JP2024099375A - Drive system and method for rail vehicles - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の蓄電池の接続状態を直列または並列に相互に切替え可能な蓄電池装置を搭載した鉄道車両用の駆動システムおよび駆動方法に関する。 The present invention relates to a drive system and drive method for a railway vehicle equipped with a storage battery device that can switch the connection state of multiple storage batteries between series and parallel.
直並列に切替え可能な蓄電池装置を搭載した鉄道車両に関しては、以下に記す背景技術がある。
特許文献1には、「…車両は、コンバータと、インバータと、一対の直流リンクと、複数の蓄電池モジュールと、降圧チョッパと、切替回路部とを備える。コンバータは、単相交流電力を直流電力に変換可能に構成される。インバータは、直流電力を三相交流電力に変換可能に構成される。一対の直流リンクは、コンバータの直流入出力側とインバータの直流入出力側とを接続する。複数の蓄電池モジュールは、一対の直流リンクに電気的に接続される。降圧チョッパは、一対の直流リンクのうち正側の直流リンクと複数の蓄電池モジュールの正側との間に設けられ、正側の直流リンクから複数の蓄電池モジュールの正側に出力される直流電力を降圧可能に構成される。切替回路部は、交流系統から単相交流電力の供給を受ける交流給電区間と、直流系統から直流電力の供給を受ける直流給電区間と、外部から電力の供給を受けない無給電区間とで、複数の蓄電池モジュールの電気的な接続関係を直列または並列に切り替えるとともに、一対の直流リンクと複数の蓄電池モジュールと降圧チョッパとの電気的な接続関係を切り替える。」(「課題を解決するための手段」を記載した段落0005)旨の技術が記載されている。
Regarding railway vehicles equipped with a storage battery device capable of switching between series and parallel connections, the following background art is provided.
特許文献2には、「…蓄電システムは、電池ユニットと、第1の接触器と、制御部から成る。電池ユニットは、他の二次電池との接続パターンが直列接続と並列接続との間で切り替えられる複数の二次電池を有し、架線からの電力を降圧する変圧器の二次巻線を介して供給された第1の交流電力を、電気車を走行させる走行用モータを駆動させるための走行用電力に変換して走行用モータに供給する走行用電力変換装置および電気車に搭載された直流負荷に電力を供給する。第1の接触器は、電池ユニットと走行用電力変換装置とを接続する電力線の途中に設けられ、電力を遮断する状態と、電力を導通する状態とを切り替える。制御部は、電気車が所定の状態である場合であって、第1の接触器が電力を導通する状態に切り替えられている場合に、複数の二次電池の接続パターンを直列接続に切り替えることで走行用電力変換装置に電力を供給する。」(「課題を解決するための手段」を記載した段落0005))旨の技術が記載されている。
発明者が、直並列に切替え可能な蓄電池装置を搭載した鉄道車両用の駆動システムについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
特許文献1には、複数の蓄電池モジュールの電気的な接続関係を直列または並列に切り替えるとともに、一対の直流リンクと複数の蓄電池モジュールと降圧チョッパとの電気的な接続関係を切り替えることで、昇圧チョッパを省略しつつ、交流電化区間、直流給電区間および無給電区間を走行可能となることが開示されている。しかし、特許文献1には、車両搭載機器として、補機用電力変換装置および補機は開示されておらず、また、複数の蓄電池モジュールの電気的な接続関係を切り替える際の補機用電力変換装置および補機への電力供給については言及がなされていない。
The inventors have conducted extensive research into a traction system for a railway vehicle equipped with a storage battery device capable of being switched between series and parallel connections, and have come to the following findings.
ここで、直並列に切替得可能な蓄電池装置を搭載した鉄道用駆動システムに、補機用電力変換装置および補機を搭載した場合、以下のような課題が考えられる。
直並列に切替え可能な蓄電池装置を運用する上で、安全性の観点から、蓄電池装置の接続関係を切り替える際には、蓄電池装置を主回路から遮断しておく必要がある。そして、切り替え後に再び蓄電池装置を主回路に接続した時に、蓄電池装置と架線との電圧差によって、蓄電池装置から架線へまたは架線から蓄電池装置へ大電流が発生する恐れがあるために、蓄電池装置を主回路に接続する際には、架線から主回路への接続を切っておく必要がある。すなわち、架線から主回路の接続を切ってから蓄電池装置を主回路に接続するまでの間、主回路への電力供給が途切れてしまうため、補機へ供給する電力が途切れてしまう。
Here, when an auxiliary power conversion device and an auxiliary are mounted on a railway traction system equipped with a storage battery device that can be switched between series and parallel, the following problems may occur.
When operating a storage battery equipment that can be switched between series and parallel, it is necessary to disconnect the storage battery equipment from the main circuit when switching the connection relationship of the storage battery equipment from the viewpoint of safety. When the storage battery equipment is reconnected to the main circuit after switching, a large current may be generated from the storage battery equipment to the overhead line or from the overhead line to the storage battery equipment due to the voltage difference between the storage battery equipment and the overhead line. Therefore, when connecting the storage battery equipment to the main circuit, it is necessary to disconnect the overhead line from the main circuit. In other words, the power supply to the main circuit is interrupted from the time the main circuit is disconnected from the overhead line to the time the storage battery equipment is connected to the main circuit, and therefore the power supply to the auxiliary equipment is interrupted.
また、特許文献2には、走行用モータを除く、電子機器などの直流負荷と、原則直流負荷に電力を供給する、直並列に切替えが可能な蓄電池ユニットと、を搭載した鉄道車両において、鉄道車両が非常時である場合に、蓄電池ユニットから、直流負荷と走行用モータとへ電力を供給できる技術が開示されている。
しかし、特許文献2に開示される技術では、非常時を想定しているため、常用的に、蓄電池からの電力で直流負荷と走行用モータとを駆動する非架線区間を走行する場合、以下の2つの課題が考えられる。
1つは、直流負荷と走行用モータの両方に電力を供給する場合は、蓄電池ユニットの中で、並列状態で直流負荷へ電力供給をする第1組と直列状態で走行用モータへの電力を供給する第2組とに役割を分割していることから、蓄電池全体として接続関係を直並列に切り替えているものではなく、かつ、直流負荷と走行用モータの合計の電力を賄うことができる大規模な蓄電池の容量が必要となる。
However, the technology disclosed in
First, when supplying power to both a DC load and a traction motor, the battery unit is divided into a first group that supplies power to the DC load in a parallel state, and a second group that supplies power to the traction motor in a series state. As a result, the connection relationship of the battery as a whole is not switched to series-parallel, and a large battery capacity is required that can cover the combined power of the DC load and the traction motor.
2つは、直流負荷への架線からの電力を2系統に分け、走行用巻線の系統は高圧で走行モータの駆動を行い、負荷用巻線の系統は低圧で電池ユニットの充電、直流負荷の駆動および交流負荷の駆動を行っていることから、架線からの電力を1系統で、走行用モータの駆動、電池ユニットの充電および直流負荷の駆動を行う場合に比べて、より多くの巻線や電力変換装置が必要である。よって、蓄電池やその他の機器のぎ装スペースが限られてしまう。更に、負荷用巻線の低圧での蓄電池ユニットへの充電は、小型の蓄電池ユニットの緊急時のみの運用には十分であるものの、常用的に非架線区間を走行するために大型の蓄電池ユニットを搭載する鉄道車両には適さない。 Secondly, the power from the overhead line to the DC load is split into two systems, with the system for the running windings using high voltage to drive the running motor, and the system for the load windings using low voltage to charge the battery unit, drive the DC load, and drive the AC load. This requires more windings and power conversion devices than when a single system of power from the overhead line is used to drive the running motor, charge the battery unit, and drive the DC load. This limits the space available for installing batteries and other equipment. Furthermore, although charging the battery unit with the low voltage of the load winding is sufficient for emergency operation of a small battery unit, it is not suitable for railway vehicles that are normally equipped with large battery units for running on non-overhead sections.
そこで、本発明では、直並列に切替え可能な蓄電池装置を搭載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、単一の直流リンクを通じて、電動機の駆動、蓄電池装置の充放電および補機の駆動を行い、かつ、蓄電池装置の接続状態を直列または並列に切り替える際にも、補機に電力を連続的に供給する技術を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a technology for a drive system for railway vehicles equipped with a storage battery device that can be switched between series and parallel connections, which drives the motor, charges and discharges the storage battery device, and drives the auxiliary devices through a single DC link, and which continuously supplies power to the auxiliary devices even when the connection state of the storage battery device is switched between series and parallel.
上記の課題を解決するために、代表的な本発明の鉄道車両用の駆動システムの一つは、蓄電池装置を搭載した鉄道車両にあって、蓄電池装置は、複数の蓄電池および当該複数の蓄電池を直列接続または並列接続に切り替える切替え部を有し、電車線から鉄道車両内の直流リンクへ供給される電力を遮断する第1の遮断器と、直流リンクから入力される電力を、電動機を駆動する電力に変換する第1の電力変換部と、直流リンクから入力される電力を、蓄電池装置を充電する電力に変換する第2の電力変換部と、直流リンクまたは蓄電池装置から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する第3の電力変換部と、第3の電力変換部の入力側に接続されるフィルタコンデンサと、蓄電池装置から直流リンクへ供給される電力を遮断する第2の遮断器と、直流リンクから第3の電力変換部の方向へ電力を通す第1の整流部と、蓄電池装置から第3の電力変換部の方向へ電力を通す第2の整流部と、を備え、第1の整流部および第2の整流部の第3の電力変換部側の出力点をフィルタコンデンサの正極側に接続するものである。 In order to solve the above problems, one representative traction system for railway vehicles of the present invention is a railway vehicle equipped with a storage battery device, the storage battery device having a plurality of storage batteries and a switching unit that switches the plurality of storage batteries between a series connection and a parallel connection, and includes a first circuit breaker that cuts off the power supplied from the electric power line to a DC link in the railway vehicle, a first power conversion unit that converts the power input from the DC link into power to drive an electric motor, a second power conversion unit that converts the power input from the DC link into power to charge the storage battery device, and a DC The system includes a third power conversion unit that converts the power input from the link or the storage battery device into power to drive the auxiliary equipment, a filter capacitor connected to the input side of the third power conversion unit, a second circuit breaker that cuts off the power supplied from the storage battery device to the DC link, a first rectification unit that passes power from the DC link to the third power conversion unit, and a second rectification unit that passes power from the storage battery device to the third power conversion unit, and the output points of the first rectification unit and the second rectification unit on the third power conversion unit side are connected to the positive pole side of the filter capacitor.
本発明によれば、直並列に切替えが可能な蓄電池装置を利用した鉄道車両用の駆動システムにおいて、単一の直流リンクを通じて、電動機の駆動、蓄電池装置の充放電および補機の駆動を行い、かつ、蓄電池装置の接続状態を直列または並列に切り替える際にも補機に電力を連続的に供給することで、電力変換装置等の機器の数を減らし、蓄電池やその他の機器のぎ装スペースを拡大しつつ、補機を連続的に駆動し、乗客のより高い安全性を実現することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態における説明により明らかにされる。
According to the present invention, in a traction system for railway vehicles that utilizes a storage battery device that can be switched between series and parallel connections, the electric motor is driven, the storage battery device is charged and discharged, and the auxiliary equipment is driven through a single DC link, and power is continuously supplied to the auxiliary equipment even when the connection state of the storage battery device is switched between series and parallel.This reduces the number of devices such as power conversion devices, expands the installation space for the storage battery and other equipment, while continuously driving the auxiliary equipment and achieving greater safety for passengers.
Problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the following description of the preferred embodiment of the invention.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment. In addition, in the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施例に係る蓄電池応用駆動システムの構成を示す図である。
蓄電池応用駆動システムは、電化区間および非電化区間のいずれにおいても鉄道用電動機を駆動制御するためのシステムである。具体的にこのシステムの構成要素を掲げると、主に、集電装置1、スイッチ(集電装置用高速度遮断器)2、電力変換部(インバータ)3a、インバータ用のフィルタコンデンサ3b、電動機4、補機用の電力変換部(SIV)5a、SIV用のフィルタコンデンサ5b、補機負荷6、電力変換部(DC/DCコンバータ)7a、DC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ7b、蓄電装置8aおよび8b、蓄電池の直並列接続を切り替えるスイッチ(接触器)9a、9b、9c、9dおよび9e、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10、スイッチ(接触器)11および12、充電回路部(3bおよび7b用)13、充電回路部(5b用)14、フィルタリアクトル15および16、ダイオード17および18並びに接地部19、から構成される。各構成要素については、後述する。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a battery-powered driving system according to an embodiment of the present invention.
The battery-powered drive system is a system for controlling the drive of a railway motor in both electrified and non-electrified sections. Specifically, the components of this system are mainly a
本実施例の蓄電池応用駆動システムは、大別すると以下に記す3つの動作モードに分けられる。
表1は、区間と蓄電池状態とによって区別される動作モードを示す表である。
Table 1 shows operation modes distinguished according to the section and the state of the storage battery.
表1に示すように、車両の位置(表1の「区間」)が、電化区間か非電化区間かの2パターンと、蓄電装置8aおよび8bの状態(表1の「蓄電池状態」)が、直列接続か、並列接続か、不使用の状態(主回路に接続されていない開放状態)かの3パターンの組合せが考えられる。2パターン×3パターンの6つの組合せのうち、非電化区間と蓄電池並列接続状態の組合せ、および、非電化区間と蓄電池開放状態の組合せの2つのパターンは、実際には起こりえないとして省略されるので、残り4パターンとなる。
As shown in Table 1, there are two possible combinations for the vehicle's position ("Section" in Table 1), either an electrified section or a non-electrified section, and three possible combinations for the state of the
ここで、先の表1に記すように、車両モードを定義する。
・電化区間と蓄電池並列接続状態の組合せを、「架線走行モード」とする。
・非電化区間を蓄電池直列接続状態の組合せを、「蓄電池走行モード」とする。
・電化区間と蓄電池直列接続状態の組合せを、「蓄電池走行モード(非常)」とする。
このモードは、架線または車両に何らか問題が生じた場合に想定されるモードであるが、回路の形態としては蓄電池走行モードと等価となるので、非常時のモードとしている。
・蓄電装置8a、8bに異常が生じている場合は、電化区間と蓄電池開放状態の組合せを、「直流電車モード」とする。
このモードは、蓄電装置8aまたは8bに異常が生じている場合に想定されるモードである。
Here, the vehicle modes are defined as shown in Table 1 above.
The combination of an electrified section and a battery connected in parallel is called "overhead line running mode."
- The combination of non-electrified sections with batteries connected in series is called "battery driving mode."
- The combination of the electrified section and the series connection state of the storage battery is set as "storage battery running mode (emergency)."
This mode is assumed when some kind of problem occurs with the overhead lines or the vehicle, but since the circuit configuration is equivalent to the battery driving mode, it is considered an emergency mode.
- If an abnormality occurs in the
This mode is assumed when an abnormality occurs in the
また、いずれのモードにおいても、補機負荷6への電力供給は可能でなければならない。異常時を除き、基本となるのは「架線走行モード」と「蓄電池走行モード」であるが、双方のモード間の切替えは、充電可能な架線設備を持つ電化された駅などで行われる。例えば、電化区間の終端の駅などが考えられる。
In addition, in either mode, it must be possible to supply power to the
次に、本実施例の蓄電池応用駆動システムの各構成要素について説明する。
集電装置1は、電車線と車上システムとを接続する役割を果たす。ここで、電車線とは、架線および第三軌条等を含むものである。本実施例では、電車線として架線を用いている。
Next, each component of the battery-powered drive system of this embodiment will be described.
The
直流電化区間においては、集電装置1を直流架線に接触させ、車両の直流リンクを介して車両システムへ電力供給を行う。この際に、集電装置からDC/DCコンバータで降圧してから直流リンクに接続する場合も含まれる。一方、交流電化区間の場合は、集電装置を交流架線に接触させ、変圧器および電力変換器(コンバータ)を介して交流電力を直流電力に変換し、直流リンクに接続する。
また、集電装置1は、車両の制動時には、車両の回生エネルギーを架線に戻すことを行う。
In a DC electrified section, the
In addition, the
集電装置1としては、直流架線または交流架線に対して用いられるパンタグラフが一般的であり、本実施例も、集電装置1としてはパンタグラフを想定したものである。集電装置1がパンタグラフであれば、非電化区間においては、折りたたむなどして車両に格納する。ただし、集電装置としては、パンタグラフに限定されるものではなく、第三軌条から集電する装置も含まれるものである。また、本実施例では、架線から集電装置1を通じて電力が供給される場合、電動機4の駆動、蓄電装置8aおよび8bの充放電および補機負荷6の駆動を、単一の直流リンクを通じて行うため、パンタグラフからの電力を2以上の系統に分けて行う場合に比べて、電力変換装置等の機器の数が少なくて済む。これにより、ぎ装スペースを拡大することができる。
The
スイッチ(集電装置用高速度遮断器)2は、集電装置1と直流リンクとの間に設けられ、直流架線から異常な電力が送られた場合や、車両の主回路システムで短絡等の問題が発生した際に、直流架線へ悪影響を与えぬよう車両システムを直流架線から電気的に切り離す役割を担う。一般に、高速で瞬時に電流遮断可能なスイッチを用いる。
The switch (high-speed circuit breaker for the current collector) 2 is installed between the
電力変換部(インバータ)3aは、図示しない制御部からの指令信号に基づいて、集電装置1または蓄電装置8aおよび8bからの直流電力を三相交流電力に変換して、電動機4に出力する。また、電力変換部(インバータ)3aは、車両の制動時に、図示されない制御部からの指令信号に基づいて、電動機4から発電された電力を変換し、直流架線または蓄電装置8aおよび8bに出力する。
The power conversion unit (inverter) 3a converts DC power from the
ここで、電力変換部(インバータ)3aは、例えば、パワー半導体を用いたスイッチング素子を含む三相インバータによって構成され、また、例えば、2レベルや3レベルの電圧を出力する構成が採用される。電力変換部(インバータ)3aのスイッチング素子のON/OFF制御は、例えば、PWM制御や同期パルス制御などによって行われる。更に、電力変換部(インバータ)3aは、素子や周辺機器の寿命の観点から、温度の上限値が設定され、過温度状態に至らぬよう保護制御される。 Here, the power conversion unit (inverter) 3a is configured, for example, by a three-phase inverter including switching elements using power semiconductors, and is configured to output, for example, two-level or three-level voltages. The ON/OFF control of the switching elements of the power conversion unit (inverter) 3a is performed, for example, by PWM control or synchronous pulse control. Furthermore, the power conversion unit (inverter) 3a has an upper temperature limit set from the viewpoint of the life span of the elements and peripheral devices, and is protected and controlled to prevent overheating.
インバータ用のフィルタコンデンサ3bは、電力変換部(インバータ)3aの動作の安定化や直流側の高調波成分吸収のために接続され、また、主に安全性の観点から、車両の電源オフ時には電荷を保持させない。車両を起動し、電力変換部(インバータ)3aを動作させるためには、インバータ用のフィルタコンデンサ3bを、例えば、充電回路13などで充電させる必要がある。インバータ用のフィルタコンデンサ3bを充放電する際には、主に寿命の観点から、急な電圧の変化による大電流を与えないことが望ましい。
The
電動機4は、集電装置1を介した直流架線および蓄電装置8aおよび8bから供給されるエネルギーを電力変換部3aで電力制御を行うことによって駆動力を発生する。また、電動機4は、車両の制動時に発電機動作を行うことで、車両の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーへと変換し、電力変換部3aへ出力する。電動機4を駆動する電圧は、高圧過ぎると絶縁耐圧の問題があり、低圧過ぎると発熱や効率悪化の問題がある。
The
電力変換部(補機用、SIV)5aは、図示しない制御部の電源、車内の空調装置および車内灯などといった補機負荷6への電力供給を行う。電力変換部(補機用、SIV)5aは、一般に直流リンクが入力側となり、安定動作可能な電圧の上下限範囲が設定される。また、電力変換部(補機用、SIV)5aに対しては、車両の走行中、停止中を問わず、常時動作を行い、補機負荷6へ電力を安定供給し続けることが望ましい。ここで、電力変換部(補機用、SIV)5aは、例えば、パワー半導体を用いたスイッチング素子を含む三相インバータによって構成される。
The power conversion unit (for auxiliary equipment, SIV) 5a supplies power to
SIV用のフィルタコンデンサ5bは、電力変換部(補機用、SIV)5aの動作の安定化や直流側の高調波成分吸収のために接続され、また、主に安全性の観点から、車両の電源オフ時には電荷を保持させない。車両を起動し、電力変換部(補機用、SIV)5aを動作させるためには、SIV用のフィルタコンデンサ5bを、例えば、充電回路14などで充電させる必要がある。SIV用のフィルタコンデンサ5bを充放電する際には、主に寿命の観点から、急な電圧の変化による大電流を与えないことが望ましい。
The
補機負荷6は、車内灯、空調装置および制御部などの駆動システムと直接的には関係のない部分で電力消費する負荷を指す。基本的に、車両が起動状態にある時は、補機負荷6は常に電力を必要とするため、電力変換部(補機用、SIV)5aから常時電力供給されることが望ましい。特に、夜間運用中に車内灯が消灯すると、乗客の安全性を確保できない問題があるため、車内灯などの電源を鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池とする方法もあるが、車両側の設計が複雑になる問題が生じる。
The
電力変換部(DC/DCコンバータ)7aは、集電装置1が架線と接続されている時に、架線からの直流電力を変換して、蓄電池の充電を行う。電力変換部(DC/DCコンバータ)7aとしては、例えば、上アームと下アームとの接続点を、リアクトルを介して出力側に接続するなどした、昇降圧可能なチョッパなどで構成される。
When the
DC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ7bは、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの動作の安定化や直流側の高調波成分吸収のために接続され、主に安全性の観点から、車両の電源オフ時には、電荷を保持させない。車両を起動し、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aを動作させるためには、DC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ7bを、例えば、充電回路13などで充電させる必要がある。DC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ7bを充放電する際には、主に寿命の観点から、急な電圧の変化による大電流を与えないことが望ましい。
The
蓄電装置8aおよび8bは、非電化区間時においてメインの電源となり、力行時には、電動機4へ電力供給を行う。制動時には、電動機4が発電する回生電力を吸収し、次回の力行や補機への電力供給などに再利用する。ここで、蓄電装置8aおよび8bとしては、例えば、充放電可能な二次電池であるリチウムイオン電池といった蓄電池が用いられる。
The
蓄電装置8aおよび8bの安全性を確保し、性能を最大限に活用するためには、図示されない蓄電装置専用の制御基板や制御装置が設けられることが一般的である。リチウムイオン電池は、充電量に応じて電圧が変動し、一般に、充電量が高いほど電圧が高くなり、充電量が低いほど電圧が低くなる。この間の電圧変化は、リチウムイオン電池の種類により異なる特性を示す。また、リチウムイオン電池は、劣化や寿命の観点から、実際に使用可能な充電量や電圧の上下限が定められている。また、同じく劣化の観点から、充放電の電流最大値が定められている。そのため、これらを配慮した設計を行う必要がある。
To ensure the safety of the
図1では、蓄電装置8aおよび8bのみを記載しているが、8aおよび8bはこれらを構成するより小さい単位の蓄電池モジュール等から成り立っていてもよい。また、図1では、蓄積装置として1並列分のみを図示しているが、蓄電装置8aおよび8bと並列に接続される、同様に直並列切替可能な構成を持つ蓄電装置が複数あってもよい。
In FIG. 1, only the
蓄電装置8aおよび8bは、電化区間と非電化区間とにおいて接続方法が異なる。電化区間では、基本的に、蓄電装置8aと8bとは並列に接続される。主に日本国内においては、主に直流電化区間の架線電圧は約1500V系であるが、実際には変電所と負荷との位置関係によって架線電圧は1000~1800Vの範囲で変動する。非電化区間においては、基本的に、蓄電装置8aと8bとは直列に接続される。ここで、蓄電装置8aと8bとを直列に接続した時の蓄電池電圧を架線電圧相当となるように設計すると、回路動作上のメリットが大きくなる。
The
例えば、蓄電装置8aと8bとを直列に接続した時の蓄電池電圧を、約1500V系となるように設計すれば、電化区間および非電化区間のどちらの区間でも、電動機4および補機負荷6を同様の電圧レベルで駆動することが可能となる。また、これにより、電化区間において、蓄電装置8aと8bとが並列に接続される場合の蓄電池電圧は約750V系となり、架線電圧が1000~1800Vの範囲で変動しても、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aは降圧動作のみを行えばよいため、ハード構造および制御の簡素化が期待できる。ここで、架線電圧を1500V級とすることは一例であり、それ以上の電圧でも以下の電圧でも本実施例で用いる原理は成立する。
For example, if the battery voltage when the
スイッチ(接触器)9a、9b、9c、9dおよび9eは、蓄電池の直並列接続を切り替えるために用いられる。実際には、蓄電装置8aと8bとの直並列切替えは、電流が流れていない状態で行うため、スイッチ9a~9eの遮断能力は低くてもよい。蓄電池が並列に接続される場合は、スイッチ9a、9b、9dおよび9eがオン状態(閉)、スイッチ9cがオフ(開)、となる。一方、蓄電池が直列に接続される場合は、スイッチ9a、9cおよび9eがオン状態(閉)、スイッチ9bおよび9dがオフ(開)、となる。また、蓄電装置8aおよび8bの高電位側と低電位側との直結による短絡を防止するために、スイッチ9a、9cおよび9eがオン状態(閉)においてスイッチ9dまたは9eのいずれか一つ以上をオン(閉)してはならない。
The switches (contactors) 9a, 9b, 9c, 9d, and 9e are used to switch the series-parallel connection of the storage batteries. In practice, the series-parallel switching of the
スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10は、蓄電装置8aおよび8bに異常がある場合や、車両の主回路システムで短絡等の問題が発生した場合に、相互に悪影響を与えぬよう蓄電装置8aおよび8bと車両システムとを電気的に切り離す役割を担う。一般に、高速で瞬時に電流遮断可能なスイッチを用いる。また、蓄電池の直並列切替えの際にもオフ(開)となり、蓄電装置8aおよび8bを主回路システムから電気的に切り離す。
The switch (high-speed circuit breaker for the power storage device) 10 electrically disconnects the
スイッチ(接触器)11は、蓄電池走行モードにおいて、蓄電装置8aおよび8bと電力変換部(インバータ)3aおよび電動機4による駆動システムとを接続する役割を担う。スイッチ(接触器)11がオン(閉)時に形成する経路が存在することにより、後述するダイオード17および18にブロックされることなく、蓄電装置8aおよび8bの電力を用いた力行および蓄電装置8aおよび8bへの回生動作が可能となる。架線走行モード時には、常時オフ(開)としなければならない。これは、架線と蓄電装置8aおよび8bによる2つの異なる直流電源の直結による大電流の発生と、それに伴う機器故障や事故を防止するためである。
In battery running mode, switch (contactor) 11 serves to connect the
スイッチ(接触器)12は、架線走行モードにおいてオン(閉)となり、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの出力部を、蓄電装置8aおよび8bの高電位側へ接続して、充電動作時における電流経路を生成する。蓄電池走行モードの時には、電力変換部(DC/DCコンバータ)7の動作を行わないため、スイッチ(接触器)12はオフ(開)となる。
In the overhead line running mode, the switch (contactor) 12 is turned on (closed) and connects the output of the power conversion unit (DC/DC converter) 7a to the high potential side of the
充電回路部(3bおよび7b用)13は、抵抗器とスイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)との並列回路から構成され、インバータ用のフィルタコンデンサ3bおよびDC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ7bの充電動作を担う。電力変換部(インバータ)3aや電力変換部(DC/DCコンバータ)7aを動作させるためには、フィルタコンデンサ3bおよび7bを充電し、架線または蓄電池による直流電源と同等の電圧に充電しておく必要がある。ただし、車両の電源がオフの時点では電荷は無い。
The charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 is composed of a parallel circuit of a resistor and a switch (a switching element such as a contactor or semiconductor), and is responsible for charging the
フィルタコンデンサ3bおよび7bを充電する手順は、次のとおりである。まず、充電回路部(3bおよび7b用)13における抵抗器を介する経路により、充電電流を抑えつつある程度の電圧まで充電を行う。その後に、スイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)で抵抗器を介さない経路に切り替える。最終的に、スイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)のみの抵抗器のない経路で、電力変換部(インバータ)3aや電力変換部(DC/DCコンバータ)7aを動作させる。この一連の動作態様は、抵抗損失や発熱を考慮してのことである。図1に示す充電回路部(3bおよび7b用)13はシンプルな構成であるが、複数の抵抗器やスイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)を用いて上記した機能を実現してもよい。
The procedure for charging the
充電回路部(5b用)14は、抵抗器とスイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)との並列回路から構成され、SIV用のフィルタコンデンサ5bの充電動作を担う。電力変換部(補機用、SIV)5aを動作させるためには、フィルタコンデンサ5bを充電し、架線または蓄電池による直流電源と同等の電圧に充電しておく必要がある。ただし、車両の電源がオフの時点では電荷は無い。
The charging circuit unit (for 5b) 14 is composed of a parallel circuit of a resistor and a switch (a switching element such as a contactor or semiconductor), and is responsible for charging the
電力変換部(補機用、SIV)5aへの電源供給が、架線電圧からの場合と蓄電装置8aおよび8bからの場合と相互に切り替わる場合には、補機の連続的な動作を可能とするためには、充電回路部(5b用)14を用いてフィルタコンデンサ5bの電圧を調整する必要がある。ここで、フィルタコンデンサ5bの電圧調整のために、例えば、まず、抵抗器を介する経路により充電電流を抑えつつある程度の電圧まで充電を行い、その後に、スイッチ(接触器または半導体等のスイッチング素子)で抵抗器を介さない経路に切り替える。その他の手段としては、たとえば半導体等のスイッチング素子でオンオフを行い、通流率を調整してフィルタコンデンサ5bを充電する方法などがある。いずれの手段であっても、フィルタコンデンサ5bが問題なく電源電圧相当に調整され、電力変換部(補機用、SIV)5aが定常的に動作する時には、抵抗損失や発熱を考慮して抵抗器のない経路に切り替える。
When the power supply to the power conversion unit (for auxiliary equipment, SIV) 5a is switched between the overhead line voltage and the
フィルタリアクトル15は、電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aで発生するスイッチングに伴う高調波が、電源側へと流出するのを防止するためのローパスフィルタの役割を担う。鉄道車両では、一般的に用いられる構成である。また、電力変換部(インバータ)3aまたは電力変換部(DC/DCコンバータ)7aにおいて短絡事象が発生した場合に、時間当たりの電流変化を低減するために、インダクタンスの大きなものを選定するのが一般的である。
The
フィルタリアクトル16は、電力変換部(補機用、SIV)5aで発生するスイッチングに伴う高調波が、電源側へと流出するのを防止するためのローパスフィルタの役割を担う。また、電力変換部(補機用、SIV)5aにおいて短絡事象が発生した場合に、時間当たりの電流変化を低減する機能割を有する。
The
ダイオード17は、電力変換部(補機用、SIV)5aの電源が架線の場合に、電力変換部(補機用、SIV)5aの入力側の電力を平滑化する役割を担う。
ダイオード18は、電力変換部(補機用、SIV)5aの電源が蓄電装置8aおよび8bの場合に、電力変換部(補機用、SIV)5aの入力側の電力を平滑化する役割を担う。
The
また、ダイオード17およびダイオード18は、それぞれカソード側が接続点20にて接続されている。このダイオード17とダイオード18との突き合わせによって、架線電圧と蓄電装置8aおよび8bの電圧の大小関係に応じて、いずれか一方のダイオードがオンとなり、電力変換部(補機用、SIV)5aへ電力供給することが可能となる。架線電圧と蓄電装置8aおよび8bによる電圧との間に電圧差があっても、オフとなっているダイオードのブロッキングにより、電源間で電流が流れることはない。
The cathodes of
接地部19は、鉄道車両においては、金属レールと接する車輪が相当する。ただし、鉄道車両の車輪がゴムタイヤなどである場合はこの限りでなく、ボディアースとなることがある。
In a railway vehicle, the
図2は、架線走行モードにおける蓄電池応用駆動システムの回路構成を示す図である。
架線走行モードでは、電動機4や補機負荷6といった機器の電力源は、架線である。蓄電装置8aおよび8bは互いに並列に接続されている。蓄電装置8aおよび8bへの充電は、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aによって行われる。例えば、定電流充電、定電圧充電またはそれらを組み合わせたCCCV充電などの態様が挙げられる。電化区間を走行している最中にも充電動作が可能である。並列接続にある蓄電池側の総電圧は、一般に架線電圧より低くなるので、ダイオード17がオン(導通)、ダイオード18がオフ(阻止)となる。
FIG. 2 is a diagram showing the circuit configuration of the battery-powered drive system in the overhead line running mode.
In the overhead line running mode, the power source for devices such as the
図3は、蓄電池走行モードにおける蓄電池応用駆動システムの回路構成を示す図である。
蓄電池走行モードでは、電動機4や補機負荷6といった機器の電力源は、蓄電装置8aおよび8bである。蓄電装置8aおよび8bは直列接続されている。蓄電装置8aおよび8bへの充電は、制動時の回生動作によって行われる。ただし、平坦な区間においては、回生動作により再利用可能な電力は、一般的に力行時に消費する電力を上回ることはないので、非電化区間を走行するにつれて充電率は低下する傾向にある。次に充電可能な駅に到着するまで、充電量の管理が重要となる。
FIG. 3 is a diagram showing the circuit configuration of the battery-powered drive system in the battery driving mode.
In the battery running mode, the power sources for devices such as the
図4は、蓄電池応用駆動システムの蓄電池構成を並列接続から直列接続に切り替える際(架線走行モード→蓄電池走行モード)のフローチャートの一例を示す図である。なお、図4および図5では、架線走行モードを「モードA」、蓄電池走行モードを「モードB」として表記している。 Figure 4 shows an example of a flowchart for switching the battery configuration of the battery-powered drive system from parallel connection to series connection (overhead line driving mode → battery driving mode). Note that in Figures 4 and 5, the overhead line driving mode is indicated as "mode A" and the battery driving mode is indicated as "mode B."
充電駅において、架線走行モードの場合に蓄電池への充電が終了し、蓄電池走行モードへモード切替えを行う指令が出された状態を、ステップ101(S101)とする。このモード切り替えを行う指令は、操作員がスイッチ類を用いて行ってもよいし、充電の終わりを検知して車両側が自動で行ってもよい。 At the charging station, when charging to the storage battery is completed in the overhead line running mode, a command to switch the mode to the storage battery running mode is issued, which is step 101 (S101). This command to switch modes may be issued by an operator using a switch, or may be issued automatically by the vehicle when the end of charging is detected.
また、通常時においては、架線走行モードから蓄電池走行モードへの切り替えは、駅での車両停車中に行われる。
ここで、蓄電装置8aおよび8bは、互いに並列接続されており、それぞれの電圧は、ほぼ等しい。
Furthermore, under normal circumstances, the mode is switched from the overhead line running mode to the battery running mode while the train is stopped at a station.
Here, the
ステップ101(S101)の状態では、補機負荷6への電力供給は、架線から供給される電力によるものである。
補機負荷6へ連続して電力供給が行われている状態であるので、充電回路部(5b用)14は、抵抗器を介さない導通状態である。
In the state of step 101 (S101), power is supplied to the
Since power is being continuously supplied to the
ステップ102(S102)にて、モードの切り替え中に電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aが動作することはないので、それぞれの電力変換部の動作を停止させる。 In step 102 (S102), the power conversion unit (inverter) 3a and the power conversion unit (DC/DC converter) 7a do not operate during mode switching, so the operation of each power conversion unit is stopped.
ステップ103(S103)にて、停止している電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの充電回路部(3bおよび7b用)13をオープン状態として切り離す。ここでの切り離しとは、架線側と電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの各入力側とが電気的に接続されていないことを指す。この充電回路部(3bおよび7b用)13の切り離しは、必須ではないが、後述するステップ108(S108)を実行する際に、電圧差に基づく大電流が発生し、フィルタコンデンサ3bおよび7bへ大電流が流れ込むことを防止するために、実行する方が好ましい。
In step 103 (S103), the stopped power conversion unit (inverter) 3a and the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 of the power conversion unit (DC/DC converter) 7a are disconnected to an open state. Disconnection here means that the overhead line side and the input sides of the power conversion unit (inverter) 3a and the power conversion unit (DC/DC converter) 7a are not electrically connected. This disconnection of the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 is not essential, but is preferable to prevent a large current from flowing into the
ステップ104(S104)にて、スイッチ(接触器)12およびスイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10をオフ(開)とする。このオフ(開)操作に関しては、どちらが先に行われてもよい。スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10がオフ(開)となったことで、蓄電装置8aおよび8bが主回路システムから切り離され、直並列構成を組み替える動作が可能となる。
In step 104 (S104), switch (contactor) 12 and switch (high-speed circuit breaker for power storage device) 10 are turned off (open). Either of these off (open) operations can be performed first. With switch (high-speed circuit breaker for power storage device) 10 turned off (open),
ステップ105(S105)にて、スイッチ(接触器)9bおよび9dをオフ(開)とする。このオフ(開)操作に関しては、どちらが先に行われてもよいが、蓄電装置8aおよび8bの電位が浮くことを避けるために、高電位側のスイッチ9bからオフ(開)とすることが推奨される。
In step 105 (S105), switches (contactors) 9b and 9d are turned off (open). Either switch can be turned off (opened) first, but it is recommended that
ステップ106(S106)にて、スイッチ(接触器)9cをオン(閉)とする。このオン(閉)により、蓄電装置8aおよび8bは直列接続され、蓄電池総電圧としては、架線走行モード時の2倍の電圧となる。これによって、複数の蓄電池の直列接続への切り替えが完了する。このステップ106(S106)では、複数の蓄電池の直並列構成を変更したに過ぎず、補機負荷6への電力供給は、架線から供給されることに変わりはない。
In step 106 (S106), switch (contactor) 9c is turned on (closed). This turns on (closes) the
ステップ107(S107)にて、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10をオン(閉)とする。このオン(閉)操作が行われると、架線と直列接続された蓄電装置8aおよび8bとが、カソード同士を付き合わせたダイオード17および18を介して接続されることになる。架線電圧(「Vf」とする)と、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧(「Vbats」(=Voltage BATtery Series connection)とする)の大小関係に応じて、オン(導通)となるダイオードを決定する。この物理的な現象の分岐を示すのが、ステップ108(S108)である。
In step 107 (S107), switch (high-speed circuit breaker for storage device) 10 is turned on (closed). When this on (closed) operation is performed, the overhead line and the
ステップ108(S108)にて、架線電圧Vfが直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbatsよりも大きい場合(Yes)、ダイオード17がオン(導通)、ダイオード18がオフ(阻止)となる。この場合、補機負荷6への電力は、変わらず架線より供給される。
In step 108 (S108), if the overhead line voltage Vf is greater than the total battery voltage Vbats of the series-connected
SIV用のフィルタコンデンサ5bに関しては、もとより架線の電圧により動作しているため、ステップ108(S108)によっても電圧差が生じないので、充電回路部(5b用)14は、特に変わった動作をさせる必要がなく、導通状態を維持したままでよい。これを示したのが、ステップ109(S109)である。
As for the
蓄電池走行モードへの切り替えであるから、ステップ109(S109)を終えると、架線と主回路システムとを電気的に切り離さなくてはならない。これを実行するのがステップ111(S111)である。ステップ111(S111)では、スイッチ(集電装置用高速度遮断器)2をオフ(開)とし、集電装置1であるパンタグラフを格納する。双方の順序は、どちらを先に行っても構わないが、一般的にはスイッチ(集電装置用高速度遮断器)2を先にオフ(開)とした方がよい。
Because the mode is switched to battery-powered running mode, once step 109 (S109) is completed, the overhead lines and the main circuit system must be electrically disconnected. This is carried out in step 111 (S111). In step 111 (S111), switch (high-speed circuit breaker for current collector) 2 is turned off (open) and the pantograph, which is the
ステップ111(S111)の終了後、架線からの電力供給経路が絶たれるので、ダイオード17がオフ(阻止)となる。また、SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧は、架線電圧相当となっているため、Vf>Vbatsの条件から、ダイオード18は依然としてオフ(阻止)のままである。
After step 111 (S111) is completed, the power supply path from the overhead line is cut off, so
ダイオード17および18のいずれもオフ(阻止)の期間では、電力変換部(補機用、SIV)5aへ接続された電力源が存在しない。しかし、SIV用のフィルタコンデンサ5bに蓄えられた電荷を用いて、電力変換部(補機用、SIV)5aが補機負荷6へ電力供給を行う。SIV用のフィルタコンデンサ5bの静電容量と補機負荷6の消費電力との関係にもよるが、約1秒未満から数秒の時間は、この動作態様が継続する。
While both
SIV用のフィルタコンデンサ5bは、放電に伴って電圧が低下し、いずれダイオード18のアノード側がVbats以下の電圧となる。これにより、ダイオード18がオン(導通)となり、補機負荷6への電力源が蓄電装置8aおよび8bへと切り替わる。
As the
次に、ステップ108(S108)の分岐におけるもう一方の条件について説明する。
ステップ108(S108)にて、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbatsが、架線電圧Vfよりも大きい場合(No)、ダイオード18がオン(導通)、ダイオード17がオフ(阻止)となる。ステップ107(S107)を行う直前までは、補機負荷6へは架線より電力が供給されていたが、ダイオード17がオフ(阻止)となったことで、蓄電装置8aおよび8bから電力を供給しなければならない。SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧は、架線電圧相当となっているため、Vbats>Vfの条件からダイオード18はオン(導通)となり、蓄電装置8aおよび8bからの電力供給に即座に切り替わることは可能である。
Next, the other condition in the branch at step 108 (S108) will be described.
In step 108 (S108), if the total battery voltage Vbats of the series-connected
なお、この条件において、VbatsとVfとの電圧差に応じて、SIV用のフィルタコンデンサ5bへ大電流が流れ込む場合が想定されるが、この場合には、充電回路部(5b用)14を、例えば、スイッチング動作させることで電流を制限し、SIV用のフィルタコンデンサ5bを適度な充電電流によって、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbats相当まで充電することが可能である。この動作態様に対応するのが、ステップ110(S110)である。
Under these conditions, it is assumed that a large current will flow into the
ステップ110(S110)を実行した時点で、電力変換部(補機用、SIV)5aは架線からの電力供給を受けていないため、ステップ111(S111)にて、スイッチ(集電装置用高速度遮断器)2をオフ(開)とし、集電装置1であるパンタグラフを格納しても何ら問題は生じない。
When step 110 (S110) is executed, the power conversion unit (for auxiliary machinery, SIV) 5a is not receiving power from the overhead line, so in step 111 (S111), the switch (high-speed circuit breaker for the current collector) 2 is turned off (opened) and no problem occurs even if the pantograph, which is the
以上が、ステップ108(S108)の分岐に関する双方における動作態様の説明である。いずれの分岐条件においても、補機負荷6の電力源が蓄電装置8aおよび8bへと切り替わった状態となり、以降は状態の分岐はないため、残るステップについてはまとめて説明を行う。
The above is an explanation of the operating modes in both cases regarding the branching of step 108 (S108). In either branching condition, the power source of the
ここで、ステップ108(S108)の分岐については、物理的な回路状態による分岐であることに注意が必要である。一般に、SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧の充電は、図示されない電力変換部(補機用、SIV)5aの制御部によって、充電回路部(5b用)14を制御することにより行われることが多い。そのため、実際の切替えプログラム内で、電圧の大小関係を比較して比較結果に応じてシーケンス制御を切り替える等の必要性がない。よって、架線走行モードから蓄電池走行モードへと切り替えるパターンのシーケンス制御は、最低1種類あればよいことになる。
It should be noted here that the branch at step 108 (S108) is a branch based on the physical circuit state. In general, charging the voltage of the
ステップ112(S112)にて、スイッチ(接触器)11をオン(閉)とする。この操作により、ダイオード17またはダイオード18のいずれか一方がオン(導通)となる。ただし、補機負荷6の電力源が蓄電装置8aおよび8bであることに変わりはない。なお、実際にどちらのダイオードがオン(導通)となるかは、経路の素子や配線の抵抗の大小関係などで決まることになる。
In step 112 (S112), switch (contactor) 11 is turned on (closed). This operation turns on (conducts) either
ステップ112(S112)でスイッチ(接触器)11をオン(閉)としたことにより、ダイオード17および18を通ることなく、蓄電装置8aおよび8bから、電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの充電回路部(3bおよび7b用)13への経路、が形成される。
By turning on (closing) switch (contactor) 11 in step 112 (S112), a path is formed from
ステップ113(S113)にて、電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの充電回路部(3bおよび7b用)13を動作させて、架線電圧Vf相当に充電されているフィルタコンデンサ3bおよび7bを、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbats相当に充放電する操作を行う。フィルタコンデンサ3bおよび7bの充放電による電圧調整を終えると、充電回路部(3bおよび7b用)13は短絡としてよい。
In step 113 (S113), the power conversion unit (inverter) 3a and the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 of the power conversion unit (DC/DC converter) 7a are operated to charge and discharge the
以上した各ステップの実行後、ステップ114(S114)にて、蓄電池走行モードへのモード切替えが終了したことになる。蓄電装置8aおよび8bは互いに直列接続へと変更され、モード切替えの間に補機負荷6への電力供給も途絶えさせることなく行うことが可能である。
After the above steps are performed, the mode change to the battery driving mode is completed in step 114 (S114). The
図5は、蓄電池応用駆動システムの蓄電池構成を直列接続から並列接続に切り替える際(蓄電池走行モード→架線走行モード)のフローチャートの一例を示す図である。
蓄電池走行モードによる非電化区間走行を終えて充電駅に到着した時に、架線から蓄電池への充電動作および電化区間走行のために、架線走行モードへ切り替える。車両が停止し、架線走行モードへとモード切替えを行う指令が出された状態を、ステップ201(S201)とする。このモード切替えを行う指令は、操作員がスイッチ類を用いて行ってもよいし、電化区間での停車検知と蓄電池の充電率を判断して車両側が自動で行ってもよい。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a flowchart when the battery configuration of the battery-powered drive system is switched from a series connection to a parallel connection (from a battery running mode to an overhead line running mode).
When the vehicle has finished traveling in the non-electrified section in the battery traveling mode and has arrived at the charging station, the mode is switched to the overhead line traveling mode in order to charge the battery from the overhead line and travel in the electrified section. Step 201 (S201) refers to a state in which the vehicle has stopped and a command to switch the mode to the overhead line traveling mode has been issued. This command to switch the mode may be issued by an operator using a switch or may be issued automatically by the vehicle side upon detection of a stop in the electrified section and the charging rate of the battery.
また、通常時においては、蓄電池走行モードから架線走行モードへの切り替えは、駅での車両停車中に行われる。
蓄電装置8aおよび8bは、互いに直列接続され、蓄電装置8aおよび8bそれぞれの電圧や容量は、等しい。
Furthermore, under normal circumstances, the switching from the battery running mode to the overhead line running mode is performed while the vehicle is stopped at a station.
The
ステップ201(S201)では、補機負荷6への電力は、蓄電装置8aおよび8bからの電力が供給される状態となっている。
補機負荷6へ定常的に電力供給が行われている状態であるので、充電回路部(5b用)14は、抵抗器を介さない導通状態である。
In step 201 (S201), the
Since power is being steadily supplied to the
ステップ202(S202)にて、モードの切り替え中に電力変換部(インバータ)3aが動作することはないので、電力変換部(インバータ)3aの動作を停止させる。 In step 202 (S202), the power conversion unit (inverter) 3a does not operate during mode switching, so the operation of the power conversion unit (inverter) 3a is stopped.
ステップ203(S203)にて、停止している電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの充電回路部(3bおよび7b用)13をオープン状態として切り離す。ここでの切り離しとは、架線側と電力変換部(インバータ)3aおよび電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの各入力側とが電気的に接続されていないことを指す。この充電回路部(3bおよび7b用)13の切り離しは、必須ではないが、後述するステップ205(S205)を実行する際に、電圧差に基づく大電流が発生し、フィルタコンデンサ3bおよび7bへ大電流が流れ込むことを防止するために、実行する方が好ましい。
In step 203 (S203), the stopped power conversion unit (inverter) 3a and the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 of the power conversion unit (DC/DC converter) 7a are disconnected to an open state. Disconnection here means that the overhead line side and the input sides of the power conversion unit (inverter) 3a and the power conversion unit (DC/DC converter) 7a are not electrically connected. This disconnection of the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 is not essential, but is preferable to prevent a large current from flowing into the
ステップ204(S204)にて、スイッチ(接触器)11をオフ(開)とする。これにより、蓄電装置8aおよび8bを電力源として、ダイオード18を経由して、補機負荷6へ電力供給される。このステップ204(S204)においてスイッチ(接触器)11をオフ(開)しておくことで、後述するステップ205(S205)を実行して架線を主回路システムに接続した時に、架線と蓄電装置8aおよび8bが直結されることを防止する。
In step 204 (S204), the switch (contactor) 11 is turned off (open). This causes the
ステップ205(S205)にて、集電装置1であるパンタグラフを架線に接触させ、スイッチ(集電装置用高速度遮断器)2をオンとする。この操作が行われると、架線と直列接続の蓄電装置8aおよび8bが、カソード同士を付き合わせたダイオード17および18を介して接続される。架線電圧Vfと、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbatsの大小関係に応じて、オン(導通)となるダイオードを決定する。この物理的な現象の分岐を示すのが、ステップ206(S206)である。
In step 205 (S205), the pantograph, which is the
ステップ206(S206)にて、架線電圧Vfが直列接続の蓄電池総電圧Vbatsよりも大きい場合(Yes)、ダイオード17がオン(導通)、ダイオード18がオフ(阻止)となる。ステップ206(S206)を実行する直前までは、補機負荷6へは蓄電装置8aおよび8bより電力が供給されていたが、ダイオード18がオフ(阻止)となったことで、架線から電力を供給しなければならない。SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧は、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧相当となっているため、Vf>Vbatsの条件から、ダイオード17はオン(導通)となり、架線からの電力供給に即座に切り替わることが可能である。
In step 206 (S206), if the overhead line voltage Vf is greater than the total battery voltage Vbats connected in series (Yes),
なお、このVf>Vbatsの条件において、VfとVbatsとの電圧差に応じて、SIV用のフィルタコンデンサ5bへ大電流が流れ込む可能性がある。この事態に対処するために、充電回路部(5b用)14を、例えば、スイッチング動作させることで電流を制限し、SIV用のフィルタコンデンサ5bを適度な充電電流によって、架線電圧Vf相当まで充電することが可能である。これを示したのが、ステップ207(S207)である。
Note that under this condition of Vf>Vbats, a large current may flow into the
ステップ207(S207)を実行した時点で、電力変換部(補機用、SIV)5aは、架線からの電力供給に切り替わったため、ステップ209(S209)によって、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10をオフ(開)とすることで、蓄電装置8aおよび8bをシステムから切り離しても何ら問題が生じることはない。
When step 207 (S207) is executed, the power conversion unit (for auxiliary machinery, SIV) 5a switches to power supply from the overhead line, so there is no problem even if the
次に、ステップ206(S206)の分岐におけるもう一方の条件について説明する。
ステップ206(S206)にて、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbatsが架線電圧Vfよりも大きい場合(No)、ダイオード18がオン(導通)、ダイオード17がオフ(阻止)となる。この場合、補機負荷6への電力は、変わらず蓄電装置8aおよび8bより供給される。
Next, the other condition in the branch at step 206 (S206) will be described.
In step 206 (S206), if the total battery voltage Vbats of the series-connected
SIV用のフィルタコンデンサ5bは、もとより直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbatsにより動作しているため、この場合には電圧差が生じないので、充電回路部(5b用)14は、特に異なる動作をさせる必要がなく、導通状態を維持したままでよい。これを示したのが、ステップ208(S208)である。
The
蓄電装置8aおよび8bの直並列を切り替えるために、ステップ208(S208)の実行後、蓄電装置8aおよび8bと主回路システムとを電気的に切り離す必要性がある。この動作態様をステップ209(S209)で実行する。ステップ209(S209)にて、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10をオフ(開)する。
In order to switch the series/parallel connection of the
ステップ208(S208)の実行後、蓄電装置8aおよび8bからの電力供給経路が絶たれるので、ダイオード18がオフ(阻止)となる。また、SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧は、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbats相当となっているため、Vbats>Vfの条件から、ダイオード17もオフ(阻止)状態のままである。
After step 208 (S208) is executed, the power supply path from the
ダイオード17および18のいずれもオフ(阻止)の期間は、電力変換部(補機用、SIV)5aへ接続された電力源が存在しない。しかし、SIV用のフィルタコンデンサ5bに蓄えられた電荷を用いて、電力変換部(補機用、SIV)5aが補機負荷6へ電力供給を行う。SIV用のフィルタコンデンサ5bの静電容量と補機負荷6の消費電力との関係にもよるが、約1秒未満から数秒の時間は、この動作態様が継続する。SIV用のフィルタコンデンサ5bは、放電に伴って電圧が低下し、いずれダイオード17のアノード側がVf以下の電圧となり、ダイオード17がオン(導通)となり、補機負荷6への電力源が架線へと切り替わる。
While both
以上が、ステップ206(S206)の分岐に関する双方における動作態様の説明である。いずれの条件においても、補機負荷6の電力源が架線へと切り替わった状態となり、以降は状態の分岐はないため、残るステップについてはまとめて説明を行う。
The above is an explanation of the operating modes in both cases regarding the branching of step 206 (S206). In either case, the power source of the
ここで、ステップ206(S206)の分岐については、物理的な回路状態による分岐であることに注意が必要である。一般に、SIV用のフィルタコンデンサ5bの電圧の充電は、図示しない電力変換部(補機用、SIV)5aの制御部によって、充電回路部(5b用)14を制御することにより行われることが多い。そのため、実際の切替えプログラム内で、電圧の大小関係を比較して比較結果に応じてシーケンス制御を切り替える等の必要性がない。よって、蓄電池走行モードから架線走行モードへと切り替えるパターンのシーケンス制御は、最低1種類あればよいことになる。
It should be noted here that the branch at step 206 (S206) is a branch based on the physical circuit state. In general, charging the voltage of the
ステップ209(S209)にて、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10がオフ(開)となったことで、蓄電装置8aおよび8bが主回路システムから切り離され、直並列構成を組み替える動作が可能となる。
In step 209 (S209), the switch (high-speed circuit breaker for the energy storage device) 10 is turned off (open), disconnecting the
ステップ210(S210)にて、スイッチ(接触器)9cをオフ(開)とする。 In step 210 (S210), switch (contactor) 9c is turned off (open).
ステップ211(S211)にて、スイッチ(接触器)9bおよび9dをオン(閉)とする。このオン(閉)操作に関しては、どちらが先に行われてもよいが、蓄電装置8aおよび8bの電位が浮くことを避けるために、低電位側のスイッチ9dからオン(閉)とすることが推奨される。ただし、蓄電池間の短絡を防止するために、ステップ211(S211)は、ステップ210(S210)よりも後に実行しなければならない。
ステップ211(S211)を経て、蓄電装置8aと8bとは互いに並列接続される。また、補機負荷6への電力供給は、架線から行われている状態である。
In step 211 (S211), the switches (contactors) 9b and 9d are turned on (closed). Either of these on (close) operations can be performed first, but it is recommended to turn on (close) the
After step 211 (S211), the
ステップ212(S212)にて、スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10をオン(閉)とする。この時、蓄電装置8aと8bとは並列接続であるから、一般に、架線電圧を上回ることはなく、ダイオード17はオン(導通)、ダイオード18はオフ(阻止)の状態である。
In step 212 (S212), switch (high-speed circuit breaker for storage device) 10 is turned on (closed). At this time, since
ステップ213(S213)にて、充電回路部(3bおよび7b用)13を動作させ、直列接続された蓄電装置8aおよび8bの蓄電池総電圧Vbats相当に充電されているフィルタコンデンサ3bおよび7bを、架線電圧Vf相当に充放電する操作を行う。フィルタコンデンサ3bおよび7bの充放電による電圧調整を終えると、充電回路部(3bおよび7b用)13は短絡することができる。
In step 213 (S213), the charging circuit unit (for 3b and 7b) 13 is operated to charge and discharge the
ステップ214(S214)にて、スイッチ(接触器)12をオン(閉)とする。このオン(閉)により、電力変換部(DC/DCコンバータ)7aの出力部が、並列接続された蓄電装置8aおよび8bと接続され、充電動作が可能となる。
In step 214 (S214), the switch (contactor) 12 is turned on (closed). This on (closed) state connects the output of the power conversion unit (DC/DC converter) 7a to the parallel-connected
以上した各ステップの実行後、ステップ215(S215)にて、架線走行モードへのモード切替えが終了したことになる。蓄電装置8aおよび8bは互いに並列接続へと変更され、モード切替えの間に補機負荷6への電力供給も途絶えさせることなく行うことが可能である。
After the above steps are performed, in step 215 (S215), the mode switching to the overhead line running mode is completed. The
以上のとおり、通常時に基本となる架線走行モードおよび蓄電池走行モードについて、また、両モード間を切り替える際の動作態様およびその際においても補機負荷6に連続的に電力供給が可能であること、を説明した。
As described above, we have explained the basic overhead line running mode and battery running mode under normal circumstances, as well as the operating conditions when switching between the two modes and the fact that power can be continuously supplied to the
図6は、直流電車モードにおける蓄電池応用駆動システムの回路構成を示す図である。
スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)10およびスイッチ(接触器)12がオフ(開)となっているため、蓄電装置8aおよび8bが主回路システムに接続されていない構成である。この直流電車モードは、主に電化区間を走行中に、図示しない制御部によって、蓄電装置8aおよび8bの保護動作が働いたときなどが想定される。なお、この直流電車モードでの回路構成は、通常の直流区間を走行する鉄道車両の回路構成と等価である。
FIG. 6 is a diagram showing the circuit configuration of a battery-powered drive system in a DC train mode.
Since the switch (high-speed circuit breaker for the power storage device) 10 and the switch (contactor) 12 are off (open), the
また、以上の実施例によれば、少なくとも以下の各技術事項が包含されることになる。
<技術事項1>
蓄電池装置を搭載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、蓄電池装置は、複数の蓄電池および当該複数の蓄電池を直列接続または並列接続に切り替える切替え部を有し、電車線から鉄道車両内の直流リンクへ供給される電力を遮断する第1の遮断器と、直流リンクから入力される電力を、電動機を駆動する電力に変換する第1の電力変換部と、直流リンクから入力される電力を、蓄電池装置を充電する電力に変換する第2の電力変換部と、直流リンクまたは蓄電池装置から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する第3の電力変換部と、第3の電力変換部の入力側に接続されるフィルタコンデンサと、蓄電池装置から直流リンクへ供給される電力を遮断する第2の遮断器と、直流リンクから第3の電力変換部の方向へ電力を通す第1の整流部と、蓄電池装置から第3の電力変換部の方向へ電力を通す第2の整流部と、を備え、第1の整流部および第2の整流部の第3の電力変換部側の出力点をフィルタコンデンサの正極側に接続する。
Furthermore, according to the above embodiment, at least the following technical matters are included.
<
In a traction system for a railway vehicle equipped with a storage battery device, the storage battery device has a plurality of storage batteries and a switching unit that switches between a series connection and a parallel connection of the plurality of storage batteries, and includes a first circuit breaker that cuts off power supplied from an electric rail line to a DC link in the railway vehicle, a first power conversion unit that converts power input from the DC link into power for driving an electric motor, a second power conversion unit that converts power input from the DC link into power for charging the storage battery device, and a power converter that converts power input from the DC link into power for charging the storage battery device. The power converter includes a third power conversion unit that converts power input from the storage battery device into power to drive auxiliary equipment, a filter capacitor connected to the input side of the third power conversion unit, a second circuit breaker that cuts off power supplied from the storage battery device to the DC link, a first rectification unit that passes power from the DC link to the third power conversion unit, and a second rectification unit that passes power from the storage battery device to the third power conversion unit, and output points on the third power conversion unit side of the first rectification unit and the second rectification unit are connected to the positive electrode side of the filter capacitor.
<技術事項2>
上記技術事項1に記載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、電車線からの電力供給と蓄電池装置からの電力供給とを相互に切り替える際に、複数の蓄電池を、並列接続から直列接続にまたは直列接続から並列接続に切り替え、電車線の電圧と直列接続された蓄電池装置の電圧との大小関係に応じて第1の整流部または第2の整流部が導通し、補機への電力供給を停止させずに継続させる。
<
In the traction system for railway vehicles described in
<技術事項3>
上記技術事項1または上記技術事項2に記載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、第1の整流部および第2の整流部の第3の電力変換部側の出力点とフィルタコンデンサの正極側との間に充電回路を設け、フィルタコンデンサの電圧を調整する。
<Technical item 3>
In the railway vehicle drive system described in
<技術事項4>
上記技術事項3に記載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、充電回路は、半導体スイッチと抵抗器との並列回路である。
<
In the traction system for railway vehicles described in Technical Item 3 above, the charging circuit is a parallel circuit of a semiconductor switch and a resistor.
<技術事項5>
上記技術事項4に記載した鉄道車両用の駆動システムにおいて、電車線の電圧または直列接続された蓄電池装置の電圧とフィルタコンデンサの電圧との間に電位差がある場合に、半導体スイッチをオンオフ動作させてフィルタコンデンサへの充電電流を制限する。
<Technical item 5>
In the railway vehicle traction system described in
<技術事項6>
上記技術事項1から上記技術事項5のいずれかに記載した鉄道車両用の駆動システムを搭載した鉄道車両。
<
A railway vehicle equipped with a railway vehicle drive system according to any one of
<技術事項7>
電車線から鉄道車両内の直流リンクへ供給される電力または当該鉄道車両が搭載する複数の蓄電池から供給される電力により当該鉄道車両を駆動する鉄道車両用の駆動方法において、鉄道車両は、直流リンクまたは複数の蓄電池から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する電力変換器を備え、鉄道車両が電車線からの電力で駆動するモードから複数の蓄電池の電力で駆動するモードに切り替える際には、直流リンクから複数の蓄電池を切り離し、並列接続した複数の蓄電池を直列接続に切り替え、直列接続した複数の蓄電池を直流リンクに接続し、直列接続した複数の蓄電池の電圧よりも電車線の電圧の方が大きい場合には、直流リンクから入力される電力を、第1の整流器により複数の蓄電池の方向へ通さず、第2の整流器により電力変換器の方向へ通し、電車線の電圧よりも直列接続した複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、複数の蓄電池から入力される電力を、第2の整流器により電車線の方向へ通さず、第1の整流器により電力変換器の方向へ通し、電車線から直流リンクを切り離すシーケンスを実行する。
<Technical item 7>
In a method for driving a railway vehicle, the railway vehicle is driven by power supplied from an electric power line to a DC link in the railway vehicle or by power supplied from a plurality of storage batteries mounted on the railway vehicle. The railway vehicle is equipped with a power converter that converts power input from the DC link or the plurality of storage batteries into power for driving auxiliary machinery. When the railway vehicle is switched from a mode in which it is driven by power from the electric power line to a mode in which it is driven by power from the plurality of storage batteries, the method disconnects the plurality of storage batteries from the DC link, switches the plurality of storage batteries connected in parallel to a series connection, and converts the plurality of storage batteries into a series connection. a sequence is executed in which the multiple storage batteries connected in series are connected to a DC link, and when the voltage of the electric power line is greater than the voltage of the multiple storage batteries connected in series, the first rectifier prevents power input from the DC link from passing in the direction of the multiple storage batteries, and the second rectifier passes the power in the direction of the power converter, and when the voltage of the multiple storage batteries connected in series is greater than the voltage of the electric power line, the second rectifier prevents power input from the multiple storage batteries from passing in the direction of the electric power line, and the first rectifier passes the power in the direction of the power converter, thereby disconnecting the DC link from the electric power line.
<技術事項8>
上記技術事項7に記載した鉄道車両用の駆動方法において、鉄道車両が複数の蓄電池の電力で駆動するモードから電車線からの電力で駆動するモードに切り替える際には、直列接続した複数の蓄電池を直流リンクから切り離し、直流リンクを電車線に接続し、直列接続した複数の蓄電池の電圧よりも電車線の電圧の方が大きい場合には、直流リンクから入力される電力を、第1の整流器により複数の蓄電池の方向へ通さず、第2の整流器により電力変換器の方向へ通し、電車線の電圧よりも直列接続した複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、複数の蓄電池から入力される電力を、第2の整流器により電車線の方向へ通さず、第1の整流器により電力変換器の方向へ通し、直流リンクから入力される電力が電力変換器へ供給されると、直列接続した複数の蓄電池を並列接続に切り替えるシーケンスを実行する。
<Technical item 8>
In the railway vehicle drive method described in Technical item 7 above, when the railway vehicle switches from a mode in which it is driven by power from multiple storage batteries to a mode in which it is driven by power from the electric rail, the multiple storage batteries connected in series are disconnected from the DC link and the DC link is connected to the electric rail; if the voltage of the electric rail is higher than the voltage of the multiple storage batteries connected in series, the first rectifier prevents power input from the DC link from passing in the direction of the multiple storage batteries, and the second rectifier passes it in the direction of the power converter; if the voltage of the multiple storage batteries connected in series is higher than the voltage of the electric rail, the second rectifier prevents power input from the multiple storage batteries from passing in the direction of the electric rail, but passes it in the direction of the power converter by the first rectifier; and when power input from the DC link is supplied to the power converter, a sequence is executed to switch the multiple storage batteries connected in series to a parallel connection.
<技術事項9>
電車線から鉄道車両内の直流リンクへ供給される電力または当該鉄道車両が搭載する複数の蓄電池から供給される電力により当該鉄道車両を駆動する鉄道車両用の駆動方法において、鉄道車両は、直流リンクまたは複数の蓄電池から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する電力変換器を備え、鉄道車両が複数の蓄電池の電力で駆動するモードから電車線からの電力で駆動するモードに切り替える際には、直列接続した複数の蓄電池を直流リンクから切り離し、直流リンクを電車線に接続し、直列接続した複数の蓄電池の電圧よりも電車線の電圧の方が大きい場合には、直流リンクから入力される電力を、第1の整流器により複数の蓄電池の方向へ通さず、第2の整流器により電力変換器の方向へ通し、電車線の電圧よりも直列接続した複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、複数の蓄電池から入力される電力を、第2の整流器により電車線の方向へ通さず、第1の整流器により電力変換器の方向へ通し、直流リンクから入力される電力が電力変換器へ供給されると、直列接続した複数の蓄電池を並列接続に切り替えるシーケンスを実行する。
<Technical Issue 9>
In a method for driving a railway vehicle, the railway vehicle is driven by power supplied from an electric power line to a DC link in the railway vehicle or by power supplied from a plurality of storage batteries mounted on the railway vehicle. The railway vehicle is equipped with a power converter that converts power input from the DC link or the plurality of storage batteries into power for driving auxiliary equipment. When the railway vehicle switches from a mode in which the railway vehicle is driven by power from the plurality of storage batteries to a mode in which the railway vehicle is driven by power from the electric power line, the plurality of storage batteries connected in series are disconnected from the DC link, the DC link is connected to the electric power line, and the plurality of storage batteries connected in series are converted into power for driving auxiliary equipment. When the voltage of the electric power line is greater than the voltage of the electric power line, the first rectifier does not pass the power input from the DC link in the direction of the multiple storage batteries, but passes it in the direction of the power converter by the second rectifier; when the voltage of the multiple storage batteries connected in series is greater than the voltage of the electric power line, the second rectifier does not pass the power input from the multiple storage batteries in the direction of the electric power line, but passes it in the direction of the power converter by the first rectifier; and when the power input from the DC link is supplied to the power converter, a sequence is executed to switch the multiple storage batteries connected in series to a parallel connection.
<技術事項10>
上記技術事項7から上記技術事項9のいずれかに記載した鉄道車両用の駆動方法において、鉄道車両は、電力変換器の入力側に設けたフィルタコンデンサと、直流リンクおよび複数の蓄電池とフィルタコンデンサとの間に設けた充電回路を備え、電車線または複数の蓄電池の電力が電力変換器に入力される際に、フィルタコンデンサの電圧を充電回路により調整する。
<
In the driving method for a railway vehicle described in any one of Technical Items 7 to 9 above, the railway vehicle includes a filter capacitor provided on the input side of the power converter, and a charging circuit provided between the DC link and the filter capacitor, and when power from the electric rail or the multiple storage batteries is input to the power converter, the voltage of the filter capacitor is adjusted by the charging circuit.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
1…集電装置、2…スイッチ(集電装置用高速度遮断器)、
3a…電力変換部(インバータ)、3b…インバータ用のフィルタコンデンサ、
4…電動機、5a…電力変換部(補機用、SIV)、
5b…SIV用のフィルタコンデンサ、6…補機負荷、
7a…電力変換部(DC/DCコンバータ)、
7b…DC/DCコンバータ用のフィルタコンデンサ、8a、8b…蓄電装置、
9a、9b、9c、9d、9e…スイッチ(接触器)、
10…スイッチ(蓄電装置用高速度遮断器)、11、12…スイッチ(接触器)、
13…充電回路部(3bおよび7b用)、14…充電回路部(5b用)、
15、16…フィルタリアクトル、17、18…ダイオード、19…接地部、
20…接続点
1...current collector, 2...switch (high-speed circuit breaker for current collector),
3a...power conversion unit (inverter), 3b...filter capacitor for inverter,
4...motor, 5a...power conversion unit (for auxiliary machinery, SIV),
5b...filter capacitor for SIV, 6...auxiliary load,
7a...power conversion unit (DC/DC converter),
7b...filter capacitor for DC/DC converter, 8a, 8b...electric storage device,
9a, 9b, 9c, 9d, 9e...switches (contactors),
10...switch (high-speed circuit breaker for power storage device), 11, 12...switch (contactor),
13: charging circuit section (for 3b and 7b), 14: charging circuit section (for 5b),
15, 16 ... filter reactor, 17, 18 ... diode, 19 ... ground portion,
20...Connection point
Claims (10)
前記蓄電池装置は、複数の蓄電池および当該複数の蓄電池を直列接続または並列接続に切り替える切替え部を有し、
電車線から鉄道車両内の直流リンクへ供給される電力を遮断する第1の遮断器と、
前記直流リンクから入力される電力を、電動機を駆動する電力に変換する第1の電力変換部と、
前記直流リンクから入力される電力を、前記蓄電池装置を充電する電力に変換する第2の電力変換部と、
前記直流リンクまたは前記蓄電池装置から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する第3の電力変換部と、
前記第3の電力変換部の入力側に接続されるフィルタコンデンサと、
前記蓄電池装置から前記直流リンクへ供給される電力を遮断する第2の遮断器と、
前記直流リンクから前記第3の電力変換部の方向へ電力を通す第1の整流部と、
前記蓄電池装置から前記第3の電力変換部の方向へ電力を通す第2の整流部と、
を備え、
前記第1の整流部および前記第2の整流部の前記第3の電力変換部側の出力点を前記フィルタコンデンサの正極側に接続する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 In a drive system for a railway vehicle equipped with a storage battery device,
the storage battery device includes a plurality of storage batteries and a switching unit that switches between a series connection and a parallel connection of the plurality of storage batteries;
a first circuit breaker that cuts off power supplied from the electric rail to a DC link in the rail car;
a first power conversion unit that converts the power input from the DC link into power for driving an electric motor;
a second power conversion unit that converts the power input from the DC link into power for charging the storage battery equipment;
a third power conversion unit that converts the power input from the DC link or the storage battery device into power for driving an auxiliary device;
A filter capacitor connected to an input side of the third power conversion unit;
a second breaker that cuts off power supplied from the storage battery equipment to the DC link;
a first rectification unit that passes electric power from the DC link to the third power conversion unit;
a second rectification unit that passes electric power from the storage battery device to the third power conversion unit;
Equipped with
a first rectifier unit and a second rectifier unit each having an output terminal on a side of the third power converter unit that is connected to a positive electrode side of the filter capacitor;
前記電車線からの電力供給と前記蓄電池装置からの電力供給とを相互に切り替える際に、
前記複数の蓄電池を、並列接続から直列接続にまたは直列接続から並列接続に切り替え、前記電車線の電圧と前記直列接続された前記蓄電池装置の電圧との大小関係に応じて前記第1の整流部または前記第2の整流部が導通し、前記補機への電力供給を停止させずに継続させる
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 2. The drive system for a rail vehicle according to claim 1,
When switching between the power supply from the electric power line and the power supply from the storage battery device,
A traction system for railway vehicles, characterized in that the multiple storage batteries are switched from a parallel connection to a series connection or from a series connection to a parallel connection, and the first rectification unit or the second rectification unit is brought into conduction depending on the magnitude relationship between the voltage of the electric rail and the voltage of the storage battery device connected in series, thereby continuing the power supply to the auxiliary equipment without interruption.
前記出力点と前記フィルタコンデンサの正極側との間に充電回路を設け、前記フィルタコンデンサの電圧を調整する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 3. A drive system for a railway vehicle according to claim 1,
a charging circuit provided between said output point and a positive electrode of said filter capacitor, said charging circuit adjusting a voltage of said filter capacitor;
前記充電回路は、半導体スイッチと抵抗器との並列回路である
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 4. A drive system for a railway vehicle according to claim 3,
13. A traction system for a railway vehicle, wherein the charging circuit is a parallel circuit of a semiconductor switch and a resistor.
前記電車線の電圧または前記直列接続された前記蓄電池装置の電圧と前記フィルタコンデンサの電圧との間に電圧差がある場合に、前記半導体スイッチをオンオフ動作させて前記フィルタコンデンサへの充電電流を制限する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。 5. A drive system for a railway vehicle according to claim 4,
A traction system for railway vehicles, characterized in that when there is a voltage difference between the voltage of the electric rail or the voltage of the series-connected storage battery device and the voltage of the filter capacitor, the semiconductor switch is operated on and off to limit the charging current to the filter capacitor.
前記鉄道車両は、前記直流リンクまたは前記複数の蓄電池から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する電力変換器を備え、
前記鉄道車両が前記電車線からの電力で駆動するモードから前記複数の蓄電池の電力で駆動するモードに切り替える際には、
前記直流リンクから前記複数の蓄電池を切り離し、
並列接続した前記複数の蓄電池を直列接続に切り替え、
直列接続した前記複数の蓄電池を前記直流リンクに接続し、
直列接続した前記複数の蓄電池の電圧よりも前記電車線の電圧の方が大きい場合には、前記直流リンクから入力される電力を、第1の整流器により前記複数の蓄電池の方向へ通さず、第2の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記電車線の電圧よりも直列接続した前記複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、前記複数の蓄電池から入力される電力を、前記第2の整流器により前記電車線の方向へ通さず、前記第1の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記電車線から前記直流リンクを切り離すシーケンスを実行する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 A method for driving a railway vehicle using power supplied from an electric power line to a DC link in the railway vehicle or power supplied from a plurality of storage batteries mounted on the railway vehicle, comprising:
the railway vehicle includes a power converter that converts power input from the DC link or the plurality of storage batteries into power for driving an auxiliary machine;
When the railway vehicle switches from a mode driven by electric power from the electric rail to a mode driven by electric power from the plurality of storage batteries,
disconnecting the plurality of batteries from the DC link;
Switching the parallel-connected storage batteries to a series connection;
connecting the plurality of series-connected batteries to the DC link;
when a voltage of the electric power line is greater than a voltage of the plurality of storage batteries connected in series, a first rectifier is used to prevent the power input from being passed in a direction toward the plurality of storage batteries, and a second rectifier is used to pass the power input from the DC link in a direction toward the power converter;
when a voltage of the plurality of storage batteries connected in series is greater than a voltage of the electric rail, the second rectifier does not pass power input from the plurality of storage batteries in a direction toward the electric rail, but passes the power in a direction toward the power converter by the first rectifier;
2. A traction method for a railway vehicle, comprising: executing a sequence for disconnecting said DC link from said electric rail.
前記鉄道車両が前記複数の蓄電池の電力で駆動するモードから前記電車線からの電力で駆動するモードに切り替える際には、
直列接続した前記複数の蓄電池を前記直流リンクから切り離し、
前記直流リンクを前記電車線に接続し、
直列接続した前記複数の蓄電池の電圧よりも前記電車線の電圧の方が大きい場合には、前記直流リンクから入力される電力を、前記第1の整流器により前記複数の蓄電池の方向へ通さず、前記第2の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記電車線の電圧よりも直列接続した前記複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、前記複数の蓄電池から入力される電力を、前記第2の整流器により前記電車線の方向へ通さず、前記第1の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記直流リンクから入力される電力が前記電力変換器へ供給されると、直列接続した前記複数の蓄電池を並列接続に切り替えるシーケンスを実行する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 8. A method for driving a railway vehicle according to claim 7,
When the railcar is switched from a mode driven by power from the plurality of storage batteries to a mode driven by power from the electric rail,
disconnecting the plurality of series-connected storage batteries from the DC link;
connecting the DC link to the electric rail;
when a voltage of the electric power line is higher than a voltage of the plurality of storage batteries connected in series, the first rectifier does not pass power input from the DC link in a direction toward the plurality of storage batteries, but passes the power in a direction toward the power converter by the second rectifier;
when a voltage of the plurality of storage batteries connected in series is greater than a voltage of the electric rail, the second rectifier does not pass power input from the plurality of storage batteries in a direction toward the electric rail, but passes the power in a direction toward the power converter by the first rectifier;
a driving method for a railway vehicle, comprising: a sequence for switching the series-connected storage batteries to a parallel connection when power input from the DC link is supplied to the power converter;
前記鉄道車両は、前記直流リンクまたは前記複数の蓄電池から入力される電力を、補機を駆動する電力に変換する電力変換器を備え、
前記鉄道車両が前記複数の蓄電池の電力で駆動するモードから前記電車線からの電力で駆動するモードに切り替える際には、
直列接続した前記複数の蓄電池を前記直流リンクから切り離し、
前記直流リンクを前記電車線に接続し、
直列接続した前記複数の蓄電池の電圧よりも前記電車線の電圧の方が大きい場合には、前記直流リンクから入力される電力を、第1の整流器により前記複数の蓄電池の方向へ通さず、第2の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記電車線の電圧よりも直列接続した前記複数の蓄電池の電圧の方が大きい場合には、前記複数の蓄電池から入力される電力を、前記第2の整流器により前記電車線の方向へ通さず、前記第1の整流器により前記電力変換器の方向へ通し、
前記直流リンクから入力される電力が前記電力変換器へ供給されると、直列接続した前記複数の蓄電池を並列接続に切り替えるシーケンスを実行する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 A method for driving a railway vehicle using power supplied from an electric power line to a DC link in the railway vehicle or power supplied from a plurality of storage batteries mounted on the railway vehicle, comprising:
the railway vehicle includes a power converter that converts power input from the DC link or the plurality of storage batteries into power for driving an auxiliary machine;
When the railcar is switched from a mode driven by power from the plurality of storage batteries to a mode driven by power from the electric rail,
disconnecting the plurality of series-connected storage batteries from the DC link;
connecting the DC link to the electric rail;
when a voltage of the electric power line is greater than a voltage of the plurality of storage batteries connected in series, a first rectifier is used to prevent the power input from being passed in a direction toward the plurality of storage batteries, and a second rectifier is used to pass the power input from the DC link in a direction toward the power converter;
when a voltage of the plurality of storage batteries connected in series is greater than a voltage of the electric rail, the second rectifier does not pass power input from the plurality of storage batteries in a direction toward the electric rail, but passes the power in a direction toward the power converter by the first rectifier;
a driving method for a railway vehicle, comprising: a sequence for switching the series-connected storage batteries to a parallel connection when power input from the DC link is supplied to the power converter;
前記鉄道車両は、前記電力変換器の入力側に設けたフィルタコンデンサと、前記直流リンクおよび前記複数の蓄電池と前記フィルタコンデンサとの間に設けた充電回路を備え、
前記電車線または前記複数の蓄電池の電力が前記電力変換器に入力される際に、前記フィルタコンデンサの電圧を前記充電回路により調整する
ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。 A method for driving a railway vehicle according to any one of claims 7 to 9,
the railway vehicle includes a filter capacitor provided on an input side of the power converter, and a charging circuit provided between the DC link, the plurality of storage batteries, and the filter capacitor;
a charging circuit for charging a filter capacitor to a power converter that is connected to the power converter and that is connected to the power converter;
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| JP2023003276A JP2024099375A (en) | 2023-01-12 | 2023-01-12 | Drive system and method for rail vehicles |
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