WO2011152383A1

WO2011152383A1 - 鉄道車両の駆動装置

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Publication number: WO2011152383A1
Application number: PCT/JP2011/062454
Authority: WO
Inventors: 大二郎荒木; 基巳嶋田; 周一立原; 哲堀江; 正浩長洲
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US8924051B2; US20130073125A1; CN103097172A; EP2578436A1; KR101434772B1; KR20130014593A; JP2011254594A; JP5452371B2; CN103097172B

Abstract

　一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４が制御される。本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。　蓄電装置がインバータ装置４に直列に接続可能な回路構成において、集電装置１と接地点の間に架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサを設置して、電圧センサの検出結果に基づき電力蓄積装置を制御する。

Description

鉄道車両の駆動装置

　本発明は、電力蓄積手段を搭載した鉄道車両の駆動装置に関する。

　鉄道車両の分野では、ブレーキ時に主電動機を発電機として動作させて、ブレーキ力を得ると同時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して架線へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。回生ブレーキ制御により架線に戻された電力は、他の車両が力行する電力として利用できるため、消費電力を低減することができる。

　しかしながら、回生ブレーキ制御には以下に示す２つの課題がある。

　１つ目の課題は、主電動機やインバータ装置の性能により高速度域（定トルク終端速度以上）では回生性能が制限され、十分なブレーキ力が得られない点である。

　主電動機の出力は主電動機に印加される電圧と主電動機に流れる電流により決定される。一般的に電圧は架線から供給される電源電圧で決定されるため、主電動機の出力を上げるには電流を増加する必要があった。しかし、電流を増加すると電動機やインバータ装置の発熱が増加するので、冷却性能を確保するために主電動機の体格を大きくしたり、インバータ装置の冷却器を大きくしたりする必要がある。また、インバータ装置の半導体素子の並列数を増やさなければならない場合もある。このように、主電動機の電流を増加して高速域の回生ブレーキ力を増大する方法は装置の大型化を伴い、重量が増加するため消費電力の低減効果を小さくしてしまっていた。

　２つ目の課題は、力行中の他車両が少ない場合は架線電圧の上昇を抑えインバータ装置を保護するために回生ブレーキ力を絞らなければならない点である。

　力行中の他車両が少ない場合、回生ブレーキにより架線に戻した電力が消費されないため架線電圧が上昇する（以下、軽負荷回生状態という）。その結果、インバータ装置に印加される電圧が許容値を超えてインバータ装置を破壊する恐れがあるため、回生ブレーキ力を絞ることで、架線電圧の上昇を抑制する必要があった。その結果、不足するブレーキ力を空気ブレーキで補足することとなり十分な消費電力の低減効果を得られなかった。

　これらの課題を解決する技術が、例えば特許文献１に記載されている。前記特許文献１に記載の鉄道車両の駆動装置は、電動機と電動機を駆動するインバータ装置と充放電可能な電力蓄積手段を備え、電力蓄積手段をインバータ装置と直列に接続する（以下、直列型）と、並列に接続する（以下、並列型）と、を切り替えるスイッチを有している。また、電力蓄積手段を充放電させるためのチョッパ回路を有している。この構成により、前述の課題１と２の解決を図っている。

　課題１の高速域での回生ブレーキ力不足に対しては、インバータ装置と電力蓄積手段を直列に接続するようにスイッチを操作して、インバータ装置の入力電圧を電力蓄積手段の電圧分だけ昇圧する。これにより電動機に印加される電圧が増加し、電動機出力を増大できるので、電動機の電流を増加することなく高速域での回生ブレーキ力を増大することができる（高速域電気ブレーキ機能）。

　課題２の軽負荷回生状態に対しては、インバータ装置と電力蓄積手段を並列に接続するようにスイッチを操作して、チョッパ回路を動作させることにより、回生電力の一部を電力蓄積手段に吸収する（回生吸収機能）。

　また、力行動作する場合はインバータ装置と電力蓄積手段を並列に接続するようにスイッチを操作して、チョッパ回路を動作させることで電力蓄積手段に吸収した電力を放出してインバータ装置に供給することができる。

特開２００９－１８３０７８号公報

　上記の特許文献１に記載のように、一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４が制御される。本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。軽負荷回生状態であると判別されると架線電圧の上昇を抑えインバータ装置を保護するために回生ブレーキ力が絞られるため、本来軽負荷回生状態ではないにもかかわらず、軽負荷回生状態と判別されると省エネ効果が低下する問題があった。

　そこで、蓄電装置がインバータ装置４に直列に接続可能な回路構成において、集電装置１と接地点の間に架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサを設置して、電圧センサの検出結果に基づき電力蓄積装置を制御する。

　本発明により、架線電圧を検出する電圧センサを設置し、架線電圧により電力蓄積装置を制御することで鉄道車両における省エネ効果の向上が図れる。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第３の実施形態の基本構成を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第４の実施形態の基本構成を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第５の実施形態の基本構成を示す第１の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第５の実施形態の基本構成を示す第２の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第６の実施形態の基本構成を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第７の実施形態の基本構成を示す第１の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第７の実施形態の基本構成を示す第２の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における第５および第７の実施形態におけるインバータ装置に印加される電圧の説明図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する動作モード決定部を示す図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第１の実施形態を示す第１の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第１～第３の実施形態を示す第２の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第１の実施形態を示す第３の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第２の実施形態を示す第１の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第２の実施形態を示す第３の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第３の実施形態を示す第１の図。本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する方法の第３の実施形態を示す第３の図。

　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

　図１は本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図である。

　直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の主電動機５ａ～５ｂと、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積装置６（一例として、蓄電池やキャパシタ等の電力蓄積手段と昇降圧チョッパで構成）を備えた鉄道車両の駆動装置であり、集電装置１と接地点の間に集電装置１から供給される電圧（以下、架線電圧）Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置している。ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。

　一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４を制御するが、本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。軽負荷回生状態であると判別されると架線電圧の上昇を抑えインバータ装置を保護するために回生ブレーキ力が絞られるため、本来軽負荷回生状態ではないにもかかわらず、軽負荷回生状態と判別されると省エネ効果が低下する。

　そこで、本発明の回路構成のようにインバータ装置４に印加される直流電圧が電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるような回路構成では、図１のように、集電装置１と接地点の間に架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置して、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行い、インバータ装置４および電力蓄積装置６を制御するのが良い。

　本発明の実施態様により、電力蓄積装置６を用いることで高速域電気ブレーキ機能および回生吸収機能を共に実現することができるようになることに加えて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を適切に行うことで鉄道車両における省エネ効果の向上が図れる。

　図２は本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図である。

　直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の主電動機５ａ～５ｂと、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積装置６（一例として、蓄電池やキャパシタ等の電力蓄積手段と昇降圧チョッパで構成）を備えた鉄道車両の駆動装置であり、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置している。ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。

　一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４を制御するが、本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。

　そこで、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが架線電圧Ｖｓと電力蓄積装置６の電圧Ｖｂの和であることを鑑みて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置して、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcと電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓのうち少なくとも２つ以上の電圧値から架線電圧Ｖｓ相当の電圧を算出し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行い、インバータ装置４および電力蓄積装置６を制御するのが良い。

　本発明の実施態様により、電力蓄積装置６を用いることで高速域電気ブレーキ機能および回生吸収機能を共に実現することができるようになることに加えて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上の電圧値から架線電圧Ｖｓ相当の電圧を算出し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を適切に行うことで鉄道車両における省エネ効果の向上が図れる。

　図３は本発明の鉄道車両の駆動装置における第３の実施形態の基本構成を示す図である。

　直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の主電動機５ａ～５ｂと、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積装置６（一例として、蓄電池やキャパシタ等の電力蓄積手段と昇降圧チョッパで構成）を備えた鉄道車両の駆動装置であり、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置すると共に、スイッチ８ａ，８ｂをオフ、スイッチ８ｃをオンし、電力蓄積装置６をインバータ装置４と直列に接続することも或いはスイッチ８ｃをオフ、スイッチ８ａ，８ｂをオンし、電力蓄積装置６をインバータ装置４と並列に接続することも可能とすることで高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現できることを特徴としている。ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。

　そこで、本発明の回路構成のようにインバータ装置４に印加される直流電圧が電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるような回路構成では、集電装置１と接地点の間に集電装置１から供給される架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置して、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行い、インバータ装置４および電力蓄積装置６を制御するのが良い。

　または、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが架線電圧Ｖｓと電力蓄積装置６の電圧Ｖｂの和であることを鑑みて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置して、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcと電力蓄積装置６の電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓのうち少なくとも２つ以上の電圧値から架線電圧Ｖｓ相当の電圧を算出し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行い、インバータ装置４および電力蓄積装置６を制御するのが良い。

　なお、図３の回路構成では、高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を直列型の主回路構成とするか並列型の主回路構成とするかで切り替えているが、高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現できる回路構成であればどのような回路構成でも良い。

　図４は本発明の鉄道車両の駆動装置における第４の実施形態の基本構成を示す図である。

　集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動を除去した後、インバータ装置４に入力される。インバータ装置４は、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て、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。

　接地点１０はこの回路の基準電位を決めている。

　スイッチング素子１１ａ，１１ｂは、半導体素子による電流遮断手段である。スイッチング素子１１ａ，１１ｂは、その入出力端子に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子１２ａ，１２ｂを並列に接続する。

　第１の平滑リアクトル（ＭＳＬ）１３は、スイッチング素子１１ａと１１ｂの接続位置と、電力蓄積手段９の正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、電力蓄積手段９の負極端子は、インバータ装置４の低電位側端子に接続する。

　スイッチ１４ａは接地点１０と電力蓄積手段９の正極の間に配置され、スイッチ１４ｂは接地点１０と電力蓄積手段９の負極の間に配置される。スイッチ１４ａおよび１４ｂは、双方向に流れる電流を導通または遮断できるものであり、機械的接点を用いた遮断器であっても良いし、半導体による電流遮断手段とダイオード素子を組み合わせたものでも良い。

　ここで、一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４を制御するが、本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。

　そこで、本発明の回路構成のようにインバータ装置４に印加される直流電圧が電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓの和となるような回路構成では、集電装置１と接地点１０の間に集電装置１から供給される架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置して、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行うのが良い。

　または、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが架線電圧Ｖｓと電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂの和であることを鑑みて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置して、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcと電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓのうち少なくとも２つ以上の電圧値から架線電圧Ｖｓ相当の電圧を算出し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行うのが良い。

　本発明の回路構成の場合は、ＶfcとＶｂとＶｓの値に基づいて、軽負荷回生状態であると判断すれば、インバータ装置４やスイッチング素子１１ａ，１１ｂを制御し、回生吸収機能を動作させる。

　本実施例における力行時の回路動作について説明する。本発明の回路構成の場合、後述のように回生時には電力蓄積手段９が充電されるため、力行時には、次の回生に備えて電力蓄積手段９の電力を積極的に放電する必要がある。本発明の回路構成の場合、力行時における電力蓄積手段９の放電は２つの方法（並列型および直列型）で実現できる。

　まず１つ目の方法について説明する。１つ目の方法では、スイッチ１４ａをオフ、スイッチ１４ｂをオンする。これにより、インバータ装置４の接地点側の端子と電力蓄積手段９の負極側が接地点１０に接続される。このとき、インバータ装置４に印加される電圧は概ね集電装置１から供給される電圧Ｖｓに一致し、インバータ装置４と電力蓄積手段９は並列に接続される構成となる。

　ここで、スイッチング素子１１ｂを周期的にオン／オフすることにより、電力蓄積手段９の電力を放出しインバータ装置４に供給することができる。ここで、第１の平滑リアクトル１３は、電力蓄積手段９に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能を持つ。

　前述のスイッチング素子１１ｂを所定時間Ｔon_ｂだけオンすると、電力蓄積手段９の正極側と負極側は短絡されるが、このとき、第１の平滑リアクトル１３は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔon_ｂの期間に通流した電流と、電力蓄積手段９の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子１１ｂを所定時間Ｔoff_ｂだけオフすると、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギはダイオード素子１２ａを介して集電装置１とインバータ装置４の間の直流電力部に放出される。

　この方法によると、架線不具合（パンタ離線や架線停電）等で架線から電力供給ができなくなった緊急時において、電力蓄積手段９の電力により車両を走行させることも可能となる。

　しかしながら、力行電力量の一部または全部を電力蓄積手段９の電力により供給することで力行電力量の低減を図るという観点からは、スイッチング素子のスイッチング損失分だけ補足できる電力量が減少するため省エネ効果が低減する。

　続いて、２つ目の方法について説明する。２つ目の方法では、スイッチ１４ａをオン、スイッチ１４ｂをオフする。これにより、インバータ装置４の接地点側の端子と電力蓄積手段９の正極側が接地点１０に接続されるため、インバータ装置４と電力蓄積手段９は直列に接続される構成となる。

　この場合、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと電力蓄積手段通流電流Ｉｂ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖｂ×Ｉｂに相当する電力が電力蓄積手段９から放電される。また、先述のようなスイッチング素子１１ｂのオン／オフによる放電を行わないため、スイッチング損失が発生しない。従って、先述のスイッチング素子１１ｂのオン／オフによる放電手法と比べて、電力蓄積手段９による力行電力量の補足を効率的に行うことが可能となる。

　次に、回生時の回路動作について説明する。回生時は、スイッチ１４ａをオン、スイッチ１４ｂをオフする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点１０を基準として、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極～負極）の電位差は、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｂ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差を電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｂ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このとき電力蓄積手段９には、端子間電圧Ｖｂと、電力蓄積手段通流電流Ｉｂ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖｂ×Ｉｂに相当する電力が充電される。

　ここで、軽負荷回生状態となれば、主回路構成はそのまま（直列型）に、電圧センサ７ａ～７ｃにより得られた架線電圧に応じてスイッチング素子１１ａを周期的にオン／オフすることにより、架線側に戻せなかった回生電力を電力蓄積手段９に充電する。ここで、第１の平滑リアクトル１３は、電力蓄積手段９に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能を持つ。

　前述のスイッチング素子１１ａを所定時間Ｔon_ａだけオンすると、前述の集電装置１およびフィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂよりも高いとき、直流電力部から電力蓄積手段９の向きに電流が流れる。このとき、第１の平滑リアクトル１３は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔon_ａの期間に通流した電流と、電力蓄積手段９の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフすると、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギは電力蓄積手段９の高電位側端子から低電位側端子に抜け、スイッチング素子１１ｂのダイオード素子１２ｂを経て、第１の平滑リアクトル１３に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフしている期間は、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが電力蓄積手段９に充電され続け、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。これにより電力蓄積手段９から、端子間電圧Ｖｂと、電力蓄積手段通流電流Ｉｂ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖｂ×Ｉｂに相当する電力が充電される。

　本発明の実施態様により、力行時においては、直列型の回路構成とすることで電力蓄積手段９による力行電力量の補足を効率的に行うと共に、回生時においては主回路構成を切り替えることなく高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現することが可能となり、回生時においては、高速域電気ブレーキ機能を基本動作とし、軽負荷回生状態となれば、シームレスに回生吸収機能を動作させることで、省エネ効果の最大化が図れる。

　上記した従来技術では、スイッチにより主回路構成を切り替えることで高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を実現する構成であるため、切り替えの際にインバータ装置の入力電圧が電力蓄積手段の電圧分だけ急激に変動してしまい、インバータ装置の入力電圧が跳ね上がって、過電圧保護機能が動作する可能性があるだけでなく、電動機のトルクが急変して乗り心地の低下にもつながる。

　従って、回生時にインバータ装置と電力蓄積手段を直列に接続して、高速域電気ブレーキ機能を動作させている状態から、軽負荷回生状態になった場合、一度インバータ装置を停止させてインバータ装置と電力蓄積手段を並列に接続するようにスイッチを切り替える必要があった。このため、連続的な回生動作を行うことができなくなり、ブレーキ力が一時的に低下し制動距離が伸びたり、ブレーキ力不足を補うために空気ブレーキを動作させることで省エネルギ効果が低下するといった問題があった。

　また、力行時においては、並列型の回路構成としてチョッパ回路により電力蓄積手段の電圧を架線電圧相当まで昇圧することで電力蓄積手段に蓄えた電力をインバータ装置に供給しているが、チョッパ回路のスイッチング素子を動作させることによる損失が生じる。そのため、従来技術の方法では、スイッチング素子の損失分だけインバータ装置に供給できる電力量が減少してしまい、省エネルギ効果が低下するといった問題があった。

　実施例４～７で説明する回路構成は、力行時に、電力蓄積手段による力行電力の供給を効率的に行う効果と、回生時に、高速域電気ブレーキ運転と回生吸収運転の切り替えの際のインバータ装置の入力電圧の変動を低減させる効果の、少なくともいずれかを達成することが可能である。

　図５は本発明の鉄道車両の駆動装置における第５の実施形態の基本構成を示す図である。

　第４の実施形態の基本構成（図４）と異なる点は、（１）電力蓄積手段９の正極側と負極側の間にスイッチング素子１５ａ，１５ｂを接続し、その入出力端子に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子１６ａ，１６ｂを並列に接続した点と、（２）スイッチ１４ａを第２の平滑リアクトル１７を介して、スイッチング素子１５ａとスイッチング素子１５ｂの接続位置に接続した点である。

　スイッチング素子１５ａ，１５ｂとダイオード素子１６ａ，１６ｂと第２の平滑リアクトル１７は電力蓄積手段９を電源とする降圧チョッパ回路を構成している。

　第４の実施形態の基本構成（図４）では、回生時に電力蓄積手段９の電圧を直流電圧源の電圧に加算してインバータ装置４に入力するが、電力蓄積手段９の電圧は充電されている電荷によって変動するため、電力蓄積手段９の電圧は充放電の状態によって時々刻々と変化する。通常、インバータ装置４の直流側の電圧は一定であるのが望ましい。

　そこで、本実施例のように、電力蓄積手段９を電源とする降圧チョッパ回路を構成し、電力蓄積手段９からインバータ装置４に印加する電圧を一定値に制御することで、直流電圧源の電圧変動を除いて一定にすることができる。

　なお、本実施形態では、スイッチング素子１５ａ，１５ｂとダイオード素子１６ａ，１６ｂと第２の平滑リアクトル１７で構成される降圧チョッパ回路を電力蓄積手段９に対して接地点１０側へ配置したが、図６のように、降圧チョッパ回路を電力蓄積手段９に対してインバータ装置４側へ配置する構成であっても良い。

　接地点１０はこの回路の基準電位を決めている。

　スイッチング素子１５ａ，１５ｂは、半導体素子による電流遮断手段である。スイッチング素子１５ａ，１５ｂは、その入出力端子に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子１６ａ，１６ｂを並列に接続する。

　第２の平滑リアクトル（ＭＳＬ）１７は、スイッチング素子１５ａと１５ｂの接続位置と、スイッチ１４ａの間の電力線の途中に配置する。

　スイッチング素子１５ａ，１５ｂと、ダイオード素子１６ａ，１６ｂと、第２の平滑リアクトル（ＭＳＬ）１７は、電力蓄積手段９を電源とする降圧チョッパ回路を構成し、電圧をゼロから電力蓄積手段９の電圧値の間で連続的に制御する。

　ここで、一般的に鉄道車両の制御装置では、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcに基づいてインバータ装置４を制御するが、本発明の回路構成の場合、後述のように回生時にインバータ装置４に印加される直流電圧は、スイッチング素子１５ａ，１５ｂと、ダイオード素子１６ａ，１６ｂと、第２の平滑リアクトル（ＭＳＬ）１７で構成される降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpと架線電圧Ｖｓの和となるため、直流部電圧Ｖfcを検出しただけでは降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpと架線電圧Ｖｓを分離することができず、軽負荷回生状態であるか否かの判別ができない。また、降圧チョッパを動作させて所望の電圧を得るためには、電力蓄積手段９の電圧Ｖｂが必要である。

　そこで、本発明の回路構成のようにインバータ装置４に印加される直流電圧が降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpと架線電圧Ｖｓの和となるような回路構成では、集電装置１と接地点１０の間に集電装置１から供給される架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａを設置して、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行うのが良い。

　または、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが架線電圧Ｖｓと降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpの和であることを鑑みて、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置して、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcと電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと架線電圧Ｖｓのうち少なくとも２つ以上の電圧値から架線電圧Ｖｓ相当の電圧を算出し、架線電圧Ｖｓにより軽負荷回生状態であるか否かの判別を行うのが良い。

　本実施例における力行時の回路動作について説明する。本発明の回路構成の場合、後述のように回生時には電力蓄積手段９が充電されるため、力行時には、次の回生に備えて電力蓄積手段９の電力を積極的に放電する必要がある。

　本発明の回路構成の場合、力行時における電力蓄積手段９の放電は２つの方法（並列型および直列型）で実現できる。

　しかしながら、力行電力量の一部を電力蓄積手段９の電力により補足することで力行電力量の低減を図るという観点からは、スイッチング素子のスイッチング損失分だけ補足できる電力量が減少するため省エネ効果が低減する。

　次に、回生時の回路動作について説明する。回生時は、スイッチ１４ａをオン、スイッチ１４ｂをオフする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、図１０のように、接地点１０を基準として、降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpだけ引き下げられる。

　一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極～負極）の電位差は、架線電圧Ｖｓと降圧チョッパの電圧Ｖchpの和Ｖchp＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差を電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖchpだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖchp＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このとき電力蓄積手段９には、降圧チョッパの電圧Ｖchpと、降圧チョッパの電流Ｉchp（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖchp×Ｉchpに相当する電力が充電される。

　前述のスイッチング素子１１ａを所定時間Ｔon_ａだけオンすると、前述の集電装置１およびフィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが、降圧チョッパの電圧Ｖchpよりも高いとき、直流電力部から電力蓄積手段９の向きに電流が流れる。このとき、第１の平滑リアクトル１３は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔon_ａの期間に通流した電流と、電力蓄積手段９の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフすると、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギは電力蓄積手段９の高電位側端子から低電位側端子に抜け、スイッチング素子１１ｂのダイオード素子１２ｂを経て、第１の平滑リアクトル１３に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフしている期間は、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが電力蓄積手段９に充電され続け、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。これにより電力蓄積手段９から、降圧チョッパの電圧Ｖchpと、降圧チョッパの電流Ｉchp（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖchp×Ｉchpに相当する電力が充電される。

　図７は本発明の鉄道車両の駆動装置における第６の実施形態の基本構成を示す図である。

　第４の実施形態の基本構成（図４）と異なる点は、スイッチ１４ａを接地点１０から電力蓄積手段９の方向のみ電流を導通できるダイオード素子１４ｃで置き換えた点である。これにより、第４の実施形態の基本構成（図４）のように、力行時に電力蓄積手段９をインバータ装置４と直列に接続することはできないが、図４では図示していないスイッチ１４ａをオン／オフさせる回路が不要となるため、第４の実施形態の基本構成（図４）に比べて駆動装置を小型化できる。

　力行時は、電流が電力蓄積手段９の負極側から接地点１０へ電流が流れるようにスイッチ１４ｂをオンする。さらにスイッチング素子１１ｂを周期的にオン／オフさせることで電力蓄積手段９に蓄えた電力をインバータ装置４に供給できる。

　また、回生時は電流が接地点１０からダイオード素子１４ｃを通して電力蓄積手段９の正極側へ流れるようにスイッチ１４ｂをオフする。これにより、前述の実施形態と同じように高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現できる。

　接地点１０はこの回路の基準電位を決めている。

　ダイオード素子１４ｃは接地点１０と電力蓄積手段９の正極の間に配置され、接地点１０から電力蓄積手段９の正極側へ流れる電流のみ導通させる。

　スイッチ１４ｂは接地点１０と電力蓄積手段９の負極の間に配置される。スイッチ１４ｂは、双方向に流れる電流を導通または遮断できるものであり、機械的接点を用いた遮断器であっても良いし、半導体による電流遮断手段とダイオード素子を組み合わせたものでも良い。

　本実施例における力行時の回路動作について説明する。力行時はスイッチ１４ｂをオンする。これにより、インバータ装置４の接地点側の端子と電力蓄積手段９の負極側が接地点１０に接続される。このとき、インバータ装置４に印加される電圧は概ね集電装置１から供給される電圧Ｖｓに一致し、インバータ装置４と電力蓄積手段９は並列に接続される構成となる。

　続いて、回生時の回路動作について説明する。回生時はスイッチ１４ｂをオフする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点１０を基準として、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極～負極）の電位差は、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｂ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差を電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｂ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このとき電力蓄積手段９には、端子間電圧Ｖｂと、電力蓄積手段通流電流Ｉｂ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖｂ×Ｉｂに相当する電力が充電される。

　前述のスイッチング素子１１ａを所定時間Ｔon_ａだけオンすると、前述の集電装置１およびフィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが、電力蓄積手段６ｂの端子間電圧Ｖｂよりも高いとき、直流電力部から電力蓄積手段９の向きに電流が流れる。このとき、第１の平滑リアクトル１３は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔon_ａの期間に通流した電流と、電力蓄積手段９の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフすると、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギは電力蓄積手段９の高電位側端子から低電位側端子に抜け、スイッチング素子１１ｂのダイオード素子１２ｂを経て、第１の平滑リアクトル１３に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフしている期間は、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが電力蓄積手段９に充電され続け、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。これにより電力蓄積手段９から、端子間電圧Ｖｂと、電力蓄積手段通流電流Ｉｂ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖｂ×Ｉｂに相当する電力が充電される。

　本発明の実施態様により、主回路構成を切り替えることなく高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現することが可能となり、回生時においては、高速域電気ブレーキ機能を基本動作とし、軽負荷回生状態となれば、シームレスに回生吸収機能を動作させることで、省エネ効果の最大化が図れる。

　図８は本発明の鉄道車両の駆動装置における第７の実施形態の基本構成を示す図である。

　第６の実施形態の基本構成（図７）と異なる点は、（１）電力蓄積手段９の正極側と負極側の間にスイッチング素子１５ａ，１５ｂを接続し、その入出力端子に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子１６ａ，１６ｂを並列に接続した点と、（２）ダイオード素子１４ｃを第２の平滑リアクトル１７を介して、スイッチング素子１５ａとスイッチング素子１５ｂの接続位置に接続した点である。

　第６の実施形態の基本構成（図７）では、回生時に電力蓄積手段９の電圧を直流電圧源の電圧に加算してインバータ装置４に入力するが、電力蓄積手段９の電圧は充電されている電荷によって変動するため、電力蓄積手段９の電圧は充放電の状態によって時々刻々と変化する。通常、インバータ装置４の直流側の電圧は一定であるのが望ましい。

　なお、本実施形態では、スイッチング素子１５ａ，１５ｂとダイオード素子１６ａ，１６ｂと第２の平滑リアクトル１７で構成される降圧チョッパ回路を電力蓄積手段９に対して接地点１０側へ配置したが、図９のように、降圧チョッパ回路を電力蓄積手段９に対してインバータ装置４側へ配置する構成であっても良い。

　また、回生時は、電流が接地点１０からダイオード素子１４ｃを通して第２の平滑リアクトル１７へ流れるようにスイッチ１４ｂをオフする。これにより、前述の実施形態と同じように高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現できる。

　接地点１０はこの回路の基準電位を決めている。

　第２の平滑リアクトル（ＭＳＬ）１７は、スイッチング素子１５ａと１５ｂの接続位置と、ダイオード素子１４ｃを電力線の途中に配置する。

　ダイオード素子１４ｃは接地点１０と第２の平滑リアクトル１７の間に配置され、接地点１０から第２の平滑リアクトル１７側へ流れる電流のみ導通させる。

　続いて、回生時の回路動作について説明する。回生時はスイッチ１４ｂをオフする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、図１０のように、接地点１０を基準として、降圧チョッパ回路の電圧Ｖchpだけ引き下げられる。

　一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極～負極）の電位差は、架線電圧Ｖｓと、降圧チョッパの電圧Ｖchpの和、Ｖchp＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差を電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖchpだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖchp＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このとき電力蓄積手段９には、降圧チョッパの電圧Ｖchpと、降圧チョッパの電流Ｉchp（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖchp×Ｉchpに相当する電力が充電される。

　前述のスイッチング素子１１ａを所定時間Ｔon_ａだけオンすると、前述の集電装置１およびフィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcが、電力蓄積手段９の端子間電圧Ｖｂよりも高いとき、直流電力部から電力蓄積手段９の向きに電流が流れる。このとき、第１の平滑リアクトル１３は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔon_ａの期間に通流した電流と、電力蓄積手段９の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフすると、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギは電力蓄積手段９の高電位側端子から低電位側端子に抜け、スイッチング素子１１ｂのダイオード素子１２ｂを経て、第１の平滑リアクトル１３に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子１１ａを所定時間Ｔoff_ａだけオフしている期間は、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが電力蓄積手段９に充電され続け、第１の平滑リアクトル１３に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。これにより電力蓄積手段９から、降圧チョッパの電圧Ｖchpと、降圧チョッパの電流Ｉchp（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖchp×Ｉchpに相当する電力が充電される。

　図１２は本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，高速域電気ブレーキ機能でも回生吸収機能でもない通常の回生（以下、通常回生））の決定方法の第１の実施例を示す図である。

　図３に示すような、直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５と、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積装置６（一例として、蓄電池やキャパシタ等の電力蓄積手段と昇降圧チョッパで構成）を備えた鉄道車両の駆動装置であり、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上を設置すると共に、電力蓄積装置６をインバータ装置４と直列或いは並列に接続することで高速域電気ブレーキ機能と回生吸収機能を同時に実現できることを特徴とする鉄道車両の駆動装置においては、図１１に示すように、（１）電力蓄積装置６からの蓄電量（ＳＯＣ）、（２）電圧センサ７ａ～７ｃからの電圧，速度センサ１８からの速度、（３）運転席１９からの路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間を入力情報とし、これらの入力情報に基づいて動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する動作モード決定部２０を有するのが良い。

　本実施例では、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作モードを図１２に示すように動作モード決定部の入力情報のうち、（１）電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ：State of Charge）,速度および（２）電圧，速度により選択している。

　まず、図１２中の動作モード決定部Ａにおいて、図１３に示すように蓄電量（ＳＯＣ）,速度により動作モードを決定するのが良い。

　具体的には、電力蓄積手段の過充電を防ぎ安全性に配慮するためにも、蓄電量（ＳＯＣ）の上限値を設定し、蓄電量（ＳＯＣ）が上限値以下の場合には高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作を許可し、蓄電量（ＳＯＣ）が上限値を超えると高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作を停止し、通常回生とするのが良い。これは、高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作が長い間続くと、電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ）が上昇し、やがて過充電状態となり電力蓄積手段の発火・破損につながる恐れがあるためである。このとき、蓄電量（ＳＯＣ）の上限値は図１３に示すように速度が高くなるのに伴い上限値を下げるのが良い。これは、高速度域から回生するほど回生時間が長くなり電力蓄積手段に充電される電力量が大きくなるためである。

　次に、前記方法で蓄電量（ＳＯＣ）,速度により高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作が許可された場合には、図１２中の動作モード決定部Ｂにおいて、図１４に示すように電圧センサ７ａ～７ｃおよび速度センサ１８により得られた架線電圧および速度により動作モードを決定するのが良い。

　具体的には、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ或いは、架線電圧Ｖｓを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ａ，電力蓄積装置６の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｂ，フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖfcを検出する電圧センサ（ＤＣＰＴ）７ｃのうち少なくとも２つ以上の電圧センサからの電圧値により架線電圧Ｖｓを算出し、架線電圧が軽負荷回生状態であると判断される電圧値（以下、軽負荷回生セット値（Ｖref［Ｖ］））より低いときは高速域電気ブレーキ機能によりフィルタコンデンサ電圧を目標値まで昇圧し、架線電圧が軽負荷回生セット値（Ｖref［Ｖ］）より高いときは軽負荷回生状態であると判別し、回生吸収機能によりフィルタコンデンサ電圧を目標値まで降圧するのが良い。

　また、高速域電気ブレーキ機能による昇圧動作は高速域（定トルク終端速度（Ａkm／ｈ）以上）では効果を発揮するが、低速域（定トルク終端速度（Ａkm／ｈ）以下）では主電動機による回生性能の制限は起こらないため昇圧動作による効果はない。従って、高速域電気ブレーキ機能を動作させるのは、速度が定トルク終端速度（Ａkm／ｈ）以上の場合とし、速度が定トルク終端速度（Ａkm／ｈ）以下になると高速域電気ブレーキ機能による昇圧動作を停止し、通常回生とするのが良い。これにより、低速域（定トルク終端速度（Ａkm／ｈ）以下）における昇圧動作を停止することで、電力蓄積手段への無駄な充電動作をなくし、その分、電力蓄積手段の長寿命化を図ることが可能となる。

　本発明の実施態様により、架線電圧，速度，蓄電量（ＳＯＣ）に応じて、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作を適切に管理することが可能となり、省エネ効果の最大化が図れると共に、電力蓄積手段の長寿命化も図れる。

　図１５は本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，高速域電気ブレーキ機能でも回生吸収機能でもない通常の回生（以下、通常回生））の決定方法の第２の実施例を示す図である。

　本実施例では、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作モードを図１５に示すように動作モード決定部の入力情報のうち、（１）電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ：State of Charge）,速度および（２）路線毎の走行位置および走行時間に対する運行密度（以下、運行密度），路線毎の走行位置および走行時間に対する速度（以下、運転パタン）を格納したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間により選択している。

　まず、図１５中の動作モード決定部Ａにおいて、図１３に示すように蓄電量（ＳＯＣ）,速度により動作モードを決定するのが良い。

　次に、前記方法で蓄電量（ＳＯＣ）,速度により高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作が許可された場合には、図１５中の動作モード決定部Ｂにおいて、図１６に示すように路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間により、自車の走行位置或いは走行時間に対する動作モードを予め決定するのが良い。

　具体的には、路線毎の運行密度と、運転パタンを格納したデータベースを設けると共に、現在の自車の走行位置・走行時間を常時監視する機能を設ける。データベース上の運行密度情報により軽負荷回生状態（運行密度がある値Ｃより低ければ軽負荷回生状態であると判断）となる走行位置および走行時間を予め予測する。同時に、データベース上の運転パタン情報により速度が定トルク終端速度（Ａ）以下になる走行位置および走行時間を予め予測する。データベース上の運行密度情報と現車の自社の走行位置・走行時間を照合して、軽負荷回生状態となると予測される走行位置および走行時間では動作モードとして回生吸収機能を選択し、軽負荷回生状態ではないと予想される走行位置および走行時間では動作モードとして高速域電気ブレーキ機能を選択するのが良い。また、データベース上の運行密度情報から動作モードとして高速域電気ブレーキ機能を選択する場合において、データベース上の運転パタン情報と現車の自社の走行位置・走行時間を照合して、速度が定トルク終端速度以下になると予想される走行位置および走行時間では動作モードとして通常回生を選択するのが良い。

　なお、データベースの情報は図１１のように自車（運転台１９）で設けても良いし、車外から通信により取得しても良い。

　本発明の実施態様により、データベース、自車の走行位置、走行時間および蓄電量（ＳＯＣ）,速度に応じて、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作を適切に管理することが可能となり、省エネ効果の最大化が図れると共に、電力蓄積手段の長寿命化も図れる。

　図１７は本発明の鉄道車両の駆動装置における動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，高速域電気ブレーキ機能でも回生吸収機能でもない通常の回生（以下、通常回生））の決定方法の第３の実施例を示す図である。

　本実施例では、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作モードを図１７に示すように動作モード決定部の入力情報のうち、（１）電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ：State of Charge）,速度および、（２）電圧，速度および（３）路線毎の走行位置および走行時間に対する運行密度（以下、運行密度），路線毎の走行位置および走行時間に対する速度（以下、運転パタン）を格納したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間により選択している。

　まず、図１７中の動作モード決定部Ａにおいて、図１３に示すように蓄電量（ＳＯＣ）,速度により動作モードを決定するのが良い。

　次に、前記方法で蓄電量（ＳＯＣ）,速度により高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能による充電動作が許可された場合には、図１７中の動作モード決定部Ｂにおいて、図１８に示すように路線毎の運行密度、運転パタンを格納したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間により、自車の走行位置或いは走行時間に対する動作モード（動作モード１）を予め決定すると共に、電圧センサ７ａ～７ｃおよび速度センサ１８により得られた架線電圧と速度からも動作モード（動作モード２）を決定し、データベースの情報および自車の走行位置・走行時間により予め決定した動作モード（動作モード１）と架線電圧と速度により決定された動作モード（動作モード２）を比較し、異なっている場合は架線電圧と速度により決定した動作モード（動作モード２）を優先して選択するのが良い。

　実施例９で示した路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースを設け、データベースの情報および自車の走行位置・走行時間により、自車の走行位置および走行時間に対する動作モードを予め決定する方法は実際の運行密度や運転パタンがデータベース上のものと違う場合も考えられ、この場合、適切な動作モードの選択ができない。

　そこで、実施例９で示したデータベースの情報および自車の走行位置・走行時間により動作モードを予め決定する手法のほかに、実施例８で示した電圧センサ７ａ～７ｃおよび速度センサ１８により架線電圧および速度により動作モードを決定する手法でも動作モードの判別を行い、データベースの情報および自車の走行位置・走行時間により予め決定した動作モード（動作モード１）と架線電圧および速度（動作モード２）から決定される動作モードを比較し、比較した動作モードが異なっていれば、架線電圧および速度から決定される動作モード（動作モード２）を優先した選択するのが良い。

　本発明の実施態様により、架線電圧，速度、およびデータベース、自車の走行位置、走行時間および蓄電量（ＳＯＣ）に応じて、高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生の動作を適切に管理することが可能となり、省エネ効果の最大化が図れると共に、電力蓄積手段の長寿命化も図れる。

１　集電装置
２　フィルタリアクトル
３　フィルタコンデンサ
４　インバータ装置
５ａ～５ｂ　主電動機
６　電力蓄積装置
７ａ～７ｃ　電圧センサ
８ａ～８ｃ，１４ａ～１４ｂ　スイッチ
９　電力蓄積手段
１０　接地点
１１ａ～１１ｂ，１５ａ～１５ｂ　スイッチング素子
１２ａ～１２ｂ，１４ｃ，１６ａ～１６ｂ　ダイオード素子
１３　第１の平滑リアクトル
１７　第２の平滑リアクトル
１８　速度センサ
１９　運転席
２０　動作モード決定部

Claims

　直流電圧源から直流電力を得る手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流電力側に電力蓄積手段及び昇降圧チョッパを有する電力蓄積装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段は前記インバータ装置と直列接続可能に前記インバータ装置と接続されており、前記直流電圧源の電圧を得る手段を有し、前記直流電圧源の電圧を得る手段から得られた電圧値に基づいて、前記電力蓄積装置を制御することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　直流電圧源から直流電力を得る手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積手段を有する電力蓄積装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段は前記インバータ装置と直列接続可能に前記インバータ装置と接続されており、前記直流電圧源の電圧を得る手段と、前記電力蓄積装置の電圧を得る手段と、前記インバータ装置の直流側の電圧を得る手段のうち少なくとも２つを有し、各々の電圧を得る手段から得られた電圧値に基づいて、前記電力蓄積装置を制御することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段を前記インバータ装置と直列に接続することも並列に接続することもできることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　直流電圧源から直流電力を得る手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積手段を有する電力蓄積装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段は前記インバータ装置と直列接続可能に前記インバータ装置と接続されており、前記直流電圧源の電圧を得る手段と、前記電力蓄積装置の電圧を得る手段と、前記インバータ装置の直流側の電圧を得る手段のうち少なくとも２つを有し、各々の電圧を得る手段から得られた電圧値に基づいて、前記電力蓄積装置を制御する手段を備え、
　前記電力蓄積装置は、電力蓄積手段の正極側と前記直流電圧源の接地点の間に設置された第１の電流制御手段と、前記電力蓄積手段の負極側と前記直流電圧源の接地点の間に設置された第２の電流制御手段と、前記直流電力を得る手段と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と前記電力蓄積手段の正極側の間に接続された第３の電流制御手段と、前記電力蓄積手段の負極側と前記インバータ装置の負極側とを結ぶ電力線と前記電力蓄積手段の正極側の間に前記第３の電流制御手段と直列になるように設置された第４の電流制御手段と、前記第３の電流制御手段と前記第４の電流制御手段の接続位置と前記電力蓄積手段の正極側の間に第１のリアクトルで構成されることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　直流電圧源から直流電力を得る手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積手段を有する電力蓄積装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段は前記インバータ装置と直列接続可能に前記インバータ装置と接続されており、前記直流電圧源の電圧を得る手段と、前記電力蓄積装置の電圧を得る手段と、前記インバータ装置の直流側の電圧を得る手段のうち少なくとも２つを有し、各々の電圧を得る手段から得られた電圧値に基づいて、前記電力蓄積装置を制御する手段を備え、
　前記電力蓄積装置は、電力蓄積手段の正極側と負極側の間に相対して接続された第５の電流制御手段と第６の電流制御手段を有すると共に、前記第５の電流制御手段と前記第６の電流制御手段の接続位置から第２のリアクトルを介して前記直流電圧源の接地点の間に設置された第１の電流制御手段と、前記電力蓄積手段の負極側と前記直流電圧源の接地点の間に設置された第２の電流制御手段と、前記直流電力を得る手段と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と前記電力蓄積手段の負極側と前記インバータ装置の負極側を結ぶ電力線の間に相対して接続された第３の電流制御手段と第４の電流制御手段と、前記第３の電流制御手段と前記第４の電流制御手段の接続位置と前記電力蓄積手段の正極側の間に接続された第１のリアクトルで構成されることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　直流電圧源から直流電力を得る手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流電力側に充放電が可能な電力蓄積手段を有する電力蓄積装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段は前記インバータ装置と直列接続可能に前記インバータ装置と接続されており、前記直流電圧源の電圧を得る手段と、前記電力蓄積装置の電圧を得る手段と、前記インバータ装置の直流側の電圧を得る手段のうち少なくとも２つを有し、各々の電圧を得る手段から得られた電圧値に基づいて、前記電力蓄積装置を制御する手段を備え、
　前記電力蓄積装置は、電力蓄積手段の正極側と負極側の間に相対して接続された第５の電流制御手段と第６の電流制御手段を有すると共に、前記電力蓄積手段の正極側と前記直流電圧源の接地点の間に設置された第１の電流制御手段と、前記電力蓄積手段の負極側と前記直流電圧源の接地点の間に設置された第２の電流制御手段と、前記直流電力を得る手段と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と前記電力蓄積手段の負極側と前記インバータ装置の負極側を結ぶ電力線の間に相対して接続された第３の電流制御手段と第４の電流制御手段と、前記蓄電装置の正極側と前記第３の電流制御手段と前記第４の電流制御手段の接続位置の間に接続された第１のリアクトルと、前記第５の電流制御手段と前記第６の電流制御手段の接続位置と前記電力蓄積手段の負極側と前記インバータ装置の負極側を結ぶ電力線の間に接続された第２のリアクトルで構成されることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段は、機械接点により構成される電流遮断手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、前記第１の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記電力蓄積手段の正極側の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段を並列接続した構成であると共に、前記第２の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記電力蓄積手段の負極側の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、前記第１の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記電力蓄積手段の正極側の方向にのみ電流を導通できる半導体素子で構成される電流方向制御手段であると共に、第２の電流制御手段は、機械接点により構成される電流遮断手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、前記第１の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記電力蓄積手段の正極側の方向にのみ電流を導通できる半導体素子で構成される電流方向制御手段であると共に、第２の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記電力蓄積手段の負極側の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、前記第３の電流制御手段と前記第４の電流制御手段は、前記直流電圧源から前記直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、
　力行時は、前記電力蓄積手段を前記インバータ装置と並列に挿入し前記電力蓄積手段の放電を行うことも、前記電力蓄積手段を前記インバータ装置と直列に挿入し前記電力蓄積手段の放電を行うこともできることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、
　回生時は、前記電力蓄積手段を前記インバータ装置と直列に挿入したまま、前記インバータ装置の入力電圧を架線電圧と前記電力蓄積手段の端子間電圧分の和として回生ブレーキ力を増大する機能（以下、高速域電気ブレーキ機能）と力行する他車両が少ない状況において架線に戻せない回生電力を前記電力蓄積手段に吸収する機能（以下、回生吸収機能）を同時に実現できることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ）および架線電圧・速度および路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースの情報と自車の走行位置・走行時間のうちいずれかによって動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生）を決定する動作モード決定部を有することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項１４に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　架線電圧と速度により動作モード（高速域電気ブレーキ機能，回生吸収機能，通常回生（高速域電気ブレーキ機能でも回生吸収機能でもない通常の回生））の決定を行うことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項１４に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースを設け、前記データベースの情報により、自車の走行位置或いは走行時間に対する動作モードが予め決定されていることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項１４に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　路線毎の運行密度，運転パタンを格納したデータベースを設け、前記データベースの情報により、自車の走行位置或いは走行時間に対する動作モードを予め決定すると共に、架線電圧と速度からも動作モードを決定し、前記データベースの情報により予め決定した動作モードと架線電圧と速度により決定した動作モードを比較し、異なっている場合は架線電圧と速度により決定した動作モードを優先して選択することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
　請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
　前記電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ）が充電上限値以下では、高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能を動作可能とし、前記電力蓄積手段の蓄電量（ＳＯＣ）が充電上限値を超えると高速域電気ブレーキ機能或いは回生吸収機能の動作を停止することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。