JP7098074B2 - 鉄道車両システム - Google Patents

Description

本発明は、架線から供給される電力によって走行する鉄道車両システムに関する。

近年の鉄道車両システムにおいては、架線等のトラブルによって、鉄道車両が走行不能になるケースが比較的多く発生している。下記特許文献１には、架線にトラブルが発生した場合でも、鉄道車両に搭載された蓄電池の電力を利用して鉄道車両を走行させる非常用走行システムが開示されている。

特開２０１５－４７０４７号公報

鉄道車両の場合、多くの非常用電力を必要とするため、複数の蓄電池を搭載する必要がある。従って、上記特許文献１の技術を適用した場合、蓄電池を充電するためのコンバータ装置が複数必要となる。このため、従来技術では、システムが大型化し、製造コストが上昇するという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、システムの大型化及び製造コストの上昇を抑制可能な鉄道車両システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る鉄道車両システムは、架線から供給される電力を負荷への交流電力に変換する電力変換装置と、鉄道車両で使用するための非常用電力を電力変換装置に供給する複数の蓄電池と、蓄電池を充電する充電回路と、を備える。また、鉄道車両システムは、架線と電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第１の開閉器と、充電回路のそれぞれと架線との間の電気的接続、及び充電回路のそれぞれと電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第２の開閉器と、を備える。電力変換装置は、複数の蓄電池の充電電圧の情報に基づいて、第２の開閉器の開閉及び充電回路を制御する制御装置を備える。制御装置は、第２の開閉器を閉に制御して架線から供給される電流を、充電回路を介して蓄電池に通流させる。充電回路は、架線から供給される電流によって蓄電池をフローティング充電する。

本発明に係る鉄道車両システムによれば、システムの大型化及び製造コストの上昇を抑制できるという効果を奏する。

実施の形態に係る鉄道車両システムの構成を示す図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける通常動作時の動作説明に使用する図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける非常走行時の動作説明に使用する図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第１の図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第２の図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第３の図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第４の図 実施の形態に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第５の図 実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システムの構成を示す図 実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第１の図 実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システムにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第２の図 実施の形態の変形例２に係る鉄道車両システムにおける回生電力発生時の動作説明に使用する図 実施の形態の変形例３に係る鉄道車両システムの構成を示す図 実施の形態の変形例４に係る鉄道車両システムの構成を示す図 実施の形態における制御装置の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態における制御装置の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る鉄道車両システムについて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００の構成を示す図である。実施の形態に係る鉄道車両システム１００は、集電装置２と、第１の開閉器Ｌ１と、第２の開閉器Ｌ２と、電力変換装置３と、負荷４と、充電回路５Ａ，５Ｂと、蓄電池８Ａ，８Ｂとを備える。これらの構成部は、鉄道車両１５０に搭載される。

集電装置２は、架線１からの直流電力を集電する。集電装置２は、集電した直流電力を、第１の開閉器Ｌ１を介して電力変換装置３に供給する。また、集電装置２は、集電した直流電力を第１の開閉器Ｌ１及び第２の開閉器Ｌ２を介して充電回路５Ａ，５Ｂに供給する。電力変換装置３は、集電装置２から供給される直流電力を負荷４への交流電力に変換する。

負荷４の例は、鉄道車両駆動用の推進モータである。負荷４の他の例は、補機である。補機は、鉄道車両に搭載される負荷のうち、推進モータ以外の負荷を指して呼ぶ名称である。補機の例は、車内照明装置、ドア開閉装置、空調装置、保安機器、コンプレッサ、バッテリ、制御電源である。コンプレッサは、車両ブレーキの空気源を生成する装置である。

負荷４が鉄道車両駆動用の推進モータである場合、電力変換装置３としては、可変電圧可変周波数（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＶＶＶＦ）インバータが用いられる。また、負荷４が補機である場合、電力変換装置３としては、補助電源装置が用いられる。

電力変換装置３は、制御装置３ａを備える。制御装置３ａは、電力変換装置３に具備される図示しないスイッチング素子を駆動して、負荷４に供給する電力を制御する。

蓄電池８Ａ，８Ｂは、電気エネルギーの貯蔵手段である。蓄電池８Ａ，８Ｂは、鉄道車両１５０で使用するための非常用電力を電力変換装置３に供給する。蓄電池８Ａ，８Ｂの例は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、フライホイールである。１つの蓄電池は、複数の電池セルが直並列に接続される構成である。このため、１つの蓄電池は「１群」、２つの蓄電池は「２群」と数える。３つ以上も同様である。

図１における蓄電池８Ａ，８Ｂは、複数の蓄電池の例示である。即ち、図１では、２群の蓄電池８Ａ，８Ｂを図示しているが、３群以上の蓄電池が備えられていてもよい。また、蓄電池８Ａ，８Ｂの各充電電圧は、架線１の電圧よりも低い電圧である。

蓄電池８Ａ，８Ｂのそれぞれに対応して、充電回路５Ａ，５Ｂが設けられている。第２の開閉器Ｌ２と蓄電池８Ａとの間には、充電回路５Ａが接続され、第２の開閉器Ｌ２と蓄電池８Ｂとの間には、充電回路５Ｂが接続されている。充電回路５Ａは、蓄電池８Ａを充電する。充電回路５Ｂは、蓄電池８Ｂを充電する。また、充電回路５Ａは、蓄電池８Ａが放電するときの放電経路を提供する。充電回路５Ｂは、蓄電池８Ｂが放電するときの放電経路を提供する。

第１の開閉器Ｌ１は、架線１と電力変換装置３との間の電気的接続を開閉する。第１の開閉器Ｌ１の例は、高速度遮断器である。また、集電装置２も架線１と電力変換装置３との間の電気的接続を開閉することから、第１の開閉器Ｌ１は、集電装置２としてもよい。第２の開閉器Ｌ２は、充電回路５Ａ，５Ｂのそれぞれと架線１との間の電気的接続を開閉する。また、第２の開閉器Ｌ２は、充電回路５Ａ，５Ｂのそれぞれと電力変換装置３との間の電気的接続を開閉する。第２の開閉器Ｌ２の例は、断流器である。

充電回路５Ａは、第１のスイッチＬ１１と、一方向性素子であるダイオードＤ１と、第２のスイッチＬ１２と、抵抗素子Ｒ１と、第３のスイッチＬ１３と、電圧検出器６Ａとを備える。第１のスイッチＬ１１、第２のスイッチＬ１２及び第３のスイッチＬ１３は、機械的な構造のスイッチでもよいし、電気的に制御されるスイッチでもよい。第３のスイッチＬ１３は、安全性の観点で挿入しているが、本実施の形態の制御には直接的には関係しないので省略してもよい。

第１のスイッチＬ１１とダイオードＤ１とは、直列に接続されて第１の回路を構成する。図１では、第１のスイッチＬ１１が第２の開閉器Ｌ２側に配置され、ダイオードＤ１が蓄電池８Ａ側に配置されているが、この順序は逆にしてもよい。即ち、ダイオードＤ１が第２の開閉器Ｌ２側に配置され、第１のスイッチＬ１１が蓄電池８Ａ側に配置されていてもよい。但し、何れの構成においても、ダイオードＤ１のカソードは第２の開閉器Ｌ２側に位置し、ダイオードＤ１のアノードは蓄電池８Ａ側に位置する。即ち、第１の回路において、ダイオードＤ１は、架線１から蓄電池８Ａへの充電電流を阻止する方向に接続されている。

第２のスイッチＬ１２と抵抗素子Ｒ１とは、直列に接続されて、第２の回路を構成する。図１では、第２のスイッチＬ１２が第２の開閉器Ｌ２側に配置され、抵抗素子Ｒ１が蓄電池８Ａ側に配置されているが、この順序は逆にしてもよい。即ち、抵抗素子Ｒ１が第２の開閉器Ｌ２側に配置され、第２のスイッチＬ１２が蓄電池８Ａ側に配置されていてもよい。

充電回路５Ｂは、第１のスイッチＬ２１と、一方向性素子であるダイオードＤ２と、第２のスイッチＬ２２と、抵抗素子Ｒ２と、第３のスイッチＬ２３と、電圧検出器６Ｂとを備える。充電回路５Ｂの構成は、充電回路５Ａと同一の構成であり、重複する説明は割愛する。

電圧検出器６Ａは、蓄電池８Ａの充電電圧Ｖ１を検出する。電圧検出器６Ｂは、蓄電池８Ｂの充電電圧Ｖ２を検出する。充電電圧Ｖ１，Ｖ２の各検出値は、制御装置３ａに入力される。制御装置３ａは、充電電圧Ｖ１，Ｖ２の検出値に基づいて、第２の開閉器Ｌ２、第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２及び第３のスイッチＬ１３，Ｌ２３の開閉を制御する。

なお、図１では、充電回路５Ａ，５Ｂが、それぞれ電圧検出器６Ａ，６Ｂを備えているが、この構成に限定されない。蓄電池８Ａ，８Ｂのそれぞれが電圧検出の機能を有している場合、蓄電池８Ａ，８Ｂの検出値を利用してもよい。この場合、電圧検出器６Ａ，６Ｂは省略可能である。

次に、実施の形態に係る鉄道車両システム１００の動作について説明する。図２は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における通常動作時の動作説明に使用する図である。図２には、通常動作時の充電電流の流れが示されている。

通常動作時において、第１の開閉器Ｌ１は「閉」に制御される。架線１の電力は第１の開閉器Ｌ１を介して電力変換装置３に供給され、負荷４は駆動される。また、通常動作時において、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２、第３のスイッチＬ１３，Ｌ２３は「閉」に制御される。第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。なお、以下、特に断らない限り、第３のスイッチＬ１３，Ｌ２３は「閉」に制御されていることを前提とする。

上記のように制御された鉄道車両システム１００においては、集電装置２から、第１の開閉器Ｌ１、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ１２、抵抗素子Ｒ１、及び第３のスイッチＬ１３を経由して蓄電池８Ａに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ａは、架線１の電力によってフローティング充電される。また、蓄電池８Ｂでは、集電装置２から、第１の開閉器Ｌ１、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ２２、抵抗素子Ｒ２、及び第３のスイッチＬ２３を経由して蓄電池８Ｂに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ｂも、架線１の電力によってフローティング充電される。この図２に示す動作は、鉄道車両１５０が車両基地もしくは駅で停車しているとき、又は電化区間で走行しているときに実施される。

上記のように実施の形態における鉄道車両システム１００では、コンバータ装置を用いずに、蓄電池８Ａ，８Ｂを充電することができる。これにより、システムの大型化及び製造コストの上昇を抑制することができる。また、蓄電池８Ａ，８Ｂに対する充電は、通常動作時において実施されるので、フローティング充電であっても、必要な電池容量を確保することができる。

次に、非常走行時の動作について説明する。図３は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における非常走行時の動作説明に使用する図である。図３には、非常走行時の放電電流の流れが示されている。なお、「非常走行」とは、架線１等にトラブルが発生し、架線１からの電力供給が途絶えているときに、蓄電池８Ａ，８Ｂの電力を利用して、鉄道車両１５０を安全な位置又は通常運行に支障のない位置に移動させる動作である。なお、負荷４が補機であり、電力変換装置３が補助電源装置である場合は、架線１等にトラブルが発生し、架線１からの電力供給が途絶えているときに、蓄電池８Ａ，８Ｂの電力を利用して、鉄道車両１５０の補機へ電力を供給させる動作として置き替える。

架線１等にトラブルが発生した場合、図示しない上位制御装置によって、第１の開閉器Ｌ１は「開」に制御される。このとき、第２の開閉器Ｌ２、第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１は、制御装置３ａによって「閉」に制御される。なお、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。

上記のように制御された鉄道車両システム１００においては、蓄電池８Ａから、第３のスイッチＬ１３、ダイオードＤ１、第１のスイッチＬ１１、及び第２の開閉器Ｌ２を経由して、電力変換装置３に至る電流経路が形成される。また、蓄電池８Ｂから、第３のスイッチＬ２３、ダイオードＤ２、第１のスイッチＬ２１、及び第２の開閉器Ｌ２を経由して、電力変換装置３に至る電流経路が形成される。これにより、蓄電池８Ａ，８Ｂの電力を電力変換装置３の１つである図３では不図示のＶＶＶＦインバータに供給することができ、負荷４の１つである図３では不図示の推進モータを駆動することができる。これにより、鉄道車両１５０を安全な位置又は通常運行に支障のない位置に移動させることが可能となる。

次に、充電電圧のアンバランス時の動作について、図４から図８の図面を参照して説明する。図４は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第１の図である。図５は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第２の図である。図６は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第３の図である。図７は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第４の図である。図８は、実施の形態に係る鉄道車両システム１００における充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第５の図である。

蓄電池８Ａの充電電圧Ｖ１と蓄電池８Ｂの充電電圧Ｖ２との電圧差ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２に対し、図４には、ΔＶ＞Ａであるときの充放電電流の流れが示されている。また、図５には、蓄電池８Ｂの充電電圧Ｖ２と蓄電池８Ａの充電電圧Ｖ１との電圧差ΔＶ＝Ｖ２－Ｖ１に対し、ΔＶ＞Ａであるときの充放電電流の流れが示されている。Ａは、充電電圧のアンバランスを判定するための閾値である。即ち、本実施の形態において、ΔＶ＞Ａである状態は、充電電圧にアンバランスが生じている状態と定義する。なお、以下の記載において、閾値Ａを「第１の閾値」と呼ぶ場合がある。

電圧差ΔＶが閾値Ａを超えている場合、第２の開閉器Ｌ２は「開」に制御され、第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１及び第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２は「閉」に制御される。

上記のように制御された鉄道車両システム１００において、図４の例では、蓄電池８Ａから、第３のスイッチＬ１３、ダイオードＤ１、第１のスイッチＬ１１、第２のスイッチＬ２２、抵抗素子Ｒ２及び第３のスイッチＬ２３を経由して、蓄電池８Ｂに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ａの電力による蓄電池８Ｂに対する充電が可能となる。

また、図５の例では、蓄電池８Ｂから、第３のスイッチＬ２３、ダイオードＤ２、第１のスイッチＬ２１、第２のスイッチＬ１２、抵抗素子Ｒ１及び第３のスイッチＬ１３を経由して、蓄電池８Ａに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ｂの電力による蓄電池８Ａに対する充電が可能となる。

以上の動作により、蓄電池８Ａと蓄電池８Ｂとの間の相互充電が可能となる。

また、図４及び図５において、電圧差ΔＶが閾値Ａ以下に低下した場合、第２の開閉器Ｌ２は「閉」に制御される。これにより、蓄電池８Ａ，８Ｂに対するフローティング充電が再開される。

図４及び図５の例では、電圧差ΔＶが比較的小さい場合の充放電について説明した。一方、電圧差ΔＶが比較的大きい場合、充電回路５Ａ，５Ｂは、図４及び図５とは異なる電流経路に制御される。

図６には、電圧差ΔＶの時間変化波形が示されている。横軸は時間である。横軸と平行には２本の破線が引かれている。下側の破線は、前述した閾値Ａのレベルを示している。また、２本の破線のうちの上側の破線は、第２の閾値である閾値Ｂのレベルを示している。図示のように、閾値Ｂは、閾値Ａよりも大きな値を有している。なお、以下の記載において、閾値Ｂを「第２の閾値」と呼ぶ場合がある。

蓄電池８Ｂの充電電圧Ｖ２と蓄電池８Ａの充電電圧Ｖ１との電圧差ΔＶ＝Ｖ２－Ｖ１に対し、図７には、ΔＶ＞Ｂであるときの充放電電流の流れが示されている。また、蓄電池８Ｂの充電電圧Ｖ２と蓄電池８Ａの充電電圧Ｖ１との電圧差ΔＶ＝Ｖ２－Ｖ１に対し、図８には、Ａ＜ΔＶ≦Ｂであるときの充放電電流の流れが示されている。なお、図７の電流経路は、電圧差ΔＶが図６の（１）の範囲であるときに形成され、図８の電流経路は、電圧差ΔＶが図６の（２）の範囲であるときに形成される。

電圧差ΔＶが閾値Ｂを超えている図７の例の場合、第２の開閉器Ｌ２及び第１のスイッチＬ２１は「開」に制御され、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２は「閉」に制御される。第１のスイッチＬ１１は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。

上記のように制御された鉄道車両システム１００においては、蓄電池８Ｂから、第３のスイッチＬ２３、抵抗素子Ｒ２、第２のスイッチＬ２２、第２のスイッチＬ１２、抵抗素子Ｒ１及び第３のスイッチＬ１３を経由して、蓄電池８Ａに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ｂの電力による蓄電池８Ａに対する充電が可能となる。この充電経路は、２つの抵抗素子Ｒ１，Ｒ２を通る経路となる。このため、閾値Ｂと、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値とを適切に設定するようにすれば、充電電流を抑制することができる。これにより、特別な電流調整手段を設けることなく、充電電流を抑制することが可能となる。

また、電圧差ΔＶが閾値Ａを超え、閾値Ｂ以下である図８の例の場合、第２の開閉器Ｌ２及び第１のスイッチＬ１１は「開」に制御され、第１のスイッチＬ２１及び第２のスイッチＬ１２は「閉」に制御される。第２のスイッチＬ２２は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。

上記のように制御された鉄道車両システム１００においては、蓄電池８Ｂから、第３のスイッチＬ２３、ダイオードＤ２、第１のスイッチＬ２１、第２のスイッチＬ１２、抵抗素子Ｒ１及び第３のスイッチＬ１３を経由して、蓄電池８Ａに至る充電経路が形成される。これにより、蓄電池８Ｂの電力による蓄電池８Ａに対する充電が可能となる。この充電経路は、１つの抵抗素子Ｒ１を通る経路となる。このため、図７の場合と比較すると、２個分の抵抗値を１個分の抵抗値に低下させることができる。これにより、電圧差ΔＶの低下分に対し、充電電流の減少を抑制できるので、特別な電流調整手段を設けることなく、充電時間の短縮を図ることができる。

ここまでは、蓄電池数が２群である場合について説明した。ここからは、蓄電池数が３群以上である場合の動作について説明する。

図９は、実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システム１００Ａの構成を示す図である。図９には、蓄電池数が３群である場合の鉄道車両システム１００Ａの構成が示されている。図９に示す鉄道車両システム１００Ａでは、図１に示す鉄道車両システム１００の構成において、充電回路５Ｃと、蓄電池８Ｃとが追加されている。充電回路５Ｃは、蓄電池８Ｃを充電する。また、充電回路５Ｃは、蓄電池８Ｃが放電するときの放電経路を提供する。

充電回路５Ｃは、第１のスイッチＬ３１と、一方向性素子であるダイオードＤ３と、第２のスイッチＬ３２と、抵抗素子Ｒ３と、第３のスイッチＬ３３と、電圧検出器６Ｃとを備える。充電回路５Ｃの構成は、充電回路５Ａ，５Ｂと同一の構成であり、重複する説明は割愛する。

電圧検出器６Ｃは、蓄電池８Ｃの充電電圧Ｖ３を検出する。充電電圧Ｖ３の検出値も、制御装置３ａに入力される。制御装置３ａは、充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の検出値に基づいて、第２の開閉器Ｌ２、第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２及び第３のスイッチＬ１３，Ｌ２３，Ｌ３３の開閉を制御する。

なお、図９では、充電回路５Ｃが、電圧検出器６Ｃを備えているが、この構成に限定されない。蓄電池８Ｃが電圧検出の機能を有している場合、蓄電池８Ｃの検出値を利用してもよい。この場合、電圧検出器６Ｃは省略可能である。

上記の説明以外の構成は、図１に示す鉄道車両システム１００の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は割愛する。

次に、実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システム１００Ａの動作について説明する。なお、通常動作時の充電電流の流れ、及び非常走行時の放電電流の流れについては、２群構成の鉄道車両システム１００と同等であり、ここでの説明は割愛する。以下では、充電電圧のアンバランス時の動作、及び回生電力発生時の動作について説明する。

図１０は、実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システム１００Ａにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第１の図である。図１０において、充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちの最大値をＶｍａｘ、最小値をＶｍｉｎとし、Ｖｍａｘ＝Ｖ１、Ｖｍｉｎ＝Ｖ３であるとする。そして、充電電圧の最大値Ｖｍａｘと、充電電圧の最小値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶ＝Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎに対し、図１０には、ΔＶ＞Ｂであるときの充電電流の流れが示されている。

電圧差ΔＶが閾値Ｂを超えている図１０の例の場合、第２の開閉器Ｌ２、第１のスイッチＬ１１及び第２のスイッチＬ２２は「開」に制御され、第２のスイッチＬ１２，Ｌ３２は「閉」に制御される。第１のスイッチＬ２１，Ｌ３１は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。即ち、充電電圧が最大及び最小ではない蓄電池８Ｂに接続される充電回路５Ｂの第２のスイッチＬ２２は「開」に制御され、且つ、充電電圧が最大の蓄電池８Ａに接続される充電回路５Ａの第１のスイッチＬ１１は「開」に制御され、且つ、充電電圧が最大の蓄電池８Ａに接続される充電回路５Ａの第２のスイッチＬ１２は「閉」に制御され、且つ、充電電圧が最小の蓄電池８Ｃに接続される充電回路５Ｃの第２のスイッチＬ３２は「閉」に制御される。

上記のように制御された鉄道車両システム１００Ａにおいては、充電電圧が最大の蓄電池８Ａから、第３のスイッチＬ１３、抵抗素子Ｒ１、第２のスイッチＬ１２、第２のスイッチＬ３２、抵抗素子Ｒ３及び第３のスイッチＬ３３を経由して、充電電圧が最小の蓄電池８Ｃに至る充電経路が形成される。これにより、充電電圧が最大の蓄電池８Ａの電力による、充電電圧が最小の蓄電池８Ｃに対する充電が可能となる。この充電経路は、２つの抵抗素子Ｒ１，Ｒ３を通る経路となるため、充電電流を抑制することができる。これにより、特別な電流調整手段を設けることなく、充電電流を抑制することが可能となる。また、充電電圧が最大の蓄電池８Ａと、充電電圧が最小の蓄電池８Ｃとの間のみで充電が行われるので、充電時間の短縮化が図れる。

なお、図１０は、蓄電池数が３群である場合を示しているが、蓄電池数が４群以上の場合にも適用可能である。蓄電池数が４群以上の場合、充電電圧が最大の蓄電池と、充電電圧が最小の蓄電池との間の電圧差ΔＶが、ΔＶ＞Ｂの関係にある場合には、充電電圧が最大の蓄電池と充電電圧が最小の蓄電池との間で充放電が行われる。

図１１は、実施の形態の変形例１に係る鉄道車両システム１００Ａにおける充電電圧のアンバランス時の動作説明に使用する第２の図である。図１０では、充電電圧が最大の蓄電池と充電電圧が最小の蓄電池との間で行われる充放電について説明したが、電圧差ΔＶが低下して、ΔＶ≦Ｂの関係になった場合には、図１０から図１１の状態に移行する。図１１において、充電電圧が最大の蓄電池は、蓄電池８Ａのままである。一方、充電電圧が最大の蓄電池は、蓄電池８Ｃから蓄電池８Ｂに移行している。また、充電電圧の最大値Ｖｍａｘと、充電電圧の最小値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶ＝Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎに対し、図１１には、Ａ＜ΔＶ≦Ｂの関係であるときの充電電流の流れが示されている。

図１１の例の場合、第２の開閉器Ｌ２は「開」に制御され、第１のスイッチＬ１１，Ｌ３１は「閉」に制御される。第１のスイッチＬ２１及び第２のスイッチＬ１２，Ｌ３２は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。即ち、充電電圧が最小である蓄電池８Ｂに接続される充電回路５Ｂの第２のスイッチＬ２２は「閉」に制御され、且つ、充電電圧が最小ではない蓄電池８Ａ，８Ｃに接続される充電回路５Ａ，５Ｃにおける各々の第１のスイッチＬ１１，Ｌ３１は「閉」に制御される。

上記のように制御された鉄道車両システム１００Ａにおいては、充電電圧が最小ではない蓄電池８Ａから、第３のスイッチＬ１３、ダイオードＤ１、第１のスイッチＬ１１、第２のスイッチＬ２２、抵抗素子Ｒ２及び第３のスイッチＬ２３を経由して、充電電圧が最小の蓄電池８Ｂに至る充電経路が形成される。また、充電電圧が最小ではない蓄電池８Ｃから、第３のスイッチＬ３３、ダイオードＤ３、第１のスイッチＬ３１、第２のスイッチＬ２２、抵抗素子Ｒ２及び第３のスイッチＬ２３を経由して、充電電圧が最小の蓄電池８Ｂに至る充電経路が形成される。これにより、充電電圧が最小ではない蓄電池８Ａ，８Ｃの電力による、充電電圧が最小の蓄電池８Ｂに対する充電が可能となる。また、１つの蓄電池に対して、複数の蓄電池の電力を用いた充電が行われるので、充電時間の短縮化を図ることができる。

次に、回生電力発生時の充電動作について説明する。図１２は、実施の形態の変形例２に係る鉄道車両システム１００Ｂにおける回生電力発生時の動作説明に使用する図である。図１２に示す鉄道車両システム１００Ｂでは、図９に示す鉄道車両システム１００Ａの構成において、電力変換装置３がＶＶＶＦインバータ３１に置き替えられ、負荷４が推進モータ４１に置き替えられている。ＶＶＶＦインバータ３１は、中間リンク部３１ｂを有する。また、電力変換装置３に具備される制御装置３ａがＶＶＶＦインバータ３１に具備される制御装置３１ａに置き替えられている。制御装置３１ａは、上述した制御装置３ａの機能を有している。なお、その他の構成は、図９に示す鉄道車両システム１００Ａの構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は割愛する。

制御装置３１ａは、中間リンク部３１ｂの電圧である中間リンク電圧Ｖ４を監視している。制御装置３１ａは、中間リンク電圧Ｖ４と、蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃにおける充電電圧の最小値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＥを演算する。制御装置３１ａは、電圧差ΔＥが閾値Ｃ以下である場合、推進モータ４１が発生する回生電力を使用して蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対する充電制御を行う。なお、充電電圧の最小値Ｖｍｉｎに代えて、蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃにおける充電電圧の平均値を用いてもよい。また、以下の記載において、閾値Ｃを「第３の閾値」と呼ぶ場合がある。

電圧差ΔＥが閾値Ｃ以下である場合、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２は「閉」に制御される。第１のスイッチＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１は、「開」又は「閉」の何れに制御されていてもよい。

上記のように制御された鉄道車両システム１００Ｂにおいては、推進モータ４１から、ＶＶＶＦインバータ３１、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ１２、抵抗素子Ｒ１及び第３のスイッチＬ１３を経由して、蓄電池８Ａに至る充電経路が形成される。また、推進モータ４１から、ＶＶＶＦインバータ３１、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ２２、抵抗素子Ｒ２及び第３のスイッチＬ２３を経由して、蓄電池８Ｂに至る充電経路が形成される。また、推進モータ４１から、ＶＶＶＦインバータ３１、第２の開閉器Ｌ２、第２のスイッチＬ３２、抵抗素子Ｒ３及び第３のスイッチＬ３３を経由して、蓄電池８Ｃに至る充電経路が形成される。これにより、回生電力を使用した蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対する充電が可能となるので、回生電力の有効利用を図ることができる。

次に、ＶＶＶＦインバータと、補助電源装置の接続形態について説明する。図１３は、実施の形態の変形例３に係る鉄道車両システム１００Ｃの構成を示す図である。図１３に示す鉄道車両システム１００Ｃでは、図１２に示す鉄道車両システム１００Ｂの構成において、補助電源装置３２と、補助電源装置３２に接続される補機４２とが追加されている。ＶＶＶＦインバータ３１は、開閉器Ｌ３を介して第１の開閉器Ｌ１と第２の開閉器Ｌ２とを接続する電気配線１５に接続されている。補助電源装置３２は、開閉器Ｌ４を介して電気配線１５に接続されている。

図１３は、ＶＶＶＦインバータ３１及び補助電源装置３２を、架線１及び蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対して対等に接続する構成であるが、この構成に限定されない。例えば、図１４のように構成されていてもよい。図１４は、実施の形態の変形例４に係る鉄道車両システム１００Ｄの構成を示す図である。図１４に示す鉄道車両システム１００Ｄでは、第１の開閉器Ｌ１と第２の開閉器Ｌ２との間に、開閉器Ｌ５が設けられている。ＶＶＶＦインバータ３１は、第１の開閉器Ｌ１と開閉器Ｌ５とを接続する電気配線１５ａに接続されている。補助電源装置３２は、第２の開閉器Ｌ２と開閉器Ｌ５とを接続する電気配線１５ｂに接続されている。なお、ＶＶＶＦインバータ３１と補助電源装置３２との関係を入れ替えて、補助電源装置３２が架線１側に配置される構成でもよい。何れにしても、架線１の電力がＶＶＶＦインバータ３１及び補助電源装置３２の双方に供給され、蓄電池８Ａ，８Ｂ，８Ｃの電力がＶＶＶＦインバータ３１及び補助電源装置３２の双方に供給される構成であれば、どのような構成でもよい。

なお、図１２では、ＶＶＶＦインバータ３１に具備される制御装置３１ａが第２の開閉器Ｌ２及び充電回路５Ａ，５Ｂ，５Ｃを制御する構成を示しているが、この構成に限定されない。補助電源装置３２に具備される図示しない制御装置によって、第２の開閉器Ｌ２及び充電回路５Ａ，５Ｂ，５Ｃが制御されるように構成されていてもよい。

以上説明したように、実施の形態に係る鉄道車両システムは、架線から供給される電力を負荷への交流電力に変換する電力変換装置と、鉄道車両で使用するための非常用電力を電力変換装置に供給する複数の蓄電池と、蓄電池を充電する充電回路とを備える。また、鉄道車両システムは、架線と電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第１の開閉器と、充電回路のそれぞれと架線との間の電気的接続、及び充電回路のそれぞれと電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第２の開閉器とを備える。電力変換装置は、複数の蓄電池の充電電圧の情報に基づいて、第２の開閉器の開閉及び充電回路を制御する制御装置を備える。制御装置は、第２の開閉器の開閉器を閉に制御して架線から供給される電流を蓄電池に通流させ、充電回路は、架線から供給される電流によって蓄電池をフローティング充電する。これにより、コンバータ装置を用いずに、複数の蓄電池を充電することができるので、システムの大型化及び製造コストの上昇を抑制することができる。

また、複数の蓄電池をフローティング充電している際、複数の蓄電池間で充電電圧のアンバランスが発生した場合、制御装置は、各々の蓄電池間の充放電が可能となるように、第２の開閉器を開に制御する。更に、制御装置は、各々の充電回路の第１及び第２のスイッチを閉に制御する。これにより、鉄道車両システムの運行中であっても、複数の蓄電池間における充電電圧のアンバランスを解消することができる。

また、架線からの電力供給が途絶え、且つ、各々の蓄電池の電力を電力変換装置に供給する場合、制御装置は、第２の開閉器を閉に制御し、且つ、各々の充電回路の第１のスイッチを閉に制御する。これにより、各々の蓄電池を放電動作させることができ、複数の蓄電池に保持されている非常用電力を電力変換装置に供給することが可能となる。

なお、複数の蓄電池の充電電圧の中で、充電電圧の最大値と充電電圧の最小値との差が第１の閾値以下に低下した場合、制御装置は、第２の開閉器を閉に制御して、フローティング充電を再開する。このようにすれば、複数の蓄電池間の充電電圧の差を許容しつつ、架線等のトラブルへの対応が可能となる。

また、充電電圧の最大値と充電電圧の最小値との差が第１の閾値よりも大きな第２の閾値を超えている場合、制御装置は、第２の開閉器を開に制御し、且つ、充電電圧が最大及び最小ではない蓄電池のそれぞれに接続される充電回路の第２のスイッチを開に制御する。更に、制御装置は、充電電圧が最大の蓄電池に接続される充電回路の第１のスイッチを開に制御する。更に、制御装置は、充電電圧が最大の蓄電池に接続される充電回路及び充電電圧が最小の蓄電池に接続される充電回路における各々の第２のスイッチを閉に制御する。これにより、充電電圧が最大の蓄電池と充電電圧が最小の蓄電池との間で充放電を行わせることができる。また、充電電圧の最大値と充電電圧の最小値との差が第２の閾値以下に低下した場合、全ての充電回路の第１及び第２のスイッチを閉に制御する。これにより、各々の蓄電池間の相互充電が可能となる。以上の制御により、複数の蓄電池間における充電電圧のアンバランスの解消を効率的に行うことができる。

また、推進モータが回生電力を発生する場合、ＶＶＶＦインバータの中間リンク電圧と、複数の蓄電池の充電電圧の中の最小値又は複数の蓄電池の充電電圧の平均値との差が第３の閾値以下である場合、制御装置は、回生電力による充電が可能となるように、各々の充電回路の第２のスイッチを閉に制御する。これにより、回生電力の有効利用を図ることができる。

次に、実施の形態における制御装置３ａの機能を実現するためのハードウェア構成について、図１５及び図１６の図面を参照して説明する。図１５は、実施の形態における制御装置３ａの機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１６は、実施の形態における制御装置３ａの機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態における制御装置３ａの機能の一部又は全部を実現する場合には、図１５に示されるように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。

プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）を例示することができる。

メモリ２０２には、実施の形態における制御装置３ａの機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行し、メモリ２０２に格納されたテーブルをプロセッサ２００が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ２００による演算結果は、メモリ２０２に記憶することができる。

また、実施の形態における制御装置３ａの機能の一部を実現する場合には、図１６に示す処理回路２０３を用いることもできる。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路２０３に入力する情報、及び処理回路２０３から出力する情報は、インタフェース２０４を介して入手することができる。

なお、制御装置３ａにおける一部の処理を処理回路２０３で実施し、処理回路２０３で実施しない処理をプロセッサ２００及びメモリ２０２で実施してもよい。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 架線、２ 集電装置、３ 電力変換装置、３ａ，３１ａ 制御装置、４ 負荷、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 充電回路、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 電圧検出器、８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 蓄電池、１５，１５ａ，１５ｂ 電気配線、３１ ＶＶＶＦインバータ、３１ｂ 中間リンク部、３２ 補助電源装置、４１ 推進モータ、４２ 補機、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 鉄道車両システム、１５０ 鉄道車両、２００ プロセッサ、２０２ メモリ、２０３ 処理回路、２０４ インタフェース、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ ダイオード、Ｌ１ 第１の開閉器、Ｌ２ 第２の開閉器、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５ 開閉器、Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１ 第１のスイッチ、Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２ 第２のスイッチ、Ｌ１３，Ｌ２３，Ｌ３３ 第３のスイッチ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗素子。

Claims (10)

1. 架線から供給される電力を負荷への交流電力に変換する電力変換装置と、
   鉄道車両で使用するための非常用電力を前記電力変換装置に供給する複数の蓄電池と、
   前記蓄電池を充電する充電回路と、
   前記架線と前記電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第１の開閉器と、
   前記充電回路のそれぞれと前記架線との間の電気的接続、及び前記充電回路のそれぞれと前記電力変換装置との間の電気的接続を開閉する第２の開閉器と、を備え、
   前記電力変換装置は、複数の前記蓄電池の充電電圧の情報に基づいて、前記第２の開閉器の開閉及び前記充電回路を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記第２の開閉器を閉に制御して前記架線から供給される電流を、前記充電回路を介して前記蓄電池に通流させ、
   前記充電回路は、前記架線から供給される電流によって前記蓄電池をフローティング充電し、
   各々の前記充電回路は、互いに並列に接続される第１及び第２の回路を備え、
   前記第１の回路は、第１のスイッチと、前記蓄電池への充電電流を阻止する方向に接続された一方向性素子とが直列に接続された回路であり、
   前記第２の回路は、第２のスイッチと、抵抗とが直列に接続された回路である
   ことを特徴とする鉄道車両システム。
2. 前記制御装置は、前記第２の開閉器を閉に制御し、且つ、各々の前記充電回路の前記第２のスイッチを閉に制御して、各々の前記蓄電池のフローティング充電を可能とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
3. 前記制御装置は、前記第２の開閉器を開に制御し、且つ、各々の前記充電回路の前記第１及び第２のスイッチを閉に制御して、各々の前記蓄電池間の充放電を可能とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
4. 前記架線からの電力供給が途絶え、且つ、各々の前記蓄電池の電力を前記電力変換装置に供給する場合、
   前記制御装置は、前記第２の開閉器を閉に制御し、且つ、各々の前記充電回路の前記第１のスイッチを閉に制御して各々の前記蓄電池を放電動作させる
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の鉄道車両システム。
5. 複数の前記蓄電池の充電電圧の中で、前記充電電圧の最大値と前記充電電圧の最小値との差が第１の閾値以下に低下した場合、
   前記制御装置は、前記第２の開閉器を閉に制御して、前記フローティング充電を再開する
   ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の鉄道車両システム。
6. 前記充電電圧の最大値と前記充電電圧の最小値との差が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を超えている場合、
   前記制御装置は、前記第２の開閉器を開に制御し、且つ、前記充電電圧が最大及び最小ではない蓄電池のそれぞれに接続される充電回路の前記第２のスイッチを開に制御し、且つ、前記充電電圧が最大の蓄電池に接続される充電回路の前記第１のスイッチを開に制御し、且つ、前記充電電圧が最大の蓄電池に接続される充電回路及び前記充電電圧が最小の蓄電池に接続される充電回路における各々の前記第２のスイッチを閉に制御して、前記充電電圧が最大の蓄電池と前記充電電圧が最小の蓄電池との間で充放電を行わせる
   ことを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両システム。
7. 前記充電電圧の最大値と前記充電電圧の最小値との差が前記第２の閾値以下に低下した場合、
   前記制御装置は、全ての充電回路の前記第１及び第２のスイッチを閉に制御して、各々の前記蓄電池間の相互充電を可能とする
   ことを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両システム。
8. 前記電力変換装置は、鉄道車両駆動用の推進モータに電力を供給する可変電圧可変周波数インバータであり、
   前記制御装置は、前記可変電圧可変周波数インバータの動作を制御する制御装置である
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の鉄道車両システム。
9. 前記推進モータが回生電力を発生する場合であり、且つ、前記可変電圧可変周波数インバータの中間リンク電圧と、複数の前記蓄電池の充電電圧の中の最小値又は複数の前記蓄電池の充電電圧の平均値との差が第３の閾値以下である場合、
   前記制御装置は、各々の前記充電回路の前記第２のスイッチを閉に制御して、前記回生電力による充電を可能とする
   ことを特徴とする請求項８に記載の鉄道車両システム。
10. 前記電力変換装置は、補助機器に電力を供給する補助電源装置を備え、
    前記制御装置は、前記補助電源装置の動作を制御する制御装置である
    ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の鉄道車両システム。

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