JP2018152979A - 電気車用電源システム、電力供給制御方法および追加電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図ること。【解決手段】パンタグラフＰＴから集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機回路ＸＭＣと、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを介して直流電力ラインに接続され、主電動機Ｍを駆動する電力を供給する主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢと、を備えた電気車用電源システムＰＳにおいて、第１リアクトルＦＬ１と、第１リアクトルＦＬ１を介して直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路ＰＣと、第２リアクトルＦＬ２と、第２リアクトルＦＬ２を介して充放電電圧変換回路ＰＣと接続された蓄電池電圧が第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池ＢＴと、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢとの中間部に蓄電池ＢＴを接続する第３開閉装置ＳＷ３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

電気車に蓄電池を搭載し、電化区間では架線から供給される電力に基づき主電動機を駆動するとともに蓄電池を充電し、非電化区間では蓄電池の電力に基づき主電動機を駆動する電気車用電源システムが開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１６−１６３３６５号公報 特開２０１５−６５７３２号公報

電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムは、電化区間のみを走行する電気車の電源システムに比べて、非電化区間に対応するための多くの機器や配線が必要となり、その分の艤装空間を確保する必要がある。

しかしながら、従来の技術では、特許文献１や特許文献２に代表されるように、主電動機へ駆動電力を供給する主変換回路（特許文献１のＶＶＶＦインバータ７、特許文献２のインバータ装置５に相当）への駆動電力供給ライン（引用文献１の中間回路４に相当）に蓄電池（引用文献１の蓄電素子６、引用文献２の蓄電手段９に相当）を接続して充放電する構成を採用するのが一般的であった。そのため、蓄電池の入出力段に大型のリアクトル（引用文献１のリアクトル５、引用文献２の平滑リアクトル１１に相当）を設備する必要があったり、大型の充放電電圧変換回路（特許文献２では、ＤＣ−ＤＣ変換装置８、平滑リアクトル１１および平滑コンデンサ１２で構成されるチョッパ装置に相当）を設備する必要があった。そのため、艤装空間の低減には限界があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを提案することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器（例えば、図１のパンタグラフＰＴ）によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路（例えば、図１の補機回路ＸＭＣ）と、主開閉装置（例えば、図１の主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢ）を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路（例えば、図１の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ）と、を備えた電気車用電源システムであって、
第１リアクトル（例えば、図１の第１リアクトルＦＬ１）を介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路（例えば、図１の充放電電圧回路ＰＣ）と、
第２リアクトル（例えば、図１の第２リアクトルＦＬ２）を介して前記充放電電圧変換回路と接続され、前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部に開閉装置（例えば、図１の第３開閉装置ＳＷ３）を介して接続されて、蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池（例えば、図１の蓄電池ＢＴ）と、
制御部（例えば、図１の制御部ＣＴＲ）と、
を備え、
前記制御部は、
前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替える制御を行うことと（例えば、図５，６）、
前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替える制御を行うことと（例えば、図７，８）、
を実行する、
電気車用電源システムである。

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、主開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、第１リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、第２リアクトルを介して前記充放電電圧変換回路と接続され、前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部に開閉装置を介して接続されて、蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおける電力供給制御方法であって、
前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替えるステップと、
前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成することとしてもよい。

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、主開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、を備えた電気車用電源システムにおける追加電源システム（例えば、図１の追加電源システムＡＰＳ）であって、
第１リアクトル（例えば、図１の第１リアクトルＦＬ１）と、
前記第１リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路（例えば、図１の充放電電圧変換回路ＰＣ）と、
第２リアクトル（例えば、図１の第２リアクトルＦＬ２）と、
前記第２リアクトルを介して前記充放電電圧変換回路と接続された蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池（例えば、図１の蓄電池ＢＴ）と、
前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部と、前記蓄電池とを接続する開閉装置（例えば、図１の第３開閉装置ＳＷ３）と、
制御部（例えば、図１の制御部ＣＴＲ）と、
を備え、
前記制御部は、
前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替える制御を行うことと、
前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替える制御を行うことと、
を実行する、
追加電源システムを構成することとしてもよい。

この第１の発明等によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを実現することができる。具体的には、蓄電池と主変換回路とを結ぶ電力ラインと、蓄電池と補機回路とを結ぶ電力ラインとを別々に設け、充放電電圧変換回路を蓄電池と補機回路との間に設ける構成とする。非電化区間を走行する際の蓄電池走行モードにおいては、蓄電池からの放電電力および蓄電池への回生充電電力を、充放電電圧変換回路を介さずに主変換回路と授受することが可能となる。充放電電圧変換回路は、主電動機の駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路の動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、第１リアクトルおよび第２リアクトルは、主電動機の駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無いため、リアクトルの小型化も図ることができる。

また、上述した他の発明の追加電源システムによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御部が、
前記集電走行モードから前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路の前記放電電圧変換動作、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、前記開閉装置の投入、の順に実行制御する（例えば、図５）、
電気車用電源システムである。

この第２の発明によれば、集電走行モードから蓄電池走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、蓄電池走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記制御部が、
前記蓄電池走行モードから前記集電走行モードに切り替える場合に、前記開閉装置の開放、前記集電器の集電状態への遷移、前記充放電電圧変換回路の前記電電圧変換動作、前記主開閉装置の投入、の順に実行制御する（例えば、図７）、
電気車用電源システムである。

この第３の発明によれば、蓄電池走行モードから集電走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、集電走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

本実施形態における電源システムの概略構成を示す図。 主開閉装置の回路構成の一例を示す図。 放電電圧変換回路の回路構成の一例を示す図。 第１〜第３開閉装置の回路構成の一例を示す図。 蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 蓄電池走行モードにおける電気の流れを示す図。 集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 集電走行モードにおける電気の流れを示す図。 蓄電池の充電が不要な場合の集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 電源システムの変形例の構成を示す図。

以下、図面を参照して本発明を適用した一実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限られるものではない。例えば、理解を容易にするために、電圧の一例を示して説明するが、本発明を適用可能な形態は、以下説明する電圧に限られるものではない。

図１は、本実施形態における直流電気車の電源システムＰＳの概略構成を示す図である。本実施形態の電源システムＰＳは、電化区間のみを走行するための既存の電源システム（図１における追加電源システムＡＰＳ以外の機器からなる）に対して、非電化区間に対応するための追加電源システムＡＰＳを追加設備した構成を有する。追加電源システムＡＰＳを設備したことにより、非電化区間を走行するための蓄電池走行モードと、電化区間を走行するための集電走行モードとの両方に対応する。

追加電源システムＡＰＳは、図１に網掛けで示した艤装機器類ＲＡＳと、制御部ＣＴＲとを含んでおり、制御部ＣＴＲは、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の制御装置内に組み込んで実現することもできる。

電源システムＰＳのうち、既存の電源システムは、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された電力に基づく第１電圧の直流電力ラインに、補機回路ＸＭＣと、主開閉装置ＳＷＭを介した主電動機に係る回路（Ａ系回路およびＢ系回路）とが並列に接続された構成となっている。

主電動機に係る回路は、図１の電源システムＰＳではＡ系回路とＢ系回路との２系統としているが、１系統のみとしてもよいし、３系統以上の回路を並列に備える構成としてもよい。また、１つの系統が、２台以上の主電動機Ｍに駆動電力を供給するいわゆる１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍ等の構成を採用することとしてもよい。

Ａ系回路は、主開閉装置ＳＷＡと、主フィルタリアクトルＦＬＡと、主変換回路ＴＣＡとが直列に接続された構成を有する。Ｂ系回路も同様に、主開閉装置ＳＷＢと、主フィルタリアクトルＦＬＢと、主変換回路ＴＣＢとが直列に接続された構成を有する。主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢは、単相電力を三相電力に変換して主電動機Ｍに駆動電力を供給するインバータ装置であり、入力段に不図示の主フィルタコンデンサを有して構成される。なお、本実施形態では、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢは第１電圧および第２電圧に対応可能である必要があるが、国内の低圧系の直流架線電圧は直流６００Ｖと直流７５０Ｖの２つであり、一般に、直流６００Ｖ用と直流７５０Ｖ用の主変換回路は共通設計されることを付言しておく。また、主変換回路の耐圧の範囲内であれば、原理上、本実施形態における第１電圧および第２電圧は任意に選択することができる。

パンタグラフＰＴは、制御部ＣＴＲからの状態遷移指示信号Ｐに基づいて集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器の一例である。電車線を第３軌条方式とする場合には、パンタグラフＰＴの代わりに集電器を集電靴として構成することができる。

補機回路ＸＭＣは、補機および補機に電力を供給する回路（例えば、静止型インバータ）等を含む電気回路であり、第１電圧に基づいて動作する。

主開閉装置ＳＷＭは、制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｎに基づいて、直流電力ラインと、Ａ系回路およびＢ系回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば高速度遮断器によって実現することができる。本実施形態の蓄電池走行モードおよび集電走行モードにおいては投入状態とされるため、原則、開放状態とされることはない。

Ａ系回路の主開閉装置ＳＷＡは、制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ａに基づいて、直流電力ラインとＡ系回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。Ｂ系回路の主開閉装置ＳＷＢも同様に、制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｂに基づいて、直流電力ラインとＢ系回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢは、互いに並列に、且つ、主開閉装置ＳＷＭに対しては直列に接続されている。このため、主開閉装置ＳＷＭが開放される場合、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが投入状態にあってもＡ系回路およびＢ系回路は、直流電力ラインから切り離されることとなる。

主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを接触器を用いて構成する場合、例えば図２に示すように、充電抵抗ＣＤＲと充電抵抗用接触器ＭＫとの直列接続に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを並列に接続した構成を採用することができる。図２の構成を採用する場合、投入時に、先に充電抵抗用接触器ＭＫを投入状態とした後に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを後から投入する。これにより、投入時の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサへの突流を充電抵抗ＣＤＲによって防止し、主フィルタコンデンサが所定電圧にほぼ達する段階でその後の電力損失低減のために充電抵抗ＣＤＲを短絡する。これは時素を持たせて一定時間後に短絡する従来の手法を採用することができる。

次に、追加電源システムＡＰＳの構成を説明する。追加電源システムＡＰＳは、第１リアクトルＦＬ１と、第１リアクトルＦＬ１を介して直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路ＰＣと、第２リアクトルＦＬ２と、第２リアクトルＦＬ２を介して充放電電圧変換回路ＰＣと接続された蓄電池ＢＴと、第１〜第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と、制御部ＣＴＲと、を備える。このうち、制御部ＣＴＲ以外の機器が艤装機器類ＲＡＳである。

蓄電池ＢＴは、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールであり、蓄電池電圧が、直流電力ラインの第１電圧とは異なる第２電圧に構成されている。第１電圧と異なる電圧としたことで充放電時の通流方向が定まり、充放電電圧変換回路ＰＣを例えば１アーム構成のチョッパ装置といった簡素な回路構成で実現することができる。

また、蓄電池ＢＴに係る電力ラインは２つある。１つは、蓄電池ＢＴを、第３開閉装置ＳＷ３を介して、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢとの中間部、より詳細には主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと主フィルタリアクトルＦＬＡ，ＦＬＢとの間に接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードにおいて、主電動機Ｍの駆動電力となる蓄電池ＢＴからの放電電力、又は、蓄電池ＢＴへの回生充電電力を主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢと授受するラインとして利用される。具体的には、この電力ラインは、蓄電池走行モードにおいて第３開閉装置ＳＷ３が投入状態とされることで開通し、集電走行モードにおいて第３開閉装置ＳＷ３が開放状態とされることで非開通となる。

もう１つは、蓄電池ＢＴを、充放電電圧変換回路ＰＣを介して直流電力ラインに接続する電力ラインである。より詳細には、蓄電池ＢＴ側から、第２開閉装置ＳＷ２、第２リアクトルＦＬ２、充放電電圧変換回路ＰＣ、第１リアクトルＦＬ１、第１開閉装置ＳＷ１の順に直列に接続して、直流電力ラインに接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードにおける蓄電池ＢＴから補機回路ＸＭＣへの放電時、および、集電走行モードにおける電車線からの蓄電池ＢＴへの充電時に利用され、放電時には、放電電力が直流電力ラインを介して補機回路ＸＭＣの動作電力として供給され、充電時には、集電電力が直流電力ラインから蓄電池ＢＴへ充電電力として供給される。

蓄電池ＢＴに係る電力ラインを２つ設けたことにより、非電化区間を走行する蓄電池走行モードにおいては、蓄電池ＢＴからの放電電力および蓄電池ＢＴへの回生充電電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを介さずに主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢと授受することが可能となる。このため、充放電電圧変換回路ＰＣは、主電動機Ｍの駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、第１リアクトルＦＬ１および第２リアクトルＦＬ２は、主電動機Ｍの駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無いため、リアクトルの小型化も図ることができる。

充放電電圧変換回路ＰＣを、１アーム構成のチョッパ回路で実現した場合の回路構成の例を図３に示す。図３に向かって左側が高圧側、右側が低圧側であり、蓄電池ＢＴの蓄電池電圧（第２電圧）が、直流電力ラインの第１電圧より高い構成の場合には、左側が蓄電池ＢＴ側に、右側が直流電力ライン側に接続される。第２電圧が第１電圧より低い構成の場合には、逆の接続となる。

充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作は、適宜公知技術を利用して実現することができる。そのため、本実施形態では、充放電電圧変換回路ＰＣは、制御部ＣＴＲから入力される動作司令信号Ｓに基づいて充放電動作を行うこととして説明し、具体的な充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作自体の制御についは省略するが、スイッチング動作の制御は、充放電電圧変換回路ＰＣ内に制御回路を備えて実現することとしてもよいし、制御部ＣＴＲが行うこととしてもよい。

充放電電圧変換回路ＰＣには、高圧側の電圧を検出する電圧センサＶＤＣＨと、高圧側の電流を検出する電流センサＩＤＣＨと、低圧側の電圧を検出するは電圧センサＶＤＣＬと、低圧側の電流を検出する電流センサＩＤＣＬとが備えられており、各センサの検出結果が制御部ＣＴＲ乃至スイッチング動作制御を行う制御回路に入力されて、充放電電圧変換回路ＰＣの動作制御に利用される。

第１〜第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、それぞれ制御部ＣＴＲからの開閉指示信号に基づいて開閉動作（開放／投入）を行う開閉装置であり、例えば、高速度遮断器や接触器を用いて構成することができる。例えば、図２に示した回路構成や、図２の回路の前段に高速度遮断器ＨＢを更に直列に接続した図４の回路構成を採用することができる。本実施形態では、電気車の運行中は、蓄電池ＢＴを主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへの放電および回生充電に用いるほか、充放電電圧変換回路ＰＣを介して第１電圧への放電（蓄電池走行モード）または充放電電圧変換回路ＰＣを介して第１電圧からの充電（集電走行モード）に用いるので、蓄電池ＢＴそのものを切り離す制御を行わない、すなわち第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２は開放状態とされることがなく、投入状態として維持される。

制御部ＣＴＲは、蓄電池ＢＴの蓄電電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、電車線から集電された電力をもとに走行するとともに蓄電池ＢＴを充電する集電走行モードとを切り替える制御を司る。走行モードの切り替えは、電気車の停止時又は惰走時に行うこととする。蓄電池走行モードでは、第３開閉装置ＳＷ３の投入、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開放、パンタグラフＰＴの非集電状態への遷移、および、充放電電圧変換回路ＰＣの第２電圧から第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御する。集電走行モードでは、第３開閉装置ＳＷ３の開放、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの投入、パンタグラフＰＴの集電状態への遷移、および、充放電電圧変換回路ＰＣの第１電圧から第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御する。

具体的に、図５〜９を参照して制御部ＣＴＲの制御動作を詳細に説明する。ここでは、第１電圧を６００Ｖ、第２電圧を７５０Ｖとする。
図５は、蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。まず、制御部ＣＴＲは、第１開閉装置ＳＷ１が投入状態でなければ投入し（１）、次に、第２開閉装置ＳＷ２が投入状態でなければ投入する（２）。蓄電池走行モードへ切り替える前の状態が蓄電池ＢＴを充放電電圧変換回路ＰＣを介して充電することができる集電走行モードであれば、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２は投入状態であるため、投入制御は不要となる。第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２が投入されることで、第１リアクトルＦＬ１および第２リアクトルＦＬ２に電気が流れ、充放電電圧変換回路ＰＣ内のフィルタコンデンサが充電されることとなる。

次いで、充放電電圧変換回路ＰＣに放電動作（第２電圧→第１電圧への変換動作）を開始させる（３）。このときの充放電電圧変換回路ＰＣの動作は、出力電圧を第１電圧（低電圧側の電圧（６００Ｖ））に合わせる電圧変換動作とする。結果的に出力電流をほぼゼロ電流とする制御となり、蓄電池ＢＴから集電線への不用意な電流流出を防止する。充放電電圧変換回路ＰＣが放電動作を開始するが、ほぼゼロ電流であるため、補機回路ＸＭＣへの電力は、電車線から供給されている状態にある。

次いで、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（４）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路は、直流電力ラインから切り離される。なお、主開閉装置ＳＷＭは、蓄電池走行モードへ切り替える前の集電走行モードにおいても投入状態であるため、投入状態のままである。

そして、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく、降下させる（５）。この結果、補機回路ＸＭＣへの電力供給元が、電車線から、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電池ＢＴに切り替わる。この結果、充放電電圧変換回路ＰＣから放電電流が流れ始めるが、充放電電圧変換回路ＰＣの出力電圧を第１電圧（低電圧側の電圧（６００Ｖ））に合わせる電圧変換動作が継続して行われているため、補機回路ＸＭＣは継続して第１電圧で動作することができる。

そして最後に、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（６）。これにより、蓄電池ＢＴと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力ラインが開通して、蓄電池ＢＴの放電電力および蓄電池ＢＴへの回生充電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢと授受され、主電動機Ｍの駆動および回生が可能となる。なお、第３開閉装置ＳＷ３が投入されることで、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサが第２電圧で充電されることとなる。

蓄電池走行モードにおける電気の流れを図６に示す。通流状態にある経路を太線で示している。

図７は、集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。まず、制御部ＣＴＲは、第３開閉装置ＳＷ３を開放する（１）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路は、蓄電池ＢＴから切り離される。

次いで、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく、上昇させる（２）。パンタグラフＰＴが集電状態となる前は、補機回路ＸＭＣへの電力は、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電池ＢＴの放電電力によって供給されていたが、パンタグラフＰＴが集電状態となることにより、電車線から供給されることとなる。ここで充放電電圧変換回路ＰＣからの放電電流がほぼゼロになるまで第１電圧を低下させる制御を行うことで、蓄電池ＢＴから電車線への不用意な電流流出を防止する。何れにせよ、補機回路ＸＭＣへは、第１電圧（６００Ｖ）の電力が継続して供給される。

次に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路動作を充電動作（第１電圧→第２電圧への変換動作）に切り替える（３）。結果、集電線からの集電電力が蓄電池ＢＴへ供給されることとなり、蓄電池ＢＴの充電が開始される。なお、この充電動作は、集電線からの集電電圧が低い箇所では必要に応じて停止すると好適である。

そして最後に、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（４）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、集電線からの集電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給され、主電動機Ｍの駆動が可能となる。なお、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが投入されることで、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサが第１電圧で充電されることとなる。その際に、第２電圧から第１電圧に変化した主フィルタコンデンサの余剰又は不足の電荷分のみは、第１電圧にある補機回路ＸＭＣとの間で瞬間的に授受されるが、電荷量が微小であるため問題とはならない。

集電走行モードにおける電気の流れを図８に示す。通流状態にある経路を太線で示している。

なお、蓄電池ＢＴがフル充電状態にある場合など、集電走行モードにおいて蓄電池ＢＴを充電する必要がない場合には、更に、図９に示すような追加的な制御手順を制御部ＣＴＲに行わせればよい。すなわち、充放電電圧変換回路ＰＣの充電動作を、第２電圧（高電圧側の電圧（７５０Ｖ））に合わせる電圧変換動作として出力電流をゼロ電流とする制御を行った後（５）、第１開閉装置ＳＷ１を開放し（６）、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（７）。これにより、電流制御誤差等による微小電力での充電継続に伴う蓄電池ＢＴの過充電を防止することができる。

以上、本実施形態によれば、蓄電池ＢＴと主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢとを結ぶ電力ラインと、蓄電池ＢＴと補機回路ＸＭＣとを結ぶ電力ラインとを別々に設け、充放電電圧変換回路ＰＣを蓄電池ＢＴと補機回路ＸＭＣとの間に設ける構成とした。これにより、非電化区間を走行する際の蓄電池走行モードにおいては、蓄電池ＢＴからの放電電力および蓄電池ＢＴへの回生充電電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを介さずに主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢと授受することが可能となり、充放電電圧変換回路ＰＣは、主電動機Ｍの駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、第１リアクトルＦＬ１および第２リアクトルＦＬ２は、主電動機Ｍの駆動および回生電力に対応する容量とする必要が無いため、リアクトルの小型化も図ることができる。結果、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図ることができる。

また、追加電源システムＡＰＳによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

更には、蓄電池走行モードへの切り替え、および、集電走行モードへの切り替えの何れにおいても、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

なお、本発明を適用可能な形態は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、第３開閉装置ＳＷ３の一端側を蓄電池ＢＴとした場合、他端側を、上述した実施形態では、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと主フィルタリアクトルＦＬＡ，ＦＬＢとの間に接続する構成としたが、図１０に示すように、主開閉装置ＳＷＭと主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢとの間に接続する構成を採用することもできる。この場合、上述した実施形態での主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉動作を、主開閉装置ＳＷＭの開閉動作に置き換える制御とすることで、上述した実施形態と同様の作用効果を実現できる。

また、上述した実施形態では、直流電気車の電源システムとして説明したが、交流電気車に本発明を適用することも可能である。具体的には、直流電力ラインを、交流電気車の直流リンク部（変圧器およびＰＷＭ整流器によって電車線の交流電力が直流電力に変換された電力ライン）に見立てて、追加電源システムＡＰＳをその直流リンク部に追加する構成とすることで、非電化区間の走行を可能とすることができる。その場合、パンタグラフＰＴの集電状態／非集電状態の遷移とともに、ＰＷＭ整流器の動作／停止を制御すると好適である。

ＰＳ 電源システム
ＰＴ パンタグラフ
ＸＭＣ 補機回路
ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ 主開閉装置
ＦＬＡ，ＦＬＢ 主フィルタリアクトル
ＴＣＡ，ＴＣＢ 主変換回路
Ｍ 主電動機
ＡＰＳ 追加電源システム
ＣＴＲ 制御部
ＲＡＳ 艤装機器類
ＢＴ 蓄電池
ＰＣ 充放電電圧変換回路
ＦＬ１ 第１リアクトル
ＦＬ２ 第２リアクトル
ＳＷ１ 第１開閉装置
ＳＷ２ 第２開閉装置
ＳＷ３ 第３開閉装置

Claims (5)

1. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、主開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、を備えた電気車用電源システムであって、
   第１リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
   第２リアクトルを介して前記充放電電圧変換回路と接続され、前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部に開閉装置を介して接続されて、蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替える制御を行うことと、
   前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替える制御を行うことと、
   を実行する、
   電気車用電源システム。
2. 前記制御部は、
   前記集電走行モードから前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路の前記放電電圧変換動作、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、前記開閉装置の投入、の順に実行制御する、
   請求項１に記載の電気車用電源システム。
3. 前記制御部は、
   前記蓄電池走行モードから前記集電走行モードに切り替える場合に、前記開閉装置の開放、前記集電器の集電状態への遷移、前記充放電電圧変換回路の前記電電圧変換動作、前記主開閉装置の投入、の順に実行制御する、
   請求項１又は２に記載の電気車用電源システム。
4. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、主開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、第１リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、第２リアクトルを介して前記充放電電圧変換回路と接続され、前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部に開閉装置を介して接続されて、蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおける電力供給制御方法であって、
   前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替えるステップと、
   前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替えるステップと、
   を含む電力供給制御方法。
5. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器によって電車線から集電された電力に基づき第１電圧の直流電力が供給される直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、主開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続され、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、を備えた電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
   第１リアクトルと、
   前記第１リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
   第２リアクトルと、
   前記第２リアクトルを介して前記充放電電圧変換回路と接続された蓄電池電圧が前記第１電圧とは異なる第２電圧である蓄電池と、
   前記主開閉装置と前記主変換回路との中間部と、前記蓄電池とを接続する開閉装置と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記開閉装置の投入、前記主開閉装置の開放、前記集電器の非集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第２電圧から前記第１電圧への放電電圧変換動作、の実行を制御することで前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードに切り替える制御を行うことと、
   前記開閉装置の開放、前記主開閉装置の投入、前記集電器の集電状態への遷移、および、前記充放電電圧変換回路の前記第１電圧から前記第２電圧への充電電圧変換動作、の実行を制御することで前記電車線から集電された電力をもとに走行するとともに前記蓄電池を充電する集電走行モードに切り替える制御を行うことと、
   を実行する、
   追加電源システム。