特許 6753735 電気車制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6753735

(24)【登録日】2020年8月24日

(45)【発行日】2020年9月9日

(54)【発明の名称】電気車制御装置

(51)【国際特許分類】

   B60L 9/30 20060101AFI20200831BHJP

   B60L 13/00 20060101ALI20200831BHJP

   B61C 3/02 20060101ALI20200831BHJP

【ＦＩ】

   B60L9/30

   B60L13/00 D

   B61C3/02

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-168447(P2016-168447)

(22)【出願日】2016年8月30日

(65)【公開番号】特開2018-38156(P2018-38156A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2019年7月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩平

(72)【発明者】

【氏名】牧野 友由

(72)【発明者】

【氏名】尾谷 浩昭

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１２６９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１１９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３５０８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ ９／３０

Ｂ６０Ｌ １３／００

Ｂ６１Ｃ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

架線からの交流電力を直流電力に変換する第１の変換部と、
第１の給電線、前記第１の給電線よりも低電位に維持される第２の給電線、および前記第２の給電線よりも低電位に維持される第３の給電線を含む複数系統の給電線で、前記第１の変換部に接続され、前記複数系統の給電線から得られる直流電力に基づいて、電気車の車輪を駆動するモータに交流電力を出力する第２の変換部と、
電力を蓄える蓄電部と、
グランド端子の接続先を、前記第２の給電線と前記第３の給電線とのいずれかに切り替える第１の切替部と、
前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線に接続するか否かを切り替える第２の切替部と、
前記架線からの交流電力を用いて前記第２の変換部が動作する場合に、前記第１の切替部により前記第２の給電線を、グランド端子に接続させるとともに、前記第２の切替部により前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線から遮断させ、前記蓄電部からの電力を用いて前記第２の変換部が動作する場合に、前記第１の切替部により前記第３の給電線をグランド端子に接続させるとともに、前記第２の切替部により前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線と接続させる制御部と、
を備える電気車制御装置。

【請求項2】

前記第１の切替部は、
前記第２の給電線を前記グランド端子に接続させる接触器と、前記第３の給電線を前記グランド端子に接続させる接触器とを備え、それぞれの接触器のうち一方は、制御信号が入力されなければ前記グランド端子に接続せず、他方は、制御信号が入力されなければ前記グランド端子に接続する、
請求項１に記載の電気車制御装置。

【請求項3】

前記第２の給電線を前記グランド端子に接続させる接触器は、制御信号が入力されなければ前記グランド端子に接続し、
前記第３の給電線を前記グランド端子に接続させる接触器は、制御信号が入力されなければ前記グランド端子に接続しない、
請求項２に記載の電気車制御装置。

【請求項4】

前記制御部は、
前記第１の切替部による切り替えおよび前記第２の切替部による切り替えのタイミングを同期させる、
請求項１から３のうち、いずれか１項に記載の電気車制御装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記第１の切替部および前記第２の切替部による切り替えのうち、少なくとも一方を先に切り替える、
請求項４に記載の電気車制御装置。

【請求項6】

前記制御部は、
前記第１の切替部および前記第２の切替部に対して並行して制御信号を出力する、
請求項４に記載の電気車制御装置。

【請求項7】

前記制御部は、
前記電気車に対する非常走行指令を受け付けた場合に、前記第１の切替部および前記第２の切替部に対する切り替え制御を行う、
請求項１から６のうち、いずれか１項に記載の電気車制御装置。

【請求項8】

前記第１の変換部と、前記第２の変換部との間に、前記第１の変換部からの直流電力を遮断するための第３の切替部を、さらに備え、
前記制御部は、前記蓄電部からの電力を用いて前記第２の変換部が動作する場合に、前記第３の切替部により前記第１の給電線および第２の給電線を前記第１の変換部から遮断する、
請求項１から７のうち、いずれか１項に記載の電気車制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、交流給電される電気車制御装置は、架線から交流電力を受け取り、受け取った交流電力を、電気車を駆動するのに必要な態様に変換してモータへ供給している。したがって、架線電圧が途絶した場合には、架線電圧が復旧するまで走行できなくなる場合がある。そのため、電気車制御装置は、電気車に直流電力を供給するバッテリを搭載させる場合がある。しかしながら、従来の技術では、電力変換の手法によっては、グランド電位にする箇所が適切に決定されていない場合があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３８７５２０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、グランド電位にする箇所を適切に切り替えることができる電気車制御装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の電気車制御装置は、第１の変換部と、第２の変換部と、蓄電部と、第１の切替部と、第２の切替部と、制御部とを持つ。第１の変換部は、架線からの交流電力を直流電力に変換する。第２の変換部は、第１の給電線、前記第１の給電線よりも低電位に維持される第２の給電線、および前記第２の給電線よりも低電位に維持される第３の給電線を含む複数系統の給電線で、前記第１の変換部に接続され、前記複数系統の給電線から得られる直流電力に基づいて、電気車の車輪を駆動するモータに交流電力を出力する。蓄電部は、電力を蓄える。第１の切替部は、グランド端子の接続先を、前記第２の給電線と前記第３の給電線とのいずれかに切り替える。第２の切替部は、前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線に接続するか否かを切り替える。制御部は、前記架線からの交流電力を用いて前記第２の変換部が動作する場合に、前記第１の切替部により前記第２の給電線を、グランド端子に接続させるとともに、前記第２の切替部により前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線から遮断させ、前記蓄電部からの電力を用いて前記第２の変換部が動作する場合に、前記第１の切替部により前記第３の給電線をグランド端子に接続させるとともに、前記第２の切替部により前記蓄電部の両極端子を、それぞれ前記第１の給電線および前記第３の給電線と接続させる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図。

【図2】第１の実施形態における各切替部の切り替えの様子を示す図。

【図3】第１の実施形態における切替制御処理の第１の実施例を示すフローチャート。

【図4】第１の実施形態における切替制御処理の第２の実施例を示すフローチャート。

【図5】第２の実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図。

【図6】第２の実施形態における各切替部の切り替えの様子を示す図。

【図7】第２の実施形態における切替制御処理の第１の実施例を示すフローチャート。

【図8】第２の実施形態における切替制御処理の第２の実施例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の電気車制御装置を、図面を参照して説明する。

【0008】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図である。図１に示す電気車（鉄道車両）は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。図１に示す電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器１０と、遮断器１２と、車輪Ｗと、変圧器１４と、モータ１６と、電気車制御装置２０とを備える。

【0009】

電気車制御装置２０は、コンバータ（第１の変換部）２２と、第１のコンデンサ２４−１、２４−２と、第２のコンデンサ２６−１、２６−２と、インバータ（第２の変換部）２８と、第１の切替部３０と、バッテリ（蓄電部）３２と、第２の切替部３４とを備える。また、電気車システム１は、制御部４０と、操作盤５０と、表示盤６０とを備える。

【0010】

集電器１０は、架線Ｐから交流電力を取得する。遮断器１２は、集電器１０と変圧器１４との間に直列に接続される。遮断器１２は、所定の条件下で変圧器１４への交流電力の供給を遮断する。変圧器１４は、集電器１０から出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。所望の電圧に変換された交流電力は、電気車制御装置２０のコンバータ２２に出力される。

【0011】

コンバータ２２は、入力された交流電力を直流電力に変換する。コンバータ２２は、例えば中性点クランプ方式（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped）方式）と称される電力変換回路である。コンバータ２２の出力側（直流側）は、第１のコンデンサ２４−１、２４−２と、第２のコンデンサ２６−１、２６−２とを並列に備える３レベル回路を形成している。

【0012】

また、図１に示すように、電気車制御装置２０は、コンバータ２２とインバータ２８とを導通させるように複数系統の給電線が設けられている。図１では、一例として第１〜第３の給電線を設けている。第１の給電線Ｐは、例えば正電位に維持される。第２の給電線Ｃは、第１の給電線Ｐよりも低電位（例えば中間電位）に維持される。第３の給電線Ｎは、第２の給電線Ｃよりも低電位（例えば負電位）に維持される。

【0013】

第１のコンデンサ２４−１、２４−２は、コンバータ２２から出力される電力を平滑化する。第１のコンデンサ２４−１は、第１の給電線Ｐと、第２の給電線Ｃとの間（コンバータ２２側）に接続される。また、第１のコンデンサ２４−２は、第２の給電線Ｃと、第３の給電線Ｎとの間（コンバータ２２側）に接続される。

【0014】

また、第２のコンデンサ２６−１、２６−２は、インバータ２８に出力する電力を平滑化する。第２のコンデンサ２６−１は、第１の給電線Ｐと、第２の給電線Ｃとの間（インバータ２８側）に接続される。また、第２のコンデンサ２６−２は、第２の給電線Ｃと、第３の給電線Ｎとの間（インバータ２８側）に接続される。

【0015】

インバータ２８は、コンバータ２２により出力された直流電力を、制御部４０等から入力された制御信号に基づいて、所望の周波数や電圧等の三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換し、変換した三相交流をモータ１６へ出力する。また、インバータ２８は、例えば電気車を非常走行させる場合に、バッテリ３２の全電圧を主回路電圧として入力し、所望の周波数や電圧等の三相交流をモータ１６へ出力する。

【0016】

モータ１６は、インバータ２８から入力された三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータ１６の出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに伝達され、伝達された駆動力により車輪Ｗを回転させることで、電気車を走行させる。モータ１６は、例えば、かご型三相誘導電動機である。車輪Ｗは、線路Ｒを介して接地される。

【0017】

また、電気車制御装置２０において、第１の切替部３０は、図１に示すように、グランド端子の接続先を、第２の給電線Ｃおよび第３の給電線Ｎのいずれかに切り替える。グランド端子は、例えば線路Ｒに電気的に接続される。

【0018】

また、第１の切替部３０は、第１の接触器３０−１と、第２の接触器３０−２とを備える。例えば、第１の接触器３０−１は、第２の給電線Ｃをグランド端子に接続させる。また、第２の接触器３０−２は、第３の給電線Ｎをグランド端子に接続させる。ここで、２つの接触器３０−１、３０−２は、一方をａ接点のスイッチとし、他方をｂ接点のスイッチとする。ａ接点は、制御部４０等から制御信号が入力されなければ導通せず（Normally Open）、制御信号が入力されると導通する。また、ｂ接点は、例えば制御部４０等から制御信号が入力されなければ導通し（Normally Close）、制御信号が入力されると導通しない。

【0019】

第１の実施形態において、第１の切替部３０に入力される制御信号は、例えば電気車に対する非常走行指令や非常走行解除指令等に基づく切替命令等であるが、これに限定されるものではない。他の切替部に入力される制御信号も同様とする。また、非常走行とは、例えば架線Ｐからの電力が正常に供給されない状況で、バッテリ３２からの電力を用いて電気車を走行させることである。非常走行解除とは、例えばバッテリ３２からの電力供給を解除し、架線Ｐからの電力を用いて電気車を走行させる状態にすることである。

【0020】

例えば、第１の切替部３０は、バッテリ３２からの電力供給を行うか否かに基づいて、グランド端子の接続先を切り替える。この場合、第１の接触器３０−１をｂ接点とし、第２の接触器３０−２をａ接点とする。したがって、第１の接触器３０−１は、制御部４０等からの制御信号が入力されなければ、第２の給電線Ｃをグランド端子に接続する。また、第２の接触器３０−２は、制御部４０等からの制御信号が入力されなければ、第３の給電線Ｎをグランド端子に接続しない。これにより、例えば、架線Ｐから電力が正常に供給される状況では、制御信号が入力されないため、第２の給電線Ｃをグランド端子と接続（Ｃ側接地）することができる。また、例えば、架線Ｐから電力が正常に供給されない状況で、バッテリ３２と接続して電気車を非常走行させたい場合には、制御信号の入力により第３の給電線Ｐをグランド端子と接続（Ｎ側接地）することができる。

【0021】

上述したように、第１の接触器３０−１および第２の接触器３０−２に、それぞれａ接点とｂ接点とを設定することで、制御信号のＯＮ／ＯＦＦにより、グランド端子の接続先を容易に切り替えることができる。また、第１の接触器３０−１をｂ接点とし、第２の接触器３０−２をａ接点とすることで、例えば接触器の動作不良等が生じた場合でも、第１の給電線Ｐ側の対地電位が高圧になることを防止することができる。

【0022】

バッテリ３２は、電力を蓄える蓄電部である。バッテリ３２は、例えば架線Ｐからの電力が遮断された場合に、電気車を走行させるために、蓄電された直流電力をインバータ２８に供給する。なお、バッテリ３２からの電力は、電気車が徐行運転できる程度の電力であればよく、架線Ｐから得られる電力よりも小さい値でもよい。

【0023】

また、図１の例において、バッテリ３２は、電気車制御装置２０と一体に設けられているが、別体に設けられてもよい。また、バッテリ３２からの両極端子は、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続される。また、電気車制御装置２０は、バッテリ３２と、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎとの間に第２の切替部３４を備える。第２の切替部３４は、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線および第３の給電線に接続するか否かを切り替える。

【0024】

また、第２の切替部３４は、第３の接触器３４−１と、第４の接触器３４−２とを備える。例えば、第３の接触器３４−１は、第１の給電線Ｐをバッテリ３２の正極端子に接続させる。また、第４の接触器３４−２は、第３の給電線Ｎをバッテリ３２の負極端子に接続させる。ここで、２つの接触器３４−１、３４−２は、双方をａ接点のスイッチとする。したがって、第２の切替部３４は、例えば制御部４０等から制御信号が入力された場合に、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎに接続する。

【0025】

制御部４０は、操作盤５０等から入力された情報に基づいて、電気車の電力切替制御や走行制御等を行う。また、制御部４０は、入力された情報に基づく命令を電気車制御装置２０内の各機器に出力したり、処理内容や処理結果等を操作盤５０または表示盤６０に出力する出力制御を行う。また、制御部４０は、外部のシステムと、有線または無線等でデータの送受信を行う通信制御を行ってもよい。なお、制御部４０は、電気車制御装置２０内に設けられていてもよい。また、制御部４０における各機能のうち一部または全部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、制御部４０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよい。

【0026】

操作盤５０は、例えば電気車の主電源であるマスタースイッチや、運転手が種々の操作を行うマスターコントローラ等を含む。マスターコントローラは、種々の対応を採用し得るが、例えば前方に押すことによって制動・減速を指示し、後方に引くことによって加速を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラに対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、制御部４０に入力される。

【0027】

また、操作盤５０には、電気車に非常走行を実行させるための操作ボタン等を設けていてもよい。例えば、運転手が操作盤５０に設けられた操作ボタンを押下することで、操作盤５０は、非常走行指令を制御部４０に出力する。また、運転手が操作ボタンの押下を解除することで、操作盤５０は、非常走行解除指令を制御部４０に出力してもよく、制御部４０に出力していた非常走行指令を停止してもよい。運転手の操作により、非常走行を実行するか否かを決定するための操作機構については、上述した操作ボタンに限定されるものではなく、例えばレバーやスイッチ等でもよい。

【0028】

表示盤６０は、制御部４０の指示に基づいて、車両の速度等を含む車両に関する各種情報を表示する。例えば、表示盤６０は、電気車が非常走行中である場合には、その旨を示す情報の表示（例えば、ランプの点灯）等を行ってもよい。

【0029】

ここで、第１の実施形態において、制御部４０は、第１の切替部３０による切り替えおよび第２の切替部３４による切り替えのタイミングを同期させる。例えば、制御部４０は、架線Ｐからの電力を用いてインバータ２８を動作させる場合に、第２の給電線Ｃをグランド端子と接続させるとともに、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎから遮断させる。また、制御部４０は、バッテリ３２からの電力を用いてインバータ２８を動作させる場合に、グランド端子を第２の給電線Ｃではなく、第３の給電線Ｎと接続させるとともに、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続させる。

【0030】

なお、制御部４０は、第１の切替部３０および第２の切替部３４による切り替えのうち、第１の切替部３０を先に切り替える。第１の切替部３０を先に切り替えることでバッテリ３２からの放電が開始される前に確実に接地する給電線を切り替えることができる。また、制御部４０は、第１の切替部３０および第２の切替部３４に対して並行して制御信号を出力してもよい。これにより、第１の切替部３０および第２の切替部３４における切り替えを連動させて、グランド電位にする箇所を適切に切り替えることができる。

【0031】

ここで、図２は、第１の実施形態における各切替部の切り替えの様子を示す図である。図２の例では、非常走行指令に基づく制御信号のＯＮ／ＯＦＦに対応する第１の切替部３０および第２の切替部３４の切り替えタイミングを示している。図２の例では、第１の切替部３０により、第２の給電線Ｃとグランド端子との接続（Ｃ側接地）、および第３の給電線Ｎとグランド端子との接続（Ｎ側接地）の切り替えを行う。また、図２の例では、第２の切替部３４により、バッテリ３２の両極端子を、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎに接続するか（ＯＮ）、否か（ＯＦＦ）の切り替えを行う。

【0032】

例えば、図２の時刻ｔ０〜ｔ１では、制御部４０により非常走行指令に基づく制御信号が出力されていないため（図２に示すＯＦＦ）、第１の切替部３０は、第２の給電線Ｃをグランド端子に接続し、第３の給電線Ｎをグランド端子から遮断する（図２に示すＣ側接地）。また、同区間において、第２の切替部３４は、バッテリ３２の両極端子を、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと遮断する（図２に示すＯＦＦ）。これにより、電気車制御装置２０は、制御部４０からの制御信号が入力されない場合に、架線Ｐからの交流電力を用いて、コンバータ２２で変換された直流電力をインバータ２８に出力することができる。

【0033】

また、図２の時刻ｔ１〜ｔ２では、制御部４０により非常走行指令に基づく制御信号が出力されるため（図２に示すＯＮ）、第１の切替部３０および第２の切替部３４は、それぞれ接続状態の切り替えを行う。第１の切替部３０は、制御部４０から非常走行指令に基づく制御信号を受け付けた場合、第２の給電線Ｃをグランド端子から遮断し、第３の給電線Ｎをグランド端子と接続する（図２に示すＮ側接地）。また、同区間において、第２の切替部３４は、バッテリ３２の両極端子を、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続する（図２に示すＯＮ）。これにより、電気車制御装置２０は、例えば非常走行指令に基づく制御信号の入力があった場合に、バッテリ３２からの直流電力をインバータ２８に出力することができる。また、インバータ２８は、バッテリ３２からの直流電力を用いて所望の周波数や電圧等の三相交流をモータ１６へ出力する。これにより、電気車を非常走行させることができる。

【0034】

また、図２に示す時刻ｔ２の時点で非常走行指令に基づく制御信号の入力が終了した場合（図２に示すＯＦＦ）、上述した時刻ｔ０〜ｔ１のとき（非常走行前）と同様の接続状態となるように、第１の切替部３０および第２の切替部３４における接続状態を切り替える。

【0035】

このように、第１の実施形態では、バッテリ３２から直流電力が供給される場合に、第３の給電線Ｎを接地することができるため、バッテリ３２からの電力を安定させることができる。なお、上述した非常走行指令に基づく制御信号のＯＮ／ＯＦＦは、例えば電気車の運転手が操作盤５０に設けられた非常走行を行う操作ボタンを押下するか否かにより制御することができる。

【0036】

例えば、操作盤５０は、上述した操作ボタンの押下を受け付けて、非常走行指令を制御部４０に出力し、制御部４０から第１の切替部３０および第２の切替部３４に制御信号（切替命令）を出力させることができる。また、操作盤５０は、上述した操作ボタンの押下の解除を受け付けて、非常走行指令を制御部４０に出力するのを終了する。これにより、制御部４０から第１の切替部３０および第２の切替部３４に制御信号が出力されなくなるため（ＯＦＦ状態）、図２に示すような切り替えを行うことができる。なお、操作盤５０は、上述した操作ボタンの押下の解除を受け付けた場合に、非常走行解除指令を制御部４０に出力し、制御部４０から第１の切替部３０および第２の切替部３４に非常走行前の接続状態に切り替えを行う制御信号（切替命令）が出力させてもよい。

【0037】

また、上述した非常走行指令または非常走行解除指令は、例えば電気車の外部に設けられた管理システム等からインターネット等の通信ネットワークを介して取得してもよい。例えば、電気車システム１は、通信ネットワークにより管理システムとデータの送受信が可能な状態で接続されており、管理システムからの非常走行指令や非常走行解除命令を受け付けて、第１の切替部３０および第２の切替部３４による切り替えを行う。なお、上述の例では、制御部４０が管理システムからの非常走行指令を受け付けて第１の切替部３０および第２の切替部３４に制御信号を出力してもよく、管理システムから第１の切替部３０および第２の切替部３４に直接制御信号（切替命令）を送信してもよい。

【0038】

次に、第１の実施形態における制御部４０の切替制御処理について、フローチャートを用いて説明する。図３は、第１の実施形態における切替制御処理の第１の実施例を示すフローチャートである。第１の実施例では、制御部４０が非常走行指令を受け付けた場合の切替例を示している。図３の例において、制御部４０は、非常走行指令を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ１００）。非常走行指令は、上述したように、電気車の運転手が操作盤５０に設けられた操作ボタン等を押下することで、制御部４０に指令を出力してもよく、外部にある管理システム等から送信された非常走行指令を受信してもよい。

【0039】

非常走行指令を受け付けた場合、制御部４０は、第１の切替部３０に切替命令を出力する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２の処理により、第１の切替部３０は、第１の接触器３０−１により、第２の給電線Ｃとグランド端子とを遮断し、第２の接触器３０−２により、第３の給電線Ｎをグランド端子と接続する。

【0040】

次に、制御部４０は、第２の切替部３４に切替命令を出力する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の処理により、第２の切替部３４は、第３の接触器３４−１および第４の接触器３４−２により、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎに接続する。なお、上述したステップＳ１０２およびステップＳ１０４における切替命令は、例えば上述した制御信号のＯＮ状態に相当する。

【0041】

上述したステップＳ１０２およびステップＳ１０４の処理は、同時または短時間に連動して行われる。また、制御部４０は、第１の切替部３０および第２の切替部３４に対して並行して切替命令を出力してもよく、少なくとも一方を先に切り替えるように切替命令を出力してもよい。

【0042】

図４は、第１の実施形態における切替制御処理の第２の実施例を示すフローチャートである。第２の実施例では、制御部４０が非常走行解除指令を受け付けた場合の切替例を示している。図４の例において、制御部４０は、非常走行解除指令を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ２００）。非常走行解除指令は、上述したように、電気車の運転手が操作盤５０に設けられた操作ボタン等の押下を解除することで、操作盤５０から制御部４０に非常走行解除指令が出力されてもよく、外部にある管理システム等から制御部４０に出力されてもよい。

【0043】

非常走行解除指令を受け付けた場合、制御部４０は、第２の切替部３４に切替命令を出力する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２の処理により、第２の切替部３４は、第３の接触器３４−１および第４の接触器３４−２により、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎから遮断する。

【0044】

次に、制御部４０は、第１の切替部３０に切替命令を出力する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４の処理により、第１の切替部３０は、第１の接触器３０−１により、第２の給電線Ｃをグランド端子と接続し、第２の接触器３０−２により、第３の給電線Ｎとグランド端子とを遮断する。なお、上述したステップＳ２０２およびステップＳ２０４における切替命令は、例えば上述した制御信号のＯＦＦ状態に相当する。

【0045】

上述したステップＳ２０２およびステップＳ２０４の処理は、同時または短時間に連動して行われる。また、制御部４０は、第１の切替部３０および第２の切替部３４に対して並行して切替命令を出力してもよい。

【0046】

ここで、上述した第１の実施形態では、第１の切替部３０の第１の接触器３０−１および第２の接触器３０−２を別体に設けているが、１つの接触器として一体に設けられてもよい。一体に形成されることで、接触器内の制御コイルを共通化することができ、第１の切替部３０による接続の切り替えを同時に行うことができる。また同様に、第２の切替部３４の第３の接触器３４−１および第４の接触器３４−２についても、別体に設けられてもよく、一体に設けられてもよい。

【0047】

上述したように、第１の実施形態によれば、架線Ｐからの交流電力を用いてインバータ２８が動作する場合に、第１の切替部３０により第２の給電線Ｃを、グランド端子に接続させるとともに、第２の切替部３４によりバッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎから遮断させる。また、バッテリ３２からの電力を用いてインバータ２８が動作する場合に、第１の切替部３０により第３の給電線Ｎをグランド端子に接続させるとともに、第２の切替部３４によりバッテリの両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続させる。これにより、電気車制御装置２０の適切な箇所をグランド電位に切り替えることができる。また、バッテリ３２からの直流電力に基づいて、インバータ２８への給電を行い、モータ１６を駆動させて車輪Ｗを回転させ、電気車を走行させることができる。

【0048】

第１の実施形態では、例えば電気車が、駅間の線路上やトンネル内等、安全が確保できない状態で、架線Ｐからの電力が供給されなくなった場合に、制御部４０から非常走行指令等に基づく制御信号を出力することで、バッテリ３２からの電力による非常走行を行うことができる。この場合、例えば、制御部４０は、電気車が次の駅に到着したり、トンネルを抜けた位置まで移動した場合に、上述した運転手による操作や管理システムからの指令を受け付けなくても、電気車の位置情報に基づき、制御信号を第１の切替部３０および第２の切替部３４に出力し、切替制御を行う処理を行ってもよい。

【0049】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムについて、図を用いて説明する。図５は、第２の実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図である。なお、以下に示す第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付するものとし、ここでの具体的な説明は省略する。

【0050】

図５に示す電気車は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。図５に示す電気車システム２は、主要な構成要素として、集電器１０と、遮断器１２と、車輪Ｗと、変圧器１４と、モータ１６と、電気車制御装置７０とを備える。電気車制御装置７０は、コンバータ２２と、第１のコンデンサ２４−１、２４−２と、第２のコンデンサ２６−１、２６−２と、インバータ２８と、第１の切替部３０と、バッテリ３２と、第２の切替部３４と、第３の切替部７２とを備える。また、電気車システム１は、図５に示すように制御部８０と、操作盤５０と、表示盤６０とを備える。

【0051】

第２の実施形態における電気車システム２は、上述した第１の実施形態における電気車システム１と比較すると、第３の切替部７２が追加されている。また、制御部８０は、上述した第１の切替部３０および第２の切替部３４だけでなく、第３の切替部７２に対する制御が追加されている。したがって、以下の説明では、主に上述した第１の実施形態との相違部分について説明する。

【0052】

第３の切替部７２は、コンバータ２２とインバータ２８との間に接続され、コンバータ２２からの直流電力を遮断するか否かを切り替える。第３の切替部７２は、第５の接触器７２−１と、第６の接触器７２−２とを備える。例えば、第５の接触器７２−１は、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐを、インバータ２８側の第１の給電線Ｐに接続させる。また、第６の接触器７２−２は、コンバータ２２側の第２の給電線Ｃを、インバータ２８側の第２の給電線Ｃに接続させる。ここで、２つの接触器７２−１、７２−２は、双方をｂ接点のスイッチとする。したがって、第３の切替部７２は、例えば制御部８０等から制御信号が入力されなければ、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃを、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃに接続させる。また、第３の切替部７２は、制御部８０等から制御信号が入力された場合に、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃと、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃとを遮断する。

【0053】

ここで、図５の例において、第３の切替部７２は、第１のコンデンサ２４−１、２４−２よりも、インバータ２８側に接続される。第１のコンデンサ２４−１、２４−２は、コンバータ２２から出力される電力を平滑化し、コンバータ２２を安定的に動作させるものである。そのため、第３の切替部７２は、コンバータ２２だけでなく、第１のコンデンサ２４−１、２４−２も含めて接続または遮断の切り替えを行う。

【0054】

制御部８０は、例えばバッテリ３２からの電力を用いてインバータ２８が動作する場合に、第３の切替部７２に制御信号を出力し、第３の切替部７２により、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃと、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃとを遮断させる。制御部８０は、上述した第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２における切り替えのタイミングを同期させる。また、制御部８０は、第３の切替部７２を第２の切替部３４よりも先に切り替えてもよい。これにより、バッテリ３２により第１のコンデンサ２４−１、２４−２が充電されることを防止することができる。また、制御部８０は、第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２に対して並行して制御信号を出力してもよい。これにより、第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２における切り替えを連動させて、グランド電位にする箇所を適切に切り替えることができる。

【0055】

ここで、図６は、第２の実施形態における各切替部の切り替えの様子を示す図である。図６の例では、非常走行指令に基づく制御信号のＯＮ／ＯＦＦに対応する第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２の切り替えタイミングを示している。図６の例では、第１の切替部３０により、上述したＣ側接地およびＮ側接地の切り替えが行われ、第２の切替部３４により、上述したバッテリ３２と、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎとの接続の切り替え（ＯＮ／ＯＦＦ）が行われる。また、図６の例では、第３の切替部７２により、コンバータ２２と接続するか、遮断するかの切り替えが行われる。

【0056】

例えば、図６の時刻ｔ０〜ｔ１では、制御部８０から非常走行指令に基づく制御信号が出力されていない。そのため、第１の切替部３０は、上述したようにＣ側接地される。また、第２の切替部３４は、バッテリ３２の両極端子と、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎとを遮断する。また、第３の切替部７２は、コンバータ２２とインバータ２８とを、第１〜第３の給電線で接続させる（図６に示すコンバータ接続）。つまり、第２の実施形態では、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃを、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃに接続させる。

【0057】

ここで、図６の時刻ｔ１〜ｔ２において、制御部４０により非常走行指令に基づく制御信号が出力されるため（図６に示すＯＮ）、第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２は、それぞれ接続状態の切り替えを行う。第１の切替部３０は、制御部８０から制御信号を受け付けた場合、第２の給電線Ｃをグランド端子から遮断し、第３の給電線Ｎをグランド端子と接続する（図６に示すＮ側接地）。また、同区間において、第２の切替部３４は、バッテリ３２の両極端子を、第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続する（図６に示すＯＮ）。また、同区間において、第３の切替部７２は、インバータ２８に供給されるコンバータ２２からの電力を遮断する（図６に示すコンバータ遮断）。例えば、第３の切替部７２は、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃと、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃとを遮断する。

【0058】

また、図６に示す時刻ｔ２の時点で非常走行指令に基づく制御信号の入力が終了した場合（図６に示すＯＦＦ）、上述した時刻ｔ０〜ｔ１のとき（非常走行前）と同様の接続状態となるように、第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２における接続状態を切り替える。このように、第２の実施形態では、バッテリ３２から直流電力が供給される場合に、コンバータ２２側を切り離すため、コンバータ２２の出力側（直流側）での電力消費を抑えることができる。

【0059】

次に、第２の実施形態における制御部８０の切替制御処理について、フローチャートを用いて説明する。図７は、第２の実施形態における切替制御処理の第１の実施例を示すフローチャートである。第１の実施例では、制御部８０が非常走行指令を受け付けた場合の切替例を示している。なお、図７の例におけるステップＳ３００〜Ｓ３０２の処理は、上述したステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理と同様であるため、ここでの具体的な説明は省略する。

【0060】

図７の例において、制御部８０は、ステップＳ３０２の処理後、第３の切替部７２に切替命令を出力する（ステップＳ３０４）。ステップＳ３０４の処理により、第３の切替部７２は、第５の接触器７２−１および第６の接触器７２−２により、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃと、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃとを遮断させる。

【0061】

次に、制御部８０は、第２の切替部３４に切替命令を出力する（ステップＳ３０６）。ステップＳ３０６の処理により、第２の切替部３４は、第３の接触器３４−１および第４の接触器３４−２により、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎに接続する。なお、上述したステップＳ３０４およびステップＳ３０６における切替命令は、例えば上述した制御信号のＯＮ状態に相当する。

【0062】

なお、上述したステップＳ３０２、ステップＳ３０４、およびステップＳ３０６の処理は、同時または短時間に連動して行われる。ただし、第３の切替部７２の切替前に、第２の切替部３４の切替が行われると、バッテリ３２により第１のコンデンサ２４−１、２４−２の充電が行われることになるため、図７のフローチャートに示したように、第３の切替部７２による切り替え処理は、第２の切替部３４の切り替え処理よりも先に行われることが好ましい。

【0063】

図８は、第２の実施形態における切替制御処理の第２の実施例を示すフローチャートである。第２の実施例では、制御部８０が非常走行解除指令を受け付けた場合の切替例を示している。なお、図８の例におけるステップＳ４００〜Ｓ４０４の処理は、上述したステップＳ２００〜Ｓ２０４の処理と同様であるため、ここでの具体的な説明は省略する。

【0064】

図８の例において、制御部８０は、ステップＳ４０４の処理後、第３の切替部７２に切替命令を出力する（ステップＳ４０６）。なお、上述したステップＳ４０６における切替命令は、例えば上述した制御信号のＯＦＦ状態に相当する。ステップＳ４０６の処理により、第３の切替部７２は、第５の接触器７２−１および第６の接触器７２−２により、コンバータ２２側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃと、インバータ２８側の第１の給電線Ｐおよび第２の給電線Ｃとを接続させる。なお、上述したステップＳ４０２、ステップＳ４０４、およびステップＳ４０６の処理は、同時または短時間に連動して行われる。また、制御部８０は、第１の切替部３０、第２の切替部３４、および第３の切替部７２に対して、並行して切替命令を出力してもよい。

【0065】

上述したように、第２の実施形態によれば、例えば電気車の非常走行等におけるバッテリ３２の動作時に、上述した第１の切替部３０および第２の切替部３４による切り替え制御の他に、第３の切替部７２により、コンバータ２２からの電力を遮断する制御を行うことで、コンバータ２２の直流側での電力消費を抑えることができる。したがって、例えば、コンバータ２２の直流側に放電抵抗または電圧検出器等が接続されている場合に、それらの抵抗における電力消費を抑えることができる。

【0066】

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、架線Ｐからの交流電力を直流電力に変換するコンバータ２２と、第１の給電線Ｐ、第１の給電線Ｐよりも低電位に維持される第２の給電線Ｃ、および第２の給電線Ｃよりも低電位に維持される第３の給電線Ｎを含む複数系統の給電線で、コンバータ２２に接続され、複数系統の給電線から得られる直流電力に基づいて、電気車の車輪Ｗを駆動するモータ１６に交流電力を出力するインバータ２８と、電力を蓄えるバッテリ３２と、グランド端子の接続先を、第２の給電線Ｃと第３の給電線Ｎとのいずれかに切り替える第１の切替部３０と、バッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎに接続するか否かを切り替える第２の切替部３４と、架線Ｐからの交流電力を用いてインバータ２８が動作する場合に、第１の切替部３０により第２の給電線Ｃを、グランド端子に接続させるとともに、第２の切替部３４によりバッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎから遮断させ、バッテリ３２からの電力を用いてインバータ２８が動作する場合に、第１の切替部３０により第３の給電線Ｎをグランド端子に接続させるとともに、第２の切替部３４によりバッテリ３２の両極端子を、それぞれ第１の給電線Ｐおよび第３の給電線Ｎと接続させる制御部４０と、を持つことにより、グランド電位にする箇所を適切に切り替えることができる。

【0067】

例えば、電気車が交流車である場合に、架線Ｐからの交流電力をインバータ２８に供給する場合と、バッテリ３２からの電力をインバータ２８に供給する場合とで、接地切替を行うことで、事故による停電等で架線からの給電が不能となった場合でも、電気車を走行させることができる。

【0068】

また、第１の切替部３０における２つの接触器のうち、一方をａ接点、他方をｂ接点とし、その２つの接触器による切り替え動作を同期させることにより、切り替え時における安全性を確保することができる。

【0069】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0070】

１、２…電気車システム、１０…集電器、１２…遮断器、１４…変圧器、１６…モータ、２０、７０…電気車制御装置、２２…コンバータ（第１の変換部）、２４…第１のコンデンサ、２６…第２のコンデンサ、２８…インバータ（第２の変換部）、３０…第１の切替部、３２…バッテリ（蓄電部）、３４…第２の切替部、４０、８０…制御部、５０…操作盤、６０…表示盤、７２…第３の切替部、Ｐ…架線、Ｗ…車輪

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】