ハイブリッド電源システム
【課題】架線電圧に拘わらず正常に動作するハイブリッド電源システムを提供する。
【解決手段】集電装置１０からの電力を負荷に供給する架線側電源回路２と、バッテリユニット３２及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を有し、負荷に電力を供給するバッテリ側電源回路３と、これらの電源回路２，３の作動を制御するコントローラ６０とを備えるハイブリッド電源システム１において、架線側電源回路２が、入力端２０ａから入力された直流電力の電圧変換を行って出力端２０ｂから出力する昇降圧チョッパ回路２０と、集電装置１０及び負荷の入力端２０ａ及び出力端０ｂに対する接続を切り替える接触器群１５，１６，２５，２６と、集電装置１０の電圧を検知する架線側第１電圧検知器１８と、を有し、コントローラ６０が、この架線側第１電圧検知器１８で検知される電圧に応じて、接触器群の開閉を制御する。
【解決手段】集電装置１０からの電力を負荷に供給する架線側電源回路２と、バッテリユニット３２及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を有し、負荷に電力を供給するバッテリ側電源回路３と、これらの電源回路２，３の作動を制御するコントローラ６０とを備えるハイブリッド電源システム１において、架線側電源回路２が、入力端２０ａから入力された直流電力の電圧変換を行って出力端２０ｂから出力する昇降圧チョッパ回路２０と、集電装置１０及び負荷の入力端２０ａ及び出力端０ｂに対する接続を切り替える接触器群１５，１６，２５，２６と、集電装置１０の電圧を検知する架線側第１電圧検知器１８と、を有し、コントローラ６０が、この架線側第１電圧検知器１８で検知される電圧に応じて、接触器群の開閉を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架線ハイブリッド電車などに搭載されるハイブリッド電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
架線ハイブリッド電車とは、駆動時に必要な電力を、架線と車載蓄電装置から同時に供給して走行することができ、且つ、ブレーキ時に発生した電気エネルギーを蓄電装置に蓄えることが可能な電気車である。このようなハイブリッド電車における電源システムは、バッテリからの直流電力をチョッパ回路で制御して、このバッテリに対する放電及び充電を制御している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３４０５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、セクションを通過するときや、近くを力行している電気車が走行しているときのように、架線の電圧がバッテリの出力電圧より低くなると、このバッテリの電力により架線が逆に加圧されてしまうという課題があった。
【０００４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、架線電圧に拘わらず正常に動作するハイブリッド電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明に係るハイブリッド電源システムは、集電装置により集電した電力を負荷（例えば、実施形態における誘導電動機７ａ等）に供給する第１の電源回路（例えば、実施形態における架線側電源回路２）と、バッテリ及びチョッパ回路（例えば、実施形態におけるバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０）を有し、第１の電源回路と並列に接続されて負荷にバッテリの電力を供給する第２の電源回路（例えば、実施形態におけるバッテリ側電源回路３）と、第１及び第２の電源回路の作動を制御するコントローラとを備えるものであり、第１の電源回路が、入力端と出力端とを有し、入力端から入力された直流電力の電圧変換を行って出力端から出力する昇降圧チョッパ回路（例えば、実施形態における架線側昇降圧チョッパ回路２０）と、集電装置が入力端に接続され、負荷が出力端に接続された状態、及び、集電装置が出力端に接続され、負荷が入力端に接続された状態を切り替える切替手段と、集電装置の電圧を検知する電圧検知手段（例えば、実施形態における架線側第１電圧検知器１８）と、を有し、コントローラが、この電圧検知手段で検知される電圧に応じて、切替手段を制御する。
【０００６】
このような本発明に係るハイブリッド電源システムにおいて、切替手段が、集電装置と入力端とを断続する第１の接触器（例えば、実施形態における第２接触器１６）と、出力端と負荷とを断続する第２の接触器（例えば、実施形態における第４接触器２６）と、集電装置と出力端とを断続する第３の接触器（例えば、実施形態における第１接触器１５）と、入力端と負荷とを断続する第４の接触器（例えば、実施形態における第３接触器２５）と、から構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るハイブリッド電源システムを以上のように構成すると、集電装置の電圧が低下したとしても、切替手段を制御することにより集電装置にバッテリの電圧が印加されることはなく、安全に作動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本発明に係るハイブリッド電源システムの構成について説明する。このハイブリッド電源システム１は、レールＲを走行する電気車に搭載され、直流き電方式によりトロリー線Ｔから供給される直流電力とバッテリとを併用して走行用の誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂや空調等の負荷９を駆動するものであり、架線側電源回路２と、バッテリ側電源回路３と、並列に接続された２台の誘導電動機７ａ，７ｂに交流電力を供給する第１駆動用インバータ回路４と、並列に接続された２台の誘導電動機８ａ，８ｂに交流電力を供給する第２駆動用インバータ回路５と、負荷９に交流電力を供給する静止型インバータ回路（補助電源装置）６とから構成される。
【０００９】
架線側電源回路２は、トロリー線Ｔ側から順に、集電装置（パンタグラフ）１０と、第１高速度遮断器１１と、第１断流器１２と、並列に接続された第１電流制限抵抗１３ａ及び第２断流器１３ｂと、並列に接続されたフィルタリアクトル１４ａ及び第３断流器１４ｂとが直列に接続されている。そしてこの並列に接続されたフィルタリアクトル１４ａ及び第３断流器１４ｂの出力端側に、並列に接続された第１接触器１５及び第２接触器１６の一端が接続されている。なお、グランド線Ｇ１が車輪１７を介してレールＲに接続され、パンタグラフ１０とグランド線Ｇ１とを繋いで架線側第１電圧検知器１８が接続され、第１及び第２接触器１５，１６の一端側とグランド線Ｇとを繋いで架線側第２電圧検知器１９が接続されている。
【００１０】
第１接触器１５の他端側とグランド線Ｇ１との間には並列に接続された半導体スイッチング素子及びフリーホイルダイオードの組を直列に接続して構成された３組の回路を並列に接続した架線側昇降圧チョッパ回路２０が接続されている。また、第２接触器１６の他端側には、３個の接触器を有する第１接触器群２１が接続され、これらの接触器の各々が、３個の第１スムージングリアクトル２２の各々を介して、上述の架線側昇降圧チョッパ回路２０を構成する３組の回路の中間点（並列に接続された半導体スイッチ素子及びフリーホイルダイオードの組の接続点であって、以降の説明では入力端２０ａと呼ぶ）の各々に接続されている。また、第２接触器１６の他端側とグランド線Ｇ１とを繋いで第１フィルタコンデンサ２３が接続されている。
【００１１】
架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂとグランド線Ｇとの間には、第２フィルタコンデンサ２４が接続され、また、この架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂには第４接触器２６の一端が接続されている。さらに、この第４接触器２６の他端と第２接触器１６の他端とを繋いで第３接触器２５が接続されている。
【００１２】
一方、バッテリ側電源回路３は、バッテリ３０及び配線用遮断器３１から構成されるバッテリモジュール３２と、第２高速度遮断器３３と、第５断流器３４と、並列に接続された第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂとが直列に接続されている。そしてこの第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂの出力端側とグランド線Ｇ２との間にバッテリ側電圧検知器３６と第２フィルタコンデンサ３７とが並列に接続されている。
【００１３】
さらに、第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂの出力端側には、３個の接触器を有する第２接触器群３８の一端が接続され、この第２接触器群３８の他端は、３個の第２スムージングリアクトル３９を介してバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０の入力端に接続されている。このバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０の出力端とグランド線Ｇ２との間には第５フィルタコンデンサ４１及び第３電圧検知器４２が接続されている。
【００１４】
架線側電源回路２及びバッテリ側電源回路３の出力端が接続され、またグランド線Ｇ１，Ｇ２が接続されて構成され、これらの出力端及びグランド線Ｇ１，Ｇ２に、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５並びに静止型インバータ回路６が並列に接続されて構成されている。なお、架線側電源回路２及びバッテリ側電源回路３の出力端と、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５並びに静止型インバータ回路６との間には、それぞれ、第５〜第７接触器５０，５１，５２が接続されている。なお、静止型インバータ回路６と負荷９との間にはＬＣフィルタ５３が接続されている。
【００１５】
図２は、上述の第１及び第２高速度遮断器１１，３３、第１〜第３断流器１２，１３ｂ，１４ｂ、第１〜第７接触器１５，１６，２５，２６，５０〜５２、架線側昇降圧チョッパ回路２０、及び、バッテリ側昇降圧チョッパ回路４０と、これらの作動を制御するコントローラ６０とを示している。このコントローラ６０は、例えば運転台に設置されたバッテリ操作スイッチ盤７０を入出力インターフェースとして用い、また、架線側第１及び第２電圧検知器１８，１９とバッテリ側電圧検知器３６と，第３電圧検知器４２と、バッテリモジュール３２のバッテリ管理装置３０ｂ（後述する）からの検出値に基づいてこれらの接触器等を制御するものである。なお、コントローラ６０は、実際には複数の回路から構成されているが、ここではまとめて一つのブロックとして表現する。また、このコントローラ６０は、第１及び第２インバータ回路４，５や静止型インバータ回路６の作動制御も行うが、この図２では省略する。さらに、図３に、バッテリ操作スイッチ盤７０の外観を示す。
【００１６】
以上に説明した本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、コントローラ６０により架線側及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０，４０や接触器の作動を制御して、トロリー線Ｔ及びバッテリモジュール３２から同時に電力供給を受けることができるとともに、制動時に誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで発生する電気エネルギーをバッテリモジュール３２に蓄えることとができるものである。それでは、このような本実施例に係るハイブリッド電源システム１の詳細について説明する。
【００１７】
まず、バッテリ側電源回路３のバッテリモジュール３２の構成について説明する。バッテリモジュール３２は、図４に示すとおり、例えばリチウムイオン二次電池である単セル３０ａを所定の個数（この実施例では８個）直列に繋げ、高電位側端子に異常時自動トリップ機能を有する配線用遮断器３１が接続されて構成されている。そして、このバッテリモジュール３２を複数列（この実施例では４列）並列に接続して構成し（図１では１列のみ示す）、所望の電圧（６００Ｖ）及びエネルギー容量（１２０Ａｈ）を得ることができるように構成されている。
【００１８】
バッテリ３０の単セル３０ａの各々には、バッテリ管理装置３０ｂが接続されており、このバッテリ管理装置３０ｂにより各構成セル電圧及び総電圧の監視が行われる。なお、この配線用遮断器３１が投入されている、つまり、バッテリ回路が構成されている状態では、バッテリ管理装置３０ｂによりコントローラ６０を介してバッテリ操作スイッチ盤７０の電池群投入表示灯７１ａが点灯され、バッテリ異常又は手動操作により配線用遮断器３１が開放されたときは、対応する群の電池群投入表示灯７１ａが消灯されるように構成されている。
【００１９】
また、このバッテリモジュール３２に対しては、バッテリ管理装置３０ｂにより過充電及び過放電の保護機能が設けられている。なお、バッテリ管理装置３０ｂ自体の供給電源が断たれた場合には、配線用遮断器３１が自動開放する構成となっており、このバッテリ管理装置３０ｂが動作しない限りバッテリ主回路は構成されない。バッテリ管理装置３０ｂは、単セル３０ａが過充電（若しくは過放電）状態であると判断すると、コントローラ６０に信号に予告信号を送信する。具体的には、端子電圧が下限値を下回る単セル３０ａが一つでも発生すると、「過放電予告信号」を送信し、反対に、端子電圧が上限値を上回る単セル３０ａが一つでも発生すると、「過充電予告信号」が送信される。コントローラ６０はこれらの予告信号に応じて、バッテリ操作スイッチ盤７０の過充電予告表示灯７１ｂ若しくは過放電予告表示灯７１ｃを点灯させる。乗務員は、この表示灯７１ｂ，７１ｃの点灯を認識すると、力行ノッチ下げ操作や、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられた急速充電ＯＦＦスイッチ７２の操作を行うことが可能である。
【００２０】
また、バッテリ操作スイッチ盤７０には、バッテリ緊急遮断スイッチ７３が設けられており、走行中、停車中、急速充電中などにおいて、何らかの異常を察した際に、乗務員がこのバッテリ緊急遮断スイッチ７３を操作すると、コントローラ６０により配線用遮断器３１をトリップさせてバッテリ回路（全ブロック）を主回路から切り離すように構成されている。
【００２１】
本実施例に係るハイブリッド電源システム１において、バッテリユニット３２の自動開放保護は３系統設けられている。第１系統は、バッテリ管理装置３０ｂによる保護であり、上述のようにセル過電圧、セル低電圧、総過電圧の何れかが閾値に達した際に、このバッテリ管理装置３０ｂは、異常セルの存在するバッテリブロック（バッテリユニット３２）の配線用遮断器３１をトリップさせるように構成されている。なお、バッテリ管理装置３０ｂは、管理する単セル３０ａの温度も監視しており、この温度が異常温度になると、同様に配線用遮断器３１をトリップさせるように構成されている。
【００２２】
第２系統は、充放電器による保護である。図５に示すように、バッテリ側電源回路３には、充放電器６０ａ（上記コントローラ６０の一部）が設けられており、トロリー線Ｔから供給される電力や誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで発電される電力を用いてバッテリユニット３２を充電し、反対にこのバッテリユニット３２の電力を誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ等に供給するように構成されている。この充放電器８０は、バッテリ側電圧検知器３６によりバッテリモジュール３２の総電圧を監視しており、この総電圧が所定電圧を逸脱した場合に、充放電器６０ａによる減流遮断後、第５断流器３４が開放されて全バッテリモジュール３２が主回路から開放される。なお、バッテリモジュール３２の充放電電流が第２高速度遮断器３３の動作設定値を超えた場合は、この第２高速度遮断器３３が自動トリップするように構成されている。
【００２３】
第３系統は、運転指令回路による保護である。バッテリ操作スイッチ盤７０の急速充電ＯＮスイッチ７２が操作されると、コントローラ６０に設けられたタイマーが作動し、例えば１分などの設定時間が経過すると、自動的にコントローラ６０は緊急遮断状態になり、配線用遮断器３１を一斉に開放する。バッテリモジュール３２が高抵抗地絡を起こしてこのバッテリモジュール３２に地絡電流が流れると、その値が通常の急速充電時の値と近いため、判断できず正常な保護ができないために設けられたものである。
【００２４】
次に、車両駆動時の運転操作について説明する。本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、架線側電源回路２に設けられた架線側昇降圧チョッパ回路２０と、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６により、架線電圧がゼロでも逆印加の無い安全な構成とするとともに、この架線電圧が１５００Ｖ、７５０Ｖ、６００Ｖのいずれでもバッテリユニット３２を充電可能に構成されている。すなわち、直流架線１５００Ｖ系、直流架線６００Ｖ系（含む７５０Ｖ）、バッテリ走行の３モードの電圧選択による走行が可能に構成されている。これらの３モードのうち、どの電圧モードを選択するかは、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられたモード切替スイッチ７４を用いて乗務員により設定される。
【００２５】
コントローラ６０は、このモード切替スイッチ７４により選択された走行モードに応じて、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を行う。具体的には図６に示すように、６００Vモードの時は、第１及び第３接触器１５，２５を開き、第２及び第４接触器１６，２６を閉じてトロリー線Ｔからの直流電力を架線側昇降圧チョッパ回路２０の入力端２０ａから入力して出力端２０ｂから出力させる。反対に１５００Ｖモードの時は、第２及び第４接触器１６，２６を開き、第１及び第３接触器１５，２５を閉じてトロリー線Ｔからの直流電力を架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂから入力して入力端２０ａから出力させる。このように、架線側昇降圧チョッパ回路２０への直流電力の入出力方向を第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を制御することにより切り替えることができ、架線電圧が６００Ｖでも１５００Ｖでも対応することができる。なお、バッテリモードの場合には第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６はすべて開かれる。
【００２６】
上述のように集電装置１０と第１高速度遮断器１１との間には、架線電圧を検知するための架線側第１電圧検知器１８が設けられており、コントローラ６０は、選択した電圧モードに応じた架線検知電圧（６００Ｖモード選択時には、３００〜９００Ｖ、１５００Ｖモード選択時には１０００〜１９００Ｖ等の所定値）の範囲内にあるか否かを判定する。そして、コントローラ６０は、架線検知電圧が所定範囲内にあるときのみ第１高速度遮断器１１、第１断流器１２、第２断流器１３ｂ、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６及び駆動用インバータ回路４，５を作動させる第５接触器５０と第６接触器５１の投入が可能となり、主回路が構成される。
【００２７】
なお、架線検知電圧が所定範囲外の場合は、バッテリモード選択により、駆動回路が構成され走行が可能となる（第５接触器５０及び第６接触器５１が投入可能）。このとき架線側の第１高速度遮断器１１、第１断流器１２、第２断流器１３ｂ、及び、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６は投入されない。
【００２８】
１５００Ｖモード若しくは６００Ｖモードが選択されて、架線ハイブリッド走行の力行中または回生中に、例えば、電気車がセクションを通過することにより、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線側検知電圧が所定電圧範囲を逸脱した場合、コントローラ６０は、バッテリモジュール３２からの電力で架線（トロリー線Ｔ）が逆加圧されないよう、架線側昇降圧チョッパ回路２０の動作を停止させ、架線側電源回路２の第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６（実際には第１及び第３接触器１５，２５の組合せ、又は、第２及び第４接触器１６，２６の組合せ）を開放する。
【００２９】
コントローラ６０により第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６が開放されると、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５には、バッテリ側電源回路３を介してバッテリモジュール３２からの電力が供給または回生され、力行動作または回生動作のままの走行を継続することができる。コントローラ６０は、架線側第１電圧検知器１８により復電を検知すると、再度、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の該当する接触器を投入し、架線側昇降圧チョッパ回路２０を作動させ、元の制御状態に戻す。なお、架線側検知電圧が回路保護レベルを超える場合には図示しない避雷器が動作すると同時に、瞬時に第１高速度遮断器１１が開放される。
【００３０】
一方、架線ハイブリッドモードで走行中に架線の停電が発生すると、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線側検知電圧が所定電圧範囲を逸脱し、上述のセクション通過と同様の制御がコントローラ６０により実行される。このとき、さらに、架線検知電圧の範囲逸脱時間が１０秒などの所定値を超える場合は、架線停電、架線高抵抗地絡、無架線区間進入、意図したパンタグラフ降下によるもののいずれかと判断できるため、コントローラ６０は、第１高速度遮断器１１、第１断流器１２及び第２断流器１３ｂを開放し、また、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の動作を停止させる。
【００３１】
このように、第１高速度遮断器１１等が開放されると、車両は惰行状態となり、ノッチオフ後再度ノッチ投入しても架線検知電圧が所定範囲外のため、力行、回生が受け付けられない。このとき、乗務員は摩擦ブレーキによる停止を行なうことができ、架線停電時に惰行状態となることで、一般的な電気車と同じ扱いが可能になる。
【００３２】
一方、架線停電、無架線区間、パンタグラフ降下状態でも走行継続を行ないたい場合には、乗務員は、バッテリ操作スイッチ盤７０のモード切換スイッチ７４をバッテリモードに切換える。この操作により、架線側電源回路２の接触器群が開放されると同時に第１及び第２駆動用インバータ回路４，５が動作が可能となり、バッテリ側電源回路３のバッテリユニット３２からの電力によって走行継続が可能となる。つまり、乗務員によるモード切替えスイッチ７４をバッテリモードに切替える動作には、無電圧状態での走行継続の意思を確認する意味を持たせている。なお、以上の説明において、コントローラ６０による接触器の開閉制御をまとめると、図７のようになる。
【００３３】
このように、架線側電源回路２に架線側昇降圧チョッパ回路２０を設け、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を制御することにより、架線電圧に拘わらず、入力側、出力側いずれに対しても制御不能電流が流れない構成とすることができる。また、従来の昇降圧チョッパ回路単体と同一回路構成も可能となり、バッテリ直接接続構成も可能となる。
【００３４】
また、上述のように、６００Ｖバッテリ搭載電気車を６００Ｖ架線下でハイブリッド動作させることができるとともに、１５００Ｖ、７５０Ｖ、６００Ｖ架線と６００Ｖバッテリの架線ハイブリッド制御や、６００Ｖバッテリのみ直接インバータ駆動が可能となり、各々の電圧で電流路の半導体ロスを最小化することによる高効率動作を実現できる。
【００３５】
ところで、このようなハイブリッド電源システム１を電気車に設けると、駅間はバッテリモードで走行し、駅に停車したときに集電装置１０をトロリー線Ｔ（その駅構内に限定的に敷設されたもの）に接触させてバッテリユニット３２を急速充電して、次の駅までの走行用の電力を蓄えるという運用が可能となる。そこで、急速充電を行う場合について説明する。
【００３６】
まず、急速充電開始の扱いであるが、バッテリモードで走行してきた後、充電所にて集電装置（パンタグラフ）１０の上昇動作を行い、さらに、モード切替えスイッチ７４を直流１５００Ｖ系または直流６００Ｖ系に切替える操作を行う。すると、コントローラ６０は、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線検知電圧が所定範囲内の場合には、第１高速度遮断器１１、第１断流器１２及び第２断流器１３ｂと、選択された電圧モードに応じた第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６のうちの２つの接触器を投入する（この状態は架線ハイブリッドモードと同じである）。
【００３７】
そして、乗務員が、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられた急速充電ＯＮスイッチ７２を操作すると、コントローラ６０は、運転台に設けられた急速充電ＯＮ表示灯（図示せず）を点灯させる。このとき、コントローラ６０は、第３接触器１４ｂを閉じて架線側昇降圧チョッパ回路２０の前段に設けられたフィルタリアクトル１４ａを短絡し、急速充電用主回路を構成する（フィルタリアクトルは充電所側に設けられる）。また、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の前段に設けられた第５及び第６接触器５０，５１が開放されるため、乗務員が間違ってノッチを投入しても走行できないようになる。なお、急速充電ＯＮスイッチ７２が操作された直後から、充放電器６０ａにより、自動的に予め設定された電流値による急速充電動作が開始される。
【００３８】
次に、急速充電の終了動作及び扱いについて説明する。バッテリユニット３２が、充放電器６０ａに予め設定してある電流値によって所定充電量まで充電されると、充放電器６０ａの動作が自動的に停止する。但し、この段階ではコントローラ６０は、まだ急速充電ＯＮ表示灯を消灯しない。急速充電途中であっても、停車所定時間を過ぎて出発したい場合は急速充電ＯＦＦスイッチ７２を操作することで、急速充電動作を停止させることができる。この操作後、コントローラ６０は、第３断流器１４ｂを閉じて架線側昇降圧チョッパ回路２０の前段に設けられたフィルタリアクトル１４ａを投入し、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の前段に設けられた第５及び第６接触器５０，５１を投入することで、架線ハイブリッドモードで走行可能状態となる。
【００３９】
なお、急速充電ＯＮ表示灯が点灯中は、パンタ下げボタンを操作しても、集電装置１０の下降動作を受け付らないように構成することで、大電流遮断による集電装置１０の摺板でのアーク発生を防止することができる。さらに、急速充電ＯＮスイッチ７２の操作直後からコントローラ６０はタイマーを作動させ、例えば１分などの設定時間が経過すると、自動的に緊急遮断状態になるように構成されている。これは、高抵抗地絡を起こしてバッテリユニット３２に地絡電流が流れるものの、その値が通常の急速充電時の値と近い場合に、他機器で正常と判断して保護がかからないことを想定した動作である。
【００４０】
次に、ユニットカット時の動作と運転操作について説明する。この電気車は、図１に示すとおり、１つの駆動用インバータ回路に対して２台の誘導電動機が接続された１ユニットを構成し、このユニットを２個有して構成されており、健全時は４軸駆動電気車として、４軸ともに均一の駆動力、ブレーキ力が得られる。なお、ブレーキ力のほとんどが回生ブレーキ力となる。故障等で１ユニットを切り離したいときは、運転台に取り付けられたバッテリ操作スイッチ盤７０の第１群（第１軸と第４軸）開放スイッチ若しくは第２群（第２軸と第３軸）開放スイッチ（合わせて、「１／２群開放スイッチ７５」と呼ぶ）を操作することにより、両端２軸または中央２軸の駆動車両とすることが可能である。この操作により、コントローラ６０は、第１若しくは第２駆動用インバータ回路４，５の入力段に設けられた第５若しくは第６接触器５０，５１を開放するとともに、表示灯７１の１群開放若しくは２群開放表示灯７１ｄのうち、開放された群の表示灯を点灯する。
【００４１】
空気ブレーキが個別軸ごと、又は、台車ごとに制御できず、４軸一括の場合には、空気ブレーキは全軸均等にかかるため、常用ブレーキにおいて、健全２軸とユニットカット２軸ではブレーキ力に違いが現れる。ただ、第１軸と第４軸のブレーキ力は等しく、また第２軸と第３軸のブレーキ力は等しいため、車体前後のブレーキバランスには問題を生じない。さらに、非常ブレーキ時は全軸とも空気ブレーキのみの動作となり、全軸均一なブレーキ力となるので保安上の問題はない。この１／２群開放スイッチ７５によるユニット開放状態から組込み状態に戻すには、図示しない開放リセットスイッチ（通常、コンバータ・インバータ用車室モニタ装置内に設けられている）を操作する。
【００４２】
また、バッテリ操作スイッチ盤７０には、パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６が設けられている。パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６が切り替えられると、コントローラ６０は架線側昇降圧チョッパ回路２０及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を制御して、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５に供給する電力を、４軸駆動ながら２軸相当分のパワーに抑制する。このパワーセーブモードは、例えば、変電所パワーが弱く、また高い加減速を必要としない線区で使用することができる。パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６を復帰させることで、コントローラ６０は、バッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を全パワー駆動に復帰する。なお、パワーセーブモードが選択されている時は、急速充電時の電流値も半分にセーブされた値となるようにコントローラ６０は架線側昇降圧チョッパ回路２０及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を制御するように構成されている。
【００４３】
上述のように本実施例においては、４個のバッテリユニット３２から構成されているが、いずれかのバッテリユニット３２がトリップした場合（配線用遮断器３１がトリップした場合）、トリップしたバッテリユニット３２の数に応じて、コントローラ６０はバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０を制御してパワー制限を行う。上述のように、配線用遮断器３１の投入状態は、充放電器６１ａの制御部（すなわちコントローラ６０）に常時伝達されており、投入数に応じた走行パワー制限や急速充電時の電流制限が行なわれる。具体的には、コントローラ６０は、図８に示すように、トリップ数毎に誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの回転速度と必要なトルクの関係を示すデータを有しており、このデータに応じて駆動用インバータ回路４，５及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０を制御するように構成されている。
【００４４】
なお、本実施例においては、力行ノッチ投入中に、速度８０ｋｍ／ｈに達すると速度リミッタが動作し、ノッチオフ状態になる。回生ブレーキはそれ以上の速度からでもかかるように構成されている。また、パワーセーブモード時には、速度４０ｋｍ／ｈに達すると速度リミッタが動作し、回生ブレーキはそれ以上の速度からでも動作するように構成されている。
【００４５】
本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、図１に示すように、架線側電源回路２の第１接触器群２１の３個の接触器の各々と３個の第１スムージングリアクトル２２の各々との間に３本の接続端子５４が設けられている。架線側昇降圧チョッパ回路２０は、直流電圧を昇降圧するだけでなく、入力された交流を直流に変換するＰＷＭコンバータとしても動作させることできる。そのため、この３個の接続端子５４に三相交流電源（例えば、エンジンで駆動される同期電動機）を接続し、第１接触器群２１を開放すると、トロリー線Ｔから供給される直流電力だけでなく、三相交流電力を誘導電動機７ａ等やバッテリモジュール３２に供給することができる。もちろん、３個の接続端子５４のうちの２個の端子に単相交流電源を接続することも可能である。
【００４６】
同様に、バッテリ側電源回路３の第２接触器群３８の３個の接触器の各々と３個の第２スムージングリアクトル３９の各々との間に３本の接続端子５５が設けられている。この場合も、接続端子５５にエンジンで駆動される同期電動機を接続し、第２接触器群３８を開放すると、バッテリモジュール３２の変わりにエンジンで駆動される発電機からの電力と、トロリー線Ｔから供給される電力を用いてこの電気車をハイブリッド運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係るハイブリッド電源システムの構成示す回路図である。
【図２】上記ハイブリッド電源システムの制御回路を示すブロック図である。
【図３】バッテリ操作スイッチ盤を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は表示灯の拡大図である。
【図４】バッテリモジュールの構成を示す回路図である。
【図５】バッテリ側電源回路の要部を示す回路図である。
【図６】走行モード毎の接触器の断続状態を示す説明図である。
【図７】走行モードと架線電圧毎の接触器の断続状態を示す説明図である。
【図８】トリップ数毎の回転速度と電力の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ハイブリッド電源システム
２ 架線側電源回路（第１の電源回路）
３ バッテリ側電源回路（第２の電源回路）
１０ 集電装置
１５ 第１接触器（切替手段）
１６ 第２接触器（切替手段）
１８ 架線側第１電圧検知器（電圧検知手段）
２０ 架線側昇降圧チョッパ回路
２０ａ 入力端
２０ｂ 出力端
２５ 第３接触器（切替手段）
２６ 第４接触器（切替手段）
３２ バッテリユニット
４０ バッテリ側昇降圧チョッパ回路
６０ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架線ハイブリッド電車などに搭載されるハイブリッド電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
架線ハイブリッド電車とは、駆動時に必要な電力を、架線と車載蓄電装置から同時に供給して走行することができ、且つ、ブレーキ時に発生した電気エネルギーを蓄電装置に蓄えることが可能な電気車である。このようなハイブリッド電車における電源システムは、バッテリからの直流電力をチョッパ回路で制御して、このバッテリに対する放電及び充電を制御している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３４０５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、セクションを通過するときや、近くを力行している電気車が走行しているときのように、架線の電圧がバッテリの出力電圧より低くなると、このバッテリの電力により架線が逆に加圧されてしまうという課題があった。
【０００４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、架線電圧に拘わらず正常に動作するハイブリッド電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明に係るハイブリッド電源システムは、集電装置により集電した電力を負荷（例えば、実施形態における誘導電動機７ａ等）に供給する第１の電源回路（例えば、実施形態における架線側電源回路２）と、バッテリ及びチョッパ回路（例えば、実施形態におけるバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０）を有し、第１の電源回路と並列に接続されて負荷にバッテリの電力を供給する第２の電源回路（例えば、実施形態におけるバッテリ側電源回路３）と、第１及び第２の電源回路の作動を制御するコントローラとを備えるものであり、第１の電源回路が、入力端と出力端とを有し、入力端から入力された直流電力の電圧変換を行って出力端から出力する昇降圧チョッパ回路（例えば、実施形態における架線側昇降圧チョッパ回路２０）と、集電装置が入力端に接続され、負荷が出力端に接続された状態、及び、集電装置が出力端に接続され、負荷が入力端に接続された状態を切り替える切替手段と、集電装置の電圧を検知する電圧検知手段（例えば、実施形態における架線側第１電圧検知器１８）と、を有し、コントローラが、この電圧検知手段で検知される電圧に応じて、切替手段を制御する。
【０００６】
このような本発明に係るハイブリッド電源システムにおいて、切替手段が、集電装置と入力端とを断続する第１の接触器（例えば、実施形態における第２接触器１６）と、出力端と負荷とを断続する第２の接触器（例えば、実施形態における第４接触器２６）と、集電装置と出力端とを断続する第３の接触器（例えば、実施形態における第１接触器１５）と、入力端と負荷とを断続する第４の接触器（例えば、実施形態における第３接触器２５）と、から構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るハイブリッド電源システムを以上のように構成すると、集電装置の電圧が低下したとしても、切替手段を制御することにより集電装置にバッテリの電圧が印加されることはなく、安全に作動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本発明に係るハイブリッド電源システムの構成について説明する。このハイブリッド電源システム１は、レールＲを走行する電気車に搭載され、直流き電方式によりトロリー線Ｔから供給される直流電力とバッテリとを併用して走行用の誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂや空調等の負荷９を駆動するものであり、架線側電源回路２と、バッテリ側電源回路３と、並列に接続された２台の誘導電動機７ａ，７ｂに交流電力を供給する第１駆動用インバータ回路４と、並列に接続された２台の誘導電動機８ａ，８ｂに交流電力を供給する第２駆動用インバータ回路５と、負荷９に交流電力を供給する静止型インバータ回路（補助電源装置）６とから構成される。
【０００９】
架線側電源回路２は、トロリー線Ｔ側から順に、集電装置（パンタグラフ）１０と、第１高速度遮断器１１と、第１断流器１２と、並列に接続された第１電流制限抵抗１３ａ及び第２断流器１３ｂと、並列に接続されたフィルタリアクトル１４ａ及び第３断流器１４ｂとが直列に接続されている。そしてこの並列に接続されたフィルタリアクトル１４ａ及び第３断流器１４ｂの出力端側に、並列に接続された第１接触器１５及び第２接触器１６の一端が接続されている。なお、グランド線Ｇ１が車輪１７を介してレールＲに接続され、パンタグラフ１０とグランド線Ｇ１とを繋いで架線側第１電圧検知器１８が接続され、第１及び第２接触器１５，１６の一端側とグランド線Ｇとを繋いで架線側第２電圧検知器１９が接続されている。
【００１０】
第１接触器１５の他端側とグランド線Ｇ１との間には並列に接続された半導体スイッチング素子及びフリーホイルダイオードの組を直列に接続して構成された３組の回路を並列に接続した架線側昇降圧チョッパ回路２０が接続されている。また、第２接触器１６の他端側には、３個の接触器を有する第１接触器群２１が接続され、これらの接触器の各々が、３個の第１スムージングリアクトル２２の各々を介して、上述の架線側昇降圧チョッパ回路２０を構成する３組の回路の中間点（並列に接続された半導体スイッチ素子及びフリーホイルダイオードの組の接続点であって、以降の説明では入力端２０ａと呼ぶ）の各々に接続されている。また、第２接触器１６の他端側とグランド線Ｇ１とを繋いで第１フィルタコンデンサ２３が接続されている。
【００１１】
架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂとグランド線Ｇとの間には、第２フィルタコンデンサ２４が接続され、また、この架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂには第４接触器２６の一端が接続されている。さらに、この第４接触器２６の他端と第２接触器１６の他端とを繋いで第３接触器２５が接続されている。
【００１２】
一方、バッテリ側電源回路３は、バッテリ３０及び配線用遮断器３１から構成されるバッテリモジュール３２と、第２高速度遮断器３３と、第５断流器３４と、並列に接続された第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂとが直列に接続されている。そしてこの第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂの出力端側とグランド線Ｇ２との間にバッテリ側電圧検知器３６と第２フィルタコンデンサ３７とが並列に接続されている。
【００１３】
さらに、第２電流制限抵抗３５ａ及び第４断流器３５ｂの出力端側には、３個の接触器を有する第２接触器群３８の一端が接続され、この第２接触器群３８の他端は、３個の第２スムージングリアクトル３９を介してバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０の入力端に接続されている。このバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０の出力端とグランド線Ｇ２との間には第５フィルタコンデンサ４１及び第３電圧検知器４２が接続されている。
【００１４】
架線側電源回路２及びバッテリ側電源回路３の出力端が接続され、またグランド線Ｇ１，Ｇ２が接続されて構成され、これらの出力端及びグランド線Ｇ１，Ｇ２に、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５並びに静止型インバータ回路６が並列に接続されて構成されている。なお、架線側電源回路２及びバッテリ側電源回路３の出力端と、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５並びに静止型インバータ回路６との間には、それぞれ、第５〜第７接触器５０，５１，５２が接続されている。なお、静止型インバータ回路６と負荷９との間にはＬＣフィルタ５３が接続されている。
【００１５】
図２は、上述の第１及び第２高速度遮断器１１，３３、第１〜第３断流器１２，１３ｂ，１４ｂ、第１〜第７接触器１５，１６，２５，２６，５０〜５２、架線側昇降圧チョッパ回路２０、及び、バッテリ側昇降圧チョッパ回路４０と、これらの作動を制御するコントローラ６０とを示している。このコントローラ６０は、例えば運転台に設置されたバッテリ操作スイッチ盤７０を入出力インターフェースとして用い、また、架線側第１及び第２電圧検知器１８，１９とバッテリ側電圧検知器３６と，第３電圧検知器４２と、バッテリモジュール３２のバッテリ管理装置３０ｂ（後述する）からの検出値に基づいてこれらの接触器等を制御するものである。なお、コントローラ６０は、実際には複数の回路から構成されているが、ここではまとめて一つのブロックとして表現する。また、このコントローラ６０は、第１及び第２インバータ回路４，５や静止型インバータ回路６の作動制御も行うが、この図２では省略する。さらに、図３に、バッテリ操作スイッチ盤７０の外観を示す。
【００１６】
以上に説明した本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、コントローラ６０により架線側及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０，４０や接触器の作動を制御して、トロリー線Ｔ及びバッテリモジュール３２から同時に電力供給を受けることができるとともに、制動時に誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで発生する電気エネルギーをバッテリモジュール３２に蓄えることとができるものである。それでは、このような本実施例に係るハイブリッド電源システム１の詳細について説明する。
【００１７】
まず、バッテリ側電源回路３のバッテリモジュール３２の構成について説明する。バッテリモジュール３２は、図４に示すとおり、例えばリチウムイオン二次電池である単セル３０ａを所定の個数（この実施例では８個）直列に繋げ、高電位側端子に異常時自動トリップ機能を有する配線用遮断器３１が接続されて構成されている。そして、このバッテリモジュール３２を複数列（この実施例では４列）並列に接続して構成し（図１では１列のみ示す）、所望の電圧（６００Ｖ）及びエネルギー容量（１２０Ａｈ）を得ることができるように構成されている。
【００１８】
バッテリ３０の単セル３０ａの各々には、バッテリ管理装置３０ｂが接続されており、このバッテリ管理装置３０ｂにより各構成セル電圧及び総電圧の監視が行われる。なお、この配線用遮断器３１が投入されている、つまり、バッテリ回路が構成されている状態では、バッテリ管理装置３０ｂによりコントローラ６０を介してバッテリ操作スイッチ盤７０の電池群投入表示灯７１ａが点灯され、バッテリ異常又は手動操作により配線用遮断器３１が開放されたときは、対応する群の電池群投入表示灯７１ａが消灯されるように構成されている。
【００１９】
また、このバッテリモジュール３２に対しては、バッテリ管理装置３０ｂにより過充電及び過放電の保護機能が設けられている。なお、バッテリ管理装置３０ｂ自体の供給電源が断たれた場合には、配線用遮断器３１が自動開放する構成となっており、このバッテリ管理装置３０ｂが動作しない限りバッテリ主回路は構成されない。バッテリ管理装置３０ｂは、単セル３０ａが過充電（若しくは過放電）状態であると判断すると、コントローラ６０に信号に予告信号を送信する。具体的には、端子電圧が下限値を下回る単セル３０ａが一つでも発生すると、「過放電予告信号」を送信し、反対に、端子電圧が上限値を上回る単セル３０ａが一つでも発生すると、「過充電予告信号」が送信される。コントローラ６０はこれらの予告信号に応じて、バッテリ操作スイッチ盤７０の過充電予告表示灯７１ｂ若しくは過放電予告表示灯７１ｃを点灯させる。乗務員は、この表示灯７１ｂ，７１ｃの点灯を認識すると、力行ノッチ下げ操作や、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられた急速充電ＯＦＦスイッチ７２の操作を行うことが可能である。
【００２０】
また、バッテリ操作スイッチ盤７０には、バッテリ緊急遮断スイッチ７３が設けられており、走行中、停車中、急速充電中などにおいて、何らかの異常を察した際に、乗務員がこのバッテリ緊急遮断スイッチ７３を操作すると、コントローラ６０により配線用遮断器３１をトリップさせてバッテリ回路（全ブロック）を主回路から切り離すように構成されている。
【００２１】
本実施例に係るハイブリッド電源システム１において、バッテリユニット３２の自動開放保護は３系統設けられている。第１系統は、バッテリ管理装置３０ｂによる保護であり、上述のようにセル過電圧、セル低電圧、総過電圧の何れかが閾値に達した際に、このバッテリ管理装置３０ｂは、異常セルの存在するバッテリブロック（バッテリユニット３２）の配線用遮断器３１をトリップさせるように構成されている。なお、バッテリ管理装置３０ｂは、管理する単セル３０ａの温度も監視しており、この温度が異常温度になると、同様に配線用遮断器３１をトリップさせるように構成されている。
【００２２】
第２系統は、充放電器による保護である。図５に示すように、バッテリ側電源回路３には、充放電器６０ａ（上記コントローラ６０の一部）が設けられており、トロリー線Ｔから供給される電力や誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで発電される電力を用いてバッテリユニット３２を充電し、反対にこのバッテリユニット３２の電力を誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ等に供給するように構成されている。この充放電器８０は、バッテリ側電圧検知器３６によりバッテリモジュール３２の総電圧を監視しており、この総電圧が所定電圧を逸脱した場合に、充放電器６０ａによる減流遮断後、第５断流器３４が開放されて全バッテリモジュール３２が主回路から開放される。なお、バッテリモジュール３２の充放電電流が第２高速度遮断器３３の動作設定値を超えた場合は、この第２高速度遮断器３３が自動トリップするように構成されている。
【００２３】
第３系統は、運転指令回路による保護である。バッテリ操作スイッチ盤７０の急速充電ＯＮスイッチ７２が操作されると、コントローラ６０に設けられたタイマーが作動し、例えば１分などの設定時間が経過すると、自動的にコントローラ６０は緊急遮断状態になり、配線用遮断器３１を一斉に開放する。バッテリモジュール３２が高抵抗地絡を起こしてこのバッテリモジュール３２に地絡電流が流れると、その値が通常の急速充電時の値と近いため、判断できず正常な保護ができないために設けられたものである。
【００２４】
次に、車両駆動時の運転操作について説明する。本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、架線側電源回路２に設けられた架線側昇降圧チョッパ回路２０と、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６により、架線電圧がゼロでも逆印加の無い安全な構成とするとともに、この架線電圧が１５００Ｖ、７５０Ｖ、６００Ｖのいずれでもバッテリユニット３２を充電可能に構成されている。すなわち、直流架線１５００Ｖ系、直流架線６００Ｖ系（含む７５０Ｖ）、バッテリ走行の３モードの電圧選択による走行が可能に構成されている。これらの３モードのうち、どの電圧モードを選択するかは、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられたモード切替スイッチ７４を用いて乗務員により設定される。
【００２５】
コントローラ６０は、このモード切替スイッチ７４により選択された走行モードに応じて、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を行う。具体的には図６に示すように、６００Vモードの時は、第１及び第３接触器１５，２５を開き、第２及び第４接触器１６，２６を閉じてトロリー線Ｔからの直流電力を架線側昇降圧チョッパ回路２０の入力端２０ａから入力して出力端２０ｂから出力させる。反対に１５００Ｖモードの時は、第２及び第４接触器１６，２６を開き、第１及び第３接触器１５，２５を閉じてトロリー線Ｔからの直流電力を架線側昇降圧チョッパ回路２０の出力端２０ｂから入力して入力端２０ａから出力させる。このように、架線側昇降圧チョッパ回路２０への直流電力の入出力方向を第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を制御することにより切り替えることができ、架線電圧が６００Ｖでも１５００Ｖでも対応することができる。なお、バッテリモードの場合には第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６はすべて開かれる。
【００２６】
上述のように集電装置１０と第１高速度遮断器１１との間には、架線電圧を検知するための架線側第１電圧検知器１８が設けられており、コントローラ６０は、選択した電圧モードに応じた架線検知電圧（６００Ｖモード選択時には、３００〜９００Ｖ、１５００Ｖモード選択時には１０００〜１９００Ｖ等の所定値）の範囲内にあるか否かを判定する。そして、コントローラ６０は、架線検知電圧が所定範囲内にあるときのみ第１高速度遮断器１１、第１断流器１２、第２断流器１３ｂ、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６及び駆動用インバータ回路４，５を作動させる第５接触器５０と第６接触器５１の投入が可能となり、主回路が構成される。
【００２７】
なお、架線検知電圧が所定範囲外の場合は、バッテリモード選択により、駆動回路が構成され走行が可能となる（第５接触器５０及び第６接触器５１が投入可能）。このとき架線側の第１高速度遮断器１１、第１断流器１２、第２断流器１３ｂ、及び、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６は投入されない。
【００２８】
１５００Ｖモード若しくは６００Ｖモードが選択されて、架線ハイブリッド走行の力行中または回生中に、例えば、電気車がセクションを通過することにより、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線側検知電圧が所定電圧範囲を逸脱した場合、コントローラ６０は、バッテリモジュール３２からの電力で架線（トロリー線Ｔ）が逆加圧されないよう、架線側昇降圧チョッパ回路２０の動作を停止させ、架線側電源回路２の第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６（実際には第１及び第３接触器１５，２５の組合せ、又は、第２及び第４接触器１６，２６の組合せ）を開放する。
【００２９】
コントローラ６０により第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６が開放されると、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５には、バッテリ側電源回路３を介してバッテリモジュール３２からの電力が供給または回生され、力行動作または回生動作のままの走行を継続することができる。コントローラ６０は、架線側第１電圧検知器１８により復電を検知すると、再度、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の該当する接触器を投入し、架線側昇降圧チョッパ回路２０を作動させ、元の制御状態に戻す。なお、架線側検知電圧が回路保護レベルを超える場合には図示しない避雷器が動作すると同時に、瞬時に第１高速度遮断器１１が開放される。
【００３０】
一方、架線ハイブリッドモードで走行中に架線の停電が発生すると、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線側検知電圧が所定電圧範囲を逸脱し、上述のセクション通過と同様の制御がコントローラ６０により実行される。このとき、さらに、架線検知電圧の範囲逸脱時間が１０秒などの所定値を超える場合は、架線停電、架線高抵抗地絡、無架線区間進入、意図したパンタグラフ降下によるもののいずれかと判断できるため、コントローラ６０は、第１高速度遮断器１１、第１断流器１２及び第２断流器１３ｂを開放し、また、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の動作を停止させる。
【００３１】
このように、第１高速度遮断器１１等が開放されると、車両は惰行状態となり、ノッチオフ後再度ノッチ投入しても架線検知電圧が所定範囲外のため、力行、回生が受け付けられない。このとき、乗務員は摩擦ブレーキによる停止を行なうことができ、架線停電時に惰行状態となることで、一般的な電気車と同じ扱いが可能になる。
【００３２】
一方、架線停電、無架線区間、パンタグラフ降下状態でも走行継続を行ないたい場合には、乗務員は、バッテリ操作スイッチ盤７０のモード切換スイッチ７４をバッテリモードに切換える。この操作により、架線側電源回路２の接触器群が開放されると同時に第１及び第２駆動用インバータ回路４，５が動作が可能となり、バッテリ側電源回路３のバッテリユニット３２からの電力によって走行継続が可能となる。つまり、乗務員によるモード切替えスイッチ７４をバッテリモードに切替える動作には、無電圧状態での走行継続の意思を確認する意味を持たせている。なお、以上の説明において、コントローラ６０による接触器の開閉制御をまとめると、図７のようになる。
【００３３】
このように、架線側電源回路２に架線側昇降圧チョッパ回路２０を設け、第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６の開閉を制御することにより、架線電圧に拘わらず、入力側、出力側いずれに対しても制御不能電流が流れない構成とすることができる。また、従来の昇降圧チョッパ回路単体と同一回路構成も可能となり、バッテリ直接接続構成も可能となる。
【００３４】
また、上述のように、６００Ｖバッテリ搭載電気車を６００Ｖ架線下でハイブリッド動作させることができるとともに、１５００Ｖ、７５０Ｖ、６００Ｖ架線と６００Ｖバッテリの架線ハイブリッド制御や、６００Ｖバッテリのみ直接インバータ駆動が可能となり、各々の電圧で電流路の半導体ロスを最小化することによる高効率動作を実現できる。
【００３５】
ところで、このようなハイブリッド電源システム１を電気車に設けると、駅間はバッテリモードで走行し、駅に停車したときに集電装置１０をトロリー線Ｔ（その駅構内に限定的に敷設されたもの）に接触させてバッテリユニット３２を急速充電して、次の駅までの走行用の電力を蓄えるという運用が可能となる。そこで、急速充電を行う場合について説明する。
【００３６】
まず、急速充電開始の扱いであるが、バッテリモードで走行してきた後、充電所にて集電装置（パンタグラフ）１０の上昇動作を行い、さらに、モード切替えスイッチ７４を直流１５００Ｖ系または直流６００Ｖ系に切替える操作を行う。すると、コントローラ６０は、架線側第１電圧検知器１８で検知された架線検知電圧が所定範囲内の場合には、第１高速度遮断器１１、第１断流器１２及び第２断流器１３ｂと、選択された電圧モードに応じた第１〜第４接触器１５，１６，２５，２６のうちの２つの接触器を投入する（この状態は架線ハイブリッドモードと同じである）。
【００３７】
そして、乗務員が、バッテリ操作スイッチ盤７０に設けられた急速充電ＯＮスイッチ７２を操作すると、コントローラ６０は、運転台に設けられた急速充電ＯＮ表示灯（図示せず）を点灯させる。このとき、コントローラ６０は、第３接触器１４ｂを閉じて架線側昇降圧チョッパ回路２０の前段に設けられたフィルタリアクトル１４ａを短絡し、急速充電用主回路を構成する（フィルタリアクトルは充電所側に設けられる）。また、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の前段に設けられた第５及び第６接触器５０，５１が開放されるため、乗務員が間違ってノッチを投入しても走行できないようになる。なお、急速充電ＯＮスイッチ７２が操作された直後から、充放電器６０ａにより、自動的に予め設定された電流値による急速充電動作が開始される。
【００３８】
次に、急速充電の終了動作及び扱いについて説明する。バッテリユニット３２が、充放電器６０ａに予め設定してある電流値によって所定充電量まで充電されると、充放電器６０ａの動作が自動的に停止する。但し、この段階ではコントローラ６０は、まだ急速充電ＯＮ表示灯を消灯しない。急速充電途中であっても、停車所定時間を過ぎて出発したい場合は急速充電ＯＦＦスイッチ７２を操作することで、急速充電動作を停止させることができる。この操作後、コントローラ６０は、第３断流器１４ｂを閉じて架線側昇降圧チョッパ回路２０の前段に設けられたフィルタリアクトル１４ａを投入し、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５の前段に設けられた第５及び第６接触器５０，５１を投入することで、架線ハイブリッドモードで走行可能状態となる。
【００３９】
なお、急速充電ＯＮ表示灯が点灯中は、パンタ下げボタンを操作しても、集電装置１０の下降動作を受け付らないように構成することで、大電流遮断による集電装置１０の摺板でのアーク発生を防止することができる。さらに、急速充電ＯＮスイッチ７２の操作直後からコントローラ６０はタイマーを作動させ、例えば１分などの設定時間が経過すると、自動的に緊急遮断状態になるように構成されている。これは、高抵抗地絡を起こしてバッテリユニット３２に地絡電流が流れるものの、その値が通常の急速充電時の値と近い場合に、他機器で正常と判断して保護がかからないことを想定した動作である。
【００４０】
次に、ユニットカット時の動作と運転操作について説明する。この電気車は、図１に示すとおり、１つの駆動用インバータ回路に対して２台の誘導電動機が接続された１ユニットを構成し、このユニットを２個有して構成されており、健全時は４軸駆動電気車として、４軸ともに均一の駆動力、ブレーキ力が得られる。なお、ブレーキ力のほとんどが回生ブレーキ力となる。故障等で１ユニットを切り離したいときは、運転台に取り付けられたバッテリ操作スイッチ盤７０の第１群（第１軸と第４軸）開放スイッチ若しくは第２群（第２軸と第３軸）開放スイッチ（合わせて、「１／２群開放スイッチ７５」と呼ぶ）を操作することにより、両端２軸または中央２軸の駆動車両とすることが可能である。この操作により、コントローラ６０は、第１若しくは第２駆動用インバータ回路４，５の入力段に設けられた第５若しくは第６接触器５０，５１を開放するとともに、表示灯７１の１群開放若しくは２群開放表示灯７１ｄのうち、開放された群の表示灯を点灯する。
【００４１】
空気ブレーキが個別軸ごと、又は、台車ごとに制御できず、４軸一括の場合には、空気ブレーキは全軸均等にかかるため、常用ブレーキにおいて、健全２軸とユニットカット２軸ではブレーキ力に違いが現れる。ただ、第１軸と第４軸のブレーキ力は等しく、また第２軸と第３軸のブレーキ力は等しいため、車体前後のブレーキバランスには問題を生じない。さらに、非常ブレーキ時は全軸とも空気ブレーキのみの動作となり、全軸均一なブレーキ力となるので保安上の問題はない。この１／２群開放スイッチ７５によるユニット開放状態から組込み状態に戻すには、図示しない開放リセットスイッチ（通常、コンバータ・インバータ用車室モニタ装置内に設けられている）を操作する。
【００４２】
また、バッテリ操作スイッチ盤７０には、パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６が設けられている。パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６が切り替えられると、コントローラ６０は架線側昇降圧チョッパ回路２０及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を制御して、第１及び第２駆動用インバータ回路４，５に供給する電力を、４軸駆動ながら２軸相当分のパワーに抑制する。このパワーセーブモードは、例えば、変電所パワーが弱く、また高い加減速を必要としない線区で使用することができる。パワーセーブＯＮ／ＯＦＦスイッチ７６を復帰させることで、コントローラ６０は、バッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を全パワー駆動に復帰する。なお、パワーセーブモードが選択されている時は、急速充電時の電流値も半分にセーブされた値となるようにコントローラ６０は架線側昇降圧チョッパ回路２０及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路４０を制御するように構成されている。
【００４３】
上述のように本実施例においては、４個のバッテリユニット３２から構成されているが、いずれかのバッテリユニット３２がトリップした場合（配線用遮断器３１がトリップした場合）、トリップしたバッテリユニット３２の数に応じて、コントローラ６０はバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０を制御してパワー制限を行う。上述のように、配線用遮断器３１の投入状態は、充放電器６１ａの制御部（すなわちコントローラ６０）に常時伝達されており、投入数に応じた走行パワー制限や急速充電時の電流制限が行なわれる。具体的には、コントローラ６０は、図８に示すように、トリップ数毎に誘導電動機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの回転速度と必要なトルクの関係を示すデータを有しており、このデータに応じて駆動用インバータ回路４，５及びバッテリ側昇降圧チョッパ回路２０を制御するように構成されている。
【００４４】
なお、本実施例においては、力行ノッチ投入中に、速度８０ｋｍ／ｈに達すると速度リミッタが動作し、ノッチオフ状態になる。回生ブレーキはそれ以上の速度からでもかかるように構成されている。また、パワーセーブモード時には、速度４０ｋｍ／ｈに達すると速度リミッタが動作し、回生ブレーキはそれ以上の速度からでも動作するように構成されている。
【００４５】
本実施例に係るハイブリッド電源システム１は、図１に示すように、架線側電源回路２の第１接触器群２１の３個の接触器の各々と３個の第１スムージングリアクトル２２の各々との間に３本の接続端子５４が設けられている。架線側昇降圧チョッパ回路２０は、直流電圧を昇降圧するだけでなく、入力された交流を直流に変換するＰＷＭコンバータとしても動作させることできる。そのため、この３個の接続端子５４に三相交流電源（例えば、エンジンで駆動される同期電動機）を接続し、第１接触器群２１を開放すると、トロリー線Ｔから供給される直流電力だけでなく、三相交流電力を誘導電動機７ａ等やバッテリモジュール３２に供給することができる。もちろん、３個の接続端子５４のうちの２個の端子に単相交流電源を接続することも可能である。
【００４６】
同様に、バッテリ側電源回路３の第２接触器群３８の３個の接触器の各々と３個の第２スムージングリアクトル３９の各々との間に３本の接続端子５５が設けられている。この場合も、接続端子５５にエンジンで駆動される同期電動機を接続し、第２接触器群３８を開放すると、バッテリモジュール３２の変わりにエンジンで駆動される発電機からの電力と、トロリー線Ｔから供給される電力を用いてこの電気車をハイブリッド運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係るハイブリッド電源システムの構成示す回路図である。
【図２】上記ハイブリッド電源システムの制御回路を示すブロック図である。
【図３】バッテリ操作スイッチ盤を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は表示灯の拡大図である。
【図４】バッテリモジュールの構成を示す回路図である。
【図５】バッテリ側電源回路の要部を示す回路図である。
【図６】走行モード毎の接触器の断続状態を示す説明図である。
【図７】走行モードと架線電圧毎の接触器の断続状態を示す説明図である。
【図８】トリップ数毎の回転速度と電力の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ハイブリッド電源システム
２ 架線側電源回路（第１の電源回路）
３ バッテリ側電源回路（第２の電源回路）
１０ 集電装置
１５ 第１接触器（切替手段）
１６ 第２接触器（切替手段）
１８ 架線側第１電圧検知器（電圧検知手段）
２０ 架線側昇降圧チョッパ回路
２０ａ 入力端
２０ｂ 出力端
２５ 第３接触器（切替手段）
２６ 第４接触器（切替手段）
３２ バッテリユニット
４０ バッテリ側昇降圧チョッパ回路
６０ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電装置により集電した電力を負荷に供給する第１の電源回路と、バッテリ及びチョッパ回路を有し、前記第１の電源回路と並列に接続されて前記負荷に前記バッテリの電力を供給する第２の電源回路と、前記第１及び第２の電源回路の作動を制御するコントローラと、を備えるハイブリッド電源システムであって、
前記第１の電源回路が、
入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された直流電力の電圧変換を行って前記出力端から出力する昇降圧チョッパ回路と、
前記集電装置が前記入力端に接続され、前記負荷が前記出力端に接続された状態、及び、前記集電装置が前記出力端に接続され、前記負荷が前記入力端に接続された状態を切り替える切替手段と、
前記集電装置の電圧を検知する電圧検知手段と、を有し、
前記コントローラが、前記電圧検知手段で検知される電圧に応じて、前記切替手段を制御するハイブリッド電源システム。
【請求項２】
前記切替手段が、
前記集電装置と前記入力端とを断続する第１の接触器と、
前記出力端と前記負荷とを断続する第２の接触器と、
前記集電装置と前記出力端とを断続する第３の接触器と、
前記入力端と前記負荷とを断続する第４の接触器と、から構成される請求項１に記載のハイブリッド電源システム。
【請求項１】
集電装置により集電した電力を負荷に供給する第１の電源回路と、バッテリ及びチョッパ回路を有し、前記第１の電源回路と並列に接続されて前記負荷に前記バッテリの電力を供給する第２の電源回路と、前記第１及び第２の電源回路の作動を制御するコントローラと、を備えるハイブリッド電源システムであって、
前記第１の電源回路が、
入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された直流電力の電圧変換を行って前記出力端から出力する昇降圧チョッパ回路と、
前記集電装置が前記入力端に接続され、前記負荷が前記出力端に接続された状態、及び、前記集電装置が前記出力端に接続され、前記負荷が前記入力端に接続された状態を切り替える切替手段と、
前記集電装置の電圧を検知する電圧検知手段と、を有し、
前記コントローラが、前記電圧検知手段で検知される電圧に応じて、前記切替手段を制御するハイブリッド電源システム。
【請求項２】
前記切替手段が、
前記集電装置と前記入力端とを断続する第１の接触器と、
前記出力端と前記負荷とを断続する第２の接触器と、
前記集電装置と前記出力端とを断続する第３の接触器と、
前記入力端と前記負荷とを断続する第４の接触器と、から構成される請求項１に記載のハイブリッド電源システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２５３０８４（Ｐ２００８−２５３０８４Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９３４１２（Ｐ２００７−９３４１２）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／エネルギー回生利用バッテリー駆動型省エネＬＲＶ車両の研究開発」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／エネルギー回生利用バッテリー駆動型省エネＬＲＶ車両の研究開発」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
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