專利名稱：電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將從電源接受到的電力與來自可儲存直流電力的電力儲存 部的電力一起使用并利用逆變器向負載提供電力的電力變換裝置及使用該 電力變換裝置的電動車控制裝置。
背景技術(shù)：
近年來，已知正在進行對電動車控制裝置使用由二次電池 雙電層電 容器等構(gòu)成的電力儲存元件的開發(fā)研究，通過采用如下結(jié)構(gòu)，即儲存車輛 再生制動時產(chǎn)生的剩余再生電力，且在電動運行加速時使用已儲存的電力， 從而能夠有效利用車輛具有的動能。(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1中示出利用電力儲存元件的電力使電動車行駛而不從架空 線接受供電的情況。
專利文獻1:日本國專利特開2006—14395號公報
最近，二次電池 雙電層電容器的開發(fā)發(fā)展迅猛，盡管已實現(xiàn)儲能量 的增大，但為了得到用于使電動車行駛的足夠的能量，以目前的技術(shù)，需 要相當大且有一定重量的電力儲存元件。另一方面，因電動車上的安裝空 間有限，故盡可能地抑制電力儲存元件的規(guī)模、質(zhì)量很重要。因此，有效 利用電力儲存元件的儲能很重要，而提高電動車的控制裝置的能效、極力 減少控制裝置中的損耗是不可或缺的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供具有電力儲存部的 電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝置，使得當僅以來自 電力儲存部的電力來驅(qū)動逆變器并向負載提供交流電力時，減少電力儲存 部的儲能的損耗，有效利用電力儲存部的儲能并提高能效。本發(fā)明所涉及的電力變換裝置具有向負載提供電力的逆變器；連接 在該逆變器的直流端子間的電容器；設(shè)置在該電容的一端和電源之間的電 源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部；包含使該電力儲存部進行充放電的 電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的 DCDC變換器；及不通過所述開關(guān)元件地將所述電力儲存部與所述電容器 并聯(lián)連接的旁路開關(guān)。
或者，具有向負載提供電力的逆變器；連接在該逆變器的直流端子 間的電容器；設(shè)置在該電容的一端和電源之間的電源開關(guān)；儲存直流電力 的電力儲存部；及包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串 聯(lián)連接的開關(guān)元件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器，所述電源 開關(guān)斷開時，固定所述開關(guān)元件的導通斷開狀態(tài)以將所述電力儲存部與所 述電容器并聯(lián)連接。
另外，本發(fā)明所涉及的電動車控制裝置具有驅(qū)動電動機的逆變器； 連接在該逆變器的直流端子間的電容器；設(shè)置在該電容的一端和架空線之 間的電源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部；包含使該電力儲存部進行充 放電的電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置 的DCDC變換器；及不通過所述開關(guān)元件地將所述電力儲存部與所述電容
器并聯(lián)連接的旁路開關(guān)。
或者，具有驅(qū)動電動機的逆變器；連接在該逆變器的直流端子間的
電容器；設(shè)置在該電容的一端和架空線之間的電源開關(guān)；儲存直流電力的 電力儲存部；及包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串聯(lián) 連接的開關(guān)元件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器，所述電源開 關(guān)斷開時，固定所述開關(guān)元件的導通斷開狀態(tài)以將所述電力儲存部與所述 電容器并聯(lián)連接。
根據(jù)本發(fā)明的電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝 置，能夠得到在僅以來自電力儲存部的電力來驅(qū)動逆變器并向負載提供電 力時、能減少DCDC變換器中的能耗、且能有效利用電力儲存部的儲能的 電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝置。
另外，根據(jù)本發(fā)明的電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝置，僅以來自電力儲存部的電力來驅(qū)動逆變器并向負載提供電力時， 能夠通過開關(guān)元件、電抗器連接電力儲存部和逆變器而不添加旁路開關(guān)， 能夠減少DCDC變換器中的能耗，且能夠有效利用電力儲存部的儲能，并 且利用電抗器能夠阻止脈動電流流到電力儲存部，能謀求減少電力儲存部 中的損耗并延長壽命。
圖1是表示本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置及使用該電力變換 裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是說明本發(fā)明的實施方式1中從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電 動作模式的圖。
圖3是說明本發(fā)明的實施方式1中從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電
并用模式的圖。
圖4是表示本發(fā)明的實施方式2中的電力變換裝置及使用該電力變換
裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是表示本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置及使用該電力變換 裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是表示本發(fā)明的實施方式4中的電力變換裝置及使用該電力變換 裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖7是說明本發(fā)明的實施方式4中從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電 動作模式的圖。
圖8是說明本發(fā)明的實施方式4中從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電 并用模式的圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式5中的電力變換裝置及使用該電力變換
裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖10是表示本發(fā)明的實施方式6中的電力變換裝置及使用該電力變換
裝置的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。 標號說明
1:架空線，2:集電裝置，3:電動車控制裝置，4:車輪，5:軌道，6-電動機，11:電抗器，12:電容器，13:逆變器，14:電力儲存元件， 15A、 15B: DCDC變換器，16 19:開關(guān)元件，20:電抗器，21:電容器， 22:電抗器，Sl:電源開關(guān)，S2:旁路開關(guān)
具體實施例方式
圖1是表示本發(fā)明的實施方式1中的電動車控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖1中，從作為電源的架空線l通過集電裝置2接受到的電力被輸入 到電動車控制裝置3。電動車控制裝置3采用如下結(jié)構(gòu)，即與作為負載的交 流電動機6連接，驅(qū)動電動機6，使電動車行駛。來自電動車的控制裝置3 的負側(cè)電流通過車輪4返回到軌道5。
電動車控制裝置3采用如下結(jié)構(gòu)，即具有將由架空線l接受到的電 力通過作為電源開關(guān)的開關(guān)Sl和電抗器U向與電容器12并聯(lián)連接的逆變 器13提供的電路；將來自作為電力儲存部的電力儲存元件14的直流電力 通過DCDC變換器15A向逆變器13提供的電路；用于將來自電力儲存單 元14的電力不通過DCDC變換器15A地向逆變器13提供的作為旁路開關(guān) 的幵關(guān)S2。
這里，電力儲存元件14是二次電池或雙電層電容器等。
作為開關(guān)S1、 S2優(yōu)選使用具有機械接點的開關(guān)，但即使用由導通損耗 小的半導體元件構(gòu)成的電子開關(guān)來構(gòu)成，本發(fā)明的效果也不會受很大損害。 本實施方式1中以使用具有機械接點的開關(guān)的情況為例進行說明。
DCDC變換器15A是在逆變器輸入電壓EFC大于電力儲存元件14的 電壓EB的條件下能從電力儲存元件14到逆變器13、或從逆變器13到電 力儲存元件14進行雙向的電力控制的電路，是由進行PWM動作的開關(guān)元 件16、 17和電抗器20構(gòu)成的所謂雙向降壓DCDC變換器電路。因該動作 已公知故省略其說明。
此外，架空線電壓ESO、逆變器輸入電壓EFC、電力儲存元件14的電 壓EB分別能夠用未圖示的電壓檢測器來檢測。
這里，開關(guān)S2是為了不通過DCDC變換器15A而直接在電力儲存元 件14和逆變器13之間進行電力的交流所設(shè)置的，其為本發(fā)明的中心。下面說明這樣所構(gòu)成的實施方式1的電動車控制裝置的動作。首先說 明電動車在架空線1和電力儲存元件14兩者之間進行任意的電力交換而行 駛的模式(以下稱為"架空線蓄電并用模式"。)中的動作。
在該模式中，電動車電動運行加速時，來自架空線1的電力被提供給
逆變器13，并且來自電力儲存元件14的電力利用DCDC變換器15A被調(diào) 整成最優(yōu)值后被提供給逆變器13，以兩者的電力之和來驅(qū)動電動機6。
作為一個具體例子，當電力儲存元件14的儲能量顯得不足時，DCDC 變換器15A進行動作以抑制來自電力儲存元件14的放電電力，從架空線1 接受更多的電力。
架空線電壓ESO較低時，或電力儲存元件14的儲能量顯得過剩時， DCDC變換器15A進行動作以從電力儲存元件14提供較多電力。
這樣，電動機6以最佳的方式從架空線1和電力儲存元件14兩者接受 電力供給進行驅(qū)動，使電動車行駛。
此外，電動車進行再生制動時，電動機6實施再生運轉(zhuǎn)，DCDC變換 器15A進行動作，以將來自逆變器13的再生電力適當?shù)胤峙浣o架空線1 和電力儲存元件14。
作為一個具體的例子，當電力儲存元件14的儲能量顯得不足時，或架 空線1上無再生負載而不能充分回饋時，DCDC變換器15A進行動作以將 更多的再生電力再生至電力儲存元件14，相反，當電力儲存元件14的儲能 量顯得過剩時，DCDC變換器15A進行動作以減少向電力儲存元件14回饋 電力，且將大部分再生電力回饋至架空線1。
這樣，來自電動機6的再生電力以最佳的方式被回饋至架空線1和電 力儲存元件14，電動車的再生制動起作用。
下面說明電動車只以來自電力儲存元件14的電力來行駛的模式(以下 稱為"蓄電動作模式")中的動作。
該模式假定電動車在未架設(shè)架空線1的區(qū)間行駛的情況，或電動車在 雖架設(shè)有架空線1但架空線1停電的區(qū)間行駛的情況。
該模式中，使開關(guān)S1斷開，使DCDC變換器15A斷開(使開關(guān)元件16、 17斷開)，使開關(guān)S2導通。
8當電動車電動運行加速時，來自電力儲存元件14的電力通過開關(guān)S2 而未經(jīng)由DCDC變換器15A被直接提供給逆變器13，來驅(qū)動電動機6。
這樣，電動機6—邊從電力儲存元件14接受電力供給一邊被驅(qū)動，即 使在沒有架空線1的路線也能使電動車行駛。
此外，電動車進行再生制動時，電動機6實施再生運轉(zhuǎn)，來自逆變器 13的再生電力不通過DCDC變換器15A而通過開關(guān)S2被直接回饋至電力 儲存元件14。
這樣，來自電動機6的再生電力被回饋至電力儲存元件14，即使在沒 有架空線1的路線電動車的再生制動也能起作用。
下面說明從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電動作模式時、以及從蓄電 動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電并用模式時的動作。
圖2是說明實施方式1中從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電動作模式 的圖。
如圖2所示，在時間t0 tl間的架空線蓄電并用模式中，因使開關(guān)S1 導通，并且使DCDC變換器15A工作(開關(guān)元件16、 17進行PWM動作)， 因此其狀態(tài)為架空線電壓ESO被施加于電容器12，電力儲存元件14的 電壓EB利用DCDC變換器15A升壓后被施加于電容器12。因此是開關(guān)Sl 的后級的輸入電壓ES與架空線電壓ESO相等，逆變器輸入電壓EFC與輸 入電壓ES相等的狀態(tài)。
這里，電力儲存單元14的電壓EB相比逆變器輸入電壓EFC要低，這 是因為，如上所述，考慮到DCDC變換器15A是只有在逆變器輸入電壓 EFC大于電力儲存單元14的電壓EB的條件下才能進行電力控制的電路， 故將電力儲存單元14的電壓EB設(shè)定成相比對應于架空線電壓ESO而波動 的逆變器輸入電壓EFC的波動下限值要小的值。
另補充說明，--般的架空線電壓ESO的標稱值，有軌電車為600V，多 數(shù)地鐵為750V，郊外電氣化鐵路路線為1500V，但電動車所接受的架空線 電壓ESO因變電站與電動車的距離及電動車的行駛狀態(tài)而有較大波動，在 標稱值的+ 20 一40%的范圍內(nèi)波動。也就是說，設(shè)定電力儲存單元的電 壓EB，以便即使架空線電壓ESO(二逆變器輸入電壓EFC)變成作為波動下限值的標稱值的一40%時，也能夠維持電力儲存元件的電壓EB低于逆變器
輸入電壓EFC的狀態(tài)。
接著，在時間tl，結(jié)束架空線蓄電并用模式，使開關(guān)S1斷開。
此外，為防止電流的突變，開關(guān)Sl的斷開最好是在逆變器13的輸出 減小到設(shè)定值以下、或者控制DCDC變換器15A成為由電力儲存單元14 負擔逆變器13的大部分電力或全部電力的狀態(tài)使得開關(guān)Sl的電流充分減 小后(減小到設(shè)定值以下之后)進行。
此后，控制DCDC變換器15A使得逆變器輸入電壓EFC與電力儲存元 件14的電壓EB —致。
在時間t2，在逆變器輸入電壓EFC與電力儲存元件14的電壓EB相等 的階段，控制DCDC變換器15A，以維持逆變器輸入電壓EFC與電力儲存 元件14的電壓EB相等的狀態(tài)。
逆變器輸入電壓EFC與電力儲存單元14的電壓EB之差在設(shè)定值以下 的狀態(tài)持續(xù)ATl后(時間t3)，可判斷為逆變器輸入電壓EFC足夠穩(wěn)定，故 使開關(guān)S2導通，將DCDC變換器15A斷開。
若開關(guān)S2導通，則從電力儲存元件14到逆變器13的電流從經(jīng)由DCDC 變換器15A的開關(guān)元件16的路徑轉(zhuǎn)變成不經(jīng)由DCDC變換器15A而經(jīng)由 開關(guān)S2的路徑。
另補充說明，即使將DCDC變換器15A斷開，在使逆變器13電動運 行運轉(zhuǎn)時，還是存在通過內(nèi)置于開關(guān)元件16中的二極管部、從電力儲存元 件14流到逆變器13的電流路徑，但內(nèi)置于開關(guān)元件16中的二極管由半導 體構(gòu)成，故其正向壓降(數(shù)伏)作為一種電阻進行工作，所以相比由接觸電阻 微小的機械接點構(gòu)成的開關(guān)S2的路徑其電阻較大。因此，通過使開關(guān)S2 導通，從電力儲存單元14到逆變器13的電流自然地從經(jīng)由電阻較大的 DCDC變換器15A的開關(guān)元件6的路徑轉(zhuǎn)變成經(jīng)由電阻微小的開關(guān)S2的 路徑。
這樣，能平滑地從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電動作模式。
下面說明從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電并用模式時的動作。
圖3是說明從本發(fā)明的實施方式1的蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電
10并用模式的圖。
如圖3所示，從時間t4到t5的期間，是使開關(guān)Sl、 DCDC變換器15A 斷開，使開關(guān)S2導通的狀態(tài)，是在電力儲存元件14和逆變器13之間通過 開關(guān)S2直接進行電力交換的狀態(tài)。
因而是逆變器輸入電壓EFC與電力儲存元件14的電壓EB相等的狀態(tài)。
在時間t5，將開關(guān)S2斷開，同時啟動DCDC變換器15A，使開關(guān)元件 16、 17進行PWM動作。
此外，為了避免電流產(chǎn)生波動，開關(guān)S2的斷開和DCDC變換器15A 的啟動最好是在減小逆變器13的電流、電力儲存元件14的電流成為設(shè)定 值以下的值的狀態(tài)下進行。
時間t5以后，使DCDC變換器15A進行升壓動作，提高電力儲存元件 14的電壓EB并控制使得逆變器輸入電壓EFC與架空線電壓ES0 —致。
在時間t6時刻，逆變器輸入電壓EFC與架空線電壓ES0 —致。
逆變器輸入電壓EFC(二輸入電壓ES)和架空線電壓ES0之差在設(shè)定值 以下的狀態(tài)經(jīng)過時間AT2期間后，可判斷為逆變器輸入電壓EFC(^輸入電 壓ES)足夠穩(wěn)定，故在時間t7使開關(guān)Sl導通，與架空線1進行連接。
時間t7以后，逆變器13能在架空線1與電力儲存元件14之間進行電 力交換的架空線蓄電并用模式下運行。
這樣，由于采用如下結(jié)構(gòu)，也就是使DCDC變換器15A升壓運轉(zhuǎn)來使 逆變器輸入電壓EFC(二輸入電壓ES)與架空線電壓ES0 —致，并在使開關(guān) Sl的端子間電壓差減小到足夠小以后使開關(guān)元件S1導通，因此能夠避免 由于電壓差產(chǎn)生涌流、或開關(guān)S1的接點損壞。
這樣，能平滑地進行從架空線蓄電并用模式到蓄電動作模式的轉(zhuǎn)移、 從蓄電動作模式到架空線蓄電并用模式的轉(zhuǎn)移。
這里，舉一個例子定量地說明DCDC變換器15A的損耗和電力儲存元 件14的儲能量的關(guān)系。
DCDC變換器51A的損耗一般為約3%，以用于驅(qū)動 一輛電動車最低限 度所需的、容量為500KW的DCDC變換器的情況為例，最大損耗為15KW
11左右，加上電動車的行駛模式(加速電動運行、慣性運行、再生制動反復進 行)后的平均損耗約為5KW。
另一方面，雖然能夠安裝在電動車上的電力儲存元件14儲存的能量受 到電動車上安裝空間的制約，已實用化的為10KWh左右(每輛)。
也就是說，5KW的損耗是將電力儲存元件14充滿電的儲能在約兩小 時內(nèi)全部消耗完的大小。
這樣可知，由于電力儲存元件14的儲能有限，因此DCDC變換器15A 的損耗的大小是不可無視的。
如以上說明，本發(fā)明的實施方式1由于采用如下結(jié)構(gòu)，即在蓄電動作 模式中，使開關(guān)S2導通，且以不通過DCDC變換器15A的方式在電力儲 存元件14和逆變器13之間進行電力交換，因此沒有DCDC變換器15A造 成的能耗，能夠?qū)㈦娏Υ嬖?4的儲能最大限度地有效利用于電動車的 行駛。
實施方式2
圖4是表示本發(fā)明的實施方式2中的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)例。 圖4所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的實施方式1的結(jié)構(gòu)相比，其特征為開關(guān)
S2的連接處的一端從電力儲存元件14的正側(cè)被變更至開關(guān)元件16、 17的
連接點。若使開關(guān)S2導通，則電力儲存元件M不通過幵關(guān)元件16、 17而
與電容器12并聯(lián)連接。
由于其它部分與實施方式1的結(jié)構(gòu)相同，因此附加相同的標號并省略
其說明。
根據(jù)這樣的實施方式2的結(jié)構(gòu)，能通過電抗器20將電力儲存元件14 與逆變器13加以連接。通過電抗器20將電力儲存元件14與逆變器13加 以連接，能夠阻止由逆變器13的PWM動作所產(chǎn)生的脈動電流流入電力儲 存元件14。若脈動電流流入電力儲存元件14,則因此內(nèi)部發(fā)熱量增加，會 成為縮短電力儲存元件14的壽命的主要原因。
通過采用實施方式2的結(jié)構(gòu)，盡管會增加--些電抗器20的能耗，但能 減少電力儲存元件14的損耗，還可延長壽命，總的來看是合算的。
此外，這樣構(gòu)成的實施方式2的電動車的控制裝置的動作因與實施方式1(圖2、圖3)中所示的相同故省略其說明。
如上所述，本發(fā)明的實施方式2中，由于采用如下結(jié)構(gòu)，即在蓄電動
作模式中，使開關(guān)S2導通，且以不通過開關(guān)元件16的方式在電力儲存元 件14和逆變器13之間進行電力交換，因此沒有開關(guān)元件16、 17的導通損 耗、開關(guān)損耗，能夠?qū)㈦娏Υ嬖?4的儲能最大限度地有效利用于電動 車的行駛。
而且，由于利用電抗器20能夠阻止脈動電流流入電力儲存元件14，因 此能減少電力儲存元件14的損耗并延長壽命。 實施方式3
圖5是表示本發(fā)明的實施方式3中的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖5所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的實施方式1的結(jié)構(gòu)相比，其特征為，刪 除開關(guān)S2，且對DCDC變換器15A添加動作模式。由于其它部分與實施方 式1的結(jié)構(gòu)相同，因此附加相同的標號并省略說明。
如圖5所示，實施方式3的特征在于，不設(shè)置開關(guān)S2，而用DCDC變 換器15A的開關(guān)元件16來代替此功能。
即采用如下結(jié)構(gòu)，也就是在已于實施方式l(圖2、圖3)中說明的使開 關(guān)S2導通的時刻，將開關(guān)元件16固定為導通(使開關(guān)元件17固定為斷開)。 通過將幵關(guān)元件16固定為導通，能夠通過開關(guān)元件16、電抗器20將電力 儲存元件14與逆變器13加以連接。
若采用這樣的結(jié)構(gòu)，則DCDC變換器15A中產(chǎn)生的損耗只是電抗器20 和開關(guān)元件16的導通損耗，而沒有使DCDC變換器15A正常運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生 的開關(guān)元件16的開關(guān)損耗、開關(guān)元件17的導通損耗和開關(guān)損耗、由電抗 器20中的開關(guān)電流所引起的鐵心損耗，因此能夠減少系統(tǒng)的損耗。且無需 添加開關(guān)S2。
如上所述，本發(fā)明的實施方式3，由于能夠在蓄電動作模式中不添加開 關(guān)S2而通過開關(guān)元件16、電抗器20將電力儲存元件14與逆變器13加以 連接，因此能夠減少DCDC變換器15A的損耗，將電力儲存元件14的儲
能最大限度地有效利用于電動車的行駛。
而且由于能夠利用電抗器20阻止脈動電流流入電力儲存元件14,因此
13能減少電力儲存元件14中的損耗并延長壽命。 實施方式4
圖6是表示本發(fā)明的實施方式4中的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖6所示的實施方式4的結(jié)構(gòu)與圖l所示的實施方式1的結(jié)構(gòu)相比， 其特征為，DCDC變換器15A被變更為DCDC變換器15B。由于其它部分 與實施方式1的結(jié)構(gòu)相同，因此附加相同的標號并省略其說明。
圖6中，DCDC變換器15B的特征為，由包含進行PWM動作的開關(guān) 元件16 19;電抗器20、 22;電容器21的所謂雙向升降壓DCDC變換器 電路構(gòu)成，能在任意方向上進行電力控制，而不取決于電力儲存元件14的 電壓EB與逆變器輸入電壓EFC的大小關(guān)系。
因此，能與架空線電壓ESO的波動的下限值無關(guān)地設(shè)定電力儲存元件 14的電壓EB，還能將電力儲存元件14的電壓EB設(shè)定成與架空線電壓ESO 的標稱值相等的值、或相比架空線電壓ESO的標稱值要高的值。
下面進一步加以說明，在實施方式l的結(jié)構(gòu)中，如上所述，由于必須 將電力儲存元件14的電壓EB設(shè)定得低于架空線電壓ES0，因此在蓄電動 作模式中，逆變器輸入電壓EFC相比采用架空線蓄電并用模式時降低，可 能會發(fā)生電動機6所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小的情況，或在向逆變器13提供相同電 力時，電力儲存元件14的電流增加，損耗增加。與此不同的是，根據(jù)本實 施方式4的結(jié)構(gòu)，能確保蓄電動作模式中的逆變器輸入電壓EFC與采用架 空線蓄電并用模式時相同或更高。
因而，蓄電動作模式中，逆變器輸入電壓EFC與架空線蓄電并用模式 時相比不降低，能充分確保電動機6所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，且不增加電力儲存元 件14的電流，能夠確保電動車的行駛性能與采用架空線蓄電并用模式時相 同。
以下的說明中，以將電力儲存元件14的電壓EB設(shè)定成相比架空線電 壓ESO的標稱值要高一些的值的情況來說明。
下面說明這樣所構(gòu)成的實施方式4的電動車的控制裝置的動作。此外， 架空線蓄電并用模式、蓄電模式中的動作說明因與實施方式1中說明的類 似，故省略。因而，這里，說明從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電動作模式的情況 下、和從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電并用模式的情況下的動作。
圖7是說明本發(fā)明的實施方式4中從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電 動作模式的圖。
如圖7所示，時間t0 tl間的架空線蓄電并用模式中，由于使開關(guān)S1
和DCDC變換器15B導通(開關(guān)元件16 19進行PWM動作)，因此其狀態(tài) 為架空線電壓ESO被施加到電容器12上，電力儲存元件14的電壓EB 利用DCDC變換器15B降壓后被施加到電容器12上。因此，其狀態(tài)為.-開關(guān)S1的后級的輸入電壓ES與架空線電壓ESO相等，逆變器輸入電壓EFC 與輸入電壓ES相等。
接著，在時間tl，結(jié)束架空線蓄電并用模式，使開關(guān)S1斷開。 此外，為防止電流的突變，開關(guān)Sl的斷開最好是在逆變器13的輸出 減小到設(shè)定值以下、或者控制成為由電力儲存單元14負擔逆變器13的大 部分電力或全部電力的狀態(tài)，使得開關(guān)S1的電流充分減小后(減小到設(shè)定 值以下之后)進行。
此后，使DCDC變換器15B實施升壓動作，以使逆變器輸入電壓EFC 與電力儲存元件4的電壓EB —致。
在時間t2，在逆變器輸入電壓EFC與電力儲存元件14的電壓EB相等 的階段，控制DCDC變換器15A以維持逆變器輸入電壓EFC與電力儲存元 件14的電壓EB相等的狀態(tài)。
逆變器輸入電壓EFC與電力儲存單元〗4的電壓EB之差在設(shè)定值以下 的狀態(tài)持續(xù)ATl后(時間t3)，可判斷為逆變器輸入電壓EFC足夠穩(wěn)定，故 使開關(guān)S2導通，將DCDC變換器15B斷開。因此從電力儲存元件14流向 逆變器13的電流從經(jīng)由DCDC變換器15B的路徑轉(zhuǎn)變成不經(jīng)由DCDC變 換器15B而經(jīng)由開關(guān)S2的路徑。
這樣，能平滑地從架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移到蓄電動作模式。 下面說明從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電并用模式時的動作。 圖8是說明本發(fā)明的實施方式4中從蓄電動作模式轉(zhuǎn)移到架空線蓄電 并用模式的圖。
15如圖8所示，在從時間t4到t5的期間，是使開關(guān)S1、 DCDC變換器 15B斷開、使開關(guān)S2導通的狀態(tài)，而且是在電力儲存元件14和逆變器13 之間直接進行電力的交換的狀態(tài)。
在時間t5，作為向架空線蓄電并用模式轉(zhuǎn)移的準備，開關(guān)S2斷開，同 時啟動DCDC變換器15B。
此外，為了避免電流產(chǎn)生波動，開關(guān)S2的斷開和DCDC變換器15B 的啟動最好是在減小逆變器13的電流、電力儲存元件14的電流在設(shè)定值 以下的狀態(tài)下進行。
時間t5以后，使DCDC變換器15B實施降壓動作，將電力儲存元件 14的電壓EB降壓后提供給電容器12，并控制使逆變器輸入電壓EFC與架 空線電壓ES0 —致。
在時間t6時刻，逆變器輸入電壓EFC與架空線電壓ES0 —致。
逆變器輸入電壓EFC與架空線電壓ES0之差在設(shè)定值以下的狀態(tài)經(jīng)過 時間AT2后，可判斷為逆變器輸入電壓EFC足夠穩(wěn)定，故在時間t7使開 關(guān)S1導通，與架空線l進行連接。
時間t7以后，逆變器13能以架空線1與電力儲存元件14之間進行電 力交換的架空線蓄電并用模式運行。
這樣，由于采用如下結(jié)構(gòu)，也就是使DCDC變換器15B實施降壓運轉(zhuǎn) 來使逆變器輸入電壓EFC與架空線電壓ESO—致，在使開關(guān)S1的端子間 電壓差減到足夠小以后使開關(guān)元件S1導通，因此能夠避免由于電壓差產(chǎn)生 涌流、或開關(guān)Sl的接點損壞。
這樣，能平滑地進行從架空線蓄電并用模式到蓄電動作模式的轉(zhuǎn)移、 從蓄電動作模式到架空線蓄電并用模式的轉(zhuǎn)移。
這里，DCDC變換器15B如上所述與實施方式1的DCDC變換器15A 相比，其特征為能與電力儲存元件14的電壓EB和逆變器輸入電壓EFC之 間的大小關(guān)系無關(guān)地進行電力控制，但其損耗相比DCDC變換器15A要大 相應于多出的開關(guān)元件的量。
但是，根據(jù)本實施方式4的結(jié)構(gòu)，由于采用如下結(jié)構(gòu)，即在蓄電動作 模式中，使開關(guān)S2導通，且以不通過DCDC變換器15B的方式在電力儲
16存元件14和逆變器13之間進行電力交換，因此沒有DCDC變換器15B中 的能耗，能夠?qū)㈦娏Υ嬖?4的儲能最大限度地有效利用于電動車的行駛。
而且，在蓄電動作模式中，不降低逆變器輸入電壓EFC，能充分確保 電動機6所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，且不增加電力儲存元件14的電流，能夠確保電動 車的行駛性能與架空線蓄電并用模式相同。
實施方式5
圖9是表示本發(fā)明的實施方式5中的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖9所示的實施方式5的結(jié)構(gòu)與圖6所示的實施方式4的結(jié)構(gòu)相比， 其特征為，開關(guān)S2的連接處的一端從電力儲存元件14的正側(cè)被變更到電 抗器22和開關(guān)元件18的連接點。由于其它部分與實施方式4的結(jié)構(gòu)相同， 因此附加同一標號并省略其說明。
根據(jù)這樣的實施方式5的結(jié)構(gòu)，能通過電抗器22將電力儲存元件14 與逆變器13加以連接。
通過電抗器22將電力儲存元件14和逆變器13加以連接，這樣能夠阻 止由逆變器13的PWM動作所產(chǎn)生的脈動電流流入電力儲存元件14。若脈 動電流流入電力儲存元件14，則因此內(nèi)部發(fā)熱量增加故成為縮短電力儲存 元件14的壽命的主要原因。
另外，通過采用實施方式5的結(jié)構(gòu)，雖然會增加電抗器20中的損耗， 但能減少電力儲存元件14的損耗，還可延長壽命，總的來看是合算的。
此外，這樣所構(gòu)成的實施方式5的電動車的控制裝置的動作因與實施 方式4中所示的相同故省略說明。
如以上說明所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方式5，由于采用如下結(jié)構(gòu)，即在 蓄電動作模式中，使開關(guān)S2導通，且以不通過開關(guān)元件16 19、電抗器 20的方式在電力儲存元件14和逆變器13之間進行電力交換，因此沒有開 關(guān)元件16 19的導通損耗和開關(guān)損耗、電抗器20中的損耗，能夠?qū)㈦娏?儲存元件14的儲能最大限度地有效利用于電動車的行駛。
而且，由于能夠利用電抗器20阻止脈動電流流入電力儲存元件14，因 此能減少電力儲存元件14中的損耗并延長壽命。實施方式6
圖10是表示本發(fā)明的實施方式6中的電動車的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖10所示的實施方式6的結(jié)構(gòu)與圖6所示的實施方式4的結(jié)構(gòu)相比， 其特征為，刪除開關(guān)S2，且對DCDC變換器15B添加動作模式。由于其它 部分與實施方式4的結(jié)構(gòu)相同，因此附加同一標號并省略其說明。
如圖10所示，實施方式6的特征在于不設(shè)置開關(guān)S2而用開關(guān)元件16、 18來代替此功能。
即采用如下結(jié)構(gòu)，在己于實施方式4(圖7、圖8)中說明的使開關(guān)S2導 通的時刻，將開關(guān)元件16、 18固定為導通(使開關(guān)元件17、 19固定為斷開)。 通過使開關(guān)元件16、 18固定為導通，能夠通過開關(guān)元件16、 18、電抗器 20、 22將電力儲存元件14與逆變器13加以連接。
若采用這樣的結(jié)構(gòu)，則DCDC變換器15B中產(chǎn)生的損耗只是電抗器20、 22和開關(guān)元件16、 18的導通損耗，而沒有使DCDC變換器15B正常運轉(zhuǎn) 時產(chǎn)生的開關(guān)元件16、 18的開關(guān)損耗；開關(guān)元件17、 19的導通損耗和開 關(guān)損耗；由電抗器20、 22中的開關(guān)電流所引起的鐵心損耗，因此能夠減少 系統(tǒng)的損耗。且無需添加開關(guān)S2。
如以上說明所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方式6，在蓄電動作模式中，由于 能夠不添加開關(guān)S2而通過開關(guān)元件16、 18;電抗器20、 22將電力儲存元 件14與逆變器13加以連接，因此能夠減少DCDC變換器15B中的損耗， 并能夠?qū)㈦娏Υ嬖?4的儲能最大限度地有效利用于電動車的行駛。
而且由于能夠利用電抗器20、 22能夠阻止脈動電流流入電力儲存元件 14，因此能減少電力儲存元件14中的損耗并延長壽命。
此外，上述的各實施方式所示的結(jié)構(gòu)是本發(fā)明內(nèi)容的一個例子，也能 與其它公知技術(shù)組合，在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)，當然也能省略一 部分或?qū)嵤┢渌兏鼇順?gòu)成。
例如，雖未圖示，也可適用于從集電裝置接受交流電力的供給、將其 在變換器中變換成直流電流后輸入到逆變器13的結(jié)構(gòu)的電力變換裝置。另 外，在逆變器13的輸出上，除了連接電動機外，還可通過例如變壓器和平
18滑電路與車輛的空調(diào)或照明設(shè)備等負載連接，也能用于通過使逆變器進行 恒壓恒頻運行來向所述負載提供恒壓 恒頻電力的所謂輔助電源裝置。
工業(yè)上的實用性
h述實施方式的說明中，以在電氣化鐵路領(lǐng)域使用電力變換裝置的情 況為例對發(fā)明內(nèi)容進行了說明，但本發(fā)明的適用領(lǐng)域不限于此，能應用于 電動汽車、電梯、電力系統(tǒng)等各種相關(guān)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1. 一種電力變換裝置，其特征在于，具有向負載提供電力的逆變器；連接在該逆變器的直流端子間的電容器；設(shè)置在該電容的一端和電源之間的電源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部；包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器；及不通過所述開關(guān)元件而將所述電力儲存部與所述電容器并聯(lián)連接的旁路開關(guān)。
2. —種電力變換裝置，其特征在于，具有.-向負載提供電力的逆變器；連接在該逆變器的直流端子間的電容器； 設(shè)置在該電容的一端和電源之間的電源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部; 及包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元 件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器，所述電源開關(guān)斷開時，固定所述幵關(guān)元件的導通斷開狀態(tài)，以將所述 電力儲存部與所述電容器并聯(lián)連接。
3. —種電動車控制裝置，其特征在于，具有驅(qū)動電動機的逆變器；連接在該逆變器的直流端子間的電容器；設(shè)置 在該電容的一端和架空線之間的電源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部； 包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元 件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器；及不通過所述幵關(guān)元件而將所述電力儲存部與所述電容器并聯(lián)連接的旁路開關(guān)。
4. 如權(quán)利要求3所述的電動車控制裝置，其特征在于，所述旁路開關(guān)通過所述電抗器將所述電力儲存部與所述電容器并聯(lián)連接。
5. 如權(quán)利要求3所述的電動車控制裝置，其特征在于， 所述電源開關(guān)斷開時，使所述旁路開關(guān)導通。
6. 如權(quán)利要求5所述的電動車控制裝置，其特征在于， 所述電源開關(guān)及所述旁路開關(guān)斷開、且所述DCDC變換器進行動作、且所述電容器的電壓和所述電力儲存部的電壓之差小于預定值時，使所述旁路開關(guān)導通并且使所述DCDC變換器的開關(guān)動作停止。
7. 如權(quán)利要求5所述的電動車控制裝置，其特征在于， 所述電源開關(guān)及所述旁路幵關(guān)斷開、且所述DCDC變換器進行動作、且所述電容器的電壓和所述架空線的電壓之差小于預定值時，使所述電源 開關(guān)導通。
8. —種電動車控制裝置，其特征在于，具有驅(qū)動電動機的逆變器；連接在該逆變器的直流端子間的電容器；設(shè)置 在該電容的一端和架空線之間的電源開關(guān)；儲存直流電力的電力儲存部； 及包含使該電力儲存部進行充放電的電抗器及至少一對串聯(lián)連接的開關(guān)元 件、并與所述電容器并聯(lián)設(shè)置的DCDC變換器，所述電源開關(guān)斷開時，固定所述開關(guān)元件的導通斷開狀態(tài)，以將所述 電力儲存部與所述電容器并聯(lián)連接。
9. 如權(quán)利要求8所述的電動車控制裝置，其特征在于， 所述電源開關(guān)斷開、且所述電容器的電壓和所述電力儲存部的電壓之差小于預定值時，固定所述開關(guān)元件的導通斷開狀態(tài)，以將所述電力儲存 部與所述電容器并聯(lián)連接。
10. 如權(quán)利要求8所述的電動車控制裝置，其特征在于， 所述DCDC變換器進行動作、且所述電容器的電壓和所述架空線的電壓之差小于預定值時，使所述電源開關(guān)導通。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力變換裝置及使用該電力變換裝置的電動車控制裝置，該電力變換裝置具有逆變器(13)，該逆變器(13)在直流側(cè)并聯(lián)連接有電容器(12)；及供電電路，該供電電路采用如下結(jié)構(gòu)，即使得能夠由電源(1)和電力儲存元件(14)向逆變器提供直流電力，供電電路中具有設(shè)置在電源和逆變器之間的電源開關(guān)S1、設(shè)置在電力儲存元件和逆變器之間的DCDC變換器(15A)、及設(shè)置在電力儲存元件和逆變器之間的旁路開關(guān)S2。
文檔編號H02M3/155GK101501973SQ20068005548
公開日2009年8月5日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月9日
發(fā)明者北中英俊 申請人:三菱電機株式會社