JP5995470B2 - 電気車用電源システム及び電力供給制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

直流電車にバッテリを搭載し、架線からの供給電力（直流電力）とバッテリの放電電力（直流電力）との一方或いは両方によって主電動機を駆動して走行する架線・バッテリハイブリッド電車が知られている。このハイブリッド電車には、回生エネルギーによってバッテリを充電したり、非電化区間ではバッテリの放電電力（直流電力）によって走行可能になるといった特長がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２５３０８４号公報

開発されたハイブリッド電車としても、本出願人が開発した架線・バッテリハイブリッドＬＲＶ「Ｈｉ−ｔｒａｍ」の他、多くの電車が存在する。しかし、何れのハイブリッド電車についても直流電車であり、交流電車については開発が進んでいないのが実情である。また、機関車については、ハイブリッドのディーゼル機関車の開発が進んでいるが、電気機関車のハイブリッド化の開発は進んでいない。勿論、交流電気車の他、交直流電気車についても同様である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交流区間を走行可能な電気車の架線・バッテリハイブリッド化を可能とする技術を提案することである。

上記課題を解決するための第１の形態は、
架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリ（例えば、図１のバッテリ６０Ａ）の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム（例えば、図１の電源システム１Ａ）であって、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部（例えば、図１の主回路側コンバータ３１）及び第１インバータ部（例えば、図１のインバータ３２）を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路（例えば、図１の主変換回路３０）と、
前記主変圧器の３次巻線に接続され、補機に電力を供給する補機用変換回路（例えば、図１の補機用変換回路４０）と、
前記補機用変換回路と並列に前記３次巻線に接続され、前記架線モード時に前記バッテリを充電する電力を供給する第２コンバータ部（例えば、図１の三次巻線側コンバータ５１）と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する遮断器（例えば、図１の高速度遮断器ＢＨＢ）と、
制御装置（例えば、図１の制御部７０）と、
を備え、
前記制御装置は、
前記遮断器を開放することで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記遮断器を投入し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。

また、他の形態として、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の３次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路と並列に前記３次巻線に接続された第２コンバータ部と、前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放することで前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。

この第１の形態等によれば、主電動機に電力を供給する主変換回路と、補機に電力を供給する補機用変換回路の他に、バッテリを充電する第２コンバータ部とを備え、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替え可能な電気車用電源システムが実現される。

すなわち、架線モードでは遮断器を開放することでバッテリを主変換回路の直流リンク部から切り離し、架線からの交流電力をもとにした主電動機の駆動電力を主変換回路が主電動機に供給する。またこのとき、主変圧器の三次巻線に補機用変換回路と並列接続された第２コンバータ部によって、バッテリが充電される。一方、バッテリモードでは、遮断器を投入することでバッテリを主変換回路の直流リンク部に接続し、バッテリからの直流電力をもとにした主電動機の駆動電力を第１インバータ部が主電動機に供給するとともに、第２コンバータ部のインバータ動作によって補機側にも電力が供給される。これにより、交流区間を走行可能な電気車における架線・バッテリハイブリッド化が実現される。

また、第２の形態として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第２コンバータ部の１次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第１コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第１コンバータ部の２次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする電気車用電源システムを構成しても良い。

この第２の形態によれば、第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路（単相全波整流回路）として機能するように構成されている。そして、バッテリモードへの切り替えは、更に、第１コンバータ部の動作を停止させることでなされる。つまり、バッテリモードでは、主変換回路の直流リンク部には、第１コンバータ部の二次側電圧と、バッテリの出力電圧とが印加されるが、この両電圧は略同一となる。

また、第３の形態として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記２次巻線と前記第１コンバータ部とを接続する接触器（例えば、図１１の接触器Ｋｓ）を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記接触器を開放する、
電気車用電源システムを構成しても良い。

この第３の形態によれば、電気車用電源システムは、主変圧器の第２巻線と第１コンバータとを接続する接触器を更に備えて構成される。そして、バッテリモードへの切り替えは、更に、第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、接触器を開放することでなされる。これにより、バッテリモードでは、主変換回路の直流リンク部には、バッテリの出力電圧のみが印加される。

また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の電気車用電源システムであって、
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記遮断器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第１コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。

この第４の形態によれば、電気車の停止時に、架線からの交流電力をもとに、第１コンバータ部がバッテリへの充電電力を供給する急速充電を行うことができる。遮断器の投入によって主変換回路の直流リンク部とバッテリとが接続されることで、架線からの交流電力が第１コンバータ部を介してバッテリに供給可能となる。大容量の充電電力をバッテリに供給できるため、急速充電が可能となるのである。

第１実施形態における電源システムの構成図。 架線モードにおける電力供給動作の説明図。 バッテリモードにおける電力供給動作の説明図。 主回路側コンバータの回路構成図。 バッテリの急速充電における電力供給動作の説明図。 架線モードでの起動の際の制御手順の説明図。 架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。 バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。 第２実施形態における電源システムの構成図。 架線モードでの起動の際の説明図。 架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。 バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。 バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下では、電車の回路構成について説明するが、ＬＲＶや機関車にも本発明を適用可能である。また、本発明の交直流電車に応用することも可能である。すなわち、本発明の適用可能な実施形態は以下に限定されるものではない。

［第１実施形態］

＜構成＞
図１は、第１実施形態における電源システム１Ａの回路構成図である。この電源システム１Ａは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０と、補機用変換回路４０と、三次巻線側コンバータ５１（第２コンバータ部）と、バッテリ６０Ａと、接触器Ｋと、高速度遮断器ＢＨＢ（遮断器）と、リアクトルＬと、制御部７０とを備えて構成される。

主変圧器２０の一次巻線２１は、真空遮断器ＶＣＢを介してパンタグラフ２と接続され、二次巻線２２は、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に接続され、三次巻線２３は、三次巻線側コンバータ５１の入力端（一次側）、及び、補機用変換回路４０に接続されている。主変圧器２０は、一次巻線２１に架線電圧の「２００００Ｖ」の単相交流電力が印加されると、二次巻線２２に「１０００Ｖ」の単相交流電圧を発生し、三次巻線２３に「４４０Ｖ」の単相交流電圧を発生するように、一次巻線２１と、二次巻線２２及び三次巻線２３それぞれとの巻線比が構成されている。

主変換回路３０は、主回路側コンバータ３１（第１コンバータ部）と、インバータ３２（第１インバータ部）とを有している。

主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）は、主変圧器２０の二次巻線２２に接続され、出力端（二次側）は、インバータ３２の入力端（一次側）に接続されている。この主回路側コンバータ３１は、入力端（一次側）に入力される交流電圧（単相１０００Ｖ）を直流電圧（１８００Ｖ）に変換する位相同期方式のＰＷＭコンバータとして機能する。

インバータ３２の入力端（一次側）は、主回路側コンバータ３１の出力端（二次側）に接続され、出力端（二次側）は、主電動機４に接続されている。このインバータ３２は、入力端（一次側）に入力される直流電圧（９００Ｖ〜１８００Ｖ）を、三相交流電圧に変換して主電動機４に駆動電力を供給する。

主電動機４は、インバータ３２から電力（三相交流電力）が供給されることで車軸を回転制御する主電動機（メインモータ）であり、例えば三相誘導電動機で実現される。なお、図面では１台のインバータで４台の電動機を制御する１Ｃ４Ｍ方式を図示しているが、これは一例であり、１Ｃ１Ｍ方式などの他の方式にも本実施形態を適用可能であることは勿論である。

補機用変換回路４０は、空調装置や照明装置といった補助的な機器（補機）に電力を供給するための電源回路であり、交流電力（単相４４０Ｖ）を直流電力に変換する静止形インバータ４１を含んで構成される。

三次巻線側コンバータ５１の入力端（一次側）は、主変圧器２０の三次巻線２３に接続され、出力端（二次側）には、接触器Ｋを介してバッテリ６０Ａが接続されている。この三次巻線側コンバータ５１は、入力端（一次側）に入力される交流電力（単相４４０Ｖ）を直流電力に変換する位相同期方式のＰＷＭコンバータとして機能する（順方向運転）とともに、出力端（二次側）に入力される直流電力を交流電力（単相４４０Ｖ）に変換して入力端（一次側）から出力するＰＷＭインバータとしても機能する（逆方向運転）。

バッテリ６０Ａは、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールであり、定格電圧が「９００Ｖ以上１８００Ｖ以下」に構成されている。このバッテリ６０Ａは、接触器Ｋを介して、三次巻線側コンバータ５１の出力端（二次側）に接続されているとともに、高速度遮断器ＢＨＢ及びリアクトルＬを介して、主回路側コンバータ３１とインバータ３２との間の直流リンク部に接続されている。

制御部７０は、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭやＲＡＭ等）から構成されるコンピュータや各種の電子回路によって実現され、制御装置として機能する。この制御部７０は、後述する走行モードの切り替え制御を行う。具体的には、主回路側コンバータ３１や三次巻線側コンバータ５１、インバータ３２それぞれの動作を制御するとともに、真空遮断器ＶＣＢや接触器Ｋ、高速度遮断器ＢＨＢそれぞれの投入／開放を制御する。

＜走行モード＞
電源システム１Ａにおける走行モードを説明する。走行モードには、「架線モード」及び「バッテリモード」の２種類がある。

（Ａ）架線モード
架線モードは、架線から供給される交流電圧（単相２００００Ｖ）によって主電動機４を駆動して走行するモードである。

図２は、架線モードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。架線モードでは、パンタグラフ２が上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢが投入される。高速度遮断器ＢＨＢは開放され、接触器Ｋは投入される。つまり、バッテリ６０Ａは、主回路から切り離されている。また、主回路側コンバータ３１、及び、三次巻線側コンバータ５１は、ともにコンバータ動作（順方向運転）をするように制御されている。

電気の流れを見ると、架線電圧である交流電圧（単相２００００Ｖ）が主変圧器２０の一次巻線２１に印加され、二次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生し、三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が発生している。

二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１によって直流電圧（１８００Ｖ）に変換され、更に、インバータ３２によって三相交流電力に変換されて主電動機４に供給される。一方、三次巻線２３に発生した交流電圧（単相４４０Ｖ）は、補機用変換回路４０に供給されるとともに、三次巻線側コンバータ５１によって直流電圧に変換されてバッテリ６０Ａが充電される。このとき、三次巻線側コンバータ５１の変調率制御によって、その出力端（二次側）の出力電流（すなわち、バッテリ６０Ａの充電電流）が制御される。なお、バッテリ６０Ａが満充電状態であるなど、充電の必要が無いときには、三次巻線側コンバータ５１の動作を停止することができる。このように、架線モードでは、後述の急速充電以外にも、停車中や走行中に、架線からの電力や回生電力によってバッテリ６０Ａを充電することが可能となる。

（Ｂ）バッテリモード
バッテリモードは、バッテリ６０Ａの蓄積電力によって主電動機４を駆動して走行するモードである。

図３は、バッテリモードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。バッテリモードでは、パンタグラフ２は降下され、真空遮断器ＶＣＢは開放される。接触器Ｋ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入される。また、主回路側コンバータ３１は動作を停止しており、三次巻線側コンバータ５１はインバータ動作（逆方向運転）をするように制御されている。

電気の流れを見ると、バッテリ６０Ａの放電電圧（直流９００Ｖ以上１８００Ｖ以下以下）が、インバータ３２によって三相交流電力に変換されて主電動機４に供給される。

また、バッテリ６０Ａの放電電圧（直流９００Ｖ以上１８００Ｖ以下）は、三次巻線側コンバータ５１によって交流電圧（単相４４０Ｖ）に変換され、補機用変換回路４０に供給されるとともに、主変圧器２０の三次巻線２３に印加される。主変圧器２０の三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が印加されることで、一次巻線２１を介して、二次巻線２２には交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生する。一次巻線２１に発生する電圧は架線モードと同じである。

主変圧器２０の二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に入力されるが、主回路側コンバータ３１は動作停止しているため、直流電圧（９００Ｖ）に変換されてインバータ３２に供給される。つまり、インバータ３２の入力端（一次側）には、主回路側コンバータ３１からの直流電圧（９００Ｖ）と、バッテリ６０Ａからの直流電圧（９００Ｖ以上１８００Ｖ以下）とが供給される。

ここで、動作停止している主回路側コンバータ３１の出力が「９００Ｖ以上」の直流電力になる理由を説明する。図４は、主回路側コンバータ３１の回路構成図である。主回路側コンバータ３１が動作停止している場合には、ＩＧＢＴが非導通となっており、ダイオードで構成された単相全波整流回路（単相ブリッジ整流回路）と等価となる。すなわち、いわゆる純ブリッジ回路として機能する。主回路側コンバータ３１の負荷側は純抵抗負荷（インダクタンスを含まない）とみなせるため、入力端子間に入力される交流電圧の「０．９倍」の直流電圧が主力端子間に出力される。つまり、主回路側コンバータ３１が動作停止している場合、その入力端（一次側）に入力される「単相１０００Ｖ」の交流電圧の「０．９倍」である「９００Ｖ」の直流電圧が、出力端（二次側）から出力される。

また、三次巻線側コンバータ５１も同様の回路構成であり、動作停止している場合、入力端（一次側）に入力される単相交流電圧の「０．９倍」の直流電圧が、出力端（二次側）から出力される。

（Ｃ）急速充電
続いて、架線の供給電力（交流電力）によってバッテリ６０Ａを急速充電する場合を説明する。なお、この急速充電は、例えば駅などの停車場の停車中に行われる。

図５は、急速充電の際の電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。急速充電の際には、停車中であるため、インバータ３２は停止している。そして、急速充電時には、接触器Ｋ及び高速度遮断器ＢＨＢがともに投入される。パンタグラフ２は上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢは投入される。また、主回路側コンバータ３１及び三次巻線側コンバータ５１は、ともにコンバータ動作をするように制御されている。

電気の流れは、主変圧器２０の一次巻線２１には、架線から供給される交流電圧（単相２００００Ｖ）が印加され、二次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生し、三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が発生する。主変圧器２０の二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１によって直流電力に変換され、バッテリ６０Ａが充電される。このとき、主回路側コンバータ３１の変調率制御によって、その出力端（二次側）からの出力電流（すなわち、バッテリ６０Ａの充電電流）が制御される。架線電力及び主回路側コンバータ３１の出力はともに大容量であるため、バッテリ６０Ａの急速充電が可能となる。

また、主変圧器２０の三次巻線２３に発生した交流電圧（単相４４０Ｖ）は、補機用変換回路４０に供給されるとともに、三次巻線側コンバータ５１の入力端（一次側）に入力されるが、三次巻線側コンバータ５１は、動作停止、又は、出力端（二次側）の出力電流（すなわち、バッテリ６０Ａの充電電流）が０となるように制御されているため、三次巻線側コンバータ５１の出力電力によるバッテリ６０Ａの充電はなされない。

＜走行モードの切り替え＞
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部７０によってなされる。

（ａ）架線モードでの起動
図６は、停車中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器ＢＨＢは開放され、接触器Ｋは投入されている。また、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、インバータ３２、主回路側コンバータ３１、及び、三次巻線側コンバータ５１は、ともに動作停止している。

先ず、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＡ１）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ３）。これにより、主変圧器２０の一次巻線２１に架線電圧である「単相２００００Ｖ」の交流電圧が印加され、二次巻線２２に「単相１０００Ｖ」の交流電圧が発生するとともに、三次巻線２３に「単相４４０Ｖ」の交流電圧が発生する。

主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に「単相１０００Ｖ」の交流電圧が印加されるが、主回路側コンバータ３１は停止しているため、この時点では出力端（二次側）からは「約９００Ｖ」の直流電圧が出力される。また、三次巻線側コンバータ５１の入力端（一次側）に「単相４４０Ｖ」の交流電圧が印加され、三次巻線側コンバータ５１は停止しているため、出力端（二次側）からは「約３９６Ｖ」の直流電圧が出力されようとする。しかし、バッテリ６０Ａの両端電圧（バッテリ電圧）が「９００Ｖ以上」であるため、三次巻線側コンバータ５１が有するダイオードによって逆流阻止されて、三次巻線側コンバータ５１の出力端（二次側）は、バッテリ６０Ａの両端電圧（バッテリ電圧）である「９００Ｖ以上」に維持される。

次いで、三次巻線側コンバータ５１を、所与の充電電流指令に応じた出力電流となるよう、変調率制御によるコンバータ動作させる（ステップＡ５）。これにより、バッテリ６０Ａが充電される。

また、主回路側コンバータ３１を、変調率制御によって出力電圧が「１８００Ｖ」の直流電圧となるように、コンバータ動作させる（ステップＡ７）。その後、インバータ３２を起動する（ステップＡ９）。すると、インバータ３２によって、主回路側コンバータ３１から出力される「１８００Ｖ」の直流電圧が三相交流電圧に変換されて、主電動機４に供給される。

（ｂ）架線モードからバッテリモードへ切り替え
図７は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させ（ステップＢ１）、次いで、主回路側コンバータ３１を停止させる（ステップＢ３）。これにより、主回路側コンバータ３１の出力端（二次側）の出力電力が「直流９００Ｖ以上」となる。

続いて、高速度遮断器ＢＨＢを投入する（ステップＢ５）。これにより、バッテリ６０Ａから放電される「９００Ｖ以上」の直流電力が、インバータ３２の入力端（一次側）に入力されるとともに、三次巻線側コンバータ５１の出力端（二次側）に入力される。

そして、三次巻線側コンバータ５１を、入力端（一次側）の電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＢ７）。これにより、三次巻線側コンバータ５１の入力端（一次側）から出力される「単相４４０Ｖ」の交流電圧が、補機用変換回路４０に供給される。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＢ９）、パンタグラフ２を降下させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。

（ｃ）バッテリモードから架線モードへ切り替え
図８は、バッテリモードから架線走行へ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。

続いて、三次巻線側コンバータ５１を、変調率制御によるコンバータ動作に変更する（ステップＣ７）。そして、高速度遮断器ＢＨＢを開放し（ステップＣ９）、主回路側コンバータ３１を、出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、変調率制御によるコンバータ動作させる（ステップＣ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＣ１３）。

（ｄ）バッテリモードでの起動
図９は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器ＢＨＢは開放され、パンタグラフ２は降下し、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、インバータ３２、主回路側コンバータ３１、及び、三次巻線側コンバータ５１は、ともに動作停止している。

先ず、接触器Ｋを投入する（ステップＤ１）。次いで、三次巻線側コンバータ５１を、出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるように、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作させる（ステップＤ３）。続いて、高速度遮断器ＢＨＢを投入し（ステップＤ５）、その後、インバータ３２を起動させる（ステップＤ７）。

（ｅ）バッテリ６０Ａの急速充電
図１０は、バッテリ６０Ａを急速充電する場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。続いて、三次巻線側コンバータ５１を、出力電流（バッテリ６０Ａの充電電流）が「０」になるよう、変調率制御によるコンバータ動作させる（ステップＥ７）。

また、主回路側コンバータ３１を、所与の充電電流指令に応じた出力電流となるよう、変調率制御によってコンバータ動作させて、バッテリ６０Ａを充電する（ステップＥ９）。そして、バッテリ６０Ａの充電が完了すると（ステップＥ１１）、走行するモード（バッテリモード／架線モード）を判断する。

すなわち、「バッテリモード」で走行するならば（ステップＥ１３：バッテリ）、主回路側コンバータ３１を停止させる（ステップＥ１５）。次いで、三次巻線側コンバータ５１を、出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更する（ステップＥ１７）。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放させ（ステップＥ１９）、パンタグラフ２を降下させる（ステップＥ２１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＥ２３）。

一方、「架線モード」で走行するならば（ステップＥ１３：架線）、高速度遮断器ＢＨＢを開放させ（ステップＥ２５）、主回路側コンバータ３１を、出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、コンバータ動作させる（ステップＥ２７）。その後、インバータ３２を起動する（ステップＥ２９）。

＜作用効果＞
このように、本実施形態の電源システム１Ａは、主変圧器２０の三次巻線２３に、バッテリ６０Ａを充電するための三次巻線側コンバータ５１が補機用変換回路４０と並列に接続されるとともに、バッテリ６０Ａが、高速度遮断器ＢＨＢを介して主変換回路３０の直流リンク部に接続されて構成される。

これにより、架線からの供給電力（交流電力）によって主電動機４を駆動して走行する架線モードと、バッテリ６０Ａの放電電力（直流電力）によって主電動機４を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となり、交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、上述の第１実施形態において、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）を、接触器Ｋｓを介して主変圧器２０の二次巻線２２に接続する構成とした実施形態である。なお、以下において、上述の実施形態と同一要素については同符号を付し、その詳細な説明を省略又は簡略する。

＜構成＞
図１１は、第２実施形態における電源システム１Ｂの回路構成図である。電源システム１Ｂは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０と、補機用変換回路４０と、三次巻線側コンバータ５１と、バッテリ６０Ｂと、接触器Ｋと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、補機用変換回路４０と、制御部７０とを備えて構成される。主変換回路３０は、接触器Ｋｓと、主回路側コンバータ３１と、インバータ３２とを有している。

接触器Ｋｓは、主変圧器２０の二次巻線２２と、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）との間に設けられている。この接触器Ｋｓは、架線モード及びバッテリ６０Ａの急速充電の際に投入され、バッテリモードでは開放される。第２実施形態では、バッテリ６０Ｂの定格電圧を「７５０Ｖ」として説明するが、接触器Ｋｓによって、バッテリ６０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧（例えば、４４０Ｖ×０．９＝３９６Ｖ以上）であれば自由に設計することが可能である。

すなわち、主変圧器２０の二次巻線２２に「単相１０００Ｖ」の直流電圧が発生している状態で、主回路側コンバータ３１が動作停止している場合、その出力端（二次側）には「９００Ｖ」の直流電圧が発生する。このため、第１実施形態における電源システム１Ａでは、バッテリ６０Ａの定格電圧を、この主回路側コンバータ３１の出力電圧以上の「９００Ｖ以上」に構成する必要があった。

しかし、第２実施形態によれば、バッテリモードにおいて、接触器Ｋｓを開放することで、主回路側コンバータ３１の出力が０となり、主変換回路３０の直流リンク部には、バッテリ６０Ｂの放電電圧のみが印加される。これにより、バッテリ６０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧であれば自由に設計することができる。

＜走行モードの切り替え＞
続いて、電源システム１Ｂにおける走行モードの切り替えを説明する。

（ａ）架線モードでの起動
なお、架線モードにおける電力供給動作は、上述の第１実施形態における架線モードでの電力供給動作（図２参照）と同様である。

図１２は、停車中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、停車中であるため、高速度遮断器ＢＨＢは開放され、接触器Ｋは投入されている。また、パンタグラフ２は降下され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、インバータ３２、主回路側コンバータ３１、及び、三次巻線側コンバータ５１は、ともに動作停止している。

先ず、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＡ１）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ３）。次いで、三次巻線側コンバータ５１をコンバータ動作させて、バッテリ６０Ｂを充電する（ステップＡ５）。

また、接触器Ｋｓを投入する（ステップＡ６）。続いて、主回路側コンバータ３１を、変調率制御によって出力電圧が「１８００Ｖ」の直流電圧となるようにコンバータ動作させる（ステップＡ７）。その後、インバータ３２を起動する（ステップＡ９）。

（ｂ）架線モードからバッテリモードへ切り替え
図１３は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させ（ステップＢ１）、次いで、主回路側コンバータ３１を停止させる（ステップＢ３）。続いて、接触器Ｋｓを開放し（ステップＢ４）、その後、高速度遮断器ＢＨＢを投入する（ステップＢ５）。

そして、三次巻線側コンバータ５１を、入力端（一次側）の電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＢ７）。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＢ９）、パンタグラフ２を降下させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。

（ｃ）バッテリモードから架線モードへ切り替え
図１４は、バッテリモードから架線走行へ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。

続いて、三次巻線側コンバータ５１を、変調率制御によるコンバータ動作に変更する（ステップＣ７）。そして、高速度遮断器ＢＨＢを開放し（ステップＣ９）、接触器Ｋｓを投入する（ステップＣ１０）。次いで、主回路側コンバータ３１を、出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、変調率制御によるコンバータ動作させる（ステップＣ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＣ１３）。

（ｄ）バッテリモードでの起動
図１５は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器ＢＨＢは開放され、パンタグラフ２は降下し、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。また、インバータ３２、主回路側コンバータ３１、及び、三次巻線側コンバータ５１は、ともに動作停止している。

先ず、接触器Ｋを投入し（ステップＤ１）、また、接触器Ｋｓを投入する（ステップＤ２）。次いで、三次巻線側コンバータ５１を、入力端（一次側）の電圧が「単相４４０Ｖ」となるように、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作させる（ステップＤ３）。続いて、高速度遮断器ＢＨＢを投入し（ステップＤ５）、その後、インバータ３２を起動させる（ステップＤ７）。

（ｅ）バッテリ６０Ａの急速充電
図１６は、バッテリ６０Ａを急速充電する場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。

続いて、三次巻線側コンバータ５１を、出力電流（バッテリ６０Ａの充電電流）が「０」になるよう、変調率制御によりコンバータ動作させる（ステップＥ７）。次いで、接触器Ｋｓを投入する（ステップＥ８）。また、主回路側コンバータ３１を、所与の充電電流指令に応じた出力電流となるよう、変調率制御によりコンバータ動作させて、バッテリ６０Ａを充電する（ステップＥ９）。バッテリ６０Ａの充電が完了すると（ステップＥ１１）、起動する走行モードを判断する。

バッテリモードで走行するならば（ステップＥ１３：バッテリ）、主回路側コンバータ３１を停止させ（ステップＥ１５）、次いで、接触器Ｋｓを開放する（ステップＥ１６）。続いて、三次巻線側コンバータ５１を、入力端（一次側）の電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更する（ステップＥ１７）。そして、真空遮断器ＶＣＢを開放させ（ステップＥ１９）、パンタグラフ２を降下させる（ステップＥ２１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＥ２３）。

一方、架線モードで走行するならば（ステップＥ１３：架線）、高速度遮断器ＢＨＢを開放させ（ステップＥ２５）、主回路側コンバータ３１を、出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、コンバータ動作させる（ステップＥ２７）。その後、インバータ３２を起動する（ステップＥ２９）。

＜作用効果＞
このように、第２実施形態における電源システム１Ｂは、第１実施形態における電源システム１Ａにおいて、主変圧器２０の二次巻線２２と主回路側コンバータ３１との間に接触器Ｋｓが接続されて構成される。そして、バッテリモードにおいて、接触器Ｋｓを開放することで、動作停止している主回路側コンバータ３１の出力を０とすることができる。つまり、主変換回路３０の直流リンク部には、バッテリ６０Ａの放電電圧のみが印加されることになる。これにより、第１実施形態における作用・効果に加えて、バッテリ６０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧であれば自由に設計することが可能となる。

［第１及び第２実施形態の共通の作用効果］
本実施形態における電源システム１Ａ，１Ｂを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。これにより様々な作用効果が奏される。
例えば、上述の実施形態では電動機４への駆動電力の供給、すなわち力行時の説明を主にしたが、バッテリ６０Ａ，６０Ｂは主変換回路３０の直流リンク部に接続されているため、回生時には電動機４で発生した電力がバッテリ６０Ａ，６０Ｂに蓄積されることとなる。これにより、回生エネルギーをバッテリ６０Ａ，６０Ｂに蓄積することで、回生失効を防止し、エネルギーの有効利用が可能となる。

また、架線モードとバッテリモードとの切り替えが可能となるため、架線の停電時にバッテリモードに切り替えることで、最寄り駅まで走行するといったことが可能となる。

また、交流区間では架線電圧が「２００００〜２５０００Ｖ程度」と高いため、バッテリの急速充電時に、パンタ点に流れる電流が数十アンペアと小さくて済む。架線電圧が「１５００Ｖ程度」となる直流区間で急速充電を行おうとすると、大電流に対応した特殊な架線を用いる必要があるが、交流区間では通常（従来）のトロリー線で問題ない。例えば、１００ｋＷのバッテリ充電を行う場合には、５０Ａ（＝１０００００Ｗ／２００００Ｖ）のパンタ点電流となる。

また、交流電気車ではあるが、バッテリモードに切り替えることで、直流区間も走行できる。直流区間をバッテリモードで走行する際には、真空遮断器ＶＣＢを開放しておくことで、万が一、パンタグラフが上昇して架線に接触しても、架線電圧（直流電圧）が主変圧器に印加されることがないため、直流偏磁が発生しない。なお、交流電車は高圧用に設計されているため、直流区間（１５００Ｖ程度）においてパンタグラフが上昇し、架線に接触したとしても、電圧的に問題が生じることはない。

１Ａ，１Ｂ 電源システム
ＶＣＢ 真空遮断器
２０ 主変圧器、２１ 一次巻線、２２ 二次巻線、２３ 三次巻線
３０ 主変換回路、３１ 主回路側コンバータ、３２ インバータ
４０ 補機用変換回路、４１ 静止形インバータ
５１ 三次巻線側コンバータ
６０Ａ、６０Ｂ バッテリ
Ｋ，Ｋｓ 接触器、ＢＨＢ 高速度遮断器、Ｌ リアクトル
７０ 制御部
２ パンタグラフ、３ 車輪、４ 主電動機

Claims (5)

1. 架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
   主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
   前記主変圧器の３次巻線に接続され、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
   前記補機用変換回路と並列に前記３次巻線に接続され、前記架線モード時に前記バッテリを充電する電力を供給する第２コンバータ部と、
   前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する遮断器と、
   制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記遮断器を開放することで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
   前記遮断器を投入し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
   を有し、
   前記補機用変換回路は、前記架線モード及び前記バッテリモードの何れにおいても前記３次巻線側に係る交流電力に基づいて、前記補機へ電力供給が可能に構成された、
   電気車用電源システム。
2. 前記第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
   前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させ、
   前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第２コンバータ部の１次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第１コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第１コンバータ部の２次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする請求項１に記載の電気車用電
   源システム。
3. 前記２次巻線と前記第１コンバータ部とを接続する接触器を更に備え、
   前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記接触器を開放する、
   請求項１に記載の電気車用電源システム。
4. 前記制御装置は、電気車の停止時に、前記遮断器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第１コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の電気車用電源システム。
5. 主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の３次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路と並列に前記３次巻線に接続された第２コンバータ部と、前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
   前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放することで前記架線モードに切り替えるステップと、
   前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
   を含み、前記架線モード及び前記バッテリモードの何れにおいても前記３次巻線側に係る交流電力に基づいて、前記補機用変換回路が前記補機へ電力を供給する、
   電力供給制御方法。

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