特許 6901988 コンバータ制御装置、電気車制御装置、及びコンバータ制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6901988

(24)【登録日】2021年6月22日

(45)【発行日】2021年7月14日

(54)【発明の名称】コンバータ制御装置、電気車制御装置、及びコンバータ制御方法

(51)【国際特許分類】

   B60L 9/18 20060101AFI20210701BHJP

   B60L 3/00 20190101ALI20210701BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20210701BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20210701BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20210701BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20210701BHJP

【ＦＩ】

   B60L9/18 A

   B60L3/00 S

   H02M7/12 B

   H02J7/00 P

   H02J7/00 Y

   H01M10/44 P

   H01M10/48 P

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-50429(P2018-50429)

(22)【出願日】2018年3月19日

(65)【公開番号】特開2019-165522(P2019-165522A)

(43)【公開日】2019年9月26日

【審査請求日】2020年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100124682

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100104710

【弁理士】

【氏名又は名称】竹腰 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(72)【発明者】

【氏名】田口 義晃

(72)【発明者】

【氏名】小笠 正道

(72)【発明者】

【氏名】門脇 悟志

(72)【発明者】

【氏名】三木 真幸

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０９３４９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−０２０００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３０３５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ ９／１８

Ｂ６０Ｌ ３／００

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するコンバータ制御装置であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成するリプル電流制御部であって、当該無効電流波形の振幅を、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値（以下「蓄電池リプル電流実効値」という）と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて決定するリプル電流制御部、
を具備し、所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させるコンバータ制御装置。

【請求項2】

前記蓄電池の電圧を検出する検出器によって検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、前記蓄電池リプル電流実効値とを用いて、前記蓄電池の内部抵抗を算出する蓄電池内部抵抗算出部、
を更に備えた請求項１に記載のコンバータ制御装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のコンバータ制御装置を備えた電気車制御装置であって、前記電気車の起動時の暖機運転中に、前記コンバータ制御装置に対して、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行わせる電気車制御装置。

【請求項4】

コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成することであって、当該無効電流波形の振幅を、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値（以下「蓄電池リプル電流実効値」という）と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて決定して、当該無効電流指令値を生成することと、
所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させることと、
を含むコンバータ制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンバータ、インバータ、及び蓄電池を具備した電気車におけるコンバータ制御装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

主回路に蓄電池を接続して搭載し、架線からの供給電力と蓄電池の放電電力との一方或いは両方によって主電動機を駆動する電気車の開発が進められている。このような電気車は、ハイブリッド電気車あるいはハイブリッド車両等とも呼ばれており、架線からの供給電力や回生エネルギーによって蓄電池を充電したり、非電化区間では蓄電池の放電電力によって主電動機を駆動して走行可能であるといった特徴がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−６４３９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、電気車における蓄電池を安全且つ長寿命に使用するためには、次の２つの課題がある、

【0005】

蓄電池には、低温下での容量低下という短所があるため、寒冷地や冬期の走行時には、蓄電池の加温が必要である。蓄電池を加温する手法としては、外部にヒータを設置する手法や、蓄電池を充電或いは放電（まとめて「通電」という）して内部発熱させる手法がある。前者の手法では、外部装置を追加設置することになり、設置スペースやコストの他、内部発熱に比較して蓄電池が充分に暖まるまでに時間を要するといった問題がある。後者の手法では、放電によって充電率が低下する問題や、満充電に近い場合には充電電流の電流値に制約が生じるといった問題がある。

【0006】

また、蓄電池の劣化の程度や寿命の目安となる蓄電池の内部抵抗を知る必要がある。内部抵抗は、通電電流を変化させて、そのときの蓄電池電圧の変化から正確に算出することができる。蓄電池の充電及び放電は一定直流電力で行われるため、内部抵抗を算出するためには、充電及び放電を一時中断する必要があるとともに、通電電流を変化させる必要がある。つまり、蓄電池充電及び放電を行いながら内部抵抗を正確に算出することは困難であるとともに、内部抵抗の測定用に通電電流を変化させる外部装置が必要となると、設置スペースやコストの問題も生じる。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、第１の目的とするところは、主回路に接続される蓄電池に対する効果的な加温を行う新たな技術を提案することである。また、第２の目的とするところは、蓄電池の内部抵抗をより正確に且つ任意のタイミングで算出可能とする新たな技術を提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するための第１の発明は、
コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するコンバータ制御装置であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成するリプル電流制御部、
を具備し、所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させるコンバータ制御装置である。

【0009】

他の発明として、
コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成することと、
所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させることと、
を含むコンバータ制御方法を構成しても良い。

【0010】

この第１の発明等によれば、架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成し、コンバータ電流指令値に重畳することで、蓄電池の充電電流に含まれるリプル成分を増加することができる。蓄電池の充電電流に重畳したリプル成分を増加することによって、蓄電池の内部発熱を増大させ、蓄電池を効果的に加温することができる。充電電流に重畳するリプル電流によって、蓄電池の充電電流の平均値は変化しない。

【0011】

第２の発明として、第１の発明のコンバータ制御装置であって、
前記リプル電流制御部は、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値（以下「蓄電池リプル電流実効値」という）と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて、前記無効電流波形の振幅を決定する、
コンバータ制御装置を構成しても良い。

【0012】

この第２の発明によれば、無効電流指令値である無効電流波形の振幅は、検出された蓄電池リプル電流実効値と、この蓄電池リプル電流実効値の指令値との差に基づいて決定される。これにより、例えば希望する加温の速さや環境温度等に応じて蓄電池リプル電流実効値の指令値を変えることで、必要に応じた蓄電池の加温が可能となる。

【0013】

第３の発明として、第２の発明のコンバータ制御装置であって、
前記蓄電池の電圧を検出する検出器によって検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、前記蓄電池リプル電流実効値とを用いて、前記蓄電池の内部抵抗を算出する蓄電池内部抵抗算出部、
を更に備えたコンバータ制御装置を構成しても良い。

【0014】

この第３の発明によれば、検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、蓄電池リプル電流実効値とを用いて、蓄電池の内部抵抗を算出することができる。これにより、蓄電池の充電及び放電を行いつつ、蓄電池の内部抵抗を算出することができる。

【0015】

第４の発明は、
第１〜第３の何れかの発明のコンバータ制御装置を備えた電気車制御装置であって、前記電気車の起動時の暖機運転中に、前記コンバータ制御装置に対して、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行わせる電気車制御装置である。

【0016】

この第４の発明によれば、電気車の起動時の暖機運転中に、コンバータ電流指令値に無効電流指令値を重畳させて蓄電池リプル電流を増大する制御を行い、蓄電池を内部発熱させて加温することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】電気車の主回路構成の概略図。

【図2】コンバータ制御装置の制御ブロック図。

【図3】無効電流制御を実行／非実行としたときの電圧及び電流の波形図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［回路構成］
図１は、本実施形態における電気車の主回路構成の概略図である。本実施形態の電気車は、交流電化区間を走行する電気車であり、主回路として、コンバータ１２と、インバータ１６と、主電動機１８と、蓄電池２０とを備えるとともに、電気車制御装置３０を搭載している。本実施形態の電気車は、交流電化区間を走行可能であればよいため、交流電気車でも交直流電気車でもよい。

【0019】

コンバータ１２は、ＰＷＭコンバータであり、入力側が主変圧器１０の二次巻線に接続され、出力側が直流中間回路１４に接続されている。直流中間回路１４は、直流ステージとも呼ばれ、コンバータ１２とインバータ１６との間の直流に係る回路部分である。コンバータ１２は、主変圧器１０を介して架線１から供給される単相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１２の動作は、電気車制御装置３０からのコンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}に従ったＰＷＭ制御によって実現される。

【0020】

なお、本実施形態では、説明の簡明化のため、電気車制御装置３０のコンバータ制御装置３２がコンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成・出力して、コンバータ１２がゲートパルス信号を内部で生成することとして説明するが、コンバータ制御装置３２がコンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成するとともに、このコンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を三角波キャリアと比較してゲートパルス信号を生成し、ゲートパルス信号をコンバータ１２に出力する構成としてもよいことは勿論である。

【0021】

直流中間回路１４にはフィルタコンデンサＣ_ｄｃが設けられている。インバータ１６は、入力側が直流中間回路１４に接続され、出力側が主電動機１８に接続されている。インバータ１６は、フィルタコンデンサＣ_ｄｃを介して直流中間回路１４の電圧である直流ステージ電圧ｖ_ｄｃを入力し、三相交流電圧に変換して、駆動電力として主電動機１８に供給する。

【0022】

蓄電池２０は、直列接続されたフィルタリアクトルＬ_ｆを介して直流中間回路１４に接続されており、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃとの相対電位差によって充電或いは放電を行う。

【0023】

電気車制御装置３０は、コンバータ１２を制御するコンバータ制御装置３２と、充電制御部３４と、無効電流制御部３６とを有する。

【0024】

図２は、コンバータ制御装置３２の制御ブロック図である。コンバータ制御装置３２は、コンバータ制御部１００と、リプル電流制御部１２０と、内部抵抗算出部１４０と、を有する。

【0025】

コンバータ制御部１００は、蓄電池電流ｉ_ｂと、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃと、架線電圧ｖ_ｐと、コンバータ電流ｉ_ｃと、蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}と、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}とを入力し、コンバータ１２に対するコンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成してコンバータ１２を制御する。蓄電池電流ｉ_ｂは、蓄電池２０に直列接続された電流計による計測値であり、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃは、フィルタコンデンサＣ_ｄｃに並列接続された電圧計による計測値であり、架線電圧ｖ_ｐは、主変圧器１０の一次巻線に並列接続された計器用変圧器を介した電圧計による計測値または他の巻線電圧に基づく推定値であり、コンバータ電流ｉ_ｃは、コンバータ１２の入力側（交流側）に直列接続された電流計による計測値である。また、蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}は、充電制御部３４から入力され、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}は、リプル電流制御部１２０から入力される。

【0026】

コンバータ制御部１００の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、先ず、蓄電池平均電流制御部１０４が、蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}と、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１０２によって抽出された蓄電池電流ｉ_ｂの蓄電池平均電流ｉ_ｂａとに基づき、直流ステージ電圧指令値ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}を生成する。蓄電池平均電流制御部１０４は、例えば、蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}と、蓄電池平均電流ｉ_ｂａとの差分Δｉ_ｂに対するＰＩ制御によって、蓄電池平均電流ｉ_ｂａが蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}に追従するように、直流ステージ電圧指令値ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}を生成する。

【0027】

次いで、直流ステージ電圧制御部１０６が、直流ステージ電圧指令値ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}と、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃとに基づき、コンバータ電流ｉ_ｃのｄ軸電流指令値ｉ_{ｃｄ＿ｒｅｆ}を生成する。直流ステージ電圧制御部１０６は、例えば、直流ステージ電圧指令値ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}と、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃとの差分Δｖ_ｄｃに対するＰＩ制御によって、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃが直流ステージ電圧指令値ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}に追従するように、コンバータ電流ｉ_ｃのｄ軸電流指令値ｉ_{ｃｄ＿ｒｅｆ}を生成する。

【0028】

また、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）１０８が、架線電圧ｖ_ｐの位相θを検出して出力し、ｓｉｎ演算器１１０が、この架線電圧ｖ_ｐの位相θと一致した同相波形値を生成する。そして、乗算器１１２が、直流ステージ電圧制御部１０６によって生成されたコンバータ電流ｉ_ｃのｄ軸電流指令値ｉ_{ｃｄ＿ｒｅｆ}に、ｓｉｎ演算器１１０によって生成された同相波形値を乗算してコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｄ}を生成する。続いて、加算器１１４が、コンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｄ}に、リプル電流制御部１２０から入力される無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を加算してコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成する。

【0029】

そして、コンバータ電流制御部１１６が、コンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}と、コンバータ電流ｉ_ｃとに基づき、コンバータ電圧指令ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成する。コンバータ電流制御部１１６は、例えば、コンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}とコンバータ電流ｉ_ｃとの差分Δｉ_ｃに対するＰＩ制御によって、コンバータ電流ｉ_ｃがコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}に追従するように、コンバータ電圧指令値ｖ_{ｃ＿ｒｅｆ}を生成する。

【0030】

リプル電流制御部１２０は、蓄電池電流ｉ_ｂと、蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}と、実行選択信号Ｓ１と、位相選択信号Ｓ２とを入力して、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を生成し、この無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}をコンバータ制御部１００のコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}に重畳させて、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分を制御する。蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}と、実行選択信号Ｓ１と、位相選択信号Ｓ２とは、無効電流制御部３６から入力される。

【0031】

リプル電流制御部１２０の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、先ず、周波数フィルタであるＢＰＦ（Band Pass Filter）１２２が、蓄電池電流ｉ_ｂから架線電圧ｖ_ｐの周波数ｆ_ｐの２倍の周波数２ｆ_ｐの周波数成分をリプル成分ｉ_ｂｒとして抽出する。そして、抽出したリプル成分ｉ_ｂｒの実効値を実効値演算器１２４が蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒとして算出する。次いで、加算器１２６が、蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}から蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒを差し引いて差分ΔＩ_ｂを算出する。続いて、ＰＩ制御器１２８が、この差分ΔＩ_ｂに対するＰＩ制御を行って、蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒが蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}に追従するように、指令値Ｉ_ｑを生成する。更に、リミッタ１３０が、指令値Ｉ_ｑが、上限値Ｉ_ｑｍａｘを超えないように制限して、セレクタ１３２の一方の入力端子に出力する。

【0032】

セレクタ１３２は、一方の入力端子にリミッタ１３０の出力値が入力され、他方の入力端子に固定値「０」が入力されており、実行選択信号Ｓ１に従って、入力端子の何れかを選択的に出力端子に接続する。実行選択信号Ｓ１は、無効電流制御を実行するか否かを指示する信号である。実行選択信号Ｓ１によって「実行」が指示されると、セレクタ１３２は、一方の入力端子を出力端子に接続することで、指令値Ｉ_ｑを係数演算器１３４に出力させる。「非実行」が指示されると、他方の入力端子を出力端子に接続することで、「０」を係数演算器１３４に出力させる。

【0033】

係数演算器１３４は、セレクタ１３２からの出力値に所定の係数Ｋを乗算してコンバータ電流ｉ_ｃのｑ軸電流指令値ｉ_{ｃｑ＿ｒｅｆ}を生成する。係数Ｋは、位相選択信号Ｓ２に従って「−１」或いは「１」が選択される。位相選択信号Ｓ２は、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を遅れの無効電流とするか進みの無効電流とするかを指示する信号である。係数演算器１３４は、位相選択信号Ｓ２が「遅れ」の無効電流を指示する場合には「−１」を選択し、「進み」の無効電流を指示する場合には「１」を選択して、セレクタ１３２からの出力値に乗算する。

【0034】

また、ｃｏｓ演算器１３６は、コンバータ制御部１００のＰＬＬ１０８によって検出された架線電圧ｖ_ｐの位相θを９０度進ませた進み波形値を生成する。そして、乗算器１３８が、進み波形値にコンバータ電流ｉ_ｃのｑ軸電流指令値ｉ_{ｃｑ＿ｒｅｆ}を乗算することで無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を生成する。

【0035】

つまり、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}は、架線電圧ｖ_ｐに対する遅れの無効電流波形、或いは、進みの無効電流波形であり、その振幅が、蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒと、蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}との差分に応じた値となっている。

【0036】

内部抵抗算出部１４０は、蓄電池電圧ｖ_ｂを入力し、蓄電池２０の内部抵抗値Ｚ_ｂを算出する。内部抵抗算出部１４０の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、ＢＰＦ１４２が、蓄電池電圧ｖ_ｂから架線電圧ｖ_ｐの周波数ｆ_ｐの２倍の周波数２ｆ_ｐの周波数成分をリプル成分ｖ_ｂｒとして抽出する。次いで、抽出したリプル成分ｖ_ｂｒの実効値を実効値演算器１４４が蓄電池リプル電圧実効値Ｖ_ｂｒとして算出する。そして、乗除算器１４６が、蓄電池リプル電圧実効値Ｖ_ｂｒを、蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒで除算することで蓄電池２０の内部抵抗値Ｚ_ｂを算出する。

【0037】

図１に戻り、充電制御部３４は、蓄電池電流指令値Ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}をコンバータ制御装置３２に出力して、コンバータ制御装置３２による蓄電池２０の充電を制御する。

【0038】

無効電流制御部３６は、蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}と、実行選択信号Ｓ１と、位相選択信号Ｓ２とをコンバータ制御装置３２に出力することで、コンバータ制御装置３２による、蓄電池電流ｉ_ｂにリプル成分を重畳させる無効電流制御の実行を制御する。具体的には、実行選択信号Ｓ１を「実行」とすることで、無効電流制御を実行させ、実行選択信号Ｓ１を「非実行」とすることで、無効電流制御を実行させないようにすることができる。無効電流制御を実行させるときには、位相選択信号Ｓ２によって、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を、「遅れ」の電流指令値とするか、「進み」の電流指令値とするかを指示することができる。また、蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}は、所望する蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分の実効値の大きさに応じて設定することができる。無効電流制御を実行させると、無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}がコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}に重畳されることで、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃにリプル成分が重畳・増加されることとなる。この結果、蓄電池電流ｉ_ｂにリプル成分が重畳・増加する。そして、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分によって蓄電池２０が内部発熱し、これによって蓄電池２０を加温することができる。

【0039】

また、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分によって蓄電池電圧ｖ_ｂにもリプル成分が生じるため、内部抵抗算出部１４０による蓄電池２０の内部抵抗値Ｚ_ｂの算出が可能となる。無効電流制御が実行されていない場合、直流ステージ電圧ｖ_ｄｃは直流電圧であるため、蓄電池電流ｉ_ｂ、及び、蓄電池電圧ｖ_ｂそれぞれのリプル成分は無い又は非常に小さく、内部抵抗算出部１４０による除乗算器１４６を用いた内部抵抗値Ｚ_ｂの算出は精度が低いものとなる。

【0040】

これらのことから、無効電流制御部３６は、例えば、電気車の起動時の暖機運転中などの蓄電池２０の加温が必要なときに無効電流制御を実行させることで、追加装置の必要が無く、蓄電池２０を加温することができる。また、電気車の起動時の暖機運転中の他、所定時間（例えば、数時間）毎などの定期あるいは不定期に無効電流制御を実行させて蓄電池２０の内部抵抗値Ｚ_ｂを算出することで、例えば、蓄電池２０の劣化状態の把握などをすることができる。

【0041】

［動作］
図３は、無効電流制御における動作を説明するための図であり、回路シミュレーションによって求めたコンバータ制御装置３２における架線電圧ｖ_ｐ、コンバータ電流ｉ_ｃ、及び、蓄電池電流ｉ_ｂそれぞれの波形例を示している。図３（ａ）〜（ｃ）は、蓄電池２０を、比較的小さな蓄電池電流ｉ_ｂで充電（小電流充電）する場合の波形例であり、図３（ｄ）〜（ｆ）は、蓄電池２０を、比較的大きな蓄電池電流ｉ_ｂで充電（大電流充電）する場合の波形例である。また、図３（ａ），（ｄ）は、無効電流制御を行わない場合、すなわち、実行選択信号Ｓ１を「非実行」とした場合の波形例である。図３（ｂ），（ｅ）は、無効電流制御を行うとともに、遅れの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}とした場合、すなわち、実行選択信号Ｓ１を「実行」とし、位相選択信号Ｓ２を「遅れ」とした場合の波形例である。図３（ｃ），（ｆ）は、無効電流制御を行うとともに、進みの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}とした場合、すなわち、実行選択信号Ｓ１を「実行」とし、位相選択信号Ｓ２を「進み」とした場合の波形例である。また、図３（ａ）〜（ｆ）は、何れも、蓄電池電流ｉ_ｂの平均値Ｉ_ｂａが蓄電池電流指令値ｉ_{ｂ＿ｒｅｆ}に一致するよう蓄電池平均電流制御を行っているとともに、図３（ｂ），（ｃ），（ｅ），（ｆ）は、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分の実効値Ｉ_ｂｒが蓄電池リプル電流実効値指令値Ｉ_{ｂｒ＿ｒｅｆ}と一致するよう無効電流制御を行っている。

【0042】

図３（ａ），（ｄ）は、ともに無効電流制御を行わない場合であり、図３（ａ）の小電流充電の場合より、図３（ｄ）の大電流充電の場合のほうが、蓄電池平均電流ｉ_ｂａが大きい。また、図３（ａ）が小電流充電であり、図３（ｄ）が大電流充電であるため、コンバータ電流ｉ_ｃ及び蓄電池電流ｉ_ｂの振幅は、図３（ｄ）の大電流充電のほうが大きい。また、架線電圧ｖ_ｐと、コンバータ電流ｉ_ｃとは同位相である。また、蓄電池電流ｉ_ｂに含まれるリプル成分は、図３（ａ）の小電流充電の場合には僅かであるが、図３（ｄ）の大電流充電の場合には、蓄電池平均電流ｉ_ｂａが大きいため、含まれるリプル成分も大きくなっている。

【0043】

図３（ａ），（ｂ）を比較すると、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分が増加していることがわかる。但し、蓄電池平均電流ｉ_ｂａは、無効電流制御を行う場合も行わない場合も同じであり、無効電流制御を行っても、蓄電池２０の充電電流の実効値は変化しない。また、図３（ｂ）では、遅れの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}がコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}に重畳されるため、コンバータ電流ｉ_ｃの振幅が増加するととともに、架線電圧ｖ_ｐに対してコンバータ電流ｉ_ｃの位相が遅れている。そして、コンバータ電流ｉ_ｃが遅れ電流となることで、架線電圧ｖ_ｐの振幅が僅かに低下している。

【0044】

図３（ａ），（ｃ）を比較すると、同様に、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分が増加している。但し、蓄電池平均電流ｉ_ｂａは、無効電流制御を行う場合も行わない場合も同じである。また、図３（ｃ）では、進みの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}がコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}に重畳されるため、コンバータ電流ｉ_ｃの振幅が増加するとともに、架線電圧ｖ_ｐに対してコンバータ電流ｉ_ｃの位相が進んでいる。そして、コンバータ電流ｉ_ｃが進み電流となることで、架線電圧ｖ_ｐの振幅が僅かに上昇している。

【0045】

また、図３（ｄ）〜（ｆ）の大電流充電時においても、図３（ｄ），（ｅ）の比較、図３（ｄ），（ｆ）の比較は同様である。すなわち、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流ｉ_ｂのリプル成分が増加する。遅れの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}とすることで、コンバータ電流ｉ_ｃが架線電圧ｖ_ｐに対して遅れ、架線電圧ｖ_ｐの振幅が僅かに減少する。一方、進みの無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}とすることで、コンバータ電流ｉ_ｃが架線電圧ｖ_ｐに対して進み、架線電圧ｖ_ｐの振幅が僅かに上昇する。

【0046】

［作用効果］
このように、本実施形態によれば、架線電圧ｖ_ｐに対する無効電流波形でなる無効電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆｑ}を生成しコンバータ電流指令値ｉ_{ｃ＿ｒｅｆ}に重畳することで、蓄電池電流ｉ_ｂに含まれるリプル成分を増加させ、蓄電池２０に生じる内部発熱を増大させて蓄電池２０を効果的に加温することができる。蓄電池電流ｉ_ｂに重畳するリプル電流は、架線電圧ｖ_ｐに対する無効電流であるので、リプル成分の重畳によって蓄電池電流ｉ_ｂの実効値ｉ_ｂａは変化しない。また、蓄電池電流ｉ_ｂにリプル成分を重畳することで、蓄電池電圧ｖ_ｂのリプル成分の実効値Ｖ_ｂｒと、蓄電池リプル電流実効値Ｉ_ｂｒとを用いて、蓄電池２０の内部抵抗を算出することができる。つまり、蓄電池２０の充電及び放電を行いつつ、蓄電池２０の内部抵抗を算出することができる。また、これらの作用効果は、蓄電池２０を小電流充電するときも、大電流充電するときも同様に奏される。したがって、任意のタイミングで蓄電池２０の加温や、内部抵抗の算出を行うことができる。

【符号の説明】

【0047】

１ 架線
１０ 主変圧器
１２ コンバータ
１４ 直流中間回路（直流ステージ）
１６ インバータ
１８ 主電動機
２０ 蓄電池
３０ 電気車制御装置
３２ コンバータ制御装置
１００ コンバータ制御部、１２０ リプル電流制御部、１４０ 内部抵抗算出部
３４ 充電制御部
３６ 無効電流制御部

【図1】

【図2】

【図3】