(57)【要約】【課題】低コストの鉄道車両駆動システムを提供する。【解決手段】エンジン１により駆動される誘導発電機２と、エンジン１の起動後に、誘導発電機２によって生成される交流電力を直流電力に変換するコンバータ３と、エンジン１の起動後に、前記直流電力を交流電力に変換して誘導電動機６に出力するインバータ５と、コンバータ３とインバータ５との間に並列接続されるエンジン起動用バッテリ４と、を備え、エンジン１の起動時に、エンジン起動用バッテリ４から供給される直流電力を、コンバータ３によって交流電力に変換し、当該交流電力により誘導発電機２を電動機として動作させてエンジン１を起動する。【選択図】図１
2014091504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにより駆動される発電機と、
前記エンジンの起動後に、前記発電機によって生成される交流電力を直流電力に変換する第１電力変換器と、
前記エンジンの起動後に、前記直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する第２電力変換器と、
前記第１電力変換器と前記第２電力変換器との間に並列接続されるエンジン起動用バッテリと、を備え、
前記エンジンの起動時に、前記エンジン起動用バッテリから供給される直流電力を、前記第１電力変換器によって交流電力に変換し、当該交流電力により前記発電機を電動機として動作させて前記エンジンを起動すること
を特徴とする鉄道車両駆動システム。
【請求項２】
エンジンにより駆動される発電機と、
前記エンジンの起動後に、前記発電機によって生成される交流電力を直流電力に変換する第１電力変換器と、
前記第１電力変換器に並列接続され、直流電力を充電又は放電する第１バッテリと、
前記第１電力変換器に並列接続され、前記第１バッテリよりも容量が小さく、直流電力を充電又は放電する第２バッテリと、
前記エンジンの起動後に、前記第１電力変換器及び／又は前記第１バッテリから入力される直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する第２電力変換器と、を備え、
前記エンジンの起動時に、前記第１バッテリ又は前記第２バッテリから供給される直流電力を、前記第１電力変換器によって交流電力に変換し、当該交流電力により前記発電機を電動機として動作させて前記エンジンを起動すること
を特徴とする鉄道車両駆動システム。
【請求項３】
エンジンにより駆動される発電機と、
前記エンジンの起動後に、前記発電機によって生成される交流電力を直流電力に変換する第１電力変換器と、
前記第１電力変換器に並列接続され、直流電力を充電又は放電する第１バッテリと、
前記エンジンの起動後に、前記第１電力変換器及び／又は前記第１バッテリから入力される直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する第２電力変換器と、
前記第２電力変換器と前記負荷との間に並列接続され、前記第１バッテリよりも容量が小さく、直流電力を充電又は放電する第２バッテリと、を備え、
前記エンジンの起動時に、
前記第１バッテリから供給される直流電力を、前記第１電力変換器によって交流電力に変換し、当該交流電力により前記発電機を電動機として動作させて前記エンジンを起動するか、
又は、
前記第２バッテリから供給される直流電力を、前記第２電力変換器によって昇圧し、昇圧された直流電力を前記第１電力変換器によって交流電力に変換し、当該交流電力により前記発電機を電動機として動作させて前記エンジンを起動すること
を特徴とする鉄道車両駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン及びバッテリを備える鉄道車両駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンとバッテリとを組み合わせたハイブリッド鉄道車両の開発が進められている。ハイブリッド鉄道車両は、制動時に発生する回生エネルギをバッテリに充電し、力行時にバッテリから負荷に放電することで回生エネルギを再利用し、省エネルギ化を図っている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第１制御手段と第２制御手段とを備えるリターダ装置について記載されている。ここで、第１制御手段は、高圧巻線及びバッテリを用いて、かご形多相誘導機を電動機又は発電機として機能させる。また、第２制御装置は、低圧巻線及びバッテリを用いて、かご形多相誘導機を発電機として機能させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２９４３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、バッテリを２群構成とし、それぞれをかご形多相誘導機に並列接続している。この場合、１つのバッテリからの電力でかご形多相誘導機を駆動するため、それぞれを大容量のバッテリにする必要がある。したがって、コストが増大するとともに、大きな設置スペースを確保しなければならないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、低コストの鉄道車両駆動システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両駆動システムは、エンジンの起動時に、エンジン起動用バッテリから供給される直流電力を、第１電力変換器によって交流電力に変換し、当該交流電力により発電機を電動機として動作させて前記エンジンを起動することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低コストの鉄道車両駆動システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。
【図２】エンジンを起動させる際の電力供給を示す説明図である。
【図３】エンジン起動用バッテリを充電する際の電力供給を示す説明図である。
【図４】鉄道車両の停車時における電力供給を示す説明図である。
【図５】力行運転を行う際の電力供給を示す説明図である。
【図６】抑速ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
【図７】停止ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。
【図１０】比較例に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。
【図１１】比較例に係る鉄道車両駆動システムが備える２次電池の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１１】
≪第１実施形態≫
＜鉄道車両駆動システムの構成＞
図１は、鉄道車両駆動システムの構成図である。以下では、図１に示す鉄道車両駆動システム１００を非ハイブリッド型の鉄道車両に搭載する場合について説明する。ここで、「非ハイブリッド型」とは、エンジンの動力により発電機を駆動することにより力行運転などを行い、後記する第２実施形態のように負荷への電力供給をアシスト可能な大容量のバッテリを備えないものを意味している。
【００１２】
鉄道車両駆動システム１００は、エンジン１と、誘導発電機２と、コンバータ３と、エンジン起動用バッテリ４と、インバータ５と、誘導電動機６と、減速機７と、サービス電源用インバータ８と、を備えている。
【００１３】
エンジン１は、例えば軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、制御装置（図示せず）から入力されるエンジン出力指令信号に応じて駆動し、軸出力を生成する。なお、制御装置から入力される前記エンジン出力指令信号は、加速、減速等の運転指令（図示せず）や、バッテリ４の充電量、車両の速度に応じて生成される。
誘導発電機２は、エンジン１の軸出力を動力としてロータ（図示せず）を回転させ、これを３相交流電力に変換してコンバータ３に出力する。
【００１４】
コンバータ３（第１電力変換器）は、エンジン１が起動された後に誘導発電機２から入力される交流電力を直流電力に変換し、インバータ５に出力する。ちなみに、前記直流電力は、制御装置（図示せず）から入力されるコンバータ発電指令信号によって調整される。
【００１５】
エンジン起動用バッテリ４は、コンバータ３とインバータ５との間に並列接続され、複数の単電池（２次電池）が直列接続された直列ユニットを有している。エンジン起動用バッテリ４は、エンジン１を起動する際に用いられるバッテリであり、一端（最も電位の高い箇所）が開閉器Ｑ１及び配線ａ４を介して配線ａ２に接続され、他端（最も電位の低い箇所）が配線ａ１を介して配線ａ３に接続されている。なお、前記単電池として、例えば、リチウムイオン蓄電池を用いることができる。
さらに、開閉器Ｑ１には、直列接続された開閉器Ｑ２及び充電抵抗Ｒ２が、並列に接続されている。
【００１６】
例えば、エンジン起動用バッテリ４から放電する際、制御装置（図示せず）によって開閉器Ｑ１はオフにされ、開閉器Ｑ２はオンにされる。これによって、コンバータ３の二次側（直流側）に大電流が流入することを防止しつつ、コンデンサＣ１を充電できる。
その後、制御装置によって、所定のタイミングで開閉器Ｑ１はオンにされ、開閉器Ｑ２はオフにされる。これによって、開閉器Ｑ１を介してエンジン起動用バッテリ４から放電される。
また、配線ａ４に設置されている電流検出器Ｐ１は、検出した電流値を制御装置（図示せず）に出力する。
【００１７】
図１に示すように、エンジン起動用バッテリ４は直列ユニットを１つ備え、当該直列ユニットは、複数（例えば、２個）の単電池４ａ，４ｂが直列接続された構成となっている。このようにエンジン起動用バッテリ４を少数の単電池で構成することにより、設置スペースを小さくできるとともに、コストを低減できる。
【００１８】
インバータ５（第２電力変換器）は、配線ａ２，ａ３を介してコンバータ３に接続されている。インバータ５は、エンジン１が起動された後に、コンバータ３から入力される直流電力を３相交流電力に変換して誘導電動機６に出力する。すなわち、制御装置（図示せず）から入力される制御信号に従って、インバータ５が有する複数のスイッチング素子（図示せず）のオン／オフが切り替わり、運転指令に応じた所定の振幅及び周波数の３相交流電力を誘導電動機６に出力するようになっている。
【００１９】
誘導電動機６（負荷）は、力行運転時においてインバータ５から入力される三相交流電力を軸トルクに変換し、減速機７に出力するものであり、鉄道車両の車輪駆動用の電動機である。また、回生運転時において誘導電動機６は、力行運転時とは逆に発電機として機能する。なお、誘導電動機６のロータ（図示せず）は、減速機７の回転軸に固定されている。
減速機７は、誘導電動機６の回転速度を、異なる歯数の歯車の組み合わせ等で減速し、これによって増幅された軸トルクで輪軸Ａを駆動して鉄道車両を加減速する。また、減速機７は、回生運転時において輪軸Ａの回転を増速し、誘導電動機６に伝達する。
【００２０】
サービス電源用インバータ８（第２電力変換器）は、配線ａ５，ａ６を介してコンバータ３から入力される直流電力を３相交流電圧に変換し、補機Ｂに出力する。なお、サービス電源用インバータ８から出力される３相交流電圧は、制御装置（図示せず）から入力される制御信号に応じて、所定の振幅・周波数に調整される。
補機Ｂ（負荷）は、例えば空調機器や照明機器であり、サービス電源用インバータ８から供給される交流電力により作動する。なお、補機Ｂは、誘導電動機６よりも低い電圧で作動する。
【００２１】
制御装置（図示せず）は、鉄道車両駆動システム１００全体の動作を統括制御し、コンバータ３、インバータ５、サービス電源用インバータ８、及び開閉器Ｑ１，Ｑ２に制御信号を出力する。なお、制御装置が行う処理の詳細については、後記する。
【００２２】
＜鉄道車両駆動システムの動作＞
（１．エンジン起動時）
図２は、エンジンを起動させる際の電力供給を示す説明図である。なお、図２では、コンデンサＣ１、開閉器Ｑ１，Ｑ２、抵抗器Ｒ２、及び電流検出器Ｐ１の記載を省略している（図３〜図７も同様）。
制御装置は、運転席の操作手段（図示せず）から鉄道車両駆動システム１００の起動指令を受けた場合、エンジン１を起動させる。
すなわち、制御装置は、開閉器Ｑ１をオフ、開閉器Ｑ２をオンにし、コンデンサＣ１を充電する（図１参照）。そして、コンデンサＣ１が所定電圧となった場合、制御装置は開閉器Ｑ１をオン、開閉器Ｑ２をオフにして、エンジン起動用バッテリ４からコンバータ３に所定の直流電圧（例えば、ＤＣ３４０Ｖ）を供給する（破線矢印を参照）。
【００２３】
また、制御装置は、エンジン１の起動時においてコンバータ３をインバータ動作させ、直流電圧を交流電圧に変換する。さらに、制御装置は、当該交流電圧により誘導発電機２に交流電流を流入させてモータ駆動させ、エンジン１を起動（つまり、クランキング）する。ちなみに、エンジン１の起動時において、インバータ５及びサービス電源用インバータ８には電力供給されない。
また、制御装置は、エンジン１を起動した後、エンジン起動用バッテリ４からの電力により誘導発電機２を励磁する。
【００２４】
（２．充電時）
図３は、エンジン起動用バッテリを充電する際の電力供給を示す説明図である。
制御装置は、前記したエンジン１の起動後、次回の起動時に備えてエンジン起動用バッテリ４を充電する。すなわち、制御装置は開閉器Ｑ１（図１参照）をオンしたまま、エンジン１の駆動によって誘導発電機２のロータ（図示せず）を回転させる。これによって、誘導発電機２からコンバータ３に交流電力が出力される。そして、制御装置は、誘導発電機２から入力される交流電力をコンバータ３によって直流電力に変換し、開閉器Ｑ１を介してエンジン起動用バッテリ４に供給（充電）する（破線矢印を参照）。
ちなみに、当該充電時において、インバータ５及びサービス電源用インバータ８には電力供給されない。
【００２５】
（３．停車時）
図４は、鉄道車両の停車時における電力供給を示す説明図である。
鉄道車両が停車しているときにも、空調機器や照明機器を含む補機Ｂに電力供給する必要がある。したがって、制御装置は、開閉器Ｑ１（図１参照）をオンからオフに切り替えて、回路からエンジン起動用バッテリ４を切り離した後、コンバータ３を用いて所定の直流電圧（例えば、ＤＣ６８０Ｖ）の定電圧発電を開始する。
そして、前記した直流電圧が生成された後、制御装置１１はサービス電源用インバータ８のスイッチング素子（図示せず）をオン／オフして直流電力を交流電力に変換し、補機Ｂ（空調機器や照明機器）に出力する。
【００２６】
（４．力行運転時）
図５は、力行運転を行う際の電力供給を示す説明図である。
制御装置はコンバータ３を制御し、前記した定電圧発電を継続する。また、運転席の操作手段（図示せず）から力行ノッチ指令が入力されると、制御装置はインバータ５に運転指令信号を出力し、インバータ５はコンバータ３から入力される直流電圧を３相交流電圧に変換する。そして、インバータ５から入力される３相交流電力により誘導電動機６を駆動し、輪軸Ａを回転させる。また、制御装置は、サービス電源用インバータ８の動作を継続させ、補機Ｂに交流電力を供給する（破線矢印を参照）。
【００２７】
また、制御装置は、誘導電動機６及び補機Ｂで必要となる電力に応じてエンジン１の出力（エンジンノッチや回転速度）を制御する。
なお、力行運転時において開閉器Ｑ１，Ｑ２(図１参照)はオフ状態であり、エンジン起動用バッテリ４には電力供給されない。前記したように、エンジン１を起動した直後にエンジン起動用バッテリ４を充電するので、エンジン起動用バッテリ４はほぼ満充電の状態になっている。
【００２８】
（５．惰行運転時）
惰行運転時における電力供給は、前記した停車時（図４参照）の場合と同様である。
制御装置１１は、コンバータ３を用いた定電圧発電（例えば、ＤＣ６８０Ｖ）を継続するとともに、補機Ｂに給電可能な所定出力でエンジン１を駆動する
なお、惰行運転時においてインバータ５には電力供給されず、誘導電動機６は停止状態となっている。
制御装置は、コンバータ３を用いた定電圧発電（例えば、ＤＣ６８０Ｖ）を継続するとともに、補機Ｂに給電可能な所定出力でエンジン１を駆動する。そして、エンジン１の駆動により誘導発電機２で生成される交流電力をコンバータ３によって直流電力に変換し、サービス電源用インバータ８に出力する。
【００２９】
さらに、サービス電源用インバータ８において前記直流電力を交流電力に変換し、補機Ｂに出力する（図４の破線矢印を参照）。これによって、サービス電源用インバータ８による補機Ｂへの電力供給が継続される（破線矢印を参照）。
なお、惰行運転時においてインバータ５には電力供給されず、誘導電動機６は停止状態となっている。また、惰行運転時においてエンジン起動用バッテリ４には電力供給されない。
【００３０】
（６．抑速ブレーキ時）
図６は、抑速ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
抑速ブレーキを行う際、制御装置は誘導電動機６を発電機として動作させ、インバータ５を回生モードで動作させる。
この場合、輪軸Ａの慣性モーメントにより誘導電動機６のロータ（図示せず）を回転させ、交流電力を生成する。そして、制御装置１１は、誘導電動機６からの前記交流電力を、インバータ５及びサービス電源用インバータ８により所定の位相・振幅・周波数の交流電力に変換し、補機Ｂに交流電力を供給する（破線矢印を参照）。
【００３１】
また、制御装置は、エンジン１の出力をオフにし（つまり、アイドリング状態とし）、コンバータ３をインバータ動作させ、誘導発電機２をモータ動作させる。そうすると、当該モータ動作によりエンジン１の回転速度が上昇し、発電ブレーキ（エンジンブレーキ）を実行できる。
【００３２】
（７．停止ブレーキ時）
図７は、停止ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
駅で停車するために減速する際、制御装置は誘導電動機６を発電機として動作させ、インバータ５を回生モードで動作させる。
この場合、制御装置は、誘導電動機６を発電機として動作させることで得られる交流電力を、インバータ５及びサービス電源用インバータ８により所定の位相・振幅・周波数の交流電力に変換し、補機Ｂに出力する（破線矢印を参照）。
【００３３】
このとき、制御装置は、回生失効時に備えてエンジン１を継続して駆動し、コンバータ３を定電圧制御（例えば、ＤＣ６８０Ｖ）する。
また、回生運転時において制御装置は、開閉器Ｑ１，Ｑ２（図示せず）をオフ状態とし、エンジン起動用バッテリ４の充電を停止している。
なお、回生運転時に空気ブレーキ又はエンジンブレーキを併用して所望の制動力を得ることが好ましい。
【００３４】
＜効果＞
本実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００によれば、エンジン起動用バッテリ４から供給される電力によりエンジン１を起動させる。したがって、起動専用のモータスタータを設置する必要がないぶん、コストを削減できる。
また、エンジン起動用バッテリ４は、エンジン１の起動に必要となるぶんの単電池（例えば、直列接続された２個の単電池４ａ，４ｂ）で構成すればよい。したがって、エンジン起動用バッテリ４の設置スペースを小さくできるとともに、バッテリ電圧を低電圧とすることができるため、バッテリ実装時の絶縁設計の簡略化、コストの大幅な削減ができる。
【００３５】
また、エンジン起動用バッテリ４から放電し、電力を取り出すのはエンジン１の起動時のみであり、その後はエンジン１の駆動により誘導発電機２のロータ（図示せず）を回転させて交流電力を生成する。また、次回のエンジン１の起動時に備えて、鉄道車両の走行を開始する前にエンジン起動用バッテリ４を充電する。
このように、走行中はエンジン起動用バッテリ４の充放電を行わないため、制御装置の処理負荷を軽減できる。
【００３６】
≪第２実施形態≫
図８は、第２実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。第２実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００Ａは、ハイブリッド型のシステムである。ここで「ハイブリッド型」とは、エンジンにより駆動される発電機から供給される電力と、バッテリから供給される電力と、のうち少なくとも１つを用いて電動機などを駆動する場合を意味している。
第２実施形態は、第１実施形態で説明したエンジン起動用バッテリ４に代えて、主バッテリ４１及び非常用バッテリ４２を備える点が異なるが、その他は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００３７】
主バッテリ４１（第１バッテリ）は、コンバータ３に並列接続され、直流電力を充電又は放電するバッテリである。主バッテリ４１は、複数の単電池（２次電池）が直列接続された直列ユニットを複数有し、これら複数の直列ユニットが並列接続されている。
このように、複数の直列ユニットを並列接続することによって主バッテリ４１の必要容量を確保するとともに冗長化している。すなわち、主バッテリ４１が有する単電池のいずれかに異常が生じた場合、セルコントローラ（図示せず）による異常信号に基づき制御装置（図示せず）が当該単電池の属する直列ユニットを切り離し、他の直列ユニットから誘導電動機６に電力供給できるようになっている。
なお、前記単電池として、例えば、リチウムイオン蓄電池を用いることができる。
【００３８】
主バッテリ４１の一端（最も電位の高い箇所）は、開閉器Ｑ３及びリアクトルＬ１を介して配線ａ２に接続されている。また、主バッテリ４１の他端（最も電位の低い箇所）は、配線ａ１を介して配線ａ３に接続されている。
さらに、開閉器Ｑ３には、直列接続された開閉器Ｑ４及び充電抵抗Ｒ４が、並列に接続されている。なお、開閉器Ｑ３，Ｑ４、及び充電抵抗Ｒ４については、第１実施形態の場合と同様であるから、説明を省略する。
【００３９】
主バッテリ４１が備えるそれぞれの単電池の充放電は、セルコントローラ（図示せず）によって制御される。また、セルコントローラは、それぞれの単電池の電圧、電流、温度などを監視し、直列ユニット内の単電池の電圧を均等化する機能を有している。
リアクトルＬ１は、コンバータ３の二次側から出力される電流のリプルを抑制するためのものである。電流検出器Ｐ２は、主バッテリ４１の充放電電流を検出して制御装置に出力する。
【００４０】
非常用バッテリ４２（第２バッテリ）は、主バッテリ４１が故障した場合などの非常時に用いられるバッテリであり、コンバータ３に並列接続され、直流電力を充電又は放電する。非常用バッテリ４２の一端（最も電位の高い箇所）は開閉器Ｑ５を介して配線ａ２に接続され、他端（最も電位の低い箇所）は配線ａ５を介して配線ａ３に接続されている。非常用バッテリ４２は、主バッテリ４１よりも低電圧、小容量であり、図８に示す例では２個の単電池が直列接続された構成となっている。
電流検出器Ｐ３は、非常用バッテリ４２の充放電電流を検出して制御装置に出力する。
なお、非常用バッテリ４２、開閉器Ｑ５，Ｑ６、及び充電抵抗Ｒ６については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４１】
＜鉄道車両駆動システムの動作＞
エンジン１を起動させる際、制御装置は、主バッテリ４１からの電力により、エンジン１を起動（つまり、クランキング）する。つまり、主バッテリ４１は、第１実施形態で説明した「エンジン起動用バッテリ４」と同様の機能を有している。
制御装置は、エンジンを起動する際、主バッテリ４１（非常時においては、非常用バッテリ４２）から供給される直流電力をコンバータ３によって交流電力に変換し、当該交流電力により誘導発電機２を電動機として動作させてエンジン１を起動する。
【００４２】
また、運転席の操作手段（図示せず）から力行ノッチ指令が入力されると、制御装置はエンジン１によって誘導発電機２を駆動し、誘導発電機２からの交流電力、及び／又は主バッテリ４１からの直流電力により誘導電動機６（負荷）を力行運転するとともに、補機Ｂ（負荷）を駆動する。
【００４３】
このように、制御手段はエンジン１が起動された後に、誘導発電機２によって生成される交流電力をコンバータ３によって直流電力に変換する。また、エンジン１が起動された後に、コンバータ３及び／又は主バッテリ４１から入力される直流電力をインバータ５によって交流電力に変換し、誘導電動機６に出力する。同様に、エンジン１が起動された後に、コンバータ３及び／又は主バッテリ４１から入力される直流電力をサービス電源用インバータ８によって交流電力に変換し、補機Ｂに出力する。
【００４４】
また、運転席の操作手段（図示せず）からブレーキの制御信号が入力された場合、制御装置は、誘導電動機６を発電機として動作させて回生電力で補機Ｂを駆動する。また、制御装置は、余剰電力を主バッテリ４１に充電する。
また、エンジン１の起動時において主バッテリ４１が故障していた場合、制御装置は、開閉器Ｑ３をオンからオフに切り替え、開閉器Ｑ６（その後、開閉器Ｑ５）をオフからオンに切り替えて、非常用バッテリ４２からの電力によりエンジン１を起動させる。
【００４５】
つまり、非常用バッテリ４２も、第１実施形態で説明した「エンジン起動用バッテリ４」と同様の機能を有している。
なお、非常時には、非常用バッテリ４２を用いてエンジン１を起動し、その後は誘導発電機２からの電力のみによって誘導電動機６及び補機Ｂを駆動することが好ましい。これによって、非常用バッテリ４２は小容量のものを用いることができる。
【００４６】
＜効果＞
本実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００Ａによれば、主バッテリ４１を用いた充放電制御を行うことで、排ガス及び騒音を低減し、省エネルギ化を図ることができる。また、主バッテリ４１が故障した場合、非常用バッテリ４２を用いてエンジン１を起動することで運転を継続できる。
また、非常用バッテリ４２は、エンジン１の起動に必要な電圧を生成できればよく、少数の単電池（例えば、直列接続された２個の単電池）を備える構成とすればよい。したがって、バッテリ（主バッテリ４１及び非常用バッテリ４２）にかかるコストを低減できるとともに、バッテリの設置に必要なスペースを小さくできる。
【００４７】
≪第３実施形態≫
図９は、第３実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。第３実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００Ｂは、ハイブリッド型のシステムである。
第３実施形態は、リアクトル９、三相コンデンサ１０、開閉器Ｑ７，Ｑ８、及び充電抵抗Ｒ８を備え、非常用バッテリ４３がサービス電源用インバータ８と補機Ｂとの間に接続されている点が第２実施形態と異なるが、その他は第２実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００４８】
図９に示すように、リアクトル９は、サービス電源用インバータ８の第１レグ、第２レグ、第３レグにそれぞれ直列に接続されている。三相コンデンサ１０は、リアクトル９よりも補機Ｂ側に設置され、デルタ結線されている。リアクトル９及び三相コンデンサ１０は、サービス電源用インバータ８から入力される交流電圧に含まれる高周波成分を抑制して正弦波状の電圧とし、開閉器Ｑ９を介して補機Ｂに供給するためのものである。
【００４９】
非常用バッテリ４３（第２バッテリ）は、サービス電源用インバータ８と補機Ｂとの間に並列接続され、直流電力を充電又は放電するバッテリである。なお、非常用バッテリ４３は、主バッテリ４１（第１バッテリ）が故障した場合などの非常時に用いられ、主バッテリ４１よりも小容量のバッテリである。なお、図９に示す例では、非常用バッテリ４３は、２個の単電池が直列接続された構成となっている。
ちなみに、第３実施形態で用いる非常用バッテリ４３の電圧は、第２実施形態の非常用バッテリ４２の電圧よりも低くできる。
非常用バッテリ４３の一端（最も電圧の高い箇所）は、開閉器Ｑ７を介して配線ａ６に接続されている。なお、非常用バッテリ４３を配線ａ７又は配線ａ８に接続してもよい。
また、非常用バッテリ４３の他端（最も電圧の低い箇所）は、配線ａ９を介してインバータ５の下アーム（配線ａ６）に接続されている。
【００５０】
＜鉄道車両駆動システムの動作＞
以下では、主バッテリ４１が故障した場合などの非常時において、非常用バッテリ４３を用いてエンジン１を起動する場合について説明する。なお、主バッテリ４１が正常である場合での鉄道車両駆動システム１００Ｂの動作は、第２実施形態と同様である。
【００５１】
非常時においてエンジン１を起動する際、制御装置は、開閉器Ｑ７をオフ、開閉器Ｑ８をオンにして、エンジン起動用バッテリ４からの電力でコンデンサＣ１を充電する。そして、コンデンサＣ１が所定電圧となった場合、制御装置は開閉器Ｑ７をオンし、開閉器Ｑ８をオフにする。
さらに、制御装置はサービス電源用インバータ８を昇圧用のコンバータとして動作させ、非常用バッテリ４２から供給される電圧を昇圧して所定電圧とし、配線ａ５，ａ６を介してコンバータ３に供給する。また、制御装置は、コンバータ３をインバータとして動作させて直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力により誘導発電機２をモータ駆動させてエンジン１を起動（つまり、クランキング）する。
【００５２】
＜効果＞
本実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００Ｂによれば、非常用バッテリ４３から供給される電圧を、サービス電源用インバータ８をコンバータ３として動作させることで昇圧し、当該電圧によって誘導発電機２をモータ動作させてエンジン１を起動する。
したがって、非常用バッテリ４３に用いる単電池として安価かつ低電圧のものを使用できるため、第２実施形態と比較してさらにコストを削減できる。
【００５３】
また、鉄道車両駆動システム１００Ｂでは、補機Ｂに電力供給する際に用いるインバータ５を、前記した昇圧用のコンバータとして用いる。したがって、昇圧用のコンバータを別途設ける必要がなくなるため、コスト及び設置スペースを削減できる。
【００５４】
≪比較例≫
図１０は、比較例に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。鉄道車両駆動システム２００は、エンジン２１と、誘導発電機２２と、電力変換器２３と、負荷２４と、二次電池２５と、二次電池情報監視部２６と、制御装置２７と、を備えている。
そして、誘導発電機２２に設けられた速度信号発生器２３ａから出力される速度信号Ｎｇが速度検出部２７ｂに入力され、速度検出部２７ｂから入力される回転周波数Ｆｇは、制御部２７ａ及びエンジン始動判定部２７ｃに出力される。
【００５５】
また、電圧検出器ＰＴから出力される二次電池電圧Ｖｂは、エンジン始動判定部２７ｃに入力され、二次電池２５から出力される二次電池情報Ｓｂ０は、二次電池情報監視部２６に入力される。
さらに、二次電池情報監視部２６から出力される二次電池情報Ｓｂ１と、エンジン始動判定部２７ｃから出力される始動許可信号Ｓｓとは、制御部２７ａに入力される。また、制御部２７ａから出力される駆動信号Ｓｇが電力変換器２３に入力され、スイッチ開閉信号Ｓｓｗが開閉器２８に入力される。
【００５６】
図１１は、比較例に係る鉄道車両駆動システムが備える２次電池の構成図である。なお、図１１では、二次電池情報監視部２６及び制御装置２７（図１０参照）の記載を省略している。
比較例に係る鉄道車両駆動システム２００は、電力変換器２３と負荷２４との間に並列に接続される２つのバッテリ２５ａ，２５ｃを備えている。このように同じ機能の２つのバッテリを設けることで、一方のバッテリが故障した場合に備えて冗長化している。
それぞれのバッテリ２５ａ，２５ｄは、単電池を複数個直列接続したものを１ユニットとし、複数の前記ユニットが並列接続されている。なお、リアクトルＬａ，Ｌｃは、電圧のリプル抑制のために設けられている。また、電流検出器Ｐａは、バッテリ２５ａの充放電電流値を制御装置２７（図１０参照）に出力し、電力検出器Ｐｃはバッテリ２５ｃの充放電電流値を制御装置２７に出力する。
【００５７】
比較例の構成では、バッテリ２５ａ又はバッテリ２５ｃからの電力で負荷を駆動するため、バッテリ２５ａ，２５ｃの両方を大容量にする必要がある。したがって、バッテリ２５ａ，２５ｃを搭載するために大きな設置スペースを確保する必要があるとともに、コストが増大するという問題があった。
【００５８】
これに対して、前記各実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００（１００Ａ，１００Ｂ）は、エンジン起動用のバッテリ（第１実施形態ではエンジン起動用バッテリ４、第２実施形態・第３実施形態では、主バッテリ４１及び非常用バッテリ４２）を備えている。当該エンジン起動用のバッテリは、エンジン１を起動する際に必要となる電力を供給できればよく、少数（例えば、２個）の単電池で足りる。
したがって、前記各実施形態に係る鉄道車両駆動システム１００は、前記した比較例に対して設置スペース及びコストを大幅に削減できる。
【００５９】
≪変形例≫
以上、本発明に係る鉄道車両駆動システムについて各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、ハイブリッド型である第３実施形態の鉄道車両駆動システム１００Ｂの構成から主バッテリ４１を省略し、非常用バッテリ４３をエンジン起動用バッテリとして用いてもよい。この場合、鉄道車両駆動システムを、第１実施形態と同様に非ハイブリッド型として機能させる。
【００６０】
また、前記各実施形態では、発電機が誘導発電機である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、発電機が備えるステータが永久磁石を備える構成としてもよい。また、発電機として同期発電機を用いてもよい。
また、前記各実施形態では、電動機が誘導電動機６である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、電動機が備えるステータが永久磁石を備える構成としてもよい。また、電動機として同期電動機を用いてもよい。
【００６１】
また、第２実施形態および第３実施形態では、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両について説明したが、パラレルハイブリッド方式への適用も可能である。すなわち、図８、図９においてエンジン１が出力する軸トルクと電動機が出力する軸トルクが変速機を介して車軸に入力される構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１００，１００Ａ，１００Ｂ  鉄道車両駆動システム
１  エンジン
２  誘導発電機
３  コンバータ（第１電力変換器）
４  エンジン起動用バッテリ
４１  主バッテリ（第１バッテリ）
４２，４３  非常用バッテリ（第２バッテリ）
５  インバータ（第２電力変換器）
６  誘導電動機（負荷）
７  減速機
８  サービス電源用インバータ（第２電力変換器）
Ａ  輪軸
Ｂ  補機（負荷）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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