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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024098358
(43)【公開日】2024-07-23
(54)【発明の名称】電源システム
(51)【国際特許分類】
H02M 3/00 20060101AFI20240716BHJP
B60M 3/06 20060101ALI20240716BHJP
B60L 9/18 20060101ALI20240716BHJP
H02H 7/12 20060101ALI20240716BHJP
H02H 7/18 20060101ALI20240716BHJP
【ＦＩ】
H02M3/00 C
B60M3/06 B
B60L9/18 L
H02H7/12 G
H02H7/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023001822
(22)【出願日】2023-01-10
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】598076591
【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】野木 雅之
(72)【発明者】
【氏名】森 学人
【テーマコード（参考）】
5G053
5H125
5H730
【Ｆターム（参考）】
5G053AA14
5G053BA01
5G053BA04
5G053EA01
5G053EA09
5G053EC02
5G053FA05
5H125AA05
5H125AC02
5H125AC03
5H125BA04
5H125BB07
5H125CA02
5H125CA04
5H125EE52
5H125EE53
5H125EE57
5H730AA12
5H730AA20
5H730AS01
5H730AS08
5H730AS17
5H730DD03
5H730DD04
5H730FD01
5H730FD11
5H730FD51
5H730FD61
5H730FF09
5H730FG25
5H730FG26
5H730XX02
5H730XX04
5H730XX12
5H730XX13
5H730XX19
5H730XX21
5H730XX22
5H730XX26
5H730XX32
5H730XX33
5H730XX35
5H730XX38
5H730XX40
5H730XX47
5H730XX50
(57)【要約】
【課題】 小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供する。
【解決手段】 実施形態による電源システムは、直流電源１と、直流電源１から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器２と、電力変換器２の動作を制御する変換器制御部５と、電力変換器２の温度情報および電力変換器１の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における電力変換器２の寿命消費量を算出する第１寿命評価部７と、寿命消費量を積算した積算値と予め設定された寿命計画とを用いて電力変換器２の出力を調整するための変換器制御部５への指令値を生成する負荷管理制御部８と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源と、
前記直流電源から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記電力変換器の温度情報および前記電力変換器の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における前記電力変換器の寿命消費量を算出する第１寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
前記直流電源から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記電力変換器の温度情報および前記電力変換器の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における前記電力変換器の寿命消費量を算出する第１寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
【請求項2】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記電力変換器の温度情報は、前記パワー半導体素子のジャンクション温度の時系列情報、前記パワー半導体素子を含むモジュールのケース温度の時系列情報、および、前記所定期間における前記パワー半導体素子のジャンクション温度の最大値の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の電源システム。
前記電力変換器の温度情報は、前記パワー半導体素子のジャンクション温度の時系列情報、前記パワー半導体素子を含むモジュールのケース温度の時系列情報、および、前記所定期間における前記パワー半導体素子のジャンクション温度の最大値の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の電源システム。
【請求項3】
前記時系列情報のサンプリング周期は１ｓ以下である、請求項２記載の電源システム。
【請求項4】
前記所定期間は前記電力変換器の負荷サイクルの１周期以上の期間であり、
前記寿命消費量は、前記パワー半導体素子の温度変化による熱疲労解析を行うことにより算出される、請求項３記載の電源システム。
前記寿命消費量は、前記パワー半導体素子の温度変化による熱疲労解析を行うことにより算出される、請求項３記載の電源システム。
【請求項5】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記第１寿命評価部は、前記制御指令値に基づく前記パワー半導体素子のオン時間により、前記パワー半導体素子の前記寿命消費量を算出する、請求項１記載の電源システム。
前記第１寿命評価部は、前記制御指令値に基づく前記パワー半導体素子のオン時間により、前記パワー半導体素子の前記寿命消費量を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項6】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記負荷管理制御部は、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数の変更する前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
前記負荷管理制御部は、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数の変更する前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項7】
前記直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールを含むき電回路であり、
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の最高速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の最高速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項8】
前記直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールを含むき電回路であり、
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の加速度および減速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の加速度および減速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項9】
蓄電池と、
前記蓄電池から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記蓄電池に関する情報に基づいて所定期間における前記蓄電池の寿命消費量を算出する第２寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
前記蓄電池から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記蓄電池に関する情報に基づいて所定期間における前記蓄電池の寿命消費量を算出する第２寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
【請求項10】
前記蓄電池に関する情報は、前記蓄電池のエネルギー容量および内部抵抗値の少なくともいずれかを含む、請求項９記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電源システムに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば直流電気鉄道の電力供給システムである直流き電システムは、負荷変動が激しく、き電線電圧変動が大きい特性になっている。また、直流き電システムでは、ダイオード整流器を用いて直流電源を生成することが一般的であるため、交流電源系統への電源回生は、回生インバータを設置しなければ実施することができず、回生車の回生電流を吸収する十分な負荷が回生車周辺に存在しなければ、回生車は回生失効に陥ることになる。
【0003】
上記のような電圧変動や回生失効に対応するため、直流電気鉄道車両に蓄電池を設置することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第6786012号公報
【特許文献2】特許第5377538号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一方、架線の電圧に応じて充電と放電とを繰り返す直流き電システムでは、複数の列車の加減速に伴い架線電圧の変動が発生するため、蓄電池の充放電のパターンが一律に定まらない。また、鉄道車両駆動用の電力変換装置では、荷重条件や列車ダイヤ、信号システム等によって負荷パターンが定型化できないこともある。そのため、蓄電池や電力変換器の寿命が設計期待値より短命となり、早期に故障に至るというリスクがあった。早期故障のリスクを回避するために、装置寿命として十分に余裕を持った設計を行うと、装置規模が大型化したり、高コスト化したりする傾向があった。
【0006】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態による電源システムは、直流電源と、前記直流電源から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、前記電力変換器の温度情報および前記電力変換器の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における前記電力変換器の寿命消費量を算出する第１寿命評価部と、前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態の電源システムについて図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の電源システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電源システム１０は、負荷３である電気車（電気車を走行させるための電動機及びそれを駆動する電力変換器）へ電力を供給するとともに負荷３から回生される電力を蓄電池１へ充電するシステムであって、蓄電装置と、電力変換装置と、監視制御装置と、インタフェース部９と、を備えている。
図１は、第１実施形態の電源システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電源システム１０は、負荷３である電気車（電気車を走行させるための電動機及びそれを駆動する電力変換器）へ電力を供給するとともに負荷３から回生される電力を蓄電池１へ充電するシステムであって、蓄電装置と、電力変換装置と、監視制御装置と、インタフェース部９と、を備えている。
【0010】
なお、負荷３は、架線およびレール若しくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路と、複数の電気車と、を含んでいてもよい。その場合には、電源システム１０は、き電回路を介して複数の電気車へ電力を供給する。
【0011】
蓄電装置は、直流電源である蓄電池１と、蓄電池監視部４と、を備えている。
蓄電池１は、例えば複数の電池セルを組み合わせて構成されている。なお、蓄電装置は蓄電池１に限らず直流電源を備えていればよく、蓄電池１に代えて、コンデンサやフライホイールのエネルギー蓄積デバイスや、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路であってもよい。
蓄電池１は、例えば複数の電池セルを組み合わせて構成されている。なお、蓄電装置は蓄電池１に限らず直流電源を備えていればよく、蓄電池１に代えて、コンデンサやフライホイールのエネルギー蓄積デバイスや、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路であってもよい。
【0012】
蓄電池監視部４は、蓄電池１の電圧や温度の値を測定する測定回路と、管理回路（いずれも図示せず）と、を備える。蓄電池監視部４は、蓄電池１の充電電流および放電電流の値を測定する測定器を更に備えていてもよく、この場合には、測定された電流の値も監視する。
【0013】
管理回路は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリとを備えた演算回路である。管理回路は、例えば、測定値に基づいて電池容量（ＳＯＣ）や、蓄電池１の健全度（ＳＯＨ）を演算する。蓄電池１の健全度は、例えば、蓄電池１の容量劣化率、蓄電池１を構成する電池セルの内部抵抗値などである。
【0014】
電力変換装置は、電力変換器２と、スイッチング制御部５と、を備えている。
電力変換器２は、蓄電池１から供給される直流電力を所定の電力に変換して負荷３へ出力する電力変換器２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのパワー半導体素子を複数備えている。
電力変換器２は、蓄電池１から供給される直流電力を所定の電力に変換して負荷３へ出力する電力変換器２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのパワー半導体素子を複数備えている。
【0015】
図２は、図１に示す電力変換装置のパワー半導体素子の一構成例を概略的に示した図である。
電力変換器２は、複数のパワー半導体素子ＳＷが形成されるモジュールベースＭＢを備えている。モジュールベースＭＢは、例えば銅や、ＡｌＳｉＣにより形成されている。
電力変換器２は、複数のパワー半導体素子ＳＷが形成されるモジュールベースＭＢを備えている。モジュールベースＭＢは、例えば銅や、ＡｌＳｉＣにより形成されている。
【0016】
パワー半導体素子ＳＷの各々は、モジュールベースＭＢ上にはんだ層Ｌ１を介して配置された絶縁基板Ｌ２と、絶縁基板Ｌ２上にはんだ層Ｌ３を介して配置された半導体チップＬ４と、半導体チップＬ４に電気的に接続されたボンディングワイヤＢＷと、を備えている。ボンディングワイヤＢＷはアルミや銅により形成された配線であって、例えば超音波接合により半導体チップＬ４に接続されている。
【0017】
スイッチング制御部５は、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリとを備えた演算回路を含み、ソフトウエアにより又はソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより、以下に説明する種々の機能を実現することができる。
【0018】
スイッチング制御部５は、電力変換器２の複数のパワー半導体の動作を制御する。スイッチング制御部５は、後述する負荷管理制御部８から供給される指令値に応じたゲート信号を生成し、電力変換器２へ出力する。また、スイッチング制御部５は、パワー半導体素子の推定ジャンクション温度（最大接合部温度）、推定ケース温度（図２に示すモジュールベースの温度）、電力変換器２を冷却しているフィンの周囲環境温度など、電力変換器２の温度情報を、第１寿命評価部７に出力する。
【0019】
スイッチング制御部５は、電力変換器２が負荷３に対して直流電力を供給する場合、電力変換器２と負荷３との間の直流電路の電圧を検出し、検出値が所定閾値を超えると電力変換器２が蓄電池１に対して充電し、所定閾値を下回ると電力変換器２が負荷３に対して放電するように制御を行ってもよい。
【0020】
図４は、図１に示す蓄電池の充放電特性の一例を概略的に示した図である。
この例では、スイッチング制御部５は、例えば直流電路の電圧がＶ１を超えたときに、蓄電池１を充電し、直流電路の電圧がＶ２を下回ったときに蓄電池１を放電するように、電力変換器２を制御する。
監視制御装置は、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリとを備えた演算装置であって、ソフトウエアにより又はソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより、以下に説明する種々の機能を実現することができる。
この例では、スイッチング制御部５は、例えば直流電路の電圧がＶ１を超えたときに、蓄電池１を充電し、直流電路の電圧がＶ２を下回ったときに蓄電池１を放電するように、電力変換器２を制御する。
監視制御装置は、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリとを備えた演算装置であって、ソフトウエアにより又はソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより、以下に説明する種々の機能を実現することができる。
【0021】
監視制御装置は、第２寿命評価部６と、第１寿命評価部７と、負荷管理制御部８と、を備えている。
第１寿命評価部７は、電力変換器２の寿命を評価する手段であって、例えば複数のパワー半導体素子ＳＷを含むモジュールの寿命を評価する。パワー半導体素子ＳＷの故障として、例えば、半導体チップＬ４の温度変化（ΔＴｊ）による熱サイクル疲労によって、ボンディングワイヤＢＷが半導体チップＬ４から剥離する故障や、モジュールベースＭＢの温度変化（ΔＴｃ）による熱サイクル疲労によってはんだ層Ｌ１にクラックが入り、半導体チップＬ４とモジュールベースＭＢとの間の熱抵抗が上昇し、最終的に半導体チップＬ４が破壊する故障がある。
第１寿命評価部７は、電力変換器２の寿命を評価する手段であって、例えば複数のパワー半導体素子ＳＷを含むモジュールの寿命を評価する。パワー半導体素子ＳＷの故障として、例えば、半導体チップＬ４の温度変化（ΔＴｊ）による熱サイクル疲労によって、ボンディングワイヤＢＷが半導体チップＬ４から剥離する故障や、モジュールベースＭＢの温度変化（ΔＴｃ）による熱サイクル疲労によってはんだ層Ｌ１にクラックが入り、半導体チップＬ４とモジュールベースＭＢとの間の熱抵抗が上昇し、最終的に半導体チップＬ４が破壊する故障がある。
【0022】
第１寿命評価部７は、スイッチング制御部５から取得したパワー半導体素子ＳＷおよびモジュールの温度の履歴を用いて、前述の熱サイクルがパワー半導体素子ＳＷおよびモジュール与えるダメージを計算することにより、電力変換器２の故障による寿命を評価する。また、第１寿命評価部７は、パワー半導体素子ＳＷのオン時間に基づいて、前記パワー半導体に蓄積されるダメージ（寿命消費量）を計算することができる。本実施形態では、第１寿命評価部７は、例えば、先に述べた熱サイクル疲労によるボンディングワイヤＢＷの寿命評価値（寿命消費量）と、はんだ層Ｌ１のクラックによる寿命評価値と（寿命消費量）と、パワー半導体素子ＳＷのオン時間に基づく寿命消費量とを加算した値、若しくは少なくともいずれかの値を、負荷管理制御部８へ供給する。
【0023】
第２寿命評価部６は、蓄電池監視部４で得られた情報に基づいて、蓄電池１の寿命消費量を算出する蓄電池寿命評価部である。具体的な蓄電池の寿命に関する定義は、用途に応じて異なるものであるが、例えば、蓄電池１が充電または放電可能なエネルギー（エネルギー容量）や、蓄電池１の内部抵抗値の少なくともいずれかを評価項目とすることができる。本実施形態では、第２寿命評価部６は、蓄電池監視部４から蓄電池１（又は電池セル）の温度、電圧、充電率、充電電流を取得し、蓄電池１の内部抵抗値、充電可能容量、放電可能容量の少なくともいずれか（蓄電池１に関する情報）に基づく評価結果（寿命消費量）を負荷管理制御部８に出力する。
【0024】
負荷管理制御部８は、第２寿命評価部６および第１寿命評価部７から、蓄電池１および電力変換器２の少なくともいずれかの寿命消費量を取得し、予め設定された寿命計画に沿う（若しくは下回らない）寿命消費をするように電力変換器２の出力を制御する指令値を生成し、スイッチング制御部５に指令値を出力する。寿命計画は、インタフェース部９を操作するユーザにより入力されてもよい。
【0025】
図３は、蓄電池および電力変換器の寿命計画の一例を概略的に示す図である。
図３には、稼働時間に応じて想定される残寿命値（寿命計画曲線）２０と、寿命実績曲線２１とを示している。例えばＡの時点で、寿命実績曲線が寿命計画曲線を下回っている。この状況が続くと当初予定した計画寿命時間（残寿命値が１から０になるまでの時間）を満足することが出来ず、蓄電池１および電力変換器２の少なくともいずれかが早期に故障に至ることが推定される。その場合、負荷管理制御部８は、蓄電池１および電力変換器２の負荷を軽減する指令値をスイッチング制御部５へ出力する。
図３には、稼働時間に応じて想定される残寿命値（寿命計画曲線）２０と、寿命実績曲線２１とを示している。例えばＡの時点で、寿命実績曲線が寿命計画曲線を下回っている。この状況が続くと当初予定した計画寿命時間（残寿命値が１から０になるまでの時間）を満足することが出来ず、蓄電池１および電力変換器２の少なくともいずれかが早期に故障に至ることが推定される。その場合、負荷管理制御部８は、蓄電池１および電力変換器２の負荷を軽減する指令値をスイッチング制御部５へ出力する。
【0026】
また、負荷管理制御部８は、蓄電池１および電力変換器２の寿命評価結果（例えば寿命消費積算値）をインタフェース部９や電力管理システム（例えば電力指令所を含む）等の外部の装置へ出力してもよい。
【0027】
負荷管理制御部８は、スイッチング制御部５に対し、例えば電力変換器２の最大出力電流や最大出力電力、パワー半導体素子ＳＷのスイッチング周波数等を指令することができる。また、負荷管理制御部８は、充電開始電圧値（図４に示すＶ１）や、放電開始電圧値（図４に示すＶ２）をスイッチング制御部５に出力してもよい。例えば、電力変換器２や蓄電池１の負荷を軽減するのであれば、負荷管理制御部８は、放電開始電圧値を下げることや、充電開始電圧値を上げることで軽減することが可能になる。また、電力変換器２や蓄電池１の負荷を増やすのであれば、負荷管理制御部８は、放電開始電圧値を上げることや充電開始電圧値を下げることで電力変換器２および蓄電池１の負荷の増大を図ることが可能になる。
【0028】
インタフェース部９は、負荷管理制御部８から取得した寿命評価結果をユーザが視認可能な態様で表示することができる。インタフェース部９は、通信ネットワークを介して外部に寿命評価結果を伝送してもよい。
【0029】
以下に、上述の電源システムの動作の一例について図面を参照して詳細に説明する。
図５は、本実施形態の電源システムにおいて、電力変換器の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の一例について説明するための図である。
図５は、本実施形態の電源システムにおいて、電力変換器の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の一例について説明するための図である。
【0030】
スイッチング制御部５は、温度計算部５１と、変換器制御部５２と、を備えている。
温度計算部５１は、パワー半導体素子ＳＷの推定ジャンクション温度、所定期間におけるジャンクション温度の最大値、推定ケース温度（図２に示すモジュールベースＭＢの温度）、電力変換器２を冷却しているフィンの周囲環境温度などの少なくともいずれかを計算する。温度計算部５１は、例えば、変換器制御部５２で演算される電力変換器２の制御指令値に基づく電力変換器２の動作からパワー半導体ＳＷ等の温度を計算してもよく、電力変換器２の少なくとも一部に取り付けられた温度センサから取得した温度に基づいて、上記種々の温度の値を計算してもよい。温度計算部５１は、計算した値を第１寿命評価部７へ出力する。
温度計算部５１は、パワー半導体素子ＳＷの推定ジャンクション温度、所定期間におけるジャンクション温度の最大値、推定ケース温度（図２に示すモジュールベースＭＢの温度）、電力変換器２を冷却しているフィンの周囲環境温度などの少なくともいずれかを計算する。温度計算部５１は、例えば、変換器制御部５２で演算される電力変換器２の制御指令値に基づく電力変換器２の動作からパワー半導体ＳＷ等の温度を計算してもよく、電力変換器２の少なくとも一部に取り付けられた温度センサから取得した温度に基づいて、上記種々の温度の値を計算してもよい。温度計算部５１は、計算した値を第１寿命評価部７へ出力する。
【0031】
なお、温度計算部５１におけるパワー半導体素子ＳＷの温度計算の周期（サンプリング周期）は、半導体素子ＳＷの熱時定数を加味し、１ｓ以下の周期でとすることが望ましい。
【0032】
第１寿命評価部７は、履歴保存部７Ａと、熱サイクル解析部７Ｂと、熱疲労解析部７Ｃと、を備えている。
履歴保存部７Ａは、温度計算部５１から供給された温度値を時系列で保存している。なお、履歴保存部７Ａは、例えば、温度計算部５１から供給された最新の値から、過去に所定期間遡った時点までの温度値（時系列情報）を保存していればよく、古いデータを順次削除しても構わない。また、履歴保存部７Ａは、必要に応じて、インタフェース部９へ温度値の履歴を送信してもよい。
履歴保存部７Ａは、温度計算部５１から供給された温度値を時系列で保存している。なお、履歴保存部７Ａは、例えば、温度計算部５１から供給された最新の値から、過去に所定期間遡った時点までの温度値（時系列情報）を保存していればよく、古いデータを順次削除しても構わない。また、履歴保存部７Ａは、必要に応じて、インタフェース部９へ温度値の履歴を送信してもよい。
【0033】
熱サイクル解析部７Ｂは、履歴保存部７Ａに保存された温度値の時系列情報を用いて、パワー半導体素子ＳＷの熱サイクル解析を行う。この時、熱サイクル解析部７Ｂは、周期的な負荷変動（負荷サイクル）１周期分以上の温度履歴データを用いて熱サイクル解析を行うことが望ましく、例えば鉄道やエレベータなどの社会インフラ設備の負荷であれば２４時間以上のタスク周期で、前日分（２４時間分）の温度履歴データに対して、熱サイクル解析を行うことが望ましい。熱サイクル解析部７Ｂは、例えばレインフロー法での熱サイクル解析を実施し、温度変化の大きさやその回数、継続時間などの解析結果を熱疲労解析部７Ｃに供給する。
【0034】
熱疲労解析部７Ｃは、熱サイクルの解析結果（温度変化の大きさやその回数、継続時間）を用いて、熱疲労解析を行い、先に述べたパワー半導体素子ＳＷの各故障モードにおける１日分の寿命消費量の計算を行う。熱疲労解析部７Ｃは、計算した寿命消費量を負荷管理制御部８へ出力する。
【0035】
負荷管理制御部８は、加算器８Ａと、遅延部８Ｂと、減算器８Ｃと、ゲイン乗算部８Ｄと、リミッタ８Ｅと、乗算器８Ｆと、を備えている。
加算器８Ａは、熱疲労解析部７Ｃから出力された寿命消費量と、遅延部８Ｂから出力された前回計算値と、を加算した寿命消費積算値を算出して出力する。なお、加算器８Ａから出力される値が、図２の寿命実績曲線の値に相当する。
加算器８Ａは、熱疲労解析部７Ｃから出力された寿命消費量と、遅延部８Ｂから出力された前回計算値と、を加算した寿命消費積算値を算出して出力する。なお、加算器８Ａから出力される値が、図２の寿命実績曲線の値に相当する。
【0036】
減算器８Ｃは、予め設定された残寿命計画値から寿命消費積算値を減算した差を出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
リミッタ８Ｅは、ゲイン乗算部８Ｄから出力された値が０以上１以下の値となるように上限値と下限値とを制限して出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
リミッタ８Ｅは、ゲイン乗算部８Ｄから出力された値が０以上１以下の値となるように上限値と下限値とを制限して出力する。
【0037】
乗算器８Ｆは、出力電流リミット値にリミッタ８Ｅの出力値を乗じた値（リミット指令値）を出力する。すなわち、リミッタ８Ｅの出力値は、出力電流リミット値の可変ゲインである。乗算器８Ｆから出力されたリミット指令値は、スイッチング制御部５の変換器制御部５２に供給される。
【0038】
変換器制御部５２は電圧目標値とリミット指令値とを取得し、取得した値に応じて電力変換器２のパワー半導体素子ＳＷの動作を制御するパルスのデューティを制御し、電力変換器２の最大出力電流および最大回生電流を制限することにより、電力変換器２の負荷を調整する。
【0039】
図６は、図５に示す変換器制御部の一構成例を概略的に示した図である。
変換器制御部５２は、電圧制御部５２１と、電流制御部５２２と、ＰＷＭ変調部５２３と、を備えている。
電圧制御部５２１は、減算器５Ａ、５Ｃと、ＰＩ制御部５Ｂ、５Ｄと、を備えている。
減算器５Ａは、目標充電電圧値から、電力変換器２から供給された電圧フィードバック値（充電電圧値）を引いた差を出力する。
変換器制御部５２は、電圧制御部５２１と、電流制御部５２２と、ＰＷＭ変調部５２３と、を備えている。
電圧制御部５２１は、減算器５Ａ、５Ｃと、ＰＩ制御部５Ｂ、５Ｄと、を備えている。
減算器５Ａは、目標充電電圧値から、電力変換器２から供給された電圧フィードバック値（充電電圧値）を引いた差を出力する。
【0040】
ＰＩ制御部５Ｂは、減算器５Ａから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（充電電圧値）が目標充電電圧値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
減算器５Ｃは、目標放電電圧値から、電力変換器２から供給された電圧フィードバック値（放電電圧値）を引いた差を出力する。
減算器５Ｃは、目標放電電圧値から、電力変換器２から供給された電圧フィードバック値（放電電圧値）を引いた差を出力する。
【0041】
ＰＩ制御部５Ｄは、減算器５Ｃから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（放電電圧値）が目標放電電圧値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
【0042】
電流制御部５２２は、乗算部５Ｅと、リミッタ５Ｆ、５Ｇと、加算器５Ｈと、減算器５Ｉと、ＰＩ制御部５Ｊと、を備えている。
乗算部５Ｅは、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値に－１を乗じた積を出力する。
リミッタ５Ｆは、乗算部５Ｅから供給された値を下限値とし、０を上限値として、ＰＩ制御部５Ｂから供給された電流制御指令値の上限値と下限値とを制限して出力する。
乗算部５Ｅは、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値に－１を乗じた積を出力する。
リミッタ５Ｆは、乗算部５Ｅから供給された値を下限値とし、０を上限値として、ＰＩ制御部５Ｂから供給された電流制御指令値の上限値と下限値とを制限して出力する。
【0043】
リミッタ５Ｇは、０を下限値とし、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値を上限値として、ＰＩ制御部５Ｄから供給された電流制御指令値の上限値と下限値を制限して出力する。
加算器５Ｈは、リミッタ５Ｆから出力された電流制御指令値と、リミッタ５Ｇから出力された電流制御指令値とを加算した合計値を出力する。
加算器５Ｈは、リミッタ５Ｆから出力された電流制御指令値と、リミッタ５Ｇから出力された電流制御指令値とを加算した合計値を出力する。
【0044】
減算器５Ｉは、加算器５Ｈから出力された電流制御指令値の合計値から、電力変換器２から供給された電流フィードバック値を引いた差を出力する。
ＰＩ制御部５Ｊは、減算器５Ｉから出力された差がゼロとなるように、すなわち、電流フィードバック値が電流制御指令値の合計値に追従するように、比例積分制御により電圧指令値を演算して出力する。
ＰＷＭ変調部５２３は、ＰＩ制御部５Ｊから供給された電圧指令値と、キャリア搬送波とを比較することにより、パワー半導体素子ＳＷのゲート指令を生成して電力変換器２へ出力する。
ＰＩ制御部５Ｊは、減算器５Ｉから出力された差がゼロとなるように、すなわち、電流フィードバック値が電流制御指令値の合計値に追従するように、比例積分制御により電圧指令値を演算して出力する。
ＰＷＭ変調部５２３は、ＰＩ制御部５Ｊから供給された電圧指令値と、キャリア搬送波とを比較することにより、パワー半導体素子ＳＷのゲート指令を生成して電力変換器２へ出力する。
【0045】
上記のように、本実施形態の電源システム１０では、電力変換器２の電流制御部５２２は、例えば、目標電圧を維持するための電流制御指令値をリミットする機能を有する。この時、充電電流リミット（下限値）や放電電流リミット（上限値）を負荷管理制御部８のリミット指令値に基づいて制御することで、電力変換器２の残寿命に応じて蓄電池１の最大充電電流および最大放電電流を制限することができ、結果として電力変換器２の負荷を制限することができる。この結果、期待した寿命計画曲線を大幅に下回ることなく、電力変換器２の寿命消費を計画通りに実現できるようになる。
【0046】
なお、上述のパワー半導体素子ＳＷの温度計算及び履歴保存、熱サイクル解析、熱疲労解析は、上記実施形態で説明した特定の実装部位で実施する必要はなく、任意の機能部に実装し機能すればよく、実装される構成を限定するものではない。
【0047】
図７は、本実施形態の電源システムにおいて、電力変換器の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の他の例について説明するための図である。
なお、図７において図５に示す構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図７では、力行および回生を行うＤＣ１５００Ｖ架線向け電力変換システムへの適用例を一例として示している。図７に示す電源システム１０は、負荷管理制御部８において図５に示す構成と相違している。
なお、図７において図５に示す構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図７では、力行および回生を行うＤＣ１５００Ｖ架線向け電力変換システムへの適用例を一例として示している。図７に示す電源システム１０は、負荷管理制御部８において図５に示す構成と相違している。
【0048】
負荷管理制御部８は、加算器８Ａ、８Ｇと、遅延部８Ｂと、減算器８Ｃ、８Ｉと、ゲイン乗算部８Ｄと、リミッタ８Ｈ、８Ｊと、を備えている。
加算器８Ａは、熱疲労解析部７Ｃから出力された寿命消費量と、遅延部８Ｂから出力された前回計算値と、を加算した寿命消費積算値を算出して出力する。
加算器８Ａは、熱疲労解析部７Ｃから出力された寿命消費量と、遅延部８Ｂから出力された前回計算値と、を加算した寿命消費積算値を算出して出力する。
【0049】
減算器８Ｃは、予め設定された寿命計画値から寿命消費積算値を減算した差を出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
加算器８Ｇは、充電開始電圧の基準指令値にゲイン乗算部８Ｄの出力値を加算した和を出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
加算器８Ｇは、充電開始電圧の基準指令値にゲイン乗算部８Ｄの出力値を加算した和を出力する。
【0050】
リミッタ８Ｈは、加算器８Ｇから出力された和の上限値と下限値とを制限した値（充電開始電圧指令値）を出力する。本実施形態では、リミッタ８Ｈは、充電開始電圧指令値の上限値を１８００Ｖとし、下限値を１０００Ｖとしている。
減算器８Ｉは、放電開始電圧の基準指令値からゲイン乗算部８Ｄの出力値を減算した差を出力する。
減算器８Ｉは、放電開始電圧の基準指令値からゲイン乗算部８Ｄの出力値を減算した差を出力する。
【0051】
リミッタ８Ｊは、減算器８Ｉから出力された差の上限値と下限値とを制限した値（放電開始電圧指令値）を出力する。本実施形態では、リミッタ８Ｊは、放電開始電圧指令値の上限値を１８００Ｖとし、下限値を９００Ｖとしている。
上記のように、負荷管理制御部８は、寿命計画値と寿命消費積算値との差に応じて、蓄電池１の充電開始電圧と放電開始電圧との間の電圧幅（不感帯幅）を調整している。
上記のように、負荷管理制御部８は、寿命計画値と寿命消費積算値との差に応じて、蓄電池１の充電開始電圧と放電開始電圧との間の電圧幅（不感帯幅）を調整している。
【0052】
図８は、図７に示す変換器制御部の一構成例を概略的に示した図である。
なお、図８に示す変換器制御部５２は、図６に示す場合と入力値が異なっている。
変換器制御部５２は、電圧制御部５２１と、電流制御部５２２と、ＰＷＭ変調部５２３と、を備えている。
なお、図８に示す変換器制御部５２は、図６に示す場合と入力値が異なっている。
変換器制御部５２は、電圧制御部５２１と、電流制御部５２２と、ＰＷＭ変調部５２３と、を備えている。
【0053】
電圧制御部５２１は、減算器５Ａ、５Ｃと、ＰＩ制御部５Ｂ、５Ｄと、を備えている。
減算器５Ａは、充電開始電圧指令値から、電圧フィードバック値（架線電圧値）を引いた差を出力する。
ＰＩ制御部５Ｂは、減算器５Ａから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（架線電圧値）が充電開始電圧指令値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
減算器５Ａは、充電開始電圧指令値から、電圧フィードバック値（架線電圧値）を引いた差を出力する。
ＰＩ制御部５Ｂは、減算器５Ａから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（架線電圧値）が充電開始電圧指令値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
【0054】
減算器５Ｃは、放電開始電圧指令値から、電圧フィードバック値（架線電圧値）を引いた差を出力する。
ＰＩ制御部５Ｄは、減算器５Ｃから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（架線電圧値）が放電開始電圧指令値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
ＰＩ制御部５Ｄは、減算器５Ｃから供給された差がゼロとなるように、すなわち電圧フィードバック値（架線電圧値）が放電開始電圧指令値に追従するように、比例積分制御により電流制御指令値を演算して出力する。
【0055】
電流制御部５２２は、乗算部５Ｅと、リミッタ５Ｆ、５Ｇと、加算器５Ｈと、減算器５Ｉと、ＰＩ制御部５Ｊと、を備えている。
乗算部５Ｅは、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値に－１を乗じた積を出力する。
リミッタ５Ｆは、乗算部５Ｅから供給された値を下限値とし、０を上限値として、ＰＩ制御部５Ｂから供給された電流制御指令値の上限値と下限値とを制限して出力する。
乗算部５Ｅは、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値に－１を乗じた積を出力する。
リミッタ５Ｆは、乗算部５Ｅから供給された値を下限値とし、０を上限値として、ＰＩ制御部５Ｂから供給された電流制御指令値の上限値と下限値とを制限して出力する。
【0056】
リミッタ５Ｇは、０を下限値とし、負荷管理制御部８から供給されたリミット指令値を上限値として、ＰＩ制御部５Ｄから供給された電流制御指令値の上限値と下限値を制限して出力する。
加算器５Ｈは、リミッタ５Ｆから出力された電流制御指令値と、リミッタ５Ｇから出力された電流制御指令値とを加算した合計値を出力する。
加算器５Ｈは、リミッタ５Ｆから出力された電流制御指令値と、リミッタ５Ｇから出力された電流制御指令値とを加算した合計値を出力する。
【0057】
減算器５Ｉは、加算器５Ｈから出力された電流制御指令値の合計値から、電力変換器２から供給された電流フィードバック値を引いた差を出力する。
ＰＩ制御部５Ｊは、減算器５Ｉから出力された差がゼロとなるように、すなわち、電流フィードバック値が電流制御指令値の合計値に追従するように、比例積分制御により電圧指令値を演算して出力する。
ＰＩ制御部５Ｊは、減算器５Ｉから出力された差がゼロとなるように、すなわち、電流フィードバック値が電流制御指令値の合計値に追従するように、比例積分制御により電圧指令値を演算して出力する。
【0058】
ＰＷＭ変調部５２３は、ＰＩ制御部５Ｊから供給された電圧指令値と、キャリア搬送波とを比較することにより、パワー半導体素子ＳＷのゲート指令を生成して電力変換器２へ出力する。
【0059】
この例では、上述のように、架線電圧をフィードバックして、充電開始電圧指令値と放電開始電圧指令値とに基づき、蓄電池１の充電と放電とを制御している。このとき、充電開始電圧値と放電開始電圧値との間に生じるギャップは不感帯となり、蓄電池１の充電および放電が行われない電圧領域である。この電圧制御系の不感帯幅を調整し、例えば充電開始電圧を高くすると蓄電池１が充電され難い動作となり、放電開始電圧を低くすると蓄電池１が放電され難い動作となる。このように、蓄電池１の充電開始電圧と放電開始電圧との間の電圧差を可変することにより、電力変換器２の負荷や蓄電池１の充放電負荷を調整することが可能になる。すなわち、上記不感帯幅が広くなればなるほど、蓄電池１の充放電の負荷責務は減り、逆に不感帯幅が狭くなると蓄電池１の負荷責務は増えることになり、蓄電池１および電力変換器２の寿命のコントロールが可能となる。
【0060】
図９は、本実施形態の電源システムにおいて、蓄電池の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の他の例について説明するための図である。
第２寿命評価部６は、履歴保存部６Ａと、電池劣化テーブル６Ｂとを備えている。
第２寿命評価部６は、履歴保存部６Ａと、電池劣化テーブル６Ｂとを備えている。
【0061】
履歴保存部６Ａは、蓄電池監視部４から蓄電池１の温度、蓄電池１（若しくは電池セル）の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）、蓄電池１（若しくは電池セル）の電圧、および、蓄電池１の充放電電流の値を取得し、取得した値を時系列で保存している。なお、履歴保存部６Ａは、例えば、蓄電池監視部４から供給された最新の値から、過去に所定期間遡った時点までの値を保存していればよく、古いデータを順次削除しても構わない。また、履歴保存部６Ａは、必要に応じて、インタフェース部９へ履歴を送信してもよい。
【0062】
電池劣化テーブル６Ｂは、例えば、蓄電池１の充電状態（ＳＯＣ）と、その時の蓄電池１の温度と、その滞在時間とに対応する、蓄電池１の劣化を示す数値（寿命消費量）を格納している。電池劣化テーブル６Ｂは、履歴保存部６Ａから供給された蓄電池１の充電状態（ＳＯＣ）と、蓄電池１の温度とを用いて、その滞在時間に対応した寿命消費量を出力する。
【0063】
蓄電池１の寿命消費量は、蓄電池１の電圧と電流とを用いて算出されてもよい。例えば、蓄電池監視部４で観測される蓄電池１の電圧と電流とから、ある電流を流した時の蓄電池１の電圧変動が観測できる。例えば、第２寿命評価部６は、ΔＶ／ΔＩの関係から蓄電池１の内部抵抗を算出することが可能であり、算出された内部抵抗値から蓄電池１の寿命消費量を算出してもよい。蓄電池１の内部抵抗値は蓄電池１の劣化の指標となり得、蓄電池１の使用期間に対する内部抵抗値を残寿命値（寿命計画曲線）２０とすると、内部抵抗値を寿命実績値とすることも可能である。
【0064】
蓄電池１の劣化計算を２４時間の周期で実施することで、１日当たりの蓄電池１の寿命消費量を算出することができる。１日当たりの寿命消費量が算定されれば、図５に示す負荷管理制御部８による負荷制限手法と同一の手法で、電力変換器２の出力制限を行うことができる。
【0065】
すなわち、負荷管理制御部８は、加算器８Ａと、遅延部８Ｂと、減算器８Ｃと、ゲイン乗算部８Ｄと、リミッタ８Ｅと、乗算器８Ｆと、を備えている。なお、図９に示す負荷管理制御部８と図５に示す負荷管理制御部８とにおいて、説明のために同様の構成には同一の符号を付しているが入力値は異なっている。
【0066】
加算器８Ａは、電池劣化テーブル６Ｂから出力された蓄電池１の寿命消費量と、遅延部８Ｂから出力された前回計算値と、を加算した寿命消費積算値を算出して出力する。なお、加算器８Ａから出力される値が、図２の寿命実績曲線の値に相当する。
【0067】
減算器８Ｃは、予め設定された残寿命計画値から寿命消費積算値を減算した差を出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
リミッタ８Ｅは、ゲイン乗算部８Ｄから出力された値が０以上１以下の値となるように上限値と下限値とを制限して出力する。
ゲイン乗算部８Ｄは、減算器８Ｃから出力された差に、調整ゲインＫｐを乗じた値を出力する。
リミッタ８Ｅは、ゲイン乗算部８Ｄから出力された値が０以上１以下の値となるように上限値と下限値とを制限して出力する。
【0068】
乗算器８Ｆは、出力電流リミット値にリミッタ８Ｅの出力値を乗じた値（リミット指令値）を出力する。すなわち、リミッタ８Ｅの出力値は、出力電流リミット値の可変ゲインである。乗算器８Ｆから出力されたリミット指令値は、スイッチング制御部５の変換器制御部５２に供給される。
【0069】
変換器制御部５２は電圧目標値とリミット指令値とを取得し、取得した値に応じて電力変換器２のパワー半導体素子ＳＷの動作を制御するパルスのデューティを制御し、電力変換器２の最大出力電流および最大回生電流を制限することにより、蓄電池１および電力変換器２の負荷を調整する。
【0070】
上記のように、本実施形態によれば、小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供することができる。
なお、本実施形態の電源システム１０は、第２寿命評価部６と第１寿命評価部７との両方を備えている必要はなく、いずれか一方を備えていればよい。その場合であっても上述の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の電源システム１０は、第２寿命評価部６と第１寿命評価部７との両方を備えている必要はなく、いずれか一方を備えていればよい。その場合であっても上述の効果を得ることができる。
【0071】
次に、第２実施形態の電源システムについて図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、電源システム１０は後述の編成制御システム７３に適用され、鉄道車両の走行方法を調節することにより蓄電池１および電力変換器２の寿命をコントロールしている。
本実施形態の電源システム１０において、蓄電装置の直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路であり、負荷３は電気車を走行させるための電動機及び電動機を駆動する電力変換器である。
本実施形態では、電源システム１０は後述の編成制御システム７３に適用され、鉄道車両の走行方法を調節することにより蓄電池１および電力変換器２の寿命をコントロールしている。
本実施形態の電源システム１０において、蓄電装置の直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路であり、負荷３は電気車を走行させるための電動機及び電動機を駆動する電力変換器である。
【0072】
図１０は、第２実施形態の電源システムを含む鉄道車両駆動システムの一構成例を概略的に示す図である。
図１０に示す鉄道車両駆動システムは、電動機Ｍと、電力変換器（第２電力変換器）７２と、編成制御システム７３と、荷重検知装置７４と、を備えている。
図１０に示す鉄道車両駆動システムは、電動機Ｍと、電力変換器（第２電力変換器）７２と、編成制御システム７３と、荷重検知装置７４と、を備えている。
【0073】
電動機Ｍは、電力変換器７２から供給される電力により回転駆動され、電気車を駆動する。なお、電動機Ｍは電気車の編成内に複数備えられるものである。
電力変換器７２は、例えば図１に示す電力変換器２から供給される電力を所定の電力に変換して電動機Ｍに供給するとともに、電動機Ｍから回生された電力を所定の電力に変換して電力変換器２へ供給する。なお、電力変換器７２は、複数の電動機Ｍに対応して列車の一編成内に複数備えられている。
電力変換器７２は、例えば図１に示す電力変換器２から供給される電力を所定の電力に変換して電動機Ｍに供給するとともに、電動機Ｍから回生された電力を所定の電力に変換して電力変換器２へ供給する。なお、電力変換器７２は、複数の電動機Ｍに対応して列車の一編成内に複数備えられている。
【0074】
荷重検知装置７４は、例えばサスペンションの圧力から、編成内の鉄道車両の荷重情報を検知する装置である。
編成制御システム７３は、荷重検知装置７４により検知された値（荷重情報）により、複数の電動機Ｍのトルク分担を変化させる。すなわち、編成制御システム７３は、検知された荷重の値に応じたトルク指令を、その荷重を負担する電動機Ｍに対応する電力変換器７２に出力する。このことにより、荷重が大きい車両を担当する電動機Ｍほど大きなトルクを負担するようにトルクの分担が成される。
編成制御システム７３は、荷重検知装置７４により検知された値（荷重情報）により、複数の電動機Ｍのトルク分担を変化させる。すなわち、編成制御システム７３は、検知された荷重の値に応じたトルク指令を、その荷重を負担する電動機Ｍに対応する電力変換器７２に出力する。このことにより、荷重が大きい車両を担当する電動機Ｍほど大きなトルクを負担するようにトルクの分担が成される。
【0075】
このような制御が行われると、必ずしも各車両の混雑率や積載量が均一でないため、特定の車両の電動機Ｍだけに負荷が偏り、当該電動機Ｍに電力を供給する電力変換器２の寿命が低下することが想定される。編成内の各駆動用の電動機Ｍに対するトルク指令を均一化するという方法もあるが、レールと車輪との間の粘着が荷重条件によって変わるため、空転・滑走を誘発する可能性がある。
【0076】
そこで、本実施形態の電源システム１０では、鉄道車両の走行方法を変更することで電力変換器２や蓄電池１の寿命を調整している。
図１１は、第２実施形態の電源システムにより制御される鉄道車両の走行方法の一例を概略的に示す図である。
例えば、図２の寿命計画曲線２０を寿命実績曲線２１が下回る場合、負荷管理制御部８は、駅間において対象車両の最高速度を下げて走行するように変換器制御部５に対する指令値を算出する。このことで、最高速度に到達するまでの時間が短く電力変換器の出力電流が小さくなり電力変換器２および蓄電池１の寿命の延長を図ることが出来る。
図１１は、第２実施形態の電源システムにより制御される鉄道車両の走行方法の一例を概略的に示す図である。
例えば、図２の寿命計画曲線２０を寿命実績曲線２１が下回る場合、負荷管理制御部８は、駅間において対象車両の最高速度を下げて走行するように変換器制御部５に対する指令値を算出する。このことで、最高速度に到達するまでの時間が短く電力変換器の出力電流が小さくなり電力変換器２および蓄電池１の寿命の延長を図ることが出来る。
【0077】
図１２は、第２実施形態の電源システムにより制御される鉄道車両の走行方法の他の例を概略的に示す図である。
例えば、図２の寿命計画曲線２０を寿命実績曲線２１が下回る場合、負荷管理制御部８は、駅間において対象車両の加速度や減速度を下げて走行するように変換器制御部５に対する指令値を算出する。このことで、力行運転や回生運転における電力変換器の出力電流が小さくなり電力変換器２および蓄電池１の寿命の延長を図ることが出来る。
例えば、図２の寿命計画曲線２０を寿命実績曲線２１が下回る場合、負荷管理制御部８は、駅間において対象車両の加速度や減速度を下げて走行するように変換器制御部５に対する指令値を算出する。このことで、力行運転や回生運転における電力変換器の出力電流が小さくなり電力変換器２および蓄電池１の寿命の延長を図ることが出来る。
【0078】
なお、電気車は走行計画作成部（図示せず）を備えていてもよく、その場合には、駅間を走行計画に沿った時間で走行するように制御される。
上記のように、本実施形態によれば、小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供することができる。
上記のように、本実施形態によれば、小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供することができる。
【0079】
本実施形態に係るプログラムは、電子機器に記憶された状態で譲渡されてよいし、電子機器に記憶されていない状態で譲渡されてもよい。後者の場合は、プログラムは、ネットワークを介して譲渡されてよいし、記憶媒体に記憶された状態で譲渡されてもよい。記憶媒体は、非一時的な有形の媒体である。記憶媒体は、コンピュータ可読媒体である。記憶媒体は、ＣＤ－ＲＯＭ、メモリカード等のプログラムを記憶可能かつコンピュータで読取可能な媒体であればよく、その形態は問わない。
【0080】
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。
【符号の説明】
【0081】
１…蓄電池、２…電力変換器、３…負荷、４…蓄電池監視部、５…スイッチング制御部、６…第２寿命評価部、７…第１寿命評価部、８…負荷管理制御部、９…インタフェース部１０…電源システム、２０…寿命計画曲線、２１…寿命実績曲線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
