JP6786268B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電システムに関する。

変電所から架線への電力が遮断されている場合に、電気車には、架線からの電力が供給されない。この場合、電気車に搭載された走行用モータに電力供給ができずに電気車が走行できなくなる可能性があった。

特開２０１０−２１５０１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、架線から電力が供給されない場合に電気車を走行させることができる電力変換システムに搭載される蓄電システムを提供することである。

実施形態の蓄電システムは、電池ユニットと、第１の接触器と、直流負荷用電力変換回路と、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。直流負荷用電力変換回路は、架線からの電力を降圧する変圧器の三次巻線を介して供給された第２の交流電力を、電気車に搭載された直流負荷を駆動させるための直流電力に変換して直流負荷に供給する。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。更に制御部は、変圧器の三次巻線から供給される第２の交流電力が低下した場合に、複数の二次電池の接続パターンを並列接続に切り替えた状態で、直流負荷に電力を供給する。

蓄電システム３００を含む第１の実施形態の電力変換システム１の一例を示す図。 負荷用交流−直流変換部１１０の一例を示す図。 蓄電システム３００の一例を示す図。 蓄電システム３００を含む第１の実施形態の電力変換システム１Ａの一例を示す図。 蓄電システム３００を含む第１の実施形態の電力変換システム１Ｂの一例を示す図。 蓄電システム３００における電池ユニット３１０Ａの一例を示す図。 蓄電システム３００における電池ユニット３１０Ｂの一例を示す図。 第２の実施形態において走行モードを切り替える処理の流れの一例を示すフローチャート。 通常時および鉄道車両の非常時におけるキャリア信号、変調波、およびＰＷＭ信号の一例を示す図。

以下、実施形態の蓄電システムを含む電力変換システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換システム１の一例を示す図である。電力変換システム１は、例えば鉄道車両に搭載される。鉄道車両は、電気車の一例である。電力変換システム１には、集電装置６００およびメイントランスの走行用巻線（７００および４０２）を介して、架線から高圧交流電力が供給される。高圧交流電力の電圧は、例えば、１５００Ｖ程度である。電力変換システム１は、高圧交流電力を走行用交流電力に変換して、走行用モータＭに供給する。これにより電力変換システム１は、走行用モータＭに走行トルクを発生させ、鉄道車両を走行させる。実施形態において、走行用モータＭは、例えば、誘導電動機である。

また、電力変換システム１は、集電装置６００およびメイントランスの負荷用巻線（７００および１０２）を介して、架線から低圧交流電力が供給される。メイントランスの負荷用巻線（７００および１０２）から供給される低圧交流電力は、メイントランスの走行用巻線（７００および４０２）から供給される交流電力よりも低い電圧である。走行用巻線４０２は、「二次巻線」の一例であり、負荷用巻線１０２は、「三次巻線」の一例である。低圧交流電力は、例えば、４４０Ｖ程度である。電力変換システム１は、低圧交流電力を負荷用交流電力に変換して、交流負荷Ｌ_ＡＣに供給する。これにより電力変換システム１は、交流負荷Ｌ_ＡＣを駆動させる。実施形態において、交流負荷Ｌ_ＡＣは、走行用モータＭを除く電気車の交流負荷であって、例えば、１００Ｖの交流電圧で動作する電子機器などである。また、電力変換システム１は、低圧交流電力を負荷用直流電力に変換して、直流負荷Ｌ_ＤＣに供給する。これにより電力変換システム１は、交流直流負荷Ｌ_ＤＣを駆動させる。実施形態において、直流負荷Ｌ_ＤＣは、走行用モータＭを除く鉄道車両の負荷であって、例えば、直流電圧で動作する電子機器などである。

電力変換システム１は、例えば、補助電源用電力変換装置１００と、蓄電システム３００と、走行用電力変換装置４００とを含む。

補助電源用電力変換装置１００は、例えば、負荷用交流−直流変換部１１０と、交流負荷用直流−交流変換部１２０と、負荷電力制御部１３０、直流負荷用直流−交流変換部２２０と、直流負荷用交流−直流変換部２３０とを含む。なお、補助電源用電力変換装置１００のうち、負荷用交流−直流変換部１１０と、直流負荷用直流−交流変換部２２０と、直流負荷用交流−直流変換部２３０とは、直流負荷Ｌ_ＤＣに電力供給を行う直流負荷用電力変換回路２００として動作する。

負荷用交流−直流変換部１１０は、集電装置６００からメイントランスの負荷用巻線（７００および１０２）を介して供給された低圧交流電力を直流電力に変換する。図２は、負荷用交流−直流変換部１１０の一例を示す図である。負荷用交流−直流変換部１１０は、例えば、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄと、ゲート制御部１１０Ａと、電圧センサ１１０Ｂを含む。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄとは、正極線および負極線間に接続されている。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、他の種類のスイッチング素子であってよい。

ゲート制御部１１０Ａは、負荷電力制御部１３０から供給された指令電圧に基づいて、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄにおけるゲート端子にゲート信号を供給する。これにより、ゲート制御部１１０Ａは、出力電圧を指令電圧に近づけるように、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄを導通状態と遮断状態との間で切り替える。なお、負荷用交流−直流変換部１１０は、図２に示した一例に限らず、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかであればよい。

交流負荷用直流−交流変換部１２０は、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。なお、交流負荷用直流−交流変換部１２０は、インバータとも称される。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。交流負荷用直流−交流変換部１２０は、負荷電力制御部１３０の制御に従って、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を負荷用交流電力に変換する。

交流負荷用直流−交流変換部１２０の負荷用交流−直流変換部１１０側には、負荷用交流−直流変換部１１０および交流負荷用直流−交流変換部１２０に並列して、コンデンサ１２２が接続されている。コンデンサ１２２は、交流負荷用直流−交流変換部１２０において安定した電力を交流負荷Ｌ_ＡＣ側に供給することができる容量に設定されている。すなわち、コンデンサ１２２の容量は、集電装置６００から供給される交流電力が停止する無電区間（セクションとも称される）を鉄道車両が走行している場合に交流負荷Ｌ_ＡＣへ負荷用交流電力の供給を補償するような高い容量でなくてよい。無電区間は、例えば、鉄道車両が走行する区間において所定距離ごとに設けられている。

交流負荷用直流−交流変換部１２０により変換された負荷用交流電力は、コイル１４２、コンデンサ１４６、およびトランス（１４８および１５０）を介して交流負荷Ｌ_ＡＣに供給される。

負荷電力制御部１３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、負荷電力制御部１３０の機能の一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。負荷電力制御部１３０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作する。

負荷電力制御部１３０は、負荷用交流−直流変換部１１０および交流負荷用直流−交流変換部１２０、直流負荷用直流−交流変換部２２０と、直流負荷用交流−直流変換部２３０を制御する。

直流負荷用直流−交流変換部２２０は、上述した交流負荷用直流−交流変換部１２０と同様に、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。直流負荷用直流−交流変換部２２０は、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を交流電力に変換する。

直流負荷用直流−交流変換部２２０の負荷用交流−直流変換部１１０側には、負荷用交流−直流変換部１１０および直流負荷用直流−交流変換部２２０に並列して、コンデンサ２４２が接続されている。コンデンサ２４２は、直流負荷用直流−交流変換部２２０において安定した電力を、後段の直流負荷用交流−直流変換部２３０側に供給することができる容量に設定されている。コンデンサ２４２の容量は、コンデンサ１２２の容量と同じであってよいし、異なっていてもよい。

直流負荷用直流−交流変換部２２０により変換された交流電力は、トランス（２４４および２４６）を介して直流負荷用交流−直流変換部２３０に供給される。トランス（２４４および２４６）は、例えば、直流負荷用直流−交流変換部２２０により変換された交流電力の電圧を１００Ｖ程度まで降圧する。

直流負荷用交流−直流変換部２３０は、直流負荷用直流−交流変換部２２０からトランス（２４４および２４６）を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。例えば、直流負荷用交流−直流変換部２３０は、交流電力を直流電力に変換する。直流負荷用交流−直流変換部２３０は、負荷用交流−直流変換部１１０と同様に、上述した図２に示すような構成であってよい。

直流負荷用交流−直流変換部２３０により変換された直流電力は、コイル２４８、コンデンサ２５０を介して直流負荷Ｌ_ＤＣに供給される。

蓄電システム３００は、例えば、電池ユニット３１０と、電池用充電回路３２０と、電池電力制御部３３０とを含む。電池用充電回路３２０は、「第１の接触器」の一例である。

電池ユニット３１０は、例えば、複数の二次電池Ｃが直列または並列に接続可能なように配置された組電池を含む。二次電池Ｃは、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、レドックス・フロー電池などである。二次電池Ｃごとの放電電力（起電力）の電圧は、例えば、１００Ｖ程度である。

図３は、電池ユニット３１０の一例を示す図である。図示のように、例えば、電池ユニット３１０は、複数の二次電池Ｃ１からＣ６と、二次電池同士を直列接続するための複数の接触器ＣＯＮａと、二次電池同士を並列接続するための複数の接触器ＣＯＮｂとを含む。図中に示すＷＲ１は、直流負荷Ｌ_ＤＣと電池ユニット３１０とを接続する電力線を表し、ＷＲ２は、電池ユニット３１０と電池用充電回路３２０とを接続する電力線を表す。接触器ＣＯＮａおよび接触器ＣＯＮｂは、電池電力制御部３３０による制御を受けて、遮断状態または導通状態に切り替わる。電池ユニット３１０は電力線ＷＲ１を介して直流負荷Ｌ_ＤＣへの電力供給および電力線ＷＲ２を介して走行用電力変換装置４００への電力供給を行う。なお、二次電池Ｃの数は６つに限られず、走行用モータＭを駆動させるために必要な電力量に応じて適宜変更してよい。また、各二次電池Ｃの内部には、充電および放電を切り替えるための接触器（不図示）が設けられてもよい。

電池用充電回路３２０は、例えば、正極線に接続された接触器Ｋ１、接触器Ｋ１に対して並列に接続された接触器Ｋ３および抵抗体ｒ１と、負極線に接続された接触器Ｋ２と、を含む。また、電池用充電回路３２０は、各接触器Ｋ１、Ｋ２、およびＫ３を電磁的に動作させるためのコイル（不図示）などを備える。電池用充電回路３２０は、電池電力制御部３３０の制御に従って、直流電力用の各リレーを遮断状態と導通状態との間で切り替える。電池用充電回路３２０は、電池ユニット３１０から放電電力の供給が開始される場合、まず接触器Ｋ２およびＫ３を導通状態に切り替える。その後、電池用充電回路３２０は、接触器Ｋ１を導通状態に切り替えると共に、接触器Ｋ３を導通状態から遮断状態に切り替える。

電池用充電回路３２０における接触器Ｋ１またはＫ３と接触器Ｋ２とが導通状態に制御された状態において、走行用交流−直流変換部４２０の入力端に接続された正極線と負極線との間には、電池ユニット３１０の放電電力の電圧が印加される。

電池電力制御部３３０は、例えばＣＰＵ等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、電池電力制御部３３０の機能の一部または全部は、ＬＳＩ、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡ等のハードウェアにより実現されてもよい。電池電力制御部３３０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作してもよいし、電池ユニット３１０から放電された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作してもよい。

電池電力制御部３３０は、集電装置６００から電力変換システム１に電力が供給されている通常状態である場合、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを遮断状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを導通状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを並列接続に切り替える。

電池電力制御部３３０は、鉄道車両の非常時である場合、電池ユニット３１０内部の各種接触器と、電池用充電回路３２０とを制御する。鉄道車両の非常時とは、例えば、地震などの天災や変電所の停止などの事態により集電装置６００から鉄道車両に交流電力が供給されないことであってよいが、これに限定されず、鉄道車両の故障などが含まれていてよい。鉄道車両の非常時は、「所定の状態」の一例である。

電池電力制御部３３０は、例えば、鉄道車両の運転手などの管理者の操作に基づいて鉄道車両の非常時であるか否かを判定する。例えば、マスターコントローラ（不図示）における所定の操作部（不図示）が運転者により操作された場合に、マスターコントローラから非常信号が送信される。マスターコントローラにおける操作部は、例えば、緊急用ボタンなどである。この緊急用ボタンは、例えば、集電装置６００から鉄道車両に交流電力が供給されないような状態に操作される。

例えば、電池電力制御部３３０は、マスターコントローラから非常信号を受信すると、鉄道車両の非常時であると判定する。この場合、電池電力制御部３３０は、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを導通状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを遮断状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを並列接続から直列接続に切り替える。この結果、電池ユニット３１０の放電電力の電圧は、直列に接続された二次電池Ｃのそれぞれの放電電力を合計したものと同程度になる。また、電池電力制御部３３０は、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替えるのに伴って、電池用充電回路３２０を導通状態に切り替える。これによって、電池ユニット３１０から放電された放電電力は、走行用電力変換装置４００に供給される。

なお、電池電力制御部３３０は、地震震度計などの測定値に基づいて鉄道車両に緊急停止指示を出力するような安全支援装置と連動して、二次電池Ｃの接続パターンを切り替えてもよい。例えば、地震などが発生して安全支援装置から緊急停止指示が出力された場合、電池電力制御部３３０は、緊急停止指示を、マスターコントローラから発信される非常信号と見做して、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを導通状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを遮断状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替えてよい。

また、走行用充電回路４１０の上流側（走行用巻線４０２側）や走行用充電回路４１０の下流側（走行用交流−直流変換部４２０側）などに電圧センサが設けられている場合、電池電力制御部３３０は、この電圧センサにより検出された電力の電圧値を参照し、鉄道車両の非常時であるかどうかを判断してもよい。例えば、電圧センサにより検出された電力の電圧値が、所定時間に亘って閾値以下の状態が継続する場合、電池電力制御部３３０は、鉄道車両の非常時であると判断し、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを導通状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを遮断状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替えてよい。

電池電力制御部３３０は、例えば、電圧センサ１１０Ｂにより検出された低圧交流電力の電圧値を参照し、無電区間を鉄道車両が走行するなどして負荷用交流−直流変換部１１０から直流負荷用直流−交流変換部２２０に供給される直流電力が低下した場合に、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを遮断状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを導通状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを並列接続に切り替える。これにより、蓄電システム３００は、無電区間を鉄道車両が走行するのに際し、電池ユニット３１０の放電電力を直流負荷Ｌ_ＤＣに供給する。

電池電力制御部３３０は、鉄道車両の非常時でなくなり、通常状態に復帰した場合、電池ユニット３１０において接触器ＣＯＮａを遮断状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを導通状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続から並列接続に切り替える。これによって、直流電力が電池ユニット３１０内の二次電池Ｃに均等に充電されやすくなる。この結果、鉄道車両の非常時である場合に、いずれかの二次電池Ｃの充電量が低下することなどにより、走行用電力変換装置４００に供給される放電電力の電圧がばらつくのを抑制することができる。なお、電池電力制御部３３０は、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替えて、直流負荷用交流−直流変換部２３０により変換された直流電力を二次電池Ｃに充電してもよい。

走行用電力変換装置４００は、例えば、走行用充電回路４１０と、走行用交流−直流変換部４２０と、走行用直流−交流変換部４３０と、走行電力制御部４４０とを含む。走行用充電回路４１０は、「第２の接触器」の一例である。

走行用充電回路４１０は、例えば、正極線に接続された接触器Ｋ１０、接触器Ｋ１０に対して並列に接続された接触器Ｋ１１および抵抗体ｒ１０と、負極線に接続された接触器Ｋ１２、接触器Ｋ１２に対して並列に接続された接触器Ｋ１３および抵抗体ｒ１１と、を含む。また、走行用充電回路４１０は、各接触器Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３を電磁的に動作させるためのコイル（不図示）などを備える。走行用充電回路４１０は、走行電力制御部４４０の制御に従って、各接触器Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３を遮断状態と導通状態との間で切り替える。走行用充電回路４１０は、高圧交流電力の供給を開始する場合、まず接触器Ｋ１１およびＫ１３を導通状態に切り替える。その後、走行用充電回路４１０は、接触器Ｋ１０およびＫ１２を導通状態に切り替えると共に、接触器Ｋ１１およびＫ１３を導通状態から遮断状態に切り替える。

走行用交流−直流変換部４２０は、高圧交流電力が供給される正極線および負極線間に接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。走行用交流−直流変換部４２０は、コンバータとも称される。なお、走行用交流−直流変換部４２０は、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかであればよい。スイッチング素子はＩＧＢＴであるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。走行用交流−直流変換部４２０は、走行電力制御部４４０の制御に従って、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、メイントランスの走行用巻線４０２を介して供給された高圧交流電力を直流電力に変換する。

走行用直流−交流変換部４３０は、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。なお、走行用直流−交流変換部４３０は、インバータとも称される。走行用直流−交流変換部４３０は、走行用モータＭの３相のそれぞれに対応した上ブリッジ側のスイッチング素子と下ブリッジ側のスイッチング素子との組を３つ備える。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴであるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。走行用直流−交流変換部４３０は、走行電力制御部４４０の制御に従って、走行用モータＭにおける各相のスイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、供給される直流電力を、走行用モータＭを駆動させる走行用交流電力に変換する。

走行用充電回路４１０における高圧直流電力の出力端と走行用交流−直流変換部４２０における高圧直流電力の入力端とを接続する電力線には、電池用充電回路３２０を介して電池ユニット３１０が接続されている。電池ユニット３１０の放電電力の電圧は、例えば、走行用交流−直流変換部４２０に供給される高圧交流電力の電圧よりも低く、且つ交流負荷用直流−交流変換部１２０により低圧交流電力から変換された直流電力の電圧よりも高くてよいが、これに限定されない。

走行電力制御部４４０は、例えばＣＰＵ等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、走行電力制御部４４０の機能の一部または全部は、ＬＳＩ、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡ等のハードウェアにより実現されてもよい。走行電力制御部４４０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作する。走行電力制御部４４０は、走行用充電回路４１０、走行用交流−直流変換部４２０、および走行用直流−交流変換部４３０を制御する。

走行電力制御部４４０は、マスターコントローラから送信された非常信号を受信すると、走行用充電回路４１０を遮断状態に切り替える。走行用充電回路４１０が遮断状態に切り替えられた後、電池電力制御部３３０による制御によって電池用充電回路３２０が遮断状態から導通状態に切り替わるため、走行用交流−直流変換部４２０には、電池ユニット３１０から放電された放電電力が供給される。このとき、電池用充電回路３２０が導通状態に切り替わるよりも先に走行用充電回路４１０が遮断状態に切り替わるため、電池ユニット３１０から放電された放電電力がメイントランス側に供給されるのを抑制することができる。走行電力制御部４４０は、走行用交流−直流変換部４２０および走行用直流−交流変換部４３０を制御して、放電電力を走行用交流電力に変換する。これにより、鉄道車両の非常時である場合でも走行用モータＭは駆動することができる。

以上説明した電力変換システム１によれば、鉄道車両の非常時である場合に、電池ユニット３１０の二次電池Ｃの接続パターンを切り替えることで、直流負荷Ｌ_ＤＣに供給する放電電力の電圧に比して、より高い電圧の放電電力を走行用電力変換装置４００に供給することができる。この結果、電力変換システム１によれば、架線から電力が供給されない場合に、架線からの電力の代わりに、電池ユニット３１０の放電電力を利用することで走行用モータＭを駆動させることができるため、鉄道車両を走行させることができる。

また、電力変換システム１によれば、メイントランスの負荷用巻線（７００および１０２）から負荷用交流−直流変換部１１０に供給される直流電力が低下した場合に、電池ユニット３１０の二次電池Ｃの接続パターンを並列接続に切り替えて直流負荷Ｌ_ＤＣに放電電力を供給するため、電気車の直流負荷Ｌ_ＤＣに供給される電力の低下を抑制することができる。

また、電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０をメイントランスの負荷用巻線（７００および１０２）に接続し、負荷用交流−直流変換部１１０は複数のスイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄを含むスイッチング回路を含むので、負荷用交流−直流変換部１１０から出力される直流電力を安定化させることができる。すなわち、負荷用交流−直流変換部１１０によれば、ダイオードを用いた整流器よりも時間変化が少ない直流電力に変換することができる。

さらに、電力変換システム１によれば、電池ユニット３１０から放電電力を供給することができるので、コンデンサ１２２の容量を、鉄道車両が無電区間を通過する際に交流負荷Ｌ_ＡＣに供給する電力を補償するための容量を考慮して大容量化する必要がない。

以下、第１の実施形態の電力変換システム１における他の例について説明する。図４は、第１の実施形態の電力変換システム１Ａの一例を示す図である。

電力変換システム１Ａにおいて、電池ユニット３１０は、走行用交流−直流変換部４２０と走行用直流−交流変換部４３０とを接続する電力線に接続されている。また、電池ユニット３１０と走行用電力変換装置４００とを接続する電力線の途中には、電池用充電回路３２０が設けられている。電力変換システム１Ａにおいて、蓄電システム３００は、鉄道車両の非常時に、電池用充電回路３２０が導通状態に切り替えられた場合、走行用直流−交流変換部４３０に放電電力を供給する。

この電力変換システム１Ａによれば、鉄道車両の非常時である場合において、電池ユニット３１０を放電させて、直流電力を走行用直流−交流変換部４３０に供給することができる。これにより、電力変換システム１Ａによれば、鉄道車両の非常時である時に、電池ユニット３１０の放電電力を使用して走行用モータＭを駆動させることで、鉄道車両を走行させることができる。

また、電力変換システム１Ａによれば、放電電力を走行用交流−直流変換部４２０に供給するよりも、走行用交流−直流変換部４２０における電力の損失を抑制することができ、蓄電システム３００の電力をより効率的に使用することができる。この結果、電力変換システム１Ａによれば、鉄道車両の非常時である時において更に長い距離を走行させることができる。

図５は、第１の実施形態の電力変換システム１Ｂの一例を示す図である。電力変換システム１Ｂは、走行用交流−直流変換部４２０と走行用直流−交流変換部４３０とを一体化した走行用変換部４５０を備える。走行用変換部４５０は、メイントランスの走行用巻線を介して供給された高圧交流電力を、走行用モータＭを駆動させるための走行用電力に変換し、変換した走行用電力を走行用モータＭに供給する機能を有する。電力変換システム１Ｂにおいて、走行用変換部４５０の入力端に、電池用充電回路３２０を介して電池ユニット３１０が接続される。

電力変換システム１Ｂによれば、走行用変換部４５０が一体化されても、電池ユニット３１０および電池用充電回路３２０を接続する電力線を走行用変換部４５０内部に取り付ける必要がないので、走行用変換部４５０の設計変更をすることなく、鉄道車両の非常時において電池ユニット３１０を放電させることで鉄道車両を走行させることができる。

以下、第１の実施形態の電力変換システム１における蓄電システム３００の他の例について説明する。図６は、蓄電システム３００における電池ユニット３１０Ａの一例を示す図である。電池ユニット３１０Ａは、例えば、複数の二次電池Ｃが直列または並列に接続可能なように配置された第１組電池３１０ａと、複数の二次電池Ｃが並列に接続された第２組電池３１０ｂとを含む。第１組電池３１０ａから放電される放電電力は、二次電池Ｃの接続パターンの切り替えによって直流負荷Ｌ_ＤＣ側の電力線ＷＲ１、または電池用充電回路３２０側の電力線ＷＲ２のいずれかに供給される。第２組電池３１０ｂから放電される放電電力は、直流負荷Ｌ_ＤＣ側の電力線ＷＲ１のみに供給される。

図７は、蓄電システム３００における電池ユニット３１０Ｂの一例を示す図である。電池ユニット３１０Ｂは、例えば、複数の二次電池Ｃが直列または並列に接続可能なように配置された第１組電池３１０ａと、第１組電池３１０ａ同様に、複数の二次電池Ｃが直列または並列に接続可能なように配置された第２組電池３１０ｂとを含む。電池電力制御部３３０は、マスターコントローラから非常信号を受信すると、第１組電池３１０ａにおいて接触器ＣＯＮａを導通状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを遮断状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替える。また、電池電力制御部３３０は、第２組電池３１０ｂにおいて接触器ＣＯＮａを遮断状態に切り替えると共に、接触器ＣＯＮｂを導通状態に切り替えることで、二次電池Ｃの接続パターンを並列接続に切り替える。直列および並列の関係は逆であってもよい。

上述した電池ユニット３１０Ａまたは電池ユニット３１０Ｂを有する蓄電システム３００を含む電力変換システム１によれば、鉄道車両の非常時に、走行用モータＭに電力を供給できると共に、交流負荷Ｌ_ＡＣにも電力を供給することができる。

なお、上述した電池ユニット３１０Ｂにおいて、各組電池内部に温度センサや電圧センサ、電流センサ等が設けられている場合、電池電力制御部３３０は、これらのセンサの検出値を参照して、複数の二次電池Ｃの中から、例えば、温度によって特性が著しく低下している、他に比べて充電率が低い、経年劣化により出力が安定しない、といった異常な二次電池Ｃを特定してよい。電池電力制御部３３０は、二次電池Ｃの接続パターンを直列接続に切り替える場合、特定した異常な二次電池Ｃを除いた二次電池Ｃのみで直列構成にしてよい。これによって、走行用モータＭ用の電力として供給する放電電力の電圧値が安定しやすくなる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の電力変換システム１は、第１の走行モードと、第２の走行モードとの間で、鉄道車両の走行モードを切り替える点で、第１の実施形態とは異なる。以下、この点を中心に説明する。なお、第２の実施形態の説明は、図１に示した電力変換システム１に適用した場合を説明するものとする。

電力変換システム１は、集電装置６００から交流電力が供給されている通常時において、通常走行モードで鉄道車両を走行させる。通常走行モードは、第１の走行モードの一例である。通常走行モードにおいて、走行電力制御部４４０は、所定の周波数（キャリア周波数ともいう）のキャリア信号に基づいて走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子を駆動させることで走行用モータＭに走行トルクを発生させる。

電力変換システム１は、集電装置６００から交流電力が供給されていない非常時において、非常走行モードで鉄道車両を走行させる。非常走行モードは、通常走行モードよりも電力の損失を抑制する走行モードであって、第２の走行モードの一例である。非常走行モードにおいて、走行電力制御部４４０は、所定の周波数（キャリア周波数ともいう）よりも低い周波数のキャリア信号に基づいて走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子を駆動させることで走行用モータＭに走行トルクを発生させる。

図８は、第２の実施形態において走行モードを切り替える流れの一例を示すフローチャートである。走行電力制御部４４０は、通常時において、通常走行モードで鉄道車両を走行させる（ステップＳ１００）。このとき、走行電力制御部４４０は、所定の周波数のキャリア信号および変調信号に従ってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことで、走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御する。図１０は、通常時および鉄道車両の非常時におけるキャリア信号、変調波、およびＰＷＭ信号の一例を示す図である。走行電力制御部４４０は、（Ａ１）に示す所定の周波数の通常時のキャリア信号および変調信号に基づいて、（Ｂ１）に示すＰＷＭ信号を生成する。走行電力制御部４４０は、ＰＷＭ信号に従って走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御することで、走行用モータＭに走行用交流電力を供給する。

次に、電力変換システム１は、架線電力が異常停止したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。電力変換システム１は、マスターコントローラにおける操作部が操作された場合に、架線電力が異常停止したと判定してよいが、これに限定されない。電力変換システム１は、走行用電力変換装置４００に設けたセンサ（不図示）またはメイントランスに印加さえる電圧を検出する電圧センサ（不図示）により架線電力の電圧が仕様範囲より低下した範囲にある場合に異常を判定してよい。

電力変換システム１は、架線電力が異常停止した場合、非常用接触器としての電池用充電回路３２０を導通状態に切り替える（ステップＳ１０４）。これにより、電池ユニット３１０の放電電力が電池用充電回路３２０を介して走行用交流−直流変換部４２０に供給される。

走行電力制御部４４０は、非常走行モードで鉄道車両を走行させる（ステップＳ１０６）。このとき、走行電力制御部４４０は、通常時のキャリア信号よりも低い周波数の非常時のキャリア信号および変調信号に従ってＰＷＭ制御を行うことで、走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御する。走行電力制御部４４０は、（Ａ２）に示す非常時のキャリア信号および変調信号に基づいて、（Ｂ２）に示すＰＷＭ信号を生成する。走行電力制御部４４０は、ＰＷＭ信号に従って走行用直流−交流変換部４３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御することで、走行用モータＭに走行用交流電力を供給する。

通常走行モードは、図９における（Ａ１）および（Ｂ１）に示すように、時刻Ｔ１からＴ２において５回立ち上がりおよび立ち下がるＰＷＭ信号によって走行用直流−交流変換部４３０を制御したのに対し、非常走行モードは、図９における（Ａ２）および（Ｂ２）に示すように、時刻Ｔ１からＴ２において２回立ち上がりおよび立ち下がるＰＷＭ信号によって走行用直流−交流変換部４３０を制御することができる。

以上説明したように、第２の実施形態の電力変換システム１によれば、非常時に、通常走行モードにおけるキャリア信号の周波数よりも低いキャリア信号に基づいて走行用モータＭを駆動するので、非常時における走行用直流−交流変換部４３０の電力損失を抑制することができる。この結果、第２の実施形態の電力変換システム１によれば、効率よく電池ユニット３１０の放電電力を使用することができるので、鉄道車両の非常時における鉄道車両の走行距離を長くすることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、架線からメイントランスの走行用巻線を介して供給された高圧交流電力を、走行用モータＭ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Ｍに供給する走行用電力変換装置４００と、架線からのメイントランスの負荷用巻線を介して供給された低圧交流電力を直流電力に変換する負荷用交流−直流変換部１１０と、交流負荷Ｌ_ＡＣを駆動させるための負荷用交流電力に変換する交流負荷用直流−交流変換部１２０と、直流負荷Ｌ_ＤＣを駆動させるための負荷用直流電力に変換する直流負荷用直流−交流変換部２２０と直流負荷用交流−直流変換部２３０を有する補助電源用電力変換装置１００と、他の二次電池Ｃ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Ｃを有し、複数の二次電池Ｃの接続パターンを並列接続に切り替えた状態で、直流負荷Ｌ_ＤＣに電力を供給する蓄電システム３００と、蓄電システム３００と走行用電力変換装置４００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電池用充電回路３２０と、を持ち、蓄電システム３００は、鉄道車両の非常時である場合であって、電池用充電回路３２０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Ｃ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４００に電力を供給することにより、架線から電力が供給されない場合に、架線からの電力の代わりに、電池ユニット３１０の放電電力を利用することで、鉄道車両に搭載された直流負荷および走行用モータＭを駆動させることができるため、鉄道車両を走行させることができる。

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

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…電力変換システム、１００…補助電源用電力変換装置、１１０…負荷用交流−直流変換部、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ…スイッチング素子、１１０Ａ…ゲート制御部、１１０Ｂ…電圧センサ、１２０…交流負荷用直流−交流変換部、１２２…コンデンサ、１３０…負荷電力制御部、１４２…コイル、２００…直流負荷用電力変換回路、２２０…直流負荷用直流−交流変換部、２３０…直流負荷用交流−直流変換部、３００…蓄電システム、３１０…電池ユニット、３２０…電池用充電回路、３３０…電池電力制御部、４００…走行用電力変換装置、４１０…走行用充電回路、４２０…走行用交流−直流変換部、４３０…走行用直流−交流変換部、４４０…走行電力制御部、６００…集電装置

Claims (5)

1. 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前記走行用モータに供給する走行用電力変換装置および前記電気車に搭載された直流負荷に電力を供給する電池ユニットと、
   前記電池ユニットと前記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第１の接触器と、
   前記架線からの電力を降圧する変圧器の三次巻線を介して供給された第２の交流電力を、前記電気車に搭載された前記直流負荷を駆動させるための直流電力に変換して前記直流負荷に供給する直流負荷用電力変換回路と、
   前記電気車が所定の状態である場合であって、前記第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、前記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前記走行用電力変換装置に電力を供給する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記変圧器の三次巻線から供給される前記第２の交流電力が低下した場合に、前記複数の二次電池の接続パターンを並列接続に切り替えた状態で、前記直流負荷に電力を供給する、
   蓄電システム。
2. 前記走行用電力変換装置と前記変圧器の二次巻線とを接続する電力線の途中には、電力を遮断する状態と、電力を導通する状態との間で切り替えられる第２の接触器が設けられ、
   前記制御部は、前記第２の接触器が電力を遮断する状態に切り替えられると共に、前記第１の接触器が電力を導通する状態に切り替えられた場合に、前記電池ユニットから前記走行用電力変換装置に電力を供給する、
   請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記走行用電力変換装置は、前記第１の交流電力を直流電力に変換する走行用交流−直流変換部と、前記走行用交流−直流変換部により変換された直流電力を前記走行用電力に変換する走行用直流−交流変換部とを有し、
   前記第１の接触器は、前記走行用交流−直流変換部と前記走行用直流−交流変換部とを接続する電力線の途中に設けられ、
   前記制御部は、前記第２の接触器が電力を遮断する状態に切り替えられると共に、前記第１の接触器が電力を導通する状態に切り替えられた場合に、前記電池ユニットから前記走行用直流−交流変換部に電力を供給する、
   請求項２に記載の蓄電システム。
4. 前記電気車が所定の状態である場合に、前記二次電池から供給された電力により前記電気車を走行させる操作を受け付ける操作部を更に備え、
   前記第１の接触器は、前記操作部が操作を受け付けた場合に、前記電力を遮断する状態から前記電力を導通する状態に切り替わる、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の蓄電システム。
5. 前記複数の二次電池は、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含む第１の組電池と、前記第１の組電池と異なる第２の組電池とを含み、
   前記制御部は、前記電気車が所定の状態である場合に、前記第１の組電池における前記二次電池の接続パターンを直列接続に切り替えて、前記第１の組電池から放電された電力を、前記走行用電力変換装置に供給すると共に、前記第２の組電池から放電された電力を、前記直流負荷用電力変換回路に供給する、
   請求項１に記載の蓄電システム。

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