JP5851925B2 - 電気鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに関する。

鉄道電気車両（以下、単に車両という。）に外部から電力を供給する方式としては、架線方式と、第三軌条方式が主流である。
架線方式は、車両屋根上の空間に架設された電線から、パンタグラフ等により給電する方式であり、設備上の自由度が高いことから、民鉄線などの都市間鉄道から新幹線まで広く採用されている。
一方、第三軌条方式は、車両が走行する空間が限られ、架線方式の電線を設備することが難しい地下鉄などで主に採用されている。走行用の２本のレールと並行に、電力供給用の第３のレールを併設し、車両の台車上に設備した集電靴が、第３のレール上に接触しながら走行して電力を供給する。
いずれの方式でも、変電所、送電線、架線にトラブルが発生すると、車両の走行が不能になり、車両が駅間に停車した場合、乗客は長時間閉じこめられることになる。このため、架線から電力供給が停止した場合でも、最寄り駅までの自立走行を可能とすることが強く求められる。

一方、第三軌条方式では、車両機器が搭載されている床下と、第三軌条の位置が接近している。このため、車庫線において車両メンテナンスを行う場合、作業の種類によっては、安全を確保するため、第三軌条を敷設していない床下作業用区域に車両を引き込む場合がある。第三軌条が敷設されている区域から、床下作業用区域へ車両を移動する場合は、第三軌条は敷設されている区域で力行してある程度の速度まで加速した後、惰性により床下作業用区域に移動して目的の位置で停止する。
また、床下作業用区域から、第三軌条が敷設されている区域に移動する場合は、まず、床下作業用区域で、作業者が車両の集電靴に電力供給線をジャンパ線にて接続し、この電力によりある速度まで力行する。力行オフ後、惰性にて走行中している最中に、同じく作業者が集電靴からジャンパ線を引き抜き、車両はそのまま第三軌条が敷設されている区域まで移動する。

このように、床下作業用区域から、第三軌条が敷設されている区域への移動は、作業者による手作業が介在するため、高電圧の電力が供給されている電力線（ジャンパ線）を車両に接続することによる、感電の危険性、ジャンパ線の引き抜きを、車両の走行状態で行うことによる、巻き込みの危険性をはらむ危険度の高い作業となっている。
このように、第三軌条方式の鉄道では、車庫線内の第三軌条を敷設できない区域で車両を運用するとき、現状では危険な作業を伴うため、やはり、第三軌条の終端と床下作業用区域の間を、自立走行可能とすることが求められている。

こうした自立走行を可能とするため、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に蓄電装置を搭載して架線など外部から電力を取得し、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して、車両を加速させる電気鉄道車両の駆動システムについて、下記特許文献１に開示されている。

特開２０１０−１３０８２９号公報

図４に上記先行技術文献に開示されている「電気鉄道車両の駆動システム」の機器構成を示す。
蓄電手段１１５を充電するときは、断流器１０８ｄを開放したまま断流器１０８ｃを投入して、抵抗器１１４ｂを経由して充電電流が流れるようにする。集電装置１０３ａから得られる電力の電圧（対地電位）が、蓄電手段１１５の端子電圧（対地電位）よりも高位であれば、集電装置１０３ａから蓄電手段１１５に充電電流が流れる。一般に蓄電手段１１５の充電電流はその制限値（最大充電電流）が仕様として定められており、最大充電電流値を超えた充電はできない。このため、抵抗器１１４ｂを経由することで充電電流を制限する。すなわち、抵抗器１１４ｂは、集電装置１０３ａから得られる電力の電圧と、蓄電手段１１５の端子電圧の電圧差で、最大充電電流値以下で充電電流が通流するようにその抵抗値を設計する。

蓄電手段１１５に蓄電された電力で、インバータ回路１１２を動作させるときは、まず断流器１０８ｂ、１０８ｃを投入して蓄電手段１１５の電力を抵抗器１１４ｂを経由してフィルタコンデンサ１１１を充電する。このとき、蓄電手段１１５からフィルタコンデンサ１１１に突入電流が流れる可能性があるので、抵抗器１１４ｂはこの突入電流に対して充分な容量を考慮した設計とする。蓄電手段１１５の端子電圧と、フィルタコンデンサ１１１の端子電圧が等しくなった時点で、断流器１０８ｄを投入する。これにより、蓄電手段１１５からインバータ回路への電力供給が確立され、インバータ回路１１２を動作させることにより電動機１１３ａ、１１３ｂを駆動して車両１０１ａ、１０１ｂを加速させることができる。一般に蓄電手段１１５の放電電流はその制限値（最大放電電流）が仕様として定められており、最大放電電流値を超えた放電はできない。このため、インバータ回路１１２の動作による電動機１１３ａ、１１３ｂの駆動は、インバータ回路１１２の入力電流（消費電流）が、蓄電手段１１５の最大放電電流値を超えないように制御する。

上記先行技術文献に開示されている電気鉄道車両の駆動システムによれば、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に蓄電装置を搭載することで、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して、車両を加速させ、所望の距離を走行することが可能となる。

しかし、現行の車両に、先行技術に開示される電気鉄道車両の駆動システムを構成する際には、次の点が大きな課題となる。
（１）走行用蓄電装置の追加
架線など外部から電力を得られない状況で走行を実現するため、走行用蓄電装置を専用に設けている。４両編成車両（２００ｔ）を１０ｋｍ／ｈで駆動するには数十ｋＷの電力が必要であり、例えばハイブリッド自動車用リチウムイオン電池を想定すると、蓄電装置は少なくとも０．１［ｍ^３］と試算できる。適用する電池の種類・仕様にもよるが、従来の駆動システムに対する新たな機器増設となり、床下機器スペース確保等の課題が発生することが予想される。
（２）充電用機器の追加
架線など外部電力の電圧はＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ６００Ｖ等の種類がある。これらを電源として走行用蓄電池を充電するため、電池の端子間出力電圧は電源電圧より低く設定している。
電池の充電時は、充電電流を超えないように、充電時には電源から電池までの経路に充電電流を調整する限流抵抗を設ける。一方、車両の走行時（放電時）は、インバータ装置に供給する電源電圧を一定に保つため、限流抵抗を介さない経路で蓄電装置からインバータ装置に電力供給する。すなわち、この充電時と放電時で異なる電力経路を構成するための接触器を設けている。この限流抵抗と接触器で構成する充電用機器は、蓄電装置と同様に従来の駆動システムに対する新たな機器増設となり、床下機器スペース確保等の課題が発生することが予想される。また、接触器の電圧仕様を外部電力の電圧仕様に合わせる必要があるため、機器小型化も難しい。

そこで、本発明の目的は、架線など外部から電力を得られない状況において、走行用の専用蓄電装置や、この蓄電装置を充電するための充電用機器を追加することなく、現行の車両に配備され、補助電源装置により充電され、車両用制御電源、表示灯、非常灯等の負荷に電力を供給する制御電源用蓄電装置の一部から、インバータ装置に電力を供給することで、自立走行を可能する、電気鉄道車両の駆動システムを提供することにある。

一般に鉄道車両においては、インバータ制御装置と、それにより駆動されてけん引力を発生する三相交流電動機を備えており、このインバータ装置を含め、車両内の機器を制御するための車両用制御電源として、あるいは、架線や第三軌条などの給電手段から電力が得られない場合でも、表示灯、非常灯等の補機に一定時間電力を供給するための補助電源として、蓄電装置を備えており、この蓄電装置は補助電源装置から電力を供給して充電される。

そこで、本発明では、新たな走行用蓄電装置や充電用機器を追加することなく、上述のように、一般に鉄道車両に備えられた蓄電装置を利用して、緊急時の走行を可能するため、この蓄電装置を二つに区分する接触器を設け、一方はこれまでどおり、車両用制御電源、補機の電源用として電力供給を分担させ、他方はインバータ装置への電力供給を分担させることにより、車両用制御電源、補助電源を確保した上で、インバータ装置への電力供給を可能とすることで、必要最小限の走行を可能にする。
これらの二つに区分された蓄電手段は、前記接触器の切り換えにより、補助電源装置の電力により個別に充電できる構成として、両者の蓄電量を等しくする充電操作を可能とする。

より具体的には、本発明の電気鉄道車両の駆動システムは、車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、車両に設備され、車両用制御電源及び表示灯や非常灯を含む補機に電力を供給する電源として、蓄電手段を備えた複数の第二の給電手段と、前記第一の給電手段より得られる直流電力をより低電圧の直流電力に変換し、前記複数の第二の給電手段のそれぞれを充電すると共に前記補機へ前記直流電力を供給する複数の第一の電力変換手段と、前記第一の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換手段と、該交流電力による駆動され、車両をけん引する力を発生する交流電動機と、前記複数の第二の給電手段に充電された直流電力より電力供給され、前記第一および前記第二の電力変換手段の動作を制御する制御手段を備え、前記第一の給電手段より得られる直流電力を前記第二の電力変換装置に供給して交流電動機を駆動し、かつ前記複数の第二の給電手段に充電された直流電力を前記制御手段に供給する第一の機器動作モードと、複数の第二の給電手段のうち、特定の第二の給電手段に充電された直流電力を前記車両用制御電源及び前記表示灯や前記非常灯を含む前記補機の電源として供給し、残りの第二の給電手段に充電された直流電力を、前記第二の電力変換装置に供給して、前記交流電動機を駆動する第二の機器動作モードを備え、前記第一の機器動作モードまたは前記第二の機器動作モードを選択して構成する電力供給選択手段と、前記第一の給電手段から供給される電力の電圧値を検出する電圧検出手段と、を備え、前記電力供給選択手段は、前記第一の機器動作モードから前記第二の機器動作モードへ切替を行う際に、運転台のスイッチ入力に基づき、前記特定の第二の給電手段と前記補機の間に設けられた第一の接触器を投入し、更に、前記電圧検出手段の電圧検出値が零近傍である場合に、前記残りの第二の給電手段と前記第二の電力変換装置の間に設けられた第二の接触器を投入する。

本発明によれば、従来の列車システムに備えられている制御装置に電力を供給する、蓄電機能を備えた蓄電手段を活用することで、新たな機器を追加することなく、第三軌条や架線などの給電手段がない区間での自立走行を可能とする。そして、自立走行する際は、蓄電手段を「制御電源用」と「自立走行用」の二つに区分することで、安定な制御装置への電力供給と、走行距離に応じて十分なインバータ装置への電力供給を両立するとともに、自立走行しないときは、二つに区分した蓄電手段へ個別充電により両者の蓄電量を等しくして、従来どおりの十分な制御電源への電力供給量を確保できる。

本発明の電気鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図 本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一実施形態における機器構成を示す図 本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一実施形態における機器動作を示す波形図 従来の電気鉄道車両車の駆動システムを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図である。
車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、列車編成を構成する車両、またはその一部を示している。
車両１ａと車両１ｂは車間連結器２ａにより、車両１ｂと車両１ｃは車間連結器２ｂにより、そして、車両１ｃと車両１ｄは車間連結器２ｃによりそれぞれ連結されている。

車両１ａは、台車４ａを介して輪軸５ａ、５ｂにより、また、台車４ｂを介して輪軸５ｃ、５ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｂは、台車４ｃを介して輪軸５ｅ、５ｆにより、また、台車４ｄを介して輪軸５ｇ、５ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｃは、台車４ｅを介して輪軸５ｉ、５ｊにより、また、台車４ｆを介して輪軸５ｋ、５ｌにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｄは、台車４ｇを介して輪軸５ｍ、５ｎにより、また、台車４ｈを介して輪軸５ｏ、５ｐにより、図示していないレール面上に支持されている。

車両１ａには、補助電源装置９ａ、蓄電手段として、蓄電装置８ａが搭載されており、補機２２ａには補助電源装置９ａ、または蓄電装置８ａより電力供給手段２４ａ介して電力が供給される。ここで、補機２２ａとしては、後述するように、蓄電手段接続装置７やパンタグラフ等の制御を含めた車両用制御電源、表示灯、非常灯等の負荷であり、架線からの電力供給が遮断された場合でも乗客の安全を確保するために必要な重要負荷を想定している。
車両用制御電源は一般にＤＣ１１０Ｖ（定格）の電圧仕様であることから、補助電源装置９ａからの供給電圧、蓄電装置８ａの出力電圧は、変動分を考えてＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下としてもよい。ダイオード手段２０ａは補助電源装置９ａの正側出力の電流方向を既定する。ダイオード手段２０ｂは補助電源装置９ａまたは蓄電装置８ａから、補機２２ａまたは車両間電力渡り手段２３ａを介して車両に供給される電力の電流方向を既定する。接地手段２１ｂは、補助電源装置９ａ、蓄電装置８ａの負側出力端子を接地する。

図２に示すように、蓄電装置８ａは、図示してない蓄電手段１７ａ、蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂで構成される。蓄電装置８ａは、図示していない蓄電手段１７ａの放電による出力を行い、充電のための入力を受ける入出力端子を２群設ける。一方は、補助電源装置９ａ、補機２２ａまたは車両間電力渡り手段２３ａを介して車両１ｂの電力供給手段電力２４ｂと接続され、これらより電力の入力を受け、あるいはこれらに電力を出力する端子群Ａ、他方は、車両間電力渡り線２３ｄ、２３ｅを介して車両１ｂに備えられる蓄電手段接続装置７と接続され、蓄電手段接続装置７を介して、同じく車両１ｂに備えられるインバータ駆動装置６ａに電力を出力する端子群Ｂである。蓄電装置８ａに備えられ、図示していない蓄電手段１７ａから端子群Ａに至る経路に蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂを配置し、電力の入出力を制御できるようにする。

車両１ｂには、集電装置３ａ、インバータ駆動装置６ａ、補機２２ｂ、蓄電手段接続装置７が搭載されている。インバータ駆動装置６ａは、図示していない電力線から、集電装置３ａにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置６ａにより、可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈを駆動する。
補機２２ｂには、車両間電力渡り手段２３ａ、２３ｂを介して、隣接する車両より電力が供給される。ここで、補機２２ｂとしては、前述の補機２２ａと同様、車両用制御電源、表示灯、非常灯等を想定している。

蓄電手段接続装置７は、後述する主回路・蓄電手段間接触器と電圧検出器、電流検出器で構成される。主回路・蓄電手段間接触器は、蓄電装置８ａを構成する蓄電手段とインバータ駆動装置６ａの直流部間に設けられ、これを通流状態とすることで、蓄電装置８ａからインバータ駆動装置６ａに電力を供給することを可能とする。すなわち、蓄電手段接続装置７が備える主回路・蓄電手段間接触器の作用により、蓄電装置８ａの電力供給先を、補機または、インバータ駆動装置８ａの何れかを選択し、切り換えを可能とする。

車両１ｃには、集電装置３ｂ、インバータ駆動装置６ｂ、補機２２ｃが搭載されている。
インバータ駆動装置６ｂは、図示していない電力線から、集電装置３ｂにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置６ｂにより、可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌを駆動する。
補機２２ｃには、電力供給手段２４ｃ、車両間電力渡り手段２３ｂ、２３ｃを介して、隣接する車両より電力が供給される。ここで、補機２２ｃは、前述の補機２２ａ、２２ｃと同様、車両用制御電源、表示灯、非常灯等を想定している。

車両１ｄには、蓄電装置８ｂ、補助電源装置９ｂが搭載されている。補機２２ｄには補助電源装置９ｂまたは蓄電装置８ｂより電力供給手段２４ｄを介して電力が供給される。ここで、補機２２ｄは制御装置等を想定している。車両の制御電源は一般にＤＣ１１０Ｖ（定格）の電圧仕様であることから、補助電源装置９ｂからの供給電圧、蓄電装置８ｂの出力電圧は、変動分を考えてＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下としてもよい。ダイオード手段２０ｃは補助電源装置９ｂの正側出力の電流方向を既定する。ダイオード手段２０ｄは補助電源装置９ｂまたは蓄電装置８ｂから、補機２２ｄまたは車両間電力渡り手段２３ｃを介して車両に供給される電力の電流方向を既定する。接地手段２１ｃは、補助電源装置９ｂ、蓄電装置８ｂの負側出力端子を接地する。

蓄電装置８ｂは、図２に示すように、蓄電手段１７ｂ、蓄電手段接触器１８ｃ、１８ｄで構成される。蓄電装置８ｂは、図示していない蓄電手段１７ｂの放電による出力を行い、かつ充電のための入力を受ける入出力端子を設ける。すなわち、補助電源装置９ｂ、補機２２ｄまたは車両間電力渡り手段２３ｃを介して車両１ｃの電力供給手段電力２４ｃと接続され、これらより電力の入力、あるいはこれらに電力を出力する端子群Ａである。蓄電装置８ｂに備えられ、図示していない蓄電手段１７ｂから端子群Ａに至る経路に蓄電手段接触器１８ｃ、１８ｄを配置し、電力の入出力を制御できるようにする。

本実施形態では、車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで構成された列車編成のうち、車両１ａには蓄電装置８ａ、補助電源装置９ａ、車両１ｂにはインバータ駆動装置６ａ、蓄電手段接続装置７、車両１ｃにはインバータ駆動装置６ｂ、車両１ｄには蓄電装置８ｂ、補助電源装置９ｂが搭載されている例を示している。しかし、本発明が適用される車両として、蓄電装置８ａ、８ｂ、補助電源装置９ａ、９ｂの搭載位置を、列車編成の先頭に位置する車両１ａ、１ｄに限定するものではない。本発明の鉄道車両の駆動システムは、列車編成を構成する車両のうち、複数の車両に蓄電装置、補助電源装置を搭載して、集電装置で電力を得られる状況では、蓄電装置から列車内の制御装置に電力を供給するとともに、補助電源装置により蓄電装置を充電する。また、集電装置で電力を得られない状況では、その状況を判別して、特定の蓄電装置は、特定のインバータ駆動装置に電力を供給し、特定のインバータ駆動装置は可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換して、電動機を駆動し車両を加速させる。

また一般に、列車編成には、車両１ｂ、１ｃのように輪軸を電動機で駆動する電動車のほかに、輪軸を電動機で駆動しない付随車が存在する。本発明の鉄道車両の駆動システムにおいても、車両１ａ、車両１ｄと同様の先頭車（付随車）、車両１ｂ、１ｃと同様の電動車のほか、中間付随車も連結した列車編成とすることが考えられる。

以上の構成によれば、従来の列車システムに備えられている制御装置に電力を供給する蓄電装置を活用することで、新たな機器を追加することなく第三軌条や架線などの給電手段がない区間で自立走行を可能とし、自立走行する際は、前記蓄電装置の蓄電手段を「制御電源用」と「自立走行用」の二つに区分することで、安定な制御装置への電力供給と、走行距離に応じて十分なインバータ装置への電力供給を両立するとともに、自立走行しないときは、二つに区分した蓄電手段へ個別充電により両者の蓄電量を等しくして、従来どおりの十分な制御電源への電力供給量を確保できる、電気鉄道車両の駆動システムを提供できる。

さて、図２において、集電装置３ａから給電された電力は、高速度遮断器１０を経由する。インバータ回路１４が動作していないとき、及び緊急時には、高速度遮断機１０、断流器１１ａ、１１ｂにより集電装置３ａからの給電を切断できる。高速度遮断器１０を経由した電力は、まずインバータ駆動装置６ａの構成要素である断流器１１ａ、断流器１１ｂに送られる。断流器１１ａはインバータ回路１４が動作していないときに、電力線とインバータ回路１４の接続を断つ役割をもつ。また、断流器１１ｂは、電力線の電力をコンデンサ１３に充電完了するまでは開放状態として突入電流を減流する抵抗器１６を介した電流経路を構成する。

コンデンサ１３の充電が完了したあとは、断流器１１ｂを接続状態として、抵抗器１６を介さない電流経路を構成する。電圧検出器５１ａは、集電装置３ａと接地点２１ａの間に設置し、集電装置３ａから供給される電力の電圧値Ｖ_ｓ（対地電位）を検出する。断流器１１ｂを経由した電力は、リアクトル１２、及びコンデンサ１３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動分を除去して、インバータ回路１４に入力する。インバータ回路１４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（VVVF）の３相交流電力に変換して、主電動機１５ａ、１５ｂを駆動する。電圧検出器５１ｂは、コンデンサ１３の両端の直流部電圧Ｖ_ｆｃを検出する。

電流検出器５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、インバータ回路１４と、主電動機１５ａ、１５ｂ間の３相交流電力線を流れる各相の電流をI_u、I_v、I_wを検出する。電流検出器５２ｄは、集電装置３ａとインバータ回路１４の間にある直流電力部のうち、断流器１１ｂよりも、インバータ回路１４に近い側に配置して、インバータ回路１４の入出力電流を検出する。
なお、本実施形態では、インバータ回路１４が駆動する主電動機が２台（電動機１５ａ、１５ｂ）の場合を示しているが、これは本発明としてインバータ回路１４を駆動する主電動機の台数を既定するものではない。

以上の構成により、（ａ）電力線から供給される電力を集電装置３ａ、３ｂより取り入れ、これを動力源として車両を駆動する「通常走行モード」、（ｂ）蓄電装置８の蓄電エネルギを動力源として車両を駆動する「バッテリ走行モード」を実現する。以下、各モードについて説明する。

（ａ）通常走行モード
運転台の「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが投入され、蓄電手段１７ａと、蓄電手段１７ｂは、電力供給手段２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、車両間電力渡り手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段１７ａ、１７ｂから補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力が供給される。

次に、「パンタ上昇」スイッチをオンにすることで、集電装置３ａ、３ｂは電力線と接するように動作する。電力線と、集電装置３ａ、３ｂが接すると、インバータ駆動装置６ａ、６ｂへ電力が供給される。以下、インバータ駆動装置６ａについて機器の動作を説明するが、「（ａ）通常走行モード」では、インバータ駆動装置６ｂの機器動作は、インバータ駆動装置６ａと同様のものとする。
インバータ駆動装置６ａの高速度遮断器１０の直前まで電力線から電力が供給され、電圧検出装置５１ａが検出する電圧値Ｖ_{_ｓ}は、電力線と等しい電圧であるＶ_{_ｓ_０}を示す。一方、集電装置３ａが電力線と接すると、補助電源装置９ａ、９ｂにも電力が供給される。これにより、補助電源装置は動作を開始（ゲートスタート）する。

補助電源装置は動作を開始後、運転台で「リセット」スイッチをオンにする。
「リセット」スイッチは本来、インバータ駆動装置６ａが故障等を検知して保護動作モードに遷移したとき、安全確認後に保護動作モードから抜けるためのスイッチであり、通常、インバータ駆動制御装置の電源を投入した直後は安全の観点から一旦、保護動作モードに遷移させ、安全確認後に「リセット」スイッチをオンにして、正常モードに復帰させる。正常モード復帰により、高速度遮断器１０が投入される。

運転台で力行ノッチを投入すると、断流器１１ａが投入され、電力線からの電力は、抵抗器１６を介してコンデンサ１３に充電される。ここで、抵抗器１６は、電力線からの電力をコンデンサ１３に充電するときの突入電流を所定値よりも小さく抑えるために設けている。コンデンサ１３の充電により電圧検出手段５１ｂの電圧値Ｖ_{_ｆｃ}は上昇する。Ｖ_{_ｆｃ}が前述の電圧検出手段５１ａの電圧値Ｖ_{_ｓ_０}に漸近することで、引続き断流器１１ｂが投入され、電力線からの電力は、抵抗器１６を介さずにインバータ回路１４まで供給される。インバータ主回路１４は動作を開始（ゲートスタート）し、インバータ主回路１４の動作により、電動機１５ａ、１５ｂは駆動され、車両の加速が始まる。

（ｂ）バッテリ走行モード
前述のように、運転台の「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが投入される。蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂの投入により、蓄電手段１７ａと、蓄電手段１７ｂは、電力供給手段２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、車両間電力渡り手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段１７ａ、１７ｂから補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力が供給される。

次に、「バッテリ走行」スイッチをオンにすることで、蓄電装置８ａの蓄電手段接触器１８ａが開放され、蓄電手段１７ａからは、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力（Control Power）が供給されなくなる。

バッテリ走行モードは、蓄電装置８ａの蓄電手段１７ａを、蓄電手段接続装置７を介して、インバータ駆動装置６ａに接続し、蓄電手段１７ａからインバータ回路１４に電力を供給することで、車両を加速させる。一方、編成内の他の蓄電手段１７ｂは、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力を供給する。すなわち、バッテリ走行するために必要な電力（自立走行用電力）は蓄電手段１７ａで供給し、補機すなわち車両用制御電源、表示灯、非常灯等の重要負荷用の電源として必要な電力（制御電源用電力）は蓄電手段１７ｂで供給することにより、所定距離をバッテリ走行する蓄電エネルギと、制御装置を動作させる蓄電エネルギをそれぞれ確実に確保し、安定かつ確実なバッテリ走行を実現する。

なお、バッテリ走行モードでは、蓄電手段１７ａより電力が供給されるインバータ駆動装置６ａを動作させ、電動機１５ａ、１５ｂの駆動トルクで車両を加速させる。電力が供給されないインバータ駆動装置６ｂは動作させず、電動機１５ｃ、１５ｄは駆動トルクを発生しない。これは、蓄電手段１７ａの限られた電力をインバータ駆動装置６ａに集中して割り振り、電動機１５ａ、１５ｂのみで必要最小限の走行を可能にするためのものである。その際、可能な限り電力消費を低減するため、必要最小限加速が得られる力行を実行するとともに、その後の惰行走行を最大限有効活用する運動モードを自動的に選択するようにすると好適である。
また、バッテリ走行モードでは、電力線からの電力を受けないため、補助電源装置９ａ、９ｂからは、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、蓄電手段１７ａ、１７ｂに電力を供給できず、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄについては、他の蓄電手段１７ｂから電力供給を受けることになる。

次に、運転台で「リセット」スイッチをオンにする。前述のように、「リセット」スイッチは本来、インバータ駆動装置６ａが故障等を検知して保護動作モードに遷移したとき、安全確認後に保護動作モードから抜けるためのスイッチであり、通常、インバータ駆動制御装置の電源を投入した直後は安全の観点から一旦、保護動作モードに遷移させ、安全確認後に「リセット」スイッチをオンにして、正常モードに復帰させる。正常モード復帰により、主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂが投入される。

ここで、主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂは、前述のように低電圧仕様である蓄電装置１７ａ、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに、誤って電力線からの高電圧が印加されることにより破損することがないよう、電力線からの高電圧が印加されていないことを確認した上で投入する必要がある。このため、「（１）電圧検出手段５１の電圧値Ｖ_{_ｓ}が零に漸近していること」、「（２）高速度遮断器１０と断流器１１ａの両方、または何れかが開放されていること」、「（３）蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが開放されていること」を満たしているときに、前記「リセット」スイッチをオンにしたときに、主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂの投入を許可する。

主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂが投入されると、蓄電手段１７ａの電圧がインバータ駆動装置６ａのインバータ回路１４に印加され、まずインバータ回路１４に並列に接続されたコンデンサ１３が充電される。コンデンサ１３は、蓄電手段１７ａの出力電圧よりも高電圧な電力線から電力供給を受けることを想定して電圧仕様を決定する。前述のように、電力線からの電力によりコンデンサ１３を充電する通常走行モードでは、突入電流を防止するため抵抗器１６を介して充電した。これに対し、バッテリ走行モードでは、蓄電手段１７ａの電力でコンデンサ１３を充電する場合は同様の抵抗器を介さずに充電する。これは、蓄電手段１７ａは前述のように補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにも電力を供給するため、蓄電手段１７ａの出力電圧は、ＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下想定しており、電力線の電圧よりも遥かに低電圧であるため実現できるのである。

運転台で力行ノッチを投入すると、コンデンサ１３の充電はすでに開始されており、Ｖ_{_ｆｃ}が前述の電圧検出手段５１ｃの電圧値Ｖ_{_ｂａｔ_０}に漸近する状態に至ることで、充電完了を認識する。この充電完了状態で、力行ノッチが投入されると、インバータ主回路１４は動作を開始（ゲートスタート）し、インバータ主回路１４の動作により、電動機１５ａ、１５ｂは駆動され、車両の加速が始まる。

以上の構成によれば、従来の列車システムに備えられている制御装置に電力を供給する蓄電装置を活用することで、新たな機器を追加することなく第三軌条や架線などの給電手段がない区間で自立走行を可能とし、自立走行する際は、前記蓄電装置の蓄電手段を「制御電源用」と「自立走行用」の二つに区分することで、安定な制御装置への電力供給と、走行距離に応じて十分なインバータ装置への電力供給を両立するとともに、自立走行しないときは、二つに区分した蓄電手段へ個別充電により両者の蓄電量を等しくして、従来どおりの十分な制御電源への電力供給量を確保できる、電気鉄道車両の駆動システムを提供できる。

図３は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一実施形態における機器動作を示す波形図である。
（ａ）は電力線から供給される電力を集電装置３ａ、３ｂより取り入れ、これを動力源として車両を駆動する場合（通常走行モード）の車両及び各機器の動作を示す図、（ｂ）は蓄電装置８の蓄電エネルギを動力源として車両を駆動する場合（バッテリ走行モード）の車両及び各機器の動作を示す図である。

まず、（ａ）通常走行モードについて、車両及び各機器の動作を時刻（ｔ０〜ｔ６）の経過に基づいて説明する。
時刻ｔ０では、電力線と集電装置３ａ、３ｂは接しておらず、車両及び各機器に電力供給されていない。ただし、蓄電手段１７ａの電力は蓄電手段接続装置には供給されており、電圧検出手段５１ｃが検出する電圧値Ｖ_{_ｂｔｒ}は、蓄電手段７ａの出力電圧であるＶ_{_ｂｔｒ_０}を示している。
時刻ｔ１では、「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、Battery ON信号がオンする。Battery ON信号オンにより、蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが投入され、その状態を示すBATK1信号、BATK2信号がオンする。蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂの投入により、蓄電手段１７ａと、蓄電手段１７ｂは、電力供給手段２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、車両間電力渡り手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段１７ａ、１７ｂから補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力（Control Power）が供給される。

ここで、補機２２ａとしては、前述のように、車両用制御電源、表示灯、非常灯等の重要負荷用の電源を想定しており、車両の制御電源の一般にＤＣ１１０Ｖ（定格）を用いることから、補助電源装置９ａの供給電圧、蓄電装置８ａの出力電圧は、変動分を考えてＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下であるとしてもよい。

時刻ｔ２では、「パンタ上昇」スイッチをオンにすることで、PAN UP信号がオンする。PAN UP信号のオンにより、集電装置３ａ、３ｂは電力線と接するように動作する。電力線と、集電装置３ａ、３ｂが接すると、インバータ駆動装置６ａ、６ｂへ電力が供給される。以下、インバータ駆動装置６ａについて機器の動作を説明するが、「（ａ）通常走行モード」では、インバータ駆動装置６ｂの機器動作は、インバータ駆動装置６ａと同様であるとする。
インバータ駆動装置６ａの高速度遮断器１０の直前まで電力線から電力が供給され、電圧検出装置５１ａが検出する電圧値Ｖ_{_ｓ}は、電力線と等しい電圧であるＶ_{_ｓ_０}を示す。
一方、集電装置３ａが電力線と接すると、補助電源装置９ａ、９ｂにも電力が供給される。これにより、補助電源装置は動作を開始（ゲートスタート）し、その状態を示すAPS gate start信号がオンする。

時刻ｔ３では、運転台で「リセット」スイッチがオンにされ、Reset信号がオンする。「リセット」スイッチは本来、インバータ駆動装置６ａが故障等を検知して保護動作モードに遷移したとき、安全確認後に保護動作モードから抜けるためのスイッチである。通常、インバータ駆動制御装置の電源を投入した直後は安全の観点から一旦、保護動作モードに遷移させ、安全確認後に「リセット」スイッチを扱い、正常モードに復帰させる。正常モード復帰により、高速度遮断器１０ａが投入され、その状態を示すＨＢ信号がオンする。

時刻ｔ４では、運転台で力行ノッチが投入され、Powering信号がオンする。Powering信号のオンにより、断流器１１ａが投入されその状態を示すＬＢ１信号がオンする。断流器１１ａが投入されると、電力線からの電力は、抵抗器１６を介してコンデンサ１３に充電される。ここで、抵抗器１６は、電力線からの電力をコンデンサ１３に充電するときの突入電流を所定値よりも小さく抑えるために設けている。コンデンサ１３の充電により電圧検出手段５１ｂの電圧値Ｖ_{_ｆｃ}は上昇する。Ｖ_{_ｆｃ}が前述の電圧検出手段５１ａの電圧値Ｖ_{_ｓ_０}に漸近する状態に至ることで、断流器１１ｂを投入、その状態を示すＬＢ２信号がオンする。断流器１１ｂの投入により、電力線からの電力は、抵抗器１６を介さずにインバータ回路１４まで供給される。

時刻ｔ５では、電力線からの電力は、抵抗器１６を介さずにインバータ回路１４まで供給される。インバータ主回路１４は動作を開始（ゲートスタート）し、その状態を示すINV gate start信号がオンする。インバータ主回路１４の動作により、電動機１５ａ、１５ｂは駆動され、車両の加速が始まる。

時刻ｔ６では、運転台で力行ノッチの投入は解除され、Powering信号はオフする。Powering信号のオフにより、インバータ主回路１４は動作を停止（ゲートストップ）し、その状態を示すINV gate start信号がオフする。インバータ主回路１４の停止により、車両の加速は終わる。

次に、（ｂ）バッテリ走行モードについて、車両及び各機器の動作を時刻（ｔ０〜ｔ６）の経過に基づいて説明する。
時刻ｔ０では、電力線と集電装置３ａ、３ｂは接しておらず、車両及び各機器に電力供給されていない。ただし、蓄電手段１７ａの電力は蓄電手段接続装置には供給されており、電圧検出手段５１ｃが検出する電圧値Ｖ_{_ｂｔｒ}は、蓄電手段７ａの出力電圧であるＶ_{_ｂｔｒ_０}を示している。
時刻ｔ１では、「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、Battery ON信号がオンする。Battery ON信号オンにより、蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが投入され、その状態を示すＢＡＴＫ１信号、ＢＡＴＫ２信号がオンする。蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂの投入により、蓄電手段１７ａと、蓄電手段１７ｂは、電力供給手段２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、車両間電力渡り手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段１７ａ、１７ｂから補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力（Control Power）が供給される。
ここで、補機２２ａは制御装置等の電源を想定している。車両の制御電源の一般にＤＣ１１０Ｖ（定格）を用いることから、補助電源装置９ａの供給電圧、蓄電装置８ａの出力電圧は、変動分を考えてＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下であるとしてもよい。

時刻ｔ２では、「バッテリ走行」スイッチをオンにすることで、BatRun信号がオンする。BatRun信号のオンにより、蓄電装置８ａの蓄電手段接触器１８ａを開放し、その状態を示すＢＡＴＫ１信号はオフする。これにより、蓄電手段１７ａ、から補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力（Control Power）が供給されなくなる。
バッテリ走行モードは、蓄電装置８ａの蓄電手段１７ａを、蓄電手段接続装置７を介して、インバータ駆動装置６ａに接続し、蓄電手段１７ａからインバータ回路１４に電力を供給することで、車両を加速させる。一方、編成内の他の蓄電手段１７ｂは、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに電力を供給する。すなわち、バッテリ走行するために必要な電力（自立走行用電力）は蓄電手段１７ａで供給し、補機すなわち制御装置の電源として必要な電力（制御電源用電力）は蓄電手段１７ｂで供給することにより、所定距離をバッテリ走行する蓄電エネルギと、制御装置を動作させる蓄電エネルギをそれぞれ確実に確保し、安定かつ確実なバッテリ走行を実現する。なお、バッテリ走行モードでは、蓄電手段１７ａより電力が供給されるインバータ駆動装置６ａを動作させ、電動機１５ａ、１５ｂの駆動トルクで車両を加速させる。電力が供給されないインバータ駆動装置６ｂは動作させず、電動機１５ｃ、１５ｄは駆動トルクを発生しない。また、バッテリ走行モードでは、電力線からの電力を受けないため、補助電源装置９ａ、９ｂからは、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、蓄電手段１７ａ、１７ｂに電力を供給できない。

時刻ｔ３では、運転台で「リセット」スイッチが扱われ、Reset信号がオンする。「リセット」スイッチは本来、インバータ駆動装置６ａが故障等を検知して保護動作モードに遷移したとき、安全確認後に保護動作モードから抜けるためのスイッチである。通常、インバータ駆動制御装置の電源を投入した直後は安全の観点から一旦、保護動作モードに遷移させ、安全確認後に「リセット」スイッチを扱い、正常モードに復帰させる。正常モード復帰により、主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂが投入され、その状態を示すＢＫ信号がオンする。

ここで、主回路蓄電手段接触器１９ａ１９ｂは、低電圧仕様である蓄電装置１７ａ、補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに、電力線からの高電圧が印加されないことを確認した上で投入する必要がある。このため、「（１）電圧検出手段５１の電圧値Ｖ_{_ｓ}が零に漸近していること」、「（２）高速度遮断器１０と断流器１１ａの両方、または何れかが開放されていること」、「（３）蓄電手段接触器１８ａ、１８ｂが開放されていること」を満たしているときに、前記「リセット」スイッチを扱ったときに、主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂの投入を許可する。

主回路蓄電手段接触器１９ａ、１９ｂが投入されると、蓄電手段１７ａの電圧がインバータ駆動装置６ａのインバータ回路１４に印加され、まずインバータ回路１４に並列に接続されたコンデンサ１３が充電される。コンデンサ１３は、蓄電手段１７ａの出力電圧よりも高電圧な電力線から電力供給を受けることを想定して電圧仕様を決定する。前述のように、電力線からの電力によりコンデンサ１３を充電する通常走行モードでは、突入電流を防止するため抵抗器１６を介して充電した。これに対し、バッテリ走行モードでは、蓄電手段１７ａの電力でコンデンサ１３を充電する場合は同様の抵抗器を介さずに充電する。これは、蓄電手段１７ａは前述のように補機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにも電力を供給するため、蓄電手段１７ａの出力電圧は、ＤＣ１１０Ｖ±３０％、あるいはそれ以下想定しており、電力線の電圧よりも遥かに低電圧であるため実現できるのである。

時刻ｔ４では、運転台で力行ノッチが投入され、Powering信号がオンする。コンデンサ１３の充電は時刻ｔ３の時点で開始され、電圧検出手段５１ｂの電圧値Ｖ_{_ｆｃ}は上昇する。Ｖ_{_ｆｃ}が前述の電圧検出手段５１ｃの電圧値Ｖ_{_ｂａｔ_０}に漸近する状態に至ることで、充電完了を認識する。この充電完了状態において、Powering信号がオンすることにより、インバータ主回路１４は動作を開始（ゲートスタート）し、その状態を示すINV gate start信号がオンする。インバータ主回路１４の動作により、電動機１５ａ、１５ｂは駆動され、車両の加速が始まる。
時刻ｔ６では、運転台で力行ノッチの投入は解除され、Powering信号はオフする。Powering信号のオフにより、インバータ主回路１４は動作を停止（ゲートストップ）し、その状態を示すINV gate start信号がオフする。インバータ主回路１４の停止により、車両の加速が終了する。

１…車両、２…車間連結器、３…集電装置、４…台車、５…輪軸、６…インバータ駆動装置、７…蓄電手段接続装置、８…蓄電装置、９…補助電源装置、１０…高速度遮断機、１１…断流器、１２…リアクトル、１３…コンデンサ、１４…インバータ回路、１５…電動機、１６…抵抗器、１７…蓄電手段、１８…蓄電手段接触器、１９…主回路・蓄電手段接触器、２０…ダイオード手段、２１…接地手段、２２…補機、２３…車両間電力渡り手段、２４…電力供給手段、５１…電圧検出手段、５２…電流検出手段

Claims (5)

1. 車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、車両に配備され、車両用制御電源及び表示灯や非常灯を含む補機に電力を供給する電源として、蓄電手段を備えた複数の第二の給電手段と、前記第一の給電手段より得られる直流電力をより低電圧の直流電力に変換し、前記複数の第二の給電手段のそれぞれを充電すると共に前記補機へ前記直流電力を供給する複数の第一の電力変換手段と、前記第一の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換手段と、該交流電力により駆動され、車両をけん引する力を発生する交流電動機と、前記複数の第二の給電手段に充電された直流電力より電力供給され、前記第一および前記第二の電力変換手段の動作を制御する制御手段を備え、
   前記第一の給電手段より得られる直流電力を前記第二の電力変換装置に供給して交流電動機を駆動し、かつ前記複数の第二の給電手段に充電された直流電力を前記制御手段に供給する第一の機器動作モードと、前記複数の第二の給電手段のうち、特定の第二の給電手段に充電された直流電力を前記車両用制御電源及び前記表示灯や前記非常灯を含む前記補機の電源として供給し、残りの第二の給電手段に充電された直流電力を、前記第二の電力変換装置に供給して、前記交流電動機を駆動する第二の機器動作モードを備え、前記第一の機器動作モードまたは前記第二の機器動作モードを選択して構成する電力供給選択手段と、
   前記第一の給電手段から供給される電力の電圧値を検出する電圧検出手段と、を備え、
   前記電力供給選択手段は、前記第一の機器動作モードから前記第二の機器動作モードへ切替を行う際に、運転台のスイッチ入力に基づき、前記特定の第二の給電手段と前記補機の間に設けられた第一の接触器を投入し、更に、前記電圧検出手段の電圧検出値が零近傍である場合に、前記残りの第二の給電手段と前記第二の電力変換装置の間に設けられた第二の接触器を投入することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
2. 請求項１の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第二の給電手段に充電され、前記制御手段または前記第一の電力変換装置に供給される直流電力は、１５０Ｖ以下の電圧であることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
3. 請求項１の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第二の給電手段は、鉄道車両の制御電源を供給する鉛蓄電池であり、第二の給電手段に充電され、前記制御手段または前記第一の電力変換装置に供給される直流電力は、１５０Ｖ以下の電圧であることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記電力供給選択手段は、前記第一の機器動作モードから前記第二の機器動作モードへ切替を行う際に、前記電圧検出手段の電圧検出値が零近傍であり、かつ前記第一の給電手段が前記第二の電力変換手段から遮断されており、かつ前記残りの第二の給電手段と前記補機の間に設けられた第三の接触器が開放されている場合に、前記残りの第二の給電手段と前記第二の電力変換装置の間に設けられた前記第二の接触器を投入することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第二の電力変換手段を複数備え、
   前記第二の接触器は、前記残りの第二の給電手段と複数の前記第二の電力変換手段の少なくとも１つとの間に設けられており、
   前記第二の接触器が設けられていない他の前記第二の電力変換手段には、前記第二の機器動作モードの時に前記残りの第二の給電手段から電力が供給されないことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。

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