JPH07107613A

JPH07107613A - 電気車制動制御方法および電気車制御装置

Info

Publication number: JPH07107613A
Application number: JP5244175A
Authority: JP
Inventors: Suetaro Shibukawa; 末太郎渋川; Shotaro Naito; 祥太郎内藤; Sanshiro Obara; 三四郎小原; Tsuneo Ishido; 恒雄石堂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-21
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JP3152027B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、バッテリを電源とする電気車の制動
制御において、バッテリに損傷を与えることなく、必要
なる回生制動力を確保することにより、電気車の安全運
転の向上する電気車制動制御方法および電気車制御装置
を提供する。【構成】電気車が回生制動に移行した場合、モータ１が
電気車の慣性力により廻され、回生電流を発電する。バ
ッテリ４は、この回生電流にて充電される。この時、充
電状態検出手段５によりバッテリの充電状態が検出さ
れ、制御装置３が当該充電状態に応じてモータ１に制御
指令を送る。この制御指令により、充電電流の増減に反
比例してモータ１の力率を制御し、モータ１に流れる電
動機電流を減増させ、モータ１およびインバータ２の損
失を減増させる。これにより、全体の回生電流は抑制せ
ずに必要な量の発電エネルギをバッテリに与え、余剰の
発電エネルギを損失エネルギとして消費する。すなわ
ち、エネルギ勘定を合わせるように制御するので、所要
の回生制動力が確保される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動機を備えている電
気車の制動制御方法および電気車制御装置に関するもの
で、特に、バッテリを電源とする電気車の制動制御に適
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、特開昭５７−２１１
９０４号公報に開示されているものがある。これは、回
生制動時の制御方法であり、回生制動時に発生する回生
電流による弊害、特に大きな制動力を確保した場合大き
な回生電流が流れるのでこれによる（１）機器の破壊
（２）機器の増大などの弊害を回避するものである。そ
して、回生制動時の回生電流を抑制しているものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術を、バ
ッテリを電源とする電気車の制動制御に適用する場合、
必要なる回生制動力を確保しようとすると、バッテリに
戻される回生電流が大きくなり過ぎて過充電となり、バ
ッテリの損傷に繋がると云う問題点がある。逆に、バッ
テリの損傷を回避しようとすると、回生電流を小さくす
ることとなり、十分なる回生制動力（ブレーキ力）を確
保することができないと云う問題点がある。

【０００４】本発明の目的は、上記の問題点を鑑みてな
されるもので、バッテリに損傷を与えることなく必要な
る回生制動力を確保し、電気車の安全運転を向上する電
気車制動制御方法および電気車制御装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、バッテリ
と、走行駆動用の電動機と、電動機にバッテリの電力を
供給する電力変換手段と、電力変換手段を制御する制御
装置とを備える電気車の回生制動制御方法において、バ
ッテリの蓄電状態に応じて電動機の力率を制御し、バッ
テリに蓄電される蓄電エネルギと電動機および電力変換
手段で消費される損失エネルギとの両者に回生された電
気エネルギを分配する比率を変えることによって達成さ
れる。

【０００６】また、上記目的を達成する電気車制御装置
は、回生された電気エネルギを蓄電する蓄電手段と、回
生された電気エネルギを消費する消費手段と、蓄電手段
の蓄電状態に応じて電動機の力率を制御し蓄電手段およ
び消費手段に分配される電気エネルギの比率を変える力
率制御手段とを設けたものである。

【０００７】

【作用】電気車が回生制動に移行した場合、電気車の慣
性エネルギが電気エネルギに変換され、回生電流が電動
機に発生する。この回生電流の一部が、制御装置から与
えられる制御指令により電力変換手段で直流電流に変換
され、バッテリに充電され蓄電される。そして、バッテ
リが満充電に近づいた場合、バッテリの過充電を回避す
るため充電電流を減少させる。この時、バッテリの充電
電流を抑制した分、電気エネルギが余剰となる。従っ
て、バッテリに充電される蓄電エネルギが抑制され余剰
となった電気エネルギ分は、電動機電流に従って増減す
る電動機および電力変換手段の損失エネルギとして消費
するようにする。すなわち、バッテリに充電される蓄電
エネルギと電動機および電力変換手段で消費される損失
エネルギとに分配される、回生された電気エネルギの分
配比率を変えるように制御するものである。分配比率を
変える制御は、電動機の力率を変えて、電動機電流に従
って増減する電動機および電力変換手段の損失エネルギ
を制御するものである。これにより、全体の回生電流は
減少させないので、回生制動力も減少しない。従って、
バッテリの過充電を防止しつつ、所要の制動力が確保さ
れ、電気車の安全運転を向上させることができる。

【０００８】

【実施例】本発明による一実施例について、図面を参照
して説明する。

【０００９】図１は、電気車の概略構成を示す図であ
る。三相交流誘導電動機であるモータ１、三相半導体式
電力変換手段であるインバータ２、制御装置３、バッテ
リ４、充電状態検出手段５などから構成されている。

【００１０】次に動作を説明する。電気車が走行する場
合は、バッテリ４の直流電源が、制御装置３から与えら
れる制御指令に従って、インバータ２で三相交流電源に
変換され、モータ１に印加される。そして、モータ１が
回転し、電気車が走行する。

【００１１】走行した電気車を停止させるまたは減速さ
せる場合は、制動（ブレーキ）を掛ける。一般には、機
械的に制動を掛けるが、電気車の場合、電気的に制動を
掛ける場合がある。これは、電気車のモータ１において
電気車の慣性エネルギを電気エネルギに変換し制動力を
得る、回生制動と云われているものである。電気車が回
生制動に移行した場合、モータ１が、電気車の慣性力に
より廻され回生電流を発電する。この回生電流の一部
が、制御装置３からインバータ２に与えられる制御指令
によりインバータ２で直流電源に変換され、バッテリ４
に充電される。この時、バッテリの充電状態が充電状態
検出手段５により検出され、この検出信号を受けた制御
装置３が、バッテリに加えられる充電電流を、所定の電
流となるように制御する。

【００１２】一般に、バッテリが満充電に近づくにつれ
充電電流を減少させるように、制御装置３で回生電流を
抑制する制御方法が採られている。これは、バッテリの
過充電を回避するためである。しかし、単に、回生電流
を抑制したのでは、制動力（ブレーキ力）が不足する場
合がある。従って、全体の回生電流は減らさないで、充
電電流を減少させる方法が望ましい。これを解決するも
のとして、制御装置３が、制御指令を発しモータ１の力
率を変え、バッテリに加えられる充電電流を制御する方
法がある。これは、回生された電気エネルギの内、バッ
テリの充電に必要な分はバッテリ４に流し、残りの余剰
分はモータ１およびインバータ２の損失として消費する
ものである。このようにすれば、全体としての回生電流
は減らさないので、所要の制動力が確保されると云う制
御方法が成立する。

【００１３】ここで、電気車の慣性エネルギの一部が電
気エネルギに変換されて回生される場合の、回生制動時
のエネルギ勘定について説明する。エネルギ勘定を式
で、表わせば、次の通りである。

【００１４】Ｅｓ∝Ｅｈ …（数１）Ｅｈ＝Ｅｊ＋Ｅｌ …（数２）ここで、Ｅｓ；制動エネルギ、Ｅｈ；発電エネルギＥｊ；充電エネルギ、Ｅｌ；損失エネルギすなわち、慣性エネルギの一部が制動エネルギとして消
費され、電気車にブレーキが掛かる場合、有効に働いた
制動エネルギＥｓは、ほぼモータ１の発電エネルギＥｈ
に変換される。そして、発電エネルギＥｈは、バッテリ
に蓄電される充電エネルギＥｊと、モータ１などで消費
される損失エネルギＥｌとに分配される。

【００１５】上記の式を、書き替えると、Ｆｓ∝（Ｄｊ＋Ｍｌ＋Ｉｌ） …（数３）Ｄｊ∝Ｉｊ×Ｖｊ …（数４）ここで、Ｆｓ；制動力、Ｄｊ；充電電力Ｍｌ；モータ損失、Ｉｌ；インバータ損失Ｉｊ；充電電流、Ｖｊ；充電電圧（バッテリ電圧一
定）で表わされる。尚、インバータ損失Ｉｌが微小で省略さ
れる場合もある。

【００１６】これより、制動力Ｆｓが一定の場合、充電
電力Ｄｊの増減に反比例して、モータ損失Ｍｌおよびイ
ンバータ損失Ｉｌを減増すれば、エネルギ勘定が合うと
云うことが判る。すなわち、必要なる制動力を確保しつ
つ、バッテリの過充電を回避するために充電電力、すな
わち、充電電流を減らすならば、モータ損失とインバー
タ損失を増せば良いことが判る。言い替えれば、必要な
エネルギをバッテリに与え、余剰のエネルギを損失エネ
ルギとして流し去ることになる。

【００１７】一方、Ｍｌ＝Ｌｃ＋Ｌｆ＋Ｌｍ＋Ｌｅ …（数５）ここで、Ｌｃ；銅損、Ｌｆ；鉄損Ｌｍ；機械損、Ｌｅ；浮遊損Ｌｃ∝（Ｉ）² …（数６）

【００１８】

【数７】

【００１９】Ｉｌ∝Ｉ …（数８）

【００２０】

【数９】

【００２１】ここで、Ｉ；電動機電流、Ｉｔ；ト
ルク分電流、 COSφ；力率以上の関係がある。これより、モータ損失Ｍｌおよびイ
ンバータ損失Ｉｌの両損失が力率の関数で表わせること
になり、力率を変化させることによりこれらの損失を増
減させることができる。すなわち、力率を大きくすれば
損失は増え、小さくすれば損失は減ることが判る。

【００２２】従って、電動機の力率を制御することによ
り、モータ損失とインバータ損失を減増し、逆に充電電
流を増減して、一定の制動力を確保することができるこ
とが判る。

【００２３】図２、図３、図４は、この力率制御につい
て説明する図である。図２は、モータ１のベクトル制御
に関するブロックダイヤグラムの一実施例を示すもので
ある。図２の動作について説明する。

【００２４】電気車が走行する場合は、アクセルやブレ
ーキなどからなる運転状態検出手段６の出力信号から得
られたトルク指令により、トルク分電流発生手段７０
で、トルク分電流Itが算出される。また、エンコーダ３
１から得られた速度信号に応じて、励磁分電流発生手段
７１で、励磁分電流Imが得られる。そして、ベクトル演
算手段７２、１次周波数発生手段７３および乗算手段７
４によって、電流指令が得られる。この電流指令に基づ
いて、電流制御手段７５は、電流検出器２１で得られた
モータ１の電流の帰還信号と、三角波発生手段７６が発
生する三角波形の搬送波を用いて、インバータ２をパル
ス幅変調制御方式にて制御する。

【００２５】回生制動時の場合は、バッテリの充電状態
を、充電状態検出手段５により検出する。この検出信号
を受けた制御装置３の中の充電制御手段７が、トルク分
電流発生手段７０と励磁分電流発生手段７１に、充電指
令を発信する。この充電指令により、力率制御が行われ
る。充電指令と力率の関係について、次に説明する。

【００２６】図３は、電動機の電流ベクトル制御方式に
おいて、力率を変える方法の一実施例を示すものであ
る。

【００２７】電流Ｉは、電動機電流である。電圧Ｖは、
電動機の端子電圧である。Ｅoは、電動機の誘起電圧で
ある。Ｖxqは、リアクタンスＸqにおける電圧降下であ
る。Ｖrは、抵抗Ｒにおける電圧降下である。

【００２８】電動機電流Ｉは、トルク分電流Ｉtと励磁
分電流Ｉmのベクトル成分の和である。これらのトルク
分電流Ｉtと励磁分電流Ｉmの大きさが、充電制御手段７
の充電指令により制御される。そして、トルク分電流Ｉ
tと励磁分電流Ｉmのベクトル成分の和である電流Ｉのベ
クトル方向が制御されるので、電圧Ｖと電流Ｉのなす角
度φが変えられる。角度φが変われば、角度φの余弦で
ある力率（COSφ）を変化させることができる。

【００２９】図４は、充電制御手段７の力率制御の一実
施例である。充電状態検出手段５により検出されたバッ
テリの充電状態が、充電制御手段７に入力される。この
バッテリ充電状態の検出情報の一つとしては、例えば、
バッテリの開放電圧ある。これは、バッテリが満充電に
近づくにつれ開放電圧は高くなる特性を利用するもので
ある。

【００３０】次に、トルク分電流Ｉtと励磁分電流Ｉmの
充電指令であるＩt＊とＩm＊が、充電制御手段７で算定
される。図４において、Ｉt・Ｉm＝（一定）である曲線
上のｂ点は、Ｉt＝Ｉmとなる動作点である。ａ点側は、
Ｉt＞Ｉmとなる任意の動作点の領域である。この動作点
領域は、力率が小さい領域である。ｃ点側は、Ｉt＜Ｉm
となる任意の動作点の領域である。この動作点領域は、
力率が大きい領域である。線分ｏａ、線分ｏｂ、線分ｏ
ｃが、それぞれの動作点における電動機電流Ｉに相当す
る。

【００３１】電気車が走行する場合、電動機電流Ｉのト
ルク分電流Ｉtと励磁分電流Ｉmは、必要な駆動力に応じ
て、ｏｂ線上またはその近傍の領域の動作点で制御され
ている。これに対し、回生制動時の場合、電動機電流Ｉ
のトルク分電流Ｉtと励磁分電流Ｉmは、バッテリの充電
状態に応じて、Ｉt・Ｉm＝（一定）である曲線上を変化
する動作点で制御されている。すなわち、開放電圧が低
い状態から満充電の高い状態に近づくにつれ、動作点が
ａ点側からｃ点側に変化する制御が行われる。そして、
それに応じた充電指令であるＩt＊とＩm＊が算定され、
充電制御手段７から出力される。これにより、モータ１
の力率制御が行われる。

【００３２】以上、一定の制動力を確保して、充電電流
を増減することができる。当発明者の一検討結果によれ
ば、有効制動力の分配されたエネルギであるバッテリ充
電電力とモータ損失とインバータ損失との概略数値は、
次の通りであり、当初の目的を達成することができた。

【００３３】有効制動力＝充電電力＋モータ損失＋インバータ損失１２（Ｋｗ）＝２＋７＋３（Ｋ
ｗ）…充電電力が少ない場合１２（Ｋｗ）＝８＋２＋２（Ｋ
ｗ）…充電電力が多い場合尚、余剰の発電エネルギが、モータ損失やインバータ損
失として消費される場合、一般には、熱エネルギとして
消費されるので、モータやインバータの冷却が課題とな
る。これに対しては、モータの水冷方法やインバータの
強制空冷方法で対応する。特に、最近の電気自動車で
は、水冷式モータが採用されているので幸便である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、バッテリに損傷を与え
ることなく、必要なる回生制動力を確保することができ
るので、電気車の安全運転が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の電気車の概略構成を示
す図である。

【図２】ベクトル制御に関するブロックダイヤグラムの
一実施例を示すものである。

【図３】本発明に係る力率を変える方法の一実施例を示
すベクトル図である。

【図４】本発明に係る充電制御手段の力率制御の一実施
例を示すものである。

【符号の説明】

１…モータ、２…インバータ、３…制御装置、４…バッ
テリ、５…充電状態検出手段、６…運転状態検出手段、
７…充電制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石堂恒雄茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バッテリと、走行駆動用の電動機と、前記
電動機に前記バッテリの電力を供給する電力変換手段
と、前記電力変換手段を制御する制御装置とを備える電
気車の回生制動制御方法において、前記バッテリの蓄電状態に応じて前記電動機の力率を制
御し、前記バッテリに蓄電される蓄電エネルギと前記電
動機および前記電力変換手段で消費される損失エネルギ
との両者に回生された前記電気エネルギを分配する比率
を変えることを特徴とする電気車制動制御方法。
【請求項２】請求項１において、前記電動機の力率を制
御する方法は、前記電動機の電流ベクトル制御方式にお
けるトルク電流ベクトル成分と励磁電流ベクトル成分と
の比率を変える制御であることを特徴とする電気車制動
制御方法。
【請求項３】請求項１において、前記バッテリの蓄電状
態は、バッテリ開放電圧の大小状態であることを特徴と
する電気車制動制御方法。
【請求項４】請求項１において、前記電力変換手段は、
三相半導体式インバータであり、前記電動機は、三相交
流電動機であることを特徴とする電気車制動制御方法。
【請求項５】電源装置と、走行駆動用の電動機と、前記
電動機に前記電源装置の電力を電力変換手段を介して供
給する制御装置とを備えた主回路を有し、電気車の慣性
エネルギを電気エネルギに変換し回生することにより、
前記電気車の制動を制御する電気車制御装置において、回生された前記電気エネルギを蓄電する蓄電手段と、回
生された前記電気エネルギを消費する消費手段と、前記
蓄電手段の蓄電状態に応じて前記電動機の力率を制御し
前記蓄電手段および前記消費手段に分配される前記電気
エネルギの比率を変える力率制御手段とを設けたことを
特徴とする電気車制御装置。
【請求項６】請求項５において、前記力率制御手段は、
前記電動機の電流ベクトル制御方式におけるトルク電流
ベクトル成分と励磁電流ベクトル成分とを制御するもの
であることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項７】請求項５において、前記消費手段は、前記
電力変換手段および前記電動機であることを特徴とする
電気車制御装置。
【請求項８】請求項５において、前記消費手段は、前記
電動機であることを特徴とする電気車制御装置。