JP6744836B2 - 電力変換装置、電気車両、及び、電力変換方法 - Google Patents

電力変換装置、電気車両、及び、電力変換方法 Download PDF

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Description

本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置に関する。また、本発明は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両、及び、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法に関する。
近年、電化区間において架線から電力が供給されて走行すると共に、非電化区間においても走行が可能な鉄道車両が開発されている。そのような鉄道車両の中には、非電化区間において、燃料電池又は蓄電池（バッテリー）から供給される電力を用いて走行するものがある。
一般に、燃料電池を用いる従来の鉄道車両においては、架線又は燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して主電動機（モーター）を駆動するモーター駆動回路（又は、インバーター）の一端に燃料電池の負極端子が直接接続されていて、燃料電池とモーター駆動回路とが電気的に絶縁されていなかった。また、燃料電池の負極端子及びモーター駆動回路の一端は、車輪及びレールを介して接地されていた。
関連する技術として、特許文献１には、電力蓄積手段で直流電圧を制御することによって燃料電池の出力をコントロールし、燃料電池の出力調整手段を省略した燃料電池車両制御装置が開示されている。この燃料電池車両制御装置は、燃料電池を用いた発電手段と、電力を蓄積する蓄電手段と、蓄電手段を充放電する充放電装置と、燃料電池の直流電力と充放電装置の直流電力とを交流電力に変換してモーターを駆動するインバーターとを備えている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池１の負極端子がインバーター６の一端に直接接続されており、燃料電池１とインバーター６とは、電気的に絶縁されていない。
また、特許文献２には、非電化区間で燃料電池を利用する場合と、電化区間で架線からの電源を利用する場合とを切り換えることができるハイブリッド鉄道車両用の電圧変換装置が開示されている。特許文献２の図１又は図５に示されているように、燃料電池５０の負極端子がインバーター１００の一端に直接接続されており、燃料電池５０とインバーター１００とは、電気的に絶縁されていない。
さらに、特許文献３には、燃料電池と出力調整手段とを有する直流電力発生手段と、直流電力発生手段の発生する直流電力を交流電力に変換するインバーター手段と、直流電力を充電及び放電する機能を持つ電力蓄積手段とを備える鉄道車両の駆動装置が開示されている。同様に、特許文献４には、燃料電池と、燃料電池の出力電力を調整する出力調整手段とを備える鉄道車両の駆動装置が開示されている。
また、特許文献５には、電化区間及び非電化区間のそれぞれにおいて、複数の異なる電力源（架線、エンジンにより駆動される発電機、燃料電池）に対応する駆動システムが開示されている。しかしながら、特許文献３〜５には、各手段の具体的な構成や、燃料電池及びインバーター手段の接地又は非接地に関しては、特に開示されていない。
特開２００８−１４１８７９号公報（段落０００４−０００５、図１） 特開２０１５−６１３９２号公報（段落０００６、図１、図５） 特開２００４−２８２８５９号公報（請求項２、図８） 特開２０１０−１１６８３号公報（請求項４） 特開２０１４−１４０２９４号公報（要約書）
上記のように、燃料電池を用いる従来の鉄道車両においては、燃料電池の負極端子及びモーター駆動回路の一端が接地されていたが、最近の移動体向けの大型燃料電池は、非接地とすることが求められている。燃料電池を非接地とすることにより、燃料電池又はその周辺回路において、電位の異なる２カ所で漏電が生じなければ、漏電による電流が流れない。従って、１カ所で漏電が生じた際に、漏電を検知することにより、漏電事故を未然に防止することができる。また、鉄道車両向けの大型燃料電池を製造するメーカーも、燃料電池に直接接続される回路が接地されていない状態における燃料電池の動作を保証する傾向にある。
一方、主電動機を駆動するモーター駆動回路は、従来と同様に、車輪及びレールを介して接地されることが望ましい。モーター駆動回路を接地することにより、モーター駆動回路の各部の電位が安定するので、漏電を検知し易くなると共に、作業の安全を確保することができる。また、燃料電池を用いて走行する自動車やバスのように、モーター駆動回路を含む回路全体を非接地とすると、従来の鉄道車両の回路が使用できなくなるので、新たな回路を開発するための労力やコストがかかるという問題がある。
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第１の目的は、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能な電力変換装置を提供することである。また、本発明の第２の目的は、そのような電力変換装置を搭載して、非電化区間及び電化区間において走行可能な電気車両を提供することである。さらに、本発明の第３の目的は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法を提供することである。
以上の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の観点に係る電力変換装置は、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、インバーターから交流電圧が供給される１次側巻線、及び、１次側巻線から電気的に絶縁された２次側巻線を有する変圧器と、変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、第１のモードにおいて、少なくとも電圧変換回路から供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第２のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を電源ラインに供給する切換回路と、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路とを備え、インバーターが、電圧変換回路及びモーター駆動回路から電気的に絶縁されている。
本発明の第１の観点によれば、インバーターが、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の１次側巻線に供給し、電圧変換回路が、変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成してモーター駆動回路に供給する。このような構成によって、インバーターが電圧変換回路及びモーター駆動回路から電気的に絶縁されているので、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能となる。
本発明の第２の観点に係る電気車両は、本発明の第１の観点に係る電力変換装置と、電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪とを備え、インバーターが、複数の車輪から電気的に絶縁されている。本発明の第２の観点によれば、接地されているレール上を電気車両が走行する際に、インバーターがレールから電気的に絶縁されるので、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能となる。
本発明の第３の観点に係る電力変換方法は、直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、インバーターから交流電圧が供給される１次側巻線、及び、１次側巻線から電気的に絶縁された２次側巻線を有する変圧器と、変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路とを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、第１のモードにおいて、電圧変換回路によって生成される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ（ａ）と、第１のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーターに制御信号を供給することにより、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の１次側巻線に供給するステップ（ｂ）と、第１のモードにおいて、電圧変換回路を用いて、変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成するステップ（ｃ）と、第１のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路に制御信号を供給することにより、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するステップ（ｄ）と、第２のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ（ｅ）と、第２のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路に制御信号を供給することにより、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するステップ（ｆ）とを備える。
本発明の第３の観点によれば、第１のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーターを用いて、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の１次側巻線に供給し、電圧変換回路を用いて、変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成して電源ラインに供給するので、燃料電池に直接接続される回路を非接地とすることができる。また、第１及び第２のモードにおいて、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路等を接地することができる。
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。 図１に示すインバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。 図１に示す電気車両の第２のモードにおける接続状態を示す図である。 図１及び図３に示すＤＣ／ＤＣコンバーターに降圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。 図１及び図３に示すＤＣ／ＤＣコンバーターに昇圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。 図６に示すＰＷＭコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。この電気車両は、電化区間において架線から供給される電力を用いて走行すると共に、非電化区間（無架線下）においても走行が可能である。図１には、電気車両が燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行する第１のモードにおける接続状態が示されている。
図１に示すように、電気車両は、パンタグラフ１０と、複数の車輪１２と、接地用スイッチ回路１３と、高速度遮断器２１〜２５と、起動用スイッチ回路３１〜３５と、主電動機４０と、補助回路用電源装置（補機）５０とを含んでも良い。また、電気車両は、インバーター６０等で構成される電力変換装置と、燃料電池ＦＣ１と、蓄電池ＢＡＴと、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と、キャパシターＣ１〜Ｃ５と、インダクターＬ４及びＬ５と、サイリスターＴＨ１とを含んでも良い。
パンタグラフ１０は、電気車両の屋根の上に取り付けられて、電化区間において架線から電力が供給される。複数の車輪１２は、電力変換装置等が設置された車体に回転可能に取り付けられて、接地されたレールに接触して接地電位（０Ｖ）が供給される。それらの車輪１２の内の所定の車輪は、主電動機４０によって駆動される。
高速度遮断器２１〜２５は、短絡事故電流等が流れたときに回路を遮断することにより、電気車両の内部回路を保護する。接地用スイッチ回路１３は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成され、オン状態となったときに、複数の車輪１２から接地ラインＧＬに接地電位を供給する。
起動用スイッチ回路３１〜３５は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成され、電力変換装置の各部の起動時に使用される。例えば、燃料電池ＦＣ１が給電を開始する際には、起動用スイッチ回路３１がオフ状態となって、燃料電池ＦＣ１から抵抗Ｒ１を介してインバーター６０に電力が供給されることにより、急峻な突入電流が抑制される。その後は、起動用スイッチ回路３１がオン状態となって、燃料電池ＦＣ１から起動用スイッチ回路３１を介してインバーター６０に電力が供給される。
主電動機４０は、例えば、インダクションモーター（ＩＭ）で構成され、力行時に、三相交流電圧（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が供給されて車輪を駆動すると共に、回生時に、車輪にブレーキ力を与えて交流起電力を発生する。補助回路用電源装置５０は、例えば、インバーターを含み、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を交流電圧に変換することにより、走行用以外の空調装置等の車内設備に交流電圧を供給する。
燃料電池ＦＣ１は、例えば、正極剤として酸素と負極剤として水素とを化学反応させることにより、水の電気分解と逆の反応を利用して電気エネルギーを生成する。非電化区間においては、燃料電池ＦＣ１に加えて蓄電池ＢＡＴを活用することにより、燃料電池ＦＣ１において消費される燃料を節約することができる。蓄電池ＢＡＴとしては、例えば、充電が可能なリチウムイオン二次電池等が用いられる。蓄電池ＢＡＴは、主に電化区間において充電され、非電化区間において電力変換装置に電力を供給する。
＜電力変換装置＞
第１の実施形態に係る電力変換装置は、インバーター６０と、変圧器（絶縁トランス）７０と、電圧変換回路８０と、切換回路９０と、入力端子９１と、モーター駆動回路１００と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０と、制御部１２０と、格納部１３０と、制御信号伝送部１４０とを含んでも良い。
インバーター６０は、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換する。変圧器７０は、インバーター６０から交流電圧が供給される１次側巻線７１と、１次側巻線７１から電気的に絶縁された２次側巻線７２とを有している。電圧変換回路８０は、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する。
切換回路９０は、例えば、複数のリレー回路又は電子スイッチ等を含み、制御部１２０から供給される制御信号に従って切換動作を行う。入力端子９１には、直流電化区間において、架線からパンタグラフ１０を介して直流電圧が供給される。切換回路９０は、第１のモードにおいて、電圧変換回路８０から供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給し、第２のモードにおいて、入力端子９１から供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給する。
それにより、電気車両は、第１のモードにおいて、燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行し、第２のモードにおいて、架線からパンタグラフ１０を介して供給される電力を用いて走行する。また、蓄電池ＢＡＴの充電が十分に行われている場合には、第３のモードにおいて、電気車両が蓄電池ＢＡＴから供給される電力を用いて走行するように電力変換装置の動作を切り換えることも可能である。
モーター駆動回路１００は、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて、主電動機４０の駆動電圧を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０は、電源ラインＰＬの直流電圧を降圧して蓄電池ＢＡＴを充電し、又は、蓄電池ＢＡＴから出力される直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬに供給する。
制御部１２０は、各種の遮断器やスイッチ回路、インバーター６０、切換回路９０、モーター駆動回路１００、及び、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０等を制御するための制御信号を生成する。また、制御部１２０は、入力端子９１の直流電圧が所定の閾値以下である場合に、電力変換装置を第１のモードに設定し、入力端子９１の直流電圧が所定の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第２のモードに設定しても良い。そのために、入力端子９１の電圧を測定する電圧計が電気車両に設けられている。あるいは、制御部１２０は、オペレーターの操作に従って、電力変換装置を第１のモード〜第３のモードの内のいずれかに設定しても良い。
制御部１２０は、アナログ回路で構成されても良いし、デジタル回路で構成されても良い。あるいは、制御部１２０は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵに各種の手順を実行させるためのソフトウェア（電力変換プログラム）とで構成されても良い。ソフトウェアは、格納部１３０の記録媒体に格納される。記録媒体としては、内蔵のハードディスク、外付けハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、又は、各種のメモリー等を用いることができる。
以上において、燃料電池ＦＣ１に直接接続されるインバーター６０は、変圧器７０によって電圧変換回路８０及びモーター駆動回路１００等から電気的に絶縁されている。それにより、インバーター６０は、電気車両の複数の車輪１２から電気的に絶縁されており、接地されていない。従って、燃料電池ＦＣ１を非接地の状態で使用することができる。
一方、接地用スイッチ回路１３は、オン状態となったときに、電圧変換回路８０及びモーター駆動回路１００等を電気車両の複数の車輪１２に電気的に接続する。即ち、接地用スイッチ回路１３がオン状態となったときに、電圧変換回路８０及びモーター駆動回路１００等に接続された接地ラインＧＬが、電気車両の複数の車輪１２及びレールを介して接地される。従って、電圧変換回路８０及びモーター駆動回路１００等の各部の電位を安定させることができる。
第１のモードにおいては、電気車両が、燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行する。そのために、制御部１２０は、電圧変換回路８０から供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給するように切換回路９０を制御する。また、接地用スイッチ回路１３、高速度遮断器２１〜２３、及び、起動用スイッチ回路３１〜３３は、オン状態となっている。
＜インバーター＞
高速度遮断器２１及び起動用スイッチ回路３１がオン状態であるときに、燃料電池ＦＣ１は、平滑用のキャパシターＣ１及びインバーター６０に接続されて、インバーター６０に直流電圧を供給する。インバーター６０は、変圧器７０の１次側巻線７１の一端に接続された出力ノードＮ１と、キャパシターＣ２の一端に接続された出力ノードＮ２とを有している。変圧器７０の１次側巻線７１の他端は、キャパシターＣ２の他端に接続されている。
インバーター６０は、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、出力ノードＮ１及びＮ２に供給する。例えば、インバーター６０は、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４と、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１４とを含んでいる。図１に示す例において、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の各々は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスター）である。
スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１２は、燃料電池ＦＣ１の正極端子に接続されるコレクターと、出力ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ１１及びＤ１２は、燃料電池ＦＣ１の正極端子に接続されるカソードと、出力ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ１３及びＱ１４は、出力ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたコレクターと、燃料電池ＦＣ１の負極端子に接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ１３及びＤ１４は、出力ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたカソードと、燃料電池ＦＣ１の負極端子に接続されたアノードとを有している。
インバーター６０は、接地ラインＧＬから電気的に絶縁されてフローティング状態であるので、接地ラインＧＬに電気的に接続された制御部１２０からインバーター６０に制御信号を伝送するために、制御信号伝送部１４０が設けられている。制御信号伝送部１４０は、例えば、発光素子及び光電変換素子を含む光信号伝送回路、又は、小型の絶縁トランス等で構成される。
スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４は、制御部１２０から制御信号伝送部１４０を介してゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、インバーター６０は、例えば、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧７００Ｖを交流電圧に変換して、変圧器７０の１次側巻線７１に供給する。
図２は、図１に示すインバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部１２０は、スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１４のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ１１及びＧ１４と、スイッチング素子Ｑ１２及びＱ１３のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ１２及びＧ１３とを、交互にハイレベルに活性化する。
ただし、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４がオン状態からオフ状態に遷移して電圧阻止能力を回復するまでに時間が必要であるので、回路の短絡を避けるために、制御信号Ｇ１１及びＧ１４の活性化期間と制御信号Ｇ１２及びＧ１３の活性化期間との間に時間Δｔの余裕を持たせている。また、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって時間Δｔを変化させることにより、インバーター６０から出力される交流電圧の大きさを調整しても良い。
制御信号Ｇ１１及びＧ１４がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１４がオン状態となる。それにより、燃料電池ＦＣ１の正極端子から、スイッチング素子Ｑ１１、変圧器７０の１次側巻線７１、キャパシターＣ２、及び、スイッチング素子Ｑ１４を介して、燃料電池ＦＣ１の負極端子に電流が流れる。
一方、制御信号Ｇ１２及びＧ１３がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ１２及びＱ１３がオン状態となる。それにより、燃料電池ＦＣ１の正極端子から、スイッチング素子Ｑ１２、キャパシターＣ２、変圧器７０の１次側巻線７１、及び、スイッチング素子Ｑ１３を介して、燃料電池ＦＣ１の負極端子に電流が流れる。
インバーター６０が、商用電源の周波数（５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ）程度の低い周波数を有する交流電圧を生成する場合には、低い周波数の交流電圧を伝送するために、変圧器７０が大型になると共に、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４も大型になってしまう。そこで、本実施形態においては、インバーター６０が、例えば、商用電源の周波数の百倍以上である８ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの範囲内の高い周波数を有する交流電圧を生成する。
＜キャパシター＞
再び図１を参照すると、キャパシターＣ２は、インバーター６０の出力ノードＮ２と変圧器７０の１次側巻線７１との間に接続されて、変圧器７０のインダクタンス成分と共に直列共振回路を構成する。この直列共振回路の共振周波数ｆは、変圧器７０の１次側から見たインダクタンスＬと、キャパシターＣ２のキャパシタンスＣとを用いて、次式で表される。
ｆ＝１／｛２π（ＬＣ）１／２｝
インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣは、共振周波数ｆが、インバーター６０によって生成される交流電圧の周波数と略等しくなるように設定される。それにより、インバーター６０の出力ノードＮ１と出力ノードＮ２との間の交流電圧値と比較して、変圧器７０の１次側巻線７１に供給される交流電圧値を大きくすることができる。例えば、インバーター６０が直流電圧７００Ｖを交流電圧７００Ｖ０−Ｐに変換する場合に、変圧器７０の１次側巻線７１に１４００Ｖ０−Ｐの交流電圧を供給することができる。
＜変圧器と電圧変換回路＞
変圧器７０は、１次側巻線７１の巻数ｎ１と２次側巻線７２の巻数ｎ２との巻数比（ｎ２／ｎ１）に応じて、１次側巻線７１に供給される交流電圧を（ｎ２／ｎ１）倍して２次側巻線７２から出力する。
電圧変換回路８０は、変圧器７０の２次側巻線７２から出力される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する。キャパシターＣ３は、電圧変換回路８０によって生成される直流電圧を平滑化する。変圧器７０の巻数比（ｎ２／ｎ１）は、例えば、電圧変換回路８０によって生成される直流電圧が１５００Ｖとなるように定められる。
第１の実施形態において、電圧変換回路８０は、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成するブリッジ接続された複数のダイオードＤ２１〜Ｄ２４を含む整流回路で構成されている。ダイオードＤ２１及びＤ２２は、電源ラインＰＬに接続されるカソードと、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。ダイオードＤ２３及びＤ２４は、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
第１の実施形態におけるように、インバーター６０が８ｋＨｚ〜１２ｋＨｚ程度の高い周波数の交流信号を生成する場合には、さらに高い周波数の制御信号でトランジスターをオン／オフ制御して整流動作を行うよりも、ダイオードを用いて整流動作を行う方が、安定性が高く、電力損失も小さくすることができる。
＜モーター駆動回路＞
第１のモードにおいて、切換回路９０は、電圧変換回路８０によって生成される直流電圧を電源ラインＰＬに供給する。電源ラインＰＬに供給される直流電圧は、インダクターＬ４を介して、平滑用のキャパシターＣ４及びモーター駆動回路１００に供給される。インダクターＬ４及びキャパシターＣ４は、ローパスフィルターを構成しており、モーター駆動回路１００に供給される直流電圧を平滑化する。
モーター駆動回路１００は、制御部１２０の制御の下で、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて主電動機４０の駆動電圧を生成する。モーター駆動回路１００は、例えば、ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバーター等で構成され、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を交流電圧に変換する。
モーター駆動回路１００は、例えば、主電動機４０に三相交流電圧を供給するために、スイッチング素子Ｑ３１〜Ｑ３６と、スイッチング素子Ｑ３１〜Ｑ３６にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ３１〜Ｄ３６とを含んでいる。図１に示す例において、スイッチング素子Ｑ３１〜Ｑ３６の各々は、ＩＧＢＴである。
スイッチング素子Ｑ３１〜Ｑ３３は、インダクターＬ４を介して電源ラインＰＬに接続されたコレクターと、主電動機４０の３つの端子にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ３１〜Ｄ３３は、インダクターＬ４を介して電源ラインＰＬに接続されたカソードと、主電動機４０の３つの端子にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ３４〜Ｑ３６は、主電動機４０の３つの端子にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ３４〜Ｄ３６は、主電動機４０の３つの端子にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ３１〜Ｑ３６は、制御部１２０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、モーター駆動回路１００は、例えば、電源ラインＰＬから供給される直流電圧１５００Ｖを三相交流電圧１５００Ｖ０−Ｐに変換して、主電動機４０の駆動電圧を生成する。主電動機４０が、モーター駆動回路１００から供給される駆動電圧に従って車輪を回転させることにより、電気車両が走行する。
モーター駆動回路１００は、力行時に、電源ラインＰＬに供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して主電動機４０に供給し、回生時に、主電動機４０において発生する交流起電力を直流電圧に変換して電源ラインＰＬに供給する。この直流電圧は、蓄電池ＢＡＴの充電に用いられるか、又は、架線を介して他の電気車両に供給される。
図３は、図１に示す電気車両の第２のモードにおける接続状態を示す図である。直流電化区間においては、架線からパンタグラフ１０を介して入力端子９１に直流電圧が供給される。そこで、電気車両は、第２のモードにおいて、架線から供給される電力を用いて走行する。
そのために、制御部１２０は、入力端子９１から供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給するように切換回路９０を制御する。また、接地用スイッチ回路１３、高速度遮断器２３、及び、起動用スイッチ回路３３はオン状態となり、高速度遮断器２１及び２２、及び、起動用スイッチ回路３１及び３２はオフ状態となっている。
＜ＤＣ／ＤＣコンバーター＞
ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０は、電源ラインＰＬから蓄電池ＢＡＴへの充電、又は、蓄電池ＢＡＴから電源ラインＰＬへの放電の際に用いられる。蓄電池ＢＡＴの充放電を行う際には、制御部１２０が、高速度遮断器２４及び２５、及び、起動用スイッチ回路３４及び３５をオン状態に制御する。
ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０は、例えば、スイッチング素子Ｑ４１及びＱ４２と、スイッチング素子Ｑ４１及びＱ４２にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ４１及びＤ４２と、キャパシターＣ６と、インダクターＬ６とを含んでいる。図１及び図３に示す例において、スイッチング素子Ｑ４１及びＱ４２の各々は、ＩＧＢＴである。
キャパシターＣ６は、スイッチング素子Ｑ４１及びＱ４２の直列回路の両端電圧を平滑化し、インダクターＬ５と共にローパスフィルターを構成する。また、電源ラインＰＬの電位を急速に低下させる場合には、制御部１２０が、サイリスターＴＨ１をオン状態に制御することにより、電源ラインＰＬから、インダクターＬ５、抵抗Ｒ６、及び、サイリスターＴＨ１を介して、接地ラインＧＬに電流が流れる。
スイッチング素子Ｑ４１は、インダクターＬ５を介して電源ラインＰＬに接続されたコレクターと、インダクターＬ６に接続されたエミッターと、制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ４１は、インダクターＬ５を介して電源ラインＰＬに接続されたカソードと、インダクターＬ６に接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ４２は、インダクターＬ６に接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ４２は、インダクターＬ６に接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
蓄電池ＢＡＴの充電電圧は、例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖであり、電源ラインＰＬから蓄電池ＢＡＴに充電を行う際には、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０が、電源ラインＰＬから供給される直流電圧（例えば、１５００Ｖ）を降圧して降圧電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）を生成する。
図４は、図１及び図３に示すＤＣ／ＤＣコンバーターに降圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部１２０は、スイッチング素子Ｑ４１のゲートに供給される制御信号Ｇ４１を周期的にハイレベルに活性化し、スイッチング素子Ｑ４２のゲートに供給される制御信号Ｇ４２をローレベルに維持する。従って、スイッチング素子Ｑ４１が周期的にオン状態となり、スイッチング素子Ｑ４２がオフ状態のままとなる。
制御信号Ｇ４１がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ４１がオン状態となる。それにより、電源ラインＰＬから、インダクターＬ５、スイッチング素子Ｑ４１、及び、インダクターＬ６を介して、蓄電池ＢＡＴの正極端子に電流が流れる。その際に、インダクターＬ６において、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。また、ダイオードＤ４２は、オフ状態となる。
一方、制御信号Ｇ４１がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ４１がオフ状態となる。その際に、インダクターＬ６に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、接地ラインＧＬから、ダイオードＤ４２及びインダクターＬ６を介して、蓄電池ＢＡＴの正極端子に電流が流れる。
それにより、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０は、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を蓄電池ＢＡＴに供給する降圧チョッパーとして動作する。降圧電圧の値は、スイッチング素子Ｑ４１のゲートに供給される制御信号のデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
キャパシターＣ５は、インダクターＬ６と共にローパスフィルターを構成しており、蓄電池ＢＡＴに供給される降圧電圧を平滑化する。降圧電圧が蓄電池ＢＡＴに供給されることにより、蓄電池ＢＡＴの充電が行われる。このようにして、主に電化区間において蓄電池ＢＡＴを充電することができる。蓄電池ＢＡＴが十分に充電されると、制御部１２０は、制御信号Ｇ４１をローレベルに非活性化しても良いし、又は、高速度遮断器２４又は２５をオフ状態に制御しても良い。
非電化区間においては、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０が、蓄電池ＢＡＴから出力される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインＰＬに供給しても良い。それにより、電気車両は、蓄電池ＢＡＴから供給される電力を用いて走行することができる（第３のモード）。第３のモードにおいては、制御部１２０が、切換回路９０を非接続状態に制御しても良いし、又は、高速度遮断器２２をオフ状態としても良い。
図５は、図１及び図３に示すＤＣ／ＤＣコンバーターに昇圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部１２０は、スイッチング素子Ｑ４１のゲートに供給される制御信号Ｇ４１をローレベルに維持し、スイッチング素子Ｑ４２のゲートに供給される制御信号Ｇ４２を周期的にハイレベルに活性化する。従って、スイッチング素子Ｑ４１がオフ状態のままとなり、スイッチング素子Ｑ４２が周期的にオン状態となる。
制御信号Ｇ４２がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ４２がオン状態となる。それにより、蓄電池ＢＡＴの正極端子から、インダクターＬ６及びスイッチング素子Ｑ４２を介して、接地ラインＧＬに電流が流れる。その際に、インダクターＬ６において、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。また、ダイオードＤ４１は、オフ状態となる。
一方、制御信号Ｇ４２がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ４２がオフ状態となる。その際に、インダクターＬ６に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、蓄電池ＢＡＴの正極端子から、インダクターＬ６、ダイオードＤ４１、及び、インダクターＬ５を介して、電源ラインＰＬに電流が流れる。
それにより、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０は、蓄電池ＢＡＴから供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を電源ラインＰＬに供給する昇圧チョッパーとして動作する。昇圧電圧の値は、スイッチング素子Ｑ４２のゲートに供給される制御信号のデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
本発明の第１の実施形態によれば、電力変換装置において、インバーター６０が、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器７０の１次側巻線７１に供給し、電圧変換回路８０が、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成してモーター駆動回路１００に供給する。このような構成によって、インバーター６０が、電圧変換回路８０及びモーター駆動回路１００から電気的に絶縁されている。
また、電気車両は、上記の電力変換装置と、電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪１２とを備え、インバーター６０が、複数の車輪１２から電気的に絶縁されている。それにより、接地されているレール上を電気車両が走行する際に、インバーター６０が、レールから電気的に絶縁される。従って、燃料電池ＦＣ１に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池ＦＣ１又は架線から電力が供給されて主電動機４０を駆動するモーター駆動回路１００等を接地することが可能となる。
＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。図６には、電気車両が燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行する第１のモードにおける接続状態が示されている。
第２の実施形態においては、電圧変換回路として、図１及び図３に示す第１の実施形態における電圧変換回路８０の替わりに、ＰＷＭコンバーター８０ａが用いられる。また、インバーター６０が生成する交流電圧の周波数は、例えば、商用電源の周波数の３倍以上である２００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲内であり、共振を発生させるためのキャパシターＣ２は省略されている。その他の点に関しては、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様でも良い。
ＰＷＭコンバーター８０ａは、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を直流電圧（直流リンク電圧）に変換する。その際に、インバーター６０によって生成される交流電圧が、変圧器７０の漏れインダクタンスを介してＰＷＭコンバーター８０ａに供給されることになる。例えば、ＰＷＭコンバーター８０ａは、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４と、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ５１〜Ｄ５４とを含んでいる。図６に示す例において、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４の各々は、ＩＧＢＴである。
スイッチング素子Ｑ５１及びＱ５２は、電源ラインＰＬに接続されるコレクターと、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ５１及びＤ５２は、電源ラインＰＬに接続されるカソードと、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ５３及びＱ５４は、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ５３及びＤ５４は、変圧器７０の２次側巻線７２の両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４は、制御部１２０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、ＰＷＭコンバーター８０ａは、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を直流リンク電圧（例えば、１５００Ｖ）に変換して電源ラインＰＬに供給する。なお、直流リンク電圧とは、キャパシターＣ３の両端間に発生する脈動直流電圧のことをいう。キャパシターＣ３の容量を大きくすることにより、直流リンク電圧の脈動振幅を低下させることができる。
図７は、図６に示すＰＷＭコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部１２０は、スイッチング素子Ｑ５１及びＱ５３のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ５１及びＧ５３を交互にハイレベルに活性化すると共に、スイッチング素子Ｑ５２及びＱ５４のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ５２及びＧ５４を交互にハイレベルに活性化する。従って、スイッチング素子Ｑ５１及びＱ５３が交互にオン状態となり、スイッチング素子Ｑ５２及びＱ５４が交互にオン状態となる。
ここで、制御信号Ｇ５１〜Ｇ５４の生成方法の一例について説明する。図７の上段には、互いに逆相の三角波キャリアＶＣ１及びＶＣ２の波形と、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に同期する単位正弦波（変調波）ＶＭの波形とが示されている。図７に示す例においては、三角波キャリアＶＣ１及びＶＣ２の振幅が「１」に正規化されている。
制御部１２０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ１よりも大きい期間において、制御信号Ｇ５１をハイレベルに活性化すると共に、制御信号Ｇ５３をローレベルに非活性化する。また、制御部１２０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ１よりも小さい期間において、制御信号Ｇ５１をローレベルに非活性化すると共に、制御信号Ｇ５３をハイレベルに活性化する。
さらに、制御部１２０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ２よりも小さい期間において、制御信号Ｇ５２をハイレベルに活性化すると共に、制御信号Ｇ５４をローレベルに非活性化する。また、制御部１２０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ２よりも大きい期間において、制御信号Ｇ５２をローレベルに非活性化すると共に、制御信号Ｇ５４をハイレベルに活性化する。
その結果、キャパシターＣ３の両端間に発生する直流リンク電圧をＶｄとしたときに、変圧器７０の２次側巻線７２の両端間の電圧である線間電圧（電圧指令値）Ｖｃが、変調波ＶＭの正の半周期において交互に「０」とＶｄとになり、変調波ＶＭの負の半周期において交互に「０」と−Ｖｄとになる。
それにより、ＰＷＭコンバーター８０ａは、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインＰＬに供給する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー比等によって所望の値に制御することができる。従って、変圧器７０の１次側巻線７１と２次側巻線７２との巻数比の自由度が増大する。
また、電源ラインＰＬに供給される直流リンク電圧の制御は、インバーター６０から出力される交流電圧の大きさを調整することにより行っても良い。その場合には、ＰＷＭコンバーター８０ａにおいてスイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５４を省略して、図１及び図３に示す電圧変換回路８０と同様の構成としても良い。
モーター駆動回路１００は、制御部１２０の制御の下で、ＰＷＭコンバーター８０ａから電源ラインＰＬを介して供給される直流リンク電圧に基づいて、主電動機４０の駆動電圧を生成する。それにより、電気車両が、燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行する。
本発明の第２の実施形態によれば、インバーター６０がＰＷＭコンバーター８０ａ及びモーター駆動回路１００から電気的に絶縁されている。従って、燃料電池ＦＣ１に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池ＦＣ１又は架線から電力が供給されて主電動機４０を駆動するモーター駆動回路１００等を接地することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。図８には、電気車両が２つの燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から供給される電力を用いて走行する第１のモードにおける接続状態が示されている。
第３の実施形態においては、図６に示す第２の実施形態の構成に加えて、電気車両が、第２の燃料電池ＦＣ２と、高速度遮断器２６と、起動用スイッチ回路３６と、抵抗Ｒ７と、キャパシターＣ７とをさらに含んでいる。また、電力変換装置が、第２のインバーター６０ａと、第２の変圧器７０ａと、第２のＰＷＭコンバーター８０ｂとをさらに含んでいる。その他の点に関しては、第３の実施形態は、第２の実施形態と同様でも良い。
高速度遮断器２６及び起動用スイッチ回路３６がオン状態であるときに、第２の燃料電池ＦＣ２が、平滑用のキャパシターＣ７及び第２のインバーター６０ａに接続されて、第２のインバーター６０ａに直流電圧を供給する。第２のインバーター６０ａは、第２の変圧器７０ａの１次側巻線７１ａの両端にそれぞれ接続された出力ノードＮ３及びＮ４を有している。
第２のインバーター６０ａは、第２の燃料電池ＦＣ２から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、出力ノードＮ３及びＮ４に供給する。例えば、第２のインバーター６０ａは、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４と、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ６１〜Ｄ６４とを含んでいる。図８に示す例において、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４の各々は、ＩＧＢＴである。
スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２は、第２の燃料電池ＦＣ２の正極端子に接続されたコレクターと、出力ノードＮ３及びＮ４にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ６１及びＤ６２は、第２の燃料電池ＦＣ２の正極端子に接続されたカソードと、出力ノードＮ３及びＮ４にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４は、出力ノードＮ３及びＮ４にそれぞれ接続されたコレクターと、第２の燃料電池ＦＣ２の負極端子に接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ６３及びＤ６４は、出力ノードＮ３及びＮ４にそれぞれ接続されたカソードと、第２の燃料電池ＦＣ２の負極端子に接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４は、制御部１２０から制御信号伝送部１４０を介してゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それらの制御信号の波形は、図２に示す制御信号の波形と同様でも良い。第２のインバーター６０ａは、例えば、第２の燃料電池ＦＣ２から供給される直流電圧７００Ｖを交流電圧に変換して、第２の変圧器７０ａの１次側巻線７１ａに供給する。交流電圧の周波数は、例えば、商用電源の周波数の３倍以上である２００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲内である。
第２の変圧器７０ａは、第２のインバーター６０ａから交流電圧が供給される１次側巻線７１ａと、１次側巻線７１ａから電気的に絶縁された２次側巻線７２ａとを有している。それにより、第２のインバーター６０ａは、第２のＰＷＭコンバーター８０ｂ及びモーター駆動回路１００等が接続された接地ラインＧＬから電気的に絶縁される。
第２のＰＷＭコンバーター８０ｂは、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａから供給される交流電圧を直流リンク電圧（例えば、１５００Ｖ）に変換して電源ラインＰＬに供給する。例えば、第２のＰＷＭコンバーター８０ｂは、スイッチング素子Ｑ７１〜Ｑ７４と、スイッチング素子Ｑ７１〜Ｑ７４にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ７１〜Ｄ７４とを含んでいる。図８に示す例において、スイッチング素子Ｑ７１〜Ｑ７４の各々は、ＩＧＢＴである。
スイッチング素子Ｑ７１及びＱ７２は、電源ラインＰＬに接続されるコレクターと、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａの両端にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ７１及びＤ７２は、電源ラインＰＬに接続されるカソードと、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａの両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ７３及びＱ７４は、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａの両端にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ７３及びＤ７４は、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａの両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
スイッチング素子Ｑ７１〜Ｑ７４は、制御部１２０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それらの制御信号の波形は、図７に示す制御信号の波形と同様でも良い。第２のＰＷＭコンバーター８０ｂは、第２の変圧器７０ａの２次側巻線７２ａから供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインＰＬに供給する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Ｑ７１〜Ｑ７４のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
電源ラインＰＬにおいて、ＰＷＭコンバーター８０ａから供給される直流リンク電圧と第２のＰＷＭコンバーター８０ｂから供給される直流リンク電圧とが合成される。従って、制御部１２０は、ＰＷＭコンバーター８０ａから供給される直流リンク電圧と第２のＰＷＭコンバーター８０ｂから供給される直流リンク電圧とが不均衡にならないように、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２の出力電圧に応じて、ＰＷＭコンバーター８０ａ及び第２のＰＷＭコンバーター８０ｂに供給される制御信号の周期又はデューティー比等を設定する。そのために、燃料電池ＦＣ１の出力電圧を測定する電圧計と、燃料電池ＦＣ２の出力電圧を測定する電圧計とが、電気車両に設けられている。
本発明の第３の実施形態によれば、インバーター６０がＰＷＭコンバーター８０ａ及びモーター駆動回路１００から電気的に絶縁されていると共に、第２のインバーター６０ａが第２のＰＷＭコンバーター８０ｂ及びモーター駆動回路１００から電気的に絶縁されている。従って、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２又は架線から電力が供給されて主電動機４０を駆動するモーター駆動回路１００等を接地することが可能となる。
＜電力変換方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換方法について、図１、図３、及び、図９を参照しながら説明する。図９は、本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
この電力変換方法は、図１及び図３に示すように、直流電圧を交流電圧に変換するインバーター６０と、インバーター６０から交流電圧が供給される１次側巻線７１、及び、１次側巻線７１から電気的に絶縁された２次側巻線７２を有する変圧器７０と、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路８０と、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて主電動機４０の駆動電圧を生成するモーター駆動回路１００とを含む電力変換装置において用いられる。
図９に示すステップＳ１において、制御部１２０が、電力変換装置を第１のモード〜第３のモードの内のいずれかに設定する。電気車両は、第１のモードにおいて、燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行し、第２のモードにおいて、架線から供給される電力を用いて走行し、第３のモードにおいて、蓄電池ＢＡＴから供給される電力を用いて走行する。
図９に示すステップＳ２〜Ｓ５は、第１のモードにおける電力変換装置（図１参照）の動作を表している。まず、ステップＳ２において、制御部１２０が、電圧変換回路８０によって生成される直流電圧を電源ラインＰＬに供給するように切換回路９０を制御する。
次に、ステップＳ３において、制御部１２０が、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーター６０に制御信号を供給する。それにより、インバーター６０が、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器７０の１次側巻線７１に供給する。また、ステップＳ４において、電圧変換回路８０を用いて、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に基づいて直流電圧が生成される。
ここで、ステップＳ４において、電圧変換回路８０を構成するブリッジ接続された複数のダイオードＤ２１〜Ｄ２４を用いて、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を整流して直流電圧が生成されるようにしても良い。あるいは、図６に示すＰＷＭコンバーター８０ａが用いられる場合には、制御部１２０が、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧を直流電圧に変換するように、電圧変換回路を構成するＰＷＭコンバーター８０ａに制御信号を供給するようにしても良い。
次に、ステップＳ５において、制御部１２０が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路１００に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路１００が、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて、主電動機４０の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、燃料電池ＦＣ１から供給される電力を用いて走行する。
図９に示すステップＳ６〜Ｓ７は、第２のモード（図３参照）における電力変換装置の動作を表している。まず、ステップＳ６において、制御部１２０が、パンタグラフ１０を介して架線に電気的に接続されている入力端子９１から供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給するように切換回路９０を制御する。
次に、ステップＳ７において、制御部１２０が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路１００に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路１００が、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて、主電動機４０の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、架線から供給される電力を用いて走行する。
図９に示すステップＳ８〜Ｓ１０は、第３のモードにおける電力変換装置の動作を表している。まず、ステップＳ８において、制御部１２０が、切換回路９０を非接続状態に制御する。あるいは、制御部１２０が、高速度遮断器２２をオフ状態としても良い。
次に、ステップＳ９において、制御部１２０が、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０に制御信号を供給する。それにより、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１０が、蓄電池ＢＡＴから出力される直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬに供給する。
次に、ステップＳ１０において、制御部１２０が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路１００に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路１００が、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて、主電動機４０の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、蓄電池ＢＡＴから供給される電力を用いて走行する。
本実施形態によれば、第１のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーター６０を用いて、燃料電池ＦＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器７０の１次側巻線７１に供給し、電圧変換回路８０を用いて、変圧器７０の２次側巻線７２から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成して電源ラインＰＬに供給するので、燃料電池ＦＣ１に直接接続される回路を非接地とすることができる。また、第１〜第３のモードにおいて、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて主電動機４０の駆動電圧を生成するモーター駆動回路１００等を接地することができる。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。例えば、以上説明した実施形態の内から選択された複数の実施形態を組み合わせて実施することも可能である。
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置、又は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両において利用することが可能である。
１０…パンタグラフ、１２…車輪、１３…接地用スイッチ回路、２１〜２６…高速度遮断器、３１〜３６…起動用スイッチ回路、４０…主電動機、５０…補助回路用電源装置、６０、６０ａ…インバーター、７０、７０ａ…変圧器、７１、７１ａ…１次側巻線、７２、７２ａ…２次側巻線、８０…電圧変換回路、８０ａ、８０ｂ…ＰＷＭコンバーター、９０…切換回路、９１…入力端子、１００…モーター駆動回路、１１０…ＤＣ／ＤＣコンバーター、１２０…制御部、１３０…格納部、１４０…制御信号伝送部、ＦＣ１、ＦＣ２…燃料電池、ＢＡＴ…蓄電池、Ｒ１〜Ｒ７…抵抗、Ｃ１〜Ｃ７…キャパシター、Ｌ４〜Ｌ６…インダクター、Ｑ１１〜Ｑ７４…スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ７４…ダイオード

Claims (12)

  1. 燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、
    前記インバーターから交流電圧が供給される１次側巻線、及び、１次側巻線から電気的に絶縁された２次側巻線を有する変圧器と、
    前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、
    第１のモードにおいて、少なくとも前記電圧変換回路から供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第２のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を前記電源ラインに供給する切換回路と、
    前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路と、
    を備え、前記インバーターが、前記電圧変換回路及び前記モーター駆動回路から電気的に絶縁されている、電力変換装置。
  2. 前記電圧変換回路が、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成するブリッジ接続された複数のダイオードを含む、請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記インバーターの出力ノードと前記変圧器の１次側巻線との間に接続されて、前記変圧器のインダクタンス成分と共に直列共振回路を構成するキャパシターをさらに備える、請求項２記載の電力変換装置。
  4. 前記電圧変換回路が、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバーターを含む、請求項１記載の電力変換装置。
  5. 第２の燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換する第２のインバーターと、
    前記第２のインバーターから交流電圧が供給される１次側巻線、及び、１次側巻線から電気的に絶縁された２次側巻線を有する第２の変圧器と、
    前記第２の変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第２のＰＷＭコンバーターと、
    をさらに備え、前記第２のインバーターが、前記第２のＰＷＭコンバーター及び前記モーター駆動回路から電気的に絶縁されており、前記ＰＷＭコンバーターから出力される直流電圧と前記第２のＰＷＭコンバーターから出力される直流電圧とが合成される、請求項４記載の電力変換装置。
  6. 前記電源ラインの直流電圧を降圧して蓄電池を充電し、又は、前記蓄電池から出力される直流電圧を昇圧して前記電源ラインに供給するＤＣ／ＤＣコンバーターをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項記載の電力変換装置。
  7. 前記入力端子の直流電圧が所定の閾値以下である場合に、前記電力変換装置を前記第１のモードに設定し、前記入力端子の直流電圧が所定の閾値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を前記第２のモードに設定する制御部をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項記載の電力変換装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の電力変換装置と、
    前記電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪と、
    を備え、前記インバーターが、前記複数の車輪から電気的に絶縁されている、電気車両。
  9. オン状態となったときに、前記電圧変換回路及び前記モーター駆動回路を前記複数の車輪に電気的に接続するスイッチ回路をさらに備える、請求項８記載の電気車両。
  10. 直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、前記インバーターから交流電圧が供給される１次側巻線、及び、１次側巻線から電気的に絶縁された２次側巻線を有する変圧器と、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路とを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、
    第１のモードにおいて、前記電圧変換回路によって生成される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ（ａ）と、
    前記第１のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁された前記インバーターに制御信号を供給することにより、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記変圧器の１次側巻線に供給するステップ（ｂ）と、
    前記第１のモードにおいて、前記電圧変換回路を用いて、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成するステップ（ｃ）と、
    前記第１のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続された前記モーター駆動回路に制御信号を供給することにより、前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて前記主電動機の駆動電圧を生成するステップ（ｄ）と、
    第２のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように前記切換回路を制御するステップ（ｅ）と、
    前記第２のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続された前記モーター駆動回路に制御信号を供給することにより、前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて前記主電動機の駆動電圧を生成するステップ（ｆ）と、
    を備える電力変換方法。
  11. ステップ（ｃ）が、前記電圧変換回路を構成するブリッジ接続された複数のダイオードを用いて、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成することを含む、請求項１０記載の電力変換方法。
  12. ステップ（ｃ）が、前記変圧器の２次側巻線から供給される交流電圧を直流電圧に変換するように、前記電圧変換回路を構成するＰＷＭコンバーターに制御信号を供給することを含む、請求項１０記載の電力変換方法。
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