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【発明の名称】 電気車両システム
【発明者】 【氏名】小笠 正道

【氏名】山本 貴光

【氏名】山下 道寛

【氏名】渡邉 朝紀
【要約】 【課題】回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデンサからのパワーアシストを行って、効果的にエネルギーを利用する電気車両システムを提供する。

【解決手段】本発明の電気車両システムは、直流電圧を制御する昇降圧チョッパ１２とインバータ１３とを備えるＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０と、主電動機群１４と、入力部１６と、応速度ブレーキ力パターンμに基づいてＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を制御する制御部１７と、電源を蓄積及び供給するバッテリ２２（またはコンデンサ）と、バッテリ２２（コンデンサ）に至る経路上に接続されたブリッジ型可逆チョッパ２１と、を備え、昇降圧チョッパ１２及びブリッジ型可逆チョッパ２１は、４つ以上のゲート回路１２ａで構成することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流電圧の印可を受けて該交流電圧に対応したトルクを車軸に与える主電動機と、電源を蓄積及び供給するバッテリまたはコンデンサと、入力された直流電圧を交流電圧に変換して、前記主電動機に変換した交流電圧を印可するインバータと、前記インバータに接続され、前記インバータに入力する直流電圧を制御する昇降圧回路とを有する電圧制御回路と、前記電圧制御回路の前記インバータと前記昇降圧回路の間の経路上から分岐して、前記バッテリまたはコンデンサに至る経路上に接続された変換器回路と、を備える、ことを特徴とする電気車両システム。
【請求項２】 前記電圧制御回路は、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御方式の回路である、ことを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項３】 前記昇降圧回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の電気車両システム。
【請求項４】 前記昇降圧回路は、４象現可逆チョッパまたは２並列２象現直流可逆チョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の電気車両システム。
【請求項５】 前記昇降圧回路は、直流区間では昇降圧チョッパとして機能し、交流区間ではＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータとして機能する、ことを特徴とする請求項４記載の電気車両システム。
【請求項６】 前記変換器回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１乃至５記載の電気車両システム。
【請求項７】 前記変換器回路は、高周波トランス回路の構成である、ことを特徴とする請求項１乃至５記載の電気車両システム。
【請求項８】 前記変換器回路と前記バッテリまたはコンデンサの間に、前記バッテリまたはコンデンサの過充電を防止する保護回路を設けた構成である、ことを特徴とする請求項７記載の電気車両システム。
【請求項９】 前記昇降圧回路は、電流可逆チョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項１０】 前記変換器回路は、電流可逆チョッパの構成である、ことを特徴とする請求項９記載の電気車両システム。
【請求項１１】 さらに、前記電圧制御回路を所定の粘着ブレーキパターンμに基づいて制御する制御手段を備える、ことを特徴とする請求項１乃至１０記載の電気車両システム。
【請求項１２】 前記粘着ブレーキパターンμは、車両速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）、の関数で示され、前記係数ａ及びｂは、前記関数で示される反比例曲線上の任意の２点での値によって決定される、ことを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
【請求項１３】 前記係数ａは、約７８であり、前記係数ｂは、約１５．８４である、ことを特徴とする請求項１２記載の電気車両システム。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、交流モータ等を用いて鉄道車両（以下、単に「車両」ともいう）を加減速させる電気車両システムに関する。特には、回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデンサからのパワーアシストを行うことができる電気車両システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、交流モータ等を用いて車両を加減速させる電気車両においては、駆動電動機を発電機として電流を発生して車軸にトルクを与え車両を加減速させる。即ち、車両の発進又は加速時には駆動電動機を発電機として電流を発生して車軸に駆動トルクを与え、逆に、車両の減速又は停止時には、電気ブレーキとして車軸に制動トルクを与えて車両の減速又は停止を行っている。
【０００３】また、電気車両のブレーキシステムとしては、電気ブレーキのほか摩擦ブレーキや流体ブレーキなどが使用されている。摩擦ブレーキは、圧縮空気や油圧などによって機械的に制輪子を車軸やブレーキディスクなどに押し付けて摩擦力を発生させ車両を減速及び停止させるものである。また、流体ブレーキは、油などの流体を回転翼などで攪拌し、その際の抵抗力をブレーキ力として車両を減速及び停止させるものである。
【０００４】一般に、電気車両のブレーキにおいて、高速域での電気ブレーキ力が低速度域に較べて低下することから、所要ブレーキ力を満足できない部分は機械ブレーキにより補足している。
【０００５】この高速域での機械ブレーキ分担が増えることは、車輪やデイスクヘの熱的負荷の増大やブレーキシュー・ライニングの摩耗の増大を伴い、近年、特に運行時分短縮のために高減速度の要求される機会が増えているため、車輪踏面亀裂や凹摩耗などが発生する場合もある。
【０００６】このため、ブレーキ力の機械ブレーキ分担分をなくし、電気ブレーキのみで賄うことも考えられる。この場合には、高速域での電気ブレーキ分担分を増加させることで実現可能となる。
【０００７】図１０は、近郊電車における常用最大ブレーキ設定を示す図である。図１０に示すように、最近では、車種によって、中速度〜高速度にかけて簡単な応速度ブレーキ力パターンを持たせて、高速域での期待粘着係数（摩擦係数）μ’を若干緩和したものもある。
【０００８】ここで、期待粘着係数μ’とは、駆動伝達力と車軸重量の比であり、＜式１＞期待粘着係数μ’＝駆動伝達力／車軸重量で示される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の電気車両では、主電動機への印加電圧が架線電圧相当の印加電圧で頭打ちになる速度（以下、単に「定格速度」ともいう）より高速域の弱磁束領域・特性領域において、主電動機の制御特性上、定トルク領域に較べて電動機トルクが速度とともに急激に低下する。これは、架線電圧上限値相当以上の電圧を主電動機に印加できないからである。
【００１０】このため、直流き電区間では、回生失効時や回生パワーの制限等により、回生ブレーキ時の回生エネルギーを全て架線に返すことが困難であるという問題があった。また、所要のブレーキ力が得られない場合には、機械ブレーキを使用したり、発電抵抗器で回生エネルギーを消費したりしていた。このため、エネルギーの無駄な消費が生じ、エネルギー効率に無駄が生じる場合があった。
【００１１】このような場合、インバータにかかる電圧を上昇させる方法があるが、この場合、力行及び回生の両方向に対応可能な昇降圧チョッパを設ける必要があるが、架線返還できるパワーには限界があるため、回生ブレーキ力を増加させても処理できない余剰パワーを生じる場合があった。
【００１２】本発明はこのような背景の中でなされたものであって、回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデンサからのパワーアシストを行うことにより、効果的にエネルギーを利用することができる電気車両システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明の電気車両システムは、交流電圧の印可を受けて該交流電圧に対応したトルクを車軸に与える主電動機と、電源を蓄積及び供給するバッテリまたはコンデンサと、入力された直流電圧を交流電圧に変換して、主電動機に変換した交流電圧を印可するインバータと、インバータに接続され、インバータに入力する直流電圧を制御する昇降圧回路とを有する電圧制御回路と、電圧制御回路のインバータと昇降圧回路の間の経路上から分岐して、バッテリまたはコンデンサに至る経路上に接続された変換器回路と、を備える、ことを特徴とする。
【００１４】ここで、電圧制御回路は、ＰＡＭ制御方式の回路にするとよい。このとき、昇降圧回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパの構成にすることもでき、４象現可逆チョッパまたは２並列２象現直流可逆チョッパの構成にすることもできる。このとき、直流区間では昇降圧チョッパとして機能し、交流区間ではＰＷＭコンバータとして機能する、こともできる。
【００１５】また、変換器回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパの構成にすることができ、高周波トランス回路の構成にすることもできる。このとき、変換器回路とバッテリまたはコンデンサの間に、バッテリまたはコンデンサの過充電を防止する保護回路を設ることもできる。
【００１６】また、昇降圧回路は、電流可逆チョッパの構成にすることができる。このとき、変換器回路は、電流可逆チョッパの構成にするとよい。
【００１７】さらに、電圧制御回路を所定の粘着ブレーキパターンμに基づいて制御する制御手段を備える、ことができる。このとき、粘着ブレーキパターンμは、車両速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、「μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）」の関数で示され、係数ａ及びｂは、関数で示される反比例曲線上の任意の２点での値によって決定される、ようにするとよい。また、係数ａは、約７８であり、係数ｂは、約１５．８４にするとよい。
【００１８】上述の本発明の電気車両システムにおいては、回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデンサからのパワーアシストを行うことにより、効果的にエネルギーを利用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下本発明の電気ブレーキの制御方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】図１及び図２は、本発明の電気車両システムの実施の形態の一例を示すブロック図である。ここで、図２（Ａ）は、直流区間における電気車両システムの実施の形態の一例を示すブロック図であり、図２（Ｂ）は、交流区間における電気車両システムの実施の形態の一例を示すブロック図である。また、図３は、本名発明の電気車両システムにおける母線電圧と車両速度の関係を示す図である。図１〜図３において、この電気車両システムは、パンタグラフ１１から入力された架線１８からの直流電圧を制御する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単に「昇降圧チョッパ」ともいう）１２とＤＣ／ＡＣ変換器であるインバータ１３とを有するＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御方式昇降圧主回路２０と、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０からの電圧に応じて車輪１５の車軸（図示せず）に電動機トルクを与える三相交流電動機（以下、単に「主電動機群」ともいう）１４と、力行信号やブレーキ信号を入力する入力部１６と、入力部１６からの信号に応じて、予め設定された応速度ブレーキ力パターン（粘着パターン）μに基づいて、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を制御する制御部１７と、電源を蓄積及び供給するバッテリ２２と、インバータ１３と昇降圧チョッパ１２の間の経路上から分岐して、バッテリ２２に至る経路上に接続された変換器回路であるブリッジ型可逆チョッパ（ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパ）２１と、を備えている。
【００２１】ここで、インバータ１３は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって直流を交流に変換する電力変換装置を使用するとよい。さらに、このＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を使用したインバータ１３には、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータとするとよい。このＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータは、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によって正負２レベルまたは３レベルのパルス電圧を出力し、平均電圧として目的の振幅と周波数を持った交流電圧を得ることができる。
【００２２】また、昇降圧チョッパ１２は、４つのゲート回路１２ａで構成されるＤＣ／ＤＣ双方向チョッパで構成されている。また、ブリッジ型可逆チョッパ２１は、４つのゲート回路１２ａで構成することができる。ここで、昇降圧チョッパ１２及びブリッジ型可逆チョッパ２１は、２並列２象現直流可逆チョッパとすることもできる。
【００２３】以下、制御部１７においてＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を制御する期待粘着ブレーキパターンμについて説明する。
【００２４】期待粘着ブレーキパターン（駆動伝達力／軸重比）μが速度Ｖｔ（Velocity of Train）に反比例するパターンを設定し、＜式２＞μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）
を満たす関数とする。
【００２５】ここで、係数ａ、ｂは，反比例曲線上の２点Ａ（Ｖｔ＿ａ、μａ）、Ｂ（Ｖｔ＿ｂ、μｂ）を設定すれば一意に決まり、以下の式で計算することができる。
＜式３＞ａ＝（μｂ×Ｖｔ＿ｂ−μａ×Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μｂ）
ｂ＝μａ×μｂ（Ｖｔ＿ｂ−Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μｂ）
Ｖｔ＿ａ≦Ｖｔ＿ｂμａ≧μｂ【００２６】ここで、２点Ａ、Ｂの与え方を変えることで、いろいろなμパターンが作成できる。例えば、新幹線における計画粘着式はこのような反比例近似を用いており、＜式４＞μ＝１３．６／（Ｖｔ＋８５）
が用いられている。
【００２７】また、在来線は車種別、乾燥・湿潤別の計算式もある一方で、平均値として、＜式５＞μ＝３２．７４／（Ｖｔ＋１８７）
が用いられている。
【００２８】例えば、Ａ（１０［ｋｍ／ｈ］、０．１８）、Ｂ（１２０［ｋｍ／ｈ］、０．０８）とすると、＜式６＞μ＝１５．８４／（Ｖｔ＋７８）
となる。
【００２９】図４は、期待粘着ブレーキパターンμが式６のときの粘着パターン変更による設計減速度（常用最大ブレーキ設定）を示す図である。図３に示すように、式６に示した期待粘着ブレーキパターンμは、現状の動力分散列車の粘着性能に適した値であるといえる。なお、速度１０［ｋｍ／ｈ］以下をフラットなパターンにしてもよい。
【００３０】次に、＜式６＞の場合の減速度・停止距離の算出を示す。電気ブレーキで負担するブレーキ力をＦｅ＿ｔ［Ｎ］、電気ブレーキで分担する減速度をβｅ［Ｋｍ／ｈ／ｓ］とする。いま、編成全体両数ｋ［両］、電動車数ｎ［両］、１両当たりの満車荷重を１７．０［ｔｏｎ／両］とし、簡単のために電動車質量（空車）Ｍ０［ｋｇ／両］、付随車質量（空車）Ｔ０「ｋｇ／両」、荷重載荷時の電動車質量ＭＬ［ｋｇ／両］とすると、編成全体の最大質量Ｍ’［ｋｇ］は、＜式７＞Ｍ’＝ｎ×（Ｍ０＋１７０００）＋（ｋ−ｎ）×（Ｔ０＋１７０００）
＝ｎ×Ｍ０＋（ｋ−ｎ）×Ｔ０＋１７０００×ｋとなる。
【００３１】このとき、列車編成としての並進系運動方程式は、＜式８＞（Ｍ’／３．６）×（ｄＶｔ／ｄｔ）＝ｎ×μ×ＭＬ×ｇとなる。
【００３２】また、動軸１軸当たりの慣性モーメントＪｗ［ｋｇｍ2］、車輪の回転角速度ωｗ［ｒａｄ／ｓ］、車輪半径ｒｗ［ｍ］、車輪への印加トルクτｗ［Ｎｍ］、車輪周引張力ｆｗ［Ｎ］とすると、動軸の回転系運動方程式は、＜式９＞Ｊｗ×（ｄωｗ／ｄｔ）＝τｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ×ｒｗまたは、並進系に換算して、＜式１０＞Ｊｗ／ｒｗ2×（ｄＶｔ／ｄｔ）×（１／３．６）＝ｆｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ但し、Ｊｗ／ｒｗ2は、慣性質量［ｋｇ］となる。
【００３３】上述の＜式７＞〜＜式１０＞より、μの項を消去すると、＜式１１＞｜βｅ｜＝ｄＶｔ／ｄｔ ＝３．６×（４×ｎ×ｆｗ）／（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）
となり、編成全体としての減速度βｅが算出できる。
【００３４】次に，編成全体の印加電気ブレーキカＦｅ＿ｔ［Ｎ］は、＜式１２＞Ｆｅ＿ｔ＝４×ｎ×ｆｗ ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）×｜βｅ｜×３．６となり、電動車１軸当たりの期待粘着ブレーキパターン（粘着係数）μ（＝駆動伝達力／軸重比）は、＜式１３＞μ＝Ｍ’／（ｎ×ＭＬ）×｜βｅ｜／（３．６×ｇ）
となる。
【００３５】いま、＜式２＞の期待粘着ブレーキパターンμならば、この＜式２＞を＜式１３＞に代入して、＜式１４＞｜βｅ｜＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂ／（Ｖｔ＋ａ）
＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ）
但し、ｂ’＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂを得ることができる。
【００３６】このとき、速度Ｖｔは以下の微分方程式を満足する。
＜式１５＞｜βｅ｜＝―ｄＶｔ／ｄｔ＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ）
Ｖｔ×（Ｖｔ＋ａ）＝−ｂ’【００３７】ここで、＜式１５＞を時刻０［秒］―＞ｔ１［秒］まで定積分すると、＜式１６＞（１／２）×｛Ｖｔ（ｔ１）2―Ｖｔ（０）2｝＋ａ×｛Ｖｔ（ｔ１）−Ｖｔ（０）｝＝−ｂ’×ｔ１となり、＜式１６＞をＶｔの次数ごとに整理し、実数かつＶｔ（ｔ１）≧０の条件より、Ｖｔ（ｔ１）をｔ１の関数としてＶｔを求めると、＜式１７＞Ｖｔ（ｔ１）＝−ａ＋√｛ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１｝
となる。
【００３８】従って、Ｖｔ（０）―＞Ｖｔ（ｔ１）までの減速時間ｔ１［秒］は、＜式１８＞ｔ１＝｛Ｖｔ（０）−Ｖｔ（ｔ１）｝×｛２×ａ＋Ｖｔ（０）＋Ｖｔ（ｔ１）｝／（２×ｂ’）
走行距離ｌ［ｍ］は、＜式１７＞及び＜式１８＞より、＜式１９＞ｌ＝∫t10｛Ｖｔ（ｔ１）／３．６｝ｄｔ ＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（０）｝
―Ｖｔ（ｔ１）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（ｔ１）｝｝
／（３．６×６×ｂ’）
となる。
【００３９】ここで、速度０までの時間ｔ０と距離ｌ０は、Ｖｔ（ｔ１）＝０を代入して、＜式２０＞ｔ０＝Ｖｔ（０）×｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝／（２×ｂ’）
ｌ（ｔ０）＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（０）｝／（３．６×６×ｂ’）｝
となる。
【００４０】編成全体としての平均減速度βａｖｒ［ｋｍ／ｈ／ｓ］は、＜式２１＞βａｖｒ＝Ｖｔ（０）／ｔ０＝２×ｂ’／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝
であり、電動軸の平均期待粘着係数（平均期待粘着ブレーキパターン）μａｖｒは、＜式２２＞μａｖｒ＝βａｖｒ／（３．６×ｇ）
＝（２×ｂ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’）／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝
となる。
【００４１】次に、ブレーキ力（引張力）、編成パワー、及び運動エネルギーについて説明する。時刻ｔ１［秒］での印加力Ｆｅ＿ｔは、＜式１２＞及び＜式１４＞より、＜式２３＞Ｆｅ＿ｔ＝ｎ×ＭＬ×ｇ×（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）／Ｍ’×ｂ ／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ）
＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）
但し、慣性係数ｋｊは、ｋｊ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）／Ｍ’となる。
【００４２】ブレーキ初速における編成全体のブレーキ力は、＜式２４＞Ｆｅ＿ｔ（ｔ１＝０）＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ／（Ｖｔ（０）＋ａ）
となる。
【００４３】時刻ｔ１［秒］後の編成パワーＰ［Ｗ］（車輪周基準）は、＜式２５＞Ｐ（ｔ１）＝Ｆｅ＿ｔ×Ｖｔ／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（ｔ１）
／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ）
＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）｝
で表され、Ｖｔ（ｔ）≧０の範囲において、０≦ａ≦ｂなるいかなるａ、ｂの値を与えても、時刻ｔ１の増加に伴ってＰ［Ｗ］が単調減少することを示している。
【００４４】すなわち、いかなる反比例μパターン（粘着パターン）を与えても、最高速度におけるμパターンの設定値で最大パワーが決定される。
【００４５】編成全体の最大パワーＰｍａｘ［Ｗ］は、＜式２６＞Ｐｍａｘ＝Ｐ（ｔ１＝０）
＝Ｆｅ＿ｔ（ｔ＝０）×Ｖｔ（０）／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（０）
／（Ｖｔ（０）＋ａ）
となる。
【００４６】ここで、時刻０［秒］−＞ｔ１［秒］までに編成全体で吸収すべき運動エネルギーＥ［Ｊ］は、＜式２７＞Ｅ＝∫t10｛Ｐｔ（ｔ）｝ｄｔ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×∫t10｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）｝
＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛ｔ１＋ａ／ｂ’×√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）
−ａ／ｂ’×（ａ＋Ｖｔ（０）｝
となる。
【００４７】次に、本発明の電気車両システムの電機容量計算を行う。以下においては、簡単のために電気機器の効率・損失等を無視することとする。
【００４８】いかなる反比例のμパターンを与えても、編成としての最大パワーが最高速度時になることは、＜式２５＞により明らかである。これはつまり、最高速度まで電気ブレーキのみで所要ブレーキ力を期待する以上は、主電動機群１４の制御特性上、定電力域から特性域への移行速度を最高速度に設定しなければならないことを意味する。
【００４９】これを通常の架線電圧に直接繋がったインバータで実現するならば、架線電圧で規定される主電動機への最大電圧と主電動機電流の積の定数倍がパワーであることから、大電流主電動機が必要になる。このとき、実際の車両に大電流主電動機を搭載することも考えられるが、そうすると現状の主電動機に対して大幅な設計変更を余儀なくされる上、電流値に見合った大電流インバータの設計も必要となる。
【００５０】これを回避するために、本発明の電機ブレーキシステムにおいては、主電動機群１４への印加電圧を任意に選定できる主回路として、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を採用し、このＰＡＭ方式により最大パワー時でも主電動機群１４の電流最大値を増加せさずに回生ブレーキ力増大を行うことができる。
【００５１】以上のように、本発明の電気車両システムの電気ブレーキにおいては、高速域での総合ブレーキ力を下げて電気ブレーキの分担分を大きくし、低速域で電気ブレーキのかかる車軸の軸数を増加させるような粘着ブレーキパターンμを適用することにより、常用最大ブレーキの要件である「最高速度から６００［ｍ］以内でＹ信号速度である５５［ｋｍ／ｈ］〜４５［ｋｍ／ｈ］まで減速すること」を満足することができる。これにより、常用最大ブレーキを電気ブレーキのみで賄うことができる。
【００５２】ここで、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０は、現状の直流電車における架線１８に接触するパンタグラフ１１と主電動機群１４の間に設けられている。このＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０としては、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパである４象限チョッパの昇降圧チョッパ１２とＰＷＭインバータ１３の組合せ、または２並列２象現直流可逆チョッパの昇降圧チョッパ１２とＰＷＭインバータ１３の組合せを適用している。
【００５３】これにより、ごく低速では一定電圧印加による非同期ＰＷＭ制御を行い、その後、１パルスモードで駆動しながら直流中間回路電圧を速度とともに上昇させ、最高速度で最高電圧を主電動機群１４に印加するように制御することができる。
【００５４】また、本発明の電気車両システムにおけるＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０の昇降圧チョッパ１２は、４象限チョッパまたは２並列２象現直流可逆チョッパを使用している。このため、ＰＷＭコンバータと同一の単相ブリッジ主回路構成となり、主変圧器を準備すれば交流及び直流の両用車両として使用することができる。即ち、直流区間では昇降圧チョッパとして機能し、交流区間ではＰＷＭコンバータとして機能するため、特に、交流車両の既存主回路の変更を伴わずに、交流車両が直流き電区間にそのまま乗り入れることができ、且つ、高速域での力行トルク、回生トルクを増大することができる。
【００５５】以上述べた通り、本発明の電気車両システムによれば、主電動機最大電流を抑制しながら最高速度からμパターンに添った電気ブレーキ力を実現できる。また、弱磁束（定電力）領域を持たせないこともでき、その場合には、すべり周波数を定トルク域と同じ値に固定できるため、電動機効率を高く維持することができる。また、低速度から１パルスモードで駆動することが可能であり、主電動機群１４やインバータ１３の発生熱的に有利になる。
【００５６】また、架線側変換器のスイッチング周波数を一定にできるため、架線または帰線に流出する高調波の抑制対策が容易になる。さらに、高周波トランスを用いることもでき、その場合には、架線１８側と絶縁することも可能となる。また、速度０から最高速度まで直流中間回路電圧を最大電圧に固定し、従来どおりのＰＷＭ制御を行うこともできる。
【００５７】次に、架線１８へ返らない余剰回生パワーの処理について説明する。上述のように、本発明の電気車両システムにおいては、常用最大ブレーキを電気ブレーキのみで賄うことが可能なことが明らかになった。例えば、最高速度１３０［ｋｍ／ｈ］からの車両では、電動車１０［両］が要求されるが、最高速度１２０［ｋｍ／ｈ］であれば電動車８［両］と付随車２［両］又は車両重量次第では電動車７［両］と付随車３［両］でも十分可能である。
【００５８】実際には、連結器の座屈強度の制約から、遅れ込め制御によるノンブレーキ軸の割合が制限されるため、電動車７［両］と付随車３［両］程度が電動車Ｍと付随車Ｔの比率（以下、単に「ＭＴ比率」ともいう）の下限と考えられる。最高速度からの常用最大ブレーキにおける所要ブレーキ力をμパターン設定によって下げることができるが、電気ブレーキ力自体は、かなり大きくなっている。
【００５９】例えば、図１０で示した従来の通勤電車３の定トルク域終端のパワーは、編成全体で約５０００［ｋＷ］であるが、図４のμパターンどおりに電気ブレーキをかける場合、編成全体の最大パワーは、電動車満車１０［両］編成の場合には、例えば、約１５０００［ｋＷ］程度にもなる。
【００６０】このような最大パワーの増加に対して、本発明の電気車両システムでは、インバータ１３と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧チョッパ）１２の間の経路上から分岐して設けたＤＣ／ＤＣ双方向チョッパ２１で、余剰パワー相当の回生エネルギーを電池電圧に変換してバッテリ２２に蓄積することができる。
【００６１】一方、高速域での力行時には、電動機トルクが低下する場合に、バッテリ２２からパワーをアシストすることで、架線１８から得られるパワー以上のパワーを主電動機群１４に供給することができ、高速域における力行時間短縮が可能になる。
【００６２】図５、図６、図７、図８及び図９は、本発明による電気車両システムの他の実施の一形態を示す図である。図５においては、図１のブリッジ型可変チョッパ２１の替わりに、高周波トランス回路４１を使用している。また、高周波トランス回路４１とバッテリ２２の間には、バッテリ２２の過充電を防止するための保護回路４２が設けられている。ここで、高周波トランス回路４１は、双方向にそれぞれ４つのゲート回路１２ａを構成している。
【００６３】また、図６においては、図１の昇降圧チョッパ１２が電流可逆チョッパとして設けられており、ブリッジ型可変チョッパ２１の替わりに、電流可逆チョッパ５２を使用している。ここで、電流可逆チョッパ１２、５２はそれぞれ、２つのゲート回路１２ａで構成することができる。
【００６４】また、図７においては、昇降圧チョッパ１２では、２つの２象現直流可逆チョッパ７１、７２がバッテリ２２ａ、２２ｂの昇降圧用チョッパとして設けられている。図７（Ａ）に示すように、直流区間では、直流中間回路電圧を固定したときの大電流インバータ１３による２並列２象現直流可逆チョッパ７１、７２での、バッテリ２２ａ、２２ｂへのエネルギーの蓄積を可能としている。また、図７（Ｂ）に示すように、交流区間では、２つの２象現直流可逆チョッパ７１、７２が１つのＰＷＭコンバータ７３として作用する。
【００６５】また、図８においては、昇降圧チョッパ１２には、２つの２象現直流可逆チョッパ８１、８２が設けられており、２象現直流可逆チョッパ８１は、直流中間電圧昇降圧用として作用し、２象現直流可逆チョッパ８２は、バッテリ２２の昇降圧用チョッパとして作用する。図８（Ａ）に示すように、直流区間では、ＰＡＭ方式の２象現直流可逆チョッパ８２での、バッテリ２２へのエネルギーの蓄積を可能としている。また、図８（Ｂ）に示すように、交流区間では、２つの２象現直流可逆チョッパ８１、８２が１つのＰＷＭコンバータ８３として作用する。
【００６６】また、図９においては、昇降圧チョッパ１２には、３つの２象現直流可逆チョッパ９１、９２、９３が設けられており、２象現直流可逆チョッパ８１は、直流中間電圧昇降圧用として作用し、２象現直流可逆チョッパ９２は、エネルギ蓄積用のコンデンサＣ１の昇降圧用チョッパとして作用し、２象現直流可逆チョッパ９３は、バッテリ２２の昇降圧用チョッパとして作用する。図９（Ａ）に示すように、直流区間では、２象現直流可逆チョッパ９２での、コンデンサＣ１へのエネルギーの蓄積を可能とし、２象現直流可逆チョッパ９３での、バッテリ２２へのエネルギーの蓄積を可能としている。また、図９（Ｂ）に示すように、交流区間では、２つの２象現直流可逆チョッパ９１、９２が１つのＰＷＭコンバータ９４として作用する。
【００６７】以上のように、図５〜図９に示した回路構成においても、図１と同様の効果を得ることができる。
【００６８】以上本発明の電気車両システムについて説明したが、上述のバッテリ２２、２２ａ、２２ｂの代わりに所定の容量のコンデンサを用いることができる。
【００６９】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明の電気車両システムによれば、き電抵抗制限による架線へ変換できる以上の回生パワーをバッテリまたはコンデンサで蓄積することができるようになった。このため、回生失効を防止することができ、信頼度の高い電気ブレーキを実現することができるようになった。
【００７０】また、バッテリまたはコンデンサの利用により、停電などのき電停止時の場合にも、車両の移動が可能になり、非電化区間への乗り入れもできるようになった。
【００７１】また、高速域での力行時には、電動機トルクが低下する場合に、バッテリまたはコンデンサからパワーをアシストすることで、架線から得られるパワー以上のパワーを主電動機に供給することができ、高速域における力行時間短縮が可能になった。
【００７２】また、き電回路やバックパワーなどの地上設備の増強を行うことなく、運転時間の短縮が可能になった。
【出願人】 【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【出願日】 平成１３年６月１２日（２００１．６．１２）
【代理人】 【識別番号】１００１００４１３
【弁理士】
【氏名又は名称】渡部 温 （外２名）
【公開番号】 特開２００２−３６９３０８（Ｐ２００２−３６９３０８Ａ）
【公開日】 平成１４年１２月２０日（２００２．１２．２０）
【出願番号】 特願２００１−１７７１５５（Ｐ２００１−１７７１５５）