JP2018078763A - Power conversion device, power conversion method, power conversion program, and electric vehicle - Google Patents

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崇 米山
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長谷川 均
Hitoshi Hasegawa
均 長谷川
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Kenichi Ogawa
賢一 小川
勇真 古谷
Yuma Furuya
勇真 古谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device operable to charge a storage battery without marring a performance of driving a main electric motor in a DC electrified section.SOLUTION: The power conversion device comprises: an inverter and a converter which are connected to a power source line; a transformer; a switch circuit for supplying a DC voltage to the power source line in a first mode, and supplying an AC voltage to the transformer in a second mode; a first switch circuit electrically connected between the converter and a storage battery; and a second switch circuit electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter. In the first mode, the converter lowers the DC voltage supplied to the power source line to produce a lowered voltage, and supplies the lowered voltage to the storage battery through the first switch circuit, to charge the storage battery. In the second mode, the converter converts an AC voltage supplied from the transformer through the second switch circuit into a DC link voltage, and supplies the DC link voltage to the power source line.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置に関する。また、本発明は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムに関する。さらに、本発明は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両に関する。   The present invention relates to a power conversion device used in an electric vehicle such as a railway vehicle. Moreover, this invention relates to the power conversion method and power conversion program which are used in such a power converter device. Furthermore, this invention relates to the electric vehicle carrying such a power converter device.

近年、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間においても走行が可能な鉄道車両が開発されている。そのような鉄道車両の中には、非電化区間において、燃料電池又は蓄電池から供給される電力を用いて走行するものがある。蓄電池は、電化区間においても充電されるが、直流電化区間及び交流電化区間のいずれにおいても蓄電池の充電を可能にすることが求められている。   2. Description of the Related Art In recent years, railway vehicles have been developed that travel while being supplied with a DC voltage or an AC voltage from an overhead line in an electrified section and capable of traveling in a non-electrified section. Among such railway vehicles, there are those that travel using electric power supplied from a fuel cell or a storage battery in a non-electrified section. Although the storage battery is charged even in the electrification section, it is required to allow the storage battery to be charged in both the direct current electrification section and the alternating current electrification section.

関連する技術として、特許文献1には、燃料電池を動力源の1つとするハイブリッド鉄道車両用の電圧変換装置が開示されている。この電圧変換装置は、非電化区間で燃料電池を利用する場合と、電化区間で架線からの交流電源又は直流電源を利用する場合とを切り換えることができる。さらに、不足した電力を補うために蓄電池が使用される。   As a related technique, Patent Document 1 discloses a voltage converter for a hybrid railway vehicle using a fuel cell as one of power sources. This voltage converter can switch between a case where a fuel cell is used in a non-electrified section and a case where an AC power source or a DC power source is used from an overhead line in an electrified section. In addition, storage batteries are used to make up for the lack of power.

また、非特許文献1には、非電化区間においても走行が可能な蓄電池駆動電車が開示されている。この蓄電池駆動電車は、電化区間において、架線から供給される直流電圧によって走行すると共に、主回路蓄電池の充電を行う。そのために、電力変換装置が、架線から供給される直流電圧を降圧するDC/DCコンバーターと、主電動機を駆動するVVVF(可変電圧可変周波数)インバーターとで構成されている。   Non-Patent Document 1 discloses a storage battery-driven train that can travel even in a non-electrified section. This storage battery-driven train travels by a DC voltage supplied from an overhead line in the electrified section and charges the main circuit storage battery. For this purpose, the power converter is composed of a DC / DC converter that steps down a DC voltage supplied from an overhead wire, and a VVVF (variable voltage variable frequency) inverter that drives a main motor.

特開2015-61392号公報(段落0029−0031、図5)Japanese Patent Laying-Open No. 2015-61392 (paragraphs 0029-0031, FIG. 5)

長谷部和則、外2名、「JR東日本EV−E301系蓄電池駆動電車」、車両技術248号、一般社団法人日本鉄道車輌工業会、2014年9月、p.28−44Kazunori Hasebe, two others, “JR East EV-E301 series battery-powered train”, Vehicle Technology No. 248, Japan Railway Vehicle Industry Association, September 2014, p. 28-44

特許文献1の図5を参照すると、直流電化区間においては、パンタグラフ20を介して架線から供給される直流電圧(例えば、1500V)が、インダクションモーター110を駆動するインバーター100にスイッチ140を介して供給される。一方、非電化区間においては、燃料電池50から供給される直流電圧(例えば、500V)が、コンバーター103によって、例えば、1500Vに昇圧されて、インバーター100に供給される。   Referring to FIG. 5 of Patent Document 1, in a DC electrification section, a DC voltage (for example, 1500 V) supplied from an overhead line via a pantograph 20 is supplied via a switch 140 to an inverter 100 that drives an induction motor 110. Is done. On the other hand, in the non-electrified section, the DC voltage (for example, 500 V) supplied from the fuel cell 50 is boosted to, for example, 1500 V by the converter 103 and is supplied to the inverter 100.

さらに、この鉄道車両には、不足した電力を補う機能部として、バッテリー(蓄電池)80が設けられている。一般に、鉄道車両用の蓄電池の充電電圧は、架線から供給される直流電圧よりも低く、例えば、600V〜1000V程度であり、両者の間には大きな電圧差がある。しかしながら、特許文献1には、異なる直流電圧間における充放電を制御する回路構成が開示されていないので、直流電化区間において架線から供給される直流電圧を用いて蓄電池を充電することはできなかった。架線の直流電圧を降圧するためにDC/DCコンバーターを追加すると、回路規模や部品点数が増加して、鉄道車両の重量も増加してしまう。   Further, the railway vehicle is provided with a battery (storage battery) 80 as a functional unit that compensates for the insufficient power. Generally, the charging voltage of a storage battery for a railway vehicle is lower than the DC voltage supplied from the overhead line, for example, about 600V to 1000V, and there is a large voltage difference between the two. However, since Patent Document 1 does not disclose a circuit configuration for controlling charging / discharging between different DC voltages, the storage battery could not be charged using a DC voltage supplied from an overhead line in a DC electrification section. . If a DC / DC converter is added to step down the DC voltage of the overhead line, the circuit scale and the number of parts increase, and the weight of the railway vehicle also increases.

また、非特許文献1の図9において、VVVFインバーターと電池システム群(主回路蓄電池)とは、互いに並列に接続されている。従って、DC/DCコンバーターからVVVFインバーターには、主回路蓄電池に供給されるのと同じDC630Vが供給されるので、主電動機として一般的な電車の誘導電動機を採用することができない。また、VVVFインバーターに供給される直流電圧が低いことから、主電動機に対する駆動能力が低下して、車両の加速等の走行性能が制限されてしまう。   Further, in FIG. 9 of Non-Patent Document 1, the VVVF inverter and the battery system group (main circuit storage battery) are connected in parallel to each other. Therefore, the DC / DC converter to the VVVF inverter is supplied with the same DC 630V as that supplied to the main circuit storage battery, so that a general train induction motor cannot be adopted as the main motor. In addition, since the DC voltage supplied to the VVVF inverter is low, the driving capability for the main motor is reduced, and traveling performance such as acceleration of the vehicle is limited.

そこで、上記の点に鑑み、本発明の第1の目的は、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第2の目的は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することである。   Therefore, in view of the above points, the first object of the present invention is to drive the main motor in the DC electrification section, the AC electrification section, and the non-electrification section without increasing the circuit scale and the number of parts so much. An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of charging a storage battery without impairing the driving capability for a main motor in a DC electrification section. The second object of the present invention is to provide a power conversion method and a power conversion program used in such a power conversion device.

本発明の第3の目的は、本発明の第1の目的に加えて、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第4の目的は、本発明の第3の目的に加えて、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動したり、さらには、蓄電池を充電したりすることが可能な電力変換装置を提供することである。   A third object of the present invention is to provide a power converter capable of charging a storage battery even in an AC electrification section, in addition to the first object of the present invention. According to a fourth object of the present invention, in addition to the third object of the present invention, it is possible to drive a main motor using electric power supplied from a fuel cell, and to charge a storage battery. It is to provide a power conversion device.

本発明の第5の目的は、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することである。   The fifth object of the present invention is that the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle. An object of the present invention is to provide an electric vehicle capable of charging a storage battery without damage.

以上の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第1の観点に係る電力変換装置は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスと、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給する切換回路と、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオン状態となり、第2のモードにおいてオフ状態となる第1のスイッチ回路と、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる第2のスイッチ回路とを備え、コンバーターが、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電すると共に、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給する。   In order to solve at least a part of the above problems, a power converter according to a first aspect of the present invention includes an inverter that generates a drive voltage for a main motor based on a DC voltage supplied from a power supply line, an inverter, A converter connected in parallel to the power supply line, a transformer that transforms the AC voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side, and a DC voltage supplied to the input terminal in the first mode In the second mode, the switching circuit that supplies the AC voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer is electrically connected between the converter and the storage battery. The first switch circuit, which is turned on and turned off in the second mode, is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter, and enters the first mode. And a second switch circuit that is turned off in the second mode and the converter generates a step-down voltage by stepping down the DC voltage supplied to the power supply line in the first mode, Supplying the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery, and in the second mode, converting the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage And supply it to the power line.

また、本発明の第2の観点に係る電力変換方法は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、第1のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ(a)と、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(b)と、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御するステップ(c)と、第2のモードにおいて、第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第2のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ(d)と、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給するように切換回路を制御するステップ(e)と、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御するステップ(f)とを備える。   A power conversion method according to a second aspect of the present invention includes an inverter that generates a drive voltage for a main motor based on a DC voltage supplied from a power line, and a converter that is connected to the power line in parallel with the inverter. A power conversion method used in a power converter including a transformer that transforms an alternating voltage supplied to a primary side and outputs from a secondary side, and in a first mode, between a converter and a storage battery The step of controlling the first switch circuit electrically connected to the on state and the second switch circuit electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter to the off state (a) And (b) controlling the switching circuit to supply the DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and in the first mode. A step (c) of controlling the converter so as to step down the DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery; In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to the OFF state and the second switch circuit to the ON state, and the AC voltage supplied to the input terminal in the second mode are Step (e) for controlling the switching circuit to supply to the primary side of the transformer, and in the second mode, the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit is converted to the DC link voltage. And (f) controlling the converter so as to convert it into a power supply line.

さらに、本発明の第3の観点に係る電力変換プログラムは、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換プログラムであって、第1のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの2次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順(a)と、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順(b)と、第1のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御する手順(c)と、第2のモードにおいて、第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第2のスイッチ回路をオン状態に制御する手順(d)と、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの1次側に供給するように切換回路を制御する手順(e)と、第2のモードにおいて、トランスの2次側から第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御する手順(f)とをCPUに実行させる。   Furthermore, the power conversion program according to the third aspect of the present invention includes an inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from the power line, and a converter that is connected to the power line in parallel with the inverter. A power conversion program used in a power conversion device including a transformer that transforms an alternating voltage supplied to a primary side and outputs from a secondary side, and in a first mode, between a converter and a storage battery Procedure for controlling the first switch circuit electrically connected to the on state and controlling the second switch circuit electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter to the off state (a ), A procedure (b) for controlling the switching circuit to supply a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and a first mode. A step (c) for controlling the converter so as to step down the DC voltage supplied to the power supply line to generate a stepped down voltage and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery; In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to the OFF state and the second switch circuit to the ON state, and the AC voltage supplied to the input terminal in the second mode (E) for controlling the switching circuit so as to supply the primary side of the transformer to the primary side of the transformer, and in the second mode, the alternating current voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit is the direct current link The CPU is caused to execute a procedure (f) for controlling the converter so as to convert it into a voltage and supply it to the power supply line.

本発明の第1〜第3の観点によれば、第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧がインバーターに供給されると共に、コンバーターが、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電する。蓄電池に充電された電力は、非電化区間において主電動機を駆動するために利用することができる。また、第2のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧がトランスに供給されて、コンバーターが、トランス及び第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーターに供給する。   According to the first to third aspects of the present invention, in the first mode, the DC voltage supplied to the input terminal is supplied to the inverter, and the converter generates a step-down voltage by stepping down the DC voltage. Then, the storage battery is charged by supplying the storage battery via the first switch circuit. The electric power charged in the storage battery can be used to drive the main motor in the non-electrified section. Further, in the second mode, the AC voltage supplied to the input terminal is supplied to the transformer, and the converter converts the AC voltage supplied via the transformer and the second switch circuit into a DC link voltage and converts it into an inverter. To supply.

従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。   Accordingly, the main motor is driven in the DC electrified section, the AC electrified section, and the non-electrified section without increasing the circuit scale and the number of parts so much, and the storage battery can be installed without impairing the driving ability for the main motor in the DC electrified section. A power conversion device that can be charged can be provided. Moreover, the power conversion method and power conversion program which are used in such a power converter device can be provided.

ここで、電力変換装置が、電源ラインと蓄電池との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる第3のスイッチ回路をさらに備え、コンバーターが、第2のモードにおいて、第3のスイッチ回路を介して蓄電池に直流リンク電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能となる。   Here, the power conversion device further includes a third switch circuit that is electrically connected between the power supply line and the storage battery and is turned off in the first mode and turned on in the second mode, The converter may charge the storage battery by supplying a DC link voltage to the storage battery via the third switch circuit in the second mode. Thereby, the storage battery can be charged even in the AC electrification section.

また、電力変換装置が、燃料電池とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第1及び第2のモードにおいてオフ状態となり、第3のモードにおいてオン状態となる第4のスイッチ回路をさらに備え、第3のモードにおいて、第1及び第2のスイッチ回路がオフ状態となって、コンバーターが、燃料電池から第4のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインに供給するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動することが可能となる。   Further, the power converter is electrically connected between the fuel cell and the converter, and further includes a fourth switch circuit that is turned off in the first and second modes and turned on in the third mode. In the third mode, the first and second switch circuits are turned off, and the converter boosts the DC voltage supplied from the fuel cell through the fourth switch circuit to generate a boosted voltage. However, it may be supplied to the power supply line. As a result, the main motor can be driven using the electric power supplied from the fuel cell.

さらに、第3のモードにおいて、第3のスイッチ回路がオン状態となって、コンバーターが、第3のスイッチ回路を介して蓄電池に昇圧電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて蓄電池を充電することが可能となる。   Further, in the third mode, the third switch circuit may be turned on so that the converter supplies the boosted voltage to the storage battery via the third switch circuit to charge the storage battery. Thereby, it becomes possible to charge a storage battery using the electric power supplied from a fuel cell.

本発明の第4の観点に係る電気車両は、本発明のいずれかの観点に係る電力変換装置を備える。本発明の第4の観点によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することができる。   An electric vehicle according to a fourth aspect of the present invention includes the power conversion device according to any one of the aspects of the present invention. According to the fourth aspect of the present invention, the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle, and travel such as acceleration of the vehicle in the DC electrified section. An electric vehicle capable of charging a storage battery without impairing performance can be provided.

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of composition of an electric vehicle provided with a power converter concerning one embodiment of the present invention. 図1に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveform of the control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. 図1に示す電気車両の第2のモードにおける動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement in the 2nd mode of the electric vehicle shown in FIG. 図3に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveform of the control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. 図1に示す電気車両の第3のモードにおける動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement in the 3rd mode of the electric vehicle shown in FIG. 図5に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveform of the control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. 本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the power conversion method which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
<電気車両>
図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。電気車両100は、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間(無架線下)においても走行が可能である。図1には、架線から電気車両100に直流電圧が供給される場合の接続状態が示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted.
<Electric vehicle>
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an electric vehicle including a power conversion device according to an embodiment of the present invention. The electric vehicle 100 travels while being supplied with a DC voltage or an AC voltage from an overhead line in the electrified section, and can travel in a non-electrified section (under the overhead line). FIG. 1 shows a connection state when a DC voltage is supplied to electric vehicle 100 from an overhead line.

図1に示すように、電気車両100は、パンタグラフ10と、真空遮断器11と、直流高速度遮断器12と、起動用スイッチ回路13及び14と、接地用スイッチ回路15と、蓄電池20と、主電動機30と、補助回路用電源装置(補機)40とに加えて、インバーター50等で構成される電力変換装置を備えている。また、電気車両100は、抵抗R1と、インダクターL1及びL2と、キャパシターC1及びC2とを備えており、燃料電池FC1及びFC2と、インダクターL3及びL4と、キャパシターC3及びC4とをさらに備えても良い。   As shown in FIG. 1, an electric vehicle 100 includes a pantograph 10, a vacuum circuit breaker 11, a DC high speed circuit breaker 12, start switch circuits 13 and 14, a ground switch circuit 15, a storage battery 20, In addition to the main motor 30 and the auxiliary circuit power supply device (auxiliary device) 40, a power conversion device including an inverter 50 and the like is provided. The electric vehicle 100 also includes a resistor R1, inductors L1 and L2, and capacitors C1 and C2, and further includes fuel cells FC1 and FC2, inductors L3 and L4, and capacitors C3 and C4. good.

パンタグラフ10は、電気車両100の屋根の上に取り付けられて、架線から電力が供給される。真空遮断器11及び直流高速度遮断器12は、短絡事故電流等が流れたときに回路を遮断することにより、電気車両100の内部回路を保護する。また、接地用スイッチ回路15がオン状態となることにより、レールに接触する車輪を介して接地ラインGLに接地電位(0V)が与えられる。   The pantograph 10 is attached on the roof of the electric vehicle 100 and is supplied with power from an overhead line. The vacuum circuit breaker 11 and the DC high-speed circuit breaker 12 protect the internal circuit of the electric vehicle 100 by interrupting the circuit when a short circuit accident current or the like flows. Further, when the ground switch circuit 15 is turned on, the ground potential (0 V) is applied to the ground line GL through the wheel that contacts the rail.

パンタグラフ10が架線に接触して集電を開始する際には、起動用スイッチ回路13がオン状態となり、起動用スイッチ回路14がオフ状態となって、パンタグラフ10から起動用スイッチ回路13及び抵抗R1を介して電力変換装置に電力が供給される。その後は、起動用スイッチ回路14がオン状態となって、パンタグラフ10から起動用スイッチ回路14を介して電力変換装置に電力が供給される。   When the pantograph 10 contacts the overhead line and starts collecting power, the start switch circuit 13 is turned on, the start switch circuit 14 is turned off, and the start switch circuit 13 and the resistor R1 are switched from the pantograph 10. Power is supplied to the power conversion device via the. Thereafter, the start switch circuit 14 is turned on, and power is supplied from the pantograph 10 to the power conversion device via the start switch circuit 14.

インダクターL1及びキャパシターC1は、ローパスフィルターを構成しており、パンタグラフ10から電源ラインPLに供給される電圧を平滑化する。また、インダクターL2及びキャパシターC2は、ローパスフィルターを構成しており、蓄電池20に供給される電圧を平滑化する。   The inductor L1 and the capacitor C1 constitute a low-pass filter, and smooth the voltage supplied from the pantograph 10 to the power supply line PL. The inductor L2 and the capacitor C2 constitute a low-pass filter, and smooth the voltage supplied to the storage battery 20.

蓄電池20としては、例えば、充電が可能なリチウムイオン二次電池等が用いられる。蓄電池20は、主に電化区間において充電され、非電化区間において電力変換装置に電力を供給する。蓄電池20の充電電圧は、例えば、600V〜1000Vである。   As the storage battery 20, for example, a rechargeable lithium ion secondary battery or the like is used. The storage battery 20 is charged mainly in the electrified section, and supplies power to the power conversion device in the non-electrified section. The charging voltage of the storage battery 20 is, for example, 600V to 1000V.

主電動機30は、例えば、インダクションモーター(IM)で構成され、力行時に、三相交流電圧(U相、V相、W相)が供給されて車輪を駆動すると共に、回生時に、車輪にブレーキ力を与えて交流起電力を発生する。   The main motor 30 is constituted by, for example, an induction motor (IM), and is supplied with a three-phase AC voltage (U phase, V phase, W phase) during power running to drive the wheel, and at the time of regeneration, the brake force is applied to the wheel. To generate AC electromotive force.

補助回路用電源装置40は、例えば、インバーターを含み、電源ラインPLから供給される直流電圧を交流電圧に変換することにより、走行用以外の空調装置等の車内設備に交流電圧を供給する。   The auxiliary circuit power supply device 40 includes, for example, an inverter, and converts the DC voltage supplied from the power supply line PL into an AC voltage, thereby supplying the AC voltage to in-vehicle equipment such as an air conditioner other than for traveling.

燃料電池FC1及びFC2は、例えば、正極剤として酸素と負極剤として水素とを化学反応させることにより、水の電気分解と逆の反応を利用して電気エネルギーを生成する。非電化区間における走行のために、燃料電池FC1及びFC2が電気車両100に搭載される場合には、蓄電池20を活用することにより、燃料電池FC1及びFC2において消費される燃料を節約することができる。   The fuel cells FC1 and FC2 generate electric energy by utilizing a reaction opposite to the electrolysis of water, for example, by chemically reacting oxygen as a positive electrode agent and hydrogen as a negative electrode agent. When the fuel cells FC1 and FC2 are mounted on the electric vehicle 100 for traveling in the non-electrified section, the fuel consumed in the fuel cells FC1 and FC2 can be saved by utilizing the storage battery 20. .

<電力変換装置>
本実施形態に係る電力変換装置は、インバーター50と、コンバーター60と、トランス70と、切換回路80と、第1のスイッチ回路81と、第2のスイッチ回路82と、制御部90と、格納部91とを含んでおり、第3のスイッチ回路83と、第4のスイッチ回路84とをさらに含んでも良い。
<Power conversion device>
The power converter according to this embodiment includes an inverter 50, a converter 60, a transformer 70, a switching circuit 80, a first switch circuit 81, a second switch circuit 82, a control unit 90, and a storage unit. 91, and may further include a third switch circuit 83 and a fourth switch circuit 84.

インバーター50は、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成する。コンバーター60は、インバーター50と並列に電源ラインPLに接続されている。トランス70は、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力する。   Inverter 50 generates a drive voltage for main motor 30 based on a DC voltage supplied from power supply line PL. Converter 60 is connected to power supply line PL in parallel with inverter 50. The transformer 70 transforms the AC voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side.

切換回路80及び第1のスイッチ回路81〜第4のスイッチ回路84は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成されたスイッチを含み、制御部90から供給される制御信号T0〜T4にそれぞれ従って動作する。   The switching circuit 80 and the first switch circuit 81 to the fourth switch circuit 84 include, for example, a switch configured by a relay circuit or an electronic switch, and follow the control signals T0 to T4 supplied from the control unit 90, respectively. Operate.

制御部90は、アナログ回路で構成しても良いし、デジタル回路で構成しても良い。あるいは、制御部90は、中央演算装置(CPU)と、CPUに各種の手順を実行させるためのソフトウェア(電力変換プログラム)とで構成されても良い。ソフトウェアは、格納部91の記録媒体に格納される。記録媒体としては、内蔵のハードディスク、外付けハードディスク、フレキシブルディスク、MO、MT、RAM、CD−ROM、DVD−ROM、又は、各種のメモリー等を用いることができる。   The control unit 90 may be configured with an analog circuit or a digital circuit. Or the control part 90 may be comprised with a central processing unit (CPU) and the software (power conversion program) for making a CPU perform various procedures. The software is stored in a recording medium of the storage unit 91. As a recording medium, a built-in hard disk, an external hard disk, a flexible disk, MO, MT, RAM, CD-ROM, DVD-ROM, or various memories can be used.

電気車両100は、第1のモードにおいて、架線から直流電圧が供給されて走行し、第2のモードにおいて、架線から交流電圧が供給されて走行する。また、電気車両100は、第3のモードにおいて、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から直流電圧が供給されて走行することも可能である。   The electric vehicle 100 travels by being supplied with a DC voltage from the overhead line in the first mode, and travels by being supplied with an AC voltage from the overhead line in the second mode. In addition, the electric vehicle 100 can also travel by being supplied with a DC voltage from the fuel cells FC1 and FC2 or the storage battery 20 in the third mode.

制御部90は、オペレーターの操作に従って、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定しても良い。あるいは、制御部90は、切換回路80の入力端子80aに供給される直流電圧が第1の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第1のモードに設定し、切換回路80の入力端子80aに供給される交流電圧が第2の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第2のモードに設定しても良い。それら以外の場合には、制御部90は、電力変換装置を第3のモードに設定しても良い。   Control unit 90 may set the power conversion device to any one of the first mode to the third mode in accordance with the operation of the operator. Alternatively, the control unit 90 sets the power converter to the first mode when the DC voltage supplied to the input terminal 80a of the switching circuit 80 is larger than the first threshold, and inputs the input terminal 80a of the switching circuit 80. When the AC voltage supplied to is greater than the second threshold, the power converter may be set to the second mode. In other cases, the control unit 90 may set the power conversion device to the third mode.

切換回路80は、第1のモードにおいて、入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給し、第2のモードにおいて、入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給する。   The switching circuit 80 supplies the DC voltage supplied to the input terminal 80a to the power supply line PL in the first mode, and supplies the AC voltage supplied to the input terminal 80a to the primary side of the transformer 70 in the second mode. To supply.

第1のスイッチ回路81は、コンバーター60と蓄電池20との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオン状態となり、第2のモード及び第3のモードにおいてオフ状態となる。図1に示す例においては、コンバーター60が入出力ノードとして複数のノードN1及びN2を有しており、第1のスイッチ回路81が、ノードN1と蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチと、ノードN2と蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチとを含んでいる。   The first switch circuit 81 is electrically connected between the converter 60 and the storage battery 20, and is turned on in the first mode, and is turned off in the second mode and the third mode. In the example shown in FIG. 1, the converter 60 has a plurality of nodes N1 and N2 as input / output nodes, and the first switch circuit 81 is connected between the node N1 and the storage battery 20 via the inductor L2. And a switch connected between the node N2 and the storage battery 20 via an inductor L2.

第2のスイッチ回路82は、トランス70の2次側とコンバーター60との間に電気的に接続されて、第1のモード及び第3のモードにおいてオフ状態となり、第2のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第2のスイッチ回路82が、トランス70の2次側の2つの端子とコンバーター60のノードN1及びN2との間にそれぞれ接続された2つのスイッチを含んでいる。   The second switch circuit 82 is electrically connected between the secondary side of the transformer 70 and the converter 60 and is turned off in the first mode and the third mode, and is turned on in the second mode. Become. In the example shown in FIG. 1, the second switch circuit 82 includes two switches respectively connected between the two terminals on the secondary side of the transformer 70 and the nodes N <b> 1 and N <b> 2 of the converter 60.

第3のスイッチ回路83は、電源ラインPLと蓄電池20との間に電気的に接続されて、第1のモードにおいてオフ状態となり、第2のモード及び第3のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第3のスイッチ回路83が、電源ラインPLと蓄電池20との間にインダクターL2を介して接続されたスイッチで構成される。   The third switch circuit 83 is electrically connected between the power supply line PL and the storage battery 20, and is turned off in the first mode, and turned on in the second mode and the third mode. In the example illustrated in FIG. 1, the third switch circuit 83 includes a switch connected between the power supply line PL and the storage battery 20 via the inductor L2.

第4のスイッチ回路84は、燃料電池FC1及びFC2とコンバーター60との間に電気的に接続されて、第1及び第2のモードにおいてオフ状態となり、第3のモードにおいてオン状態となる。図1に示す例においては、第4のスイッチ回路84が、燃料電池FC1とコンバーター60のノードN1との間にインダクターL3を介して接続されたスイッチと、燃料電池FC2とコンバーター60のノードN2との間にインダクターL4を介して接続されたスイッチとを含んでいる。   The fourth switch circuit 84 is electrically connected between the fuel cells FC1 and FC2 and the converter 60, and is turned off in the first and second modes and turned on in the third mode. In the example shown in FIG. 1, the fourth switch circuit 84 includes a switch connected via an inductor L3 between the fuel cell FC1 and the node N1 of the converter 60, a node N2 of the fuel cell FC2 and the converter 60, and And a switch connected via an inductor L4.

インダクターL3及びキャパシターC3は、ローパスフィルターを構成しており、第4のスイッチ回路84がオン状態となっているときにノードN1の電圧が変化しても、燃料電池FC1の両端間の電圧を平滑化する。また、インダクターL4及びキャパシターC4は、ローパスフィルターを構成しており、第4のスイッチ回路84がオン状態となっているときにノードN2の電圧が変化しても、燃料電池FC2の両端間の電圧を平滑化する。   The inductor L3 and the capacitor C3 form a low-pass filter, and smooth the voltage across the fuel cell FC1 even if the voltage at the node N1 changes when the fourth switch circuit 84 is in the ON state. Turn into. The inductor L4 and the capacitor C4 constitute a low-pass filter, and even if the voltage at the node N2 changes when the fourth switch circuit 84 is on, the voltage across the fuel cell FC2 Is smoothed.

<インバーター>
インバーター50は、例えば、主電動機30に三相交流電圧を供給するために、スイッチング素子Q51〜Q56と、スイッチング素子Q51〜Q56にそれぞれ並列接続されたダイオードD51〜D56とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q51〜Q56の各々は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスター)である。
<Inverter>
Inverter 50 includes, for example, switching elements Q51 to Q56 and diodes D51 to D56 connected in parallel to switching elements Q51 to Q56 to supply a three-phase AC voltage to main motor 30, respectively. In the example shown in FIG. 1, each of switching elements Q51 to Q56 is an IGBT (insulated gate bipolar transistor).

スイッチング素子Q51〜Q53は、電源ラインPLに接続されたコレクターと、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD51〜D53は、電源ラインPLに接続されたカソードと、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたアノードとを有している。   Switching elements Q51 to Q53 have a collector connected to power supply line PL, an emitter connected to each of three terminals of main motor 30, and a gate supplied with each control signal. Diodes D51 to D53 have a cathode connected to power supply line PL and an anode connected to each of the three terminals of main motor 30.

スイッチング素子Q54〜Q56は、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD54〜D56は、主電動機30の3つの端子にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。   Switching elements Q54 to Q56 each have a collector connected to each of three terminals of main motor 30, an emitter connected to ground line GL, and a gate to which each control signal is supplied. Diodes D54 to D56 each have a cathode connected to each of the three terminals of main motor 30 and an anode connected to ground line GL.

スイッチング素子Q51〜Q56は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、インバーター50は、例えば、架線から電源ラインPLに供給される直流電圧1500Vを三相交流電圧1500V0−Pに変換して、主電動機30の駆動電圧を生成する。 Switching elements Q51 to Q56 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from control unit 90 to the gate. Thereby, for example, the inverter 50 converts the DC voltage 1500V supplied from the overhead wire to the power supply line PL into a three-phase AC voltage 1500V 0-P , and generates a drive voltage for the main motor 30.

インバーター50は、力行時に、電源ラインPLに供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して主電動機30に供給すると共に、回生時に、主電動機30において発生した交流起電力を直流電圧に変換して電源ラインPLに供給する。この直流電圧は、蓄電池20の充電に用いられるか、又は、架線を介して他の電気車両に供給される。なお、インバーター50は、直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成できるものであればどのようなものでも良く、VVVF(可変電圧可変周波数)インバーターであっても良い。   The inverter 50 converts the DC voltage supplied to the power supply line PL into a three-phase AC voltage during power running and supplies it to the main motor 30 and also converts the AC electromotive force generated in the main motor 30 into DC voltage during regeneration. To supply the power line PL. This DC voltage is used for charging the storage battery 20 or is supplied to another electric vehicle via an overhead line. The inverter 50 may be any inverter that can generate the drive voltage of the main motor 30 based on the DC voltage, and may be a VVVF (variable voltage variable frequency) inverter.

<コンバーター>
コンバーター60は、例えば、スイッチング素子Q61〜Q64と、スイッチング素子Q61〜Q64にそれぞれ並列接続されたダイオードD61〜D64とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q61〜Q64の各々は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスター)である。
<Converter>
Converter 60 includes, for example, switching elements Q61 to Q64 and diodes D61 to D64 connected in parallel to switching elements Q61 to Q64, respectively. In the example shown in FIG. 1, each of switching elements Q61 to Q64 is an IGBT (insulated gate bipolar transistor).

スイッチング素子Q61及びQ62は、電源ラインPLに接続されたコレクターと、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD61及びD62は、電源ラインPLに接続されたカソードと、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたアノードとを有している。   Switching elements Q61 and Q62 have a collector connected to power supply line PL, an emitter connected to each of nodes N1 and N2, and a gate to which each control signal is supplied. Diodes D61 and D62 have a cathode connected to power supply line PL and an anode connected to nodes N1 and N2, respectively.

スイッチング素子Q63及びQ64は、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD63及びD64は、ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。   The switching elements Q63 and Q64 have collectors connected to the nodes N1 and N2, respectively, emitters connected to the ground line GL, and gates to which the respective control signals are supplied. Diodes D63 and D64 have a cathode connected to nodes N1 and N2, respectively, and an anode connected to ground line GL.

<第1のモード>
第1のモードにおいては、電気車両100が、架線から供給される直流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路80が、架線から入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給する。それにより、インバーター50に直流電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、第1のスイッチ回路81がオン状態となり、第2のスイッチ回路82、第3のスイッチ回路83、及び、第4のスイッチ回路84がオフ状態となる。
<First mode>
In the first mode, electric vehicle 100 travels using a DC voltage supplied from an overhead line. For this purpose, the switching circuit 80 supplies a DC voltage supplied from the overhead wire to the input terminal 80a to the power supply line PL. As a result, a DC voltage is supplied to the inverter 50, and the electric vehicle 100 travels as the inverter 50 generates a drive voltage for the main motor 30 under the control of the control unit 90. In addition, the first switch circuit 81 is turned on, and the second switch circuit 82, the third switch circuit 83, and the fourth switch circuit 84 are turned off.

コンバーター60のスイッチング素子Q61及びQ62は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、架線から電源ラインPLに供給される直流電圧(例えば、1500V)を降圧して降圧電圧(例えば、600V〜1000V)を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電する。   Switching elements Q61 and Q62 of converter 60 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from control unit 90 to the gate. Thereby, the converter 60 steps down a DC voltage (for example, 1500 V) supplied from the overhead line to the power supply line PL to generate a stepped-down voltage (for example, 600 V to 1000 V), and stores the storage battery via the first switch circuit 81. 20 to charge the storage battery 20.

図2は、図1に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートにそれぞれ供給される制御信号G1及びG2を交互にハイレベルに活性化し、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートにそれぞれ供給される制御信号G3及びG4をローレベルに維持する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ62が交互にオン状態となり、スイッチング素子Q63及びQ64がオフ状態のままとなる。   2 is a diagram showing an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. The control unit 90 alternately activates the control signals G1 and G2 supplied to the gates of the switching elements Q61 and Q62 to the high level, and sets the control signals G3 and G4 supplied to the gates of the switching elements Q63 and Q64 to the low level, respectively. Keep on level. Thereby, switching elements Q61 and Q62 are alternately turned on, and switching elements Q63 and Q64 remain off.

それにより、コンバーター60は、電源ラインPLに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧をノードN1及びN2から出力する降圧チョッパーとして動作する。降圧電圧の値は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。   Thereby, converter 60 operates as a step-down chopper that steps down the DC voltage supplied to power supply line PL and outputs the stepped-down voltage from nodes N1 and N2. The value of the step-down voltage can be controlled to a desired value by the duty of the control signal supplied to the gates of the switching elements Q61 and Q62.

降圧電圧は、第1のスイッチ回路81及びインダクターL2を介して蓄電池20に供給されて、蓄電池20の充電が行われる。それにより、直流電化区間において、主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することができる。蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第1のスイッチ回路81をオフ状態に制御する。   The step-down voltage is supplied to the storage battery 20 via the first switch circuit 81 and the inductor L2, and the storage battery 20 is charged. Thereby, in the DC electrification section, the storage battery 20 can be charged without impairing the driving capability for the main motor 30. When the storage battery 20 is sufficiently charged, the control unit 90 deactivates the control signals G1 to G4 to a low level, or controls the first switch circuit 81 to an off state.

<第2のモード>
図3は、図1に示す電気車両の第2のモードにおける動作を説明するための図である。第2のモードにおいては、電気車両100が、架線から供給される交流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路80が、架線から入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給する。また、第1のスイッチ回路81及び第4のスイッチ回路84がオフ状態となり、第2のスイッチ回路82及び第3のスイッチ回路83がオン状態となる。なお、直流高速度遮断器12、起動用スイッチ回路13及び14、及び、接地用スイッチ回路15は、オフ状態となる。
<Second mode>
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation in the second mode of the electric vehicle shown in FIG. In the second mode, electric vehicle 100 travels using an AC voltage supplied from an overhead line. For this purpose, the switching circuit 80 supplies the AC voltage supplied from the overhead wire to the input terminal 80 a to the primary side of the transformer 70. In addition, the first switch circuit 81 and the fourth switch circuit 84 are turned off, and the second switch circuit 82 and the third switch circuit 83 are turned on. The DC high speed circuit breaker 12, the start switch circuits 13 and 14, and the ground switch circuit 15 are turned off.

トランス70は、架線から1次側に供給される交流電圧(例えば、20kV)を変圧して、2次側から交流電圧(例えば、800V)を出力する。2次側の交流電圧は、トランス70の等価的なリアクタンス及び第2のスイッチ回路82を介してコンバーター60のノードN1及びN2に供給される。   The transformer 70 transforms an AC voltage (for example, 20 kV) supplied from the overhead line to the primary side, and outputs an AC voltage (for example, 800 V) from the secondary side. The AC voltage on the secondary side is supplied to the nodes N1 and N2 of the converter 60 via the equivalent reactance of the transformer 70 and the second switch circuit 82.

コンバーター60のスイッチング素子Q61〜Q64は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、トランス70の2次側から第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧(例えば、600V〜1000V)に変換して電源ラインPLに供給する。なお、直流リンク電圧とは、キャパシターC1の両端間に発生する脈動直流電圧のことをいう。キャパシターC1の容量を大きくすることにより、直流リンク電圧の脈動振幅を低下させることができる。   Switching elements Q61 to Q64 of converter 60 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from control unit 90 to the gate. Thereby, converter 60 converts the AC voltage supplied from the secondary side of transformer 70 through second switch circuit 82 into a DC link voltage (for example, 600 V to 1000 V) and supplies it to power supply line PL. Note that the DC link voltage refers to a pulsating DC voltage generated between both ends of the capacitor C1. By increasing the capacitance of the capacitor C1, the pulsation amplitude of the DC link voltage can be reduced.

図4は、図3に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ63のゲートにそれぞれ供給される制御信号G1及びG3を交互にハイレベルに活性化すると共に、スイッチング素子Q62及びQ64のゲートにそれぞれ供給される制御信号G2及びG4を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ63が交互にオン状態となり、スイッチング素子Q62及びQ64が交互にオン状態となる。   FIG. 4 is a diagram showing an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle shown in FIG. The control unit 90 alternately activates the control signals G1 and G3 supplied to the gates of the switching elements Q61 and Q63, respectively, to the high level, and controls the control signals G2 and G4 supplied to the gates of the switching elements Q62 and Q64, respectively. Are alternately activated to a high level. Thereby, switching elements Q61 and Q63 are alternately turned on, and switching elements Q62 and Q64 are alternately turned on.

ここで、制御信号G1〜G4の生成方法の一例について説明する。図4の上段には、互いに逆相の三角波キャリアVC1及びVC2の波形と、架線から供給される交流電圧に同期する単位正弦波(変調波)VMの波形とが示されている。図4に示す例においては、三角波キャリアVC1及びVC2の振幅が「1」に正規化されている。   Here, an example of a method for generating the control signals G1 to G4 will be described. In the upper part of FIG. 4, the waveforms of triangular wave carriers VC1 and VC2 having opposite phases and the waveform of a unit sine wave (modulated wave) VM synchronized with the AC voltage supplied from the overhead wire are shown. In the example shown in FIG. 4, the amplitudes of the triangular wave carriers VC1 and VC2 are normalized to “1”.

制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも大きい期間において、制御信号G1をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G3をローレベルに非活性化する。また、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも小さい期間において、制御信号G1をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G3をハイレベルに活性化する。   The control unit 90 activates the control signal G1 to a high level and deactivates the control signal G3 to a low level during a period in which the modulation wave VM is larger than the triangular wave carrier VC1. In addition, the control unit 90 deactivates the control signal G1 to a low level and activates the control signal G3 to a high level during a period in which the modulated wave VM is smaller than the triangular wave carrier VC1.

さらに、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも小さい期間において、制御信号G2をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G4をローレベルに非活性化する。また、制御部90は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも大きい期間において、制御信号G2をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G4をハイレベルに活性化する。   Furthermore, the control unit 90 activates the control signal G2 to a high level and deactivates the control signal G4 to a low level during a period in which the modulated wave VM is smaller than the triangular wave carrier VC2. In addition, the control unit 90 deactivates the control signal G2 to a low level and activates the control signal G4 to a high level during a period in which the modulated wave VM is larger than the triangular wave carrier VC2.

その結果、キャパシターC1の両端間に発生する直流リンク電圧をVdとしたときに、ノードN1の電位とノードN2の電位との差である線間電圧(電圧指令値)Vcが、変調波VMの正の半周期において交互に「0」とVdとになり、変調波VMの負の半周期において交互に「0」と−Vdとになる。   As a result, when the DC link voltage generated across the capacitor C1 is Vd, the line voltage (voltage command value) Vc, which is the difference between the potential of the node N1 and the potential of the node N2, is In the positive half cycle, it alternately becomes “0” and Vd, and in the negative half cycle of the modulated wave VM, it becomes “0” and -Vd alternately.

それにより、コンバーター60は、ノードN1及びN2に供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給するPWM(パルス幅変調)コンバーター(整流器)として動作する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Q61〜Q64のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー等によって所望の値に制御することができる。直流リンク電圧は、電源ラインPLに供給される。それにより、インバーター50に直流リンク電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。   Thereby, converter 60 operates as a PWM (pulse width modulation) converter (rectifier) that converts the AC voltage supplied to nodes N1 and N2 into a DC link voltage and supplies it to power supply line PL. The value of the DC link voltage can be controlled to a desired value by the cycle or duty of the control signal supplied to the gates of the switching elements Q61 to Q64. The DC link voltage is supplied to the power supply line PL. Thereby, the DC link voltage is supplied to the inverter 50, and the electric vehicle 100 travels as the inverter 50 generates the drive voltage of the main motor 30 under the control of the control unit 90.

また、コンバーター60は、第2のモードにおいて、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に直流リンク電圧を供給して蓄電池20を充電する。それにより、交流電化区間においても蓄電池20を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を用いて蓄電池20を充電しても良い。   Further, in the second mode, converter 60 supplies DC link voltage to storage battery 20 via third switch circuit 83 to charge storage battery 20. Thereby, the storage battery 20 can be charged even in the AC electrification section. During regeneration, the storage battery 20 may be charged using a DC voltage supplied from the inverter 50 to the power supply line PL.

蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、第3のスイッチ回路83をオフ状態に制御しても良い。回生時において、蓄電池20の充電が終了した後は、コンバーター60が、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を交流電圧に変換して架線に供給しても良い。   When the storage battery 20 is sufficiently charged, the control unit 90 may control the third switch circuit 83 to be in an off state. At the time of regeneration, after charging of the storage battery 20 is completed, the converter 60 may convert the DC voltage supplied from the inverter 50 to the power supply line PL into an AC voltage and supply it to the overhead line.

なお、図3において、インバーター50の前段にDC/DCコンバーターを設けても良い。その場合には、DC/DCコンバーターが、直流リンク電圧(例えば、600V〜1000V)を昇圧することにより、インバーター50に高電圧(例えば、1500V)を供給することができる。   In FIG. 3, a DC / DC converter may be provided before the inverter 50. In that case, the DC / DC converter can supply a high voltage (for example, 1500 V) to the inverter 50 by boosting the DC link voltage (for example, 600 V to 1000 V).

<第3のモード>
図5は、図1に示す電気車両の第3のモードにおける動作を説明するための図である。第3のモードにおいては、電気車両100が、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から供給される電力を用いて走行する。そのために、第1のスイッチ回路81及び第2のスイッチ回路82がオフ状態となり、第3のスイッチ回路83及び第4のスイッチ回路84がオン状態となる。なお、真空遮断器11、直流高速度遮断器12、起動用スイッチ回路13及び14はオフ状態となり、接地用スイッチ回路15をオフ状態としても良い。
<Third mode>
FIG. 5 is a diagram for explaining an operation in the third mode of the electric vehicle shown in FIG. 1. In the third mode, the electric vehicle 100 travels using electric power supplied from the fuel cells FC1 and FC2 or the storage battery 20. Therefore, the first switch circuit 81 and the second switch circuit 82 are turned off, and the third switch circuit 83 and the fourth switch circuit 84 are turned on. The vacuum circuit breaker 11, the DC high speed circuit breaker 12, and the start switch circuits 13 and 14 may be turned off, and the ground switch circuit 15 may be turned off.

燃料電池FC1及びFC2から出力される直流電圧は、インダクターL3及びL4を介してノードN1及びN2にそれぞれ供給される。また、コンバーター60のスイッチング素子Q63及びQ64は、制御部90からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター60は、燃料電池FC1及びFC2から第4のスイッチ回路84を介して供給される直流電圧(例えば、300V〜400V)を昇圧して昇圧電圧(例えば、600V〜1000V)を生成し、電源ラインPLに供給する。   The DC voltage output from the fuel cells FC1 and FC2 is supplied to the nodes N1 and N2 via the inductors L3 and L4, respectively. Switching elements Q63 and Q64 of converter 60 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from control unit 90 to the gate. Thereby, the converter 60 boosts a DC voltage (for example, 300V to 400V) supplied from the fuel cells FC1 and FC2 via the fourth switch circuit 84 to generate a boosted voltage (for example, 600V to 1000V). , Supplied to the power line PL.

図6は、図5に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部90は、スイッチング素子Q61及びQ62のゲートに供給される制御信号G1及びG2をローレベルに維持し、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートに供給される制御信号G3及びG4を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Q61及びQ62がオフ状態のままとなり、スイッチング素子Q63及びQ64が交互にオン状態となる。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a waveform of a control signal supplied to the converter of the electric vehicle illustrated in FIG. The control unit 90 maintains the control signals G1 and G2 supplied to the gates of the switching elements Q61 and Q62 at a low level, and alternately sets the control signals G3 and G4 supplied to the gates of the switching elements Q63 and Q64 to a high level. Activate. Thereby, switching elements Q61 and Q62 remain off, and switching elements Q63 and Q64 are alternately turned on.

制御信号G3がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q63がオン状態となる。それにより、燃料電池FC1から、インダクターL3、第4のスイッチ回路84、及び、スイッチング素子Q63を介して、接地ラインGLに電流が流れる。その際に、インダクターL3に流れる電流によって、インダクターL3において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードD61は、オフ状態となる。   During the period in which the control signal G3 is activated to a high level, the switching element Q63 is turned on. Thereby, a current flows from the fuel cell FC1 to the ground line GL via the inductor L3, the fourth switch circuit 84, and the switching element Q63. At that time, electric energy is converted into magnetic energy and stored in the inductor L3 by the current flowing through the inductor L3. On the other hand, the diode D61 is turned off.

一方、制御信号G3がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q63がオフ状態となる。その際に、インダクターL3に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池FC1から、インダクターL3、第4のスイッチ回路84、及び、ダイオードD61を介して、電源ラインPLに電流が流れる。   On the other hand, switching element Q63 is turned off during a period in which control signal G3 is inactivated to a low level. At that time, the magnetic energy stored in the inductor L3 is released as electric energy, and a current flows from the fuel cell FC1 to the power supply line PL via the inductor L3, the fourth switch circuit 84, and the diode D61. .

同様に、制御信号G4がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q64がオン状態となる。それにより、燃料電池FC2から、インダクターL4、第4のスイッチ回路84、及び、スイッチング素子Q64を介して、接地ラインGLに電流が流れる。その際に、インダクターL4に流れる電流によって、インダクターL4において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードD62は、オフ状態となる。   Similarly, switching element Q64 is turned on during a period in which control signal G4 is activated to a high level. Thereby, a current flows from the fuel cell FC2 to the ground line GL via the inductor L4, the fourth switch circuit 84, and the switching element Q64. At that time, electric energy is converted into magnetic energy and accumulated in the inductor L4 by the current flowing through the inductor L4. On the other hand, the diode D62 is turned off.

一方、制御信号G4がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q64がオフ状態となる。その際に、インダクターL4に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池FC2から、インダクターL4、第4のスイッチ回路84、及び、ダイオードD62を介して、電源ラインPLに電流が流れる。   On the other hand, switching element Q64 is turned off during a period in which control signal G4 is deactivated to a low level. At that time, the magnetic energy stored in the inductor L4 is released as electric energy, and a current flows from the fuel cell FC2 to the power supply line PL via the inductor L4, the fourth switch circuit 84, and the diode D62. .

それにより、コンバーター60は、ノードN1及びN2に供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を電源ラインPLに供給する昇圧チョッパーとして動作する。昇圧電圧の値は、スイッチング素子Q63及びQ64のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。昇圧電圧は、電源ラインPLに供給される。それにより、インバーター50に昇圧電圧が供給され、燃料電池FC1及びFC2から供給される電力を用いて主電動機30を駆動することが可能となる。制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。   Thereby, converter 60 operates as a boosting chopper that boosts the DC voltage supplied to nodes N1 and N2 and supplies the boosted voltage to power supply line PL. The value of the boosted voltage can be controlled to a desired value by the duty of the control signal supplied to the gates of the switching elements Q63 and Q64. The boosted voltage is supplied to the power supply line PL. Thus, the boosted voltage is supplied to the inverter 50, and the main motor 30 can be driven using the power supplied from the fuel cells FC1 and FC2. Under the control of the control unit 90, the electric vehicle 100 travels when the inverter 50 generates the drive voltage of the main motor 30.

また、コンバーター60は、第3のモードにおいて、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に昇圧電圧を供給して蓄電池20を充電する。それにより、燃料電池FC1及びFC2から供給される電力を用いて蓄電池20を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター50から電源ラインPLに供給される直流電圧を用いて蓄電池20を充電しても良い。   In the third mode, converter 60 supplies boosted voltage to storage battery 20 via third switch circuit 83 to charge storage battery 20. Thereby, the storage battery 20 can be charged using the electric power supplied from the fuel cells FC1 and FC2. During regeneration, the storage battery 20 may be charged using a DC voltage supplied from the inverter 50 to the power supply line PL.

蓄電池20が十分に充電されると、制御部90は、制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御して、電気車両100が、蓄電池20から供給される電力を用いて走行するようにしても良い。   When the storage battery 20 is sufficiently charged, the control unit 90 deactivates the control signals G1 to G4 to a low level, or controls the fourth switch circuit 84 to be in an off state, so that the electric vehicle 100 You may make it drive | work using the electric power supplied from 20. FIG.

なお、図5において、インバーター50の前段にDC/DCコンバーターを設けても良い。その場合には、DC/DCコンバーターが、昇圧電圧(例えば、600V〜1000V)を昇圧することにより、インバーター50に高電圧(例えば、1500V)を供給することができる。   In FIG. 5, a DC / DC converter may be provided before the inverter 50. In that case, the DC / DC converter can supply a high voltage (eg, 1500 V) to the inverter 50 by boosting the boosted voltage (eg, 600 V to 1000 V).

このように、制御部90は、切換回路80及び第1のスイッチ回路81〜第4のスイッチ回路84を制御すると共に、コンバーター60を、降圧チョッパー、PWMコンバーター、又は、昇圧チョッパーとして動作させるように複数の制御信号を生成してコンバーター60に供給する。   As described above, the control unit 90 controls the switching circuit 80 and the first switch circuit 81 to the fourth switch circuit 84, and causes the converter 60 to operate as a step-down chopper, a PWM converter, or a step-up chopper. A plurality of control signals are generated and supplied to the converter 60.

<電力変換方法>
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換方法について、図1、図3、図5、及び、図7を参照しながら説明する。図7は、本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
<Power conversion method>
Next, a power conversion method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 3, FIG. 5, and FIG. FIG. 7 is a flowchart illustrating a power conversion method according to an embodiment of the present invention.

この電力変換方法は、図1に示すように、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機30の駆動電圧を生成するインバーター50と、インバーター50と並列に電源ラインPLに接続されたコンバーター60と、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランス70とを含む電力変換装置において用いられる。   In this power conversion method, as shown in FIG. 1, an inverter 50 that generates a drive voltage for the main motor 30 based on a DC voltage supplied from the power supply line PL, and the power supply line PL connected in parallel to the inverter 50. It is used in a power converter including a converter 60 and a transformer 70 that transforms an alternating voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side.

図7に示すステップS1において、制御部90が、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定する。電気車両100は、第1のモードにおいて、架線から供給される直流電圧を用いて走行し、第2のモードにおいて、架線から供給される交流電圧を用いて走行し、第3のモードにおいて、燃料電池FC1及びFC2又は蓄電池20から供給される電力を用いて走行する。   In step S1 illustrated in FIG. 7, the control unit 90 sets the power conversion device to any one of the first mode to the third mode. The electric vehicle 100 travels using the DC voltage supplied from the overhead line in the first mode, travels using the AC voltage supplied from the overhead line in the second mode, and operates in the third mode as the fuel. The vehicle travels using electric power supplied from the batteries FC1 and FC2 or the storage battery 20.

図7に示すステップS2〜S4は、第1のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図1参照)。まず、ステップS2において、制御部90が、トランス70の2次側とコンバーター60との間に電気的に接続された第2のスイッチ回路82、電源ラインPLと蓄電池20との間に電気的に接続された第3のスイッチ回路83、及び、燃料電池FC1及びFC2とコンバーター60との間に電気的に接続された第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御する。また、制御部90が、コンバーター60と蓄電池20との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路81をオン状態に制御する。   Steps S2 to S4 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the first mode (see FIG. 1). First, in step S <b> 2, the control unit 90 electrically connects the second switch circuit 82 electrically connected between the secondary side of the transformer 70 and the converter 60, between the power supply line PL and the storage battery 20. The third switch circuit 83 connected and the fourth switch circuit 84 electrically connected between the fuel cells FC1 and FC2 and the converter 60 are controlled to be in an OFF state. In addition, the control unit 90 controls the first switch circuit 81 that is electrically connected between the converter 60 and the storage battery 20 to be in an ON state.

ステップS3において、制御部90が、入力端子80aに供給される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路80を制御する。それにより、インバーター50に直流電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。   In step S3, the control unit 90 controls the switching circuit 80 so that the DC voltage supplied to the input terminal 80a is supplied to the power supply line PL. As a result, a DC voltage is supplied to the inverter 50, and the electric vehicle 100 travels as the inverter 50 generates a drive voltage for the main motor 30 under the control of the control unit 90.

ステップS4において、電源ラインPLに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電するように、制御部90がコンバーター60を制御する。それにより、直流電化区間において、主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することができる。   In step S4, the control unit 90 reduces the direct current voltage supplied to the power supply line PL to generate a step-down voltage, and supplies the storage battery 20 via the first switch circuit 81 to charge the storage battery 20. The converter 60 is controlled. Thereby, in the DC electrification section, the storage battery 20 can be charged without impairing the driving capability for the main motor 30.

図7に示すステップS5〜S7は、第2のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図3参照)。まず、ステップS5において、制御部90が、第1のスイッチ回路81及び第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御し、第3のスイッチ回路83をオン状態に制御した後、第2のスイッチ回路82をオン状態に制御する。   Steps S5 to S7 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the second mode (see FIG. 3). First, in step S5, the control unit 90 controls the first switch circuit 81 and the fourth switch circuit 84 to the off state, and controls the third switch circuit 83 to the on state, and then the second switch circuit. 82 is controlled to be in an ON state.

ステップS6において、制御部90が、入力端子80aに供給される交流電圧をトランス70の1次側に供給するように切換回路80を制御する。   In step S6, the control unit 90 controls the switching circuit 80 so as to supply the AC voltage supplied to the input terminal 80a to the primary side of the transformer 70.

ステップS7において、制御部90が、トランス70の2次側から第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給するようにコンバーター60を制御する。それにより、インバーター50に直流リンク電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、コンバーター60が、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に直流リンク電圧を供給して蓄電池20を充電する。   In step S7, the control unit 90 controls the converter 60 so that the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer 70 via the second switch circuit 82 is converted into a DC link voltage and supplied to the power supply line PL. To do. Thereby, the DC link voltage is supplied to the inverter 50, and the electric vehicle 100 travels as the inverter 50 generates the drive voltage of the main motor 30 under the control of the control unit 90. In addition, converter 60 supplies DC link voltage to storage battery 20 via third switch circuit 83 to charge storage battery 20.

図7に示すステップS8〜S10は、第3のモードにおける電力変換装置の動作を表している(図5参照)。まず、ステップS8において、制御部90が、第1のスイッチ回路81及び第2のスイッチ回路82をオフ状態に制御すると共に、第3のスイッチ回路83及び第4のスイッチ回路84をオン状態に制御する。   Steps S8 to S10 shown in FIG. 7 represent the operation of the power conversion device in the third mode (see FIG. 5). First, in step S8, the control unit 90 controls the first switch circuit 81 and the second switch circuit 82 to an off state, and controls the third switch circuit 83 and the fourth switch circuit 84 to an on state. To do.

ステップS9において、燃料電池FC1及びFC2から第4のスイッチ回路84を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインPLに供給するように、制御部90がコンバーター60を制御する。それにより、インバーター50に昇圧電圧が供給され、制御部90の制御の下で、インバーター50が主電動機30の駆動電圧を生成することによって電気車両100が走行する。また、コンバーター60が、第3のスイッチ回路83を介して蓄電池20に昇圧電圧を供給して蓄電池20を充電する。   In step S9, the control unit 90 causes the converter 60 to boost the DC voltage supplied from the fuel cells FC1 and FC2 via the fourth switch circuit 84 to generate a boosted voltage and supply the boosted voltage to the power line PL. Control. Thereby, the boosted voltage is supplied to the inverter 50, and the electric vehicle 100 travels as the inverter 50 generates the drive voltage of the main motor 30 under the control of the control unit 90. The converter 60 supplies the boosted voltage to the storage battery 20 via the third switch circuit 83 to charge the storage battery 20.

蓄電池20が十分に充電されると、ステップS10において、蓄電池20のみを用いるか否かが判定される。蓄電池20のみを用いると判定された場合には、ステップS11において、制御部90が、コンバーター60の制御信号G1〜G4をローレベルに非活性化し、又は、第4のスイッチ回路84をオフ状態に制御する。それにより、電気車両100が、蓄電池20のみから供給される電力を用いて走行する。   When the storage battery 20 is sufficiently charged, it is determined in step S10 whether or not only the storage battery 20 is used. When it is determined that only the storage battery 20 is used, in step S11, the control unit 90 deactivates the control signals G1 to G4 of the converter 60 to a low level, or turns off the fourth switch circuit 84. Control. Thereby, the electric vehicle 100 travels using electric power supplied only from the storage battery 20.

本実施形態によれば、第1のモードにおいて、入力端子80aに供給される直流電圧がインバーター50に供給されると共に、コンバーター60が、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第1のスイッチ回路81を介して蓄電池20に供給して蓄電池20を充電する。蓄電池20に充電された電力は、非電化区間において主電動機30を駆動するために利用することができる。また、第2のモードにおいて、入力端子80aに供給される交流電圧がトランス70に供給されて、コンバーター60が、トランス70及び第2のスイッチ回路82を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーター50に供給する。   According to the present embodiment, in the first mode, the DC voltage supplied to the input terminal 80a is supplied to the inverter 50, and the converter 60 steps down the DC voltage to generate a step-down voltage. Is supplied to the storage battery 20 via the switch circuit 81 and the storage battery 20 is charged. The electric power charged in the storage battery 20 can be used for driving the main motor 30 in the non-electrified section. In the second mode, the AC voltage supplied to the input terminal 80a is supplied to the transformer 70, and the converter 60 converts the AC voltage supplied via the transformer 70 and the second switch circuit 82 to the DC link voltage. And converted to the inverter 50.

従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機30を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機30に対する駆動能力を損なわずに蓄電池20を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。   Therefore, the main motor 30 is driven in the DC electrification section, the AC electrification section, and the non-electrification section without increasing the circuit scale and the number of parts, and the driving capability for the main motor 30 is not impaired in the DC electrification section. The power converter device which can charge the storage battery 20 can be provided. Moreover, the power conversion method and power conversion program which are used in such a power converter device can be provided.

さらに、本実施形態によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池20を充電することが可能な電気車両100を提供することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the vehicle can travel in a DC electrified section, an AC electrified section, and a non-electrified section without significantly increasing the weight of the vehicle. Electric vehicle 100 that can charge storage battery 20 without damage can be provided.

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by those having ordinary knowledge in the technical field.

本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置、又は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両において利用することが可能である。   The present invention can be used in a power conversion device used in an electric vehicle such as a railway vehicle or an electric vehicle equipped with such a power conversion device.

10…パンタグラフ、11…真空遮断器、12…直流高速度遮断器、13、14…起動用スイッチ回路、15…接地用スイッチ回路、20…蓄電池、30…主電動機、40…補助回路用電源装置、50…インバーター、60…コンバーター、70…トランス、80…切換回路、80a…入力端子、81…第1のスイッチ回路、82…第2のスイッチ回路、83…第3のスイッチ回路、84…第4のスイッチ回路、90…制御部、91…格納部、100…電気車両、FC1、FC2…燃料電池、R1…抵抗、L1〜L4…インダクター、C1〜C4…キャパシター、Q51〜Q64…スイッチング素子、D51〜D64…ダイオード   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pantograph, 11 ... Vacuum circuit breaker, 12 ... DC high speed circuit breaker, 13, 14 ... Switch circuit for starting, 15 ... Switch circuit for grounding, 20 ... Storage battery, 30 ... Main motor, 40 ... Power supply device for auxiliary circuit , 50 ... Inverter, 60 ... Converter, 70 ... Transformer, 80 ... Switching circuit, 80a ... Input terminal, 81 ... First switch circuit, 82 ... Second switch circuit, 83 ... Third switch circuit, 84 ... First 4 switch circuit, 90 ... control unit, 91 ... storage unit, 100 ... electric vehicle, FC1, FC2 ... fuel cell, R1 ... resistor, L1-L4 ... inductor, C1-C4 ... capacitor, Q51-Q64 ... switching element, D51-D64 ... Diode

Claims (10)

電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、
前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、
1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスと、
第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給する切換回路と、
前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、前記第1のモードにおいてオン状態となり、前記第2のモードにおいてオフ状態となる第1のスイッチ回路と、
前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続されて、前記第1のモードにおいてオフ状態となり、前記第2のモードにおいてオン状態となる第2のスイッチ回路と、
を備え、前記コンバーターが、前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電すると共に、前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給する、電力変換装置。
An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line;
A converter connected to the power line in parallel with the inverter;
A transformer that transforms an AC voltage supplied to the primary side and outputs it from the secondary side;
A switching circuit for supplying a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode, and supplying an AC voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode; ,
A first switch circuit that is electrically connected between the converter and the storage battery and is turned on in the first mode and turned off in the second mode;
A second switch circuit that is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter, and is turned off in the first mode and turned on in the second mode;
And the converter generates a step-down voltage by stepping down a DC voltage supplied to the power line in the first mode, and supplies the stepped-down voltage to the storage battery via the first switch circuit. In the second mode, the AC voltage supplied from the secondary side of the transformer through the second switch circuit is converted into a DC link voltage and supplied to the power line. apparatus.
前記電源ラインと前記蓄電池との間に電気的に接続されて、前記第1のモードにおいてオフ状態となり、前記第2のモードにおいてオン状態となる第3のスイッチ回路をさらに備え、
前記コンバーターが、前記第2のモードにおいて、前記第3のスイッチ回路を介して前記蓄電池に直流リンク電圧を供給して前記蓄電池を充電する、請求項1記載の電力変換装置。
A third switch circuit that is electrically connected between the power line and the storage battery and is turned off in the first mode and turned on in the second mode;
The power converter according to claim 1 with which said converter supplies a direct-current link voltage to said storage battery via said 3rd switch circuit, and charges said storage battery in said 2nd mode.
燃料電池と前記コンバーターとの間に電気的に接続されて、前記第1及び第2のモードにおいてオフ状態となり、第3のモードにおいてオン状態となる第4のスイッチ回路をさらに備え、
前記第3のモードにおいて、前記第1及び第2のスイッチ回路がオフ状態となって、前記コンバーターが、前記燃料電池から前記第4のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、前記電源ラインに供給する、請求項1又は2記載の電力変換装置。
A fourth switch circuit electrically connected between the fuel cell and the converter, wherein the fourth switch circuit is turned off in the first and second modes and turned on in the third mode;
In the third mode, the first and second switch circuits are turned off, and the converter boosts the DC voltage supplied from the fuel cell via the fourth switch circuit. The power converter according to claim 1, wherein a voltage is generated and supplied to the power supply line.
前記第3のモードにおいて、前記第3のスイッチ回路がオン状態となって、前記コンバーターが、前記第3のスイッチ回路を介して前記蓄電池に昇圧電圧を供給して前記蓄電池を充電する、請求項3記載の電力変換装置。   In the third mode, the third switch circuit is turned on, and the converter supplies the boosted voltage to the storage battery via the third switch circuit to charge the storage battery. 3. The power conversion device according to 3. 前記コンバーターが、前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を複数のノードから出力する降圧チョッパーとして動作し、前記第2のモードにおいて、前記複数のノードに供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するPWMコンバーターとして動作し、前記第3のモードにおいて、前記複数のノードに供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を前記電源ラインに供給する昇圧チョッパーとして動作する、請求項3又は4項記載の電力変換装置。   In the first mode, the converter operates as a step-down chopper that steps down a DC voltage supplied to the power supply line and outputs a stepped-down voltage from a plurality of nodes. In the second mode, the converter operates the plurality of nodes. Operates as a PWM converter that converts the AC voltage supplied to the DC link voltage and supplies it to the power supply line. In the third mode, the DC voltage supplied to the plurality of nodes is boosted to increase the boosted voltage. The power converter device of Claim 3 or 4 which operate | moves as a pressure | voltage rise chopper supplied to the said power supply line. 前記切換回路及び前記第1〜第4のスイッチ回路を制御すると共に、前記コンバーターを、降圧チョッパー、PWMコンバーター、又は、昇圧チョッパーとして動作させるように複数の制御信号を生成して前記コンバーターに供給する制御部をさらに備える、請求項3〜5のいずれか1項記載の電力変換装置。   The switching circuit and the first to fourth switch circuits are controlled, and a plurality of control signals are generated and supplied to the converter so as to operate the converter as a step-down chopper, a PWM converter, or a step-up chopper. The power converter according to any one of claims 3 to 5, further comprising a control unit. 前記制御部が、前記入力端子に供給される直流電圧が第1の閾値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を前記第1のモードに設定し、前記入力端子に供給される交流電圧が第2の閾値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を前記第2のモードに設定する、請求項6記載の電力変換装置。   The controller sets the power converter to the first mode when the DC voltage supplied to the input terminal is greater than a first threshold, and the AC voltage supplied to the input terminal is The power conversion device according to claim 6, wherein the power conversion device is set to the second mode when greater than a threshold value of 2. 請求項1〜7のいずれか1項記載の電力変換装置を備える電気車両。   An electric vehicle provided with the power converter device of any one of Claims 1-7. 電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、
第1のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ(a)と、
前記第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(b)と、
前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御するステップ(c)と、
第2のモードにおいて、前記第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第2のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ(d)と、
前記第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給するように前記切換回路を制御するステップ(e)と、
前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御するステップ(f)と、
を備える電力変換方法。
An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line, a converter connected to the power line in parallel with the inverter, and an AC voltage supplied to the primary side are transformed. A power conversion method used in a power conversion device including a transformer that outputs from a secondary side,
In the first mode, the first switch circuit electrically connected between the converter and the storage battery is controlled to be turned on, and is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter. Controlling the switched second switch circuit to an off state;
(B) controlling the switching circuit to supply a DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line in the first mode;
In the first mode, the converter is configured to step down a DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage, and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery. Step (c) for controlling
In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to an OFF state and controlling the second switch circuit to an ON state;
(E) controlling the switching circuit to supply an alternating voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode;
In the second mode, the converter is controlled to convert an AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage and supply it to the power line. (F) and
A power conversion method comprising:
電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、1次側に供給される交流電圧を変圧して2次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換プログラムであって、
第1のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第1のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの2次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第2のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順(a)と、
前記第1のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順(b)と、
前記第1のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第1のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御する手順(c)と、
第2のモードにおいて、前記第1のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第2のスイッチ回路をオン状態に制御する手順(d)と、
前記第2のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの1次側に供給するように前記切換回路を制御する手順(e)と、
前記第2のモードにおいて、前記トランスの2次側から前記第2のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御する手順(f)と、
をCPUに実行させる電力変換プログラム。
An inverter that generates a driving voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from a power line, a converter connected to the power line in parallel with the inverter, and an AC voltage supplied to the primary side are transformed. A power conversion program used in a power conversion device including a transformer that outputs from a secondary side,
In the first mode, the first switch circuit electrically connected between the converter and the storage battery is controlled to be turned on, and is electrically connected between the secondary side of the transformer and the converter. A step (a) for controlling the second switch circuit that has been switched to an OFF state;
In the first mode, a procedure (b) for controlling the switching circuit so as to supply the DC voltage supplied to the input terminal to the power supply line;
In the first mode, the converter is configured to step down a DC voltage supplied to the power supply line to generate a step-down voltage, and supply the storage battery via the first switch circuit to charge the storage battery. A procedure (c) for controlling
In the second mode, the step (d) of controlling the first switch circuit to an off state and controlling the second switch circuit to an on state;
A step (e) of controlling the switching circuit so as to supply an alternating voltage supplied to the input terminal to the primary side of the transformer in the second mode;
In the second mode, a procedure for controlling the converter to convert an AC voltage supplied from the secondary side of the transformer via the second switch circuit into a DC link voltage and supply it to the power line. (F) and
The power conversion program which makes CPU execute.
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