WO2015001621A1 - ハイブリッド駆動システム - Google Patents

Abstract

　直流電力を供給する第１、第２の電源装置（１１，２１）と、第１、第２の電源装置それぞれに接続され、直流電力を蓄積または放出する第１、第２の蓄電装置（１３，２３）と、第１の電源装置および第１の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第１の負荷を駆動する第１の負荷装置１２と、前記第２の電源装置および前記第２の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第２の負荷を駆動する第２の負荷装置２２と、を備えたハイブリッド駆動システムであって、第１の蓄電装置１３と第２の蓄電装置２３の各入力端子間を電気的に開閉するための群間接触器１００を備える。

Description

ハイブリッド駆動システム

　本発明は、ハイブリッド駆動システムに関する。

　従来、例えば下記特許文献１に示される鉄道車両用誘導電動機の駆動システムでは、直流電力を発生する電源装置と、電源装置の出力と並列に接続されて直流電力を供給・蓄積する電力蓄積装置（蓄電装置）とよりなる電力供給源を複数組有し、これら複数組の電力供給源を直流出力部にて個々に電力の供給を受けるインバータ装置と開閉制御可能なスイッチを介して接続し、このスイッチによって電気的に開放状態にある電力供給源を接続相手側の電力供給源に接続するときにおいて、開放状態の電力供給源の直流出力電圧と接続相手側の電力供給源の直流出力電圧とを監視し、両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下であるときに開放状態の電力供給源を接続することが記載されている。

特許第４１６６６１８号公報

　しかしながら、上記従来の技術によれば、例えば一つの電源装置に不具合が生じた場合、不具合が生じた電源装置側に設けられている蓄電装置を有効活用できないので、システム構成に改善の余地があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、不具合が生じた電源装置側に設けられている蓄電装置を有効活用することができるハイブリッド駆動システムを提供す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、直流電力を供給する第１、第２の電源装置と、前記第１、第２の電源装置それぞれに接続され、直流電力を蓄積または放出する第１、第２の蓄電装置と、前記第１の電源装置および前記第１の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第１の負荷を駆動する第１の負荷装置と、前記第２の電源装置および前記第２の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第２の負荷を駆動する第２の負荷装置と、を備えたハイブリッド駆動システムであって、前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置の各入力端子間を電気的に開閉するための群間接触器を備えたことを特徴とする。

　この発明によれば、不具合が生じた電源装置側に設けられている蓄電装置を有効活用することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。 図２は、電源装置の一構成例を示す図である。 図３は、負荷装置の一構成例を示す図である。 図４は、図１とは異なる群間接触器の配置例を示す図である。 図５は、群間接触器を閉じるか否かの判断フローを示すフローチャートである。 図６は、実施の形態２に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。 図７は、実施の形態３に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。 図８は、実施の形態４に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。

　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るハイブリッド駆動システムについて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。図１において、実施の形態１に係るハイブリッド駆動システムは、直流架線１からの直流電力をパンタグラフ２（２ａ，２ｂ）を介して受電し、受電した直流電力を架線遮断器３を介して電源装置１１および電源装置２１に供給（印加）する構成である。なお、電源装置１１および電源装置２１の負側は、それぞれ車輪４（４ａ，４ｂ）を介してレールに接している。

　ハイブリッド駆動システムは、図１に示すように、２つのハイブリッドシステムから構成される。第１群のハイブリッドシステムは、第１の電源装置である電源装置１１、第１の負荷装置である負荷装置１２および、第１の蓄電装置である蓄電装置１３を備え、第２群のハイブリッドシステムは、第２の電源装置である電源装置２１、第２の負荷装置である負荷装置２２および、第２の蓄電装置である蓄電装置２３を備える。制御部２００は、これら第１および第２群のハイブリッドシステム、すなわちハイブリッド駆動システム全体を統括制御する。第１群および第２群のハイブリッドシステム間には、システム間を電気的に接続／開放するための接触器（以下「群間接触器」と称する）１００が設けられている。

　第１群のハイブリッドシステムには電力の授受を自在に行うための各種構成部、具体的には、第１の電源装置用の第１の接触器である接触器１４ａ、第１の電源装置用の第２の接触器である接触器１４ｂおよび、この接触器１４ｂに並列接続される第１の電源装置用の充電抵抗器１４ｃが電源装置１１の入力側に設けられ、第１の蓄電装置用の遮断器１６、第１の蓄電装置用の第１の接触器である接触器１７ａ、第１の蓄電装置用の第２の接触器である接触器１７ｂ、この接触器１７ｂに並列接続される第２の蓄電装置用の充電抵抗器１７ｃならびに、第１の蓄電装置における過電流保護要素としてのヒューズ１５を備えて構成される。

　第２群のハイブリッドシステムについても同様であり、第２の電源装置用として、接触器２４ａ、接触器２４ｂおよび、接触器２４ｂに並列接続される充電抵抗器２４ｃが電源装置１２の入力側に設けられ、第２の蓄電装置用として、ヒューズ２５、遮断器２６、接触器２７ａ、接触器２７ｂおよび、接触器２７ｂに並列接続される充電抵抗器２７ｃを備えて構成される。

　つぎに、電源装置１１，２１および負荷装置１２，２２の構成について説明する。なお、説明の簡略化のため、２つのハイブリッドシステムのうちの一方（第１群のハイブリッドシステム）について説明する。

　図２は、電源装置１１の一構成例を示す図である。この電源装置１１は、直流架線１から供給された直流電力の電圧を、出力側に接続される負荷装置１２および蓄電装置１３に適した直流電圧に変換する直流－直流変換器として動作する。なお、図２では、入力された直流電力の電圧をより低い電圧に変換する降圧ＤＣＤＣコンバータを一例として示しているが、この構成に限定されるものではない。

　図２に示すように、電源装置１１には、異常故障時の突入電流を抑制するフィルタリアクトル１１１、入力電流（Ｉｉ）を計測する入力電流計測部１１２、直流電力を蓄積するフィルタコンデンサ１１３および、入力電圧（Ｖｉ）を計測する入力電圧計測部１１４、スイッチング動作を行う電源装置主回路部１１５、電力変換制御のための出力リアクトル１１６、出力電流（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）を計測する出力電流計測部１１７（１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ）および、出力電圧（Ｖｏ）を計測する出力電圧計測部１１８を備えて構成される。入力電流計測部１１２および出力電流計測部１１７が計測した電流情報Ｉ１１（Ｉｉ、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）および、入力電圧計測部１１４および出力電圧計測部１１８が計測した電圧情報Ｖ１１（Ｖｉ、Ｖｏ）は、制御部２００に入力される。なお、図示は省略するが、電源装置２１においても同様な計測が行われ、計測した電流情報Ｉ２１（Ｉｉ，Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）および電圧情報Ｖ２１（Ｖｉ、Ｖｏ）は、制御部２００に入力される。

　制御部２００は、上述した電流情報Ｉ１１，Ｉ２１（Ｉｉ，Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）、電圧情報Ｖ１１，Ｖ２１（Ｖｉ、Ｖｏ）などに基づいて演算処理を行い、電源装置主回路部１１５に具備される半導体スイッチ（Ｓａ１，Ｓｂ１，Ｓｃ１，Ｓａ２，Ｓｂ２，Ｓｃ２）をＯＮ，ＯＦＦ制御するためのＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）制御信号（ＰＷＭ１１，ＰＷＭ２１）を生成する処理を行う。この制御により、電源装置１１は、ＤＣＤＣコンバータとして機能する。

　なお、図２では、電源装置主回路部１１５、出力リアクトル１１６として、三相三多重の形態について記載している。これは、三相で構成すれば、電源装置主回路部１１５の各相のスイッチングタイミングを適切にずらすことができるからである。すなわち、三相での構成は、各相の電流リップルの発生タイミングをずらすことにより、電源装置１１の出力である三相合成出力の電流リップルの振幅を下げ、出力電流の高調波を減少させ、またはリアクトルの小型化を図るための構成である。なお、三相以外の形態として、例えば単相で構成してもよく、ＤＣＤＣコンバータとしての機能を失うものではない。

　つぎに、負荷装置１２について説明する。図３は、負荷装置１２の一構成例を示す図であり、入力された直流電力の電圧を交流電力の電圧に変換して車両を推進するための駆動力を得る構成例である。

　図３に示すように、負荷装置１２には、入力電流（Ｉｓ）を計測する入力電流計測部１２１、直流入力電圧の脈動を抑制するフィルタコンデンサ１２２、入力負荷電圧を計測する負荷入力電圧計測部１２３、直流電圧を交流電圧に変換するいわゆるインバータ動作のための半導体スイッチ回路である負荷装置主回路部１２４、この負荷装置主回路部１２４の出力電流を計測する負荷出力電流計測部１２５（１２５ａ，１２５ｂ）および、負荷装置主回路部１２４から供給される交流電力により駆動力を得る交流電動機１２６ａ，１２６ｂを備えて構成される。負荷入力電流計測部１２１および負荷出力電流計測部１２５が計測した電流情報Ｉ１２（Ｉｓ、Ｉｕ，Ｉｖ）および、負荷入力電圧計測部１２３が計測した電圧情報Ｖ１２は、制御部２００に入力される。なお、図示は省略するが、負荷装置２２においても同様な計測が行われ、計測した電流情報Ｉ２２（Ｉｓ，Ｉｕ，Ｉｖ）および電圧情報Ｖ２２（Ｖ１２）は、制御部２００に入力される。

　図１に戻り、制御部２００は、上述した電流情報Ｉ１２，Ｉ２２（Ｉｓ，Ｉｕ，Ｉｖ）、電圧情報Ｖ１２，Ｖ２２などに基づいて演算処理を行い、負荷装置主回路部１２５に具備される半導体スイッチ（Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）をＯＮ，ＯＦＦ制御するためのＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ１２，ＰＷＭ２２）を生成する処理を行う。この制御により、負荷装置主回路部１２４は、いわゆるインバータとして機能する。

　つぎに、遮断器、接触器などの開閉機器類の機能、動作等について説明する。

　接触器１４ａは、電源装置１１を運転するときには閉じられ、運転しないとき、何らかの異常が電源装置１１に発生して即座に運転を停止させる場合などにおいては開かれる。つまり、接触器１４ａは、電源装置１１と直流架線１との間を開閉制御するための接触器である。

　電源装置１１の運転開始に当たっては、電源装置１１内のフィルタコンデンサ１１３（図２参照）を速やかに、かつ入力側に過電流を発生させないように充電させる必要がある。そのため、充電抵抗器１４ｃを備えておき、適度な充電電流値を保った上で充電し、充電が完了すると接触器１４ｂを閉じ、充電抵抗器１４ｃの両端を短絡する。一方、その後の通常運転中は、接触器１４ｂは閉じたままとし、充電抵抗器１４ｃで電力を消費させないようにする。

　ヒューズ１５は、遮断器１６、負荷装置主回路部１２４などに異常が発生し、過電流が持続的に流れることを防ぐために設けている。遮断器１６は、単体としては架線遮断器３と同様の高速遮断器であるが、主として蓄電装置１３に起因した過電流を遮断するために設けている。接触器１７ａ、接触器１７ｂおよび充電抵抗器１７ｃは、それぞれ単体としては、接触器１４ａ、接触器１４ｂおよび充電抵抗器１４ｃと同様の機能であるが、接触器１７ａは蓄電装置１３と負荷装置１２との間を接続あるいは開放するための接触器である。充電抵抗器１７ｃは、負荷装置１２の入力に設けられているフィルタコンデンサ１２２（図３参照）を充電するために、適切な充電電流に制限するための充電抵抗である。接触器１７ｂは、フィルタコンデンサ１２２の充電完了後には充電抵抗器１７ｃを短絡し、負荷装置１２の駆動時には入力損失を発生させないようにするための接触器である。これら負荷装置用の遮断器、接触器等により、蓄電装置１３を負荷装置１２あるいは電源装置１１に安全に接続する一方で、蓄電装置１３の非使用時、異常発生時等においては、速やかに蓄電装置１３の開放が可能となる。

　なお、制御部２００は、負荷装置主回路部１２４に制御信号を出力して交流電動機１２６ａ，１２６ｂに対する駆動制御を行う際、電源装置主回路部１１５を制御し、交流電動機１２６ａ，１２６ｂに対する駆動制御に見合った電源装置１１に対する電力変換制御を行うと共に、蓄電装置１３に対する充放電制御を行う。

　また、制御部２００は、電源装置１１、負荷装置１２等に異常が発生した場合には、各装置を保護するため、接触器（１４ａ，１４ｂ，１７ａ，１７ｂ）、遮断器（１６）を開放する制御を行い、各装置の起動時には投入の制御を行う。なお、煩雑さを避けるため、図１では、遮断器（１６）および接触器（１４ａ，１４ｂ，１７ａ，１７ｂ）に対する制御信号の入力図示を省略している。なお、制御部２００から出力されるように示している信号ＳＣは、群間接触器１００を開閉制御するための制御信号である。

　以上の構成、制御部２００による制御演算機能等により、負荷装置１２，２２に対し、電源装置１１，２１および蓄電装置１３，２３の両者から電力を供給するハイブリッド駆動が可能となる。

　ここで、動作モードの一例を下記表１に示す。表１は、実施の形態１のハイブリッド駆動システムにおける動作モードの一例を示す表である。なお、何れのモードにおいても、負荷装置は走行パターンに応じた力行・回生を行うことが前提である。

　なお、上記表１に示される動作モードは、直流架線と蓄電装置とによるハイブリッドシステム単体における動作モードである。一方、実施の形態１では、上述のように、第１群および第２群のハイブリッドシステムを有する２群構成のハイブリッドシステムを説明してきたところである。本願の特徴は、図示した群間接触器１００により、第１群の蓄電装置（蓄電装置１３）と第２群の蓄電装置（蓄電装置２３）とを接続／開放できることにある。そこで、以下に、蓄電装置１３と蓄電装置２３を接続／開放する場合の動作態様とその効果について説明する。

　まず、実施の形態１では、群間接触器１００は通常時は開放しておき、第１群と第２群は切り離しておく。これにより、第１群、第２群のうちの何れかの電源装置、あるいは負荷装置が装置内で故障が発生した場合（以下「故障発生群」と称する）、故障の影響を故障が発生していない他方の群（以下「健全群」と称する）に波及させることなく、健全群の運転を継続させることが可能となる効果を得る。そしてその後、幾つかの装置を停止する処置、幾つかの接触器を開放する処理を経た後に、群間接触器１００を閉じることで、故障発生群の蓄電装置を有効利用しながらハイブリッド駆動システムの運転を再開できるという効果を得る。

　より具体的には、特に表１（３）の「電源装置開放モード（非電化区間走行モード）」における群間接触器１００の効果が明確である。架線がない路線での走行では、車両、編成中の蓄電装置に蓄えられたエネルギーを走行エネルギーに変換して走行する必要がある。ここで、図１における片方の群の電源装置、あるいは負荷装置の故障により、この片方の群が故障発生群となり停止した場合を考える。この場合、群間接触器１００の回路が存在しなければ、故障発生群の蓄電装置に蓄えられている蓄電エネルギーを使用できなくなる。このとき、編成が出力可能な走行エネルギーが半分となり、非電化区間では健全群の電源装置から充電することも不可能であるため、走行距離がほぼ半減することとなる。すなわち、充電可能な地上設備までの自力走行が不可能となるおそれが大きくなる。

　一方、群間接触器１００を設けておけば、どちらか一方の群における負荷装置が故障し動作不可能となっても、群間接触器１００を接続することで、健全群の負荷装置に車両、または編成中の全蓄電エネルギーを供給することが可能である。その結果、片方の群の故障発生に依らずに走行距離を維持することができ、充電可能な地上設備までの到達可能性を維持できるという多大な効果が得られる。

　なお、上記のとおり、非電化区間の走行のために蓄電装置を有効に使用するためには、表１（１）の「ハイブリッド走行モード（架線区間走行）」中に、片方の群の故障発生により、この片方の群が停止した場合においても、群間接触器１００を接続すると共に、健全群の電源装置によって、両群の蓄電装置を充電操作し、非電化区間での走行開始までに両群の蓄電装置を充電しておくことも重要である。

　また、群間接触器１００と各蓄電装置（１３，２３）の接続箇所として、図１では、各蓄電装置（１３，２３）とヒューズ（１５，２５）の接続点とした例（第１群側は接続点Ａ１、第２群側は接続点Ａ２）を示している。一方、図４では、接続点Ｂ１，Ｂ２として、各群において、遮断器（１６，２６）と第１の接触器である接触器（１７ａ，２７ａ）との電気的接続点とした例を示している。

　片方の群が故障発生群となった場合に、当該故障発生群の蓄電装置を、他方の健全群に接続するという目的においては、図１の形態でも図４の形態でも可能である。ただし、図１の形態では、群間接触器１００を閉じる場合には、故障発生群の蓄電装置における遮断器を開放するのに対し、図４の形態では、故障発生群の蓄電装置における遮断器は開放せずに、健全群と接続することになる。例えば負荷装置が鉄道車両の場合、装置の保護発生時には、故障の重篤度に応じて、接触器類を開放するのみか、遮断器も併せて開放するかの保護動作を行うのが一般的であるが、図４の構成では、動作モードが群間で蓄電装置の接続を維持するモードの場合には、遮断器の開放動作を伴う保護動作は不可能である。よって、図１のほうが、保護動作設定と群間接続設定の干渉項目を減ずることができるという視点では、より好ましい形態である。

　また、群間接触器１００を閉じ、各蓄電装置（１３，２３）を接続するにあたって注意すべきことは、接続した瞬間に蓄電装置間に横流過電流を発生させ各蓄電装置（１３，２３）にダメージを与えないことである。すなわち、故障発生群の蓄電装置と、健全群の蓄電装置の出力電圧の差異ΔＶが、予め定めておく閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合には、群間接触器１００を閉じることを禁止する処置を、制御部２００において管理しておく必要がある。図５は、群間接触器１００を閉じるか否かの判断フローを示すフローチャートである。

　図５において、まず、ステップＳ１０１では、何れかの群の電源装置もしくは負荷装置に故障が発生したか否かが判定される。故障が発生していなければ（ステップＳ１０１、Ｎｏ）、ステップＳ１０１の判定処理が繰り返され、故障が発生していれば（ステップＳ１０１、Ｙｅｓ）、蓄電装置間の電位差ΔＶと予め定めた閾値電圧Ｖｔｈとが比較される（ステップＳ１０２）。蓄電装置間の電位差ΔＶが閾値電圧Ｖｔｈよりも小さければ（ステップＳ１０２、Ｙｅｓ）、群間接触器が閉じられる（ステップＳ１０３）。この後、ステップＳ１０１からの判定処理が継続される。一方、蓄電装置間の電位差ΔＶが閾値電圧Ｖｔｈよりも大きければ（ステップＳ１０２、Ｎｏ）、健全群での運転が継続され（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０２の判定処理が継続される。

　上記閾値Ｖｔｈとしては、例えば次のように決定することができる。各蓄電装置（１３，２３）の内部抵抗値をＲｂａｔとする一方で、群間接触器１００を介した各蓄電装置（１３，２３）間の配線抵抗は無視すると、群間接触器を接続した瞬間の電流値Ｉ＿Ｃｌｏｓｅは、次式を用いて概算することができる。

　　Ｉ＿Ｃｌｏｓｅ＝ΔＶ／（２・Ｒｂａｔ）　　　………（式１）

　従って、上記Ｉ＿Ｃｌｏｓｅを、各蓄電装置（１３，２３）が許容可能な電流値Ｉｍａｘ以下に保つためには、ΔＶが次式を満たす必要がある。

　　ΔＶ＜２・Ｒｂａｔ・Ｉｍａｘ＝Ｖｔｈ　　　………（式２）

　なお、実際には、各蓄電装置（１３，２３）に用いる電池セルの特性によっては、内部抵抗値Ｒｂａｔは充電状態やセル温度等に応じ大きく変化する。したがって、横流過電流の最悪条件を見積もる上では、変動範囲内での内部抵抗値の最低値を上記（式２）のＲｂａｔに代入して見積もる必要がある。

　あるいは、蓄電装置内部でセル温度や充電状態を計測・推定し、内部抵抗値Ｒｂａｔの値を計測・推定可能な形態である場合には、（式２）のＲｂａｔに逐次その内部抵抗推定値を代入し、閾値Ｖｔｈを算定してもよい。なお、この手法を用いる場合において、例えば内部抵抗が大きい場合には、大きな閾値Ｖｔｈを設定することとなり、群間接触器１００の投入許可条件を発生し易くできるという効果がある。

　なあ、図５のステップＳ１０４は、故障発生群が存在しながらも、群間接触器１００を閉じることができず健全群での運転を継続する処理フローである。図５のステップＳ１０２において、ΔＶ＜Ｖｔｈの条件を発生し易くするためには、以下の表２に示す制御施策を制御部２００で管理しながら行うことが好ましい。

　なお、上記表２において、Ｖｂａｔ_ｆは故障発生群における蓄電装置出力端子電圧であり、Ｖｂａｔ_ｇは健全群における蓄電装置出力端子電圧である。また、ΔＶは、Ｖｂａｔ_ｆおよびＶｂａｔ_ｇを用いて、次式のように定義することができる。

　　ΔＶ＝｜Ｖｂａｔ_ｆ－Ｖｂａｔ_ｇ｜　　　………（式３）

　各負荷装置（１２，２２）は、車両の駆動力を得ている装置であり、鉄道車両の場合には運転士が与える指令以外でトルクの制約を与えることは、運行ダイヤ管理上の許容範囲内である必要がある。よって、表２に記載した（２）、（４）の施策の可否および制限のレベルについては、機器設計時、あるいは運行ダイヤ策定時に検討しておくことが望ましい。

　なお、表２の（１）は、実施の形態１の電源装置の場合、架線のある区間を走行中であれば可能であるが、非電化区間では不可能な施策である。そのため、装置の故障後にΔＶ＜Ｖｔｈを成立させるためには、故障が発生する前の通常運転中にも、適宜表２の施策を行うことが有用である。この施策を行っておけば、故障後に即座に群間接触器１００を閉じることが可能となる。

　以上説明したように、実施の形態１のハイブリッド駆動システムによれば、直流電力を供給する第１の電源装置に接続される第１の蓄電装置と、直流電力を供給する第２の電源装置に接続される第２の蓄電装置の各入力端子間を電気的に開閉するための群間接触器を備えることとしたので、第１、第２の電源装置の不調時、異常時等に群間接触器を閉じることにより、第１、第２の負荷装置の運転を継続させることが可能となり、ダウンタイムの低減が可能となる効果が得られる。

　また、実施の形態１のハイブリッド駆動システムによれば、群間接触器を通常時は開放状態としておき、第１、第２の電源装置、第１、第２の負荷装置のうちの何れかが故障または異常により停止させられた場合に群間接触器を閉じることにすれば、何れかの電源装置、あるいは何れかの負荷装置が短絡故障した場合でも、蓄電装置に及ぶダメージを片方の蓄電装置のみに留める効果が得られる。

　なお、群間接触器を閉じる際には、蓄電装置間の出力電圧の差異ΔＶが設定した閾値電圧Ｖｔｈより小さい状態となった後に閉じることが好ましい。このような制御を行えば、群間接触器を閉じる際に発生する蓄電装置間の突入電流を極力小さくできるという効果が得られる。

　また、不具合の発生が生じる前に、蓄電装置の充放電により蓄電装置間の電圧差を縮めておくことが好ましい。このような制御を行えば、群間接触器を投入する際の許可条件を発生し易くできるという効果があり、群間を確実に接続できるという効果が得られる。

　また、第１、第２の電源装置の入力あるいは出力には回路開放用の開閉機器類を設けることが好ましい。このような開閉機器類を備えることにより、第１、第２の電源装置の一方が不具合によって停止した場合に、停止させた電源装置を機械的にも確実に開放することができ、群間接触器の閉路、負荷装置の運転再開が容易に可能となる効果が得られる。

実施の形態２．
　図６は、実施の形態２に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。図１に示した実施の形態１におけるハイブリッドシステム群が、編成中に３つ以上存在する場合に、実施の形態１と同じ目的の群間接触器を設ける形態を示すものである。具体的には、ハイブリッドシステムの群の数をＮとした場合に、同じ数の群間接触器、すなわちＮ個の群間接触器１００－１～１００－Ｎを設ける形態としている。なお、図６において、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　群間接触器１００－１～１００－Ｎは、実施の形態１と同様に、通常運転時は常時開放した状態としておく。そして、何れかの群の電源装置（第１～第Ｎの電源装置）、あるいは何れかの群の負荷装置（第１～第Ｎの負荷装置）が故障した場合、故障発生群の群間接触器と、その他のＮ－１個の群間接触器のうち、少なくとも１つ以上の群間接触器を閉じることで、故障発生群の蓄電装置と、その他の群のＮ－１個の蓄電装置のうち１つ以上とを接続する。これにより、ハイブリッドシステムが３つ以上存在するハイブリッド駆動システムにおいても、実施の形態１と同様に、故障発生群の蓄電池を有効利用することが可能となる。

　なお、実施の形態１では、２つの電源装置（１１，２１）および、２つの負荷装置（１２，２２）の制御を、一つの制御部２００が司る構成を示したが、Ｎ個の電源装置（１１，２１，……）および、Ｎ個の負荷装置（１２，２２，……）を有する実施の形態２の場合には、各群の制御を行う第１～第Ｎの制御部（２０１，２０２，……）と、これら第１～第Ｎの制御部の状態情報を監視・制御する統合制御部３００を設け、機能を分担することが、信号処理、装置構成を簡易化する上で有用である。ここで、機能分担の例について以下に示す。

（統合制御部）
　（１）全ての制御部への運転指令（力行／回生／運転停止／リセット等）の出力
　（２）全ての制御部の状態監視（電圧・電流状態監視、保護発生監視）
　（３）何れかの群に保護が発生した際の何れかの群間接触器の接続処置

（各群の制御部）
　（１）統合制御部から入力された運転指令（力行／回生／運転停止／リセット等）に従った各群の電力変換制御
　（２）各群の電圧・電流状態および保護発生状態を統合制御部３００に出力
　（３）統合制御部３００から出力された群間接触器開閉指令に従った群間接触器操作

　各群の制御を行う第１～第Ｎの制御部（２０１，２０２，……）は、対応する各群の主回路近傍、あるいは同じ箱内に収納することで、多数の信号線を必要とする主回路制御の配線長を短くすることができ、ノイズ抑制、配線コスト抑制等が可能となる。一方、全群に関係する信号をやり取りする必要がある統合制御部３００は編成の一箇所に配置する。統合制御部３００を、例えば運転台近傍に設ければ、運転機器との信号配線コストが軽減できる。

　なお、実施の形態２の構成のように、システム群の数が３個以上の場合、群間接触器１００－１～１００－Ｎの操作方法により、実施の形態１にはない以下の効果を得ることができる。

　（１）故障発生群の蓄電装置の有効利用について
　故障発生群の群間接触器を閉じると共に、健全群の群間接触器Ｎ－１個のうちの１つ以上を閉じるにあたり、前記Ｎ－１個のうちの１つ以上の接触器を選択するには下記表３に示すように自由度がある。なお、表中に示される数値は、１群のみ故障発生し、その蓄電装置を残り健全群の幾つかに接続した場合の充電容量を、群間接触器を接続しない健全群の蓄電装置充電容量を１とした場合の比で表したものである。

　表３において（ａ）は故障群の蓄電装置を健全群１つのみとする場合であり、（ｂ）は故障群の蓄電装置を残りＮ－１個の健全群に全て接続した場合である。

　（ｂ）の手法では、Ｎ個の全ての蓄電装置が接続されることにより、均一に充放電が行われていくのに対し、（ａ）の手法では、群間接触器１００を閉じた箇所のみ、負荷装置あたりの蓄電装置充電容量が２倍になるため、蓄電装置あたりの充放電量変化は半分となり、他の群との充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）の推移に差異が発生する。したがって、蓄電装置の使用率均一化という意味では（ｂ）にメリットがある。その一方で、（ａ）の手法は、実施の形態１と同様に、装置故障が発生した場合に他群へ波及する影響度を下げることを維持している。このため、故障群の蓄電装置を健全群に接続するには、目的に応じて、例えば（ａ）、（ｂ）のうちの何れかの手法を採用すればよい。

　（２）故障発生箇所数への冗長性
　実施の形態１では、２台の負荷装置が共に故障すると、走行不可能となる他、２台の電源装置が故障すると、充電も不可能となり、蓄電装置容量が下限となると同様に走行不可能となる。一方、実施の形態２では、Ｎ個の負荷装置のうち少なくとも１つが健全で残っていれば、編成として走行は持続可能である。またその際に、蓄電装置を残存する負荷装置に接続すれば、非電化区間の走行距離は維持することが可能となる。さらに、Ｎ個の電源装置のうちの少なくとも１つが健全で残っていれば、群間接触器を接続することで、充電時間は延びるものの、編成の全ての蓄電装置に充電操作を行うことができ、非電化区間の走行距離を維持することができる。

　なお、実施の形態２として、Ｎ個あるハイブリッドシステム群のＮ個の負荷装置としては、実施の形態１の負荷装置と同様の車両推進に関わる装置である以外にも、一部の負荷装置は、編成内のサービス機器、制御部（２０１，２０２，……）、統合制御部３００の電源等への電力供給を行う補助電源装置（ＳＩＶ）であってもよい。補助電源装置は、制御部、統合制御部等の車両制御の重要な機能へ電源供給を行うため、運転継続性は、走行装置よりも重要である側面がある。したがって、ハイブリッドシステム群の冗長性を向上させる上では、補助電源装置の運転継続性を考慮することも重要である。

　以上説明したように、実施の形態２のハイブリッド駆動システムによれば、直流電力を供給する電源装置と、前記電源装置に接続され直流電力を蓄積または放出する蓄電装置と、前記電源装置と前記蓄電装置から直流電力の供給を受けて負荷を駆動する負荷装置と、前記蓄電装置の入出力端子を他の蓄電装置の入出力端子と電気的に接続するための群間接触器と、を備えたシステム群を２群以上備えることとしたので、複数の電源装置のうちの少なくとも一つの電源装置の不調時、異常時等に群間接触器を閉じることにより、不具合のあった電源装置に接続されていた負荷装置の運転を継続させることが可能となり、ダウンタイムの低減が可能となる効果が得られる。

　また、実施の形態２のハイブリッド駆動システムによれば、通常時は全ての群間接触器を開放状態としておき、複数組のうちの一つのシステム群における電源装置あるいは負荷装置が不具合によって運転停止した場合には、当該不具合のあったシステム群における群間接触器を閉じると共に、他のシステム群における群間接触器のうちの少なくとも一つを閉じることで、運転停止した電源装置を含むシステム群内の蓄電装置を他のシステム群に接続することとすれば、何れかの電源装置、あるいは何れかの負荷装置が短絡故障した場合でも、蓄電装置に及ぶダメージを片側の蓄電装置のみに留める効果が得られる。

　なお、全ての電源装置の入力あるいは出力には回路開放用の開閉機器類を設けることが好ましい。このような開閉機器類を備えることにより、電源装置の何れかが不具合によって停止した場合に、停止させた電源装置を機械的にも確実に開放することができ、群間接触器の閉路、負荷装置の運転再開が容易に可能となる効果が得られる。

実施の形態３．
　図７は、実施の形態３に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。実施の形態１におけるハイブリッドシステム群が、直流架線１による直流電力を入力とすることに対し、実施の形態３におけるハイブリッド駆動システムは、交流架線１ｂの交流電力を入力とする形態である。具体的には、電源装置１１ｂ，２１ｂの入力側に変圧器５が設けられると共に、変圧器５の１次側に印加される電圧（変圧器１次電圧：Ｖ３）を計測する入力電圧計測部６が設けられている。なお、図７において、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　この実施の形態３においても、実施の形態１と同様の群間接触器の効果、すなわち故障発生時の蓄電装置の有効利用、非電化区間の走行距離の確保といった効果を得ることができる。

　交流架線１ｂからの交流電力は、パンタグラフ２ａ，２ｂ、架線遮断器３を介して、変圧器５の一次巻線に入力される。変圧器５は、ハイブリッドシステム群の数に応じた二次巻線の組数を有しており、架線電圧を、後段の電源装置（１１ｂ，２１ｂ）の主回路に適した電圧に降圧する。変圧器５の二次巻線からの出力は、一旦、接触器１４ａ，１４ｂおよび充電抵抗器１４ｃを介して、電源装置１１ｂに入力される。図７において、接触器１４ａ，１４ｂおよび充電抵抗器１４ｃの接続については、接触器１４ｂが、充電操作時のみ閉路される形態を示している。こうすることで充電操作後において、接触器１４ｂは開放することが可能であり、充電抵抗器１４ｃでの通電発熱を抑制することが可能である。

　実施の形態３における電源装置１１ｂ，２１ｂは、供給された交流電力を、負荷装置１２，２２および蓄電装置１３，２３に適した直流電圧の直流電力に変換する装置である。変圧器５の一次側電圧を計測する入力電圧計測部６の計測情報、および、図示しない電源装置１１ｂ，２１ｂの各内部での入力電流情報、出力電圧情報に基づき、制御部２００ｂにおいて、電源装置１１ｂ，２１ｂのそれぞれに具備される電源装置主回路部を構成する半導体スイッチに対するオンオフ信号（ＰＷＭ信号）が生成される。この制御により、電源装置１１ｂ，２１ｂにおいて、交流－直流変換動作が行われる。

　ここで、負荷装置１２，２２は、鉄道車両を推進制御するための推進制御装置であってもよいし、鉄道車両における推進制御装置以外の機器に電力を供給するための補助電源装置、駅舎の電源装置であってもよい。負荷装置１２，２２が推進制御装置である場合、負荷装置１２，２２は、供給された直流電力を可変周波数可変電圧振幅の交流電力に変換する電力変換装置、交流電力により駆動される交流電動機および、交流電動機が出力する駆動力を車輪に伝える走行装置を備えて構成される。また、負荷装置１２，２２が補助電源装置である場合、負荷装置１２，２２は、供給された直流電力を一定周波数一定電圧振幅の交流電力に変換し、車両に搭載された機器に供給する動作を行う。

　この実施の形態３においても、実施の形態１と同様な群間接触器１００の効果、すなわち故障発生時の蓄電装置の有効利用、非電化区間の走行距離の確保といった効果を、交流架線１ｂを走行する条件下で得ることができる。

実施の形態４．
　図８は、実施の形態４に係るハイブリッド駆動システムの一構成例を示す図である。実施の形態１～３が架線（実施の形態１，２：直流架線、実施の形態３：交流架線）からの電力を入力とすることに対し、実施の形態４では、電力発生装置を内燃機関および発電機とする構成である。なお、図８において、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　エンジン１８，２８は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関である。エンジン１８，２８の機械出力軸と、発電機１９、２９の回転軸とは直結され、もしくは図示しないギア、プーリ等を介して接続される。発電機１９，２９は交流発電機であり、例えば三相交流電力が得られ、電源装置１１ｃ，２１ｃにそれぞれ入力される。なお、図示の通り、エンジン１８，２８、発電機１９，２９および、電源装置１１ｃ，２１ｃは、ハイブリッド駆動システムの構成要素であり、群の組数だけ配置、接続することを基本とする。

　電源装置１１ｃ，２１ｃは、発電機１９，２９からの交流電力を、蓄電装置１３，２３および負荷装置１２，２２に対する直流電力に変換する電力変換器であり、以下の信号授受により動作する。

　制御部２００ｃは、電源装置１１ｃ，２１ｃから直流電源を出力させたい場合、まずエンジン１８，２８に対して、速度指令もしくは速度指令に相当するデジタルビット信号であるノッチ信号（ＳＰ_ＥＮＧ１，ＳＰ_ＥＮＧ２）を出力する。エンジン１８，２８は、当該指令に沿った速度特性で運転を開始する。その上で、制御部２００ｃは、電源装置１１ｃ、２１ｃで得る入力電流情報、出力電圧情報に基づいて発電機１９、２９のトルクを制御する。このような制御により、発電機１９、２９にて、速度×トルクに応じた電力が発生すると共に、電源装置１１ｃ，２１ｃの主回路動作により、直流電力出力が得られる。

　なお、この実施の形態４に示す構成は、架線からの電力に頼らない装置構成であり、非電化区間における走行距離については、エンジンの燃料残量さえ留意すれば、蓄電装置の容量に依存するものではない。しかしながら、電源装置１１ｃ，２１ｃの故障、エンジン１８，２８、発電機１９，２９の故障などにより、故障発生群の負荷装置が使用不能となった場合には、編成あたりの加速度の減少幅を極力縮めたいため、残りの健全群の負荷装置の走行性能（トルク特性）を向上させる（非常時走行性能）ことが、鉄道車両の要求に含まれる場合がある。この場合、健全群の蓄電装置の放電電力［Ｗ］が、通常時より大きくなる可能性がある。こういったケースに際し、群間接触器１００を閉じることにより、健全群の蓄電装置の蓄電容量を増加させることができれば、非常時の走行性能を維持し易くなる。

　また、蓄電装置の容量増加に対し、健全側のエンジンおよび発電機の稼働時間を伸ばせば、出力［Ｗ］を増やせない形態でも、充電量を大きくすることができるという側面があり、非常時の走行性能を維持し易くなるという効果が得られる。

　すなわち、実施の形態４においても、実施の形態１と同様の群間接触器の効果、すなわち故障発生時の蓄電装置の電力を有効利用できるという効果が得られる。

実施の形態５．
　図示はしないが、実施の形態１～４において、電源装置への入力は、架線からの電力もしくは、エンジンからの発電機出力であったが、燃料電池等の他の電力源であってもよいことは言うまでもない。実施の形態１～４と同様に群間接触器を用いて装置を構成すれば、電源装置もしくは負荷装置の故障時に、蓄電装置を編成全体で有効利用する形態は構成可能である。

　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

　以上のように、本発明は、不具合が生じた電源装置側に設けられている蓄電装置を有効活用することができるハイブリッド駆動システムとして有用である。

　１　直流架線、１ｂ　交流架線、２（２ａ，２ｂ）　パンタグラフ、３　架線遮断器、４（４ａ，４ｂ）　車輪、５　変圧器、６，１１４　入力電圧計測部、１１（１１ｂ，１１ｃ），２１（２１ｂ，２１ｃ）　電源装置、１２，２２　負荷装置、１３，２３　蓄電装置、１４ａ，１４ｂ，１７ａ，１７ｂ，２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ　接触器、１４ｃ，１７ｃ，２４ｃ，２７ｃ　充電抵抗器、１５，２５　ヒューズ（過電流保護要素）、１６，２６　遮断器、１８，２８　エンジン、１９，２９　発電機、１００　群間接触器、１１１　フィルタリアクトル、１１２　入力電流計測部、１１３，１２２　フィルタコンデンサ、１１５　電源装置主回路部、１１６　出力リアクトル、１１７　出力電流計測部、１１８　出力電圧計測部、１２１　負荷入力電流計測部、１２３　負荷入力電圧計測部、１２４　負荷装置主回路部、１２５　負荷出力電流計測部、１２６ａ，１２６ｂ　交流電動機、２００（２００ｂ，２００ｃ，２０１，２０２）　制御部、３００　統合制御部。

Claims (15)

1. 　直流電力を供給する第１、第２の電源装置と、前記第１、第２の電源装置それぞれに接続され、直流電力を蓄積または放出する第１、第２の蓄電装置と、前記第１の電源装置および前記第１の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第１の負荷を駆動する第１の負荷装置と、前記第２の電源装置および前記第２の蓄電装置から直流電力の供給を受けて第２の負荷を駆動する第２の負荷装置と、を備えたハイブリッド駆動システムであって、
   　前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置の各入力端子間を電気的に開閉するための群間接触器を備えたことを特徴とするハイブリッド駆動システム。
2. 　前記群間接触器は、通常時は開放状態とされ、
   　前記第１、第２の電源装置、前記第１、第２の負荷装置のうちの何れかが不具合によって停止した場合に閉じられることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動システム。
3. 　直流電力を供給する電源装置と、前記電源装置に接続され直流電力を蓄積または放出する蓄電装置と、前記電源装置と前記蓄電装置から直流電力の供給を受けて負荷を駆動する負荷装置と、前記蓄電装置の入出力端子を他の蓄電装置の入出力端子と電気的に接続するための群間接触器と、を備えたシステム群を２群以上備えることを特徴とするハイブリッド駆動システム。
4. 　通常時は全ての群間接触器を開放状態としておき、
   　複数群のうちの一つのシステム群における電源装置あるいは負荷装置が不具合によって運転停止した場合には、当該不具合のあったシステム群における群間接触器を閉じると共に、他のシステム群における群間接触器のうちの少なくとも一つを閉じることで、運転停止した電源装置を含むシステム群内の蓄電装置を他のシステム群に接続することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド駆動システム。
5. 　全ての電源装置の入力あるいは出力には回路開放用の開閉機器類を備え、
   　電源装置の何れかが不具合によって停止した場合に、停止させた電源装置の入力あるいは出力の開閉機器を開放することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
6. 　前記群間接触器を閉じる際には、前記蓄電装置間の出力電圧の差異値が設定した閾値より小さい状態となった後に閉じることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
7. 　不具合の発生していない側のシステム群における蓄電装置の充放電により蓄電装置間の電圧差を縮めておくことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド駆動システム。
8. 　不具合の発生したシステム群の蓄電装置電圧が、不具合の発生していないシステム群の蓄電装置電圧より大きい場合には、当該不具合の発生していないシステム群にある負荷装置の力行性能を抑制するか、もしくは力行を禁止することで蓄電装置間の電圧差を縮めることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド駆動システム。
9. 　不具合の発生したシステム群の蓄電装置電圧が、不具合の発生していないシステム群の蓄電装置電圧より小さい場合には、当該不具合の発生していないシステム群にある負荷装置の回生を抑制することで蓄電装置間の電圧差を縮めることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド駆動システム。
10. 　前記負荷装置は、供給された直流電力を可変周波数可変電圧振幅の交流電力に変換する電力変換装置と、前記交流電力により駆動される交流電動機と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
11. 　前記負荷装置は、供給された直流電力を一定周波数一定電圧振幅の交流電力に変換し、車両に搭載された機器に供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
12. 　前記電源装置は、直流架線から供給された直流電力の電圧値を、前記蓄電装置に適した直流電圧に変換する直流－直流変換器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
13. 　前記電源装置は、交流架線から供給された交流電力を、前記蓄電装置に適した直流電圧の直流電力に変換する交流－直流変換器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
14. 　前記電源装置は、内燃機関により駆動される発電機と、前記発電機から供給された交流電力を、前記蓄電装置に適した直流電圧の直流電力に変換する交流－直流変換器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。
15. 　前記電源装置は、燃料電池と、この燃料電池から供給された直流電力を、前記蓄電装置に適した直流電圧の直流電力に変換する直流－直流変換器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動システム。

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