JP5048384B2 - 鉄道車両におけるバッテリ充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両が電化区間を運行中に架線からの電力供給を受けて車載バッテリに電力エネルギとして充電し、この車載バッテリから供給される電力で鉄道車両が非電化区間を運行できるようにした鉄道車両のバッテリ充電装置に関する。

従来、鉄道車両に充放電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの充電回路を装備し、鉄道車両が電化区間を運行する場合には、架線から供給される電力で運行しながら車載バッテリにも充電し、架線の無い非電化区間を運行する場合には、車載バッテリに蓄電した電力で運行できるようにした鉄道車両の充放電制御技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１に記載のインバータ制御式電気車両は、複数のインバータ制御装置と、補機回路電源装置と、充電装置と、この充電装置で蓄電される蓄電池とを備えている。パンタグラフを介して直流１５００Ｖの架線電圧が各インバータ制御装置と補機回路電源装置に供給される。各インバータ制御装置は、架線電圧を受けて３相交流電動機の回転数とトルクを変化させるので、インバータ制御式電気車両の速度と牽引力がコントロールされる。補機回路電源装置は架線電圧を交流３相の４４０Ｖに変換するので、充電装置により直流６００Ｖで蓄電池に充電される。

この種の電気車両に搭載する蓄電池は、高電圧（例えば、６００〜８００Ｖ）且つ大容量（例えば、１５０〜２００Ａｈ）であるため、その外形形状が大きく、しかも重量も重くなる。そこで、蓄電池を複数個のユニットに分割し、これらのユニットを複数の車両に分散させるのが一般的である。
特開平６−９８４０９号公報（第５〜６頁、図１）

前述した特許文献１に記載のインバータ制御式電気車両においては、この電気車両が電化区間を運行中に蓄電池に充電するようにした単なる充電技術が開示されただけなので、この電気車両が電化区間を運行中に、蓄電池に蓄電されている蓄電容量を検出することも、充電電流を制御することも記載無く、架線電圧により蓄電池を満状態にまで充電するか、否かも明確でない。

蓄電池に満充電する場合には、電気車両が次の非電化区間を蓄電池の充電電力で十分に運行できる場合であっても、蓄電池に満充電されていない場合には、電気車両は、充電量に応じたキロ程しか運行できず、次の非電化区間を運行することができないという問題がある。

更に、蓄電池を搭載した電気車両が列車事故を起こし、蓄電池から充電電流が外部に漏出する場合には、乗客や乗員が感電する可能性がある。

本発明の目的は、鉄道車両が電化区間を運行中に車載バッテリに確実、且つ効率よく満充電でき、この車載バッテリに蓄電した電力で次の非電化区間を確実に運行できるようにすること、高電圧の車載バッテリに対する安全対策を向上させること、等である。

請求項１の鉄道車両のバッテリ充電装置は、電力エネルギを蓄電可能な車載バッテリと、電化区間においては架線からパンタグラフを介して電力供給され、非電化区間においては前記車載バッテリから電力供給されて、車両を駆動する駆動用電動機とを備え、電化区間と非電化区間とに亙って連続して運行可能な鉄道車両における前記車載バッテリに対する充電装置であって、予め運行情報を記憶した記憶手段と前記電化区間を運行中に前記車載バッテリへの充電電流を前記運行情報から求めた充電可能時間に基づいて決定する演算手段とを有する充電制御手段と、前記架線に電気的に接続されるＤＣＬＩＮＫと前記車載バッテリとに接続され、直流から３相交流に変換する電源変換器と、この３相交流を直流に再変換する他励式変換器とを備え、前記演算手段で決定した充電電流で前記車載バッテリに充電するように前記充電制御手段で充電電流を調節可能な電圧補償手段と、前記車載バッテリの充電電力を前記電動機に供給する放電用スイッチ及び前記電動機からの発生電力を前記車載バッテリに回生充電する充電用スイッチとを備え、前記放電用スイッチと前記充電用スイッチとは並列配置され且つ前記ＤＣＬＩＮＫと前記車載バッテリとに接続され、前記非電化区間において前記充電制御手段は、前記電圧補償手段の作動を停止し、前記放電用スイッチを閉成すると共に前記充電用スイッチを開成する一方、ブレーキ時には、前記充電用スイッチを閉成すると共に前記放電用スイッチを開成するものである。
尚、本願において、回生とは、誘導電動機で発生した電力をバッテリ等に供給することをいう。

鉄道車両が電化区間を運行する場合、架線からパンタグラフを介して受けた電力が駆動用電動機に供給されて鉄道車両が走行する。このように、電化区間を運行中には、運行情報から求めた充電可能時間に基づいて、車載バッテリへ充電する充電電流が演算される。
ここでいう走行は単に車両が走ることをいい、また運行とは車両の停止・停車を含む一連の状態をいう。

このように運行時間と充電時間の関係から求めた充電電流となるよう充電制御手段が電圧補償手段を制御するので、鉄道車両が電化区間を運行し終わるまでに充電を終え、車載バッテリは満充電状態になる。さらに引き続いて非電化区間を運行する場合、満充電状態の車載バッテリから電力が駆動用電動機に供給され、非電化区間を運行できる。

請求項２の鉄道車両のバッテリ充電装置は、請求項１に従属し、前記充電制御手段は、前記電化区間のブレーキ時には、前記ＤＣＬＩＮＫから前記架線に逆流させることなく、前記電動機で発生した電力を、前記車載バッテリに回生充電するよう、前記電圧補償手段を制御する。

請求項３の鉄道車両のバッテリ充電装置は、請求項２に従属し、前記電化区間のブレーキ時には、前記ＤＣＬＩＮＫから前記架線へ電流が逆流するのを防止する逆流防止スイッチ手段を、前記パンタグラフと前記ＤＣＬＩＮＫとの間に設けた。

請求項４の鉄道車両のバッテリ充電装置は、請求項１〜３の各々に従属し、複数の遮断用接点を有する遮断器を設け、車載バッテリは複数のバッテリユニットを直列に接続して構成され、これら複数のバッテリユニットの接続部の各々に遮断器の遮断用接点を介設した。

請求項５の鉄道車両のバッテリ充電装置は、請求項１〜４の各々に従属し、前記ＤＣＬＩＮＫの電圧が所定電圧以下になったことを検出する電圧低下検出器を設け、この電圧低下検出器で電圧低下を検出すると、前記充電制御手段が電圧補償手段による充電動作を停止させる。

請求項１の発明によれば、電力を蓄電可能な車載バッテリと走行駆動用電動機とを備え、電化区間と非電化区間とに亙って連続して運行可能な鉄道車両における車載バッテリに対する充電装置で、記憶手段と演算手段とを有する充電制御手段と、電圧補償手段とを設け、電化区間運行中は、運行情報から求めた充電可能時間に基づいて演算した充電電流となるように電圧補償手段が制御され、鉄道車両が電化区間の運行中に車載バッテリを満充電できる。

非電化区間運行中は、電動機は架線から電力を受ける代わりに、満充電された車載バッテリから電力を受けることができ、鉄道車両は電化区間に続く非電化区間を支障なく運行できる。
非電化区間において、前記車載バッテリの充電電力を電動機に供給する放電用スイッチを設け、電圧補償手段の作動を停止して放電用スイッチを閉成するので、当該回路では電圧補償手段の余分な動作や制御を抑制して、車載バッテリに蓄電された電力を放電用スイッチで電動機に供給して、鉄道車両を運行させることができる。
車載バッテリから電動機に至る放電回路には電圧補償手段が介在せず、放電動作を妨げる抵抗体が存在しないので、電圧補償手段における放電ロスを回避し、車載バッテリ電力の全てを電動機に効率良く供給することが可能になる。
鉄道車両用の電動機は通常、電化区間を運行中に架線電圧が大きく変動した場合でも、安定運行が可能なように設計されており、非電化区間運行時に、車載バッテリから出力される駆動電圧に同様の変動が生じた場合でも、問題なく電動機を駆動制御することができる。
非電化区間のブレーキ時において、前記電動機からの発生電力を車載バッテリに回生充電する充電用スイッチを設け、電圧補償手段の作動を停止して充電用スイッチを閉成するので、当該回路では電圧補償手段の余分な動作や制御を抑止して充電ロスを回避でき、発生電力の全てを車載バッテリに効率良く回生充電することが可能になる。
回生電流が電圧補償手段の設定電流以下になれば、電圧補償手段に自動的に切り替わり、充電用スイッチには逆電圧が加わるので、充電用スイッチとしてサイリスタ等の自己消弧機能が不要の安価なスイチング素子を採用することができる。

請求項２の発明によれば、電化区間において、前記充電制御手段は、鉄道車両のブレーキ時に、ＤＣＬＩＮＫから架線に逆流させることなく、電動機で発生した電力エネルギを当該車両の車載バッテリに蓄電するよう電圧補償手段を制御するので、回生失効等の無駄がなく且つ効率良く車載バッテリに蓄電でき、且つその他請求項１と同様の効果を奏する。

請求項３の発明によれば、前記電化区間のブレーキ時には、ＤＣＬＩＮＫから架線へ電流が逆流するのを防止する逆流防止スイッチ手段を、パンタグラフとＤＣＬＩＮＫとの間に設けたので、電化区間におけるブレーキ時でも、電動機から架線に回生電流が逆流しない構成で、車載バッテリへの充電電流変更制御も一切必要とせず、充電制御手段による回生電力充電制御を省略することができ、且つその他請求項２と同様の効果を奏する。

請求項４の発明によれば、複数の遮断用接点を有する遮断器を設け、前記車載バッテリは複数のバッテリユニットを直列に接続して構成され、これら複数のバッテリユニットの接続部の各々に遮断器の遮断用接点を介設したので、車載バッテリに接続される充電回路で何らかの短絡状態が発生し、大きな短絡電流がバッテリ充電回路に流れるような場合でも、遮断器が有する複数の遮断用接点が一斉に開成される。

車載バッテリは、開成された複数の遮断用接点により複数のバッテリユニット毎に分割されるとともに、電圧補償手段を故障から確実に保護することができる。また、複数の遮断用接点は、車載バッテリの直流回路に直列状に介設されているため、これら遮断用接点の遮断時における接点溶融を確実に回避することができる。

車載バッテリは高電圧且つ大容量であっても、各バッテリユニットの出力電圧が人体に支障の無い安全な電圧（例えば、１００Ｖ）に設定しておくことで、何らかの列車事故が発生した場合でも、バッテリ回路への大きな短絡電流の流出を確実に回避して、乗客や乗員の感電防止、つまりバッテリに対する安全対策を確実なものにできる。その他請求項１〜３の何れか１項と同様の効果を奏する。

請求項５の発明によれば、前記ＤＣＬＩＮＫの電圧が所定電圧以下になったことを検出する電圧低下検出器を設け、この電圧低下検出器で電圧低下を検出すると、充電制御手段が電圧補償手段による充電動作を停止させるので、架線に電力を供給する変電所に対する電力供給負担を格段に軽減させることができ、更なる架線電圧の低下を確実に防止することができる。その他請求項１〜４の何れか１項と同様の効果を奏する。

本実施例の鉄道車両のバッテリ充電装置は、鉄道車両である電動車に搭載された車載バッテリに、電化区間の運行中に、充電可能時間に応じた充電電流で充電する一方、電動車のブレーキ時に発生する電力を、架線に逆流させることなく、車載バッテリに効率良く満に回生充電できるようにしてある。更に、非電化区間の運行に際して、この車載バッテリに満充電された電力により運行駆動用誘導電動機が駆動制御されるようにしてある。

車載バッテリ１０に電力を充電可能なバッテリ充電装置２５について説明する前に、最初に、図１−１に基づいて、このバッテリ充電装置２５と運行駆動用の３相の誘導電動機８が搭載されている電動車２（鉄道車両）について説明する。

図１−１に示すように、この電動車２は一般的な鉄道車両であり、図示外の変電所から架線１に給電されている直流をパンタグラフ３で集電し、高速度遮断器２０と、電磁接触器２１と、高周波成分を阻止するフィルタリアクトル６とを順次経てＤＣＬＩＮＫ４に供給し、ＶＶＶＦ制御（可変電圧可変周波数制御）が可能なＶＶＶＦインバータ７により、Ｖ(電圧)／Ｆ(周波数)一定の３相交流に変換するようになっている。

ＤＣＬＩＮＫ４とは、電動車２内の電気回路において、ＶＶＶＦインバータ７の直流部、車載バッテリ１０からの直流部、架線１からの直流部等が直流側の１点で互いに連係している点をいう。

誘導電動機８は、ＶＶＶＦインバータ７から供給される３相交流の電圧及び周波数と、誘導電動機８の回転周波数の大小関係に応じて、その動作モードが変わる。即ち、「ＶＶＶＦインバータ周波数＞誘導電動機周波数」の場合には、所謂スリップが「正」の領域で、誘導電動機８には加速トルクが作用する。誘導電動機８の停動トルクを越えない範囲内ではスリップに比例してトルクが増加する。

「ＶＶＶＦインバータ周波数＝誘導電動機周波数」の場合には、所謂「スリップ＝０」の状態であり、トルクは発生しない。誘導電動機８はＶＶＶＦインバータ７から与えられる周波数で励磁された状態にあり、惰行状態である。一般に、電気車制御で言う「惰行」とはこの状態の場合もあるが、この場合、励磁による鉄損の発生が嫌われるので、惰行運行の殆どの場合、ＶＶＶＦインバータ７の作動を中止し、無加圧で使用される場合が多い。

「ＶＶＶＦインバータ周波数＜誘導電動機周波数」の場合には、所謂スリップが「負」の領域で、誘導電動機８は発電機として作動し、ブレーキトルクが作用する。誘導電動機８の最大ブレーキトルクを越えない範囲内では、スリップに比例してトルクが増加する。ここで、ＤＣＬＩＮＫ４とグランドライン５の間に設けられたコンデンサ１１は、リアクトル６と協働してＶＶＶＦインバータ７のスイッチング作用により発生する高調波を吸収し、架線１側に高調波が流出するのを防止するＥＭＩフィルタとして機能する。

運転士により図示しないマスターコントローラが操作され、力行指令が出されると、ＶＶＶＦ制御された３相交流により、電動車２は停止状態から、マスターコントローラの力行指令に基づいて、中速域を経て高速域まで加速が可能である。運転士のマスターコントローラ操作によりブレーキ指令が出されると、ＶＶＶＦインバータ７により、誘導電動機８の回転周波数より低い周波数のＶＶＶＦ交流が出力され、発電機として作動しブレーキ動作が開始され、高速域から中速域を経て減速できるようになっている。但し、このブレーキ動作においては、後述するように、誘導電動機８で発生する電力が後述するバッテリ充電装置２５により車載バッテリ１０に回生充電（蓄電）可能になっている。

電動車２が電化区間を力行運行又は惰行運行中に架線１からの架線電力を受けて、或いはブレーキ作動による誘導電動機８からの回生電力を受けて、車載バッテリ１０を充電するバッテリ充電装置２５について説明する。ここで、車載バッテリ１０は、ニッケル水素電池からなり、誘導電動機８を駆動可能な１５０〜２００Ａｈ程度の電流時間積を充電可能に構成されている。

さらに、車載バッテリ１０の構成について説明する。
図２−１に示すように、電動車２は車両２ａ，２ｂを連結した２両編成である。例えば「６００Ｖ」駆動電圧を出力可能な車載バッテリ１０は、大型で且つ重量が大きいため、車両２ａ，２ｂに分散して搭載されている。

車載バッテリ１０は、８つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈに分割され、車両２ａに４つのバッテリユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｈが搭載され、車両２ｂにも４つのバッテリユニット１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆが搭載されている。これら８つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈは接続線により直列に接続されている。但し、これら車両２ａ，２ｂの連結部においては、被覆で覆われたジャンパ線２２ａ，２２ｂで連結されている。

車両２ａにおいては、これら４つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｂ，１０Ｇ〜１０Ｈの接続部の各々に、第１遮断器３５が有する４つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄが夫々対応させて介設されている。車両２ｂにおいても同様に、これら４つのバッテリユニット１０Ｃ〜１０Ｄ，１０Ｅ〜１０Ｆの接続部の各々に、第２遮断器３６が有する４つの遮断用接点３６ａ〜３６ｄが夫々対応させて介設されている。

ここで、モールド・ケース型配線用遮断器を説明する。
これら第１，第２遮断器３５，３６は、所謂、ＭＣＣＢ（Molded-Case Circuit Breaker）と称され、一般的には３相交流用に使用される遮断器で、３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）用の３つの遮断用接点３５ａ〜３５ｃ，３６ａ〜３６ｃと、ニュートラル用の遮断用接点３５ｄ，３６ｄを加えた各４つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄを有している。ここで第１，第２遮断器３５，３６は、３相交流用を直流に使用出来るように改良したものとする。

直流に使用する場合、直流は交流のように電流の流れる方向が切替り、周期的に電流零になることが無いので、交流に比べて電流を遮断することが困難である。そこで、ＭＣＣＢ型の第１，第２遮断器３５，３６を直流遮断器として使用する場合には、複数個の遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄを直列に接続し、第１，第２遮断器３５，３６が過電流を検知した場合は、直列接続された複数の遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄが一斉に開成されるようにしている。

図２−１において、これら複数のバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈを有するバッテリ回路に過電流が流れ、第１，第２遮断器３５，３６が過電流に反応して遮断作動した場合、２つの第１，第２遮断器３５，３６が同時に遮断動作するのが理想であるが、実際には、過電流検知特性においては微妙な違いがあるために、２つの第１，第２遮断器３５，３６が同時に遮断動作することは期待できない。

そこで、第１、第２遮断器３５、３６に各単独で過電流を遮断できる能力を持たせ、何れか一方が先行遮断した場合には、遮断動作しない方の第１，第２遮断器３５，３６に、先に遮断動作した方の第１，第２遮断器３５，３６に有する補助接点を用いたシーケンス回路で、強制的に開成するように構成している。その結果、車載バッテリ１０は、開成された８つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄにより、８つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈに分割される。

車載バッテリ１０が高電圧且つ大容量であっても、各バッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈの出力電圧が人体に支障の無い安全な電圧（例えば、７５Ｖ）に設定しておくことで、何らかの事故が発生した場合でも、バッテリ回路への短絡電流の流出を確実に回避して、乗客や乗員の感電防止等、車載バッテリ１０に対する安全対策を確実なものにできる。

バッテリ充電装置２５は、バッテリ電圧Ｅｂがおおよそ架線電圧Ｅａに等しく、車載バッテリ１０の充電によるバッテリ端子電圧の変動の最大値と最小値の変動幅の中に、架線電圧Ｅａが含まれるような電圧関係とする必要がある。このように、バッテリ電圧Ｅｂと架線電圧Ｅａとがおおよそ等しく選定されるので、車載バッテリ１０の充電は基本的には架線電圧が大部分を分担し、架線電圧Ｅａと車載バッテリ１０の充電電圧とに差電圧が生じた場合、その電圧の差を電圧補償装置（電圧補償手段）２６により補足するようにしてある。

図１−１に示すように、バッテリ充電装置２５は、電圧補償装置２６と、充電制御装置２７と、放電用スイッチ２８と、充電用スイッチ２９と、直流高速度遮断器２０と、電磁接触器２１を介して架線電圧Ｅａを受けてパンタ電圧検出信号を出力する第１電圧検出器１２と、ＤＣＬＩＮＫ４に供給されてＤＣＬＩＮＫ電圧を検出する第２電圧検出器１３と、バッテリ電圧Ｅｂを検出する第３電圧検出器１４と、コンデンサ１１、或いはＤＣＬＩＮＫ４の検出電圧信号を出力する第４電圧検出器１５と、架線１に回生パワーを逆流させずに架線流出電流を検出する第１電流検出器１６と、架線１から受ける架線電流を検出する第２電流検出器１７と、後述する電圧補償装置２６からの出力電流を検出する第３電流検出器１８と、車載バッテリ１０の充電電流（バッテリ電流）を検出する第４電流検出器１９等を備えている。ここで、放電用スイッチ２８と充電用スイッチ２９とは、夫々サイリスタで構成される。

電圧補償装置２６は、６個のサイリスタＳ１〜Ｓ６を組合せた自己転流機能のない３相全波整流型のサイリスタ変換器３１と、このサイリスタ変換器３１の交流電源として機能する定電圧定周波数の電源変換器３２と、平滑リアクトル９等を有する。電源変換器３２には、ＤＣＬＩＮＫ４から直流電力が供給されている。電源変換器３２は、電動車２に標準装備している補助装置のためのインバータ電源であってもよい。

３相全波整流型のサイリスタ変換器３１について説明する。
図１−１に示すように、サイリスタ変換器３１は、６つのサイリスタＳ１〜Ｓ６をブリッジ状に構成した電流型の変換器で、３組のサイリスタ（Ｓ１とＳ４、Ｓ２とＳ５、Ｓ３とＳ６）を夫々上下に直列接続した３組のサイリスタ回路ＳＡ〜ＳＣで構成されている。

各サイリスタ回路ＳＡ〜ＳＣのうち、上側サイリスタＳ１〜Ｓ３のアノードがＤＣＬＩＮＫ４に夫々接続されている。また、各サイリスタ回路ＳＡ〜ＳＣにおける上側のサイリスタＳ１〜Ｓ３と、下側のサイリスタＳ４〜Ｓ６の接続点に、電源変換器３２から出力される３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が絶縁トランス３３を介して供給される。

３組のサイリスタ回路ＳＡ〜ＳＣのうち、下側サイリスタＳ４〜Ｓ６のカソードは、平滑リアクトル９を介して車載バッテリ１０の正側端子に接続され、車載バッテリ１０の負側端子はグランドライン５に接続されている。それ故、サイリスタＳ１〜Ｓ６が作動すると、車載バッテリ１０への充電電流を調整できる。

充電制御手段に相当する充電制御装置２７は、サイリスタ変換器３１のサイリスタＳ１〜Ｓ６の各ゲートに点弧信号を供給するゲート駆動回路３４と、このゲート駆動回路３４に制御信号を逐次供給するコントローラ３５等を備えている。

コントローラ３５は、マイクロコンピュータと入出力インターフェイス等を有し、電圧補償装置２６によるバッテリ充電時、充電電流を制御するよう、制御位相角（点弧位相角）αを演算により求め、この制御位相角αのタイミングで各サイリスタＳ１〜Ｓ６が点弧する点弧指令信号を、ゲート駆動回路３４に逐一供給する。

電動車２が電化区間を力行運行或いは惰行運行している場合、コントローラ３５は、第１〜第４電圧検出器１２〜１５からの電圧検出信号と、第１〜第４電流検出器１６〜１９からの検出電流信号とを受けて、運行情報に基づく電化区間の運行中の充電可能時間を求め、この充電可能時間内に車載バッテリ１０を満充電できるよう、電圧補償装置２６を制御する。

コントローラ３５には、万年カレンダを記憶させた時計を備え、前述した運行情報を記憶した運行情報記憶部３５ａ（図１−４参照）をも備えている。運行情報記憶部３５ａには、運行ダイヤのように、各運行線区毎の各停留所出発時刻、停留所間キロ程、停留所間所要時間、停留所停車時間、電化区間キロ程、非電化区間キロ程等の運行情報が予め記憶されている。電動車２は、こうした運行ダイヤに基づいて指定された線区を運行する。

コントローラ３５が有する充電電流演算部３５ｃ（図１−４参照）は、始発駅から終着駅に向けて運行している運行途中の移動位置を時々刻々に求め、この移動位置と電化区間キロ程とに基づいて、電化区間における充電可能時間を求め、この充電可能時間と車載バッテリ１０の充電量とに基づいて、車載バッテリ１０を満充電するための充電電流を演算により求める。それ故、車載バッテリ１０は電化区間を運行中に、確実に満充電されるようになっている。

車載バッテリ１０の充電量は、バッテリ容量演算部３５ｂ（図１−４参照）により、第４電流検出器１９の充電電流検出信号に基づく充電電流を積分することにより積算充電量が演算され、更に、バッテリ温度と充電電圧等の諸元情報をパラメータとして求められる。

電動車２が電化区間を運行中ブレーキ動作が生じた時、コントローラ３５は、第１〜第４電圧検出器１２〜１５からの電圧検出信号と、第１〜第４電流検出器１６〜１９からの検出電流信号とを受け、誘導電動機８の発電機動作による発生電力でコンデンサ１１の電圧が突き上げられて、ＤＣＬＩＮＫ４電圧が架線電圧Ｅａより上昇しないよう、即ち、架線１に逆流する電流が零になるように、各サイリスタＳ１〜Ｓ６の制御位相角αを演算して、点弧指令信号をゲート駆動回路３４に供給する。ゲート駆動回路３４はコントローラ３５から受けた点弧指令信号に基づいて、対応するサイリスタＳ１〜Ｓ６のゲートに点弧信号を夫々供給する。

次に、構成されたバッテリ充電装置２５の充電動作について説明するが、ここでは３相交流を電源とした場合の電圧補償装置２６による補償電圧Ｅｃについて、順変換動作（図３〜図６）と、順逆平衡動作（図７〜図８）と、逆変換動作（図９〜図１２）の順に順次説明する。

先ず順変換動作について説明する。
制御位相角αが小さい順変換動作（１）について図３，図４に示し、制御位相角αが順変換動作（１）よりも大きくなった順変換動作（２）について図５，図６に示す。
ここで、正弦波の振幅を「１」として表示し、電圧補償制御の基準点が正弦波とＸ軸（縦軸）との交点であるＹ軸（横軸）に位相角で示してある。

順変換動作（１）について説明する。図３において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の制御前の正弦波を細線で示す。
図４−１のように、基準点から制御位相角αだけ経過した時点で、Ｕ相（Ｕ素子Ｓ４）が点弧され、その前まで、Ｖ相（Ｙ素子Ｓ２）からＷ相（Ｗ素子Ｓ６）に流れていた電流は、この時点でＶ相（Ｙ素子Ｓ２）からＵ相（Ｕ素子Ｓ４）に転流する。

次に、図４−２に示すように、Ｗ相（Ｚ素子Ｓ３）が点弧され、Ｖ相（Ｙ素子Ｓ２）からＵ相（Ｕ素子Ｓ４）に流れていた電流はＷ相（Ｚ素子Ｓ３）からＵ相（Ｕ素子Ｓ４）へと転流する。
更に、図４−３に示すように、Ｖ相（Ｖ素子Ｓ５）が点弧され、電流はＷ相（Ｚ素子Ｓ３）からＵ相（Ｕ素子Ｓ４）に流れていた電流はＷ相（Ｚ素子Ｓ３）からＶ相（Ｖ素子Ｓ５）へと転流する。

正弦波の太線包絡線間の電圧がサイリスタ変換器３１の出力電圧となる。即ち、最上段に示す電圧補償装置２６の出力電圧（ハッチングにて図示）である。
図４−１〜図４−３に示す絶縁変圧器３３の電圧の向きは、図３の正弦波形において、正弦波形がＸ軸より上側にあるときが補償電圧＋Ｅｃで、絶縁変圧器３３の巻線の中性点から外側に向かって正の電圧が発生する。
正弦波形がＸ軸より下側にあるときが補償電圧−Ｅｃで、絶縁変圧器３３の巻線の外側から中性点に向かって正の電圧が発生するとしている。

図３に「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」で示した時点を、図４−１の（Ａ）、図４−２の（Ｂ）、図４−３の（Ｃ）に示す。
Ａ時点は、図４−１に示すように、Ｕ相電圧が「＋」、Ｖ相とＷ相の電圧が「−」であるので、Ｕ相巻線の電圧方向は外向きで且つＶ相とＷ相巻線は内向きである。電流が流れるのはＵ相とＶ相で、Ｕ相電圧とＶ相電圧が加算され、電流の流れる方向と変圧器巻線に発生する電圧方向とが同じなので、絶縁変圧器３３の巻線電圧は架線電圧Ｅａに加算される。

Ｂ時点は、図４−２に示すように、Ｖ相→Ｕ相に流れていた電流がＷ相→Ｕ相に転流した後の状態であり、Ｕ相，Ｖ相電圧が「＋」、Ｕ相、Ｖ相巻線の電圧方向は外向き、Ｗ相巻線は内向きである。
電流の流れるのはＵ相とＷ相で、Ｕ相電圧とＷ相電圧は加算され、電流の流れる方向と変圧器巻線に発生する電圧方向が同じなので、絶縁変圧器３３の巻線電圧は架線電圧Ｅａに加算される。

Ｃ時点は、Ｕ相がＷ相に入れ替わるだけである。
何れの時点「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」においても、電圧補償装置２６の出力電圧は「＋」で、架線電圧Ｅａに加算される方向である。
図５，図６−１〜図６−３に示す順変換動作（２）は、順変換領域で制御位相角αを、順変換動作（１）よりも進めた波形であり、各部の詳細は図３，図４−１〜図４−３に示す順変換動作（１）とほぼ変わらない。

次に、順逆平衡動作について、図７，図８−１〜図８−３に基づいて説明する。
図７は、制御位相角αを更に進めて、α＝２／３πの正弦波を示す。基準点から制御位相角αが経過した時点で、Ｕ素子Ｓ４が点弧され、今までＹ素子Ｓ２からＷ素子Ｓ６に流れていた電流が、Ｙ素子Ｓ２からＵ素子Ｓ４の電流に切換えられる。

図８−１はＡ時点において、転流直後のＵ相，Ｖ相の電圧は「＋」、Ｗ相の電圧は「−」である。
電流はＶ相からＵ相に向かって流れ、Ｕ相電圧は外向きで電流の流れる方向と同じなので、架線電圧Ｅａに加算され、Ｖ相電圧は同じく外向きで電流の流れに逆らう方向で、架線電圧Ｅａに対して減算となる。

転流直後においては、「Ｕ相電圧＞Ｖ相電圧」であり、差し引き「＋電圧」なので、電圧補償装置２６の出力電圧は「＋」で、架線電圧Ｅａに対して加算される。
時間が経過して、Ｕ相電圧とＶ相電圧の交点を境に、Ｂ時点において、「Ｕ相電圧＜Ｖ相電圧」となり、電圧補償装置２６の出力電圧と「−」で、架線電圧Ｅａに対して減算となる。

Ｕ相，Ｖ相の電圧波形は、両者の交点を通るＸ軸に対して互いに対称であるので、次に電流がＹ素子Ｓ２からＺ素子Ｓ３に切換えられる時点（先のＵ相への転流点から１／３π経過）までの、架線電圧Ｅａに対して加算される或いは減算される電圧波形はＸ軸との交点に対して点対称である。
従って、加算、減算される電圧の平均値は等しく、電圧補償装置２６は平均値的には、加算も減算も行なわれない。

次に、制御位相角αが更に大きくなった逆変換動作について説明する。
制御位相角αが小さい逆変換動作（１）について図９，図１０−１〜図１０−３に示し、制御位相角αが逆変換動作（１）よりも大きくなった逆変換動作（２）について図１１，図１２−１〜図１２−３に示す。

逆変換動作（１）について説明する。
図９，図１０−１〜図１０−３に示すように、基準点から制御位相角α＝５／６πが経過して時点で、Ｕ素子Ｓ４に点弧信号が与えられると、それまでＹ素子Ｓ２→Ｗ素子Ｓ６に流れていた電流は、Ｗ素子Ｓ６のアノード−カソード間に逆電圧が加わり阻止されて、Ｙ素子Ｓ２→Ｕ素子Ｓ４に転流する。

転流直後のＡ時点において、Ｕ相，Ｖ相共に、絶縁変圧器３３に発生する電圧は中心点から外向きでＶ相の方が僅かに高い。
Ｕ相巻線に発生する電圧の方向と流れる電流の方向が一致するので、Ｕ相電圧は架線電圧Ｅａに対して加算される。
他方、Ｖ相巻線に発生する電圧の方向と流れる電流の方向は逆なので、Ｖ相電圧は架線電圧Ｅａに対して減算となる。

電圧補償装置２６としての出力電圧は、Ｖ相電圧の方がＵ相電圧よりも僅かに高いので、架線電圧Ｅａに対して減算となる。
更に、制御位相角αが大きくなると、Ｖ相電圧とＵ相電圧の差が大きくなり、電圧補償装置２６による減算値は時間と共に増加する。制御位相角α＝７／６πに至ると、Ｕ素子Ｓ４に点弧信号が与えられ、Ｙ素子Ｓ２→Ｗ素子Ｓ６に流れていた電流は、Ｗ素子Ｓ６のアノード−とカソード間に逆電圧が加わるので阻止され、Ｙ素子Ｓ２→Ｕ素子Ｓ４に転流する。

転流後、Ｂ時点において、Ｕ相，Ｗ相に関して、絶縁変圧器３３に発生する電圧は夫々中心点に向かう内向きで、絶対値はＵ相の方が大きい。
Ｕ相巻線に発生する電圧の方向と流れる電流の方向は逆なので、Ｕ相電圧は架線電圧Ｅａに対して減算される。
一方、Ｗ相巻線に発生する電圧の方向と流れる電流の方向が一致するので、Ｗ相電圧は架線電圧Ｅａに対して加算される。

電圧補償装置２６としての出力電圧は、Ｕ相電圧の方がＷ相電圧よりも絶対値において大きいので、架線電圧Ｅａに対して減算となる。
更に、制御位相角αが大きくなるＣ時点において、Ｕ相電圧とＷ相電圧の差は大きくなるので、電圧補償装置２６による減算値は時間と共に増加する（Ｃ時点参照）。
図１１，図１２−１〜図１２−３に示す逆変換動作（２）は、逆変換領域で制御位相角αを、逆変換動作（１）よりも進めた、α＞πの動作波形であり、各部の詳細は図９，図１０−１〜図１０−３に示す逆変換動作（１）とほぼ変わらない。

前述したように、ブレーキ時に発生するエネルギは全て車載バッテリ１０に回生充電されるようになっている。
この回生充電に際して、コントローラ３５は第４電流検出器１９からの充電（回生）電流の電流値を取込んで積分し、この充電電流の積分値を記憶しておく。バッテリ放電時にも同様に、第４電流検出器１９からの放電電流の検出値を取込んで積分し、放電電流の積分値を記憶する。

これら放電電流の積分値と充電電流の積分値とを常時監視し、更に車載バッテリ１０の温度、端子電圧等のファクターも考慮し、バッテリ容量の残存値が許容値を下回った時点で放電を中止する。
ここで、第３電圧検出器１４は、上述したバッテリ容量の算出に当たっての一つのファクターとして使用される。

バッテリ電圧Ｅｂが架線電圧Ｅａよりも低い充電期間Ｋ１（図２−２参照）においては、各サイリスタ回路ＳＡ〜ＳＣのサイリスタＳ１〜Ｓ６が、７/６π＞α＞２/３πの範囲の制御位相角αで夫々点弧される。この場合、図１１に示すように、サイリスタ変換器３１の逆変換作用により、架線電圧Ｅａから補償電圧−Ｅｃだけ差し引いた充電電圧Ｅｊが車載バッテリ１０に印加される。但し、充電が進むにつれて充電電圧Ｅｊが上昇するのに伴って、図９に示すように、制御位相角αは徐々に小さくされ、補償電圧−Ｅｃの絶対値が小さくなるように制御される。

電動車２のブレーキ時に誘導電動機８に発生するパワーは、ブレーキ開始時点で最大になり、ブレーキ作動による運行速度の低下に伴って徐々に減少する。電圧補償装置２６には、ブレーキ作動時にＤＣＬＩＮＫ４に流入する全パワーを過不足なく車載バッテリ１０に充電する充電能力が要求される。充電開始時点において、バッテリ電圧Ｅｂが最低であるとすると、電圧補償装置２６を構成するサイリスタ変換器３１の出力電圧の平均電圧が降圧側（図２−２、Ｋ１領域）に調整されるので、車載バッテリ１０は低い充電電圧Ｅｊで充電される（図１１参照）。

コントローラ３５は、第２電圧検出器１３、第４電圧検出器１５、第２電流検出器１７から出力される検出信号に基づいて、架線電圧ＥａとＤＣＬＩＮＫ電圧との差電圧が零になるように、つまり、誘導電動機８のブレーキ時の電流の１００％が車載バッテリ１０に回生充電され、架線１側に流出しないような条件を演算し、電流の全て（１００％）が車載バッテリ１０に回生充電されるように、制御位相角αを微調節する。

車載バッテリ１０への回生電流は、充電開始時点で最大であり、運行速度が減速し誘導電動機８の発生電圧が低下するのに応じて減少する。一方、車載バッテリ１０は充電が進行するに従って徐々に充電電圧Ｅｊが上昇する。このまま放置すれば、ＤＣＬＩＮＫ電圧が上昇して、架線１側に電流が流出する可能性があるので、電流を１００％車載バッテリ１０に回生充電できるように、充電電圧Ｅｊの上昇に（回生電流の減少に）追随して制御位相角αを小さくし且つ補償電圧（−Ｅｃ）の絶対値を小さくするように微調整しながら、架線電圧ＥａとＤＣＬＩＮＫ電圧の差電圧が零となるように、即ち、第１電流検出器１６の検出電流値が「零」となるように調整される。

このように、電圧補償装置２６のサイリスタ変換器３１により減算補償電圧−Ｅｃが発生する場合には、この減算補償電圧−Ｅｃに、電流を掛け算して求められる電圧補償装置２６が分担するパワーは、サイリスタ変換器３１から電源変換器３２の交流側に移行される。しかも、このように、電源変換器３２の交流側に移行された電力は、電源変換器３２を経由して、結果的には、サイリスタ変換器３１により車載バッテリ１０に充電される。

充電電圧Ｅｊが大きくなって架線電圧Ｅａに接近する場合、つまり電圧補償装置２６の出力電圧平均値である補償電圧Ｅｃがおおよそ零付近の場合には、コントローラ３５は制御位相角αをおおよそ２π／３にする（図２−２参照）。電圧補償装置２６のサイリスタ変換器３１は、図７にハッチングで示すように、逆変換作用をするのでもなく、次に説明する順変換作用をするのでなく、所謂中間動作（順逆平衡動作）として作用するので、おおよそ架線電圧Ｅａに等しい充電電圧Ｅｊが車載バッテリ１０に印加される（図７参照）。

充電が進行して、充電電圧Ｅｊが架線電圧Ｅａより大となると、電圧補償装置２６は順変換領域の範囲になり、架線電圧Ｅａに補償電圧Ｅｃが加算される。即ち、コントローラ３５は、制御位相角αが、π／６＜α＜２π／３の範囲内において、サイリスタＳ１〜Ｓ６の制御位相角αを制御する（図２−２、Ｋ２領域）。

それ故、充電が進むにつれて充電電圧Ｅｊが上昇するのに伴って、制御位相角αが徐々に小さくなるように制御される。この場合、図３，図５に示すように、電圧補償装置２６のサイリスタ変換器３１の順変換作用により、架線電圧Ｅａに対して、補償電圧（加算電圧）＋Ｅｃだけ加算した充電電圧Ｅｊが車載バッテリ１０に印加される（図５参照）。

充電期間Ｋ２の場合には、電源変換器３２から出力される３相正弦波交流を電源として、電圧補償装置２６の平均電圧は「＋」であり、加算側に調整されるので、車載バッテリ１０は架線電圧Ｅａよりも高い充電電圧Ｅｊで充電される。

電動車２が惰行状態のときに、運転士が操作するマスターコントローラによりブレーキ指令が発せられると、ＶＶＶＦインバータ７はブレーキ動作を開始する。誘導電動機８は、その回転周波数に対してブレーキ力指令に応じたブレーキ力を発生する電動機回転周波数より低い周波数（両者の周波数の差が滑り周波数であり、ブレーキの場合はマイナスの値となる）で励磁される。即ち、誘導電動機８は発電機として作用し、ブレーキ力を発生する。それ故、ＶＶＶＦインバータ７はコンバータとして作用し、直流側であるＤＣＬＩＮＫ４に順変換された直流パワーが戻り、車載バッテリ１０に回生充電される。

ＤＣＬＩＮＫ４に供給された直流パワーは、電圧補償装置２６による充電作用によって、架線１に逆流することなく、車載バッテリ１０に確実に回生充電される。つまり、ブレーキ作用による発生電力の全てが電圧補償装置２６のサイリスタ変換器３１により効率良く車載バッテリ１０に回生充電される。

誘導電動機８の発生パワーの全てを、架線１に逆流させないようにして車載バッテリ１０に充電させるためには、第２，第４電圧検出器１３，１５からの検出電圧を比較して、両電圧がほぼ等しくなるように制御する。この場合、コントローラ３５は、サイリスタＳ６〜Ｓ６の制御位相角αを制御し、電圧補償装置２６の出力電圧を変えて、第１電流検出器１６の電流値が零になるように制御する。

電動車２が非電化区間を運行する場合、図１−２に示すように、パンタグラフ３が下降されるので、電動車２が運行するための電力は、最早、架線１から供給されることはない。運転士が操作するマスターコントローラにより力行指令が発せられると、コントローラ３５は放電用スイッチ２８を点弧するようにゲート駆動回路３４に駆動信号を出力するので、放電用スイッチ２８はゲート駆動回路３４からの点弧信号により導通状態になる。

それ故、車載バッテリ１０の電力は放電用スイッチ２８を経てＶＶＶＦインバータ７に直接に供給される。このとき、ＶＶＶＦインバータ７は、車載バッテリ１０から電力を受け、マスターコントローラからの速度指令信号に応じてインバータ制御するので、誘導電動機８は、ＶＶＶＦインバータ７から供給される３相交流の電圧と周波数とに応じて回転駆動される。

電動車２が非電化区間を惰行運行中に、運転士が操作するマスターコントローラによりブレーキ指令が発せられると、コントローラ３５は充電用スイッチ２９を点弧するようにゲート駆動回路３４に駆動信号を出力するので、充電用スイッチ２９はゲート駆動回路３４からの点弧信号により導通状態になる。

この場合、前述したように、ＶＶＶＦインバータ７はブレーキ動作を開始し、誘導電動機８は発電機として作用するので、ＶＶＶＦインバータ７はコンバータとして作用し、変換された直流パワーは、ＤＣＬＩＮＫ４、充電用スイッチ２９を経て車載バッテリ１０に直接に回生充電される。

次に、コントローラ３５により実行される車載バッテリ１０への充電動作について、図１−４の機能ブロック図に基づいて説明する。バッテリ充電装置２５による車載バッテリ１０への充電は、基本的には定電流充電で行なう。そのため、電流基準値ＩＫと電圧補償装置２６からの出力電流値を比較し、この出力電流が一定になるような制御を行なう。尚、電流基準値とは、定電流方式によるバッテリ充電での基本的な充電電流であり、本願では、ＩＫで表記している。

電圧補償装置２６からの出力電流は、第３電流検出器１８で検出され、この出力電流が所定の電流基準値ＩＫと比較される。「電圧補償装置２６の出力電流＞電流基準値ＩＫ」の場合には、電圧補償装置２６の出力電圧を下げる方向の制御、即ち、「−信号」が次段の第３関数器３５ｇに入力され、増幅器ＩＴ３（比例積分調節器として機能）で増幅され、電圧補償制御部２６ａにより、サイリスタ変換器３１のための制御位相角（導通角）αを進める位相角制御が、「電圧補償装置２６の出力電流＝電流基準値ＩＫ」になるまで行なわれる。

第３関数器３５ｇの入力値は「零」となるが、次段の増幅器ＩＴ３は積分器であるので、ゲインは「∞」で入力値が「零」になっても、制御位相角αを進める制御状態は維持される。バッテリ充電電流は、架線電圧Ｅａと、車載バッテリ１０及びその他の環境条件を加味して変更することが必要な場合がある。

ここで、電化区間と非電化区間を直通で運転すると言うことは、非電化区間の線区長にも依るが、変電所から見れば、駆動パワーを供給する電動車２が増えたことになり、架線電圧Ｅａの電圧低下が大きくなる傾向を示す。

従って、架線電圧Ｅａが大幅に低下した場合、充電動作を継続することは変電所に大きな負担を強いることになり、更なる架線電圧Ｅａの電圧低下を助長させることになる。このような場合には、充電電流を架線電圧Ｅａの低下に応じて減少させる。或いは架線電圧Ｅａが所定の最低電圧値以下になった場合には、充電動作を停止させるような制御を行なう。

図１−１に示すように、電圧低下検出器１３Ａから出力される電圧低下検出信号が「１」のときには、第２電圧検出器１３で検出されたＤＣＬＩＮＫ電圧は所定の電圧を維持している。しかし、電圧低下検出器１３Ａからの電圧低下検出信号が「０」のときには、ＤＣＬＩＮＫ電圧は所定の電圧以下であって、電圧低下状態である。電圧低下検出器１３Ａは、関数発生器であり、ＤＣＬＩＮＫ電圧の大きさに応じて、「１」又は「０」の電圧検出信号を出力する。

図１−４に示す充電動作制御においては、電圧低下検出器１３Ａから出力される電圧検出信号が「０」であって、架線電圧Ｅａが最低電圧値以下になった場合は、電流基準値ＩＫに検出信号の「０」を係数に置換え乗算して電流指令値を「０」として、充電動作を停止させるようにしている。尚、電流指令値とは、バッテリ充電電流を増減制御する場合の制御目標値であり、本願では、電流基準値ＩＫに係数を乗算して算出している。電流基準値ＩＫと電流指令値が等しい場合もありうる。

車載バッテリ１０に対する充放電電流は第４電流検出器１９で検出されるので、コントローラ３５の演算部３５ｂは、この検出された充放電電流を積分して電流時間積を演算し、そのときの車載バッテリ１０の温度、充電電圧等を加味して、車載バッテリ１０のバッテリ容量を常に演算で求めるようにしている。

一方、電動車２の電化区間における運行状態は運行情報記憶部（記憶手段に相当する）３５ａにより前以って決められているので、充電可能時間演算部３５ｈにより、充電可能な残り時間は、電化区間における電動車２の運行位置に基づいて、時々刻々演算されている。また、車載バッテリ１０のバッテリ容量は前述したように演算部３５ｂにより常時演算されている。

そこで、コントローラ３５の充電電流演算部（演算手段に相当する）３５ｃにより、バッテリ容量と充電可能残時間から、現在の充電電流で非電化区間に入る時点で、バッテリ容量を完全に回復できるかどうかについて、常に演算処理されている。もし、バッテリ容量の不足状態が予測される場合には、充電電流変更指令を出力して、充電電流を増加させる制御を行なう。

例えば、バッテリ容量を完全に回復させるために、充電電流を３０％増やす必要がある場合には、電流基準値ＩＫに係数「1.3」を乗算し、電流指令値を電流基準値ＩＫの1.3倍とする。逆に、バッテリ容量の過剰状態が予測される場合には、充電動作を停止させるか、或いは充電電流を減らすように係数（例えば、0.85）を電流基準値ＩＫに乗算する。

次に、電化区間におけるブレーキについて説明する。
図１−１の電圧補償装置２６は、前述したように、基本的には定電流動作を行なっているが、電動車２がブレーキ運転を行なう場合、車載バッテリ１０に充電する充電電流値を変えなければ、ブレーキパワーの全てを車載バッテリ１０に回生充電させることはできない場合がある。

ブレーキ制御が開始されると、コンデンサ１１のフィルターキャパシタ電圧が突き上げられ、第２電圧検出器１３のＤＣＬＩＮＫ電圧が上昇するので、このＤＣＬＩＮＫ電圧を電圧基準値ＶＫと比較し、「ＤＣＬＩＮＫ電圧＞電圧基準値ＶＫ」の場合には、差電圧が「＋」になる。

その結果、この「＋」信号が第２関数器３５ｆを経て次の比例積分増幅器ＩＴ２で増幅され、その出力が電流基準値ＩＫに乗算され電流指令値が増加されるので、電圧補償装置２６の制御位相角αを遅らせて電圧補償装置２６の出力電圧を上げる方向に制御されることになり、充電電流が増加し、第２電圧検出器１３のＤＣＬＩＮＫ電圧と電圧基準値ＶＫとの差が「０」になるまで継続して、充電電流変更制御が行なわれる。

しかし、ブレーキによる電動車２の運行速度が低下するのに応じて発生パワーが減少し、第２電圧検出器１３からのＤＣＬＩＮＫ電圧が時間の経過に伴って順次低下する。そして、「ＤＣＬＩＮＫ電圧＜電圧基準値ＶＫ」の状態になると、差電圧が「−」に変わる。この場合には、第２関数器３５ｆと比例積分増幅器ＩＴ２が協働して電圧補償装置２５の制御位相角αを進めて電圧補償装置２６の電圧を下げる方向に制御されることになる。

即ち、常に差電圧が「０」になるように、ブレーキパワーの減少に応じて位相角変更制御が行なわれ、電流指令値もブレーキパワーの減少に応じて下げるように制御される。このようにして、ブレーキ電流の架線１への流出防止の制御が行なわれるが、ブレーキの末期であって、ブレーキ電流が充電電流の基準値ＩＫ以下になった場合、充電電流の不足分は架線１から供給される。

つまり、架線１への流出電流（架線流出電流であって、架線１への流出方向を「正」とする）を第１電流検出器１６で検出し、この架線流出電流を架線電流零基準値ＫＩＺと比較する。この架線流出電流が存在する場合には、次の第１関数器３５ｅの入力信号が「−」であるので、第１関数器３５ｅの出力信号は「＋」となる。更に、次段の比例積分増幅器ＩＴ１で増幅する。その出力を電圧基準値ＶＫとＤＣＬＩＮＫ電圧の比較点（図１−４のＣＰ）に加える。

その結果は、電流指令値を増加させ、電圧補償装置２６の制御位相角αを遅らせ、電圧補償装置２６の出力電圧を上げ、「架線電流＝架線電流零基準値ＫＩＺ」になるように制御する。ここで、第１関数器３５ｅは積分器であるので、ゲイン「∞」で且つ入力信号が「零」であっても、制御位相角αを遅らせる制御状態は維持される。逆に、「架線電流＞架線電流零基準値ＫＩＺ」の場合には、架線１から流入する電流は制約を受けない。例えば、「ブレーキ電流＜充電電流の基準値ＩＫ」の場合には、不足する電流が架線１から流入する。

ただし、非電化区間では、電圧補償装置２６は使用されない。非電化区間に進入するに際して、電磁接触器２１が開成（ＯＦＦ状態）され、パンタグラフ３が下げられる。そこで、非電化区間の運行に際して、第１電圧検出器１２からのパンタ電圧が無いとする「Ｈレベル信号」と、パンタグラフ３が下降していることを示すインターロック「Ｈレベル信号」がＡＮＤ素子４０に入力される。

そこで、非電化区間における切換え制御部３５ｄは、ＡＮＤ素子４０から出力される「Ｈレベル信号」を受けた状態で、マスターコントローラから「力行指令」ＣＲを受けた場合には、放電用スイッチ２８に点弧信号を供給してＯＮ状態に切換える。このとき、電圧補償装置２６の動作は停止されているので、車載バッテリ１０に蓄積されている電力は、電圧補償装置２６による放電ロスを回避した状態で、ＶＶＶＦインバータ７に直接に供給され、車載バッテリ１０の電力による力行動作が可能になる。

非電化区間における切換え制御部３５ｄは、非電化区間であって、マスターコントローラから「ブレーキ指令」ＣＢを受けた場合には、充電用スイッチ２９に点弧信号を供給してＯＮ状態に切換える。このとき、電圧補償装置２６の動作は停止されているので、ＶＶＶＦインバータ７からの変換パワーは、電圧補償装置２６による充電ロスを回避した状態で、変換電力の全てが充電用スイッチ２９を介して車載バッテリ１０に効率良く直接回生充電される。

このように、電動車２が非電化区間を運行するに際して、電圧補償装置２６を使用せず、車載バッテリ１０が放電用スイッチ又は充電用スイッチ２９を介してＶＶＶＦインバータ７に直接に接続される。即ち、ＶＶＶＦインバータ７側から見ると、車載バッテリ１０は単なる電源と見なされ、電化区間を運行する際の架線１と同様に、電力供給手段として作用する。

一般に、鉄道車両用のＶＶＶＦインバータ７と誘導電動機８で構成される駆動システムは、電化区間を運行中に架線電圧Ｅａが大幅に変動した場合でも、安定運行が可能なように設計されている。そこで、非電化区間の運行時に、車載バッテリ１０から出力される駆動電圧に大きな変動が生じた場合でも、電化区間を運行するのと同様に、駆動システムを何ら支障なく駆動制御することができる。

この実施例で説明した電動車２は、一般に「バッテリ駆動電車」と呼ばれ、高電圧（例えば、６００Ｖ〜８００Ｖ）且つ大容量（例えば、１５０〜２００ＡＨ）の車載バッテリ１０を搭載する必要がある。この種の車載バッテリ１０は、外形寸法においても、重量においても大型になる。そのため、車載バッテリ１０を１台の車両に纏めて搭載することは、スペース的にも重量的にも困難であり、幾つかの車両２ａ，２ｂに分散して搭載する必要がある。

更に、車載バッテリ１０は高電圧且つ大容量であることから、何らかの原因により短絡回路が構成された場合に、車載バッテリ１０から流出する事故電流も大電流となり、この事故電流を確実に遮断するために、図２−１に示すように、８つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈの接続部の各々に、第１，第２遮断器３５，３６の８つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄが夫々対応させて介設されている。

第１，第２遮断器３５，３６の何れかにより事故電流を感知すると、第１，第２遮断器３５，３６が遮断動作して、対応する遮断用接点３５ａ〜３５ｄ又は３６ａ〜３６ｄが一斉に開成される。更に、開成された方の第１，第２遮断器３５，３６の連動補助接点により、開成せずに残った他方の第１，第２遮断器３５，３６の外部トリップ機構に作動信号を入れ、他方の第１，第２遮断器３５，３６を強制的に開成させる。

その結果、これら８つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄが開成され、車載バッテリ１０は、開成された８つの遮断用接点３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄにより８つのバッテリユニット１０Ａ〜１０Ｈに分割されるので、乗客や乗員の感電防止、つまり車載バッテリ１０に対する安全対策を確実なものにすることができる。

このように、電力を蓄電可能な車載バッテリ１０と運行駆動用誘導電動機８とを備え、電化区間と非電化区間とに亙って連続して運行可能な電動車２における車載バッテリ１０に対するバッテリ充電装置２５により、電動車２が電化区間を運行中に、運行情報から求めた充電可能時間に基づいて演算した充電電流となるように電圧補償装置２６が制御され、電動車２が電化区間の運行中に車載バッテリ１０を満充電させることができる。

非電化区間においては、誘導電動機８は架線１から電力供給を受ける代わりに、満充電された車載バッテリ１０から電力を受けることができ、電動車２は電化区間に続く非電化区間を何ら支障なく確実に完走することができる。

充電制御装置２７は、電動車２のブレーキ時に、ＤＣＬＩＮＫ４から架線１に逆流させることなく、誘導電動機８で発生した電力の全てを車載バッテリ１０に回生充電するように電圧補償装置２６を制御するので、架線１に回生しても回生失効等で無駄になるような電力を、無駄なく且つ効率良く車載バッテリ１０に回生充電させることができる。

非電化区間において充電制御装置２７は、車載バッテリ１０の充電電力を誘導電動機８に直接供給するための放電用スイッチ２８を設け、電圧補償装置２６の作動を停止し、放電用スイッチ２８を閉成するので、電圧補償装置２６の余分な制御を中止することができ、車載バッテリ１０に蓄電されている電力を放電用スイッチ２８を介して誘導電動機８に直接に供給して、電動車２を運行させることができる。

即ち、車載バッテリ１０から誘導電動機８に至る放電回路に、電圧補償装置２６が介在せず、放電動作を妨げるような抵抗体が一切存在しないので、電圧補償装置２６による放電ロスを確実に回避でき、車載バッテリ１０に蓄積した電力の全てを電動機に効率良く供給することが可能になる。

充電制御装置２７は、電動車２のＶＶＶＦインバータ７と誘導電動機８から構成され、電化区間を運行中に架線電圧Ｅａが大幅に変動した場合でも、安定運行が可能で、車載バッテリ１０から出力される駆動電圧に大きな変動が生じた場合でも、駆動システムを制御することができる。

誘導電動機８からの発生電力を車載バッテリ１０に直接供給するための充電用スイッチ２９を設け、電圧補償装置２６の作動を停止し、充電用スイッチ２９を閉成するので、発生電力の車載バッテリ１０への充電回路に、電圧補償装置２６が介在せず、充電を妨げるような抵抗体が一切存在しないので、電圧補償速２６による充電ロスを回避でき、発生電力を全て充電用スイッチ２９を介して車載バッテリ１０に効率良く直接回生充電が可能になる。

更に、ＤＣＬＩＮＫ４の電圧が所定電圧以下になったことを検出する電圧低下検出器１３Ａで電圧低下が検出されると、充電制御装置２７は電圧補償装置２６による充電動作を停止させるので、架線１に電力を供給する変電所の電力供給負担を軽減させ、更なる架線電圧Ｅａの低下を防止することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更形態について説明する。
１）図１−３に示すように、パンタグラフ３とＤＣＬＩＮＫ４との間に逆流防止ダイオード（逆流防止スイッチ手段に相当する）３７を挿入させる構成を説明する。

電動車２Ａが電化区間の運行に際して、力行時及びブレーキ時の何れの場合でも、ＶＶＶＦインバータ７によりパワー制御が行なわれる。駆動電源が架線１から供給される場合でも、車載バッテリ１０から供給される場合でも、ＶＶＶＦインバータ７から見れば同様である。従って、電圧補償装置２６が無くても、ＶＶＶＦインバータ７が車載バッテリ１０に直接接続されていれば、ＶＶＶＦインバータ７は電化区間の運行時と同様に、力行動作及びブレーキ動作する。

電化区間を運行する際のブレーキ時は、電圧補償装置２６を使用しない方が、車載バッテリ１０への充電ロスを回避する意味で望ましい。即ち、電圧補償装置２６は定電流充電のみを扱うようにし、逆流防止ダイオード３７をパンタグラフ３とＤＣＬＩＮＫ４との間に介設するだけで、ブレーキ時に発生するブレーキ電流の架線１への逆流防止のために、何ら特別な制御を行なう必要がなくなる。それ故、ブレーキ電流を扱わない電圧補償装置２６の小型化、低コスト化を図ることができ、コントローラ３５による充電制御を省略することができる。

更に、電圧補償装置２６と並列に充電用スイッチ２９を接続し、ブレーキ電流が電圧補償装置２６をバイパスして直接に車載バッテリ１０へ回生充電されるようにして、回生パワーの制御はＶＶＶＦインバータ７によって行なう。このように、ブレーキ電流の車載バッテリ１０への回生充電に際して電圧補償装置２６を使用しないので、車載バッテリ１０への回生充電電流の流入を妨げるものは無く、発生パワーは直接にＶＶＶＦインバータ７から車載バッテリ１０に回生可能である。

車載バッテリ１０へ回生充電電流が電圧補償装置２６の設定電流以下になれば、電圧補償装置２６に自動的に切り替わり、充電用スイッチ２９には逆電圧が印加されるので、充電用スイッチにサイリスタ等の事故消弧能力の無いスイッチング素子を使用できる。これにより、電圧補償装置２６の小型化が可能になる。

２）実施例において、電圧補償装置２６の複数のサイリスタＳ１〜Ｓ６を用いた他励式のサイリスタ変換器３１と、サイリスタからなる放電用スイッチ２８及び充電用スイッチ２９を採用したが、ＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）を使用してもよく、また高周波動作が可能なＩＧＢＴ（インシュレーテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ）や、更には、パワーＭＯＳＦＥＴ（メタル・オキサイド・セミコンダクタ型ＦＥＴ）を使用するようにしてもよい。

３）前述した実施例において、駆動用電動機は、３相の誘導電動機８に限られものではなく、例としては永久磁石同期電動機であってもよい。

４）実施例において、サイリスタ変換器３１の電源として、専用の３相交流を発生する電源変換器３２を用いたが、電動車２，２Ａに装備している補助電源を適用し、商用周波数の交流を適用してもよい。

５）さらには逆流防止ダイオード３７に代えて、サイリスタ等の半導体スイッチで構成してもよく、サイリスタを採用する場合は、電化区間において発生する回生電圧でゲートに点弧信号を供給してもよい。

６）本発明は以上説明した実施例に限定されるものではないが、当業者であれば、本発明の趣旨の範囲内で、本願実施例に種々の構成を付加して実施することができる。

本発明の実施例に係るバッテリ充電装置の電化区間における回路図である。 非電化区間における図１−１相当図である。 変更形態に係る図１−１相当図である。 充電制御を説明する機能ブロック図である。 遮断器の遮断用接点を介在させた車載バッテリの構成図である。 バッテリ電圧と架線電圧と制御位相角の関係を示す図表である。 サイリスタ変換器の順変換動作（１）を説明する波形図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｖ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器の順変換動作（２）を説明する波形図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｖ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器の順逆変換を説明する波形図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器の逆変換動作（１）を説明する波形図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器の逆変換動作（２）を説明する波形図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＶ相−Ｕ相励磁の説明図である。 サイリスタ変換器におけるＷ相−Ｕ相励磁の説明図である。

１ 架線
２ 電動車
２Ａ 電動車
３ パンタグラフ
４ ＤＣＬＩＮＫ
８ 誘導電動機
１０ 車載バッテリ
１３Ａ 電圧低下検出器
２５ バッテリ充電装置
２６ 電圧補償装置
２７ 充電制御装置
２８ 放電用スイッチ
２９ 充電用スイッチ
３１ サイリスタ変換器
３２ 電源変換器
３４ ゲート駆動回路
３５ コントローラ
３５ｃ 充電電流演算部
３７ 逆流防止ダイオード
Ｓ１〜Ｓ６ サイリスタ

Claims (5)

1. 電力エネルギを蓄電可能な車載バッテリと、電化区間においては架線からパンタグラフを介して電力供給され、非電化区間においては前記車載バッテリから電力供給されて、車両を駆動する駆動用電動機とを備え、電化区間と非電化区間とに亙って連続して運行可能な鉄道車両における前記車載バッテリに対する充電装置であって、
   予め運行情報を記憶した記憶手段と前記電化区間を運行中に前記車載バッテリへの充電電流を前記運行情報から求めた充電可能時間に基づいて決定する演算手段とを有する充電制御手段と、
   前記架線に電気的に接続されるＤＣＬＩＮＫと前記車載バッテリとに接続され、直流から３相交流に変換する電源変換器と、この３相交流を直流に再変換する他励式変換器とを備え、前記演算手段で決定した充電電流で前記車載バッテリに充電するように前記充電制御手段で充電電流を調節可能な電圧補償手段と、
   前記車載バッテリの充電電力を前記電動機に供給する放電用スイッチ及び前記電動機からの発生電力を前記車載バッテリに回生充電する充電用スイッチとを備え、
   前記放電用スイッチと前記充電用スイッチとは並列配置され、且つ前記ＤＣＬＩＮＫと前記車載バッテリとに接続され、
   前記非電化区間において前記充電制御手段は、前記電圧補償手段の作動を停止し、前記放電用スイッチを閉成すると共に前記充電用スイッチを開成する一方、ブレーキ時には、前記充電用スイッチを閉成すると共に前記放電用スイッチを開成すること、を特徴とする鉄道車両におけるバッテリ充電装置。
2. 前記充電制御手段は、前記電化区間のブレーキ時には、前記ＤＣＬＩＮＫから前記架線に逆流させることなく、前記電動機で発生した電力を、前記車載バッテリに回生充電するよう、前記電圧補償手段を制御すること、を特徴とする請求項１に記載の鉄道車両におけるバッテリ充電装置。
3. 前記電化区間のブレーキ時には、前記ＤＣＬＩＮＫから前記架線へ電流が逆流するのを防止する逆流防止スイッチ手段を、前記パンタグラフと前記ＤＣＬＩＮＫとの間に設けたこと、を特徴とする請求項２に記載の鉄道車両におけるバッテリ充電装置。
4. 複数の遮断用接点を有する遮断器を設け、前記車載バッテリは複数のバッテリユニットを直列に接続して構成され、これら複数のバッテリユニットの接続部の各々に前記遮断器の遮断用接点を介設したこと、を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の鉄道車両におけるバッテリ充電装置。
5. 前記ＤＣＬＩＮＫの電圧が所定電圧以下になったことを検出する電圧低下検出器を設け、この電圧低下検出器で電圧低下を検出すると、前記充電制御手段が前記電圧補償手段による充電動作を停止させること、を特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の鉄道車両におけるバッテリ充電装置。