特許 7227730 電気車用電源システム、電力供給制御方法および追加電源システム

(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】

(24)【登録日】2023-02-14

(45)【発行日】2023-02-22

(54)【発明の名称】電気車用電源システム、電力供給制御方法および追加電源システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 13/00 20060101AFI20230215BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20230215BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20230215BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230215BHJP

   B61C 3/02 20060101ALI20230215BHJP

【ＦＩ】

B60L13/00 D

B60L50/60

B60L9/18 A

H02J7/00 P

B61C3/02

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018200914

(22)【出願日】2018-10-25

(65)【公開番号】P2020068603

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-04-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100124682

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100104710

【弁理士】

【氏名又は名称】竹腰 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(72)【発明者】

【氏名】小笠 正道

(72)【発明者】

【氏名】田口 義晃

(72)【発明者】

【氏名】門脇 悟志

【審査官】井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００８／０１８１３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２３１１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８２６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９５７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０６９６７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ １３／００

Ｂ６０Ｌ ５０／６０

Ｂ６０Ｌ ９／１８

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｂ６１Ｃ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路が接続された電気車用電源システムであって、
前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
を備え、
前記蓄電部は、前記開閉装置と前記充放電電圧変換回路との間に、
前記開閉装置側に接続される第１蓄電池と、
前記第１蓄電池よりもパワー密度が低くエネルギー密度が高く、前記充放電電圧変換回路側に接続される第２蓄電池と、
前記第２蓄電池から前記第１蓄電池に向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する蓄電部整流器と、
を有する、
電気車用電源システム。

【請求項2】

前記ハイブリッドモードは、最終的に、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が動作停止とされて前記蓄電部が浮動充電状態とされたモードである、
請求項１に記載の電気車用電源システム。

【請求項3】

前記蓄電部は、満充電時放電電圧が、前記電車線の電圧より高い、
請求項２に記載の電気車用電源システム。

【請求項4】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路が接続された電気車用電源システムであって、
前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記開閉装置が投入された前記蓄電池モードから前記ハイブリッドモードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を開始させた後、前記開閉装置の開放、前記集電器の前記集電状態への遷移、前記放電電圧変換動作の停止、前記開閉装置の投入、の順に実行制御する、
電気車用電源システム。

【請求項5】

前記制御部は、
前記ハイブリッドモードへの切り替えにおいて、前記蓄電部の蓄電電圧が前記電車線の電圧より低い場合に、前記放電電圧変換動作の停止の後、前記蓄電部の蓄電電圧が前記電車線の電圧に達するまで前記開閉装置を投入せずに、前記充放電電圧変換回路に、前記直流電力ラインからの前記一方側の電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作を行わせる制御を実行する、
請求項４に記載の電気車用電源システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記充放電電圧変換回路に、前記直流電力ラインからの前記一方側の電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作を行わせ、
前記充放電電圧変換回路は、中間コンデンサを挟んで第１昇降圧回路を前記一方側に、第２昇降圧回路を前記他方側に接続して構成され、前記充電電圧変換動作において前記第１昇降圧回路が昇圧動作を、前記第２昇降圧回路が降圧動作を行う、
請求項１～５の何れか一項に記載の電気車用電源システム。

【請求項7】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路が接続された電気車用電源システムであって、
前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
１）前記直流電力ラインと前記蓄電部との間の第１通流電流、および、前記直流電力ラインと電気車の補機類に係る補機回路との間の第２通流電流、又は、２）前記蓄電部から前記直流電力ラインへの通流電流と前記直流電力ラインから前記補機回路への通流電流との合成電流、又は、３）前記直流電力ラインと前記蓄電部との接続箇所の通流電流、及び、前記直流電力ラインと前記補機回路との接続箇所よりも前記主開閉装置寄りの前記直流電力ラインの通流電流、を計測する電流センサ部と、
を備え、
前記制御部は、
前記集電器が前記集電状態であり、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が停止した前記ハイブリッドモードから、前記蓄電池モードに切り替える場合に、前記蓄電部の放電電流が前記補機回路の消費電流に相当する状態とする電流制御である前記電流センサ部の計測値に基づく相当電流制御に従って、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を行わせた後、前記集電器の前記非集電状態への遷移、前記充放電電圧変換回路の動作停止、の順に実行制御する、
電気車用電源システム。

【請求項8】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路が接続された電気車用電源システムであって、前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える電力供給制御方法であって、
前記開閉装置が投入された前記蓄電池モードから前記ハイブリッドモードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を開始させた後、前記開閉装置の開放、前記集電器の前記集電状態への遷移、前記放電電圧変換動作の停止、前記開閉装置の投入、の順に実行制御する、
電力供給制御方法。

【請求項9】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路が接続された電気車用電源システムであって、前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、１）前記直流電力ラインと前記蓄電部との間の第１通流電流、および、前記直流電力ラインと電気車の補機類に係る補機回路との間の第２通流電流、又は、２）前記蓄電部から前記直流電力ラインへの通流電流と前記直流電力ラインから前記補機回路への通流電流との合成電流、又は、３）前記直流電力ラインと前記蓄電部との接続箇所の通流電流、及び、前記直流電力ラインと前記補機回路との接続箇所よりも前記主開閉装置寄りの前記直流電力ラインの通流電流、を計測する電流センサ部と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える電力供給制御方法であって、
前記集電器が前記集電状態であり、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が停止した前記ハイブリッドモードから、前記蓄電池モードに切り替える場合に、前記蓄電部の放電電流が前記補機回路の消費電流に相当する状態とする電流制御である前記電流センサ部の計測値に基づく相当電流制御に従って、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を行わせた後、前記集電器の前記非集電状態への遷移、前記充放電電圧変換回路の動作停止、の順に実行制御する、
電力供給制御方法。

【請求項10】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力に基づいて、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路と、が動作する電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
前記電気車用電源システムにおいて前記集電器による集電電力が主開閉装置及び直流電力ラインを介して前記主変換回路に供給される前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
前記補機回路が前記直流電力ラインに接続されていない場合に前記補機回路を前記直流電力ラインに接続するための接続端子部と、前記開閉装置と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路とを有する充放電回路部と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
を備え、
前記蓄電部は、前記開閉装置と前記充放電電圧変換回路との間に、
前記開閉装置側に接続される第１蓄電池と、
前記第１蓄電池よりもパワー密度が低くエネルギー密度が高く、前記充放電電圧変換回路側に接続される第２蓄電池と、
前記第２蓄電池から前記第１蓄電池に向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する蓄電部整流器と、
を有する、
追加電源システム。

【請求項11】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力に基づいて、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路と、が動作する電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
前記電気車用電源システムにおいて前記集電器による集電電力が主開閉装置及び直流電力ラインを介して前記主変換回路に供給される前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
前記補機回路が前記直流電力ラインに接続されていない場合に前記補機回路を前記直流電力ラインに接続するための接続端子部と、前記開閉装置と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路とを有する充放電回路部と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記開閉装置が投入された前記蓄電池モードから前記ハイブリッドモードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を開始させた後、前記開閉装置の開放、前記集電器の前記集電状態への遷移、前記放電電圧変換動作の停止、前記開閉装置の投入、の順に実行制御する、
追加電源システム。

【請求項12】

集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した集電電力に基づいて、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路と、が動作する電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
前記電気車用電源システムにおいて前記集電器による集電電力が主開閉装置及び直流電力ラインを介して前記主変換回路に供給される前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
前記補機回路が前記直流電力ラインに接続されていない場合に前記補機回路を前記直流電力ラインに接続するための接続端子部と、前記開閉装置と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路とを有する充放電回路部と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記集電電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
１）前記直流電力ラインと前記蓄電部との間の第１通流電流、および、前記直流電力ラインと電気車の補機類に係る補機回路との間の第２通流電流、又は、２）前記蓄電部から前記直流電力ラインへの通流電流と前記直流電力ラインから前記補機回路への通流電流との合成電流、又は、３）前記直流電力ラインと前記蓄電部との接続箇所の通流電流、及び、前記直流電力ラインと前記補機回路との接続箇所よりも前記主開閉装置寄りの前記直流電力ラインの通流電流、を計測する電流センサ部と、
を備え、
前記制御部は、
前記集電器が前記集電状態であり、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が停止した前記ハイブリッドモードから、前記蓄電池モードに切り替える場合に、前記蓄電部の放電電流が前記補機回路の消費電流に相当する状態とする電流制御である前記電流センサ部の計測値に基づく相当電流制御に従って、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を行わせた後、前記集電器の前記非集電状態への遷移、前記充放電電圧変換回路の動作停止、の順に実行制御する、
追加電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気車用電源システム等に関する。

【背景技術】

【0002】

電気車に蓄電池を搭載し、電化区間では架線から供給される電力に基づき主電動機を駆動するとともに蓄電池を充電し、非電化区間では蓄電池の電力に基づき主電動機を駆動する電気車用電源システムが開発されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１６３３６５号公報

【文献】特開２０１５－６５７３２号公報

【文献】特開２００６－３４０５６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムは、電化区間のみを走行する電気車の電源システムに比べて、非電化区間に対応するための多くの機器や配線が必要となり、その分の艤装空間を確保する必要がある。

【0005】

しかしながら、従来の技術では、特許文献１や特許文献２に代表されるように、主電動機へ駆動電力を供給する主変換回路（特許文献１のＶＶＶＦインバータ７、特許文献２のインバータ装置５に相当）への駆動電力供給ライン（引用文献１の中間回路４に相当）に蓄電池（引用文献１の蓄電素子６、引用文献２の蓄電手段９に相当）を接続して充放電する構成を採用するのが一般的であった。そのため、蓄電池の入出力段に大型のリアクトル（引用文献１のリアクトル５、引用文献２の平滑リアクトル１１に相当）を設備する必要があったり、大型の充放電電圧変換回路（特許文献２では、ＤＣ－ＤＣ変換装置８、平滑リアクトル１１および平滑コンデンサ１２で構成されるチョッパ装置に相当）を設備する必要があった。そのため、艤装空間の低減には限界があった。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電化区間および非電化区間の両区間の走行を可能にする電気車用電源システムにおいて、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するための第１の発明は、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器（例えば、図５のパンタグラフＰＴ）が前記集電状態において電車線から集電した集電電力が主開閉装置（例えば、図５の主開閉装置ＳＷＭ）を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムであって、
前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器（例えば、図５のダイオードＤ１）と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置（例えば、図５の短絡開閉装置ＳＷＳ）とを有する整流部（例えば、図５の整流部ＲＣＵ）と、
開閉装置（例えば、図５の第１開閉装置ＳＷ１）を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部（例えば、図５の蓄電部ＢＴＵ）と、
一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路（例えば、図５の充放電電圧変換回路ＰＣ）と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モード（例えば、図７の蓄電池モード）と、前記電車線から集電された電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモード（例えば、図６の架線ハイブリッドモード）とを切り替える制御部（例えば、図１の制御部ＣＴＲ）と、
を備えた電気車用電源システム（例えば、図５の電源システムＰＳ１）である。

【0008】

また、他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力が主開閉装置を介して供給される直流電力ラインに、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路とが接続された電気車用電源システムであって、前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路と、を備えた電気車用電源システムにおいて、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記電車線から集電された電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える電力供給制御方法を構成しても良い。

【0009】

更なる他の発明として、
集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器が前記集電状態において電車線から集電した電力に基づいて、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、補機類に係る補機回路と、が動作する電気車用電源システムにおける追加電源システムであって、
前記電気車用電源システムにおいて前記集電器による集電電力が主開閉装置及び直流電力ラインを介して前記主変換回路に供給される前記主開閉装置と前記直流電力ラインとの間に設けられ、前記電車線から前記直流電力ラインに向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する整流器と、前記整流器を短絡可能な短絡開閉装置とを有する整流部と、
開閉装置を介して前記直流電力ラインに接続された蓄電部と、
前記補機回路が前記直流電力ラインに接続されていない場合に前記補機回路を前記直流電力ラインに接続するための接続端子部と、前記開閉装置と、一方側が前記直流電力ラインに接続され、他方側が前記蓄電部に接続された充放電電圧変換回路とを有する充放電回路部と、
前記開閉装置の投入／開放、前記集電器の状態遷移、及び、前記充放電電圧変換回路の動作、を制御することで、前記蓄電部の電力をもとに走行する蓄電池モードと、前記電車線から集電された電力及び前記蓄電部の電力をもとに走行するハイブリッドモードとを切り替える制御部と、
を備えた追加電源システム（例えば、図１の追加電源システムＡＰＳ）を構成しても良い。

【0010】

この第１の発明等によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用電源システムを実現することができる。具体的には、蓄電部と直流電力ラインとを結ぶ電力経路として、充放電電圧変換回路を経由する経路と経由しない経路とを備える。しかし、蓄電池モードおよびハイブリッドモードの各モードでは、最終的に、充放電電圧変換回路を経由しない経路で蓄電部の蓄電電力を主変換回路および補機回路に供給する形態とする。また、モードを切り替える過程においては、補機回路の動作を継続させるために、一時的に充放電電圧変換回路を経由する経路で蓄電部の蓄電電力を補機回路に供給する形態とするが、モードの切り替えは、電気車の停車時あるいは惰行時に行われるのが通常であるため、切り替えの過程では主電動機に駆動電力を供給する必要はない。したがって、充放電電圧変換回路を、主電動機の駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路の動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0011】

また、上述した他の発明の追加電源システムによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

【0012】

第２の発明は、第１の発明において、
前記蓄電部は、満充電時放電電圧が、前記電車線の電圧より高い、
電気車用電源システムである。

【0013】

第２の発明によれば、直流電力ラインの電圧と蓄電部の蓄電電圧との大小に応じて、蓄電部の蓄電電力の直流電力ラインへの放電や直流電力ラインからの供給電力による蓄電部の充電が自動的になされ、蓄電部の浮動充電状態が実現される。

【0014】

第３の発明は第１又は第２の発明において、
前記蓄電部は、
第１蓄電池（例えば、図５のＰ形蓄電池ＢＴ１）と、
前記第１蓄電池よりもパワー密度が低くエネルギー密度が高い第２蓄電池（例えば、図５のＥ形蓄電池ＢＴ２）と、
前記第２蓄電池から前記第１蓄電池に向かう通流を許容し、この逆方向の通流を阻止する蓄電部整流器（例えば、図５のダイオードＤ２）と、
を有し、
前記ハイブリッドモードは、最終的に、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が動作停止とされて前記蓄電部が浮動充電状態とされたモードである、
電気車用電源システムである。

【0015】

第３の発明によれば、ハイブリッドモードにおいては、蓄電部と直流電力ラインとを結ぶ電力経路は充放電電圧変換回路を経由しない経路のみであるので、蓄電部の蓄電電圧と電車線の電圧との大小に応じて蓄電部の充電／放電が自動的になされる浮動充電状態となる。つまり、電車線の電圧のほうが高い場合には、集電電力によって蓄電部が充電され、逆に、蓄電電圧のほうが高い場合には、蓄電部が放電して蓄電部の蓄電電力が主変換回路や補機回路に供給される。

【0016】

この浮動充電状態における蓄電部の充電は、蓄電部整流器により第２蓄電池へ向かう通流が阻止されることで、第１蓄電池に対してのみ行われる。第１蓄電池は第２蓄電池よりパワー密度が高いので、急速充電に適している。また、蓄電部の放電は、第１蓄電池および第２蓄電池の両方から可能である。更に、ハイブリッドモードでは、短絡開閉装置を開放状態としておくことで、主電動機の回生電力の電車線への通流が阻止され、回生電力の全てを蓄電部の充電に用いることができる。その結果、架線側の電気的負荷状況によって絞り込みや失効が発生する架線への電力回生には頼らなくて済み、自車蓄電部への安定した電力回生が見込まれるため、信頼性が高くエネルギー回収再利用割合の高い電気ブレーキが実現できる。

【0017】

第４の発明は、第１～第３の発明において、
前記制御部は、
前記開閉装置が投入された前記蓄電池モードから前記ハイブリッドモードに切り替える場合に、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を開始させた後（例えば、図１２のステップＤ７）、前記開閉装置を開放し（例えば、図１２のステップＤ９）、前記集電器の前記集電状態への遷移（例えば、図１２のステップＤ１５）、前記放電電圧変換動作の停止（例えば、図１２のステップＤ１７）、前記開閉装置の投入（例えば、図１２のステップＤ２９）、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

【0018】

第４の発明によれば、蓄電池モードからハイブリッドモードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、充放電電圧変換回路の放電電圧変換動作を開始させ、開閉装置を開放することによって直流電力ラインを電車線の電圧とした状態で、集電器を集電状態へ遷移させる。その後、充放電電圧変換回路の動作を停止させて開閉装置を投入することで、蓄電部と直流電力ラインとを結ぶ電力経路を、充放電電圧変換回路を経由しない経路とすることができる。これにより、ハイブリッドモードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

【0019】

第５の発明は、第４の発明において、
前記制御部は、
前記ハイブリッドモードへの切り替えにおいて、前記蓄電部の蓄電電圧が前記電車線の電圧より低い場合に、前記放電電圧変換動作の停止の後、前記蓄電部の蓄電電圧が前記電車線の電圧に達するまで前記開閉装置を投入せずに、前記充放電電圧変換回路に、前記直流電力ラインからの前記一方側の電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作を行わせる制御を実行する（例えば、図１２のステップＤ１９：ＹＥＳ～Ｄ２９）、
電気車用電源システムである。

【0020】

第５の発明によれば、ハイブリッドモードへの切り替えにおいて、蓄電部の蓄電電圧が電車線の電圧より低い場合には、充放電電圧変換回路を介して集電電力で蓄電部を充電した上で、充放電電圧変換回路の動作停止および開閉装置の投入を行うことができる。

【0021】

第６の発明は、第１～第５の何れかの発明において、
前記制御部は、前記充放電電圧変換回路に、前記直流電力ラインからの前記一方側の電力を前記他方側に変換して出力させる充電電圧変換動作を行わせ、
前記充放電電圧変換回路は、中間コンデンサを挟んで第１昇降圧回路を前記一方側に、第２昇降圧回路を前記他方側に接続して構成され、前記充電電圧変換動作において前記第１昇降圧回路が昇圧動作を、前記第２昇降圧回路が降圧動作を行う、
電気車用電源システムである。

【0022】

第６の発明によれば、充放電電圧変換回路を、中間コンデンサを挟んで一方側に第１昇降圧回路を、他方側に第２昇降圧回路を有する構成とし、充電電圧変換動作を行わせる際には第１昇降圧回路が昇圧動作を行い、第２昇降圧回路が降圧動作を行う構成とすることができる。また、中間コンデンサの電圧が一方側または他方側の何れか高いほうの値に維持され、電圧が近い場合には他方側に電力を供給する際に充電電圧変換動作を不要とすることができる。

【0023】

第７の発明は、第１～第６の何れかの発明において、
１）前記直流電力ラインと前記蓄電部との間の第１通流電流（例えば、図５の検知電流Ｉ１）、および、前記直流電力ラインと前記補機回路との間の第２通流電流（例えば、図５の検知電流Ｉ２）、又は、２）前記蓄電部から前記直流電力ラインへの通流電流と前記直流電力ラインから前記補機回路への通流電流との合成電流、又は、３）前記直流電力ラインと前記蓄電部との接続箇所の通流電流、及び、前記直流電力ラインと前記補機回路との接続箇所よりも前記主開閉装置寄りの前記直流電力ラインの通流電流、を計測する電流センサ部（例えば、図５の電流センサＣＴ１，ＣＴ２）、
を更に備え、
前記制御部は、
前記集電器が前記集電状態であり、前記開閉装置が投入され、前記充放電電圧変換回路が停止した前記ハイブリッドモードから、前記蓄電池モードに切り替える場合に、前記蓄電部の放電電流が前記補機回路の消費電流に相当する状態とする電流制御である前記電流センサ部の計測値に基づく相当電流制御に従って、前記充放電電圧変換回路に前記蓄電部の蓄電電力を前記一方側に放電させる放電電圧変換動作を行わせた後（例えば、図１１のステップＣ９）、前記集電器の前記非集電状態への遷移（例えば、図１１のステップＣ１１）、前記充放電電圧変換回路の動作停止（例えば、図１１のステップＣ１７）、の順に実行制御する、
電気車用電源システムである。

【0024】

第７の発明によれば、ハイブリッドモードから蓄電池モードへの適切な切り替えを実現することができる。具体的には、充放電電圧変換回路の放電電圧動作によって直流電力ラインを電車線の電圧とした状態で、集電器を非集電状態へ遷移させる。その後、充放電電圧変換回路の動作を停止させることで、蓄電部と直流電力ラインとを結ぶ電力経路を、充放電電圧変換回路を経由しない経路とすることができる。これにより、蓄電池モードへの切り替えに際して、突流発生や電車線への逆流、更にはアークの発生を防止しつつ、車内照明や空調などの補機類の動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本実施形態における追加電源システムの概略構成図。

【図2】第１～第３主開閉装置の回路構成の一例。

【図3】第１～第３開閉装置の回路構成の一例。

【図4】放電電圧変換回路の回路構成の一例。

【図5】第１実施例における電源システムの概略構成図。

【図6】架線ハイブリッドモードにおける電気の流れ。

【図7】蓄電池モードにおける電気の流れ。

【図8】純架線モードにおける電気の流れ。

【図9】架線ハイブリッドモードでの起動制御手順の説明図。

【図10】蓄電池モードでの起動制御手順の説明図。

【図11】架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え制御手順の説明図。

【図12】蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え制御手順の説明図。

【図13】架線ハイブリッドモードでの停止制御手順の説明図。

【図14】蓄電池モードでの停止制御手順の説明図。

【図15】純架線モードでの起動制御手順の説明図。

【図16】純架線モードから蓄電池モードのへの切り替え制御手順の説明図。

【図17】蓄電池モードから純架線モードへの切り替え制御手順の説明図。

【図18】純架線モードでの停止制御手順の説明図。

【図19】第２実施例における電源システムの概略構成図。

【図20】架線ハイブリッドモードにおける電気の流れ。

【図21】蓄電池モードにおける電気の流れ。

【図22】純架線モードにおける電気の流れ。

【図23】架線ハイブリッドモードでの起動制御手順の説明図。

【図24】蓄電池モードでの起動制御手順の説明図。

【図25】架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え制御手順の説明図。

【図26】蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え制御手順の説明図。

【図27】架線ハイブリッドモードでの停止制御手順の説明図。

【図28】蓄電池モードでの停止制御手順の説明図。

【図29】純架線モードでの起動制御手順の説明図。

【図30】純架線モードから蓄電池モードのへの切り替え制御手順の説明図。

【図31】蓄電池モードから純架線モードへの切り替え制御手順の説明図。

【図32】純架線モードでの停止制御手順の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して本発明を適用した一実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限られるものではない。

【0027】

［システム構成］
図１は、本実施形態における追加電源システムＡＰＳの概略構成を示す図である。この追加電源システムＡＰＳは、電化区間のみを走行する直流電気車の既存の電源システムに対して追加設備することで、非電化区間をも走行可能とするためのシステムである。

【0028】

図１に示すように、追加電源システムＡＰＳは、艤装機器類ＲＡＳと、制御部ＣＴＲとを含んでいる。制御部ＣＴＲは、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の制御装置内に組み込んで実現することもできる。

【0029】

艤装機器類ＲＡＳは、整流部ＲＣＵと、充放電部ＣＤＵと、蓄電部ＢＴＵとを備える。

【0030】

整流部ＲＣＵは、整流器であるダイオードＤ１と、ダイオードＤ１に並列接続された短絡開閉装置ＳＷＳとを有し、集電器の一例であるパンタグラフＰＴと直流電力ラインとの間に接続される。ダイオードＤ１は、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）材料を用いたショットキーバリアダイオードによって実現することができる。ダイオードＤ１は、パンタグラフＰＴから直流電力ラインへ向かう通流を許容し、逆方向の通流を阻止するように接続される。短絡開閉装置ＳＷＳは、制御部ＣＴＲからの開閉指示信号ＷＳに従って開閉動作（開放／投入）を行って、開放時にはダイオードＤ１を介した通流とし、投入時にダイオードＤ１を短絡して双方向の通流を可能とする開閉装置であり、例えば遮断器によって実現することができる。

【0031】

蓄電部ＢＴＵは、第１蓄電池であるＰ形蓄電池ＢＴ１と、第２蓄電池であるＥ形蓄電池ＢＴ２と、蓄電部整流器であるダイオードＤ２とを有する。Ｐ形蓄電池ＢＴ１は、Ｅ形蓄電池ＢＴ２に比較してパワー密度（例えば重量出力密度［ｋＷ／ｋｇ］や体積出力密度［ｋＷ／Ｌ］）は高いがエネルギー密度（例えば重量エネルギー密度［Ｗｈ／ｋｇ］や体積エネルギー密度［Ｗｈ／Ｌ］）が低い蓄電池である。Ｐ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２は、電気車に搭載可能な蓄電池の種類に応じて、パワー密度及びエネルギー密度の観点から選択することができ、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールや、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、鉛蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、スーパーキャパシタ、等から実現することができる。

【0032】

ダイオードＤ２は、アノードがＥ形蓄電池ＢＴ２側に、カソードがＰ形蓄電池ＢＴ１側に接続され、Ｅ形蓄電池ＢＴ２からＰ形蓄電池ＢＴ１への通流を許容し、逆方向であるＰ形蓄電池ＢＴ１からＥ形蓄電池ＢＴ２への通流を阻止する。ダイオードＤ２は、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）材料を用いたショットキーバリアダイオードによって実現することができる。

【0033】

蓄電部ＢＴＵは、蓄電電圧の最大値である満充電時の放電電圧が、電車線の電圧である架線電圧Ｖｐより高い電圧に構成されている。詳細には、蓄電部ＢＴＵが有する２種類のＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２のそれぞれの蓄電電圧の最大値である満充電時の放電電圧が、架線電圧Ｖｐより高い電圧に構成されている。これにより、後述の架線ハイブリッドモードにおいて蓄電部ＢＴＵを浮動充電状態とすることができる。また、２種類のＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２のそれぞれの電圧は、放電や充電によって異なり得るが、本実施形態では、Ｐ形蓄電池ＢＴ１の電圧を、蓄電部ＢＴＵの電圧である“蓄電電圧Ｖｂａｔ”として扱う。

【0034】

充放電部ＣＤＵは、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と、内部結線用端子ＴＷ１，ＴＷ２，ＴＷ３，ＴＷ４と、第２開閉装置ＳＷ２を介して一方側が内部結線用端子ＴＷ４に接続され、他方側が第３開閉装置ＳＷ３を介して蓄電部ＢＴＵに接続された充放電電圧変換回路ＰＣと、電流センサ部である電流センサＣＴ１，ＣＴ２と、既存の電源システムへの追設に用いられる接続端子部であって、直流電力ラインに接続される接続端子部ＴＣ１、および、補機回路ＸＭＣに接続される接続端子部ＴＣ２とを有する。

【0035】

第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、それぞれ制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｗ１～Ｗ３に基づいて開閉動作（開放／投入）を行う開閉装置であり、例えば、高速度遮断器や接触器を用いて構成することができる。第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を接触器等を用いて構成する場合、例えば図２（ａ）に示すように、充電抵抗ＣＤＲと充電抵抗用接触器ＭＫとの直列接続に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを並列に接続した構成を採用することができる。図２（ａ）の構成を採用する場合、投入時に、先に充電抵抗用接触器ＭＫを投入状態とした後に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを後から投入する。これにより、投入時の充放電電圧変換回路ＰＣ内の中間コンデンサへの突流を充電抵抗ＣＤＲによって防止し、中間コンデンサが所定電圧にほぼ達する段階でその後の電力損失低減のために充電抵抗ＣＤＲを短絡する。この動作は時素を持たせて一定時間後に短絡する従来の手法を採用することができる。また、図２（ａ）の回路の前段に高速度遮断器ＨＢを更に直列に接続した図３（ａ）に示す回路構成を採用することもできる。更には、第１開閉装置ＳＷ１は、図３（ｂ）に示す単体の高速度遮断器ＨＢを用いて構成することもできる。第３開閉装置ＳＷ３は、図２（ｂ）に示す単体の接触器ＬＢを用いて構成することもできる。

【0036】

内部結線用端子ＴＷ１，ＴＷ２，ＴＷ３，ＴＷ４は、互いにどの端子を電気的に接続するかで回路構成を変更することができるように設けられている。但し、内部結線用端子ＴＷ１は接続端子部ＴＣ１に接続されており、内部結線用端子ＴＷ３は接続端子部ＴＣ２に接続されており、内部結線用端子ＴＷ１と内部結線用端子ＴＷ２との接続は固定されている。また、内部結線用端子ＴＷ２は第１開閉装置ＳＷ１に接続されており、内部結線用端子ＴＷ４は第２開閉装置ＳＷ２に接続されている。

【0037】

任意に接続できる端子間は、内部結線用端子ＴＷ１と内部結線用端子ＴＷ３との間、内部結線用端子ＴＷ２と内部結線用端子ＴＷ４との間、内部結線用端子ＴＷ３と内部結線用端子ＴＷ４の間、の３箇所である。本実施形態では、この３箇所のうち、（ア）内部結線用端子ＴＷ１と内部結線用端子ＴＷ３との接続、および、内部結線用端子ＴＷ２と内部結線用端子ＴＷ４との接続をするか、（イ）内部結線用端子ＴＷ３と内部結線用端子ＴＷ４との接続のみをするか、で異なる２つの回路を実現する。（ア）の接続による実施例を第１実施例とし、（イ）の接続による実施例を第２実施例として詳細に後述する。

【0038】

図４に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成の一例を示す。図４に示すように、充放電電圧変換回路ＰＣは、中間コンデンサＦＣＨを挟んで、左側（一次側／一方側）の第１昇降圧回路、および、右側（二次側／他方側）の第２昇降圧回路を縦続接続した双方向昇圧降圧チョッパとして構成される。一次側（左側）が第２開閉装置ＳＷ２側に接続され、二次側（右側）が第３開閉装置ＳＷ３側に接続される。第１昇降圧回路のリアクトルＣＨＬ１と中間コンデンサＦＣＨとによって一次側のフィルタ回路として機能し、第２昇降圧回路のリアクトルＣＨＬ２と中間コンデンサＦＣＨとによって二次側のフィルタ回路として機能している。

【0039】

充放電電圧変換回路ＰＣは、一次側の供給電力を二次側に変換して出力する充電電圧変換動作と、二次側の供給電力を一次側に変換して出力する放電電圧変換動作とを行う。充電電圧変換動作では、先ず、一次側電圧ＶＤＣ１に対して第１昇降圧回路が昇圧動作を行い、昇圧後の電圧、つまり、中間コンデンサＦＣＨの両端電圧である中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨに対して、第２昇降圧回路が降圧動作を行うことで、一次側電圧ＶＤＣ１を二次側電圧ＶＤＣ２に変換する。また、放電電圧変換動作では、逆に、二次側電圧ＶＤＣ２に対して第２昇降圧回路が昇圧動作を行い、昇圧後の電圧、つまり、中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨに対して、第１昇降圧回路が降圧動作を行うことで、二次側電圧ＶＤＣ２を一次側電圧ＶＤＣ１に変換する。何れの動作においても、昇圧後の電圧が中間コンデンサＦＣＨに印加されることから、動作方向とは逆方向への通流が阻止される。

【0040】

また、充放電電圧変換回路ＰＣには、不図示であるが、一次側の電圧ＶＤＣ１、二次側の電圧ＶＤＣ２および中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨのそれぞれを検出する電圧センサや、一次側に流れる電流および二次側に流れる電流を検出する電流センサが備えられており、各センサの検出結果が制御部ＣＴＲ乃至スイッチング動作制御を行う充放電電圧変換回路ＰＣ内の制御回路に入力されて、充放電電圧変換回路ＰＣの動作制御に利用される。

【0041】

充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作は、適宜公知技術を利用して実現することができる。そのため、本実施形態では、充放電電圧変換回路ＰＣは、制御部ＣＴＲから入力される通流率制御信号Ｓに基づいてスイッチング動作を行うこととして説明し、具体的な充放電電圧変換回路ＰＣのスイッチング動作自体の制御についての説明は省略するが、スイッチング動作の制御は、充放電電圧変換回路ＰＣ内に制御回路を備えて実現することとしてもよいし、制御部ＣＴＲが行うこととしてもよい。

【0042】

図１に戻り、電流センサＣＴ１は、内部結線用端子ＴＷ１と内部結線用端子ＴＷ２との間を流れる電流であって、内部結線用端子ＴＷ１から内部結線用端子ＴＷ２に向かう方向を正方向として流れる電流の大きさおよび向きを検知するように設けられており、検知した電流は検知電流Ｉ１として制御部ＣＴＲに出力する。電流センサＣＴ２は、内部結線用端子ＴＷ３と接続端子部ＴＣ２との間を流れる電流であって、内部結線用端子ＴＷ３から接続端子部ＴＣ２に向かう方向を正方向として流れる電流の大きさおよび向きを検知するように設けられており、検知した電流は検知電流Ｉ２として制御部ＣＴＲに出力する。電流センサＣＴ１，ＣＴ２は、例えば変流器（ＣＴ:Current Transformer）によって実現することができる。制御部ＣＴＲは、電源モードの切り替え制御の際に、この検知電流Ｉ１，Ｉ２を参照して、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を制御する。

【0043】

制御部ＣＴＲは、電源モードとして、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行する蓄電池モードと、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行する架線ハイブリッドモードとを切り替える制御を司る。電源モードの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うこととする。

【0044】

以下、この追加電源システムＡＰＳを、既存の直流電気車の電源システムに追加設備した電気車用電源システムの２つの実施例を順に説明する。

【0045】

［第１実施例］
図５は、第１実施例における電源システムＰＳ１の概略構成図である。この電源システムＰＳ１は、既存の直流電気車の電源システムに、図１の追加電源システムＡＰＳを追加設備した構成である。

【0046】

１．１ システム構成
既存の電源システムは、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された架線電力が主開閉装置ＳＷＭを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Ｍに係る回路である主回路（Ａ系主回路およびＢ系主回路）が接続されるとともに、パンタグラフＰＴから見て主開閉装置ＳＷＭの前段に、開閉装置ＳＷＸを介して補機回路ＸＭＣが接続された構成となっている。

【0047】

主回路は、図５の電源システムＰＳ１ではＡ系主回路とＢ系主回路との２系統としているが、１系統のみとしてもよいし、３系統以上の回路を並列に備える構成としてもよい。また、１つの系統が、１台の主変換回路で２台以上の主電動機Ｍに駆動電力を供給するいわゆる１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍ等の構成を採用することとしてもよい。

【0048】

Ａ系主回路は、主開閉装置ＳＷＡと、主フィルタリアクトルＦＬＡと、主変換回路ＴＣＡとが直列に接続された構成を有する。Ｂ系主回路も同様に、主開閉装置ＳＷＢと、主フィルタリアクトルＦＬＢと、主変換回路ＴＣＢとが直列に接続された構成を有する。主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢは、直流電力を三相電力に変換して主電動機Ｍに駆動電力を供給するインバータ装置であり、入力段に不図示の主フィルタコンデンサを有して構成される。

【0049】

Ａ系主回路の主開閉装置ＳＷＡは、一般的には主変換回路ＴＣＡの制御部からの、あるいは制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ａに基づいて、直流電力ラインとＡ系主回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。Ｂ系主回路の主開閉装置ＳＷＢも同様に、一般的には主変換回路ＴＣＢの制御部からの、あるいは制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｂに基づいて、直流電力ラインとＢ系主回路との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢは、例えば、図２に示した回路構成を採用することができる。これにより、投入時の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサへの突流を充電抵抗ＣＤＲによって防止することができる。

【0050】

主開閉装置ＳＷＭは、一般的には主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部からの、あるいは制御部ＣＴＲからの開閉指示信号Ｎに基づいて、パンタグラフＰＴと直流電力ラインとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば高速度遮断器によって実現することができる。

【0051】

パンタグラフＰＴは、一般的には運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチや下降スイッチ、または制御部ＣＴＲからの状態遷移指示信号Ｐに基づいて集電状態および非集電状態に状態遷移可能な集電器の一例である。電車線を第３軌条方式とする場合には、パンタグラフＰＴの代わりに集電器を集電靴として構成することができる。

【0052】

補機回路ＸＭＣは、車内照明や空調などの補機および補機に電力を供給する回路（例えば、静止型インバータ）等を含む電気回路である。

【0053】

第１実施例の電源システムＰＳ１では、開閉装置ＳＷＸは常時“開放状態”とされる。また、主開閉装置ＳＷＭと直流電力ラインとの間に、追加電源システムＡＰＳの整流部ＲＣＵが設けられる。詳細には、ダイオードＤ１が、アノードを主開閉装置ＳＷＭ側に、カソードを直流電力ライン側に接続して設けられ、パンタグラフＰＴから直流電力ラインに向かう通流を許容し、逆方向である直流電力ラインからパンタグラフＰＴに向かう通流を阻止する。ダイオードＤ１に並列接続されている短絡開閉装置ＳＷＳを投入しておくことで、この短絡開閉装置ＳＷＳを経由して、直流電力ラインからパンタグラフＰＴに向かう通流が許容され得る。

【0054】

また、充放電部ＣＤＵの接続端子部ＴＣ１が直流電力ラインに接続されるとともに、接続端子部ＴＣ２が補機用追加接続線によって開閉装置ＳＷＸと補機回路ＸＭＣとの中間部、あるいは補機回路ＸＭＣに直接に接続される。また、内部結線用端子ＴＷ１，ＴＷ３間が結線され、内部結線用端子ＴＷ２，ＴＷ４間が結線され、内部結線用端子ＴＷ３，ＴＷ４間が開放される。

【0055】

したがって、蓄電部ＢＴＵは、第１開閉装置ＳＷ１を介して直流電力ラインに接続されるとともに、更に、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２を介して充放電電圧変換回路ＰＣの一次側に接続され、第３開閉装置ＳＷ３を介して充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に接続された状態となっている。また、開閉装置ＳＷＸは常時開放状態とされるので、直流電力ラインに主回路と補機回路ＸＭＣとが並列接続された状態となっている。また、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側が、第２開閉装置ＳＷ２を介して直流電力ラインに接続され、二次側が、第３開閉装置ＳＷ３を介して蓄電部ＢＴＵに接続された状態となっている。そして、充放電電圧変換回路ＰＣは、一次側に供給される直流電力ラインからの電力を二次側に変換して出力する充電電圧変換動作や、二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を一次側に変換して出力する放電電圧変換動作を行う。また、電流センサＣＴ１は、直流電力ラインと蓄電部ＢＴＵとの間の第１通流電流を検知電流Ｉ１として検知し、電流センサＣＴ２は、直流電力ラインと補機回路ＸＭＣとの間の第２通流電流を検知電流Ｉ２として検知する。

【0056】

なお、第１実施例においては、２台の電流センサＣＴ１，ＣＴ２による電流センサ部の代わりに、接続端子部ＴＣ１と内部結線用端子ＴＷ１の間に１台の電流センサを設けて電流センサ部とし、この電流センサの検知電流Ｉ、つまり、直流電力ラインと補機回路ＸＭＣとの接続箇所である内部結線用端子ＴＷ１よりも主開閉装置ＳＷＭ寄りの直流電力ラインを流れる通流電流を、後述する制御部ＣＴＲによる電源モードの切り替え制御における電流ゼロ制御に用いることもできる。或いは、２台の電流センサＣＴ１，ＣＴ２による電流センサ部の代わりに、蓄電部ＢＴＵから直流電力ラインへの通流電流である内部結線用端子ＴＷ１から内部結線用端子ＴＷ２に向かう方向を正方向とする電流と、直流電力ラインから補機回路ＸＭＣへの通流電流である内部結線用端子ＴＷ３から接続端子部ＴＣ２に向かう方向を正方向とする電流と、の合成電流を検知する１台の電流センサを設けて電流センサ部としても良い。

【0057】

１．２ 電源モード
第１実施例では、電源モードとして、架線ハイブリッドモード、蓄電池モード、純架線モード、の３種類のモードが切り替え可能である。それぞれの電源モードについて説明する。

【0058】

１．２．１ 架線ハイブリッドモード
架線ハイブリッドモードは、パンタグラフＰＴによって集電された架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行するとともに、蓄電部ＢＴＵを充電するモードであり、電化区間のみに適用可能なモードである。

【0059】

図６は、架線ハイブリッドモードにおける電気の流れを示す図である。図６において、通流状態にある経路を太線で示している。図６に示すように、架線ハイブリッドモードでは、パンタグラフＰＴは上昇しており、主開閉装置ＳＷＭは投入され、短絡開閉装置ＳＷＳは開放されている。つまり、架線電力が直流電力ラインに供給され、この電力をもとに主回路および補機回路ＸＭＣが動作可能になっている。また、第１開閉装置ＳＷ１が投入され、充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から第２開閉装置ＳＷ２のみを開放状態としてもよい。つまり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路としては、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない、第１開閉装置ＳＷ１を経由した経路が開通した状態にある。架線ハイブリッドモードでは、架線電圧Ｖｐと蓄電電圧Ｖｂａｔが略等しく（Ｖｐ≒Ｖｂａｔ）なる方向に自然に充放電動作が発生し、架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔより小さい場合には主に蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに、また架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔ以上の場合には主に架線電力をもとに、主回路および補機回路ＸＭＣが動作する。

【0060】

また、蓄電部ＢＴＵが、架線電圧Ｖｐと蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じて自動的に放電および充電がなされる“浮動充電状態”となっている。つまり、力行時に、架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔより低くなると（Ｖｐ＜Ｖｂａｔ）、蓄電部ＢＴＵが放電して蓄電電力が直流電力ラインに供給される。この蓄電部ＢＴＵの放電は、パワー密度の関係から先ずＰ形蓄電池ＢＴ１が放電し、Ｐ形蓄電池ＢＴ１の放電電圧が低下すると、電圧差によってその低下分を補充するようにＥ形蓄電池ＢＴ２が放電を開始する。そして、蓄電部ＢＴＵの放電による蓄電電圧Ｖｂａｔの低下や、或いは、一時的な架線電圧ＶＰの上昇などによって、蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低くなると（Ｖｐ＞Ｖｂａｔ）、直流電力ラインに供給されている架線電力によって蓄電部ＢＴＵが充電される。ダイオードＤ２の整流作用により、この充電はＰ形蓄電池ＢＴ１のみとなる。つまり、直流電力ラインと蓄電部ＢＴＵとの間の電力経路は第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路のみであるので、直流電力ラインからＥ形蓄電池ＢＴ２に向かう通流はダイオードＤ２に阻止されてＥ形蓄電池ＢＴ２は充電されない。また、回生時には、ダイオードＤ１の整流作用により、主電動機Ｍの回生電力は架線には戻されず、全ての回生電力が蓄電部ＢＴＵ（詳細には、Ｐ形蓄電池ＢＴ１）に蓄電されることになる。

【0061】

なお、架線ハイブリッドモードにおいてＥ形蓄電池ＢＴ２を架線電圧Ｖｐまで充電したい場合には、後述する純架線モードと同様に、充放電電圧変換回路ＰＣによって充電を行うことができる。すなわち、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を投入し、充放電電圧変換回路ＰＣに充電動作を行わせることで、直流電力ラインに供給されている電力（架線電力または回生電力）を、充放電電圧変換回路ＰＣを経由して蓄電部ＢＴＵに蓄電させることができる。充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路であるので、蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができるとともに、架線電圧Ｖｐまで充電することができる。

【0062】

１．２．２ 蓄電池モード
蓄電池モードは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行するモードである。

【0063】

図７は、蓄電池モードにおける電気の流れを示す図である。図７において、通流状態にある経路を太線で示している。図７に示すように、蓄電池モードでは、パンタグラフＰＴは下降しており、主開閉装置ＳＷＭおよび短絡開閉装置ＳＷＳは開放されている。また、第１開閉装置ＳＷ１は投入されており、充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から第２開閉装置ＳＷ２のみを開放状態としてもよい。つまり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路としては、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない、第１開閉装置ＳＷ１を経由した経路が開通した状態にある。蓄電部ＢＴＵが放電した蓄電電力のみが直流電力ラインに供給されており、この電力をもとに、主回路および補機回路ＸＭＣが動作可能になっている。蓄電部ＢＴＵの放電は、上述の架線ハイブリッドモードと同様に、先ずはＰ形蓄電池ＢＴ１が放電し、放電電圧の低下に応じて次にＥ形蓄電池ＢＴ２が放電する。また、回生時には、上述の架線ハイブリッドモードと同様に、全ての回生電力が蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１に蓄電されることになる。

【0064】

１．２．３ 純架線モード
純架線モードは、パンタグラフＰＴによる集電電力（架線電力）をもとに走行するモードであり、電化区間のみに適用可能なモードである。

【0065】

図８は、純架線モードにおける電気の流れを示す図である。図８において、通流状態にある経路を太実線で示している。図８に示すように、純架線モードでは、パンタグラフＰＴは上昇しており、主開閉装置ＳＷＭおよび短絡開閉装置ＳＷＳは投入されている。直流電力ラインには、パンタグラフＰＴからの架線電力が供給され、この電力をもとに主回路および補機回路ＸＭＣが動作可能になっている。また、第２開閉装置ＳＷ２、第１開閉装置ＳＷ１の各開閉装置は開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、モードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている。また、充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。回生電力は、短絡開閉装置ＳＷＳおよび主開閉装置ＳＷＭを介して架線に戻される。

【0066】

純架線モードでは、更に、任意のタイミングで蓄電部ＢＴＵの充電を行う。蓄電部ＢＴＵの充電に係る電流経路を太点線で示している。つまり、純架線モードにおいて、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を投入し、充放電電圧変換回路ＰＣに充電動作を行わせることで、直流電力ラインに供給されている電力（架線電力または回生電力）が充放電電圧変換回路ＰＣを経由して蓄電部ＢＴＵに蓄電される。充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路であるので、蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができる。

【0067】

１．３ 制御動作
次に、図９～図１８を参照して制御部ＣＴＲによる電源モードの切り替えに関する制御動作を詳細に説明する。これらのモードの選択や切り替えは、運転台における乗務員の指示操作によって行われる。

【0068】

１．３．１ 架線ハイブリッドモードでの起動
図９は、停止している電源システムＰＳ１を架線ハイブリッドモードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ１が停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0069】

先ず、運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチの操作に応じてパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することにより、または制御部ＣＴＲがパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することにより、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＡ１）。次に、制御部ＣＴＲは、パンタグラフＰＴが上昇状態にあることを検知して、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＡ３）。このステップＡ３は、初期状態で開放となっていない場合に備えた念のためのステップである。

【0070】

その後、運転台の前進後進スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎが出力されることにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、主開閉装置ＳＷＭを投入する（ステップＡ５）。主開閉装置ＳＷＭが投入されることで、パンタグラフＰＴからの架線電力（架線電圧Ｖｐ）が直流電力ラインに供給され、補機類が動作を開始することができる。

【0071】

次いで、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＡ７）。第２開閉装置ＳＷ２が投入されることで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路ＰＣの一次側との電力経路が開通する。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧ＶＤＣ１は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。

【0072】

一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上（ＶＤＣ１≧Ｖｂａｔ）ならば（ステップＡ９：ＹＥＳ）、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＡ１１）。第３開閉装置ＳＷ３が投入されることで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側電圧ＶＤＣ２が、蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に充電動作を開始させる（ステップＡ１３）。この充電動作は、二次側の第２昇降圧回路の通流率を調整することで、二次側の電流（充電電流）を制御する動作である。中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨ（実際の架線電圧Ｖｐに相当）より二次側電圧ＶＤＣ２（蓄電電圧Ｖｂａｔに相当）のほうが低いので、充放電電圧変換回路ＰＣの通流方向は一次側から二次側に向かう方向（充電方向）となる。充電動作は、蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）に等しくなるまで継続する。

【0073】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔより低い（ＶＤＣ１＜Ｖｂａｔ）ならば（ステップＡ９：ＮＯ）、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の第１昇降圧回路の昇圧動作を開始させる（ステップＡ１５）。そして、中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが蓄電電圧Ｖｂａｔまで上昇したならば、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＡ１７）。

【0074】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行った後、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＡ１９）。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＡ２１）。これにより、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ経路は、充放電電圧変換回路ＰＣを経由した経路から、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路に切り替わる。更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＡ２３）。

【0075】

その後、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＡ２５）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔ以上ならばパンタグラフＰＴによる架線電力が、架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔより低いならば蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0076】

１．３．２ 蓄電池モードで起動
図１０は、停止している電源システムＰＳ１を蓄電池モードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳが１停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0077】

制御部ＣＴＲは、蓄電池起動のトリガを検知すると、パンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力して、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＢ１）。蓄電池起動のトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作や蓄電池投入スイッチの操作による手動トリガなどが考えられる。次に、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＢ３）。このステップＢ３は、初期状態で開放となっていない場合に備えた念のためのステップである。

【0078】

次に、乗務員により運転台の前進後進スイッチが扱われると、制御部ＣＴＲは、主開閉装置ＳＷＭが開放されていることを確認して、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＢ５）。第１開閉装置ＳＷ１が投入されることで、蓄電部ＢＴＵの放電電力が直流電力ラインに供給され、補機類が動作を開始することができる。

【0079】

その後、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主開閉装置ＳＷＡ、ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ、ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＢ７）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0080】

１．３．３ 架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え
図１１は、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え制御手順を説明するフローチャートである。架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0081】

架線ハイブリッドモードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第３開閉装置ＳＷ３が投入されている。第２開閉装置ＳＷ２は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている。また、蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐ以上となっている（ステップＣ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0082】

制御部ＣＴＲは、蓄電池モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＣ３）。これにより、蓄電電圧Ｖｂａｔが充放電電圧変換回路ＰＣの一次側（一方側）と二次側（他方側）の両方に印加される。蓄電池モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、予め定められた蓄電池モードに切り替える地点に電気車が到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。

【0083】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の第１昇降圧回路の通流率を「１（全開）」にする（ステップＣ５）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣを経由して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を直流電力ラインに供給する経路が開通する。次に、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＣ７）。これにより、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路は、充放電電圧回路ＰＣを経由する経路のみとなる。

【0084】

その後、充放電電圧変換回路ＰＣによる直流電力ライン電流ゼロ制御を開始させる（ステップＣ９）。この電流ゼロ制御は、通流率を調整することで、直流電力ラインに流れる電流Ｉｐをゼロ電流とする制御である。詳細には、電流センサＣＴ１の検知電流Ｉ１は内部結線用端子ＴＷ１から内部結線用端子ＴＷ２に向かう電流であり、電流センサＣＴ２の検知電流Ｉ２は内部結線用端子ＴＷ３から接続端子部ＴＣ２に向かう電流であることから、検知電流Ｉ１，Ｉ２の合計電流は、接続端子部ＴＣ１から内部結線用端子ＴＷ１に向かう電流であり、電気車が停車していて主回路には電力消費や回生電力の発生が生じていないことを踏まえると、直流電力ラインに流れる電流Ｉｐに相当する。つまり、電流ゼロ制御は、一次側の放電電流を徐々に増加させて、電流センサＣＴ１，ＣＴ２それぞれの検知電流Ｉ１，Ｉ２の合計電流Ｉｐをゼロ電流とするような制御である。また、この電流ゼロ制御は、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の電流（放電電流）が補機回路ＸＭＣの消費電流に相当する状態とするような電流センサＣＴ１，ＣＴ２の検知電流Ｉ１，Ｉ２にもとづく相当電流制御に従って、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を一次側（一方側）に放電させる放電電圧変換動作に相当する。

【0085】

直流電力ラインに流れる電流Ｉｐがゼロ電流となったことを検出すると、パンタグラフＰＴを非集電状態に遷移させるべく下降させる（ステップＣ１１）。直流電力ラインに流れる電流Ｉｐがゼロ電流のため、パンタグラフＰＴの下降に伴うアークは生じない。電流Ｉｐがゼロ電流となった時点で、直流電力ラインへの供給電力が、パンタグラフＰＴからの架線電力から、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電部ＢＴＵの放電電力にほぼ切り替わったことになる。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＣ１３）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが蓄電電圧Ｖｂａｔに収束する。

【0086】

次いで、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＣ１５）。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路との並列した２つの経路となる。２つの電力経路それぞれからの供給電圧は、何れも蓄電電圧Ｖｂａｔである。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止する（ステップＣ１７）。これにより、蓄電部ＢＴＵから直流電力ラインへの電力経路が、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路のみとなる。つまり、蓄電部ＢＴＵの放電電力（蓄電電圧Ｖｂａｔ）は、第１開閉装置ＳＷ１のみを介して直流電力ラインに供給されることになる。更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＣ１９）。

【0087】

その後、乗務員による運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＣ２１）。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態であった場合にも投入される。その結果、蓄電部ＢＴＵと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力経路が開通して、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0088】

最終的な蓄電池モードは、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ及び補機回路ＸＭＣに供給する形態となるが、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへ切り替える過程においては、補機回路ＸＭＣの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を補機回路ＸＭＣに供給する形態とすることができる。架線ハイブリッドモードと蓄電池モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機Ｍに駆動電力を供給する必要はない。したがって、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0089】

１．３．４ 蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え
図１２は、蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え制御手順を説明するフローチャートである。蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替えは、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替えと同様に、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0090】

蓄電池モードでは、第２開閉装置ＳＷ２が開放され、第１開閉装置ＳＷ１が投入された状態にある（ステップＤ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0091】

制御部ＣＴＲは、架線ハイブリッドモードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＤ３）。架線ハイブリッドモードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、予め定められた架線ハイブリッドモードに切り替える地点に電気車が到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、蓄電部ＢＴＵから充放電電圧変換回路ＰＣの一次側までの電力経路が開通する。次に、第３開閉装置ＳＷ３が投入状態にある場合はそれを維持する。第３開閉装置ＳＷ３が投入状態でなければ投入する（ステップＤ５）。

【0092】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣに放電電圧変換動作を開始させて一次側の通流率を「１（全開）」に変更して（ステップＤ７）、二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を一次側（一方側）に放電させる。これにより、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとの電力経路が、第１開閉装置ＳＷを経由する経路と、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路との並列した２つの経路となる。

【0093】

続いて、制御部ＣＴＲは第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＤ９）。第１開閉装置ＳＷ１を開放することで、蓄電部ＢＴＵの放電電力の供給経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路のみとなる。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の昇圧動作を開始させる（ステップＤ１１）。そして、一次側電圧ＶＤＣ１および中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが架線電圧Ｖｐの公称値より高い所定値（例えば、６５０Ｖ）まで上昇したならば、充放電電圧変換回路ＰＣによる直流電力ライン電流ゼロ制御を開始させる（ステップＤ１３）。この電流ゼロ制御は、通流率を制御することで、一次側の放電電流を徐々に増加させて、直流電力ラインに流れる電流、つまり、電流センサＣＴ１，ＣＴ２の検知電流Ｉ１，Ｉ２の合計電流をゼロ電流とする制御である。

【0094】

そして、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＤ１５）。なお、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させた直後は、架線電圧Ｖｐの公称値と実際の値とが多少は異なることから、ダイオードＤ１による架線側への流出防止機能により、直流電力ラインへの架線電流の過渡的な流入のみが発生する場合があるが、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐの公称値より高くなっていることから流入電流の値を低く抑えつつ、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の直流電力ライン電流ゼロ制御によって、補機回路ＸＭＣへの供給電圧を実際の架線電圧Ｖｐに収束させることができる。補機回路ＸＭＣへの供給電圧が架線電圧Ｖｐに収束したと判断すると、充放電電圧変換回路ＰＣの電流ゼロ制御を停止させる（ステップＤ１７）。これにより、直流電力ラインへの供給電力が、全て架線電力に切り替わる。

【0095】

続いて、制御部ＣＴＲは、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上であるならば（ステップＤ１９：ＹＥＳ）、短絡開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＤ２１）。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の充電動作を開始させる（ステップＤ２３）。この充電動作は、二次側の第２昇降圧回路の通流率を調整することで、二次側の電流（充電電流）を制御する動作である。一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）より二次側電圧ＶＤＣ２（蓄電電圧Ｖｂａｔに相当）のほうが低いので、充放電電圧変換回路ＰＣの通流方向は一次側から二次側に向かう方向（充電方向）となる。また、この充電動作は、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側（一方側）に供給される直流電力ラインからの電力を二次側（他方側）に変換して出力させる充電電圧変換動作である。そして、充電動作によって蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）まで上昇すると、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＤ２５）。次いで、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＤ２７）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を再投入する（ステップＤ２９）。

【0096】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ未満ならば（ステップＤ１９：ＮＯ）、制御部ＣＴＲは第１開閉装置ＳＷ１を再投入する（ステップＤ３１）。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の動作を停止させる（ステップＤ３３）。

【0097】

更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＤ３５）。

【0098】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行うと、続いて、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＤ３７）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる架線電力および蓄電部ＢＴＵからの蓄電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0099】

なお、蓄電電圧Ｖｂａｔが充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１より低い場合には、充放電電圧変換回路ＰＣによる蓄電部ＢＴＵの充電を継続したまま、電気車の走行を開始することができる。すなわち、充放電電圧変換回路の二次側の充電動作を開始させた後（ステップＤ２３）、蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１まで上昇するのを待たずに、ステップＤ２５～Ｄ２９をスキップして、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＤ３５）。この場合、直流電力ラインから充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路で蓄電部ＢＴＵを充電することから、Ｐ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができる。また、回生電力は、ステップＤ２１で投入されている短絡開閉装置ＳＷＳを経由して架線に戻される。

【0100】

そして、電気車の走行中に、充電によって蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより高い所定値まで上昇すると、制御部ＣＴＲは、スキップしたステップＤ２５～Ｄ２９、つまり、充放電電圧変換回路ＰＣの動作の停止（ステップＤ２５）、短絡開閉装置ＳＷＳの開放（ステップＤ２７）、第１開閉装置ＳＷ１の再投入（ステップＤ２９）、を順に実行する。これにより、架線ハイブリッドモードとなり、蓄電部ＢＴＵは浮動充電状態となる。

【0101】

最終的な架線ハイブリッドモードは、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路は充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない経路となるが、蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへ切り替える過程においては、補機回路ＸＭＣの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を補機回路ＸＭＣに供給する形態とすることができる。蓄電池モードと架線ハイブリッドモードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機Ｍに駆動電力を供給する必要はない。したがって、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0102】

１．３．５ 架線ハイブリッドモードでシステム停止
図１３は、架線ハイブリッドモードで電源システムＰＳ１を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ１の停止は、電気車の停車時に行われる。架線ハイブリッドモードでは、第１開閉装置ＳＷ１、および第３開閉装置ＳＷ３が投入されている。第２開閉装置ＳＷ２は、蓄電部ＢＴＵのＥ形蓄電池ＢＴ２を充電中ならば投入され、そうでないならば開放されている（ステップＥ１）。

【0103】

先ず、乗務員により運転台の前進後進スイッチが中立位置に操作されることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することで、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することで、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（ステップＥ３）。次に、運転台のパンタグラフＰＴの下降スイッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＭＷに開閉指示信号Ｎを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＭＷに開閉指示信号Ｎを出力することによって、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を開放する（ステップＥ５）。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＥ７）。これにより、直流電力ラインへのパンタグラフＰＴからの架線電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。

【0104】

その後、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から、または制御部ＣＲＴからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、制御部ＣＴＲは、主開閉装置ＳＷＭを開放した後（ステップＥ９）、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＥ１１）。これにより、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳ１が停止する。

【0105】

１．３．６ 蓄電池モードでシステム停止
図１４は、蓄電池モードで電源システムＰＳ１を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ１の停止は、電気車の停車時に行われる。蓄電池モードでは、第１開閉装置ＳＷ１が投入され、第２開閉装置ＳＷ２が開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＦ１）。

【0106】

先ず、例えば運転台の蓄電池投入スイッチの手動オフにより、制御部ＣＴＲは第３開閉装置ＳＷ３を開放する（ステップＦ３）。続いて、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＦ５）。これにより、直流電力ラインへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。その後、主開閉装置ＳＷＭを開放する（ステップＦ７）。これにより、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳ１が停止する。

【0107】

１．３．７ 純架線モードで起動
図１５は、停止している電源システムＰＳ１を純架線モードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ１が停止しているので電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0108】

運転台のパンタグラフＰＴの上昇スイッチが扱われることによりパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐが出力されて、または制御部ＣＴＲがパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することによって、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＧ１）。次に、制御部ＣＴＲは、パンタグラフＰＴが上昇状態にあることを検知して、短絡開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＧ３）。

【0109】

そして、運転台の前進後進スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、主開閉装置ＳＷＭを投入する（ステップＧ５）。主開閉装置ＳＷＭが投入されることで、パンタグラフＰＴによる架線電力（架線電圧Ｖｐ）が直流電力ラインに供給され、補機類が動作を開始することができる。

【0110】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われたことで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＧ７）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる架線電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0111】

そして、電気車の走行中に充電開始のトリガを検知すると（ステップＧ９）、制御部ＣＴＲは第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＧ１１）。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、直流電力ラインと充放電電圧変換回路ＰＣの一次側とを結ぶ電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐとなる。充電開始のトリガとしては、蓄電部ＢＴＵの蓄電電圧Ｖｂａｔを所定の蓄電開始閾値と比較することによる検知や、充電残量ＳＯＣを所定の蓄電開始閾値と比較することによる検知、あるいは電気車が充電を開始する地点として予め定められた地点に到達したことを検知したり、電気車が充電を開始する時刻として予め定められた時刻に達したことを検知するといった充電を開始させることを示す検知をトリガとすることが考えられる。

【0112】

次いで、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＧ１３）。第３開閉装置ＳＷ３を投入することで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側と蓄電部ＢＴＵとを結ぶ電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の電力（蓄電電圧Ｖｂａｔ）が蓄電部ＢＴＵに供給されて蓄電部ＢＴＵの充電が開始される。以降は、充放電電圧変換回路ＰＣの通流率を調整することで、蓄電部ＢＴＵの充電電流である二次側の電流の制御（充電動作）を行うことができる（ステップＧ１５）。

【0113】

その後、充電完了のトリガを検知すると（ステップＧ１７）、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＧ１９）。そして、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＧ２１）。充電完了のトリガは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電圧Ｖｂａｔを所定の充電完了閾値と比較することによる検知や、充電残量ＳＯＣを所定の充電完了閾値と比較することによる検知、あるいは電気車が充電を完了する地点として予め定められた地点に到達したことを検知したり、電気車が充電を完了する時刻として予め定められた時刻に達したことを検知するといった充電を完了させることを示す検知をトリガとすることが考えられる。

【0114】

１．３．８ 純架線モードから蓄電池モードへの切り替え
図１６は、純架線モードから蓄電池モードへ切り替える際の制御手順を説明するフローチャートである。純架線モードから蓄電池モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0115】

純架線モードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２が開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＨ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0116】

制御部ＣＴＲは、蓄電池モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＨ３）。第２開閉装置ＳＷ２が投入されることにより、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐとなる。蓄電池モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。

【0117】

次いで、充放電電圧変換回路ＰＣに直流電力ライン電流ゼロ制御を開始させる（ステップＨ５）。この電流ゼロ制御は、通流率を調整することで、一次側の電流（放電電流）を徐々に増加させることで、直流電力ラインに流れる電流Ｉｐをゼロ電流とする制御である。充放電電圧変換回路ＰＣからの放電電流の増加に伴い、補機回路ＸＭＣへの供給電力のうちのパンタグラフＰＴからの架線電力の割合が減少することから、直流電力ラインの電流Ｉｐが減少することになる。直流電力ラインの電流Ｉｐは、電流センサＣＴ１，ＣＴ２のそれぞれの検知電流Ｉ１，Ｉ２の合計電流である。

【0118】

制御部ＣＴＲは、直流電力ラインに流れる電流Ｉｐがゼロ電流となったことを検出すると、パンタグラフＰＴを非集電状態に遷移させるべく下降させる（ステップＨ７）。電流Ｉｐがゼロ電流となった時点で、直流電力ラインへの供給電力が、パンタグラフＰＴからの架線電力から、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電部ＢＴＵの放電電力にほぼ切り替わったことになる。ゼロ電流のため、パンタグラフＰＴの下降に伴うアークは生じない。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の第１昇降圧回路の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＨ９）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が、蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。

【0119】

次いで、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＨ１１）。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路との並列した２つの経路となる。２つの電力経路それぞれからの供給電圧は、何れも蓄電電圧Ｖｂａｔである。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止する（ステップＨ１３）。続いて、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＨ１５）。これにより、蓄電部ＢＴＵから直流電力ラインへの電力経路が、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路のみとなる。つまり、蓄電部ＢＴＵの放電電力（蓄電電圧Ｖｂａｔ）は、第１開閉装置ＳＷ１のみを介して直流電力ラインに供給されることになる。

【0120】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われることで主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＨ１７）。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態であった場合にも投入される。その結果、蓄電部ＢＴＵと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力経路が開通して、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0121】

１．３．９ 蓄電池モードから純架線モードへの切り替え
図１７は、蓄電池モードから純架線モードへ切り替える際の制御手順を説明するフローチャートである。蓄電池モードから純架線モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0122】

蓄電池モードでは、第１開閉装置ＳＷ１が投入され、第２開閉装置ＳＷ２が開放された状態にある（ステップＩ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0123】

制御部ＣＴＲは、純架線モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＩ３）。純架線モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、電気車が純架線モードへ切り替える地点として予め定められた地点に到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、蓄電部ＢＴＵから充放電電圧変換回路ＰＣの一次側までの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。

【0124】

次に、第３開閉装置ＳＷ３が投入状態にあるならばそれを維持する。第３開閉装置ＳＷ３が投入状態でないならば投入する（ステップＩ５）。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣに放電電圧変換動作を開始させて一次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＩ７）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が一次側（一方側）に放電されることになり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路と、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路との並列した２つの経路となる。

【0125】

次いで、制御部ＣＴＲは、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＩ９）。第１開閉装置ＳＷ１を開放することで、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路のみとなる。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の昇圧動作を開始させる（ステップＩ１１）。そして、一次側電圧ＶＤＣ１および中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが架線電圧Ｖｐの公称値より高い所定値（例えば、６５０Ｖ）まで上昇したならば、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の直流電力ライン電流ゼロ制御を開始させる（ステップＩ１３）。この電流ゼロ制御は、一次側の第１昇降圧回路の通流率を制御することで、一次側の放電電流を徐々に増加させて、直流電力ラインに流れる電流、つまり、電流センサＣＴ１，ＣＴ２の検知電流Ｉ１，Ｉ２の合計電流をゼロ電流とする制御である。

【0126】

そして、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＩ１５）。なお、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させた直後は、架線電圧Ｖｐの公称値と実際の値とが多少は異なることから、ダイオードＤ１による架線側への流出防止機能により、直流電力ラインへの架線電流の過渡的な流入のみが発生する場合があるが、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐの公称値より高くなっていること、および、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の直流電力ライン電流ゼロ制御によって、補機回路ＸＭＣへの供給電圧を実際の架線電圧Ｖｐに収束させることができる。

【0127】

補機回路ＸＭＣへの供給電圧が架線電圧Ｖｐに収束したと判断すると、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の電流ゼロ制御を停止させる（ステップＩ１７）。これにより、直流電力ラインへの供給電力が、全て架線電力に切り替わる。その後、主開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＩ１９）。これにより、回生電力は、短絡開閉装置ＳＷＳおよび主開閉装置ＳＷＭを介して架線に戻される。

【0128】

続いて、制御部ＣＴＲは、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上であるならば（ステップＩ２１：ＹＥＳ）、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の充電動作を開始させる（ステップＩ２３）。この充電動作は、二次側の第２昇降圧回路の通流率を調整することで、二次側の電流（充電電流）を制御する動作である。一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）より二次側電圧ＶＤＣ２（蓄電電圧Ｖｂａｔに相当）のほうが低いので、充放電電圧変換回路ＰＣの通流方向は一次側から二次側に向かう方向（充電方向）となる。また、この充電動作は、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側（一方側）に供給される直流電力ラインからの電力を二次側（他方側）に変換して出力させる充電電圧変換動作である。そして、充電動作によって蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）まで上昇すると、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＩ２５）。

【0129】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ未満ならば（ステップＩ２１：ＮＯ）、制御部ＣＴＲは、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の動作を停止させる（ステップＩ２５）。

【0130】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行った後、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＩ２７）。

【0131】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、制御部ＣＴＲは主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＩ２９）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴからの架線電力および蓄電部ＢＴＵからの蓄電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0132】

なお、蓄電電圧Ｖｂａｔが充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１より低い場合には、充放電電圧変換回路ＰＣによる蓄電部ＢＴＵの充電を継続したまま、電気車の走行を開始することができる。すなわち、充放電電圧変換回路の二次側の充電動作を開始させた後（ステップＩ２３）、蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１まで上昇するのを待たずに、ステップＩ２５とＩ２７をスキップして、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＩ２９）。この場合、直流電力ラインから充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路で蓄電部ＢＴＵを充電することから、Ｐ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができる。また、回生電力は、ステップＩ１９で投入されている短絡開閉装置ＳＷＳを経由して架線に戻される。

【0133】

そして、電気車の走行中に、充電によって蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより高い所定値まで上昇すると、制御部ＣＴＲは、スキップしたステップＩ２５とＩ２７、つまり、充放電電圧変換回路ＰＣの動作の停止（ステップＩ２５）、第１開閉装置ＳＷ１の開放（ステップＩ２７）を実行する。これにより、純架線モードとなり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が遮断される。

【0134】

１．３．１０ 純架線モードでシステム停止
図１８は、純架線モードで電源システムＰＳ１を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ１の停止は、電気車の停車時に行われる。純架線モードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２が開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＪ１）。

【0135】

先ず、乗務員により運転台の前進後進スイッチが中立位置に操作されることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、制御部ＣＴＲは主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（ステップＪ３）。次に、運転台のパンタグラフＰＴの下降スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が短絡開閉装置ＳＷＳに開閉指示信号ＷＳを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが短絡開閉装置ＳＷＳに開閉指示信号ＷＳを出力することによって、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＪ５）。

【0136】

その後、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から、または制御部ＣＲＴからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、制御部ＣＴＲは主開閉装置ＳＷＭを開放した後（ステップＪ７）、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＪ９）。これにより、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳ１が停止する。

【0137】

１．４ 作用効果
以上、第１実施例によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用の電源システムＰＳ１を実現することができる。具体的には、主回路および補機回路ＸＭＣが接続された直流電力ラインと、蓄電部ＢＴＵとを結ぶ電力経路として、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と経由しない経路とを備える構成としている。これにより、非電化区間を走行する際の蓄電池モードや、電化区間を走行する際の架線ハイブリッドモードにおいては、蓄電部ＢＴＵからの放電電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを介さずに主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢに供給することが可能となる。つまり、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0138】

また、追加電源システムＡＰＳによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

【0139】

更には、蓄電池モードへと架線ハイブリッドモードとへの切り替えの何れにおいても、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

【0140】

［第２実施例］
次に、第２実施例を説明する。なお、以下の第２実施例において、上述の第１実施例と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。

【0141】

２．１ システム構成
図１９は、第２実施例における電源システムＰＳ２の概略構成図である。この電源システムＰＳ２は、既存の直流電気車の電源システムに、図１の追加電源システムＡＰＳを追加設備した構成である。

【0142】

既存の電源システムは、上述の第１実施例と同様である。つまり、パンタグラフＰＴによって電車線から集電された架線電力が主開閉装置ＳＷＭを介して供給される直流電力ラインに、主電動機Ｍに係る回路である主回路（Ａ系主回路およびＢ系主回路）が接続されるとともに、パンタグラフＰＴから見て主開閉装置ＳＷＭの前段に、開閉装置ＳＷＸを介して補機回路ＸＭＣが接続された構成となっている。

【0143】

第２実施例の電源システムＰＳ２では、開閉装置ＳＷＸは常時“接続状態”とされる。また、充放電部ＣＤＵにおいて、内部結線用端子ＴＷ３，ＴＷ４間が結線され、内部結線用端子ＴＷ１，ＴＷ３間と、内部結線用端子ＴＷ２，ＴＷ４間とが開放される。

【0144】

したがって、蓄電部ＢＴＵは、第１開閉装置ＳＷ１を介して直流電力ラインに接続され、第３開閉装置ＳＷ３を介して充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に接続された状態となっている。また、開閉装置ＳＷＸは常時接続状態とされるので、補機回路ＸＭＣは、パンタグラフから見て主開閉装置ＳＷＭの前段に接続された状態、つまり、主開閉装置ＳＷＭを介さずにパンタグラフＰＴに接続されたとなっている。また、充放電電圧変換回路ＰＣは、一次側が、第２開閉装置ＳＷ２を介して補機回路ＸＭＣに接続され、二次側が、第３開閉装置ＳＷ３を介して蓄電部ＢＴＵに接続された状態となっている。

【0145】

２．２ 電源モード
第２実施例においても、上述の第１実施例と同様に、電源モードとして、架線ハイブリッドモード、蓄電池モード、純架線モード、の３種類のモードが切り替え可能である。それぞれの電源モードについて説明する。

【0146】

２．２．１ 架線ハイブリッドモード
架線ハイブリッドモードは、パンタグラフＰＴによって集電された架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行するとともに、蓄電部ＢＴＵを充電するモードであり、電化区間のみに適用可能なモードである。

【0147】

図２０は、架線ハイブリッドモードにおける電気の流れを示す図である。図２０において、通流状態にある経路を太線で示している。図２０に示すように、架線ハイブリッドモードでは、パンタグラフＰＴは上昇しており、主開閉装置ＳＷＭは投入され、短絡開閉装置ＳＷＳは開放されている。つまり、架線電力が直流電力ラインに供給され、この電力をもとに主回路が動作可能になっている。また、開閉装置ＳＷＸは常時接続状態であるので、補機回路ＸＭＣは、開閉装置ＳＷＸを介して供給される架線電力をもとに動作可能又は動作中である。

【0148】

また、第１開閉装置ＳＷ１が投入され、充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から第２開閉装置ＳＷ２のみを開放状態としても良い。つまり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路は、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない、第１開閉装置ＳＷ１を経由した経路が開通した状態にある。主回路は、直流電力ラインに供給される架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の両方をもとに動作可能になっている。補機回路ＸＭＣは、短絡開閉装置ＳＷＳが開放されているのでパンタグラフＰＴからの架線電力のみをもとに動作可能になっている。

【0149】

架線ハイブリッドモードでは、第１実施例と同様に、架線電圧Ｖｐと蓄電電圧Ｖｂａｔとが略等しく（Ｖｐ≒Ｖｂａｔ）なる方向に自然に充放電動作が発生し、蓄電部ＢＴＵは、架線電圧Ｖｐと蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じて自動的に放電および充電がなされる“浮動充電状態”となっている。つまり、力行時に、架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔより低くなると（Ｖｐ＜Ｖｂａｔ）、蓄電部ＢＴＵが放電して蓄電電力が直流電力ラインに供給され、逆に、蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより低くなると（Ｖｐ＞Ｖｂａｔ）、直流電力ラインに供給されている架線電力によって蓄電部ＢＴＵが充電される。この充電はＰ形蓄電池ＢＴ１のみとなる。また、全ての回生電力が蓄電部ＢＴＵ（詳細には、Ｐ形蓄電池ＢＴ１）に蓄電される。

【0150】

なお、架線ハイブリッドモードにおいてＥ形蓄電池ＢＴ２を架線電圧Ｖｐまで充電したい場合には、後述する純架線モードと同様に、充放電電圧変換回路ＰＣによって充電を行うことができる。すなわち、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を投入し、充放電電圧変換回路ＰＣに充電動作を行わせることで、開閉装置ＳＷＸおよび補機用追加接続線を介して供給される架線電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを経由して蓄電部ＢＴＵに蓄電させることができる。充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路であるので、蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができるとともに、架線電圧Ｖｐまで充電することができる。

【0151】

２．２．２ 蓄電池モード
蓄電池モードは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに走行するモードである。

【0152】

図２１は、蓄電池モードにおける電気の流れを示す図である。図２１において、通流状態にある経路を太線で示している。図２１に示すように、蓄電池モードでは、パンタグラフＰＴは下降しており、主開閉装置ＳＷＭおよび短絡開閉装置ＳＷＳは投入されている。また、第１開閉装置ＳＷ１は投入されており、充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から第２開閉装置ＳＷ２のみを開放状態としても良い。つまり、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路は、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない、第１開閉装置ＳＷ１を経由した経路が開通した状態にある。蓄電部ＢＴＵの蓄電電力をもとに、主回路および補機回路ＸＭＣが動作可能になっている。補機回路ＸＭＣへは、直流電力ライン、短絡開閉装置ＳＷＳ、主開閉装置ＳＷＭおよび開閉装置ＳＷＸを介して、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されている。

【0153】

蓄電部ＢＴＵの放電は、上述の架線ハイブリッドモードと同様に、先ずはＰ形蓄電池ＢＴ１が放電し、放電電圧の低下に応じて次にＥ形蓄電池ＢＴ２が放電する。また、回生時には、上述の架線ハイブリッドモードと同様に、全ての回生電力が蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１に蓄電されることになる。

【0154】

２．２．３ 純架線モード
純架線モードは、パンタグラフＰＴによる架線電力をもとに走行するモードであり、電化区間のみで適用可能なモードである。

【0155】

図２２は、純架線モードにおける電気の流れを示す図である。図２２において、通流状態にある経路を太実線で示している。図２２に示すように、純架線モードでは、パンタグラフＰＴは上昇しており、主開閉装置ＳＷＭおよび短絡開閉装置ＳＷＳは投入されている。補機回路ＸＭＣは、開閉装置ＳＷＸを介して供給されるパンタグラフＰＴからの架線電力をもとに動作可能になっており、主回路は、直流電力ラインに供給されるパンタグラフＰＴからの架線電力をもとに動作可能になっている。また、第２開閉装置ＳＷ２および第１開閉装置ＳＷ１は開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている。充放電電圧変換回路ＰＣは動作を停止している。回生電力は、短絡開閉装置ＳＷＳおよび主開閉装置ＳＷＭを介して架線に戻される。

【0156】

純架線モードでは、更に、任意のタイミングで蓄電部ＢＴＵの充電を行う。蓄電部ＢＴＵの充電に係る電流経路を太点線で示している。つまり、純架線モードにおいて、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を投入し、充放電電圧変換回路ＰＣに充電動作を行わせることで、開閉装置ＳＷＸおよび補機用追加接続線を介して供給されるパンタグラフＰＴからの架線電力が充放電電圧変換回路ＰＣを経由して蓄電部ＢＴＵに蓄電される。充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路であるので、蓄電部ＢＴＵのＰ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができる。

【0157】

２．３ 制御動作
次に、図２３～図３２を参照して制御部ＣＴＲによる電源モードの切り替えに関する制御動作を詳細に説明する。これらの電源モードの選択や切り替えは、運転台における乗務員の指示操作によって行われる。

【0158】

２．３．１ 架線ハイブリッドモードでの起動
図２３は、停止している電源システムＰＳ２を架線ハイブリッドモードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２が停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0159】

運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチの操作に応じてパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することにより、または制御部ＣＴＲがパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することにより、先ず、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＫ１）。パンタグラフＰＴが上昇されることで、架線電力（架線電圧Ｖｐ）が補機回路ＸＭＣに供給されて補機類が動作を開始することができる。次に、制御部ＣＴＲは、パンタグラフＰＴが上昇状態にあることを検知して、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＫ３）。このステップＫ３は、初期状態で開放となっていない場合に備えた念のためのステップである。

【0160】

その後、運転台の前進後進スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎが出力されることにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、主開閉装置ＳＷＭを投入する（ステップＫ５）。主開閉装置ＳＷＭが投入されることで、パンタグラフＰＴからの架線電力が直流電力ラインに供給される。

【0161】

次いで、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＫ７）。第２開閉装置ＳＷ２が投入されることで、パンタグラフＰＴから充放電電圧変換回路ＰＣの一次側までの電力経路が開通して、充放電電圧変換回路ＰＣの中間コンデンサＦＣＨに架線電圧Ｖｐが印加される。

【0162】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧ＶＤＣ１は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上（ＶＤＣ１≧Ｖｂａｔ）ならば（ステップＫ９：ＹＥＳ）、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＫ１１）。第３開閉装置ＳＷ３が投入されることで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側電圧ＶＤＣ２が、蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側に充電動作を開始させる（ステップＫ１３）。充電動作は、二次側電圧ＶＤＣ２（蓄電電圧Ｖｂａｔに相当）が一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）に等しくなるまで継続する。

【0163】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔより低い（ＶＤＣ１＜Ｖｂａｔ）ならば（ステップＫ９：ＮＯ）、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の第１昇降圧回路の昇圧動作を開始させる（ステップＫ１５）。そして、中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが蓄電電圧Ｖｂａｔまで上昇したならば、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＫ１７）。

【0164】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行った後、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＫ１９）。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＫ２１）。これにより、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が、第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路のみとなる。

【0165】

更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＫ２３）。

【0166】

その後、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＫ２５）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる架線電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0167】

２．３．２ 蓄電池モードで起動
図２４は、停止している電源システムＰＳ２を蓄電池モードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２が１停止しているので、電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0168】

制御部ＣＴＲは、蓄電池起動のトリガを検知すると、パンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力して、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＬ１）。蓄電池起動のトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作や蓄電池投入スイッチの操作による手動トリガとするなどが考えられる。次に、短絡開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＬ３）。このステップＬ３は、初期状態で開放となっていない場合に備えた念のためのステップである。

【0169】

次に、乗務員により運転台の前進後進スイッチが扱われると、制御部ＣＴＲは、主開閉装置ＳＷＭが開放されていることを確認して、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＬ５）。次いで、主開閉装置ＳＷＭを投入する（ステップＬ７）。これにより、蓄電部ＢＴＵの放電電力が補機回路ＸＭＣに供給されて補機類が動作を開始することができる。

【0170】

その後、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ、ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＬ９）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0171】

２．３．３ 架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え
図２５は、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替え制御手順を説明するフローチャートである。架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0172】

架線ハイブリッドモードでは、第１開閉装置ＳＷ１、第３開閉装置ＳＷ３および主開閉装置ＳＷＭが投入された状態となっている。第２開閉装置ＳＷ２は、蓄電部ＢＴＵのＥ形蓄電池ＢＴ２の充電中ならば投入され、そうでないならば開放されている（ステップＭ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、パンタグラフＰＴからの架線電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0173】

制御部ＣＴＲは、蓄電池モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＭ３）。これにより、架線電圧Ｖｐが充放電電圧変換回路ＰＣの一次側（一方側）に、蓄電電圧Ｖｂａｔ（より正確にはＥ形蓄電池ＢＴ２の電圧）が充放電電圧変換回路ＰＣの二次側（他方側）に、架線電圧Ｖｐと蓄電電圧Ｖｂａｔのいずれか高い値が中間コンデンサＦＣＨに印加される。蓄電池モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、予め定められた蓄電池モードに切り替える地点に電気車が到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。

【0174】

次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を開始させる（ステップＭ５）。この動作は、二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を一次側に変換して出力し、一次側電圧ＶＤＣ１を架線電圧Ｖｐとする電圧変換動作である。具体的には、電流センサＣＴ２で計測される補機回路ＸＭＣ側に流れ出る電流値Iｘが、補機回路ＸＭＣの最大許容電力を架線電圧Ｖｐの公称値で除した許容電流値の半分の値Ｉｈａｌｆとなる程度に、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１を調整して固定する制御を行う。これにより、補機回路ＸＭＣには、パンタグラフＰＴからの架線電力と、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電部ＢＴＵの蓄電電力とが供給された状態となり、何れの供給電力も架線電圧Ｖｐである。

【0175】

続いて、パンタグラフＰＴを非集電状態に遷移させるべく下降させる（ステップＭ７）。これにより、補機回路ＸＭＣに供給される電力は、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電部ＢＴＵの蓄電電力のみとなる。なお、架線電圧Ｖｐと充放電変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１とがほぼ同じ値で、かつ補機回路ＸＭＣへの供給電力の半分以上が充放電電圧変換回路ＰＣを経由して供給されていることから、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させる際のアーク発生は小さく抑えられる。

【0176】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＭ９）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。次に、短絡開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＭ１１）。これにより、蓄電部ＢＴＵと補機回路ＸＭＣとの電力経路が、第１開閉装置ＳＷ１および短絡開閉装置ＳＷＳを経由する経路と、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路との並列した２つの経路となる。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の動作を停止する（ステップＭ１３）。

【0177】

更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＭ１５）。

【0178】

その後、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＭ１７）。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態であった場合にも投入される。その結果、蓄電部ＢＴＵと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力ラインが開通して、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0179】

最終的な蓄電池モードは、充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ及び補機回路ＸＭＣに供給する形態となるが、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへ切り替える過程においては、補機回路ＸＭＣの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を補機回路ＸＭＣに供給する形態とすることができる。架線ハイブリッドモードと蓄電池モードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機Ｍに駆動電力を供給する必要はない。したがって、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0180】

２．３．４ 蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え
図２６は、蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替え制御手順を説明するフローチャートである。蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへの切り替えは、架線ハイブリッドモードから蓄電池モードへの切り替えと同様に、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0181】

蓄電池モードでは、第２開閉装置ＳＷ２が開放され、第１開閉装置ＳＷ１および短絡開閉装置ＳＷＳが投入された状態にある（ステップＮ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0182】

制御部ＣＴＲは、架線ハイブリッドモードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＮ３）。架線ハイブリッドモードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、予め定められた架線ハイブリッドモードに切り替える地点に電気車が到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。

【0183】

次に、第３開閉装置ＳＷ３が投入状態にある場合はそれを維持する。第３開閉装置ＳＷ３が投入状態でなければ投入する（ステップＮ５）。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣに放電電圧変換動作を開始させて一次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＮ７）。これにより、補機回路ＸＭＣへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給経路が、直流電力ラインを経由する経路と、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と、の２つになる。

【0184】

続いて、制御部ＣＴＲは、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＮ９）。第１開閉装置ＳＷ１を開放することで、補機回路ＸＭＣへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路のみとなる。そして、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＮ１１）。これにより、パンタグラフＰＴからの架線電力が補機回路ＸＭＣに供給される。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の動作を停止させる（ステップＮ１３）。これにより、補機回路ＸＭＣへの供給電力が架線電力のみとなる。なお、パンタグラフＰＴの上昇直後には、パンタグラフＰＴにおける架線電流の過渡的な流入／流出が発生するが、充放電変換回路ＰＣの一次側の第１昇降圧回路の動作停止（ステップＮ１３）によって中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨから架線側への電流流出は止まり、また架線電圧Ｖｐが蓄電電圧Ｖｂａｔよりも低い場合は、中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨが架線電圧Ｖｐまで瞬時に充電されることでそれ以降の流入は止まる。

【0185】

続いて、制御部ＣＴＲは、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上であるならば（ステップＮ１５：ＹＥＳ）、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の充電動作を開始させる（ステップＮ１７）。この充電動作が、一次側に供給される架線電力を一次側に変換して出力させる充電電圧変換動作である。そして、充電動作によって蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１（実際の架線電圧Ｖｐに相当）まで上昇すると、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＮ１９）。次いで、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＮ２１）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を再投入する（ステップＮ２３）。

【0186】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ未満ならば（ステップＮ１５：ＮＯ）、制御部ＣＴＲは、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＮ２５）。次に、第１開閉装置ＳＷ１を再投入する（ステップＮ２７）。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の動作を停止させる（ステップＮ２９）。

【0187】

更に、充放電電圧変換回路ＰＣの回路構成上、動作停止により充放電電圧変換回路ＰＣを経由した通流は抑止された状態となるため、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３は原理的には開放／投入の何れでも同じ状態にあるが、フェールセーフの観点から、第２開閉装置ＳＷ２を開放しても良い（ステップＮ３１）。

【0188】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行うと、続いて、乗務員により運転台にある主幹制御器のノッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＮ３３）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる架線電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0189】

なお、蓄電電圧Ｖｂａｔが充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１より低い場合には、充放電電圧変換回路ＰＣによる蓄電部ＢＴＵの充電を継続したまま、電気車の走行を開始することができる。すなわち、充放電電圧変換回路の二次側の充電動作を開始させた後（ステップＮ１７）、蓄電電圧Ｖｂａｔが一次側電圧ＶＤＣ１まで上昇するのを待たずに、ステップＮ１９～Ｎ２３をスキップして、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＮ３３）。この場合、パンタグラフＰＴから開閉装置ＳＷＸおよび充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路で蓄電部ＢＴＵを充電することから、Ｐ形蓄電池ＢＴ１およびＥ形蓄電池ＢＴ２の両方を充電することができる。また、回生電力は、ステップＤ２１で投入されている短絡開閉装置ＳＷＳを経由して架線に戻される。

【0190】

そして、電気車の走行中に、充電によって蓄電電圧Ｖｂａｔが架線電圧Ｖｐより高い所定値まで上昇すると、制御部ＣＴＲは、スキップしたステップＮ１９～Ｎ２３、つまり、充放電電圧変換回路ＰＣの動作の停止（ステップＮ１９）、短絡開閉装置ＳＷＳの開放（ステップＮ２１）、第１開閉装置ＳＷ１の再投入（ステップＮ２３）、を順に実行する。これにより、架線ハイブリッドモードとなり、蓄電部ＢＴＵは浮動充電状態となる。

【0191】

最終的な架線ハイブリッドモードは、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路は充放電電圧変換回路ＰＣを経由しない経路となるが、蓄電池モードから架線ハイブリッドモードへ切り替える過程においては、補機回路ＸＭＣの動作を継続させるために、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する電力経路を介して蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を補機回路ＸＭＣに供給する形態とすることができる。蓄電池モードと架線ハイブリッドモードとの切り替えは、停車時あるいは惰行時に行われるため、切り替えの過程では主電動機Ｍに駆動電力を供給する必要はない。したがって、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0192】

２．３．５ 架線ハイブリッドモードでシステム停止
図２７は、架線ハイブリッドモードで電源システムＰＳ２を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２の停止は、電気車の停車時に行われる。架線ハイブリッドモードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第３開閉装置ＳＷ３が投入されている。第２開閉装置ＳＷ２は、蓄電部ＢＴＵのＥ形蓄電池ＢＴ２の充電中ならば投入されており、そうでないならば開放されている（ステップＯ１）。

【0193】

先ず、乗務員により運転台の前進後進スイッチが中立位置に操作されることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することで、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することで、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（ステップＯ３）。次に、運転台のパンタグラフＰＴの下降スイッチが扱われることにより主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＭＷに開閉指示信号Ｎを出力することによって、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３を開放する（ステップＯ５）。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＯ７）。これにより、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の直流電力ラインへの供給が停止される。

【0194】

その後、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から、または制御部ＣＲＴからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、主開閉装置ＳＷＭを開放した後（ステップＯ９）、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＯ１１）。これにより、補機回路ＸＭＣへのパンタグラフＰＴからの架線電力の供給が停止されて補機類の動作が停止する。そして、電源システムＰＳ２が停止する。

【0195】

２．３．６ 蓄電池モードでシステム停止
図２８は、蓄電池モードで電源システムＰＳ２を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２の停止は、電気車の停車時に行われる。蓄電池モードでは、第１開閉装置ＳＷ１が投入され、第２開閉装置ＳＷ２が開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＰ１）。

【0196】

先ず、例えば運転台の蓄電池投入スイッチの手動オフにより、制御部ＣＴＲは第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＰ３）。続いて、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＰ５）。これにより、直流電力ラインへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給が遮断されて、補機類の動作が停止する。その後、主開閉装置ＳＷＭを開放する（ステップＰ７）。これにより、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳ２が停止する。

【0197】

２．３．７ 純架線モードで起動
図２９は、停止している電源システムＰＳ２を純架線モードで起動する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２が停止しているので電気車は停車しており、原則、主開閉装置ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各開閉装置は全て開放状態となっており、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ、補機回路ＸＭＣ、充放電電圧変換回路ＰＣの各回路も全て動作を停止している。

【0198】

運転台からのパンタグラフＰＴの上昇スイッチが扱われることによりパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐが出力されて、または制御部ＣＴＲがパンタグラフＰＴに状態遷移指示信号Ｐを出力することによって、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＱ１）。これにより、パンタグラフＰＴによる架線電力が補機回路ＸＭＣに供給されて補機類が動作を開始することができる。次に、制御部ＣＴＲは、パンタグラフＰＴが上昇状態にあることを検知して、短絡開閉装置ＳＷＳを投入する（ステップＱ３）。

【0199】

そして、運転台の前進後進スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＭに開閉指示信号Ｎを出力することにより、主開閉装置ＳＷＭを投入する（ステップＱ５）。主開閉装置ＳＷＭが投入されることで、パンタグラフＰＴによる架線電力が直流電力ラインに供給される。

【0200】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われたことで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することにより、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＱ７）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴによる架線電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0201】

そして、電気車の走行中に充電開始のトリガを検知すると（ステップＱ９）、制御部ＣＴＲは、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＱ１１）。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、パンタグラフＰＴによる架線電力が充放電電圧変換回路ＰＣの一次側に供給され、一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐとなる。充電開始のトリガとしては、蓄電部ＢＴＵの蓄電電圧Ｖｂａｔを所定の蓄電開始閾値と比較することによる検知や、充電残量ＳＯＣを所定の蓄電開始閾値と比較することによる検知、あるいは電気車が充電を開始する地点として予め定められた地点に到達したことを検知したり、電気車が充電を開始する時刻として予め定められた時刻に達したことを検知するといった充電を開始させることを示す検知をトリガとすることが考えられる。

【0202】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と、蓄電電圧Ｖｂａｔとを比較する。一次側電圧ＶＤＣ１は、実際の架線電圧Ｖｐに相当する。一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ以上（ＶＤＣ１≧Ｖｂａｔ）ならば（ステップＱ１３：ＹＥＳ）、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＱ１５）。第３開閉装置ＳＷ３を投入することで、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側と蓄電部ＢＴＵとを結ぶ電力経路が開通する。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の充電動作を開始させる（ステップＱ１７）。充電動作は、一次側に供給される架線電力を二次側に変換して出力する電圧変換動作であり、通流率を調整することで、蓄電部ＢＴＵの充電電流である二次側の電流を制御することができる。

【0203】

一方、一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔ未満（ＶＤＣ１＜Ｖｂａｔ）ならば（ステップＱ１３：ＮＯ）、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の昇圧動作を開始させて、中間コンデンサ電圧ＶＤＣＨを蓄電電圧Ｖｂａｔまで上昇させる（ステップＱ１９）。また、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＱ２１）。次いで、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＱ２３）。続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＱ２５）。

【0204】

このように充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１と蓄電電圧Ｖｂａｔとの大小に応じた制御を行う。その後、充電完了のトリガを検知すると（ステップＱ２７）、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止させる（ステップＱ２９）。そして、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＱ３１）。充電完了のトリガは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電圧Ｖｂａｔを所定の充電完了閾値と比較することによる検知や、充電残量ＳＯＣを所定の充電完了閾値と比較することによる検知、あるいは電気車が充電を完了する地点として予め定められた地点に到達したことを検知したり、電気車が充電を完了する時刻として予め定められた時刻に達したことを検知するといった充電を完了させることを示す検知をトリガとすることが考えられる。

【0205】

２．３．８ 純架線モードから蓄電池モードへの切り替え
図３０は、純架線モードから蓄電池モードへ切り替える際の制御手順を説明するフローチャートである。純架線モードから蓄電池モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0206】

純架線モードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２が開放され、主開閉装置ＳＷＭが投入された状態にある。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＲ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、架線電力および蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0207】

制御部ＣＴＲは、蓄電池モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＲ３）。次いで、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＲ５）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が架線電圧Ｖｐとなり、二次側電圧ＶＤＣ２が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。蓄電池モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、地点検知による自動トリガとしても良い。

【0208】

次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を開始させる（ステップＲ７）。この動作は、一次側電圧ＶＤＣ１を架線電圧Ｖｐに維持するように、二次側に供給される蓄電部ＢＴＵの蓄電電力を一次側に変換して出力する電圧変換動作である。これにより、補機回路ＸＭＣには、パンタグラフＰＴによる架線電力と、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力とが供給された状態となり、何れの供給電圧も架線電圧Ｖｐである。そして、パンタグラフＰＴを非集電状態に遷移させるべく下降させる（ステップＲ９）。これにより、補機回路ＸＭＣへの供給電力は、充放電電圧変換回路ＰＣを介した蓄電部ＢＴＵの蓄電電力のみとなる。

【0209】

続いて、充放電電圧変換回路ＰＣの通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＲ１１）。これにより、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔとなり、補機回路ＸＭＣへの蓄電電力の供給電圧が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を投入する（ステップＲ１５）。第１開閉装置ＳＷ１を投入することで、蓄電部ＢＴＵと直流電力ラインとを結ぶ電力経路が開通し、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が補機回路ＸＭＣに供給される。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの動作を停止する（ステップＲ１７）。これにより、蓄電部ＢＴＵから補機回路ＸＭＣへの電力経路が、直流電力ラインを経由する経路のみとなる。

【0210】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われることで主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂが出力されることによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＲ１９）。これにより、仮に主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放された状態であった場合にも投入される。その結果、蓄電部ＢＴＵと、Ａ系回路およびＢ系回路との電力ラインが開通して、蓄電部ＢＴＵの放電電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0211】

２．３．９ 蓄電池モードから純架線モードへの切り替え
図３１は、蓄電池モードから純架線モードへ切り替える際の制御手順を説明するフローチャートである。蓄電池モードから純架線モードへの切り替えは、電気車の停車時又は惰行時に行うことが可能であるが、以下では停車時に行うこととして説明する。

【0212】

蓄電池モードでは、第２開閉装置ＳＷ２が開放され、第１開閉装置ＳＷ１および短絡開閉装置ＳＷＳが投入された状態にある（ステップＳ１）。また、電気車は停車しており、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢが開放されて主回路は動作を停止しているが、補機回路ＸＭＣは、蓄電部ＢＴＵの蓄電電力が供給されて動作可能又は動作中となっている。

【0213】

制御部ＣＴＲは、純架線モードへの切り替えトリガを検知すると、先ず、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＳ３）。純架線モードへの切り替えトリガとしては、運転台に設けたモード選択スイッチの操作による手動トリガとしても良いし、電気車が純架線モードへ切り替える地点として予め定められた地点に到達したことを検知する地点検知による自動トリガとしても良い。第２開閉装置ＳＷ２を投入することで、蓄電部ＢＴＵから充放電電圧変換回路ＰＣの一次側までの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側電圧ＶＤＣ１が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。

【0214】

次に、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＳ５）。第３開閉装置ＳＷ３を投入することで、蓄電部ＢＴＵから充放電電圧変換回路ＰＣの二次側までの電力経路が開通し、充放電電圧変換回路ＰＣの二次側電圧ＶＤＣ２が蓄電電圧Ｖｂａｔとなる。そして、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の通流率を「１（全開）」に変更する（ステップＳ７）。これにより、補機回路ＸＭＣへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給経路が、直流電力ラインを経由する経路と、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と、の２つとなる。

【0215】

続いて、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＳ９）。第１開閉装置ＳＷ１を開放することで、補機回路ＸＭＣへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給経路が、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路のみとなる。そして、パンタグラフＰＴを集電状態へ遷移させるべく上昇させる（ステップＳ１１）。これにより、補機回路ＸＭＣに、パンタグラフＰＴによる架線電力が供給されるようになる。次いで、充放電電圧変換回路ＰＣの一次側の動作を停止させる（ステップＳ１３）。そして、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＳ１５）。これにより、補機回路ＸＭＣへの蓄電部ＢＴＵの蓄電電力の供給が停止され、補機回路ＸＭＣへの供給電力は架線電力のみとなる。

【0216】

その後、乗務員により運転台に設けられた主幹制御器のノッチが扱われると主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを投入する（ステップＳ１７）。これにより、Ａ系回路およびＢ系回路が直流電力ラインに接続され、パンタグラフＰＴからの架線電力が主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢへ供給されて主電動機Ｍの駆動が可能となる。

【0217】

２．３．１０ 純架線モードでシステム停止
図３２は、純架線モードで電源システムＰＳ２を停止する際の制御手順を説明するフローチャートである。電源システムＰＳ２の停止は、電気車の停車時に行われる。純架線モードでは、第１開閉装置ＳＷ１および第２開閉装置ＳＷ２は開放されている。第３開閉装置ＳＷ３は、起動以降にモードの切り替えまたは充放電電圧変換回路ＰＣを経由したＥ形蓄電池ＢＴ２の充電がなされている場合には投入され、そうでないならば開放されている（ステップＴ１）。

【0218】

先ず、乗務員により運転台の前進後進スイッチが中立位置に操作されることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、あるいは制御部ＣＴＲが主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢに開閉指示信号Ａ，Ｂを出力することによって、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを開放する（ステップＴ３）。次に、運転台のパンタグラフＰＴの下降スイッチが扱われることで主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部、あるいは制御部ＣＴＲよって、第３開閉装置ＳＷ３か開放されていなければ開放する（ステップＴ５）。続いて、短絡開閉装置ＳＷＳを開放する（ステップＴ７）。

【0219】

その後、主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部から、または制御部ＣＲＴからのパンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐにより、主開閉装置ＳＷＭを開放した後（ステップＴ９）、パンタグラフＰＴを非集電状態へ遷移させるべく下降させる（ステップＴ１１）。これにより、全ての開閉装置が開放状態となり、電源システムＰＳ２が停止する。

【0220】

２．４ 作用効果
以上、第２実施例によれば、非電化区間に対応するための必要艤装空間の低減を図る新たな電気車用の電源システムＰＳ２を実現することができる。具体的には、主回路が接続された直流電力ラインと、蓄電部ＢＴＵとを結ぶ電力経路として、充放電電圧変換回路ＰＣを経由する経路と経由しない経路とを備える構成としている。これにより、非電化区間を走行する際の蓄電池モードや、電化区間を走行する際の架線ハイブリッドモードにおいては、蓄電部ＢＴＵからの放電電力を、充放電電圧変換回路ＰＣを介さずに主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢに供給することが可能となる。つまり、充放電電圧変換回路ＰＣを、主電動機Ｍの駆動電力に対応する容量とする必要が無く、補機回路ＸＭＣの動作電力に対応する容量で済むため、その分の小型化を実現できる。

【0221】

また、追加電源システムＡＰＳによれば、電化区間にのみ対応していた電気車用電源システムの機器を利用して、非電化区間に対応可能となる。

【0222】

更には、蓄電池モードへと架線ハイブリッドモードとへの切り替えの何れにおいても、突流発生や電車線への逆流を防止しつつ、車内照明や空調などの補機動作を継続させたままの切り替えを実現することができる。

【0223】

［変形例］
なお、本発明を適用可能な形態は上述した実施形態に限られるものではない。例えば、蓄電部ＢＴＵは、Ｐ形蓄電池ＢＴ１と、Ｅ形蓄電池ＢＴ２との２種類を備える構成としたが、どちら１種類の蓄電池のみで構成することとしてもよい。その場合、削除する方の蓄電池およびダイオードＤ２を除いて、選択された１種類の蓄電池のみで蓄電部ＢＴＵを構成することができる。またその場合、Ｐ形蓄電池ＢＴ１とＥ形蓄電池ＢＴ２とのうち、好適にはＰ形蓄電池ＢＴ１で蓄電部ＢＴＵを構成すると良い。

【0224】

また、上述の実施形態では、主開閉装置ＳＷＭの開閉指示信号Ｎ、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢの開閉指示信号Ａ，Ｂを既存の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢの制御部に残したままとし、追加電源システムＡＰＳの制御部ＣＴＲにおいては、パンタグラフＰＴの状態遷移指示信号Ｐ、第１～第３開閉装置ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３それぞれの開閉指示信号Ｗ１～Ｗ３、電流センサＣＴの検知電流Ｉ、充放電電圧変換回路ＰＣの通流率制御信号Ｓ、を扱うものとして説明してきたが、制御部ＣＴＲが各信号を統合して扱っても良い。

【0225】

また、上述した実施形態では、直流電気車の電源システムとして説明したが、交流電気車に本発明を適用することも可能である。具体的には、直流電力ラインを、交流電気車の直流リンク部（変圧器およびＰＷＭ整流器によって電車線の交流電力が直流電力に変換された電力ライン）に見立てて、追加電源システムＡＰＳをその直流リンク部に追加する構成とすることで、非電化区間の走行を可能とすることができる。その場合、パンタグラフＰＴの集電状態／非集電状態の遷移とともに、ＰＷＭ整流器の動作／停止を制御すると好適である。

【符号の説明】

【0226】

ＰＳ１，ＰＳ２…電源システム
ＰＴ…パンタグラフ
ＳＷＭ，ＳＷＡ，ＳＷＢ…主開閉装置
ＦＬＡ，ＦＬＢ…主フィルタリアクトル
ＴＣＡ，ＴＣＢ…主変換回路
Ｍ…主電動機
ＳＷＸ…開閉装置
ＸＭＣ…補機回路
ＡＰＳ…追加電源システム
ＣＴＲ…制御部
ＲＡＳ…艤装機器類
ＲＣＵ…整流部
Ｄ１…ダイオード
ＳＷＳ…短絡開閉装置
ＢＴＵ…蓄電部
ＢＴ１…Ｐ形蓄電池
ＢＴ２…Ｅ形蓄電池
Ｄ２…ダイオード
ＣＤＵ…充放電部
ＰＣ…充放電電圧変換回路
ＳＷ１…第１開閉装置
ＳＷ２…第２開閉装置
ＳＷ３…第３開閉装置
ＣＴ１，ＣＴ２…電流センサ
ＴＣ１，ＴＣ２…接続端子部
ＴＷ１，ＴＷ２，ＴＷ３，ＴＷ４…内部結線用端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】