図面 (/)

技術 電気車用電源システム、電力供給制御方法および追加電源システム

出願人 広島電鉄株式会社公益財団法人鉄道総合技術研究所東洋電機製造株式会社
発明者 藤元秀樹末松辰義山広昭善小笠正道田口義晃門脇悟志登山昭彦藤本和樹山口敏弘
出願日 2018年8月30日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-161873
公開日 2020年3月5日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-036470
状態 未査定
技術分野 機関車 車両の電気的な推進・制動 DC‐DCコンバータ 電池等の充放電回路
主要キーワード 開閉指示信号 状態遷移指示 駆動電力供給 通流状態 集電靴 主フィルタ DC変換装置 アーム構成
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月5日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

電化区間および非電化区間の両区間走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図ること。

解決手段

パンタグラフPTから集電された電力主開閉装置SWMを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Mを駆動する電力を供給する主変換回路TCA,TCBと、補機類に係る補機回路XMCとが接続された電気車用電源システムPSにおいて、第1開閉装置SW1と、第2開閉装置SW2と、リアクトルFLCHと、一方側が第1開閉装置SW1およびリアクトルFLCHを介して直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路PCと、充放電電圧変換回路PCの他方側に接続されるとともに第2開閉装置SW2を介して直流電力ラインに接続された蓄電池BTと、制御部CTRとを備える。

概要

背景

電気車蓄電池を搭載し、電化区間では架線から供給される電力に基づき主電動機を駆動するとともに蓄電池を充電し、非電化区間では蓄電池の電力に基づき主電動機を駆動する電気車用電源システムが開発されている(例えば、特許文献1,2参照)。

概要

電化区間および非電化区間の両区間走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減をること。パンタグラフPTから集電された電力が主開閉装置SWMを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Mを駆動する電力を供給する主変換回路TCA,TCBと、補機類に係る補機回路XMCとが接続された電気車用電源システムPSにおいて、第1開閉装置SW1と、第2開閉装置SW2と、リアクトルFLCHと、一方側が第1開閉装置SW1およびリアクトルFLCHを介して直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路PCと、充放電電圧変換回路PCの他方側に接続されるとともに第2開閉装置SW2を介して直流電力ラインに接続された蓄電池BTと、制御部CTRとを備える。

目的

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを提案することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムであって、一方側が第1開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第2開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、前記第1開閉装置の投入開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、を備えた電気車用電源システム。

請求項2

前記制御部は、前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第1の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御する、請求項1に記載の電気車用電源システム。

請求項3

前記第1の放電電圧変換動作は、前記蓄電池の蓄電池電圧を、前記電車線の電圧へ変換して放電させる動作であり、前記制御部は、前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記非集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路による前記一方側の放電電圧を前記蓄電池電圧にする放電電圧変換動作、前記第2開閉装置の投入、および、前記第1開閉装置の開放の順に実行制御を行う、請求項2に記載の電気車用電源システム。

請求項4

前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に電流センサを備え、前記充放電電圧変換回路および前記蓄電池は、前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側に接続されており、前記制御部は、前記第1の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行う、請求項3に記載の電気車用電源システム。

請求項5

前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記第2開閉装置の開放、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第2の放電電圧変換動作、前記集電器の前記集電状態への遷移、の順に実行制御する、請求項1〜4の何れか一項に記載の電気車用電源システム。

請求項6

前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第1開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとする、請求項5に記載の電気車用電源システム。

請求項7

前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、前記制御部は、前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、を実行制御することで、前記充電モードとする、請求項5又は6に記載の電気車用電源システム。

請求項8

前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、前記制御部は、前記集電走行モードの前記非充電モードから前記充電モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、の順に実行制御する、請求項6に記載の電気車用電源システム。

請求項9

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続され、更に、一方側が第1開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第2開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおいて、前記第1開閉装置の投入/開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える電力供給制御方法

請求項10

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、第1開閉装置と、第2開閉装置と、リアクトルと、一方側が前記第1開閉装置および前記リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、前記第2開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、前記第1開閉装置の投入/開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、を備えた追加電源システム。

技術分野

0001

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

背景技術

0002

電気車蓄電池を搭載し、電化区間では架線から供給される電力に基づき主電動機を駆動するとともに蓄電池を充電し、非電化区間では蓄電池の電力に基づき主電動機を駆動する電気車用電源システムが開発されている(例えば、特許文献1,2参照)。

先行技術

0003

特開2016−163365号公報
特開2015−65732号公報

発明が解決しようとする課題

0004

電化区間および非電化区間の両区間走行を可能にする電気車用電源システムは、電化区間のみを走行する電気車の電源ステムに比べて、非電化区間に対応するための多くの機器配線が必要となり、その分の艤装空間を確保する必要がある。

0005

しかしながら、従来の技術では、特許文献1や特許文献2に代表されるように、主電動機へ駆動電力を供給する主変換回路(特許文献1のVVVFインバータ7、特許文献2のインバータ装置5に相当)への駆動電力供給ライン引用文献1の中間回路4に相当)に蓄電池(引用文献1の蓄電素子6、引用文献2の蓄電手段9に相当)を接続して充放電する構成を採用するのが一般的であった。そのため、蓄電池の入出力段に大型のリアクトル(引用文献1のリアクトル5、引用文献2の平滑リアクトル11に相当)を設備する必要があったり、大型の充放電電圧変換回路(特許文献2では、DC−DC変換装置8、平滑リアクトル11および平滑コンデンサ12で構成されるチョッパ装置に相当)を設備する必要があった。そのため、艤装空間の低減には限界があった。

0006

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを提案することである。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するための第1の発明は、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器(例えば、図1パンタグラフPT)が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置(例えば、図1の主開閉装置SWM)を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路(例えば、図1の主変換回路TCA,TCB)と、補機類に係る補機回路(例えば、図1の補機回路XMC)とが接続された電気車用電源システムであって、
一方側が第1開閉装置(例えば、図1の第1開閉装置SW1)およびリアクトル(例えば、図1のリアクトルFLCH)を介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路(例えば、図1の充放電電圧変換回路PC)と、
前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第2開閉装置(例えば、図1の第2開閉装置SW2)を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池(例えば、図1の蓄電池BT)と、
前記第1開閉装置の投入開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モード(例えば、図11)と、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モード(例えば、図12)とを切り替える制御部(例えば、図1の制御部CTR)と、
を備えた電気車用電源システムである。

0008

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続され、更に、一方側が第1開閉装置およびリアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、第2開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
前記第1開閉装置の投入/開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える電力供給制御方法を構成しても良い。

0009

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
第1開閉装置と、
第2開閉装置と、
リアクトルと、
一方側が前記第1開閉装置および前記リアクトルを介して前記直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路と、
前記充放電電圧変換回路の他方側に接続されるとともに、前記第2開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電池と、
前記第1開閉装置の投入/開放、前記第2開閉装置の投入/開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電池の電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、前記電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御部と、
を備えた追加電源システムを構成しても良い。

0010

この第1の発明等によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを実現することができる。具体的には、蓄電池と直流電力ラインとを結ぶ電力ラインとして、充放電電圧変換回路を経由するラインと経由しないラインとを設ける構成とする。これにより、蓄電池走行モードでは、最終的に、充放電電圧変換回路を経由しないラインを介して蓄電池の蓄電電力を主変換回路及び補機回路に供給する形態とすることができる。また、集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程においては、補機回路の動作を継続させるために、充放電電圧変換回路を経由するラインを介して蓄電池の蓄電電力を補機回路に供給する形態とすることができる。なお、集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるのが通常であるため、切り替えの過程では主電動機の駆動電力は要求されない。したがって、充放電電圧変換回路は、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路の動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルも、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

0011

また、上述した他の発明の追加電源システムによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

0012

第2の発明は、第1の発明において、
前記制御部は、
前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第1の放電電圧変換動作、前記集電器の前記非集電状態への遷移、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

0013

この第2の発明によれば、集電走行モードから蓄電池走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、蓄電池走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

0014

第3の発明は、第2の発明において、
前記第1の放電電圧変換動作は、前記蓄電池の蓄電池電圧を、前記電車線の電圧へ変換して放電させる動作であり、
前記制御部は、前記蓄電池走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記非集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路による前記一方側の放電電圧を前記蓄電池電圧にする放電電圧変換動作、前記第2開閉装置の投入、および、前記第1開閉装置の開放の順に実行制御を行う、
電気車用電源システムである。

0015

この第3の発明によれば、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えを安全且つ円滑に実現することができる。集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程では、第1の放電電圧変換動作によって直流電力ラインには電車線の電圧が印加された状態が保たれる。そして、集電器を非集電状態へ遷移させた後に、直流電力ラインに印加される電圧が蓄電池電圧とされ、その後、第2開閉装置の投入および第1開閉装置の開放がなされることで、充放電電圧変換回路を介さずに、蓄電電力が直流電力ラインに供給されることとなる。結果、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

0016

第4の発明は、第3の発明において、
前記直流電力ラインのうちの前記主開閉装置と前記補機回路の接続箇所との間に電流センサを備え、
前記充放電電圧変換回路および前記蓄電池は、前記直流電力ラインのうち、前記補機回路の接続箇所から見て、前記電流センサとは反対側に接続されており、
前記制御部は、前記第1の放電電圧変換動作の実行制御において、前記電流センサの検知結果に基づいて、変換電圧が前記電車線の電圧に至ったか否かを判定する制御を行う、
電気車用電源システムである。

0017

この第4の発明によれば、電流センサが検知する直流電力ラインの電流によって、第1の放電電圧変換動作による変換電圧が電車線の電圧と一致したかを判断することできる。

0018

第5の発明は、第1〜第4の何れかの発明において、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記第2開閉装置の開放、前記蓄電池の蓄電電力を前記一方側に放電させる前記充放電電圧変換回路の第2の放電電圧変換動作、前記集電器の前記集電状態への遷移、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

0019

この第5の発明によれば、蓄電池走行モードから集電走行モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、第1開閉装置の投入および第2開閉装置を開放することで、充放電電圧変換回路を経由するラインで蓄電池の蓄電電力が直流電力ラインに供給開始され、その後、第2の放電電圧変換動作によって変換電圧が電車線の電圧とされた後に集電器を集電状態へ遷移させる、といったことが可能となる。これにより、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することが可能となる。

0020

第6の発明は、第5の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電しない非充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路の変換動作の停止、および、前記第1開閉装置の開放、を実行制御することで、前記非充電モードとする(例えば、図6)、
電気車用電源システムである。

0021

この第6の発明によれば、集電走行モードとして、蓄電池を充電しない非充電モードに切り替えることができる。非充電モードでは、蓄電池を直流電力ラインから切り離すように制御する。

0022

第7の発明は、第5又は第6の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードに切り替える場合に、前記集電器の前記集電状態への遷移の後に、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、を実行制御することで、前記充電モードとする(例えば、図8)、
電気車用電源システムである。

0023

この第7の発明によれば、集電走行モードとして、集電電力により充電池を充電する充電モードに切り替えることができる。充電モードでは、充放電電圧変換回路を介して集電電力により蓄電池を充電するように制御する。

0024

第8の発明は、第6の発明において、
前記集電走行モードには、前記蓄電池を充電する充電モードがあり、
前記制御部は、
前記集電走行モードの前記非充電モードから前記充電モードに切り替える場合に、前記第1開閉装置の投入、前記充放電電圧変換回路に前記直流電力ラインからの前記一方側の給電電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作、の順に実行制御する(例えば、図7)、
電気車用電源システムである。

0025

この第8の発明によれば、集電走行モードにおいて、非充電モードから充電モードへの適切な切り替えを実現することができる。

図面の簡単な説明

0026

本実施形態における電源システムの概略構成を示す図。
主開閉装置の回路構成の一例を示す図。
放電電圧変換回路の回路構成の一例を示す図。
第1〜第3開閉装置の回路構成の一例を示す図。
集電走行モードでの起動制御手順を説明するための図。
集電走行モード(非充電モード)における電気の流れを示す図。
非充電モードから充電モードへの切り替え制御手順を説明するための図。
集電走行モードにおける電気の流れを示す図。
蓄電池走行モードでの起動制御手順を説明するための図。
蓄電池走行モードにおける電気の流れを示す図。
蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。
集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図。
集電走行モードでの停止制御手順を説明するための図。
蓄電池走行モードでの停止制御手順を説明するための図。

実施例

0027

以下、図面を参照して本発明を適用した一実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限られるものではない。例えば、理解を容易にするために、電圧の一例を示して説明するが、本発明を適用可能な形態は、以下説明する電圧に限られるものではない。

0028

システム構成
図1は、本実施形態における直流電気車の電源システムPSの概略構成を示す図である。本実施形態の電源システムPSは、電化区間のみを走行するための既存の電源システム(図1における追加電源システムAPS以外の機器からなる)に対して、非電化区間に対応するための追加電源システムAPSを追加設備した構成を有する。追加電源システムAPSを設備したことにより、電化区間を走行するための集電走行モードと、非電化区間を走行するための蓄電池走行モードとの両方に対応する。

0029

追加電源システムAPSは、艤装機器類RASと、制御部CTRとを含んでおり、制御部CTRは、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の制御装置内に組み込んで実現することもできる。

0030

電源システムPSのうち、既存の電源システムは、パンタグラフPTによって電車線から集電された電力が主開閉装置SWMを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Mに係る回路である主回路(A系主回路およびB系主回路)と、補機回路XMCとが並列に接続された構成となっている。

0031

主回路は、図1の電源システムPSではA系主回路とB系主回路との2系統としているが、1系統のみとしてもよいし、3系統以上の回路を並列に備える構成としてもよい。また、1つの系統が、2台以上の主電動機Mに駆動電力を供給するいわゆる1C2Mや1C4M等の構成を採用することとしてもよい。

0032

A系主回路は、主開閉装置SWAと、主フィルタリアクトルFLAと、主変換回路TCAとが直列に接続された構成を有する。B系主回路も同様に、主開閉装置SWBと、主フィルタリアクトルFLBと、主変換回路TCBとが直列に接続された構成を有する。主変換回路TCA,TCBは、単相電力三相電力に変換して主電動機Mに駆動電力を供給するインバータ装置であり、入力段に不図示の主フィルタコンデンサを有して構成される。

0033

パンタグラフPTは、一般には運転台からのパンタグラフPTの上昇スイッチ、または制御部CTRからの状態遷移指示信号Pに基づいて集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器の一例である。電車線を第3軌条方式とする場合には、パンタグラフPTの代わりに集電器を集電靴として構成することができる。また、パンタグラフPTと並列に架線電圧センサDCPTを設置した構成とすることもできる。

0034

補機回路XMCは、車内照明や空調などの補機および補機に電力を供給する回路(例えば、静止型インバータ)等を含む電気回路である。

0035

また、直流電力ラインにおける主開閉装置SWMの接続箇所と補機回路XMCの接続箇所との間に電流センサCTが設けられている。より詳細には、直流電力ラインにおいて、主開閉装置SWMから見て、A系及びB系の主回路、補機回路XMC、の順に接続されており、主回路の接続箇所と補機回路XMCの接続箇所との間に電流センサCTが設けられている。そして、直流電力ラインにおける補機回路XMCの接続箇所から見て電流センサCTとは反対側に、充放電電圧変換回路PCや蓄電池BTを含む、電流センサCT以外の追加電源システムAPSの艤装機器類RASが接続されている。

0036

電流センサCTは、直流電力ラインに流れる電流の大きさおよび向きを検知して検知電流Iを制御部CTRに出力する。電流センサCTは、例えば、変流器(CT:Current Transformer)によって実現することができる。制御部CTRは、集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替え制御の際に、この検知電流Iを参照して、充放電電圧変換回路PCの動作を制御する。なお、1台の電流センサCTの代わりに、補機回路XMCの入力側および第1開閉器SW1の入力側の各々に1台ずつの電流センサを設け、それら2台の電流値数値加算することで、各々の電流分担とその増減、ならびに直流電力ラインに流れる電流の正確なゼロ電流検知に用いても良い。

0037

主開閉装置SWMは、一般には主変換回路TCA,TCBの制御部からの、あるいは制御部CTRからの開閉指示信号Nに基づいて、パンタグラフPTと直流電力ラインとの切り離し/接続を行う開閉装置であり、例えば高速度遮断器によって実現することができる。

0038

A系主回路の主開閉装置SWAは、一般には主変換回路TCA,TCBの制御部からの、あるいは制御部CTRからの開閉指示信号Aに基づいて、直流電力ラインとA系主回路との切り離し/接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。B系主回路の主開閉装置SWBも同様に、制御部CTRからの開閉指示信号Bに基づいて、直流電力ラインとB系主回路との切り離し/接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。

0039

主開閉装置SWA,SWBを接触器を用いて構成する場合、例えば図2に示すように、充電抵抗CDRと充電抵抗用接触器MKとの直列接続に、充電抵抗バイパス用接触器LBを並列に接続した構成を採用することができる。図2の構成を採用する場合、投入時に、先に充電抵抗用接触器MKを投入状態とした後に、充電抵抗バイパス用接触器LBを後から投入する。これにより、投入時の主変換回路TCA,TCB内の主フィルタコンデンサへの突流を充電抵抗CDRによって防止し、主フィルタコンデンサが所定電圧にほぼ達する段階でその後の電力損失低減のために充電抵抗CDRを短絡する。これは時素を持たせて一定時間後に短絡する従来の手法を採用することができる。

0040

次に、追加電源システムAPSの構成を説明する。追加電源システムAPSは、上述した電流センサCTの他に、リアクトルFLchと、第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3と、第1開閉装置SW1およびリアクトルFLchを介して一方側が直流電力ラインに接続された充放電電圧変換回路PCと、第3開閉装置SW3を介して充放電電圧変換回路PCの他方側に接続されるとともに第2開閉装置SW2を介して直流電力ラインに接続された蓄電池BTと、制御部CTRと、を備える。このうち、制御部CTR以外の機器が艤装機器類RASである。

0041

蓄電池BTは、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールであり、蓄電池電圧Vbatが、電車線の電圧である架線電圧Vpとは異なる電圧に構成されている。蓄電池電圧Vbatと架線電圧Vpとを異なる電圧としたことで充放電時の通流方向が定まり、充放電電圧変換回路PCを例えば1アーム構成のチョッパ装置といった簡素な回路構成で実現することができる。本実施形態では、蓄電池電圧Vbatが架線電圧Vpより低い構成とする。

0042

また、蓄電池BTに係る電力ラインは2つある。1つは、蓄電池BTを、第2開閉装置SW2を介して直流電力ラインに接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードにおいて、主電動機Mの駆動電力となる蓄電池BTの蓄電電力を、主回路(A系主回路およびB系主回路)および補機回路XMCへ供給するラインとして利用される。

0043

もう1つは、蓄電池BTを、充放電電圧変換回路PCを介して直流電力ラインに接続する電力ラインである。より詳細には、蓄電池BT側から、第3開閉装置SW3、充放電電圧変換回路PC、リアクトルFLch、第1開閉装置SW1の順に経由して、直流電力ラインに接続する電力ラインである。この電力ラインは、蓄電池走行モードと集電走行モードとの切り替えの過程の際、および、集電走行モードにおける電車線からの蓄電池BTへの充電時に利用される。

0044

充放電電圧変換回路PCを、1アーム構成のチョッパ回路で実現した場合の回路構成の例を図3に示す。図3に向かって左側(一方側)が高圧側、右側(他方側)が低圧側である。本実施形態では、蓄電池電圧Vbatが架線電圧Vpより低い構成とするので、左側(一方側)がリアクトルFLchを介した第1開閉装置SW1側に接続され、右側(他方側)が第3開閉装置SW3側に接続される。

0045

充放電電圧変換回路PCのスイッチング動作は、適宜公知技術を利用して実現することができる。そのため、本実施形態では、充放電電圧変換回路PCは、制御部CTRから入力される通流率制御信号Sに基づいてスイッチング動作を行うこととして説明し、具体的な充放電電圧変換回路PCのスイッチング動作自体の制御についは省略するが、スイッチング動作の制御は、充放電電圧変換回路PC内に制御回路を備えて実現することとしてもよいし、制御部CTRが行うこととしてもよい。

0046

充放電電圧変換回路PCには、左側(一方側)の電圧を検出する電圧センサVDCHと、左側(一方側)の電流を検出する電流センサIDCHと、右側(他方側)の電圧を検出する電圧センサVDCLと、右側(他方側)の電流を検出する電流センサIDCLとが備えられており、各センサの検出結果が制御部CTR乃至スイッチング動作制御を行う充放電電圧変換回路PC内の制御回路に入力されて、充放電電圧変換回路PCの動作制御に利用される。なお、電流センサIDCHの電流情報を電流センサCTの電流情報で代用する場合は、電流センサIDCHを省略しても良い。

0047

第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3は、それぞれ制御部CTRからの開閉指示信号W1〜W3に基づいて開閉動作(開放/投入)を行う開閉装置であり、例えば、高速度遮断器や接触器を用いて構成することができる。例えば、図2に示した回路構成や、図2の回路の前段に高速度遮断器HBを更に直列に接続した図4の回路構成を採用することができる。これにより、主開閉装置SWA,SWBと同様に、投入時の充放電電圧変換回路PC内のフィルタコンデンサFCH,FCLへの突流を防止することができる。

0048

制御部CTRは、蓄電池BTの蓄電電力をもとに走行する蓄電池走行モードと、パンタグラフPTによって電車線から集電された電力をもとに走行する集電走行モードとを切り替える制御を司る。走行モードの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うこととする。集電走行モードは、更に、集電電力をもとに蓄電池BTを充電する充電モードと、蓄電池BTを充電しない非充電モードとを含む。充電モードと非充電モードとの切り替えは、集電走行モード中の任意のタイミングで行うことができる。

0049

制御動作
具体的に、図5図14を参照して制御部CTRの制御動作を詳細に説明する。ここでは、架線電圧Vpを600V、蓄電池電圧Vbatを450Vとする。また、これらのモードの選択や切り替えは、運転台における乗務員指示操作によって行われる。

0050

(A)集電走行モードでの起動
図5は、停止している電源システムPSを集電走行モードで起動する際の制御手順を説明するための図である。電源システムPSが停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置SWM,SWA,SWB、第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路TCA,TCB、補機回路XMC、充放電電圧変換回路PCの各回路も全て動作を停止している。

0051

集電走行モードで起動する際には、一般には運転台からのパンタグラフPTの上昇スイッチ、または制御部CTRからのパンタグラフPTの状態遷移指示信号Pにより、先ず、パンタグラフPTを集電状態へ遷移させるべく上昇させる(1)。次に、制御部CTRは、パンタグラフPTが上昇状態にあることを検知して、第2開閉装置SW2の開放動作を行う(2)。これにより、仮に第2開閉装置SW2が投入された状態だった場合にも開放される。続いて、一般には運転台の前進後進スイッチを扱うことで、主変換回路TCA,TCBの制御部からの主開閉装置SWMの開閉指示信号により、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWMの開閉指示信号Nにより、主開閉装置SWMが投入される(3)。主開閉装置SWMが投入されることで、パンタグラフPTによる集電電力(架線電圧Vp)が直流電力ラインに供給され、補機類が動作を開始することができる。その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器ノッチを扱うことで、主変換回路TCA,TCBの制御部からの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号により、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bにより、主開閉装置SWA,SWBを投入する(5)。これにより、A系回路およびB系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフPTによる集電電力が主変換回路TCA,TCBへ供給されて主電動機Mの駆動が可能となる。

0052

集電走行モードにおける電気の流れを図6に示す。図6において、通流状態にある経路太線で示している。図6に示す状態は、第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3の各開閉装置が全て開放状態であり、蓄電池BTが充電されない非充電モードである。

0053

(B)充電モードへ切り替え
図7は、集電走行モードにおいて、非充電モード(図6参照)から充電モードへ切り替える際の制御手順を説明するための図である。充電モードへの切り替え開始トリガとしては、蓄電池BTの電圧Vbatの閾値または充電残量SOCの閾値、あるいは地点時刻といった、充電が必要となったことを示すトリガ信号を設定すれば良い。制御部CTRは、先ず、第1開閉装置SW1を投入する(1)。第1開閉装置SW1を投入することで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路PCとの電力経路開通し、充放電電圧変換回路PCの一方側のフィルタコンデンサFCHに架線電圧Vpが印加される(2)。つまり、充放電電圧変換回路PCの一方側電圧VCHが架線電圧Vpとなる。

0054

次いで、充放電電圧変換回路PCの充電電圧変換動作を開始させる(3)。この充電電圧変換動作は、通流率を調整することで、他方側電圧VCLが蓄電池電圧Vbatとなるように変換する降圧動作である(4)。蓄電池電圧Vbatが架線電圧Vpより低く構成されているので、充放電電圧変換回路PCの通流方向は一方側から他方側に向かう方向(充電方向)となる。

0055

続いて、第3開閉装置SW3を投入する(5)。第3開閉装置SW3を投入することで、充放電電圧変換回路PCと蓄電池BTとの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路PCの他方側からの蓄電池電圧Vbatの出力電力が蓄電池BTに供給されて蓄電池BTの充電が開始される。以降は、通流率を調整することで、蓄電池BTの充電電流である充放電電圧変換回路PCの他方側からの出力電流の制御(充電制御)を行うことができる(6)。

0056

この状態が充電モードである。充電モードにおける電気の流れを図8に示す。図7において、蓄電池BTの充電完了等によって充電モードから非充電モードに切り替える際には、通流率をゼロにすることで充放電電圧変換回路PCの充電電圧変換動作を停止させる。そして、第1開閉装置SW1を開放する。第1開閉装置SW1を開放することで、蓄電池BTが直流電力ラインと切り離されて非充電モード(図6参照)となる。なお、充電モードの終了判定には、蓄電池BTの電圧Vbatの閾値または充電残量SOCの閾値、充電継続時間充電開始からの充電量、あるいは地点や時刻といった、これ以上の充電が不要となったことを示すトリガ信号を設定すれば良い。

0057

(C)蓄電池走行モードで起動
図9は、停止している電源システムPSを蓄電池走行モードで起動する際の制御手順を説明するための図である。電源システムPSが停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置SWM,SWA,SWB、第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路TCA,TCB、補機回路XMC、充放電電圧変換回路PCの各回路も全て動作を停止している。

0058

蓄電池走行モードで起動する際には、蓄電池起動のトリガを検知すると、制御部CTRからのパンタグラフPTの状態遷移指示信号Pにより、先ず、パンタグラフPTを非集電状態へ遷移させるべく下降させる(1)。蓄電池起動のトリガとしては、一例として運転台に走行モード切り替えスイッチと蓄電池投入スイッチを設けて手動トリガとするなどが考えられる。次に、乗務員が運転台の前進後進スイッチを扱うと、制御部CTRは、先ず、パンタグラフPTが上昇状態には無いことを検知して、主開閉装置SWMの開放動作を行う(2)。一般には主開閉装置SWMの開閉は、主変換回路TCA,TCBの制御部が司取る。この制御部からの主開閉装置SWMの投入信号と、制御部CTRからの主開閉装置SWMの開放を指示する開閉指示信号Nとが輻輳する場合には、制御部CTRからの主開閉装置SWMの開放を指示する開閉指示信号Nを高位優先とする。これにより、仮に主開閉装置SWMが投入された状態だった場合にも開放される。続いて、制御部CTRは、第2開閉装置SW2を投入する(3)。第2開閉装置SW2を投入することで、蓄電池BTの放電電力(蓄電池電圧Vbat)が直流電力ラインへ供給され、補機類が動作を開始することができる(4)。その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA、SWBの開閉指示信号A,Bにより、主開閉装置SWA,SWBを投入する(5)。これにより、A系回路およびB系回路が直流電力ラインに接続され、蓄電池BTの放電電力が主変換回路TCA,TCBへ供給されて主電動機Mの駆動が可能となる。

0059

蓄電池走行モードにおける電気の流れを図10に示す。図10において、通流状態にある経路を太線で示している。

0060

(D)集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替え
図11は、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。蓄電池走行モードへの切り替えは、非充電モードの集電走行モードとした状態を前提として説明する。充電モードである場合には、既に第1開閉装置SW1および第3開閉装置SW3が投入されていることから、後述する(1)〜(4)のステップを飛ばして(5)のステップから実行する。また、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行う。

0061

制御部CTRは、蓄電池走行モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第1開閉装置SW1が投入状態でなければ投入する(1)。蓄電池走行モードへの切り替えトリガとしては、運転台に走行モード切り替えスイッチを設けて手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。第1開閉装置SW1を投入することで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路PCとの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路PCの一方側電圧VCHが架線電圧Vpとなる(2)。次に、第3開閉装置SW3が投入状態にある場合はそれを維持する。第3開閉装置SW3が投入状態でなければ、充放電電圧変換回路PCは他方側電圧VLCが蓄電池電圧Vbatとなるように変換する降圧変換動作を行い(3)、その後、第3開閉装置SW3を投入する(4)。

0062

続いて、充放電電圧変換回路PCに、第1の放電電圧変換動作を開始させる(5)。この第1の放電電圧変換動作は、第3開閉装置SW3を介して他方側から供給される蓄電池BTの蓄電電力を、一方側に放電させる動作である。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向(放電方向)とし、一方側への放電電流を徐々に増加させる動作である。充放電電圧変換回路PCからの放電電流の増加に伴い、補機回路XMCへの供給電力のうちのパンタグラフPTによる集電電力の割合が減少することから、電流センサCTの検知電流Iが徐々に減少することになる。電流センサCTの検知電流Iがゼロ電流となったことを検出すると(6)、パンタグラフPTを非集電状態に遷移させるべく下降させる(7)。電流センサCTの検知電流Iがゼロ電流となった時点で、補機回路XMCへの供給電力が、パンタグラフPTの集電電力から、充放電電圧変換回路PCを介した蓄電池BTの放電電力にほぼ切り替わったことになる。

0063

そして、充放電電圧変換回路PCの通流率を徐々に「1(全開)」に変更する(8)。これにより、一方側電圧VCHが、他方側電圧VCLと同じく蓄電池電圧Vbatとなり、放電電圧変換動作を行ったことになる(9)。つまり、補機回路XMCへの供給電圧が、架線電圧Vpから蓄電池電圧Vbatに変更される。

0064

続いて、第2開閉装置SW2を投入する(10)。第2開閉装置SW2を投入することで、蓄電池BTと直流電力ラインとの電力経路が、充放電電圧変換回路PCを経由する経路と、第2開閉装置SW2を経由する経路と、が並列した2つとなる。2つの電力経路それぞれからの供給電圧は、何れも蓄電池電圧Vbatである。次いで、充放電電圧変換回路PCの動作を停止する(11)。そして、第1開閉装置SW1を開放する(12)。これにより、蓄電池BTから直流電力ラインへの電力経路が、第2開閉装置SW2を経由する経路のみとなる。つまり、蓄電池BTの放電電力(蓄電池電圧Vbat)は、第2開閉装置SW2のみを介して直流電力ラインに供給されることになる。

0065

その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bにより、主開閉装置SWA,SWBの投入動作を行う。これにより、仮に主開閉装置SWA,SWBが開放された状態だった場合にも投入される。その結果、蓄電池BTと、A系回路およびB系回路との電力ラインが開通して、蓄電池BTの放電電力が主変換回路TCA,TCBへ供給されて主電動機Mの駆動が可能となる。

0066

最終的な蓄電池走行モードは、充放電電圧変換回路PCを経由しない電力経路を介して蓄電池BTの蓄電電力を主変換回路TCA,TCB及び補機回路XMCに供給する形態となるが、集電走行モードから蓄電池走行モードへ切り替える過程においては、補機回路XMCの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路PCを経由する電力経路を介して蓄電池BTの蓄電電力を補機回路XMCに供給する形態とすることができる。集電走行モードと蓄電池走行モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機の駆動電力は要求されない。したがって、充放電電圧変換回路PCは、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路XMCの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルFLchも、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

0067

(E)蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替え
図12は、蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替え制御手順を説明するための図である。蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替えは、集電走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えと同様に、電気車の停車時又は惰行時に行う。

0068

蓄電池走行モードでは、第1開閉装置SW1が開放され、第2開閉装置SW2が投入の状態にある。集電走行モードへの切り替えに当り、制御部CTRは、集電走行モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第1開閉装置SW1を投入する(1)。集電走行モードへの切り替えトリガとしては、運転台に走行モード切り替えスイッチを設けて手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。第1開閉装置SW1を投入することで、蓄電池BTから充放電電圧変換回路PCの一方側までの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路PCの一方側電圧VCHが蓄電池電圧Vbatとなる(2)。次に、第3開閉装置SW3が投入状態にある場合はそれを維持する。第3開閉装置SW3が投入状態でなければ、充放電電圧変換回路PCは他方側電圧VLCが蓄電池電圧Vbatとなるように変換する降圧変換動作を行う(3)。これにより、充放電電圧変換回路PCの他方側電圧VCLが蓄電池電圧Vbatとなる(4)。その後、第3開閉装置SW3を投入する(5)。

0069

続いて、第2開閉装置SW2を開放する(6)。第2開閉装置SW2を開放することで、蓄電池BTの放電電力の供給経路が、充放電電圧変換回路PCを経由する経路のみとなる。そして、充放電電圧変換回路PCに、第2の放電電圧変換動作を開始させる(7)。この第2の放電電圧変換動作は、第3開閉装置SW3を介して他方側に供給される蓄電池BTの蓄電電力を、一方側に放電させる動作である。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向(放電方向)とし、一方側電圧VCH(放電電流)を架線電圧Vpまで徐々に上昇させる動作であるが、架線電圧センサDCPTが設置されていない場合は、架線電圧VpはパンタグラフPTが架線に接触していないことから未知である。そのため、一方側電圧VCHを架線電圧Vpの公称値になるまで徐々に上昇させる。次いで、充放電電圧変換回路PCにゼロ電流制御を開始させる(8)。このゼロ電流制御は、電流センサCTの検知電流Iをゼロ電流とするような、充放電電圧変換回路PCの一方側の電流(放電電流)の制御である。

0070

そして、パンタグラフPTを集電状態へ遷移させるべく上昇させる(9)。なお、パンタグラフPTを集電状態へ遷移させた直後は、架線電圧Vpの公称値と実際の値が多少は異なることから、直流電力ラインへの架線電流過渡的な流出/流入が発生するが、充放電電圧変換回路PCのゼロ電流制御によって、補機回路XMCへの供給電圧を実際の架線電圧Vpに収束させることができる。補機回路XMCへの供給電圧が架線電圧Vpに収束したと判断すると、充放電電圧変換回路PCのゼロ電流制御を終了させる。

0071

架線電圧センサDCPTが設置されている場合は、蓄電池走行モードから集電走行モードへの切り替えに当り、制御部CTRは、先ず、主開閉装置SWMが開放されていなければ開放する。次に、上述の(1)〜(5)の手順を行った後、第2開閉装置SW2を開放し(6)、パンタグラフPTを上昇させる。この段階では主開閉装置SWMは開放の状態となっているため、架線からの電流が流れない。続いて、充放電電圧変換回路PCに、第2の放電電圧変換動作を開始させる(7)。詳細には、通流率を調整することで、通流方向を他方側から一方側に向かう方向(放電方向)とし、一方側電圧VCH(放電電流)を架線電圧センサDCPTで得られた架線電圧Vpまで徐々に上昇させる動作である。一方側電圧VCHが架線電圧Vpと等しくなった時点で、主開閉装置SWMを投入し、充放電電圧変換回路PCの第2の放電電圧変換動作を終了させる。

0072

以降の制御手順は、集電走行モードを非充電モードとするか充電モードとするかによって異なり、分岐する。非充電モードと充電モードの切り替えは、例えば充電モードを定位とした上で、手動で蓄電池投入スイッチをオフにしても良いし、上述の充電モードの終了判定(蓄電池BTの電圧Vbatの閾値または充電残量SOCの閾値、充電継続時間や充電開始からの充電量、あるいは地点や時刻といった、これ以上の充電が不要となったことを示すトリガ信号を用いる判定方法)により自動で非充電モードとしても良い。先ず、非充電モードとするならば、充放電電圧変換回路PCの第2の放電電圧変換動作を停止させ、通流率を「0」とする(非イ)。そして、第1開閉装置SW1を開放する(非ロ)。これにより、直流電力ラインへの蓄電池BTの蓄電電力の供給が遮断され、パンタグラフPTによる集電電力のみの供給に切り替わる。

0073

一方、充電モードとするならば、充放電電圧変換回路PCの動作を、第2の放電電圧変換動作から充電電圧変換動作に変更させる(充イ)。この充電電圧変換動作は、通流率を調整することで、他方側電圧VCLが蓄電池電圧Vbatとなるように変換する降圧動作である。蓄電池電圧Vbatが架線電圧Vpより低く構成されているので、充放電電圧変換回路PCの通流方向は一方側から他方側に向かう方向(充電方向)となる。以降は、通流率を調整することで、蓄電池BTの充電電流である充放電電圧変換回路PCの他方側からの出力電流の制御(充電制御)を行うことができる(充ロ)。

0074

その後、一般には乗務員が運転台にある主幹制御器のノッチを扱うことで、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bにより、主開閉装置SWA,SWBの投入動作を行う。これにより、仮に主開閉装置SWA,SWBが開放された状態だった場合にも投入される。その結果、A系回路およびB系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフPTによる集電電力が主変換回路TCA,TCBへ供給されて主電動機Mの駆動が可能となる。

0075

蓄電池走行モードから集電走行モードの切り替えにおいては、第1開閉装置SW1の投入および第2開閉装置SW2を開放することで、充放電電圧変換回路PCを経由する電力経路で蓄電池BTの蓄電電力が直流電力ラインに供給開始される。その後、第2の放電電圧変換動作によって変換電圧を架線電圧Vp近傍の値とした後、ゼロ電流制御を行いながら、パンタグラフPTを集電状態へ遷移させる。あるいは、パンタグラフPTに接続される架線電圧センサDCPTがある場合は、第2の放電電圧変換動作によって変換電圧が架線電圧Vpとされた後、パンタグラフPTを集電状態へ遷移させる。これにより、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することが可能となる。

0076

(F)架線モードでシステム停止
図13は、集電走行モードで電源システムPSを停止する際の制御手順を説明する図である。電源システムPSの停止は、電気車の停車時に行われる。また、非充電モードの集電走行モードとした状態で行うこととする。

0077

一般には乗務員が運転台の前進後進スイッチを中立位置にすることで、主変換回路TCA,TCBの制御部により、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bにより、先ず、主開閉装置SWA,SWBを開放する(1)。次に、運転台からのパンタグラフPTの下降スイッチにより、主変換回路TCA,TCBの制御部を経由することで、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SMWの開閉指示信号Nにより、主開閉装置SWMを開放する(2)。続いて、制御部CTRからの第3開閉装置SW3の開閉指示信号W3により、第3開閉装置SW3が開放状態でなければ開放する(3)。これにより、直流電力ラインへのパンタグラフPTからの集電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。その後、主変換回路TCA,TCBの制御部から、または制御部CRTからのパンタグラフPTの状態遷移指示信号Pにより、パンタグラフPTを非集電状態へ遷移させるべく下降させる(4)。全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムPSが停止する。

0078

(G)蓄電池モードでシステム停止
図14は、蓄電池走行モードで電源システムPSを停止する際の制御手順を説明する図である。電源システムPSの停止は、電気車の停車時に行われる。

0079

乗務員が運転台の前進後進スイッチを中立位置にすることで、あるいは制御部CTRからの主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bにより、先ず、主開閉装置SWA,SWBを開放する(1)。次に、例えば運転台の蓄電池投入スイッチの手動オフにより、制御部CTRは第3開閉装置SW3が開放状態でなければ開放する(2)。続いて、制御部CTRからの第2開閉装置SW2の開閉指示信号W2により第2開閉装置SW2を開放する(3)。これにより、直流電力ラインへの蓄電池BTの蓄電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。また、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムPSが停止する。

0080

作用効果
以上、本実施形態によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用の電源システムPSを実現することができる。具体的には、蓄電池BTと直流電力ラインとを結ぶ電力ラインとして、充放電電圧変換回路PCを経由するラインと経由しないラインとを設ける構成としている。これにより、非電化区間を走行する際の蓄電池走行モードにおいては、蓄電池BTからの放電電力を、充放電電圧変換回路PCを介さずに主変換回路TCA,TCBに供給することが可能となる。つまり、充放電電圧変換回路PCは、主電動機Mの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路XMCの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。また、リアクトルFLchも、主電動機Mの駆動電力に対応する容量とする必要が無いため、その小型化を図ることができる。

0081

また、追加電源システムAPSによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

0082

更には、蓄電池走行モードへの切り替え、および、集電走行モードへの切り替えの何れにおいても、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

0083

なお、本発明を適用可能な形態は上述した実施形態に限られるものではない。例えば、上述の実施形態では、架線電圧Vpよりも蓄電池電圧Vbatが低い場合を説明したが、架線電圧Vpよりも蓄電池電圧Vbatが高い場合についても、充放電変換回路PCを降圧チョッパではなく昇圧チョッパとして構成することで、入出力方向ならびに充電と放電の方向が逆になるものの、同様の走行モード切り替えにより実現できる。

0084

また、上述の実施形態では、主開閉装置SWMの開閉指示信号N、主開閉装置SWA,SWBの開閉指示信号A,Bを既存の主変換回路TCA,TCBの制御部に残したままとし、追加電源システムAPSの制御部CTRにおいては、パンタグラフPTの状態遷移指示信号P、第1〜第3開閉装置SW1,SW2,SW3それぞれの開閉指示信号W1〜W3、電流センサCTの検知電流I、充放電電圧変換回路PCの通流率制御信号S、を扱うものとして説明してきたが、制御部CTRが各信号を統合して扱っても良い。

0085

さらに上述した実施形態では、直流電気車の電源システムとして説明したが、交流電気車に本発明を適用することも可能である。具体的には、直流電力ラインを、交流電気車の直流リンク部(変圧器およびPWM整流器によって電車線の交流電力直流電力に変換された電力ライン)に見立てて、追加電源システムAPSをその直流リンク部に追加する構成とすることで、非電化区間の走行を可能とすることができる。その場合、パンタグラフPTの集電状態/非集電状態の遷移とともに、PWM整流器の動作/停止を制御すると好適である。

0086

PS…電源システム
PT…パンタグラフ
SWM,SWA,SWB…主開閉装置
FLA,FLB…主フィルタリアクトル
TCA,TCB…主変換回路
M…主電動機
XMC…補機回路
DCPT…架線電圧センサ
CT…電流センサ
APS…追加電源システム
CTR…制御部
RAS…艤装機器類
BT…蓄電池
PC…充放電電圧変換回路
FLch…リアクトル
SW1…第1開閉装置
SW2…第2開閉装置
SW3…第3開閉装置

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 株式会社エフェクトメイジの「 コンバータおよびこれを用いたイルミネーション装置」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】並列接続させた複数のワイヤーイルミネーションに対して電力供給可能なコンバータを提供する。【解決手段】イルミネーション装置10において、コンバータ14は、入力側のDC電圧を所定のDC出力電圧に変... 詳細

  • 三菱ロジスネクスト株式会社の「 無人飛行体用給電システムおよび制御装置」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】無人飛行体の稼働時間を向上できる無人飛行体用給電システムおよび制御装置を提供する。【解決手段】無人飛行体用給電システムは、荷役を行う複数の荷役車両と、荷役の支援を行う無人飛行体としてのドローン... 詳細

  • 三菱電機株式会社の「 電力変換装置」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を保護する低コストの電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置1は、電力変換部3、4と、電力変換部3、4のスイッチング素子を制御する制御部6、... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ