JP7213039B2 - 電気車用電源システム、電力供給制御方法および追加電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

電気車に蓄電池を搭載し、電化区間では架線から供給される電力に基づき主電動機を駆動するとともに蓄電池を充電し、非電化区間では蓄電池の電力に基づき主電動機を駆動する電気車用電源システムが開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１６－１６３３６５号公報 特開２０１５－６５７３２号公報

電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムは、電化区間のみを走行する電気車の電源システムに比べて、非電化区間に対応するための多くの機器や配線が必要となり、その分の艤装空間を確保する必要がある。

しかしながら、従来の技術では、特許文献１や特許文献２に代表されるように、主電動機へ駆動電力を供給する主変換回路（特許文献１のＶＶＶＦインバータ７、特許文献２のインバータ装置５に相当）への駆動電力供給ライン（引用文献１の中間回路４に相当）に蓄電池（引用文献１の蓄電素子６、引用文献２の蓄電手段９に相当）を接続して充放電する構成を採用するのが一般的であった。そのため、蓄電池の入出力段に大型のリアクトル（引用文献１のリアクトル５、引用文献２の平滑リアクトル１１に相当）を設備する必要があったり、大型の充放電電圧変換回路（特許文献２では、ＤＣ－ＤＣ変換装置８、平滑リアクトル１１および平滑コンデンサ１２で構成されるチョッパ装置に相当）を設備する必要があった。そのため、艤装空間の低減には限界があった。

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、電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを提案することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器（例えば、図１のパンタグラフＰＴ）が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置（例えば、図１の主開閉装置ＳＷＭ）を介して供給される直流電力ラインに、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ＴＣＡ，ＴＣＢ）と、補機類に係る補機回路（例えば、図１の補機回路ＸＭＣ）とが接続された電気車用電源システムであって、
一方側が第１開閉装置（例えば、図１の第１開閉装置ＳＷ１）およびリアクトル（例えば、図１のリアクトルＦＬＣＨ）を介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路（例えば、図１の充放電電圧変換回路ＰＣ）と、
前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置（例えば、図１の第２開閉装置ＳＷ２）を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池（例えば、図１の蓄電池ＢＴ）と、
前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モード（例えば、図１１）と、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モード（例えば、図１２）とを切り替える制御部（例えば、図１の制御部ＣＴＲ）と、
を備えた電気車用電源システムである。

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続され、更に、一方側が第１開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える電力供給制御方法を構成しても良い。

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
第１開閉装置と、
第２開閉装置と、
リアクトルと、
一方側が前記第１開閉装置および前記リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、前記第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
を備えた追加電源システムを構成しても良い。

この第１の発明等によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを実現することができる。具体的には、蓄電池と直流電力ラインとを結ぶ電力ラインとして、充放電電圧変換回路を経由するラインと経由しないラインとを設ける構成とする。これにより、蓄電池走行モードでは、最終的に、充放電電圧変換回路を経由しないラインを介して蓄電池の蓄電電力を主変換回路及び補機回路に供給する形態とすることができる。また、集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程においては、補機回路の動作を継続させるために、充放電電圧変換回路を経由するラインを介して蓄電池の蓄電電力を補機回路に供給する形態とすることができる。なお、集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるのが通常であるため、切り替えの過程では主電動機の駆動電力は要求されない。したがって、充放電電圧変換回路は、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路の動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルも、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

また、上述した他の発明の追加電源システムによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御部は、
前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第１の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

この第２の発明によれば、集電走行モードから蓄電池走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、蓄電池走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

第３の発明は、第２の発明において、
前記第１の放電電圧変換動作は、前記蓄電池の蓄電池電圧を、前記電車線の電圧へ変換して放電させる動作であり、
前記制御部は、前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記非集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路による前記一方側の放電電圧を前記蓄電池電圧にする放電電圧変換動作、前記第２開閉装置の投入、および、前記第１開閉装置の開放の順に実行制御を行う、
電気車用電源システムである。

この第３の発明によれば、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えを安全且つ円滑に実現することができる。集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程では、第１の放電電圧変換動作によって直流電力ラインには電車線の電圧が印加された状態が保たれる。そして、集電器を非集電状態へ遷移させた後に、直流電力ラインに印加される電圧が蓄電池電圧とされ、その後、第２開閉装置の投入および第１開閉装置の開放がなされることで、充放電電圧変換回路を介さずに、蓄電電力が直流電力ラインに供給されることとなる。結果、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

第４の発明は、第３の発明において、
前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に電流センサを備え、
前記充放電電圧変換回路および前記蓄電池は、前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側に接続されており、
前記制御部は、前記第１の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行う、
電気車用電源システムである。

この第４の発明によれば、電流センサが検知する直流電力ラインの電流によって、第１の放電電圧変換動作による変換電圧が電車線の電圧と一致したかを判断することできる。

第５の発明は、第１～第４の何れかの発明において、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記第２開閉装置の開放、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第２の放電電圧変換動作、前記集電器の前記集電状態への遷移、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

この第５の発明によれば、蓄電池走行モードから集電走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、第１開閉装置の投入および第２開閉装置を開放することで、充放電電圧変換回路を経由するラインで蓄電池の蓄電電力が直流電力ラインに供給開始され、その後、第２の放電電圧変換動作によって変換電圧が電車線の電圧とされた後に集電器を集電状態へ遷移させる、といったことが可能となる。これにより、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することが可能となる。

第６の発明は、第５の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第１開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとする（例えば、図６）、
電気車用電源システムである。

この第６の発明によれば、集電走行モードとして、蓄電池を充電しない非充電モードに切り替えることができる。非充電モードでは、蓄電池を直流電力ラインから切り離すように制御する。

第７の発明は、第５又は第６の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、を実行制御することで、前記充電モードとする（例えば、図８）、
電気車用電源システムである。

この第７の発明によれば、集電走行モードとして、集電電力により充電池を充電する充電モードに切り替えることができる。充電モードでは、充放電電圧変換回路を介して集電電力により蓄電池を充電するように制御する。

第８の発明は、第６の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードの前記非充電モードから前記充電モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、の順に実行制御する（例えば、図７）、
電気車用電源システムである。

この第８の発明によれば、集電走行モードにおいて、非充電モードから充電モードへの適切な切り替えを実現することができる。

本実施形態における電源システムの概略構成を示す図。 主開閉装置の回路構成の一例を示す図。 放電電圧変換回路の回路構成の一例を示す図。 第１～第３開閉装置の回路構成の一例を示す図。 集電走行モードでの起動制御手順を説明するための図。 集電走行モード（非充電モード）における電気の流れを示す図。 非充電モードから充電モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 集電走行モードにおける電気の流れを示す図。 蓄電池走行モードでの起動制御手順を説明するための図。 蓄電池走行モードにおける電気の流れを示す図。 蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。 集電走行モードでの停止制御手順を説明するための図。 蓄電池走行モードでの停止制御手順を説明するための図。

以下、図面を参照して本発明を適用した一実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限られるものではない。例えば、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形態は、以下説明する電圧に限られるものではない。

［システム構成］
図１は、本実施形態における直流電気車の電源システムＰＳの概略構成を示す図である。本実施形態の電源システムＰＳは、電化区間のみを走行するための既存の電源システム（図１における追加電源システムＡＰＳ以外の機器からなる）に対して、非電化区間に対応するための追加電源システムＡＰＳを追加設備した構成を有する。追加電源システムＡＰＳを設備したことにより、電化区間を走行するための集電走行モードと、非電化区間を走行するための蓄電池走行モードとの両方に対応する。

追加電源システムＡＰＳは、艤装機器類ＲＡＳと、制御部ＣＴＲとを含んでおり、制御部ＣＴＲは、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の制御装置内に組み込んで実現することもできる。

電源システムＰＳのうち、既存の電源システムは、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された電力が主開閉装置ＳＷＭを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Ｍに係る回路である主回路（Ａ系主回路およびＢ系主回路）と、補機回路ＸＭＣとが並列に接続された構成となっている。

主回路は、図１の電源システムＰＳではＡ系主回路とＢ系主回路との２系統としているが、１系統のみとしてもよいし、３系統以上の回路を並列に備える構成としてもよい。また、１つの系統が、２台以上の主電動機Ｍに駆動電力を供給するいわゆる１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍ等の構成を採用することとしてもよい。

Ａ系主回路は、主開閉装置ＳＷＡと、主フィルタリアクトルＦＬＡと、主変換回路ＴＣＡとが直列に接続された構成を有する。Ｂ系主回路も同様に、主開閉装置ＳＷＢと、主フィルタリアクトルＦＬＢと、主変換回路ＴＣＢとが直列に接続された構成を有する。主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢは、単相電力を三相電力に変換して主電動機Ｍに駆動電力を供給するインバータ装置であり、入力段に不図示の主フィルタコンデンサを有して構成される。

パンタグラフＰＴは、一般には運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチ、または制御部ＣＴＲからの状態遷移指示信号Ｐに基づいて集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器の一例である。電車線を第３軌条方式とする場合には、パンタグラフＰＴの代わりに集電器を集電靴として構成することができる。また、パンタグラフＰＴと並列に架線電圧センサＤＣＰＴを設置した構成とすることもできる。

補機回路ＸＭＣは、車内照明や空調などの補機および補機に電力を供給する回路（例えば、静止型インバータ）等を含む電気回路である。

また、直流電力ラインにおける主開閉装置ＳＷＭの接続箇所と補機回路ＸＭＣの接続箇所との間に電流センサＣＴが設けられている。より詳細には、直流電力ラインにおいて、主開閉装置ＳＷＭから見て、Ａ系及びＢ系の主回路、補機回路ＸＭＣ、の順に接続されており、主回路の接続箇所と補機回路ＸＭＣの接続箇所との間に電流センサＣＴが設けられている。そして、直流電力ラインにおける補機回路ＸＭＣの接続箇所から見て電流センサＣＴとは反対側に、充放電電圧変換回路ＰＣや蓄電池ＢＴを含む、電流センサＣＴ以外の追加電源システムＡＰＳの艤装機器類ＲＡＳが接続されている。

電流センサＣＴは、直流電力ラインに流れる電流の大きさおよび向きを検知して検知電流Ｉを制御部ＣＴＲに出力する。電流センサＣＴは、例えば、変流器（CT:Current Transformer）によって実現することができる。制御部ＣＴＲは、集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替え制御の際に、この検知電流Ｉを参照して、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を制御する。なお、１台の電流センサＣＴの代わりに、補機回路ＸＭＣの入力側および第１開閉器ＳＷ１の入力側の各々に１台ずつの電流センサを設け、それら２台の電流値を数値加算することで、各々の電流分担とその増減、ならびに直流電力ラインに流れる電流の正確なゼロ電流検知に用いても良い。

主開閉装置ＳＷＭは、一般には主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部からの、あるいは制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｎに基づいて、パンタグラフＰＴと直流電力ラインとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば高速度遮断器によって実現することができる。

Ａ系主回路の主開閉装置ＳＷＡは、一般には主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部からの、あるいは制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ａに基づいて、直流電力ラインとＡ系主回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。Ｂ系主回路の主開閉装置ＳＷＢも同様に、制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｂに基づいて、直流電力ラインとＢ系主回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。

主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを接触器を用いて構成する場合、例えば図２に示すように、充電抵抗ＣＤＲと充電抵抗用接触器ＭＫとの直列接続に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを並列に接続した構成を採用することができる。図２の構成を採用する場合、投入時に、先に充電抵抗用接触器ＭＫを投入状態とした後に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを後から投入する。これにより、投入時の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサへの突流を充電抵抗ＣＤＲによって防止し、主フィルタコンデンサが所定電圧にほぼ達する段階でその後の電力損失低減のために充電抵抗ＣＤＲを短絡する。これは時素を持たせて一定時間後に短絡する従来の手法を採用することができる。

次に、追加電源システムＡＰＳの構成を説明する。追加電源システムＡＰＳは、上述した電流センサＣＴの他に、リアクトルＦＬｃｈと、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と、第１開閉装置ＳＷ１およびリアクトルＦＬｃｈを介して一方側が直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路ＰＣと、第３開閉装置ＳＷ３を介して充放電電圧変換回路ＰＣの他方側に接続されるとともに第２開閉装置ＳＷ２を介して直流電力ラインに接続された蓄電池ＢＴと、制御部ＣＴＲと、を備える。このうち、制御部ＣＴＲ以外の機器が艤装機器類ＲＡＳである。

蓄電池ＢＴ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、蓄電池電圧Ｖｂａｔが、電車線の電圧である架線電圧Ｖｐとは異なる電圧に構成されている。蓄電池電圧Ｖｂａｔと架線電圧Ｖｐとを異なる電圧としたことで充放電時の通流方向が定まり、充放電電圧変換回路ＰＣを例えば１アーム構成のチョッパ装置といった簡素な回路構成で実現することができる。本実施形態では、蓄電池電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低い構成とする。

また、蓄電池ＢＴに係る電力ラインは２つある。１つは、蓄電池ＢＴを、第２開閉装置ＳＷ２を介して直流電力ラインに接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードにおいて、主電動機Ｍの駆動電力となる蓄電池ＢＴの蓄電電力を、主回路（Ａ系主回路およびＢ系主回路）および補機回路ＸＭＣへ供給するラインとして利用される。

もう１つは、蓄電池ＢＴを、充放電電圧変換回路ＰＣを介して直流電力ラインに接続する電力ラインである。より詳細には、蓄電池ＢＴ側から、第３開閉装置ＳＷ３、充放電電圧変換回路ＰＣ、リアクトルＦＬｃｈ、第１開閉装置ＳＷ１の順に経由して、直流電力ラインに接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードと集電走行モードとの切り替えの過程の際、および、集電走行モードにおける電車線からの蓄電池ＢＴへの充電時に利用される。

充放電電圧変換回路ＰＣを、１アーム構成のチョッパ回路で実現した場合の回路構成の例を図３に示す。図３に向かって左側（一方側）が高圧側、右側（他方側）が低圧側である。本実施形態では、蓄電池電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低い構成とするので、左側（一方側）がリアクトルＦＬｃｈを介した第１開閉装置ＳＷ１側に接続され、右側（他方側）が第３開閉装置ＳＷ３側に接続される。

充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作は、適宜公知技術を利用して実現することができる。そのため、本実施形態では、充放電電圧変換回路ＰＣは、制御部ＣＴＲから入力される通流率制御信号Ｓに基づいてスイッチング動作を行うこととして説明し、具体的な充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作自体の制御についは省略するが、スイッチング動作の制御は、充放電電圧変換回路ＰＣ内に制御回路を備えて実現することとしてもよいし、制御部ＣＴＲが行うこととしてもよい。

充放電電圧変換回路ＰＣには、左側（一方側）の電圧を検出する電圧センサＶＤＣＨと、左側（一方側）の電流を検出する電流センサＩＤＣＨと、右側（他方側）の電圧を検出する電圧センサＶＤＣＬと、右側（他方側）の電流を検出する電流センサＩＤＣＬとが備えられており、各センサの検出結果が制御部ＣＴＲ乃至スイッチング動作制御を行う充放電電圧変換回路ＰＣ内の制御回路に入力されて、充放電電圧変換回路ＰＣの動作制御に利用される。なお、電流センサＩＤＣＨの電流情報を電流センサＣＴの電流情報で代用する場合は、電流センサＩＤＣＨを省略しても良い。

第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、それぞれ制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｗ１～Ｗ３に基づいて開閉動作（開放／投入）を行う開閉装置であり、例えば、高速度遮断器や接触器を用いて構成することができる。例えば、図２に示した回路構成や、図２の回路の前段に高速度遮断器ＨＢを更に直列に接続した図４の回路構成を採用することができる。これにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと同様に、投入時の充放電電圧変換回路ＰＣ内のフィルタコンデンサＦＣＨ，ＦＣＬへの突流を防止することができる。

制御部ＣＴＲは、蓄電池ＢＴの蓄電電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御を司る。走行モードの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うこととする。集電走行モードは、更に、集電電力をもとに蓄電池ＢＴを充電する充電モードと、蓄電池ＢＴを充電しない非充電モードとを含む。充電モードと非充電モードとの切り替えは、集電走行モード中の任意のタイミングで行うことができる。

［制御動作］
具体的に、図５～図１４を参照して制御部ＣＴＲの制御動作を詳細に説明する。ここでは、架線電圧Ｖｐを６００Ｖ、蓄電池電圧Ｖｂａｔを４５０Ｖとする。また、これらのモードの選択や切り替えは、運転台における乗務員の指示操作によって行われる。

（Ａ）集電走行モードでの起動
図５は、停止している電源システムＰＳを集電走行モードで起動する際の制御手順を説明するための図である。電源システムＰＳが停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

集電走行モードで起動する際には、一般には運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチ、または制御部ＣＴＲからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、先ず、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（１）。次に、制御部ＣＴＲは、パンタグラフＰＴが上昇状態にあることを検知して、第２開閉装置ＳＷ２の開放動作を行う（２）。これにより、仮に第２開閉装置ＳＷ２が投入された状態だった場合にも開放される。続いて、一般には運転台の前進後進スイッチを扱うことで、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部からの主開閉装置ＳＷＭの開閉指示信号により、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＭの開閉指示信号Ｎにより、主開閉装置ＳＷＭが投入される（３）。主開閉装置ＳＷＭが投入されることで、パンタグラフＰＴによる集電電力（架線電圧Ｖｐ）が直流電力ラインに供給され、補機類が動作を開始することができる。その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部からの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号により、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（５）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる集電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

集電走行モードにおける電気の流れを図６に示す。図６において、通流状態にある経路を太線で示している。図６に示す状態は、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置が全て開放状態であり、蓄電池ＢＴが充電されない非充電モードである。

（Ｂ）充電モードへ切り替え
図７は、集電走行モードにおいて、非充電モード（図６参照）から充電モードへ切り替える際の制御手順を説明するための図である。充電モードへの切り替え開始トリガとしては、蓄電池ＢＴの電圧Ｖｂａｔの閾値または充電残量ＳＯＣの閾値、あるいは地点や時刻といった、充電が必要となったことを示すトリガ信号を設定すれば良い。制御部ＣＴＲは、先ず、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（１）。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路ＰＣとの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一方側のフィルタコンデンサＦＣＨに架線電圧Ｖｐが印加される（２）。つまり、充放電電圧変換回路ＰＣの一方側電圧ＶＣＨが架線電圧Ｖｐとなる。

次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの充電電圧変換動作を開始させる（３）。この充電電圧変換動作は、通流率を調整することで、他方側電圧ＶＣＬが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなるように変換する降圧動作である（４）。蓄電池電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低く構成されているので、充放電電圧変換回路ＰＣの通流方向は一方側から他方側に向かう方向（充電方向）となる。

続いて、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（５）。第３開閉装置ＳＷ３を投入することで、充放電電圧変換回路ＰＣと蓄電池ＢＴとの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの他方側からの蓄電池電圧Ｖｂａｔの出力電力が蓄電池ＢＴに供給されて蓄電池ＢＴの充電が開始される。以降は、通流率を調整することで、蓄電池ＢＴの充電電流である充放電電圧変換回路ＰＣの他方側からの出力電流の制御（充電制御）を行うことができる（６）。

この状態が充電モードである。充電モードにおける電気の流れを図８に示す。図７において、蓄電池ＢＴの充電完了等によって充電モードから非充電モードに切り替える際には、通流率をゼロにすることで充放電電圧変換回路ＰＣの充電電圧変換動作を停止させる。そして、第１開閉装置ＳＷ１を開放する。第１開閉装置ＳＷ１を開放することで、蓄電池ＢＴが直流電力ラインと切り離されて非充電モード（図６参照）となる。なお、充電モードの終了判定には、蓄電池ＢＴの電圧Ｖｂａｔの閾値または充電残量ＳＯＣの閾値、充電継続時間や充電開始からの充電量、あるいは地点や時刻といった、これ以上の充電が不要となったことを示すトリガ信号を設定すれば良い。

（Ｃ）蓄電池走行モードで起動
図９は、停止している電源システムＰＳを蓄電池走行モードで起動する際の制御手順を説明するための図である。電源システムＰＳが停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

蓄電池走行モードで起動する際には、蓄電池起動のトリガを検知すると、制御部ＣＴＲからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、先ず、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（１）。蓄電池起動のトリガとしては、一例として運転台に走行モード切り替えスイッチと蓄電池投入スイッチを設けて手動トリガとするなどが考えられる。次に、乗務員が運転台の前進後進スイッチを扱うと、制御部ＣＴＲは、先ず、パンタグラフＰＴが上昇状態には無いことを検知して、主開閉装置ＳＷＭの開放動作を行う（２）。一般には主開閉装置ＳＷＭの開閉は、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が司取る。この制御部からの主開閉装置ＳＷＭの投入信号と、制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＭの開放を指示する開閉指示信号Ｎとが輻輳する場合には、制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＭの開放を指示する開閉指示信号Ｎを高位優先とする。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＭが投入された状態だった場合にも開放される。続いて、制御部ＣＴＲは、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（３）。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、蓄電池ＢＴの放電電力（蓄電池電圧Ｖｂａｔ）が直流電力ラインへ供給され、補機類が動作を開始することができる（４）。その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ、ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（５）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、蓄電池ＢＴの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

蓄電池走行モードにおける電気の流れを図１０に示す。図１０において、通流状態にある経路を太線で示している。

（Ｄ）集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替え
図１１は、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。蓄電池走行モードへの切り替えは、非充電モードの集電走行モードとした状態を前提として説明する。充電モードである場合には、既に第１開閉装置ＳＷ１および第３開閉装置ＳＷ３が投入されていることから、後述する（１）～（４）のステップを飛ばして（５）のステップから実行する。また、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行う。

制御部ＣＴＲは、蓄電池走行モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第１開閉装置ＳＷ１が投入状態でなければ投入する（１）。蓄電池走行モードへの切り替えトリガとしては、運転台に走行モード切り替えスイッチを設けて手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路ＰＣとの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一方側電圧ＶＣＨが架線電圧Ｖｐとなる（２）。次に、第３開閉装置ＳＷ３が投入状態にある場合はそれを維持する。第３開閉装置ＳＷ３が投入状態でなければ、充放電電圧変換回路ＰＣは他方側電圧ＶＬＣが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなるように変換する降圧変換動作を行い（３）、その後、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（４）。

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣに、第１の放電電圧変換動作を開始させる（５）。この第１の放電電圧変換動作は、第３開閉装置ＳＷ３を介して他方側から供給される蓄電池ＢＴの蓄電電力を、一方側に放電させる動作である。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向（放電方向）とし、一方側への放電電流を徐々に増加させる動作である。充放電電圧変換回路ＰＣからの放電電流の増加に伴い、補機回路ＸＭＣへの供給電力のうちのパンタグラフＰＴによる集電電力の割合が減少することから、電流センサＣＴの検知電流Ｉが徐々に減少することになる。電流センサＣＴの検知電流Ｉがゼロ電流となったことを検出すると（６）、パンタグラフＰＴを非集電状態に遷移させるべく下降させる（７）。電流センサＣＴの検知電流Ｉがゼロ電流となった時点で、補機回路ＸＭＣへの供給電力が、パンタグラフＰＴの集電電力から、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電池ＢＴの放電電力にほぼ切り替わったことになる。

そして、充放電電圧変換回路ＰＣの通流率を徐々に「１（全開）」に変更する（８）。これにより、一方側電圧ＶＣＨが、他方側電圧ＶＣＬと同じく蓄電池電圧Ｖｂａｔとなり、放電電圧変換動作を行ったことになる（９）。つまり、補機回路ＸＭＣへの供給電圧が、架線電圧Ｖｐから蓄電池電圧Ｖｂａｔに変更される。

続いて、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（１０）。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、蓄電池ＢＴと直流電力ラインとの電力経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と、第２開閉装置ＳＷ２を経由する経路と、が並列した２つとなる。２つの電力経路それぞれからの供給電圧は、何れも蓄電池電圧Ｖｂａｔである。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止する（１１）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（１２）。これにより、蓄電池ＢＴから直流電力ラインへの電力経路が、第２開閉装置ＳＷ２を経由する経路のみとなる。つまり、蓄電池ＢＴの放電電力（蓄電池電圧Ｖｂａｔ）は、第２開閉装置ＳＷ２のみを介して直流電力ラインに供給されることになる。

その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの投入動作を行う。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態だった場合にも投入される。その結果、蓄電池ＢＴと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力ラインが開通して、蓄電池ＢＴの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

最終的な蓄電池走行モードは、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない電力経路を介して蓄電池ＢＴの蓄電電力を主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ及び補機回路ＸＭＣに供給する形態となるが、集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程においては、補機回路ＸＭＣの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路を介して蓄電池ＢＴの蓄電電力を補機回路ＸＭＣに供給する形態とすることができる。集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機の駆動電力は要求されない。したがって、充放電電圧変換回路ＰＣは、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルＦＬｃｈも、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

（Ｅ）蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替え
図１２は、蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替えは、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えと同様に、電気車の停車時又は惰行時に行う。

蓄電池走行モードでは、第１開閉装置ＳＷ１が開放され、第２開閉装置ＳＷ２が投入の状態にある。集電走行モードへの切り替えに当り、制御部ＣＴＲは、集電走行モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（１）。集電走行モードへの切り替えトリガとしては、運転台に走行モード切り替えスイッチを設けて手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、蓄電池ＢＴから充放電電圧変換回路ＰＣの一方側までの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一方側電圧ＶＣＨが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなる（２）。次に、第３開閉装置ＳＷ３が投入状態にある場合はそれを維持する。第３開閉装置ＳＷ３が投入状態でなければ、充放電電圧変換回路ＰＣは他方側電圧ＶＬＣが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなるように変換する降圧変換動作を行う（３）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの他方側電圧ＶＣＬが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなる（４）。その後、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（５）。

続いて、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（６）。第２開閉装置ＳＷ２を開放することで、蓄電池ＢＴの放電電力の供給経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路のみとなる。そして、充放電電圧変換回路ＰＣに、第２の放電電圧変換動作を開始させる（７）。この第２の放電電圧変換動作は、第３開閉装置ＳＷ３を介して他方側に供給される蓄電池ＢＴの蓄電電力を、一方側に放電させる動作である。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向（放電方向）とし、一方側電圧ＶＣＨ（放電電流）を架線電圧Ｖｐまで徐々に上昇させる動作であるが、架線電圧センサＤＣＰＴが設置されていない場合は、架線電圧ＶｐはパンタグラフＰＴが架線に接触していないことから未知である。そのため、一方側電圧ＶＣＨを架線電圧Ｖｐの公称値になるまで徐々に上昇させる。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣにゼロ電流制御を開始させる（８）。このゼロ電流制御は、電流センサＣＴの検知電流Ｉをゼロ電流とするような、充放電電圧変換回路ＰＣの一方側の電流（放電電流）の制御である。

そして、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（９）。なお、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させた直後は、架線電圧Ｖｐの公称値と実際の値が多少は異なることから、直流電力ラインへの架線電流の過渡的な流出／流入が発生するが、充放電電圧変換回路ＰＣのゼロ電流制御によって、補機回路ＸＭＣへの供給電圧を実際の架線電圧Ｖｐに収束させることができる。補機回路ＸＭＣへの供給電圧が架線電圧Ｖｐに収束したと判断すると、充放電電圧変換回路ＰＣのゼロ電流制御を終了させる。

架線電圧センサＤＣＰＴが設置されている場合は、蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替えに当り、制御部ＣＴＲは、先ず、主開閉装置ＳＷＭが開放されていなければ開放する。次に、上述の（１）～（５）の手順を行った後、第２開閉装置ＳＷ２を開放し（６）、パンタグラフＰＴを上昇させる。この段階では主開閉装置ＳＷＭは開放の状態となっているため、架線からの電流が流れない。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣに、第２の放電電圧変換動作を開始させる（７）。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向（放電方向）とし、一方側電圧ＶＣＨ（放電電流）を架線電圧センサＤＣＰＴで得られた架線電圧Ｖｐまで徐々に上昇させる動作である。一方側電圧ＶＣＨが架線電圧Ｖｐと等しくなった時点で、主開閉装置ＳＷＭを投入し、充放電電圧変換回路ＰＣの第２の放電電圧変換動作を終了させる。

以降の制御手順は、集電走行モードを非充電モードとするか充電モードとするかによって異なり、分岐する。非充電モードと充電モードの切り替えは、例えば充電モードを定位とした上で、手動で蓄電池投入スイッチをオフにしても良いし、上述の充電モードの終了判定（蓄電池ＢＴの電圧Ｖｂａｔの閾値または充電残量ＳＯＣの閾値、充電継続時間や充電開始からの充電量、あるいは地点や時刻といった、これ以上の充電が不要となったことを示すトリガ信号を用いる判定方法）により自動で非充電モードとしても良い。先ず、非充電モードとするならば、充放電電圧変換回路ＰＣの第２の放電電圧変換動作を停止させ、通流率を「０」とする（非イ）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（非ロ）。これにより、直流電力ラインへの蓄電池ＢＴの蓄電電力の供給が遮断され、パンタグラフＰＴによる集電電力のみの供給に切り替わる。

一方、充電モードとするならば、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を、第２の放電電圧変換動作から充電電圧変換動作に変更させる（充イ）。この充電電圧変換動作は、通流率を調整することで、他方側電圧ＶＣＬが蓄電池電圧Ｖｂａｔとなるように変換する降圧動作である。蓄電池電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低く構成されているので、充放電電圧変換回路ＰＣの通流方向は一方側から他方側に向かう方向（充電方向）となる。以降は、通流率を調整することで、蓄電池ＢＴの充電電流である充放電電圧変換回路ＰＣの他方側からの出力電流の制御（充電制御）を行うことができる（充ロ）。

その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの投入動作を行う。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態だった場合にも投入される。その結果、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる集電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

蓄電池走行モードから集電走行モードの切り替えにおいては、第１開閉装置ＳＷ１の投入および第２開閉装置ＳＷ２を開放することで、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路で蓄電池ＢＴの蓄電電力が直流電力ラインに供給開始される。その後、第２の放電電圧変換動作によって変換電圧を架線電圧Ｖｐ近傍の値とした後、ゼロ電流制御を行いながら、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させる。あるいは、パンタグラフＰＴに接続される架線電圧センサＤＣＰＴがある場合は、第２の放電電圧変換動作によって変換電圧が架線電圧Ｖｐとされた後、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させる。これにより、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することが可能となる。

（Ｆ）架線モードでシステム停止
図１３は、集電走行モードで電源システムＰＳを停止する際の制御手順を説明する図である。電源システムＰＳの停止は、電気車の停車時に行われる。また、非充電モードの集電走行モードとした状態で行うこととする。

一般には乗務員が運転台の前進後進スイッチを中立位置にすることで、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部により、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、先ず、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（１）。次に、運転台からのパンタグラフＰＴの下降スイッチにより、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部を経由することで、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＭＷの開閉指示信号Ｎにより、主開閉装置ＳＷＭを開放する（２）。続いて、制御部ＣＴＲからの第３開閉装置ＳＷ３の開閉指示信号Ｗ３により、第３開閉装置ＳＷ３が開放状態でなければ開放する（３）。これにより、直流電力ラインへのパンタグラフＰＴからの集電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。その後、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から、または制御部ＣＲＴからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（４）。全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳが停止する。

（Ｇ）蓄電池モードでシステム停止
図１４は、蓄電池走行モードで電源システムＰＳを停止する際の制御手順を説明する図である。電源システムＰＳの停止は、電気車の停車時に行われる。

乗務員が運転台の前進後進スイッチを中立位置にすることで、あるいは制御部ＣＴＲからの主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂにより、先ず、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（１）。次に、例えば運転台の蓄電池投入スイッチの手動オフにより、制御部ＣＴＲは第３開閉装置ＳＷ３が開放状態でなければ開放する（２）。続いて、制御部ＣＴＲからの第２開閉装置ＳＷ２の開閉指示信号Ｗ２により第２開閉装置ＳＷ２を開放する（３）。これにより、直流電力ラインへの蓄電池ＢＴの蓄電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。また、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳが停止する。

［作用効果］
以上、本実施形態によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用の電源システムＰＳを実現することができる。具体的には、蓄電池ＢＴと直流電力ラインとを結ぶ電力ラインとして、充放電電圧変換回路ＰＣを経由するラインと経由しないラインとを設ける構成としている。これにより、非電化区間を走行する際の蓄電池走行モードにおいては、蓄電池ＢＴからの放電電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを介さずに主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢに供給することが可能となる。つまり、充放電電圧変換回路ＰＣは、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルＦＬｃｈも、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

また、追加電源システムＡＰＳによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

更には、蓄電池走行モードへの切り替え、および、集電走行モードへの切り替えの何れにおいても、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

なお、本発明を適用可能な形態は上述した実施形態に限られるものではない。例えば、上述の実施形態では、架線電圧Ｖｐよりも蓄電池電圧Ｖｂａｔが低い場合を説明したが、架線電圧Ｖｐよりも蓄電池電圧Ｖｂａｔが高い場合についても、充放電変換回路ＰＣを降圧チョッパではなく昇圧チョッパとして構成することで、入出力方向ならびに充電と放電の方向が逆になるものの、同様の走行モード切り替えにより実現できる。

また、上述の実施形態では、主開閉装置ＳＷＭの開閉指示信号Ｎ、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂを既存の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部に残したままとし、追加電源システムＡＰＳの制御部ＣＴＲにおいては、パンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３それぞれの開閉指示信号Ｗ１～Ｗ３、電流センサＣＴの検知電流Ｉ、充放電電圧変換回路ＰＣの通流率制御信号Ｓ、を扱うものとして説明してきたが、制御部ＣＴＲが各信号を統合して扱っても良い。

さらに上述した実施形態では、直流電気車の電源システムとして説明したが、交流電気車に本発明を適用することも可能である。具体的には、直流電力ラインを、交流電気車の直流リンク部（変圧器およびＰＷＭ整流器によって電車線の交流電力が直流電力に変換された電力ライン）に見立てて、追加電源システムＡＰＳをその直流リンク部に追加する構成とすることで、非電化区間の走行を可能とすることができる。その場合、パンタグラフＰＴの集電状態／非集電状態の遷移とともに、ＰＷＭ整流器の動作／停止を制御すると好適である。

ＰＳ…電源システム
ＰＴ…パンタグラフ
ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ…主開閉装置
ＦＬＡ，ＦＬＢ…主フィルタリアクトル
ＴＣＡ，ＴＣＢ…主変換回路
Ｍ…主電動機
ＸＭＣ…補機回路
ＤＣＰＴ…架線電圧センサ
ＣＴ…電流センサ
ＡＰＳ…追加電源システム
ＣＴＲ…制御部
ＲＡＳ…艤装機器類
ＢＴ…蓄電池
ＰＣ…充放電電圧変換回路
ＦＬｃｈ…リアクトル
ＳＷ１…第１開閉装置
ＳＷ２…第２開閉装置
ＳＷ３…第３開閉装置

Claims (10)

1. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムであって、
   前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に設けられた電流センサと、
   前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側において、一方側が第１開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
   前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側において、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
   前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電池電圧を前記電車線の電圧へ変換して蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第１の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御し、
   前記第１の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行う、
   電気車用電源システム。
2. 前記制御部は、前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記非集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路による前記一方側の放電電圧を前記蓄電池電圧にする放電電圧変換動作、前記第２開閉装置の投入、および、前記第１開閉装置の開放の順に実行制御を行う、
   請求項１に記載の電気車用電源システム。
3. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムであって、
   一方側が第１開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
   前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
   前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
   を備え、
   前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、
   前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第１開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとする、
   電気車用電源システム。
4. 前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記第２開閉装置の開放、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第２の放電電圧変換動作、前記集電器の前記集電状態への遷移、の順に実行制御する、
   請求項１～３の何れか一項に記載の電気車用電源システム。
5. 前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
   前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、を実行制御することで、前記充電モードとする、
   請求項３又は４に記載の電気車用電源システム。
6. 前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
   前記制御部は、前記集電走行モードの前記非充電モードから前記充電モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、の順に実行制御する、
   請求項３に記載の電気車用電源システム。
7. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続され、前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に電流センサが設けられ、更に、１）一方側が第１開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、２）前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池とが、前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側に接続された電気車用電源システムにおいて、
   前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える電力供給制御方法であって、
   前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電池電圧を前記電車線の電圧へ変換して蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第１の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御することと、
   前記第１の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行うことと、
   を含む電力供給制御方法。
8. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続され、更に、一方側が第１開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
   前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える電力供給制御方法であって、
   前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、
   前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第１開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとすること、
   を含む電力供給制御方法。
9. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
   前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に設けられた電流センサと、
   第１開閉装置と、
   第２開閉装置と、
   リアクトルと、
   前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側において、一方側が前記第１開閉装置および前記リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
   前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側において、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、前記第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
   前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第１開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電池電圧を前記電車線の電圧へ変換して蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第１の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御し、
   前記第１の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行う、
   追加電源システム。
10. 集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
    第１開閉装置と、
    第２開閉装置と、
    リアクトルと、
    一方側が前記第１開閉装置および前記リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
    前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、前記第２開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
    前記第１開閉装置の投入／開放、前記第２開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
    を備え、
    前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、
    前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第１開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとする、
    追加電源システム。

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