(57)【要約】【課題】回生された電流を抵抗器を介して熱として排出するのではなく、バッテリ装置を充電する電流として使用し、しかもバッテリ装置を過充電から保護するバッテリ式機関車の過充電保護装置を提供する。【解決手段】バッテリ式機関車の過充電保護装置は、制御手段２が作動状態でスイッチング手段３をオンしたとき、スイッチング手段３を介して主バッテリ装置７から放電される電流及び駆動モータ１２より回生される電流、あるいは主バッテリ装置７から放電される電流を電磁エネルギーとして蓄えるとともに、制御手段２が作動状態でスイッチング手段３をオフしたとき、蓄えた電磁エネルギーを副バッテリ装置８に放出して当該副バッテリ装置８を充電する電流転流手段を備えたことを特徴としている。【選択図】　図１
2004112859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車を牽引して斜坑を下るバッテリ式機関車の駆動モータから動力源であるバッテリ装置に電力を回生して当該バッテリ装置を充電する場合に、当該回生電流による上記バッテリ装置への過充電を保護するバッテリ式機関車の過充電保護装置において、
主バッテリ装置と該主バッテリ装置に直列に接続された副バッテリ装置とよりなるバッテリ装置と、
上記主バッテリ装置を放電するスイッチング手段と、
上記副バッテリ装置の出力電圧及び上記副バッテリ装置への充電電流に基づいて上記スイッチング手段をオン、オフ制御する制御手段と、
上記制御手段を作動させるか否かを指令する起動手段と、
上記制御手段が作動状態で上記スイッチング手段をオンしたとき、該スイッチング手段を介して上記主バッテリ装置から放電される電流又は上記駆動モータより回生される電流を電磁エネルギーとして蓄えるとともに、上記制御手段が作動状態で上記スイッチング手段をオフしたとき、上記蓄えた電磁エネルギーを上記副バッテリ装置に放出して該副バッテリ装置を充電する電流転流手段と
を備えたことを特徴とするバッテリ式機関車の過充電保護装置。
【請求項２】
上記電流転流手段は、転流素子と線輪とよりなり、上記転流素子の一端と上記線輪の一端はともに、上記スイッチング手段の一端に接続され、該転流素子の他端が上記副バッテリ装置の一端に接続され、更に、上記線輪の他端が、上記副バッテリ装置の他端と上記主バッテリ装置の一端との接続点に接続されるとともに、上記スイッチング手段の他端が上記主バッテリ装置の他端に接続されている請求項１記載のバッテリ式機関車の過充電保護装置。
【請求項３】
上記起動手段は、上記主バッテリ装置の出力電圧が上記副バッテリ装置の出力電圧より大きいとき、上記スイッチング手段がオン、オフして上記主バッテリ装置から上記副バッテリ装置に充電をするよう運転指令を上記制御手段に出力するとともに、上記主バッテリ装置の出力電圧と上記副バッテリ装置の出力電圧が等しいときいか、あるいは該主バッテリ装置の出力電圧が該副バッテリ装置の出力電圧より小さいとき、上記制御手段の作動を停止させる停止指令を該制御手段に出力する請求項１または２記載のバッテリ式機関車の過充電保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリ装置の過充電保護装置に関し、特にバッテリ式機関車の過充電保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７のように、立坑１００にバッテリ装置の充電場所１０１があり、当該立坑１００から直ちに斜坑１０２へと、台車１０４を牽引するバッテリ式機関車１０３を使って機材を斜坑１０２の下り勾配の最先端部の切羽等に運搬するシステムが使用されている。
【０００３】
この場合、上記充電場所１０１でバッテリ装置を満充電にし、台車１０４を牽引するバッテリ式機関車１０３に当該バッテリ式機関車の動力源である当該満充電にしたバッテリ装置を搭載し、斜坑１０２の下り勾配を走行すると、やがてバッテリ式機関車１０３は下り勾配によりその位置ネルギーが運動エネルギーに変わる。この運動エネルギーがバッテリ式機関車１０３の駆動モータ１２を発電機として作用させ、当該駆動モータ１２からモータ駆動回路１１を介して電流が上記バッテリ装置に回生される。
【０００４】
例えば、誘導電動機の場合であると、誘導電動機の回転子が誘導電動機にかかる回転磁界と同方向に同期速度以上の速さで回転すると当該誘導電動機は誘導発電機として動作し、このときの誘導電動機からの出力の一部は当該誘導電動機の巻線中で熱として消費されるが、その出力の大半は動力源であるバッテリ装置に回生され、当該バッテリ装置が充電されることになる。
【０００５】
しかし、バッテリ式機関車１０３に搭載されているバッテリ装置は満充電のため、過充電となり、このまま放置しておくと過充電により当該バッテリ装置は不良となる。例えば、バッテリ液の水分が電気分解を起こし、バッテリ装置はダメージを受けることになる。
【０００６】
そこで、図８に示すような、過電圧（すなわち、過充電）を保護するような回路が使用されている。すなわち、バッテリ装置１０５が過電圧になれば、過電圧検出回路１０６がこれを検出してトランジスタ１０７をオンさせ、駆動モータ１２からモータ駆動回路１１を介して回生される電流を抵抗器１０８に流す。これによってバッテリ装置１０５は過電圧から保護されるよになっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２５２６０６号公報（第２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように回生電流を抵抗器１０８に流してバッテリ装置１０５を過充電から保護するという方法によれば、斜坑１０２の勾配や走行速度が大きくなるとこれに比例して、抵抗器１０８の消費電力（ワット数）も大きくなり、場合によってはモータの外形寸法（内部損失分）よりも大きくなるという問題があった。このことは発生するエネルギーを熱として無駄に排出することであり、これは省エネルギー化とは相反するものである。
【０００９】
また、バッテリ装置１０５をバッテリ式機関車１０３に搭載する前にバッテリ充電器で充電するときに、満充電にしないという運用方法も考えられるが、この場合、バッテリ装置１０５内部でバッテリ液が攪拌しないため、バッテリ装置１０５内部にバッテリ液内の活性物質が沈殿する等のバッテリ装置１０５の劣化が進行しやすくなるなどの問題がある。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情に基づいて提案されたものであって、回生された電力を抵抗器を介して熱として排出するのではなく、バッテリ装置を充電する電流として使用し、しかもバッテリ装置を過充電から保護するバッテリ式機関車の過充電保護装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、図１に示すように、台車を牽引して斜坑を下るバッテリ式機関車の駆動モータ１２から動力源であるバッテリ装置に電力を回生して当該バッテリ装置を充電する場合に、当該回生電流による上記バッテリ装置への過充電を保護するバッテリ式機関車の過充電保護装置を前提としており、以下の構成を特徴としている。
【００１２】
すなわち、バッテリ装置が主バッテリ装置７と当該主バッテリ装置７に直列に接続された副バッテリ装置８とよりなり、スイッチング手段３は主バッテリ装置７を放電する。また、制御手段２は副バッテリ装置８の出力電圧及び副バッテリ装置８への充電電流に基づいてスイッチング手段３をオン、オフ制御し、起動手段１は制御手段２を作動させるか否かを指令する。
【００１３】
更にまた、電流転流手段４は制御手段２が作動状態でスイッチング手段３をオンしたとき、スイッチング手段３を介して主バッテリ装置７から放電される電力又は駆動モータ１２より回生される電力を電磁エネルギーとして蓄えるとともに、制御手段２が作動状態でスイッチング手段３をオフしたとき、蓄えた電磁エネルギーを副バッテリ装置８に放出して副バッテリ装置８を充電する。
【００１４】
このような構成によれば、主バッテリ装置７が満充電の場合であっても、回生電力によって生じる回生電流は、主バッテリ装置７に流れ込むことはなく、副バッテリ装置８を充電する電流となるので、回生電力を熱として排出する抵抗器を必要としなくなり、尚その上、主バッテリ装置７は過充電から保護されることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に従って詳細に説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００１６】
まず、台車１０４を牽引してバッテリ式機関車１０３が斜坑１０２の下り勾配を下るとき、位置エネルギーが運動エネルギーに変わり、これによって駆動モータ１２に回生電力が発生する。当該回生電力によって回生電流が、モータ駆動回路１１を介して駆動モータ１２から動力源であるバッテリ方向に流れるのは従来と同じである。
【００１７】
図１は、本発明を適用したバッテリ式機関車の過充電保護装置の概略機能ブロック図であり、以下その構成を、主バッテリ装置７及び副バッテリ装置８に電流を回生する動作とともに説明する。
【００１８】
まず、動力源であるバッテリ装置は主バッテリ装置７及び副バッテリ装置８で構成されて、当該主バッテリ装置７と当該副バッテリ装置８は直列に接続されている。すなわち、当該主バッテリ装置７の他端は当該副バッテリ装置８の一端に接続され、更に、この主バッテリ装置７の一端はモータ駆動回路１１の端子Ｔ１に、また、この副バッテリ装置８の他端は上記駆動モータ回路１１の端子Ｔ２に接続されている。
【００１９】
また、立坑１００の充電場所１０１で、バッテリ式機関車１０３が搭載している主バッテリ装置７の充電率が１５％程度になると、充電率が１００％以上のバッテリ装置と交換し、副バッテリ装置８としては充電率が１５％程度のバッテリ装置を使用して、台車１０４を牽引したバッテリ式機関車１０３は斜坑１０２の下り勾配を下り始める。そして、下り勾配を下り始めると駆動モータ１２からモータ駆動回路１１を介して、主バッテリ装置７および副バッテリ装置８に電流が回生され、当該副バッテリ装置８の充電が開始されるのであるが、その動作は以下の通りである。
【００２０】
すなわち、後で詳しく説明する起動手段１の出力である充電動作信号５５が“Ｈ”（停止指令）のときに、後で詳しく説明する制御手段２の動作を停止させ、当該制御手段２の出力は“Ｌ”となり、スイッチング手段３をオフとする。尚、スイッチング手段３としてはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴなどを使用してもよい。このように、制御手段２の出力が“Ｌ”となりスイッチング手段３がオフとなると、上記回生電力によって生じる回生電流はモータ駆動回路１１の端子Ｔ１から主バッテリ装置７及び副バッテリ装置８を経てモータ駆動回路１１の端子Ｔ２に流れ、主バッテリ装置７及び当該主バッテリ装置７に直列に接続されている副バッテリ装置８を充電することになる。
【００２１】
一方、起動手段１の出力である充電動作信号５５が“Ｌ”（運転指令）のとき、起動手段１は制御手段２を作動させる。そして、当該制御手段２は、電圧検出手段１０が出力する充電電圧検出値及び電流検出手段９が出力する充電電流検出値に基づいて、その出力を交互に“Ｈ”、“Ｌ”とし、オン・オフ動作を行なう。
【００２２】
この制御手段２の出力が“Ｈ”のとき、スイッチング手段３をオンさせると、これに伴って、主バッテリ装置７は放電を行ない、このときの放電電力とモータ駆動回路１１を介して駆動モータ１２から回生される電力とが、スイッチング手段３を介して電流転流手段４の線輪５に電磁エネルギーとして蓄えられる。
【００２３】
上記充電動作信号５５が“Ｌ（運転指令）で、上記制御手段２の“Ｈ”に続いて、制御手段２の出力が“Ｌ”となって、上記スイッチング手段３がオフになると、上記線輪５に蓄えられた電磁エネルギーが電流転流手段４の転流素子６に転流され副バッテリ装置８が充電される。尚、この副バッテリ装置８への充電動作については後に詳しく説明する。また、転流素子６としてはファーストリカバリーダイオードなどがある。
【００２４】
一方、図２は上記起動手段１の概略機能ブロック図であり、図３は起動手段１の時間的な遷移図である。図２に示すように、比較器５０は主バッテリ装置７の電圧ＶＢ１と副バッテリ装置８の電圧ＶＢ２とを比較する。尚、主バッテリ装置７の電圧ＶＢ１及び副バッテリ装置８の電圧ＶＢ２は、バッテリ装置を構成するセルの１セル当たりの電圧であり、その定格電圧は２ボルトのものが一般的である。
【００２５】
また、起動手段２の外部回路である検査信号発生器５６の出力は、例えばシーケンスコントローラなどのプログラムにより周期的に発生されるもので、常時はその出力は“Ｈ”であり、例えば、３０分間の内、１分間のみ“Ｌ”になる信号である。この“Ｌ”の期間では、充電動作信号５５が“Ｈ”となり、主バッテリ装置７から副バッテリ装置８への充電は禁止される（図３、時間軸上の状態Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７）。
【００２６】
一方、この検査信号発生器５６の出力が“Ｈ”のときに、主バッテリ装置７の出力電圧ＶＢ１が副バッテリ装置８の出力電圧ＶＢ２より高いと、上記比較器５０の出力が“Ｌ”となる。当該出力がゲート５２に入力されて、ゲート５２の出力が“Ｈ”となり、更に、この“Ｈ”出力がゲート５４に入力されてゲート５４の出力が“Ｌ”となる。すなわち、充電動作信号５５が“Ｌ”となって、この充電動作信号５５は上記制御手段２を作動させる（図３、時間軸上のＳ１、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８）。このように制御手段２が作動することによって、スイッチング手段３がオン・オフ動作を行なう。そして、当該スイッチング手段３を介して主バッテリ装置７から副バッテリ装置８へ充電動作が行われる。
【００２７】
また、上記検査信号発生器５６の出力が所定期間後に“Ｈ”から“Ｌ”に切換わると、ゲート５４の出力が“Ｈ”となる。すなわち、充電動作信号５５が“Ｈ”となって、この充電動作信号５５は上記制御手段２の動作を停止させる（図３、時間軸上の状態Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７）。このように制御手段２の動作が停止すると、スイッチング手段３もオフとなり、主バッテリ装置７から副バッテリ装置８への充電動作は停止されることになる。
【００２８】
更にまた、上記検査信号発生器５６の出力が“Ｌ”のときに、副バッテリ装置８の出力電圧ＶＢ２が主バッテリ装置７の出力電圧ＶＢ１より高い場合か、あるいは等しい場合、上記比較器５０の出力が“Ｈ”となって、以後、検査信号発生器５６の出力が“Ｌ”から“Ｈ”となっても主バッテリ装置７から副バッテリ装置８への充電動作は停止される（図３、時間軸上の状態Ｓ４、Ｓ５）。
【００２９】
しかし、上記検査信号発生器５６の出力が所定期間後に“Ｈ”に戻って、もし主バッテリ装置７の出力電圧ＶＢ１が副バッテリ装置８の出力電圧ＶＢ２より高くなると、上記比較器５０の出力が“Ｌ”となって再び充電動作が行なわれる（図３、時間軸上の状態Ｓ６）。
【００３０】
このように、起動手段１の出力である充電動作信号５５が“Ｈ”、“Ｌ”と切換わることによって作動が制御される制御手段２は以下のように副バッテリ装置への充電電流の定電圧、定電流の制御を行なう。
【００３１】
図４は上記制御手段２の概略機能ブロック図である。図４に示すように、充電電圧設定器２０で設定される充電電圧設定信号と副バッテリ装置８の充電電圧を検出する電圧検出手段１０の出力である充電電圧検出信号とは加算器２１に入力されて、当該設定信号と当該検出信号との誤差が演算される。この加算器２１の出力が電圧誤差増幅器２２に入力されて、増幅される。そして、この増幅された電圧値は電流値に変換されて充電電流設定信号２３となる。この電流値は上記回生電力の回生時における最大電力程度となる電流値が望ましい。
【００３２】
更に、上記充電電流設定信号２３と副バッテリ装置８への充電電流を検出する電流検出手段９の出力である充電電流検出信号とは加算器２４に入力されて、当該設定信号２３と当該検出信号との誤差が演算される。この加算器２４の出力が電流誤差増幅器２５に入力され増幅されて、定電圧・定電流指令２６となってＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調器２７に入力される。
【００３３】
この定電圧・定電流指令２６に基づいて当該ＰＷＭ変調器２７はパルス幅のＯＮ／ＯＦＦ比を決めて、パルス幅変調されたパルス列をゲート回路２８に出力する。すなわち、例えば、充電電圧設定器２０で設定される充電電圧設定信号より上記充電電圧検出信号が小さければパルス幅を広くし、大きければパルス幅を狭くする。また、上記充電電流設定信号２３より上記充電電流検出信号が小さければパルス幅を広くし、大きければパルス幅を狭くする。
【００３４】
当該ゲート回路２８は、上記起動手段２の出力である充電動作信号５５が“Ｌ”のとき、上記パルス列に従ってオン、オフ動作を行ない、このゲート回路２８は絶縁アンプ２９を介して上記スイッチング手段３をオン、オフ制御する。
【００３５】
上記したように、スイッチング手段３がオン・オフ制御されると、主バッテリ装置７から副バッテリ装置８への充電動作が行なわれる。その状態を図５に示す。
【００３６】
図５（ａ）によれば、制御手段２が作動していて、スイッチング手段３がオンのとき、主バッテリ装置７は線輪５によって短絡され、線輪５の時定数の遅れをともなって主バッテリ装置７からの放電電流ＩＢ１が流れる。当該放電電流ＩＢ１は線輪５に電磁エネルギーとして蓄えられるのであるが、駆動モータ１２が回生状態にあるときは、この放電電流には、モータ駆動回路１１を介して駆動モータ１２からの回生電流ＩＧが加えられている。（モード１）。
【００３７】
続いて、制御手段２作動している状態で、上記パルス列のオン、オフに従ってスイッチング手段３がオフになると、図５（ｂ）に示すように、上記線輪５に蓄えられた電磁エネルギーは流転素子６に転流され、これによって生じる電流ＩＢ２は副バッテリ装置８を充電する（モード２）。上記制御手段２が作動しているとき、上記モード１及びモード２を繰り返して、主バッテリ装置７から副バッテリ装置８への充電が行なわれる。
【００３８】
上記制御手段２が作動しているときの上記パルス列の一回のオン、オフの期間は過渡現象的なものであり、例えば、数十マイクロセカンドと短いものである。従って制御手段２が作動しているモード１、及びモード２の過渡現象の期間では、モータ駆動回路１１を介して駆動モータ１２からの主バッテリ装置７への回生電流ＩＧの流入はない。このことを定常的に見ると以下のようになる。
【００３９】
すなわち、バッテリ式機関車の運用上で起こり得る最大回生時の電力をＰＧ（ＭＡＸ）とすると、モータ駆動回路１１の端子Ｔ１から端子Ｔ２へ流れる最大電流ＩＧ（ＭＡＸ）は
ＩＧ（ＭＡＸ）＝ＰＧ（ＭＡＸ）／（ＶＢＡＴ１＋ＶＢＡＴ２）
になる。
但し、ＶＢＡＴ１：主バッテリ装置の電圧
ＶＢＡＴ２：副バッテリ装置の電圧
また、線輪５より副バッテリ装置８に流れる電流、すなわち副バッテリ装置８への充電電流ＩＢ２は
ＩＢ２＝ＩＧ（ＭＡＸ）×（ＶＢＡＴ１＋ＶＢＡＴ２）／ＶＢＡＴ２
となり、
ＩＢ２＞ＩＧ　・・・・・・（１）
となる。従って、式（１）となるように、副バッテリ装置８への充電電流ＩＢ２を設定することによって制御手段２が作動しているとき、回生電流ＩＧは主バッテリ装置７へ流入することはない。
【００４０】
尚、図６に示すように、スイッチング手段３と転流素子との位置を、また、主バッテリ装置７と副バッテリ装置８との位置を入れ替えても、上記したのと同じように、副バッテリ装置８への充電は行われる。
【００４１】
上記したように、主バッテリ装置７が満充電の場合であっても、回生電力によって生じる回生電流は、主バッテリ装置７に流れ込むことはなく、副バッテリ装置８を充電する電流となるので、回生電力を熱として排出する抵抗器を必要としなくなり、従って、主バッテリ装置７は過充電から保護されることになる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば副バッテリ装置を使用して、回生電力を当該回生電力により発生した回生電流で副バッテリ装置を充電する電力として再利用する構成としているため、回生電力を熱として排出する抵抗器を必要としなくなり、充電装置の省スペース化、及び充電装置の軽量化などが達成できる。
【００４３】
また、回生電力を熱として排出せずに、副バッテリ装置を充電する電力として再利用する省エネルギー効果により、使用するバッテリ装置についてバッテリ交換のサイクルが長くなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるバッテリ式機関車の過充電保護装置の概略機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における起動手段の概略機能ブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態における起動手段の時間的な遷移図である。
【図４】本発明の実施の形態における制御手段の概略機能ブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態における充電動作を示す概略機能ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態における過電流保護装置の概略機能ブロック図である。
【図７】斜坑を下るバッテリ式機関車の概略図である。
【図８】従来の技術における過電圧保護装置の概略機能ブロック図である。
【符号の説明】
１　　　起動手段
２　　　制御手段
３　　　スイッチング手段
４　　　電流転流手段
５　　　線輪
６　　　転流素子
７　　　主バッテリ装置
８　　　副バッテリ装置
９　　　電流検出手段
１０　　電圧検出手段
１１　　モータ駆動回路
１２　　駆動モータ
２０　　充電電圧設定器
２１　　加算器
２２　　電圧誤差増幅器
２３　　充電電流設定信号
２４　　加算器
２５　　電流誤差増幅器
２６　　定電圧・定電流指令
２８　　ゲート回路
２９　　絶縁アンプ
５０　　比較器
５２　　ゲート
５４　　ゲート
５５　　充電動作信号
１００　立坑
１０１　充電場所
１０２　斜坑
１０３　バッテリ式機関車
１０４　台車
１０５　バッテリ装置
１０６　過電圧検出回路
１０７　トランジスタ
１０８　抵抗
【図１】
2004112859.tif 000003
【図２】
2004112859.tif 000004
【図３】
2004112859.tif 000005
【図４】
2004112859.tif 000006
【図５】
2004112859.tif 000007
【図６】
2004112859.tif 000008
【図７】
2004112859.tif 000009
【図８】
2004112859.tif 000010