(57)【要約】【課題】  車両用駆動制御装置に付加する蓄電装置の充放電電流を制御するスイッチンング素子のスイッチング損失を低減化し、冷却器の小型化を図ること。【解決手段】  力行時、インバータ５は、蓄電装置２あるいは直流電源８と蓄電装置２から受電しモータ６を駆動する。回生時は回生電力を蓄電装置２あるいは直流電源８と蓄電装置２へ回生する。また、停車、惰行時は、直流電源８で蓄電装置２を充電したり、蓄電装置２から直流電源８へ放電させる。蓄電装置２の充放電電流は、スイッチング素子１１，１２をスイッチングすることにより制御される。スイッチング素子１１，１２は、蓄電装置の充放電時の電流が、ある設定した電流よりも大きいとき、高いスイッチング周波数で動作し、電流が小さいときには、低いスイッチング周波数で動作する。また、蓄電装置２のみで力行・回生動作をする場合、スイッチング素子１１，１２のオン・オフの状態を固定する。【選択図】          図１
2005278269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源を入力とし、直流を交流に変換するインバータと、
前記インバータにより駆動されるモータ負荷と、
前記インバータの入力に対して並列に接続された直流入力電圧の瞬時リプルを抑制する平滑コンデンサと、
前記直流電源の電流を平滑化する第１の平滑リアクトルと、
前記直流電源と上記第１の平滑リアクトル間に設けられたスイッチと、
前記平滑コンデンサと並列に接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路と、
上記第１と第２のスイッチング素子の接続点に、第２のリアクトルを介して接続された蓄電装置と、
上記第１及び第２のスイッチング素子を制御する制御手段を備えた車両用駆動装置であって、
上記制御手段は、第１及び第２のスイッチング素子をスイッチング制御して、上記蓄電装置の充放電電流を制御し、
上記蓄電装置の充放電電流が，あらかじめ設定した電流値よりも大きいとき、第１及び第２のスイッチング素子を第１のスイッチング周波数でスイッチング制御し、
蓄電装置の充放電電流が設定した電流値よりも小さいとき、第１及び第２のスイッチング素子を上記第１の周波数より低い第２のスイッチング周波数でスイッチング制御する
ことを特徴とする車両用駆動制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記直流電源と上記第１の平滑リアクトル間に設けられたスイッチが開かれ、蓄電装置のみで力行・回生動作をする際、第１のスイッチング素子をオン、第２のスイッチング素子をオフに固定する
ことを特徴とする請求項１の記載の車両用駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄道車両用の駆動制御装置に関し、特に、蓄電装置を備えた鉄道車両用の駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気車に二次電池、コンデンサなどの電力貯蔵装置を搭載し、モータの駆動電力の供給、回生電力の吸収を行い、き電線、架線の電圧の安定化、損失の低減化等を図った電気車の駆動システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図４は上記蓄電装置等の電力貯蔵装置を備えた電気車の駆動システムの構成を示す図である。
同図に示すように、架線１０１に対して、モータ１０５を駆動するインバータ１０２と、ＤＣ／ＤＣ変換器１０３が並列に接続され、ＤＣ／ＤＣ変換器１０３には、蓄電装置（電力貯蔵装置）１０４が接続されている。
ＤＣ／ＤＣ変換器１０３は、リアクトルＬ１，Ｌ２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と、コンデンサＣ１と、逆流防止スイッチＳＷ３から構成される。上記スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、制御装置１０６により制御され、架線電圧が蓄電装置１０４の電圧より高い条件の元で、ＤＣ／ＤＣ変換器１０３のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン時間とオフ時間の比率を制御することにより蓄電装置１０５の充放電電流を制御することができる。
【０００３】
電気車が力行しているときは、蓄電装置１０４からインバータ１０２にエネルギーを供給し、回生時には、逆にインバータ１０２から蓄電装置１０４にエネルギーを供給する。  また、力行時にインバータ１０２が必要とする電流に対して蓄電装置１０４からの電流だけでは不足する場合には、不足分を架線１０１から供給し、回生時にインバータ１０２が発生した回生電流を蓄電装置だけでは吸収できない場合には、その余剰分を架線１０１に回生する。さらに、惰行、停車時には、上記架線１０１からＤＣ／ＤＣ変換器１０３を介して、蓄電装置１０４を充電する。
上記構成によれば、十分な容量の蓄電装置を用いることで、架線１０１に流れる電流を大幅に小さくすることができ、また、架線電圧が定格電圧から大きく変動するのを防止することができる。さらに、架線の損失を小さくすることができ、き電線、変電所などの設備費の低減化を図っることができる。
【特許文献１】特開２００３−１８７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のような蓄電装置を備えた電気車の駆動システムにおいては、力行、惰行、回生、停車の何れにおいてもスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が動作するため、定常的にスイッチング損失が発生する。このため、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２等を冷却するための冷却器が大型化するという欠点があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、上記スイッチング損失を低減化しつつ、蓄電装置の能力を最大限利用することで、冷却器の小型化、蓄電装置の小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するため、蓄電装置の充電、放電時の電流量が、ある設定した電流よりも大きいときには、蓄電装置の充放電電流を制御するスイッチング素子を、より高いスイッチング周波数で動作させ、小さいときにはより低いスイッチング周波数で動作させるように制御する。
また、インバータ、蓄電装置等からなる回路を架線から切り離し、蓄電装置のみで力行・回生動作をする場合には、蓄電装置とインバータ間に接続されたスイッチング素子をオン、蓄電装置と接地間に接続されたスイッチング素子をオフに固定し、インバータによって蓄電装置２の充放電電流を制御する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）蓄電装置へ流れる電流によって蓄電装置の充放電電流を制御するスイッチング素子のスイッチング周波数を可変とし、電流が大きいとき、スイッチング周波数を上げるようにしたので、リップルを小さくすることができ、ピーク電流を抑えることができる。また、電流が小さいときにはスイッチング周波数を下げることにより、スイッチング損を小さくすることができる。
このため、スイッチング素子による発熱量を小さくすることができ、冷却器を小型化することが可能となる。
（２）さらに蓄電装置のみから充放電を行なう場合、一方のスイッチング素子をオン、他方のスイッチング素子をオフに固定することで、スイッチング損を無視できる程度まで小さくすることができ、冷却器を一層、小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の実施例の鉄道車両用の駆動制御装置の回路構成を示す図である。
図１において、直流電源８から供給される直流入力電圧は、架線１０、主スイッチ３、第１の平滑リアクトル４を介して、上記直流入力電圧の瞬時リプルを抑制する平滑コンデンサ７に供給される。平滑コンデンサ７の両端にはインバータ５が接続され、インバータ５によりモータ６が駆動される。
また、上記平滑コンデンサ７と並列に第１のスイッチング素子１１、第２のスイッチング素子１２の直列回路が接続され、上記第１と第２のスイッチング素子の接続点には、第２のリアクトル１を介して、二次電池、大容量コンデンサ等の蓄電装置２が接続されている。また、蓄電装置２の充放電電流を検出する電流検出器１３、およびインバータ５に流れる負荷／回生電流ＩＬを検出する電流検出器１４が設けられ、これらの検出器の出力は、充放電電流制御部２０に与えられる。
なお、上記平滑リアクトル３、スイッチング素子１１，１２、平滑コンデンサ７、インバータ５、リアクトル１、蓄電装置２から構成される回路を以下では主回路という。
【０００８】
同図において、力行時、インバータ５は、直流電源８から、或いは蓄電装置２から、或いは直流電源８と蓄電装置２から受電する。回生時はインバータ５からの回生電力を直流電源８へ、或いは蓄電装置２へ、或いは直流電源８と蓄電装置２へ回生する。
停車時、或いは惰行時は、蓄電装置２の充電深度により、直流電源８から蓄電装置２へ充電させる場合と、蓄電装置２から直流電源８へ放電させる場合がある。
蓄電装置２からいずれかの装置へ、或いは、いずれかの装置から蓄電装置２へ送電されるとき、充放電電流制御部２０によりスイッチング素子１１，１２がスイッチング制御され、蓄電装置２の充放電電流が制御される。
【０００９】
蓄電装置２の放電量を制御する際には、スイッチング素子１１をオフ、スイッチング素子１２をオンにして、蓄電装置２から第２のリアクトル１を介してスイッチング素子１２に電流を流し、その後、スイッチング素子１１をオン、スイッチング素子１２をオフにする。これにより、蓄電装置２から第２のリアクトル１を介してスイッチング素子１２に流れていた電流は、蓄電装置２から、第２のリアクトル１、スイッチング素子１２を介してインバータ５に流れる。
したがって、上記スイッチング素子１１，１２のオン／オフを繰り返すことにより、蓄電装置２からの放電電流をインバータ５に供給することができる。また、上記第１のスイッチング素子１１と第２のスイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比を制御することにより、蓄電装置２からの放電電流を制御することができる。
【００１０】
また、蓄電装置２への充電量を制御する際には、スイッチング素子１１をオン、スイッチング素子１２をオフにして、直流電源８あるいはインバータ５（回生時）からスイッチング素子１１、第２のリアクトル１を介して蓄電装置２へ電流を流し、その後、スイッチング素子１１をオフ、スイッチング素子１２をオンにする。これにより、第２のリアクトル１を介して流れていた電流は、第２のリアクトル１、蓄電装置２、第２のスイッチング素子１２を介して流れ、蓄電装置２が充電される。
したがって、上記スイッチング素子１１，１２のオン／オフを繰り返すことにより、直流電源８あるいはインバータ５（回生時）から蓄電装置２へ充電電流を供給することができる。また、上記同様、上記第１のスイッチング素子１１と第２のスイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比を制御することにより、蓄電装置２への充電電流を制御することができる。
【００１１】
充放電電流制御部２０には、蓄電装置２の充放電電流ＩＳに加え、力行、惰行／停車、回生の走行モード、蓄電装置の充電深度等が入力され、充放電電流制御部２０は、これらの信号に基づき以下のように上記スイッチング素子１１，１２を制御する。
図２は、力行時、惰行／停車時、回生時における上記充放電電流制御部２０によるスイッチング素子１１，１２の制御を説明する図である。
力行時、前記したように、インバータ５は、直流電源８及び蓄電装置２のいずれか、又は両方から電力の供給を受けてモータ６を駆動する。
直流電源８と蓄電装置２の双方から電力を供給する場合、主スイッチ３を閉じ、充放電電流制御部２０による第１および第２のスイッチング素子１１，１２の上記オン／オフの繰り返し周波数（スイッチング周波数という）を高く設定する。これにより蓄電装置２からの電流のリップルが小さくなり、ピーク電流を抑えることができる。また、ピーク電流を抑えることができるので、スイッチング周波数が低くいとき（リプルが大）、大きな電流を蓄電装置２から取り出すことができる。
また、蓄電装置２のみから電力を供給する場合は、主スイッチ３を開き、直流電源８を主回路から切り離す。同時にスイッチング素子１１をオンにし、スイッチング素子１２をオフに固定する。なお、この場合、蓄電装置２からの放電電流は、インバータ５によって制御されることとなる。
インバータ５の直流入力電圧は蓄電装置２の電圧となるから、リップルは一切発生しない。さらに、スイッチング素子１１，１２においてスイッチング損失は発生しない。
【００１２】
充分に力行した後、惰行するが、このとき、蓄電装置２の充電深度が設定した値より小さい場合、主スイッチ３を閉じ、直流電源８から蓄電装置２へ小電流で徐々に充電する。また、蓄電装置２の充電深度が設定した値より大きい場合、主スイッチ３を閉じ、蓄電装置２から直流電源８へと小電流で徐々に放電させる。
このとき、充放電電流制御部２０は、スイッチング素子１１，１２をスイッチング制御するが、スイッチング素子１１，１２におけるスイッチング周波数を低く抑える。これにより、スイッチング素子１１，１２のスイッチング損を小さく抑えることができる。
回生時、インバータ５から、直流電源８及び蓄電装置２のいずれか、又は両方へ電力の回生を行なう。
直流電源８と蓄電装置２の双方へ回生する場合は、主スイッチ３を閉じ、充放電電流制御部２０によるスイッチング素子１１，１２の周波数を高く設定する。これによりリップルが小さくなり、ピーク電流を抑えることができる。このため、スイッチング周波数が低いとき（リップル大）よりも大きな電力を回生することが可能となる。
蓄電装置２にだけ回生する場合、主スイッチ３を開き、直流電源８を主回路から切り離す。同時にスイッチング素子１１をオンにし、スイッチング素子１２をオフに固定する。よって、スイッチング素子１１，１２においてスイッチング損失は発生しない。
【００１３】
停車時、蓄電装置２の充電深度が設定した値より小さい場合、主スイッチ３を閉じ、直流電源８から蓄電装置２へ充電する。このとき、充放電電流制御部２０は、スイッチング素子１１，１２をスイッチング制御するが、スイッチング素子１１，１２におけるスイッチング周波数を低く抑える。これにより、スイッチング素子１１，１２のスイッチング損を小さく抑えることができる。
また、蓄電装置２の充電深度が設定した値より大きい場合、主スイッチ３を閉じ、蓄電装置２から直流電源８へと小電流で徐々に放電する。このとき、充放電電流制御部２０は、スイッチング素子１１，１２をスイッチング制御するが、充放電電流制御部２０によるスイッチング素子１１，１２のスイッチング周波数を低く抑える。これにより、スイッチング素子１１，１２のスイッチング損を小さく抑えることができる。
【００１４】
図３は、上記充放電電流制御部２０の構成例を示す図である。
同図において、２１ａ，２１ｂは駆動回路であり、駆動回路２１ａ，２１ｂがハイレベルの信号を出力すると、前記スイッチング素子１１，１２はオンになる。
２２はＰＷＭ信号発生回路であり、ＰＷＭ信号発生回路２２の出力は、第１の切換え手段２３を介して上記駆動回路２１ａ，２１ｂに接続されており、第１の切換え手段２３がＡ側に切換えられているとき、ＰＷＭ信号発生回路２２の出力が駆動回路２１ａ，２１ｂに与えられる。
また、第１の切換え手段２３がＢ側に切換えられているとき、駆動回路２１ａ，２１ｂには、それぞれ、＋Ｖ，０が与えられる。
したがって、第１の切換え手段２３がＢ側に切換えられると、駆動回路２１ａからハイレベルの信号が、駆動回路２１ｂからローレベルの信号が出力され、スイッチング素子１１はオン、スイッチング素子１２はオフとなる。
【００１５】
ＰＷＭ信号発生回路２２には、第２の切換手段２４を介して発振器２５ａ，２５ｂが接続されている。発振器２５ａ，２５ｂは、周波数が異なる三角波信号を出力し、発振器２５ａの出力信号の周波数ｆ１は、発振器２５ｂの出力信号の周波数ｆ２より高い（ｆ１＞ｆ２）。なお、周波数ｆ１は、この周波数で前記スイッチング素子１１，１２を駆動したとき、前記主回路に流れる電流リプルがほとんど問題とならないように周波数に設定される。
上記第２の切換え手段２４がＡ側に切り換わっているとき、発振器２５ａの出力がＰＷＭ信号発生回路２２に与えられ、Ｂ側に切り換わっているとき、発振器２５ｂの出力がＰＷＭ回路２２に与えられる。
ＰＷＭ信号発生回路２２にはコントローラ２６が出力するレベル信号が与えられ、ＰＷＭ信号発生回路２２は、上記発振器２５ａ，２５ｂが出力する三角波信号と上記コントローラ２６が出力するレベル信号を比較し、スイッチング素子１１，１２をＰＷＭ制御するためのオン／オフ信号を出力する。
また、コントローラ２６は、充放電電流設定値と蓄電装置２の充放電電流ＩＳとの偏差信号に応じてＰＷＭ信号発生回路２２に出力するレベル信号を変化させ、上記充放電電流ＩＳが充放電電流設定値に等しくなるように制御する。
【００１６】
制御モード切換え部２７には、力行、惰行／停車、回生の走行モード、蓄電装置の充電深度、蓄電装置２の充放電電流ＩＳ、負荷／回生電流ＩＬが入力され、制御モード切換え部２７は、これらの信号に基づき、前記図２に示した条件を判断し、主スイッチ３の開閉信号を出力するとともに、第１及び第２の切換え手段２３，２４を切り換える。また、蓄電装置２の放電時と充電時で、前記したようにスイッチング素子１１，１２の切換えタイミングは放電モード、充電モードに切り換えられる。
すなわち、以下のように主スイッチ３を開閉するとともに、前記切換え手段ＳＷ１，ＳＷ２を切り換える。
【００１７】
（１）力行時
負荷電流ＩＬが蓄電装置の放電電流の上限値を超えている場合、主スイッチ３を閉じ、第１の切換え手段２３、第２の切換え手段２４をＡ側に切り換える。また、前記コントローラ２６に与えられる充放電信号設定値は、蓄電装置２から供給可能な最大の放電電流値に設定され、スイッチング素子１１，１２の切換えタイミングは放電モードになる。
これにより、発振器２５ａの出力がＰＷＭ信号発生回路２２に与えられ、ＰＷＭ信号発生回路２２は高い周波数のスイッチング信号を発生し、スイッチング素子１１，１２は、高い周波数でスイッチング制御される。また、インバータ５は、直流電源８及び蓄電装置２の両方から電力の供給を受け、モータ５が駆動される。
また、負荷電流ＩＬが蓄電装置の放電電流の上限値以下の場合、主スイッチ３を開き、第１の切換え手段２３をＢ側に切り換える。
これにより、直流電源８は主回路から切り離される。またスイッチング素子１１はオン、スイッチング素子１２をオフに固定され、蓄電装置２からの放電電流がインバータ５に供給される。
【００１８】
（２）惰行／停車時
蓄電装置２の充電深度が低い場合、主スイッチ３を閉じ、第１の切換え手段２３をＡ側、第２の切換え手段２４をＢ側に切り換える。また、前記充放電信号設定値は、蓄電装置２を充電する際の比較的小さな充電電流設定値に設定され、スイッチング素子１１，１２の切換えタイミングは充電モードとなる。
これにより、発振器２５ｂの出力がＰＷＭ信号発生回路２２に与えられ、ＰＷＭ信号発生回路２２は低い周波数のスイッチング信号を発生し、スイッチング素子１１，１２は、低い周波数でスイッチングする。また、蓄電装置２は直流電源８により充電される。
また、蓄電装置２の充電深度が高い場合、主スイッチ３を閉じ、第１の切換え手段２３をＡ側、第２の切換え手段２４をＢ側に切り換える。また、前記充放電信号設定値は、蓄電装置２を放電させる際の比較的小さな放電電流設定値に設定され、スイッチング素子１１，１２の切換えタイミングは放電モードとなる。
これにより、発振器２５ｂの出力がＰＷＭ信号発生回路２２に与えられ、ＰＷＭ信号発生回路２２は低い周波数のスイッチング信号を発生し、スイッチング素子１１，１２は、低い周波数でスイッチングする。また、蓄電装置２の充電エネルギーは直流電源８へ放電される。
【００１９】
（３）回生時
インバータ５からの回生電流ＩＬが蓄電装置の充電電流の上限値を超えている場合、主スイッチ３を閉じ、第１の切換え手段２３、第２の切換え手段２４をＡ側に切り換える。また、前記コントローラ２６に与えられる充放電信号設定値は、蓄電装置２に供給可能な最大の充電電流値に設定され、スイッチング素子１１，１２の切換えタイミングは充電モードとなる。
これにより、発振器２５ａの出力がＰＷＭ信号発生回路２２に与えられ、ＰＷＭ信号発生回路２２は高い周波数のスイッチング信号を発生し、スイッチング素子１１，１２は、高い周波数でスイッチング制御される。また、インバータ５からの回生電流は、直流電源８及び蓄電装置２の両方に供給される。
また、回生電流ＩＬが蓄電装置２の充電電流の上限値以下の場合、主スイッチ３を開き、第１の切換え手段２３をＢ側に切り換える。
これにより、直流電源８は主回路から切り離される。またスイッチング素子１１はオン、スイッチング素子１２をオフに固定され、インバータ５から回生電流は、蓄電装置２に供給される。
【００２０】
なお、上記実施例では、力行／回生時と惰行／停車時で、スイッチング素子１１，１２のスイッチング周波数を切り換える場合について説明したが、必ずしも、力行／回生時と惰行／停車時でスイッチング周波数を切り換える必要はなく、蓄電装置２の充放電電流値に応じて、上記スイッチング周波数を切り換えるようにしてもよい。また、上記実施例では、スイッチング周波数の切換えを２段階に切り換える場合について説明したが、スイッチング周波数を３段階以上切り換えたり、充放電電流に応じて連続的にスイッチング周波数を変更するようにしてもよい。
また、上記ではコントローラ２６を設け、充放電電流設定値と充放電電流ＩＳとの偏差により、スイッチング素子１１，１２を制御する場合について説明したが、上記コントローラ２６は必須のものではなく、その他の制御手段を設けてもよい。
さらに、上記実施例では、三角波信号と入力レベル信号を比較してＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路によりスイッチング素子１１，１２を制御する場合について説明したが、その他の手段によりスイッチング素子１１，１２のオン／オフを制御するようにしてもよい。また、上記充放電電流制御部をコンピュータで構成し、上記制御をソフトウェアにより実現することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は蓄電装置を備えた車両用駆動制御装置に関するものであり、スイッチング損失を低減しつつ、蓄電装置の能力を最大限利用することで、冷却器の小型化、及び蓄電装置の小型化に寄与する、蓄電装置を備えた車両用駆動制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例の車両用駆動制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例における力行時、惰行／停車時、回生時における制御を説明する図である。
【図３】充放電電流制御部の構成例を示す図である。
【図４】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
1   平滑リアクトル
2   蓄電装置
3   主スイッチ
4   平滑リアクトル
5   インバータ
6   モータ
7   平滑コンデンサ
8   直流電源
11  スイッチング素子
12  スイッチング素子
20  充放電電流制御部
【図１】
2005278269.tif 000003
【図２】
2005278269.tif 000004
【図３】
2005278269.tif 000005
【図４】
2005278269.tif 000006