６参照）、
【特許文献２】特開２００２−３０５８７５号公報（特に図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の双方向昇降圧チョッパでは、４つのスイッチング素子２１１〜２１４の全てをスイッチングさせているので、スイッチング素子の導通損失に加えてスイッチング損失が発生し、それにより変換効率が低下する。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御装置及び充放電制御方法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】
上記課題を解決するために、本発明の充放電制御装置は、第１のスイッチング素子及び該第１のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子からなるき電側アームと、第３のスイッチング素子及び該第３のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第１のスイッチング素子の一方の主端子と前記第３のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第３のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第４のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第１のスイッチング素子の他方の主端子と前記第２のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第１のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧（以下、き電電圧という）が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパと、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アームと前記電池側アームとの変調率を制御するための制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が１となるように前記制御を行う。このような構成とすると、変調率が１となるき電側アーム及び／又は電池側アームを構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、その分、そのスイッチング損失を低減することができる。
【０００８】
前記充放電制御装置は、前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を備え、前記制御装置は、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御してもよい。
【０００９】
前記制御装置は、所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が１となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。き電側アーム及び電池側アームの各々を構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、スイッチング損失をゼロにすることができる。
【００１０】
前記制御装置は、前記き電電圧が第１の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第２の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。
【００１１】
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電であってもよい。
【００１２】
また、本発明の充放電制御方法は、第１のスイッチング素子及び該第１のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子からなるき電側アームと、第３のスイッチング素子及び該第３のスイッチング素子の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子からなる電池側アームと、前記第１のスイッチング素子の一方の主端子と前記第３のスイッチング素子の一方の主端子とを接続するリアクトルと、を備え、前記第３のスイッチング素子の他方の主端子及び前記第４のスイッチング素子の他方の主端子がそれぞれ蓄電池の正極端子及び負極端子に接続され、かつ前記第１のスイッチング素子の他方の主端子と前記第２のスイッチング素子の他方の主端子とからなるき電側端子対の間に該第１のスイッチング素子の他方の主端子が高電位側となる電圧（以下、き電電圧という）が印加されるようにして使用される双方向昇降圧チョッパを用い、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電しかつ前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御し、前記充電及び放電の少なくともいずれかの場合に、前記き電側アーム及び前記電池側アームの少なくともいずれかの変調率が１となるように前記制御を行う。このような構成とすると、変調率が１となるき電側アーム及び／又は電池側アームを構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、その分、そのスイッチング損失を低減することができる。
【００１３】
前記充放電制御方法は、前記き電電圧を検出するき電電圧検出器と、前記蓄電池の電圧を検出する蓄電池電圧検出器と、を用い、前記充電又は前記放電の開始時に、その時点における前記き電電圧検出器によって検出されたき電電圧と前記蓄電池側電圧検出器によって検出された蓄電池電圧とに基づいてスタート時変調率を決定し、このスタート時変調率において充電電流又は放電電流がゼロになるよう前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御することによって、前記充電電流又は前記放電電流を制御してもよい。
【００１４】
所定の情報が入力された場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率が１となるようにして前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。このような構成とすると、き電側アーム及び電池側アームの各々を構成する一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフになるので、スイッチング損失をゼロにすることができる。
【００１５】
前記き電電圧が第１の所定電圧未満の場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記蓄電池から放電される電力を前記き電側端子対に出力し、かつ前記き電電圧が第２の所定電圧を越える場合に、前記双方向昇降圧チョッパが、前記き電側端子対に入力される電力によって前記蓄電池を充電するよう、前記き電側アーム及び前記電池側アームの変調率を制御してもよい。
【００１６】
前記双方向昇降圧チョッパは、前記き電側端子対が電池駆動鉄道車両を駆動するモータを駆動する電力変換装置にパンタグラフから電力を供給する電気配線に接続されるようにして使用されるものであり、前記放電が前記電力変換装置に電力を供給するためのアシスト放電であり、前記充電が前記電力変換装置による回生電力を吸収するための回生充電であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上に説明したような構成を有し、充放電制御装置及び充放電制御方法において、スイッチング損失を抑制することができ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、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に係る充放電制御装置の構成を示す回路図である。図２は図１の充放電制御装置を構成する双方向昇降圧チョッパの構成を示す回路図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態の充放電制御装置１００は、電池駆動鉄道車両（以下、鉄道車両という）に搭載される蓄電池（以下、単に電池という）５の充放電を制御するものである。
【００２０】
この鉄道車両は、１対の受電線３０Ａ，３０Ｂを備えている。受電線３０Ａの一端はパンタグラフ６に接続され、受電線３０Ａの他端はＶＶＶＦインバータ３１の入力側に接続されている。受電線３０ＡにはスイッチＳＷ１１及びリアクトル１１が設けられている。受電線３０Ｂの一端は車輪７に接続され、受電線３０Ｂの他端はＶＶＶＦインバータ３１の入力側に接続されている。受電線３０Ａと受電線３０Ｂとの間にはコンデンサＣ１１が接続されている。これにより、パンタグラフ６を通じて架線から直流の架線電力が一対の受電線３０Ａ，３０Ｂに供給される。この架線電力における電圧（架線電圧）は、受電線３０Ａが高位側であり受電線３０Ｂが低位側（グランド電位）となっている。ＶＶＶＦインバータ３１の出力側にはこの電池駆動鉄道車両を駆動する複数のモータ（誘導電動機）Ｍが接続されていて、ＶＶＶＦインバータ３１は入力される直流電力によって、これら複数のモータＭを、その速度を制御しながら駆動する。ＳＷ１１はＶＶＶＦインバータ３１に対し電力を供給及び停止するためのものであり、リアクトルＬ１１及びコンデンサＣ１１は、ＶＶＶＦインバータ３１に供給する電圧の変動を抑制するためのものである。
【００２１】
充放電制御装置１００は、双方向昇降圧チョッパ１と制御ユニット２とを有している。まず、双方向昇降圧チョッパ１について説明する。ここで、本明細書及び請求の範囲においては、便宜上、スイッチング素子のスイッチングされるべき電流が入出力される一対の端子を主端子と呼び、この一対の主端子間を導通及び遮断するよう制御する制御信号を入力するための端子を制御端子と呼ぶ。例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合には、エミッタ及びコレクタが一対の主端子であり、ゲートが制御端子である。
【００２２】
図２に示すように、双方向昇降圧チョッパ１は、第１のスイッチング素子ＳＷ１と、この第１のスイッチング素子ＳＷ１の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第２のスイッチング素子ＳＷ２と、第３のスイッチング素子ＳＷ３と、この第３のスイッチング素子ＳＷ３の一方の主端子にその一方の主端子が接続された第４のスイッチング素子ＳＷ４と、第１のスイッチング素子ＳＷ１の一方の主端子と第３のスイッチング素子ＳＷ３の一方の主端子とを接続するリアクトルＤＣＬと、第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４と、を備えている。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の順方向に対する逆方向がその順方向となるように接続されている。第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、ここでは、ＩＧＢＴで構成されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１の他方の主端子及び第２のスイッチング素子ＳＷ２の他方の主端子はそれぞれ一対のき電側端子ＴＭ１，ＴＭ２に接続されていて、この一対のき電側端子ＴＭ１，ＴＭ２の間にコンデンサＣ１が接続されている。また、第３のスイッチング素子ＳＷ３の他方の主端子及び第４のスイッチング素子ＳＷ４の他方の主端子はそれぞれ一対の電池側端子ＴＭ３，ＴＭ４に接続されていて、この一対の電池側端子ＴＭ３，ＴＭ４の間にコンデンサＣ２が接続されている。
【００２３】
図１及び図２に示すように、電池側端子ＴＭ３には電池５の正極端子がリアクトルＬ１３を介して接続されている。電池側端子ＴＭ４には電池５の負極端子が接続されている。き電側端子ＴＭ１は途中にスイッチＳＷ１２及びリアクトルＬ１２が設けられた電気配線３２Ａを通じて受電線３０Ａに接続されている。き電側端子ＴＭ２は電気配線３２Ｂを通じて受電線３０Ｂに接続されている。これにより、パンタグラフ６から一対の受電線３０Ａ，３０Ｂ及び一対の電気配線３２Ａ，３２Ｂを通じて双方向昇降圧チョッパ１に直流の架線電力が供給される。スイッチＳＷ１２は、双方向昇降圧チョッパ１を一対の受電線３０Ａ，３０Ｂに対し接続及び切断するためのものである。リアクトルＬ１２及びコンデンサＣ１は、双方向昇降圧チョッパ１のき電側端子ＴＭ１，ＴＭ２間の直流電圧の変動を抑制するためのものであり、リアクトルＬ１３及びコンデンサＣ２は双方向昇降圧チョッパ１の電池側端子ＴＭ３，ＴＭ４間の直流電圧の変動を抑制するためのものである。
【００２４】
制御ユニット（制御装置）２は、制御器３と監視器４とを備えている。制御器３及び監視器４は、共に、ＣＰＵ等の演算器で構成されている。
【００２５】
制御器３は主として双方向昇降圧チョッパ１の第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を制御するためのＰＷＭ信号の生成と充放電マネージメントとを行う。具体的には、充放電制御装置１００には、さらに、双方向昇降圧チョッパ１のき電側の電流（以下、き電電流という）I_kidenを検出する電流センサＣＴ１と、双方向昇降圧チョッパ１のき電側の電圧（一対のき電側端子ＴＭ１，ＴＭ２間の電圧：以下、き電電圧という）V_kidenを検出する電圧センサＰＴ１と、双方向昇降圧チョッパ１の電池側の電流（以下、電池電流という）I_battを検出する電流センサＣＴ２と、双方向昇降圧チョッパ１の電池側の電圧（一対の電池側端子ＴＭ３，ＴＭ４間の電圧：以下、電池電圧という）V_battを検出する電圧センサＰＴ２と、パンタグラフを流れる電流（以下、パンタ電流という）I_panを検出する電流センサＣＴ３と、を備えていて、これらのセンサからの検出信号が制御器３に入力される。また、受電線３０Ａの適所には、パンタグラフ６の電圧を検出する電圧センサが配設されていて、これが、パンタグラフが上がっているか否かの情報（パンタ昇降情報）３４を検出するパンタ昇降センサ３３を構成している。このパンタ昇降センサ３３で検出されたパンタ昇降情報（ここではパンタグラフ６の電圧）が制御器３に入力される。
【００２６】
一方、制御器３は、入力された電池電圧V_batt、電池電流I_batt、き電電圧V_kiden、及びパンタ昇降情報を監視器４に出力する。また、制御器３は、電池電圧V_batt及びき電電圧V_kidenに基づいてオフセットofstを算出する。また、制御器３は、予め設定された電圧設定値V_set及びき電電圧設定値V_kiden_setをその内部メモリに記憶している。
【００２７】
監視器４には、電池電圧V_batt、電池電流I_batt、き電電圧V_kiden、及びパンタ昇降情報の他、図示されない車両制御伝送装置からの走行区間情報、速度及びノッチ情報と、温度センサで検出される電池５の温度とが入力される。走行区間情報は、鉄道車両が走行する路線の電化区間及び非電化区間の区別、鉄道車両の走行位置等に関する情報である。ノッチ情報は、鉄道車両の運転席のノッチの状態（力行、制動、速度指令等）を表す情報である。監視器４は、電池電圧V_battと電池電流I_battと電池５の温度、周囲温度とに基づいてＳＯＣ（state of charge：蓄電池残量）を算出する。また、監視器４は、算出したＳＯＣ、走行区間情報に基づいて、電流設定値I_setを算出する。この場合、監視器４は、鉄道車両の走行位置から充電できる残り時間を把握し、電化区間終了時にＳＯＣが目標値に達するように（充電）電流設定値I_setを決定する。そして、監視器４は、これらのＳＯＣ及び電流設定値I_setを制御器３に出力する。
【００２８】
制御器３は、これらのＳＯＣ、電圧設定値V_set、き電電圧設定値V_kiden_set、電流設定値I_set、及びオフセットofstと、さらに、電池電圧V_batt及び電池電流I_battを用いてＰＷＭ信号ＰＭＷ１〜ＰＷＭ４を生成して、これらを第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の制御端子に出力する。また、制御器３は、パンタ昇降情報３４、き電電圧V_kiden、電池電圧V_batt、及びＳＯＣを用いて充放電マネージメントを行う。この際、き電電圧V_kidenとノッチ情報とに基づいて、ＶＶＶＦインバータ３１によるモータＭの駆動制御が力行制御か回生制御かを判定する。
【００２９】
次に、以上のように構成された充放電制御装置１００の動作を説明する。
［変調率制御］
まず、制御器３による双方向昇降圧チョッパ１の変調率制御について説明する。
【００３０】
図３は昇圧モードにおいて充電電流を所定値に維持する場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。図４は昇圧モードにおいて充電電流を所定値から増加させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。図５は昇圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。図６は降圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。
【００３１】
本明細書及び本特許請求の範囲においては、双方向昇降圧チョッパ１のき電側アーム（スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２）の変調率（通流率、デューティー比ともいう）及び電池側アーム（スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４）の変調率という概念を用い、き電側アームの変調率及び電池側アームの変調率をそれぞれＭ１及びＭ２と定義する。き電側アーム及び電池側アームは、共に、各々の上アーム（それぞれき電側上アーム及び電池側上アームという）の変調率が定まると各々の下アーム（それぞれき電側下アーム及び電池側下アームという）の変調率が一義的に定まることから、便宜上、各々の上アームの変調率をもって各々の変調率として定義したのである。従って、き電側上アーム（スイッチング素子ＳＷ１）の変調率及び電池側上アーム（スイッチング素子ＳＷ３）の変調率はそれぞれＭ１及びＭ２（但し、デッドタイムを含まない）となり、き電側下アーム（スイッチング素子ＳＷ２）の変調率及び電池側下アーム（スイッチング素子ＳＷ４）の変調率は、それぞれ、１−Ｍ１、及び１−Ｍ２となる。つまり、き電側下アーム（スイッチング素子ＳＷ２）のＰＷＭ信号ＰＷＭ２は、き電側上アーム（スイッチング素子ＳＷ１）のＰＷＭ信号ＰＷＭ１を反転させたものとなり、電池側下アーム（スイッチング素子ＳＷ４）のＰＷＭ信号ＰＷＭ４は、電池側上アーム（スイッチング素子ＳＷ３）のＰＷＭ信号ＰＷＭ３を反転させたものとなる。
【００３２】
変調率Ｍ１及びＭ２は０から１の間の値を取り、１のときは上アームが常時オン（下アームが常時オフ）となり、０のときは上アームが常時オフ（下アームが常時オン）となる。ここで、双方向昇降圧チョッパ１が理想的なもので損失がゼロであると仮定する。また、リアクトルＤＣＬを流れる電流をＩＬとする。
【００３３】
図３を参照すると、定常状態においては、
V_kiden・I_kiden＝V_kiden・Ｍ１・ＩＬ＝V_batt・Ｍ２・ＩＬ＝V_batt・I_batt
が成立する。
【００３４】
スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４及びリアクトルＤＣＬを小型化するためには、ＩＬを小さくしたいので、V_kiden・Ｍ１及びV_batt・Ｍ２は、制御上許される範囲で大きくすることが望ましい。V_kiden及びV_battはき電電圧及び電池電圧で決まるため、制御上ではＭ１及びＭ２を大きくすることになる。電流を制御する上では、Ｍ１及びＭ２の双方を同時に１より小さくする必要はないので、Ｍ１及びＭ２のいずれかを１にし、他方を変化させて電流を制御することによって、上記の要求が満たされる。
【００３５】
ここで、例えば、V_kiden＜V_battである昇圧モードで充電する場合における変調率Ｍ１及びＭ２の変化を考える。また、
ａ：ＩＬを所定値に維持するよう制御する場合
ｂ：ＩＬを所定値から増加させるよう制御する場合
ｃ：ＩＬを所定値から減少させるよう制御する場合
の３つの場合に分けて考える。
＜ａの場合＞
この場合、ＩＬを所定値に維持するので、リアクトルＤＣＬの両端の電位差はゼロとなる。それ故、
V_kiden・Ｍ１＝V_batt・Ｍ２となる。
【００３６】
ここで、V_kiden＜V_battで昇圧モードであることから、Ｍ１＝１とすると、
Ｍ２＝V_kiden/V_batt
となる。この状態を電圧平衡状態と呼ぶ。
【００３７】
この場合、制御器３は、図３（ａ）に示すようなキャリア信号及び変調信号を用いて、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すようなＰＷＭ信号を生成する。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、横軸は時間を表し、縦軸は振幅を表す。なお、ＰＷＭ信号の生成方法は周知であるので、ここでは簡単に説明する。
【００３８】
図３（ａ）において、キャリア信号には最大値が１で最小値が０である三角波が用いられる。変調信号には、V_battに対応する変調信号（以下、V_batt変調信号という。図３（ａ）にV_battとして示す）とV_kidenに対応する変調信号（以下、V_kiden変調信号という。図３（ａ）にV_kidenとして示す）とが用いられる。V_batt変調信号は三角波キャリア信号の振幅内の一定値を取るように設定される。また、V_kiden変調信号は三角波キャリア信号の最小値より小さくかつV_batt変調信号より１だけ小さい一定値を取るように設定される。
【００３９】
そして、三角波キャリア信号とV_kiden変調信号とが比較されて、変調率Ｍ１が１であるＰＷＭ信号ＰＷＭ１が生成され、これがき電側上アームのスイッチング素子ＳＷ１に出力される。また、き電側下アームのスイッチング素子ＳＷ２には、変調率が１−Ｍ１であるＰＷＭ信号ＰＷＭ２（ＰＷＭ信号ＰＷＭ１の反転信号）が出力される。また、三角波キャリア信号とV_batt変調信号とが比較されて、変調率Ｍ２がV_kiden／V_battであるＰＷＭ信号ＰＷＭ３が生成され、これが電池側上アームのスイッチング素子ＳＷ３に出力される。また、電池側下アームのスイッチング素子ＳＷ４には、変調率が１−Ｍ２であるＰＷＭ信号ＰＷＭ４（ＰＷＭ信号ＰＷＭ３の反転信号）が出力される。
＜ｂの場合＞
この場合、ＩＬを増加させるよう制御するには、電圧平衡状態からV_kiden・Ｍ１を増加させる、もしくはV_batt・Ｍ２を減少させればよい。ここでは、電圧平衡状態においてＭ１＝１であるので、Ｍ２を減少させる。
【００４０】
具体的には、図４（ａ）に示すように、V_kiden変調信号及びV_batt変調信号の値を同じだけ減少させる。これにより、変調率Ｍ２の値が減少する。
＜ｃの場合＞
ＩＬを減少させるよう制御するには、電圧平衡状態からV_kiden・Ｍ１を減少させる、もしくはV_batt・Ｍ２を増加させればよい。変調率Ｍ１及びＭ２をなるべく大きく取りたいので、電圧平衡状態において１未満であるＭ２をまず増加させ、Ｍ２が１に達した後に、Ｍ１を減少させる。
【００４１】
具体的には、図５（ａ）に示すように、V_kiden変調信号及びV_batt変調信号の値を同じだけ増加させる。これにより、変調率Ｍ２の値が増加する。そして、図示しないが、V_kiden変調信号の値及びV_batt変調信号の値が、それぞれ、三角波キャリア信号の最大値及び最小値に一致すると、変調率Ｍ１及びＭ２が共に１となる。その後、図６（ａ）に示すように、V_batt変調信号の値を三角波キャリア信号の最大値より大きい一定値を取るように増加させ、V_kiden変調信号の値を三角波キャリア信号の振幅内の一定値を取るように増加させる。これにより、変調率Ｍ１がV_batt／V_kidenとなり、変調率Ｍ２が１となる。なお、この場合は、降圧モードとなる。
【００４２】
図７はリアクトル電流ＩＬの変化に対する変調率Ｍ１及びＭ２の変化を示すグラフである。図７において、横軸は電池電圧V_battに対するき電電圧V_kidenの比率（以下、電圧比という）を表し、縦軸は変調率を表す。
【００４３】
図７に示すように、この充電の場合を例に取った変調率制御においては、変調率Ｍ１を保ったまま変調率Ｍ２を電圧平衡点ofstにおける値を基準として増加又は減少させると、それに伴ってリアクトル電流ＩＬが減少又は増加する。リアクトル電流ＩＬを減少させるために、変調率Ｍ２を増加させて行くと、変調率Ｍ２と変調率Ｍ１とが共に１になる。この場合には、直結モードとなる。さらに、変調率Ｍ２を１とし変調率Ｍ１を１未満に減少させると降圧モードとなる。
【００４４】
この図７から明らかなように、降圧モードで充電する場合における変調率Ｍ１及びＭ２の変化も、電圧平衡点がV_kiden＞V_battである領域に設定される点が異なる他は、昇圧モードの場合と同様である。
【００４５】
また、放電の場合は、昇圧及び降圧の概念が充電の場合と逆になる。つまり、充電における昇圧モード及び降圧モードが、それぞれ、放電における降圧モード及び昇圧モードに相当する。
【００４６】
以上を要約すると、本実施の形態においては、電池５への充電及び電池５からの放電を行う際に、制御器３が、上述のようにき電側アーム及び電池側アームの変調率Ｍ１及びＭ２が変化するようなＰＷＭ信号を生成してこれを双方向昇降圧チョッパ１のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の制御端子に出力し、それによって、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の変調率制御を行う。その結果、き電側アームの変調率Ｍ１及び電池側アームの変調率Ｍ２の少なくともいずれかが常時１となり、き電側アームを構成する一対のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２と電池側アームを構成する一対のスイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４との少なくともいずれかの一対のスイッチング素子がそれぞれ常時オン及び常時オフとなる。よって、従来例に比べてスイッチング損失を低減することができる。
［変調率制御を用いた充放電制御］  
次に、上述の変調率制御を用いた充放電制御を具体的に説明する。まず、定電流定電圧充電制御を例に挙げて説明する。
【００４７】
この定電流定電圧充電制御においては、昇圧の場合には双方向昇降圧チョッパ１の電池側アームの変調率Ｍ２が変化させられ、降圧の場合には双方向昇降圧チョッパ１のき電側アームの変調率Ｍ１が変化させられる。以下、この変調率が変化させられるアームに対する変調率制御の内容を説明する。なお、変調率が変化しないアームに対しては、１（上アームの場合）又は０（下アームの場合）に固定した変調率を有するＰＷＭ信号が出力される。
【００４８】
図８は定電流定電圧充電制御を行う場合のブロック図である。
【００４９】
図８において、ブロック１１〜２３は、図１の制御器３の内部に構成されている。充電の開始時に、まず、制御器３がき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとからオフセットofstを算出する。このオフセットofstは、以下のようにして算出される。
【００５０】
昇圧（V_batt＞V_kiden）の場合：ofst＝V_kiden／V_batt−１
降圧（V_batt≦V_kiden）の場合：ofst＝−V_batt／V_kiden＋１
また、制御器３は、既述のように予め設定された電圧設定値（ここでは充電電圧設定値）V_setを記憶している。一方、監視器４は、電流設定値（ここでは充電電流設定値）I_setを算出して、これを制御器３に出力する。充電電流設定値I_setは、緩慢充電か急速充電かの別に応じて算出される。定電流定電圧充電の場合は、緩慢充電の場合の充電電流設定値I_setが算出され、後述する回生充電の場合には、急速充電の場合の充電電流設定値I_setが算出される。
【００５１】
図８を参照すると、電圧制御ブロック１１の減算器１２において、充電電圧設定値V_setから、電圧センサＰＴ２からフィードバックされた電池電圧V_battが減算されて電圧誤差v_errが算出される。ブロック１３においてこの電圧誤差v_errに対しＰＩ制御（ゲイン補償＋位相遅れ補償）が行われて電流指令値i_cmdが生成される。このＰＩ制御は、充電電流設定値I_setに応じてその程度が調整される。電圧制御ブロック１４の減算器１５において、この電流指令値i_cmdから、電流センサＣＴ２からフィードバックされた電池電流I_battが減算されて電流誤差i_errが算出される。ブロック１６においてこの電流誤差i_errに対しＰＩ制御（ゲイン補償＋位相遅れ補償）が行われて電圧指令値v_cmdが生成される。リミッタ１７において、この電圧指令値v_cmdが−１から＋１までの範囲に制限される。加減算器１８とリミッタ１９とはＰＷＭ信号生成器を構成しており、加減算器１８において、この電圧指令値v_cmdに対し、１が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、き電側アーム変調指令値pu0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは充電開始時のみ入力される。リミッタ１９において、このき電側アーム変調指令値pu0_cmdが０から＋１の範囲に制限されてき電側アームの変調率Ｍ１が生成される。ＰＷＭレジスタ２０において、このき電側アームの変調率Ｍ１に基づいてき電上側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ１とき電下側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ３とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ１のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２に出力される。
【００５２】
一方、加減算器２１において、上述の電圧指令値v_cmdが反転されて入力され、この反転された電圧指令値v_cmdに対し、１が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、電池側アーム変調指令値pw0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは充電開始時のみ入力される。リミッタ２２において、この電池側アーム変調指令値pw0_cmdが０から＋１の範囲に制限されて電池側アームの変調率Ｍ２が生成される。ＰＷＭレジスタ２３において、この電池側アームの変調率Ｍ２に基づいて電池上側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ３と電池下側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ４とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ１のスイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４に出力される。
【００５３】
以上の制御によれば、指令値である充電電圧設定値V_setに対する電池電圧V_battの偏差と指令値である充電電流設定値I_setに対する電池電流I_battの偏差に応じて双方向昇降圧チョッパ１の変調率が変化させられる。これにより、電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに近づき、かつ電池電流I_battが充電電流設定値I_setに近づくようフィードバック制御される。そして、この過程において、充電電流（電池電流）I_battは、充電電流設定値I_setという一定の電流を取り、この一定の電流でもって電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに到達するよう電池５が充電される。そして、電池電圧V_battが充電電圧設定値V_setに達するとこれを超えないように充電電流設定値I_setが変更されて充電がなされる。このようにして、定電流定電圧充電制御が遂行される。
【００５４】
そして、上述の場合、オフセットofstはき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとの電圧平衡点に対応する変調率を表しているので、充電電流がゼロの状態から充電電流の制御を開始することができる。
【００５５】
次に、その他の充放電の場合について説明する。
【００５６】
回生充電の場合は、電流制御ブロック１１に急速充電の場合の充電電流設定値I_setが入力される。これ以外は上述の定電流定電圧充電の場合と同様である。
【００５７】
次に、後述するアシスト放電、昇降圧モード、及び直結モードによる放電の場合について説明する。なお、ここではアシスト放電を昇降圧モードに含めて説明する。
【００５８】
図９は放電制御を行う場合のブロック図である。
【００５９】
図９において、ブロック１１〜２４は、図１の制御器３の内部に構成されている。放電の開始時に、まず、制御器３がき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとからオフセットofstを算出する。このオフセットofstは、以下のようにして算出される。
【００６０】
昇圧（V_batt＞V_kiden）の場合：ofst＝V_batt／ V_kiden−１
降圧（V_batt≦V_kiden）の場合：ofst＝−V_kiden／ V_batt＋１
また、制御器３は、既述のように予め設定されたき電電圧設定値（ここでは放電電圧設定値）V_kiden_setを記憶している。一方、監視器４は、電流設定値（ここでは放電電流設定値）I_setを算出して、これを制御器３に出力する。
【００６１】
図９を参照すると、電圧制御ブロック１１の減算器１２において、き電電圧設定値V_kiden_setから、き電電圧V_kidenが減算されて電圧誤差v_kiden_errが算出される。ブロック１３においてこの電圧誤差v_kiden_errに対しＰＩ制御（ゲイン補償＋位相遅れ補償）が行われて電流指令値i_cmdが生成される。このＰＩ制御は、放電電流設定値I_setに応じてその程度が調整される。電圧制御ブロック１４の減算器１５において、この電流指令値i_cmdから、電流センサＣＴ２からフィードバックされた電池電流I_battが減算されて電流誤差i_errが算出される。ブロック１６においてこの電流誤差i_errに対しＰＩ制御（ゲイン補償＋位相遅れ補償）が行われて電圧指令値v_cmdが生成される。この電圧指令値v_cmdは選択回路２４に入力され、昇降圧モードにおける電圧指令値v_cmdとして用いられる。一方、選択回路２４には、別途、その値が「０」である直結モードにおける電圧指令値v_cmdが入力されかつ電圧センサＰＴ２から電池電圧V_battが入力されている。選択回路２４は、電池電圧V_battを監視して、直結モードであるか昇降圧モードであるかを判定する。そして、昇降圧モードであると判定すると、ブロック１６から入力される電圧指令値v_cmdを出力し、直結圧モードであると判定すると、別途入力されるその値が「０」である電圧指令値v_cmdを出力する。リミッタ１７において、この電圧指令値v_cmdが−１から＋１までの範囲に制限される。加減算器１８とリミッタ１９とはＰＷＭ信号生成器を構成しており、加減算器１８において、この電圧指令値v_cmdに対し、１が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、き電側アーム変調指令値pu0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは放電開始時のみ入力される。リミッタ１９において、このき電側アーム変調指令値pu0_cmdが０から＋１の範囲に制限されてき電側アームの変調率Ｍ１が生成される。ＰＷＭレジスタ２０において、このき電側アームの変調率Ｍ１に基づいてき電上側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ１とき電下側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ３とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ１のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２に出力される。
【００６２】
一方、加減算器２１において、上述の電圧指令値v_cmdが反転されて入力され、この反転された電圧指令値v_cmdに対し、１が加算されるとともにオフセットofstが減算されて、電池側アーム変調指令値pw0_cmdが生成される。なお、オフセットofstは放電開始時のみ入力される。リミッタ２２において、この電池側アーム変調指令値pw0_cmdが０から＋１の範囲に制限されて電池側アームの変調率Ｍ２が生成される。ＰＷＭレジスタ２３において、この電池側アームの変調率Ｍ２に基づいて電池上側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ３と電池下側アーム用のＰＷＭ信号ＰＷＭ４とが生成され、それぞれ、双方向昇降圧チョッパ１のスイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４に出力される。
【００６３】
以上の制御によれば、昇降圧モード（アシスト放電を含む）の場合には、指令値であるき電電圧設定値V_kiden_setに対するき電池電圧V_kiden_battの偏差と指令値である放電電流設定値I_setに対する電池電流I_battの偏差に応じて双方向昇降圧チョッパ１の変調率が変化させられる。これにより、き電電圧V_kiden_battが放電電圧設定値V_setに近づき、かつ電池電流I_battが放電電流設定値I_setに近づくようフィードバック制御される。かくして昇降圧モード（アシスト放電を含む）における放電制御が遂行される。
【００６４】
そして、上述の場合、オフセットofstはき電電圧V_kidenと電池電圧V_battとの電圧平衡点に対応する変調率を表しているので、放電電流がゼロの状態から放電電流の制御を開始することができる。
【００６５】
一方、直結モードの場合には、選択回路２４は、その値が「０」である電圧指令値v_cmdを出力するので、この「０」が加減算器１８及び加減算器２１に入力される。また、直結モードの場合には、オフセットofstは０となる。従って、加減算器１８及び加減算器２１からは共に１が出力され、それによりリミッタ１９及びリミッタ２２から、それぞれ、その値が「１」である、き電側アームの変調率Ｍ１及び電池側アームの変調率Ｍ２が出力される。かくして、き電側アームの変調率Ｍ１と電池側アームの変調率Ｍ２とが共に１となるようにして放電制御が行われる。
【００６６】
＜直結モード＞
この直結モードについて、図１及び図２を参照しながら説明を追加する。本実施の形態では、架線電圧（き電電圧）が６００Ｖであるのに対し、電池５が、６００Ｖの定格出力電圧を有する蓄電池で構成されている。そこで、鉄道車両が非電化区間を走行するとき、電池電圧V_battが所定のしきい値以内にある場合には、双方向昇降圧チョッパ１が、直結モードで放電するよう制御される。具体的には上述の通り、双方向昇降圧チョッパ１のき電アームの変調率Ｍ１及び電池側アームの変調率Ｍ２が共に１に制御される。このようにすると、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３が共に常時オンとなり、スイッチング素子ＳＷ２及びスイッチング素子ＳＷ４が共にオフとなり、双方向昇降圧チョッパ１の電池側とき電側とが直接接続される。従って、電池５の電圧がそのままＶＶＶＦインバータ３１に印加され、それによりモータＭが駆動される。このため、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の損失は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３の導通損失のみとなり、スイッチング損失をゼロにすることができ、ひいては高効率な電力変換を実現することができる。
［充放電マネージメント］
次に、本実施の形態の充放電制御装置による充放電マネージメントを説明する。
【００６７】
図１０は図１の充放電制御装置による充放電マネージメントにおけるき電電圧の変化に対する電池電流の制御方法を示すグラフである。図１１は図１の制御器３の制御プログラムの内容を示すフローチャートである。なお、この制御プログラムは制御器３の内部メモリに格納されている。
【００６８】
まず、充放電マネージメントの概要を説明する。図１０において横軸はき電電圧V_kidenを表し、縦軸は電池電流I_battを表す。図１０に示すように、電池電流I_battが正の場合は充電を意味し、電池電流I_battが負の場合は放電を意味する。また、き電電圧V_kidenが定格き電電圧を越える場合は回生制動が生じている場合（回生時）を意味し、き電電圧V_kidenが定格き電電圧以下の場合は力行状態である場合（力行時）を意味する。本実施の形態では、制御器３は、き電電圧V_kidenが、定格き電電圧を中心とする下限しきい値から上限しきい値に渡る範囲内にあるときは、定電流定電圧充電を行うよう双方向昇降圧チョッパ１を制御する。上限しきい値は、回生しぼり込み電圧（プロパルジョン（ここではＶＶＶＦインバータ３１）の性能保証電圧の上限値）に設定され、下限しきい値はプロパルジョンの性能保証電圧の下限値に設定される。
【００６９】
そして、き電電圧が上限しきい値を越えると、制御器３は、回生充電を行うよう双方向昇降圧チョッパ１を制御する。具体的には、制御器３は、き電電圧V_kidenが上昇して、上限しきい値を越えると、電池５への回生エルギー充電を開始してき電電圧V_kidenの上昇を抑制する。この場合、制御器３は、回生エネルギーをできる限り電池５に充電するため、回生電力が架線に流出しないように電池電流I_battを制御する。このように、パンタ電流I_panをゼロにすることにより回生電流を全て電池５に蓄電することができる。
【００７０】
また、力行時に架線電圧の低下、又はパンタグラフ６の離線によりき電電圧V_kidenが下限しきい値を下回ると、制御器３は、アシスト放電を行うよう双方向昇降圧チョッパ１を制御する。具体的には、制御器３は、き電電圧V_kidenが下限しきい値を下回ると、電池５から放電を開始してき電電圧V_kidenを維持する。この際、電池５のＳＯＣに応じて放電量（電池電流I_batt）をコントロールする。
【００７１】
次に、制御器３による充放電マネージメントの全体を、図１１を用いて説明する。
【００７２】
図１、図２、図１１を参照すると、制御器３は、まず、パンタ昇降センサ３３からパンタ昇降情報を取得する（ステップＳ１）。
【００７３】
次いで、制御器３は、図示されない車両制御伝送装置から走行区間情報を取得する（ステップＳ２）。
【００７４】
次いで、制御器３は、電池情報として、電圧センサＰＴ２から電池電圧V_battを取得するとともに監視器４からＳＯＣを取得する（ステップＳ３）。
【００７５】
次いで、制御器３は、電圧センサＰＴ１からき電電圧V_kidenを取得する（ステップＳ４）。
【００７６】
次いで、制御器３は、パンタグラフ昇降情報に基づいて鉄道車両がパンタグラフを上げているか否かを判定する（ステップＳ５）。
【００７７】
パンタグラフを上げている場合には、電化区間であると判定して、ＳＯＣが所定の上限値以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００７８】
ＳＯＣが所定の上限値以下である場合には、定電流定電圧充電を行い（ステップＳ７）、その後、ステップＳ８に進む。
【００７９】
一方、ＳＯＣが所定の上限値を越える場合には、制御器３は、充電を行わず、ステップＳ８に進む。
【００８０】
ステップＳ８において、制御器３は、き電電圧V_kidenが下限しきい値以下となるか否か判定する（ステップＳ８）。
【００８１】
き電電圧V_kidenが下限しきい値を越える場合は、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越えるか否か判定する（ステップＳ９）。そして、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越えない場合にはステップＳ１に戻る。
【００８２】
一方、き電電圧V_kidenが上限しきい値を越える場合には、回生充電を行い（ステップＳ１３）ステップＳ１に戻る。
【００８３】
一方、ステップＳ８において、き電電圧V_kidenが下限しきい値以下であると、アシスト放電を行う（ステップＳ１４）。その後、ステップ１に戻る。
【００８４】
また、ステップＳ５において、鉄道車両がパンタグラフを上げていない場合には、制御器３は、非電化区間であると判定して、電池電圧V_battがしきい値以内であるか否か判定する（ステップＳ１０）。
【００８５】
そして、電池電圧V_battがしきい値以内である場合には、ステップＳ１１において直結モードの放電により鉄道車両が駆動され、その後、ステップＳ９に進む。一方、電池電圧V_battがしきい値以内でない場合には、ステップＳ１２において昇降圧モードの放電により鉄道車両が駆動され、その後、ステップＳ９に進む。
【００８６】
以上の制御プログラムによれば、鉄道車両が電化区間を走行している場合には、ステップＳ５において、パンタグラフ６を上げていると判定されて、ステップＳ６以降に進み、ＳＯＣが所定の上限値以下であってき電電圧V_kidenが上限しきい値以下で下限しきい値を超える場合には定電流定電圧充電が行われ（ステップＳ７）、ＳＯＣが所定の上限値以下であってき電電圧V_kidenが上限しきい値を越える場合には回生充電が行われ（ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１３）、かつＳＯＣが所定の上限値を越えていてき電電圧V_kidenが下限しきい値以下である場合にはアシスト放電が行われる（ステップＳ８、Ｓ１４）。そして、鉄道車両が非電化区間を走行している場合には、ステップＳ５において、パンタグラフ６を上げていないと判定されて、ステップＳ１０に進み、電池電圧V_battがしきい値以内である場合には直結モードの放電により鉄道車両が駆動され（ステップＳ１１）、電池電圧V_battがしきい値以内でない場合には昇降圧モードの放電により鉄道車両が駆動される（ステップＳ１２）。
【００８７】
以上の充放電マネージメントによれば、充放電制御装置は、スイッチング損失が発生しないかもしくは低減された状態で、充放電を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の充放電制御装置は、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御装置として有用である。
【００８９】
本発明の充放電制御方法は、スイッチング損失を低減することが可能な充放電制御方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態に係る充放電制御装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１の充放電制御装置を構成する双方向昇降圧チョッパの構成を示す回路図である。
【図３】昇圧モードにおいて充電電流を所定値に維持する場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。
【図４】昇圧モードにおいて充電電流を所定値から増加させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。
【図５】昇圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。
【図６】降圧モードにおいて充電電流を所定値から減少させる場合におけるＰＷＭ信号の生成方法を示す図であって、（ａ）はキャリア信号及び変調信号の波形を示す波形図、（ｂ）はき電側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図、（ｃ）は電池側上アームのＰＷＭ信号の波形を示す波形図である。
【図７】リアクトル電流ＩＬの変化に対する変調率Ｍ１及びＭ２の変化を示すグラフである。
【図８】定電流定電圧充電制御を行う場合のブロック図である。
【図９】放電制御を行う場合のブロック図である。
【図１０】図１の充放電制御装置による充放電マネージメントにおけるき電電圧の変化に対する電池電流の制御方法を示すグラフである。
【図１１】図１の制御器３の制御プログラムの内容を示すフローチャートである。
【図１２】従来の双方向昇降圧チョッパの構成を示す図であって、（ａ）は回路図、（ｂ）はスイッチング素子の制御信号を示す波形図である。
【符号の説明】
【００９１】
１  双方向昇降圧チョッパ
２  制御ユニット
３  制御器
４  監視器
５  蓄電池（電池）
６  パンタグラフ
７  車輪
１１  電圧制御ブロック
１２，１５  減算器
１３，１６，１７，１９，２２  ブロック
１４  電流制御ブロック
１８，２１  加減算器
２０  き電側ＰＷＭレジスタ
２３  電池側ＰＷＭレジスタ
２４  選択回路
３０Ａ，３０Ｂ  受電線
３１  ＶＶＶＦインバータ
３２Ａ，３２Ｂ  電気配線
３３  パンタ昇降センサ
３４  パンタグラフ昇降情報
１００  充放電制御装置
Ｃ１Ｃ２，Ｃ１１  コンデンサ
ＣＴ１〜ＣＴ３  電流センサ
ＤＣＬ，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３  リアクトル
ＰＴ１，ＰＴ２  電圧センサ
ＰＷＭ１〜ＰＷＭ４  ＰＷＭ信号
ＳＷ１〜ＳＷ４  スイッチング素子
ＳＷ１１，ＳＷ１２  スイッチ
ＴＭ１，ＴＭ２  き電側端子
ＴＭ３，ＴＭ４  電池側端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１１】
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【図１２】
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