JPWO2020075504A1 - 鉄道車両駆動システム及び鉄道車両における蓄電装置の充電方法 - Google Patents

Abstract

鉄道車両駆動システムは、架線と接続可能な第１の電力変換手段及び第２の電力変換手段を備え、第２の電力変換手段と接続可能に設けられた蓄電装置と、第１の電力変換手段と第２の電力変換手段との間に設けられた開閉器と、第２の電力手段と架線との間に設けられた接触制御器と、第２の電力変換手段と接触制御器との間に設けられた電流の通電方向切換手段と、開閉器、接触制御器及び通電方向切換手段を制御する制御装置と、を備えた。

Description

本発明は、鉄道車両に搭載される鉄道車両駆動システム及び鉄道車両における蓄電装置の充電方法に関し、例えば主電動機を駆動するインバータ装置の入力側に設けられた蓄電装置を充電する充電方法に適用して好適なるものである。

電気鉄道システムにおいて車両は、電車線から電力の供給を受けて走行するが、給電設備等の理由で電力の供給を受けられない電力供給不可能区間で停止した場合、以後の走行が不可能になる。電力供給不可能区間を走行することが予め分かっている場合には、車両の運転士は、事前に所定の速度を確保して、惰行で通過する等の運転操作によって電力供給不能区間で車両の走行を行っている。しかし、車両の速度制限等により運転方法が制限されるような場合は、電力供給不可能区間で車両が停止することがないように、運転操作も高度な技術を要することとなり、運転士への負担が大きくなる。

また電車線から電力の供給を受けられる電力供給可能区間であっても、何らかの要因により電車線からの電力の供給が一時的に遮断され車両が停止した場合には、車両の運転士が如何なる運転操作を行ったとしても、以後の車両の走行が不可能になる。

これらのように、車両に電力が供給されず走行不能に陥る状況を回避するために、一定区間の走行を可能にするための電力を供給する２次電池等の蓄電装置を車上に搭載する鉄道車両が実用化されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−２９６７３１号公報

ここで、電車線からの電力が遮断される状況においても一定区間の車両の自力走行を可能にするためのエネルギー源を有する車両には、充放電能力が十分にありかつ必要最低限の充電容量を有する２次電池等の蓄電装置と、その蓄電装置を充電制御する例えばチョッパ装置等の充電装置の搭載が必要となる。このような車両においては、電車線から電力の供給を受けられる区間で蓄電装置に充電し、電車線から電力の供給を受けられない区間での自力走行時や電力の供給が遮断された緊急走行時には蓄電装置に蓄えられた電力を駆動装置に供給して走行を行う。

しかしながら、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを利用する自力走行や緊急走行は頻繁に発生するわけではないため、蓄電装置の充電のための専用の機器を追加で搭載することなく、既に搭載されている機器を再利用した方式を確立するのが望ましい。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電気鉄道システムにおいて車両の自力走行を可能にするための蓄電装置の充電のための構成及び方法を簡略化可能な鉄道車両駆動システム及び鉄道車両における蓄電装置の充電方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために本発明は、架線と接続可能な第１の電力変換手段及び第２の電力変換手段を備えた鉄道駆動システムにおいて、前記第２の電力変換手段と接続可能に設けられた蓄電装置と、前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段との間に設けられた開閉器と、前記第２の電力手段と前記架線との間に設けられた接触制御器と、前記第２の電力変換手段と前記接触制御器との間に設けられた電流の通電方向切換手段と、前記開閉器、前記接触制御器及び前記通電方向切換手段を制御する制御装置と、を備えるようにした。

本発明によれば、電気鉄道システムにおいて車両の自力走行を可能にするための蓄電装置の充電のための構成及び方法を簡略化できる。

図１は、実施形態１の鉄道車両駆動システムの概略構成例を示すブロック図である。 図２は、実施形態１の蓄電装置の充電に関する構成例を示すブロック図である。 図３は、実施形態１の蓄電装置の充電時の処理例を示すフローチャートである。 図４は、実施形態１の車両の緊急走行時の処理例を示すフローチャートである。 図５は、実施形態１の鉄道車両駆動システムの編成車両への適用例を示す図である。 図６は、実施形態２の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。 図７は、実施形態２の蓄電装置の充電に関する構成例を示すブロック図である。 図８は、実施形態３の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。 図９は、実施形態４の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。

以下図面について、本発明の実施形態を詳述する。

（１）実施形態１
（１−１）実施形態１の鉄道車両駆動システムの概略構成
図１は、実施形態１の鉄道車両駆動システムの概略構成例を示すブロック図である。実施形態１の鉄道車両駆動システム１は、電車線から供給される直流電力を変換した交流電力で車両を駆動させる、車両に搭載されるシステムである。電車線は、鉄道車両に駆動のための電気エネルギーを伝達するための架線設備をいう。

鉄道車両駆動システム１は、図１に示すように、電車線と電気的と接続される集電装置１０１及び１０２と、高速回路遮断器１０９及び１１１それぞれを介し電車線と接続されるインバータ装置１０４及び１０６とを有する。また鉄道車両駆動システム１は、高速回路遮断器１０８及び１１０を介し電車線と接続される補助電源装置（ＳＩＶ：静止形インバータともいう）１０３及び１０５と、高速回路遮断器１１２を介し電車線と接続される蓄電装置１０７と、蓄電装置１０７を監視する蓄電制御装置１１７とを有する。

また鉄道車両駆動システム１は、インバータ装置１０４及び１０６の出力側に接続される主電動機１１４及び１１５を有する。また鉄道車両駆動システム１は、補助電源装置１０５に接続される補助電源制御装置１１６を有する。また鉄道車両駆動システム１は、補助電源装置１０３及び１０５を接続するための延長給電回路１１３を有する。鉄道車両駆動システム１は、延長給電回路１１３と補助電源装置１０３との接続及び切断を切替える延長給電回路接続用切替器１１９を有し、延長給電回路１１３と補助電源装置１０５との接続及び切断を切替える延長給電回路接続用切替器１１８を有する。

車両を力行させる際には、インバータ装置１０４及び１０６は、集電装置１０１及び１０２から供給された直流電力を変換した交流電力を主電動機１１４及び１１５にそれぞれ供給して車両の駆動制御を行う。また車両を力行させる際には、補助電源装置１０３及び１０５は、集電装置１０１及び１０２から供給された直流電力を変換した交流電力を制御電源や空調、照明等の車上補助機器に供給する。車両を力行させる際には、延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９は、切断状態に制御される。なお延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９の何れか一方のみで、補助電源装置１０３と補助電源装置１０５との接続及び切断を制御してもよい。

電車線からの電力が供給されない電力供給不可能区間における車両の緊急走行時の際には、インバータ装置１０６は、蓄電装置１０７から供給された直流電力を変換した交流電力を主電動機１１５に供給して車両の駆動制御を行う。また車両の緊急走行時の際には、補助電源装置１０５は、蓄電装置１０７から供給された直流電力を変換した交流電力を車上補助機器に供給する。さらに車両の緊急走行時の際には、延長給電回路接続用切替器１１８が接続状態に制御され、補助電源装置１０５は、蓄電装置１０７から供給された直流電力を変換した交流電力を、延長給電回路１１３を介して他の車両の車上補助機器にも供給する。

なお、車両の緊急走行時の際には、補助電源装置１０３及びインバータ装置１０４は、集電装置１０１を介した電車線及び蓄電装置１０７からの電力供給がないため、動作しない。

次に補助電源装置１０３及び１０５を用いて、蓄電装置１０７の充電を行う動作を説明する。補助電源装置１０３は、集電装置１０１から直流電力の供給を受けて本来の動作であるインバータ運転を行い、集電装置１０１を介した電車線からの直流電力を交流電力に変換する。また補助電源装置１０５は、補助電源制御装置１１６からの指令により本来のインバータ運転からコンバータ運転に動作が切り替わる。補助電源装置１０５は、延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９が接続状態に制御され、延長給電回路１１３を介して補助電源装置１０３から供給される交流電力を直流電力に変換し、蓄電装置１０７に充電電流を供給することで、蓄電装置１０７の充電を行う。この際、補助電源装置１０５は、蓄電装置１０７の充電電圧を所定の範囲に制御するための半導体スイッチング装置等の装置を介さず蓄電装置１０７に接続される。

その際に、補助電源装置１０５からの充電電流と集電装置１０２からの電流の競合を防止するために、集電装置１０２が電力線から切り離されていない場合には、補助電源装置１０５がインバータ運転からコンバータ運転へ切り替わることを禁止して充電動作を制限するインターロック機能が有効化される。

（１−２）実施形態１の蓄電装置の充電に関する構成例
図２は、実施形態１の蓄電装置の充電に関する構成例を示すブロック図である。鉄道車両駆動システム１は、図２に示すように、さらに、高速回路遮断器１１１とインバータ装置１０６との間に、フィルタリアクトル２０３と断流器２０６とが接続される。また鉄道車両駆動システム１は、インバータ装置１０６の正負の電源線間に、フィルタコンデンサ２０１が接続される。フィルタコンデンサ２０１及びフィルタリアクトル２０３は、フィルタ回路を構成する。インバータ装置１０６には、３相の交流電力出力側に、１つの制御単位を構成する４つの主電動機１１５ａ〜１１５ｄが接続されている。

また鉄道車両駆動システム１は、高速回路遮断器１１０と補助電源装置１０５との間に、フィルタリアクトル２０４と短絡機能付きダイオード２０８と断流器２０７とが接続される。短絡機能付きダイオード２０８は、集電装置１０２側から補助電源装置１０５への順方向にのみ電流を流すダイオード２０８ｂとダイオード２０８ｂに並列接続されたスイッチであるダイオード短落用コンタクタ２０８ａとを有する。ダイオード短落用コンタクタ２０８ａが、閉状態とされることにより、短絡機能付きダイオード２０８が短絡して逆方向に電流を流すようになる。また鉄道車両駆動システム１は、補助電源装置１０５の正負の電源線間に、フィルタコンデンサ２０２が接続される。フィルタコンデンサ２０２及びフィルタリアクトル２０４は、フィルタ回路を構成する。なお短絡機能付きダイオード２０８は電流の通電方向切換手段の一例であるが、電流の通電方向切換手段は双方向性ダイオードであってもよい。

また鉄道車両駆動システム１は、高速回路遮断器１１２と蓄電装置１０７との間に、フィルタリアクトル２０５が接続される。

また図２に示すように、補助電源装置１０５及びインバータ装置１０６の各マイナス電源線と、蓄電装置１０７の一方の出力端とが、接地２０９に接続されている。

なお補助電源装置１０３が第１の電力変換手段の一例であり、補助電源装置１０５が第２の電力変換手段の一例である。また延長給電回路１１３が第１の接続手段の一例であり、短絡機能付きダイオード２０８を含む補助電源装置１０５と蓄電装置１０７とを接続する接続線が第２の接続手段の一例である。

鉄道車両駆動システム１は、蓄電装置１０７への充電時の動作の際には、補助電源制御装置１１６内のＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理装置が、車両の運転台等からの車両情報を集約する車両用制御装置２１０が出力する充電要求を認識すると、次の処理を行う。

（Ａ１）延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９を閉状態にする指令を出力し、補助電源装置１０３から延長給電回路１１３を介して補助電源装置１０５に交流電力が供給される給電経路が形成されているかを確認する。
（Ａ２）集電装置１０２と電車線との接続及び切り離しを制御する制御装置に、集電装置１０２を電車線から切り離す制御指令を出力する。
（Ａ３）短絡機能付きダイオード２０８に短絡指令を出力し、通常時に行う集電装置１０２側から補助電源装置１０５への整流動作を切替えて、補助電源装置１０５側から蓄電装置１０７への逆流動作が可能な状態に移行させる。
（Ａ４）補助電源装置１０５にインバータ運転からコンバータ運転に切り換える切替指令を出力する。

蓄電制御装置１１７は、蓄電装置１０７の充電量を監視して、その情報を補助電源制御装置１１６に出力することで、蓄電装置１０７が過不足なく適正な電力を蓄えることを可能にする。

（１−３）実施形態１の処理例
（１−３−１）充電処理
図３は、実施形態１の蓄電装置の充電時の処理例を示すフローチャートである。実施形態１の蓄電装置の充電時の処理は、補助電源制御装置１１６の処理装置により所定周期で実行される。先ず、補助電源制御装置１１６は、当該車両が充電モードであるかどうかを車両用制御装置２１０等で集約される車両情報を基に判定する（ステップＳ１１）。補助電源制御装置１１６は、充電モードである場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２へ処理を移す。一方、補助電源制御装置１１６は、充電モードでない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、本充電時の処理を終了する。

ステップＳ１２では、補助電源制御装置１１６は、延長給電回路１１３によって補助電源装置１０３及び１０５間に給電経路が確保されているかどうかを、車両情報を基に確認する。

ステップＳ１３では、補助電源制御装置１１６は、ステップＳ１２での経路の確保の確認の結果を判定し、経路が確保されている場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１４へ処理を移す。一方、補助電源制御装置１１６は、経路が確保されていない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、本充電時の処理を終了する。

ステップＳ１４では、補助電源制御装置１１６は、集電装置１０２と電車線との接続及び切り離しを制御する制御装置に指令を出力して集電装置１０２を下げて電車線から切り離す。なお集電装置１０２と電車線との接続及び切り離しの制御は、補助電源装置１０６と電車線との接続及び切り離しのために行うが、集電装置１０２と電車線との接続及び切り離しの制御を行う接触制御器は、集電装置１０２そのものであっても開閉器であっても何れでもよい。

次にステップＳ１５では、補助電源制御装置１１６は、短絡機能付きダイオード２０８のダイオード短落用コンタクタ２０８ａに閉指令を出力して閉状態にし、整流動作を解除し、補助電源装置１０５側から蓄電装置１０７側への逆流動作が可能な状態に移行させる。

次にステップＳ１６では、補助電源制御装置１１６は、補助電源装置１０５にゲートスタートしてコンバータ運転をさせる。補助電源装置１０５がコンバータ運転をすると、交流から直流に変換された電力が、昇降圧回路を介することなく、蓄電装置１０７に供給されて充電が行われる。

ステップＳ１７では、補助電源制御装置１１６は、蓄電制御装置１１７によって監視される充電開始後の蓄電装置１０７の蓄電量を、例えば蓄電装置１０７の電圧を閾値Ｖ１との比較により監視する。具体的には、ステップＳ１７では、補助電源制御装置１１６は、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１以下であるかどうかを判定し、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１以下である場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６へ処理を戻し、蓄電装置１０７が適正な蓄電量になるまで充電を継続させる。一方、補助電源制御装置１１６は、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１より大である場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、補助電源装置１０５のコンバータ運転を終了して蓄電装置１０７の充電を終了し、本充電時の処理を終了する。

（１−３−２）緊急走行時の処理
図４は、実施形態１の車両の緊急走行時の処理例を示すフローチャートである。実施形態１の車両の緊急走行時の処理は、補助電源制御装置１１６の処理装置により所定周期で実行される。先ず、補助電源制御装置１１６は、当該車両が緊急走行モードであるかどうかを車両用制御装置２１０等で集約される車両情報を基に判定する（ステップＳ２１）。補助電源制御装置１１６は、緊急走行モードである場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２へ処理を移す。一方、補助電源制御装置１１６は、緊急走行モードでない場合（ステップＳ２１：Ｎｏ）、本緊急走行時の処理を終了する。

ステップＳ２２では、補助電源制御装置１１６は、短絡機能付きダイオード２０８のダイオード短落用コンタクタ２０８ａに開指令を出力して開状態にし、整流動作を設定し、蓄電装置１０７側から補助電源装置１０５側への通常の順方向の整流動作が可能な状態に移行させる。

次にステップＳ２３では、補助電源制御装置１１６は、蓄電制御装置１１７によって監視される車両の緊急走行開始後の蓄電装置１０７の蓄電量を、例えば蓄電装置１０７の電圧を閾値Ｖ１及びＶ２との比較により監視する。具体的には、ステップＳ２４では、補助電源制御装置１１６は、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１以上かつ閾値Ｖ２以下である（蓄電量が緊急走行に十分な適正範囲内にある）かどうかを判定する。補助電源制御装置１１６は、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１以上かつ閾値Ｖ２以下である場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、ステップＳ２５及びＳ２６に処理を移す。

ステップＳ２５では、補助電源制御装置１１６は、インバータ装置１０６に直流電力を供給する。インバータ装置１０６は、主電動機１１５ａ〜１１５ｄへ供給する交流電力を制御することで緊急走行を可能にする。同時にステップＳ２６では、補助電源制御装置１１６は、短絡機能付きダイオード２０８及び断流器２０７を介して補助電源装置１０５に電力を供給する。補助電源装置１０５は、通常のインバータ運転を行い、車両の車上補助機器に交流電力を供給する。補助電源制御装置１１６は、ステップＳ２５及びＳ２６が終了すると、ステップＳ２４へ処理を移す。

一方、補助電源制御装置１１６は、蓄電装置１０７の電圧が閾値Ｖ１未満又は閾値Ｖ２より大である場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、本緊急走行時の処理を終了する。

なお補助電源制御装置１１６は、鉄道車両駆動システム１を搭載した車両の営業運転終了時には、延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９を開状態にして補助電源装置１０３及び１０５の接続を解除し、集電装置１０２を電車線から切り離して補助電源装置１０５と電車線との接続を解除した上で、自身の電源を停止する。

また補助電源制御装置１１６は、延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９を開状態とし、かつ集電装置１０２等の接触制御器を閉状態とする第一状態（通常走行時）と、延長給電回路接続用切替器１１８及び１１９を閉状態とし、かつ接触制御器を開状態とする第二状態（充電状態）と、を切り替える指令を出力することで、通常モードと充電モードとの切り替えを行う。

また補助電源制御装置１１６は、短絡機能付きダイオード２０８から補助電源装置１０５に向かう電流を通電させる第一制御と、補助電源装置１０５から短絡機能付きダイオード２０８に向かう電流を通電させる第二制御と、を切り替える指令を出力し、第一制御と第二制御との切り替えにおいて、補助電源装置１０５に対して運転を逆転させる（コンバータ運転させる）指令を出力する。

また補助電源制御装置１１６は、補助電源装置１０３及び１０５と電車線との接続の解消が検知されると上記の第一制御を実行し、補助電源装置１０３と架線との接続が確立されている期間において上記の第二制御を実行する。

（１−４）実施形態１の鉄道車両駆動システムの編成車両への適用
図５は、実施形態１の鉄道車両駆動システムの編成車両への適用例を示す図である。図５では、図１と同一の構成要素には同一符号を付与すると共に、図１から構成要素の図示及び符号の付与を適宜追加及び省略している。図５に示すように、例えば７両編成の編成車両１００は、制御付随車（Ｔｃ）１０１−１と、動力車（Ｍ）１００−２及び１００−３と、付随車（Ｔ）１００−４と、動力車（Ｍ）１００−５及び１００−６と、付随車（Ｔ）１００−７とから編成される。

制御付随車１０１−１は、動力車１００−３が有する集電装置１０１を介して電車線から電力が供給される補助電源装置１０３を搭載している。動力車１００−２は、動力車１００−３が有する集電装置１０１を介して電車線から電力が供給され、図示しない主電動機を駆動するインバータ装置１０４−１を搭載している。動力車１００−３は、集電装置１０１を有し、集電装置１０１を介して電車線から供給される電力で主電動機１１４（図１参照）を駆動するインバータ装置１０４を搭載している。

付随車１００−４は、動力車１００−６が有する集電装置１０２を介して電車線から電力が供給される補助電源装置１０５を搭載している。補助電源装置１０３及び１０５間は、延長給電回路１１３で接続される。動力車１００−５は、動力車１００−６が有する集電装置１０２を介して電車線から電力が供給され、図示しない主電動機を駆動するインバータ装置１０６−１を搭載している。動力車１００−６は、集電装置１０２を有し、集電装置１０２を介して電車線から供給される電力で主電動機１１５（図１参照）を駆動するインバータ装置１０６を搭載している。付随車１００−７は、動力車１００−６が有する集電装置１０１を介して電車線から充電電力が供給される蓄電装置１０７を搭載している。なお、実施形態１の鉄道車両駆動システム１の各装置（補助電源装置１０３及び１０５と、インバータ装置１０４及び１０６と、蓄電装置１０７）の数及び各装置を編成車両１００の何れの車両に搭載するかは適宜変更可能な設計事項である。

（１−５）実施形態１の効果
このように、本実施形態では、１つの編成車両１００の鉄道車両駆動システム１は、既存構成として、集電装置１０１、インバータ装置１０４、及び補助電源装置１０３と、集電装置１０２、インバータ装置１０６、補助電源装置１０５、及び蓄電装置１０７とを有する。蓄電装置を充電する際には、延長給電回路１１３を介して補助電源装置１０３及び１０５を接続し、集電装置１０２を電車線から切り離して補助電源装置１０５をコンバータ運転させる。このように、本実施形態によれば、チョッパ装置（充電装置）等を追加せず蓄電装置１０７も従来装置を用いるように、既存構成を流用してシステム構成を大きく変更することなく、集電装置１０１を介した電車線からの直流電力で蓄電装置１０７を充電できる新規な充電方式を提供できる。またチョッパ装置を備える場合においても、チョッパ装置の故障時であっても蓄電装置１０７を充電できる。

（２）実施形態２
実施形態２の鉄道車両駆動システム１Ｂは、実施形態１とは異なり、延長給電回路１１３を介して補助電源装置１０３をインバータ装置１０６に接続し、インバータ装置１０６をコンバータ運転させることにより、充電装置１０７を充電するシステムである。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。

（２−１）実施形態２の鉄道車両駆動システムの概略構成
図６は、実施形態２の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。図６に示すように、実施形態２の鉄道車両駆動システム１Ｂは、実施形態１の鉄道車両駆動システム１と比較して、補助電源制御装置１１６の代わりにインバータ装置１０６の出力側にインバータ制御装置５０１が接続される。また鉄道車両駆動システム１Ｂは、延長給電回路１１３が補助電源装置１０３及び１０５間を接続するのではなく、補助電源装置１０３及びインバータ装置１０６間を接続する。インバータ装置１０６は、延長給電回路接続用切替器５０２が切り替わることにより、主電動機１１５及び延長給電回路１１３の何れか一方と接続される。

次に補助電源装置１０３とインバータ装置１０６を利用して、蓄電装置１０７を充電する際の動作を説明する。補助電源装置１０３は、本来の動作であるインバータ運転を行って、集電装置１０１を介して電車線から供給された直流電力を交流電力に変換する。またインバータ装置１０６は、インバータ制御装置５０１からの指令により本来のインバータ運転からコンバータ運転に動作が切り替わる。インバータ装置１０６は、延長給電回路１１３と主電動機１１５との接続を切替える延長給電回路接続用切替器５０２を介して、補助電源装置１０３から供給された３相の交流電力を直流電力に変換し、蓄電装置１０７へ充電電流を供給することで、蓄電装置１０７の充電を行う。この際、インバータ装置１０６は、蓄電装置１０７の充電電圧を所定の範囲に制御するための半導体スイッチング装置等の装置を介さず蓄電装置１０７に接続される。

（２−２）実施形態２の蓄電装置の充電に関する構成例
図７は、実施形態２の蓄電装置の充電に関する構成例を示すブロック図である。図７に示すように、鉄道車両駆動システム１Ｂは、インバータ装置１０６の３相の交流電力出力側に、１つの制御単位を構成する４つの主電動機１１５ａ〜１１５ｄと、３相の延長給電回路１１３（１１３ａ、１１３ｂ、及び１１３ｃ）との接続をそれぞれ切替える延長給電回路接続用切替器５０２ａ、５０２ｂ、及び５０２ｃを備える。

また鉄道車両駆動システム１Ｂは、高速回路遮断器１１０と補助電源装置１０５との間に、フィルタリアクトル２０４及び断流器２０７が接続される。また鉄道車両駆動システム１Ｂは、高速回路遮断器１１１とインバータ装置１０６との間に、フィルタリアクトル２０３と短絡機能付きダイオード２０８Ｂと断流器２０６とが接続される。

なお補助電源装置１０３が第１の電力変換手段の一例であり、インバータ装置１０６が第２の電力変換手段の一例である。また延長給電回路１１３が第１の接続手段の一例であり、短絡機能付きダイオード２０８Ｂを含むインバータ装置１０６と蓄電装置１０７とを接続する接続線が第２の接続手段の一例である。なお延長給電回路接続用切替器５０２のみで、補助電源装置１０３とインバータ装置１０６との接続及び切断を制御してもよい。

鉄道車両駆動システム１Ｂは、蓄電装置１０７への充電時の動作の際には、インバータ制御装置５０１内のＣＰＵ等の処理装置は、車両用制御装置２１０が出力する充電要求を認識すると、次の処理を行う。

（Ｂ１）延長給電回路接続用切替器５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、及び１１９を閉状態にする指令を出力し、補助電源装置１０３から延長給電回路１１３を介してインバータ装置１０６に交流電力が供給される給電経路が形成されているかを確認する。
（Ｂ２）集電装置１０２と電車線との接続及び切り離しを制御する制御装置に、集電装置１０２を電車線から切り離す制御指令を出力する。
（Ｂ３）短絡機能付きダイオード２０８Ｂに短絡指令を出力し、通常時に行う集電装置１０２側からインバータ装置１０６への整流動作を切替えて、インバータ装置１０６側から蓄電装置１０７への逆流動作が可能な状態に移行させる。
（Ｂ４）インバータ装置１０６にインバータ運転からコンバータ運転に切り換える切替指令を出力する。

蓄電制御装置１１７は、蓄電装置１０７の充電量を監視して、その情報をインバータ制御装置５０１に出力することで、蓄電装置１０７が過不足なく適正な電力を蓄えることを可能にする。

（３）実施形態３
実施形態３の鉄道車両駆動システム１Ｃは、実施形態１とは異なり、インバータ装置１０４を延長給電回路１１３を介して補助電源装置１０５に接続し、補助電源装置１０５をコンバータ運転させることにより、充電装置１０７を充電するシステムである。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。

（３−１）実施形態３の鉄道車両駆動システムの概略構成
図８は、実施形態３の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。図８に示すように、実施形態３の鉄道車両駆動システム１Ｃは、実施形態１の鉄道車両駆動システム１と比較して、延長給電回路１１３は補助電源装置１０３及び１０５間を接続するのではなく、インバータ装置１０４及び補助電源装置１０５間を接続する。インバータ装置１０４は、延長給電回路接続用切替器６０１が切り替わることにより、主電動機１１４及び延長給電回路１１３の何れか一方と接続される。なお延長給電回路接続用切替器６０１のみで、インバータ装置１０４と補助電源装置１０５との接続及び切断を制御してもよい。

次にインバータ装置１０４と補助電源装置１０５を利用して、蓄電装置１０７に充電を行う動作を説明する。インバータ装置１０４は、本来の動作であるインバータ運転を行って、集電装置１０１を介して電車線から供給された直流電力を交流電力に変換する。また補助電源装置１０５は、補助電源制御装置１１６からの指令により本来のインバータ運転からコンバータ運転に動作が切り替わる。補助電源装置１０５は、延長給電回路１１３と主電動機１１４との接続を切替えるスイッチである延長給電回路接続用切替器１１８を介してインバータ装置１０４から供給された３相の交流電力を直流電力に変換し、蓄電装置１０７へ充電電流を供給することで、蓄電装置１０７の充電を行う。

なおインバータ装置１０４が第１の電力変換手段の一例であり、補助電源装置１０５が第２の電力変換手段の一例である。また延長給電回路１１３が第１の接続手段の一例であり、短絡機能付きダイオード２０８を含む補助電源装置１０５と蓄電装置１０７とを接続する接続線が第２の接続手段の一例である。

（４）実施形態４
実施形態４は、実施形態１とは異なり、インバータ装置１０４を延長給電回路１１３を介してインバータ装置１０６に接続し、インバータ装置１０６をコンバータ運転させることにより、蓄電装置１０７を充電するシステムである。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。

（４−１）実施形態４の鉄道車両駆動システムの概略構成
図９は、実施形態４の鉄道車両駆動システムの構成例を示すブロック図である。図９に示すように、実施形態４の鉄道車両駆動システム１Ｄは、実施形態１の鉄道車両駆動システム１と比較して、補助電源制御装置１１６の代わりにインバータ装置１０６の出力側にインバータ制御装置５０１が接続される。また鉄道車両駆動システム１Ｄは、延長給電回路１１３Ｄが、リアクトル７０１を含み、インバータ装置１０４及び１０６間を接続する。インバータ装置１０４は、延長給電回路接続用切替器６０１が切り替わることにより、主電動機１１４及び延長給電回路１１３Ｄの何れか一方と接続される。またインバータ装置１０６は、延長給電回路接続用切替器５０２が切り替わることにより、主電動機１１５及び延長給電回路１１３Ｄの何れか一方と接続される。なお延長給電回路接続用切替器５０２のみで、インバータ装置１０４とインバータ装置１０６との接続及び切断を制御してもよい。

次にインバータ装置１０４とインバータ装置１０６を利用して、蓄電装置１０７を充電する際の動作を説明する。インバータ装置１０４は、本来の動作であるインバータ運転を行って、集電装置１０１を介して電車線から供給された直流電力を交流電力に変換する。またインバータ装置１０６は、インバータ制御装置５０１からの指令により本来のインバータ運転からコンバータ運転に動作が切り替わる。インバータ装置１０６は、延長給電回路１１３Ｄと主電動機１１５との接続を切替える延長給電回路接続用切替器５０２を介して、インバータ装置１０４から供給された３相の交流電力を直流電力に変換し、蓄電装置１０７へ充電電流を供給することで、蓄電装置１０７の充電を行う。

なおインバータ装置１０４が第１の電力変換手段の一例であり、インバータ装置１０６が第２の電力変換手段の一例である。また延長給電回路１１３Ｄが第１の接続手段の一例であり、短絡機能付きダイオード２０８Ｂを含むインバータ装置１０６と蓄電装置１０７とを接続する接続線が第２の接続手段の一例である。

なお上述の実施形態１〜４では、電車線から供給される電力は直流電力であるとしたが、本発明は、電車線から供給される電力が交流電力であり集電装置を介して取り込んだ電力を交流電力から直流電力に変換後に分配し、インバータ及び補助電源装置で交流電力にさらに変換する構成であっても適用可能である。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上述した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加又は他の構成との置換、もしくは削除をすることが可能である。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…鉄道車両駆動システム、１００…編成車両、１００−１…制御付随車、１００−２，１００−３，１００−５，１００−６…動力車、１００−４，１００−７…付随車、１０１，１０２…集電装置、１０３，１０５…補助電源装置、１０４，１０４−１，１０６，１０６−１…インバータ装置、１０７…蓄電装置、１０８，１０９，１１０，１１１，１１２…高速回路遮断器、１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３Ｄ…延長給電回路、１１４，１１５，１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ…主電動機、１１６…補助電源制御装置、１１７…蓄電制御装置、１１８，１１９…延長給電回路接続用切替器、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５…フィルタリアクトル、２０６，２０７…断流器、２０８，２０８Ｂ…逆流機能付きダイオード、２０８ａ…ダイオード短落用コンタクタ、２０８ｂ…ダイオード、２０９…接地、２１０…車両用制御装置、５０１…インバータ制御装置、５０２，５０２ａ，５００２ｂ，６０１…延長給電回路接続用切替器、７０１…リアクトル。

【０００２】
［０００５］
特許文献１：特開２００９−２９６７３１号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００６］
ここで、電車線からの電力が遮断される状況においても一定区間の車両の自力走行を可能にするためのエネルギー源を有する車両には、充放電能力が十分にありかつ必要最低限の充電容量を有する２次電池等の蓄電装置と、その蓄電装置を充電制御する例えばチョッパ装置等の充電装置の搭載が必要となる。このような車両においては、電車線から電力の供給を受けられる区間で蓄電装置に充電し、電車線から電力の供給を受けられない区間での自力走行時や電力の供給が遮断された緊急走行時には蓄電装置に蓄えられた電力を駆動装置に供給して走行を行う。
［０００７］
しかしながら、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを利用する自力走行や緊急走行は頻繁に発生するわけではないため、蓄電装置の充電のための専用の機器を追加で搭載することなく、既に搭載されている機器を再利用した方式を確立するのが望ましい。
［０００８］
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電気鉄道システムにおいて車両の自力走行を可能にするための蓄電装置の充電のための構成及び方法を簡略化可能な鉄道車両駆動システム及び鉄道車両における蓄電装置の充電方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００９］
上述の課題を解決するために本発明は、架線と接続可能な第１の電力変換手段及び第２の電力変換手段を有する鉄道駆動システムにおいて、前記第２の電力変換手段と接続可能に設けられた蓄電装置と、前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段との間に設けられた開閉器と、前記第２の電力変換手段と前記架線との間に設けられた接触制御器と、前記第２の電力変換手段と前記接触制御器との間に設けられた電流の通電方向切換手段と、前記開閉器、前記接触制御器及び前記通電方向切換手段を制御する制御装置と、を備え、前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段は、それぞれ前記車上補助機器に電力を供給する装置及び駆動用モータに電力を供給する装置のいずれかであることを特徴とする。

Claims (14)

1. 架線と接続可能な第１の電力変換手段及び第２の電力変換手段を有する鉄道駆動システムにおいて、
   前記第２の電力変換手段と接続可能に設けられた蓄電装置と、
   前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段との間に設けられた開閉器と、
   前記第２の電力手段と前記架線との間に設けられた接触制御器と、
   前記第２の電力変換手段と前記接触制御器との間に設けられた電流の通電方向切換手段と、
   前記開閉器、前記接触制御器及び前記通電方向切換手段を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする鉄道車両駆動システム。
2. 前記制御装置は、
   前記開閉器及び前記接触制御器を開状態としてから自身の電源を停止する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両駆動システム。
3. 前記制御装置は、
   前記開閉器を開状態とし、かつ前記接触制御器を閉状態とする第一状態と、
   前記開閉器を閉状態とし、かつ前記接触制御器を開状態とする第二状態と、
   を切り替える指令を出力する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両駆動システム。
4. 前記制御装置は、
   前記通電方向切換手段から前記第２の電力変換手段に向かう電流を通電させる第一制御と、
   前記第２の電力変換手段から前記通電方向切換手段に向かう電流を通電させる第二制御と、
   を切り替える指令を出力し、
   前記第一制御と前記第二制御との切り替えにおいて、前記第２の電力変換手段に対して運転を逆転させる指令を出力する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
5. 前記制御装置は、
   前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段と前記架線との接続の解消が検知されると前記第一制御を実行し、
   前記第１の電力変換手段と前記架線との接続が確立されている期間において前記第二制御を実行する
   ことを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両駆動システム。
6. 前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段が、車上補助機器に電力を供給する補助電源装置である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
7. 前記第１の電力変換手段が、車上補助機器に電力を供給する補助電源装置であり、
   前記第２の電力変換手段が、駆動用モータに電力を供給するインバータ装置である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
8. 前記第１の電力変換手段が、駆動用モータに電力を供給するインバータ装置であり、
   前記第２の電力変換手段が、車上補助機器に電力を供給する補助電源装置である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
9. 前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段が、駆動用モータに電力を供給するインバータ装置である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
10. 前記開閉器と直列に接続されるリアクトルを有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の鉄道車両駆動システム。
11. ダイオードと該ダイオードに並列接続された前記ダイオードの入出力を短絡させるためのスイッチとを少なくとも構成に含み、
    前記制御装置は、
    前記架線から前記第２の電力変換手段へ電流を流すときには前記スイッチをオフにし、
    前記蓄電装置を充電するときには前記スイッチをオンにする
    ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
12. 前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の出力側に、車上補助機器に電力を給電するための接続手段との接続を開閉するスイッチを有する
    ことを特徴とする請求項７〜１０の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
13. 前記第２の電力変換手段は、前記蓄電装置の充電電圧を所定の範囲に制御するための装置を介さず前記蓄電装置に接続される
    ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の鉄道車両駆動システム。
14. 架線と接続可能な第１の電力変換手段及び第２の電力変換手段を備えた鉄道駆動システムにおける蓄電装置の蓄電方法において、
    前記鉄道車両駆動システムは、
    前記第２の電力変換手段と接続可能に設けられた蓄電装置と、
    前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段との間に設けられた開閉器と、
    前記第２の電力手段と前記架線との間に設けられた接触制御器と、
    前記第２の電力変換手段と前記接触制御器との間に設けられた電流の通電方向切換手段と、
    前記開閉器、前記接触制御器及び前記通電方向切換手段を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置が、
    前記開閉器を閉状態にして前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段とを接続し、
    前記接触制御器を開状態にして前記第２の電力手段と前記架線との接続を解消し、
    前記通電方向切換手段を制御して前記第２の電力変換手段から前記通電方向切換手段に向かう電流を通電させ、
    前記第２の電力変換手段に対して運転を逆転させる指令を出力する、
    各処理を含んだことを特徴とする蓄電方法。

Images