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公開番号2021166445
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020069338
出願日20200407
発明の名称方法および蓄電ユニットパラメータ決定装置
出願人公益財団法人鉄道総合技術研究所,京阪電気鉄道株式会社,東洋電機製造株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類B60L 58/18 20190101AFI20210917BHJP(車両一般)
要約【課題】複数の蓄電ユニットが搭載された列車において、各蓄電ユニットの出力電流の不均衡を解消すること。
【解決手段】複数車両12で編成される列車10において引き通し線14に接続されて分散配置された負荷16および蓄電ユニット20のうちの蓄電ユニット20それぞれの充放電特性を定める制御パラメータである無負荷送り出し電圧ESおよび等価内部抵抗Rを、負荷16および蓄電ユニット20が何れの車両12に配置されているかといった配置車両と、引き通し線14の車両間の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の負荷16それぞれの負荷電流ILとに基づいて、異なる負荷条件において蓄電ユニット20それぞれの出力電流を均衡させるように決定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数車両で編成される列車において引き通し線に接続されて分散配置された負荷および蓄電ユニットのうちの前記蓄電ユニットそれぞれの放電特性を定める制御パラメータを決定する方法であって、
前記負荷および前記蓄電ユニットの配置車両と、前記引き通し線の車両間の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の前記負荷それぞれの負荷電流とを設定することと、
前記配置車両に基づく等価回路と、前記配線抵抗と、前記負荷電流とに基づいて、前記異なる負荷条件において前記蓄電ユニットそれぞれの放電電流を均衡させる前記制御パラメータを決定することと、
を含む方法。
続きを表示(約 870 文字)【請求項2】
前記決定することは、
前記負荷条件毎に、当該負荷条件での前記負荷電流に基づいて、前記蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流を算出することと、
前記負荷条件毎に、当該負荷条件での前記負荷電流および前記配線抵抗に基づいて前記引き通し線の車両間の電圧降下を算出することと、
所与の対象蓄電ユニット群に係る部分等価回路と、前記負荷条件毎の前記目標放電電流および前記電圧降下と、に基づいて、当該対象蓄電ユニット群に含まれる各蓄電ユニットの前記制御パラメータの関係を算出することと、
を含む、
請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記関係を算出することは、前記対象蓄電ユニット群を変えることで、全ての前記蓄電ユニット間の前記制御パラメータの関係を算出すること、を含む、
請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記対象蓄電ユニット群は、分散配置された前記蓄電ユニットのうち、隣り合う2つの前記蓄電ユニットである、
請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記制御パラメータは、前記蓄電ユニットの無負荷送り出し電圧、および、等価内部抵抗、である、
請求項1〜4の何れか一項に記載の方法。
【請求項6】
複数車両で編成される列車において引き通し線に接続されて分散配置された負荷および蓄電ユニットのうちの前記蓄電ユニットそれぞれの放電特性を定める制御パラメータを決定する蓄電ユニットパラメータ決定装置であって、
前記負荷および前記蓄電ユニットの配置車両と、前記引き通し線の車両間の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の前記負荷それぞれの負荷電流とを設定する設定部と、
前記配置車両に基づく等価回路と、前記配線抵抗と、前記負荷電流とに基づいて、前記異なる負荷条件において前記蓄電ユニットそれぞれの放電電流を均衡させる前記制御パラメータを決定する決定部と、
を備えた蓄電ユニットパラメータ決定装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、列車に配置される蓄電ユニットの放電特性を定める制御パラメータを決定する方法等に関する。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
蓄電ユニットを電気車に搭載した蓄電池電気車の開発が進められている。蓄電池電気車は、電化区間では、架線電力をもとに主電動機を駆動して走行しつつ架線電力および回生電力で蓄電ユニットを充電し、非電化区間では、蓄電ユニットの蓄電電力をもとに走行することができる(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2016−163365号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
開発当初は、1〜2車両程度の短い編成の列車を対象とし、1つの蓄電ユニットを搭載して列車全体に給電する構成の蓄電池電気車の開発が行われていた。現在では、比較的長い編成の列車を対象とし、複数の蓄電ユニットを搭載した蓄電池電気車の開発が進められている。しかしながら、列車に分散配置した複数の蓄電ユニットを引き通し線で接続する場合、車両間の引き通し線の配線抵抗を主要因として各蓄電ユニットの出力電流に不均衡が生じ得る。蓄電ユニットの出力電流に不均衡が生じると、一部の蓄電ユニットが過電流となって劣化がすすみ、各蓄電ユニットの劣化の程度や寿命に違いが生じ得る。保守の観点からすると、列車単位で一斉交換できるように、全ての蓄電ユニットの劣化の程度や寿命がほぼ等しくなることが望ましい。
【0005】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の蓄電ユニットが搭載された列車において、各蓄電ユニットの出力電流の不均衡を解消すること、である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するための第1の発明は、
複数車両で編成される列車において引き通し線に接続されて分散配置された負荷および蓄電ユニットのうちの前記蓄電ユニットそれぞれの放電特性を定める制御パラメータを決定する方法であって、
前記負荷および前記蓄電ユニットの配置車両と、前記引き通し線の車両間の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の前記負荷それぞれの負荷電流とを設定することと、
前記配置車両に基づく等価回路と、前記配線抵抗と、前記負荷電流とに基づいて、前記異なる負荷条件において前記蓄電ユニットそれぞれの放電電流を均衡させる前記制御パラメータを決定することと、
を含む方法である。
【0007】
他の発明として、
複数車両で編成される列車において引き通し線に接続されて分散配置された負荷および蓄電ユニットのうちの前記蓄電ユニットそれぞれの放電特性を定める制御パラメータを決定する蓄電ユニットパラメータ決定装置であって、
前記負荷および前記蓄電ユニットの配置車両と、前記引き通し線の車両間の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の前記負荷それぞれの負荷電流とを設定する設定部と、
前記配置車両に基づく等価回路と、前記配線抵抗と、前記負荷電流とに基づいて、前記異なる負荷条件において前記蓄電ユニットそれぞれの放電電流を均衡させる前記制御パラメータを決定する決定部と、
を備えた蓄電ユニットパラメータ決定装置を構成してもよい。
【0008】
第1の発明によれば、複数の蓄電ユニットが搭載された列車において、各蓄電ユニットの出力電流の不均衡を解消することができる。つまり、負荷および蓄電ユニットの配置車両と、車両間の引き通し線の配線抵抗と、異なる負荷条件毎の負荷電流とから、異なる負荷条件において蓄電ユニットそれぞれの放電電流を均衡させるような制御パラメータが決定される。そして、このように決定された制御パラメータにより蓄電ユニットを制御することで、列車に分散配置された各蓄電ユニットの放電電流の不均衡を解消することができる。蓄電ユニットの放電特性は、放電電流の増加に伴い放電電圧が直線的に減少する、垂下特性を有するように定められる。列車の走行に応じて負荷は変動するが、異なる負荷条件において各蓄電ユニットの出力電流が均衡するように制御パラメータを決定することで、負荷条件以外の負荷であっても、蓄電ユニットそれぞれの放電電流をほぼ均衡させることが可能である。
【0009】
第2の発明は、第1の発明において、
前記決定することは、
前記負荷条件毎に、当該負荷条件での前記負荷電流に基づいて、前記蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流を算出することと、
前記負荷条件毎に、当該負荷条件での前記負荷電流および前記配線抵抗に基づいて前記引き通し線の車両間の電圧降下を算出することと、
所与の対象蓄電ユニット群に係る部分等価回路と、前記負荷条件毎の前記目標放電電流および前記電圧降下と、に基づいて、当該対象蓄電ユニット群に含まれる各蓄電ユニットの前記制御パラメータの関係を算出することと、
を含む、
方法である。
【0010】
第2の発明によれば、負荷条件毎に蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流を算出し、その負荷条件毎の目標放電電流に基づいて対象蓄電ユニット群の各蓄電ユニットの制御パラメータの関係を算出することで、列車に分散配置される複数の蓄電ユニットそれぞれの制御パラメータが決定される。つまり、列車の走行に応じて負荷が変動するため、負荷条件毎に、蓄電ユニットそれぞれの放電電流が均衡するように蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流を算出することができる。そして、負荷条件毎に、蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流に応じて等価回路の電流分布が決まるので、その等価回路の電流分布を満たすように、蓄電ユニットの制御パラメータの関係を算出することができる。
【0011】
第3の発明は、第2の発明において、
前記関係を算出することは、前記対象蓄電ユニット群を変えることで、全ての前記蓄電ユニット間の前記制御パラメータの関係を算出すること、を含む、
方法である。
【0012】
第3の発明によれば、算出される制御パラメータの関係は、対象蓄電ユニット群の各蓄電ユニット間での相対的な関係であるので、対象蓄電ユニット群を変えることで、全ての蓄電ユニット間の制御パラメータの関係を算出し、算出した全ての蓄電ユニット間の制御パラメータの関係に従って、各蓄電ユニットの制御パラメータを決定することができる。
【0013】
第4の発明は、第3の発明において、
前記対象蓄電ユニット群は、分散配置された前記蓄電ユニットのうち、隣り合う2つの前記蓄電ユニットである、
方法である。
【0014】
第4の発明によれば、対象蓄電ユニット群として隣り合う2つの蓄電ユニットそれぞれの、制御パラメータの関係を算出することができる。
【0015】
第5の発明は、第1〜第4の何れかの発明において、
前記制御パラメータは、前記蓄電ユニットの無負荷送り出し電圧、および、等価内部抵抗、である、
方法である。
【0016】
第5の発明によれば、蓄電ユニットの放電特性を定める制御パラメータとして、蓄電ユニットの等価回路を表す無負荷送り出し電圧および等価内部抵抗が決定される。
【図面の簡単な説明】
【0017】
蓄電ユニットの制御パラメータの決定対象とする列車の構成例。
蓄電ユニットの構成図。
蓄電ユニットの電力変換動作の説明図。
列車の等価回路の一例。
2つの蓄電ユニット間の制御パラメータの関係式の導出の説明図。
蓄電ユニットの制御パラメータの初期値の説明図。
蓄電ユニットパラメータ決定装置の機能構成図。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
蓄電ユニットの制御パラメータの決定の具体例。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。
【0019】
[対象となる列車]
図1は、本実施形態の蓄電ユニットパラメータ決定装置によって制御パラメータが決定される対象となる列車の一例である。図1に示すように、列車10は複数の車両12で編成され、複数の蓄電ユニット20が分散配置された蓄電池電気車である。各車両12には、主電動機を制御するインバータ装置や補機用のSIV(静止形インバータ:Static InVerter)などの負荷16が搭載されている。なお、列車10は、パンタグラフ等の集電装置を備えるいわゆるハイブリッド電気車としてもよいが、本実施形態では、集電装置による集電電力は用いず、蓄電ユニット20の出力電力(放電電力)のみが負荷16に供給されるものとする。図1は、4両編成の列車10の例であり、1両目の車両(先頭車両)および3両目の車両に蓄電ユニット20が配置されている。つまり、列車10には2台の蓄電ユニット20が分散配置されている。また、列車10には、列車全体を引き通す電力の引き通し線14が設けられており、この引き通し線14に、蓄電ユニット20および負荷16が並列接続されている。
【0020】
図2は、蓄電ユニット20の構成図である。蓄電ユニット20は、蓄電媒体22および電力変換装置24を有する。蓄電媒体22は、例えば、リチウムイオンバッテリや鉛蓄電池、電気二重層キャパシタ(EDLC)、リチウムイオンキャパシタ、スーパーキャパシタなどで構成することができる。電力変換装置24は、例えば、双方向(蓄電媒体22を充電する充電方向および放電する放電方向)の電力変換動作が可能な昇降圧チョッパなどであり、その電力変換動作を制御する制御部26や、出力電流ISおよび出力電圧VSを検出するセンサー等を有する。
【0021】
図3は、制御部26による電力変換動作の制御の概要図である。図3は、横軸を蓄電ユニット20の出力電流IS(放電時を正値とする)、縦軸を蓄電ユニット20の出力電圧VSとして、出力電流ISと出力電圧VSとの関係である充放電特性を示している。制御部26は、出力電流ISの増加とともに、出力電圧VSが直線的に低下する垂下特性を有するように、電力変換装置24の電力変換動作を制御する。この充放電特性における出力電流ISがゼロのときの出力電圧VSに相当する無負荷送り出し電圧ES、および、充放電特性を表す直線の傾きに相当する等価内部抵抗RSが、蓄電ユニット20の充放電特性を定める制御パラメータである。換言すると、制御部26は、無負荷送り出し電圧ESおよび等価内部抵抗RSを制御用の設定値(制御パラメータ)として用いて、電力変換装置24の動作を制御する。蓄電ユニットパラメータ決定装置は、同じ列車10に搭載されている蓄電ユニット20それぞれの出力電流ISを均衡させるように、各蓄電ユニット20の制御パラメータを決定する。
【0022】
[制御パラメータの決定方法]
蓄電ユニットパラメータ決定装置による蓄電ユニット20の制御パラメータの決定方法を説明する。前提として、対象とする列車10の編成が決まり、蓄電ユニット20および負荷16がどの車両に配置されているかといった蓄電ユニット20および負荷16の配置車両が決まっているとする。
【0023】
図4は、蓄電ユニット20および負荷16の配置車両に基づく列車10の電気的な等価回路の一例であり、図1に例示した列車10についての等価回路である。図4に示すように、列車10の車両配置に基づく等価回路は、各車両12の蓄電ユニット20および負荷16が、車両間の引き通し線14の配線抵抗Rを介して並列接続された回路となる。蓄電ユニット20は、制御パラメータである無負荷送り出し電圧ES、および、等価内部抵抗RSの直列回路で表される。j両目(j=1,・・,N:Nは編成両数)の車両に配置されている蓄電ユニット20の制御パラメータを、添え字jを用いて、無負荷送り出し電圧ES

、および、等価内部抵抗RS

、と表記する。負荷16は、負荷電流ILの定電流源で表される。j両目の車両に配置されている負荷16の負荷電流ILを、添え字jを用いて、負荷電流IL

、と表記する。
【0024】
蓄電ユニット20の制御パラメータの決定にあたり、初期条件として、車両間の引き通し線14の配線抵抗R、および、異なる負荷条件それぞれでの各負荷16の負荷電流IL、が与えられる。配線抵抗Rは、引き通し線14の種類や配線長、車両間連結を伴う場合には連結回路の設計値、等に応じて定まる値である。隣り合うj両目の車両と(j+1)両目の車両との間の配線抵抗Rを、添え字jを用いて、配線抵抗R
j(j+1)
、と表記する。
【0025】
負荷16は列車10の走行に応じて変動し、負荷16の変動によって負荷電流ILも変動する。本実施形態では、負荷条件を、軽負荷条件および重負荷条件の2つとする。軽負荷条件は、列車全体として負荷が最も軽いときの負荷条件であり、例えば、列車10が停止して主電動機が停止しているときである。重負荷条件は、列車全体としての負荷が最も重いときの負荷条件であり、例えば、列車10の最大力行時である。軽負荷条件での各負荷16の負荷電流IL

を、添え字αを用いて、負荷電流IL
jα
、と表記し、重負荷条件での各負荷16の負荷電流IL

を、添え字βを用いて、負荷電流IL
jβ
、と表記する。蓄電ユニットパラメータ決定装置は、負荷電流ILが異なる負荷条件の何れにおいても各蓄電ユニット20の出力電流ISが均衡するように、各蓄電ユニット20の制御パラメータを決定する。
【0026】
具体的な決定方法としては、先ず、負荷条件毎に、当該負荷条件での負荷電流ILに基づいて、蓄電ユニット1台当たりの目標放電電流を算出する。具体的には、各蓄電ユニット20の出力電流ISを均衡させるために、目標放電電流として、式(1)に示すように、負荷電流ILの総和を蓄電ユニット20の台数N

で平均した目標出力電流IS
ave
を算出する。この式(1)は、列車10の等価回路において、共通のグランド線GNDを1つの接続点とみなしてキルヒホッフの電流則を適用することで導くことができる。すなわち、負荷条件毎に各負荷16の負荷電流ILが異なるから、軽負荷条件での負荷電流IL
jα
を平均した目標出力電流IS
aveα
と、重負荷条件での負荷電流IL
jβ
を平均した目標出力電流IS
aveβ
とを算出する。
【0027】
このように、負荷条件それぞれについて、蓄電ユニット20の目標出力電流IS
aveα
,IS
saveβ
が決まると、等価回路全体での電流分布が決まることから、車両間の引き通し線14の配線抵抗Rによる電圧降下が求められることになる。
【0028】
次いで、列車10の等価回路において、隣り合う2つの蓄電ユニット20に係る部分等価回路にキルヒホッフの電圧則を適用することで、次式(2)が導ける。具体的には、図5に示すように、隣り合う2つの蓄電ユニット20として、j両目の車両12jに配置されている蓄電ユニット20jと、k両目の車両12kに配置されている蓄電ユニット20kとを含む部分等価回路である閉ループLPを定め、この閉ループLPにキルヒホッフの電圧則を適用することで、次式(2)が導かれる。すなわち、負荷条件毎に等価回路の電流分布が異なるから、軽負荷条件での式(2a)と、重負荷条件での式(2b)とが導かれる。
【0029】
式(2)において、左辺は、蓄電ユニット20j,20kそれぞれの出力電流IS

,IS

が当該負荷条件での目標出力電流IS
aveα
,IS
aveβ
であるときの蓄電ユニット20j,20kの出力電圧VS

,VS

の差分を表し、右辺は、j両目の車両12jとk両目の車両12kとの間の引き通し線14の配線抵抗Rにおける電圧降下の総和を表している。
【0030】
蓄電ユニット20j,20kの制御パラメータである無負荷送り出し電圧ES

,ES

の差、および、等価内部抵抗RS

,RS

の差を、式(3)のように置き換え、また、負荷条件それぞれでの車両12j,12k間の引き通し線14の配線抵抗Rの電圧降下の総和(式(2)の右辺に相当)を車両間電圧降下d
jk
、と表記することで、式(2)は、式(4)のように表記することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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