WO2012014324A1 - 電気車の推進制御装置、および鉄道車両システム - Google Patents

Abstract

　本発明は、電力貯蔵装置１５を有する電気車の推進制御装置であって、架線２と電力変換部８との間で回路の開閉を行うスイッチ４と、電力変換部８とモータ１７との間で回路の開閉を行うスイッチ１６と、電力変換部８のスイッチ４が接続された側の端子または電力変換部８のスイッチ１６が接続された側の端子を選択して電力貯蔵装置１５と接続する切替部１１と、電力変換部８、スイッチ４、スイッチ１６および切替部１１を制御し、電気車の動作態様に応じて、電力変換部８の接続先を切り替えるとともに電力変換部８をインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる制御部１と、を備える。

Description

電気車の推進制御装置、および鉄道車両システム

　本発明は、電力貯蔵装置を備えた電気車の推進制御装置に関するものである。

　電力貯蔵装置を備えて構成された従来の電気車の推進制御装置として、特許文献１に記載の車両用駆動制御装置が存在する。

　この車両用駆動制御装置においては、架線または／および電力貯蔵装置からの直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、架線からの直流電圧またはモータからの回生電力を変換して電力貯蔵装置を充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、電力貯蔵装置の充電深度および車両の状態（力行時，停車時，だ行時，回生時）に応じた制御（電力貯蔵装置からモータへの給電，電力貯蔵装置の充電，放電）を実施する。

特開２００５－２７８２６９号公報

　上記従来の車両用駆動制御装置においては、架線からの直流電圧を電力貯蔵装置の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと直流電力を交流電力に変換しモータを駆動するインバータの２つの電力変換装置を搭載しているため、コスト、質量、寸法が大きいという問題点があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コスト化、小型化および軽量化が可能な電気車の推進制御装置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に、本発明は、電力貯蔵装置を有する電気車の推進制御装置であって、架線と架線から入力される直流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、前記電力変換部の前記第１のスイッチが接続された側の端子または前記電力変換部の前記第２のスイッチが接続された側の端子を選択して前記電力貯蔵装置と接続する切替部と、前記電力変換部、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチおよび前記切替部を制御し、前記電気車の動作態様に応じて、前記電力変換部の接続先を切り替えるとともに前記電力変換部をインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる制御部と、を備えることを特徴とする。

　この発明によれば、電力変換部がインバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するので、電力貯蔵装置を充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータを別途備える必要がなくなり、小型軽量化と低コスト化を実現した電気車の推進制御装置が得られる、という効果を奏する。

図１は、電気車の推進制御装置の実施の形態１の構成例を示す図である。 図２は、電力貯蔵装置を充電する場合の動作を示す図である。 図３は、電力貯蔵装置を利用してモータを駆動する場合の動作を示す図である。 図４は、実施の形態２の電気車であるハイブリット車両の構成例を示す図である。 図５は、実施の形態３の電力貯蔵装置を利用する場合の動作を示す図である。 図６は、実施の形態４の電気車の推進制御装置の構成例を示す図である。 図７は、実施の形態４の電気車の推進制御装置を備えた電気車の運用例を示す図である。 図８は、実施の形態４の電気車の推進制御装置を備えた電気車の運用例を示す図である。 図９は、実施の形態４の電気車の推進制御装置を備えた電気車の運用例を示す図である。 図１０は、実施の形態５の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。 図１１は、実施の形態５の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。 図１２は、実施の形態６の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。 図１３は、実施の形態６の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。 図１４は、実施の形態７の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。 図１５は、実施の形態７の電気車の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。

　以下に、本発明にかかる電気車の推進制御装置（以下、単に「推進制御装置」と記載する）の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明にかかる推進制御装置の実施の形態１の構成例を示す図である。図示したように、本実施の形態の推進制御装置は、推進制御装置内の各部を制御する制御部１と、変電所などの直流電源に接続された架線２から電力を取り入れる集電装置３と、回路を開閉するためのスイッチ４，５，９，１３，１４，１６，１９と、ＬＣフィルタを構成するフィルタリアクトル６およびフィルタコンデンサ７と、複数のスイッチング素子により構成され、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する電力変換部８と、スイッチ９を介して電力変換部８の出力側に接続され、電力変換部８からの出力電圧を平滑化するバッテリリアクトル１０と、電力変換部８の入力側（直流電圧の入力側）および出力側（三相交流電圧および電圧変換された直流電圧の出力側）に接続され、いずれか一方を選択して後述する電力貯蔵装置に接続する切替部１１と、バッテリフィルタコンデンサ１２と、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵デバイスにより構成された電力貯蔵装置１５と、スイッチ１６を介して電力変換部８の出力側に接続されたモータ１７と、フィルタコンデンサ７を放電させて端子電圧を調整するためのスイッチ１８および放電抵抗Ｒ３と、フィルタコンデンサ７およびバッテリフィルタコンデンサ１２を充電する際の抵抗としてそれぞれ使用される充電抵抗Ｒ１およびＲ２と、電力貯蔵装置１５から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換する補助電源装置（ＳＩＶ）２０と、ＳＩＶ２０から電力供給を受けて動作する補機２１と、電力変換部８の出力側に設置され、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電流を検出する電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷと、電力貯蔵装置１５へ流入する電流および電力貯蔵装置１５から流出する電流を検出する電流検出器ＣＴＢと、を備える。なお、補機２１は、車内の照明や空調、制御装置等の電源（バッテリ）の充電装置等である。直流電源は、燃料電池や太陽光電池のような直流電圧源でもよい。

　ここで、図示したように、切替部１１は電力変換部８の入力側または出力側と電力貯蔵装置１５とを接続するが、出力側を選択する場合、３相の電流をまとめて電力貯蔵装置１５へ出力するように構成されている。

　制御部１は、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣ、バッテリフィルタコンデンサ１２の電圧ＢＥＳ、電流検出器ＣＴＢの電流検出値ＩＢ、架線２から供給される直流電圧ＥＳ、フィルタコンデンサ７の電圧ＥＦＣ、および電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷの電流検出値ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを監視している。また、運転者による操作内容を示す情報（以下、操作情報と記載する）を外部から受け取る。この操作情報には、たとえば、電気車の運行操作（力行，ブレーキ，だ行，停車）を示す情報や電力貯蔵装置１５の受電開始操作を示す情報などが含まれる。そして、制御部１は、これらの監視結果や外部から受け取った操作情報に基づいて、スイッチ４，５，９，１３，１４，１６、切替部１１および電力変換部８（より詳細には電力変換部８を構成している各スイッチング素子）を制御する。

　このような構成の推進制御装置では、電気車を力行させたり回生ブレーキを使用したりする必要がない状態、すなわち停車中やだ行中などの状態で、なおかつ電力貯蔵装置１５の充電が必要な状態の場合、スイッチ１６を開放して電力変換部８からモータ１７を切り離し、電力変換部８を利用して電力貯蔵装置１５を充電することを特徴としている。以下、本実施の形態の推進制御装置の特徴的な動作の詳細について説明する。

　なお、本実施の形態の推進制御装置おいては、ＳＩＶ２０は電力貯蔵装置１５からの出力電圧を変換して補機２１への供給電圧を生成するように構成されており、架線電圧（架線２から供給される直流電圧）を補機２１への供給電圧に変換することはしない。また、本実施の形態の推進制御装置において、電気車を力行させる場合、電力変換部８への電力供給は、電力貯蔵装置１５のみから行うものとする。すなわち、電力変換部８が架線２から供給された電力を変換してモータ１７駆動用の三相交流電圧を生成することはしない。

　図２は、本実施の形態の推進制御装置において電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作を示す図であり、電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして利用する場合の動作を示している。図２において、スイッチ４，５，９，１３，１４，１６，１９には状態を示す○または×を併せて記載しており、○が閉状態，×が開状態を示している。図３以降におけるスイッチの記載も同様である。

　制御部１は、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣ、バッテリフィルタコンデンサ１２の電圧ＢＥＳ、電流検出器ＣＴＢの電流検出値ＩＢ、架線２から供給される直流電圧ＥＳ、フィルタコンデンサ７の電圧ＥＦＣ、および電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷの電流検出値ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを監視している。また、操作情報を外部から受け取る。

　推進制御装置は、電気車が車両基地や駅で停車している状態、または電化区間でだ行運転を行っている状態において、電力貯蔵装置１５を充電する必要があると判断した場合、図２に示したように、架線２から供給される直流電圧を電力変換部８で変換して所望電圧の直流電力を生成し、電力貯蔵装置１５を充電する。

　たとえば、制御部１は、充電動作を実施可能な状態（力行や回生ブレーキを使用した制動などを終了し、モータ１７を使用していない状態）であり、なおかつ充電開始操作が実施されたことを外部から受け取った操作情報に基づいて判断すると、電力貯蔵装置１５の充電動作を実施する。なお、電力貯蔵装置１５の放電が進んでいない状態（電力貯蔵装置１５が満充電の状態）で充電開始操作が実施されることもあり得るので、制御部１は、充電開始操作が実施された場合、まず、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣが所定のしきい値を下回っているかどうか確認し、しきい値を下回っている場合に充電動作を開始するようにしてもよい。

　また、運転者により充電開始操作が実施されたことを検出した場合に充電動作を開始するのではなく、電力貯蔵装置１５の状態に応じて充電動作を開始するようにしてもよい。たとえば、制御部１は、充電動作を実施可能な状態（力行や回生ブレーキを使用した制動などを終了し、モータ１７を使用していない状態）となった旨の通知を外部から受けると、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣが所定のしきい値を下回っているかどうか確認する。そして、しきい値を下回っている場合、充電が必要と判断して電力貯蔵装置１５の充電動作を開始する。この場合、電気車の状態や電力貯蔵装置１５の状態に応じて運転者が充電開始操作を実施する必要がなくなるので、運転者の操作負荷を軽減できる。

　充電動作を開始する場合、制御部１は、まず、スイッチ１６を開放して（オフにして）モータ１７を切り離した状態とし、さらに、直流電源（架線２）から電力変換部８へ電力を供給するために、まず、スイッチ４を閉じて（オンにして）、直流電源から、架線２および集電装置３を通し、フィルタコンデンサ７を充電させる。そして、フィルタコンデンサ７への充電が進み、その電圧ＥＦＣが所定値に達すると、次に、スイッチ５を閉じて充電抵抗Ｒ１を短絡させる。また、スイッチ１４を開放状態に保ったままスイッチ１３を閉じ、電力貯蔵装置１５から電流を流してバッテリフィルタコンデンサ１２を充電する。バッテリフィルタコンデンサ１２の電圧ＢＥＦＣが所定値に達すると、スイッチ１４を閉じて充電抵抗Ｒ２を短絡させる。そして、切替部１１をバッテリリアクトル１０側（電力変換部８の出力側）に切替えるとともにスイッチ９を閉じる。

　また、制御部１は、電力変換部８の各スイッチング素子を制御して電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる（電力変換部８の３相の出力端子からそれぞれ出力される電圧値を調整する）。具体的には、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣなどに応じて決定される充電電流指令値（電力貯蔵装置１５の充電電流値）をＩＢＲとした場合に次式が成立するように、電力変換部８の制御信号ＧＳＵ，ＧＳＶ，ＧＳＷ，ＧＳＸ，ＧＳＹ，ＧＳＺを生成する。なお、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷの検出値である。
　　ＩＢＲ　＝　ＩＵ＋ＩＶ＋ＩＷ

　すなわち、制御部１は、電力変換部８から出力されるＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流の合計値が充電電流指令値ＩＢＲと一致するように、電力変換部８の各相のスイッチング素子を比例積分制御し、その結果をＰＷＭ制御信号ＧＳＵ，ＧＳＶ，ＧＳＷ，ＧＳＸ，ＧＳＹ，ＧＳＺとして電力変換部８に出力する。たとえば、ＩＵ＝ＩＶ＝ＩＷ＝ＩＢＲ×１／３となるように制御する。

　このように制御することにより電力変換部８がＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、電力貯蔵装置１５を充電することができる。

　なお、制御部１は、充電動作を開始後、充電動作が実施不可能な状態となった旨（力行を開始する旨やブレーキ使用を開始する旨）の通知を外部から受けると、推進制御装置内の各部を制御して充電動作を終了させる。外部からの通知に従って充電動作を終了することに加えて、電力貯蔵装置１５が十分に充電された（所定の電圧に達した）ことを検出した時点で充電動作を終了させるようにしてもよい。

　図３は、本実施の形態の推進制御装置において電力貯蔵装置１５を利用してモータ１７を駆動する場合の動作を示す図であり、電力変換部８をインバータとして利用する場合の動作を示している。

　電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして利用する場合と同様に、制御部１は、ＢＥＦＣ，ＢＥＳ，ＩＢ，ＥＳ，ＥＦＣ，ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを監視している。また、電気車の状態を示す情報を外部から受け取る。

　推進制御装置は、電力貯蔵装置１５が十分に充電された状態において電気車を力行させる場合、図３に示したように、電力貯蔵装置１５が電力変換部８に対して給電を行い、電力変換部８は電力貯蔵装置１５から供給された直流電圧を変換してモータ１７駆動用の三相交流電圧を生成する。

　たとえば、制御部１は、力行を開始する旨の通知を外部から受けると、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣが一定レベル以上かどうか確認する。そして、一定レベル以上である場合、十分に充電された状態であると判断し、電力貯蔵装置１５を利用してモータ１７を駆動する。

　電力貯蔵装置１５を放電させてモータ１７を駆動する場合、制御部１は、まず、電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させているのであればそれを停止し、スイッチ４を開放して架線２からの電源供給を停止するとともにパンタグラフを下げる。次に、放電スイッチ１８を閉じてフィルタコンデンサ７に蓄積された電荷を放電抵抗Ｒ３で消費させ電圧ＥＦＣを電力貯蔵装置１５の電圧（ＢＥＦＣ）以下に放電する。その後、スイッチ９を開放して電力変換部８の出力側とバッテリリアクトル１０を切り離し、さらに、切替部１１を電力変換部８の入力側へ切替えるとともにスイッチ１６を閉じて電力変換部８とモータ１７を接続する。

　また、制御部１は、電力変換部８の各スイッチング素子を制御して電力変換部８をインバータとして動作させてモータ１７を駆動するための三相交流電圧を生成する。たとえば、外部から受け取るトルク指令ＴＲＱＲ（図示は省略している）とモータ１７の周波数に基づいて、トルク分電流指令ＩＱＲおよび磁束分電流指令ＩＤＲを求める。また、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを、一次周波数Ｆ１を積分して得られた位相でそれぞれ座標変換してトルク分電流ＩＱおよび磁束分電流ＩＤを算出し、これらの算出したトルク分電流指令ＩＱＲとトルク分電流ＩＱの偏差、および磁束分電流指令ＩＤＲと磁束分電流ＩＤの偏差、がそれぞれゼロとなるように、電力変換部８をＰＷＭ制御する。

　これにより、電力変換部８でモータ１７駆動用の三相交流電圧が生成され、電力貯蔵装置１５の電力で電気車が駆動（力行）される。

　なお、制御部１は、電流値および電圧値を検出した場合、検出した値が故障検出用の判定値以下であるかどうか確認し、判定値を超えた場合には故障と判断して電力変換部８の制御を停止し、出力電圧をゼロにする。

　また、詳細説明は省略するが、モータ１７を回生運転させる場合、電力貯蔵装置１５を充電するように構成してもよい。たとえば、モータ１７を回生運転させる場合、制御部１は、電力貯蔵装置１５の電圧ＢＥＦＣを確認し、この値が所定レベル以下となっている場合、スイッチ４を開放するとともに切替部１１をスイッチ４側（電力変換部８から回生電力が出力される側）に切替える。そして、モータ１７からの回生電力が電力貯蔵装置１５の充電用電圧に変換されるように電力変換部８の各スイッチング素子を制御し、電力貯蔵装置１５を充電する。

　このように、本実施の形態の推進制御装置は、直流電圧を変換してモータ駆動用の三相交流電圧を生成する電力変換部とモータを接続しておく必要がない状態の場合、電力変換部をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させることにより、架線から供給される直流電圧を変換して電力貯蔵装置を充電することとした。これにより、電力貯蔵装置を充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータを別途備える必要がなくなり、推進制御装置の小型化および軽量化と低コスト化が実現できる。

　また、既存のインバータ車両に電力貯蔵装置と切替え装置（切替部１１など）を追加することで実現できるので、改造が容易なので低コストで実現できる。

実施の形態２．
　実施の形態１においては、モータ１７駆動用の三相交流電圧を生成する場合、電力貯蔵装置１５からの出力電圧を電力変換部８が変換してモータ１７駆動用の三相交流電圧とする推進制御装置（架線２から供給される電圧を変換してモータ１７駆動用の三相交流電圧を直接生成することはしない推進制御装置）について説明した。そのため、実施の形態１で説明した推進制御装置を備えた車両が複数連結された編成が運用される場合、１編成内の各推進制御装置を図４に示したように使い分けるとよい。図４は、実施の形態２の電気車であるハイブリット車両（鉄道車両システム）の構成例を示す図である。なお、車両Ａ，Ｂは同一構成かつ実施の形態１で説明した推進制御装置を備えた電気車である。図４では主要部のみを記載しており、電力変換部８Ａ，８Ｂは実施の形態１で説明した電力変換部８に相当する（図１など参照）。また、制御部１Ａ，１Ｂは実施に形態１で説明した制御部１に相当する。同様に、スイッチ４Ａ，４Ｂ、スイッチ１６Ａ，１６Ｂ、切替部１１Ａ，１１Ｂ、電力貯蔵装置１５Ａ，１５Ｂ、モータ１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ、実施の形態１で説明したスイッチ４、スイッチ１６、切替部１１、電力貯蔵装置１５、モータ１７に相当する。また、各推進制御装置は、他の車両の推進制御装置と接続するためのインタフェース（接続部）１００を備える。このインタフェース１００は推進制御装置の直流電圧部同士を接続するとともに制御部同士を接続する。

　すなわち、図４に例示したように、車両のバッテリフィルタコンデンサ（図示は省略している。図１など参照）間を接続する。そして、車両Ａでは電力変換部８ＡをＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させて、架線から供給される直流電圧を電力貯蔵装置の充電電圧（電力貯蔵装置の出力電圧と同等の直流電圧）に変換する。一方、車両Ｂでは電力変換部８Ｂをインバータとして動作させてモータ１７Ｂ駆動用の三相交流電圧に変換する。この運用を実現するために、制御部１Ａと１Ｂは、必要に応じて情報の交換等を行いつつ推進制御装置内の各部を制御する。このような運用方法を適用することにより、架線下の電化区間では、車両Ａの電力変換部８Ａで生成された直流電圧が車両Ｂ側にも供給されるので、車両Ｂでは電力貯蔵装置１５Ｂの電力を消費せずに走行でき、架線下を走行する場合に走行距離の制約がなくなる。さらに、電力貯蔵装置１５Ｂの充放電回数が減るので電力貯蔵装置１５Ｂの長寿命化を図れ、低コスト化となる。

　なお、編成が２両の場合を示したが、３両以上の場合（実施の形態１で説明した推進制御装置を備えた電気車が１つの編成に３両以上含まれる場合）、少なくとも１両において、電力変換部をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させ、残りの中の少なくとも１両においてインバータとして動作させればよい。各推進制御装置の制御部（図４では記載を省略している）には、電力変換部をインバータとして動作させるかＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させるかの指示が外部から入力され、その指示内容に応じて制御部が各部を制御する。

実施の形態３．
　また、図５に示したように、車両基地や駅に電力貯蔵装置１０１が設置されている場合いおいて、これらの車両基地や駅で停車している間に、電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させ、自車が備えている電力貯蔵装置１５の代わりに外部の電力貯蔵装置１０１を充電するようにしてもよい。

　このような利用を実現するために、本実施の形態の推進制御装置（推進制御装置を備えた車両）は、外部の電力貯蔵装置１０１を自車両内の電力貯蔵装置１５と並列に接続するためのインタフェース（接続部）１００を備える。なお、外部の電力貯蔵装置１０１が接続されたことを検出した場合に、内部の電力貯蔵装置１５を電力変換部８から切り離すようにしてもよい（切り離すためのスイッチをさらに備えるようにしてもよい）。

　これにより、低コストで充電でき、さらには、車両基地や駅に電力貯蔵装置１０１の充電設備が不要となる。夜間等電気料金の安い時間帯に充電するとさらに低コストで充電できる。なお、図示した車両は、実施の形態１で説明した推進制御装置を備えた電気車である（主要部以外は記載を省略している）。

実施の形態４．
　先の実施の形態１～３では、補助電源装置（ＳＩＶ）２０が電力貯蔵装置１５からの電圧を変換して補機２１に供給し、また、電力変換部８はモータ１７の駆動電圧を電力貯蔵装置１５の出力電圧から生成するように構成した推進制御装置について説明したが、図６に示したような構成とすることも可能である。

　図６は、実施の形態４の推進制御装置の構成例を示す図である。図示したように、本実施の形態の推進制御装置は、図１に示した構成図において、スイッチ１９、ＳＩＶ２０および補機２１の接続位置を変更したもの（電力変換部８の入力側に並列に接続するように変更したもの）である。また、この図６は、電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして利用して電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作（各スイッチ，切替部１１の状態）を併せて示している。

　上記のような構成を採用したことにより、本実施の形態の推進制御装置を備えた電気車は、図７～図９に示した運用方法が可能となる。図７～図９においては、図６に示した推進制御装置の主要部のみを記載している。また、電力の流れを一点鎖線で示している。

　図７は、電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作を示す図である。図示したように、電力貯蔵装置１５を充電する場合、スイッチ４をオン（閉状態）、スイッチ１６をオフ（開状態）に設定し、また、電力貯蔵装置１５と電力変換部８の出力側が接続されるように切替部１１を設定する。なお、図示を省略しているスイッチ５もオンに設定する。このような設定状態において、ＳＩＶ２０は架線から供給された直流電圧を補機２１駆動用の三相交流電圧に変換して補機２１に供給する。電力変換部８はＤＣ／ＤＣコンバータとして動作して架線から供給された直流電圧を電力貯蔵装置１５の充電電圧に変換し、切替部１１を介して電力貯槽装置１５に供給する。この図７に示した動作（電力貯蔵装置１５の充電動作）は、実施の形態１で説明した推進制御装置と同様に、電気車が車両基地や駅で停車している状態、または電化区間でだ行運転を行っている状態において実施する。

　図８は、非電化区間を走行している状態においても実施が可能な動作を示す図である。図示したように、たとえば非電化区間を走行する場合、スイッチ４をオフ（開状態）、スイッチ１６をオン（閉状態）に設定し、また、電力貯蔵装置１５と電力変換部８の入力側が接続されるように切替部１１を設定する。なお、図示を省略しているスイッチ５もオフに設定する。このような設定状態において、ＳＩＶ２０は電力貯蔵装置１５から供給された直流電圧を補機２１駆動用の三相交流電圧に変換して補機２１に供給する。電力変換部８はインバータとして動作して電力貯蔵装置１５から供給された直流電圧をモータ１７駆動用の三相交流電圧に変換し、スイッチ１６を介してモータ１７に供給する。

　図９は、電化区間を走行している状態において実施が可能な動作を示す図である。図示したように、電化区間を走行する場合、スイッチ４およびスイッチ１６をオン（閉状態）に設定し、また、電力貯蔵装置１５が電力変換部８の入力側と出力側のいずれにも接続されないように切替部１１を設定する。なお、図示を省略しているスイッチ５もオンに設定する。このような設定状態において、ＳＩＶ２０は架線から供給された直流電圧を補機２１駆動用の三相交流電圧に変換して補機２１に供給する。電力変換部８はインバータとして動作して架線から供給された直流電圧をモータ１７駆動用の三相交流電圧に変換し、スイッチ１６を介してモータ１７に供給する。

　このように、本実施の形態の推進制御装置は、ＳＩＶ２０を電力変換部８の入力側に並列に接続した構成を採用し、推進制御装置において、電力変換部８は、架線電圧（架線から供給される直流電圧）を電力貯蔵装置１５の充電用電圧に変換する動作（ＤＣ／ＤＣコンバータとしての動作）と、架線電圧または電力貯蔵装置電圧（電力貯蔵装置１５から供給される直流電圧）をモータ１７の駆動用電圧に変換する動作（インバータとしての動作）とを行い、また、ＳＩＶ２０は、架線電圧または電力貯蔵装置電圧を補機２１の駆動用電圧に変換する動作を行うこととした。これにより、電化区間の走行時には電力貯蔵装置１５を使用してモータ１７を駆動する必要がなくなり、省エネルギー化が実現できる。さらに、充放電回数が減るので、電力貯蔵装置１５の長寿命化を図れる。

実施の形態５．
　先の実施の形態１～４では、架線から直流電圧の供給を受ける電気車（直流電化方式に対応した電気車）においてモータ１７駆動用の三相交流電圧および電力貯蔵装置１５充電用の直流電圧に変換する推進制御装置について説明した。これに対して、本実施の形態では、架線から交流電圧の供給を受ける電気車（交流電化方式に対応した電気車）の推進制御装置について、具体的には、モータ駆動用の三相交流電圧の生成および電力貯蔵装置充電用の直流電圧の生成を１つの電力変換部で行う推進制御装置について、説明する。

　図１０および図１１は、実施の形態５の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。なお、各図において、実施の形態１で説明した推進制御装置と同じ構成要素には同一の符号を付している。図１０は、電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作を示しており、図１１は、モータ１７を駆動する場合の動作を示している。

　本実施の形態の推進制御装置において電力貯蔵装置１５を充電する場合、図１０に示したように、集電装置３は、架線２から交流電力を取り入れる。集電装置３が取り入れた交流電力は変圧器３１で所定の電圧に変換され、リアクトル３２およびスイッチ３３を介して電力変換部８に供給される。電力変換部８は、制御部１ａにより制御されてコンバータとして動作し、スイッチ３３経由で供給された交流電圧を電力貯蔵装置１５の充電用直流電圧に変換する。スイッチ５は閉じた状態とし、スイッチ１６は開放してモータ１７を電力変換部８から切り離しておく。

　ここで、制御部１ａは、電力変換部８の制御動作が一部異なる点を除いて、すなわち、電力貯蔵装置１５を充電する際に電力変換部８がコンバータとして動作するように電力変換部８の各スイッチング素子を制御する点を除いて、実施の形態１で説明した制御部１と同じである。図示したような構成の電力変換部８をコンバータとして動作させる場合の制御方法については既によく知られているので、その説明は省略する。なお、制御部１ａは、スイッチ３３の開閉制御も行う。

　なお、実施の形態１と同様に、充電動作は、電気車が停車している状態やだ行状態など、電力変換部８とモータ１７が切り離されていても問題の無い状態（力行状態でも回生運転状態でもない状態）で充電開始操作が実行され、なおかつ電力貯蔵装置１５の電圧が低くなっており充電が必要と判断した場合に実施する。架線２から供給される交流電圧は単相でもよいし三相でもよい。

　また、本実施の形態の推進制御装置においてモータ１７を駆動する場合、図１１に示したように、制御部１ａは、スイッチ３３を開放して架線２から電力変換部８への交流電圧供給を遮断する。また、スイッチ１６を閉じてモータ１７を接続する。この状態で電力変換部８をインバータとして動作させ、電力貯蔵装置１５から供給される直流電圧をモータ１７駆動用の三相交流電圧に変換する。電力変換部８をインバータとして動作させる場合に制御手順は実施の形態１で説明したとおりである。

　このように、本実施の形態の推進制御装置は、電力変換部８とモータ１７を接続しておく必要がない場合、電力変換部をコンバータとして動作させることにより、架線から供給される交流電圧を所望の直流電圧に変換して電力貯蔵装置を充電することとした。これにより、交流電化方式に対応した電気車においても実施の形態１と同様に、推進制御装置の小型化および軽量化と低コスト化が実現できる。

　なお、本実施の形態の推進制御装置を備えた車両が複数連結された編成が運用される場合、実施の形態２と同様に、１編成に含まれる推進制御装置の中の少なくとも１つをコンバータとして動作させ、少なくとも１つをインバータとして動作させるようにしてもよい。この場合、架線下の交流電化区間では、電力貯蔵装置の電力を消費せずに走行でき、省エネルギー化が実現できる。さらに、充放電回数が減るので電力貯蔵装置１５の長寿命化を図れる。

　また、車両基地や駅で停車している状態においては交流電源を架線から取るのではなく別途電力系統から取るように構成してもよい。これにより架線のない場所でも、電力貯蔵装置１５に充電することができ、さらには、車両基地や駅に架線を含む充電設備が不要となる。夜間等電力料金の安い時間帯に充電するとさらに低コストで充電できる。

実施の形態６．
　本実施の形態では、実施の形態１で説明した推進制御装置の変形例について示す。図１２および図１３は、実施の形態６の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。なお、各図において、実施の形態１で説明した推進制御装置と同じ構成要素には同一の符号を付している。図１２は、電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作を示しており、図１３は、モータ１７を駆動する場合の動作を示している。

　図示したように、本実施の形態の推進制御装置は、実施の形態１の推進制御装置（図１参照）のスイッチ９およびバッテリリアクトル１０を削除し、さらに、切替部１１およびモータ１７を切替部１１ｂおよびモータ１７ｂに置き換えたものである。

　すなわち、本実施の形態の推進制御装置においては、モータ１７ｂの三相結線をスター結線とし、中性点を切替部１１ｂに接続した構成としている。

　この構成を採用した場合、実施の形態１で必要としていたバッテリリアクトル１０をモータ１７ｂのコイルで代用できる。

　本実施の形態の推進制御装置において、電力貯蔵装置１５を充電する場合、すなわち電力変換部８をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる場合、制御部１は、実施の形態１と同様の手順でスイッチ４，５，１３，１４を制御する。また切替部１１ｂをモータ１７ｂ側（電力変換部８の出力側）に切り替える。またこのとき、スイッチ１６は閉じる（図１２参照）。そして、電力変換部８がＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するように制御する。

　なお、電力貯蔵装置１５の充電動作を実行するにあたっては、実施の形態１と同様に、制御部１が電気車の状態（力行中，停車中，制動中など）および電力貯蔵装置１５の電圧（充電状態）を確認し、動作を開始するかどうか判断する。

　また、電力貯蔵装置１５を利用してモータ１７ｂを駆動する場合、すなわち電力変換部８をインバータとして動作させる場合、制御部１は、実施の形態１と同様の手順でスイッチ４，１６，放電スイッチ１８を制御する。また切替部１１ｂを電力変換部８の入力側に切り替える（図１３参照）。そして、電力変換部８がインバータとして動作するように制御する。

　このように、本実施の形態では、三相結線をスター結線としたモータ１７ｂを採用し、電力変換部をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる場合の電力変換部出力をモータ１７ｂのコイルを利用して平滑化することとした。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力を平滑化するための専用リアクトル（図１で示したバッテリリアクトル１０に相当）を削減できる。

実施の形態７．
　先の実施の形態１～６では、架線から電力の供給を受ける場合の推進制御装置において、電力変換部をＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータとして使用する、またはコンバータおよびインバータとして使用する場合の例について説明した。これに対して、本実施の形態では、車両内で発電を行い、得られた電力でモータを駆動する構成の車両において、電力変換部を２つの用途（コンバータおよびインバータ）に利用する場合について説明する。

　図１４および図１５は、実施の形態７の推進制御装置の構成例および動作を示す図である。なお、各図において、先の実施の形態で説明した推進制御装置と同じ構成要素には同一の符号を付している。図１４は、電力貯蔵装置１５を充電する場合の動作を示しており、図１５は、モータ１７を駆動する場合の動作を示している。

　図１４，図１５は、それぞれ、実施の形態５の推進制御装置（図１０，図１１参照）の集電装置３、変圧器３１およびリアクトル３２（架線２から交流電力を取り入れるためのブロック）を発電機４１およびディーゼルエンジン４２に置き換えたものである。発電機４１は、ディーゼルエンジン４２から出力された動力により駆動して発電を行い、三相交流電力を生成する。この三相交流電力は、スイッチ３３が閉じられていれば電力変換部８の交流端子側に入力される。制御部１ｃは、実施の形態５で説明した制御部１ａと同様の動作を行うが、両者を区別するために制御部１ｃとしている。

　本実施の形態の推進制御装置において電力貯蔵装置１５を充電する場合、制御部１ｃは、図１４に示したように、スイッチ３３を閉じてスイッチ１６を開放する。また、モータ１７を駆動する場合、制御部１ｃは、図１５に示したように、スイッチ３３を開放してスイッチ１６を閉じる。すなわち、制御部１ｃは、電力貯蔵装置１５を充電するのかそれともモータ１７を駆動するのかに応じて、電力変換部８の交流端子の接続先を切り替える。この制御動作以外の部分については実施の形態５の推進制御装置と同様である。

　なお、本実施の形態の推進制御装置を備えた車両が複数連結された編成が運用される場合、実施の形態２と同様に、１編成に含まれる推進制御装置の中の少なくとも１つをコンバータとして動作させ、少なくとも１つをインバータとして動作させるようにしてもよい。

　このように、発電機を備えた車両においても、電力変換部をコンバータおよびインバータとして動作させることができる。

　なお、上記説明では、鉄道車両の推進制御装置の場合を例に説明したが、実施の形態１など、他の車両と連携する必要の無い実施の形態は、その他の直流電力源と接続し電力貯蔵装置（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、フライホイール等）を搭載したハイブリッド移動体（自動車、自動２輪等）やハイブリッド建設機械（ダンプトラック、ブルドーザ、ショベルカー等）、また船舶の分野にも適用できる。

　以上のように、本発明は、電力貯蔵装置を備える電気車に有用であり、特に、印加された電圧をモータ駆動用の交流電圧に変換する処理と電力貯蔵装置を充電するための直流電圧に変換する処理を共通の回路（電力変換部）で実行する推進制御装置に適している。

　１，１ａ，１ｃ　制御部
　２　架線
　３　集電装置
　４，４Ａ，４Ｂ，５，９，１３，１４，１６，１６Ａ，１６Ｂ，１８，１９，３３　スイッチ
　６　フィルタリアクトル
　７　フィルタコンデンサ
　８，８Ａ，８Ｂ　電力変換部
　１０　バッテリリアクトル
　１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１ｂ　切替部
　１２　バッテリフィルタコンデンサ
　１５，１５Ａ，１５Ｂ，１０１　電力貯蔵装置
　１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７ｂ　モータ
　３１　変圧器
　３２　リアクトル
　４１　発電機
　４２　ディーゼルエンジン
　１００　インタフェース（接続部）
　Ｒ１，Ｒ２　充電抵抗
　Ｒ３　放電抵抗
　ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷ，ＣＴＢ　電流検出器

Claims (20)

1. 　電力貯蔵装置を有する電気車の推進制御装置であって、
   　架線と架線から入力される直流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
   　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
   　前記電力変換部の前記第１のスイッチが接続された側の端子または前記電力変換部の前記第２のスイッチが接続された側の端子を選択して前記電力貯蔵装置と接続する切替部と、
   　前記電力変換部、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチおよび前記切替部を制御し、前記電気車の動作態様に応じて、前記電力変換部の接続先を切り替えるとともに前記電力変換部をインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる制御部と、
   　を備えることを特徴とする電気車の推進制御装置。
2. 　電気車が停車中またはだ行中で、なおかつ前記電力貯蔵装置に関する所定条件を満たしている場合、
   　前記制御部は、
   　前記第１のスイッチを閉状態に設定するとともに前記第２のスイッチを開状態に設定し、かつ、前記切替部を制御して前記電力変換部の前記第２のスイッチが接続された側の端子と前記電力貯蔵装置とを接続させ、
   　さらに、前記電力変換部を制御し、入力された直流電圧を前記電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換させる
   　ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
3. 　前記所定条件を、前記電力貯蔵装置の充電指示を外部から受けた場合とすることを特徴とする請求項２に記載の電気車の推進制御装置。
4. 　前記所定条件を、前記電力貯蔵装置の電圧がしきい値を下回っている場合とすることを特徴とする請求項２に記載の電気車の推進制御装置。
5. 　電気車を力行または制動させる場合、
   　前記制御部は、
   　前記第１のスイッチを開状態に設定するとともに前記第２のスイッチを閉状態に設定し、かつ、前記切替部を制御して前記電力変換部の前記第１のスイッチが接続された側の端子と前記電力貯蔵装置とを接続させ、
   　さらに、前記電力変換部を制御し、電力貯蔵装置から入力された直流電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換させる
   　ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
6. 　前記電力貯蔵装置とは異なる外部の電力貯蔵装置を前記電力貯蔵装置と並列に接続するための接続部、
   　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
7. 　前記外部の電力貯蔵装置を同一編成の他の車両に設置された電力貯蔵装置とすることを特徴とする請求項６に記載の電気車の推進制御装置。
8. 　前記外部の電力貯蔵装置を駅または車両基地に設置された電力貯蔵装置とすることを特徴とする請求項６に記載の電気車の推進制御装置。
9. 　電力貯蔵装置を有する電気車の推進制御装置であって、
   　架線と架線から入力される直流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行うスイッチと、
   　前記電力変換部の前記スイッチが接続された側の端子、または前記電力変換部からの出力電圧を利用して電気車の動力を発生する三相結線がスター結線のモータの中性点に接続された端子、を選択して前記電力貯蔵装置と接続する切替部と、
   　前記電力変換部、前記スイッチおよび前記切替部を制御し、前記電気車の動作態様に応じて、前記電力変換部の接続先を切り替えるとともに前記電力変換部をインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる制御部と、
   　を備えることを特徴とする電気車の推進制御装置。
10. 　電気車が停車中またはだ行中で、なおかつ前記電力貯蔵装置に関する所定条件を満たしている場合、
    　前記制御部は、
    　前記スイッチを閉状態に設定するとともに前記切替部を制御して前記モータの中性点と前記電力貯蔵装置とを接続させ、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、入力された直流電圧を前記電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項９に記載の電気車の推進制御装置。
11. 　電気車を力行または制動させる場合、
    　前記制御部は、
    　前記スイッチを開状態に設定するとともに、前記切替部を制御して前記電力変換部の入力側である前記第１のスイッチが接続された側の端子と前記電力貯蔵装置とを接続させ、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、入力された直流電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項９に記載の電気車の推進制御装置。
12. 　電力貯蔵装置を有する電気車の推進制御装置であって、
    　架線と架線から入力される交流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
    　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
    　前記電力変換部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御し、前記電気車の動作態様に応じて、前記電力変換部の接続先を切り替えるとともに前記電力変換部をインバータまたはコンバータとして動作させる制御部と、
    　を備えることを特徴とする電気車の推進制御装置。
13. 　電気車が停車中またはだ行中で、なおかつ前記電力貯蔵装置に関する所定条件を満たしている場合、
    　前記制御部は、
    　前記第１のスイッチを閉状態に設定するとともに前記第２のスイッチを開状態に設定し、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、架線からの入力電圧を前記電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の電気車の推進制御装置。
14. 　電気車を力行または制動させる場合、
    　前記第１のスイッチを開状態に設定するとともに前記第２のスイッチを閉状態に設定し、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、前記電力貯蔵装置からの入力電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の電気車の推進制御装置。
15. 　電力貯蔵装置を有する電気車の推進制御装置であって、
    　交流電圧を発生する発電機と当該交流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
    　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
    　前記電力変換部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御し、前記電気車の動作態様に応じて、前記電力変換部の接続先を切り替えるとともに前記電力変換部をインバータまたはコンバータとして動作させる制御部と、
    　を備えることを特徴とする電気車の推進制御装置。
16. 　電気車が停車中またはだ行中で、なおかつ前記電力貯蔵装置に関する所定条件を満たしている場合、
    　前記制御部は、
    　前記第１のスイッチを閉状態に設定するとともに前記第２のスイッチを開状態に設定し、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、当該電力変換部に入力された交流電圧を前記電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項１５に記載の電気車の推進制御装置。
17. 　電気車を力行または制動させる場合、
    　前記第１のスイッチを開状態に設定するとともに前記第２のスイッチを閉状態に設定し、
    　さらに、前記電力変換部を制御し、前記電力貯蔵装置からの入力電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換させる
    　ことを特徴とする請求項１５に記載の電気車の推進制御装置。
18. 　架線と架線から入力される直流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
    　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
    　前記電力変換部の前記第１のスイッチが接続された側の端子または前記電力変換部の前記第２のスイッチが接続された側の端子を選択して電力貯蔵装置と接続する切替部と、
    　前記電力変換部、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチおよび前記切替部を制御する制御部と、
    　前記電力貯蔵装置とは異なる外部の電力貯蔵装置を前記電力貯蔵装置と並列に接続するための接続部と、
    　を備えた電気車の推進制御装置が搭載された車両を複数含み、
    　前記電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、入力電圧を電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ動作を実行し、なおかつ、残りの電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、他の電力変換部におけるＤＣ／ＤＣコンバータ動作で生成された直流電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換するインバータ動作を実行する
    　ことを特徴とする鉄道車両システム。
19. 　架線と架線から入力される交流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
    　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
    　前記電力変換部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御する制御部と、
    　自装置内の電力貯蔵装置と外部の電力貯蔵装置を並列に接続するための接続部と、
    　を備えた電気車の推進制御装置が搭載された車両を複数含み、
    　前記電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、入力電圧を電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換するコンバータ動作を実行し、なおかつ、残りの電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、他の電力変換部におけるコンバータ動作で生成された直流電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換するインバータ動作を実行する
    　ことを特徴とする鉄道車両システム。
20. 　交流電圧を発生する発電機と当該交流電圧の供給先となる電力変換部との間で回路の開閉を行う第１のスイッチと、
    　前記電力変換部と電気車の動力を発生するモータとの間で回路の開閉を行う第２のスイッチと、
    　前記電力変換部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御する制御部と、
    　自装置内の電力貯蔵装置と外部の電力貯蔵装置を並列に接続するための接続部と、
    　を備えた電気車の推進制御装置が搭載された車両を複数含み、
    　前記電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、入力電圧を電力貯蔵装置の充電用の直流電圧に変換するコンバータ動作を実行し、なおかつ、残りの電気車の推進制御装置のうち、少なくとも１つにおいては、電力変換部が、他の電力変換部におけるコンバータ動作で生成された直流電圧を前記モータの駆動用の三相交流電圧に変換するインバータ動作を実行する
    　ことを特徴とする鉄道車両システム。

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