(57)【要約】  【課題】  高速域において電力回生ブレーキを強化すると共に、余剰の回生電力を小型の蓄電装置に蓄積して架線電圧の上昇を抑えた鉄道車両システムを提供する。  【解決手段】  この鉄道車両システムは、交流電圧により駆動される電動機１０と、力行時に供給される直流電圧を交流電圧に変換して電動機１０に供給すると共に、回生時に電動機１０において生じた交流起電力に基づいて直流電圧を供給するインバータ１１と、インバータ１１と架線１との間に直列に設置され、回生時にインバータ１１から供給される回生電力を蓄積して、蓄積された回生電力を力行時にインバータ１１に供給する蓄電装置１２とを具備する。蓄電装置１２は、回生時にインバータ１１と架線１との間に所定の電圧を確保する電圧確保部２０と、電圧確保部２０と並列に設けられて回生電力を蓄積する蓄電部３０及び４０とを有する。【選択図】  図１
2006094613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力行時に交流電圧が供給されて鉄道車両を駆動すると共に、回生時に前記鉄道車両にブレーキ力を発生させて交流起電力を生じる電動機と、
力行時に供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機に供給すると共に、回生時に前記電動機において生じた交流起電力に基づいて直流電圧を供給するインバータと、
該インバータと架線との間に直列に設置され、回生時に前記インバータから供給される回生電力を蓄積して、蓄積された回生電力を力行時に前記インバータに供給する蓄電装置であって、回生時に前記インバータと架線との間に所定の電圧を確保する電圧確保部と、該電圧確保部と並列に設けられて回生電力を蓄積する蓄電部とを有する前記蓄電装置と、
を具備する鉄道車両システム。
【請求項２】
架線電圧を検出する直流電圧検出器と、
回生時に前記直流電圧検出器の出力信号に基づいて架線電圧が急上昇し始めたことを検出すると前記電圧確保部を動作させ、前記電圧確保部により所定の電圧が確保されると前記蓄電部を動作させる制御部と、
をさらに具備する請求項１記載の鉄道車両システム。
【請求項３】
前記制御部が、力行時には、前記蓄電部に蓄積された回生電力を放出させた後に、前記電圧確保部の動作を停止させる、請求項１又は２記載の鉄道車両システム。
【請求項４】
前記電圧確保部と前記蓄電部とがそれぞれ、
前記インバータと架線との間に直列に接続されたインダクタと、第１のスイッチング素子と、蓄電素子及び第２のスイッチング素子と、
前記インバータから架線に向く方向が順方向となるように前記第１のスイッチング素子と並列に接続された第１のダイオードと、
前記第１のダイオードと逆方向となるように前記蓄電素子及び前記第２のスイッチング素子とそれぞれ並列に接続された第２及び第３のダイオードと、
前記蓄電素子及び前記第２のダイオードと並列に接続された第３のスイッチング素子と、
前記蓄電素子の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、
を有する、請求項１〜３のいずれか１項記載の鉄道車両システム。
【請求項５】
前記電圧確保部と前記蓄電部とがそれぞれ、前記第１のダイオードと逆方向となるように前記インダクタと並列に接続された第４のダイオードを更に有する、請求項１〜４のいずれか１項記載の鉄道車両システム。
【請求項６】
前記電圧確保部の前記蓄電素子の静電容量が、前記蓄電部の前記蓄電素子の静電容量よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１項記載の鉄道車両システム。
【請求項７】
前記蓄電素子が電気二重層キャパシタである、請求項１〜６のいずれか１項記載の鉄道車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機等を用いて鉄道車両を加減速させる鉄道車両システムに関する。特には、架線電圧の制限等により架線に戻せない余剰の回生電力を蓄積媒体（例えば、電気二重層キャパシタ）に蓄積し、力行時に蓄電媒体からのパワーアシストを行うことができる鉄道車両システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気機関車や電車等の鉄道車両のブレーキ方式として、「電力回生ブレーキ方式」が知られている。この電力回生ブレーキ方式は、鉄道車両に使用される電動機を発電機として用い、鉄道車両に蓄えられた運動エネルギーにより発電を行うと共に鉄道車両にブレーキ力を与え、発電により生成された電力（回生電力）を、鉄道車両に電力を供給する架線に戻す方式である。この電力回生ブレーキ方式によれば、回生電力を抵抗により熱エネルギーとして消費する方式に比べ、エネルギーを有効に活用することができるという利点がある。
【０００３】
電力回生ブレーキ方式によれば、回生電力を架線に戻して他の電車の加速時にこの回生電力を消費させているが、他の電車が停止又は減速している場合等においては、回生電力が消費されず、架線の電圧を急速に押し上げてしまう。このような架線の急速な電圧上昇を避ける一方法として、鉄道車両に使用される電動機との間で電力をやり取りするＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータ（以下、「インバータ」と称する。）の入力段に並列に、例えば、電気二重層キャパシタ、バッテリ又はフライホイール等を用いた蓄エネルギー装置を設置して、回生電力を蓄エネルギー装置に蓄積し、力行時に蓄エネルギー装置から回生電力を放出する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、インバータの入力段に並列に蓄エネルギー装置を設置する方法によれば、回生時にはインバータ電圧は高電圧（例えば、１８００Ｖ）となるため、蓄エネルギー装置等を高耐圧化する必要があり、装置が大型化するという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−３６９３０８号公報（段落００５７〜００６０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、高速域において電力回生ブレーキを強化すると共に、余剰の回生電力を小型の蓄電装置に蓄積して架線電圧の上昇を抑えた鉄道車両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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両システムは、力行時に交流電圧が供給されて鉄道車両を駆動すると共に、回生時に前記鉄道車両にブレーキ力を発生させて交流起電力を生じる電動機と、力行時に供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機に供給すると共に、回生時に前記電動機において生じた交流起電力に基づいて直流電圧を供給するインバータと、該インバータと架線との間に直列に設置され、回生時に前記インバータから供給される回生電力を蓄積して、蓄積された回生電力を力行時に前記インバータに供給する蓄電装置であって、回生時に前記インバータと架線との間に所定の電圧を確保する電圧確保部と、該電圧確保部と並列に設けられて回生電力を蓄積する蓄電部とを有する前記蓄電装置とを具備する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、インバータの入力段に蓄電媒体を直列に配置し、回生時に架線電圧を上昇させずにインバータ電圧を上昇させて両者の差電圧分のエネルギーを蓄電媒体に蓄積し、蓄積したエネルギーを力行時に放出することにより、エネルギーを有効活用することができる。すなわち、鉄道車両の高速域での回生ブレーキ増大による増大パワー相当のエネルギーを蓄積し、又は軽負荷時に架線電圧を上昇させずに回生絞込を最小限に留め、蓄積したエネルギーを有効活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両システムの構成を示す図である。図２は、図１に示す蓄電装置１２の構成を示す図である。本実施形態に係る鉄道車両システムは、図１に示すように、３相の誘導電動機１０と、インバータ（ＶＶＶＦインバータ）１１と、蓄電装置１２と、インダクタ１３と、直流電圧検出器（ＤＣＰＴ）１４と、制御部１５とを備えている。
【０００９】
３相の誘導電動機１０は、力行時においては、鉄道車両駆動用の電動機として使用され、インバータ１１から出力される３相の交流電圧により駆動される。一方、電力回生ブレーキを働かせる場合には、誘導電動機１０が発電機として用いられる。
【００１０】
インバータ１１は、電力回生機能を有する３相のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式のインバータである。インバータ１１の第１のノードＮ１は蓄電装置１２、インダクタ１３及びパンタグラフ１６を介して架線１に接続されており、また、インバータ１１の第２のノードＮ２は車輪１７を介してレール２に接続されている。
【００１１】
インバータ１１は、誘導電動機１０の第１相の巻線に接続されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、誘導電動機１０の第２相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、誘導電動機１０の第３相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ５及びＱ６と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、架線１及びレール２によってそれぞれ供給される２種類の電源電位と誘導電動機１０の第１相から第３相の巻線との間でスイッチング動作を行うことにより、誘導電動機１０の各々の巻線に交流電圧を供給する。また、インバータ１１は、誘導電動機１０に交流電圧を供給する場合に対して電流位相を反転させるようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御してスイッチング動作を行うことにより、電力回生動作を行う。
【００１２】
さらに、フィルタコンデンサＣ１がインバータ１１のノードＮ１及びＮ２の間に設けられている。ここで、インバータ１１のノードＮ１及びＮ２間の電圧（インバータ電圧）はフィルタコンデンサＣ１の両端電圧と等しくなるため、以下では、この電圧をインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcとして説明する。
【００１３】
蓄電装置１２は、インバータ１１のノードＮ１と架線１との間にインダクタ１３を介して設置されており、互いに並列接続された電圧確保部２０、第１の蓄電部３０及び第２の蓄電部４０を備えている。
【００１４】
図２に示すように、電圧確保部２０は、インバータ１１のノードＮ１とインダクタ１３（架線１）との間に直列に接続されたインダクタＬ２１、スイッチング素子Ｑ２１、電気二重層キャパシタＣ２１及びスイッチング素子Ｑ２２と、これらとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ２１〜Ｄ２４とを有する。ここで、電気二重層キャパシタＣ２１の静電容量は、回生時にインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcを瞬時（例えば、１０ｍｓ）に許容最大電圧（例えば、１８００Ｖ）にするために、後述する第１及び第２の蓄電部３０及び４０の電気二重層キャパシタＣ３１及びＣ４１の静電容量よりも小さくされている（望ましくは、１／１０以下）。ダイオードＤ２２は、インバータ１１のノードＮ１からインダクタ１３（架線１）に向く方向が順方向となるように接続されているが、ダイオードＤ２１、Ｄ２３及びＤ２４はダイオードＤ２２と逆方向に接続されている。
電圧確保部２０は、電気二重層キャパシタＣ２１及びダイオードＤ２３と並列に接続されたスイッチング素子Ｑ２３と、電気二重層キャパシタＣ２１の電圧を検出する直流電圧検出器２１とを更に有する。
【００１５】
第１の蓄電部３０は、インバータ１１のノードＮ１とインダクタ１３（架線１）との間に直列に接続されたインダクタＬ３１、スイッチング素子Ｑ３１、電気二重層キャパシタＣ３１及びスイッチング素子Ｑ３２と、これらとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ３１〜Ｄ３４とを有する。ここで、ダイオードＤ３２は、インバータ１１のノードＮ１からインダクタ１３（架線１）に向く方向が順方向となるように接続されているが、ダイオードＤ３１、Ｄ３３及びＤ３４はダイオードＤ３２と逆方向に接続されている。
第１の蓄電部３０は、電気二重層キャパシタＣ３１及びダイオードＤ３３と並列に接続されたスイッチング素子Ｑ３３と、電気二重層キャパシタＣ３１の電圧を検出する直流電圧検出器３１とを更に有する。
【００１６】
第２の蓄電部４０は、インバータ１１のノードＮ１とインダクタ１３（架線１）との間に直列に接続されたインダクタＬ４１、スイッチング素子Ｑ４１、電気二重層キャパシタＣ４１及びスイッチング素子Ｑ４２と、これらとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ４１〜Ｄ４４とを有する。ここで、ダイオードＤ４２は、インバータ１１のノードＮ１からインダクタ１３（架線１）に向く方向が順方向となるように接続されているが、ダイオードＤ４１、Ｄ４３及びＤ４４はダイオードＤ４２と逆方向に接続されている。
第２の蓄電部４０は、電気二重層キャパシタＣ４１及びダイオードＤ４３と並列に接続されたスイッチング素子Ｑ４３と、電気二重層キャパシタＣ４１の電圧を検出する直流電圧検出器４１とを更に有する。
【００１７】
再び図１を参照すると、インダクタ１３は、リプルを低減するために、パンタグラフ１６と蓄電装置１２との間に挿入されている。
直流電圧検出器１４は、架線１の電圧（架線電圧Ｖp）を検出するためのものであり、パンタグラフ１６とインバータ１１のノードＮ２との間に設けられている。
制御部１５は、蓄電装置１２の３個の直流電圧検出器２１、３１及び４１の出力信号と直流電圧検出器１４の出力信号とに基づいて、蓄電装置１２の９個のスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２３、Ｑ３１〜Ｑ３３及びＱ４１〜Ｑ４３のスイッチング動作を制御する。
【００１８】
次に、本実施形態に係る鉄道車両システムの動作について、図３から図８を参照しながら説明する。図３は、架線１からの力行電流Ｉinv-pを蓄電装置１２内で分流してインバータ１１に供給する場合の本実施形態に係る鉄道車両システムの動作を説明するための図であり、図４は、インバータ１１からの回生電力を架線１に戻して他の電車の加速等に利用する場合の本実施形態に係る鉄道車両システムの動作を説明するための図であり、図５及び図６は、本実施形態に係る鉄道車両システムの回生時における蓄電動作を説明するための図であり、図７及び図８は、本実施形態に係る鉄道車両システムの力行時における放電動作を説明するための図である。
なお、以下の説明では、架線電圧Ｖpを１６００Ｖとし、回生時におけるインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcの許容最大電圧を約１８００Ｖとする。
【００１９】
鉄道車両が力行している場合には、架線１からの力行電流Ｉinv-pを蓄電装置１２内で分流してインバータ１１に供給するために、制御部１５は、図３に示すように、電圧確保部２０のスイッチング素子Ｑ２１と第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３１と第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４１とを点弧（オン）する。これにより、矢印で示すように、電圧確保部２０では力行電流Ｉinv-pの一部がダイオードＤ２４、ダイオードＤ２３、スイッチング素子Ｑ２１及びダイオードＤ２１を介して架線１からインバータ１１に流れる電流経路が形成され、第１の蓄電部３０では力行電流Ｉinv-pの一部がダイオードＤ３４、ダイオードＤ３３、スイッチング素子Ｑ３１及びダイオードＤ３１を介して架線１からインバータ１１に流れる電流経路が形成され、第２の蓄電部４０では力行電流Ｉinv-pの一部がダイオードＤ４４、ダイオードＤ４３、スイッチング素子Ｑ４１及びダイオードＤ４１を介して架線１からインバータ１１に流れる電流経路が形成される。
【００２０】
その後、電力回生ブレーキを働かせると、誘導電動機１０から発生された交流電圧がインバータ１１により直流電圧に変換される。制御部１５は、インバータ１１からの回生電力を架線１に戻して他の電車の加速等に利用するために、図４に示すように、電圧確保部２０のスイッチング素子Ｑ２２及びＱ２３と第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３２及びＱ３３と第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４２及びＱ４３とを点弧（オン）する。これにより、矢印で示すように、電圧確保部２０では回生電流Ｉinv-rの一部がインダクタＬ２１、ダイオードＤ２２、スイッチング素子Ｑ２３及びスイッチング素子Ｑ２２を介してインバータ１１から架線１に流れる電流経路が形成され、第１の蓄電部３０では回生電流Ｉinv-rの一部がインダクタＬ３１、ダイオードＤ３２、スイッチング素子Ｑ３３及びスイッチング素子Ｑ３２を介してインバータ１１から架線１に流れる電流経路が形成され、第２の蓄電部４０では回生電流Ｉinv-rの一部がインダクタＬ４１、ダイオードＤ４２、スイッチング素子Ｑ４３及びスイッチング素子Ｑ４２を介してインバータ１１から架線１に流れる電流経路が形成される。
【００２１】
以上のようにして回生動作が開始されると、図1に示す制御部１５は、直流電圧検出器１４の出力信号に基づいて、架線電圧Ｖpの状態を監視する。制御部１５は、架線電圧Ｖpが急上昇し始めたことを検出すると、従来においては架線電圧Ｖpが１６００Ｖを越えるのを防ぐために行われていたインバータ１１における回生電流Ｉinv-rの絞込みの代わりに、蓄電装置１２に回生電力の蓄積動作を行わせるために、以下の制御を行う。
【００２２】
まず、制御部１５は、架線電圧Ｖpの急上昇によりインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfc（インバータ電圧）が急上昇して最大許容電圧１８００Ｖを超えるのを防ぐために、図４において点弧（オン）した電圧確保部２０のスイッチング素子Ｑ２３と第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３２及びＱ３３と第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４２及びＱ４３とを消弧（オフ）することにより、インバータ１１から架線１への回生電流Ｉinv-rの電流経路を遮断する。
【００２３】
それと同時に、制御部１５は、インバータ１１からの回生電力を電圧確保部２０の電気二重層キャパシタＣ２１に蓄積してインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcが最大許容電圧１８００Ｖを超えないようにするために、図５の（ａ）に示すように、スイッチング素子Ｑ２２を点弧（オン）したままとする。これにより、矢印で示すように、回生電流Ｉinv-rが電圧確保部２０のインダクタＬ２１、ダイオードＤ２２、電気二重層キャパシタＣ２１及びスイッチング素子Ｑ２２を介して架線１に向けて流れる電流経路が形成される。その結果、回生電流Ｉinv-rにより電気二重層キャパシタＣ２１が充電されて、回生電力が電気二重層キャパシタＣ２１に蓄積される。
【００２４】
その後、制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ２１と並列に設けられた直流電圧検出器２１の出力信号を監視し、電気二重層キャパシタＣ２１の電圧が２００Ｖ（規程値）に達する直前に、２００Ｖよりも小さいしきい値に達したら、図５の（ｂ）に示すようにスイッチング素子Ｑ２２を消弧（オフ）する。これにより、電圧確保部２０の電気二重層キャパシタＣ２１に蓄積された回生電力は、消弧（オフ）されているスイッチング素子Ｑ２１及びＱ２２と逆方向のダイオードＤ２２及びＤ２４とにより放電される経路を絶たれる。その結果、インバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcは、許容最大電圧１８００Ｖ（＝１６００Ｖ（架線電圧）＋２００Ｖ（規程値））に確保される。
【００２５】
ここで、電気二重層キャパシタＣ２１の静電容量はインバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcを瞬時（例えば、１０ｍｓ）に許容最大電圧にする値に決められているため、インバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcは瞬時に許容最大電圧１８００Ｖに確保される。その結果、次に示す第１及び第２の蓄電部３０、４０における電流経路を確保する限りにおいて、インバータ１１における回生電流Ｉinv-rの絞込み動作を行う必要がなくなる。
【００２６】
また、制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ２１の電圧が２００Ｖ（規程値）に達する直前に、２００Ｖよりも小さいしきい値に達したら、図６の（ａ）に示すように第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３２を点弧（オン）する。これにより、矢印で示すように、回生電流Ｉinv-rがインダクタＬ３１、ダイオードＤ３２、電気二重層キャパシタＣ３１及びスイッチング素子Ｑ３２を介して架線１に向けて流れる電流経路が形成される。このとき、第１の蓄電部３０の電気二重層キャパシタＣ３１と第２の蓄電部４０の電気二重層キャパシタＣ４１との差電圧はインダクタＬ３１及びＬ４１で分担する。その結果、回生電流Ｉinv-rにより電気二重層キャパシタＣ３１が充電されて、回生電力が電気二重層キャパシタＣ３１に蓄積される。
【００２７】
その後、制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ３１と並列に設けられた直流電圧検出器３１の出力信号を監視し、電気二重層キャパシタＣ３１の電圧が２００Ｖ（規程値）に達する直前に、２００Ｖよりも小さいしきい値に達したら、図６の（ｂ）に示すようにスイッチング素子Ｑ３２を消弧（オフ）する。これにより、第１の蓄電部３０の電気二重層キャパシタＣ３１に蓄積された回生電力は、消弧（オフ）されているスイッチング素子Ｑ３１及びＱ３２とダイオードＤ３２及びＤ３４とにより放電される経路が絶たれ、電気二重層キャパシタＣ３１に蓄積されたままとなる。
【００２８】
また、制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ３１の電圧が２００Ｖ（規程値）に達する直前に、２００Ｖよりも小さいしきい値に達したら、図６の（ｂ）に示すように第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４２を点弧（オン）する。これにより、矢印で示すように、回生電流Ｉinv-rがインダクタＬ４１、ダイオードＤ４２、電気二重層キャパシタＣ４１及びスイッチング素子Ｑ４２を介して架線１に向けて流れる電流経路が形成される。その結果、回生電流Ｉinv-rにより電気二重層キャパシタＣ４１が充電されて、回生電力が電気二重層キャパシタＣ４１に蓄積される。
【００２９】
その後、制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ４１と並列に設けられた直流電圧検出器４１の出力信号を監視し、電気二重層キャパシタＣ４１の電圧が２００Ｖ（規程値）に達した場合には、インバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcが許容最大電圧１８００Ｖを超えないように、インバータ１１における回生電流Ｉinv-rの絞込み動作を開始させるか、スイッチング素子Ｑ４３を点弧（オン）して回生電力を電気二重層キャパシタＣ４１に蓄積させずに架線１に戻す電流経路を形成する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る鉄道車両システムにおける以上述べた回生時の動作後の力行時の動作について、図７及び図８を参照して説明する。
鉄道車両が再び力行すると、制御部１５は、図７の（ａ）に示すように、第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４１を点弧（オン）する。これにより、矢印で示すように、力行電流Ｉinv-pがダイオードＤ４４、電気二重層キャパシタＣ４１、スイッチング素子Ｑ４１及びダイオードＤ４１を介してインバータ１１に向けて流れる電流経路が形成される。その結果、力行電流Ｉinv-pが電気二重層キャパシタＣ４１を逆極性で充電しつつ通流するため、電気二重層キャパシタＣ４１に蓄積された回生電力によるパワーアシストを行うことができる。
【００３１】
電気二重層キャパシタＣ４１に蓄積された回生電力がすべて放出されると、電気二重層キャパシタＣ４１の電圧は０Ｖになると共に、力行電流Ｉinv-pは、図７の（ｂ）に矢印で示すように、電気二重層キャパシタＣ４１ではなくて、電気二重層キャパシタＣ４１に並列に設けられたダイオードＤ４３を介して流れるようになる。
【００３２】
制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ４１に並列に設けられた直流電圧検出器４１の出力信号を監視し、電気二重層キャパシタＣ４１の電圧が０Ｖに達すると、図８の（ａ）に示すように、第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３１を点弧（オン）する。これにより、第１の蓄電部３０において、矢印で示すように、力行電流Ｉinv-pがダイオードＤ３４、電気二重層キャパシタＣ３１、スイッチング素子Ｑ３１及びダイオードＤ３１を介してインバータ１１に向けて流れる電流経路が形成される。その結果、力行電流Ｉinv-pは、第１の蓄電部３０と第２の蓄電部４０とに分流されるが、第１の蓄電部３０では電気二重層キャパシタＣ３１を逆極性で充電しつつ通流するため、電気二重層キャパシタＣ３１に蓄積された回生電力によるパワーアシストを行うことができる。
【００３３】
電気二重層キャパシタＣ３１に蓄積された回生電力がすべて放出されると、電気二重層キャパシタＣ３１の電圧は０Ｖとなると共に、力行電流Ｉinv-pは、図８の（ｂ）に矢印で示すように、電気二重層キャパシタＣ３１ではなくて、電気二重層キャパシタＣ３１に並列に設けられたダイオードＤ３３を介して流れるようになる。
【００３４】
制御部１５は、電気二重層キャパシタＣ３１と並列に設けられた電圧検出器３１の出力信号を監視し、電気二重層キャパシタＣ３１の電圧が０Ｖに達すると、図８の（ｂ）に示すように、電圧確保部２０のスイッチング素子Ｑ２１を点弧（オン）する。これにより、電圧確保部２０において、矢印で示すように、力行電流Ｉinv-pがダイオードＤ２４、電気二重層キャパシタＣ２１、スイッチング素子Ｑ２１及びダイオードＤ２１を介してインバータ１１に向けて流れる電流経路が形成される。その結果、力行電流Ｉinv-pは、電圧確保部２０と第１の蓄電部３０と第２の蓄電部４０とに分流されるが、電圧確保部２０では電気二重層キャパシタＣ２１を逆極性で充電しつつ通流するため、電気二重層キャパシタＣ２１に蓄積された回生電力によるパワーアシストを行うことができる。
【００３５】
電気二重層キャパシタＣ２１に蓄積された回生電力がすべて放出されると、電気二重層キャパシタＣ２１の電圧は０Ｖとなるため、力行電流Ｉinv-pは、電気二重層キャパシタＣ２１ではなくて、電気二重層キャパシタＣ２１に並列に設けられたダイオードＤ２３を介して流れるようになる。これにより、力行電流Ｉinv-pは、電圧確保部２０、第１の蓄電部３０及び第２の蓄電部４０に均等に分流されてインバータ１１に入力される。力行時の通電時間は回生時の通電時間よりも長いので、このように力行電流Ｉinv-pを均等に分流させることにより、発熱面からも分散できるという効果が生じる。
【００３６】
なお、力行動作の開始時に電圧確保部２０の電気二重層キャパシタＣ２１に回生電力が蓄積されていない場合には、第１及び第２の蓄電部３０及び４０の電気二重層キャパシタＣ３１及びＣ４１にもパワーアシストに利用できる回生電力は蓄積されていない。そのため、制御部１５は、電圧確保部２０の直流電圧検出器２１の出力信号に基づいて電気二重層キャパシタＣ２１の電圧が０Ｖであると検出されたときには、図３に示した場合と同様に、架線１からの力行電流Ｉinv-pを蓄電装置１２内で分流してインバータ１１に供給するために、電圧確保部２０のスイッチング素子Ｑ２１と第１の蓄電部３０のスイッチング素子Ｑ３１と第２の蓄電部４０のスイッチング素子Ｑ４１とを点弧（オン）する。
以上の説明では、蓄電装置１２は２個の蓄電部（第１及び第２の蓄電部３０及び４０）を有したが、蓄電部の数は1個または３個以上であってもよい。
【００３７】
蓄電装置１２の電圧確保部１は、電気二重層キャパシタＣ２１の静電容量が異なることを除いて、第１及び第２の蓄電部３０及び４０と同様に構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電圧確保部１を、規程値（例えば、２００Ｖ）のバッテリと、このバッテリに直列に設けられたスイッチング素子とで構成してもよい。この場合には、通常はこのスイッチング素子をオフしておき、制御部１５が回生時に直流電圧検出器１４の出力信号に基づいて架線電圧Ｖpが急上昇し始めたことを検出すると、このスイッチング素子をオンして、インバータ・フィルタコンデンサ電圧Ｖfcをバッテリにより瞬時に許容最大電圧１８００Ｖにした後に、上述したような第１及び第２の蓄電部３０及び４０による回生電力の蓄積動作を行わせればよい。
【００３８】
なお、蓄電装置１２における電圧確保部２０のダイオードＤ２１、第１の蓄電部３０のダイオードＤ３１及び第２の蓄電部４０のダイオードＤ４１は、必ずしも必要ではないが、力行時に力行電流Ｉinv-pをインダクタＬ２１、Ｌ３１及びＬ４１を通して流したときに逆起電力が生じることを防ぐために挿入しておいた方がよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、架線電圧の制限等により架線に戻せない余剰の回生電力を蓄積媒体に蓄積し、力行時に蓄電媒体からのパワーアシストを行うことができる鉄道車両システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄道車両システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す蓄電装置１２の構成を示す図である。
【図３】架線１からの力行電流Ｉinv-pを蓄電装置１２内で分流してインバータ１１に供給する場合の図１に示す鉄道車両システムの動作を説明するための図である。
【図４】インバータ１１からの回生電力を架線１に戻して他の電車の加速等に利用する場合の図１に示す鉄道車両システムの動作を説明するための図である。
【図５】図１に示す鉄道車両システムの回生時における蓄電動作を説明するための図である。
【図６】図１に示す鉄道車両システムの回生時における蓄電動作を説明するための図である。
【図７】図１に示す鉄道車両システムの力行時における放電動作を説明するための図である。
【図８】図１に示す鉄道車両システムの力行時における放電動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  架線
２  レール
１０  誘導電動機
１１  インバータ
１２  蓄電装置
１３  インダクタ
１４、２１、３１、４１  直流電圧検出器
１５  制御部
１６  パンタグラフ
１７  車輪
２０  電圧確保部
３０  第１の蓄電部
４０  第２の蓄電部
Ｃ１  フィルタコンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５、Ｄ２１〜Ｄ２４、Ｄ３１〜Ｄ３４、Ｄ４１〜Ｄ４４  ダイオード
Ｌ１３、Ｌ２１、Ｌ３１、Ｌ４１  インダクタ
Ｑ１〜Ｑ６、Ｑ２１〜Ｑ２３、Ｑ３１〜Ｑ３３、Ｑ４１〜Ｑ４３  スイッチング素子
【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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