JP6746786B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両に関する。

従来、架線から電力供給を受けて走行する鉄道車両の他、発電機により発電された電力を用いて走行したり、蓄電池によって蓄えられた電力を用いて走行する鉄道車両が知られている。架線から電力供給を受けない鉄道車両では、車載の電力系統の一部に異常が発生した場合に、モータへの電力供給ができなくなり、退避走行ができなくなるおそれがあった。

特開２０１４―９０５５４号公報 特開２０１４―９１５０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、電力系統の異常発生時において、より継続的に走行可能な鉄道車両を提供することである。

実施形態の鉄道車両は、第１の蓄電池ユニットと、第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、第１のＤＣ−ＡＣ変換器と、第１のモータと、第１のＤＣリンクと、第２の蓄電池ユニットと、第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、第２のＤＣ−ＡＣ変換器と、第２のモータと、第２のＤＣリンクと、第３のＤＣリンクと、制御部とを持つ。第１のＤＣ−ＤＣ変換器は、第１の蓄電池ユニットに接続されている。第１のＤＣ−ＡＣ変換器は、直流を交流に変換する。第１のモータは、第１のＤＣ−ＡＣ変換器から供給される交流を用いて、車輪に対して駆動力を出力する。第１のＤＣリンクは、第１のＤＣ−ＤＣ変換器と第１のＤＣ−ＡＣ変換器とを接続し、第１のスイッチが設けられている。第２のＤＣ−ＤＣ変換器は、第２の蓄電池ユニットに接続されている。第２のＤＣ−ＡＣ変換器は、直流を交流に変換する。第２のモータは、第２のＤＣ−ＡＣ変換器から供給される交流を用いて、車輪に対して駆動力を出力する。第２のＤＣリンクは、第２のＤＣ−ＤＣ変換器と第２のＤＣ−ＡＣ変換器とを接続し、第２のスイッチが設けられている。第３のＤＣリンクは、第１のＤＣリンクにおける第１のスイッチと第１のＤＣ−ＡＣ変換器との間の箇所と、第２のＤＣリンクにおける第２のスイッチと第２のＤＣ−ＡＣ変換器との間の箇所とを接続し、第３のスイッチが設けられている。制御部は、第１のＤＣ−ＤＣ変換部を制御して第１のＤＣリンクの電圧を目標電圧に近づけると共に、第２のＤＣ−ＤＣ変換部を制御して第２のＤＣリンクの電圧を目標電圧に近づけ、第１の蓄電池ユニット、第１のＤＣ−ＤＣ変換器、第２の蓄電池ユニット、および第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じていない場合、第１のスイッチおよび第２のスイッチを導通状態にし、第１の蓄電池ユニットまたは第１のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、第１のスイッチを遮断状態にすると共に、第２のスイッチおよび第３のスイッチを導通状態にし、第２の蓄電池ユニットまたは第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、第２のスイッチを遮断状態にすると共に、第１のスイッチおよび第３のスイッチを導通状態にする。

実施形態の鉄道車両１の概略図。 第１の実施形態の鉄道車両１に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０の構成図。 制御部５０の機能構成図。 所定の負荷トルクを導出するためのマップの一例を示す図。 異常判定部５５による判定結果に基づく状態ごとの、スイッチ制御および変換器制御の内容を示す図。 通常状態における電力供給経路を示す図。 蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていない場合における電力供給経路を示す図。 蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合における電力供給経路を示す図。 蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合における電力供給経路を示す図。 第２の実施形態の鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ａの構成図。 第３の実施形態の鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ｂの構成図。 第３の実施形態に係る異常判定部５５による判定結果に基づく状態ごとの、スイッチ制御および変換器制御の内容を示す図。 第４の実施形態に係る鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ｃの構成図。

以下、実施形態の鉄道車両を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の鉄道車両１の概略図である。鉄道車両１は、例えば、架線から電力供給を受けずに、線路上を走行する車両である。鉄道車両１には、車輪８０−１、８０−２、８０−３、および８０−４の車軸に連結され、それぞれの車輪を駆動するモータ７０Ａ−１、７０Ａ−２、７０Ｂ−１、および７０Ｂ−２が搭載されている。また、鉄道車両１には、モータ７０Ａ−１、７０Ａ−２、７０Ｂ−１、および７０Ｂ−２に交流電力を供給する鉄道車両用電力供給システム１０が搭載されている。以下、いずれのモータであるか区別しないときは、単にモータ７０と称し、いずれの車輪であるか区別しないときは、単に車輪８０と称する。モータ７０は、例えば、永久磁石モータであるが、これに限らず、同期リラクタンスモータなどの誘導モータであっても構わない。鉄道車両用電力供給システム１０の構成要素は、鉄道車両１の床下部分に搭載されてもよいし、車室内に搭載されてもよい。また、図１に示したモータ７０や車輪８０の数または組み合わせは、あくまで一例であり、如何様に変更されてもよい。モータ７０Ａ−１と７０Ａ−２のうち一方または双方は、第１のモータの一例であり、モータ７０Ｂ−１と７０Ｂ−２のうち一方または双方は、第２のモータの一例である。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態の鉄道車両１に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０の構成図である。第１の実施形態において、モータ７０は永久磁石モータであるものとする。鉄道車両用電力供給システム１０は、例えば、エンジン１２と、発電機１４と、第１のＤＣリンク２０Ａおよびこれに接続された機器と、第２のＤＣリンク２０Ｂおよびこれに接続された機器と、第３のＤＣリンク４０とを備える。なお、鉄道車両用電力供給システム１０からエンジン１２および発電機１４を除いたものを、鉄道車両用電力変換装置と称してもよい。

エンジン１２は、燃料を燃焼させることで動力を出力する内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）である。エンジン１２は、例えば、負荷トルクによらず所定回転数で運転するように制御される。発電機１４は、エンジン１２の出力する動力を用いて交流電力を発電する。発電機１４は、例えば、三相交流電力を出力する。

［第１のＤＣリンク側の構成］
第１のＤＣリンク２０Ａには、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、第１のスイッチ２６Ａ、平滑コンデンサ２８Ａ、電圧センサ３０Ａ、ＡＣ−ＤＣ変換器（コンバータ）３２Ａ、ＤＣ−ＡＣ変換器（インバータ）３４Ａ−１および３４Ａ−２などの機器が接続されている。蓄電池ユニット２２Ａは第１の蓄電池ユニットの一例であり、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａは第１のＤＣ−ＤＣ変換器の一例であり、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａは第１のＡＣ−ＤＣ変換器の一例であり、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１および３４Ａ−２は第１のＤＣ−ＡＣ変換器の一例である。

蓄電池ユニット２２Ａは、リチウムイオン電池などの蓄電池と、充電回路、電圧センサ、電流センサ、温度計、およびこれらの検出値に基づいて充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を計算するＢＭＵ（Battery Management Unit）などの機器とを含む。

ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａは、例えば、ＤＣ−ＤＣチョッパである。ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａは、蓄電池ユニット２２Ａ側と、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１および３４Ａ−２側との間で電圧変換を行う。ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａは、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧が一定値に維持されるように動作する。

平滑コンデンサ２８Ａは、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧を平滑化する。電圧センサ３０Ａは、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧を測定し、制御部５０に出力する。

ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａは、発電機１４により発電された三相交流の電力を、直流に変換して第１のＤＣリンク２０Ａ側に出力する。

ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１は、例えば、内部に複数のスイッチング素子を備える。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１は、第１のＤＣリンク２０Ａを介して供給される直流を三相交流に変換し、モータ７０Ａ−１に供給する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１とモータ７０Ａ−１の間には、接触器３６Ａ−１が設けられている。同様に、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−２は、第１のＤＣリンク２０Ａを介して供給される直流を三相交流に変換し、モータ７０Ａ−２に供給する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−２とモータ７０Ａ−２の間には、接触器３６Ａ−２が設けられている。接触器３６Ａ−１および３６Ａ−２は、モータ７０Ａ−１および７０Ａ−２を駆動しない状態で車輪８０−１および８０−２が回転する場合、例えば鉄道車両１が他の車両によって牽引されるような場合、或いは鉄道車両１が退避走行を行って停止する場合などに、制御部５０によって遮断状態に制御される。

［第２のＤＣリンク側の構成］
第２のＤＣリンク２０Ｂには、蓄電池ユニット２２Ｂ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂ、第１のスイッチ２６Ｂ、平滑コンデンサ２８Ｂ、電圧センサ３０Ｂ、ＡＣ−ＤＣ変換器（コンバータ）３２Ｂ、ＤＣ−ＡＣ変換器（インバータ）３４Ｂ−１および３４Ｂ−２などの機器が接続されている。蓄電池ユニット２２Ｂは第２の蓄電池ユニットの一例であり、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂは第２のＤＣ−ＤＣ変換器の一例であり、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂは第２のＡＣ−ＤＣ変換器の一例であり、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１および３４Ｂ−２は第２のＤＣ−ＡＣ変換器の一例である。

蓄電池ユニット２２Ｂは、リチウムイオン電池などの蓄電池と、充電回路、電圧センサ、電流センサ、温度計、およびこれらの検出値に基づいて充電率を計算するＢＭＵなどの機器とを含む。

ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂは、例えば、ＤＣ−ＤＣチョッパである。ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂは、蓄電池ユニット２２Ｂ側と、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１および３４Ｂ−２側との間で電圧変換を行う。ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂは、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧が一定値に維持されるように動作する。

平滑コンデンサ２８Ｂは、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧を平滑化する。電圧センサ３０Ａは、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧を測定し、制御部５０に出力する。

ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂは、発電機１４により発電された三相交流の電力を、直流に変換して第２のＤＣリンク２０Ｂ側に出力する。

ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１は、例えば、内部に複数のスイッチング素子を備える。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１は、第２のＤＣリンク２０Ｂを介して供給される直流を三相交流に変換し、モータ７０Ｂ−１に供給する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１とモータ７０Ｂ−１の間には、接触器３６Ｂ−１が設けられている。同様に、ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−２は、第２のＤＣリンク２０Ｂを介して供給される直流を三相交流に変換し、モータ７０Ｂ−２に供給する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−２とモータ７０Ｂ−２の間には、接触器３６Ｂ−２が設けられている。接触器３６Ｂ−１および３６Ｂ−２は、モータ７０Ｂ−１および７０Ｂ−２を駆動しない状態で車輪８０−３および８０−４が回転する場合、例えば鉄道車両１が他の車両によって牽引されるような場合、或いは鉄道車両１が退避走行を行って停止する場合などに、制御部５０によって遮断状態に制御される。

［第３のＤＣリンク］
第３のＤＣリンク４０は、第１のＤＣリンク２０Ａにおける第１のスイッチ２６ＡとＤＣ−ＡＣ変換器３４Ａ−１および３４Ａ−２との間の箇所Ｐ１、Ｐ２と、第２のＤＣリンク２０Ｂにおける第２のスイッチ２６ＢとＤＣ−ＡＣ変換器３４Ｂ−１および３４Ｂ−２との間の箇所Ｐ３、Ｐ４とを接続する。第３のＤＣリンク４０には、第３のスイッチ４２が設けられている。

第１のスイッチ２６Ａ、第２のスイッチ２６Ｂ、第３のスイッチ４２、並びに接触器３６Ａ−１、３６Ａ−２、３６Ｂ−１、３６Ｂ−２は、例えば、コンタクタ（電磁接触器）である。

以下、いずれのＤＣリンク側の構成であるか区別しないときは、いずれのＤＣリンク側の構成であるかを示す符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ａ−１」、「Ｂ−１」などを適宜省略して説明する。

［制御部］
制御部５０は、鉄道車両用電力供給システム１０の全体を制御する。制御部５０には、マスターコントローラ６０からの指示信号や、速度計６１からの速度測定値などの情報が入力される。

図３は、制御部５０の機能構成図である。制御部５０は、例えば、エンジン出力演算部５１と、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２と、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３と、ＤＣ−ＡＣ変換器制御部５４と、異常判定部５５と、スイッチ制御部５６とを備える。これらの各制御部は、例えば、一以上のハードウェアプロセッサがプログラムを実行することにより実現される。また、これらの各制御部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。制御部５０は、複数のハードウェアプロセッサ、ＬＳＩ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどによって分散処理を行うものであってもよい。この場合、制御部５０は、別体である複数の構成を備えてよく、その一部または全部が、制御対象の機器の近くに設置され、或いは同じ筐体内に収容されてもよい。

エンジン出力演算部５１は、例えば、エンジン１２を、所定回転数Ｎｅで運転するように制御する。所定回転数Ｎｅは、所定の負荷トルクＴｅとの組み合わせでエンジン１２をエネルギー効率良く運転できる回転数である。エンジン出力演算部５１は、決定した回転数を、エンジン１２の制御装置（不図示）に出力する。なお、エンジン出力演算部５１は、エンジン１２の出力と蓄電池ユニット２２Ａおよび２２Ｂの出力の和が、マスターコントローラ６０からの指示信号と速度計６１からの速度測定値に基づいて決定される要求パワーになるように制御する。そして、エンジン出力演算部５１は、蓄電池ユニット２２Ａまたは２２Ｂにおいて、ＳＯＣや温度などに起因する充放電制限が生じた場合、その制限を満たすように所定回転数Ｎｅを上昇または下降させてよい。

ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＡＣ−ＤＣ変換器３２に、例えば、以下に説明するいずれかの制御を実行させる。
（１）トルク制御
この場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、エンジン１２に所定の負荷トルクをかけるようにＡＣ−ＤＣ変換器３２を制御する。所定の負荷トルクとは、エンジン１２をエネルギー効率の良い運転ポイントで運転させるためのトルクである。図４は、所定の負荷トルクを導出するためのマップの一例を示す図である。図示するように、このマップは、エンジン１２の回転数Ｎｅに対して所定の負荷トルクＴｅが対応付けられたマップである。ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、制御時点のエンジン１２の回転数Ｎｅを取得し、マップを参照することで所定の負荷トルクＴｅを導出する。なお、マップを参照することで所定の負荷トルクＴｅを導出する処理は、エンジン出力演算部５１において行われてもよい。
（２）ＤＣリンク電圧制御
この場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧を一定に維持するようにＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａに指示し、且つ／または、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧を一定に維持するようにＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂに指示する。ＤＣリンク電圧制御の内容は、例えば、簡易的に式（１）で表される。式中、Ｋｐ１は、比例項のゲインであり、Ｖ＃は、第１のＤＣリンク２０Ａまたは第２のＤＣリンク２０Ｂの目標電圧であり、Ｖは、電圧センサ３０Ａまたは３０Ｂにより測定される電圧であり、Ｋｉ１は、積分項のゲインである。すなわち、第２のモードにおける制御は、電圧Ｖを目標電圧Ｖ＃に近づけるフィードバック制御（ＰＩ制御）である。なお、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＰＩ制御に代えて、ＰＩＤ制御その他の態様のフィードバック制御を行ってもよい。
ΔＴｅ＝Ｋｐ１（Ｖ＃−Ｖ）＋Ｋｉ１∫（Ｖ＃−Ｖ）ｄｔ …（１）

ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４Ｂを制御する。ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧を一定に維持するようにＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに指示すると共に、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧を一定に維持するようにＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに指示する。以下、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３による制御を、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２による制御と同様に「ＤＣリンク電圧制御」と称する場合がある。ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３によるＤＣリンク電圧制御の内容は、例えば、簡易的に式（２）で表される。式中、Ｄは各ＤＣ−ＤＣ変換器２４に与えるデューティ比であり、Ｋｐ２は、比例項のゲインであり、Ｋｉ２は、積分項のゲインである、すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３による制御は、電圧Ｖを目標電圧Ｖ＃に近づけるフィードバック制御（ＰＩ制御）である。なお、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＰＩ制御に代えて、ＰＩＤ制御その他の態様のフィードバック制御を行ってもよい。
ΔＤ＝Ｋｐ２（Ｖ＃−Ｖ）＋Ｋｉ２∫（Ｖ＃−Ｖ）ｄｔ …（２）

ＤＣ−ＡＣ変換器制御部５４は、各ＤＣ−ＡＣ変換器３４を制御する。ＤＣ−ＡＣ変換器制御部５４は、例えば、マスターコントローラ６０から入力されたノッチ数と速度計６１から入力された鉄道車両１の速度とに基づいて、各モータ７０が出力すべき目標トルクを決定する。そして、ＤＣ−ＡＣ変換器制御部５４は、決定した目標トルクに基づいて、ＤＣ−ＡＣ変換器３４に与える制御情報を決定する。各ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、入力された制御情報に基づいてモータ７０に三相交流を供給する。これによってモータ７０が駆動力を出力し、鉄道車両１が走行することができる。なお、上記の制御情報を決定する際には、例えば、三相交流のうち少なくとも二相の電流値に基づくベクトル制御演算、V／F制御演算などが行われるが、これについての詳細な説明は省略する。

異常判定部５５は、鉄道車両用電力供給システム１０の監視対象機器に異常が生じているか否かを判定する。監視対象機器は、少なくとも、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、蓄電池ユニット２２Ｂ、およびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂを含む。異常判定部５５は、例えば、監視対象機器に対して送信した信号への応答の有無および内容、或いは、定期的に送信される生存確認信号、出力される制御信号などに基づいて、監視対象機器に異常が生じているか否かを判定する。また、異常判定部５５は、鉄道車両用電力供給システム１０の各部における電圧または電流に基づいて、監視対象機器に異常が生じているか否かを判定してもよい。異常判定部５５は、例えば、監視対象機器に対して送信した信号への応答が無い場合に、監視対象機器に異常が生じたと判定する。また、異常判定部５５は、監視対象機器から定期的に送信される生存確認信号が途絶えた場合に、監視対象機器に異常が生じたと判定してもよい。また、異常判定部５５は、監視対象機器から出力される制御信号が異常値を示す場合に、監視対象機器に異常が生じたと判定してもよい。また、異常判定部５５は、鉄道車両用電力供給システム１０の各部における電圧または電流の示す値が異常値である場合に、監視対象機器に異常が生じたと判定してもよい。

スイッチ制御部５６は、異常判定部５５による判定結果に基づく監視対象機器の状態に基づいて、第１のスイッチ２６Ａ、第２のスイッチ２６Ｂ、および第３のスイッチ４２のそれぞれを、導通状態または遮断状態に制御する。

［状態ごとの制御］
図５は、異常判定部５５による判定結果に基づく状態ごとの、スイッチ制御および変換器制御の内容を示す図である。異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、蓄電池ユニット２２Ｂ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂのいずれにも異常が生じていないと判定された場合（通常状態である場合）、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａおよび第２のスイッチ２６Ｂを導通状態とし、第３のスイッチ４２を遮断状態とする。なお、通常状態において第３のスイッチ４２を導通状態としてもよいが、この場合、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂの間で電流アンバランスや電圧の乱れなどが生じることが想定される。これを防止するために、各変換器の出力する電流を均等にするフィードバック制御を追加したり、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４Ｂから流出する方向のみ電流を許容するダイオードを追加するなどが考えられるが、制御が複雑になったり、回生ができなくなるといった不都合が生じる。このため、通常状態において第３のスイッチ４２を遮断状態とする方が好ましい。

また、通常状態である場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａおよび３２Ｂにトルク制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４ＢにＤＣリンク電圧制御を実行させる。

図６は、通常状態における電力供給経路を示す図である。なお、図６から９において、一部の構成要素を省略して示している。また、図中、電力供給経路を太線で示している。通常状態において、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂの間は遮断されている。また、通常状態において、第１のＤＣリンク２０Ａに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａと、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａとから電力が供給可能である。このため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａに対してはトルク制御が行われ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに対してはＤＣリンク電圧制御が行われる。

同様に、通常状態においては、第２のＤＣリンク２０Ｂに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂと、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂとから電力が供給可能である。このため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂに対してはトルク制御が行われ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに対してはＤＣリンク電圧制御が行われる。

図５に戻り、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていないと判定された場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａを遮断状態とし、第２のスイッチ２６Ｂおよび第３のスイッチ４２を導通状態とする。

また、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていないと判定された場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａおよび３２Ｂにトルク制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａを停止させ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４ＢにＤＣリンク電圧制御を実行させる。

図７は、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていない場合における電力供給経路を示す図である。この場合、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂが導通しており、それらに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａと、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂと、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂとから電力が供給可能である。このため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２ＡおよびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂに対してはトルク制御が行われ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに対してはＤＣリンク電圧制御が行われる。

図５に戻り、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていると判定された場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａを導通状態、第２のスイッチ２６Ｂを遮断状態、第３のスイッチ４２を導通状態とする。

また、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていると判定された場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａおよび３２Ｂにトルク制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４ＡにＤＣリンク電圧制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂを停止させる。

図８は、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合における電力供給経路を示す図である。この場合、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂが導通しており、それらに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａと、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂと、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａとから電力が供給可能である。このため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２ＡおよびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂに対してはトルク制御が行われ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに対してはＤＣリンク電圧制御が行われる。

図５に戻り、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていると判定された場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａ、第２のスイッチ２６Ｂ、および第３のスイッチ４２を遮断状態とする。なお、この場合も通常時と同様、第３のスイッチ４２を導通状態としてもよいのであるが、電流アンバランスや電圧の乱れを抑制するための構成・機能を追加することのデメリットが存在するため、第３のスイッチ４２を遮断状態とする方が好ましい。

また、異常判定部５５により、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていると判定された場合、ＡＣ−ＤＣ変換器制御部５２は、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａおよび３２ＢにＤＣリンク電圧制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４Ｂを停止させる。

図９は、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合における電力供給経路を示す図である。この場合、例えば、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂの間は遮断されている。また、この場合、第１のＤＣリンク２０Ａに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａから電力が供給可能であり、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａから電力が供給可能でない。従って、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａに対してＤＣリンク電圧制御が行われる。第１のＤＣリンク２０Ａの電圧が大きく変動するようだと、モータ７０Ａ−１および７０Ａ−２を適切に駆動することができない場合があるからである。第２のＤＣリンク２０Ｂに対して、発電機１４およびＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂから電力が供給可能であり、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂから電力が供給可能でない。従って、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ｂに対してＤＣリンク電圧制御が行われる。

［まとめ］
図２のような、エンジン１２およびＡＣ−ＤＣ変換器３２と、蓄電池ユニット２２およびＤＣ−ＤＣ変換器２４とを並列に設けた構成を採用することで、エンジン１２やＡＣ−ＤＣ変換器３２の定格を下げ、装置の小型化と低コスト化を進めることができる。その場合、エンジン１２とＡＣ−ＤＣ変換器３２、或いは蓄電池ユニット２２とＤＣ−ＤＣ変換器２４のうち一方だけでは、目標とする電力を出力することができないが、両方を合わせて目標とする電力を出力するように構成されることが想定される。

仮に、第３のＤＣリンク４０を備えない構成を考えた場合、上記のように電力を出力することは可能であるが、電圧を目標電圧に近づける機能が停止するため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２はＤＣリンク電圧制御を行わざるを得ない。これによって、エンジン１２を、エネルギー効率の良い運転ポイントで運転できなくなる場合がある。

また、第３のＤＣリンク４０および第３のスイッチ４２を備えない構成では、図１に示すようなモータ７０の配置である場合、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、蓄電池ユニット２２Ｂ、およびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂのうちいずれか一つに異常が生じた場合、モータ７０Ａ−１および７０Ａ−２の組と、モータ７０Ｂ−１および７０Ｂ−２の組とで出力する駆動力が異なる場合がある。この結果、軸重アンバランスが生じ、振動が増大してしまう、また、制御部５０による制御の難易度が上がってしまう。

更に、モータ７０が永久磁石モータである場合、ＤＣ−ＡＣ変換器３４から電力供給されない状態で車輪８０が回転すると、モータ７０が発電機として動作し、逆起電圧が発生する。接触器３６を設けることで逆起電圧のＤＣ−ＡＣ変換器３４側への流入を避けることは可能である。しかしながら、永久磁石モータにおいて、回転子に設けられた永久磁石は近接する固定子ティースにエアギャップを介し引き寄せられ、回転に対して抵抗する力を発生させる。このため、牽引による移動が困難になる場合がある。

これに対し、実施形態の鉄道車両１では、第３のＤＣリンク４０および第３のスイッチ４２を備え、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、蓄電池ユニット２２Ｂ、およびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂのうちいずれか一つに異常が生じた場合、第３のスイッチ４２を導通状態に制御して第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂを導通させるため、モータ７０Ａ−１および７０Ａ−２の組と、モータ７０Ｂ−１および７０Ｂ−２の組とで出力する駆動力を同じにすることができる。

また、この場合において、蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａの組と、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂの組のうち一つが正常に動作していれば、その組を用いてＤＣリンク電圧制御を行うことができるため、ＡＣ−ＤＣ変換器３２に対してトルク制御を行うことができる。このため、エンジン１２を、継続的にエネルギー効率の良い運転ポイントで運転することができる。

また、実施形態の鉄道車両１では、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、ＡＣ−ＤＣ変換器３２Ａおよび３２Ｂの双方に対してＤＣリンク電圧制御を行うことで、エンジン１２のエネルギー効率は悪化する可能性があるものの、退避場所まで移動するといった退避行動をとることができる。

また、鉄道車両１は、モータ７０に電力供給されない状態でモータ７０が引き回されるという事態が生じる蓋然性を低減することができる。

以上説明した第１の実施形態の鉄道車両１によれば、電力系統の異常発生時において、より継続的に走行することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態において、モータ７０は、同期リラクタンスモータなどの誘導モータである。図１０は、第２の実施形態の鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ａの構成図である。誘導モータの場合、複数のモータ７０を一つのＤＣ−ＡＣ変換器３４で駆動することができる。また、接触器３６を省略することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の構成から、エンジン１２、発電機１４、およびＡＣ−ＤＣ変換器３２を省略した構成を有する。図１１は、第３の実施形態の鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ｂの構成図である。鉄道車両用電力供給システム１０Ｂは、プラグ９０を介して外部給電装置から電力供給を受けることができる構成であってもよい。

図１２は、第３の実施形態に係る異常判定部５５による判定結果に基づく状態ごとの、スイッチ制御および変換器制御の内容を示す図である。通常状態である場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａおよび第２のスイッチ２６Ｂを導通状態とし、第３のスイッチ４２を遮断状態とする。また、通常状態である場合、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４ＢにＤＣリンク電圧制御を実行させる。

蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていない場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａを遮断状態とし、第２のスイッチ２６Ｂおよび第３のスイッチ４２を導通状態とする。

また、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていない場合、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａを停止させ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４ＢにＤＣリンク電圧制御を実行させる。

蓄電池ユニット２２ＡおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａを導通状態、第２のスイッチ２６Ｂを遮断状態、第３のスイッチ４２を導通状態とする。

また、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じておらず、蓄電池ユニット２２ＢおよびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４ＡにＤＣリンク電圧制御を実行させ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂを停止させる。

蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、スイッチ制御部５６は、第１のスイッチ２６Ａ、第２のスイッチ２６Ｂ、および第３のスイッチ４２を遮断状態とする。

また、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じており、且つ、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、ＤＣ−ＤＣ変換器制御部５３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａおよび２４Ｂを停止させる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１ないし第３の実施形態の構成に対し、ＤＣリンクに接続された補機駆動用の電源装置が追加されたものである。図１３は、第４の実施形態に係る鉄道車両に搭載される鉄道車両用電力供給システム１０Ｃの構成図である。図示するように、第１のＤＣリンク２０Ａには電源装置９１Ａが、第２のＤＣリンク２０Ｂには電源装置９１Ｂが、それぞれ接続される。電源装置９１Ａは、例えば、第１のＤＣリンク２０Ａの電圧を降圧し、鉄道車両に搭載された空調装置や照明などの補機に電力を供給する。電源装置９１Ｂは、例えば、第２のＤＣリンク２０Ｂの電圧を降圧し、同じく補機に電力を供給する。なお、第１のＤＣリンク２０Ａと第２のＤＣリンク２０Ｂのいずれかにのみ電源装置を接続してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、蓄電池ユニット２２Ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａ、蓄電池ユニット２２Ｂ、およびＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じていない場合、第１のスイッチ２６Ａおよび第２のスイッチ２６Ｂを導通状態にし、蓄電池ユニット２２ＡまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ａに異常が生じている場合、第１のスイッチ２６Ａを遮断状態にすると共に、第２のスイッチ２６Ｂおよび第３のスイッチ４２を導通状態にし、蓄電池ユニット２２ＢまたはＤＣ−ＤＣ変換器２４Ｂに異常が生じている場合、第２のスイッチ２６Ｂを遮断状態にすると共に、第１のスイッチ２６Ａおよび第３のスイッチ４２を導通状態にすることで、電力系統の異常発生時において、より継続的に走行することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (7)

1. 第１の蓄電池ユニットと、
   前記第１の蓄電池ユニットに接続された第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   直流を交流に変換する第１のＤＣ−ＡＣ変換器と、
   前記第１のＤＣ−ＡＣ変換器から供給される交流を用いて、車輪に対して駆動力を出力する第１のモータと、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器と前記第１のＤＣ−ＡＣ変換器とを接続し、第１のスイッチが設けられた第１のＤＣリンクと、
   第２の蓄電池ユニットと、
   前記第２の蓄電池ユニットに接続された第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   直流を交流に変換する第２のＤＣ−ＡＣ変換器と、
   前記第２のＤＣ−ＡＣ変換器から供給される交流を用いて、車輪に対して駆動力を出力する第２のモータと、
   前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器と前記第２のＤＣ−ＡＣ変換器とを接続し、第２のスイッチが設けられた第２のＤＣリンクと、
   前記第１のＤＣリンクにおける前記第１のスイッチと前記第１のＤＣ−ＡＣ変換器との間の箇所と、前記第２のＤＣリンクにおける前記第２のスイッチと前記第２のＤＣ−ＡＣ変換器との間の箇所とを接続し、第３のスイッチが設けられた第３のＤＣリンクと、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換部を制御して前記第１のＤＣリンクの電圧を目標電圧に近づけ、且つ前記第２のＤＣ−ＤＣ変換部を制御して前記第２のＤＣリンクの電圧を前記目標電圧に近づけ、
   前記第１の蓄電池ユニット、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器、前記第２の蓄電池ユニット、および前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じていない場合、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを導通状態にし、
   前記第１の蓄電池ユニットまたは前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、前記第１のスイッチを遮断状態にし、且つ前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチを導通状態にし、
   前記第２の蓄電池ユニットまたは前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、前記第２のスイッチを遮断状態にし、且つ前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチを導通状態にする制御部と、
   を備える鉄道車両。
2. 前記第１のモータおよび前記第２のモータは、永久磁石モータである、
   請求項１記載の鉄道車両。
3. 前記制御部は、前記第１の蓄電池ユニット、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器、前記第２の蓄電池ユニット、および前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じていない場合、前記第３のスイッチを遮断状態にする、
   請求項１または２記載の鉄道車両。
4. 前記第１のＤＣリンクに接続され、発電機から供給される交流を直流に変換して前記第１のＤＣリンクに出力する第１のＡＣ−ＤＣ変換部と、
   前記第２のＤＣリンクに接続され、発電機から供給される交流を直流に変換して前記第２のＤＣリンクに出力する第２のＡＣ−ＤＣ変換部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記第１の蓄電池ユニットまたは前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じており、且つ、前記第２の蓄電池ユニットまたは前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、前記第１のスイッチおよび記第２のスイッチを遮断状態にする、
   請求項１記載の鉄道車両。
5. 前記制御部は、前記第１の蓄電池ユニットまたは前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じており、且つ、前記第２の蓄電池ユニットまたは前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、前記第１のＡＤ変換部と前記第２のＡＤ変換部とのうち少なくとも一方を、前記第１のＤＣリンクおよび前記第２のＤＣリンクの電圧を前記目標電圧に近づけるように動作させる、
   請求項４記載の鉄道車両。
6. 前記発電機は、内燃機関の出力する動力を利用して発電し、
   前記制御部は、前記第１の蓄電池ユニットと前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器との双方が正常状態にある場合、または、前記第２の蓄電池ユニットと前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器との双方が正常状態にある場合、前記第１のＡＤ変換部および前記第２のＡＤ変換部に、前記内燃機関をエネルギー効率の良い運転ポイントで運転させるためのトルクを出力させる、
   請求項５記載の鉄道車両。
7. 前記制御部は、前記第１の蓄電池ユニットまたは前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じており、且つ、前記第２の蓄電池ユニットまたは前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器に異常が生じている場合、前記第３のスイッチを遮断状態にする、
   請求項４記載の鉄道車両。

Images