JP7301684B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

架線に電力が供給されてない無電区間を電気車が通過する場合に、電気車には、架線からの電力が供給されない。また、停電が発生したときには、架線からの電力供給が停止する。

これらの場合、電気車に搭載された主電動機や、コンプレッサやブロアなどの補機に電力が供給されず、例えば停電から復帰するまで電気車を安全な場所まで動かすことができない可能性があった。

特開２０１７－２２５２８０号公報

例えば停電時に電気車を安全な場所まで移動させるための非常用の電源として、バッテリ装置を電気車に搭載することが検討されている。

例えば、バッテリ装置が、複数の機器の電源として接続され得るとき、バッテリの主回路が接地されないことがある。その場合、バッテリ装置にてバッテリの主回路が地絡したか否かを検知することができず、バッテリからの漏電電流によりバッテリ装置以外の機器の異常として検知される可能性があった。その場合には、電力変換システム全体を停止させる必要があるため、正常に動作可能である機器まで異常停止し、電力変換システムの信頼性が低下する原因となる。

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、バッテリ装置の異常が発生したときに、他の正常な機器の動作を担保可能な電力変換システムを提供することを目的とする。

実施形態による電力変換システムは、架線からの電力を降圧する変圧器と、前記変圧器の二次巻線を介して供給された交流電力を変換して出力する走行用交流－直流電力変換部と、前記走行用交流－直流電力変換部から出力された直流電力を走行用モータの駆動電力に変換する走行用直流－交流電力変換部と、を備えた走行用電力変換装置と、前記変圧器の三次巻線を介して供給された交流電力を直流電力に変換する負荷用交流－直流電力変換部と、前記負荷用交流－直流電力変換部により変換された直流電力を交流負荷および直流負荷を駆動させるために用いられる交流電力に変換して出力する負荷用直流－交流電力変換部と、所定の周期で地絡検知を行う負荷電力制御部と、を有する補助電源用電力変換装置と、前記負荷用交流－直流電力変換部と前記負荷用直流－交流電力変換部とを接続する電力線、および、前記走行用交流－直流電力変換部と前記走行用直流－交流電力変換部とを接続する電力線に接続されたバッテリ装置と、前記補助電源用電力変換装置と前記バッテリ装置とを接続する電力線に接続され、前記バッテリ装置から供給された電力によって動作可能な補機と、を備え、前記バッテリ装置は、接地された筐体に収容され、組電池と、前記組電池から前記走行用電力変換装置、前記補助電源用電力変換装置、および、前記補機に電力を供給する共通の正側主回路および負側主回路に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器における検出値に基づいて前記所定の周期よりも短い周期で前記組電池の漏電検知を行うバッテリ制御回路と、を備える。

図１は、実施形態の電力変換システムが搭載される鉄道車両の概略側面図である。 図２は、実施形態の電力変換システムの一構成例を概略的に示す図である。 図３は、実施形態の電力変換システムの他の構成例を概略的に示す図である。

以下、実施形態の電力変換システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電力変換システムが搭載される鉄道車両の概略側面図である。
本実施形態の鉄道車両１は、車体２と、２つの台車３と、電力変換システム１０と、を備えている。

車体２は、鉄道車両１の想定走行方向に長い直方体形状に形成されている。車体２の内部には、乗客を収容可能な空間が形成されている。車体２の天井には、上方に向けて集電装置４００が突設されている。集電装置４００は架線に接触可能となるように構成されている。

台車３は、例えば空気ばね等の台車ばねを介して、車体２の床下にそれぞれ取付けられている。台車３には、幅方向（走行想定方向および上下方向と略直交する方向）に延びる一対の車軸１１が回転可能に支持されている。これら車軸１１には、車輪１２がそれぞれ取付けられている（一方の車輪１２は不図示）。

台車３の各々には、各車軸１１をそれぞれ回転させる主電動機Ｍが搭載されている。すなわち、鉄道車両１には４つの走行用モータＭ（図２に示す走行用モータＭ１～Ｍ４）が搭載される。
電力変換システム１０は、例えば、車体２の床下において一対の台車３の間に位置する部分に搭載されている。

図２は、実施形態の電力変換システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換システム１０は、架線から供給される高圧交流電力を利用して、走行用モータＭ１～Ｍ４、補機装置６２０～６４０、直流負荷装置ＬＤＣ、および、交流負荷装置ＬＡＣへ所定の電力を供給することができる。

実施形態において、走行用モータＭ１～Ｍ４は、例えば、誘導電動機である。
実施形態において、交流負荷ＬＡＣは、走行用モータＭ１～Ｍ４を除く鉄道車両１の負荷であって、例えば、１００ボルトの交流電圧で動作する電子機器などである。
また、実施形態において、直流負荷ＬＤＣは、走行用モータＭ１～Ｍ４を除く鉄道車両の負荷であって、例えば、直流電圧で動作する電子機器やバッテリなどである。

本実施形態の電力変換システム１０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００と、バッテリ装置２００と、走行用電力変換装置３００と、を備えている。

走行用電力変換装置３００には、集電装置４００およびメイントランスの走行用巻線（一次巻線５００および二次巻線３０２）を介して、架線から高圧交流電力が供給される。

走行用電力変換装置３００は、変圧器により降圧された高圧交流電力を走行用交流電力に変換して、走行用モータＭ１～Ｍ４に供給する。これにより走行用電力変換装置３００は、走行用モータＭ１～Ｍ４に走行トルクを発生させ、鉄道車両を走行させる。

走行用電力変換装置３００は、例えば、接触器３１２と、抵抗器３１４と、走行用交流－直流電力変換部３２０と、走行用直流－交流電力変換部３３０と、コンデンサ（第１コンデンサ）Ｃ１、Ｃ２と、走行電力制御部３１０と、第１端子Ｔ３１と、第２端子Ｔ３２と、を含む。

接触器３１２は正極線に接続され、抵抗器３１４に対して並列に接続されている。また、走行用電力変換装置３００は、接触器３１２を電磁的に動作させるためのコイル（図示せず）などを備える。

走行用充電回路は、走行電力制御部３１０の制御に従って、接触器３１２の遮断状態と導通状態とを切り替える。高圧交流電力の供給が開始されるとき、接触器３１２は遮断状態であり、その後、導通状態へと切り替えられる。

走行用交流－直流電力変換部３２０は、高圧交流電力が供給される高電位側の電力線および低電位側の電力線間に接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路（図示せず）を備える。走行用交流－直流電力変換部３２０は、コンバータとも称される。なお、走行用交流－直流電力変換部３２０は、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかであればよい。スイッチング回路に含まれるスイッチング素子は例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。

走行用交流－直流電力変換部３２０は、走行電力制御部３１０による制御に従って、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、供給された高圧交流電力を直流電力に変換することができる。

走行用交流－直流電力変換部３２０と走行用直流－交流電力変換部３３０とは、高電位側の電力線と、低電位側の電力線とにより電気的に接続している。高電位側の電力線は、第１端子Ｔ３１を介してバッテリ装置２００の第１端子Ｔ２１と電気的に接続されている。低電位側の電力線は、第２端子Ｔ３２を介してバッテリ装置２００の第２端子Ｔ２２と電気的に接続されている。

また、走行用交流－直流電力変換部３２０と走行用直流－交流電力変換部３３０とは、共通の接地線を備えている。接地線は、第３端子Ｔ３３を介して接地されている。

コンデンサＣ１は、高電位側の電力線と接地線との間に接続されている。
コンデンサＣ２は、接地線と低電位側の電力線との間に接続されている。
すなわち、コンデンサＣ１、Ｃ２は、走行用直流－交流電力変換部３３０の直流入力端に接続されている。

走行用直流－交流電力変換部３３０は、高電位側の電力線と低電位側の電力線との間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路（図示せず）を備えている。なお、走行用直流－交流電力変換部３３０は、インバータとも称される。走行用直流－交流電力変換部３３０は、走行用モータＭ１～Ｍ４の３相のそれぞれに対応した上ブリッジ側のスイッチング素子と下ブリッジ側のスイッチング素子との組を３つ備える。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴであるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。

走行用直流－交流電力変換部３３０は、走行電力制御部３１０の制御に従って、走行用モータＭにおける各相のスイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を走行用交流電力に変換する。

走行電力制御部３１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。走行電力制御部３１０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力により動作可能である。
走行電力制御部３１０は、接触器３１２、走行用交流－直流電力変換部３２０、および走行用直流－交流電力変換部３３０を制御する。

補助電源用電力変換装置１００には、集電装置４００およびメイントランスの負荷用巻線（一次巻線５００および三次巻線１０２）を介して、架線から高圧交流電力が供給される。メイントランスの負荷用巻線（一次巻線５００および三次巻線１０２）から供給される交流電力は、メイントランスの走行用巻線（一次巻線５００および二次巻線３０２）から供給される交流電力よりも低い電圧となっている。

補助電源用電力変換装置１００は、高圧交流電力を変圧器により降圧した低圧交流電力を負荷用交流電力に変換して、交流負荷ＬＡＣに供給する。すなわち、補助電源用電力変換装置１００は、負荷用交流電力により交流負荷ＬＡＣを駆動させる。

また、補助電源用電力変換装置１００は、高圧交流電力を変圧器により降圧した低圧交流電力を負荷用直流電力に変換して、直流負荷ＬＤＣに供給する。すなわち、補助電源用電力変換装置１００は、負荷用直流電力により直流負荷ＬＤＣを駆動させる。

また、負荷電力制御部１７０は、例えば三次巻線１０２の接地線に流れる電流に基づいて周期的（例えば0.5秒周期）に地絡検知を行い、補助電源用電力変換装置２００が正常に接地されているか否か（地絡しているか否か）判断する。地絡していると判断したときには、負荷電力制御部１７０は、例えば補助電源用電力変換装置２００の動作を停止する。

補助電源用電力変換装置１００は、例えば、負荷用交流－直流電力変換部１１０と、負荷用直流－交流電力変換部１２０と、交流負荷用直流－交流電力変換部１３０と、チョッパ回路１５０と、第１端子Ｔ１１と、第２端子Ｔ１２と、コンデンサ（第２コンデンサ）Ｃ３と、負荷用トランス（一次巻線１２２、二次巻線１２４、および、三次巻線１４０）を含む。

負荷用交流－直流電力変換部１１０は、集電装置４００からメイントランスの負荷用巻線（一次巻線５００および三次巻線１０２）を介して供給された低圧交流電力を直流電力に変換する。

負荷用交流－直流電力変換部１１０は、例えば、高電位側の電力線と低電位側の電力線との間に接続された複数のスイッチング素子を備えたスイッチング回路（図示せず）を備える。複数のスイッチング素子は、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、他の種類のスイッチング素子であってもよい。

なお、負荷用交流－直流電力変換部１１０は、例えば、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかの回路を備えていてもよい。

チョッパ回路１５０は、第１端子Ｔ１１および第２端子Ｔ１２を介してバッテリ装置２００の第５端子Ｔ２５および第６端子Ｔ２６と電気的に接続し、負荷用交流－直流電力変換部１１０から出力された直流電力を所定の電圧に変換してバッテリ装置２００へ供給する。チョッパ回路１５０は、バッテリ装置２００から供給された直流電力を所定の電圧に変換して、負荷用交流－直流電力変換部１１０の直流側へ供給する。

負荷用直流－交流電力変換部１２０は、高電位側の電力線および低電位側の電力線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路（図示せず）を備えている。

なお、負荷用直流－交流電力変換部１２０は、インバータとも称される。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。負荷用直流－交流電力変換部１２０は、負荷電力制御部１７０の制御に従って、スイッチング素子を任意に導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を負荷用交流電力に変換する。

負荷用直流－交流電力変換部１２０の負荷用交流－直流電力変換部１１０側には、負荷用交流－直流電力変換部１１０および負荷用直流－交流電力変換部１２０に並列して、コンデンサＣ３が接続されている。すなわち、コンデンサＣ３は、負荷用直流－交流電力変換部１２０の直流入力端に接続されている。

コンデンサＣ３は、負荷用直流－交流電力変換部１２０において安定した電力を交流負荷ＬＡＣおよび直流負荷ＬＤＣ側に供給することができる容量に設定されている。すなわち、コンデンサＣ３の容量は、集電装置４００から供給される交流電力が停止する無電区間（セクションとも称される）を鉄道車両が走行している場合や停電時に、交流負荷ＬＡＣおよび直流負荷ＬＤＣへ負荷用交流電力の供給を補償するような高い容量でなくてよい。

負荷用直流－交流電力変換部１２０により変換された負荷用交流電力は、負荷用トランスの一次巻線１２２、三次巻線１４０および整流器を介して直流負荷ＬＤＣに供給される。

また、負荷用直流－交流電力変換部１２０により変換された負荷用交流電力は、負荷用トランスの一次巻線１２２、二次巻線１２４、整流器、および交流負荷用直流－交流電力変換部１３０を介して交流負荷ＬＡＣに供給される。

交流負荷用直流－交流電力変換部１３０は、上述した負荷用直流－交流電力変換部１２０と同様に、高電位側の電力線および低電位側の電力線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路（図示せず）を備えている。交流負荷用直流－交流電力変換部１３０は、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を交流電力に変換する。

なお、負荷電力制御部１７０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。負荷電力制御部１７０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作可能に構成されている。

負荷電力制御部１７０は、負荷用交流－直流電力変換部１１０と、負荷用直流－交流電力変換部１２０と、交流負荷用直流－交流電力変換部１３０と、チョッパ回路１５０と、を制御する。

バッテリ装置２００は、第１端子Ｔ２１乃至第６端子Ｔ２６を備えている。
第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とは、走行用電力変換装置３００と電気的に接続される。第３端子Ｔ２３と第４端子Ｔ２４とは、補機群６００と電気的に接続される。第５端子Ｔ２５と第６端子Ｔ２６とは、補助電源用電力変換装置１００と電気的に接続される。

バッテリ装置２００は、例えば、絶縁区分が低圧のバッテリである。バッテリ装置２００は、例えば、リチウムイオン電池などの蓄電池セルが直列または並列に接続された組電池ＢＴと、複数の接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２、ＣＨＫと、抵抗器ＣＨＲｅと、電流検出器２２０と、複数の接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２、ＣＨＫの動作を制御するバッテリ制御部２１０と、を備えている。

接触器ＢＬＢ１は、組電池ＢＴの正極端子と正側主回路との電気的接続を切替える。接触器ＢＬＢ２は、組電池ＢＴの負極端子と負側主回路との電気的接続を切替える。すなわち、接触器ＢＬＢ１と接触器ＢＬＢ２とは、組電池ＢＴと第１電力線（主回路）との電気的接続状態を切替える接触器（第４接触器）である。

接触器ＢａｔＤＫ１は、正側主回路と第１端子Ｔ２１との電気的接続を切替える。接触器ＢａｔＤＫ２は、負側主回路と第２端子Ｔ２２との電気的接続を切替える。すなわち、接触器ＢａｔＤＫ１と接触器ＢａｔＤＫ２とは、組電池ＢＴから走行用直流－交流電力変換部３３０へ電力を供給する電力線の電気的接続状態を切替える接触器（第２接触器）である。

接触器ＢａｔＣＫ１は、正側主回路と第５端子Ｔ２５との電気的接続を切替える。接触器ＢａｔＣＫ２は、負側主回路と第６端子Ｔ２６との電気的接続を切替える。すなわち、接触器ＢａｔＣＫ１と接触器ＢａｔＣＫ２とは、組電池ＢＴから負荷用直流－交流電力変換部１２０へ電力を供給する電力線の電気的接続状態を切替える接触器（第３接触器）である。

接触器ＣＨＫと抵抗器ＣＨＲｅとは並列に接続している。接触器（第１接触器）ＣＨＫは、組電池ＢＴの正極端子と、第１端子Ｔ２１、第３端子Ｔ２３、および、第５端子Ｔ２５との間に延びた正側主回路（正側の第１電力線）において、第１電力線と並列に接続した抵抗器ＣＨＲｅを介して接続する経路（第２電力線）と、抵抗器ＣＨＲｅを介さずに接続する経路（第１電力線）とを切替える。

なお、バッテリ制御部２１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。バッテリ制御部２１０は、例えば、組電池ＢＴからの放電電力が所定の値に変換された動作電力が供給されることで動作可能に構成されている。

バッテリ制御部２１０は、組電池ＢＴに流れる電流、蓄電池セルの電圧、および、蓄電池セルの温度を周期的に取得して監視するとともに、例えば組電池ＢＴのＳＯＣ（state of charge）を演算してバッテリ装置２００の充電および放電の制御を行う。

電流検出器２２０は、正側主回路と負側主回路とのそれぞれに流れる電流を検出し、検出した値（電流値若しくは電流相当値）をバッテリ制御部２１０へ供給する。本実施形態では、電流検出器２２０は、例えば、接触器ＢＬＢ１と接触器ＣＨＫとの間の正側主回路と、接触器ＢＬＢ２と接触器ＢａｔＣＫ２および接触器ＢａｔＤＫ２との間の負側主回路との電流を検出する。

補機群６００は、バッテリ装置２００の第３端子Ｔ２３および第４端子Ｔ２４と電気的に接続される。
補機群６００には、バッテリ装置２００から直流電力が供給される。補機群６００には、バッテリ装置２００の組電池ＢＴから放電された直流電力が供給されてよいが、これに限定されず、負荷用交流－直流電力変換部１１０により変換された直流電力が供給されてよい。さらに、補機群６００には、バッテリ装置２００の組電池ＢＴから放電された直流電力と負荷用交流－直流電力変換部１１０により変換された直流電力とが合成された電力が供給されてよい。

補機群６００は、例えば、鉄道車両に搭載されるコンプレッサ６４０やブロアモータ６２０、６３０を備える。
ブロアモータ６２０、６３０は、鉄道車両の台車３に搭載された走行用モータＭ１～Ｍ４を冷却する送風機のモータであり、インバータと、インバータの直流入力端に接続されたコンデンサ（第３コンデンサ）Ｃ４、Ｃ５と、を備えている。インバータは、例えば、バッテリ装置２００から供給された電力を三相交流電力に変換して負荷に供給する補機用電力変換装置である。

コンプレッサ６４０は、ブレーキコンプレッサであり、インバータと、インバータの直流入力端に接続されたコンデンサ（第３コンデンサ）Ｃ６と、を備えている。インバータは、例えば、バッテリ装置２００から供給された電力を三相交流電力に変換して負荷に供給する補機用電力変換装置である。

上記電力変換システムにおいて、バッテリ装置２００は、補機群６００の電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＣＨＫが閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２が開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第３端子Ｔ２３と電気的に接続され、負極端子は第４端子Ｔ２４と電気的に接続される。これにより、バッテリ装置２００は、第３端子Ｔ２３および第４端子Ｔ２４に接続された補機群６００へ直流電力を供給することができる。

また、バッテリ装置２００は、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣの電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２、ＣＨＫが閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２が開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第５端子Ｔ２５と電気的に接続され、負極端子は第６端子Ｔ２６と電気的に接続される。すなわち、バッテリ装置２００は、第５端子Ｔ２５および第６端子Ｔ２６を介して補助電源用電力変換装置１００のチョッパ回路１５０へ直流電力を供給することができる。チョッパ回路１５０は、バッテリ装置２００から供給された直流電力の電圧を所定の値に変換し、負荷用直流－交流電力変換部１２０へ直流電力を供給する。これにより、バッテリ装置２００から出力された直流電力が変換され、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣへ電源を供給することができる。

また、バッテリ装置２００は、走行用モータＭ１～Ｍ４の電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＣＨＫが閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２が開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第１端子Ｔ２１を介して走行用電力変換装置３００の第１端子Ｔ３１と電気的に接続され、負極端子は第２端子Ｔ２２を介して走行用電力変換装置３００の第２端子Ｔ３２と電気的に接続される。すなわち、バッテリ装置２００は、第１端子Ｔ２１および第２端子Ｔ２２を介して、走行用電力変換装置３００の走行用直流－交流電力変換部３３０へ直流電力を供給することができる。これにより、バッテリ装置２００から出力された直流電力が変換され、走行用モータＭ１～Ｍ４へ電源を供給することができる。

上記のように、バッテリ装置２００は、例えば鉄道車両が無電区間を走行している場合や停電時などに非常走行を行うときなどに、走行用直流－交流電力変換部３３０、負荷用直流－交流電力変換部１２０および補機群６００に組電池ＢＴの放電電力を供給することが可能である。

次に、本実施形態におけるバッテリ装置の異常検知と補助電源用電力変換装置の異常検知との関係について、説明する。本実施形態では、バッテリ装置２００は、走行用電力変換装置３００と、補助電源用電力変換装置１００と、補機群６００との電源として用いられることから、組電池ＢＴ自体は接地をしていない。このため、組電池ＢＴの地絡検知は行えず、電流検出器２２０により漏電検知を行う。

バッテリ装置２００は搭載された複数の構成を収容した筐体を備え、筐体が接地されている。例えば、バッテリ装置２００の組電池ＢＴから漏電した場合、バッテリ装置２００の筐体を介して組電池ＢＴから接地端子へ電流が流れると、補助電源用電力変換装置２００の接地された三次巻線１０２を介して負荷用交流－直流電力変換部１１０およびチョッパ回路１５０、接触器ＢａｔＣＫ２、ＢＬＢ２を介して組電池ＢＴまで電流が流れることがある。

このとき、バッテリ制御部２１０にて、電流検出器２２０にて検出された正側主回路と負側主回路とに流れる電流値（若しくは電流相当値）を比較することにより、組電池ＢＴから漏電していることを検出することが可能である。例えば、正側主回路の電流検出値は組電池ＢＴから所定の充電電流や放電電流の値となり、負側主回路の電流検出値は組電池ＢＴからの漏電電流の値を含んだ値となる。バッテリ制御部２１０は、組電池ＢＴの現在の充電および放電の制御状況と、正側主回路と負側主回路との電流検出値とに基づいて、漏電が生じているか否かを判断することができる。

バッテリ制御部２１０は、組電池ＢＴから漏電していると判断したときには、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２を開いた状態（遮断状態）とし、組電池ＢＴを主回路から電気的に切り離す。

なお、負荷電力制御部１７０は周期的に地絡検知を行い、補助電源用電力変換装置２００が正常に接地されているか否か（地絡しているか否か）判断している。地絡していると判断したときには、負荷電力制御部１７０は、例えば補助電源用電力変換装置２００の動作を停止する。

このため、例えばバッテリ装置２００にて上記経路にて漏電が発生すると、負荷電力制御部１７０における地絡検知でも異常が検出されることとなる。つまり、バッテリ制御部２１０にて漏電が検出されるよりも前に負荷電力制御部１７０にて地絡が検出されると、補助電源用電力変換装置２００には異常がないにもかかわらず補助電源用電力変換装置２００の動作が停止し、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣへの電力供給が停止することとなる。

そこで、本実施形態の電力変換システムでは、バッテリ制御部２１０における漏電検知の周期を、負荷電力制御部１７０における地絡検知の周期よりも短くし、負荷電力制御部１７０にて地絡が検知されるよりも前にバッテリ制御部２１０にて組電池ＢＴの漏電を検出し、組電池ＢＴを主回路から電気的に切り離すこととしている。なお、例えば負荷電力制御部１７０における地絡検知の周期が０．５秒であるとき、バッテリ制御部２１０における漏電検知の周期は０．５秒よりも短く設定される。

このことにより、バッテリ装置２００における異常により、電力変換システムの他の機器まで停止させることがなく、正常に動作可能である機器が異常停止すること回避して電力変換システムの信頼性を担保することができる。

すなわち、本実施形態によれば、バッテリ装置の異常が発生したときに、他の正常な機器の動作を担保する電力変換システム１０を提供することができる。

図３は、実施形態の電力変換システムの他の構成例を概略的に示す図である。
図３に示す電力変換システム１０は、バッテリ装置２００の構成が図２に示す構成と異なっている。
図３に示すバッテリ装置２００では、接触器ＢＬＢ１と並列に接続した経路において、接触器ＣＨＫと抵抗器ＣＨＲｅとが直列に接続されている。すなわち、組電池ＢＴの正極端子と第１端子Ｔ２１との間、組電池ＢＴの正極端子と第３端子Ｔ２３との間、および、組電池ＢＴの正極端子と第５端子Ｔ２５との間には、それぞれ、接触器ＢＬＢ１を介して接続される経路（第１電力線）と、接触器ＣＨＫおよび抵抗器ＣＨＲｅを介して接続される経路（第２電力線）とが設けられている。接触器ＣＨＫおよび接触器ＢＬＢ１により、電力供給経路を第１電力線と前記第２電力線とで切り替えることが可能である。

また図３に示すバッテリ装置２００では、電流検出器２２０は、例えば、接触器ＣＨＫと接触器ＢａｔＣＫ１および接触器ＢａｔＤＫ１との間の正側主回路と、接触器ＢＬＢ２と接触器ＢａｔＣＫ２および接触器ＢａｔＤＫ２との間の負側主回路との電流を検出する。
上記バッテリ装置２００の構成以外は、図３に示す電力変換システム１０は図２に示す電力変換システム１０と同様の構成である。

図３に示す電力変換システム１０において、バッテリ装置２００は、補機群６００の電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２が閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２、ＣＨＫが開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第３端子Ｔ２３と電気的に接続され、負極端子は第４端子Ｔ２４と電気的に接続される。これにより、バッテリ装置２００は、第３端子Ｔ２３および第４端子Ｔ２４に接続された補機群６００へ直流電力を供給することができる。

また、バッテリ装置２００は、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣの電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２が閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２、ＣＨＫが開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第５端子Ｔ２５と電気的に接続され、負極端子は第６端子Ｔ２６と電気的に接続される。すなわち、バッテリ装置２００は、第５端子Ｔ２５および第６端子Ｔ２６を介して補助電源用電力変換装置１００のチョッパ回路１５０へ直流電力を供給することができる。チョッパ回路１５０は、バッテリ装置２００から供給された直流電力の電圧を所定の値に変換し、負荷用直流－交流電力変換部１２０へ直流電力を供給する。これにより、バッテリ装置２００から出力された直流電力が変換され、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣへ電源を供給することができる。

また、バッテリ装置２００は、走行用モータＭ１～Ｍ４の電源として機能することができる。
例えば、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２、ＢａｔＤＫ１、ＢａｔＤＫ２が閉じた状態（導通状態）であり、接触器ＢａｔＣＫ１、ＢａｔＣＫ２、ＣＨＫが開いた状態（遮断状態）であるとき、組電池ＢＴの正極端子は第１端子Ｔ２１を介して走行用電力変換装置３００の第１端子Ｔ３１と電気的に接続され、負極端子は第２端子Ｔ２２を介して走行用電力変換装置３００の第２端子Ｔ３２と電気的に接続される。すなわち、バッテリ装置２００は、第１端子Ｔ２１および第２端子Ｔ２２を介して、走行用電力変換装置３００の走行用直流－交流電力変換部３３０へ直流電力を供給することができる。これにより、バッテリ装置２００から出力された直流電力が変換され、走行用モータＭ１～Ｍ４へ電源を供給することができる。

上記のように、バッテリ装置２００は、例えば鉄道車両が無電区間を走行している場合や停電時などに非常走行を行うときなどに、走行用直流－交流電力変換部３３０、負荷用直流－交流電力変換部１２０および補機群６００に組電池ＢＴの放電電力を供給することが可能である。

バッテリ装置２００は、例えば、走行用モータＭ１～Ｍ４と補機群６００との両方の電源として機能することができる。
例えば、停電時などに鉄道車両が非常走行を行うとき、バッテリ装置２００は、走行用モータＭ１～Ｍ４と補機群６００とに電力を供給して、鉄道車両を安全な場所まで移動させることができる。

次に、本実施形態におけるバッテリ装置の異常検知と補助電源用電力変換装置の異常検知との関係について、説明する。本実施形態では、バッテリ装置２００は、走行用電力変換装置３００と、補助電源用電力変換装置１００と、補機群６００との電源として用いられることから、組電池ＢＴ自体は接地をしていない。このため、組電池ＢＴの地絡検知は行えず、電流検出器２２０により漏電検知を行う。

バッテリ装置２００は搭載された複数の構成を収容した筐体を備え、筐体が接地されている。例えば、バッテリ装置２００の組電池ＢＴから漏電した場合、バッテリ装置２００の筐体を介して組電池ＢＴから接地端子へ電流が流れると、補助電源用電力変換装置２００の接地された三次巻線１０２を介して負荷用交流－直流電力変換部１１０およびチョッパ回路１５０、接触器ＢａｔＣＫ２、ＢＬＢ２を介して組電池ＢＴまで電流が流れることがある。

このとき、バッテリ制御部２１０にて、電流検出器２２０にて検出された正側主回路と負側主回路とに流れる電流値（若しくは電流相当値）を比較することにより、組電池ＢＴから漏電していることを検出することが可能である。例えば、正側主回路の電流検出値は組電池ＢＴから所定の充電電流や放電電流の値となり、負側主回路の電流検出値は組電池ＢＴからの漏電電流の値を含んだ値となる。バッテリ制御部２１０は、組電池ＢＴの現在の充電および放電の制御状況と、正側主回路と負側主回路との電流検出値とに基づいて、漏電が生じているか否かを判断することができる。

バッテリ制御部２１０は、組電池ＢＴから漏電していると判断したときには、接触器ＢＬＢ１、ＢＬＢ２を開いた状態（遮断状態）とし、組電池ＢＴを主回路から電気的に切り離す。

なお、負荷電力制御部１７０は周期的に地絡検知を行い、補助電源用電力変換装置２００が正常に接地されているか否か（地絡しているか否か）判断している。地絡していると判断したときには、負荷電力制御部１７０は、例えば補助電源用電力変換装置２００の動作を停止する。

このため、例えばバッテリ装置２００にて上記経路にて漏電が発生すると、負荷電力制御部１７０における地絡検知でも異常が検出されることとなる。つまり、バッテリ制御部２１０にて漏電が検出されるよりも前に負荷電力制御部１７０にて地絡が検出されると、補助電源用電力変換装置２００には異常がないにもかかわらず補助電源用電力変換装置２００の動作が停止し、直流負荷ＬＤＣおよび交流負荷ＬＡＣへの電力供給が停止することとなる。

そこで、本実施形態の電力変換システムでは、バッテリ制御部２１０における漏電検知の周期を、負荷電力制御部１７０における地絡検知の周期よりも短くし、負荷電力制御部１７０にて地絡が検知されるよりも前にバッテリ制御部２１０にて組電池ＢＴの漏電を検出し、組電池ＢＴを主回路から電気的に切り離すこととしている。なお、例えば負荷電力制御部１７０における地絡検知の周期が０．５秒であるとき、バッテリ制御部２１０における漏電検知の周期は０．５秒よりも短く設定される。

このことにより、バッテリ装置２００における異常により、電力変換システムの他の機器まで停止させることがなく、正常に動作可能である機器が異常停止すること回避して電力変換システムの信頼性を担保することができる。

すなわち、本実施形態によれば、バッテリ装置の異常が発生したときに、他の正常な機器の動作を担保する電力変換システム１０を提供することができる。

また、負荷用交流－直流電力変換部１１０と交流負荷用直流－交流電力変換部１２０との間にバッテリ装置２００を接続し、バッテリ装置２００に補機群６００を接続することで、バッテリ装置２００を補機群６００の電源として機能させることができる。したがって、電力変換システム１０によれば、鉄道車両が無電区間を走行している場合や停電時において、集電装置４００から電力が供給されなくても、バッテリ装置２００から補機群６００に電力を供給し続けることができる。この結果、電力変換システム１０によれば、補機群６００に供給される電力の低下を抑制することができる。

さらに、電力変換システム１０によれば、負荷用交流－直流電力変換部１１０と交流負荷用直流－交流電力変換部１２０との間にバッテリ装置２００を接続することで、メイントランスの負荷用巻線から負荷用交流－直流電力変換部１１０に供給される電力が低下した場合に、電力の低下に対応した電力をバッテリ装置２００から放電することでバッテリ装置２００から負荷用直流－交流電力変換部１２０に放電電力を供給することができる。これにより、電力変換システム１０によれば、鉄道車両の交流負荷ＬＡＣおよび直流負荷ＬＤＣに供給される電力の低下を抑制することができる。

また、電力変換システム１０によれば、負荷用交流－直流電力変換部１１０は複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路を含むので、負荷用交流－直流電力変換部１１０から出力される直流電力を安定化させることができる。すなわち、負荷用交流－直流電力変換部１１０によれば、ダイオードを用いた整流器よりも時間変化が少ない直流電力に変換することができる。これにより、電力変換システム１０によれば、負荷用交流－直流電力変換部１１０から負荷用直流－交流電力変換部１２０への直流電力が低下した場合に、バッテリ装置２００から負荷用直流－交流電力変換部１２０に速やかに放電電力を供給することができる。

さらに、電力変換システム１０によれば、バッテリ装置２００から放電電力を供給することができるので、コンデンサＣ３の容量を、鉄道車両が無電区間を通過する際に交流負荷ＬＡＣおよび直流負荷ＬＤＣに供給する電力を補償するための容量を考慮して大容量化する必要がない。

さらに、電力変換システム１０によれば、負荷用交流－直流電力変換部１１０から出力される直流電力をチョッパ回路１５０により制御することで安定化させ、負荷用交流－直流電力変換部１１０から出力された電力をバッテリ装置２００に供給することで、バッテリ装置２００における充電抵抗に大きな負荷を与えることなく、バッテリ装置２００を充電することができる。

さらに、電力変換システム１０によれば、非常時においてバッテリ装置２００を放電させて、直流電力を走行用直流－交流電力変換部３３０に供給することができる。これにより、電力変換システム１０によれば、非常時に、バッテリ装置２００の放電電力を使用して走行用モータＭ１～Ｍ４を駆動させることで、鉄道車両を走行させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｍ１～Ｍ４…走行用モータ、Ｃ１－Ｃ６…コンデンサ、ＣＨＫ…第１接触器、ＣＨＲｅ…抵抗器、１００…補助電源用電力変換装置、１０２、３０２、５００…メイントランス、１１０…負荷用交流－直流電力変換部、１２０…負荷用直流－交流電力変換部、１３０…交流負荷用直流－交流電力変換部、２００…バッテリ装置、２２０…電流検出器、ＢＴ…組電池、３００…走行用電力変換装置、３２０…走行用交流－直流電力変換部、３３０…走行用直流－交流電力変換部、４００…集電装置、６００…補機群。

Claims (3)

1. 架線からの電力を降圧する変圧器と、
   前記変圧器の二次巻線を介して供給された交流電力を変換して出力する走行用交流－直流電力変換部と、前記走行用交流－直流電力変換部から出力された直流電力を走行用モータの駆動電力に変換する走行用直流－交流電力変換部と、を備えた走行用電力変換装置と、
   前記変圧器の三次巻線を介して供給された交流電力を直流電力に変換する負荷用交流－直流電力変換部と、前記負荷用交流－直流電力変換部により変換された直流電力を交流負荷および直流負荷を駆動させるために用いられる交流電力に変換して出力する負荷用直流－交流電力変換部と、所定の周期で地絡検知を行う負荷電力制御部と、を有する補助電源用電力変換装置と、
   前記負荷用交流－直流電力変換部と前記負荷用直流－交流電力変換部とを接続する電力線、および、前記走行用交流－直流電力変換部と前記走行用直流－交流電力変換部とを接続する電力線に接続されたバッテリ装置と、
   前記補助電源用電力変換装置と前記バッテリ装置とを接続する電力線に接続され、前記バッテリ装置から供給された電力によって動作可能な補機と、を備え、
   前記バッテリ装置は、接地された筐体に収容され、組電池と、前記組電池から前記走行用電力変換装置、前記補助電源用電力変換装置、および、前記補機に電力を供給する共通の正側主回路および負側主回路に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器における検出値に基づいて前記所定の周期よりも短い周期で前記組電池の漏電検知を行うバッテリ制御回路と、を備える電力変換システム。
2. 前記バッテリ制御回路は、前記組電池が漏電していると判断したときに、前記組電池を前記正側主回路および前記負側主回路から切り離す、請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記バッテリ装置は、前記組電池から前記走行用直流－交流電力変換部へ電力を供給する電力線の電気的接続状態を切替える第２接触器と、前記組電池から前記負荷用直流－交流電力変換部へ電力を供給する電力線の電気的接続状態を切替える第３接触器と、前記組電池と電力線との電気的接続状態を切替える第４接触器と、を備える、請求項１又は請求項２記載の電力変換システム。

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