JP4861489B2

JP4861489B2 - 回路装置及び車両運行システム

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Publication number: JP4861489B2
Application number: JP2010046745A
Authority: JP
Inventors: 正道小笠; 貴光山本; 義晃田口
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: JP3989450B2; JP2007228796A; JP2010172192A; JP4523954B2; JP2007274893A; JP4516581B2; JP2005237125A; JP2007282495A

Description

本発明は、電気車両の列車に搭載されるバッテリなどの蓄電器に充電を行う回路装置及び車両運行システムに関する。特には、既存の車両回路の構成に応じて最小限の回路変更で直流及び交流の何れの電源でも蓄電部に充電することができる回路装置及び車両運行システムに関する。

近年、電気車両において、架線などの外部からの電源による車両の運行に加えて、車両内部に設けられたバッテリなどの蓄電部からの電源で車両を運行する方式が考えられている。

この様な電気車両による列車の運行の場合には、できるだけエネルギーの損失を抑え、いかに効率よく蓄電部を充電するかが問題となる。

例えば、パンタグラフとインバータとの間に接触器を設け、回生ブレーキ時に接触器の回路を開いて、モータからの回生エネルギーを架線に逃がさずにバッテリに蓄積することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。また、モータとバッテリとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、このＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、モータからの回生エネルギーをバッテリに蓄積することができるようになっているものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１９９３５４号公報特開２００３−１９９２０３号公報

しかしながら、従来からの装置によれば、停車中や走行中に拘わらず、何れの場合でも効果的に蓄電部に充電することができるものがなかった。特に、直流インバータ電車の場合には、停車中の給電では、地上設置の直流供給設備が必要となりコストがかかってしまうという課題があった。また、直流インバータ電車にも電力変換器を余分に付加する必要があり、車両回路の設計変更が生じ、コストがかかるという課題があった。

従って、本発明の目的は、直流インバータ電車などの現行車両の回路構成にほとんど変更を加えずに、既存の車両回路の構成に応じて最小限の回路変更で直流及び交流の何れの電源でも蓄電部に充電することができ、また、停車中のみならず走行中も蓄電部に充電することができる回路装置及び車両運行システムを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る車両の回路装置は、電流と電圧を制御する電流電圧制御手段と、電流電圧制御手段から供給される電力で動作するモータと、架線に接続されるパンタグラフと、電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、パンタグラフと蓄電手段との内の一方を電流電圧制御手段の一端に電気的に接続する第１の切替手段と、電流電圧制御手段の他端をモータと複数のリアクトルの一端との内の一方に電気的に接続する第２の切替手段と、複数のリアクトルの他端と蓄電手段との間に設けられた開閉手段とを備え、モータを駆動する際に、第１の切替手段が、パンタグラフ又は蓄電手段から供給される直流電圧を電流電圧制御手段に出力し、電流電圧制御手段が、第１の切替手段から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとして作動し、第２の切替手段が、電流電圧制御手段から供給される交流電圧をモータに出力し、パンタグラフからの電気エネルギーで蓄電手段を充電する際に、第１の切替手段が、パンタグラフから供給される直流電圧を電流電圧制御手段に出力し、電流電圧制御手段が、第１の切替手段から出力される直流電圧に基づいてチョッパ動作を行い、第２の切替手段が、電流電圧制御手段から供給される電気エネルギーを複数のリアクトル及び開閉手段を介して蓄電手段に出力し、モータからの回生エネルギーで蓄電手段を充電する際に、第２の切替手段が、モータから供給される交流電圧を電流電圧制御手段に出力し、電流電圧制御手段が、第２の切替手段から出力される交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータとして作動し、第１の切替手段が、電流電圧制御手段から供給される直流電圧を蓄電手段に出力する。

また、本発明の１つの観点に係る車両運行システムは、本発明の１つの観点に係る車両の回路装置を有する電気車両と、電気車両に電力を供給するための架線とを備え、電気車両のパンタグラフが架線に接続される。

本発明の１つの観点に係る車両の回路装置及び車両運行システムによれば、電流電圧制御手段が、モータを駆動する際にＰＷＭインバータとして作動し、パンタグラフからの電気エネルギーで蓄電手段を充電する際にチョッパ動作を行い、モータからの回生エネルギーで蓄電手段を充電する際にＰＷＭコンバータとして作動する。これにより、直流インバータ電車などの現行車両の回路構成にほとんど変更を加えずに、既存の車両回路の構成に応じて最小限の回路変更で直流及び交流の何れの電源でも蓄電部に充電することができ、また、停車中のみならず走行中も蓄電部に充電することができる。

本発明の車両の回路装置を示す図である。電気車両に給電するための電源供給装置を示す図である。図２の摺動導電板装置１０Ａの回路構成を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。電気車両に給電するための電源供給装置を示す図である。図５の摺動導電板装置１０Ｂの回路構成を示す図である。電気車両に給電するための電源供給装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。切替器の構成を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。本発明の車両の回路装置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の車両の回路装置及び車両運行システムの実施形態を説明する。

図１は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、電流電圧制御部２Ａとモータ５との間の回路の開閉を行う接触器（開閉手段）４Ａと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８とを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、接触器４Ａは、モータが磁石機（同期電動機）の場合には通常装備されるものであり、新たな追加が不要であることが多い。この図においては、モータ５は、誘導電動機である。

図２は、電気車両に給電するための電源供給装置を示す。図２において、この電源供給装置は、交流電源を供給する地下トラフや電柱などの電源供給部１１Ａと、電源供給部１１Ａからの交流電源をそのまま交流電源として電気車両に給電する摺動導電板装置１０Ａとを備えている。

図３は、摺動導電板装置１０Ａの回路構成を示す図である。図３において、この摺動導電板装置１０Ａの回路構成は、単純なトランス１２のみの構成であり、電源側端子１２Ａからの６６００［Ｖ］〜２２０００［Ｖ］の３相交流の電源を４４０［Ｖ］〜６００［Ｖ］の３相交流にして車両側接触子１２Ｂから出力する。車両の停車中に、この車両側接触子１２Ｂと車両の充電接触子３Ａとが電気的に接続されて、蓄電部１が充電される。

充電中は、接触器４Ａが開放され、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータとして作動する。また、蓄電部１は、リチウム（Ｌｉ＋）バッテリで構成するとよい。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータとして作動する。

図４は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａ，２Ｂと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ｂと、電流電圧制御部２Ａとモータ５との間の回路の開閉を行う接触器（開閉手段）４Ａと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのＳＩＶ６と、電流電圧制御部２Ａ，２Ｂ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、充電接触子３Ｂは、交流電源に接続される３相充電接触子及び直流電源に接続される２極充電接触子で構成されている。そして、電流電圧制御部２Ｂは、蓄電部１に電源を供給する際に、充電接触子３Ｂが３相充電接触子で作用する場合にはＰＷＭコンバータとして作動し、充電接触子３Ｂが２極充電接触子で作用する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータとして作動し、３相ブリッジのチョッパ動作を行う。また、接触器４Ａは、磁石機であり、モータ５は、誘導電動機である。

図５は、電気車両に給電するための電源供給装置を示す。図５において、この電源供給装置は、交流電源を供給する地下トラフや電柱などの電源供給部１１Ａと、電源供給部１１Ａからの交流電源を直流電源に変換して電気車両に給電する摺動導電板装置１０Ｂとを備えている。

図６は、摺動導電板装置１０Ｂの回路構成を示す図である。図６において、この摺動導電板装置１０Ｂの回路構成は、電源側端子１２Ａからの６６００［Ｖ］〜２２０００［Ｖ］の３相交流の電源を４４０［Ｖ］〜６００［Ｖ］の３相交流に変換するトランス１２と、トランス１２からの交流を直流に変換して車両側接触子１３Ａから出力する位相制御整流器１３とを備えている。充電接触子３Ｂが２極充電接触子として作用する場合には、車両の停車中に、パンタグラフ９Ａがたたまれて架線と離れることで、充電接触子３Ｂが架線から電気的に切り離される。そして、摺動導電板装置１０Ｂとの接触により、車両側接触子１３Ａと充電接触子３Ｂとが電気的に接続されて、蓄電部１が充電される。

充電接触子３Ｂが２極充電接触子として充電中は、接触器４Ａが開放され、電流電圧制御部２Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータとして作動する。このとき、車輪９Ｂに接続される相の下側アームを常時通電し、パンタグラフ９Ａに接続される相による単相チョッパ動作を行う。一方、充電接触子３Ｂが３相充電接触子で作用する場合には、図２及び図３の構成の充電装置を利用し、電流電圧制御部２Ｂは、３相ＰＷＭコンバータとして作動する。また、蓄電部１は、例えば、リチウムイオン（Ｌｉ＋）バッテリで構成するとよい。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。

図７は、電気車両に給電するための電源供給装置を示す。図７において、この電源供給装置は、交流電源を供給する地下トラフや電柱などの電源供給部１１Ａと、パンタグラフ９Ａ（図４）に電源を供給する剛体架線１１Ｂと、電源供給部１１Ａからの交流電源を直流電源に変換して剛体架線１１Ｂまたは電気車両に給電する摺動導電板装置１０Ｂとを備えている。図７の構成によれば、パンタグラフ９Ａから直流電源が供給され、接触器４Ａが開放され、電流電圧制御部２ＢがＤＣ／ＤＣコンバータとして作動することによって、蓄電部１が充電される。パンタグラフ９Ａからの給電を専らとする場合には、摺動導電板装置１０Ｂには摺動導電部を設けず、交流を直流に変換する機能のみを装備させることもできる。

図８は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａ，２Ｃと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ｃと、電流電圧制御部２Ａとモータ５との間の回路の開閉を行う接触器（開閉手段）４Ａと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのＳＩＶ６と、電流電圧制御部２Ａ，２Ｃ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。なお、接触器４Ａは、モータ５が磁石機（同期電動機）で、モータごとに電流電圧制御部２が対応する場合に必要となる。

充電接触子３Ｃは、２極充電接触子であり、図５〜図７の構成の充電装置を利用して蓄電部１が充電され、充電中は、電流電圧制御部２Ｃが、ＤＣ／ＤＣコンバータとして作動する。図８は、電流電圧制御部２Ｃが単相チョッパ動作する場合の図として描かれているが、３相出力各々にリアクトルを接続してまとめることで３相チョッパ動作を行うことができる。また、蓄電部１は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）バッテリ、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、フライホイール（ＦＷ）などで構成することができる。フライホイールの場合には、電流電圧制御部２Ｃの３相分出力回路に３相フライホイールモータを接続する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。

図９は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、電流電圧制御部２Ａとモータ５との間の回路の開閉を行う接触器（開閉手段）４Ａと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、電流電圧制御部２Ａに接続する電源の供給源を、蓄電部１又はパンタグラフ９Ａの何れかに切り替える切替器１４Ａと、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、ＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、接触器４Ａは、モータ５が磁石機（同期電動機）の場合には通常装備されるものであり、新たな追加が不要であることが多い。この図では、モータ５は、誘導電動機である。図９の構成においては、充電接触子３Ａからの充電の際には、切替器１４Ａを蓄電部１側に接続し、図１〜図３で説明したように充電する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。

図１０は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する複数の電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、複数の電流電圧制御部２Ａに接続され、モータ５方向と、充電接触子３Ａと、開放方向の３方向に切り替え可能な３相多回路一括３方向の切替器１４Ｂと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、複数の電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、複数の電流電圧制御部２Ａに接続する電源の供給源を、蓄電部１又はパンタグラフ９Ａの何れかに切り替える切替器１４Ａと、切替器１４Ｂと充電接触子３Ａとの間に設けられた平滑リアクトル７Ａ，７Ｂと、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、モータ５は、複数回路構成の永久磁石式の同期電動機である。電流電圧制御部２Ａは、モータ５の１回路毎に設けられる。図１０の構成においては、充電接触子３Ａからの充電の際には、切替器１４Ａを蓄電器１側に接続し、切替器１４Ｂは電流電圧制御部２Ａと充電接触子３Ａを接続して、図１〜図３で説明したように充電する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。

図１１は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、電流電圧制御部２Ａに接続され、モータ５方向と、充電接触子３Ａ方向と、蓄電部１方向の３方向に切り替え可能な３相一括３方向の切替器１４Ｃと、３相一括３方向の切替器１４Ｃと蓄電部１との間に設けられた接触器（開閉手段）４Ｂと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、切替器１４Ｃと接触器４Ｂとの間に設けられた平滑リアクトル７Ａと、電流電圧制御部２Ａに接続する電源の供給源を、蓄電部１又はパンタグラフ９Ａの何れかに切り替える切替器１４Ａと、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、モータ５は、誘導電動機である。図１１の構成においては、充電接触子３Ａからの充電の際には、切替器１４Ｃで充電接触子３Ａと平滑リアクトル７Ａとを接続し、接触器４Ｂを閉じて、図１〜図３で説明したように充電する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、切替器１４Ｃでモータ５と電流電圧制御部２Ａとを接続し、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。さらに、パンタグラフ９Ａを用いて、図７の剛体架線１１Ｂから充電ができ、切替器１４Ａをパンタグラフ９Ａ側に閉じ、切替器１４Ｃで電流電圧制御部２Ａと平滑リアクトル７を接続し、接触器４Ｂを閉じて蓄電部１に充電する。このとき、電流電圧制御部２Ａは、３相ブリッジによる単相、２相、又は、３相チョッパ動作を行う。

ここで、３相一括３方向の切替器１４Ｃは、図１２に示すように３つの３相接触器で構成し、３方向の切替は、当該３相接触器のインターロックによる方向切替で行うようにすることもできる。

図１３は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する複数の電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、複数の電流電圧制御部２Ａに接続され、モータ５方向と、充電接触子３Ａと、開放方向の３方向に切り替え可能な３相多回路一括３方向の切替器１４Ｂと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、複数の電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、複数の電流電圧制御部２Ａに接続する電源の供給源を、蓄電部１又はパンタグラフ９Ａの何れかに切り替える切替器１４Ａと、切替器１４Ｂと充電接触子３Ａとの間に設けられた平滑リアクトル７Ｂ，７Ｃと、平滑リアクトル７Ｂ，７Ｃと充電接触子３Ａとの間に設けられ、充電接触子３Ａと、蓄電部１方向の２方向に切り替え可能な３相多回路一括２方向の切替器１４Ｄと、３相多回路一括２方向の切替器１４Ｄと蓄電部１との間に設けられた接触器（開閉手段）４Ｂと、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、モータ５は、永久磁石式の同期電動機である。図１３の構成においては、充電接触子３Ａからの充電の際には、切替器１４Ｄで充電接触子３Ａと平滑リアクトル７Ｂ、７Ｃとを接続し、切替器１４Ｂで電流電圧制御部２Ａと平滑リアクトル７Ｂ、７Ｃを接続し、さらに切替器１４Ａを蓄電部１側に閉じて、図１〜図３で説明したように充電する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、切替器１４Ｂでモータ５と電流電圧制御部２Ａとを接続し、切替器１４Ａは蓄電部１側に閉じ、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。さらに、パンタグラフ９Ａを用いて、図７の剛体架線１１Ｂから充電ができ、切替器１４Ａをパンタグラフ９Ａ側に閉じ、切替器１４Ｂで電流電圧制御部２Ａと平滑リアクトル７Ｂ，７Ｃを接続し、切替器１４Ｄで平滑リアクトル７Ｂ，７Ｃと接触器４Ｂを接続し、接触器４Ｂを閉じて蓄電部１に充電する。このとき、電流電圧制御部２Ａは、３相ブリッジによる単相、２相、又は、３相チョッパ動作を行う。

図１４は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、パンタグラフ９Ａ側に設けられた、直流電源に接続される２極充電接触子である充電接触子３Ｃと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ａと、電流電圧制御部２Ａに接続され、モータ５方向と、充電接触子３Ａ方向と、蓄電部１方向の３方向に切り替え可能な３相一括３方向の切替器１４Ｃと、３相一括３方向の切替器１４Ｃと蓄電部１との間に設けられた接触器（開閉手段）４Ｂと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのスタティック・インバータ（ＳＩＶ）６と、電流電圧制御部２Ａ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、切替器１４Ｃと接触器４Ｂとの間に設けられた平滑リアクトル７Ａと、電流電圧制御部２Ａに接続する電源の供給源を、蓄電部１又はパンタグラフ９Ａの何れかに切り替える切替器１４Ａと、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、電流電圧制御部２Ａは、蓄電部１からモータ５に電源を供給する際には、直流を交流に変換するＰＷＭインバータとして作動し、充電接触子３Ａから蓄電部１に電源を供給する際には、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、充電接触子３Ａは、交流電源に接続される３相充電接触子である。また、モータ５は、誘導電動機である。図１４の構成においては、充電接触子３Ａからの充電の際には、切替器１４Ｃで充電接触子３Ａと電流電圧制御部２Ａとを接続し、切替器１４Ａを蓄電部１側に閉じて、図１〜図３で説明したように充電する。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、切替器１４Ｃでモータ５と電流電圧制御部２Ａとを接続し、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。さらに、パンタグラフ９Ａ側に設けられた充電接触子３Ｃ又はパンタグラフ９Ａを用いて、図５及び図７の摺動導電板装置１０Ｂ又は図７の剛体架線１１Ｂから充電ができ、切替器１４Ａをパンタグラフ９Ａ側に閉じ、切替器１４Ｃで電流電圧制御部２Ａと平滑リアクトル７を接続し、接触器４Ｂを閉じて蓄電部１に充電する。このとき、電流電圧制御部２Ａは、３相ブリッジによる単相、２相、又は、３相チョッパ動作を行う。

図１５は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａ，２Ｂと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ｄと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのＳＩＶ６と、電流電圧制御部２Ａ，２Ｂ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

ここで、充電接触子３Ｄは、交流電源に接続される３相充電接触子３Ｄ−１〜３及び直流電源に接続される２極充電接触子３Ｄ−１，３Ｄ−４で構成されている。そして、電流電圧制御部２Ｂは、蓄電部１に電源を供給する際に、充電接触子３Ｄが３相充電接触子で作用する場合には位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動し、充電接触子３Ｄが２極充電接触子で作用する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータとして作動し、３相ブリッジの１相分を用いて単相チョッパ動作を行う。また、モータ５は、誘導電動機である。

充電接触子３Ｂが２極充電接触子３Ｄ−１，３Ｄ−４として作用する場合には、車両の停車中に、図６の車両側接触子１３Ａと車両の充電接触子３Ｄのパンタグラフ９Ａ及び車輪９Ｂに接続されている接触子３Ｄ−１，３Ｄ−４とが電気的に接続されて、蓄電部１が充電される。このとき、電流電圧制御部２Ｂは、接触子３Ｄ−１に接続される相による単相ＤＣ／ＤＣコンバータとして作動する。接触子３Ｄ−１，３Ｄ−２，３Ｄ−３の端子にリアクトルを各々接続してまとめることで、３相チョッパ動作を行うことも可能となる。一方、充電接触子３Ｄが３相充電接触子３Ｄ−１〜３で作用する場合には、図２及び図３の構成の充電装置を利用し、電流電圧制御部２Ｂは、位相同期方式のＰＷＭコンバータとして作動する。また、蓄電部１は、例えば、リチウムイオン（Ｌｉ＋）バッテリで構成するとよい。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭインバータの回生動作）として作動する。

図１６は、本発明の車両の回路装置を示す図である。この回路装置は、走行及び停車中に電源を供給するパンタグラフ９Ａと、電流と電圧を制御する電流電圧制御部２Ａ，２Ｃと、電流電圧制御部２Ａからの出力で動作するモータ５と、モータ５の駆動時に電源を供給する蓄電部１と、蓄電部１に電源を供給するための充電接触子３Ｃと、車両の空調や照明などの補機に電源を供給するためのＳＩＶ６と、電流電圧制御部２Ａ，２Ｃ及びＳＩＶ６側にそれぞれ設けられたリアクトル７及び直流コンデンサ８と、回路構成上のグランドである車輪９Ｂとを備えている。

充電接触子３Ｃは、２極充電接触子であり、図５〜図７の構成の充電装置を利用して蓄電部１が充電され、充電中、電流電圧制御部２Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータとして作動する。また、蓄電部１は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）バッテリ、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、フライホイール（ＦＷ）などで構成することができる。また、モータ５からの回生エネルギーを蓄電部１に蓄える際には、電流電圧制御部２Ａは、ＰＷＭコンバータとして作動する。

以上のように、本発明の車両の回路装置及び車両運行システムによれば、直流インバータ電車などの現行車両の回路構成にほとんど変更を加えずに、既存の車両回路の構成に応じて最小限の回路変更で直流及び交流の何れの電源でも蓄電部に充電することができ、また、停車中のみならず走行中も蓄電部に充電することができる。特に、パンタグラフを用いる場合には、停車中及び走行中に拘わらず、通常の架線区間からも充電を行える。

１蓄電部
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ電流電圧制御部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ充電接触子
４Ａ，４Ｂ接触器
５モータ
６スタティック・インバータ（ＳＩＶ）
７リアクトル
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ平滑リアクトル
８直流コンデンサ
９Ａパンタグラフ
９Ｂ車輪
１０Ａ，１０Ｂ摺動導電板装置
１１Ａ電源供給部
１１Ｂ剛体架線
１２トランス
１２Ａ電源側接触子
１２Ｂ，１３Ａ車両側接触子
１３位相制御整流器
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ切替器

Claims

電流と電圧を制御する電流電圧制御手段と、
前記電流電圧制御手段から供給される電力で動作するモータと、
架線に接続されるパンタグラフと、
電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、
前記パンタグラフと前記蓄電手段との内の一方を前記電流電圧制御手段の一端に電気的に接続する第１の切替手段と、
前記電流電圧制御手段の他端を前記モータと複数のリアクトルの一端との内の一方に電気的に接続する第２の切替手段と、
前記複数のリアクトルの他端と前記蓄電手段との間に設けられた開閉手段と、
を備え、前記モータを駆動する際に、前記第１の切替手段が、前記パンタグラフ又は前記蓄電手段から供給される直流電圧を前記電流電圧制御手段に出力し、前記電流電圧制御手段が、前記第１の切替手段から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとして作動し、前記第２の切替手段が、前記電流電圧制御手段から供給される交流電圧を前記モータに出力し、前記パンタグラフからの電気エネルギーで前記蓄電手段を充電する際に、前記第１の切替手段が、前記パンタグラフから供給される直流電圧を前記電流電圧制御手段に出力し、前記電流電圧制御手段が、前記第１の切替手段から出力される直流電圧に基づいてチョッパ動作を行い、前記第２の切替手段が、前記電流電圧制御手段から供給される電気エネルギーを前記複数のリアクトル及び前記開閉手段を介して前記蓄電手段に出力し、前記モータからの回生エネルギーで前記蓄電手段を充電する際に、前記第２の切替手段が、前記モータから供給される交流電圧を前記電流電圧制御手段に出力し、前記電流電圧制御手段が、前記第２の切替手段から出力される交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータとして作動し、前記第１の切替手段が、前記電流電圧制御手段から供給される直流電圧を前記蓄電手段に出力する、車両の回路装置。
前記モータを駆動する際に、前記電流電圧制御手段が、前記第１の切替手段から出力される直流電圧を３相交流電圧に変換し、前記第２の切替手段が、前記電流電圧制御手段から供給される３相交流電圧を前記モータに出力する、請求項１記載の車両の回路装置。
前記パンタグラフからの電気エネルギーで前記蓄電手段を充電する際に、前記電流電圧制御手段が、３相ブリッジによる単相、２相、又は、３相チョッパ動作を行う、請求項１又は２記載の車両の回路装置。
前記第１の切替手段と前記電流電圧制御手段の一端との間に接続されたリアクトルと、
前記電流電圧制御手段の一端とグランド電位との間に接続されたコンデンサと、
をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項記載の車両の回路装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の車両の回路装置を有する電気車両と、
前記電気車両に電力を供給するための架線と、
を備え、前記電気車両の前記パンタグラフが前記架線に接続される、車両運行システム。