電気鉄道車両制御電源システム

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【発明の名称】	電気鉄道車両制御電源システム
【発明者】	【氏名】六藤孝雄
【要約】	【課題】長時間にわたる架線停電が発生しても、架線の復電後は、速やかに直流負荷に電力を供給して列車の運転再開を早めることができる電気鉄道車両制御電源システムを得ることを目的とする。【解決手段】充電装置１により二次電池蓄電装置５を充電して直流負荷１４に電力を供給する回路に加え、充電装置２によりキャパシタ蓄電装置１２を充電しその電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１３で制御して直流負荷１４に電力を供給する回路を備える。そして、架線が長時間停電し、二次電池蓄電装置５の放電電圧の限界値に達した後復電したときは、充電装置２によりキャパシタ蓄電装置１２を急速に充電しＤＣ／ＤＣコンバータ１３で制御した一定電圧を直流負荷１４に供給する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を上記直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記両蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記キャパシタ蓄電装置の放電能力が限界値に達した後は上記二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち上記第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記キャパシタ蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたことを特徴とする電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項２】第２の充電装置の容量を直流負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における上記直流負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したことを特徴とする請求項１記載の電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項３】饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して上記直流負荷に電力を供給可能な第２の充電装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、上記二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち上記第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記第２の充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたことを特徴とする電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項４】二次電池蓄電装置の出力端にダイオードを挿入し、饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記ダイオードにより、自動的に、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断つとともに第２の充電装置側から上記二次電池蓄電装置への電流流入を阻止するようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項５】饋電線からの給電が存在し二次電池蓄電装置の電圧が直流負荷に給電可能なレベルにある場合、第１および第２の両充電装置から上記直流負荷に電力を供給するよう、上記第２の充電装置または電力変換装置の出力を制御するようにしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項６】饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を上記直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは上記二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記電力変換装置から電力を供給するようにしたことを特徴とする電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項７】饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、およびこの第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置を備え、上記直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは上記二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記キャパシタ蓄電装置から電力を供給するようにしたことを特徴とする電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項８】第２の充電装置の容量を瞬停対策負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、瞬停の期間における上記瞬停対策負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したことを特徴とする請求項６または７に記載の電気鉄道車両制御電源システム。
【請求項９】饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する充電装置、およびこの充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記充電装置および直流負荷と上記二次電池蓄電装置との間の接続を開閉する開閉装置を備え、上記饋電線からの給電が存在する場合は上記開閉装置を閉とし、上記饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記開閉装置を開とし、上記充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたことを特徴とする電気鉄道車両制御電源システム。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、饋電線から供給される電力で走行する電気車両において、充電装置を備えこの充電装置に充電した電力で制御装置に電源を供給する電気鉄道車両制御電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図８は、従来からの、例えば直流饋電給電方式の電気車両における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。図において、１は饋電線である架線で、図示しない電鉄変電所からの給電により定格ＤＣ１５００Ｖの電圧が印加されている。２はパンタグラフ、３は架線１からのＤＣ１５００Ｖを交流電源（通常、ＡＣ４４０Ｖ）に変換して照明電源をはじめ各種の制御装置からなる交流電源機器に供給するインバータである。
【０００３】ところで、車載制御装置の中には、運転上の安全確保のため架線事故や饋電線の停電でパンタグラフ２からの給電が断たれても、一定時間（例えば１時間程度）その動作機能を継続させる必要がある、例えば列車無線装置６、運転保安装置７、ブレーキ制御装置８等の直流負荷がある。充電装置４および二次電池蓄電装置５は上記のような停電対策の必要な制御装置に、より安定した電源を供給するために設けられたもので、充電装置４によりＡＣ４４０Ｖを直流に変換して二次電池蓄電装置５を充電し、この充電した二次電池蓄電装置５から直流電源（通常ＤＣ１００Ｖ）を列車無線装置６、運転保安装置７、ブレーキ制御装置８等に供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気鉄道車両制御電源システムは以上のように構成されており、たとえ、架線からの給電が断たれても、上述した安全確保に必要な制御装置へは二次電池蓄電装置から給電されその機能を継続する。そして、架線からの給電が復帰すると、二次電池蓄電装置は再び充電動作を開始して列車は正常状態に復帰し運転を再開することができる。
【０００５】しかるに、何らかの理由で架線からの電源復帰までの停電時間が長時間となり、二次電池蓄電装置の放電電圧がその限界値（動作中の直流負荷がその動作を維持できる最低動作電圧が相当する）に達してしまうと当該直流負荷は動作を停止し、これを再起動させるためには二次電池蓄電装置の電圧を、上記最低動作電圧より高い最低起動電圧にまで回復させる必要があり、ここで、二次電池蓄電装置の充電能力の制限から以下のような深刻な問題が発生し得る。即ち、これら直流負荷の内、運転保安装置（ＡＴＳ、ＡＴＣ等）やブレーキ制御装置は、いわゆるフェイルセーフ機能を備えており、その電源が断たれるとブレーキ装置が作用する側に働き、特に非常ブレーキ系は、電源投入が再開されるまで緩解しない。そして、その放電電圧が限界値に達した二次電池蓄電装置を、直流負荷の再起動が可能なレベルにまで充電するには、二次電池の特性上、最低限、１ないし３時間程度の時間を必要とする。
【０００６】従って、列車が走行運行中に架線停電事故が発生すると、列車はその現場で緊急停車することになるが、この停電が１時間程度以上経過して二次電池蓄電装置の放電電圧の限界値に達すると、ブレーキ装置が作用したままとなり、たとえ、その直後に架線が復電しても列車は動き出せず、更に、救援車両が到着してもこれによって当該列車を牽引することも不可能となり、事故復旧は、その後の長時間にわたる充電動作の完了を待たねばならなくなる。従って、列車ダイヤが大きく混乱することになる。この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、長時間にわたる架線停電が発生しても、架線の復電後は、速やかに直流負荷に電力を供給して列車の運転再開を早めることができる電気鉄道車両制御電源システムを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を上記直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記両蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記キャパシタ蓄電装置の放電能力が限界値に達した後は上記二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち上記第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記キャパシタ蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたものである。
【０００８】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その第２の充電装置の容量を直流負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における上記直流負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したものである。
【０００９】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して直流負荷に電力を供給可能な第２の充電装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記第２の充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたものである。
【００１０】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その二次電池蓄電装置の出力端にダイオードを挿入し、饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記ダイオードにより、自動的に、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断つとともに第２の充電装置側から上記二次電池蓄電装置への電流流入を阻止するようにしたものである。
【００１１】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その饋電線からの給電が存在し二次電池蓄電装置の電圧が直流負荷に給電可能なレベルにある場合、第１および第２の両充電装置から上記直流負荷に電力を供給するよう、上記第２の充電装置または電力変換装置の出力を制御するようにしたものである。
【００１２】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記電力変換装置から電力を供給するようにしたものである。
【００１３】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、およびこの第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置を備え、直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記キャパシタ蓄電装置から電力を供給するようにしたものである。
【００１４】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その第２の充電装置の容量を瞬停対策負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、瞬停の期間における上記瞬停対策負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したものである。
【００１５】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する充電装置、およびこの充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記充電装置および直流負荷と上記二次電池蓄電装置との間の接続を開閉する開閉装置を備え、上記饋電線からの給電が存在する場合は上記開閉装置を閉とし、上記饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記開閉装置を開とし、上記充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。なお、架線からの電力をインバータで変換してＡＣ４４０Ｖを発生させる部分については従来の図８と同様であるので、図示を省略している。図において、１０は第１の充電装置１で、従来の充電装置４と同等のものであり、二次電池蓄電装置５を充電するため交流電源ＡＣ４４０Ｖを直流平滑して充電電流を出力するとともに、その出力電圧を帰還してＤＣ１００Ｖを上限に電圧制御を行う。
【００１７】１１は後述するキャパシタ蓄電装置１２を充電するための第２の充電装置２で、同じく交流電源ＡＣ４４０Ｖを直流平滑してＤＣ１００Ｖまで電流制御により充電電流を出力する。１２は、例えば大容量電気二重層キャパシタ素子を所定数直並列に接続して構成したキャパシタ蓄電装置で、充電装置２により急速充電が可能である。１３は、その出力電圧を帰還し、キャパシタ蓄電装置１２の電圧を直流負荷に必要な電圧に変換する電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータである。１４は広い意味での停電対策が必要な直流負荷で、従来技術で説明した列車無線装置、運転保安装置、ブレーキ制御装置等が含まれるが、ここでは、負荷装置１、２、３・・・ｎとして図示している。そして、各負荷装置毎にスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、・・・Ｓｎが、また、直流負荷１４をまとめた部分と両蓄電装置５、１２側のそれぞれとの間にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が挿入されており、これらスイッチには通常、ノーヒューズブレーカが採用されている。
【００１８】次に動作を図２のタイミングチャートをも参照して説明する。図２において、ａ）は二次電池蓄電装置５の出力電圧と負荷電流のチャートを、ｂ）はキャパシタ蓄電装置１２側のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧と負荷電流のチャートを、そして、ｃ）は両者を合成した、即ち、負荷端での出力電圧と負荷電流のチャートをそれぞれ示している。先ず、時間ｔ１までは架線から給電が正常に行われ、この状態では通常、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は共に閉として、直流負荷１４へは両蓄電装置から電力が供給される。なお、図２では、主として二次電池蓄電装置５から給電されているように図示しているが、両者の負荷分担は、両者の内部抵抗を考慮したＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧制御により自由に設定することができる。
【００１９】次に、時間ｔ１にて停電が発生、即ち、架線からの給電が断たれると、時間の経過につれて二次電池蓄電装置５からの負荷電流は二次電池の電圧降下につれて減少する。キャパシタ蓄電装置１２のＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、負荷電圧を一定に保つために分担電流を増加させ、キャパシタ蓄電装置１２の蓄電電力によって決まる時間だけ経過した時間ｔ２までは直流負荷１４に一定電圧ＤＣ１００Ｖで安定した電力を供給することができる。従って、時間ｔ２までは二次電池蓄電装置５の出力電圧は一定の電圧ＤＣ１００Ｖに保たれる。時間ｔ２以降はキャパシタ蓄電装置１２の放電能力がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は自動的に出力を停止する。このため、二次電池蓄電装置５の出力電圧は若干量不連続に低下した後、その放電容量と負荷量とで決まる減衰特性で電圧、電流が共に減少していくことになる。
【００２０】時間ｔ３で、二次電池蓄電装置５の電圧降下が大となり、その限界値である直流負荷１４の最低動作電圧を維持できなくなると、これを図示しない低電圧検知器で検出し、給電を停止する。通常の停電であれば、この時間ｔ３（停電時間にして約１時間）までに架線からの給電が再開され、充電装置１からの充電が再び起動して正常復帰が可能となる訳であるが、本願発明は、この時間ｔ３を越えて停電が継続し、直流負荷が停止してその再起動のためには上記限界値より高い最低起動電圧の供給が必要となる場合の問題点を解決するためになされたものであり、以降の説明を続ける。
【００２１】時間ｔ３以降はスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開としておき、時間ｔ４で架線からの給電が復帰すると、充電装置２によりキャパシタ蓄電装置１２を短時間に時間ｔ５までに充電を終え、スイッチＳＷ２を閉じてＤＣ／ＤＣコンバータ１３から直流負荷１４に電力を供給する。ここで、キャパシタ蓄電装置１２の充電に要する時間（ｔ５－ｔ４が相当する）は、具体的な算出例については後述するが、通常の条件では、１０～１５分程度で済み、二次電池蓄電装置５の放電電圧が限界値に達した後の再充電に要する時間、１～３時間程度に比較して大幅に短縮され、列車はこの時間ｔ５でその運転を再開することができる。なお、キャパシタ蓄電装置１２の充電動作完了時点より前からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作させ、直流負荷１４へ一定の電圧を出力することも可能であり、その場合は、時間ｔ５を更に早めることができる。
【００２２】時間ｔ５以降、二次電池蓄電装置５の充電動作が完了する時間ｔ６までの期間は、スイッチＳＷ１は開となっているので、直流負荷１４への電力の供給は、すべて充電装置２、キャパシタ蓄電装置１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３から行われるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力が二次電池蓄電装置５に流入することはなく、二次電池蓄電装置５は充電装置１により充電がなされる。
【００２３】二次電池蓄電装置５の充電が完了すると、時間ｔ６にてスイッチＳＷ１を閉とし、直流負荷１４へは二次電池蓄電装置５から電力を供給する。なお、時間ｔ６以降、直流負荷１４への電力供給を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧を制御することにより、二次電池蓄電装置５とキャパシタ蓄電装置１２側とで分担して行い得ることは既述した通りである。
【００２４】ここで、充電装置２およびキャパシタ蓄電装置１２の必要容量について検討する。先ず、図２で説明したように、停電発生（時間ｔ１）後、比較的短時間の時間ｔ２にてキャパシタ蓄電装置１２はその放電能力を喪失している。ところで、このキャパシタ蓄電装置１２の容量を大きくして従来からの必要給電継続時間（ｔ３－ｔ１＝約１時間）をキャパシタ蓄電装置１２のみでカバーするという案が考えられるが、現在、電気二重層キャパシタの単位体積（１リットル（Ｌ））当たりの蓄電容量は、通常１０Ｗｈ／Ｌ程度であり、これに対し、二次電池のそれは、通常４０～６０Ｗｈ／Ｌ程度と大差があり、キャパシタ蓄電装置のみにより長時間の停電対策電源を構成することは、その容積が極めて大きくなり、構造的にも経済的にも不利となる。
【００２５】そこで、この発明では、先ず、充電装置２は直流負荷１４の容量に相当するものとするが、キャパシタ蓄電装置１２の充放電可能容量は、キャパシタ蓄電装置１２側のみからの給電期間（図２の時間ｔ５から時間ｔ６に至る期間が相当）における瞬停を考慮した容量に設定する。即ち、饋電系統としては正常であるが、列車走行中に生じる架線とパンタグラフの離線や、架線に常に電圧が印加されていない、いわゆるデッドセクションの通過時に生じる一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持を達成するために必要な容量に設定する。
【００２６】例えば、直流負荷１４の容量をＤＣ１００Ｖで５ＫＷ、瞬定期間の最大値を１０秒として必要なキャパシタ蓄電装置１２の容量を試算すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力電圧範囲をＤＣ１００ＶからＤＣ５０Ｖまでと仮定して、約８００Ｆ（１，１１１Ｗｈ）となり、比較的小容量のもので済み、構造的、経済的にも適正な範囲で実現することが可能となる。また、この容量のキャパシタ蓄電装置１２を充電装置２からの５０Ａ（＝５ＫＷ／１００Ｖ）一定の電流で充電すると、８００秒（＝１３．３分で図２の時間ｔ４から時間ｔ５に至る時間が相当）を要するが、二次電池蓄電装置５の充電時間（１～３時間で図２の時間ｔ４から時間ｔ６に至る時間が相当）に比較して大幅に短縮され、既述した通り、長時間停電後の復電後、車両の早期運転再開を実現することができる訳である。
【００２７】実施の形態２．図３はこの発明の実施の形態２における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。実施の形態１の図１と異なるのは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をダイオードＤｄ１、Ｄｄ２に置き換えた点のみである。従って、動作についても図２と同様となり、説明の重複を避けるが、給電状態が正常の場合（図２の時間ｔ１以前の場合、および時間ｔ６以降）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧を二次電池蓄電装置５の出力電圧ＤＣ１００Ｖよりわずかに低い値に設定しておくことにより、直流負荷１４への電力の供給をすべて二次電池蓄電装置５側から出力させることができる。勿論、適当な分担率で両蓄電装置から並列的に直流負荷１４に電力を供給することも、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧の制御により行い得ることは既述した通りである。
【００２８】また、図２の時間ｔ４で架線からの給電が復帰したときは、この実施の形態２においては、両蓄電装置と直流負荷１４との間にダイオードＤｄ１、Ｄｄ２を挿入しているので、図１の場合のように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を操作することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧が立ち上がると、自動的にダイオードＤｄ２がオンしてＤＣ／ＤＣコンバータ１３から直流負荷１４に電力が供給されるとともに、ダイオードＤｄ１は逆電圧が印加されてブロック状態となり、二次電池蓄電装置５と直流負荷１４との接続を断つとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３側から二次電池蓄電装置５への電流流入を阻止することができる。
【００２９】一般にダイオードは、耐サージ電圧に弱いという特性があり信頼性の面で多少劣るが、この点の対策を別途施せば、実施の形態１のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を採用する場合に比較して、機器構成が簡便小形安価となるとともに、制御操作の回路構成も簡便となる利点がある。
【００３０】実施の形態３．図４はこの発明の実施の形態３における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。実施の形態１の図１の回路からキャパシタ蓄電装置１２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１３を省略して構成を簡略化したものである。架線が停電すると二次電池蓄電装置５から直流負荷１４への電力供給を継続することは先の形態例と同様であるが、停電が長時間となって二次電池蓄電装置５の放電電圧が下限値に達した後に架線が復電した場合は、スイッチＳＷ１を開に、スイッチＳＷ２を閉にして充電装置２を電圧制御することにより直流負荷１４に電力を供給する。
【００３１】この場合、キャパシタ蓄電装置が存在せず、上述した瞬停の対策がなされないので、瞬停毎にブレーキが作用して車両としての乗り心地が悪くなる欠点はあるが、ともかく復電されると、列車は直ちに運転を再開することができ、列車ダイヤの混乱拡大が抑制される。二次電池蓄電装置５の充電完了後は、スイッチＳＷ１を閉とし、両充電装置１、２から給電してもよいし、スイッチＳＷ２を開とし、充電装置１側のみから給電するようにしてもよい。
【００３２】実施の形態４．図５はこの発明の実施の形態４における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。ここでは、広い意味での停電対策用である直流負荷１４を、瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷１４ａと、それ以外の狭義の停電対策負荷１４ｂとに区分する。フェイルセーフ機能を備えたブレーキ制御装置やＡＴＣ等の運転保安装置は、瞬停対策は必要であるが、長時間停電対策をする必要はなく、前者の瞬停対策負荷１４ａに該当し、図５に示すようにこれらは充電装置２、キャパシタ蓄電装置１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の回路から電力が供給される。また、列車無線装置、放送装置や非常灯等は後者の停電対策負荷１４ｂに該当し、充電装置１、二次電池蓄電装置５の回路から電力が供給される。
【００３３】次に動作を図６のタイミングチャートをも参照して説明する。図において、ａ）は二次電池蓄電装置５の出力電圧と負荷電流のチャートを、ｂ）はキャパシタ蓄電装置１２側のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧と負荷電流のチャートをそれぞれ示す。時間ｔ１で架線からの給電が断たれると、キャパシタ蓄電装置１２の放電能力が尽きる時間ｔ２まではＤＣ／ＤＣコンバータ１３がその出力電圧をＤＣ１００Ｖに保持する。従って、この時間ｔ２までは、運転保安装置やブレーキ制御装置は正規の機能動作を継続する。実施の形態１等で説明したキャパシタ蓄電装置１２とそのキャパシタ容量が同一であれば、放電負荷が減少している分この電圧保持時間（図６ではｔ２－ｔ１の時間が相当）が長くなる。
【００３４】時間ｔ２でキャパシタ蓄電装置１２の放電能力が尽きるとＤＣ／ＤＣコンバータ１３は停止し、瞬停対策負荷１４ａへの電力の供給が断たれ、本来のフェールセーフ機能でブレーキが作動し列車は停止する。列車無線装置や非常灯の停電対策負荷１４ｂは時間ｔ２後も、二次電池蓄電装置５の放電電圧が限界値に達する時間ｔ３までは電力が供給され動作を継続する。
【００３５】時間ｔ４で復電すると、キャパシタ蓄電装置１２は充電装置２により急速に充電され時間ｔ５でＤＣ／ＤＣコンバータ１３から正規の電圧ＤＣ１００Ｖが瞬停対策負荷１４ａに供給され、列車は直ちに運転を再開することができ、かつ、キャパシタ蓄電装置１２から給電されるので、その後の運転中の瞬停時も一定電圧が保持される。二次電池蓄電装置５は、時間ｔ４の復電後、スイッチＳ１、Ｓ２を開として充電装置１により充電が再開され、充電動作が完了する時間ｔ６にてスイッチＳ１、Ｓ２を閉にして停電対策負荷１４ｂへの給電を再開し、列車無線装置等の使用が可能となって列車機器はすべて正常な状態に復帰する。
【００３６】図５の場合、充電装置２の必要容量としては、瞬停対策負荷１４ａの容量とすれば足り、また、キャパシタ蓄電装置１２の充放電可能容量としては、瞬停期間における瞬停対策負荷１４ａへの電力供給維持に必要な容量とすれば足りるので、いずれも、実施の形態１の図１の場合に比較してその容量を低減することが可能となる。
【００３７】また、図示は省略するが、キャパシタ蓄電装置１２を充電する充電装置２に電圧帰還制御機能を付加することで、図５の回路からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を省略して構成の簡略化が可能である。即ち、充電装置２でキャパシタ蓄電装置１２を電流制御して所定の一定電圧ＤＣ１００Ｖまで充電した後は、充電装置２の電圧リミット機能を作用させてＤＣ１００Ｖを維持させる。従って、負荷の変動に対しては充電電流を制御することで一定電圧を保持する。
【００３８】架線からの電源が瞬停すると、充電装置２からの充電ができなくなり、キャパシタ蓄電装置１２は負荷１４ａへの放電で電圧は降下していくが、瞬停時間が最大１０秒程度であれば、この間の電圧降下は車載機器に課せられている最低動作電圧（通常、ＤＣ８０Ｖ程度）以内にとどめることは比較的容易である。このように、瞬停対策負荷１４ａをキャパシタ蓄電装置１２側に集約することにより、充電装置２とキャパシタ蓄電装置１２の容量を低減でき、低価格となる。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を省略し構成を一層簡便にして経済性信頼性の優れた電気鉄道車両制御電源システムを実現することができる。
【００３９】実施の形態５．図７はこの発明の実施の形態５における電気鉄道車両制御電源システムを示す構成図である。従来の図８と異なるのは、充電装置４および直流負荷１４と二次電池蓄電装置５との間の接続を開閉する開閉装置としてのスイッチＳＷ３を備えた点である。ここでは、架線が停電し、二次電池蓄電装置５の放電電圧が限界値に達した後、架線が復電した場合、スイッチＳＷ３を開とし、充電装置４から直流負荷１４に電力を供給するようにする。
【００４０】二次電池蓄電装置５の再充電がなされず、車両走行時の瞬停対策も施されないので乗り心地が悪くなる等の欠点はあるが、復電後、直ちに運転保安装置やブレーキ制御装置を立ち上げ、ブレーキを解除して列車の運転を再開することができ、従来システムに起こり得た最悪の事態は回避することができる。
【００４１】なお、以上の各実施の形態は、ＤＣ１５００Ｖによる直流饋電方式に適用した場合について示したが、更に高い電圧による交流饋電方式においても本発明は同様に適用することができ同等の効果を奏する。また、電気鉄道車両としては、軌道を備えたものに限らず、トロリーバス等のいわゆる無軌条電気車両であってもよいことは勿論である。
【００４２】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第１の充電装置、およびこの第１の充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を上記直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記両蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記キャパシタ蓄電装置の放電能力が限界値に達した後は上記二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち上記第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記電力変換装置の出力電圧を制御することにより上記キャパシタ蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたので、饋電線からの給電が長時間停止した後その給電が復帰した場合、速やかに直流負荷に電力を供給して車両の運転を直ちに再開することができ、また、二次電池蓄電装置の再充電が完了する迄の期間における瞬停に対しても直流負荷への電力供給が維持される。
【００４３】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その第２の充電装置の容量を直流負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における上記直流負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したので、特に、キャパシタの必要容量を最小限の値にとどめて、装置の小形化、低コスト化が達成される。
【００４４】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して直流負荷に電力を供給可能な第２の充電装置を備え、上記饋電線からの給電が停止した場合、二次電池蓄電装置から上記直流負荷に電力を供給し、上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断ち第１の充電装置の充電動作を再開するとともに、上記第２の充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたので、簡便な構成で、饋電線からの給電が長時間停止した後その給電が復帰した場合、速やかに直流負荷に電力を供給して車両の運転を直ちに再開することができ、経済的で信頼性の高い電気鉄道車両制御電源システムを実現することができる。
【００４５】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その二次電池蓄電装置の出力端にダイオードを挿入し、饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記ダイオードにより、自動的に、上記二次電池蓄電装置と直流負荷との接続を断つとともに第２の充電装置側から上記二次電池蓄電装置への電流流入を阻止するようにしたので、両蓄電装置と直流負荷との切換手段の構成操作が簡便となる。
【００４６】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その饋電線からの給電が存在し二次電池蓄電装置の電圧が直流負荷に給電可能なレベルにある場合、第１および第２の両充電装置から上記直流負荷に電力を供給するよう、上記第２の充電装置または電力変換装置の出力を制御するようにしたので、両充電装置の負荷設定の自由度が上がり信頼性の高い運転を追求することが可能となる。
【００４７】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、この第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置、およびこのキャパシタ蓄電装置の電圧を直流負荷に必要な所定の電圧に変換する電力変換装置を備え、上記直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記電力変換装置から電力を供給するようにしたので、饋電線からの給電が長時間停止した後その給電が復帰した場合、速やかに直流負荷に電力を供給して車両の運転を直ちに再開することができ、また、二次電池蓄電装置の再充電が完了する迄の期間における瞬停に対しても直流負荷への電力供給が維持される。
【００４８】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する第２の充電装置、およびこの第２の充電装置からの充電電流によって充電される、キャパシタからなるキャパシタ蓄電装置を備え、直流負荷を、車両の運行中に発生する一時的な停電である瞬停の期間における電力供給維持のみが要求される瞬停対策負荷とそれ以外の停電対策負荷とに区分し、上記停電対策負荷へは二次電池蓄電装置から電力を供給し、上記瞬停対策負荷へは上記キャパシタ蓄電装置から電力を供給するようにしたので、饋電線からの給電が長時間停止した後その給電が復帰した場合、速やかに直流負荷に電力を供給して車両の運転を直ちに再開することができ、また、二次電池蓄電装置の再充電が完了する迄の期間における瞬停に対しても直流負荷への電力供給が維持される。
【００４９】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、その第２の充電装置の容量を瞬停対策負荷の容量に設定し、キャパシタの充放電可能容量を、瞬停の期間における上記瞬停対策負荷への電力供給維持に必要な容量に設定したので、キャパシタの必要容量を一層低減することができ、装置の小形化、低コスト化が徹底される。
【００５０】また、この発明に係る電気鉄道車両制御電源システムは、饋電線から供給される電力を変換して充電電流を出力する充電装置、およびこの充電装置からの充電電流によって充電される二次電池蓄電装置を備え、上記二次電池蓄電装置から直流負荷に電力を供給する電気鉄道車両制御電源システムにおいて、上記充電装置および直流負荷と上記二次電池蓄電装置との間の接続を開閉する開閉装置を備え、上記饋電線からの給電が存在する場合は上記開閉装置を閉とし、上記饋電線からの給電が停止し上記二次電池蓄電装置の放電電圧が限界値に達した後上記饋電線からの給電が復帰した場合、上記開閉装置を開とし、上記充電装置から上記直流負荷に電力を供給するようにしたので、簡便な構成で、饋電線からの給電が長時間停止した後その給電が復帰した場合、速やかに直流負荷に電力を供給して車両の運転を直ちに再開することができ、経済的で信頼性の高い電気鉄道車両制御電源システムを実現することができる。

【出願人】	【識別番号】３９００２２４６０【氏名又は名称】株式会社指月電機製作所
【出願日】	平成１１年１１月１５日（１９９９．１１．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００９３５６２【弁理士】【氏名又は名称】児玉俊英
【公開番号】	特開２００１－１４５２０１（Ｐ２００１－１４５２０１Ａ）
【公開日】	平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】	特願平１１－３２３６１８