(57)【要約】【課題】  回生効率をさらに向上できる駆動システムを提供することが課題となる。【解決手段】本発明の電気鉄道車両の駆動システムは、車両の外部から直流電力を得る給電手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、インバータ装置の直流側に並列に接続された直流チョッパ回路と、直流チョッパ回路に接続された蓄電装置とを備えており、給電手段からインバータ装置の方向に流れる電流は導通させ、インバータ装置から給電手段の方向に流れる電流は制御信号により導通と遮断の状態を切替える切離し手段を有し、前記インバータ装置により前記交流電動機から回生電力を発生させる前に、前記直流チョッパ回路により前記蓄電装置を放電させて前記インバータ装置の直流電圧を予め昇圧することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の外部から直流電力を得る給電手段と、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、
前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、
前記インバータ装置の直流側に並列に接続された直流チョッパ回路と、
前記直流チョッパ回路に接続された蓄電装置と
を備えた電気鉄道車両の駆動システムであって、
前記給電手段から前記インバータ装置の方向に流れる電流は導通させ、前記インバータ装置から前記給電手段の方向に流れる電流は制御信号により導通と遮断の状態を切替える切離し手段を有し、
前記インバータ装置により前記交流電動機から回生電力を発生させる前に、前記直流チョッパ回路により前記蓄電装置を放電させて前記インバータ装置の直流電圧を予め昇圧することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段は、ＩＧＢＴとダイオードとを並列接続した半導体装置であり、
前記ダイオードのアノード電極は前記給電手段側に接続され、カソード電極は前記インバータ装置側に接続され、
前記ＩＧＢＴのコレクタ端子は前記インバータ装置側に接続され、エミッタ端子は前記給電手段側に接続されることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項３】
請求項１に記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段を構成する半導体素子の母材とする半導体材料は、シリコンであり、
前記インバータ装置または前記直流チョッパ回路を構成する半導体素子の母体とする半導体材料は、ＳｉＣであることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項４】
請求項１に記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段は、双方向スイッチとして機能する半導体素子であることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記蓄電装置は、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段の定格電圧は、前記インバータ装置の定格電圧または前記直流チョッパ回路の定格電圧よりも低いことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段の主端子間に所定の電圧以上が印加された場合に、前記インバータ装置から前記給電手段の方向に流れる電流を導通させる前記制御信号を出力する出力パルス生成部を備えたことを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記切離し手段は、前記インバータ装置、または前記直流チョッパ回路、または前記インバータ装置と前記直流チョッパ回路の両方、を構成する半導体素子と同一の冷却器に実装されることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
【請求項９】
請求項１乃至８に記載の電気鉄道車両の駆動システムを搭載したことを特徴とする電気鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道車両は、架線や第三軌条（以下、架線等）から電力の供給を受け、主電動機を駆動して推進力を得ている。近年、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を用いた電力変換装置が採用されることで、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して架線等に戻す回生ブレーキ制御が可能になっている。また、停電時の緊急走行や電力効率の向上のために、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）等の蓄電装置を搭載した車両も検討されている。
【０００３】
特許文献１には、架線と車両内に引き通されたパワーラインとの間にコンタクタを、パワーラインとバッテリとの間に昇降圧チョッパを設け、回生効率を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９８１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような電気鉄道車両の駆動システムについて、本発明者らがさらなる電力効率の向上を検討したところ、以下に説明するような課題が見出された。
【０００６】
バッテリを有さない従来の構成は、高速域では主電動機の回生性能が制限され、回生効率の低下が考えられる。特許文献１では、コンタクタを遮断した状態で、昇降圧チョッパによりパワーラインの電圧を上昇させて回生効率を向上させているが、回生動作に入ってからコンタクタを遮断するまでに数百μｓ程度の時間を要するため、回生開始直後は、回生効率を向上させる効果を十分に得られない可能性が考えられる。  したがって、電気鉄道車両の駆動システムにおいて、回生効率をさらに向上できる技術を提供することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の電気鉄道車両の駆動システムは、例えば、車両の外部から直流電力を得る給電手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流側に並列に接続された直流チョッパ回路と、前記直流チョッパ回路に接続された蓄電装置とを備えた電気鉄道車両の駆動システムであって、前記給電手段から前記インバータ装置の方向に流れる電流は導通させ、インバータ装置から給電手段の方向に流れる電流は制御信号により導通と遮断の状態を切替える切離し手段を有し、前記インバータ装置により前記交流電動機から回生電力を発生させる前に、前記直流チョッパ回路により前記蓄電装置を放電させて前記インバータ装置の直流電圧を予め昇圧することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気鉄道車両の電力効率の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態である実施例１に係る電気鉄道車両の駆動システムの基本構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である実施例１に係る電気鉄道車両の駆動システムの機器動作を示す波形図である。
【図３】車両の回生時におけるブレーキ力と速度との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である実施例２に係る電気鉄道車両の駆動システムの架線切離し手段の制御方法を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態である実施例３に係る電気鉄道車両の駆動システムの基本構成図である。
【図６】本発明の第４の実施形態である実施例４に係る電気鉄道車両の駆動システムの実装図である。
【図７】本発明の第５の実施形態である実施例５に係る電気鉄道車両の基本構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明による電気鉄道車両の駆動システムにおいては、車両の外部から直流電力を得る給電手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記インバータ装置の直流側に並列に接続された直流チョッパ回路と、前記直流チョッパ回路に接続された蓄電装置とを備えた電気鉄道車両の駆動システムであって、前記給電手段から前記インバータ装置の方向に流れる電流は常に導通可能であり、かつ、前記インバータ装置から前記給電手段の方向に流れる電流は制御信号により導通と遮断の状態を切替え可能な、切離し手段を有し、車両が回生動作を行う前に前記インバータ装置の直流電圧を予め昇圧する。
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、各実施例として図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態である実施例１に係る電気鉄道車両の駆動システムの基本構成を示したものである。架線１０１から直流電力を受電し、駆動システムの投入・遮断用の接触器１０３、入力フィルタ回路を構成するフィルタリアクトル１０７とフィルタコンデンサ１０８、充電回路を構成する接触器１０５と充電抵抗１０６を介して、インバータ１０９で三相交流に変換して主電動機１１０を駆動し、推進力を得ている。また、直流チョッパ回路１１１を介して蓄電装置１１２がインバータ１０９の入力側に並列に接続されている。蓄電装置１１２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、キャパシタ（ＥＤＬＣ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ等）が用いられる。接地１０２は、インバータ１０９、直流チョッパ回路１１１、蓄電装置１１２の負側端子を接地している。さらに、架線１０１とインバータ１０９との間に、架線切離し手段１０４が設置されている。架線切離し手段１０４は、架線１０１からインバータ１０９の方向に流れる電流は、常に導通可能である。逆に、インバータ１０９から架線１０１の方向に流れる電流の投入・遮断は、架線切離し手段の制御信号により制御される。架線切離し手段１０４は、例えば、インバータ１０９から架線１０１の方向に流れる電流を投入・遮断するＩＧＢＴと、架線１０１からインバータ１０９の方向に流れる電流を導通させるＰＮダイオードを並列接続したパワーモジュールで構成される。
【００１３】
図２は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一実施形態における機器動作を示す波形図である。また、図３は、車両の回生時におけるブレーキ力と速度との関係を示した図である。
【００１４】
車両および各機器の動作を、時刻（ｔ０〜ｔ５）の経過に基づいて説明する。
【００１５】
時刻ｔ０では、車両は力行しており、架線切離し手段１０４の制御信号はＯＮとなっている。架線１０１から供給されるの直流電力に加えて、蓄電装置１１２も直流チョッパ回路１１１を介して放電された直流電力により、インバータ１０９に直流電力を供給している。インバータ１０９は、架線１０１と蓄電装置１１２から得た直流電力を三相交流電力に変換して主電動機１１０を駆動し、車両の推進力を得ている。
【００１６】
時刻ｔ１では、車両の状態は力行のまま、高速域の下限速度を一定値以上超過したことを判断して、架線切離し手段１０４の制御信号はＯＦＦされる。しかしながら、架線切離し手段１０４は、架線１０１からインバータ１０９の方向に流れる電流は、制御信号に関わらず常に導通可能なので、引続き架線１０１がインバータ１０９に電力を供給する。架線切離し手段１０４の制御信号をＯＦＦすることで、インバータ１０９から架線１０１の方向には電流は流れなくなるので、直流チョッパ回路１１１の動作によるフィルタコンデンサ１０８の電圧ＶＦＣの昇圧が可能になる。なお、図２は時刻ｔ１で即刻、架線切離し手段１０４をＯＦＦする場合を示したが、架線切離し手段１０４をＯＦＦするのは、時刻ｔ１からｔ３の間のいつでもよい。
【００１７】
時刻ｔ２では、運転手のノッチ操作により、車両の状態は惰行に切り替わっている。蓄電装置１１２は、放電を止めて、蓄積エネルギーを保持した状態になる。
【００１８】
時刻ｔ３では、車両が回生動作を始める前に予め蓄電装置１１２を放電し、直流チョッパ回路１１１により、インバータ１０９の入力部であるフィルタコンデンサ１０８の電圧ＶＦＣを昇圧する。ＶＦＣは、架線電圧ＶＤＣよりも高くなるが、架線切離し手段１０４の制御信号がＯＦＦであるために、インバータ１０９から架線１０１の方向には電流を遮断する。そのため、ＶＤＣ＝１５００Ｖであった場合、例えば、ＶＦＣ＝１９００Ｖに昇圧することが可能になる。例えば、運転手が入力する回生のノッチ操作が行われた時に、実際に車両が回生動作するよりも前に蓄電装置１１２を放電することで、車両が回生動作に入ることが予め判断できる。
【００１９】
時刻ｔ４では、車両は回生動作を開始する。このとき、車両の速度は高速域にあるが、ＶＦＣが１９００Ｖに昇圧されているため、ＶＦＣが架線電圧と同一の１５００Ｖである場合よりも回生効率を向上できる。この理由は、後に図３を用いて説明する。この時、架線切離し手段１０４の制御信号がＯＦＦなので、インバータ１０９から出力される回生電流は架線１０１へは流れず、直流チョッパ回路１１１を介して蓄電装置１１２に充電される。速度が低下するのに従い、直流チョッパ回路１１１で制御してＶＦＣを下げる。
【００２０】
時刻ｔ５では、車両の速度は高速域の下限を下回り、直流チョッパ回路１１１によりＶＦＣはＶＤＣと同じ１５００Ｖに制御されて、架線切離し手段１０４の制御信号をＯＮする。架線切離し手段１０４の制御信号がＯＮになったので、インバータ１０９からの回生電流は架線１０１に戻される。直流チョッパ回路１１１は、蓄電装置１１２の充電を止めて、蓄積エネルギーを保持する。
【００２１】
時刻ｔ４からｔ５において、高速域の回生が向上する理由を、図３を用いて説明する。３０３は、車両として必要な必要ブレーキ力を示す。３０１は、フィルタコンデンサ１０８の電圧ＶＦＣが１５００Ｖの条件で、必要ブレーキ力３０３が目標値として入力された場合の各速度における主電動機のブレーキ力、３０２は、電圧ＶＦＣが１９００Ｖの条件で、必要ブレーキ力３０３が目標値として入力された場合の各速度における主電動機のブレーキ力である。電圧ＶＦＣが１５００Ｖのときは、速度ｖ１以上の速度領域では、主電動機のブレーキ力３０１が必要ブレーキ力３０３を下回るため、必要ブレーキ力３０３とブレーキ力３０１の差分は、機械式の空気ブレーキにより補う必要があり、回生効率が低下してしまう。電圧ＶＦＣが１９００Ｖのときは、速度ｖ１よりも高速の速度ｖ２以下の速度領域まで、主電動機のブレーキ力３０２は必要ブレーキ力３０３を満たし、速度ｖ２以上の速度領域においても必要ブレーキ力３０３と主電動機のブレーキ力の差分が小さくなるため、速度ｖ１よりも高速の速度領域における空気ブレーキの利用を抑えることができ、回生効率が向上する。
【００２２】
また、図３における速度ｖ２付近の高速域では、ブレーキ力３０１とブレーキ力３０２の差が大きく、フィルタコンデンサ１０８の直流電圧を昇圧することにより得られる回生効率の効果が最も大きい。しかし、特許文献１のようにコンタクタにより架線切離しを行う場合には、コンタクタの応答速度が遅いため、運転手が回生のノッチ操作を行ってから架線の切離しに時間が掛かるため、車両が回生動作を行う前にフィルタコンデンサ１０８の直流電圧を十分に昇圧することができず、速度ｖ２付近の高速域で回生効率の効果を得ることができない。
【００２３】
半導体素子で構成された架線切離し手段１０４は、瞬時（例えば、１０μｓ以内）に架線１０１からインバータ１０９を電気的に切り離すことができるため、特許文献１のようにコンタクタを用いた場合と比較して、回生開始直後の高速域から回生効率の向上の効果を得ることができる。
【００２４】
以上、本発明の一実施形態の代表的な機器動作を示したが、これらは蓄電装置１１２のＳＯＣや架線１０１の電圧ＶＤＣによって変更可能であることはいうまでもない。
【００２５】
また、図２に示すように、ＶＤＣとＶＦＣの電圧の差分は、ＶＤＣよりも小さいため、インバータ１０９や直流チョッパ回路１１１に適用されるパワーモジュール等の半導体素子よりも低い定格電圧のパワーモジュール等の半導体素子を架線切離し手段１０４に適用可能である。例えば、インバータ１０９と直流チョッパ回路１１１に用いるパワーモジュールの定格電圧が３．３ｋＶ、架線切離し手段に用いるパワーモジュールの定格電圧が１．７ｋＶといった設計が可能となる。このことで、架線切離し手段で発生する損失を低減することが可能である。
【００２６】
また、インバータ１０９と直流チョッパ回路１１１には、スイッチング素子またはダイオードまたはその両方にＳｉＣを母体とした半導体素子を適用し、架線切離し手段１０４にはシリコンを母体とした半導体素子を適用してもよい。スイッチング回数の多いインバータ１０９と直流チョッパ回路１１１に、スイッチング損失の小さいＳｉＣを母体とした半導体素子を、導通電流の大きい架線切離し手段１０４には導通損失の小さいシリコンを母体とした半導体素子を用いることで、さらなる損失低減が可能となる。
【００２７】
このように、本実施例によれば、回生効率が向上することで電気鉄道車両の駆動システムの電力効率を向上できる。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明の第２の実施形態である実施例２に係る電気鉄道車両の駆動システムの架線切離し手段の過電圧保護機能を示したものである。本実施例で言及しない構成は、実施例１と同一であるものとする。
【００２９】
図４に示す通り、架線切離し手段は、電圧検出部４３１、判定部４３３、ＯＲ回路４３５、出力パルス生成部４３６を備えることにより、架線１０１が地絡したときに、架線切離し手段４０４を過電圧から保護する機能を有している。
【００３０】
電圧検出部４３１は、架線切離し手段４０４の主端子間電圧を検出している。電圧検出部４３１の出力を、判定部４３３により判定値４２３と比較して保護すべきか判断する。架線切離し手段４０４の主端子間電圧が通常、４００Ｖ以内であれば、例えば、１０００Ｖを判定値４３２として設定する。電圧検出部４３１の出力が判定値４３２の値を超えて判定部４３３の出力がＨＩＧＨになった場合、判定部４３３の出力は通常の制御信号４３４とのＯＲ回路４３５を通り、出力パルス生成部４３６にて架線切離し手段４０４をＯＮするパルスに変換される。架線切離し手段４０４はＯＮするため、架線切離し手段４０４の定格電圧を超える電圧が、架線切離し手段４０４に印加されることなく保護することが可能になる。特に、インバータ１０９や直流チョッパ回路１１１に適用されるパワーモジュールの定格電圧よりも、架線切離し手段１０４に適用されるパワーモジュールの定格電圧を低くする場合には、上述した過電圧保護が効果的である。
【００３１】
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、素子の過電圧保護が実現できる。
【実施例３】
【００３２】
図５は、本発明の第３の実施形態である実施例３に係る電気鉄道車両の駆動システムの基本構成を示したものである。本実施例で言及しない構成は、実施例１と同一であるものとする。
【００３３】
本実施例においては、架線切離し手段５０４として、双方向スイッチが使用されている。架線切離し手段５０４は、架線１０１からインバータ１０９の方向の電流、およびインバータ１０９から架線１０１の方向の電流の両方を投入・遮断可能なため、実施例１における接触器１０３を省略可能である。また、インバータ１０９から架線１０１の方向の電流を投入・遮断するタイミングは、実施例１における架線切離し手段１０４と同様であるものとする。
【００３４】
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、部品点数の低減を実現できる。
【実施例４】
【００３５】
図６は、本発明の第４の実施形態である実施例４に係る電気鉄道車両の駆動システムの実装図を示したものである。なお、本実施例で言及しない構成は、実施例１と同一であるものとする。  本実施例においては、同一の冷却器６７１の一方側の面上に、架線切離し手段１０４のパワーモジュール６７２と、インバータ１０９のパワーモジュール６７３、６７４、６７５、６７６、６７７、６７８が実装されている。この冷却器６７１の他方側には、放熱フィンなどで構成される放熱部を備えることにより、各パワーモジュール６７２、６７３、６７４、６７５、６７６、６７７、６７８で発生した熱を放熱部により放熱する。
【００３６】
冷却器６７１の一方側の面上には、インバータ１０９のパワーモジュール６７３、６７４、６７５、６７６、６７７、６７８の代わりに、直流チョッパ回路１１１のパワーモジュールが実装されてもよく、また、架線切離し手段１０４とインバータ１０９と直流チョッパ回路１１１のパワーモジュールが実装されてもよい。
【００３７】
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、架線切離し手段１０４とインバータ１０９や直流チョッパ回路１１１を同一の冷却器に実装することで、装置の小型化を実現できる。
【実施例５】
【００３８】
図７は、本発明の第５の実施形態である実施例５に係る電気鉄道車両の基本構成図である。
【００３９】
本実施例は、車両７８１、７８２、７８３、７８４からなり、架線に接触するパンタグラフ７０１、遮断器７８５、動力台車７８７、付随台車７８８、実施例１〜４を適用した駆動システム機器７８６を有している。
【００４０】
本実施例によれば、上述した実施形態１〜４および変形例の駆動システムを適用することにより、回生効率が向上できるため、電気鉄道車両の電力効率が向上する。
【００４１】
なお、本発明の技術的範囲は上記の各実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々の変形例が可能であることはいうまでもない。例えば、接触器やフィルタリアクトルやその他の部品は、その機能を満たす範囲で位置や個数を変更してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…架線、
１０２…接地、
１０３、１０５…接触器、
１０４、４０４、５０４…架線切離し手段、
１０６…充電抵抗、
１０７…フィルタリアクトル、
１０８…フィルタコンデンサ、
１０９…インバータ、
１１０…主電動機、
１１１…直流チョッパ回路、
１１２…蓄電装置、
３０１…直流電圧１５００Ｖ時のブレーキ力、
３０２…直流電圧１９００Ｖ時のブレーキ力、
３０３…必要ブレーキ力、
４３１…電圧検出部、
４３２…判定値、
４３３…判定部、
４３４…入力信号、
４３５…ＯＲ回路、
４３６…出力パルス生成部、
６７１…冷却器、
６７２…架線切離し手段用パワーモジュール、
６７３、６７４、６７５、６７６、６７７、６７８…インバータ装置用パワーモジュール、
７０１…パンタグラフ、
７８１、７８２、７８３、７８４…車両、
７８５…遮断器、
７８６…駆動システム機器、
７８７…動力台車、
７８８…付随台車、
【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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