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JP5840425B2 - 電気鉄道車両の充電システム - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は駅停車時の停車時間を活用し、地上設備から電力を補充しながら運転する電気鉄道車両の充電システムに関する。
従来において、鉄道車両の電気車は、電車線等から電力の供給を受けて運用していた。
一方、電車線等の無い区間でも電気車を運用する場合には、電車線とバッテリを組み合わせたハイブリッド車が開発されている。
このハイブリッド車は、電車線がある区間では電車線から電力の供給を受け、電車線の無い区間ではバッテリから電力の供給を受けて車両を運用するようになっている。
また、車両の制動時に発生する回生電力をバッテリに充電し、次の力行時や補機類への電力として活用する方法についても種々の提案がなされている。
従来技術としては、例えば、特開２００９−７２００３号公報（特許文献１）や特開２００１−３５２６０７号公報（特許文献２）が挙げられる。
特開２００９−７２００３号公報 特開２００１−３５２６０７号公報
しかしながら、従来技術では、所定時間走行した後において、比較的低い充電率で充放電が繰り返されることになり、バッテリの寿命を縮めるという問題があった。
本発明は上記の事情に鑑み、蓄電手段の高寿命化を図ることのできる電気鉄道車両の充電システムを提供することを目的としている。
前記課題を解決するため、実施形態に係る電気鉄道車両の充電システムは、所定の容量を有し、電気鉄道車両の駆動系に電力を供給する第１の蓄電手段と、所定の駅において外部電源から給電可能な給電手段と、前記所定の駅における停車時に、前記給電手段に接続されて、前記第１の蓄電手段を充電する充電手段と、前記第１の蓄電手段の容量よりも大きな容量を有する第２の蓄電手段と、前記電気鉄道車両の走行時において前記第１の蓄電手段の消費電力に関する情報の演算処理を行う演算手段と、該演算手段による演算結果に基づいて、前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段に対する補充充電を行う補充充電手段と、を少なくとも備え、前記充電手段は、前記第１の蓄電手段に対して予め設定される規定量を充電し、前記演算手段は、電気鉄道車両の走行時における前記第１の蓄電手段の消費電力が前記規定量に達したか否かを演算して判定し、前記補充充電手段は、前記演算手段により前記消費電力が前記規定量に達したと判定された場合に前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への補充充電を行うことを特徴とする。
実施形態の機能ブロック図。 実施形態の概要を示す説明図。 実施形態の要部を示す回路図。 実施形態のバッテリの充電状態を示すグラフ。 実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムの概要を示す説明図。 実施形態の前提となる充電状態を示すグラフ。
以下、本発明の一例としての実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
本発明についての実施形態に係る電気鉄道車両の充電システムＳ１について説明する前に、図５および図６を参照して、比較対象として実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０について説明する。
図５は、実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０の概略構成を示す説明図である。
この電気鉄道車両の充電システムＳ１０では、車載バッテリについて駅停車時に急速充電をしながら車両の運用を行っている。
図５に示すように、電気鉄道車両の充電システムＳ１０は、図示しない外部電源に対して着脱自在に接続される充電口１００と、充電口１００を介して外部電源に接続され車両Ｒ２００内に引き通される電源線（パワーライン）１０１と、リチウムイオン電池等で構成される充電池（蓄電手段）Ｂ１０を充電する充電装置３００と、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２を介してオン・オフされ、図示しない駆動モータ等の機器を駆動させる駆動回路Ｄ１０、Ｄ１１とを備えている。
なお、ここに示す例において、車両Ｒ２００は、駆動モータを搭載する２台の電動車Ｅ１０、Ｅ１１と、当該電動車Ｅ１０、Ｅ１１の間に連結され、バッテリＢ１０および充電装置３００を搭載する付随車Ｔ１０とから構成されている。
また、電動車Ｅ１０およびＥ１１と、付随車Ｔ１０とは、ジャンパ連結器Ｊ１０、Ｊ１１を介して接続されている。
充電装置３００は、スイッチＳＷ１０を介して電源線１０１に接続されている。
図５に示す例では、充電装置３００は、チョークコイルＬ１０、Ｌ１１、コンデンサＣ１０、直列接続される整流用のダイオードＤ２０、Ｄ２１およびスイッチング用のトランジスタＴｒ１０、Ｔｒ１１とから構成されている。
なお、ダイオードＤ２０、Ｄ２１およびトランジスタＴｒ１０、Ｔｒ１１とによって、スイッチＳＷ１を介して取り込まれる直流電流の電圧をバッテリＢ１０の充電に適した電圧まで降圧させる降圧チョッパー回路が構成されている。
駆動回路Ｄ１０、Ｄ１１は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２を介して電源線１０１に接続されている。
なお、駆動回路Ｄ１０およびＤ１１は、同様の構成を有するので、駆動回路Ｄ１０を例に説明し、駆動回路Ｄ１０については同様の符号を付して重複した説明は省略する。
駆動回路Ｄ１０は、並列接続されるスイッチＳＷ２０、抵抗Ｒ１０と、交流成分を制限するチョークコイルＬ２０と、電流の平滑効果を高めるコンデンサＣ２０と、このコンデンサＣ２０と並列接続されて直流を交流に変換するインバータ２００とから構成されている。
なお、スイッチＳＷ２０のオンオフにより、入力される電圧に応じて電圧を調整することができる。
ここで、実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０の動作について簡単に説明する。
まず、列車Ｒ１００の力行時には、スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２をオン状態にして、バッテリＢ１０からの直流電流を駆動回路Ｄ１０、Ｄ１１に供給する。
駆動回路Ｄ１０、Ｄ１１では、直流電流を所望の交流電流に変換して、三相交流モータ等で構成される駆動系を駆動させる。
また、所定の駅に停車時には、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２をオフ状態にすると共に、充電口１００を駅の電源に接続する。
これにより、充電装置３００を介してバッテリＢ１０が急速充電される。
実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０における電力（エネルギー）について、駅では車載のバッテリＢ１０に対して、停車時間を利用した充電が充電装置３００で行なわれるが、次駅までに必要な電力量（エネルギー量）の補充は一般には望めないことが多い。これには種々の要因が考えられるが、一般的には停車時間は長くても数分程度の場合が多く、十分な充電時間を確保できないことも一因として挙げられる。
図６のグラフには、実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０によるバッテリの充電状態を示す。
図６に示すように、駆動系の負荷は走行時の力行電力として消費され、ブレーキ時の電力回生によりバッテリＢ１０に充電されるが、駅で充電される電力（エネルギー）を上回るため、この繰返しでバッテリＢ１０の電力（エネルギー）が時間経過と共にＡ点、Ｂ点、Ｃ点と徐々に減少して行くパターンとなる。
このようなパターンでは、ある時間走行した後において、バッテリＢ１０は空充電に近い状態で充放電されることになり、バッテリの寿命に大きな影響を与えてしまうという問題があった。
そこで、本発明者は、上記問題を解決すべく鋭意研究の結果、本発明を案出するに至った。
次に、図１から図４を参照して、本発明についての実施形態に係る電気鉄道車両の充電システムＳ１について説明する
図１の機能ブロック図に示すように、電気鉄道車両の充電システムＳ１は、所定の容量（例えば、３０ｋＷ／ｈ等）を有し、電気鉄道車両Ｒ１００の駆動系（例えば、三相交流モータ等）に電力を供給する第１の蓄電手段としてのバッテリＡと、所定の駅において図示しない外部電源から給電可能な給電手段としての充電口１と、前記所定の駅における停車時に、充電口１に接続されて、バッテリＡを充電する充電手段としての充電装置４（４ａ、４ｂ）と、バッテリＡの容量よりも大きな容量（例えば、５００ｋＷ／ｈ以上等）を有する第２の蓄電手段としてのバッテリＢと、電気鉄道車両Ｒ１００の走行時においてバッテリＡの消費電力に関する情報の演算処理を行う演算手段としてのマイクロコンピュータ等で構成される演算装置１０と、この演算装置１０による演算結果に基づいて、バッテリＢからバッテリＡに対する補充充電を行う補充充電手段としての補充充電装置４０（４０ａ、４０ｂ）とを少なくとも備えている。
なお、本実施形態においては、補充充電装置４０（４０ａ、４０ｂ）は、充電装置４（４ａ、４ｂ）が兼ねている。
また、特には限定されないが、バッテリＡおよびバッテリＢは、リチウムイオン電池や電気二重層コンデンサ等で構成することができる。
次に、図２および図３を参照して、電気鉄道車両の充電システムＳ１のより詳細な構成について説明する。
図２および図３に示すように、電気鉄道車両の充電システムＳ１は、図示しない外部電源に対して着脱自在に接続される充電口１と、充電口１を介して外部電源（充電用定電圧電源等）に接続され車両Ｒ１００内に引き通される電源線（パワーライン）２と、リチウムイオン電池等で構成される第１の蓄電手段としてのバッテリＡを充電する充電装置４（４ａ、４ｂ）と、充電装置４ａ、４ｂを電源線２に対してオン・オフするスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、スイッチＳＷ３を介して電源線２に接続される第２の蓄電手段としてのバッテリＢとを備える。
なお、本実施形態において、車両Ｒ１００は、駆動モータを搭載する２台の電動車Ｅ１、Ｅ２と、当該電動車Ｅ１、Ｅ２の間に連結され、バッテリＢを搭載する付随車Ｔ１とから構成されている。
また、電動車Ｅ１およびＥ２と、付随車Ｔ１とは、ジャンパ連結器Ｊ１、Ｊ２を介して接続されている。
なお、本実施形態では、上述のように車両Ｒ１００は、複数の車両を連結した列車として構成される場合を示したが、これに限定されず、路面電車のように一両の車両のみで構成する場合にも適用することができる。その場合には、充電システムＳ１を構成する充電装置４、バッテリＡ、バッテリＢ等の全ての構成部材を一両の車両に搭載することとなる。
次に、充電装置４ａ、４ｂの構成について説明する。
なお、充電装置４ａ、４ｂは、同様の構成を有するので、充電装置４ａを例に説明し、充電装置４ｂについては同様の符号を付して重複した説明は省略する。
図３に示す構成例では、充電装置４ａは、スイッチＳＷ１を介して電源線２に接続されている。
充電装置４ａは、チョークコイルＬ１、直列接続される整流用のダイオードＤ１、Ｄ２およびスイッチング用のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２と、バッテリＡと並列接続されて直流を交流に変換するインバータ５０とから構成されている。
なお、ダイオードＤ１、Ｄ２およびトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２とによって、スイッチＳＷ１を介して取り込まれる直流電流の電圧をバッテリＡの充電に適した電圧まで降圧させる降圧チョッパー回路が構成されている。
また、インバータ５０には、車両Ｒ１００を駆動させる三相交流モータ等が接続されている。
また、特には限定されないが、バッテリＢは、車両Ｒ１００が搭載する空調設備、灯回路の少なくとも一つを含む機器に電力を供給するようにできる。
また、充電装置４ａ、４ｂは、バッテリＡに対して予め設定される規定量を充電し、演算装置１０は、電気鉄道車両Ｒ１００の走行時におけるバッテリＡの消費電力が前記規定量に達したか否かを演算して判定し、補充充電装置４０は、演算装置１０により前記消費電力が前記規定量に達したと判定された場合にバッテリＢからバッテリＡへの補充充電を行うようになっている。
また、充電装置４ａ、４ｂは、バッテリＡから電流量を検出する電流検出器１１、１２を備えている。即ち、バッテリＡの充電量は電流検出器１２にて計測され、バッテリＡによる力行時の放電量は電流検出器１１で計測される。そして、電流検出器１１、１２の出力は演算装置１０に入力され、力行指令、回生指令、駅での充電指令等に基づいて演算処理が実行され、充電装置４ａ、４ｂに対して制御指令が出されるようになっている。
なお、充電装置４ａ、４ｂは、駆動モータの減速動作時に発生する回生電力をバッテリＡに対して充電するようになっている。
さらに、充電装置４ａ、４ｂによって充電される回生電力の量と、前記規定量と、バッテリＡに補充充電される量との和が、駆動モータで消費される消費電力量と等しくなるように設定されるようにしてもよい。
ここで、上記構成の電気鉄道車両の充電システムＳ１の動作について説明する。
まず、車両Ｒ１００の運転開始時には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオフ状態にし、バッテリＡの電力によって力行運転が行われる。
そして、車両Ｒ１００が所定の駅に到着すると、充電口１を駅が備える外部電源に接続する。
次いで、スイッチＳＷ１とＳＷ２をオン状態にして、充電装置４ａ、４ｂによる降圧チョッパ動作により、バッテリＡを規定量まで定電流充電する。
発車時刻になると、充電口１を外部電源から外し、スイッチＳＷ１とＳＷ２をオフ状態に切り替え、駆動系をバッテリＡの電力によって駆動させて車両Ｒ１００を力行運転する。
このように、駅においてバッテリＡに対して、停車時間を利用した充電が充電装置４ａ、４ｂで行なわれるが、次駅への到達前に充電された電力は使い果たされるため、演算装置１０による演算結果に基づいて補充充電装置４０（４０ａ、４０ｂ：前述のように本実施形態では充電装置４ａ、４ｂが兼ねている）によりバッテリＢからバッテリＡに対して力行エネルギーと同じ量のエネルギーを移すように動作する。即ち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオン状態とし、バッテリＢから補充充電装置４０ａ、４０ｂを介してバッテリＡを補充充電する。
これにより、バッテリＡの充電状態を略満充電近くに保つことができる。
また、駅停止時における制動状態で発生する回生電力はバッテリＡに充電される。
駅停車では地上設備からバッテリＡに給電が行われるが、規定量のエネルギーが充電できる余裕は確保されるので、地上設備からの充電は毎回１００％活用できることになる。
また、図４に示す本実施形態に係る電気鉄道車両の充電システムＳ１によるバッテリの充電状態を示すグラフと、図６に示す実施形態の前提となる電気鉄道車両の充電システムＳ１０によるバッテリの充電状態を示すグラフとを比較すると分かるように、充電システムＳ１ではバッテリＡの充電率が、駅間の運転が繰り返されても比較的高いレベルで安定しており、実施形態の前提となる場合のように車載バッテリの充電率が徐々に減少して行くことがない。
このように、本実施形態に係る電気鉄道車両の充電システムＳ１によれば、バッテリＡの消費電力に関する情報の演算処理を行う演算装置１０による演算結果に基づいて、バッテリＢからバッテリＡに対する補充充電を行うので、バッテリＡは電気鉄道車両Ｒ１００の運転サイクルにおいて比較的高い充電率を確保することができ、バッテリＡの長寿命化を図ることができる。また、バッテリＢについては、比較的緩慢な放電動作とすることができ、バッテリＢの長寿命化も図ることができる。
また、演算装置１０により消費電力が規定量に達したと判定された場合にバッテリＢからバッテリＡへの補充充電を行うので、バッテリＡは電気鉄道車両Ｒ１００の運転サイクルにおいて高い充電率をより効果的に確保することができ、バッテリＡの一層の長寿命化を図ることができる。
また、駆動系の減速動作時に発生する回生電力をバッテリＡに対して充電するので、システムＳ１全体のエネルギー効率を向上させることができる。
さらに、充電装置４によって充電される回生電力の量と、規定量と、バッテリＡに補充充電される量との和が、駆動系で消費される消費電力量と等しくなるように設定しているので、バッテリＡ等について限界設計することができ、最小容量のバッテリＡを用いることができ、車両Ｒ１００への艤装が容易になるという効果がある。
また、車載するバッテリＡおよびバッテリＢの全体容量を小さくすることができ、車重を抑えることができると共にコストの低減を図ることができるという効果もある。
また、バッテリＢは、電気鉄道車両Ｒ１００が搭載する空調設備、灯回路の少なくとも一つを含む機器に電力を供給するので、バッテリＢは比較的緩慢な放電状態とすることができ、バッテリＢの長寿命化を図ることができる。
また、充電口１は、定電圧電源で構成され、当該定電圧電源と電気鉄道車両が備える電源線２とは、所定の位置に設定される一箇所で接続されるようになっているので、安定した充電を行うことができる。
さらに、バッテリＢに対する充電は、電気鉄道車両の工場停留時等において、定電流・定電圧充電装置により低速充電されるので、バッテリＢの長寿命化に資することができる。
なお、バッテリＢからバッテリＡへの電力の移行は予測と補正を考慮して図４に示すような矩形波状ではなく、緩慢な波形とすることもできる。
また、演算装置１０は、複数の制御モードを切り替えるようにでき、例えば力行モードにおいて、充電装置４ａ、４ｂを充電モードにすると、バッテリＢからバッテリＡへエネルギーが移行し、回生モードにおいて充電装置４ａ、４ｂを放電モードにするとバッテリＡからバッテリＢにエネルギーが移行するようにできる。この場合に、バッテリＢは列車用の灯回路や補機などに接続されるため、バッテリＢは基本的には緩慢な放電モードだけが行なわれるとみなすことができる。
また、バッテリＡは電動車Ｅ１、Ｅ２に搭載され、機器艤装上のスペースの許容範囲により比較的容量の小さいものになる。一方、バッテリＢは付随車Ｔ１に搭載され、一般に艤装スペースに余裕があるため、比較的大容量のバッテリを搭載することができ、バッテリＢからは列車Ｒ１００の各種補機等に電力を供給することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ｓ１ 電気鉄道車両の充電システム
１ 駅での充電口
２ 電源線（パワーライン）
ＳＷ１〜ＳＷ３ スイッチ
４（４ａ、４ｂ） 充電装置
Ａ バッテリ（第１の蓄電手段）
Ｂ バッテリ（第２の蓄電手段）
１０ 演算装置
１１、１２ 電流検出器
４０（４０ａ、４０ｂ） 補充充電装置
Ｒ１００ 鉄道車両
Ｅ１、Ｅ２ 電動車
Ｔ１ 付随車
Ｊ１、Ｊ２ ジャンパ連結器
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｔｒ１、Ｔｒ２ トランジスタ
Ｌ１ チョークコイル
５０ インバータ

Claims (6)

  1. 所定の容量を有し、電気鉄道車両の駆動系に電力を供給する第１の蓄電手段と、
    所定の駅において外部電源から給電可能な給電手段と、
    前記所定の駅における停車時に、前記給電手段に接続されて、前記第１の蓄電手段を充電する充電手段と、
    前記第１の蓄電手段の容量よりも大きな容量を有する第２の蓄電手段と、
    前記電気鉄道車両の走行時において前記第１の蓄電手段の消費電力に関する情報の演算処理を行う演算手段と、
    該演算手段による演算結果に基づいて、前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段に対する補充充電を行う補充充電手段と、
    を少なくとも備え、
    前記充電手段は、前記第１の蓄電手段に対して予め設定される規定量を充電し、
    前記演算手段は、電気鉄道車両の走行時における前記第１の蓄電手段の消費電力が前記規定量に達したか否かを演算して判定し、
    前記補充充電手段は、前記演算手段により前記消費電力が前記規定量に達したと判定された場合に前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への補充充電を行うことを特徴とする電気鉄道車両の充電システム。
  2. 前記充電手段は、前記駆動系の減速動作時に発生する回生電力を前記第１の蓄電手段に対して充電することを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道車両の充電システム。
  3. 前記充電手段によって充電される前記回生電力の量と、前記規定量と、前記第１の蓄電手段に補充充電される量との和が、前記駆動系で消費される消費電力量と等しくなるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の電気鉄道車両の充電システム。
  4. 前記第２の蓄電手段は、前記電気鉄道車両が搭載する空調設備、灯回路の少なくとも一つを含む機器に電力を供給することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電気鉄道車両の充電システム。
  5. 前記第２の蓄電手段に対する充電は、前記電気鉄道車両の停留時において、定電流・定電圧充電装置により低速充電されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の電気鉄道車両の充電システム。
  6. 前記電気鉄道車両は、１または２以上の電動車および当該電動車に連結される１または２以上の付随車で構成され、
    前記第１の蓄電手段、前記充電手段、前記演算手段および前記補充充電手段は、前記電動車に搭載され、
    前記第２の蓄電手段は、前記付随車に搭載されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の電気鉄道車両の充電システム。
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