JPWO2017188057A1 - 電気鉄道車両の駆動システム及び車両駆動方法 - Google Patents

Abstract

車上の制御機器に電力を供給する蓄電機能を有する蓄電手段を車両の駆動用電源として利用できる駆動システム及び車両駆動方法を提供する。
電気鉄道車両の駆動システムにおいて、バッテリー走行モードで車両を走行するとき、集電装置からの給電を第１のスイッチ装置で遮断し、バッテリーからの給電を第２のスイッチ装置によりインバータ装置１２に給電可能とし、バッテリー走行モードにおいて、車両の走行指令を受けたとき、インバータ装置に流れる電流をフィルタ充電回路切換ユニットにて遮断し、バッテリーから供給される電力をインバータ装置のフィルタコンデンサに蓄電し、バッテリー走行モードの動作状態において、車両を移動する指令を受けたとき、バッテリーから給電される電力により電動機を駆動するシステム。

Description

本発明は、電気鉄道車両の駆動システム及び車両駆動方法に関する。
更に詳しくは、本発明は、例えば、第三軌条や架線などの電力供給手段が設備されていない車庫内に敷設された線路（レール）において電気鉄道車両を走行させる駆動システム及び車両駆動方法に関する。

電気鉄道車両（以下、車両と称する）に電力を供給する方法として、架線方式と第三軌条方式がある。
架線方式は、車両の屋根上の空間に敷設された電力供給電線から、パンタグラフなどにより電力を給電する方式である。この方式は、設備上の自由度が高いことから、電力を供給する方法として、一般に広く採用されている。
一方、第三軌条方式は、車両走行用レールとは別に、当該車両走行用レールと並行して、電力供給用レール（第三の給電用レール：以下、第三軌条と称する）を敷設し、車両の台車上に設備した集電靴を介して電力を給電する方式である。この方式は、車両が走行する空間が限られ、架線方式の電力供給電線を敷設することが難しい地下鉄などで主に採用されている。

ところで、第三軌条方式では、各種の車両機器が搭載されている車両の床下と、第三軌条の位置が接近している。
このため、車庫において車両のメンテナンスを行う場合、安全を確保するため、第三軌条を敷設していない作業用区域、つまり、車庫内に車両を引き込む場合がある。
この第三軌条方式の鉄道では、安全確保上、車両のメンテナンスを行う車庫には第三軌条を敷設されないのが一般的である。従って、車両を車庫に引き込んだあと、車両を車庫から出庫する際には、作業者が車庫内で車両の集電靴に電力給電線を接続する作業、及び当該電力給電線から供給される電力によって車両を第三軌条のある区間まで走行させたあとに、集電靴から接続した電力給電線を解除する作業が発生する。

要するに、車両を、第三軌条を敷設していない作業用区域（車庫内）から第三軌条が敷設されている作業用区域（車庫外）への移動する場合、作業者により、以下のような手作業が必要である。

まず、車両の床下における作業用区域で、作業者が車両の集電靴に電力供給線をジャンパ線にて接続し、電力供給線を通して供給される電力により、車両をある速度まで力行する。力行とは、鉄道において電車等のモータやエンジンの動力を車輪に伝えて加速、または上り勾配で均衡速度を保つことである。通常は主幹制御器（マスタコントローラ）に付いているハンドル操作によって行う。次に、力行をオフしたあと、車両はそのまま第三軌条が敷設されている区域まで惰行にて移動し、しかる後、作業者が集電靴からジャンパ線を引き抜く必要がある。

以上のように、第三軌条を利用する電気鉄道システムでは、第三軌条を敷設していない作業用区域から第三軌条が敷設されている作業用区域へ移動するとき、作業者による手作業が必要であり、省力化の観点からみて大きな課題がある。
よって、作業者による手作業が必要なく、かつ、外部からの電力供給を必要とせずに自力で第三軌条を敷設していない作業用区域から第三軌条が敷設されている作業用区域へ移動できる駆動システムが望まれる。
因みに、主回路の専用蓄電装置を用いない通常の駆動システムにあっては、架線などの外部から給電を受けない場合、自力で動作することができない課題があった。

上記課題を是正する方法の一つとして、例えば、特開２０１０−１３０８２９号公報（特許文献１）に記載された技術がある。この公報には、「車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、前記車両に設備され蓄電機能をもつ第二の給電手段と、前記第一および第二の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段により変換された交流電力により駆動され前記車両をけん引する力を発生する交流電動機と、を備えた電気鉄道車両の駆動システムにおいて、前記第二の給電手段の出力電圧を前記第一の給電手段の出力電圧よりも低く設定し、前記第二の給電手段の充電および放電を遮断できる電流制御手段と、前記第二の給電手段を入出力する電流を減流するための電流制限手段と、前記第二の給電手段の入出力電流が前記電流制限手段を経由することなく通流できる電流経路変更手段と、を備えることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム」という記載がある。

ここで、第二の給電手段は、（１）架線や第三軌条から電力を得られる状況、かつ、（２）電力変換装置が電動機を駆動しておらず、（３）車両が加速していない状況において、集電装置から得られる電力などを充電するものである。

特開２０１０−１３０８２９号公報

特許文献１に記載された本発明によれば、架線などの外部から電力を受けて使用するように設定されたインバータ装置により駆動される電気車両において、車両の少なくとも１車両に専用の蓄電装置を装備するものであり、架線や第三軌条などの外部から電力を得られ、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では、蓄電装置を充電し、架線などの外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して車両を加速させることができる。しかし、作業用区域での車両メンテナンス作業は、１日１回程度であり、そのためにだけ利用する専用充電装置を電力変換装置、つまり、インバータ装置とは別に、車両に装備し、かつ、集電装置から供給される電力を充電するための大掛かりな設備とすることは、その分コストが高くなるという問題があった。また、蓄電装置を車両に設置するためのスペースを確保する必要があるなどの課題もあった。

要するに、引用文献１では、車上の制御機器に電力を供給する電力源、つまり、蓄電機能を有する蓄電手段を車両の駆動用電源として利用することについては想定されていない。

そこで、本発明では、車上の制御機器に電力を供給する蓄電機能を有する蓄電手段を車両の駆動用電源として利用できる駆動システム及び車両駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一つは、
鉄道車両の外部から電力を得る第１の給電手段と、前記鉄道車両の車上に装備された制御機器に電力を供給する第２の給電手段と、前記第１の給電手段により得られた電力を給電し、前記鉄道車両を駆動する電動機を駆動するインバータ装置、を備えた電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記鉄道車両の運転指令を行う運転指令手段と、前記インバータ装置を制御するコントロールユニットと、を有し、
前記運転指令手段は、
第１の運転走行モード指令、第２の運転走行モード指令、及び前記インバータ装置を制御する制御指令を出力する運転指令器を含み、
前記コントロールユニットは、
前記運転指令器から前記第１の運転走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、
前記運転指令器から前記第２の運転走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段からの給電を遮断し、かつ、前記第２の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、
前記制御機器に供給する第２の給電手段を前記車両の駆動用電源とすることを特徴とする。

本発明によれば、車上の制御機器に電力を供給する蓄電手段を車両の駆動用電源として利用できる駆動システム、車両駆動方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の電気鉄道車両の駆動システムの構成を示すブロック図である。 本発明における運転指令装置の内部構成を示すブロック図である。 フィルタ充電回路切換ユニットの構成例を示すブロック図である。 本発明における通常モードと蓄電装置走行モードの切換タイムチャートを示す特性図である。 本発明の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、運転モードを切り替える処理動作を示すフローチャートである。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムの構成を示すブロック図である。
電気鉄道車両の駆動システムは、集電装置１、制御回路用電源２、運転台３、インバータ装置１２、を備えている。

集電装置１は、インバータ装置１２の外部、例えば、第三軌条や架線から当該インバータ装置１２に電力を供給する第１の給電手段（外部給電装置）を構成する。

集電装置１から給電される電圧は、例えば、公称８００Ｖ（５００〜９００Ｖ）の直流電圧とするが、この電圧は、第三軌道や車両が走行する位置などにより変動する。また、架線が交流電源になる場合、変圧器や整流装置を備える必要がある。変圧器や整流装置は、図示していない。

制御回路用電源２は、車両の車上に装備される制御機器に供給する電源であり、当該電源は、制御機器を正常（安定）に動作し得る低電圧とし、かつ、車両を所定の距離を移動するに足りる電圧に設定する。
制御回路用電源２は、例えば、集電装置１の電圧を８００Ｖとした場合、図示していないが、集電装置１の電圧をコンバータ装置により、その１／１０である８０Ｖ程度の低電圧に変換し、当該低電圧を充電する電池を含むバッテリーからなる。
そして、この制御回路用電源２（以下、バッテリーと称する）は、第２の給電手段（制御回路用給電装置）を構成する。
本例では、低圧の充電可能なバッテリーを使用するが、これは、バッテリーに限るものではなく、蓄電機能を有する装置（蓄電手段）であればよい。

要するに、バッテリー２は、集電装置１から給電される電圧よりも低いこと、バッテリー走行モードにおいて、車上の制御機器が誤差なく動作すること、車両を所定の設定最速スピード（例えば、最高速度１０ｋ／ｍ）で走行し得ること、所定の設定距離（例えば、５０ｍ）を移動できること、トルク最大出力が所定の設定値（例えば、通常定格出力の１０％）を満たすものであればよい。
換言すれば、車両を駆動する車両駆動用として利用できる蓄電機能を有する低電圧の電源であればよい。

車上の制御機器とは、インバータ装置及びコンバータ装置の制御回路、ＡＴＣ車上装置などの車上信号機器、運転台及び編成内の機器と通信を行う中央制御装置、ブレーキ制御装置などの少なくとも何れかを含むものである。

運転台３は、運転手により操作される運転指令装置３１を有する。
運転指令装置３１は、図２にて後述するが、運転指令情報を出力する運転指令器を構成する専用装置であって、運転モード切換装置３１１及びコントローラ（マスタコントローラ３１２１、サブコントローラ３１２２）３１２、を有する。
運転指令装置３１の構成及び動作の詳細については後述する。

運転モード切換装置３１１は、運転手が運転モード操作を行ったとき、運転モード指令（制御指令）をコントロールユニット４に出力し、当該コントロールユニットを介して車両を走行する運転モードを通常モード（以下、通常走行モードと称する）、又はバッテリーモード（以下、バッテリー走行モードと称する）の何れか一方に切換える装置である。

コントローラ（controller）３１２は、運転モード指令に応じた複数のけん引力指令（力行制御指令）をコントロールユニット４に出力し、当該コントロールユニットを介して車両の出力・速度などを遠隔制御する装置である。

インバータ装置１２は、コントロールユニット４、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１：第１の接触器）５、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３：電流遮断器）６、電圧計測器７、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２：第２の接触器）８、フィルタ回路（ＬＣ回路）９、１０、インバータ回路１３、を有する。

また、インバータ装置１２は、ダイオード１６を有する。ダイオード１６は、例えば、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５と制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８との間、或いは、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８とバッテリー２との間の一方、又は両方に設ける。その理由は後述する。

コントロールユニット４は、インバータ装置１２を制御するコントロール部、ブレーキ制御装置１５を制御するブレーキコントロール部を有する。

インバータコントロール部は、運転台３に設置された運転指令装置３１（図２参照）の運転モード切換装置３１１及びコントローラ３１２からの指令に応じて、所望の論理計算処理を行い、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８、インバータ回路１３などに所望の制御指令情報（以下、単に制御指令と略する）を出力する。

また、ブレーキコントロール部は、ブレーキ制御装置１５を介して電気ブレーキ１５１やその他のブレーキ、例えば、機械ブレーキ１５２などの制御指令情報を出力するコントロール部を有する。
これらのコントロール部は、１つのコントロール部で兼用してもよい。

そして、コントロールユニット４は、内部に格納されたプログラムに従ってそれらの動作を制御するプロセッサを含む装置である。

外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５は、コントロールユニット４からの制御指令により制御（オン・オフ制御）されるものである。そして、例えば、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５がオフ（給電線の開放・切断）するように制御されたとき、集電装置１からの給電（電流）を遮断する接触器を有する装置である。

フィルタ充電回路切換ユニット装置（ＳＷ３）６は、コントロールユニット４からの制御指令により制御（オン・オフ制御）される充電回路切換ユニットである。そして、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６が投入、つまり、オンするように制御されたとき、フィルタ回路（ＬＣ回路）のフィルタコンデンサ（Ｃ）９に充電を可能とするために、インバータ装置１２に流れる電流を遮断する機能を有する装置である。

フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６の構成及び動作の詳細については後述する。

電圧計測器７は、インバータ回路１３に入力する電圧を計測する装置である。電圧計測器７により計測した電圧値は、コントロールユニット４に送られる。

制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８は、コントロールユニット４からの制御指令により制御（開閉制御）されるものである。例えば、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８がオフ（給電線開放・切断）するように制御されたとき、バッテリー２からの給電（電流）を遮断する接触器を有する装置である。

制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５と同時に投入（オン）しないように制御される。つまり、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５がオフしてから所定時間（例えば、１秒）経過した後にオンする。これは、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８の制御により、インバータ装置１２が誤動作を招かないようにするためであり、また、制御回路用電源２の破壊を防止するものでもある。

フィルタ回路９、１０は、フィルタコンデンサ（Ｃ）９とフィルタリアクトル（Ｌ）１０を有し、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６、或いは制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８を経由した供給された直流電力を平滑し、当該直流電力に含まれる高周波領域の変動分（高周波成分）を除去する。

また、フィルタ回路におけるフィルタコンデンサ（Ｃ）９は、バッテリー走行モードにおいて、バッテリー２からの給電を受けて所定時間充電する機能を有する。故に、フィルタ回路は、フィルタ充電回路ともいえる。この充電量は、例えば、最大２．５ｇとなるように設定する。

インバータ回路１３は、コントロールユニット４からの制御指令により制御され、インバータ回路１３を介して入力された直流電力を可変電圧可変周波数(ＶＶＶＦ)の３相交流電力に変換し、電動機１１を駆動する装置である。

電動機１１は、インバータ回路１３による３相交流電力により駆動され、機械的動力を発生する装置である。機械的動力は、車両の動力源となる。１個のインバータ回路１３に駆動される電動機１１は、１個とは限らず、複数あってもよい。グランド１４は、接地する装置である。

本システムにおいて、車両を、第三軌条が敷設されていない作業用区域（例えば、車庫）から第三軌条が敷設されている作業用区域（車庫外）へ移動するときには、運転台３の運転指令装置３１の運転モード切換装置３１１からコントロールユニット４に対して蓄電装置走行モード(以下、バッテリー走行モードと称する)に関連する指令を送る。

コントロールユニット４は、運転指令装置３１側からバッテリー走行モード指令を受けたとき、まず、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５をオフ（給電線開放・切断）に制御し、集電装置１とインバータ装置１２との接続をオフ（給電線開放・切断）する制御指令を出力する。しかる後、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８をオン（給電線接続）に制御し、バッテリー２とインバータ装置１２とを接続する制御指令を出力する。

ここで、コントロールユニット４は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５が故障してオフできなかった場合には、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８がオンできないように制御する。これは、集電装置１からの電力が制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８を介してバッテリー２に供給されてバッテリーが破損することを防止するためである。

通常走行モード指令を受けたときは、その逆となる。また、通常走行モード時における動作は周知であるので、その説明は省略する。

また、コントロールユニット４は、運転指令装置３１側からバッテリー走行モード指令を受けたとき、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６を制御（オン・オフ）する制御指令を出力する。
すなわち、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８を制御する制御指令とは別にフィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６における充電遮断（ＣＨＫ）制御指令、電流遮断（ＬＢ）制御指令、などを出力する。

また、コントロールユニット４は、運転指令装置３１側から所望のタイミングでバッテリー走行モード指令（Battery Mode）を受けたとき、インバータ装置１２がストレージモード（Storage Mode）状態となるように制御する。
これらの制御指令に基づく各スイッチ装置や充電遮断器、電流遮断器の制御については後述する。

また、コントロールユニット４は、運転指令装置３１からのブレーキ指令を受けたとき、ブレーキ制御装置１５を制御し、電気ブレーキ１５１をオフし、その他のブレーキである機械ブレーキ１５２をオンする制御指令を出力する。その理由は、制御機器の破壊防止、またバッテリー自体が壊れるのを防止することにある。因みに、他のブレーキとは、例えば、機械ブレーキ、空気ブレーキ、油圧ブレーキなどである。

これにより、バッテリー走行モードにおいて、バッテリー２からインバータ装置１２の主回路（フィルタ回路９，１０やインバータ回路１３）に電力を供給することができる。
また、このとき、フィルタコンデンサ（Ｃ）９に充電・蓄電した電力を利用して、インバータ装置１２におけるインバータ回路１３を駆動させて、電動機１１により車両を走行させることができる。
換言すれば、バッテリー２は、電動機１１の駆動用電源として利用される。

また、コントロールユニット４は、バッテリー走行モードにおいて、電圧計測器７にて測定した電圧値が予め設定した値（基準電圧）より低下したとき、例えば、５５Ｖ以下に低下したとき、インバータ装置１２を制御し、例えば、インバータ回路１３をオフする制御指令を出力する。つまり、バッテリー走行モードであって、安全走行を考慮してバッテリー２での車両走行を禁止する。予め設定した値（基準電圧）は、必要に応じて変更できるようにするとよい。

また、コントロールユニット４は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５が何等かの理由により故障して、接触器がオフできない場合には、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８をオンしないように制御する機能を有する。これは、集電装置１から給電される高電圧がバッテリー２側に供給されないようにし、当該バッテリーが破損することを防止するためである。

ダイオード１６も同様に集電装置１から給電される電力がバッテリー２側に供給されることを阻止するためである。

要するに、インバータ装置１２に集電装置１から給電される電力がバッテリー２側に供給されることを防止する手段、つまり、バッテリー破壊防止手段を設けることにより、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５の故障に基づくバッテリー破壊を防止することができる。

図２は、本発明における運転指令装置３１の内部構成の一例を示すブロック図である。
運転指令装置３１は、運転モード切換装置３１１、主幹制御装置（以下、コントローラと称する）３１２、コントローラ切換スイッチ３１３、車両移動制御指令装置３１５、を有する。

運転モード切換装置３１１、コントローラ３１２、コントローラ切換スイッチ３１３は、専用の運転指令器（専用装置）を構成する。

運転モード切換装置３１１は、運転モードを切換える運転モード切換レバー３１１１を有する。

運転モード切換レバー３１１１は、運転手の判断により操作（ストレージオペレーションなど）されるものであり、運転モードを通常走行モードとバッテリー走行モードの何れか一方に切り替えるレバーである。

このレバーにて切り替えられた運転モードに応じて運転モード切換装置３１１から出力される運転モード指令（通常走行モード又はバッテリー走行モード）は、インバータ装置１２のコントロールユニット４に供給される。バッテリー走行モードにおいては、バッテリー２から給電される電力がフィルタコンデンサ（Ｃ）９に充電・蓄電されるので、バッテリー走行モードは、ストレージモードとも呼ぶことができる。

コントローラ３１２は、メインマスタコントローラ（以下、メインマスコンと略する）３１２１、サブマスタコントローラ（以下、サブマスコンと略する）３１２２、を有する。

メインマスコン３１２１は、運転手により、運転モード切換レバー３１１１をバッテリーモード、つまり、ストレージモードに切換えたとき、複数のけん引力指令（Ｐ＋、Ｐ、Ｎ、Ｂ、Ｂ＋、ＥＢ）を出力する装置であり、これらのけん引力指令はコントローラ切換スイッチ３１３を通してコントロールユニット４に力行制御指令として送られる。

サブマスコン３１２２は、単一のけん引力指令（Ｐ）を出力する装置であり、この制御指令はコントローラ切換スイッチ３１３を通してコントロールユニット４に力行制御指令（Powering指令）として送られる。

コントローラ切換スイッチ３１３は、メインマスコン３１２１とサブマスコン３１２２を切換える装置である。そして、コントローラ切換スイッチ３１３は、運転モード切換レバー３１１１を通常走行モードに切り替えたとき、メインマスコン３１２１のけん引力指令（ノッチ出力指令）が有効となり、サブマスコン３１２２のけん引力指令（ノッチ出力指令）が無効となるように切り替わる（図示のとおり）。
運転モード切換レバー３１１１をバッテリー走行モードに切り替えた場合には、その逆となる。

車両移動制御指令装置３１５は、車両を前進又は後退する方向に移動走行する指令を出力し、コントロールユニット４にＦｏｗａｒｄ／Ｂａｃｋｗａｒｄ制御指令として送られる。

ここで、バッテリー走行モードで、車両を移動（走行）する場合、つまり、車両を第三軌条のない区間から第三軌条のある区間まで移動する場合、車両の最大速度を制限するとよい。例えば、車両は、最大速度１０ｋｍ／ｈ程度の低速で走行できるように設定する。

また、車両の最大速度の設定に併せて、電動機１１の出力性能も限定する。例えば、電動機トルクの最大出力は、通常定格出力の１０％と設定する。
また、バッテリー２により車両を走行する距離には制限があり、バッテリー２の許容容量や車両の重量にもよるが、この距離は、安全性を考慮し、一定となるように限定するとよい。例えば、バッテリー２により車両が走行できる距離は５０ｍとする。この距離５０ｍは、車両を第三軌条のない区間から第三軌条のある区間まで移動するに十分な距離とする。

因みに、通常走行モードでは、車両が減速するとき、電動機１１を発電機として使用した電気ブレーキによって発生する電気エネルギーを回生電流として集電装置１側の架線に戻すことが可能である。

一方、バッテリー走行モードでは、バッテリー２を使うため、回生電流をバッテリー２に戻すと、バッテリー２の電圧上昇によりインバータ回路１３などの制御機器が破壊する恐れがあり、またバッテリー自体が壊れる恐れがある。
これらのため、回生電流をインバータ装置１２からバッテリー２に流すことを禁止する。

従って、バッテリー走行モードで車両を走行するときは、コントロールユニット４により、電気ブレーキを使用できないように制御し、他のブレーキのみを使用できるように制御する。
また、バッテリー２の電圧は、例えば、集電装置１の入力電圧８００Ｖ（５００〜９００Ｖ）の１／１０〜１／５の入力電圧８０Ｖ（５０〜１２０Ｖ）と低い電源容量とする。そして、コントロールユニット４では、バッテリー２からの低い電源容量に応じて、所望の論理計算処理を行い、適切な制御指令を出力する。

上記の理由により、バッテリー走行モード時の制御動作は、通常走行モード時の制御動作と違う制御指令を出す必要がある。

図３は、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６の一構成例を示すブロック図である。
フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６は、電流遮断部、つまり、充電遮断器（ＣＨＫ）６１、電流遮断器（ＬＢ）６２、及び充電抵抗器（ＣＨＲｅ）６３、を有する。

充電遮断器（ＣＨＫ）６１と充電抵抗器（ＣＨＲｅ）６３は直列に接続し、これらは電流遮断器（ＬＢ）６２に並列に接続する。

充電遮断器（ＣＨＫ）６１は、コントロールユニット４からの制御指令により、インバータ装置１２に流れる電流を遮断する機能を有する装置である。

電流遮断器（ＬＢ）６２は、コントロールユニット４からの制御指令により、インバータ装置１２に流れる電流を遮断する機能を有する装置である。

充電抵抗器（ＣＨＲｅ）６３は、フィルタコンデンサ（Ｃ）９に充電（Filter capacitor Voltage）する機能を有する装置である。

図４は、本発明における通常走行モードとバッテリー走行モードの切換タイムチャートを示す特性図である。

図４では、運転指令装置３１からのオペレーション指令がバッテリーオペレーション（Battery Operation）／ストレージオペレーション（Storage Operation）におけるインバータ装置１２の各部の動作状態を示している。同図では、ストレージオペレーション（Storage Operation）（図４Ｂ参照）、ストレージモード（Storage Mode）（図４Ｄ参照）として説明する。

具体的には、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５の動作状態（図４Ａ）、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８の動作状態（図４Ｃ）、バッテリー走行モード（Battery Mode）におけるストレージモード（Storage Mode）の動作状態（図４Ｄ）、車両の前進（Forward）／後進（Backward）状態（図４Ｅ）、フィルタ充電回路切換ユニット６（充電遮断器／ＣＨＫ）６１の動作状態（図４Ｆ）、（電流遮断器／ＬＢ）６２の動作状態（図４Ｇ）、フィルタコンデンサ（Ｃ）９への充電電圧（Filter capacitor Voltage）の状態（図４Ｈ）、電動機１１のトルク出力（powering）の状態（図４Ｉ）、を示している。

まず、運転モードを通常走行モードからバッテリー走行モード（ストレージモード）に切り替える場合の動作、つまり、車両駆動処理動作について説明すると、以下のとおりである。

（１）ストレージオペレーションは、運転モード指令を表し、通常走行モードからバッテリー走行モード（ストレージモード）に切り替えると、時間ｔ_１でストレージオペレーションが立上る。このストレージオペレーションは、時間ｔ_１０で立下がる。つまり、このストレージオペレーション指令は、時間ｔ_１〜ｔ_１０の間継続する（図４Ｂ参照）。
ストレージオペレーションが時間ｔ_１で立上ってから所定時間、例えば、１秒（１ｓ）経過すると、時間ｔ_２で外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５がオフし、通常走行モードを開放・切断する（図４Ａ参照）。
ここで、ストレージモードを立ち上げた時間ｔ_１から所定時間経過して時間ｔ_２で外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５をオフする理由は、ストレージオペレーション指令の誤検知を防ぐためである。

（２）外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５が時間ｔ_２でオフしてから、更に所定時間、例えば、１秒（１ｓ）を経過すると、時間ｔ_３で、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８がオン（図４Ｃ参照）する。これにより、運転モードは、ストレージモードに切り換わる（図４Ｄ参照）。このストレージモードは、時間ｔ_３〜ｔ_１１まで継続する。
ここで、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５と制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８の制御タイミングを変える理由は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５の切断に遅延が発生することを考慮し、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５と制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８が同時にオンすることを防ぐためである。

（３）時間ｔ_３で制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８がオンすると、ストレージモードの動作状態（図４Ｄ参照）となる。ストレージモードは、時間ｔ_３〜ｔ_１１まで継続する（図Ｃ参照）。

（４）ストレージモードの動作状態において、例えば、時間ｔ_４で車両を前進又は後退させる前進（Forward）／後進（Backward）指令を立上げる（図４Ｅ参照）。

（５）すると、フィルタ充電回路切換ユニット６における充電遮断器（ＣＨＫ）６１が時間ｔ_４でオンし（図４Ｆ参照）、フィルタ回路におけるフィルタコンデンサ（Ｃ）９が充電を開始する（図４Ｈ参照）。この充電は、時間ｔ_５で最大、例えば、２．５ｇとなるように制御する。時間ｔ_４〜ｔ_５までの時間は、例えば、２．５秒（２．５ｓ）とする。

（６）そして、充電遮断器（ＣＨＫ）６１を時間ｔ_４でオンしてから、２．５秒（２．５ｓ）を経過（≦２．５ｓ）すると、時間ｔ_５でフィルタ充電回路切換ユニット６における電流遮断器（ＬＢ）６２をオンする（図４Ｇ参照）。電流遮断器（ＬＢ）６２のオンは、ストレージモードの動作状態にある間、つまり、時間ｔ_５〜ｔ_１０まで継続する。

（７）このとき、所定時間フィルタ回路におけるフィルタコンデンサ（Ｃ）９は、時間ｔ_４で充電を開始し、時間ｔ_５で充電が一杯となり最大となる。この最大充電は、時間ｔ_５から時間ｔ_１０まで継続し、時間ｔ_１０以降は減少する（図４Ｈ参照）。

（８）そして、電流遮断器（ＬＢ）６２がオンしている状態で、運転指令装置３１におけるサブマスコン３１２２からのけん引力指令であるPowering指令を受けると（図４Ｉ参照）、当該指令に応じて、電動機１１を駆動させる。この電動機１１の駆動源は、バッテリー２から供給される電力であり、フィルタコンデンサ（Ｃ）９に充電した電圧である。つまり、バッテリー走行モード時には、バッテリー２を車両駆動用電源として利用する。

次に、バッテリー走行モード（ストレージモード）から通常走行モードに切り替える場合の動作について説明すると、以下のとおりである。

（１）バッテリー走行モード（ストレージモード）から通常走行モードに切り替えると、ストレージオペレーションが時間ｔ_１０で立ち下がり、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８が時間ｔ_１１で立下がる。つまり、ストレージモードが解除される。

（２）ストレージオペレーションが立下ってストレージモードが解除されると、時間ｔ_１０で電流遮断器（ＬＢ）６２をオフ（切断）する。

（３）電流遮断器（ＬＢ）６２をオフ（切断）した後、フィルタコンデンサ（Ｃ）９に蓄積された電圧は、時間ｔ_１０から徐々に下がる（図４Ｈ参照）。

（４）電流遮断器（ＬＢ）６２をオフ（切断）した後、例えば、１秒（１ｓ）後には、時間ｔ_１１で制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８をオフ（切断）し、バッテリー２からの給電を遮断する。すると、運転モードがバッテリー走行モード（ストレージモード）から通常走行モードの状態に入り、ストレージオペレーションが時間ｔ_１０で立下る（図４Ｂ参照）。

（５）通常走行モード状態で、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５は、図示していないが、コントロールユニット４から出力されるリセット（Reset）信号に応じてオンし、集電装置１からの給電を状態に復帰することが可能になる。

図５は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、運転モードを切り替えた場合におけるコントロールユニット４による処理動作を示すフローチャートである。

コントロールユニット４は、運転台３の運転指令装置３１から通常走行モード指令を受けて、インバータ装置１２の外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８、フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）６、インバータ回路１３の動作制御を司り、内部に格納されたプログラムに従って上記各スイッチ装置やフィルタ充電回路切換ユニットの動作を制御する。

図５のフローチャートに基づく動作は以下のとおりである。
ステップＳ１０１：コントロールユニット４は、運転指令装置３１の運転モードに応じた処理を開始する。

ステップＳ１０２：コントロールユニット４は、運転モードが通常走行モードであるか否かを判定する。

ステップＳ１０３：コントロールユニット４は、ステップＳ１０２にて通常走行モードである場合（ＹＥＳ）は、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８をオフ（給電線開放・切断）し、制御回路用電源２からの給電を切断する。

ステップＳ１０５：コントロールユニット４は、ステップＳ１０２にて制御回路用電源２からの給電を切断した状態で、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５をオンし、集電装置１からの給電を可能とする。

ステップＳ１０４：コントロールユニット４は、ステップＳ１０２にて通常走行モードでない場合（ＮＯ）は、外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５をオフ（給電線開放・切断）し、集電装置１からの給電を切断する。

ステップＳ１０６：コントロールユニット４は、ステップＳ１０４にて外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）５をオフ（給電線開放・切断）した状態で、制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）８をオンし、バッテリー２からの給電を可能とする。

ステップＳ１０７：コントロールユニット４は、ステップＳ１０５にて集電装置１からの給電を可能とした場合、また、ステップＳ１０６にてバッテリー２からの給電を可能とする状態にした場合、フィルタ充電回路切換ユニット６における充電遮断器（ＣＨＫ）６１をオンして集電装置１からの給電又はバッテリー２からの給電によりフィルタ回路におけるフィルタコンデンサ（Ｃ）９を充電する。

ステップ１０８：コントロールユニット４は、ステップＳ１０７にてフィルタコンデンサ（Ｃ）９への充電・蓄電が最大となったとき、フィルタ充電回路切換ユニット６における充電遮断器（ＣＨＫ）６１をオフ（遮断）する。

ステップ１０９：コントロールユニット４は、ステップＳ１０７にてフィルタコンデンサ（Ｃ）９への充電・蓄電が最大となったとき、フィルタ充電回路切換ユニット６における電流遮断器（ＬＢ）６２をオンする。

ステップＳ１１０：コントロールユニット４は、運転モードに応じた処理を終了する。

以上述べた実施例によれば、非通常走行モードにあるとき、通常、車両に備えられる車上の制御機器に電力を供給する制御回路用電源、例えば、バッテリー（蓄電手段）をインバータ装置の制御回路（フィルタ回路、インバータ回路）などを介して電動機に電力を供給できるように構成としているので、車両の外部（第三軌条や架線などの電力供給手段）からの電力供給がなくても、自力で車両を、第三軌条が敷設されていない作業用区域から第三軌条が敷設されている作業用区域へ移動することができる。また、インバータ装置は別の専用蓄電装置を車上に搭載しないものであるから、その装着作業は不要となり、また、そのための設置スペースを確保する必要がなく、省スペースかつ低コストが図れる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能等は、コントロールユニットにおけるプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラムは、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 集電装置
２ 制御回路用電源（バッテリー）
３ 運転台
３１ 運転指令装置（運転指令器）
３１２ コントローラ
３１２１ メインマスタコントローラ（メインマスコン）
３１２２ サブマスタコントローラ（サブマスコン）
４ コントロールユニット
５ 外部電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ１）
６ フィルタ充電回路切換ユニット（ＳＷ３）
６１ 充電遮断器
６２ 電流遮断器
６３ 充電抵抗器
７ 電圧計測器
８ 制御電力回路切換スイッチ装置（ＳＷ２）
９ フィルタコンデンサ
１０ フィルタリアクトル
１１ 電動機
１２ インバータ装置
１３ インバータ回路
１４ グランド
３１１ 運転モード切換装置
３１１１ 運転モード切換レバー

Claims (14)

1. 鉄道車両の外部から電力を得る第１の給電手段と、前記鉄道車両の車上に装備された制御機器に電力を供給する第２の給電手段と、前記第１の給電手段により得られた電力を給電し、前記鉄道車両を駆動する電動機を駆動するインバータ装置、を備えた電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記鉄道車両の運転指令を行う運転指令手段と、前記インバータ装置を制御するコントロールユニットと、を有し、
   前記運転指令手段は、
   第１の運転走行モード指令、第２の運転走行モード指令、及び前記インバータ装置を制御する制御指令を出力する運転指令器を含み、
   前記コントロールユニットは、
   前記運転指令器から前記第１の運転走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、
   前記運転指令器から前記第２の運転走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段からの給電を遮断し、かつ、前記第２の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、
   前記制御機器に供給する第２の給電手段を前記鉄道車両の駆動用電源とすることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
2. 請求項１に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第２の給電手段は、出力定格電圧が、前記第１の給電手段の出力定格電圧よりも低く、前記インバータ装置及び前記電動機を介して前記鉄道車両を移動できる電圧を蓄電する機能を有する電源装置であり、
   前記インバータ装置は、
   前記第１の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、又は給電を遮断する第１のスイッチ装置と、
   前記第２の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電し、又は給電を遮断する第２のスイッチ装置と、
   前記第２の給電手段からの電力を前記インバータ装置に給電したとき、当該インバータ装置に流れる電流を遮断して、前記第２の給電手段からの電力を当該インバータ装置における充電機能を有する充電回路に充電する充電回路切換ユニットを有し、
   前記コントロールユニットは、
   前記第２の運転走行モード指令を受けたとき、前記第１のスイッチ装置をオフに制御し、前記第２のスイッチ装置をオンに制御し、前記運転指令器からストレージモード指令を受けた状態で、前記鉄道車両を移動する走行指令を受けたとき、前記充電回路切換ユニットをオンに制御し、
   前記充電回路に充電した電圧を前記鉄道車両の駆動用電源とすることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
3. 請求項２に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記充電回路は、給電された電力に含まれる高周波成分を除去するフィルタコンデンサを含むフィルタ充電回路であり、
   前記充電回路切換ユニットは、前記フィルタ充電回路をオン・オフ制御するフィルタ充電回路切換ユニットであり、
   前記第２のスイッチ装置は、前記第１のスイッチ装置がオフしてから所定時間経過した後にオンする
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
4. 請求項３に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記フィルタ充電回路切換ユニットは、
   前記鉄道車両を移動する指令を受けたとき、オンし、電流を遮断する機能を有する充電遮断器と、当該充電遮断器に並列に接続され、当該充電遮断器が所定時間経過してオフしたとき、オンし、電流を遮断する機能を有する電流遮断器を含み、
   前記フィルタ充電回路は、
   前記第２の給電手段から給電された電力に含まれる高周波成分を除去し、かつ、前記充電遮断器がオンしてから前記電流遮断器がオフするまで、前記第２の給電手段から給電された電力を充電する機能を有するフィルタコンデンサを含む、
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
5. 請求項２に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第２の給電手段は、蓄電機能を有するバッテリーからなり、
   更に、電圧計測器を有し、
   前記電圧計測器は、
   前記インバータ装置に供給される電圧を測定し、当該測定した電圧を前記コントロールユニットに供給し、
   前記コントロールユニットは、
   前記電圧計測器により測定した電圧値が基準値以下に低下したとき、前記インバータ装置のインバータ回路をオフ状態に制御する
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
6. 請求項１に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記コントロールユニットは、
   前記第２の運転走行モード指令を受けた状態において、前記運転指令器からブレーキ指令を受けたとき、電気ブレーキを作動不可能に制御し、その他のブレーキを作動制御する
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
7. 請求項２に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記インバータ装置は、更に前記第２の給電手段の破壊を防止する破壊防止手段を有し、
   前記破壊防止手段は、前記第１のスイッチ装置がオフできない場合、前記第１の給電手段より給電された電力を前記第２の給電手段への供給を阻止する
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
8. 請求項２に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記コントロールユニットは、前記第１のスイッチ装置がオフできない場合、前記第２のスイッチ装置のオンを禁止する制御指令を出力し、前記第１の給電手段より給電された第１の電力の前記第２の給電手段への供給経路を遮断状態に維持する
   ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
9. 請求項４に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第２の給電手段の電力容量は、前記第２の給電手段から給電を受けて前記鉄道車両を走行している状態では、前記鉄道車両の最高速度、最長走行距離、前記電動機の出力性能、を安予め設定した基準値以内に設定することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
10. 鉄道車両の外部から給電される第１の給電手段から第１の電力を受けて電動機を駆動するインバータ装置を備えた電気鉄道車両を駆動する駆動システムにおける駆動方法であって、
    前記インバータ装置のコントロールユニットは、
    運転指令器から第１の通常走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段から給電される第１の電力を受けて前記電動機を駆動し、
    前記運転指令器から第２の非通常走行モード指令を受けたとき、前記第１の給電手段からの第１の電力を遮断し、かつ、前記鉄道車両の車上に装備された制御機器に電力を供給する第２の給電手段からの第２の電力を受けて前記電動機を駆動し、
    第２の給電手段からの前記第２の電力により、前記電気鉄道車両を駆動する
    ことを特徴とする駆動システムにおける車両駆動方法。
11. 請求項１０に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法において、
    前記コントロールユニットは、更に
    前記第２の非通常走行モード指令を受けた状態において、前記運転指令器からブレーキ指令を受けたとき、電気ブレーキを作動不可能に制御し、その他のブレーキを作動制御することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法。
12. 請求項１０に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法において、
    前記コントロールユニットは、更に
    前記第１の給電手段からの第１の電力を遮断できない場合、前記第１の給電手段から給電される第１の電力を前記第２の給電手段への供給を阻止することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法。
13. 請求項１０に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法において、
    前記コントロールユニットは、更に
    前記第１の給電手段からの第１の電力を遮断できない場合、前記第２の給電手段からの第２の給電を禁止し、前記第１の電力の前記第２の給電手段への供給を遮断状態に維持する
    ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法。
14. 請求項１０に記載された電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法において、
    前記コントロールユニットは、
    前記第２の給電手段の第２の給電電圧値が基準値以下に低下したとき、前記インバータ装置のインバータ回路をオフ状態に制御する
    ことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システムにおける車両駆動方法。

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