JP5265276B2 - 主回路システム、電源供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車輌用の車輌にバッテリ装置が搭載され、当該バッテリ装置の充放電を行う主回路システム、電源供給方法に関する。

これまでの鉄道車輌（電気車）の電源は架線から供給を受けている。図５は、従来における電気車の鉄道車輌の構成を示す概略構成図である。パンタグラフ１００と遮断器１１０とフィルタ１２０とが直列に接続されるとともに、インバータ１３０に接続される。インバータ１３０の他方の端子は、電力線を介して接地用の端子１５０に接続されることにより、外部から供給される電力が、インバータ１３０に供給される。インバータ１３０によって電力変換された電力は、モータ１４０−１からモータ１４０−ｎに供給される。このモータ１４０−１から１４０−ｎに電力が供給されることにより、鉄道車輌が走行する。

このような鉄道車輌は、一般に、停電等が発生した場合、架線からの供給を受けられなくなり、走行ができなくなる。このような鉄道車輌にエネルギー蓄積装置を搭載するものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。このエネルギー蓄積装置としては、主にコンデンサの利用を前提としている。
ここで、近年、架線からの電力の供給が停止した場合であっても、電気車の鉄道車輌を走行させるべく、鉄道車輌にコンデンサ以外のエネルギー蓄積装置として、例えば、バッテリを搭載することが検討されている。
なお、電力の供給が受けられない場合に、車輌内の非常灯を点灯させるための非常用電源があるが、これは、非常灯を点灯させる程度であり、車輌を走行させることを前提としたものではない。
特開２００７−１５１３９２号公報

しかしながら、鉄道車輌にバッテリを搭載する場合、電気車の鉄道車輌の多くの主回路システムは、ＤＣ１５００Ｖ系に対応しているのに対し（ＤＣ１５００Ｖを基準電圧とする電気車はその車輌性能を確保する観点と地上設備の保護の観点から電圧変動範囲を１８５０〜９００Ｖとしている）、車載可能なバッテリは、現状、最高電圧が８００Ｖ程度である。これを電源とするためには、大容量の昇降圧両用チョッパ装置が必要となって装置が大型化してしまう問題があるとともに、バッテリ供給能力が大きくできないため、空調装置などの負荷制限を行わないと、直ぐにバッテリ容量が無くなってしまうという問題がある。したがって、このような電気車の鉄道車輌の停電時を想定したバックアップ用バッテリ装置の搭載化は実用化されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、装置の大型化を抑えつつ、バッテリから供給される電力によって電気車の鉄道車輌を走行可能させることができる主回路システム、電源供給方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、架線から供給される電力を受けてモータが駆動することによって走行する鉄道車輌に用いられる主回路システムであって、電力を蓄積するバッテリと、前記架線から供給される電力に応じた電圧である第１の駆動電圧または、前記第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧である第２の駆動電圧の電力を受け、前記モータに電力を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、前記架線から供給される電力を前記バッテリに蓄積する充電回路と、前記電圧判定部の判定結果に基づき、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、前記充電回路によって前記架線から供給される電力を前記バッテリに充電させるとともに、前記第１の駆動電圧によって前記インバータ回路を駆動させ、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記インバータの駆動電圧を前記第２の駆動電圧に切り替えて、前記インバータ回路を駆動する制御回路と、前記架線から供給される電力の電圧を降圧する補助電源と、一方の端子が前記バッテリに接続され他方の端子が前記インバータに接続されたフィルタとパンダグラフに接続された遮断器との間の接続点に接続されるダイオードとを有し、前記充電回路は、充電時には前記補助電源から出力される電力によって前記バッテリを充電し、放電時には前記バッテリからの電力を前記ダイオードを介して前記インバータへ供給し、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行うことを特徴とする。

また、本発明は、上述の主回路システムにおいて、前記充電回路は、前記バッテリの放電時に前記モータを駆動させることが可能な走行用電流を通電させ、前記バッテリの充電時に前記走行用電流よりも小さい電流で前記バッテリを充電することを特徴とする。

また、本発明は、架線から供給される電力を受けてモータが駆動することによって走行する鉄道車輌に用いられる主回路システムにおける電源供給方法であって、電圧判定部が、前記車輌のモータを駆動する電力を供給するインバータ回路に供給される前記電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上であるか否かを判定し、制御部が、前記電圧判定部の判定結果に基づき、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、バッテリ装置を受電する充電回路によって前記架線から供給される電力を前記バッテリに充電させるとともに、前記第１の駆動電圧によって前記インバータ回路を駆動させ、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記インバータの駆動電圧を前記第２の駆動電圧に切り替えて、前記バッテリから供給される電力を前記インバータ回路に供給して駆動させ、インバータ回路が、前記架線から供給される電力に応じた電圧である第１の駆動電圧または、前記第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧である第２の駆動電圧の電力を受け、前記モータに電力を供給し、前記主回路システムが、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行い、補助電源が、前記架線から供給される電力の電圧を降圧し、前記充電回路は、充電時には前記補助電源から出力される電力によって前記バッテリを充電し、放電時には前記バッテリからの電力を、一方の端子が前記バッテリに接続され他方の端子が前記インバータに接続されたフィルタとパンダグラフに接続された遮断器との間の接続点に接続されるダイオードを介して前記インバータへ供給し、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行うことを特徴とする。

上述のように、本発明は、バッテリ装置、バッテリ充放電装置、ブレーキ空気電動機用インバータ装置、主電力変換装置を２電圧対応（ＤＣ１５００Ｖ系とＤＣ６００系）とすることにより、選択的に走行に必要な電力のみバッテリから供給される停電時に対応した電気車の鉄道車輌用の主回路システムを提供することが可能となる。

また、本発明では、バッテリ充電時には通常時に小さい電流によって行われ、バッテリ放電時は、電流制限素子を介して放電されるため、バッテリ充放電装置を小型軽量化することが可能となる。また、バッテリ放電時は、バッテリ電圧に対応したインバータとブレーキ用空気電動機に限定して電力の供給を行うことが可能であるので、停電時に移動が必要になった時に確実に電力供給が可能となる。

以上説明したように、この発明によれば、インバータ回路に供給される電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上であるか否かを判定し、この判定結果に基づき、インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、充電回路によって架線から供給される電力をバッテリに充電させるとともに、第１の駆動電圧によってインバータ回路を駆動させ、インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、インバータの駆動電圧を第２の駆動電圧に切り替えて、インバータ回路を駆動するようにした。これにより、架線から供給される電力によってモータを駆動させ、架線から電力が供給されない場合には、第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧でインバータを駆動させることにより、モータを駆動させることができ、バッテリによってモータを駆動させることができ、架線から電力を受けられない場合であっても車輌を走行させることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態による鉄道電気車用主回路システムについて図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態による鉄道電気車用主回路システム１の構成を示す概略ブロック図である。
パンタグラフ１０は、架線から供給される電力を受ける。遮断器１１は、パンタグラフ１０に接続されており、所定以上の電力が供給された場合に、回路を遮断する。フィルタ１２は、遮断器１１に接続され、ノイズ成分を除去する。

インバータ１３は、フィルタ１２を介して供給される電力（直流）を受け、この電力を、モータ１４０−１から１４０−ｎが駆動可能な電力の電圧（３相の交流）に変換して出力する。このインバータ１３の他方の端子は、接地用の端子１５に接続される。
また、インバータ１３は、パンタグラフ１０を介して架線から供給される電力に応じた電圧である第１の駆動電圧（例えば、ＤＣ１５００Ｖ系）または、第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧である第２の駆動電圧（例えば、バッテリ装置１７から供給される電力の電圧であるＤＣ６００Ｖ系）の電力を受け、モータ１４−１〜１４−ｎに電力を供給する。このように、インバータ１３は、ＤＣ１５００Ｖ系統とＤＣ６００Ｖ系とのうちいずれかの電圧によって駆動可能である。

モータ１４０−１から１４０−ｎは、インバータ１３に接続されており、インバータ１３から出力される交流の電力によって駆動する。このモータ１４０−１から１４０−ｎの出力が、車輪に伝達されることにより、鉄道車輌が走行する。

充電装置１６は、架線から供給される電力をパンタグラフ１０を介して受け、バッテリ装置１７に蓄積する。この充電装置１６は、パンタグラフ１０と端子１５とに接続されており、インバータ１３０に対して並列に接続される。具体的には、パンタグラフ１０と遮断器１１との間の端子が充電装置１６の一方の端子に接続されており、この端子が、充電装置１６内に設けられるスイッチング素子１６１のアノード端子に接続される。このスイッチング素子１６１のカソード端子は、バッテリ装置１７に接続され、バッテリ装置１７を充電し、スイッチング素子１６１のゲート信号は、制御回路１８から出力される制御信号が入力される。スイッチング素子１６１としては、半導体スイッチング素子が用いられ、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やサイリスタ等がある。

また、充電装置１６には、ダイオード１６２が設けられる。このダイオード１６２のカソード端子が遮断器１１とフィルタ１２との間に接続され、カソード端子がバッテリ装置１７に接続され、バッテリ装置１７の放電時にモータ１４−１〜１４−ｎを駆動させることが可能な走行用電流を通電させ、バッテリ装置１７から出力される電力をフィルタ１２を介してインバータ１３に供給する。

充電装置１６は、通常時（架線から電力を受けている場合であり、充電を行う時）には、スイッチング素子１６１を介してバッテリ装置１７に供給して充電を行う。この充電時には、電流制限素子（例えば、抵抗）を設け、架線から供給される電力の電流よりも小さい値になるように、バッテリ装置１７に供給される充電電流を制限し、充電するようにしてもよい。
また、充電装置１６は、放電時（架線からの電力が供給されない場合）には、ダイオード１６２を介してインバータ１３に電力を供給する。この実施形態において、充電装置１６は、バッテリ装置１７からインバータ１３に供給される電圧に対し、特に昇圧や降圧を行わずに出力してもよい。
また、充電装置１６は、バッテリの充電容量に対する充電残量の比率であるＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）が所定の値以上であるか否か（例えば、１００以上であるか否か）を判定し、所定の値以上であれば充電を停止し、所定の値以上ではない場合、充電を行う機能を有する。

バッテリ装置１７は、充電時に、充電装置１６から供給される充電電流を受けて充電を行い、放電時に、インバータ１３に電力を供給する。このバッテリ装置１７としては、例えば、リチウムイオン電池や、ニッカド電池、ニッケル水素電池などの二次電池が用いられる。
制御回路１８は、インバータ１３に供給される電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上（ここでは、第１の駆動電圧と第２の駆動電圧との間の任意の電圧）であるか否かを判定する電圧判定機能を有する。
また、制御回路１８は、電圧判定機能による判定結果に基づき、インバータ１３に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、充電装置１６によって架線から供給される電力をバッテリ装置１７に充電させるとともに、第１の駆動電圧によってインバータ回路を駆動させ、インバータ１３に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、インバータ１３の駆動電圧を第２の駆動電圧に切り替えて、インバータ回路を駆動する。このように、制御回路１８は、フィルタ１２を介してインバータ１３に供給される電力の電圧を検出し、検出した電圧に応じて、インバータ１３が駆動可能な電力の駆動方式として、ＤＣ１５００Ｖ系によって駆動するか、ＤＣ６００Ｖ系によって駆動するかを切り替える。
また、制御回路１８は、充電装置１６のスイッチング素子１６１にゲート電流を供給し、充電開始の指示をする。

次に、上述の構成における主回路システムの動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、主回路システムは、架線から供給される電力が、遮断器１１とフィルタ１２とを介してインバータ１３に供給されると、制御回路１８は、この電力の電圧を検出し、インバータ１３への電圧が第１の基準値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。
インバータ１３への電圧が低電圧であるすなわち、第１の基準値以上ではないと判定されると、制御回路１８は、遮断器に解放を指示し、遮断器１１が解放されたか否かを判定する（ステップＳ１１）。遮断器が解放されていない場合には、解放が検出されるまで待ち、遮断器１１が解放されていることが検出された場合、制御回路１８は、充電装置１６に放電を指示する（ステップＳ１２）。これにより、電力がバッテリ装置１７からインバータ１３に供給される。そして、制御回路１８は、処理を終了するか否かを判定し、処理を終了すると判定された場合には処理を終了し、処理を終了しないと判定した場合には、ステップＳ１０に移行する。

一方、ステップＳ１０において、インバータ１３への電圧が低電圧ではないすなわち、第１の基準値以上であると判定されると、制御回路１８は、充電装置１６にゲート信号を出力することにより、充電を指示する（ステップＳ１４）。これにより、充電装置１６によって、バッテリ装置１７が充電される。

次に、制御回路１８から充電の指示を受けた後における充電装置１６の動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。
まず、充電装置１６は、バッテリ装置１７の電圧が予め決められた上限値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。上限値以上である場合、充電装置１６は、バッテリの充電を停止し（ステップＳ２１）、処理を終了するか否かを判定し、終了すると判定した場合には、処理を終了し、終了しないと判定した場合には、ステップＳ２０に移行する。
ステップＳ２０において、充電装置１６は、バッテリの電圧が上限値以上ではない場合、バッテリのＳＯＣが１００以上であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。充電装置１６は、バッテリのＳＯＣが１００以上である場合には、ステップＳ２１に移行し、バッテリのＳＯＣが１００以上ではない場合、バッテリの充電を行い（ステップＳ２４）、ステップＳ２２に移行する。

図４は、主回路システム１の他の実施形態における構成を示す概略ブロック図である。この図において、図１の各部に対応する部分に同一の符号を付し、その説明を省略する。
この図において、充電装置１６Ａは、補助電源から電源の供給を受け、バッテリ装置１７を充電する。この補助電源装置とは、架線から供給される直流の電力を交流の電力に変換するとともに、４４０Ｖ，２００Ｖ，１００Ｖなどの電圧に変圧して出力するものであり、主に、車輌内の空調や照明や非常灯等に電力を供給する。
充電装置１６Ａは、この補助電源装置から供給される電力を用いて充電を行うことから、架線から供給される電力の電流を、走行用電流よりも小さい電流になるように低減された後の電流を充電電流として、バッテリ装置１７の充電を行う。この補助電源としては、例えば、静止型インバータ（ＳＩＶ）が用いられる。

充電装置１６Ａの詳細についてさらに説明する。
充電装置１６Ａにおいて、バッテリ装置１７の一方の端子と、遮断器１１とフィルタ１２との間の接続点の間には、ダイオード１６７が直列に接続されるととともに、バッテリ装置１７の他方の端子と、端子１５との間には、スイッチ１６３が接続される。バッテリ装置１７の放電時には、充電装置１６Ａがこのスイッチ１６３をオンにし、バッテリ装置１７からインバータ１３に電力を供給する。

また、充電装置１６Ａにおいて、ダイオード１６７とバッテリ装置１７の一方の端子との間の接続点と、スイッチ１６３とバッテリ装置１７の他方の端子との間の接続点との間には、バッテリ装置１７に対して並列に、ダイオード１６４とダイオード１６５と抵抗１６６とが直列に接続された回路が構成されている。ここでは、ダイオード１６４とダイオード１６５とが直列に接続された回路が３組並列に接続されている。それぞれの組において、このダイオード１６４とダイオード１６５との間に、補助電源からの電力が供給され、充電時において、バッテリ装置１７に充電する。

この図において、バッテリ装置１７を充電する場合、充電装置１６Ａは、補助電源から出力された電力をバッテリ装置１７に充電するようにした。これにより、架線から供給される電力の電圧を補助電源装置によって降圧し、この降圧された電力を受け、充電装置１６Ａがバッテリ装置１７に充電するようにしたので、既存設備を利用し、充電装置１６Ａを小型化することが可能となる。

また、図１における、充電装置１６、制御回路１８の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりバッテリ装置１７への充放電を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

この発明の一実施形態による鉄道電気車用主回路システム１の構成を示す概略ブロック図である。 主回路システムの動作を説明するフローチャートである。 制御回路１８から充電の指示を受けた後における充電装置１６の動作について説明するフローチャートである。 主回路システム１の他の実施形態における構成を示す概略ブロック図である。 従来における電気車の鉄道車輌の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 主回路システム １０ パンタグラフ
１１ 遮断器 １２ フィルタ
１３ インバータ １４−１〜１４−ｎ モータ
１６、１６Ａ 充電装置 １７ バッテリ装置
１８ 制御回路

Claims (3)

1. 架線から供給される電力を受けてモータが駆動することによって走行する鉄道車輌に用いられる主回路システムであって、
   電力を蓄積するバッテリと、
   前記架線から供給される電力に応じた電圧である第１の駆動電圧または、前記第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧である第２の駆動電圧の電力を受け、前記モータに電力を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に供給される電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
   前記架線から供給される電力を前記バッテリに蓄積する充電回路と、
   前記電圧判定部の判定結果に基づき、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、前記充電回路によって前記架線から供給される電力を前記バッテリに充電させるとともに、前記第１の駆動電圧によって前記インバータ回路を駆動させ、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記インバータの駆動電圧を前記第２の駆動電圧に切り替えて、前記インバータ回路を駆動する制御回路と、
   前記架線から供給される電力の電圧を降圧する補助電源と、
   一方の端子が前記バッテリに接続され他方の端子が前記インバータに接続されたフィルタとパンダグラフに接続された遮断器との間の接続点に接続されるダイオードとを有し、
   前記充電回路は、充電時には前記補助電源から出力される電力によって前記バッテリを充電し、放電時には前記バッテリからの電力を前記ダイオードを介して前記インバータへ供給し、
   前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行う
   ことを特徴とする主回路システム。
2. 前記充電回路は、前記バッテリの放電時に前記モータを駆動させることが可能な走行用電流を通電させ、前記バッテリの充電時に前記走行用電流よりも小さい電流で前記バッテリを充電する
   ことを特徴とする請求項１記載の主回路システム。
3. 架線から供給される電力を受けてモータが駆動することによって走行する鉄道車輌に用いられる主回路システムにおける電源供給方法であって、
   電圧判定部が、前記車輌のモータを駆動する電力を供給するインバータ回路に供給される前記電力の電圧が予め決められた第１の基準値以上であるか否かを判定し、
   制御部が、
   前記電圧判定部の判定結果に基づき、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値以上である場合、バッテリ装置を受電する充電回路によって前記架線から供給される電力を前記バッテリに充電させるとともに、前記第１の駆動電圧によって前記インバータ回路を駆動させ、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記インバータの駆動電圧を前記第２の駆動電圧に切り替えて、前記バッテリから供給される電力を前記インバータ回路に供給して駆動させ、
   インバータ回路が、前記架線から供給される電力に応じた電圧である第１の駆動電圧または、前記第１の駆動電圧よりも低い駆動電圧である第２の駆動電圧の電力を受け、前記モータに電力を供給し、
   前記主回路システムが、前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行い、
   補助電源が、前記架線から供給される電力の電圧を降圧し、
   前記充電回路は、充電時には前記補助電源から出力される電力によって前記バッテリを充電し、放電時には前記バッテリからの電力を、一方の端子が前記バッテリに接続され他方の端子が前記インバータに接続されたフィルタとパンダグラフに接続された遮断器との間の接続点に接続されるダイオードを介して前記インバータへ供給し、
   前記インバータ回路に供給される電力の電圧が第１の基準値に達していない場合、前記バッテリから前記インバータ回路とブレーキ用空気電動機に電力の供給を行う
   ことを特徴とする電源供給方法。

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