JP6158445B2 - 蓄電池放電制御システムを備える軌条車両 - Google Patents

Description

本発明は、軌条車両への給電停止時に軌条車両が備える蓄電池の放電時間を延長するとともに、給電再開時に補助電源装置を再起動するために必要となる蓄電池容量を確保する蓄電池放電制御システムを備える軌条車両に関する。

軌条車両は、架線または第３軌条（以下、総合して「架線」と記す）から得た電圧や周波数を変換して空調装置、照明装置および保安装置等へ給電する補助電源装置と、架線からの給電が途切れた時に補助電源装置に代わって保安装置および連絡装置等へ給電する蓄電池（バッテリ）を搭載している。

架線からの給電が再開された時には、補助電源装置は蓄電池からの供給電力で再起動した後上述した各装置への給電を再開するが、架線からの給電が長時間に渡って中断された場合には、補助電源装置を再起動するために必要な電力が蓄電池に残っておらず、軌条車両の運行再開に多くの時間を費やすおそれがあった。

このような場合に備える技術として、特開２０００−２９５７０１号公報（特許文献１）には、可搬式バッテリとこの可搬式バッテリを軌条車両に接続する接続装置を準備し、架線からの給電中断によって立ち往生した軌条車両にこの可搬式バッテリを運び込み、再起動ができなくなった補助電源装置に対してこの可搬式バッテリから給電することにより、補助電源装置を再起動して軌条車両の運行を再開する技術が開示されている。

特開２０００−２９５７０１号公報

特許文献１に記載のように、車載バッテリの過放電によって運行が困難となった軌条車両まで可搬式バッテリを運搬した後、軌条車両に対してこの可搬式バッテリから給電して復旧する技術は、軌条車両が可搬式バッテリを格別問題なく運搬できる場所に停車した場合において比較的簡便に復帰させることができる利点を有する。しかしながら、軌条車両が地震等による停電などで駅のホームに面して停車できず、トンネル内部や橋梁などで長時間停車した時にも、可搬式バッテリをその保管場所から立ち往生した軌条車両の場所まで運搬しなければならず、軌条車両の停車位置に拘わらず速やかな運行再開を実現する点において解決すべき課題がある。

また、長時間に渡る給電中断に備えて、容量の大きいバッテリを軌条車両へ搭載することは、バッテリの設置場所の問題や軌条車両の編成重量が大きくなって許容軸重を超過するなどの新たな問題が生じる恐れがある。

本発明の目的は、長時間に渡る給電中断に備え、軌条車両に備えた蓄電池（バッテリ）の放電を制御して、蓄電池による給電時間を長く維持するとともに蓄電池に補助電源装置を再起動するための残存容量を確保し、速やかに運行を再開できる軌条車両を提供することである。

本発明に係る軌道車両は、架線からの供給電力を変換する補助電源装置と、架線からの給電が停止した場合に補助電源装置に替わって直流負荷へ給電する第１蓄電池および外部連絡用通信機器へ給電する第２蓄電池とを搭載し、給電停止以降に補助電源装置を再起動させるために必要な電力容量を第１蓄電池に残存させておくための制御手段を備え、架線からの給電が復旧した後に、補助電源装置を第１蓄電池の残存容量により再起動させることを特徴とする。

本発明によれば、架線からの給電が停止した場合に、軌条車両に備えた少なくとも２つの蓄電池の放電を制御して、これら蓄電池による給電時間を長く維持するとともに第１蓄電池に補助電源装置を再起動するための残存容量を確保することによって、外部との連絡を閉ざすことなく架線からの給電が復旧した後に速やかに運行を再開できる軌条車両を提供することができる。

図１は、モノレール編成の低圧給電配線回路に接続される各機器の配置を示す概略図である。 図２は、モノレール編成の先頭車両の乗務員室の長手方向に交差する断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 図３は、低圧給電配線回路に接続される各機器の配線図である。 図４は、架線からの給電が途絶える時点および給電が再開される時点を含む、補助電源装置の出力変化、各蓄電池の充電および給電のタイミング、並びに、低圧給電配線回路に対する機器（負荷）の切り離しまたは再接続のタイミング、それぞれのタイムチャートを示す図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。軌条車両とは、敷設された軌道に沿って運行される輸送車両の総称であり、具体的に、鉄道車両、モノレール車両、新交通システム車両および路面電車などを意味する。ここでは、軌条車両の代表例として、モノレール車両を実施例として取り上げて説明する。

図１は、モノレール編成の低圧給電配線回路７に接続される各機器の配置を示す概略図である。モノレール編成としては、乗務員室を備える先頭車両１００（両進行方向）および中間車両２００からなる３両編成とするが、この両数の編成に限定されるものではなく中間車両２００が複数車両となる編成も包含するものである。

先頭車両１００は、運転手等（以下、「乗務員」という）が乗務する乗務員室と客室とを仕切り壁１１０（図２参照）によって仕切っている。また、先頭車両１００の床下には、空調装置、照明装置および情報表示装置などのサービス機器へ給電する補助電源装置１など補助回路に接続される機器が備えられている。

中間車両２００は、モノレール編成が走行する軌道桁９０の側面に沿って敷設される架線から電力を取り入れる集電装置２０２（図１には図示なし、図３参照）、モノレール編成を駆動する主電動機（図示なし）および主電動機の回転数やトルクを制御する駆動制御装置（図示なし）など主回路に接続される機器を搭載している。

先頭車両１００の乗務員室側（例えば、仕切り壁１１０など容易に扱える場所）には、架線からの給電が停止した時に扱われる非常電源操作盤５を備える。先頭車両１００における中間車両２００に隣接する側の妻板には、後述する機器を制御する継電器などが配設される配電盤６を備える。
また、中間車両２００は、第１蓄電池２、第２蓄電池３および第３蓄電池４を床下に備え、先頭車両１００に隣接する側の妻板には、後述する機器を制御する継電器などが配設される配電盤６を備える。

低圧給電配線回路７は、両先頭車両１００および中間車両２００に渡って引き通され、電源関係として、非常電源操作盤５、配電盤６、補助電源装置１、第１蓄電池２、第２蓄電池３および第３蓄電池４を接続している。

補助電源装置１は、集電装置からモノレール編成に取り入れた高圧の直流または交流電力を、車載の空調装置や照明装置等のサービス機器に供給する３相交流電圧（２００Ｖ）と周波数（６０Ｈｚ）に変換して出力する、また、各蓄電池を充電するために低圧直流電圧（２４Ｖと１００Ｖ）に変換して出力する機器である。

第１蓄電池２、第２蓄電池３および第３蓄電池４は、複数の電池セルを直列に接続して構成される蓄電池（バッテリ）である。第１蓄電池２は１００Ｖの直流電圧、第２蓄電池３および第３蓄電池４は２４Ｖの直流電圧、をそれぞれ入出力する。
第１蓄電池２は、架線からの給電が途切れた後の再起動時に、補助電源装置１に再起動用の電力を供給する。第２蓄電池３および第３蓄電池４は、駅や運行指令所とモノレール車両との連絡を取り合う外部連絡装置２１（図３参照）に電力を供給する。

図２は、モノレール編成の先頭車両における乗務員室の長手方向に交差する断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。先頭車両１００の仕切り壁１１０は、乗務員室と客室とを仕切るための壁で、その乗務員室側には、架線からの給電が停止した時に取り扱う非常電源操作盤５を備える。

非常電源操作盤５は、自動放送装置や照明装置などのサービス機器（非常灯を除く）等への給電を停止するための負荷切離しスイッチ１１、および、架線からの給電再開時に第１蓄電池２から電力を供給して補助電源装置１を再起動させるための補助電源装置入力切替スイッチ１２を備える。ここで、自動放送装置や非常灯を除く照明装置は、架線からの給電が停止した場合には給電不要の対象となる機器である。
なお、負荷切離しスイッチ１１および補助電源装置入力切替スイッチ１２は、通常の運行時では取り扱われないので、例えばアクリル製などの蓋（図示なし）で覆い、これらスイッチの誤操作を抑制している。

図３は、低圧給電配線回路７に接続される各機器の配線図である。図３では、モノレール編成を構成する一方の先頭車両１００および中間車両２００を通して備えられる低圧給電配線回路７と、この配線回路７に接続される各機器を示している。

モノレール編成の車両全長に渡って直流の低圧給電配線回路７が引き通されている。この低圧給電配線回路７は、１００Ｖ線３１、２４Ｖ線３２、外部連絡装置用２４Ｖ線３３および制御回路用１００Ｖ線３４から構成される。

中間車両２００の床下に搭載される集電装置２０２からの供給電力は、配線１１１を経由して補助電源装置１へ導かれる。補助電源装置１で変換された電力は、配線１１２を経て２４Ｖ線３２へ、配線１１３を経て１００Ｖ線３１へ、配線１１４および配線１１５を経て制御回路用１００Ｖ線３４へ、それぞれ供給される。ここで、配線１１５には、補助電源装置１を再起動する際に、第１蓄電池２から補助電源装置１へ直流給電を開始するための補助電源装置入力切替スイッチ１２が介在する。

外部連絡装置２１は、モノレール編成と運行指令所の間の連絡を取り合う無線または有線による通信機器である。この外部連絡装置２１は、配線１１６によって２４Ｖ線３２に、また、配線１１７によって外部連絡装置用２４Ｖ線３３に、それぞれ接続し、この双方の２４Ｖ線に接続することにより、冗長性を高めている。

直流負荷５０および５２は、照明装置（非常灯）や戸締め装置等で構成され、架線からの給電が途切れる非常時にも保安機能として維持することが必要な負荷である。それぞれは、配線１２１および２２１によって１００Ｖ線３１に接続されている。

直流負荷５１および５３は、非常灯を除く照明装置、停車駅などの情報を表示する乗客者向け情報表示器（モニタ）および自動放送設備等で構成され、非常時には給電の対象外となる負荷（いわゆるサービス機器）である。それぞれは、継電器１０４および２０４を有する配線１２２および２２２によって１００Ｖ線３１に接続されている。

第１蓄電池２は、配線２１１によって制御回路用１００Ｖ線３４に、継電器２０１を有する配線２１２によって１００Ｖ線３１に、それぞれ接続されている。
第２蓄電池３は、継電器２０２を有する配線２１３によって２４Ｖ線３２に接続されている。
第３蓄電池４は、配線２１４によって２４Ｖ線３２に、継電器２０３を有する配線２１５によって外部機器連絡用２４Ｖ線３３に、それぞれ接続されている。

配線１１８は、制御回路用１００Ｖ線３４に接続され、架線からの給電が停止して第１蓄電池２および第２蓄電池３から給電が開始された後に、これら蓄電池から直流負荷５１および５３への給電を停止するための負荷切離しスイッチ１１を備える。この負荷切離しスイッチ１１は、配線１１８に接続されるリレーシーケンス回路１０１および配線１１９に接続されるリレーシーケンス回路１０２並びに１０３の動作を制御するスイッチである。

リレーシーケンス回路１０１が動作すると、継電器１０４および２０４の接点が外れて、１００Ｖ線３１から直流負荷５１および５３への給電は停止される。

リレーシーケンス回路１０２は、第１蓄電池２、第２蓄電池３および第３蓄電池４の給電を制御するための回路である。リレーシーケンス回路１０２が動作すると、組み込まれたタイマ（図示なし）が第１蓄電池２の残存容量を監視するためのカウントを開始する。このタイマは、第１蓄電池２の残存容量が補助電源装置１を再起動するために必要な残存容量まで減少する時刻に至ると、継電器２０１および２０２の接点を外して、第１蓄電池２および第２蓄電池３の給電を停止する。第２蓄電池３は、補助電源装置１の再起動に関係しないが、過放電による蓄電池性能の劣化促進を抑制するためにその給電を停止する。併せて、第３蓄電池４と外部連絡装置用２４Ｖ線３３とを接続する配線２１５が有する継電器２０３の接点が閉じて、第３蓄電池４から外部連絡装置２１への給電が継続される。

リレーシーケンス回路１０３が動作すると、制御回路用１００Ｖ線３４から補助電源装置１への制御用電力の入力を制御する継電器（図示なし）の接点が開く。これにより、制御回路用１００Ｖ線３４から補助電源装置１への給電が停止する。この制御回路用１００Ｖ線３４から補助電源装置１への給電に関しては、通常（架線からの給電状態）時のモノレール編成が走行中に、集電装置２０２が軌道桁９０に敷設された架線（図示なし）から瞬間的に離線する場合であっても、補助電源装置１を安定的に動作させるために第１蓄電池２が給電する制御回路用１００Ｖ線３４から制御用電力を受電している。このため、架線からの給電が停止した非常時には、上述した継電器（図示なし）によって制御回路用１００Ｖ線３４から補助電源装置１への給電を停止することにより、第１蓄電池２の負荷を低減する。

図４は、架線からの給電が途絶える時点および架線からの給電が再開される時点を含む、補助電源装置の出力変化、各蓄電池の充電および給電のタイミング、並びに、低圧給電配線回路７に対する機器（負荷）の切り離しまたは再接続のタイミング、それぞれのタイムチャートを示す図である。図４の縦軸には、補助電源装置１、第１蓄電池２、第２蓄電池３、第３蓄電池４および直流負荷５０〜５３の稼働状況を示す。図４の横軸は時間軸であって、時刻ａから時刻ｈを記す。以下に、図４を参照して、上述した各機器の機能およびこれら機能によって奏される効果を説明する。

時刻ａから時刻ｂの期間は、モノレール編成の通常運行が継続中で、補助電源装置１が出力する電力によって、全ての直流負荷５０〜５３は給電を受け、乗客への各種サービスが提供されている。さらに、補助電源装置１が出力する電力の一部は、第１蓄電池２、第２蓄電池３および第３蓄電池４それぞれの充電に供される。

時刻ｂに、何らかの原因により架線の送電が停止したとする。走行中のモノレール編成は、非常ブレーキの作動により速やかに停止する。非常停止であるため、停車場所を選択することはできないから、駅に停車中の場合はホームに面した停車が維持されるが、駅間を走行中の場合は高架上に停車するケースがある。補助電源装置１は、１００Ｖ線３１、２４Ｖ線３２、外部連絡装置用２４Ｖ線３３および制御回路用１００Ｖ線３４への給電を停止する。その後自動的に、第１蓄電池２からの放電により、１００Ｖ線３１および制御回路用１００Ｖ線３４への給電が開始されるとともに、第２蓄電池３からの放電により、２４Ｖ線３２への給電が開始される。

時刻ｃに、乗務員が負荷切離しスイッチ１１を操作する。負荷切離しスイッチ１１（図４の「入」）によってリレーシーケンス回路１０１が動作して、直流負荷５１および５３が１００Ｖ線３１から切り離される。これにより、第１蓄電池２の負荷を低減する。次に、リレーシーケンス回路１０２が備えるタイマがカウントを開始する。このカウントは、第１蓄電池２の残存容量が補助電源装置１の再起動に必要な電力容量より小さくなるタイミングを監視するためのものである。すなわち、このタイマは、補助電源装置１の再起動に必要な電力容量を第１蓄電池に残存させておくための制御手段といえるものである。また、リレーシーケンス回路１０３が動作して、補助電源装置１に対する制御電力（負荷）が１００Ｖ線３１から切り離される。これにより、第１蓄電池２の負荷をさらに低減する。以上の動作によって、第１蓄電池２の負荷を相当程度低減できるので、非常時にあって第１蓄電池２の直流負荷５０および５２への給電時間を延長することができる。

時刻ｄに、リレーシーケンス回路１０２が備えるタイマによるカウンタが補助電源装置１の再起動に必要な残存容量となるタイミングを判断して、第１蓄電池２および第２蓄電池３からの給電を停止する。この動作によって、第２蓄電池３から外部通信装置用２４Ｖ線３３への給電が停止することとなるが、第３蓄電池４からの放電により外部通信装置用２４Ｖ線３３への給電が開始される。第３蓄電池４は、補助電源装置１が停止後の時刻ｂから時刻ｄの期間に、第２蓄電池３から充電されていたため、時刻ｄの時点ではその容量の上限まで充電されている。

以上のようにして、リレーシーケンス回路１０２が備えるタイマの動作により、第１蓄電池２の過放電を抑制するとともに、補助電源装置１を再起動するために必要となる電力容量を残存させることができる。さらに、第２蓄電池３の給電停止と引き換えに、第３蓄電池４が外部通信機器用２４Ｖ線３３への給電を開始するので、モノレール編成の乗務員は最寄りの駅の駅員や運行指令所との連絡機能を継続して維持できる。これにより、運行指令所から外部通信機器を経由して、乗務員が架線給電再開の通知を受けることができるし、給電再開の通知を受けた後に速やかに補助電源装置１を再起動することができる。

時刻ｄから時刻ｅの間に、運行指令所が乗務員に外部通信機器を経由して、架線の給電再開が通知され、時刻ｅに架線の送電が復旧したとする。
時刻ｆに、乗務員が、補助電源装置１を再起動するために、補助電源装置切替スイッチ１２を扱って復位操作をする（図４の「入」）。これにより、補助電源装置１は起動待機状態となる。この復位操作によって、上記タイマ機能により放電を停止していた第１蓄電池２および第２蓄電池３からの放電（給電）が再開される。これにより、補助電源装置１に対する制御電源も再給電される。

時刻ｇの時点で、乗務員が補助電源装置再起動スイッチを投入する（図４の「入」）。これにより、補助電源装置１が速やかに再起動して直流電力（１００Ｖと２４Ｖ）の出力が再開される。

時刻ｈの時点で、乗務員が蓄電池スイッチを投入する（図４の「入」）。これにより、各蓄電池への充電が再開され、モノレール編成は、架線の送電が中断された時刻ｂ以前における通常運行を再開する。また、直流負荷も全負荷状態に戻る。

以上に説明した一連の動作（処理）態様によって、モノレール編成が備える各蓄電池の過放電を抑制することができる。また、蓄電池に対して直流機器の負荷を削減することができるので、蓄電池の使用による乗客へのサービスをより長い時間に渡って継続することができる。さらに、外部通信機器への給電を確保できるため、運行指令所と乗務員との間の連絡を継続することができ、架線への給電が復旧した後には、補助電源装置を速やかに再起動することができる。

補助電源装置１を再起動するために必要最小限の電力容量を第１蓄電池２に残す方法として、第１蓄電池２の残存電力容量および第１蓄電池２の放電電流を監視して、第１蓄電池２が残存すべき電力容量を確保する方法もある。しかし、この方法であると、残存電力容量および放電電流（電圧）を監視するための計測器（ＣＴ、電圧計など）が必要となるため、部品点数およびコストを押し上げる要因となる。

本発明に係る実施例によれば、第１蓄電池２の負荷となる機器の消費電力および第１蓄電池２の蓄電容量から給電可能時間を割り出し、この時間をタイマのみで管理する。そのため、部品点数およびコストを押し上げることなく、簡便な構成で補助電源装置１の再起動を実現することができる効果を奏する。

このように、モノレール編成における補助電源装置を再起動するために、従来のように可搬式バッテリを非常停車したモノレール編成まで運び込む必要をなくし、長時間に渡るモノレール編成の運行停止という異常事態を回避または抑制することができる。

１…補助電源装置 ２…第１蓄電池
３…第２蓄電池 ４…第３蓄電池
５…非常電源操作盤 ６…配電盤
７…低圧給電配線回路
１１…負荷切離しスイッチ １２…補助電源装置入力切替スイッチ
２１…外部連絡装置
３１…１００Ｖ線 ３２…２４Ｖ線
３３…外部連絡装置用２４Ｖ線 ３４…制御回路用１００Ｖ線
５０、５２…直流負荷（非常灯） ５１、５３…直流負荷
９０…軌道桁
１００…先頭車（Ｔｃ車） ２００…中間者（Ｍ車）
１０１、１０２、１０３…リレーシーケンス回路
１１１〜１１９、１２１、１２２、２１１〜２１５、２２１、２２２…配線
１０４、２０１、２０２、２０３、２０４…継電器

Claims (6)

1. 架線からの供給電力を変換する補助電源装置と、
   前記架線からの給電停止の場合に、前記補助電源装置に替わって直流負荷へ給電する第１蓄電池および外部連絡用通信機器へ給電する第２蓄電池と、
   を搭載し、
   前記給電停止以降に前記補助電源装置を再起動させるために必要な電力容量を前記第１蓄電池に残存させておくための制御手段を備え、
   前記架線からの給電が復旧した後に、前記補助電源装置は前記第１蓄電池の残存容量により再起動すること
   を特徴とする軌条車両。
2. 請求項１に記載の軌条車両であって、
   負荷切離し手段を備え、
   前記給電停止以降に、非常時でも稼動が必要な負荷以外の前記直流負荷を前記負荷切離し手段を操作して前記第１蓄電池から切り離すこと
   を特徴とする軌条車両。
3. 請求項１または２に記載の軌条車両であって、
   前記制御手段は、前記第１蓄電池が前記直流負荷へ給電を開始する時点から稼働を始め、前記第１蓄電池の残存容量が前記補助電源装置の再起動に必要な前記電力容量となる時間まで経過した時点で前記第１蓄電池からの給電を停止させるタイマであること
   を特徴とする軌条車両。
4. 請求項３に記載の軌条車両であって、
   前記タイマは、前記第１蓄電池からの給電を停止させるタイミングで前記第２蓄電池からの給電も停止させること
   を特徴とする軌条車両。
5. 請求項４に記載の軌条車両であって、
   第３蓄電池を搭載し、
   前記第２蓄電池からの給電が停止すると、前記第３蓄電池は前記外部連絡用通信機器へ給電を開始すること
   を特徴とする軌条車両。
6. 請求項５に記載の軌条車両であって、
   前記第２蓄電池は、前記タイマにより自らの給電が停止されるまでの間前記第３蓄電池を充電すること
   を特徴とする軌道車両。

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