鉄道車両用蓄電池制御システム
【課題】蓄電池の電池容量の検出精度を向上する。
【解決手段】充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算し、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求める。そして、充放電される電荷量と蓄電池の充放電前後の充電率の変化とに基づいて、電池の容量を演算することにより、電池容量を演算する機会を増やすとともに、その精度を改善する。
【解決手段】充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算し、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求める。そして、充放電される電荷量と蓄電池の充放電前後の充電率の変化とに基づいて、電池の容量を演算することにより、電池容量を演算する機会を増やすとともに、その精度を改善する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池を搭載する鉄道車両用の蓄電池制御システムに関する
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギ効率改善の観点から、鉄道車両にリチウムイオン電池などの蓄電池を搭載し、回生ブレーキ時にモーターから得られる電力を蓄電池に蓄積して、力行時に再利用することで、消費電力を低減する技術の開発が活発に行われている。
このリチウムイオン電池は、充放電の繰り返しに伴う劣化により容量が減少し、蓄えられる電力量が減少するため、鉄道車両の力行時に必要な放電量、制動時に回生される充電量が減少することになり、消費電力の低減効果が減少する。そのため、電池の正確な容量を把握し、それをもとに電池の交換時期を決定する必要がある。
【０００３】
電池の容量は、充放電される電池の電荷量（これを充放電電荷量と呼ぶ）と、充放電前後の電池の充電率ＳＯＣ(State Of Charge)の変化から算出できる。
充放電電荷量は所定の充放電動作期間中の電流を積分して求めることができる。
一方ＳＯＣは、端子開放電圧ＯＣＶ(Open Circuit Voltage)と相関関係があり、ＯＣＶを測ることでＳＯＣを求めることができる。
【０００４】
この相関関係は電池の劣化によってはほとんど変化しないことから、ＯＣＶを測ることで電池の劣化状態によらず正確にＳＯＣを推定することができる。ただし、蓄電池の端子電圧は充放電終了後、ＯＣＶに戻るまでに、充放電が行われない所定の緩和時間が必要であり、正確に電圧を測定するためには充放電が止まってから所定の緩和時間が経過した後に電圧を測定しなければならない。
【０００５】
そこで、特許文献１及び２においては、電池の充放電電流を観測し、電池に対し充放電されない状態が所定の緩和時間以上継続する非充放電期間を検出することで、電池のＯＣＶの測定を可能とし、充放電前後のＳＯＣの差と充放電中に蓄えられた電荷量の変化から、電池の容量を求めることを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０６８３６９号公報
【特許文献２】特開２００３−２２４９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実際には、ハイブリッド自動車等の自動車用途においては、加減速等に伴い、短時間の充放電が絶えず繰り返されるため、緩和時間以上の非充放電期間を確保することが難しく、現実的には車両の運行前後の車庫での待機時しか電圧を測定できない。
このため、容量算出のため充放電電荷量を算出する際、充放電動作期間中の電流積分は一日の運行開始から運行終了までの全期間で実施しなければならず、長時間の積分が必要になることから、測定器や積分器の誤差などの影響が大きくなり、精度良く容量を推定できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、一般的な鉄道車両の運行パターンは、駅停車、力行、惰行、制動の４つから構成されることに注目した。
すなわち、現停車駅から次の停車駅までの鉄道の運行は、例えば電車の場合、発車時に架線からモーターに給電することにより所定の速度となるまで力行（加速）させ、所定の速度に達したら、モーターへの給電を停止して、鉄道車両の巨大な慣性質量及び車輪−線路間の低転がり摩擦を利用して、惰行運転を行う。そして、次の停車駅に近づいた段階で、制動（モータによる回生ブレーキ）を開始して鉄道車両を制動し、次の停車駅で停車させる。その後、所定の停車時間を経て、さらに次の停車駅に向けて力行を開始するというパターンを採る。
【０００９】
こうした運行パターンのうち、蓄電池に対し充電と放電が行われるのは、駅を出発し加速する力行（放電）と、駅に停車するためにブレーキをかける制動（充電）の時のみであり、それ以外の駅停車と惰行の期間は蓄電池になんらの充電も放電も行われない非充放電期間となる。この非充放電期間は、通常の運行では、緩和時間として十分なものを確保することができ、しかも、その直前の力行運転時の放電期間、あるいは、制動運転時の回生に伴う充電期間はある程度限定された期間であり、充放電動作期間中の電流積分についても、測定器や積分器の誤差などの影響を最小限にとどめることができる。
【００１０】
また、このような運転状態の変移は、運転士がマスコンを操作することにより、駅停車から力行、惰行そして制動に移行するため、検出が容易である。
そこで、現駅に停車してから次駅に向けて力行運転を開始する直前までの期間、そして力行運転を終了してから制動が開始するまでの惰行運転期間の非充放電期間に、蓄電池の電圧を測定することで、開放電圧の測定機会を増やすことで、容量検出の精度を向上させることができる。
これにより、鉄道用途における駅停車時や惰行中の短時間の非充放電期間でのＳＯＣの算出が可能となり、運航中の容量算出を実現させる。
【００１１】
より具体的には、本発明の鉄道車両用蓄電池制御システムにおいては、次のような技術的手段を講じた。
（１）充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備した。
【００１２】
（２）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記緩和時間の経過を、前記蓄電池の電圧に基づいて判定するようにした。
【００１３】
（３）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令が出力された際、前記充電率演算手段が力行開始時の充電率を演算し、力行中に前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し前記緩和時間が経過した後に、次の力行指令あるいは制動指令が出力されると、前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、前記電流積算値と、前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めるようにした。
【００１４】
（４）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記惰行運転期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動開始時の充電率を求め、制動中は、前記蓄電池に充電される充電電流を積算した電流積算値を求めるとともに、制動終了後、惰行運転期間あるいは停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令または次の制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動終了時の充電率を求め、前記電流積算値と、前記制動終了時の充電率と前記制動開始時の充電率の差から、前記蓄電池の容量を求めるようにした。
【００１５】
（５）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記鉄道車両が、運転手が操作し、前記電力変換器に力行及び制動の指令を出すマスコンを有し、該マスコンの操作に基づいて、前記力行運転、制動運転及び非充放電期間である惰行運転期間あるいは停車期間を判定するようにした。
【００１６】
（６）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記マスコンの操作に基づいて、前記容量演算手段により前記蓄電池の容量を演算し、前記力行運転あるいは制動運転を開始するようにした。
【００１７】
（７）上記の蓄電池制御システムにおいて、非充放電期間である、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が前記緩和時間より短い場合には、前記充電率演算手段による前記蓄電池の電圧の測定をスキップするようにした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算するとともに、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間を利用して、緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求めて、蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算し、演算された電荷量と充電率演算に基づいて、電池の容量を演算することができるので、鉄道車両独特の運行パターンに即して緩和時間を最適化でき、蓄電池の容量を算出する機会を増やし、かつ、長時間の電流積算を不要として容量の算出精度を向上できる。これにより正確に蓄電池の交換時期を知ることができるようになり、電池劣化による省エネ効果の減少を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る電池制御システム１０００のブロック図である。
【図２】蓄電池を充放電した際の電圧の推移を表すグラフである。
【図３】蓄電池への電圧と緩和時間の関係を表すグラフである。
【図４】蓄電池の電圧と充電率の関係を表すグラフである。
【図５】鉄道用途における、時間と速度及び充放電電流の推移を表すグラフである。
【図６】本発明に係る電池制御システム１０００の第二のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明に関わる蓄電池の劣化推定方式の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００２１】
図１に電池制御システム１０００の構成図を示す。
電池制御システム１０００は、電池システム１と電池制御装置２、充放電装置３及び、運転制御装置４０から構成され、電池システム１と電池制御装置２は、信号線１０４により接続されている。
また、充放電装置３は、電池システム１に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。運転制御装置４０は、運転手が操作するマスコン４１を具備し、このマスコン４１からの指令により鉄道車両の力行（加速）、惰行、制動（回生）、停止が制御される。
【００２２】
電池システム１は、電池１０とセンサ１００からなる。また、センサ１００は、電流センサ１０１と、電圧センサ１０２と、温度センサ１０３とから構成される。電流センサ１０は電池１０を流れる電流を、電圧センサ１０２は電池１０の電圧を、温度センサ１０３は電池１０の温度をそれぞれ検出し、アナログ信号として出力する。
【００２３】
電池制御装置２は、Ａ／Ｄ変換器２１と電池状態推定装置２０から構成される。Ａ／Ｄ変換器２１は、センサ１００からのアナログ信号を電池状態推定装置２０で処理できるように、ディジタル信号に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器２１は電池システム１側に置き、アナログ信号をディジタル信号に変換して、電池制御装置２に送る構成でもよい。電池状態推定装置２０は、緩和判定手段２０１、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３、及び劣化推定装置２０４とから構成される。
【００２４】
緩和判定手段２０１は、Ａ／Ｄ変換器２１を介して、センサ１００からの検出信号をもとに、電池１０が非通電状態に入ってから電池１０の電圧が安定したかを判定し、その緩和終了信号を、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３に対し出力する。
【００２５】
充電状態推定手段２０２は、緩和判定手段２０１からの緩和終了信号を受けた状態で、マスコン４１より、力行開始、または、制動開始の信号が出るのを検出すると、電池１０の電圧から充電率（ＳＯＣ）を求める。また、電流積算手段２０３は、力行及び制動中に電池１０を流れる電流を積算し、電池１０に充放電された電荷量の変化を算出する。最後に、劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２からのＳＯＣ情報と、電流積算手段２０３からの電荷量の変化の情報から、電池１０の容量を推定する手段である。
【００２６】
ここで、今回電池１０として使用するリチウムイオン電池の特性について説明する。
図２に、電池１０に対して、一定電流で充電及び放電した時の電池１０の電圧の変化を示す。横軸が時間で、縦軸が電池１０の端子間電圧である。
図２（ａ）は充電期間終了後の電池１０の端子間電圧の変化を、そして、図２（ｂ）は放電期間終了後の電池１０の端子間電圧の変化を示し、電池１０の端子間電圧は、充放電終了後、ある時定数を持って安定した電圧である開放電圧：ＯＣＶ（Open Circuit Voltage)に戻っていくことが知られている。
【００２７】
この電池１０の電圧Ｖと開放電圧のＯＣＶとの差をΔＶ（ｔ）とすると、リチウムイオン電池においては、この充放電終了直後の電圧と、開放電圧と差ΔＶ（０）は、電池１０の温度が低いほど、また、充放電時の電流または充放電電力量が多いほど大きくなる性質がある。なお、この充放電終了から開放電圧ＯＣＶに戻るまでの時間を緩和時間とする。
例えば、この緩和時間は電池１０の温度に変化するが、一般的には、３０秒〜１分を確保する必要がある。
【００２８】
図３は、充放電終了直後からの時間、縦軸が電池１０の電圧Ｖとし、電池１０の電圧Ｖと開放電圧ＯＣＶとの差であるΔＶ（ｔ）の変化を示したグラフである。
緩和時間Ｔｔｒは、ΔＶ（ｔ）が、初期の電圧差ΔＶ（０）の所定の比率α（例えば１％）となるまでの時間、または、予め定められた時間Δｔ内のΔＶ（ｔ）の変化が、予め定められた閾値ΔＶｔｈになるまでの時間とする。
すなわち、
【数１】
または、
【数２】
を満たす時間Ｔｔｒを緩和時間とする。
【００２９】
図４は、横軸に充電率（ＳＯＣ）、縦軸に開放電圧ＯＣＶを取り、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係を示したグラフである。
充電率ＳＯＣは、次式のように定義されており、電池１０が完全に放電した状態がＳＯＣ＝０％、完全に充電した状態がＳＯＣ＝１００％となる。なお、このＯＣＶとＳＯＣとの相関関係は、温度や劣化によりほとんど変化しないことが知られている。
ＳＯＣ（％）＝電池１０に蓄えられている電荷量（Ａｈ）
÷電池１０に蓄えられる総電荷量（Ａｈ）×１００
この電池１０に蓄えられる総電荷量を電池１０の容量Ｑとする。容量Ｑは劣化により減少していくため、この容量を検出することで電池１０の劣化状態を把握できる。
【００３０】
以下、図５を用いて、本電池状態推定装置２０により、電池１０の容量Ｑを推定する流れを説明する。
図５は、鉄道の運行パターンを示しており、駅停車（ｔ０〜ｔ１）、力行（ｔ１〜ｔ２）、惰行（ｔ２〜ｔ３）、制動（ｔ３〜ｔ４）から構成され、ｔ４で再び次駅での駅停車に戻る。
横軸が時刻（時間）、縦軸が電池１０への充放電電流Ｉ、電池１０の端子間の電圧Ｖ、電池１０の充電率ＳＯＣであり、電池１０に対し充放電電流Ｉを流した際の電圧Ｖ及びＳＯＣの推移を示している。
【００３１】
電池１０に対して、力行（ｔ１〜ｔ２）が放電、制動（ｔ３〜ｔ４）が充電となる。それ以外の駅停車（ｔ０〜ｔ１）と惰行（ｔ２〜ｔ３）が充放電されない非充放電期間となり、この期間が緩和時間となる。
（１）駅停車（ｔ０〜ｔ１）時、緩和判定手段２０１は電流センサ１０１、電圧センサ１０２、温度センサ１０３からＡ／Ｄ変換器２１を介して、電池１０の電流・電圧・温度情報を入手・観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶを監視する。緩和判定手段２０１が、この電圧変化ΔＶが式（１）を満たすのを確認すると、緩和終了信号を充電状態推定手段２０２と電流積算手段２０３に伝える。
【００３２】
（２）時刻ｔ１において、マスコン４１のノッチが入り、力行指令が出ると、力行のための放電を開始する直前に、充電状態推定手段２０２は、電圧センサ１０２より電池１０の電圧を入手し、図４に示す電池１０の電圧と充電率（ＳＯＣ）との関係から、ＳＯＣＡ（＝ＳＯＣ（ｔ１））を求め、劣化推定装置２０４に出力する。
また、電流積算手段２０３は、緩和判定手段２０１から緩和終了信号を受け、電流積算値をリセットする。
【００３３】
（３）次に、力行時のｔ１〜ｔ２間において、電池１０に対する放電が行われる。このときの充放電電流をＩ（ｔ）とする。なお、充放電電流Ｉ（ｔ）は充電が正、放電を負とする。
電流積算手段２０３は時刻ｔ１〜ｔ２間の充放電電流Ｉ（ｔ）を積算し、電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑを求め、劣化推定装置２０４に出力する。次の式（３）にΔｑの算出式を示す。
【数３】
【００３４】
（４）時刻ｔ２で、マスコン４１のノッチがオフされ、惰行に入ると、図５に示すように電池１０の電圧Ｖは、徐々に開放電圧に戻る。緩和判定手段２０１は、電池１０の電流・電圧・温度の観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶの監視を開始する。
【００３５】
（５）時刻ｔ３でマスコン４１のノッチが入り、制動指令が出ると、１）と同様に、充電状態推定手段２０２は、電池１０の電圧から、ＳＯＣＢ（＝ＳＯＣ（ｔ４））を求める。
劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２より入手した通電期間前後のＳＯＣであるＳＯＣＡとＳＯＣＢ及び、電流積算手段２０３で算出した電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑより、電池１０の容量Ｑを求める。これは、時刻ｔ１での電池１０に蓄えられた電荷量をｑＡ、時刻ｔ３に蓄えられた電荷量をｑＢとすると、式（１）に示すように充電率ＳＯＣは、蓄えられた電荷量と容量の比となることから、ＳＯＣＡとＳＯＣＢは、式（４）、（５）に示す式で表わされる。
【数４】
【数５】
【００３６】
また、Δｑ＝ｑＢ−ｑＡとなることから、式（３）〜式（５）を用いて、ＳＯＣＡ，ＳＯＣＢ、Δｑの関係式は式（６）に示すとおりとなる。
【数６】
この式（６）を容量Ｑについて解いた式が次の式（７）となり、これが容量Ｑを求める式となる。
また、式（８）に容量の劣化度ＳＯＨＱを求める式を示す。なお、Ｑ０は電池１０の初期容量である。
【数７】
【数８】
【００３７】
（６）制動時のｔ３〜ｔ４間において、電池１０に対し充電が行われる。（３）と同様に、電流積算手段２０３は時刻ｔ３〜ｔ４間の充放電電流Ｉ（ｔ）を積算し、電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑ’を求め、劣化推定装置２０４に出力する。
【００３８】
（７）時刻ｔ４で駅に到着しマスコン４１のノッチがオフされ、車両が駅に停車すると、（４）と同様に、電池１０の電池Ｖは、徐々に開放電圧に戻る。緩和判定手段２０１は、電池１０の電流・電圧・温度の観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶの監視を開始する。
【００３９】
（８）時刻ｔ５で、マスコン４１のノッチが入り、力行指令が出ると、（４）と同様に、充電状態推定手段２０２は、電池１０の電圧からＳＯＣＣ（＝ＳＯＣ（ｔ４））を求め、劣化推定装置２０４は、充電状態２０２より入手したＳＯＣＢとＳＯＣＣ及び電流積算手段２０３で算出したΔｑ’により、電池１０の容量Ｑを求める。
なお、（５）において、惰行時間（ｔ２〜ｔ３）が短く、電池１０の緩和時間が取れなかった場合には、ＳＯＣ（ｔ１）とＳＯＣ（ｔ４）とｔ１〜ｔ４間の電流積算値Δｑを用いて、電池１０の容量Ｑを求める。なお、ｔ１〜ｔ４の場合は、力行時の放電と、制動時の充電が含まれているため、ＳＯＣの差やΔｑが所定の値以下の場合には、誤差の影響を考慮し、計算を行わない。
【００４０】
また、走行中に複数の惰行が含まれ、各惰行期間において、緩和時間を十分に確保できる場合には、２つの惰行間の力行または制動に対して、上記ステップを実行することで、電池１０の容量Ｑを求めることができ、電池劣化の推定を高頻度で行うことができる。
また、マスコン４１からのノッチ（力行、制動）指令のほかに、運転制御装置４０に自動運転時モードがあり、自動運転モード時に、運転制御装置４０がノッチ（力行、制動）指令を出力してもよい。
【００４１】
図９にもう一つの実施例を示す。
先の実施例との相違は、電池１０が組電池１１の直列接続により構成されている点にある。
電池制御システム１０００は、電池システム１と電池制御装置２、充放電手段３から構成され、電池システム１と電池制御装置２は、信号線１０４により接続されている。
また、充放電手段３は、電池システム１に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。
【００４２】
電池システム１は、組電池１０とセンサ１００からなる。組電池１０は、複数の単電池１１を直列に接続された構成である。また、センサ１００は、電流センサ１０１と、電圧センサ１０２と、温度センサ１０３と、電圧センサ群１１０から構成される。電流センサ１０１は、組電池１０を流れる電流を、電圧センサ１０２は、組電池１０の総電圧を、温度センサ１０３は、組電池１０を構成する単電池１１の温度を測定する。なお、温度センサ１０３は、各単電池１１のうち最も高い温度または、それが推測できるように組電池１０に設置されている。
【００４３】
また、電圧センサ群１１０は、各単電池１１の電圧を測定し、その結果をディジタル化して通信に送る。この方法については特開２００５−３１８７５０号公報などに記載されているため、詳細は記載しない。この方式を採用することにより、複数の電圧センサ１２からの単電池１１の電圧情報を通信により入手することで、蓄電池１と蓄電池制御装置２とを接続する信号線１０４の本数を削減することができる。
【００４４】
電池制御装置２は、Ａ／Ｄ変換器２１と電池状態推定装置２０及び通信装置２２から構成される。Ａ／Ｄ変換器２１は、センサ１００からのアナログ信号を周期τでサンプリングし、ディジタル化する。電池状態推定装置２０は、緩和判定手段２０１、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３、及び劣化推定装置２０４とから構成される。
【００４５】
また、通信装置２２は、電圧センサ群１１０から一定周期で送信される単電池１１の電圧データを受信し、電池状態推定装置２０に出力する。なお、センサ１００に含まれる全センサのディジタルデータを、通信装置２２を介して入手してもよい。
本構成においては、単電池１１は直列に接続されているため、各単電池１１を流れる充放電電流は、電流センサ１０１より入手することができる。また、緩和判定手段２０１は、電圧センサ群１０１からの各単電池１１の電圧と、電流センサ１０１からの充放電電流情報を観測し、全単電池１１の電圧が安定する緩和時間を決定する。
【００４６】
充電状態推定手段２０２は、緩和判定手段２０１からの電圧安定判定結果をもとに、電圧センサ群１１０から入手した各単電池１１の電圧から、各単電池１１のＳＯＣを算出する。
電流積算手段２０３は、電流センサ１０１から入手した充放電電流を積算するとともに、劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２からの各単電池１１の差と電流積算手段２０３の電流積算値から、各単電池１１の容量Ｑを求める。
この容量の求め方は、図５に示す内容と同じである。
【００４７】
なお、以上の実施例では、マスコン４１の操作に基づいて、力行運転、惰行運転、回生を伴う減速運転、停車状態を検出するようにしたが、自動運転システムにおける運転指令やＡＴＯ（Automatic Train Operation system：自動列車運転システム）信号に基づいて、こうした運転状態を識別することも可能である。
すなわち、ＡＴＯを用いたシステムは、速度制限を行うＡＴＣ（Automatic Train Control system：自動列車制御システム）を発展させたものであり、線路上におかれたＡＴＯ地上装置と通信し、列車の発進、減速、及び停止位置の情報を入力、車両に搭載されたＡＴＯ車上装置が、力行、惰行、回生運転を指令することにより、自動運転を実現する。
ＡＴＯを用いたシステムでは、列車の発進指令を受信すると、ＡＴＣにより指定された速度まで力行運転を行い、その後、定速運転に入る。次の停車駅に近付くと、線路上にＡＴＯ地上装置が置かれており、その情報から、次の停車駅までの距離を入手し、この距離と現在の速度に基づいて、ブレーキ制御を行い、指定された位置に停車する。
このように、ＡＴＯを用いたシステムにおいても、ＡＴＯ車上装置から出力された運転指令をもとに、力行運転、惰行運転、回生を伴う減速運転を識別することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明によれば、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算するとともに、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間を利用して、緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求めて、蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算し、演算された電荷量と充電率演算に基づいて、電池の容量を演算することができるので、鉄道車両独特の運行パターンに即して緩和時間を最適化でき、蓄電池の容量を算出する機会を増やし、かつ、長時間の電流積算を不要として容量の算出精度を向上できる。
こうした蓄電池搭載型鉄道車両は、省エネルギの観点から今後幅広い導入が予想されているが、本発明によれば、高価な蓄電池の交換時期を正確に認知できることから、蓄電池の最大限の有効活用とともに、的確な保守を実現できる蓄電池制御システムとして広く利用されることが期待される。
【符号の説明】
【００４９】
１…電池システム、２…電池制御装置、３…充放電手段、１０…電池、１１…組電池、１００…センサ、１０１…電流センサ、１０２…電圧センサ、１０３…温度センサ、１１０…電圧センサ群、２０…電池状態推定装置、２１…Ａ／Ｄ変換器、２２…通信回路、２０１…緩和判定手段、２０２…充電状態推定手段、２０３…電流積算手段、２０４…劣化状態推定手段、１１…単電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池を搭載する鉄道車両用の蓄電池制御システムに関する
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギ効率改善の観点から、鉄道車両にリチウムイオン電池などの蓄電池を搭載し、回生ブレーキ時にモーターから得られる電力を蓄電池に蓄積して、力行時に再利用することで、消費電力を低減する技術の開発が活発に行われている。
このリチウムイオン電池は、充放電の繰り返しに伴う劣化により容量が減少し、蓄えられる電力量が減少するため、鉄道車両の力行時に必要な放電量、制動時に回生される充電量が減少することになり、消費電力の低減効果が減少する。そのため、電池の正確な容量を把握し、それをもとに電池の交換時期を決定する必要がある。
【０００３】
電池の容量は、充放電される電池の電荷量（これを充放電電荷量と呼ぶ）と、充放電前後の電池の充電率ＳＯＣ(State Of Charge)の変化から算出できる。
充放電電荷量は所定の充放電動作期間中の電流を積分して求めることができる。
一方ＳＯＣは、端子開放電圧ＯＣＶ(Open Circuit Voltage)と相関関係があり、ＯＣＶを測ることでＳＯＣを求めることができる。
【０００４】
この相関関係は電池の劣化によってはほとんど変化しないことから、ＯＣＶを測ることで電池の劣化状態によらず正確にＳＯＣを推定することができる。ただし、蓄電池の端子電圧は充放電終了後、ＯＣＶに戻るまでに、充放電が行われない所定の緩和時間が必要であり、正確に電圧を測定するためには充放電が止まってから所定の緩和時間が経過した後に電圧を測定しなければならない。
【０００５】
そこで、特許文献１及び２においては、電池の充放電電流を観測し、電池に対し充放電されない状態が所定の緩和時間以上継続する非充放電期間を検出することで、電池のＯＣＶの測定を可能とし、充放電前後のＳＯＣの差と充放電中に蓄えられた電荷量の変化から、電池の容量を求めることを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０６８３６９号公報
【特許文献２】特開２００３−２２４９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実際には、ハイブリッド自動車等の自動車用途においては、加減速等に伴い、短時間の充放電が絶えず繰り返されるため、緩和時間以上の非充放電期間を確保することが難しく、現実的には車両の運行前後の車庫での待機時しか電圧を測定できない。
このため、容量算出のため充放電電荷量を算出する際、充放電動作期間中の電流積分は一日の運行開始から運行終了までの全期間で実施しなければならず、長時間の積分が必要になることから、測定器や積分器の誤差などの影響が大きくなり、精度良く容量を推定できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、一般的な鉄道車両の運行パターンは、駅停車、力行、惰行、制動の４つから構成されることに注目した。
すなわち、現停車駅から次の停車駅までの鉄道の運行は、例えば電車の場合、発車時に架線からモーターに給電することにより所定の速度となるまで力行（加速）させ、所定の速度に達したら、モーターへの給電を停止して、鉄道車両の巨大な慣性質量及び車輪−線路間の低転がり摩擦を利用して、惰行運転を行う。そして、次の停車駅に近づいた段階で、制動（モータによる回生ブレーキ）を開始して鉄道車両を制動し、次の停車駅で停車させる。その後、所定の停車時間を経て、さらに次の停車駅に向けて力行を開始するというパターンを採る。
【０００９】
こうした運行パターンのうち、蓄電池に対し充電と放電が行われるのは、駅を出発し加速する力行（放電）と、駅に停車するためにブレーキをかける制動（充電）の時のみであり、それ以外の駅停車と惰行の期間は蓄電池になんらの充電も放電も行われない非充放電期間となる。この非充放電期間は、通常の運行では、緩和時間として十分なものを確保することができ、しかも、その直前の力行運転時の放電期間、あるいは、制動運転時の回生に伴う充電期間はある程度限定された期間であり、充放電動作期間中の電流積分についても、測定器や積分器の誤差などの影響を最小限にとどめることができる。
【００１０】
また、このような運転状態の変移は、運転士がマスコンを操作することにより、駅停車から力行、惰行そして制動に移行するため、検出が容易である。
そこで、現駅に停車してから次駅に向けて力行運転を開始する直前までの期間、そして力行運転を終了してから制動が開始するまでの惰行運転期間の非充放電期間に、蓄電池の電圧を測定することで、開放電圧の測定機会を増やすことで、容量検出の精度を向上させることができる。
これにより、鉄道用途における駅停車時や惰行中の短時間の非充放電期間でのＳＯＣの算出が可能となり、運航中の容量算出を実現させる。
【００１１】
より具体的には、本発明の鉄道車両用蓄電池制御システムにおいては、次のような技術的手段を講じた。
（１）充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備した。
【００１２】
（２）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記緩和時間の経過を、前記蓄電池の電圧に基づいて判定するようにした。
【００１３】
（３）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令が出力された際、前記充電率演算手段が力行開始時の充電率を演算し、力行中に前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し前記緩和時間が経過した後に、次の力行指令あるいは制動指令が出力されると、前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、前記電流積算値と、前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めるようにした。
【００１４】
（４）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記惰行運転期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動開始時の充電率を求め、制動中は、前記蓄電池に充電される充電電流を積算した電流積算値を求めるとともに、制動終了後、惰行運転期間あるいは停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令または次の制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動終了時の充電率を求め、前記電流積算値と、前記制動終了時の充電率と前記制動開始時の充電率の差から、前記蓄電池の容量を求めるようにした。
【００１５】
（５）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記鉄道車両が、運転手が操作し、前記電力変換器に力行及び制動の指令を出すマスコンを有し、該マスコンの操作に基づいて、前記力行運転、制動運転及び非充放電期間である惰行運転期間あるいは停車期間を判定するようにした。
【００１６】
（６）上記の蓄電池制御システムにおいて、前記マスコンの操作に基づいて、前記容量演算手段により前記蓄電池の容量を演算し、前記力行運転あるいは制動運転を開始するようにした。
【００１７】
（７）上記の蓄電池制御システムにおいて、非充放電期間である、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が前記緩和時間より短い場合には、前記充電率演算手段による前記蓄電池の電圧の測定をスキップするようにした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算するとともに、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間を利用して、緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求めて、蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算し、演算された電荷量と充電率演算に基づいて、電池の容量を演算することができるので、鉄道車両独特の運行パターンに即して緩和時間を最適化でき、蓄電池の容量を算出する機会を増やし、かつ、長時間の電流積算を不要として容量の算出精度を向上できる。これにより正確に蓄電池の交換時期を知ることができるようになり、電池劣化による省エネ効果の減少を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る電池制御システム１０００のブロック図である。
【図２】蓄電池を充放電した際の電圧の推移を表すグラフである。
【図３】蓄電池への電圧と緩和時間の関係を表すグラフである。
【図４】蓄電池の電圧と充電率の関係を表すグラフである。
【図５】鉄道用途における、時間と速度及び充放電電流の推移を表すグラフである。
【図６】本発明に係る電池制御システム１０００の第二のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明に関わる蓄電池の劣化推定方式の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００２１】
図１に電池制御システム１０００の構成図を示す。
電池制御システム１０００は、電池システム１と電池制御装置２、充放電装置３及び、運転制御装置４０から構成され、電池システム１と電池制御装置２は、信号線１０４により接続されている。
また、充放電装置３は、電池システム１に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。運転制御装置４０は、運転手が操作するマスコン４１を具備し、このマスコン４１からの指令により鉄道車両の力行（加速）、惰行、制動（回生）、停止が制御される。
【００２２】
電池システム１は、電池１０とセンサ１００からなる。また、センサ１００は、電流センサ１０１と、電圧センサ１０２と、温度センサ１０３とから構成される。電流センサ１０は電池１０を流れる電流を、電圧センサ１０２は電池１０の電圧を、温度センサ１０３は電池１０の温度をそれぞれ検出し、アナログ信号として出力する。
【００２３】
電池制御装置２は、Ａ／Ｄ変換器２１と電池状態推定装置２０から構成される。Ａ／Ｄ変換器２１は、センサ１００からのアナログ信号を電池状態推定装置２０で処理できるように、ディジタル信号に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器２１は電池システム１側に置き、アナログ信号をディジタル信号に変換して、電池制御装置２に送る構成でもよい。電池状態推定装置２０は、緩和判定手段２０１、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３、及び劣化推定装置２０４とから構成される。
【００２４】
緩和判定手段２０１は、Ａ／Ｄ変換器２１を介して、センサ１００からの検出信号をもとに、電池１０が非通電状態に入ってから電池１０の電圧が安定したかを判定し、その緩和終了信号を、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３に対し出力する。
【００２５】
充電状態推定手段２０２は、緩和判定手段２０１からの緩和終了信号を受けた状態で、マスコン４１より、力行開始、または、制動開始の信号が出るのを検出すると、電池１０の電圧から充電率（ＳＯＣ）を求める。また、電流積算手段２０３は、力行及び制動中に電池１０を流れる電流を積算し、電池１０に充放電された電荷量の変化を算出する。最後に、劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２からのＳＯＣ情報と、電流積算手段２０３からの電荷量の変化の情報から、電池１０の容量を推定する手段である。
【００２６】
ここで、今回電池１０として使用するリチウムイオン電池の特性について説明する。
図２に、電池１０に対して、一定電流で充電及び放電した時の電池１０の電圧の変化を示す。横軸が時間で、縦軸が電池１０の端子間電圧である。
図２（ａ）は充電期間終了後の電池１０の端子間電圧の変化を、そして、図２（ｂ）は放電期間終了後の電池１０の端子間電圧の変化を示し、電池１０の端子間電圧は、充放電終了後、ある時定数を持って安定した電圧である開放電圧：ＯＣＶ（Open Circuit Voltage)に戻っていくことが知られている。
【００２７】
この電池１０の電圧Ｖと開放電圧のＯＣＶとの差をΔＶ（ｔ）とすると、リチウムイオン電池においては、この充放電終了直後の電圧と、開放電圧と差ΔＶ（０）は、電池１０の温度が低いほど、また、充放電時の電流または充放電電力量が多いほど大きくなる性質がある。なお、この充放電終了から開放電圧ＯＣＶに戻るまでの時間を緩和時間とする。
例えば、この緩和時間は電池１０の温度に変化するが、一般的には、３０秒〜１分を確保する必要がある。
【００２８】
図３は、充放電終了直後からの時間、縦軸が電池１０の電圧Ｖとし、電池１０の電圧Ｖと開放電圧ＯＣＶとの差であるΔＶ（ｔ）の変化を示したグラフである。
緩和時間Ｔｔｒは、ΔＶ（ｔ）が、初期の電圧差ΔＶ（０）の所定の比率α（例えば１％）となるまでの時間、または、予め定められた時間Δｔ内のΔＶ（ｔ）の変化が、予め定められた閾値ΔＶｔｈになるまでの時間とする。
すなわち、
【数１】
または、
【数２】
を満たす時間Ｔｔｒを緩和時間とする。
【００２９】
図４は、横軸に充電率（ＳＯＣ）、縦軸に開放電圧ＯＣＶを取り、ＯＣＶとＳＯＣとの相関関係を示したグラフである。
充電率ＳＯＣは、次式のように定義されており、電池１０が完全に放電した状態がＳＯＣ＝０％、完全に充電した状態がＳＯＣ＝１００％となる。なお、このＯＣＶとＳＯＣとの相関関係は、温度や劣化によりほとんど変化しないことが知られている。
ＳＯＣ（％）＝電池１０に蓄えられている電荷量（Ａｈ）
÷電池１０に蓄えられる総電荷量（Ａｈ）×１００
この電池１０に蓄えられる総電荷量を電池１０の容量Ｑとする。容量Ｑは劣化により減少していくため、この容量を検出することで電池１０の劣化状態を把握できる。
【００３０】
以下、図５を用いて、本電池状態推定装置２０により、電池１０の容量Ｑを推定する流れを説明する。
図５は、鉄道の運行パターンを示しており、駅停車（ｔ０〜ｔ１）、力行（ｔ１〜ｔ２）、惰行（ｔ２〜ｔ３）、制動（ｔ３〜ｔ４）から構成され、ｔ４で再び次駅での駅停車に戻る。
横軸が時刻（時間）、縦軸が電池１０への充放電電流Ｉ、電池１０の端子間の電圧Ｖ、電池１０の充電率ＳＯＣであり、電池１０に対し充放電電流Ｉを流した際の電圧Ｖ及びＳＯＣの推移を示している。
【００３１】
電池１０に対して、力行（ｔ１〜ｔ２）が放電、制動（ｔ３〜ｔ４）が充電となる。それ以外の駅停車（ｔ０〜ｔ１）と惰行（ｔ２〜ｔ３）が充放電されない非充放電期間となり、この期間が緩和時間となる。
（１）駅停車（ｔ０〜ｔ１）時、緩和判定手段２０１は電流センサ１０１、電圧センサ１０２、温度センサ１０３からＡ／Ｄ変換器２１を介して、電池１０の電流・電圧・温度情報を入手・観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶを監視する。緩和判定手段２０１が、この電圧変化ΔＶが式（１）を満たすのを確認すると、緩和終了信号を充電状態推定手段２０２と電流積算手段２０３に伝える。
【００３２】
（２）時刻ｔ１において、マスコン４１のノッチが入り、力行指令が出ると、力行のための放電を開始する直前に、充電状態推定手段２０２は、電圧センサ１０２より電池１０の電圧を入手し、図４に示す電池１０の電圧と充電率（ＳＯＣ）との関係から、ＳＯＣＡ（＝ＳＯＣ（ｔ１））を求め、劣化推定装置２０４に出力する。
また、電流積算手段２０３は、緩和判定手段２０１から緩和終了信号を受け、電流積算値をリセットする。
【００３３】
（３）次に、力行時のｔ１〜ｔ２間において、電池１０に対する放電が行われる。このときの充放電電流をＩ（ｔ）とする。なお、充放電電流Ｉ（ｔ）は充電が正、放電を負とする。
電流積算手段２０３は時刻ｔ１〜ｔ２間の充放電電流Ｉ（ｔ）を積算し、電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑを求め、劣化推定装置２０４に出力する。次の式（３）にΔｑの算出式を示す。
【数３】
【００３４】
（４）時刻ｔ２で、マスコン４１のノッチがオフされ、惰行に入ると、図５に示すように電池１０の電圧Ｖは、徐々に開放電圧に戻る。緩和判定手段２０１は、電池１０の電流・電圧・温度の観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶの監視を開始する。
【００３５】
（５）時刻ｔ３でマスコン４１のノッチが入り、制動指令が出ると、１）と同様に、充電状態推定手段２０２は、電池１０の電圧から、ＳＯＣＢ（＝ＳＯＣ（ｔ４））を求める。
劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２より入手した通電期間前後のＳＯＣであるＳＯＣＡとＳＯＣＢ及び、電流積算手段２０３で算出した電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑより、電池１０の容量Ｑを求める。これは、時刻ｔ１での電池１０に蓄えられた電荷量をｑＡ、時刻ｔ３に蓄えられた電荷量をｑＢとすると、式（１）に示すように充電率ＳＯＣは、蓄えられた電荷量と容量の比となることから、ＳＯＣＡとＳＯＣＢは、式（４）、（５）に示す式で表わされる。
【数４】
【数５】
【００３６】
また、Δｑ＝ｑＢ−ｑＡとなることから、式（３）〜式（５）を用いて、ＳＯＣＡ，ＳＯＣＢ、Δｑの関係式は式（６）に示すとおりとなる。
【数６】
この式（６）を容量Ｑについて解いた式が次の式（７）となり、これが容量Ｑを求める式となる。
また、式（８）に容量の劣化度ＳＯＨＱを求める式を示す。なお、Ｑ０は電池１０の初期容量である。
【数７】
【数８】
【００３７】
（６）制動時のｔ３〜ｔ４間において、電池１０に対し充電が行われる。（３）と同様に、電流積算手段２０３は時刻ｔ３〜ｔ４間の充放電電流Ｉ（ｔ）を積算し、電池１０に蓄えられた電荷量の変化Δｑ’を求め、劣化推定装置２０４に出力する。
【００３８】
（７）時刻ｔ４で駅に到着しマスコン４１のノッチがオフされ、車両が駅に停車すると、（４）と同様に、電池１０の電池Ｖは、徐々に開放電圧に戻る。緩和判定手段２０１は、電池１０の電流・電圧・温度の観測し、蓄電池１０の電圧変化ΔＶの監視を開始する。
【００３９】
（８）時刻ｔ５で、マスコン４１のノッチが入り、力行指令が出ると、（４）と同様に、充電状態推定手段２０２は、電池１０の電圧からＳＯＣＣ（＝ＳＯＣ（ｔ４））を求め、劣化推定装置２０４は、充電状態２０２より入手したＳＯＣＢとＳＯＣＣ及び電流積算手段２０３で算出したΔｑ’により、電池１０の容量Ｑを求める。
なお、（５）において、惰行時間（ｔ２〜ｔ３）が短く、電池１０の緩和時間が取れなかった場合には、ＳＯＣ（ｔ１）とＳＯＣ（ｔ４）とｔ１〜ｔ４間の電流積算値Δｑを用いて、電池１０の容量Ｑを求める。なお、ｔ１〜ｔ４の場合は、力行時の放電と、制動時の充電が含まれているため、ＳＯＣの差やΔｑが所定の値以下の場合には、誤差の影響を考慮し、計算を行わない。
【００４０】
また、走行中に複数の惰行が含まれ、各惰行期間において、緩和時間を十分に確保できる場合には、２つの惰行間の力行または制動に対して、上記ステップを実行することで、電池１０の容量Ｑを求めることができ、電池劣化の推定を高頻度で行うことができる。
また、マスコン４１からのノッチ（力行、制動）指令のほかに、運転制御装置４０に自動運転時モードがあり、自動運転モード時に、運転制御装置４０がノッチ（力行、制動）指令を出力してもよい。
【００４１】
図９にもう一つの実施例を示す。
先の実施例との相違は、電池１０が組電池１１の直列接続により構成されている点にある。
電池制御システム１０００は、電池システム１と電池制御装置２、充放電手段３から構成され、電池システム１と電池制御装置２は、信号線１０４により接続されている。
また、充放電手段３は、電池システム１に対して、電力の充放電を行い、例えばインバータや発電機などからなる。
【００４２】
電池システム１は、組電池１０とセンサ１００からなる。組電池１０は、複数の単電池１１を直列に接続された構成である。また、センサ１００は、電流センサ１０１と、電圧センサ１０２と、温度センサ１０３と、電圧センサ群１１０から構成される。電流センサ１０１は、組電池１０を流れる電流を、電圧センサ１０２は、組電池１０の総電圧を、温度センサ１０３は、組電池１０を構成する単電池１１の温度を測定する。なお、温度センサ１０３は、各単電池１１のうち最も高い温度または、それが推測できるように組電池１０に設置されている。
【００４３】
また、電圧センサ群１１０は、各単電池１１の電圧を測定し、その結果をディジタル化して通信に送る。この方法については特開２００５−３１８７５０号公報などに記載されているため、詳細は記載しない。この方式を採用することにより、複数の電圧センサ１２からの単電池１１の電圧情報を通信により入手することで、蓄電池１と蓄電池制御装置２とを接続する信号線１０４の本数を削減することができる。
【００４４】
電池制御装置２は、Ａ／Ｄ変換器２１と電池状態推定装置２０及び通信装置２２から構成される。Ａ／Ｄ変換器２１は、センサ１００からのアナログ信号を周期τでサンプリングし、ディジタル化する。電池状態推定装置２０は、緩和判定手段２０１、充電状態推定手段２０２、電流積算手段２０３、及び劣化推定装置２０４とから構成される。
【００４５】
また、通信装置２２は、電圧センサ群１１０から一定周期で送信される単電池１１の電圧データを受信し、電池状態推定装置２０に出力する。なお、センサ１００に含まれる全センサのディジタルデータを、通信装置２２を介して入手してもよい。
本構成においては、単電池１１は直列に接続されているため、各単電池１１を流れる充放電電流は、電流センサ１０１より入手することができる。また、緩和判定手段２０１は、電圧センサ群１０１からの各単電池１１の電圧と、電流センサ１０１からの充放電電流情報を観測し、全単電池１１の電圧が安定する緩和時間を決定する。
【００４６】
充電状態推定手段２０２は、緩和判定手段２０１からの電圧安定判定結果をもとに、電圧センサ群１１０から入手した各単電池１１の電圧から、各単電池１１のＳＯＣを算出する。
電流積算手段２０３は、電流センサ１０１から入手した充放電電流を積算するとともに、劣化推定装置２０４は、充電状態推定手段２０２からの各単電池１１の差と電流積算手段２０３の電流積算値から、各単電池１１の容量Ｑを求める。
この容量の求め方は、図５に示す内容と同じである。
【００４７】
なお、以上の実施例では、マスコン４１の操作に基づいて、力行運転、惰行運転、回生を伴う減速運転、停車状態を検出するようにしたが、自動運転システムにおける運転指令やＡＴＯ（Automatic Train Operation system：自動列車運転システム）信号に基づいて、こうした運転状態を識別することも可能である。
すなわち、ＡＴＯを用いたシステムは、速度制限を行うＡＴＣ（Automatic Train Control system：自動列車制御システム）を発展させたものであり、線路上におかれたＡＴＯ地上装置と通信し、列車の発進、減速、及び停止位置の情報を入力、車両に搭載されたＡＴＯ車上装置が、力行、惰行、回生運転を指令することにより、自動運転を実現する。
ＡＴＯを用いたシステムでは、列車の発進指令を受信すると、ＡＴＣにより指定された速度まで力行運転を行い、その後、定速運転に入る。次の停車駅に近付くと、線路上にＡＴＯ地上装置が置かれており、その情報から、次の停車駅までの距離を入手し、この距離と現在の速度に基づいて、ブレーキ制御を行い、指定された位置に停車する。
このように、ＡＴＯを用いたシステムにおいても、ＡＴＯ車上装置から出力された運転指令をもとに、力行運転、惰行運転、回生を伴う減速運転を識別することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明によれば、力行運転中の蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算するとともに、非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間を利用して、緩和時間経過後に、蓄電池の端子開放電圧を求めて、蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算し、演算された電荷量と充電率演算に基づいて、電池の容量を演算することができるので、鉄道車両独特の運行パターンに即して緩和時間を最適化でき、蓄電池の容量を算出する機会を増やし、かつ、長時間の電流積算を不要として容量の算出精度を向上できる。
こうした蓄電池搭載型鉄道車両は、省エネルギの観点から今後幅広い導入が予想されているが、本発明によれば、高価な蓄電池の交換時期を正確に認知できることから、蓄電池の最大限の有効活用とともに、的確な保守を実現できる蓄電池制御システムとして広く利用されることが期待される。
【符号の説明】
【００４９】
１…電池システム、２…電池制御装置、３…充放電手段、１０…電池、１１…組電池、１００…センサ、１０１…電流センサ、１０２…電圧センサ、１０３…温度センサ、１１０…電圧センサ群、２０…電池状態推定装置、２１…Ａ／Ｄ変換器、２２…通信回路、２０１…緩和判定手段、２０２…充電状態推定手段、２０３…電流積算手段、２０４…劣化状態推定手段、１１…単電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、
力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、
非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、
前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備したことを特徴とする蓄電池制御システム。
【請求項２】
前記緩和時間の経過を、前記蓄電池の電圧に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池制御システム。
【請求項３】
前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令が出力された際、前記充電率演算手段が力行開始時の充電率を演算し、力行中に前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し前記緩和時間が経過した後に、次の力行指令あるいは制動指令が出力されると、前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、前記電流積算値と、前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池制御システム。
【請求項４】
前記惰行運転期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動開始時の充電率を求め、制動中は、前記蓄電池に充電される充電電流を積算した電流積算値を求めるとともに、制動終了後、惰行運転期間あるいは停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令または次の制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動終了時の充電率を求め、前記電流積算値と、前記制動終了時の充電率と前記制動開始時の充電率の差から、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする請求項１ないし３に記載の蓄電池制御システム。
【請求項５】
前記鉄道車両が、運転手が操作し、前記電力変換器に力行及び制動の指令を出すマスコンを有し、該マスコンの操作に基づいて、前記力行運転、制動運転及び非充放電期間である惰行運転期間あるいは停車期間を判定するようにしたことを特徴とする請求項１ないし４に記載の蓄電池制御システム。
【請求項６】
前記マスコンの操作に基づいて、前記容量演算手段により前記蓄電池の容量を演算し、前記力行運転あるいは制動運転を開始するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の蓄電池制御システム。
【請求項７】
非充放電期間である、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が前記緩和時間より短い場合には、前記充電率演算手段による前記蓄電池の電圧の測定をスキップすることを特徴とする請求項１ないし６に記載の蓄電池制御システム。
【請求項１】
充放電可能な蓄電池と、電力変換器を有する鉄道車両用の蓄電池制御システムにおいて、
力行運転中の前記蓄電池からの放電量、あるいは制動運転中の前記蓄電池への充電量に基づいて、充放電される電荷量を演算する電荷量演算手段と、
非充放電期間である、惰行運転期間あるいは停車期間において、所定の緩和時間経過後に、前記蓄電池の端子開放電圧を求めて、前記蓄電池の充放電前後の充電率の変化を演算する充電率演算手段と、
前記電荷量演算手段と充電率演算手段の演算結果に基づいて、電池の容量を演算する容量演算手段とを具備したことを特徴とする蓄電池制御システム。
【請求項２】
前記緩和時間の経過を、前記蓄電池の電圧に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池制御システム。
【請求項３】
前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令が出力された際、前記充電率演算手段が力行開始時の充電率を演算し、力行中に前記電荷量演算手段が前記蓄電池からの放電電流を積算した電流積算値を演算するとともに、力行終了後に惰行運転が所定の時間以上継続し前記緩和時間が経過した後に、次の力行指令あるいは制動指令が出力されると、前記蓄電池の力行終了時の充電率を演算し、前記電流積算値と、前記力行終了時の充電率と前記力行開始時の充電率との差に基づいて、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池制御システム。
【請求項４】
前記惰行運転期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動開始時の充電率を求め、制動中は、前記蓄電池に充電される充電電流を積算した電流積算値を求めるとともに、制動終了後、惰行運転期間あるいは停車期間が所定の時間以上継続して前記緩和時間が経過した後に、力行指令または次の制動指令が出力されると、前記充電率演算手段が制動終了時の充電率を求め、前記電流積算値と、前記制動終了時の充電率と前記制動開始時の充電率の差から、前記蓄電池の容量を求めることを特徴とする請求項１ないし３に記載の蓄電池制御システム。
【請求項５】
前記鉄道車両が、運転手が操作し、前記電力変換器に力行及び制動の指令を出すマスコンを有し、該マスコンの操作に基づいて、前記力行運転、制動運転及び非充放電期間である惰行運転期間あるいは停車期間を判定するようにしたことを特徴とする請求項１ないし４に記載の蓄電池制御システム。
【請求項６】
前記マスコンの操作に基づいて、前記容量演算手段により前記蓄電池の容量を演算し、前記力行運転あるいは制動運転を開始するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の蓄電池制御システム。
【請求項７】
非充放電期間である、前記惰行運転期間あるいは前記停車期間が前記緩和時間より短い場合には、前記充電率演算手段による前記蓄電池の電圧の測定をスキップすることを特徴とする請求項１ないし６に記載の蓄電池制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７８０９５（Ｐ２０１２−７８０９５Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０６３４（Ｐ２０１０−２２０６３４）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]