JP7516673B2 - 鉄道車両用の駆動システムおよび駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池を用いた鉄道車両用の駆動システムおよび駆動方法に関する。

鉄道路線には、鉄道車両が架線から電力供給を受けられる電化区間と、架線が存在せず電力供給が受けられない非電化区間がある。
蓄電池電車は、充放電可能な蓄電池システムを搭載し、駆動用のエネルギー源とした鉄道車両であって、電化区間では、架線から電力供給を受け、駆動エネルギーに使用しつつ蓄電池システムを充電し、非電化区間では、蓄電池をエネルギー源に走行する。

蓄電池システムは、一般に複数の蓄電池モジュールを直並列に接続し構成され、直流電圧で充放電する。充電時は、充電速度や目標値を制御するために、充電機器は適切なＤＣ電圧を印加する必要がある。同様に、蓄電池システムが放電する場合、エネルギーを使用する駆動用インバータ等の電力消費機器にも適切なＤＣ電圧範囲があり、これを逸脱すると目的の動作の不実行、効率の低下、故障の発生等に至ることになる。
ここで、特許文献１には、直並列に切り替え可能な複数の電池から成る電池ユニットに対して直流外部電源または電力変換器を介して交流外部電源から充電する車載蓄電装置が開示されている。
また、特許文献２には、電気車に搭載される蓄電装置内の蓄電池の回路構成を直列接続及び並列接続に切り替えて、コストや手間をかけずまた昇降圧チョッパなどを用いることなく低圧電源から１回の充電操作で容易に効率よく充電する技術が開示されている。

また、ＤＣ電圧を異なるＤＣ電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータは、一般に昇圧時と降圧時で異なる回路となることが知られており、昇圧と降圧の両機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータは、内部に双方の回路構造を有している。

特開２０１９－００４６０４号公報 特開２００６－０６７６８３号公報

直流電力が架線から供給される電化区間で充電し、非電化区間で放電する態様で運用する蓄電池電車を考える時、蓄電池システムは架線の定格電圧より僅かに高い電圧まで充電されることが望ましい。これは、電力消費機器は、架線電圧で稼働するような電圧範囲である一方で、蓄電池システムは、充電率の低下によって一般に電圧低下するため、充電率の低下時も電力消費機器が稼働することを担保するためである。

一般に、架線電圧は、直流であっても交流であっても、架線に接続された複数の力行車両と回生車両との動作バランスによって、上下双方に大きく変動する。そのため、蓄電池システムの充電電圧を制御するためには、昇圧と降圧の双方が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、「昇圧降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ」という）が必要となる。この昇圧降圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧回路と降圧回路を双方有しているため、昇圧のみもしくは降圧のみのＤＣ／ＤＣコンバータよりも高コストで重量および体積が増加する。

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、鉄道車両に搭載される蓄電池システムおよび直流直流電力変換器から成る第１の電源部と、第１の電源部が供給する直流電力または当該第１の電源部とは異なる構成の第２の電源部から供給される直流電力により駆動され鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと、を備え、蓄電池システムは、複数の蓄電池ユニットおよび当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段を有し、直並列切替え手段は、第１の電源部が直流電力を供給する場合と第２の電源部から直流電力が供給される場合とで複数の蓄電池ユニット間の直並列状態を切り替えることを特徴とするものである。

本発明によれば、降圧コンバータもしくは昇圧コンバータのみで蓄電池システムへの充電制御が可能であるため、昇圧降圧コンバータを使用する場合に比べ、コンバータ部の小型化および低コスト化を実現することができる。電化区間での充電時は、降圧コンバータもしくは昇圧コンバータのみを介して変圧し、非電化区間での充放電時は、変圧不要であるため、昇圧降圧コンバータを使用する場合に比べ、エネルギー変換効率の向上を図ることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムのシステム構成を示す図である。 Ｎ個の蓄電池ユニットを有する蓄電池システムの構成例を示す図である。 降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの構成の一例を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの制御装置の機能構成を示す図である。 実施例１に係る直列用接触器および並列用接触器の連動回路を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの制御表を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの電化区間における回路図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの非電化区間における回路図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。 蓄電池システムの最も簡単な電圧等価回路を示す図である。 実施例１による効果を示すための電圧関係を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの内、直流電車駆動システムを交流電車駆動システムに置き換えた構成を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムの内、直流電車駆動システムを電気式気動車駆動システムに置き換えた構成を示す図である。 実施例１に係る双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。 実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システムのシステム構成を示す図である。 実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システムの制御表を示す図である。 実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システムの電化区間における回路図である。 実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システムの非電化区間における回路図である。 実施例２による効果を示すための電圧関係を示す図である。 実施例１と実施例２における蓄電池システムの電流電圧の比較を示す図である。 電源並列接続時の横流を示す図である。 実施例３に関し、内部状態が異なる蓄電池ユニットを示す図である。 実施例３における低電圧充電構成で、並列切替制御に関するＯＣＶ－積算電流－ＳＯＣのグラフを示す図である。 実施例３に係る制御装置の機能構成を示す図である。 実施例４に係る横流抑制回路を有する蓄電池システムを示す図である。 実施例４に係る鉄道車両用の駆動システムの電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。 実施例４に係る鉄道車両用の駆動システムの非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。 実施例５に係る直列時中間点接地蓄電池システムの構成を示す図である。 常時中間点接地の蓄電池システムの構成を示す図である。 常時中間点接地蓄電池システムが直列時（高電圧時）の回路状態を示す図である。 常時中間点接地蓄電池システムが並列時（低電圧時）の回路状態を示す図である。

以下、本発明に係る鉄道車両用の駆動システムを実施するための形態として、実施例１から実施例４について図に基づいて説明する。
以下に説明する各実施例は、蓄電装置を構成する蓄電池にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明する。ただし、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、鉛電池やニッケル水素電池など、その他の蓄電素子にも同様に適用できる。
なお、これら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。

図１は、本発明の実施例１に係る鉄道車両用の駆動システムのシステム構成を示す図である。図中、実線が電力の伝送経路を示し、矢印付き点線が制御信号やセンサ値などの情報の伝送経路を示す。
鉄道車両用の駆動システム１００は、電化区間では架線の直流電力を使用し、非電化区間では蓄電池の電力を使用する直流蓄電池電車を対象としたもので、直流電車駆動システム１１０、非電化区間対応システム１２０、制御装置１３０および運転台１４０から成り、電化区間では、直流架線１１１から直流電力の供給を受ける。

まず、直流電車駆動システム１１０は、直流架線の電化区間を走行するための直流電車の従来型の駆動システムであり、具体的構成としては、鉄道車両用の駆動システム１００のＰ側を直流架線１１１に接続もしくは開放するパンタグラフ（Ｐａｎ）１１２、架線電力で走行中の異常時に高速で鉄道車両用の駆動システム１００を開放状態にする架線高速遮断器（ＨＢ）１１３、通常時の鉄道車両用の駆動システム１００の開放・導通状態を制御する主回路接触器（ＬＢ）１１４、サージなどの急激な電流変化を抑制するリアクトル（ＦＬ）１１５、直流電力を入力し駆動用モータ１１８を駆動させる三相交流電力を出力するインバータ（ＩＮＶ）１１６、直流電力を入力し補器用の交流と直流電力を出力する静止型インバータ（ＳＩＶ）１１７、ＡＣ４４０Ｖ電力で駆動する補器１１７ａ（補器１）、ＡＣ１００Ｖ電力で駆動する補器１１７ｂ（補器２）、ＤＣ１００Ｖ電力で駆動する補器１１７ｃ（補器３）、インバータ１１６の三相交流電力を入力し力行時は動力を出力し回生時には回生電力を出力する誘導電動機Ｍ１１８および鉄道車両用の駆動システム１００のＮ側を接地する接地点１１９（多くは車輪経由で線路に接地）を有する。

次に、非電化区間対応システム１２０は、鉄道車両用の駆動システム１００が非電化区間を走行するために直流電車駆動システム１１０に接続されるシステムであり、蓄電池から電力を充放電する蓄電池システム１２１、直流架線電力を降圧し蓄電池システム１２１に供給する降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２と、異常時に高速で蓄電池システム１２１を開放状態にする蓄電池高速遮断器（ＢＴＨＢ）１２４を有する。

ここで、架線高速遮断器１１３および蓄電池高速遮断器１２４は、鉄道車両用の駆動システム１００のシステム起動時に導通状態、システム終了時に開放状態となり、システム起動中において、異常時以外は常に導通状態にある。

制御装置１３０は、鉄道車両用の駆動システム１００を制御する装置であり、直流電車駆動システム１１０、非電化区間対応システム１２０および運転台１４０から入力された情報を基に、直流電車駆動システム１１０および非電化区間対応システム１２０の各機器を制御し、運転台１４０へ必要情報を出力する。

運転台１４０は、運転士のとのインターフェイスであり、鉄道車両用の駆動システム１００の情報を受信し運転士へ表示すると共に、運転士の操作を制御装置１３０へ送信する。

蓄電池システム１２１は、接触器の開閉によってシステム電圧を変更できる蓄電池システムであり、蓄電池ユニット１２１ａと１２１ｂ、直列用接触器１２１ｃおよび並列用接触器１２１ｄと１２１ｅを有する。

蓄電池ユニット１２１ａと１２１ｂは、少なくとも１つの蓄電池セルを有し、この蓄電池セルを直並列に接続するものである。一般に、鉄道用システムのような大型の蓄電池システムの蓄電池ユニット内部には、複数のセルを電気的に直並列に接続した上で外部に接続する出力端子を有し、セルコントローラと呼ばれるコントローラー基板を内蔵した蓄電池モジュールと呼ばれる単位で蓄電池が内包される。

ここで、蓄電池ユニットの電圧および電荷容量を決定するのは、セル単位での直列数と並列数である。蓄電池ユニット内部のセル直列数を増やすことで蓄電池ユニットの電圧を上昇させ、セル並列数を増やすことで蓄電池ユニットの電荷容量を増加させることができる。

直列用接触器１２１ｃ、並列用接触器１２１ｄと１２１ｅは、主回路接触器１１４や蓄電池システム接触器１２３と同様の電磁接触器であり、一般的に対抗する２極の板を電磁的に移動させ接触状態を開閉することで、回路の導通（オン状態）と開放（オフ状態）を遠隔的に操作することが可能である。

蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂの正極同士並びに負極同士それぞれを、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅそれぞれを介して接続する。また一方で、蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂそれぞれの正極と負極間を、直列用接触器１２１ｃを介して接続し、負極側に直列用接触器１２１ｃが接続されたユニットが高電圧側、正極側に直列用接触器１２１ｃが接続されたユニットが低電圧側に配置される。

蓄電池システム１２１は、直列用接触器１２１ｃがオン状態で並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅがオフ状態の時に、２つの蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂは直列状態となり、他方、直列用接触器１２１ｃがオフ状態で並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅがオン状態の時に、２つの蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂは並列状態となる。蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂの内部構成が同一である場合には、直列繋ぎ状態は並列繋ぎ状態の２倍の電圧となる。

なお、各蓄電池ユニットは、並列接続時は同電圧であるが、直列接続された状態では同電流は流れるが自発的に同電圧とはならない。直列接続時にユニット間に電圧差があるまま並列接続をすると横流が発生するため、直列接続時も同電位であることが望ましい。また、各蓄電池ユニット内の内部のセル直並列が一致している場合、電池の劣化率などが一致すれば、理想的には直並列を切り替えても各蓄電池ユニット間の電圧は同一となる。

蓄電池システム１２１内のユニット数とその直並列構成については、図１に示す２つの蓄電池ユニットが２直１並または１直２並と接続されるものに制限されない。図２は、Ｎ個の蓄電池ユニットを有する蓄電池システムの構成例を示す図である。
図２に示す蓄電池システム１２１のユニット数Ｎ（ＢＴ１～ＢＴＮ）に対して、Ｎ＝ｎ１×ｎ２となる、１を含めた２つの約数ｎ１とｎ２がある場合には、一般にｎ１直ｎ２並またはｎ２直ｎ１並の接続状態を取ることが可能であり、蓄電池システム１２１の電圧と容量を柔軟に切り替えることができる。

降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、入力された直流電圧を、降圧して出力する機器である。図３は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の構成の一例を示す図である。
図３に示す降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、ＦＥＴなどのスイッチ素子（ＳＷ１）１２２ａ、ダイオード（Ｄ１）１２２ｂ、コイル（ＦＬ１）１２２ｃおよびコンデンサ（Ｃ１）１２２ｄから成る。コンデンサ（Ｃ１）１２２ｄはリプル電圧の平坦化のための素子であって、負荷の性質によっては必ずしも必要ではない。なお、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、図２に示す構成によらず、一般的に電圧変換する機器であればよい。

降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２には外部接続端子Ｐ、ＮおよびＰＬｏｗがあり、スイッチ素子（ＳＷ１）１２２ａのスイッチングで生じたパルス電圧をＬＣによるフィルタで平滑化し、ＰＮ間の直流電圧をＰＬｏｗとＮ間で電圧降圧して出力する。
図３に示す降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の構成は、Ｐ端子で電流を入れ、ＰＬｏｗ端子で電流を出す方向にしか動作しないが、実施例１の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、蓄電池システム１２１の充電のみを実施するので十分である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力を０とする場合は、スイッチ素子（ＳＷ１）１２２ａを非導通状態とする。

ＤＣ／ＤＣコンバータによる電圧変換は、スイッチ素子のスイッチング動作を利用して電圧変換するため、一般にリニアレギュレータのように抵抗器による電圧降下を利用する手法に比べて効率が優れる。そのため、特に、鉄道車両のような大電力を消費する用途で採用される。

また一般に、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの最小構成と昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの最小構成とは異なるため、降圧と昇圧とが双方可能なＤＣ／ＤＣコンバータは、双方の回路を有する必要があり、昇圧または降圧のみの構成のＤＣ／ＤＣコンバータより大形かつ高コストとなる。

蓄電池システム接触器（ＢＰＫ）１２３は、蓄電池システム１２１の直流電圧に対して、直流電車駆動システム１１０への導通（オン）または開放（オフ）の状態を制御する。

電化区間では、架線電圧を蓄電池システム１２１に直接印加することを避け、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を経由した電圧を印加するため、蓄電池システム接触器１２３は開放状態とする。

非電化区間では、蓄電池システム１２１の直流電圧を、直流電車駆動システム１１０へ直接印加するため、蓄電池システム接触器１２３は導通状態とする。この時、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、スイッチ素子１２２ａを開放し、開放状態とする。

蓄電池高速遮断器１２４は、非常時に蓄電池システム１２１を他回路から高速に遮断するための接触器である。

図４は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００の制御装置１３０の機能構成を示す図である。図４に示す機能構成は、本発明に係る制御のための構成であって、一般にはその他の機能も有する。
制御装置１３０は、蓄電池状態管理部１３１、車両制御論理部１３２および主回路切替制御部１３３から構成される。制御装置１３０の機能としては、運転台１４０または図示しない車両監視機器によって各種操作指令や鉄道車両用の駆動システム１００の各種機器の状態情報を入手し、鉄道車両用の駆動システム１００の各種機器を制御すると共に、運転台１４０に対して運転士に認知させるべき運転台表示情報を送信する。

蓄電池状態管理部１３１は、蓄電池システムの状態を監視し状態演算を行い、電池電圧、電池電流および電池温度などの情報を入力し、蓄電池システム１２１の充電率、許容電流および電池使用可否判定を出力する。電池電圧、電池電流および電池温度などは、蓄電池モジュールが有するセンサの測定値が、セルコントローラから送信されてもよく、またこのセンサが蓄電池モジュール外部に外付けされていてもよい。

ここで、充電率は、電池の満充電時の電荷容量に対して、現在の蓄電池がどれだけ電荷を残しているかを示す指標である。この充電率は、電池に流れる電流の積分値と、開放電圧と呼ばれる電池の非通電時の電圧から算出する。

許容電力は、電池が充放電可能な電力の予測値であり、一般に、電池が使用可能な上限電圧に到達する充電電力または電池が使用可能な下限電圧に到達する放電電力の予測値である。この許容電力は、電池の充電率から開放電圧を予測し、充電率と温度から電池抵抗を予測した上で、上限電圧または下限電圧に当たるセル電力として予測できる。

電池使用可否判定は、電池が充放電可能な判定部である。この判定により、電池が温度、充電率および電圧の観点に基づく高閾値より高い場合または低閾値より低い場合に、安全性や劣化抑制の観点から電池の使用（充放電）を停止する。

以上の充電率、許容電力および電池使用可能判定は、一般に、電池システム全体を単位として演算するより、より細分化した単位で演算する方が、制御の精度や安全性を向上させることができる。本発明の各実施例では、演算対象をシステム全体からセル単位まで限定しない。

車両制御論理部１３２は、制御装置１３０の内、車両駆動に関わるインバータやコンバータなどの変換器の出力を演算し制御すると共に、異常状態を検知して高速遮断器による回路遮断を制御する。具体的に、車両制御論理部１３２は、運転台１４０から得られる運転指令、補器使用指令および非常停止指令、蓄電池状態管理部１３１から得られる充電率、許容電力および電池使用可否判定、並びに、各機器自身または図示しない測定器から得られるパンタグラフ状態、接触器状態および車両状態、を入力とし、架線高速遮断器１１３および蓄電池高速遮断器１２４をそれぞれ開閉させる高速遮断器開閉信号、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力を制御する降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ出力指令値、インバータ１１６の出力を制御するインバータ出力指令値、静止型インバータ１１７の出力を制御する静止型インバータ出力指令値および運転台１４０に対する運転台表示情報、を出力する。

ここで、車両状態とは、車両制御に必要な一般的な状態情報であり、例えば、車両の速度、位置、乗車重量、降雨降雪状態、気温、車内温度およびドア開閉状態などが用いられるが、特にこれら情報に限定されない。

降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力、インバータ１１６の出力および静止型インバータ１１７の出力に関しては、車両の運転速度と加減速などの運転指令、補器使用指令などによって、各種機器の消費電力を予期してそれらの出力指令値を演算し動作させる。

降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力指令値、インバータ１１６の出力指令値および静止型インバータ１１７の出力指令値は、各電力変換器のスイッチング素子がトランジスタである場合、一般に矩形波のＰＷＭ信号である。このＰＷＭ信号は、各電力変換器に内蔵された図示しないゲートドライブ装置によって、トランジスタを開放状態または導通状態にするためのゲート電圧を出力する。

運転台表示情報とは、運転士が表示確認するべき情報であり、各種機器の異常フラグ、パンタグラフ状態および電池の充電率などが該当する。ただし、これら情報に限定されるものではない。

高速遮断器開閉信号としては、運転台１４０から入力される非常停止指令または車両制御論理部１３２が各種機器の状態を判定して、回路遮断が必要な異常を検知した場合に、架線高速遮断器１１３および蓄電池高速遮断器１２４の遮断信号が出力される。架線高速遮断器１１３および蓄電池高速遮断器１２４は、通常時は導通状態にある。

主回路切替え制御部１３３は、主回路のパンタグラフおよび接触器を制御し、主回路の導通経路の切り替えを制御する。具体的に、主回路切替え制御部１３３は、運転台１４０から得られる接触器開閉指令、パンタグラフ上下指令、パンタグラフ状態および接触器状態を入力とし、パンタグラフ１１２を上下させるためのパンタグラフ上下信号、各種接触器１１４、１２３、１２１ｃ、１２１ｄおよび１２１ｅをそれぞれ開閉させるための接触器開閉信号を出力する。

図５は、実施例１に係る、直列用接触器１２１ｃおよび並列用接触器１２１ｄと１２１ｅの連動回路を示す図である。実施例１では、直列用接触器１２１ｃと並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅのいずれかとが同時に導通状態であると、蓄電池ユニットが短絡し大電流が流れて危険である。そのため、制御装置１３０は、直列用接触器１２１ｃと並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅのいずれかとが同時に導通状態とならないように、接触器状態を監視しながらシーケンス制御を行うソフト的な安全構造を有すると共に、それに優先される構造としてハードウェア上の安全構造を有することが望ましい。

図５に示すように、一般に接触器は、接触器の主回路動作と連動する接点および接点動作時に磁場を発生させ他の接触器の開閉状態を操作するコイルを有する。直列用接触器１２１ｃの接触器制御ｂ接点１２１ｃ１は、通電時に直列用接触器１２１ｃと反転し開閉するｂ接点である。直列用接触器１２１ｃが導通状態である時、ｂ接点１２１ｃ１は開放状態であり、接触器制御コイル１２１ｃ２は磁場を発さず、この時、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅは、制御装置１３０の信号に依らず開放状態となる。直列用接触器１２１ｃが開放状態であるとき、ｂ接点１２１ｃ１は導通状態であり、接触器制御コイル１２１ｃ２は磁場を発し、この時、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅは、制御装置１３０の信号が導通指令の場合、導通状態を取ることができる。同様に、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅの少なくとも一方が導通状態である時、直列用接触器１２１ｃは 制御装置１３０の信号に依らず開放状態をとり、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅの両方が開放状態であるとき、直列用接触器１２１ｃは制御装置１３０の信号が導通指令の場合、導通状態を取ることができる。すなわち、直列用接触器１２１ｃと並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅとは、それぞれの導通状態および開放状態が相互に排他的である。

図６は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００の制御表を示す図である。
各条件に対して、制御操作を実施してパンタグラフ、接触器、コンバータおよびインバータを操作する。蓄電池の充放電状態は、これらの操作によって受動的に決定される。また、制御の条件全体は、電化／非電化区間、充電可能状態および運転状態によって定まる。

まず、パンタグラフおよび接触器の操作は、電化／非電化区間によって定まり、電化区間では架線電力を受電する回路構成に、非電化区間では蓄電池システム１２１の電力で走行可能な回路構成に、切り替える。切り替えに関しては、運転士の操作が運転台１４０を経由して実施されてもよいし、制御装置１３０が自動的に操作してもよい。

次に、コンバータおよびインバータの操作は、充電可能状態と運転状態とによって定まる。充電可能状態とは、電池の充電率が満充電率状態か非満充電率状態かを示し、満充電状態では更なる充電は避け、非満充電状態では満充電までは許容電力以下の充電を継続する。運転状態とは、鉄道車両の誘導電動機１１８の稼働状態を指し、車両が誘導電動機１１８の出力トルクによって速度を上昇させる力行状態、車両が誘導電動機１１８によって加速も減速もされない惰行または停車状態、車両が誘導電動機１１８で発電させながら減速する回生状態に区分される。

図７は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００の電化区間における回路図１００ａである。電化区間（図６に示す条件のＮｏ．１～６の場合）では、図７に示す回路図１００ａと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。

電化区間では、鉄道車両用の駆動システム１００は、架線１１１の直流電力がインバータ１１６および静止型インバータ１１７に供給されると共に、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２で降圧し、並列状態で電圧が低下した蓄電池システム１２１を充電する。パンタグラフ１１２は、架線から電力供給を受けるために上げ（オン）状態とする。主回路接触器１１４は、必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。蓄電池システム接触器１２３は、仮に導通させると架線電圧が蓄電池システム１２１に直接印加され、充電速度と充電到達電圧を制御することができないため開放（オフ）状態とする。蓄電池システム１２１が架線１１１より低電圧とするため、直列用接触器１２１Ｃを開放（オフ）状態とし、並列用接触器１２１ｄと１２１ｅを導通（オン）状態とする。

図６に示す電化区間条件Ｎｏ．１～６では、充電可能状態と運転状態とが異なり、コンバータ・インバータ操作と蓄電池充放電操作が異なる。静止型インバータ１１７は、条件Ｎｏ．１～６で常に動作している。条件Ｎｏ．１～６では、車両の消費電力は、全て架線１１１からまたは回生電力から供給され、蓄電池システム１２１は充電もしくは停止している。

Ｎｏ．１は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、架線電力で誘導電動機１１８を力行動作し、蓄電池システム１２１を並列状態で降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を介し充電する。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８を力行させる３相交流電力を供給し、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオンし電池に直流の充電電力を出力する。

Ｎｏ．２は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、架線電力で誘導電動機１１８を力行動作し、蓄電池システム１２１は充放電しない。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８を力行させる３相交流電力を供給し、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオフする。

Ｎｏ．３は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両庁の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を動作させず、蓄電池システム１２１を充電する。そのため、インバータ１１６はオフし、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオンし電池に直流の充電電力を出力する。

Ｎｏ．４は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を動作させず、蓄電池システム１２１は充放電しない。そのため、インバータ１１６はオフし、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオフする。

Ｎｏ．５は、電化区間でかつ電池が非満充電状態であり、運転状態が回生の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を回生動作し、蓄電池システム１２１を並列状態で充電する。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８から回生による３相交流電力を得て直流電力に変換し、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオンし電池に直流の充電電力を出力する。

Ｎｏ．６は、電化区間でかつ電池が満充電状態であり、運転状態が回生の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を回生動作し、蓄電池システム１２１は充放電しない。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８から回生による３相交流電力を得て直流電力に変換し、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２はオフする。回生電力は、静止型インバータ１１７で消費されると共に、架線１１１へ流される。

図８は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００の非電化区間における回路図１００ｂである。非電化区間（図５に示す条件のＮｏ．７～１２の場合）では、図８に示す回路図１００ｂと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。

非電化区間では、鉄道車両用の駆動システム１００は、蓄電池システム１２１を直列状態とし、電圧を架線電圧近辺まで上昇させた上で、インバータ１１６および静止型インバータ１１７に供給する。回生時は、インバータ１１６から出力される直流電力を蓄電池システム１２１に充電する。パンタグラフ１１２は、架線から分離するため下げ（オフ）状態とする。主回路接触器１１４は必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。蓄電池システム接触器１２３は、必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。蓄電池システム１２１が架線１１１と同程度の電圧とするため、直列用接触器１２１Ｃを導通（オン）状態とし、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅを開放（オフ）状態とする。蓄電池高速遮断器１２４と降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の間には特に接触器を配置せずとも、スイッチ素子１２２ａを開放状態にすれば、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は遮断される。

図６に示す非電化区間の条件Ｎｏ．７～１２では、充電可能状態と運転状態が異なり、コンバータ・インバータ操作が異なる。静止型インバータ１１７は、条件Ｎｏ．７～１２で常に動作している。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、条件Ｎｏ．７～１２で常にオフであり、電流遮断状態である。条件Ｎｏ．７～１２では、車両の消費電力は、全て蓄電池システム１２１からまたは回生電力から供給され、蓄電池システム１２１は、放電、充電または停止している。

Ｎｏ．７は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、蓄電池電力により誘導電動機１１８を力行動作し、蓄電池システム１２１は、直列状態で放電する。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８を力行させる３相交流電力を供給する。

Ｎｏ．８は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が力行状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の動作は、Ｎｏ．７に等しい。

Ｎｏ．９は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を動作させず、蓄電池システム１２１は直列状態で放電する。そのため、インバータ１１６はオフする。

Ｎｏ．１０は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が惰行または停車状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の動作はＮｏ．９に等しい。

Ｎｏ．１１は、非電化区間で、電池が非満充電状態であり、運転状態が回生状態の場合である。この時、鉄道車両用の駆動システム１００は、誘導電動機１１８を回生動作し、蓄電池システム１２１は直列状態で充電する。そのため、インバータ１１６はオンし、誘導電動機１１８から回生による３相交流電力を得て直流電力に変換する。

Ｎｏ．１２は、非電化区間で、電池が満充電状態であり、運転状態が回生状態の場合である。この時、回生電力の受け入れ先である蓄電池システムは充電不可能であるため、鉄道車両用の駆動システム１００は、車両のブレーキを誘導電動機１１８の回生動作ではなく、図示していないエアブレーキのような異なる方式のブレーキで実施する。蓄電池システム１２１は、静止型インバータ１１７の動作のため直列状態で放電する。

以上、１２の異なる条件の制御によって、鉄道車両用の駆動システム１００は、電化区間と非電化区間で、蓄電池システム１２１の充電可能状態に応じ、力行運転、惰行または停車および回生運転が可能となる。

図９は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００が、電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置１３０であるが、以下では動作主体の表記を省略する。

Ｓｔｅｐ１は、切替開始状態ステップである。切替開始時、車両は電化区間に在線している必要がある。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の回路状態は、図６に示すＮｏ．４と同一である。

Ｓｔｅｐ２では、静止型インバータ１１７をオフする。ここで、制御装置１３０や各パンタグラフおよび接触器は、図示しない制御機器用蓄電池により動作可能である。

Ｓｔｅｐ３では、パンタグラフ１１２をオフし（下げ）、鉄道車両用の駆動システム１００を直流架線１１１から遮断する。
Ｓｔｅｐ４では、主回路接触器１１４をオフする。

Ｓｔｅｐ５では、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅをオフし、各蓄電池ユニットを分離する。
Ｓｔｅｐ６では、直列用接触器１２１ｃをオンし、各蓄電池ユニットを直列接続する。

Ｓｔｅｐ７では、蓄電池システム接触器１２３をオンし、蓄電池システム１２１の電圧を主回路接触器１１４まで引く。

Ｓｔｅｐ８では、蓄電池システム１２１をオンし、蓄電池システム１２１の電圧を直流電車駆動システム１１０に印加する。

Ｓｔｅｐ９では、静止型インバータ１１７をオンし、切替を完了する。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の回路状態は、図６に示すＮｏ．１０と同一である。

図１０は、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００が、非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替える際のシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置１３０であるが、以下では動作主体の表記を省略する。

Ｓｔｅｐ１は、切替開始状態ステップである。切替開始時、車両は電化区間に在線している必要がある。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の回路状態は、図６に示すＮｏ．１０と同一である。

Ｓｔｅｐ２では、静止型インバータ１１７をオフする。ここで、補器用電源が遮断されるが、制御装置１３０や各パンタグラフおよび接触器は、図示しない制御機器用蓄電池により動作可能である。

Ｓｔｅｐ３では、蓄電池システム接触器１２３をオフし、蓄電池システム１２１の電圧を直流電車駆動システム１１０から遮断する。
Ｓｔｅｐ４では、主回路接触器１１４をオフする。

Ｓｔｅｐ５では、直列用接触器１２１ｃをオフし、各蓄電池ユニットを分離する。
Ｓｔｅｐ６では、並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅをオンし、各蓄電池ユニットを並列接続する。

Ｓｔｅｐ７では、パンタグラフ１１２をオンし（上げ）、鉄道車両用の駆動システム１００を直流架線１１１へ導通させる。

Ｓｔｅｐ８では、主回路接触器１１４をオンし、鉄道車両用の駆動システム１００を直流架線１１１と接続する。

Ｓｔｅｐ９では、静止型インバータ１１７を稼働し、切替を完了する。この時、鉄道車両用の駆動システム１００の回路状態は、図６に示すＮｏ．５と同一である。

次に、実施例１の効果を説明するため、前提となる一般的な蓄電池の充電と放電描写について説明する。
図１１は、蓄電池システムの最も簡単な電圧等価回路４００を示す図である。内部の蓄電池セルの直並列数に寄らず任意の蓄電池システムは、電圧等価回路４００で表現できる。

電圧等価回路４００は、合成理想電池４０１および合成電池抵抗４０２を有する。合成理想電池４０１は、内部の電池直列数に応じた開放電圧ＯＣＶと電荷容量Ｑを有する。開放電圧ＯＣＶは、蓄電池に電流が流れない場合の電圧であり、合成理想電池の充電率ＳＯＣの関数である。充電率ＳＯＣは、電池が電荷容量に対して残す電荷の比率を示す指数であり、電池利用開始時のＳＯＣをＳＯＣ０とすれば、以下の（式１）で定義できる。

合成電池抵抗Ｒは、蓄電池システム内部のセル内部抵抗と配線抵抗などを組み合わせた合成抵抗であり、セルの直並列構成に応じた値である。また、合成電池抵抗Ｒは、一般に、電池温度、電池充電率、電流値および通電時間などに依存する複雑な関数であるが、ここでは議論しない。

さて、蓄電池システムの端子間電圧である閉回路電圧ＣＣＶは、開放電圧ＯＣＶ、充電率ＳＯＣ、合成電池抵抗Ｒおよび電流Ｉ（充電が正、放電が負）を用い、以下の（式２）で定義できる。

ここで、（式２）が示す実施例１に関連する事実として、以下の２つがある。
第一に、蓄電池システムの充電には、目標充電率ＳＯＣにおける開放電圧ＯＣＶ以上の閉回路電圧ＣＣＶを印加する必要があること、および、充電速度は電流値そのものであるため、充電速度は閉回路電圧ＣＣＶと開放電圧ＯＣＶの差に比例することである。
第二に、蓄電池システムは、目的の出力電圧である閉回路ＣＣＶで電流Ｉを出力するためには、電圧低下分ＲＩを加味してＯＣＶは目的の出力電圧以上が必要という点である。

以上の図１１の説明を踏まえて、本発明の効果を図１２により説明する。
図１２は、実施例１による効果を示すための電圧関係を示す図である。各棒グラフは、左から、架線電圧２０１、２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２および１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３を示している。ここで、図１２に示す蓄電池システムの電圧は、閉回路電圧である。

架線電圧２０１は、定格電圧Ｖｐａｎ，ｒａｔｅｄで常時動作はせず、架線によって接続された変電所の供給電力および他の車両の力行または回生状況など、電力の需給バランスに応じ、最小電圧Ｖｐａｎ，ｍｉｎ、最大電圧Ｖｐａｎ，ｍａｘまで変動する。

蓄電池システム１２１は、蓄電池ユニット１２１ａおよび１２１ｂを有し、それぞれの内部構造が同一とすると、一般に、蓄電池は、（式２）のように蓄電池の充電率および電流に応じた閉回路電圧を有する。そのため、蓄電池ユニットも定格電圧Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄで常時動作するわけではなく、最小電圧Ｖｕｎｉ，ｍｉｎ、最大電圧Ｖｕｎｉ，ｍａｘまで変動する。蓄電池の定格電圧Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄは、蓄電池の充電目標充電率での開放電圧とする。Ｖｕｎｉ，ｍｉｎおよびＶｕｎｉ，ｍａｘは、蓄電池システムの安全および寿命を考慮した最小閉回路電圧および最大閉回路電圧であり、充電率が最小時および最大時の開放電圧とほぼ一致する。

電化区間では、蓄電池システムの電圧は、１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３を有するので、蓄電池システム１２１の電圧は、蓄電池ユニットの電圧と同一となり、定格電圧Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄで、最小電圧Ｖｕｎｉ，ｍｉｎから最大電圧Ｖｕｎｉ，ｍａｘまで変動する。ここで重要な点は、（式３）に示すように、１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３の最大電圧Ｖｕｎｉ，ｍａｘが、架線電圧２０１の最小値Ｖｐａｎ，ｍｉｎの電圧を下回ることである。

（式３）に示す電圧関係が満たされることで、実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００は、直流架線１１１の電圧を降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２で降圧するのみで、直流架線１１１の電圧が変動していても、蓄電池システム１２１を最大充電率から最小充電率まで任意の電圧に充電することが可能である。

これによって、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を昇圧降圧ＤＣ／ＤＣコンバータにする必要が無く、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。なお、電池構成の都合などで（式３）に示す電圧関係をとれず、（式４）に示す電圧関係となる場合、蓄電池システムは、変動するパンタグラフの電圧に対応する開放電圧の充電率まで充電可能である、

他方、非電化区間における蓄電池システムの電圧は、２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２を有するので、蓄電池システム１２１の電圧は、蓄電池ユニットの電圧の２倍と同一となり、定格電圧２Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄで、最小電圧２Ｖｕｎｉ，ｍｉｎから最大電圧２Ｖｕｎｉ，ｍａｘまで変動する。

一般に、インバータ１１６や静止型インバータ１１７は、架線電圧２０１の定格値Ｖｐａｎ，ｒａｔｅｄで電力変換効率が最大化されるように設計されているが、通常変動した架線電圧内でも動作する。そのため、（式２）で定義される２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２は、（式５）に定義される閉回路電圧ＣＣＶが、概ね最小電圧Ｖｐａｎ，ｍｉｎから最大電圧Ｖｐａｎ，ｍａｘの間にあればよい。

以上のとおり、蓄電池システム１２１は、変圧することなく自身の直流電圧でインバータ１１６および静止型インバータ１１７を動作可能であり、ＤＣ／ＤＣコンバータを有する回路に比べ、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。

実施例１は、本発明を直流架線１１１で駆動する直流電車駆動システムに対して適用したものであるが、本発明は、交流架線を使用する鉄道車両駆動システムにも適用可能である。
図１３は、図１に示す鉄道車両用の駆動システム１００の内、直流電車駆動システム１１０を交流電車駆動システム１１０’に置き換えた構成を示す図である。

交流電車駆動システム１１０’は、交流架線の電化区間を走行するための交流電車の従来型の駆動システムである。鉄道車両用の駆動システム１００は、パンタグラフ１１２を介し交流架線１１１’に接続して交流電力を取り込む。交流電力は、架線高速遮断器１１３を通過し、トランス１６０を介し交流変圧され、変圧された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０によって直流電力に変換される。

直流電力に変換された後の交流電車駆動システム１１０’の構成は、直流電車駆動システム１１０と等しい。このような回路では、電化区間では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０から架線の変動の影響のない一定のＤＣ電圧が出力されるが、インバータ１１６および静止型インバータ１１７の最適動作点電圧で出力される。

先述したように、蓄電池システム１２１の開放電圧は、（式２）に示す電圧降下分を加味しインバータ等の最適動作点電圧より高い電圧とすることが望ましい。ここで、蓄電池システム１２１が、通常の直並列切り替えの無い電池である場合、蓄電池の充電制御にはＡＣ／ＤＣコンバータ１５０の出力電圧から低い電圧から高い電圧まで連続で制御可能な昇圧降圧ＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。

しかし、本発明に係る蓄電ユニットの直並列切り替えを実施することにより、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２のみで充電の制御が可能となり、回路を簡素化できる。このように、本発明は、直流架線の鉄道車両駆動システムのみを対象とせず、交流架線の鉄道車両駆動システムに対しても同様の効果を奏する。

また、図１および図１３では、架線から電力を取り込む電車に対して適用したが、本発明は、エンジンで発電しモータ１１８で駆動する電気式気動車にも適用可能である。
図１４は、図１に示す鉄道車両用の駆動システム１００の内、直流電車駆動システム１１０を電気式気動車駆動システム１１０’’に置き換えた構成を示す図である。

電気式気動車駆動システム１１０’’は、非電化区間を走行するための従来型の駆動システムである。鉄道車両用の駆動システム１００は、エンジン１７０で発生したトルクで発電機１８０を回転させて三相交流電力を発電する。交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０によって直流電力に変換される。直流電力に変換された後の電気式気動車駆動システム１１０’’の構成は、直流電車駆動システム１１０と等しい。このように、電気式気動車に蓄電池を組み合わせた車両を「ハイブリッド気動車」と呼ぶ。

さらにまた、図１４に示す、電気式気動車駆動システム１１０’’の「エンジン１７０＋発電機１８０＋ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０」の構成を、燃料電池に置き換えて、直流電車駆動システム１１０に替わる構成とすることも可能である。

本発明を図１４に示す電気式気動車へ適用することに関する利点は、図１３に示す交流電車への適用の場合と同様に、本発明に係る蓄電ユニットの直並列切り替えを実施することにより、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２のみで充電の制御が可能となり、回路を簡素化できる。このように、本発明は、電気式気動車の鉄道車両駆動システムに対しても同様の効果を奏する。

また、図１３に示す交流電車向け鉄道車両駆動システムに対し、更にＡＣ／ＤＣコンバータ１５０に並列して、図１４に示す電気式気動車駆動システムの発電機１８０およびエンジン１７０を接続してもよい。これによって、交流電車としての駆動、電気式気動車としての駆動および蓄電池電車としての駆動を実施可能な主回路構成となる。

実施例１では、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、図３に示す単方向の降圧電流しか流せない構成であり、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、蓄電池システム１２１の充電方向の電流のみを流す動作をするため十分であるが、例えば、双方向の電流が流せる双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘであってもよい。

図１５は、実施例１に係る双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘの回路構成を示す図である。双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘは、図３に示す単方向の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２に対して、半導体スイッチ（ＳＷ２）１２２ｅ、ダイオード（Ｄ２）１２２ｆ、コンデンサ（Ｃ２）１２２ｇおよびコンバータ接触器（ＣＫ）１２２ｈを付加している点で異なる。ただし、コンデンサ１２２ｇは、リプル電圧の平坦化のための素子であって、負荷の性質によっては必ずしも必要ではない。

この構成によって、双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘは、蓄電池システム１２１を充電する方向（Ｐ端子から電流が入力され、ＰＬｏｗ端子から電流が出力される）だけでは無く、放電する方向（Ｐ端子から電流が出力され、ＰＬｏｗ端子から電流が入力される）方向にも電流を流すことが可能である。ただし、この場合、ＰＬｏｗ端子の電圧がＰ端子より低圧であるという電圧の大小関係は変化しないので、昇圧はできない。

双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを用いることによって奏する効果を以下に示す。
第一に、図８に示す非電化区間の回路構成により走行し、回生電力により意図せず満充電状態と定義したＳＯＣを上回った充電状態となり、そのまま電化区間に入り図７に示す回路構成に切り替わった場合でも、余分な充電量を双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘで昇圧し、直流電車駆動システム１１０へ放電することで、充電量を低下させることができ、電池の安全と延命に寄与する。

第二に、図８に示す非電化区間の回路構成により走行し、意図せずＳＯＣが低下し、蓄電池システム１２１の電圧が直流電車駆動システム１１０を変圧せず直接稼働させる電圧を下回った場合でも、通常は走行不可能なところを走行可能とする効果を奏する。この時、蓄電池システム１２１は直列状態のままであって、蓄電池システム接触器１２３を開放し、双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを用いて低圧な蓄電池システム１２１の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム１１０を稼働させることが可能となる。

第三に、非電化区間で並列用接触器１２１ｄおよび１２１ｅが故障し、導通状態で溶着して並列状態で固定となった場合に、直列用接触器１２１ｃおよび蓄電池システム接触器１２３を開放し、双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを用いて低圧な蓄電池システム１２１の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム１１０を稼働させることが可能となる。

第四に、非電化区間で蓄電池ユニット１２１ａまたは１２１ｂのいずれかが使用不可能となった場合、一方の蓄電池ユニットのみでは、通常は走行不可能であるところを走行可能となる効果を奏する。例えば、蓄電池ユニット１２１ｂが故障した場合は、直列用接触器１２１ｃと並列用接触器１２１ｄとを開放し、並列用接触器１２１ｅを導通させ、蓄電池システム１２１は蓄電池ユニット１２１ａのみを使用する状態とする。双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを用いて低圧な蓄電池システム１２１の電圧を昇圧し、直流電車駆動システム１１０を稼働させることが可能となる。

ただし、双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘは、ダイオード１２２ｆの存在によって、ＰＬｏＷ端子側がＰ端子より高電圧な場合に遮断できない。そのため、双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘは、コンバータ接触器１２２ｈを有する。コンバータ接触器１２２ｈは、図７に示す電化区間の回路構成時には、導通し双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを動作させるが、図８に示す非電化区間の回路構成時には、開放し双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｘを遮断させる。コンバータ接触器１２２ｈは、蓄電池システム接触器１２３と常に逆の開閉動作をする。

実施例１では、蓄電池システム１２１は、電化区間において図７に示す低電圧状態の回路に切り替わり、図１２に示す蓄電池システムの最高電圧を架線の最低電圧より低くすることで、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の降圧動作のみを用いて充電することが可能である。
それに対して、実施例２では、蓄電池システム１２１は、電化区間において高電圧状態の回路に切り替わり、蓄電池システムの最低電圧を架線の最高電圧より高くすることで、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作のみを用いて充電することが可能である。

図１６は、本発明の実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’のシステム構成を示す図である。昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’の構成は、図１に示す実施例１に係る鉄道車両用の駆動システム１００の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２が、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙとなった点以外は同一である。実施例１では、蓄電池ユニット１２１ａと１２１ｂは、直列時に蓄電池システム１２１の電圧として直流架線１１１相当の電圧を有していたが、実施例２では、蓄電池ユニットそれぞれが直流架線１１１相当の電圧を有する。

昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙは、入力された直流電力を高い直流電圧の電力に変換し出力する機器である。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２には、外部接続端子Ｐ、ＮおよびＰＨｉｇｈがあり、ＰＮ間の直流電圧を、ＰＨｉｇｈ－Ｎ間で電圧昇圧して出力する。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙの内部回路については、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２とは異なるが、本発明の本質では無いため詳述しない。

図１７は、実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’の制御表を示す図である。制御装置１３０の構成は、実施例１と同一であるため省略する。
制御表では、パンタグラフおよび接触器の操作は電化／非電化区間によって定まり、電化区間では架線電力を受電する回路構成に、非電化区間では蓄電池システム１２１の電力で走行可能な回路構成に切り替える。

図１７に示す実施例２の制御表は、図６に示す実施例１の制御表に対し、直列用接触器１２１Ｃおよび並列用接触器１２１ｄと１２１ｅの各開閉動作が逆転する以外は同一である。

図１８は、実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’の電化区間における回路図１００’ａである。電化区間（図１７に示す条件のＮｏ．１～６）では、図１８に示す回路図１００’ａと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。

電化区間では、以下の接続態様となる。
昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’は、架線１１１の直流電力がインバータ１１６および静止型インバータ１１７に供給されると共に、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙで昇圧し、直列状態で電圧が上昇した蓄電池システム１２１を充電する。

パンタグラフ１１２は、架線から電力供給を受けるために上げ（オン）状態とする。
主回路接触器１１４は、必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。
蓄電池システム接触器１２３は、仮に導通させると架線電圧が蓄電池システム１２１に直接印加され、充電速度と充電到達電圧を制御することができないため開放（オフ）状態とする。

蓄電池システム１２１が架線１１１より低電圧とするため、直列用接触器１２１Ｃを導通（オン）状態とし、並列用接触器１２１ｄと１２１ｅとを開放（オフ）状態とする。

図１７に示す電化区間における条件のＮｏ．１～６におけるコンバータ・インバータ操作および蓄電池充放電操作は、実施例１の場合と同一である。

図１９は、実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’の非電化区間における回路図１００’ｂである。非電化区間（図１５に示す条件のＮｏ．７～１２）では、図１９に示す回路図１００’ｂと同じ回路状態となる。図中、実線が回路の導通部分を示し、点線が回路の開放部分を示す。

非電化区間では、以下の接続態様となる。
昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’は、蓄電池システム１２１を並列状態とし、電圧を、架線電圧近辺まで低下させた上で、インバータ１１６および静止型インバータ１１７に供給し、回生時は、インバータ１１６から出力される直流電力を蓄電池システム１２１で充電する。

パンタグラフ１１２は、架線から分離するために下げ（オフ）状態とする。
主回路接触器１１４は、必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。
蓄電池システム接触器１２３は、必要な経路上にあり、導通（オン）状態とする。

蓄電池システム１２１が架線１１１と同程度の電圧とするため、直列用接触器１２１Ｃを開放（オフ）状態とし、並列用接触器１２１ｄと１２１ｅとを導通（オン）状態とする。

昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙは、内部のスイッチ素子の開放またはコンバータ接触器によって開放状態にある。

図１７に示す非電化区間における条件のＮｏ．７～１２におけるコンバータ・インバータ操作および蓄電池充放電操作は、実施例１の場合と同一である。

図２０は、実施例２による効果を示すための電圧関係を示す図である。各棒グラフは、左から、架線電圧２０１、２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２および１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３を示している。ここで、図２０で示す蓄電池システムの電圧は、閉回路電圧である。

電化区間では、蓄電池システムの電圧は、２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２を有するので、蓄電池システム１２１の電圧は、蓄電池ユニットの電圧の２倍と同一となり、定格電圧２Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄで、最小電圧２Ｖｕｎｉ，ｍｉｎから最大電圧２Ｖｕｎｉ，ｍａｘまで変動する。ここで重要な点は、（式６）に示すように、２直１並時の蓄電池システムの電圧２０２の最小電圧２Ｖｕｎｉ，ｍｉｎが、架線電圧２０１の最大値Ｖｐａｎ，ｍｘｎの電圧を上回ることである。

（式６）に示す関係が満たされることで、実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム１００’は、直流架線１１１の電圧を昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙで昇圧するのみで、直流架線１１１の電圧が変動していても、蓄電池システム１２１を最大充電率から最小充電率まで任意の電圧に充電することが可能である。

これによって、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙを昇圧降圧ＤＣ／ＤＣコンバータにする必要が無く、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。なお、電池構成の都合などで（式６）に示す電圧関係をとれず、（式７）に示す電圧関係となる場合、蓄電池システムは、変動するパンタグラフの電圧に対応する開放電圧の充電率まで充電可能である、

他方、非電化区間では、蓄電池システムの電圧は、１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３を有するので、蓄電池システムの電圧は、蓄電池ユニットの電圧と同一となり、定格電圧Ｖｕｎｉ，ｒａｔｅｄで、最小電圧Ｖｕｎｉ，ｍｉｎから最大電圧Ｖｕｎｉ，ｍａｘまで変動する。

一般に、インバータ１１６や静止型インバータ１１７は、架線電圧２０１の定格値Ｖｐａｎ，ｒａｔｅｄで電力変換効率が最大化されるように設計されているが、通常変動した架線電圧内でも動作する。そのため、（式２）で定義される１直２並時の蓄電池システムの電圧２０３は、実施例１と同様に、（式５）で定義される閉回路電圧ＣＣＶが、概ね最小電圧Ｖｐａｎ，ｍｉｎから最大電圧Ｖｐａｎ，ｍａｘの間にあればよい。

以上のとおり、蓄電池システム１２１は、変圧することなく自身の直流電圧でインバータ１１６および静止型インバータ１１７を動作可能であり、ＤＣ／ＤＣコンバータを有する回路に比べ、回路を簡素化でき、電力変換効率を向上できる。

図２１は、実施例１と実施例２における蓄電池システム１２１の電流電圧の比較を示す図である。ここでは、直流電車駆動システム１１０の駆動電圧をＶとし、電化区間では電力Ｗ、電流Ｉ（Ｗ＝ＶＩ）の電力で充電し、同様に、非電化区間では電力－Ｗ、電流－Ｉ（Ｗ＝ＶＩ）で放電する場合を考察する。なお、電流・電圧値の計算の簡単のため、電池抵抗による電圧損失や、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換ロスについては考慮しない。

実施例１と実施例２では、蓄電池システム１２１の入出力電力が同一で、蓄電池システム１２１が有する蓄電池セルの総数が同一である場合、各セルの電圧と電流値は同一である。
しかし、蓄電池システム１２１の電圧値および電流値が異なる場合であっても、それぞれ適した用途がある。

まず、非電化区間では、本発明に係る蓄電池システム１２１は、直流電車駆動システム１１０を変圧せず直接稼働させるため、それぞれ電圧Ｖ、電流Ｉを出力する。実施例１では、２つの蓄電池ユニットが２直１並で接続されるため、各ユニットはＶ／２の電圧、Ｉの電流が流れる。一方、実施例２では、２つの蓄電池ユニットが１直２並で接続されるため、各ユニットはＶの電圧、Ｉ／２の電流が流れる。

次に、電化区間では、本発明に係る蓄電池システム１２１は、直流電車駆動システム１１０を変圧し充電する。実施例１では、蓄電池システム１２１は、蓄電池ユニットを１直２並で接続するため降圧し、電圧Ｖ／２、電流２Ｉで充電され、各ユニットにはＶ／２の電圧が掛かり、Ｉの電流が流れる。一方、実施例２では、蓄電池システム１２１は、蓄電池ユニットを２直１並で接続するため昇圧し、電圧２Ｖ、電流Ｉ／２で充電され、各ユニットにはＶの電圧が掛かり、Ｉ／２の電流が流れる。

以上のことから、実施例１と実施例２の選択法としては、蓄電池システム１２１やＤＣ／ＤＣコンバータ１２２に必要な絶縁耐圧を下げたい場合には実施例１を選び、蓄電池システム１２１の外部接続部分やＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の電流を下げたい場合には実施例２を選ぶことになる。

また、実施例２に係る昇圧充電型鉄道車両の駆動システム１００’は、先の図１３に示す交流電車システムおよび図１４で示す電気式気動車駆動システムに対しても適用可能であり、その場合には、それぞれの降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２ｙに置き換えることになる。

実施例１および実施例２では、蓄電池システム１２１の有する２つの蓄電池ユニット１（以下では、「ＢＴ１」と略す）１２１ａと蓄電池ユニット２（以下では、「ＢＴ２」と略す）１２１ｂとは同一な内部構成である。この構成では、複数の蓄電池ユニットの電圧が、電化および非電化の両区間での走行共に常時同一となるため、ユニット間の並列接続時も、ユニット間に横流が発生しなかった。

実施例３は、蓄電池ユニット間の内部構成が異なる一般の場合を対象とする。なお、実施例３では、蓄電池ユニットを２つとしたが、これに限定されず、図２で示した構成のように、蓄電池ユニット数は２以上の任意の数でもよい。

図２２は、電源並列接続時の横流を示す図である。一般に、電圧の異なる電源Ｖ１と電源Ｖ２とを並列に接続すると、その電圧差ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２と並列電源を繋いだ閉回路の合成抵抗Ｒｐａｒとから、横流Ｉｃｒｏは（式８）で示される。

（式８）で算出される横流は、例えば、通常の蓄電池セルの内部抵抗値が数ミリΩであることから、２個の蓄電池セルが１Ｖ差で接続されるとしても数百Ａの大電流値となり、電池の安全上危険である。したがって、横流は、電池の許容値以下に抑える必要がある。

図２３は、実施例３に関し、内部状態が異なる蓄電池ユニットを示す図である。ＢＴ１側の蓄電池セル１２１ａ１は、セル電圧Ｖｃ１でセル電荷容量Ｑｃ１を有し、ＢＴ２側の蓄電池セル１２１ｂ１は、セル電圧Ｖｃ２でセル電荷容量Ｑｃ２を有する。

ここで、ＢＴ１は、蓄電池セル１２１ａ１をＳ１直Ｐ１並とする接続構成であり、ＢＴ２は、蓄電池セル１２１ｂ１をＳ２直Ｐ２並とする接続構成である。そのため、ＢＴ１のユニット電圧Ｖｕ１、ユニット電荷容量Ｑｕ１、また、ＢＴ２のユニット電圧Ｖｕ２、ユニット電荷容量Ｑｕ２は、以下の（式９）で定義される。

蓄電池セル１２１ａ１および蓄電池セル１２１ｂ１は、後述する並列切替点３０３の直列切替点３０４を有するため、異なるＳＯＣ－ＯＣＶカーブを有するセルが求められる。加えて、ＢＴ１内部およびＢＴ２内部のセルの充電率を変えてもよい。

図２３に示すＢＴ１およびＢＴ２は、異なるセルを用い、そのユニットのハード構造も異なるため、一般にそれぞれ異なる絶縁耐圧Ｖｉｓｏ，１およびＶｉｓｏ，２を有する。図８に示すように、ＢＴ１とＢＴ２との直列接続時は、ＢＴ１の方が接地点１１９に対し高電位となるため、ＢＴ１に高い絶縁耐圧の蓄電池ユニットを用いることで、蓄電池システム全体の絶縁耐圧を向上させることができる。

図２４は、実施例３における低電圧充電構成で、並列切替制御に関するＯＣＶ－積算電流－ＳＯＣのグラフを示す図である。低電圧充電構成は、実施例１のように、電化区間で蓄電池システム１２１の電圧を下げて充電する構成である。図２４に示すグラフにおいて、縦軸は、各ユニットの開放電圧ＯＣＶ、下側横軸は、２直１並構成から１直２並構成から切り替えた瞬間を始点とした電流積算値∫Ｉｄｔ、上側横軸は、ＢＴ１の充電率ＳＯＣ１およびＢＴ２の充電率ＳＯＣ２を示している。

図２４に示すように、ＢＴ１とＢＴ２とは異なるＯＣＶ－積算電流カーブ特性を持つため、ＢＴ１のカーブ３０１（実線のカーブ）とＢＴ２のカーブ３０２（破線のカーブ）とは異なる。蓄電池システム１２１が直列状態であっても並列状態であっても、各蓄電池ユニットＢＴ１およびＢＴ２の態様は、図２４に示すグラフに従う。ＯＣＶ－積算電流の関係で、ＢＴ１のカーブ３０１とＢＴ２のカーブ３０２とは少なくとも２点で交差する必要があり、交点として並列切替点３０３と直列切替点３０４とを持つ。

まず、車両が電化区間にあって、蓄電池システム１２１のＢＴ１とＢＴ２とが並列の場合を考える。非電化区間での直列構成から電化区間での並列構成への並列切替えは、図中の並列切替点３０３の並列切替電圧ＯＣＶｍｉｎで行う。並列切替点３０３ではＢＴ１とＢＴ２の開放電圧は一致するので、直列構成から並列構成に切り替えた時に横流は発生しない。

交点ＯＣＶｍｉｎの電圧調整は、ＢＴ１およびＢＴ２のセル種の選択、セル直並列数の選択、ＳＯＣの選択によって、一定の範囲で可能である。なお、非電化区間の直列接続時、蓄電池システム１２１はその直列電圧として２ＯＣＶｍｉｎを最低電圧とする。これは、蓄電池システム１２１を充放電し並列切替点３０３の電圧まで電圧調整する際、非電化区間では充電電力が回生しかなく、充電方向では、電圧調整不可能な可能性があるためである。これに対して、放電方向では、車両内部の負荷を使用することでいずれの充電状態からでも放電のみで並列切替点３０３の電圧まで到達することが可能である。なお、ＳＯＣ－ＯＣＶカーブは、ＢＴ１とＢＴ２で一般に異なるため、ＯＣＶｍｉｎでのＢＴ１の充電率ＳＯＣｍｉｎ，１とＢＴ２の充電率ＳＯＣｍｉｎ，２とは一般に異なる。

さて電化区間では、並列切替点３０３の電圧からＢＴ１とＢＴ２とが並列状態で充電される。この時、ＢＴ１とＢＴ２とは並列状態で、常時ＣＣＶが同電圧であり、ＯＣＶは（式２）に従って一時的に不一致となっても、定電圧充電によって充電電流Ｉを抑制していく。

充電終了間際には、自動的にＢＴ１とＢＴ２のＯＣＶは一致する。この時、ＢＴ１とＢＴ２に流れる積分電流値∫Ｉｄｔは、ＢＴ１およびＢＴ２の電荷容量Ｑ＿ｕ１およびＱ＿ｕ２と、ＢＴ１およびＢＴ２のＳＯＣ－ＯＣＶカーブとによって定まり、一般に一致しない。そのため、充電は、ＢＴ１およびＢＴ２のＯＣＶ－積算電流カーブの第二の交点である直列切替点３０４で停止する。

並列切替点３０３から直列切替点３０４への積算電流量は、ΔＱである。回路の直列切替えを直列切替点３０４以外で実施した場合、２つのユニットＢＴ１およびＢＴ２に流れる積算電流量は一般に一致しない。

直列切替点３０４に、ＢＴ１およびＢＴ２の開放電圧が到達した後、蓄電池システム１２１は、回路を直列に切り替える。切替え後、非電化区間で放電と回生充電とを繰り返しながら、蓄電池ユニットは、再度並列切替点３０３まで積算電流量－ΔＱ放電する。この間、直列接続されたＢＴ１およびＢＴ２には同一の電流値が流れる。そのため、仮に直列への切替えを直列切替点３０４以外で実施した場合、充電から放電までの各ユニットの積算電流量が一致せず、並列切替点３０３に戻ることができないので、直列への切替えは、直列切替点３０４で実施する必要がある。

図２５は、実施例３に係る制御装置１３０の機能構成を示す図である。実施例１に係る制御装置１３０と大部分の構成で同一である。変更点として、実施例３に係る制御装置１３０は、切替判定部１３４を有する。
切替判定部１３４は、蓄電池状態管理部１３１の出力する各蓄電池ユニットの充電率を入力とし、切替可否の判定結果を主回路切替え制御部１３３および車両制御論理部１３２へ出力する。この判定に、は蓄電池状態管理部１３１が出力するＢＴ１およびＢＴ２の充電率情報を使用する。蓄電池の充電率と開放電圧とは、一般に１対１で対応する。

図２４で示したように、ＢＴ１の充電率がＳＯＣｍｉｎ，１かつＢＴ２の充電率がＳＯＣｍｉｎ，２のときに、並列切替点３０３の状態にあり、ＢＴ１の充電率がＳＯＣｍａｘ，１かつＢＴ２の充電率がＳＯＣｍａｘ，２のときに、直列切替点３０４の状態にある。

実施例３における主回路切替え制御部１３３では、接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令の指令状態だけではなく、上記の切替可否の判定を用い、切替えが可となっている間のみ、指令に従い直並列切替えを実施する。

実施例３における車両制御論理部１３２では、切替可否の判定、接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を入力とし、切替不可時に蓄電池システム１２１のＢＴ１およびＢＴ２の開放電圧状態が切替えが可となるように充放電を行う。

非電化区間から電化区間への切り替え時、運転台１４０より直列構成から並列構成に切り替える接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を受けたにも拘わらず、切替えが不可である場合、車両制御論理部１３２は、インバータ１１６または静止型インバータ１１７の出力値を調整し、図示しない負荷に電力を供給し、並列切替点３０３の状態になるまで蓄電池システム１２１の放電を行う。

同様に、電化区間から非電化区間への切り替え時、運転台１４０より並列構成から直列構成に切り替える接触器開閉指令およびパンタグラフ上下指令を受けたにも拘わらず、切替えが不可である場合、車両制御論理部１３２は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力値を調整し、直列切替点３０４の状態になるまで蓄電池システム１２１の充電を行う。

実施例３では、並列状態で外部電源充電する実施例１を基に説明したが、基本的構成は、直列状態で外部電源充電する実施例２でも同一である。この時、図２４に示す並列切替点３０３と直列切替点３０４とは逆転する。
実施例３による効果は、異なる構成の蓄電池ユニットで直並列の切替えが可能であることである。

実施例３では、各蓄電池ユニットの開放電圧が一致する点において蓄電池システム１２１の並列切替えを実施することで横流を抑制した。しかし、この制御は、厳密には各蓄電池ユニットの開放電圧を一致させることは困難で、一定の横流が発生する。

加えて、実施例１および実施例２のように、各蓄電池ユニット内の蓄電池セルのセル種、直並列構成、充電率が同一のように設計したとしても、例えば各蓄電池ユニットの温度分布の違いなどによって、蓄電池ユニット間の電荷容量は不一致となり、ＯＣＶ－積算電流の関係が蓄電池ユニット間で不一致となる。

このような場合、必ずしも実施例３のように、開放電圧が一致する点が２カ所存在するとは限らず、（式８）で見込まれる並列切替え時の横流は避けられない。
そこで、実施例４では、蓄電池システム１２１が横流抑制回路を有するものである。

図２６は、実施例４に係る横流抑制回路を有する蓄電池システム１２１’を示す図である。蓄電池システム１２１’は、蓄電池システム１２１に加えて、横流抑制抵抗（Ｒｃｒｏ）１２１ｇと横流抵抗接触器（ＢＫ４）１２１ｆを有する。図２６に示す横流抵抗接触器１２１ｆは、正極側に配置しているが、負極側に配置しても構わない。

実施例４に係る鉄道車両用の駆動システム１００では、蓄電池システム１２１’以外の構成は実施例１と同一である。横流抑制抵抗１２１ｇは、抵抗値Ｒｃｒｏを有する抵抗である。横流抑制回路が動作する場合には、蓄電池システム１２１’の横流抵抗接触器（ＢＫ４）１２１ｆと負極側の並列用接触器（ＢＫ３）１２１ｅは導通（オン）状態であり、直列用接触器（ＢＫ１）１２１ｃと正極側の並列用接触器（ＢＫ２）１２１ｄは開放（オフ）状態である。この時、各蓄電池ユニットＢＴ１およびＢＴ２に流れる横流Ｉ＿ｃｒｏは、ユニット間の電圧差ΔＶ、横流抑制抵抗以外の合成抵抗Ｒｐａｒ、横流抑制抵抗Ｒｃｒｏを用い、以下の（式１０）で算出される。横流Ｉ＿ｃｒｏは、（式９）の直接並列接続した場合より抑制される。
Ｉ＿ｃｒｏ＝ΔＶ／（Ｒ＿ｐａｒ＋Ｒ＿ｃｒｏ ） （式１０）
ここで、横流抑制抵抗１２１ｇは固定抵抗でもよいが、遠隔的に制御可能な可変抵抗であれば、抵抗値Ｒｃｒｏは可変となり横流Ｉ＿ｃｒｏを制御可能となり好ましい。

横流Ｉ＿ｃｒｏは、高電圧側の蓄電池ユニットから低電圧側の蓄電池ユニットに流れるため、高電圧側の蓄電池ユニットは充電率の低下と共に開放電圧が低下し、低電圧側の蓄電池ユニットは充電率の上昇と共に開放電圧が上昇し、横流が低下しながら蓄電池ユニット間の開放電圧は近づく。横流抑制抵抗１２１ｇの抵抗値が、大き過ぎれば、蓄電池ユニット間の開放電圧差が長時間解消されず、逆に小さ過ぎれば、大きな横流が流れる。よって、（式１０）、蓄電池ユニットの耐電流値およびユニット間の電圧差解消に要したい時間から見積もって求めた最適な値を用いる。

横流によって、十分に２つの蓄電池ユニット間の開放電圧差が縮小した後に、蓄電池システム１２１’は横流抑制回路を分離する。この時、蓄電池システム１２１’の正極側の並列用接触器（ＢＫ２）１２１ｄと負極側の並列用接触器（ＢＫ３）１２１ｅは導通（オン）状態であり、直列用接触器（ＢＫ１）１２１ｃと横流抵抗接触器（ＢＫ４）１２１ｆは開放（オフ）状態である。

次に、実施例４に係る鉄道車両用の駆動システム１００の回路切替えシーケンスを、実施例１で示したように、電化区間で並列構成となる場合を例に説明する。
図２７は、実施例４に係る鉄道車両用の駆動システム１００の電化区間から非電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。この場合、蓄電池システムは並列から直列に切り替わるため、横流は発生しない。そのため、シーケンスの構成としては、図９に示す実施例１と同一であり、動作主体は制御装置１３０である。

図２８は、実施例４に係る鉄道車両用の駆動システム１００の非電化区間から電化区間へ回路状態を切り替えるシーケンスを表形式で示す図である。ここで、シーケンスを構成する各ステップの動作主体は、制御装置１３０であるが、以下では動作主体の表記を省略する。

図２８に示すシーケンスの内、Ｓｔｅｐ１～５までは、図１０に示す実施例１におけるＳｔｅｐ１～５と同一である。
Ｓｔｅｐ６では、横流抵抗接触器（ＢＫ４）１２１ｆと負極側の並列用接触器（ＢＫ３）１２１ｅをオンにする。

Ｓｔｅｐ７では、抑制した安全な横流で並列接続した蓄電池ユニット間の開放電圧を均一化する。
Ｓｔｅｐ８では、横流抵抗接触器（ＢＫ４）１２１ｆをオフし、横流抵抗を分離する。

Ｓｔｅｐ９では、正極側の並列用接触器（ＢＫ２）１２１ｄをオンし、ＢＫ１とＢＫ２とを並列にする。
Ｓｔｅｐ１０～１２は、図１０に示す実施例１におけるＳｔｅｐ７～９と同一である。

以上では、実施例４として、並列状態で外部電源を充電する実施例１を基に説明したが、実施例４としての基本的構成は、直列状態で外部電源を充電する実施例２でも同一である。
実施例４による効果は、開放電圧が異なり横流が発生する蓄電池ユニット間を安全に並列化することである。

実施例１から実施例４では、鉄道車両用の駆動システム１００の回路構成として、図１に示すように、各構成機器の負側を接地点１１９で接地する。これに対して、実施例５では、図１に示す接地点１１９への負側接続を分離し、各構成機器の中間的電圧で接地する構成を採用する。例えば、蓄電池システムの総電圧がＶの時、Ｖ／２の地点を接地する場合である。この接地方式を取ることにより、接地回路は複雑化するものの、各機器の対地電圧を半減させることできるため、機器の絶縁設計を緩和することが可能である。なお、実施例５では、総電圧の半分の電圧点で設置する場合を示すが、中間的電圧としては一般に半分の電圧点でなくても構わない。

実施例５では、主に蓄電池システム１２１の接地方法について論じ、鉄道車両用の駆動システム１００の他の構成機器の接地方法については特に論じない。ただし、他の構成機器もそれぞれの中間電圧点で、蓄電池システムと同電圧点に接地する必要がある。例えば、３レベルコンバータに対応する機器が正常に動作するためには、接地点の正側半分と負側半分とに同じ電圧が印加される必要がある。また一般に、図１に示す直流電車駆動システム１１０を中間点で接地するには、直流架線１１１の電力を直流電車駆動システム１１０に取り込む際、直流架線１１１との間に絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが必要になるが、ここでは詳述しない。

図２９は、実施例５に係る直列時中間点接地蓄電池システム１２１αの構成を示す図である。蓄電池システム１２１αは、実施例１に示す蓄電池システム１２１に対し、蓄電池ユニット１２１ａ、直列用接触器１２１ｃ、負側の並列用接触器１２１ｅの接続部に、接地点１１９がある構成であって、それ以外は同一である。
この場合、蓄電池システム１２１αが直列時には、接地点１１９は、蓄電池ユニット１２１ａと蓄電池ユニット１２１ｂの中点にあることから、鉄道車両用の駆動システム１００の他の構成機器でも、接地点１１９から正側と負側に電圧が印加される。

一方で、蓄電池システム１２１αが並列時には、接地点１１９は、蓄電池ユニット１２１ａおよび蓄電池ユニット１２１ｂの負側点にあることから、鉄道車両用の駆動システム１００の他の構成機器では、接地点１１９から正側には電圧が印加されるが、負側は短絡状態になり、機器が故障する。

そこで、実施例５では、常時中間点を接地する蓄電池システムを採用する。
図３０は、常時中間点接地の蓄電池システム１２１βの構成を示す図である。常時中間点接地蓄電池システム１２１βは、先の直列時中間点接地蓄電池システム１２１αに対し３つの変更点がある。第１に、直列用接触器１２１ｃを２個にし、２個の直列用接触器１２１ｃの間に接地点１１９がある。第２に、各並列ユニット１２１ａおよび１２１ｂは、少なくとも２個以上の蓄電池ユニットの直列繋ぎであって（図３０では、１２１ａ１と１２１ａ２および１２１ｂ１と１２１ｂ２、の２直列）、同電圧点間が並列時接地用接触器１２１ｈを介し接続される。第３に、並列時接地用接触器１２１ｈを２個とし、２個の並列時接地用接触器１２１ｈの間に接地点１１９がある。

図３１は、常時中間点接地蓄電池システム１２１βが直列時（高電圧時）の回路状態を示す図である。この時、並列用接触器（ＢＫ２）１２１ｄと（ＢＫ３）１２１ｅ３および並列時接地用接触器（ＢＫ４１とＢＫ４２）１２１ｈは、遮断（オフ）状態であり、直列用接触器（ＢＫ１１とＢＫ１２）１２１ｃは導通（オン）状態である。

すなわち、４つの蓄電池ユニットは直列に接続され、蓄電池ユニット（ＢＴａ２）１２１ａ２の負極と蓄電池ユニット（ＢＴｂ１）１２１ｂ１の正極との間、すなわち常時中間点接地蓄電池システム１２１βの中間の電圧で、接地点１１９に接地される。

図３２は、常時中間点接地蓄電池システム１２１βが並列時（低電圧時）の回路状態を示す図である。この時、並列用接触器（ＢＫ２）１２１ｄと（ＢＫ３）１２１ｅおよび並列時接地用接触器（ＢＫ４１とＢＫ４２）１２１ｈは導通（オン）状態であり、直列用接触器（ＢＫ１１とＢＫ１２）１２１ｃは遮断（オフ）状態である。

すなわち、蓄電池ユニット（ＢＴａ１とＢＴａ２）１２１ａ１と１２１ａ２との直列繋ぎおよび蓄電池ユニット（ＢＴｂ１とＢＴｂ２）１２１ｂ１と１２１ｂ２の直列繋ぎが並列に接続される。蓄電池ユニット（ＢＴａ１）１２１ａ１の負極と蓄電池ユニット（ＢＴａ２）１２１ａ２の正極との間、加えて、蓄電池ユニット（ＢＴｂ１）１２１ｂ１の負極と蓄電池ユニット（ＢＴｂ２）１２１ｂ２の正極との間は、常時中間点接地蓄電池システム１２１βの中間の電圧で接地点１１９に接地される。

実施例５に係る常時中間点接地蓄電池システム１２１βでは、図３１および図３２で示すとおり、直列時および並列時共に、システムの中間電圧で接地点１１９に接地されるため、鉄道車両用の駆動システム１００の他の構成機器にも、接地点１１９から正側と負側に電圧が印加され、正常に動作することが可能である。

以上、本発明に係る各実施例を説明したが、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。

１００…鉄道車両用の駆動システム、１００ａ…電化区間の鉄道車両駆動システム回路、１００ｂ…非電化区間の鉄道車両駆動システム回路、１１０…直流電車駆動システム、１１１…直流架線、１１２…パンタグラフ、１１３…架線高速遮断器、１１４…主回路接触器、１１５…リアクトル、１１６…インバータ、１１７…静止型インバータ、１１７ａ…ＡＣ４４０Ｖ補器、１１７ｂ…ＡＣ１００Ｖ補器、１１７ｃ…ＤＣ１００Ｖ補器、１１８…誘導電動機、１１９…接地点、１２０…非電化区間対応システム、１２１…蓄電池システム、１２１ａ，１２１ｂ…蓄電池ユニット、１２１ｃ…直列用接触器、１２１ｄ，１２１ｅ…並列用接触器、１２１ｃ１，１２１ｄ１，１２１ｅ１…接触器制御ｂ接点、１２１ｃ２，１２１ｄ２，１２１ｅ２…接触器制御コイル、１２２…降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２２ａ，１２２ｅ…半導体スイッチ、１２２ｂ，１２２ｆ…ダイオード、１２２ｃ…コイル、１２２ｄ，２２ｇ…フィルタコンデンサ、１２２ｈ…コンバータ接触器、１２３…蓄電池システム接触器、１２４…蓄電池高速遮断器、１３０…制御装置、１３１…蓄電池状態管理部、１３２…車両制御論理部、１３３…主回路切替え制御部、１４０…運転台、１５０…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１６０…トランス、１７０…エンジン、１８０…発電機、２００…電圧図、２０１…架線電圧、２０２…２直１並時の蓄電池システムの電圧、２０３…１直２並時の蓄電池システムの電圧、３００…ＯＣＶ－電流積分値グラフ、３０１…ＢＴ１のＯＣＶ－電流積分値－ＳＯＣカーブ、３０２…ＢＴ２のＯＣＶ－電流積分値－ＳＯＣカーブ、３０３…並列切替点、３０４…直列切替点、３０５…最低電圧、４０１…合成理想電池、４０２…合成電池抵抗、１００’…昇圧充電型鉄道車両用の駆動システム、１１０’…交流電車駆動システム、１１０’’…電気式気動車駆動システム、１１１’…交流架線、１２２ｘ…双方向降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２２ｙ…昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２１ａ１，１２１ｂ１…蓄電池セル、１３４…切替判定部、１２１’…横流抑制回路付き蓄電池システム、１２１ｇ…横流抑制抵抗、１２１ｆ…横流抵抗接触器、１２１α…直列時中間点接地蓄電池システム、１２１β…常時中間点接地蓄電池システム、１２１ａ１，１２１ａ２，１２１ｂ１，１２１ｂ２…蓄電池ユニット、１２１ｈ…並列時接地用接触器

Claims (21)

1. 鉄道車両に搭載される蓄電池システムおよび直流直流電力変換器から成る直流電源部と、
   前記直流電源部から供給される直流電力、または、架線から順に、パンタグラフ、高速遮断器、主回路接触器およびリアクトルを介して供給される直流電力、により駆動され、前記鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと、
   前記直流電源部および前記直流電源駆動システムを制御する制御装置と
   を備え、
   前記蓄電池システムは、前記高速遮断器と前記主回路接触器との間に蓄電池システム接触器を介して接続され、複数の蓄電池ユニットと当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段とを有し、
   前記制御装置は、直流電力の供給を前記架線から前記直流電源部へ切り替える際に、前記パンタグラフを前記架線から下げ、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態に切り替え、前記蓄電池システム接触器をオンにし、前記主回路接触器をオンにする
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
   前記制御装置は、直流電力の供給を前記直流電源部から前記架線へ切り替える際に、前記蓄電池システム接触器をオフにし、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を並列状態に切り替え、前記パンタグラフを前記架線に向けて上げ、前記主回路接触器をオンにする
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
3. 請求項１または２に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
   前記架線から直流電力が供給される場合、
   前記蓄電池システムの出力電圧は、前記架線から印加される直流電圧以下の電圧であり、
   前記制御装置は、前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電圧を降圧し前記蓄電池システムに対して充放電を行う
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
   前記蓄電池システムの出力電圧が前記直列状態で前記直流電源駆動システムの動作可能な電圧値を下回った場合、または、前記直並列状態の切替えが不可となった場合、
   前記制御装置は、前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電源駆動システムから前記蓄電池システムへの降圧操作を行い前記蓄電池システムに対して充放電を行う
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
5. （削除）
6. （削除）
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
   前記制御装置は、前記直流電源部から直流電力を供給する場合に、前記蓄電池システムと前記直流電源駆動システムとを前記直流直流電力変換器を介さずに接続して、当該蓄電池システムと当該直流電源駆動システムとの間で充放電を行う
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
8. （削除）
9. （削除）
10. （削除）
11. 請求項１から４および７のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
    前記直並列切替え手段は、直列接続用接触器および並列接続用接触器から構成され、
    前記直列接続用接触器および前記並列接続用接触器それぞれの導通状態および開放状態は、前記直並列状態の切替え時以外では相互に排他的である
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
12. 請求項１から４、７および１１のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
    前記複数の蓄電池ユニットは、異なる絶縁耐圧を有し、
    前記直並列切替え手段による前記直列状態への切替え時に、絶縁耐圧が低い前記蓄電池ユニットが低電圧側に接続される
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
13. 請求項１から４、７、１１および１２のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
    前記複数の蓄電池ユニットの異なる蓄電池ユニットそれぞれの開放電圧は、前記直列状態および前記並列状態相互の切替えに際して充放電を通して異なる２つの切替時開放電圧で一致し、
    前記異なる蓄電池ユニットそれぞれの開放電圧が、前記異なる２つの切替時開放電圧のいずれかに一致したときに、前記直列状態から前記並列状態へまたは前記並列状態から前記直列状態に切り替わる
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
14. 請求項１から４、７、１１および１２のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
    前記直並列切替え手段に加えて、前記複数の蓄電池ユニットの正極間または負極間に接続する横流低減回路を設け、
    前記制御装置は、前記直並列切替え手段による前記直列状態から前記並列状態への切替えに際し、前記横流低減回路を導通させて当該横流低減回路を含めた態様の前記蓄電池ユニットの並列回路を構成して当該蓄電池ユニット間の電圧差を低減させた後に、前記横流低減回路を開放して当該横流低減回路を除いた前記並列状態へ切り替える
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動システム。
15. 請求項１から４、７および１１から１４のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムであって、
    前記複数の蓄電池ユニットは、前記並列状態時に少なくとも２個以上の前記蓄電池ユニットが直列接続となる態様で構成され、
    前記直並列切替え手段は、直列に接続した２つの接触器から成る直列接続用接触器、単独の接触器である第１の並列接続用接触器および直列に接続した２つの接触器から成る第２の並列接続用接触器から構成され、
    前記直列状態時に、前記直列接続用接触器が導通し、前記第１および前記第２の並列接続用接触器が遮断すると共に、前記直列接続用接触器を成す前記２つの接触器の間に挟まれる箇所が接地され、
    前記並列状態時に、前記直列接続用接触器が遮断し、前記第１および前記第２の並列接続用接触器が導通すると共に、前記直列接続した前記２個以上の蓄電池ユニット同士の間を接続する前記第２の並列接続用接触器を成す前記２つの接触器の間に挟まれる箇所が接地される
    ことを特徴とした鉄道車両用の駆動システム。
16. 鉄道車両に搭載され、複数の蓄電池ユニットを有する蓄電池システムおよび直流直流電力変換器から構成される直流電源部と、
    前記直流電源部から供給される直流電力、または、架線から順に、パンタグラフ、高速遮断器、主回路接触器およびリアクトルを介して供給される直流電力、により駆動され、前記鉄道車両に搭載される負荷機器に所定の電力を供給する直流電源駆動システムと
    を備え、
    前記蓄電池システムは、前記高速遮断器と前記主回路接触器との間に蓄電池システム接触器を介して接続され、複数の蓄電池ユニットと当該複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態または並列状態に切り替える直並列切替え手段とを有し、
    直流電力の供給を前記架線から前記直流電源部へ切り替える際に、前記パンタグラフを前記架線から下げ、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を直列状態に切り替え、前記蓄電池システム接触器をオンにし、前記主回路接触器をオンにする
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。
17. （削除）
18. 請求項１６に記載の鉄道車両用の駆動方法であって、
    直流電力の供給を前記直流電源部から前記架線へ切り替える際に、前記蓄電池システム接触器をオフにし、前記主回路接触器をオフにし、前記直並列切替え手段を操作して前記複数の蓄電池ユニット間の接続状態を並列状態に切り替え、前記パンタグラフを前記架線に向けて上げ、前記主回路接触器をオンにする
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。
19. 請求項１６または１８に記載の鉄道車両用の駆動方法であって、
    前記蓄電池システムの出力電圧が前記直列状態で前記直流電源駆動システムの動作可能な電圧値を下回った場合、または、前記直列状態または前記並列状態の切替えが不可となった場合、
    前記直流直流電力変換器を制御して前記直流電源駆動システムから前記蓄電池システムへの降圧操作を行い前記蓄電池システムに対して充放電を行う
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。
20. 請求項１６、１８および１９のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動方法であって、
    前記複数の蓄電池ユニットの正極間または負極間を横流低減回路で接続し、
    前記直並列切替え手段による前記直列状態から前記並列状態への切替えに際し、前記横流低減回路を導通させて当該横流低減回路を含めた態様の前記蓄電池ユニットの並列回路を構成して当該蓄電池ユニット間の電圧差を低減させ、続いて前記横流低減回路を開放して当該横流低減回路を除いた前記並列状態へ切り替える
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動方法。
21. 請求項１から４、７および１１から１５のいずれか１項に記載の鉄道車両用の駆動システムを搭載した鉄道車両。

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