JP5931669B2 - 電気車用電源システム及び電力供給制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

直流電車にバッテリを搭載し、架線からの供給電力（直流電力）とバッテリの放電電力（直流電力）との一方、或いは、両方によって主電動機を駆動する架線・バッテリハイブリッド電車が知られている。このハイブリッド電車には、回生エネルギーによってバッテリを充電したり、非電化区間ではバッテリの放電電力によって走行可能になるといった特長がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２５３０８４号公報

開発されたハイブリッド電車としても、本出願人が開発した架線・バッテリハイブリッドＬＲＶ「Ｈｉ−ｔｒａｍ」の他、多くの電車が存在する。しかし、何れのハイブリッド電車についても直流電車であり、交流電車については開発が進んでいないのが実情である。また、機関車については、ハイブリッドのディーゼル機関車の開発が進んでいるが、電気機関車のハイブリッド化は進んでいない。勿論、交流電気車の他、交直流電気車についても同様である。

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、交流区間を走行可能な電気車の架線・ハイブリッド化を可能とすることである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリ（例えば、図１のバッテリ６０Ａ）の出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム（例えば、図１の電源システム１Ａ）であって、
主変圧器（例えば、図１の主変圧器２０）の２次巻線に接続された第１コンバータ部（例えば、図１の主回路側コンバータ３１Ａ）及び第１インバータ部（例えば、図１のインバータ３２Ａ）を有し、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３０Ａ）と、
前記主変換回路の直流リンク部に接続され、当該直流リンク部の電力を変換して補機に供給する第２インバータ部（例えば、図１の静止形インバータ４１Ａ）と、
前記直流リンク部に電力供給可能に構成された前記バッテリと、
制御装置（例えば、図１の制御部７０Ａ）と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第１コンバータ部を動作させ、当該第１コンバータ部の出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第１コンバータ部の動作を停止させ、前記バッテリの出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。

また、他の発明として、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記変換回路の直流リンク部に接続されて当該直流リンク部の電力を変換して補機に供給する第２インバータ部と、前記直流リンク部に電力供給可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記第１コンバータ部を動作させ、当該第１コンバータ部の出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記架線モードに切り替えるステップと、
前記第１コンバータ部の動作を停止させ、前記バッテリの出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記バッテリ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しても良い。

この第１の発明等によれば、主電動機に電力を供給する主変換回路と、主変換回路の直流リンク部に接続されて補機に電力を供給する第２インバータ部と、主変換回路の直流リンク部に電力を供給可能に接続されたバッテリとを備え、架線からの交流電力、或いは、架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替え可能な電気車用電源システムが実現される。

すなわち、架線モードでは、第１コンバータ部が位相同期整流動作し、架線からの電力やバッテリからの出力電力が主電動機及び補機に供給される。また、バッテリモードでは、第１コンバータ部が停止し、バッテリからの出力電力が主電動機及び補機に供給される。これにより、交流区間を走行可能な電気車における架線・バッテリハイブリッド化が実現される。

また、第２の発明として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記バッテリは、遮断器（例えば、図１の高速度遮断器ＢＨＢ）を介して前記直流リンク部に接続して構成されており、
前記架線モード切替手段は、前記遮断器の開閉状態に関わらず、前記第１コンバータ部に、前記バッテリの電圧相当の電圧を出力させるように動作させる、
電気車用電源システムを構成しても良い。

この第２の発明によれば、バッテリは遮断器を介して主変換回路の直流リンク部に接続されており、架線モードでは、遮断器の開閉状態にかかわらず、第１コンバータ部の出力がバッテリの電圧相当となるように動作する。これにより、架線モードにおいて、遮断器が閉状態の場合には、バッテリが直流リンク部に接続された状態となり、架線からの供給電力によるバッテリの充電や、バッテリからの出力電力の主電動機及び補機への供給が可能となる。

また、第３の発明として、第２の形態の電気車用電源システムであって、
前記制御装置は、電気車の停車時に、前記第１コンバータ部に、前記補機の動作電力に加えて、前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。

この第３の発明によれば、電気車の停車時に、第１コンバータ部によって、架線からの供給電力をもとにバッテリの充電を行うことができる。また、架線からの供給電力を用いることで、大容量の充電電力をバッテリに供給できるため、急速充電が可能となる。

また、第４の発明として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記バッテリと前記直流リンク部との間に直流電圧変換回路（例えば、図１の双方向チョッパ４２）を設けて備え、
前記制御装置は、前記直流電圧変換回路のバッテリ側電圧を前記バッテリの電圧にさせるように前記直流電圧変換回路を制御する制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。

この第４の発明によれば、第１コンバータ部の出力電圧をバッテリの電圧相当とする必要が無い。このため、第１インバータ部の入力電圧を、車両性能に応じた好ましい電圧に保つことが可能となる。

第１実施形態における電源システムの構成図。 双方向チョッパの回路図。 架線モードにおける電力供給動作の説明図。 バッテリモードにおける電力供給動作の説明図。 急速充電の際の電力供給動作の説明図。 架線モードでの起動の際の制御手順の説明図。 架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。 バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。 第２実施形態における電源システムの構成図。 架線モードにおける電力供給動作の説明図。 バッテリモードにおける電力供給動作の説明図。 急速充電の際の電力供給動作の説明図。 架線モードでの起動の際の制御手順の説明図。 架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。 バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明を適用した電車の回路構成について説明するが、ＬＲＶや機関車、高速鉄道にも本発明の適用は可能である。すなわち、本発明の適用可能な実施形態は以下に限定されるものではない。また、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実施形態は、以下説明する電圧に限られるものでないことは勿論である。

［第１実施形態］
＜構成＞
図１は、第１実施形態の電源システム１Ａの回路構成図である。図１によれば、電源システム１Ａは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０Ａと、静止形インバータ（ＳＩＶ）４１Ａと、双方向チョッパ４２と、バッテリ６０Ａと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部７０Ａとを備えて構成される。

主変圧器２０の１次巻線２１は、真空遮断器ＶＣＢを介してパンタグラフ２と接続され、２次巻線２２は、主回路側コンバータ３１Ａの入力端（一次側）に接続されている。
この主変圧器２０は、１次巻線２１に架線電圧の２００００Ｖの単相交流電圧が印加されると、２次巻線２２に１０００Ｖの単相交流電圧が発生するように、１次巻線２１と２次巻線２２との巻線比が構成されている。

主変換回路３０Ａは、主電動機４を駆動するための電力供給系統であり、主回路側コンバータ３１Ａと、インバータ３２Ａとを有している。

主回路側コンバータ３１Ａの入力端（一次側）は、主変圧器２０の二次巻線に接続され、出力端（二次側）は、インバータ３２Ａの入力端（一次側）に接続されている。この主回路側コンバータ３１Ａは、入力端に入力される交流電圧（単相１０００Ｖ）を直流電圧（１８００Ｖ）に変換する位相同期方式のＰＷＭコンバータとして機能する。

インバータ３２Ａの入力端（一次側）は、主回路側コンバータ３１Ａの出力端に接続され、出力端（二次側）は、主電動機４に接続されている。このインバータ３２Ａは、入力端に入力される直流電圧（１８００Ｖ）を、三相交流電力に変換して主電動機４に駆動電力を供給する。

主電動機４は、インバータ３２Ａから電力が供給されることで車軸を回転させる。例えば三相誘導電動機で実現される。なお、図１では、１台のインバータで４台の主電動機を駆動する１Ｃ４Ｍ方式を図示しているが、これは一例であり、１Ｃ１Ｍ方式等の他の方式でも良いことは勿論である。

静止形インバータ４１Ａの入力端（一次側）は、双方向チョッパ４２の出力端（二次側）に接続されているとともに、主変換回路３０Ａの直流リンク部（主回路側コンバータ３１Ａとインバータ３２Ａとの間）に接続されている。この静止形インバータ４１Ａは、入力端（一次側）に入力された直流電力（１８００Ｖ）を交流電力（三相４４０Ｖ）に変換して、空調装置や照明装置といった補助的な機器（補機）に供給する。

双方向チョッパ４２の入力端（一次側：バッテリ側）は、高速度遮断器ＢＨＢ及びリアクトルＬを介してバッテリ６０Ａに接続され、出力端（二次側：負荷側）は、静止形インバータ４１Ａの入力端（一次側）、及び、主変換回路３０Ａの直流リンク部に接続されている。この双方向チョッパ４２は、入力端に入力される７５０Ｖの直流電圧を１８００Ｖに昇圧する昇圧動作と、出力端（二次側）に入力される１８００Ｖの直流電圧を７５０Ｖに降圧する降圧動作との双方向の電圧変換が可能な回路であり、直流電圧変換回路として機能する。図２に、双方向チョッパ４２の回路構成図を示す。

バッテリ６０Ａ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、定格電圧が７５０Ｖに構成されている。バッテリ６０Ａは、高速度遮断器ＢＨＢ及びリアクトルＬを介して、双方向チョッパ４２の入力端に接続されている。従って、双方向チョッパ４２のバッテリ側電圧は、バッテリ６０Ａの電圧ということもできる。

制御部７０Ａは、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭやＲＡＭ等）から構成されるコンピュータや各種の電子回路によって実現され、制御装置として機能する。制御部７０Ａは、後述する走行モードの切替制御を行う。具体的には、主回路側コンバータ３１Ａやインバータ３２Ａ、双方向チョッパ４２、静止形インバータ４１Ａそれぞれの動作を制御するとともに、真空遮断器ＶＣＢや高速度遮断器ＢＨＢそれぞれの投入／開放、パンタグラフ２の上昇／下降を制御する。

＜走行モード＞
電源システム１Ａにおける走行モードを説明する。走行モードには、架線モード及びバッテリモードの二種類がある。

（Ａ）架線モード
架線モードは、架線から供給される交流電力（単相２００００Ｖ）、或いは、架線からの供給電力及びバッテリの出力電力の両方によって主電動機４を駆動して走行するモードである。

図３は、架線モードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。架線モードでは、パンタグラフ２が上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢが投入されている。また、高速度遮断器ＢＨＢは開放されている。そして、主回路側コンバータ３１Ａはコンバータ動作し、双方向チョッパ４２は動作を停止するように制御されている。

電気の流れをみると、架線電圧である交流電圧（単相２００００Ｖ）が主変圧器２０の１次巻線２１に印加され、２次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生している。２次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１Ａによって直流電圧（１８００Ｖ）に変換され、更にインバータ３２Ａによって三相交流電圧に変換されて主電動機４に供給されるとともに、静止形インバータ４１Ａによって三相交流電圧（４４０Ｖ）に変換されて補機に供給される。

なお、同図では、高速度遮断器ＢＨＢを開放し、架線からの供給電力のみで主電動機４を駆動する場合を示しているが（純架線モード）、架線からの交流電力に加えてバッテリ６０Ａの蓄積電力（直流電力）を併用することもできる（ハイブリッド架線モード）。この場合には、高速度遮断器ＢＨＢは投入される。そして、双方向チョッパ４２の昇圧動作によって、バッテリ６０Ａの電圧（直流７５０Ｖ）が１８００Ｖに昇圧され、主回路側コンバータ３１Ａの出力端（二次側）の出力電圧に重畳されて、インバータ３２Ａ及び静止形インバータ４１Ａに供給される。また、双方向チョッパ４２の降圧動作によって、主回路側コンバータ３１Ａの出力電力（直流１８００Ｖ）が７５０Ｖに降圧されてバッテリ６０Ａが充電される。

（Ｂ）バッテリモード
バッテリモードは、バッテリ６０Ａの蓄積電力（直流７５０Ｖ）によって主電動機４を駆動して走行するモードである。

図４は、バッテリモードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。バッテリモードでは、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、高速度遮断器ＢＨＢは投入されている。そして、主回路側コンバータ３１Ａは動作を停止し、双方向チョッパ４２は昇圧動作をするように制御されている。

電気の流れをみると、バッテリ６０Ａの電圧（直流７５０Ｖ）が双方向チョッパ４２によって１８００Ｖに昇圧され、更にインバータ３２Ａによって三相交流電力に変換されて主電動機４に供給されるとともに、静止形インバータ４１Ａによって三相交流電圧（４４０Ｖ）に変換されて補機に供給される。

（Ｃ）急速充電
続いて、架線の供給電力によってバッテリ６０Ａを急速充電する場合を説明する。この急速充電は、例えば所定の充電駅（充電可能な駅）での停車中に行われる。

図５は、急速充電の際の電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。急速充電の際には、停車中であるため、インバータ３２Ａは停止している。また、パンタグラフ２が上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢが投入されているとともに、高速度遮断器ＢＨＢが投入されている。そして、主回路側コンバータ３１Ａは動作し、双方向チョッパ４２は降圧動作をするように制御されている。

電気の流れをみると、架線から供給される交流電圧（単相２００００Ｖ）が、主変圧器２０の１次巻線２１に印加され、２次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生している。２次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１Ａによって直流電圧（１８００Ｖ）に変換され、更に双方向チョッパ４２によって、バッテリ６０Ａの電圧に相当する７５０Ｖに昇圧され、バッテリ６０Ａが充電される。このとき、通流率制御によって、双方向チョッパ４２の入力端（一次側）からの出力電流（すなわち、バッテリ６０Ａの充電電流）が、所与の充電電流指令に応じて制御される。また、主回路側コンバータ３１Ａから出力される直流電圧（１８００Ｖ）は、静止形インバータ４１Ａにも供給され、三相交流電圧に変換されて補機に供給される。

＜走行モードの切り替え＞
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部７０Ａによってなされる。

（Ａ）架線モードでの起動
図６は、架線モードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、高速度遮断器ＢＨＢは開放されている。そして、主回路側コンバータ３１Ａ、及び、双方向チョッパ４２は、ともに動作停止している。

先ず、パンタグラフ２を上昇させた後（ステップＡ１）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ３）。次いで、主回路側コンバータ３１Ａを、変調率制御によって出力電圧が１８００Ｖとなるようにコンバータ動作させる（ステップＡ５）。続いて、静止形インバータ４１Ａを動作させる（ステップＡ７）。その後、インバータ３２Ａを起動させる（ステップＡ９）。架線モードでの起動は、このように行われる。

（Ｂ）架線モードからバッテリモードへの切り替え
図７は、架線モードからバッテリモードへ切り替える際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ａを停止させる（ステップＢ１）。次いで、高速度遮断器ＢＨＢを投入する（ステップＢ３）。続いて、双方向チョッパ４２を、通流率制御によって出力端の出力電圧が１８００Ｖとなるように昇圧動作させる（ステップＢ５）。また、主回路側コンバータ３１Ａを停止させる（ステップＢ７）。そして、真空遮断器ＶＣＢを開放した後（ステップＢ９）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２Ａを起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。架線モードからバッテリモードへの切り替えは、このように行われる。

（Ｃ）バッテリモードから架線モードへの切り替え
図８は、バッテリモードから架線モードへ切り替える際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ａを停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。続いて、主回路側コンバータ３１Ａを、変調率制御によって出力電圧が１８００Ｖとなるように位相同期整流動作させる（ステップＣ７）。また、双方向チョッパ４２を停止させる（ステップＣ９）。そして、高速度遮断器ＢＨＢを開放した後（ステップＣ１１）、インバータ３２Ａを起動（再起動）する（ステップＣ１３）。バッテリモードから架線モードへの切り替えは、このように行われる。

（Ｄ）バッテリモードでの起動
図９は、バッテリモードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、高速度遮断器ＢＨＢは開放されている。そして、主回路側コンバータ３１Ａ、インバータ３２Ａ、及び、双方向チョッパ４２は、ともに動作停止している。

先ず、高速度遮断器ＢＨＢを投入する（ステップＤ１）。次いで、双方向チョッパ４２を、通流率制御によって出力端の出力電圧が１８００Ｖになるように昇圧動作をさせる（ステップＤ３）。そして、静止形インバータ４１Ａを起動し（ステップＤ５）、インバータ３２Ａを起動する（ステップＤ７）。バッテリモードでの起動は、このように行われる。

（Ｅ）急速充電
図１０は、停車中にバッテリ６０Ａを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ａを停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。続いて、主回路側コンバータ３１Ａを、変調率制御によって出力電圧が１８００Ｖになるように位相同期整流動作させる（ステップＥ７）。そして、双方向チョッパ４２を、所与の充電電流指令に応じた出力電流（充電電流）となるように通流率制御を行うことで、主回路側コンバータ３１Ａから出力される１８００Ｖの直流電圧を７５０Ｖに降圧させて（ステップＥ９）、バッテリ６０Ａの充電を開始する（ステップＥ１１）。

バッテリ６０Ａの充電が完了すると（ステップＥ１３）、次の走行モードを判断する。すなわち、次の走行モードがバッテリモードならば（ステップＥ１５：バッテリ）、双方向チョッパ４２を、通流率制御によって主変換回路３０Ａの直流リンクが１８００Ｖとなるように制御し（ステップＥ１７）、主回路側コンバータ３１Ａを停止させる（ステップＥ１９）。次いで、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＥ２１）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＥ２３）。その後、インバータ３２Ａを起動（再起動）する（ステップＥ３３）。

一方、次の走行モードが架線モードであり（ステップＥ１５：架線）、且つ、バッテリ６０Ａを併用するハイブリッド架線モードならば（ステップＥ２５：ＹＥＳ）、双方向チョッパ４２を、通流率制御によって主変換回路３０Ａの直流リンクが１８００Ｖとなるように制御する（ステップＥ２７）。その後、インバータ３２Ａを起動（再起動）する（ステップＥ３３）。

また、バッテリ６０Ｂを併用しない純架線モードならば（ステップＥ２５：ＮＯ）、双方向チョッパ４２を停止させ（ステップＥ２９）、高速度遮断器ＢＨＢを開放させる（ステップＥ３１）。その後、インバータ３２Ａを起動（再起動）する（ステップＥ３３）。バッテリ６０Ａの急速充電は、このように行われる。

＜作用効果＞
このように、第１実施形態の電源システム１Ａは、主電動機４に駆動電力を供給する主変換回路３０Ａと、主変換回路３０Ａの直流リンク部に接続されて補機に電力を供給する静止形インバータ４１Ａとを備えるとともに、主変換回路３０Ａの直流リンク部に、高速度遮断器ＢＨＢ及び双方向チョッパ４２を介してバッテリ６０Ａが接続されて構成される。これにより、架線からの供給電力（交流電力）、或いは、架線からの供給電力及びバッテリ６０Ａの出力電力の両方によって主電動機４を駆動して走行する架線モードと、バッテリ６０Ａの蓄積電力（直流電力）によって主電動機４を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となり、交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。

＜変形例＞
（ａ）中間回路電圧
なお、第１実施形態において、主変換回路３０Ａの直流リンク部の電圧（中間回路電圧）を１８００Ｖとしたが、主回路側コンバータ３１Ａの出力可能な電圧範囲内の電圧であれば他の電圧でもよい。例えば、主回路側コンバータ３１Ａを単相全波整流回路とみなした場合の純抵抗負荷動作では、一次側（入力端）の単相交流実効値電圧の０．９（＝２√２／π）倍の直流電圧が直流リンク部に出力されるため、主変換回路３０Ａの直流リンク部の電圧は、主変圧器２０の２次巻線２２に発生する１０００Ｖの０．９倍である９００Ｖ以上の設定電圧であればよい。同様に、双方向チョッパ４２の入出力電圧の関係から、バッテリ６０Ａの定格電圧も主変換回路３０Ａの直流リンク部の電圧以下で任意に選択することが可能となる。例えば、主変換回路３０Ａの直流リンク部の電圧を１８００Ｖとすると、バッテリ６０Ａの電圧は１８００Ｖ以下であれば制御可能である。また、直流リンク部の電圧を９００Ｖ以上の任意の設定電圧に制御できるようにするためには、バッテリ６０Ａの電圧は９００Ｖ以下である必要がある。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、上述の第１実施形態において、定格電圧が主変換回路の直流リンク部の電圧（中間回路電圧）に等しいバッテリを用いることとし、双方向チョッパを不要とした構成である。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略する。

＜構成＞
図１１は、第２実施形態における電源システム１Ｂの回路構成図である。電源システム１Ｂは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０Ｂと、静止形インバータ４１Ｂと、バッテリ６０Ｂと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部７０Ｂとを備えて構成される。主変換回路３０Ｂは、主回路側コンバータ３１Ｂと、インバータ３２Ｂとを有している。

バッテリ６０Ｂは、定格電圧が例えば１５００Ｖに構成されている。このバッテリ６０Ｂは、高速度遮断器ＢＨＢ及びリアクトルＬを介して、静止形インバータ３２Ｂの入力端に接続されているとともに、主変換回路３０Ｂの直流リンク部に接続されている。

＜走行モード＞
電源システム１Ｂにおける走行モードを説明する。

（Ａ）架線モード
図１２は、架線モードにおける電源システム１Ｂの電力供給動作を示す図である。架線モードにおける電源システム１Ｂの電力供給動作は、第１実施形態における電源システム１Ａの電力供給動作（図３参照）とほぼ同様である。

すなわち、主回路側コンバータ３１Ｂは、出力電圧がバッテリ６０Ｂの電圧に相当する１５００Ｖとなるように制御されている。また、高速度遮断器ＢＨＢは開放されている。

そして、架線からの交流電力（単相２０００Ｖ）の印加によって主変圧器２０の２次巻線２２に発生した交流電圧（単相４４０Ｖ）は、主回路側コンバータ３１Ｂによって直流電圧（１５００Ｖ）に変換され、インバータ３２Ｂを介して主電動機４に供給されるとともに、静止形インバータ４１Ｂを介して補機に供給される。

（Ｂ）バッテリモード
図１３は、バッテリモードにおける電源システム１Ｂの電力供給動作を示す図である。バッテリモードにおける電源システム１Ｂの電力供給動作は、第１実施形態における電源システム１Ａの電力供給動作（図４参照）とほぼ同様である。

すなわち、主回路側コンバータ３１Ｂは停止しているとともに、高速度遮断器ＢＨＢは投入されている。そして、バッテリ６０Ｂの出力電圧（１５００Ｖ）が、主変換回路３０Ｂの直流リンク部に印加され、インバータ３２Ｂを介して主電動機４に供給されるとともに、静止形インバータ３２Ｂを介して補機に供給される。

（Ｃ）急速充電
図１４は、急速充電の際の電源システム１Ｂの電力供給動作を示す図である。急速充電における電源システム１Ｂの電力供給動作は、第１実施形態における電源システム１Ａの電力供給動作（図５参照）とほぼ同様である。

すなわち、真空遮断器ＶＣＢ及び高速度遮断器ＢＨＢはともに投入されている。また、主回路側コンバータ３１Ｂは、出力電圧がバッテリ６０Ｂの電圧に等しい１５００Ｖとなるように制御されている。

そして、架線からの交流電圧（単相２００００Ｖ）の印加によって主変圧器２０の２次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）が、主回路側コンバータ３１Ｂによって直流電圧（１５００Ｖ）に変換され、バッテリ６０Ｂが充電される。また、主回路側コンバータ３１Ｂから出力される直流電圧（１５００Ｖ）は、静止形インバータ４１Ｂを介して補機にも供給される。すなわち、制御部７０Ｂの制御に従った変調率制御により、主回路側コンバータ３１Ｂは、補機の動作電力（動作電流）に加えて、バッテリ６０Ｂの充電電力（充電電流）を供給するように、動作制御される。

＜走行モードの切り替え＞
（Ａ）架線モードでの起動
図１５は、停車中から架線モードで起動する際の制御手順である。

先ず、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＡ１）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ３）。次いで、主回路側コンバータ３１Ｂを、変調率制御によって出力電圧が１５００Ｖとなるように位相同期整流動作させる（ステップＦ５）。そして、静止形インバータ４１Ｂを起動させ（ステップＡ７）、インバータ３２Ｂを起動させる（ステップＡ９）。架線モードでの起動は、このように行われる。

（Ｂ）架線モードからバッテリモードへ切り替え
図１６は、架線モードからバッテリモードへ切り替える際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させる（ステップＢ１）。次いで、高速度遮断器ＢＨＢを投入し（ステップＢ３）、主回路側コンバータ３１Ｂを停止させる（ステップＢ７）。そして、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＢ９）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２Ｂを起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。架線モードからバッテリモードへの切り替えは、このように行われる。

（Ｃ）バッテリモードから架線モードへ切り替え
図１７は、バッテリモードから架線モードへ切り替える際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。続いて、主回路側コンバータ３１Ｂを、変調率制御によって出力電圧が１５００Ｖとなるように位相同期整流動作させる（ステップＨ７）。そして、高速度遮断器ＢＨＢを開放した後（ステップＣ１１）、インバータ３２Ｂを起動（再起動）する（ステップＣ１３）。バッテリモードから架線モードへの切り替えは、このように行われる。

（Ｄ）バッテリモードで起動
図１８は、停車中からバッテリモードで起動する際の制御手順である。先ず、高速度遮断器ＢＨＢを投入する（ステップＤ１）。そして、静止形インバータ４１Ｂを起動し（ステップＤ５）、インバータ３２Ｂを起動する（ステップＤ７）。バッテリモードでの起動は、このように行われる。

（Ｅ）急速充電
図１９は、停車中にバッテリ６０Ｂを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。続いて、主回路側コンバータ３１Ｂを、変調率制御によって補機への動作電流及びバッテリ６０Ｂの充電電流を供給するように位相同期整流動作させて、バッテリ６０Ｂを充電する（ステップＪ７）。

バッテリ６０Ｂの充電が完了すると（ステップＥ１３）、次の走行モードを判断する。次の走行モードがバッテリモードならば（ステップＥ１５：バッテリ）、主回路側コンバータ３１Ｂを停止させる（ステップＥ１９）。次いで、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＥ２１）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＥ２３）。そして、インバータ３２Ｂを起動（再起動）する（ステップＥ２９）。急速充電は、このように行われる。

＜作用効果＞
このように、第２実施形態の電源システム１Ｂは、主電動機４に駆動電力を供給する主変換回路３０Ｂと、主変換回路３０Ｂの直流リンク部に接続されて補機に電力を供給する静止形インバータ４１Ｂとを備えるとともに、主変換回路３０Ｂの直流リンク部に、高速度遮断器ＢＨＢを介してバッテリ６０Ｂが接続されて構成される。これにより、架線からの供給電力（交流電力）、或いは、架線からの供給電力及びバッテリ６０Ｂの出力電力の両方によって主電動機４を駆動して走行する架線モードと、バッテリ６０Ｂの放電電力（直流電力）によって主電動機４を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となり、交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。

＜変形例＞
なお、第２実施形態において、バッテリ６０Ｂの定格電圧を１５００Ｖとしたが、主回路側コンバータ３１Ｂの出力可能な電圧範囲内の電圧であれば他の電圧でもよい。例えば、主回路側コンバータ３１Ｂを単相全波整流回路とみなした場合の純抵抗負荷動作では、一次側（入力端）電圧の０．９（＝２√２／π）倍の電圧が出力されるため、出力電圧は、主変圧器２０の２次巻線２２に表れる１０００Ｖの０．９倍である９００Ｖ以上の電圧となる。このため、この場合には、バッテリ６０の電圧は９００Ｖ以上であればよい。

［第１及び第２実施形態の共通の作用効果］
本実施形態の電源システム１Ａ，１Ｂを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。これにより、様々な作用効果が奏される。

例えば、架線モードとバッテリモードとの切り替えが可能となるため、例えば架線の停電時に、バッテリモードに切り替えることで最寄り駅まで走行するといったことが可能となる。

また、交流区間では架線電圧が２００００Ｖ〜２５０００Ｖ程度と高いが、バッテリの急速充電時にパンタ点に流れる電流が数十アンペアと小さくて済む。架線電圧が１５００Ｖ程度となる直流区間でバッテリの急速充電を行おうとすると、大電流に対応した特殊な架線を用いる必要があるが、交流区間では通常（従来）のトロリー線で問題ない。例えば、１０００ｋＷのバッテリ充電を行う場合には、５０Ａ（＝１０００００Ｗ／２００００Ｖ）のパンタ点電流となる。

また、交流電気車ではあるが、バッテリモードに切り替えることで、直流区間でも走行できる。直流区間をバッテリモードで走行する際には、真空遮断器ＶＣＢを開放することで、万が一パンタグラフ２が上昇して架線に接触しても架線電圧が主変圧器２０に印加されることがないため、直流偏磁が発生しない。なお、交流電気車は高電圧用に設計されているため、直流区間（１５００Ｖ程度）においてパンタグラフ２が上昇して架線に接触したとしても、電圧的に電気絶縁上の問題が生じることはない。

１Ａ，１Ｂ 電源システム
ＶＣＢ 真空遮断器
２０ 主変圧器、２１ １次巻線、２２ ２次巻線
３０Ａ，３０Ｂ 主変換回路
３１Ａ，３１Ｂ 主回路側コンバータ，３２Ａ，３２Ｂ インバータ
４１Ａ，４１Ｂ 静止形インバータ、４２ 双方向チョッパ
６０Ａ，６０Ｂ バッテリ、ＢＨＢ 高速度遮断器、Ｌ リアクトル
７０Ａ，７０Ｂ 制御部
２ パンタグラフ、３ 車輪、４ 主電動機

Claims (5)

1. 架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
   主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
   前記主変換回路の直流リンク部に接続され、当該直流リンク部の電力を変換して補機に供給する第２インバータ部と、
   遮断器を介して前記直流リンク部に接続された前記バッテリと、
   制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１コンバータ部を動作させ、当該第１コンバータ部の出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記架線モードに切り替える架線モード切替手段であって、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとする架線モード切替手段と、
   前記遮断器を投入するとともに前記第１コンバータ部の動作を停止させ、前記バッテリの出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
   を有する、
   電気車用電源システム。
2. 前記架線モード切替手段は、前記純架線モードとするか前記ハイブリッド架線モードとするかに関わらず、前記第１コンバータ部に、前記バッテリの電圧相当の電圧を出力させるように動作させる、
   請求項１に記載の電気車用電源システム。
3. 前記制御装置は、電気車の停車時に、前記遮断器を投入し、前記第１コンバータ部に、前記補機の動作電力に加えて、前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
   請求項２に記載の電気車用電源システム。
4. 前記バッテリと前記直流リンク部との間に直流電圧変換回路を設けて備え、
   前記制御装置は、前記直流電圧変換回路のバッテリ側電圧を前記バッテリの電圧にさせるように前記直流電圧変換回路を制御する制御手段を有する、
   請求項１に記載の電気車用電源システム。
5. 主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記変換回路の直流リンク部に接続されて当該直流リンク部の電力を変換して補機に供給する第２インバータ部と、遮断器を介して前記直流リンク部に接続されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
   前記第１コンバータ部を動作させ、当該第１コンバータ部の出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記架線モードに切り替えるステップと、
   前記遮断器を投入するとともに前記第１コンバータ部の動作を停止させ、前記バッテリの出力電力を前記第１インバータ部及び前記第２インバータ部に供給させるモードとして前記バッテリモードに切り替えるステップと、
   を含み、
   前記架線モードに切り替えるステップは、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとするステップである、
   電力供給制御方法。

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