JP2009290958A

JP2009290958A - 鉄道車両システム

Info

Publication number: JP2009290958A
Application number: JP2008139115A
Authority: JP
Inventors: Motomi Shimada; 嶋田　　基巳; Satoru Horie; 堀江　　哲; Takashi Kaneko; 貴志金子; Yutaka Sato; 佐藤　　裕
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP4685902B2; EP2127935A3; CN101590816A; KR20090123770A; KR101092053B1; EP2127935A2; CN101590816B

Abstract

【課題】複数車両に分散搭載した蓄電装置の蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なっても各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御し、蓄電装置の交換周期を等しく長周期化して蓄電装置の交換作業を少なくする。
【解決手段】複数の車両に分散搭載した蓄電装置とインバータ装置を駆動する電力を車両間で共有する電力線間に電流制御手段を設けて各々の蓄電装置に充放電される電流を個別に制御し、複数の車両に分散搭載した各蓄電装置のうち特定の一蓄電装置はインバータ装置を駆動する電力を車両間で共有するための電力線の電圧値を一定に保つように電流制御手段を制御し、残りの蓄電装置の各々は、蓄電媒体の劣化指数のばらつきが小さくなるように充放電電力または電流を低減、増加させるように電流制御手段を制御し、かつ特定の一蓄電装置は蓄電媒体の劣化指数がその平均値に最も近い蓄電装置を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道システムの駆動システムに係り、特に、発電手段と電力蓄積手段を設備したうえで、この両手段の発生する電力を利用して鉄道車両を駆動する技術に関する。

鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、自動車に比べて走行抵抗が小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、主電動機で発生する電気的エネルギを架線に戻して他車両の力行エネルギとして再利用する回生ブレーキ制御を行っている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギ消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法と言える。

一方、輸送密度が小さい地方路線などは、架線、変電所等が要らない気動車（ディーゼルカー）により、きめ細かな乗客サービスを低コストに実現している。しかし、気動車は、架線など他車両にエネルギを渡す手段がないため、電気鉄道車両のような回生エネルギの再利用は行われていなかった。このため、気動車で省エネルギを実現するためには、低燃費エンジンの開発に頼らざるを得なかった。

このような気動車についても省エネルギを推進する方法のひとつとして、エンジンと蓄電装置を組み合わせたハイブリッド気動車が考案された。ハイブリッド気動車は蓄電装置を設けることにより、制動時に発生する回生エネルギを蓄電装置でいったん吸収することが可能となり、この吸収した回生エネルギを力行時に必要なエネルギの一部として再利用することにより、省エネルギを実現することができる。

ところで、ハイブリッド気動車の課題ひとつは、いわゆる編成列車を構成した場合の蓄電装置のエネルギ管理指針である。編成列車全体としては、駆動システムが大容量となるが、機器搭載スペースの制限から、エンジン、蓄電装置、電力変換装置等の個別機器は編成車両中に分散して搭載することになる。このため、各車両に分散した機器の動作を適切に制御することが重要である。

特に、蓄電装置には２次電池あるいはキャパシタを用いることが一般的である。これらの機器はおもに使用時の充放電深度、充放電サイクル数、充放電電力、周囲温度等の各パラメータが、その寿命に影響することが知られている。一方、蓄電装置のメンテナンスサイクル（交換周期）は、作業性、作業コストを考慮すると、全ての蓄電装置を一括してメンテナンスできることが望ましい。すなわち、複数の蓄電装置を各車両に分散搭載した場合は、複数の蓄電装置の使用条件をできるだけ等しくすることが、蓄電装置のライフサイクル管理、メンテナンス管理の観点から有利であると言える。

編成列車おけるハイブリッドシステムの構成、制御方式については、例えば、特許文献１において述べられている。図１２に、特許文献１に示されている鉄道車両駆動システムの機器構成図を示す。発電手段１１０と電力変換装置１２０と駆動電動機と電力蓄積手段１５０を搭載した第一の鉄道車両１０１と、電力変換装置１２０と駆動電動機と電力蓄積手段１５０を搭載した第二の鉄道車両１０２と、各手段を電力伝達手段１４０によって接続した鉄道車両駆動システムにおいて、発電手段１１０の発電電力および電力蓄積手段１５０の蓄電量を制御する電力管理手段２００を備え、電力蓄積手段１５０が、発電手段１１０が発電する電力および回生電力を蓄積し、発電手段１１０と電力蓄積手段１５０を電源として電力変換装置１２０によって駆動電動機を駆動し、列車を駆動する。

このように、特許文献１に示されている鉄道車両駆動システムでは、複数車両に分割搭載した電力蓄積手段５０の全てを、電力伝達手段４０で結合することにより、電力蓄積手段５０の充放電深度、充放電サイクル数、充放電電力を等しくすることを実現している。
特開２００５−２７４４７号公報

特許文献１に示されている鉄道車両の駆動システムのように、複数の車両に蓄電装置を分散搭載して、その出力端子を共通の電力線に接続する構成では、各蓄電装置の充放電電流を個別に制御することは難しい。このため、蓄電装置の交換周期を等しくするためには、少なくとも次の条件満たす必要がある。
（１）蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類を同じにすること。
（２）蓄電装置を構成する蓄電媒体の使用年数を等しくすること。
（３）蓄電装置を構成する蓄電媒体の蓄電容量を等しくすること。

上記の条件が満たされないとき、共通の電力線で接続された各蓄電装置の出力電圧は同一に保たれる一方で、充電あるいは放電される電流値には各蓄電装置で差異が生じる。このため、各蓄電装置の劣化状況にばらつきがでるので、その交換時期には相違が生じてしまう。

以上より、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムでは、複数車両に分散搭載した各蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ最大化することが重要な課題であるといえる。

本発明の目的は、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供することにある。

本発明の鉄道車両システムでは、複数の車両に分散搭載した各蓄電装置と、インバータ装置を駆動する電力を車両間で共有するための電力線の間に、電流制御手段を設けることにより各々の蓄電装置に充放電される電流を個別に制御できる構成とする。また、複数の車両に分散搭載した各蓄電装置のうち特定の一蓄電装置は、インバータ装置を駆動する電力を車両間で共有するための電力線の電圧値を一定に保つように電流制御手段を制御して、残りの蓄電装置の各々は、蓄電媒体の劣化指数のばらつきが小さくなるように、蓄電媒体の劣化指数がその平均値よりも大きいときは充放電電流を低減し、蓄電媒体の劣化指数がその平均値よりも小さいときは充放電電流を増加させるように電流制御手段を制御し、かつ特定の一蓄電装置は、蓄電媒体の劣化指数がその平均値に最も近い蓄電装置を選択することを特徴とする。

本発明によれば、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。

図１は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。車両１ａ、１ｂは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａは車間連結器１１ａ、１１ｂ、車両１ｂは車間連結器１１ｃ、１１ｄをそれぞれ備えており、車両１ａと車両１ｂは車間連結器１１ｂと車間連結器１１ｃで連結されている。

車両１ａは、台車２ａを介して輪軸３ａ、３ｂにより、また、台車２ｂを介して輪軸３ｃ、３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。同じく、車両１ｂは、台車２ｃを介して輪軸３ｅ、３ｆにより、また、台車２ｄを介して輪軸３ｇ、３ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。

まず、車両１ａの機器構成について説明する。車両１ａには、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａ、システム統括制御装置８ａ、情報制御装置９ａの各機器が配置される。インバータ装置４ａは、電力伝達手段７ａにより供給される直流電力を基に、これを３相交流電力に変換して、図示していない電動機３６を駆動する。電動機３６の出力は、図示していない動力伝達手段を介することにより、輪軸３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの全て、またはいずれかを駆動して、車両１ａに加減速力を与える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、入力側、出力側で各々端子電圧が異なる状態において、入力側、出力側それぞれの端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は電力伝達手段７ａに、低電圧側の端子は蓄電装置６ａに接続される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、電力伝達手段７ａの電力を蓄電装置６ａに充電し、また蓄電装置６ａを放電して電力伝達手段７ａに戻すことができる。

システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ａ、Ｄｃｈｐ_ａ、Ｄｂｔｒ_ａを各装置に与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ａ、Ｓｃｈｐ_ａ、Ｓｂｔｒ_ａを集約する。また、システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ａを情報制御装置９ａに送る、情報制御装置９ａは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ａでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。また、車両１ａは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。

次に、車両１ｂの機器構成について説明する。車両１ｂには、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５ｂ、蓄電装置６ｂ、システム統括制御装置８ｂ、情報制御装置９ｂの各機器が配置される。インバータ装置４ｂは電力伝達手段７ｂにより供給される直流電力を基に、これを３相交流電力に変換して、ここでは図示していない電動機３６を駆動する。電動機３６の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈを駆動して、車両１ｂに加減速力を与える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、入力側、出力側で各々端子電圧が異なる状態のまま、その入力側、出力側の端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は電力伝達手段７ｂに、低電圧側の端子は蓄電装置６ｂに接続される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、電力伝達手段７ｂの電力をもとに蓄電装置６ｂに充電し、また蓄電装置６ｂを放電して電力伝達手段７ｂに戻すことができる。

システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ａ、Ｄｃｈｐ_ａ、Ｄｂｔｒ_ａを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ｂ、Ｓｃｈｐ_ｂ、Ｓｂｔｒ_ｂを集約する。また、システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｂを情報制御装置９ｂに送る、情報制御装置９ｂは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｂでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｂは、この中からインバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ｂを選択して受信する。また、車両１ｂは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｂを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。

以上、説明したように、この構成によると、システム統括制御装置８ａ、８ｂおよび情報制御装置９ａ、９ｂにより、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等の状態情報を共有できる。この共有情報に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、５ｂにより制御される蓄電装置６ａ、６ｂの充放電電流を調整することができる。すなわち、本発明によれば、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供できる。

図２は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成の詳細を示す図である。車両１ａ、１ｂは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａには、インバータ装置４ａ、電動機３６ａ、３６ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５ａ、蓄電装置６ａ、システム統括制御装置８ａ、情報制御装置９ａの各機器が配置される。

インバータ装置４ａは、電力伝達手段７ａにより供給される直流電力を基に、これを３相交流電力に変換して電動機３６ａ、３６ｂを駆動する。ここで、インバータ装置４ａにより駆動される電動機は、電動機３６ａ、３６ｂとしているが、これは、インバータ装置４ａが駆動する電動機の台数を限定するものではない。断流器１６ｂは、電力伝達手段７ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分で、電力伝達手段７ａに近い側に配置し、電力伝達手段７ａから前記直流部分への電力供給を断続する機能を持つ。また、断流器１６ｃは、前記直流部分のうち、インバータ回路３７に近い側に配置される。断流器１６ｃに並列接続される充電抵抗器１８ａは、インバータ回路３７ａの入力端に並列に接続されるフィルタコンデンサ１９ａが、電力伝達手段７ａ、または後述の蓄電装置６ａにより供給される直流電力により充電される時に、急激に電流が流入することを避ける役目を果たす。インバータ回路３７ａは、前述の直流部分の電力を、インバータ制御部３９ａが出力するスイッチング信号ＧＰｉｎｖ_ａに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、電圧可変、周波数可変の３相交流電力に変換し、電動機３６ａ、３６ｂを駆動する。また、電力供給手段７ａからの供給電圧を測定するための電圧検出器２０ａ、供給電流を測定するための電流検出器２１ｂ、およびフィルタコンデンサ１９ａの端子間電圧を測定するための電圧検出器２０ｂをそれぞれ配置する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、入力側、出力側で各々端子電圧が異なるときでも、その入力側、出力側の端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は、前述の断流器１６ｂを経由して電力伝達手段７ａに、低電圧側の端子は蓄電装置６ａに接続される。蓄電装置６ａとチョッパ回路２４ａの間には、平滑リアクトル１５ａが接続され、後述の昇降圧チョッパ動作においてチョッパ電流を平滑する役割と、昇圧チョッパ動作において電気エネルギを一時蓄積する役割を果たす。断流器１６ａは、蓄電装置６ａからチョッパ回路２２ａへの電力供給を断続する機能を持つ。

チョッパ回路２２ａは、チョッパ制御部３８ａが出力するスイッチング信号ＧＰｃｈｐ_ａに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、電力伝達手段７ａに接続された高電圧側の端子と、蓄電装置６ａに接続された低電圧側の端子の間を、それぞれの端子間電圧を維持または制御しながら、電流を通流させる。また、蓄電装置６ａからの供給電流を測定するための電流検出器２１ａを蓄電装置６ａとチョッパ回路２２ａの間に、さらに、蓄電装置６ａの出力電圧を測定するため電圧測定器２０ｃを蓄電装置６ａの出力端子間に配置する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、電力伝達手段７ａの電力をもとに蓄電装置６ａに充電し、また蓄電装置６ａの放電して電力伝達手段７ａに戻すことができる。

システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ａ、Ｄｃｈｐ_ａ、Ｄｂｔｒ_ａを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ａ、Ｓｃｈｐ_ａ、Ｓｂｔｒ_ａを集約する。また、システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ａを情報制御装置９ａに送る、情報制御装置９ａは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ａでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。また、車両１ａは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。

車両１ｂには、インバータ装置４ｂ、電動機３６ｃ、３６ｄ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５ｂ、蓄電装置６ｂ、システム統括制御装置８ｂ、情報制御装置９ｂの各機器が配置される。インバータ装置４ｂは電力伝達手段７ｂにより供給される直流電力を基に、これを３相交流電力に変換して電動機３６ｃ、３６ｄを駆動する。ここで、インバータ装置４ｂにより駆動される電動機は、電動機３６ｃ、３６ｄとしているが、これは、インバータ装置４ａが駆動する電動機の台数を限定するものではない。断流器１６ｂは、電力伝達手段７ｂとインバータ装置４ｂをつなぐ直流部分で、電力伝達手段７ｂに近い側に配置し、電力伝達手段７ｂから前記直流部分への電力供給を断続する機能を持つ。また、断流器１６ｅは、前記直流部分で、インバータ装置４ｂに近い側に配置される。断流器１６ｆに並列接続される充電抵抗器１８ｂは、インバータ回路３７ｂの入力端に並列に接続されるフィルタコンデンサ１９ｂが、電力伝達手段７ｂ、または後述の蓄電装置６ｂにより供給される電力により充電される時に、急激に電流が流入することを避ける役目を果たす。インバータ回路３７ｂは、前述の直流部分の電力を、インバータ制御部３９ｂが出力するスイッチング信号ＧＰｉｎｖ_ｂに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、電圧可変、周波数可変の３相交流電力に変換し、電動機３６ｃ、３６ｄを駆動する。また、電力供給手段７ｂからの供給電圧を測定するための電圧検出器２０ｄ、供給電流を測定するための電流検出器２１ｄ、フィルタコンデンサ１９ｂの端子間電圧を測定するための電圧検出器２０ｅをそれぞれ配置する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、入力側、出力側で各々端子電圧が７ｂ異なる接続でも、その入力側、出力側の端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は、前述の断流器１６ｅを経由して電力伝達手段７ｂに、低電圧側の端子は蓄電装置６ｂに接続される。蓄電装置６ｂとチョッパ回路２４ｂの間には、平滑リアクトル１５ｂが接続され、後述の昇降圧チョッパ動作においてチョッパ電流を平滑する役割と、昇圧チョッパ動作において電気エネルギを一次蓄積する役割を果たす。断流器１６ｄは、蓄電装置６ｂからチョッパ回路２２ｂへの電力供給を断続する機能を持つ。チョッパ回路２２ｂは、チョッパ制御部３８ｂが出力するスイッチング信号ＧＰｃｈｐ_ｂに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、電力伝達手段７ｂに接続された高電圧側の端子と、蓄電装置６ｂに接続された低電圧側の端子の間を、それぞれの端子間電圧を維持または制御しながら、電流を通流させる。また、蓄電装置６ｂからの供給電流を測定するための電流検出器２１ｂを蓄電装置６ｂとチョッパ回路２２ｂの間に、さらに、蓄電装置６ｂの出力電圧を測定するため電圧測定器２０ｆを蓄電装置６ｂの出力端子間に配置する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、電力伝達手段７ｂの電力をもとに蓄電装置６ｂに充電し、また蓄電装置６ｂを放電して電力伝達手段７ｂに戻すことができる。

システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ｂ、Ｄｃｈｐ_ｂ、Ｄｂｔｒ_ｂを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ｂ、Ｓｃｈｐ_ｂ、Ｓｂｔｒ_ｂを集約する。また、システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｂを情報制御装置９ｂに送る、情報制御装置９ｂは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｂでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｂは、この中からインバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ｂを選択して受信する。また、車両１ｂは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｂを接続するための電力系連結器１２ｃ、１２ｄを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｂを接続するための情報系連結器１３ｃ、１３ｄをそれぞれ設備している。

図３は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器制御方式を示す図である。まず、チョッパ回路２２ａの制御方式について説明する。チョッパ回路２２ａでは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ａの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、蓄電装置６ａの充放電を制御する、「定電圧型充放電制御」を実現する。

直流部電圧指令Ｖｄｃは、システム統括制御装置８ａにて決定され、システム統括制御装置８ａのチョッパ制御部に対する制御要求Ｄｃｈｐ_ａの一情報として伝送される。直流部電圧指令Ｖｄｃと、電圧検出器２０ｂ電圧Ｖ_ｂを、減算器２６ａで引き算することにより、電圧差分ΔＶｄｃを求める。電圧安定化制御器２７は、前述の電圧差分ΔＶｄｃを入力として、これをゼロに収束させるためにチョッパ回路２２ａの低圧側に通流させる電流指令Ｉ_ａｈを算出する。この電流指令Ｉ_ａｈと、電流検出器２１ａ電流Ｉ_ａを、減算器２６ｂで引き算することにより、電流差分ΔＩ_ａを求める。電流安定化制御器２８ａは、前述の電流差分ΔＩ_ａを入力として、これをゼロに収束させるために必要なチョッパ回路２２ａの低圧側の電圧を規定するための電圧指令Ｖ_ｃｈを算出する。ＰＷＭ制御部２９ａは、前述の電圧指令Ｖ_ｃｈと、電圧検出器２０ｂ電圧Ｖ_ｂを入力として、チョッパ回路を駆動する通流率γ_ａを算出する。ゲートパルス発生器３０ａは、通流率γ_ａを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ａを算出して、チョッパ回路２２ａを駆動する。以上の制御方式により、チョッパ回路２２ａは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ａの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させる、定電圧制御を実現する。

次に、チョッパ回路２２ｂの制御方式について説明する。チョッパ回路２２ｂでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力に従って、蓄電装置６ｂの充放電電力を制御する、「定電力型充放電制御」を実現する。インバータ装置４ａ電力Ｐｉｎｖ_ａと、インバータ装置４ｂ電力Ｐｉｎｖ_ｂを、加算器３１ａで足し算することにより、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖを求める。この合計消費電力Ｐｉｎｖに、乗算器３２で、インバータ装置４ｂの電力負担率ζ_ｂを掛け算することにより、チョッパ回路２２ｂで負担すべき変換電力Ｐζ_ｂを求める。

ここで、電力負担率ζ_ｂは、蓄電装置６ａからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ａ、蓄電装置６ｂからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ｂをもとに次式より算出される。
ζ_ｂ＝（１−ＳＯＨ_ｂ）／（ＳＯＨ_ａ＋ＳＯＨ_ｂ）
すなわち、蓄電装置６ａと、蓄電装置６ｂの充放電電力を、劣化指標ＳＯＨ_ａ、ＳＯＨ_ｂにより、劣化度の高い蓄電装置の充放電電力を抑制するように配分することで、最終的には両者の劣化度が同一となるように調整制御される。

チョッパ回路２２ｂで負担すべき変換電力Ｐζ_ｂを、電圧検出器２０ｆ電圧Ｖ_ｆで、除算器３３により割り算することにより、チョッパ回路２２ｂの低圧側に通流させる電流指令Ｉ_ｃｈを求める。この電流指令Ｉ_ｃｈと、電流検出器２１ｃ電流Ｉ_ｃを、減算器２６ｃで引き算することにより、電流差分ΔＩ_ｃを求める。電流安定化制御器２８ｂは、前述の電流差分ΔＩ_ｃを入力として、これをゼロに収束させるために必要なチョッパ回路２２ｂの低圧側の電圧を規定するための電圧指令Ｖ_ｆｈを算出する。ＰＷＭ制御部２９ｂは、前述の電圧指令Ｖ_ｆｈと、電圧検出器２０ｅ電圧Ｖ_ｅを入力として、チョッパ回路を駆動する通流率γ_ｂを算出する。ゲートパルス発生器３０ｂは、通流率γ_ｂを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ｂを算出して、チョッパ回路２２ｂを駆動する。

なお、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖと、チョッパ装置２２ｂで負担する変換電力Ｐζ_ｂとの差分については、前述のチョッパ回路２２ａがおこなう「定電圧型充放電制御」により吸収される。これは、チョッパ回路２２ａでは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ａの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させる定電圧制御であるため、チョッパ回路２２ａを流れる電流は、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖと、チョッパ装置２２ｂで負担する変換電力Ｐζ_ｂとの差分に基づいて、自動的に決定されるからである。

以上、説明したように、この構成によると、チョッパ回路２２ａでは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ａの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、蓄電装置６ａの充放電を制御する一方で、チョッパ回路２２ｂでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力Ｐｉｎｖ_ａ、Ｐｉｎｖ_ｂに従って、蓄電装置６ｂの充放電電力を制御する。ここで、蓄電装置６ｂの充放電電力は、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等に応じて調整するが、蓄電装置６ａの充放電電力についても、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力と、蓄電装置６ｂの充放電電力の差分により、間接的に制御できる。

すなわち、本発明によれば、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供できる。

図４は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の制御動作を示す図である。図４では、横軸に時間をとり、縦軸に断流器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ投入指令ＬＢ_ａ、ＬＢ_ｂ、ＬＢ_ｃ、ＬＢ_ｄ、ＬＢ_ｅ、ＬＢ_ｆ、チョッパ回路２２ａ、２２ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂ、インバータ回路３７ａ、３７ｂゲートスタート指令ＧＳＴｉｎｖ_ａ、ＧＳＴｉｎｖ_ｂ、電圧センサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ検出値Ｅｓ_ａ、Ｅｓ_ｂ、Ｅｓ_ｃ、Ｅｓ_ｄ、電流センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ検出値Ｉｓ_ａ、Ｉｓ_ｂ、Ｉｓ_ｃ、Ｉｓ_ｄ、および電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ回転速度Ｆｒ_ａ、Ｆｒ_ｂ、Ｆｒ_ｃ、Ｆｒ_ｄの各信号の動きを示している。

時間Ｔ０では、車両は停車している状態であり、各信号は零位置にある。このとき、チョッパ回路２２ａ、２２ｂの高圧側電圧に相当する、電圧センサ２０ｂ、２０ｅ検出値Ｅｃｆ_ｂ、Ｅｃｆ_ｅの電圧値も零である。時間Ｔ１では、断流器１６ａ投入指令ＬＢ_ａ、および断流器１６ｄ投入指令ＬＢ_ｄを「１」とする。これにより、断流器１６ａ、１６ｄが投入され、蓄電装置６ａからチョッパ回路２２ａに、および蓄電装置６ｄからチョッパ回路２２ｂにそれぞれ電力が供給される。いま、蓄電装置６ａ、６ｂの出力電圧は、フィルタコンデンサ１９ａ、１９ｂの両端電圧よりも大きい。このため、蓄電装置６ａの出力電圧とフィルタコンデンサ１９ａの電圧が等しくなるまで、フィルタコンデンサ１９ａは充電抵抗１８ａを介して充電され、また、蓄電装置６ｂの出力電圧とフィルタコンデンサ１９ｂの電圧が等しくなるまで、フィルタコンデンサ１９ｂは充電抵抗１８ｂを介して充電される。

なお、図４では、蓄電装置６ａの蓄電量が、蓄電装置６ｂの蓄電量よりも大きいなどの理由により、蓄電装置６ａの出力電圧が、蓄電装置６ｂの出力電圧よりも大きい場合を示している。このとき、フィルタコンデンサ１９ａの充電後の電圧値Ｅｃｆ_ａ（実線）は、フィルタコンデンサ１９ｂの充電後の電圧値Ｅｃｆ_ｅ（点線）よりも大きい。また、フィルタコンデンサ１９ａが充電される過程で、電流センサ２１ａに流れる電流Ｉｓ_ａ（点線）は、フィルタコンデンサ１９ｂが充電される過程で、電流センサ２１ｃに流れる電流Ｉｓ_ｃ（実線）よりも大きい。

時間Ｔ２では、断流器１６ｂ投入指令ＬＢ_ｂ、および断流器１６ｅ投入指令ＬＢ_ｅを「１」とする。これにより、断流器１６ｂ、１６ｅが投入され、チョッパ回路２２ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分と、チョッパ回路２２ｂとインバータ回路３７ｂをつなぐ直流部分が、それぞれ電力伝達手段７ａ、電力伝達手段７ｂを介して接続される。これにより、前述の２つの直流部分における電圧値Ｅｃｆ_ｂとＥｃｆ_ｅが等しくなるまで蓄電装置６ａが放電されるため、電流センサ２１ａに電流Ｉｓ_ａが流れる。

時間Ｔ３では、断流器１６ｃ投入指令ＬＢ_ｃ、および断流器１６ｆ投入指令ＬＢ_ｆを「１」とする。これにより、断流器１６ｃ、１６ｆが投入される。ここでは、断流器１６ｃ、１６ｆにそれぞれ並列接続される充電抵抗器１８ａ、１８ｂに電流が流れていない状態で、断流器１６ｃ、１８ｆが投入されるため、断流器１６ｃ、１６ｆの投入により各部の電流量は変化しない。

時間Ｔ４では、チョッパ回路２２ａ、２２ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂを「１」とする。これにより、チョッパ装置２２ａは昇圧チョッパ動作を開始して、チョッパ回路２２ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分の電圧値Ｅｃｆ_ｂは、所定の目標電圧値に追従するように制御される。一方、チョッパ装置２２ｂも昇圧チョッパ動作を開始するが、チョッパ回路２２ｂとインバータ回路３７ｂをつなぐ直流部分の電圧値Ｅｃｆ_ｅ（＝Ｅｃｆ_ｂ）に応じて、チョッパ回路２２ｂから前記直流部分に流入する電力が、所定の目標電力値に追従するように制御される。

時間Ｔ５では、インバータ装置４ａ、４ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂを「１」とする。これにより、電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが回転をはじめて、回転速度Ｆｒ_ａ、Ｆｒ_ｂ、Ｆｒ_ｃ、Ｆｒ_ｄが増加していく。

時間Ｔ６では、蓄電装置６ｂの蓄電量が所定値まで減少したために、放電電力が制限されている状況を示している。このとき、蓄電装置６ａの放電電力は、蓄電装置６ｂで制限された放電電力の分だけ加算されることにより、定トルク領域終端速度Ｖ７（時間Ｔ７）、定電力領域終端速度Ｖ８（時間Ｔ８）を経過しても、電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは所定のトルク性能を保持しながら加速を続ける。

図５は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二実施形態の機器構成を示す図である。車両１ａ、１ｂ、ｃは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａは車間連結器１１ａ、１１ｂ、車両１ｂは車間連結器１１ｃ、１１ｄ、車両１ｃは車間連結器１１ｅをそれぞれ備えており、車両１ａと車両１ｂは車間連結器１１ｂと車間連結器１１ｃで、車両１ａと車両１ｃは車間連結器１１ａと車間連結器１１ｅ連結されている。

車両１ａは、台車２ａを介して輪軸３ａ、３ｂにより、また、台車２ｂを介して輪軸３ｃ、３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。同じく、車両１ｂは、台車２ｃを介して輪軸３ｅ、３ｆにより、また、台車２ｄを介して輪軸３ｇ、３ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。さらに、車両１ｃは、台車２ｅを介して輪軸５３ａ、５３ｂにより、また、台車２ｆを介して輪軸５３ｃ、５３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。

まず、車両１ａの機器構成について説明する。車両１ａには、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５ａ、蓄電装置６ａ、システム統括制御装置８ａ、情報制御装置９ａの各機器が配置される。インバータ装置４ａは電力伝達手段７ａにより供給される直流電力を基に、これを３相交流電力に変換して、ここでは図示していない電動機３６を駆動する。電動機３６の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの全て、またはいずれかを駆動して、車両１ａに加減速力を与える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、入力側、出力側で各々端子電圧が異なる接続でも、その入力側、出力側の端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は電力伝達手段７ａに、低電圧側の端子は蓄電装置６ａに接続される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａは、電力伝達手段７ａの電力をもとに蓄電装置６ａに充電し、また蓄電装置６ａが放電して電力伝達手段７ａに戻すことができる。

システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ａ、Ｄｃｈｐ_ａ、Ｄｂｔｒ_ａを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ａ、Ｓｃｈｐ_ａ、Ｓｂｔｒ_ａを集約する。また、システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ａを情報制御装置９ａに送る。情報制御装置９ａは、情報伝送手段１０を経て、編成内の他車両の情報制御装置９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ａでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。また、車両１ａは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、入力側、出力側で各々端子電圧が異なる接続でも、その入力側、出力側の端子電圧に応じて電流を通流させる機能を持つ。ここでは、高電圧側の端子は電力伝達手段７ｂに、低電圧側の端子は蓄電装置６ｂに接続される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂは、電力伝達手段７ｂの電力をもとに蓄電装置６ｂに充電し、また蓄電装置６ｂが放電して電力伝達手段７ｂに戻すことができる。

システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ｂ、Ｄｃｈｐ_ｂ、Ｄｂｔｒ_ｂを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ｂ、Ｓｃｈｐ_ｂ、Ｓｂｔｒ_ｂを集約する。また、システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｂを情報制御装置９ｂに送る。情報制御装置９ｂは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｂでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。また、車両１ｂは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｂを接続するための電力系連結器１２ｃ、１２ｄを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｂを接続するための情報系連結器１３ｃ、１３ｄをそれぞれ設備している。

次に、車両１ｃの機器構成について説明する。車両１ｃには、エンジン２３、発電機２４、ＡＣ／ＤＣコンバータ２５、システム統括制御装置８ｃ、情報制御装置９ｃの各機器が配置される。エンジン２３により、発電機２４を駆動して３相交流電力を発生させる。この３相交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５により直流電力に変換され、電力伝達手段７ｃを供給して編成内の他車両１ａ、１ｂに送られる。

システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５と接続し、それぞれ制御要求Ｄｅｎｇ_ｃ、Ｄｃｎｖ_ｃを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｅｎｇ_ｃ、Ｓｃｎｖ_ｃを集約する。また、システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５との間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｃを情報制御装置９ｃに送る。情報制御装置９ｃは、情報伝送手段１０ｃを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａ、９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｃでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｃは、この中からエンジン２３、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５の制御に必要な情報Ｓｃｎｖ_ｃを選択して受信する。また、車両１ｃは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ｅを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｃを接続するための情報系連結器１３ｅをそれぞれ設備している。

以上、説明したように、この構成によると、システム統括制御装置８ａ、８ｂ、８ｃおよび情報制御装置９ａ、９ｂ、９ｃにより、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等の状態情報を共有できる。この共有情報に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、５ｂにより制御される蓄電装置６ａ、６ｂの充放電電流、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５により制御される発電電流を調整することができる。すなわち、本発明によれば、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供できる。

図６は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成の詳細を示す図である。車両１ａ、１ｂ、１ｃは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａ、１ｂの機器構成については、図２に示している、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成の詳細を示す図と同一であるため、ここでは図示を省いた。車両１ｃには、発電機２４ａ、速度検出器４０ａ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、システム統括制御装置８ｃ、情報制御装置９ｃの各機器が配置される。発電機２４ａは、図示していないエンジン等の動力で駆動されて三相交流電力を発生する。速度検出器４０ａは発電機２４ａの回転速度を検出できるように、回転軸に繋げられている。ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａは、発電機２４ａにより発生された三相交流電力を基に、これを直流電力に変換して、電力伝達手段７ｃに供給する。

断流器１６ｇは、電力伝達手段７ｃとコンバータ回路４１ａをつなぐ直流部分で、電力伝達手段７ｃに近い側に配置し、電力伝達手段７ｃから前記直流部分への電力供給を断続する機能を持つ。また、断流器１６ｈは、前記直流部分で、コンバータ回路４１ａに近い側に配置される。断流器１６ｈに並列接続される充電抵抗器１８ｃは、コンバータ回路４１ａの入力端に並列に接続されるフィルタコンデンサ１９ｃが、電力伝達手段７ｃにより供給される直流電力により充電される時に、急激に電流が流入することを避ける役目を果たす。

コンバータ回路４１は、発電機２４により発生された三相交流電力を、コンバータ制御部４２が出力するスイッチング信号ＧＰｃｎｖに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、直流電力に変換する。また、電力伝送装置７ｃからの供給電圧を測定するための電圧検出器２０ｇ、供給電流を測定するための電流検出器２１ｅ、フィルタコンデンサ１９ｃの端子間電圧を測定するための電圧検出器２０ｈ、発電機２４により発生された三相交流電力の各相の電流を測定する電流検出器２１ｆをそれぞれ配置する。

システム統括制御装置８ｃは、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５、および図示していないエンジン２３と接続し、それぞれ制御要求Ｄｃｎｖ_ｃ、Ｄｅｎｇ_ｃを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｃｎｖ_ｃ、Ｓｅｎｇ_ｃを集約する。また、システム統括制御装置８ｃは、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、および図示していないエンジン２３ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｃを情報制御装置９ｃに送る、情報制御装置９ｃは、情報伝送手段１０ｃを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａ、９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｃでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｃは、この中からＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５、および図示していないエンジン２３の制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ｃを選択して受信する。

車両１ａは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。車両１ｂは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｂを接続するための電力系連結器１２ｃ、１２ｄを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｂを接続するための情報系連結器１３ｃ、１３ｄをそれぞれ設備している。車両１ｃは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｃを接続するための電力系連結器１２ｅを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｃを接続するための情報系連結器１３ｅをそれぞれ設備している。

図７は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二実施形態の機器制御方式を示す図である。まず、チョッパ回路２２ａの制御方式について説明する。チョッパ回路２２ａでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力に従って、蓄電装置６ａの充放電電力を制御する、「定電力型充放電制御」を実現する。インバータ装置４ａ電力Ｐｉｎｖ_ａと、インバータ装置４ｂ電力Ｐｉｎｖ_ｂを、加算器３１ａで足し算することにより、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖを求める。この合計消費電力Ｐｉｎｖに、乗算器３２ａで、インバータ装置４ａの電力負担率ζ_ａを掛け算することにより、チョッパ回路２２ａで負担すべき変換電力Ｐζ_ａを求める。

ここで、電力負担率ζ_ａは、蓄電装置６ａからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ａ、蓄電装置６ｂからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ｂをもとに次式より算出される。
ζ_ａ＝（１−ＳＯＨ_ａ）／（ＳＯＨ_ａ＋ＳＯＨ_ｂ）
すなわち、蓄電装置６ａと、蓄電装置６ｂの充放電電力を、劣化指標ＳＯＨ_ａ、ＳＯＨ_ｂにより、劣化度の高い蓄電装置の充放電電力を抑制するように配分することで、最終的には両者の劣化度が同一となるように調整制御される。

チョッパ回路２２ａで負担すべき変換電力Ｐζ_ａを、電圧検出器２０ｃ電圧Ｖ_ｃで、除算器３３ａにより割り算することにより、チョッパ回路２２ａの低圧側に通流させる電流指令Ｉ_ａｈを求める。この電流指令Ｉ_ａｈと、電流検出器２１ａ電流Ｉ_ａを、減算器２６ａで引き算することにより、電流差分ΔＩ_ａを求める。電流安定化制御器２８ａは、前述の電流差分ΔＩ_ａを入力として、これをゼロに収束させるために必要なチョッパ回路２２ａの低圧側の電圧を規定するための電圧指令Ｖ_ｃｈを算出する。ＰＷＭ制御部２９ａは、前述の電圧指令Ｖ_ｃｈと、電圧検出器２０ｂ電圧Ｖ_ｂを入力として、チョッパ回路を駆動する通流率γ_ａを算出する。ゲートパルス発生器３０ａは、通流率γ_ａを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ａを算出して、チョッパ回路２２ｂを駆動する。

次に、チョッパ回路２２ｂの制御方式について説明する。チョッパ回路２２ｂでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力に従って、蓄電装置６ｂの充放電電力を制御する、「定電力型充放電制御」を実現する。インバータ装置４ａ電力Ｐｉｎｖ_ａと、インバータ装置４ｂ電力Ｐｉｎｖ_ｂを、加算器３１ａで足し算することにより、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖを求める。この合計消費電力Ｐｉｎｖに、乗算器３２ｂで、インバータ装置４ｂの電力負担率ζ_ｂを掛け算することにより、チョッパ回路２２ｂで負担すべき変換電力Ｐζ_ｂを求める。

チョッパ回路２２ｂで負担すべき変換電力Ｐζ_ｂを、電圧検出器２０ｆ電圧Ｖ_ｆで、除算器３３ｂにより割り算することにより、チョッパ回路２２ｂの低圧側に通流させる電流指令Ｉ_ｃｈを求める。この電流指令Ｉ_ｃｈと、電流検出器２１ｃ電流Ｉ_ｃを、減算器２６ｂで引き算することにより、電流差分ΔＩ_ｃを求める。電流安定化制御器２８ｂは、前述の電流差分ΔＩ_ｃを入力として、これをゼロに収束させるために必要なチョッパ回路２２ｂの低圧側の電圧を規定するための電圧指令Ｖ_ｃｈを算出する。ＰＷＭ制御部２９ｂは、前述の電圧指令Ｖ_ｃｈと、電圧検出器２０ｃ電圧Ｖ_ｃを入力として、チョッパ回路を駆動する通流率γ_ｂを算出する。ゲートパルス発生器３０ｂは、通流率γ_ｂを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ｂを算出して、チョッパ回路２２ｂを駆動する。

次に、コンバータ回路４１の制御方式について説明する。コンバータ回路４１では、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ｃの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、発電機２４の発電を制御する、「定電圧型充放電制御」を実現する。直流部電圧指令Ｖｄｃは、システム統括制御装置８ｃにて決定され、システム統括制御装置８ｃのコンバータ制御部４２に対する制御要求Ｄｃｎｖの一情報として伝送される。直流部電圧指令Ｖｄｃと、電圧検出器２０ｇ電圧Ｖ_ｇを、減算器２６ｃで引き算することにより、電圧差分ΔＶｄｃを求める。

電圧安定化制御器２７は、前述の電圧差分ΔＶｄｃを入力として、これをゼロに収束させるためにコンバータ回路４１が出力すべき電流指令Ｉ_ｄｃｈを算出する。乗算器３２ｃは、前述の電流指令Ｉ_ｄｃｈと、電圧検出器２０ｇを掛け算することにより、コンバータ回路４１の出力指令Ｐｃｎｖを算出する。除算器３３ｃは、コンバータ回路４１の出力指令Ｐｃｎｖから発電機２４ロータ周波数Ｆｒｇを割り算することにより、コンバータ回路４１の交流電流実効値の指令値Ｉｍｈを算出する。ところで、定数テーブル３４は、発電機２４ロータ周波数Ｆｒｇを入力として、励磁電流指令Ｉｄｐを算出する。励磁電流指令Ｉｄｐに対して、乗算器３２ｄで定数ゲインＫｉｄを掛け算し、さらに、除算器３３ｄでコンバータ回路４１の交流電流実効値の指令値Ｉｍｈから割り算することにより、トルク電流指令Ｉｑｐを算出する。ベクトル制御部３５は、前述のトルク電流指令Ｉｑｐ、励磁電流指令Ｉｄｐ、発電機２４ａ出力電流Ｉｇを入力して、コンバータ回路２２ｃの交流側電圧を規定する電圧指令値Ｖ_ｃｈを出力する。ＰＷＭ制御部２９ｃは、前述の電圧指令Ｖ_ｃｈを入力として、コンバータ回路を駆動する変調率γ_ｃを算出する。ゲートパルス発生器３０ｃは、変調率γ_ｃを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ｃを算出して、コンバータ回路４１を駆動する。

以上、説明したように、この構成によると、コンバータ回路４１では、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ｃの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、発電機２４の発電を制御する一方で、チョッパ回路２２ａ、２２ｂでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力Ｐｉｎｖ_ａ、Ｐｉｎｖ_ｂに従って、蓄電装置６ａ、６ｂの充放電電力を制御する。ここで、蓄電装置６ａの充放電電力、蓄電装置６ｂの充放電電力は、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等に応じて、それぞれ制御できる。

図８は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の制御動作を示す図である。図８では、横軸に時間をとり、縦軸に断流器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ投入指令ＬＢ_ａ、ＬＢ_ｂ、ＬＢ_ｃ、ＬＢ_ｄ、ＬＢ_ｅ、ＬＢ_ｆ、チョッパ回路２２ａ、２２ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂ、インバータ回路３７ａ、３７ｂゲートスタート指令ＧＳＴｉｎｖ_ａ、ＧＳＴｉｎｖ_ｂ、電圧センサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ検出値Ｅｓ_ａ、Ｅｓ_ｂ、Ｅｓ_ｃ、Ｅｓ_ｄ、電流センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ検出値Ｉｓ_ａ、Ｉｓ_ｂ、Ｉｓ_ｃ、Ｉｓ_ｄ、および電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ回転速度Ｆｒ_ａ、Ｆｒ_ｂ、Ｆｒ_ｃ、Ｆｒ_ｄの各信号の動きを示している。

時間Ｔ０では、車両は停車している状態である。このとき、チョッパ回路２２ａ、２２ｂの高圧側電圧に相当する、電圧センサ２０ｂ、２０ｅ検出値Ｅｃｆ_ｂ、Ｅｃｆ_ｅの電圧値は零である。一方、時間Ｔ０では、エンジン２３ａ、および発電機２４ａにより発電された電力が、電力伝達手段７ａ、７ｂ、７ｃを介して供給されている。また、電圧検出器２０ｇの検出値Ｅｓ_ｇが所定の目標電圧値に追従するように、エンジン２３ａ、および発電機２４ａは制御される。このため、電圧検出器２０ｇと、電力伝達手段７ａ、７ｂ、７ｃを介して接続されている、電圧センサ２０ａ、２０ｄ検出値Ｅｓ_ａ、Ｅｓ_ｄも、電圧検出器２０ｇの検出値Ｅｓ_ｇと概ね等しい値で推移している。

時間Ｔ１では、断流器１６ａ投入指令ＬＢ_ａ、および断流器１６ｄ投入指令ＬＢ_ｄを「１」とする。これにより、断流器１６ａ、１６ｄが投入され、蓄電装置６ａからチョッパ回路２２ａに、および蓄電装置６ｄからチョッパ回路２２ｂにそれぞれ電力が供給される。いま、蓄電装置６ａ、６ｂの出力電圧は、フィルタコンデンサ１９ａ、１９ｂの両端電圧よりも大きい。このため、蓄電装置６ａの出力電圧とフィルタコンデンサ１９ａの電圧が等しくなるまで、フィルタコンデンサ１９ａは充電抵抗１８ａを介して充電され、また、蓄電装置６ｂの出力電圧とフィルタコンデンサ１９ｂの電圧が等しくなるまで、フィルタコンデンサ１９ｂは充電抵抗１８ｂを介して充電される。

なお、図８では、蓄電装置６ａの蓄電量が、蓄電装置６ｂの蓄電量よりも大きいなどの理由により、蓄電装置６ａの出力電圧が、蓄電装置６ｂの出力電圧よりも大きい場合を示している。このとき、フィルタコンデンサ１９ａの充電後の電圧値Ｅｃｆ_ａ（実線）は、フィルタコンデンサ１９ｂの充電後の電圧値Ｅｃｆ_ｅ（点線）よりも大きい。また、フィルタコンデンサ１９ａが充電される過程で、電流センサ２１ａに流れる電流Ｉｓ_ａ（点線）は、フィルタコンデンサ１９ｂが充電される過程で、電流センサ２１ｃに流れる電流Ｉｓ_ｃ（実線）よりも大きい。

時間Ｔ２では、断流器１６ｂ投入指令ＬＢ_ｂ、および断流器１６ｅ投入指令ＬＢ_ｅを「１」とする。これにより、断流器１６ｂ、１６ｅが投入され、チョッパ回路２２ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分と、チョッパ回路２２ｂとインバータ回路３７ｂをつなぐ直流部分が、それぞれ電力伝達手段７ａ、電力伝達手段７ｂを介して接続される。前述したように、電力伝達手段７ａ、７ｂ、７ｃにおける電圧値は、エンジン２３ａ、および発電機２４ａにより目標電圧値に追従するように制御されている。このため、断流器１６ｂ、１６ｅが投入されると、フィルタコンデンサ１９ａ、１９ｂの両端電圧である電圧検出器２０ｂ、２０ｅの検出値Ｅｃｆ_ｂ、Ｅｃｆ_ｅは、電圧検出器２０ａ、２０ｄの検出値Ｅｓ_ａ、Ｅｓ_ｂと等しくなるまで、電力伝達手段７ａ、７ｂ、７ｃから電力が供給されるため、電流センサ２１ｂ、２１ｄに電流Ｉｓ_ｂ、Ｉｓ_ｄが流れる。

時間Ｔ３では、断流器１６ｃ投入指令ＬＢ_ｃ、および断流器１６ｆ投入指令ＬＢ_ｆを「１」とする。これにより、断流器１６ｃ、１６ｆが投入される。断流器１６ｃ、１６ｆにそれぞれ並列接続される充電抵抗器１８ａ、１８ｂに電流が流れていない状態で、断流器１６ｃ、１８ｆが投入されるため、断流器１６ｃ、１６ｆの投入により各部の電流量は変化しない。

時間Ｔ４では、チョッパ回路２２ａ、２２ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂを「１」とする。ここで、チョッパ回路２２ａは昇圧チョッパ動作を開始して、チョッパ回路２２ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分の電圧値Ｅｃｆ_ｂに応じて、チョッパ回路２２ａから前記直流部分に流入する電力が、所定の目標電力値に追従するように制御される。同様に、チョッパ回路２２ｂも昇圧チョッパ動作を開始して、チョッパ回路２２ｂとインバータ回路３７ｂをつなぐ直流部分の電圧値、Ｅｃｆ_ｅに応じて、チョッパ回路２２ｂから前記直流部分に流入する電力が、所定の目標電力値に追従するように制御される。

時間Ｔ５では、インバータ装置３７ａ、３７ｂゲートスタート指令ＧＳＴｃｈｐ_ａ、ＧＳＴｃｈｐ_ｂを「１」とする。これにより、電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが回転をはじめて、回転速度Ｆｒ_ａ、Ｆｒ_ｂ、Ｆｒ_ｃ、Ｆｒ_ｄが増加していく。

時間Ｔ６では、蓄電装置６ａ、６ｂの蓄電量が所定値まで減少したために、放電電力が制限されている状況を示している。このとき、エンジン２３ａ、発電機２４ａによる発電電力により電力伝達手段７ａを介して、チョッパ回路２２ａとインバータ回路３７ａをつなぐ直流部分に流入する電流である、電圧センサ２１ｂの検出値Ｉｓ_ｂ、また、電力伝達手段７ｂから、チョッパ回路２２ｂとインバータ回路３７ｂをつなぐ直流部分に流入する電流である電圧センサ２１ｄの検出値Ｉｓ_ｄが、蓄電装置６ａ、６ｂで制限された放電電力の分だけ供給されることにより、定トルク領域終端速度Ｖ７（時間Ｔ７）、定電力領域終端速度Ｖ８（時間Ｔ８）を経過しても、電動機８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは所定のトルク性能を保持しながら加速を続ける。

図９は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図である。車両１ａ、１ｂ、ｃは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａは車間連結器１１ａ、１１ｂ、車両１ｂは車間連結器１１ｃ、１１ｄ、車両１ｃは車間連結器１１ｅをそれぞれ備えており、車両１ａと車両１ｂは車間連結器１１ｂと車間連結器１１ｃで、車両１ａと車両１ｃは車間連結器１１ａと車間連結器１１ｅ連結されている。

システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ａ、Ｄｃｈｐ_ａ、Ｄｂｔｒ_ａを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ａ、Ｓｃｈｐ_ａ、Ｓｂｔｒ_ａを集約する。また、システム統括制御装置８ａは、インバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ａを情報制御装置９ａに送る。情報制御装置９ａは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ａでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、蓄電装置６ａの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。

また、車両１ａは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ａ、１２ｂを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ａを接続するための情報系連結器１３ａ、１３ｂをそれぞれ設備している。

システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｉｎｖ_ｂ、Ｄｃｈｐ_ｂ、Ｄｂｔｒ_ｂを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｉｎｖ_ｂ、Ｓｃｈｐ_ｂ、Ｓｂｔｒ_ｂを集約する。また、システム統括制御装置８ｂは、インバータ装置４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｂを情報制御装置９ｂに送る。情報制御装置９ｂは、情報伝送手段１０ａ、１０ｂを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｂでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ａは、この中からインバータ装置４ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ｂ、蓄電装置６ｂの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ａを選択して受信する。

また、車両１ｂは、編成内の他車両と電力伝達手段７ｂを接続するための電力系連結器１２ｃ、１２ｄを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｂを接続するための情報系連結器１３ｃ、１３ｄをそれぞれ設備している。

次に、車両１ｃの機器構成について説明する。車両１ｃには、エンジン２３ａ、２３ｂ、発電機２４ａ、２４ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂ、システム統括制御装置８ｃ、情報制御装置９ｃの各機器が配置される。エンジン２３ａにより、発電機２４ａを駆動して３相交流電力を発生させる。この３相交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａにより直流電力に変換され、電力伝達手段７ｃを供給して編成内の他車両１ａ、１ｂに送られる。同様に、エンジン２３ｂにより、発電機２４ｂを駆動して３相交流電力を発生させる。この３相交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ｂにより直流電力に変換され、電力伝達手段７ｃを供給して編成内の他車両１ａ、１ｂに送られる。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａの直流電力出力と、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ｂの直流電力出力は、同一の電力伝達手段７ｃに接続されており、エンジン２３ａ、発電機２４ａで発電された電力と、エンジン２３ｂ、発電機２４ｂで発電された電力とを合計した電力を、電力伝達手段７ｃを供給して編成内の他車両１ａ、１ｂに送ることができる。

システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３ａ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａと接続し、それぞれ制御要求Ｄｅｎｇ_ａ、Ｄｃｎｖ_ａを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｅｎｇ_ａ、Ｓｃｎｖ_ａを集約する。さらに、システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｅｎｇ_ｂ、Ｄｃｎｖ_ｂを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｅｎｇ_ｂ、Ｓｃｎｖ_ｂを集約する。

また、システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３ａ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ａを情報制御装置９ｃに送る。同様に、システム統括制御装置８ｃは、エンジン２３ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｂを情報制御装置９ｃに送る。情報制御装置９ｃは、情報伝送手段１０ｃを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａ、９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｃでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｃ、８ｄは、この中からエンジン２３ａ、２３ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂの制御に必要な情報Ｓｃｎｖ_ａ、Ｓｃｎｖ_ｂを選択して受信する。また、車両１ｃは、編成内の他車両と電力伝達手段７ａを接続するための電力系連結器１２ｅを、また、編成内の他車両と情報伝送手段１０ｃを接続するための情報系連結器１３ｅをそれぞれ設備している。

なお、本実施形態では、車両１ｃにエンジン２３、発電機２４、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５をそれぞれ２台備えて、電力伝達手段７ｃを介して直流電力を供給する構成を示している。しかし、本発明を実現する上で、エンジン２３、発電機２４、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５の台数について制限されない。エンジン２３、発電機２４、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５をそれぞれ３台以上備えることで、これらの機器が故障したときの冗長性を向上することが可能である。

以上、説明したように、この構成によると、システム統括制御装置８ａ、８ｂ、８ｃおよび情報制御装置９ａ、９ｂ、９ｃにより、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等の状態情報を共有できる。この共有情報に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５ａ、５ｂにより制御される蓄電装置６ａ、６ｂの充放電電流、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂにより制御される発電電流を調整することができる。すなわち、本発明によれば、編成列車おけるシリーズハイブリッドシステムで、複数車両に分散搭載した各蓄電装置に充放電される電流を個別に制御することにより、蓄電装置を構成する蓄電媒体の種類、新旧、蓄電容量など特性が異なる場合でも、蓄電装置の交換周期を等しく、かつ長周期化して、蓄電装置の交換作業を最小にすることを可能とする、鉄道車両システムを提供できる。

図１０は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成の詳細を示す図である。車両１ａ、１ｂ、１ｃは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａ、１ｂの機器構成については、図２に示している、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成の詳細を示す図と同一であるため、ここでは図示を省いた。

車両１ｃには、発電機２４ａ、２４ｂ、速度検出器４０ａ、４０ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂ、システム統括制御装置８ｃ、情報制御装置９ｃの各機器が配置される。

発電機２４ａは、図示していないエンジン等の動力で駆動されて三相交流電力を発生する。速度検出器４０ａは発電機２４ａの回転速度を検出できるように、回転軸に繋げられている。ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａは、発電機２４ａにより発生された三相交流電力を基に、これを直流電力に変換して、電力伝達手段７ｃに供給する。

コンバータ回路４１ａは、発電機２４ａにより発生された三相交流電力を、コンバータ制御部４２ａが出力するスイッチング信号ＧＰｃｎｖ_ａに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、直流電力に変換する。また、電力伝送装置７ｃからの供給電圧を測定するための電圧検出器２０ｇ、供給電流を測定するための電流検出器２１ｅ、フィルタコンデンサ１９ｃの端子間電圧を測定するための電圧検出器２０ｈ、発電機２４ａにより発生された三相交流電力の各相の電流を測定する電流検出器２１ｆをそれぞれ配置する。

発電機２４ｂは、図示していないエンジン等の動力で駆動されて三相交流電力を発生する。速度検出器４０ｂは発電機２４ｂの回転速度を検出できるように、回転軸に繋げられている。ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ｂは、発電機２４ｂにより発生された三相交流電力を基に、これを直流電力に変換して、電力伝達手段７ｃに供給する。

断流器１６ｉは、電力伝達手段７ｃとコンバータ回路４１ｂをつなぐ直流部分で、電力伝達手段７ｃに近い側に配置し、電力伝達手段７ｃから前記直流部分への電力供給を断続する機能を持つ。また、断流器１６ｊは、前記直流部分で、コンバータ回路４１ｂに近い側に配置される。断流器１６ｊに並列接続される充電抵抗器１８ｄは、コンバータ回路４１ｂの入力端に並列に接続されるフィルタコンデンサ１９ｄが、電力伝達手段７ｃにより供給される直流電力により充電される時に、急激に電流が流入することを避ける役目を果たす。

コンバータ回路４１ｂは、発電機２４ｂにより発生された三相交流電力を、コンバータ制御部４２ｂが出力するスイッチング信号ＧＰｃｎｖ_ｂに基づいて、図示していないスイッチング素子を制御することにより、直流電力に変換する。また、電力伝送装置７ｃからの供給電流を測定するための電流検出器２１ｇ、フィルタコンデンサ１９ｄの端子間電圧を測定するための電圧検出器２０ｉ、発電機２４ｂにより発生された三相交流電力の各相の電流を測定する電流検出器２１ｈをそれぞれ配置する。

システム統括制御装置８ｃは、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂ、および図示していないエンジン２３ａ、２３ｂと接続し、それぞれ制御要求Ｄｃｎｖ_ａ、Ｄｅｎｇ_ａ、Ｄｃｎｖ_ｂ、Ｄｅｎｇ_ｂを与えると共に、各装置の状態情報Ｓｃｎｖ_ａ、Ｓｅｎｇ_ａ、Ｓｃｎｖ_ｂ、Ｓｅｎｇ_ｂを集約する。また、システム統括制御装置８ｃは、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂ、および図示していないエンジン２３ａ、２３ｂとの間で収受した情報Ｄｉｎｆ_ｃを情報制御装置９ｃに送る、情報制御装置９ｃは、情報伝送手段１０ｃを経て、編成内の他車両の情報制御装置９ａ、９ｂとの間で情報を共有できる。すなわち、情報制御装置９ｃでは、列車全体の情報を収集でき、システム統括制御装置８ｃは、この中からＡＣ／ＤＣコンバータ装置２５ａ、２５ｂ、および図示していないエンジン２３ａ、２３ｂの制御に必要な情報Ｓｉｎｆ_ｃを選択して受信する。

図１１は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器制御方式を示す図である。まず、チョッパ回路２２ａの制御方式について説明する。チョッパ回路２２ａでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力に従って、蓄電装置６ａの充放電電力を制御する、「定電力型充放電制御」を実現する。

インバータ装置４ａ電力Ｐｉｎｖ_ａと、インバータ装置４ｂ電力Ｐｉｎｖ_ｂを、加算器３１ａで足し算することにより、インバータ装置４ａ、４ｂの合計消費電力Ｐｉｎｖを求める。この合計消費電力Ｐｉｎｖに、乗算器３２ａで、インバータ装置４ａの電力負担率ζ_ａを掛け算することにより、チョッパ回路２２ａで負担すべき変換電力Ｐζ_ａを求める。

ここで、電力負担率ζ_ｂは、蓄電装置６ａからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ａ、蓄電装置６ｂからの情報を用いて算出される蓄電装置の劣化指標ＳＯＨ_ｂをもとに次式より算出される。
ζ_＝（１−ＳＯＨ_ａ）／（ＳＯＨ_ａ＋ＳＯＨ_ｂ）
すなわち、蓄電装置６ａと、蓄電装置６ｂの充放電電力を、劣化指標ＳＯＨ_ａ、ＳＯＨ_ｂにより、劣化度の高い蓄電装置の充放電電力を抑制するように配分することで、最終的には両者の劣化度が同一となるように調整制御される。

次に、コンバータ回路４１ａの制御方式について説明する。コンバータ回路４１ａでは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ｃの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、発電機２４の発電を制御する、「定電圧型発電制御」を実現する。直流部電圧指令Ｖｄｃは、システム統括制御装置８ｃにて決定され、システム統括制御装置８ｃのコンバータ制御部４２に対する制御要求Ｄｃｎｖ_ａの一情報として伝送される。直流部電圧指令Ｖｄｃと、電圧検出器２０ｇ電圧Ｖ_ｇを、減算器２６ｃで引き算することにより、電圧差分ΔＶｄｃを求める。

電圧安定化制御器２７ａは、前述の電圧差分ΔＶｄｃを入力として、これをゼロに収束させるためにコンバータ回路４１が出力すべき電流指令Ｉ_ｃｈを算出する。乗算器３２ｃは、前述の電流指令Ｉ_ｃｈと、電圧検出器２０ｇを掛け算することにより、コンバータ回路４１の出力指令Ｐｃｎｖ_ａを算出する。除算器３３ｃは、コンバータ回路４１の出力指令Ｐｃｎｖ_ａから発電機２４ａロータ周波数Ｆｒｇ_ａを割り算することにより、コンバータ回路４１の交流電流実効値の指令値Ｉｍｈ_ａを算出する。ところで、定数テーブル３４ａは、発電機２４ａロータ周波数Ｆｒｇ_ａを入力として、励磁電流指令Ｉｄｐ_ａを算出する。励磁電流指令Ｉｄｐ_ａに対して、乗算器３２ｄで定数ゲインＫｉｄを掛け算し、さらに、除算器３３ｄでコンバータ回路４１ａの交流電流実効値の指令値Ｉｍｈ_ａから励磁電流指令Ｉｄｐ_ａを割り算することにより、トルク電流指令Ｉｑｐ_ａを算出する。ベクトル制御部３５ａは、前述のトルク電流指令Ｉｑｐ_ａ、励磁電流指令Ｉｄｐ_ａ、発電機２４ａ出力電流Ｉｇ_ａを入力して、コンバータ回路４１ａの交流側電圧を規定する電圧指令値Ｖ_ｃｈを出力する。ＰＷＭ制御部２９ｃは、前述の電圧指令Ｖ_ｃｈを入力として、コンバータ回路を駆動する変調率γ_ｃを算出する。ゲートパルス発生器３０ｃは、変調率γ_ｃを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ｃを算出して、コンバータ回路４１ａを駆動する。

次に、コンバータ回路４１ｂの制御方式について説明する。コンバータ回路４１ｂでは、コンバータ発電電力指令Ｐｃｎｖに従って、発電機２４の発電を制御する、「定電力型発電制御」を実現する。除算器３３ｄは、コンバータ発電電力指令Ｐｃｎｖを、電圧検出器２０ｈ電圧Ｖｈで割り算することにより、コンバータ発電電流指令Ｉ_ｄｈを算出する。減算器２６ｃは、コンバータ発電電流指令Ｉ_ｄｈから、電流検出器２１ｆ電流Ｉ_ｆを引き算することにより、電流差分ΔＩ_ｄを算出する。電流安定化制御器２８ｃは、前述の電流差分ΔＩｄｃを入力として、これをゼロに収束させるためにコンバータ回路４１ｂが出力すべきコンバータ回路４１ｂの交流電流実効値の指令値Ｉｍｈ_ｂを算出する。ところで、定数テーブル３４ｂは、発電機２４ｂロータ周波数Ｆｒｇ_ｂを入力として、励磁電流指令Ｉｄｐ_ｂを算出する。励磁電流指令Ｉｄｐ_ｂに対して、乗算器３２ｅで定数ゲインＫｉｄを掛け算し、さらに、除算器３３ｄでコンバータ回路４１ｂの交流電流実効値の指令値Ｉｍｈ_ｂから励磁電流指令Ｉｄｐ_ｂを割り算することにより、トルク電流指令Ｉｑｐ_ｂを算出する。ベクトル制御部３５ｂは、前述のトルク電流指令Ｉｑｐ_ｂ、励磁電流指令Ｉｄｐ_ｂ、発電機２４ｂ出力電流Ｉｇ_ｂを入力して、コンバータ回路４１ｂの交流側電圧を規定する電圧指令値Ｖ_ｄｈを出力する。ＰＷＭ制御部２９ｄは、前述の電圧指令Ｖ_ｄｈを入力として、コンバータ回路４１ｂを駆動する変調率γ_ｄを算出する。ゲートパルス発生器３０ｄは、変調率γ_ｄを入力として、これに応じたゲートパルスＧＰｃｈｐ_ｄを算出して、コンバータ回路４１ｂを駆動する。

以上、説明したように、この構成によると、コンバータ回路４１ａでは、直流部電圧すなわちフィルタコンデンサ１９ｃの両端電圧を、直流部電圧指令Ｖｄｃに追従させるように、発電機２４の発電を制御し、コンバータ回路４１ｂでは、コンバータ発電電力指令Ｐｃｎｖに従って、発電機２４の発電を制御する一方で、チョッパ回路２２ａ、２２ｂでは、インバータ装置４ａ、４ｂの消費電力Ｐｉｎｖ_ａ、Ｐｉｎｖ_ｂに従って、蓄電装置６ａ、６ｂの充放電電力を制御する。ここで、蓄電装置６ａの充放電電力、蓄電装置６ｂの充放電電力は、蓄電装置６ａ、６ｂの種類、劣化状況、蓄電量、温度等に応じて、それぞれ制御できる。

図１は本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。図２は本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成の詳細を示す図である。図３は本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器制御方式を示す図である。図４は本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の制御動作を示す図である。図５は本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成を示す図である。図６は本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成の詳細を示す図である。図７は本発明の電気車の駆動システムにおける第二実施形態の機器制御方式を示す図である。図８は本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の制御動作を示す図である。図９は本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図である。図１０は本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成の詳細を示す図である。図１１は本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器制御方式を示す図である。図１２は従来の鉄道車両駆動システムを示す図である。

符号の説明

１車両
２台車
３輪軸
４インバータ装置
５ＤＣ／ＤＣコンバータ装置
６蓄電装置
７電力伝達手段
８システム統括制御装置
９情報制御装置
１０情報伝送手段
１１車間連結器
１２電力系連結器
１３情報系連結器
１４（欠番）
１５平滑リアクトル
１６断流器
１７（欠番）
１８充電抵抗器
２０電圧検出器
２１電流検出器
２２チョッパ回路
２３エンジン
２４発電機
２５ＡＣ／ＤＣコンバータ装置
２６減算器
２７電圧安定化制御器
２８電流安定化制御器
２９ＰＷＭ制御部
３０ゲートパルス発生器
３１加算器
３２乗算器
３３除算器
３４定数テーブル
３５ベクトル制御部
３６電動機
３７インバータ回路
３８インバータ制御部
３９チョッパ制御部
４０速度検出器
４１コンバータ回路
４２コンバータ制御部
１０１第一の鉄道車両
１０２第二の鉄道車両
１１０発電手段
１２０電力変換装置
１３０駆動輪
１４０電力伝達手段
１５０蓄電手段
２００電力管理手段。

Claims

複数の車両を連結して構成される鉄道車両システムにおいて、
複数の車両のうち少なくとも２車両は、充電および放電する機能を持つ蓄電手段と、前記蓄電手段により充電および放電され、第１の電圧値レベルを有する直流電力について、流れる電流量を調整する機能を持つ第１の電力変換手段と、前記第１の電力変換手段により流れる電流量を調整され、かつ第２の電圧値レベル有する直流電力をもとに、これを交流電力に変換する第２の電力変換手段と、前記交流電力をもとに鉄道車両を駆動する電動機と、前記第２の電圧値レベル有する直流電力を車両で共有するための電力伝達手段と、前記蓄電手段と前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段を制御するシステム制御手段と、各車両の前記システム制御手段間で相互に制御情報を収受する情報制御手段と、を備えることを特徴とする鉄道車両システム。
請求項１記載の鉄道車両システムにおいて、
複数の車両のうち少なくとも２車両が備える第１の電力変換手段のなかで、特定の一電力変換手段は、前記電力伝達手段で結合された、前記第２の電圧値レベルを有する直流電力について、前記電圧値を所定目標値に追従するように制御することを特徴とする鉄道車両システム。
請求項２記載の鉄道車両システムにおいて、
特定の一電力変換手段ではない電力変換手段は、前記情報制御手段により収受された前記蓄電手段の状態情報に応じて、前記蓄電手段の充電および放電電力を調整制御することを特徴とする鉄道車両システム。
請求項１記載の鉄道車両システムにおいて、
複数の車両のうち少なくとも２車両間で、前記電力伝達手段、および電力伝送連結手段で結合され、第２の電圧値レベルを有する直流電力に対して、電力を追加供給できる、少なくとも１以上の第３の電力変換手段を備えることを特徴とする鉄道車両システム。
請求項４記載の鉄道車両システムにおいて、
複数の車両のうち少なくとも２車両が備える、第１の電力変換手段、または第３の電力変換手段のなかで、特定の一電力変換手段は、前記電力伝達手段で結合された、前記第２の電圧値レベルを有する直流電力について、前記電圧値を所定目標値に追従するように制御することを特徴とする鉄道車両システム。
請求項５記載の鉄道車両システムにおいて、
特定の一電力変換手段ではない電力変換手段は、前記情報制御手段により収受された前記蓄電手段の状態情報に応じて、前記蓄電手段の充電および放電電力を調整制御することを特徴とする鉄道車両システム。
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の鉄道車両システムにおいて、
前記第３の電力変換手段は、発電手段で発生された交流電力を、直流電力に変換する機能を備えることを特徴とする鉄道車両システム。
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の鉄道車両システムにおいて、
前記第３の電力変換手段は複数備えられ、各々発電手段で発生された交流電力を、直流電力に変換する機能を備えることを特徴とする鉄道車両システム。