(57)【要約】【課題】直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電する電力変換装置を提供する。【解決手段】この電力変換装置は、電源ラインに接続されたインバーター及びコンバーターと、トランスと、第１のモードにおいて直流電圧を電源ラインに供給し、第２のモードにおいて交流電圧をトランスに供給する切換回路と、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路と、トランスの２次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第２のスイッチ回路とを備え、コンバーターが、第１のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電すると共に、第２のモードにおいて、トランスから第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、
前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、
１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスと、
第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給し、第２のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの１次側に供給する切換回路と、
前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、前記第１のモードにおいてオン状態となり、前記第２のモードにおいてオフ状態となる第１のスイッチ回路と、
前記トランスの２次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続されて、前記第１のモードにおいてオフ状態となり、前記第２のモードにおいてオン状態となる第２のスイッチ回路と、
を備え、前記コンバーターが、前記第１のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第１のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電すると共に、前記第２のモードにおいて、前記トランスの２次側から前記第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給する、電力変換装置。
【請求項２】
前記電源ラインと前記蓄電池との間に電気的に接続されて、前記第１のモードにおいてオフ状態となり、前記第２のモードにおいてオン状態となる第３のスイッチ回路をさらに備え、
前記コンバーターが、前記第２のモードにおいて、前記第３のスイッチ回路を介して前記蓄電池に直流リンク電圧を供給して前記蓄電池を充電する、請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
燃料電池と前記コンバーターとの間に電気的に接続されて、前記第１及び第２のモードにおいてオフ状態となり、第３のモードにおいてオン状態となる第４のスイッチ回路をさらに備え、
前記第３のモードにおいて、前記第１及び第２のスイッチ回路がオフ状態となって、前記コンバーターが、前記燃料電池から前記第４のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、前記電源ラインに供給する、請求項１又は２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第３のモードにおいて、前記第３のスイッチ回路がオン状態となって、前記コンバーターが、前記第３のスイッチ回路を介して前記蓄電池に昇圧電圧を供給して前記蓄電池を充電する、請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記コンバーターが、前記第１のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を複数のノードから出力する降圧チョッパーとして動作し、前記第２のモードにおいて、前記複数のノードに供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するＰＷＭコンバーターとして動作し、前記第３のモードにおいて、前記複数のノードに供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を前記電源ラインに供給する昇圧チョッパーとして動作する、請求項３又は４項記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記切換回路及び前記第１〜第４のスイッチ回路を制御すると共に、前記コンバーターを、降圧チョッパー、ＰＷＭコンバーター、又は、昇圧チョッパーとして動作させるように複数の制御信号を生成して前記コンバーターに供給する制御部をさらに備える、請求項３〜５のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部が、前記入力端子に供給される直流電圧が第１の閾値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を前記第１のモードに設定し、前記入力端子に供給される交流電圧が第２の閾値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を前記第２のモードに設定する、請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項記載の電力変換装置を備える電気車両。
【請求項９】
電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、
第１のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの２次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第２のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ（ａ）と、
前記第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ（ｂ）と、
前記第１のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第１のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御するステップ（ｃ）と、
第２のモードにおいて、前記第１のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第２のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ（ｄ）と、
前記第２のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの１次側に供給するように前記切換回路を制御するステップ（ｅ）と、
前記第２のモードにおいて、前記トランスの２次側から前記第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御するステップ（ｆ）と、
を備える電力変換方法。
【請求項１０】
電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、前記インバーターと並列に前記電源ラインに接続されたコンバーターと、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換プログラムであって、
第１のモードにおいて、前記コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、前記トランスの２次側と前記コンバーターとの間に電気的に接続された第２のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順（ａ）と、
前記第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順（ｂ）と、
前記第１のモードにおいて、前記電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、前記第１のスイッチ回路を介して前記蓄電池に供給して前記蓄電池を充電するように前記コンバーターを制御する手順（ｃ）と、
第２のモードにおいて、前記第１のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、前記第２のスイッチ回路をオン状態に制御する手順（ｄ）と、
前記第２のモードにおいて、前記入力端子に供給される交流電圧を前記トランスの１次側に供給するように前記切換回路を制御する手順（ｅ）と、
前記第２のモードにおいて、前記トランスの２次側から前記第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して前記電源ラインに供給するように前記コンバーターを制御する手順（ｆ）と、
をＣＰＵに実行させる電力変換プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置に関する。また、本発明は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムに関する。さらに、本発明は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間においても走行が可能な鉄道車両が開発されている。そのような鉄道車両の中には、非電化区間において、燃料電池又は蓄電池から供給される電力を用いて走行するものがある。蓄電池は、電化区間においても充電されるが、直流電化区間及び交流電化区間のいずれにおいても蓄電池の充電を可能にすることが求められている。
【０００３】
関連する技術として、特許文献１には、燃料電池を動力源の１つとするハイブリッド鉄道車両用の電圧変換装置が開示されている。この電圧変換装置は、非電化区間で燃料電池を利用する場合と、電化区間で架線からの交流電源又は直流電源を利用する場合とを切り換えることができる。さらに、不足した電力を補うために蓄電池が使用される。
【０００４】
また、非特許文献１には、非電化区間においても走行が可能な蓄電池駆動電車が開示されている。この蓄電池駆動電車は、電化区間において、架線から供給される直流電圧によって走行すると共に、主回路蓄電池の充電を行う。そのために、電力変換装置が、架線から供給される直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバーターと、主電動機を駆動するＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバーターとで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５-６１３９２号公報（段落００２９−００３１、図５）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】長谷部和則、外２名、「ＪＲ東日本ＥＶ−Ｅ３０１系蓄電池駆動電車」、車両技術２４８号、一般社団法人日本鉄道車輌工業会、２０１４年９月、ｐ．２８−４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の図５を参照すると、直流電化区間においては、パンタグラフ２０を介して架線から供給される直流電圧（例えば、１５００Ｖ）が、インダクションモーター１１０を駆動するインバーター１００にスイッチ１４０を介して供給される。一方、非電化区間においては、燃料電池５０から供給される直流電圧（例えば、５００Ｖ）が、コンバーター１０３によって、例えば、１５００Ｖに昇圧されて、インバーター１００に供給される。
【０００８】
さらに、この鉄道車両には、不足した電力を補う機能部として、バッテリー（蓄電池）８０が設けられている。一般に、鉄道車両用の蓄電池の充電電圧は、架線から供給される直流電圧よりも低く、例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ程度であり、両者の間には大きな電圧差がある。しかしながら、特許文献１には、異なる直流電圧間における充放電を制御する回路構成が開示されていないので、直流電化区間において架線から供給される直流電圧を用いて蓄電池を充電することはできなかった。架線の直流電圧を降圧するためにＤＣ／ＤＣコンバーターを追加すると、回路規模や部品点数が増加して、鉄道車両の重量も増加してしまう。
【０００９】
また、非特許文献１の図９において、ＶＶＶＦインバーターと電池システム群（主回路蓄電池）とは、互いに並列に接続されている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバーターからＶＶＶＦインバーターには、主回路蓄電池に供給されるのと同じＤＣ６３０Ｖが供給されるので、主電動機として一般的な電車の誘導電動機を採用することができない。また、ＶＶＶＦインバーターに供給される直流電圧が低いことから、主電動機に対する駆動能力が低下して、車両の加速等の走行性能が制限されてしまう。
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第１の目的は、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第２の目的は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することである。
【００１１】
本発明の第３の目的は、本発明の第１の目的に加えて、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することである。本発明の第４の目的は、本発明の第３の目的に加えて、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動したり、さらには、蓄電池を充電したりすることが可能な電力変換装置を提供することである。
【００１２】
本発明の第５の目的は、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の観点に係る電力変換装置は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスと、第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第２のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの１次側に供給する切換回路と、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続されて、第１のモードにおいてオン状態となり、第２のモードにおいてオフ状態となる第１のスイッチ回路と、トランスの２次側とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第１のモードにおいてオフ状態となり、第２のモードにおいてオン状態となる第２のスイッチ回路とを備え、コンバーターが、第１のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電すると共に、第２のモードにおいて、トランスの２次側から第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給する。
【００１４】
また、本発明の第２の観点に係る電力変換方法は、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、第１のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの２次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第２のスイッチ回路をオフ状態に制御するステップ（ａ）と、第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ（ｂ）と、第１のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御するステップ（ｃ）と、第２のモードにおいて、第１のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第２のスイッチ回路をオン状態に制御するステップ（ｄ）と、第２のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの１次側に供給するように切換回路を制御するステップ（ｅ）と、第２のモードにおいて、トランスの２次側から第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御するステップ（ｆ）とを備える。
【００１５】
さらに、本発明の第３の観点に係る電力変換プログラムは、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するインバーターと、インバーターと並列に電源ラインに接続されたコンバーターと、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランスとを含む電力変換装置において用いられる電力変換プログラムであって、第１のモードにおいて、コンバーターと蓄電池との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路をオン状態に制御すると共に、トランスの２次側とコンバーターとの間に電気的に接続された第２のスイッチ回路をオフ状態に制御する手順（ａ）と、第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御する手順（ｂ）と、第１のモードにおいて、電源ラインに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電するようにコンバーターを制御する手順（ｃ）と、第２のモードにおいて、第１のスイッチ回路をオフ状態に制御すると共に、第２のスイッチ回路をオン状態に制御する手順（ｄ）と、第２のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧をトランスの１次側に供給するように切換回路を制御する手順（ｅ）と、第２のモードにおいて、トランスの２次側から第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインに供給するようにコンバーターを制御する手順（ｆ）とをＣＰＵに実行させる。
【００１６】
本発明の第１〜第３の観点によれば、第１のモードにおいて、入力端子に供給される直流電圧がインバーターに供給されると共に、コンバーターが、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路を介して蓄電池に供給して蓄電池を充電する。蓄電池に充電された電力は、非電化区間において主電動機を駆動するために利用することができる。また、第２のモードにおいて、入力端子に供給される交流電圧がトランスに供給されて、コンバーターが、トランス及び第２のスイッチ回路を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーターに供給する。
【００１７】
従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機に対する駆動能力を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。
【００１８】
ここで、電力変換装置が、電源ラインと蓄電池との間に電気的に接続されて、第１のモードにおいてオフ状態となり、第２のモードにおいてオン状態となる第３のスイッチ回路をさらに備え、コンバーターが、第２のモードにおいて、第３のスイッチ回路を介して蓄電池に直流リンク電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、交流電化区間においても蓄電池を充電することが可能となる。
【００１９】
また、電力変換装置が、燃料電池とコンバーターとの間に電気的に接続されて、第１及び第２のモードにおいてオフ状態となり、第３のモードにおいてオン状態となる第４のスイッチ回路をさらに備え、第３のモードにおいて、第１及び第２のスイッチ回路がオフ状態となって、コンバーターが、燃料電池から第４のスイッチ回路を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインに供給するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて主電動機を駆動することが可能となる。
【００２０】
さらに、第３のモードにおいて、第３のスイッチ回路がオン状態となって、コンバーターが、第３のスイッチ回路を介して蓄電池に昇圧電圧を供給して蓄電池を充電するようにしても良い。それにより、燃料電池から供給される電力を用いて蓄電池を充電することが可能となる。
【００２１】
本発明の第４の観点に係る電気車両は、本発明のいずれかの観点に係る電力変換装置を備える。本発明の第４の観点によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池を充電することが可能な電気車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。
【図２】図１に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。
【図３】図１に示す電気車両の第２のモードにおける動作を説明するための図である。
【図４】図３に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。
【図５】図１に示す電気車両の第３のモードにおける動作を説明するための図である。
【図６】図５に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
＜電気車両＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。電気車両１００は、電化区間において架線から直流電圧又は交流電圧が供給されて走行すると共に、非電化区間（無架線下）においても走行が可能である。図１には、架線から電気車両１００に直流電圧が供給される場合の接続状態が示されている。
【００２４】
図１に示すように、電気車両１００は、パンタグラフ１０と、真空遮断器１１と、直流高速度遮断器１２と、起動用スイッチ回路１３及び１４と、接地用スイッチ回路１５と、蓄電池２０と、主電動機３０と、補助回路用電源装置（補機）４０とに加えて、インバーター５０等で構成される電力変換装置を備えている。また、電気車両１００は、抵抗Ｒ１と、インダクターＬ１及びＬ２と、キャパシターＣ１及びＣ２とを備えており、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２と、インダクターＬ３及びＬ４と、キャパシターＣ３及びＣ４とをさらに備えても良い。
【００２５】
パンタグラフ１０は、電気車両１００の屋根の上に取り付けられて、架線から電力が供給される。真空遮断器１１及び直流高速度遮断器１２は、短絡事故電流等が流れたときに回路を遮断することにより、電気車両１００の内部回路を保護する。また、接地用スイッチ回路１５がオン状態となることにより、レールに接触する車輪を介して接地ラインＧＬに接地電位（０Ｖ）が与えられる。
【００２６】
パンタグラフ１０が架線に接触して集電を開始する際には、起動用スイッチ回路１３がオン状態となり、起動用スイッチ回路１４がオフ状態となって、パンタグラフ１０から起動用スイッチ回路１３及び抵抗Ｒ１を介して電力変換装置に電力が供給される。その後は、起動用スイッチ回路１４がオン状態となって、パンタグラフ１０から起動用スイッチ回路１４を介して電力変換装置に電力が供給される。
【００２７】
インダクターＬ１及びキャパシターＣ１は、ローパスフィルターを構成しており、パンタグラフ１０から電源ラインＰＬに供給される電圧を平滑化する。また、インダクターＬ２及びキャパシターＣ２は、ローパスフィルターを構成しており、蓄電池２０に供給される電圧を平滑化する。
【００２８】
蓄電池２０としては、例えば、充電が可能なリチウムイオン二次電池等が用いられる。蓄電池２０は、主に電化区間において充電され、非電化区間において電力変換装置に電力を供給する。蓄電池２０の充電電圧は、例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖである。
【００２９】
主電動機３０は、例えば、インダクションモーター（ＩＭ）で構成され、力行時に、三相交流電圧（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が供給されて車輪を駆動すると共に、回生時に、車輪にブレーキ力を与えて交流起電力を発生する。
【００３０】
補助回路用電源装置４０は、例えば、インバーターを含み、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を交流電圧に変換することにより、走行用以外の空調装置等の車内設備に交流電圧を供給する。
【００３１】
燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２は、例えば、正極剤として酸素と負極剤として水素とを化学反応させることにより、水の電気分解と逆の反応を利用して電気エネルギーを生成する。非電化区間における走行のために、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２が電気車両１００に搭載される場合には、蓄電池２０を活用することにより、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２において消費される燃料を節約することができる。
【００３２】
＜電力変換装置＞
本実施形態に係る電力変換装置は、インバーター５０と、コンバーター６０と、トランス７０と、切換回路８０と、第１のスイッチ回路８１と、第２のスイッチ回路８２と、制御部９０と、格納部９１とを含んでおり、第３のスイッチ回路８３と、第４のスイッチ回路８４とをさらに含んでも良い。
【００３３】
インバーター５０は、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて主電動機３０の駆動電圧を生成する。コンバーター６０は、インバーター５０と並列に電源ラインＰＬに接続されている。トランス７０は、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力する。
【００３４】
切換回路８０及び第１のスイッチ回路８１〜第４のスイッチ回路８４は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成されたスイッチを含み、制御部９０から供給される制御信号Ｔ０〜Ｔ４にそれぞれ従って動作する。
【００３５】
制御部９０は、アナログ回路で構成しても良いし、デジタル回路で構成しても良い。あるいは、制御部９０は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵに各種の手順を実行させるためのソフトウェア（電力変換プログラム）とで構成されても良い。ソフトウェアは、格納部９１の記録媒体に格納される。記録媒体としては、内蔵のハードディスク、外付けハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、又は、各種のメモリー等を用いることができる。
【００３６】
電気車両１００は、第１のモードにおいて、架線から直流電圧が供給されて走行し、第２のモードにおいて、架線から交流電圧が供給されて走行する。また、電気車両１００は、第３のモードにおいて、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２又は蓄電池２０から直流電圧が供給されて走行することも可能である。
【００３７】
制御部９０は、オペレーターの操作に従って、電力変換装置を第１のモード〜第３のモードの内のいずれかに設定しても良い。あるいは、制御部９０は、切換回路８０の入力端子８０ａに供給される直流電圧が第１の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第１のモードに設定し、切換回路８０の入力端子８０ａに供給される交流電圧が第２の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第２のモードに設定しても良い。それら以外の場合には、制御部９０は、電力変換装置を第３のモードに設定しても良い。
【００３８】
切換回路８０は、第１のモードにおいて、入力端子８０ａに供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給し、第２のモードにおいて、入力端子８０ａに供給される交流電圧をトランス７０の１次側に供給する。
【００３９】
第１のスイッチ回路８１は、コンバーター６０と蓄電池２０との間に電気的に接続されて、第１のモードにおいてオン状態となり、第２のモード及び第３のモードにおいてオフ状態となる。図１に示す例においては、コンバーター６０が入出力ノードとして複数のノードＮ１及びＮ２を有しており、第１のスイッチ回路８１が、ノードＮ１と蓄電池２０との間にインダクターＬ２を介して接続されたスイッチと、ノードＮ２と蓄電池２０との間にインダクターＬ２を介して接続されたスイッチとを含んでいる。
【００４０】
第２のスイッチ回路８２は、トランス７０の２次側とコンバーター６０との間に電気的に接続されて、第１のモード及び第３のモードにおいてオフ状態となり、第２のモードにおいてオン状態となる。図１に示す例においては、第２のスイッチ回路８２が、トランス７０の２次側の２つの端子とコンバーター６０のノードＮ１及びＮ２との間にそれぞれ接続された２つのスイッチを含んでいる。
【００４１】
第３のスイッチ回路８３は、電源ラインＰＬと蓄電池２０との間に電気的に接続されて、第１のモードにおいてオフ状態となり、第２のモード及び第３のモードにおいてオン状態となる。図１に示す例においては、第３のスイッチ回路８３が、電源ラインＰＬと蓄電池２０との間にインダクターＬ２を介して接続されたスイッチで構成される。
【００４２】
第４のスイッチ回路８４は、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２とコンバーター６０との間に電気的に接続されて、第１及び第２のモードにおいてオフ状態となり、第３のモードにおいてオン状態となる。図１に示す例においては、第４のスイッチ回路８４が、燃料電池ＦＣ１とコンバーター６０のノードＮ１との間にインダクターＬ３を介して接続されたスイッチと、燃料電池ＦＣ２とコンバーター６０のノードＮ２との間にインダクターＬ４を介して接続されたスイッチとを含んでいる。
【００４３】
インダクターＬ３及びキャパシターＣ３は、ローパスフィルターを構成しており、第４のスイッチ回路８４がオン状態となっているときにノードＮ１の電圧が変化しても、燃料電池ＦＣ１の両端間の電圧を平滑化する。また、インダクターＬ４及びキャパシターＣ４は、ローパスフィルターを構成しており、第４のスイッチ回路８４がオン状態となっているときにノードＮ２の電圧が変化しても、燃料電池ＦＣ２の両端間の電圧を平滑化する。
【００４４】
＜インバーター＞
インバーター５０は、例えば、主電動機３０に三相交流電圧を供給するために、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５６と、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５６にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ５１〜Ｄ５６とを含んでいる。図１に示す例において、スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５６の各々は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスター）である。
【００４５】
スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５３は、電源ラインＰＬに接続されたコレクターと、主電動機３０の３つの端子にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ５１〜Ｄ５３は、電源ラインＰＬに接続されたカソードと、主電動機３０の３つの端子にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
【００４６】
スイッチング素子Ｑ５４〜Ｑ５６は、主電動機３０の３つの端子にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ５４〜Ｄ５６は、主電動機３０の３つの端子にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
【００４７】
スイッチング素子Ｑ５１〜Ｑ５６は、制御部９０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、インバーター５０は、例えば、架線から電源ラインＰＬに供給される直流電圧１５００Ｖを三相交流電圧１５００Ｖ０−Ｐに変換して、主電動機３０の駆動電圧を生成する。
【００４８】
インバーター５０は、力行時に、電源ラインＰＬに供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して主電動機３０に供給すると共に、回生時に、主電動機３０において発生した交流起電力を直流電圧に変換して電源ラインＰＬに供給する。この直流電圧は、蓄電池２０の充電に用いられるか、又は、架線を介して他の電気車両に供給される。なお、インバーター５０は、直流電圧に基づいて主電動機３０の駆動電圧を生成できるものであればどのようなものでも良く、ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバーターであっても良い。
【００４９】
＜コンバーター＞
コンバーター６０は、例えば、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４と、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ６１〜Ｄ６４とを含んでいる。図１に示す例において、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４の各々は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスター）である。
【００５０】
スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２は、電源ラインＰＬに接続されたコレクターと、ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ６１及びＤ６２は、電源ラインＰＬに接続されたカソードと、ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
【００５１】
スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４は、ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインＧＬに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードＤ６３及びＤ６４は、ノードＮ１及びＮ２にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインＧＬに接続されたアノードとを有している。
【００５２】
＜第１のモード＞
第１のモードにおいては、電気車両１００が、架線から供給される直流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路８０が、架線から入力端子８０ａに供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給する。それにより、インバーター５０に直流電圧が供給され、制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。また、第１のスイッチ回路８１がオン状態となり、第２のスイッチ回路８２、第３のスイッチ回路８３、及び、第４のスイッチ回路８４がオフ状態となる。
【００５３】
コンバーター６０のスイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２は、制御部９０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター６０は、架線から電源ラインＰＬに供給される直流電圧（例えば、１５００Ｖ）を降圧して降圧電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）を生成し、第１のスイッチ回路８１を介して蓄電池２０に供給して蓄電池２０を充電する。
【００５４】
図２は、図１に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部９０は、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ１及びＧ２を交互にハイレベルに活性化し、スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ３及びＧ４をローレベルに維持する。それにより、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２が交互にオン状態となり、スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４がオフ状態のままとなる。
【００５５】
それにより、コンバーター６０は、電源ラインＰＬに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧をノードＮ１及びＮ２から出力する降圧チョッパーとして動作する。降圧電圧の値は、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。
【００５６】
降圧電圧は、第１のスイッチ回路８１及びインダクターＬ２を介して蓄電池２０に供給されて、蓄電池２０の充電が行われる。それにより、直流電化区間において、主電動機３０に対する駆動能力を損なわずに蓄電池２０を充電することができる。蓄電池２０が十分に充電されると、制御部９０は、制御信号Ｇ１〜Ｇ４をローレベルに非活性化し、又は、第１のスイッチ回路８１をオフ状態に制御する。
【００５７】
＜第２のモード＞
図３は、図１に示す電気車両の第２のモードにおける動作を説明するための図である。第２のモードにおいては、電気車両１００が、架線から供給される交流電圧を用いて走行する。そのために、切換回路８０が、架線から入力端子８０ａに供給される交流電圧をトランス７０の１次側に供給する。また、第１のスイッチ回路８１及び第４のスイッチ回路８４がオフ状態となり、第２のスイッチ回路８２及び第３のスイッチ回路８３がオン状態となる。なお、直流高速度遮断器１２、起動用スイッチ回路１３及び１４、及び、接地用スイッチ回路１５は、オフ状態となる。
【００５８】
トランス７０は、架線から１次側に供給される交流電圧（例えば、２０ｋＶ）を変圧して、２次側から交流電圧（例えば、８００Ｖ）を出力する。２次側の交流電圧は、トランス７０の等価的なリアクタンス及び第２のスイッチ回路８２を介してコンバーター６０のノードＮ１及びＮ２に供給される。
【００５９】
コンバーター６０のスイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４は、制御部９０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター６０は、トランス７０の２次側から第２のスイッチ回路８２を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）に変換して電源ラインＰＬに供給する。なお、直流リンク電圧とは、キャパシターＣ１の両端間に発生する脈動直流電圧のことをいう。キャパシターＣ１の容量を大きくすることにより、直流リンク電圧の脈動振幅を低下させることができる。
【００６０】
図４は、図３に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部９０は、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６３のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ１及びＧ３を交互にハイレベルに活性化すると共に、スイッチング素子Ｑ６２及びＱ６４のゲートにそれぞれ供給される制御信号Ｇ２及びＧ４を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６３が交互にオン状態となり、スイッチング素子Ｑ６２及びＱ６４が交互にオン状態となる。
【００６１】
ここで、制御信号Ｇ１〜Ｇ４の生成方法の一例について説明する。図４の上段には、互いに逆相の三角波キャリアＶＣ１及びＶＣ２の波形と、架線から供給される交流電圧に同期する単位正弦波（変調波）ＶＭの波形とが示されている。図４に示す例においては、三角波キャリアＶＣ１及びＶＣ２の振幅が「１」に正規化されている。
【００６２】
制御部９０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ１よりも大きい期間において、制御信号Ｇ１をハイレベルに活性化すると共に、制御信号Ｇ３をローレベルに非活性化する。また、制御部９０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ１よりも小さい期間において、制御信号Ｇ１をローレベルに非活性化すると共に、制御信号Ｇ３をハイレベルに活性化する。
【００６３】
さらに、制御部９０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ２よりも小さい期間において、制御信号Ｇ２をハイレベルに活性化すると共に、制御信号Ｇ４をローレベルに非活性化する。また、制御部９０は、変調波ＶＭが三角波キャリアＶＣ２よりも大きい期間において、制御信号Ｇ２をローレベルに非活性化すると共に、制御信号Ｇ４をハイレベルに活性化する。
【００６４】
その結果、キャパシターＣ１の両端間に発生する直流リンク電圧をＶｄとしたときに、ノードＮ１の電位とノードＮ２の電位との差である線間電圧（電圧指令値）Ｖｃが、変調波ＶＭの正の半周期において交互に「０」とＶｄとになり、変調波ＶＭの負の半周期において交互に「０」と−Ｖｄとになる。
【００６５】
それにより、コンバーター６０は、ノードＮ１及びＮ２に供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインＰＬに供給するＰＷＭ（パルス幅変調）コンバーター（整流器）として動作する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Ｑ６１〜Ｑ６４のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー等によって所望の値に制御することができる。直流リンク電圧は、電源ラインＰＬに供給される。それにより、インバーター５０に直流リンク電圧が供給され、制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。
【００６６】
また、コンバーター６０は、第２のモードにおいて、第３のスイッチ回路８３を介して蓄電池２０に直流リンク電圧を供給して蓄電池２０を充電する。それにより、交流電化区間においても蓄電池２０を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター５０から電源ラインＰＬに供給される直流電圧を用いて蓄電池２０を充電しても良い。
【００６７】
蓄電池２０が十分に充電されると、制御部９０は、第３のスイッチ回路８３をオフ状態に制御しても良い。回生時において、蓄電池２０の充電が終了した後は、コンバーター６０が、インバーター５０から電源ラインＰＬに供給される直流電圧を交流電圧に変換して架線に供給しても良い。
【００６８】
なお、図３において、インバーター５０の前段にＤＣ／ＤＣコンバーターを設けても良い。その場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーターが、直流リンク電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）を昇圧することにより、インバーター５０に高電圧（例えば、１５００Ｖ）を供給することができる。
【００６９】
＜第３のモード＞
図５は、図１に示す電気車両の第３のモードにおける動作を説明するための図である。第３のモードにおいては、電気車両１００が、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２又は蓄電池２０から供給される電力を用いて走行する。そのために、第１のスイッチ回路８１及び第２のスイッチ回路８２がオフ状態となり、第３のスイッチ回路８３及び第４のスイッチ回路８４がオン状態となる。なお、真空遮断器１１、直流高速度遮断器１２、起動用スイッチ回路１３及び１４はオフ状態となり、接地用スイッチ回路１５をオフ状態としても良い。
【００７０】
燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から出力される直流電圧は、インダクターＬ３及びＬ４を介してノードＮ１及びＮ２にそれぞれ供給される。また、コンバーター６０のスイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４は、制御部９０からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、コンバーター６０は、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から第４のスイッチ回路８４を介して供給される直流電圧（例えば、３００Ｖ〜４００Ｖ）を昇圧して昇圧電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）を生成し、電源ラインＰＬに供給する。
【００７１】
図６は、図５に示す電気車両のコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部９０は、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２のゲートに供給される制御信号Ｇ１及びＧ２をローレベルに維持し、スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４のゲートに供給される制御信号Ｇ３及びＧ４を交互にハイレベルに活性化する。それにより、スイッチング素子Ｑ６１及びＱ６２がオフ状態のままとなり、スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４が交互にオン状態となる。
【００７２】
制御信号Ｇ３がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ６３がオン状態となる。それにより、燃料電池ＦＣ１から、インダクターＬ３、第４のスイッチ回路８４、及び、スイッチング素子Ｑ６３を介して、接地ラインＧＬに電流が流れる。その際に、インダクターＬ３に流れる電流によって、インダクターＬ３において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードＤ６１は、オフ状態となる。
【００７３】
一方、制御信号Ｇ３がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ６３がオフ状態となる。その際に、インダクターＬ３に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池ＦＣ１から、インダクターＬ３、第４のスイッチ回路８４、及び、ダイオードＤ６１を介して、電源ラインＰＬに電流が流れる。
【００７４】
同様に、制御信号Ｇ４がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ６４がオン状態となる。それにより、燃料電池ＦＣ２から、インダクターＬ４、第４のスイッチ回路８４、及び、スイッチング素子Ｑ６４を介して、接地ラインＧＬに電流が流れる。その際に、インダクターＬ４に流れる電流によって、インダクターＬ４において電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、ダイオードＤ６２は、オフ状態となる。
【００７５】
一方、制御信号Ｇ４がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Ｑ６４がオフ状態となる。その際に、インダクターＬ４に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、燃料電池ＦＣ２から、インダクターＬ４、第４のスイッチ回路８４、及び、ダイオードＤ６２を介して、電源ラインＰＬに電流が流れる。
【００７６】
それにより、コンバーター６０は、ノードＮ１及びＮ２に供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を電源ラインＰＬに供給する昇圧チョッパーとして動作する。昇圧電圧の値は、スイッチング素子Ｑ６３及びＱ６４のゲートに供給される制御信号のデューティー等によって所望の値に制御することができる。昇圧電圧は、電源ラインＰＬに供給される。それにより、インバーター５０に昇圧電圧が供給され、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から供給される電力を用いて主電動機３０を駆動することが可能となる。制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。
【００７７】
また、コンバーター６０は、第３のモードにおいて、第３のスイッチ回路８３を介して蓄電池２０に昇圧電圧を供給して蓄電池２０を充電する。それにより、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から供給される電力を用いて蓄電池２０を充電することが可能となる。なお、回生時においては、インバーター５０から電源ラインＰＬに供給される直流電圧を用いて蓄電池２０を充電しても良い。
【００７８】
蓄電池２０が十分に充電されると、制御部９０は、制御信号Ｇ１〜Ｇ４をローレベルに非活性化し、又は、第４のスイッチ回路８４をオフ状態に制御して、電気車両１００が、蓄電池２０から供給される電力を用いて走行するようにしても良い。
【００７９】
なお、図５において、インバーター５０の前段にＤＣ／ＤＣコンバーターを設けても良い。その場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーターが、昇圧電圧（例えば、６００Ｖ〜１０００Ｖ）を昇圧することにより、インバーター５０に高電圧（例えば、１５００Ｖ）を供給することができる。
【００８０】
このように、制御部９０は、切換回路８０及び第１のスイッチ回路８１〜第４のスイッチ回路８４を制御すると共に、コンバーター６０を、降圧チョッパー、ＰＷＭコンバーター、又は、昇圧チョッパーとして動作させるように複数の制御信号を生成してコンバーター６０に供給する。
【００８１】
＜電力変換方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換方法について、図１、図３、図５、及び、図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
【００８２】
この電力変換方法は、図１に示すように、電源ラインＰＬから供給される直流電圧に基づいて主電動機３０の駆動電圧を生成するインバーター５０と、インバーター５０と並列に電源ラインＰＬに接続されたコンバーター６０と、１次側に供給される交流電圧を変圧して２次側から出力するトランス７０とを含む電力変換装置において用いられる。
【００８３】
図７に示すステップＳ１において、制御部９０が、電力変換装置を第１のモード〜第３のモードの内のいずれかに設定する。電気車両１００は、第１のモードにおいて、架線から供給される直流電圧を用いて走行し、第２のモードにおいて、架線から供給される交流電圧を用いて走行し、第３のモードにおいて、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２又は蓄電池２０から供給される電力を用いて走行する。
【００８４】
図７に示すステップＳ２〜Ｓ４は、第１のモードにおける電力変換装置の動作を表している（図１参照）。まず、ステップＳ２において、制御部９０が、トランス７０の２次側とコンバーター６０との間に電気的に接続された第２のスイッチ回路８２、電源ラインＰＬと蓄電池２０との間に電気的に接続された第３のスイッチ回路８３、及び、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２とコンバーター６０との間に電気的に接続された第４のスイッチ回路８４をオフ状態に制御する。また、制御部９０が、コンバーター６０と蓄電池２０との間に電気的に接続された第１のスイッチ回路８１をオン状態に制御する。
【００８５】
ステップＳ３において、制御部９０が、入力端子８０ａに供給される直流電圧を電源ラインＰＬに供給するように切換回路８０を制御する。それにより、インバーター５０に直流電圧が供給され、制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。
【００８６】
ステップＳ４において、電源ラインＰＬに供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路８１を介して蓄電池２０に供給して蓄電池２０を充電するように、制御部９０がコンバーター６０を制御する。それにより、直流電化区間において、主電動機３０に対する駆動能力を損なわずに蓄電池２０を充電することができる。
【００８７】
図７に示すステップＳ５〜Ｓ７は、第２のモードにおける電力変換装置の動作を表している（図３参照）。まず、ステップＳ５において、制御部９０が、第１のスイッチ回路８１及び第４のスイッチ回路８４をオフ状態に制御し、第３のスイッチ回路８３をオン状態に制御した後、第２のスイッチ回路８２をオン状態に制御する。
【００８８】
ステップＳ６において、制御部９０が、入力端子８０ａに供給される交流電圧をトランス７０の１次側に供給するように切換回路８０を制御する。
【００８９】
ステップＳ７において、制御部９０が、トランス７０の２次側から第２のスイッチ回路８２を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインＰＬに供給するようにコンバーター６０を制御する。それにより、インバーター５０に直流リンク電圧が供給され、制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。また、コンバーター６０が、第３のスイッチ回路８３を介して蓄電池２０に直流リンク電圧を供給して蓄電池２０を充電する。
【００９０】
図７に示すステップＳ８〜Ｓ１０は、第３のモードにおける電力変換装置の動作を表している（図５参照）。まず、ステップＳ８において、制御部９０が、第１のスイッチ回路８１及び第２のスイッチ回路８２をオフ状態に制御すると共に、第３のスイッチ回路８３及び第４のスイッチ回路８４をオン状態に制御する。
【００９１】
ステップＳ９において、燃料電池ＦＣ１及びＦＣ２から第４のスイッチ回路８４を介して供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインＰＬに供給するように、制御部９０がコンバーター６０を制御する。それにより、インバーター５０に昇圧電圧が供給され、制御部９０の制御の下で、インバーター５０が主電動機３０の駆動電圧を生成することによって電気車両１００が走行する。また、コンバーター６０が、第３のスイッチ回路８３を介して蓄電池２０に昇圧電圧を供給して蓄電池２０を充電する。
【００９２】
蓄電池２０が十分に充電されると、ステップＳ１０において、蓄電池２０のみを用いるか否かが判定される。蓄電池２０のみを用いると判定された場合には、ステップＳ１１において、制御部９０が、コンバーター６０の制御信号Ｇ１〜Ｇ４をローレベルに非活性化し、又は、第４のスイッチ回路８４をオフ状態に制御する。それにより、電気車両１００が、蓄電池２０のみから供給される電力を用いて走行する。
【００９３】
本実施形態によれば、第１のモードにおいて、入力端子８０ａに供給される直流電圧がインバーター５０に供給されると共に、コンバーター６０が、その直流電圧を降圧して降圧電圧を生成し、第１のスイッチ回路８１を介して蓄電池２０に供給して蓄電池２０を充電する。蓄電池２０に充電された電力は、非電化区間において主電動機３０を駆動するために利用することができる。また、第２のモードにおいて、入力端子８０ａに供給される交流電圧がトランス７０に供給されて、コンバーター６０が、トランス７０及び第２のスイッチ回路８２を介して供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換してインバーター５０に供給する。
【００９４】
従って、回路規模や部品点数をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において主電動機３０を駆動すると共に、直流電化区間において主電動機３０に対する駆動能力を損なわずに蓄電池２０を充電することが可能な電力変換装置を提供することができる。また、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法及び電力変換プログラムを提供することができる。
【００９５】
さらに、本実施形態によれば、車両の重量をあまり増加させることなく、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間において走行可能であり、直流電化区間において車両の加速等の走行性能を損なわずに蓄電池２０を充電することが可能な電気車両１００を提供することができる。
【００９６】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置、又は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両において利用することが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…パンタグラフ、１１…真空遮断器、１２…直流高速度遮断器、１３、１４…起動用スイッチ回路、１５…接地用スイッチ回路、２０…蓄電池、３０…主電動機、４０…補助回路用電源装置、５０…インバーター、６０…コンバーター、７０…トランス、８０…切換回路、８０ａ…入力端子、８１…第１のスイッチ回路、８２…第２のスイッチ回路、８３…第３のスイッチ回路、８４…第４のスイッチ回路、９０…制御部、９１…格納部、１００…電気車両、ＦＣ１、ＦＣ２…燃料電池、Ｒ１…抵抗、Ｌ１〜Ｌ４…インダクター、Ｃ１〜Ｃ４…キャパシター、Ｑ５１〜Ｑ６４…スイッチング素子、Ｄ５１〜Ｄ６４…ダイオード
【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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