蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム
【課題】蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムにおいて、蓄電装置の充放電を制御する電力変換装置が装備されていることが多いが、電力変換装置はノイズ源となるばかりでなく高価である。一方、電力変換装置を設けない場合は、蓄電装置が過充電もしくは過放電となる。
【解決手段】本発明は、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間に蓄電装置と直列にダイオードとスイッチを有する電流制御回路を備え、蓄電装置が過充電もしくは過放電となるときに、スイッチを開路することにより、過充電もしくは過放電を防止することにより、蓄電装置のき電線直結方式の優位性を保ちつつ、懸念事項となっていた、き電線の電圧変動による蓄電装置の過充電・過放電を解決する。
【解決手段】本発明は、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間に蓄電装置と直列にダイオードとスイッチを有する電流制御回路を備え、蓄電装置が過充電もしくは過放電となるときに、スイッチを開路することにより、過充電もしくは過放電を防止することにより、蓄電装置のき電線直結方式の優位性を保ちつつ、懸念事項となっていた、き電線の電圧変動による蓄電装置の過充電・過放電を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道の架線に直流電力を供給するき電システムに関し、詳しくは、電気鉄道における電力貯蔵設備の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電気鉄道用変電所は、電力会社から供給される交流電力を直流電力に変換してき電線へ供給する。き電線に供給された直流電力は、空中架線を経由し、パンタグラフを通じて電気車両に供給される。あるいは、直流電力は、き電線から第三軌条を介して電気車両に供給される。電気車両は、供給された直流電力を、電気車両に搭載した電力制御装置を介して所定の交流電力に変換して、走行用のモータに供給し、そこで電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。
【０００３】
電気車両が消費するエネルギー量は車両の走行状態や走行路線の状況に応じて変化する。具体的には、加速時には電気車両に短時間に大電流が流れ、その結果、架線電圧または第三軌条電圧、さらにはき電線の電圧が一時的に降下する。一方、走行中の電気車両が減速する時には、回生ブレーキが作動して、走行用のモータは発電機となり架線等を経由して、線路上の他の電気車両に回生電力を送ろうとする。このとき、線路上に電力を必要とする電気車両があれば、その電気車両が回生電力を消費する。しかし、線路上に電力を必要とする電気車両がない場合は、回生電力は消費されず、架線等またはき電線の電圧は一時的に上昇する。
【０００４】
このような一時的な電圧の下降上昇に対応するために、近年、き電回路に蓄電池やキャパシタなどを用いた蓄電装置を接続し、き電回路で余剰となった回生電力を蓄電装置へ吸収させたり、逆にき電回路で電力が不足した場合に蓄電装置から放電させたりすることによって、回生電力エネルギーの有効利用や、き電回路の電圧を安定化させる技術が実用化されている。
【０００５】
特許文献１には、広大な面積を必要とせず、急速充放電特性に優れ、かつ廉価に製作できる電気鉄道用電力供給システムに関し、交流電力回線から受電する変圧器と変圧器に接続された整流装置と整流装置に接続されるき電線とを有する電気鉄道用変電所において、直流電力設備としてニッケル水素電池を有し、ニッケル水素電池がき電線に直結されてなる技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、エネルギー蓄積装置として、電気車からの回生電力を単に電池に蓄積して回生するのみでは、装置の利用効率及び設備効率が劣るため、これを解決するために、昇降圧チョッパは、き電線電圧が充電制御設定電圧以上にあるときにき電線から直流電力貯蔵装置への充電電流を制御し、き電線電圧が放電制御設定電圧以下にあるときに直流電力貯蔵装置からき電線への放電電流を制御するのに、直流電力貯蔵装置の電圧のうち、き電線への充放電に寄与しない電圧分を低くして所期の充放電電圧を得る高い昇降圧比にする。ストッパースイッチは直流電力貯蔵装置から昇降圧チョッパを通してき電線側への自然放電を阻止する。フィルタコンデンサとリアクトルは昇降圧チョッパからき電線側に流れる高調波を抑止する。電流検出器は昇降圧チョッパの充放電電流を制御するための電流検出を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００９／１０７７１５号公報
【特許文献２】特開２００１−２６０７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気鉄道用電力供給において、蓄電装置をき電線に接続する方法として、大別して、次の２つの方法がある。第１の方法は、図１の概略構成図に示す方法であり、昇降圧チョッパ等からなる電力変換装置１０９を介して蓄電装置１０５をき電線１０６に接続する（例えば特許文献２）。第２の方法は、図２の概略構成図に示す方法であり、電力変換装置を介さず蓄電装置１０５をき電線１０６に直接接続する（例えば特許文献１）。
【０００９】
電気車両１０１は、き電線１０６から架線１０２を介して電力の供給を受け走行を行い、回生ブレーキが作動時は走行用モータ１０４が発電機となり発生した回生電力はき電線１０６を介して変電所に送られて、図１の場合は電力変換装置１０９を介して、図２の場合は直接、蓄電装置１０５を充電することとなる。
【００１０】
第１の方法（図１）において、電力変換装置１０９は、その入出力電圧を自在に調節する機能を有する。例えばき電線１０６の電圧が大きく変動し蓄電装置１０５の電圧と大きく乖離した場合も、電力変換装置１０９によって蓄電装置１０５の電圧を、き電線１０６の電圧に適合するよう制御することができる。すなわち、蓄電装置１０５の充電電流・放電電流を自在に調整することが可能である。
【００１１】
その反面、電力変換装置１０９には制御時間遅れが発生するため、常に変動するき電線１０６の電圧に対し正確に追従制御させることが難しく蓄電装置１０５の性能を十分に発揮させるのは困難である。また、電力変換装置１０９の昇降圧チョッパから発生する高調波ノイズ等によって信号設備や車両制御装置等に電磁障害を引き起こす恐れがある。更に、第１の方法（図１）は、第２の方法（図２）と比較すると電力変換装置１０９が高価であり、システムが複雑となるため、メンテナンス負担の増大も懸念される。
【００１２】
それに対し第２の方法（図２）は、き電線１０６と蓄電装置１０５が直結されており、昇降圧チョッパなどの電力変換装置が存在しないため、第１の方法（図１）で懸念される問題は無く、蓄電装置１０５の充電・放電性能を最大限発揮させることが可能である。
【００１３】
その反面、き電線１０６と蓄電装置１０５が直結状態であるが故、き電線１０６の電圧が大きく変動し両者間の電圧が大きく乖離した場合、蓄電装置１０５の蓄電池が過放電、または過充電に陥る可能性がある。
【００１４】
この過充電や過放電は、蓄電池の寿命に大きな影響を及ぼす恐れがあり、回避しなければならないが、従来技術では、高速度遮断器１０８（ＨＳＣＢ）を作動させて蓄電装置１０５をき電線１０６から切り離していた。すなわち蓄電装置１０５の機能を停止させる以外他の方法が無かった。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高価で高調波ノイズ源となる電力変換装置を用いることなく、かつ、蓄電装置を構成する蓄電池の過充電、過放電の生じる恐れの無い電気鉄道用のき電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記した目的を達成するために、本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、蓄電装置を有する電気鉄道のき電システムにおいて、前記蓄電装置には電圧を調節する電力変換装置が設けられておらず、かつ、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間に前記蓄電装置と直列にダイオードとスイッチを配した電流制御回路を有することを特徴とする（ＣＬ１）。
【００１７】
き電システムは、き電線、蓄電装置、高速度遮断器、電流制御回路および電池監視装置を主な構成要素として有している。なお、受電用の変圧器や整流装置、蓄電装置を充電するための充電装置が含まれていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、き電線と蓄電装置の電圧の相違を調節するための電力変換装置が蓄電装置に設けられていない。電力変換装置は、蓄電装置の端子電圧（出力電圧）が、き電線の電圧に適合するように調節する。電流制御回路はダイオードとスイッチとを主な構成素子としている。電流制御回路は、蓄電装置の正電位側に接続されていても、負電位側に接続されていてもよい。蓄電装置は二次電池の集合体であってもよく、また、電気二重層キャパシターであってもよい。
【００１９】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が前記蓄電装置に流れる電流の通流／遮断を行うことが好ましい（ＣＬ２）。
【００２０】
この構成によれば、電流制御回路は電流の遮断もしくは通流を行う。電流を遮断すれば、電流制御回路と直列に接続された蓄電装置には電流が流れない。電流の通流を行えば、蓄電装置には電流が流れることとなる。ここに、電流の遮断はスイッチによって行うことが可能であるが、ダイオードによっても行うことが可能である。ダイオードは逆バイアス状態になれば、電流を遮断する。また、順バイアス状態となれば、電流は通流する。
【００２１】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が前記ダイオードと前記スイッチの並列回路で構成される（ＣＬ３）。
【００２２】
この構成によれば、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの接続方向に関係なく、電流を通流させる。スイッチが開路しておれば、ダイオードのバイアス状況により電流が遮断されもしくは通流する。
【００２３】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路において、前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される（ＣＬ４）。
【００２４】
この構成によれば、ダイオードのアノードが蓄電装置の負電位側に接続され、カソードが帰線に接続されているか、もしくは、ダイオードのアノードがき電線に接続され、カソードが蓄電装置の正電位側に接続されている。そして、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの存在に関係なく、電流を通流させる。一方、スイッチが開路しておれば、蓄電装置を充電する方向でのみ電流が流れ、放電する方向の電流は遮断される。
【００２５】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路において、前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される（ＣＬ５）。
【００２６】
この構成によれば、ダイオードのカソードが蓄電装置の負電位側に接続され、アノードが帰線に接続されているか、もしくは、ダイオードのカソードがき電線に接続され、アノードが蓄電装置の正電位側に接続されている。そして、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの存在に関係なく、電流を通流させる。一方、スイッチが開路しておれば、蓄電装置が放電する方向でのみ電流が流れ、充電する方向の電流は遮断される。
【００２７】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記スイッチがパワー半導体素子であることが好ましい（ＣＬ６）。
【００２８】
この構成によれば、スイッチに半導体素子を使用するので、機械的な接点を有しないので、保守作業が簡便化される。
【００２９】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムにおいて、前記電流制御回路が、第１ダイオードと第１スイッチを直列に接続した第１回路と第２ダイオードと第２スイッチを直列に接続した第２回路を並列に接続した回路であって、第１ダイオードは前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されており、第２ダイオードは前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に接続されている（ＣＬ７）。
【００３０】
この構成によれば、スイッチとダイオードが直列に接続された回路を並列に接続して、一方のダイオードと他方のダイオードのバイアスの向きが反対になっている。
【００３１】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が２台のサイリスタの並列接続より構成される（ＣＬ８）。この構成によれば、並列に接続された一方のサイリスタと他方のサイリスタのバイアスの向きが反対になっている。
【００３２】
本発明に係る電流制御回路は、スイッチと前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されたダイオードが並列に接続されている（ＣＬ９）。
【発明の効果】
【００３３】
図１に示すような高価な昇降圧チョッパ等の電力変換装置を用いることなく、図２に示すように蓄電装置をき電線に直結する優位性を維持したまま、従来技術で問題となっていた、き電線の電圧が大きく変動する場合に蓄電装置が過放電・過充電するという問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電力変換装置を介して蓄電装置がき電線に接続される従来技術のき電システムの概略構成図である。
【図２】蓄電装置が電力変換装置を介さずに、き電線に接続される従来技術のき電システムの概略構成図である。
【図３】本発明の第1の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図４】蓄電装置に用いた蓄電池の電圧−ＳＯＣ特性の一例を示す図面である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態を、図３に示す概略構成図を用いて説明する。
図３に示すき電システム９は、き電線６、蓄電装置５、高速度遮断器８、電流制御回路１１および電池監視装置１０を主な構成要素として有している。すなわち、
【００３７】
蓄電装置５にはその電圧を調整する電力変換装置の代わりに、電流制御回路１１が、き電システムの正の電位を有するき電線６と負の電位を有する帰線７の間に蓄電装置５と直列に接続されている。そして、蓄電装置５からの直流電力は、電流制御回路１１の状態に応じて、き電線６を介して電気車両１に供給可能になっていて、また、回生電力が蓄電装置５に吸収可能に構成されている。
【００３８】
蓄電装置５は、複数個の単位蓄電池（セル）を直列接続して構成されている。本実施形態では、き電線６の電圧が最大電圧を持続した場合においても蓄電装置５が過充電とならないように、単位蓄電池の直列数が選定されている。
【００３９】
電流制御回路１１には、蓄電装置５と直列に放電方向の電流を阻止するダイオード１２と、ダイオード１２と並列に開閉器１３が設けられている。具体的には、ダイオード１２のアノードが蓄電装置５の負電位側に接続され、ダイオード１２のカソードが高速度遮断器８を介して、き電システム９の帰線７に接続されている。
【００４０】
電池監視装置１０は、蓄電装置５に取り付けられた各種計測器（図示せず）からの信号を配線１６を介して電池監視装置１０に読み込み、蓄電装置５の状態監視を行う。電池監視装置１０に読み込まれる状態量としては、単位蓄電池の電圧（セル電圧）、蓄電装置５の温度、圧力および電流がある。状態監視において、蓄電装置５の異常が検知されれば、警報を出力する。更に、異常が進めば、配線１８を介して高速度遮断器８を開放して、蓄電装置５の緊急停止を行う。
【００４１】
また電池監視装置１０は、高速度遮断器８や電流制御回路１１の構成要素である開閉器１３の開閉制御を行うと共に、電流値等の状態量から蓄電装置５のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の計算を行う。なお、開閉器１３として遮断器、もしくはサイリスタやＩＧＢＴ等の半導体素子を採用してもよい。
【００４２】
次に、図３に示す第１の実施形態の動作を説明する。
本実施形態において、き電システムの定格電圧は６００Ｖであり、想定される最大電圧を６６０Ｖとする。
【００４３】
本実施形態で使用する蓄電装置５の蓄電池のＳＯＣ特性を図４に示す。ＳＯＣとは蓄電池の充電状態を示す量であり、１００％が満充電状態、０％が完全放電状態を示す。すなわち、１００％以上は過充電、０％以下は過放電状態であることを意味する。
【００４４】
図４から、蓄電装置５が過充電・過放電とならないセル電圧を読み取ると、過充電とならない最大許容電圧はＳＯＣ１００％時において約１．４５Ｖ／セル、過放電とならない最小許容電圧はＳＯＣ０％において約１．２５Ｖ／セルであることがわかる。
【００４５】
ここで、想定される最大電圧６６０Ｖが持続した場合においても過充電とならない蓄電装置５の直列セル数を求めると、数１から、４５５．２セル以上必要であることがわかる。この結果から、図３の本実施形態では、蓄電装置５の単位蓄電池の直列数は４５６セルとした。
【００４６】
【数１】
【００４７】
次に、蓄電池が最低許容電圧となるき電線６の電圧を求めると、数２から、５７０Ｖとなる。すなわち、図３の本実施形態では、き電線６の電圧が持続的に５７０Ｖを下回る場合は、蓄電装置５は過放電に陥ることになる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
図３の実施形態において、開閉器１３が投入されている状態では従来技術である図２と同一回路構成となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は制限を受けることなく充放電を繰り返す。すなわち、
【００５０】
蓄電装置５からの電流は、き電線６から架線２を介して電気車両１に供給されて、電気車両１が走行する。回生ブレーキが作動時は走行用モータ４が発電機となり、発生した回生電力はき電線６を介してき電システム９に送られて、蓄電装置５を充電する。
【００５１】
ここで、き電線６の電圧が数２で求められた５７０Ｖを下回る状態が継続し、電池監視装置１０が蓄電装置５の過放電、すなわちＳＯＣ０％を検出した場合、電池監視装置１０は配線１７を介して開閉器１３を開放する。開閉器１３が開放状態でも、き電線６から流入する回生電力等はダイオード１２を通して蓄電装置５へ吸収される。しかし、放電方向の電流はダイオード１２によって阻止されるため放電されなくなる。すなわち、蓄電装置５は充電のみが行われるため、蓄電装置５の過放電は防止される。
【００５２】
その後、蓄電装置５が充電されて、例えば蓄電池のＳＯＣが１０％以上まで回復し過放電の恐れが無くなったと判断されると、開閉器１３を再投入する。開閉器１３を再投入すると、従来技術である図２と同等の回路となる。
【００５３】
なお、開閉器１３の開放条件として、蓄電池のＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧低下を条件としてもよい。同様に、開閉器１３を再投入する条件として、ＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧上昇を条件としてもよい。
【００５４】
図３の本実施形態の場合、開閉器１３が開放されている間もき電線６から蓄電装置５への充電は引き続き行われるため、余剰となった回生電力を吸収することを主目的とした蓄電装置５として有効に動作する。また、開閉器１３の開閉制御に用いるＳＯＣ値を任意に設定することも可能であるため、蓄電装置５を任意のＳＯＣ以上に維持することが出来る、すなわち、変電所停電時のき電線６への非常給電を目的とした蓄電装置５としても有効である。例えば、ＳＯＣ７０％以下を検出した場合に開閉器１３を開放する制御とすれば、蓄電装置５のＳＯＣは常時７０％以上に維持することができるため、万一、変電所が停電した場合にも、蓄電装置５からき電線６へＳＯＣ７０％分の電力を供給することが可能となり、その電力を使用して線路上の電気車両を走行させることができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図５に示す。
蓄電装置５は、き電線６の電圧が最低電圧を持続した場合にも過放電とならないように、単位蓄電池の直列数が選定されている。
【００５６】
電流制御回路２１には、蓄電装置５と直列に充電方向の電流を阻止するダイオード２２と、ダイオード２２と並列に開閉器２３が設けられている。具体的には、ダイオード２２のカソードが蓄電装置５の負電位側に接続され、ダイオード２２のアノードが高速度遮断器８を介して、き電システム９の帰線７に接続されている。
【００５７】
電池監視装置１０は、図３の本発明の第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、本発明の第１の実施形態と同様、開閉器２３の代わりに遮断器、もしくはサイリスタやＩＧＢＴなどの半導体素子を採用しても良い。
【００５８】
図５に示す本発明の第２の実施形態の動作について説明する。本実施形態において、き電線６の電圧の定格電圧は６００Ｖであり、想定される最低電圧を５６０Ｖとした。
【００５９】
また、第１の実施形態と同じく、使用する単位蓄電池の過充電とならない最大許容電圧を１．４５Ｖ／セル、過放電とならない最小許容電圧を１．２５Ｖ／セルであることが図４からわかる。
【００６０】
ここで、最低電圧５６０Ｖが持続した場合にも、蓄電装置５が過放電とならない直列セル数を求めると、数３から、４４８セル以下とする必要があることがわかる。この結果から、本実施形態では、蓄電装置５の単位蓄電池の直列数を４４８セルとした。
【００６１】
【数３】
【００６２】
次に、蓄電池が最大許容電圧となるき電線６の電圧を求めると、数４から、６４９．６Ｖとなる。すなわち本実施形態では、き電線６の電圧が連続的に６４９．６Ｖを上回る場合、蓄電装置５は過充電に陥ることになる。
【００６３】
【数４】
【００６４】
本実施形態において、開閉器２３が投入されている状態では従来技術である図２と同一回路構成となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。すなわち、
【００６５】
蓄電装置５からの電流は、き電線６から架線２を介して電気車両１に供給されて、電気車両１が走行する。回生ブレーキが作動時は走行用モータ４が発電機となり、発生した回生電力はき電線６を介してき電システム９に送られて、蓄電装置５を充電する。
【００６６】
ここで、き電線６の電圧が数４で求められた６４９．６Ｖを上回る状態が継続し電池監視装置１０が蓄電装置５の過充電、すなわちＳＯＣ１００％を検出した場合、電池監視装置１０は開閉器２３を開放する。開閉器２３が開放状態でも、蓄電装置５からき電線６へ電力が供給し続けられるが、充電方向の電流はダイオード２２によって阻止されるため回生電力の吸収は行われない。すなわち、蓄電装置５は放電のみが行われるため、蓄電装置５の過充電は抑止される。
【００６７】
その後、蓄電装置５からの放電によって、例えば蓄電池のＳＯＣが９０％以下まで低下し過充電の恐れが無くなったと判断されると、開閉器２３を再投入する。開閉器２３を再投入すると従来技術である図２と同等の回路となる。
【００６８】
なお、開閉器２３の開放条件として、蓄電装置５のＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧上昇を条件としても良い。同様に、開閉器２３を再投入する条件として、ＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧低下を条件としてもよい。
【００６９】
本実施形態の場合、開閉器２３が開放されている間も蓄電装置５からき電線６への電力供給は引き続き行われるため、主にき電電圧の低下抑制を目的とした電気鉄道用地上蓄電装置に有効である。
【００７０】
（第３の実施形態）
次に図３および図５に示した第１および第２の実施形態の両方の特徴を併せ持つ第３の実施形態を図６に示す。
【００７１】
蓄電装置５と直列に電流制御回路３１が接続されている。電流制御回路３１は、第１ダイオード３２と第１開閉器３３とが直列に接続された回路と、第２ダイオード３４と第２開閉器３５とが直列に接続された回路とが、並列に接続されて構成されている。そして、第１ダイオードは蓄電装置５の放電方向の電流を阻止する向きに接続されていて、第２ダイオード３４は蓄電装置５の充電方向の電流を阻止する向きに接続されている。
【００７２】
図６において、第１開閉器３３と第２開閉器３５の両方が投入されている場合、従来技術である図２と同等の回路となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。
【００７３】
もし、き電線６の電圧低下によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ０％を検出した場合、第１開閉器３３の閉路を保持しつつ、第２開閉器３５を開放すれば、き電線６からの回生電力は第１ダイオード３２を通して蓄電装置５へ吸収されるものの、放電方向の電流は第１ダイオード３２によって阻止されるため放電は行われず蓄電装置５のＳＯＣは上昇する。すなわち、図３に示す第１の実施形態と同等の動作となる。
【００７４】
また逆に、き電線６の電圧上昇によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ１００％を検出した場合、第１開閉器３３を開放しつつ、第２開閉器３５の投入を保持すれば、蓄電装置５からき電線６への電力供給は第２ダイオード３４を通して行われるものの、充電方向の電流は第２ダイオード３４によって阻止されるため回生電力の吸収は行われず蓄電装置５のＳＯＣは低下する。すなわち、図５に示す第２の実施形態と同等の動作となる。なお、第１および第２開閉器３３，３５の開放後の再投入条件は、第１および第２実施形態と同じである。
【００７５】
また図６の本実施形態でも、第１および第２実施形態と同様、第１および第２開閉器３３，３５を開放／再投入させる条件は、蓄電装置５のＳＯＣ条件以外に、き電線６の電圧または、蓄電装置５の電圧の上昇／低下を条件としてもよいことは当然である。
【００７６】
また、図６の本実施形態でも第１および第２開閉器３３，３５の代わりに遮断器、もしくはサイリスタなどの半導体素子を採用してもよい。半導体素子を採用する場合は、半導体素子自身が整流作用を有しているため、第１および第２ダイオード３２，３４を省略することも可能となる。
【００７７】
（第４の実施形態）
図７に示す本発明の第４の実施形態によれば、開閉器の代わりに、サイリスタを採用することができる。互いに極性が反対となるように第１サイリスタ４３と第２サイリスタ４４を並列に接続して、電流制御回路４１を構成する。サイリスタを使用すれば、ダイオードは省略することができる。
【００７８】
図７において、第１サイリスタ４３と第２サイリスタ４４の両方が導通状態のとき、従来技術である図２と同等の回路となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。
【００７９】
もし、き電線６の電圧低下によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ０％を検出した場合、第１サイリスタ４３を導通状態に保持しつつ、第２サイリスタ４４を遮断状態にすれば、き電線６からの回生電力は第１サイリスタ４３を通して蓄電装置５へ吸収されるものの、放電方向の電流は第２サイリスタ４４によって阻止されるため放電は行われず蓄電装置５のＳＯＣは上昇する。すなわち、図３に示す第１の実施形態と同等の動作となる。
【００８０】
また逆に、き電線６の電圧上昇によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ１００％を検出した場合、第１サイリスタ４３を遮断状態にしつつ、第２サイリスタ４４を導通状態に保持すれば、蓄電装置５からき電線６への電力供給は第２サイリスタ４４を通して行われるものの、充電方向の電流は第１サイリスタ４３によって阻止されるため回生電力の吸収は行われず蓄電装置５のＳＯＣは低下する。すなわち、図５に示す第２の実施形態と同等の動作となる。なお、第１サイリスタ４３および第２サイリスタ４４の遮断後の再導通条件は、第１および第２実施形態と同じである。
【００８１】
以上、本発明によれば、図１に示す高価な昇降圧チョッパ等の電力変換装置を用いることなく、図２に示すように蓄電装置をき電線に直結する優位性を維持したまま、従来技術で問題となっていた、き電線６の電圧が大きく変動する場合の蓄電装置が過放電もしくは過充電するという問題を解決することが可能となる。
【００８２】
本実施形態は、蓄電装置と直列にダイオードなどの整流作用を有する手段と、開閉器などの電流を遮断する手段を追加することによって、図２における直結方式の優位性を保ちつつ、懸念事項となっていた、き電線６の電圧変動による蓄電装置の過充電・過放電を解決するための発明である。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る電気鉄道用蓄電装置の制御装置は、電気鉄道のき電システムの制御装置として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１ 電気車両
２ 架線
４ 走行用モータ
５ 蓄電装置
６ き電線
７ 帰線
８ 高速度遮断器
９ き電システム
１０ 電池監視装置
１１ 電流制御回路
１２ ダイオード
１３ 開閉器
１６ 配線
１７ 配線
１８ 配線
２１ 電流制御回路
２２ ダイオード
２３ 開閉器
３１ 電流制御回路
３２ 第１ダイオード
３３ 第１開閉器
３４ 第２ダイオード
３５ 第２開閉器
４１ 電流制御回路
４３ 第１サイリスタ
４４ 第２サイリスタ
１０１ 電気車両
１０２ 架線
１０４ 走行用モータ
１０５ 蓄電装置
１０６ き電線
１０８ 高速度遮断器
１０９ 電力変換装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道の架線に直流電力を供給するき電システムに関し、詳しくは、電気鉄道における電力貯蔵設備の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電気鉄道用変電所は、電力会社から供給される交流電力を直流電力に変換してき電線へ供給する。き電線に供給された直流電力は、空中架線を経由し、パンタグラフを通じて電気車両に供給される。あるいは、直流電力は、き電線から第三軌条を介して電気車両に供給される。電気車両は、供給された直流電力を、電気車両に搭載した電力制御装置を介して所定の交流電力に変換して、走行用のモータに供給し、そこで電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。
【０００３】
電気車両が消費するエネルギー量は車両の走行状態や走行路線の状況に応じて変化する。具体的には、加速時には電気車両に短時間に大電流が流れ、その結果、架線電圧または第三軌条電圧、さらにはき電線の電圧が一時的に降下する。一方、走行中の電気車両が減速する時には、回生ブレーキが作動して、走行用のモータは発電機となり架線等を経由して、線路上の他の電気車両に回生電力を送ろうとする。このとき、線路上に電力を必要とする電気車両があれば、その電気車両が回生電力を消費する。しかし、線路上に電力を必要とする電気車両がない場合は、回生電力は消費されず、架線等またはき電線の電圧は一時的に上昇する。
【０００４】
このような一時的な電圧の下降上昇に対応するために、近年、き電回路に蓄電池やキャパシタなどを用いた蓄電装置を接続し、き電回路で余剰となった回生電力を蓄電装置へ吸収させたり、逆にき電回路で電力が不足した場合に蓄電装置から放電させたりすることによって、回生電力エネルギーの有効利用や、き電回路の電圧を安定化させる技術が実用化されている。
【０００５】
特許文献１には、広大な面積を必要とせず、急速充放電特性に優れ、かつ廉価に製作できる電気鉄道用電力供給システムに関し、交流電力回線から受電する変圧器と変圧器に接続された整流装置と整流装置に接続されるき電線とを有する電気鉄道用変電所において、直流電力設備としてニッケル水素電池を有し、ニッケル水素電池がき電線に直結されてなる技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、エネルギー蓄積装置として、電気車からの回生電力を単に電池に蓄積して回生するのみでは、装置の利用効率及び設備効率が劣るため、これを解決するために、昇降圧チョッパは、き電線電圧が充電制御設定電圧以上にあるときにき電線から直流電力貯蔵装置への充電電流を制御し、き電線電圧が放電制御設定電圧以下にあるときに直流電力貯蔵装置からき電線への放電電流を制御するのに、直流電力貯蔵装置の電圧のうち、き電線への充放電に寄与しない電圧分を低くして所期の充放電電圧を得る高い昇降圧比にする。ストッパースイッチは直流電力貯蔵装置から昇降圧チョッパを通してき電線側への自然放電を阻止する。フィルタコンデンサとリアクトルは昇降圧チョッパからき電線側に流れる高調波を抑止する。電流検出器は昇降圧チョッパの充放電電流を制御するための電流検出を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００９／１０７７１５号公報
【特許文献２】特開２００１−２６０７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気鉄道用電力供給において、蓄電装置をき電線に接続する方法として、大別して、次の２つの方法がある。第１の方法は、図１の概略構成図に示す方法であり、昇降圧チョッパ等からなる電力変換装置１０９を介して蓄電装置１０５をき電線１０６に接続する（例えば特許文献２）。第２の方法は、図２の概略構成図に示す方法であり、電力変換装置を介さず蓄電装置１０５をき電線１０６に直接接続する（例えば特許文献１）。
【０００９】
電気車両１０１は、き電線１０６から架線１０２を介して電力の供給を受け走行を行い、回生ブレーキが作動時は走行用モータ１０４が発電機となり発生した回生電力はき電線１０６を介して変電所に送られて、図１の場合は電力変換装置１０９を介して、図２の場合は直接、蓄電装置１０５を充電することとなる。
【００１０】
第１の方法（図１）において、電力変換装置１０９は、その入出力電圧を自在に調節する機能を有する。例えばき電線１０６の電圧が大きく変動し蓄電装置１０５の電圧と大きく乖離した場合も、電力変換装置１０９によって蓄電装置１０５の電圧を、き電線１０６の電圧に適合するよう制御することができる。すなわち、蓄電装置１０５の充電電流・放電電流を自在に調整することが可能である。
【００１１】
その反面、電力変換装置１０９には制御時間遅れが発生するため、常に変動するき電線１０６の電圧に対し正確に追従制御させることが難しく蓄電装置１０５の性能を十分に発揮させるのは困難である。また、電力変換装置１０９の昇降圧チョッパから発生する高調波ノイズ等によって信号設備や車両制御装置等に電磁障害を引き起こす恐れがある。更に、第１の方法（図１）は、第２の方法（図２）と比較すると電力変換装置１０９が高価であり、システムが複雑となるため、メンテナンス負担の増大も懸念される。
【００１２】
それに対し第２の方法（図２）は、き電線１０６と蓄電装置１０５が直結されており、昇降圧チョッパなどの電力変換装置が存在しないため、第１の方法（図１）で懸念される問題は無く、蓄電装置１０５の充電・放電性能を最大限発揮させることが可能である。
【００１３】
その反面、き電線１０６と蓄電装置１０５が直結状態であるが故、き電線１０６の電圧が大きく変動し両者間の電圧が大きく乖離した場合、蓄電装置１０５の蓄電池が過放電、または過充電に陥る可能性がある。
【００１４】
この過充電や過放電は、蓄電池の寿命に大きな影響を及ぼす恐れがあり、回避しなければならないが、従来技術では、高速度遮断器１０８（ＨＳＣＢ）を作動させて蓄電装置１０５をき電線１０６から切り離していた。すなわち蓄電装置１０５の機能を停止させる以外他の方法が無かった。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高価で高調波ノイズ源となる電力変換装置を用いることなく、かつ、蓄電装置を構成する蓄電池の過充電、過放電の生じる恐れの無い電気鉄道用のき電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記した目的を達成するために、本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、蓄電装置を有する電気鉄道のき電システムにおいて、前記蓄電装置には電圧を調節する電力変換装置が設けられておらず、かつ、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間に前記蓄電装置と直列にダイオードとスイッチを配した電流制御回路を有することを特徴とする（ＣＬ１）。
【００１７】
き電システムは、き電線、蓄電装置、高速度遮断器、電流制御回路および電池監視装置を主な構成要素として有している。なお、受電用の変圧器や整流装置、蓄電装置を充電するための充電装置が含まれていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、き電線と蓄電装置の電圧の相違を調節するための電力変換装置が蓄電装置に設けられていない。電力変換装置は、蓄電装置の端子電圧（出力電圧）が、き電線の電圧に適合するように調節する。電流制御回路はダイオードとスイッチとを主な構成素子としている。電流制御回路は、蓄電装置の正電位側に接続されていても、負電位側に接続されていてもよい。蓄電装置は二次電池の集合体であってもよく、また、電気二重層キャパシターであってもよい。
【００１９】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が前記蓄電装置に流れる電流の通流／遮断を行うことが好ましい（ＣＬ２）。
【００２０】
この構成によれば、電流制御回路は電流の遮断もしくは通流を行う。電流を遮断すれば、電流制御回路と直列に接続された蓄電装置には電流が流れない。電流の通流を行えば、蓄電装置には電流が流れることとなる。ここに、電流の遮断はスイッチによって行うことが可能であるが、ダイオードによっても行うことが可能である。ダイオードは逆バイアス状態になれば、電流を遮断する。また、順バイアス状態となれば、電流は通流する。
【００２１】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が前記ダイオードと前記スイッチの並列回路で構成される（ＣＬ３）。
【００２２】
この構成によれば、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの接続方向に関係なく、電流を通流させる。スイッチが開路しておれば、ダイオードのバイアス状況により電流が遮断されもしくは通流する。
【００２３】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路において、前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される（ＣＬ４）。
【００２４】
この構成によれば、ダイオードのアノードが蓄電装置の負電位側に接続され、カソードが帰線に接続されているか、もしくは、ダイオードのアノードがき電線に接続され、カソードが蓄電装置の正電位側に接続されている。そして、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの存在に関係なく、電流を通流させる。一方、スイッチが開路しておれば、蓄電装置を充電する方向でのみ電流が流れ、放電する方向の電流は遮断される。
【００２５】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路において、前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される（ＣＬ５）。
【００２６】
この構成によれば、ダイオードのカソードが蓄電装置の負電位側に接続され、アノードが帰線に接続されているか、もしくは、ダイオードのカソードがき電線に接続され、アノードが蓄電装置の正電位側に接続されている。そして、スイッチが閉路しておれば、ダイオードの存在に関係なく、電流を通流させる。一方、スイッチが開路しておれば、蓄電装置が放電する方向でのみ電流が流れ、充電する方向の電流は遮断される。
【００２７】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記スイッチがパワー半導体素子であることが好ましい（ＣＬ６）。
【００２８】
この構成によれば、スイッチに半導体素子を使用するので、機械的な接点を有しないので、保守作業が簡便化される。
【００２９】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムにおいて、前記電流制御回路が、第１ダイオードと第１スイッチを直列に接続した第１回路と第２ダイオードと第２スイッチを直列に接続した第２回路を並列に接続した回路であって、第１ダイオードは前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されており、第２ダイオードは前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に接続されている（ＣＬ７）。
【００３０】
この構成によれば、スイッチとダイオードが直列に接続された回路を並列に接続して、一方のダイオードと他方のダイオードのバイアスの向きが反対になっている。
【００３１】
本発明に係る蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システムは、前記電流制御回路が２台のサイリスタの並列接続より構成される（ＣＬ８）。この構成によれば、並列に接続された一方のサイリスタと他方のサイリスタのバイアスの向きが反対になっている。
【００３２】
本発明に係る電流制御回路は、スイッチと前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されたダイオードが並列に接続されている（ＣＬ９）。
【発明の効果】
【００３３】
図１に示すような高価な昇降圧チョッパ等の電力変換装置を用いることなく、図２に示すように蓄電装置をき電線に直結する優位性を維持したまま、従来技術で問題となっていた、き電線の電圧が大きく変動する場合に蓄電装置が過放電・過充電するという問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電力変換装置を介して蓄電装置がき電線に接続される従来技術のき電システムの概略構成図である。
【図２】蓄電装置が電力変換装置を介さずに、き電線に接続される従来技術のき電システムの概略構成図である。
【図３】本発明の第1の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図４】蓄電装置に用いた蓄電池の電圧−ＳＯＣ特性の一例を示す図面である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係るき電システムの概略構成を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態を、図３に示す概略構成図を用いて説明する。
図３に示すき電システム９は、き電線６、蓄電装置５、高速度遮断器８、電流制御回路１１および電池監視装置１０を主な構成要素として有している。すなわち、
【００３７】
蓄電装置５にはその電圧を調整する電力変換装置の代わりに、電流制御回路１１が、き電システムの正の電位を有するき電線６と負の電位を有する帰線７の間に蓄電装置５と直列に接続されている。そして、蓄電装置５からの直流電力は、電流制御回路１１の状態に応じて、き電線６を介して電気車両１に供給可能になっていて、また、回生電力が蓄電装置５に吸収可能に構成されている。
【００３８】
蓄電装置５は、複数個の単位蓄電池（セル）を直列接続して構成されている。本実施形態では、き電線６の電圧が最大電圧を持続した場合においても蓄電装置５が過充電とならないように、単位蓄電池の直列数が選定されている。
【００３９】
電流制御回路１１には、蓄電装置５と直列に放電方向の電流を阻止するダイオード１２と、ダイオード１２と並列に開閉器１３が設けられている。具体的には、ダイオード１２のアノードが蓄電装置５の負電位側に接続され、ダイオード１２のカソードが高速度遮断器８を介して、き電システム９の帰線７に接続されている。
【００４０】
電池監視装置１０は、蓄電装置５に取り付けられた各種計測器（図示せず）からの信号を配線１６を介して電池監視装置１０に読み込み、蓄電装置５の状態監視を行う。電池監視装置１０に読み込まれる状態量としては、単位蓄電池の電圧（セル電圧）、蓄電装置５の温度、圧力および電流がある。状態監視において、蓄電装置５の異常が検知されれば、警報を出力する。更に、異常が進めば、配線１８を介して高速度遮断器８を開放して、蓄電装置５の緊急停止を行う。
【００４１】
また電池監視装置１０は、高速度遮断器８や電流制御回路１１の構成要素である開閉器１３の開閉制御を行うと共に、電流値等の状態量から蓄電装置５のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の計算を行う。なお、開閉器１３として遮断器、もしくはサイリスタやＩＧＢＴ等の半導体素子を採用してもよい。
【００４２】
次に、図３に示す第１の実施形態の動作を説明する。
本実施形態において、き電システムの定格電圧は６００Ｖであり、想定される最大電圧を６６０Ｖとする。
【００４３】
本実施形態で使用する蓄電装置５の蓄電池のＳＯＣ特性を図４に示す。ＳＯＣとは蓄電池の充電状態を示す量であり、１００％が満充電状態、０％が完全放電状態を示す。すなわち、１００％以上は過充電、０％以下は過放電状態であることを意味する。
【００４４】
図４から、蓄電装置５が過充電・過放電とならないセル電圧を読み取ると、過充電とならない最大許容電圧はＳＯＣ１００％時において約１．４５Ｖ／セル、過放電とならない最小許容電圧はＳＯＣ０％において約１．２５Ｖ／セルであることがわかる。
【００４５】
ここで、想定される最大電圧６６０Ｖが持続した場合においても過充電とならない蓄電装置５の直列セル数を求めると、数１から、４５５．２セル以上必要であることがわかる。この結果から、図３の本実施形態では、蓄電装置５の単位蓄電池の直列数は４５６セルとした。
【００４６】
【数１】
【００４７】
次に、蓄電池が最低許容電圧となるき電線６の電圧を求めると、数２から、５７０Ｖとなる。すなわち、図３の本実施形態では、き電線６の電圧が持続的に５７０Ｖを下回る場合は、蓄電装置５は過放電に陥ることになる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
図３の実施形態において、開閉器１３が投入されている状態では従来技術である図２と同一回路構成となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は制限を受けることなく充放電を繰り返す。すなわち、
【００５０】
蓄電装置５からの電流は、き電線６から架線２を介して電気車両１に供給されて、電気車両１が走行する。回生ブレーキが作動時は走行用モータ４が発電機となり、発生した回生電力はき電線６を介してき電システム９に送られて、蓄電装置５を充電する。
【００５１】
ここで、き電線６の電圧が数２で求められた５７０Ｖを下回る状態が継続し、電池監視装置１０が蓄電装置５の過放電、すなわちＳＯＣ０％を検出した場合、電池監視装置１０は配線１７を介して開閉器１３を開放する。開閉器１３が開放状態でも、き電線６から流入する回生電力等はダイオード１２を通して蓄電装置５へ吸収される。しかし、放電方向の電流はダイオード１２によって阻止されるため放電されなくなる。すなわち、蓄電装置５は充電のみが行われるため、蓄電装置５の過放電は防止される。
【００５２】
その後、蓄電装置５が充電されて、例えば蓄電池のＳＯＣが１０％以上まで回復し過放電の恐れが無くなったと判断されると、開閉器１３を再投入する。開閉器１３を再投入すると、従来技術である図２と同等の回路となる。
【００５３】
なお、開閉器１３の開放条件として、蓄電池のＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧低下を条件としてもよい。同様に、開閉器１３を再投入する条件として、ＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧上昇を条件としてもよい。
【００５４】
図３の本実施形態の場合、開閉器１３が開放されている間もき電線６から蓄電装置５への充電は引き続き行われるため、余剰となった回生電力を吸収することを主目的とした蓄電装置５として有効に動作する。また、開閉器１３の開閉制御に用いるＳＯＣ値を任意に設定することも可能であるため、蓄電装置５を任意のＳＯＣ以上に維持することが出来る、すなわち、変電所停電時のき電線６への非常給電を目的とした蓄電装置５としても有効である。例えば、ＳＯＣ７０％以下を検出した場合に開閉器１３を開放する制御とすれば、蓄電装置５のＳＯＣは常時７０％以上に維持することができるため、万一、変電所が停電した場合にも、蓄電装置５からき電線６へＳＯＣ７０％分の電力を供給することが可能となり、その電力を使用して線路上の電気車両を走行させることができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図５に示す。
蓄電装置５は、き電線６の電圧が最低電圧を持続した場合にも過放電とならないように、単位蓄電池の直列数が選定されている。
【００５６】
電流制御回路２１には、蓄電装置５と直列に充電方向の電流を阻止するダイオード２２と、ダイオード２２と並列に開閉器２３が設けられている。具体的には、ダイオード２２のカソードが蓄電装置５の負電位側に接続され、ダイオード２２のアノードが高速度遮断器８を介して、き電システム９の帰線７に接続されている。
【００５７】
電池監視装置１０は、図３の本発明の第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、本発明の第１の実施形態と同様、開閉器２３の代わりに遮断器、もしくはサイリスタやＩＧＢＴなどの半導体素子を採用しても良い。
【００５８】
図５に示す本発明の第２の実施形態の動作について説明する。本実施形態において、き電線６の電圧の定格電圧は６００Ｖであり、想定される最低電圧を５６０Ｖとした。
【００５９】
また、第１の実施形態と同じく、使用する単位蓄電池の過充電とならない最大許容電圧を１．４５Ｖ／セル、過放電とならない最小許容電圧を１．２５Ｖ／セルであることが図４からわかる。
【００６０】
ここで、最低電圧５６０Ｖが持続した場合にも、蓄電装置５が過放電とならない直列セル数を求めると、数３から、４４８セル以下とする必要があることがわかる。この結果から、本実施形態では、蓄電装置５の単位蓄電池の直列数を４４８セルとした。
【００６１】
【数３】
【００６２】
次に、蓄電池が最大許容電圧となるき電線６の電圧を求めると、数４から、６４９．６Ｖとなる。すなわち本実施形態では、き電線６の電圧が連続的に６４９．６Ｖを上回る場合、蓄電装置５は過充電に陥ることになる。
【００６３】
【数４】
【００６４】
本実施形態において、開閉器２３が投入されている状態では従来技術である図２と同一回路構成となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。すなわち、
【００６５】
蓄電装置５からの電流は、き電線６から架線２を介して電気車両１に供給されて、電気車両１が走行する。回生ブレーキが作動時は走行用モータ４が発電機となり、発生した回生電力はき電線６を介してき電システム９に送られて、蓄電装置５を充電する。
【００６６】
ここで、き電線６の電圧が数４で求められた６４９．６Ｖを上回る状態が継続し電池監視装置１０が蓄電装置５の過充電、すなわちＳＯＣ１００％を検出した場合、電池監視装置１０は開閉器２３を開放する。開閉器２３が開放状態でも、蓄電装置５からき電線６へ電力が供給し続けられるが、充電方向の電流はダイオード２２によって阻止されるため回生電力の吸収は行われない。すなわち、蓄電装置５は放電のみが行われるため、蓄電装置５の過充電は抑止される。
【００６７】
その後、蓄電装置５からの放電によって、例えば蓄電池のＳＯＣが９０％以下まで低下し過充電の恐れが無くなったと判断されると、開閉器２３を再投入する。開閉器２３を再投入すると従来技術である図２と同等の回路となる。
【００６８】
なお、開閉器２３の開放条件として、蓄電装置５のＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧上昇を条件としても良い。同様に、開閉器２３を再投入する条件として、ＳＯＣ条件以外に、き電線６または蓄電装置５の電圧低下を条件としてもよい。
【００６９】
本実施形態の場合、開閉器２３が開放されている間も蓄電装置５からき電線６への電力供給は引き続き行われるため、主にき電電圧の低下抑制を目的とした電気鉄道用地上蓄電装置に有効である。
【００７０】
（第３の実施形態）
次に図３および図５に示した第１および第２の実施形態の両方の特徴を併せ持つ第３の実施形態を図６に示す。
【００７１】
蓄電装置５と直列に電流制御回路３１が接続されている。電流制御回路３１は、第１ダイオード３２と第１開閉器３３とが直列に接続された回路と、第２ダイオード３４と第２開閉器３５とが直列に接続された回路とが、並列に接続されて構成されている。そして、第１ダイオードは蓄電装置５の放電方向の電流を阻止する向きに接続されていて、第２ダイオード３４は蓄電装置５の充電方向の電流を阻止する向きに接続されている。
【００７２】
図６において、第１開閉器３３と第２開閉器３５の両方が投入されている場合、従来技術である図２と同等の回路となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。
【００７３】
もし、き電線６の電圧低下によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ０％を検出した場合、第１開閉器３３の閉路を保持しつつ、第２開閉器３５を開放すれば、き電線６からの回生電力は第１ダイオード３２を通して蓄電装置５へ吸収されるものの、放電方向の電流は第１ダイオード３２によって阻止されるため放電は行われず蓄電装置５のＳＯＣは上昇する。すなわち、図３に示す第１の実施形態と同等の動作となる。
【００７４】
また逆に、き電線６の電圧上昇によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ１００％を検出した場合、第１開閉器３３を開放しつつ、第２開閉器３５の投入を保持すれば、蓄電装置５からき電線６への電力供給は第２ダイオード３４を通して行われるものの、充電方向の電流は第２ダイオード３４によって阻止されるため回生電力の吸収は行われず蓄電装置５のＳＯＣは低下する。すなわち、図５に示す第２の実施形態と同等の動作となる。なお、第１および第２開閉器３３，３５の開放後の再投入条件は、第１および第２実施形態と同じである。
【００７５】
また図６の本実施形態でも、第１および第２実施形態と同様、第１および第２開閉器３３，３５を開放／再投入させる条件は、蓄電装置５のＳＯＣ条件以外に、き電線６の電圧または、蓄電装置５の電圧の上昇／低下を条件としてもよいことは当然である。
【００７６】
また、図６の本実施形態でも第１および第２開閉器３３，３５の代わりに遮断器、もしくはサイリスタなどの半導体素子を採用してもよい。半導体素子を採用する場合は、半導体素子自身が整流作用を有しているため、第１および第２ダイオード３２，３４を省略することも可能となる。
【００７７】
（第４の実施形態）
図７に示す本発明の第４の実施形態によれば、開閉器の代わりに、サイリスタを採用することができる。互いに極性が反対となるように第１サイリスタ４３と第２サイリスタ４４を並列に接続して、電流制御回路４１を構成する。サイリスタを使用すれば、ダイオードは省略することができる。
【００７８】
図７において、第１サイリスタ４３と第２サイリスタ４４の両方が導通状態のとき、従来技術である図２と同等の回路となり、き電線６の電圧変動によって蓄電装置５は自由に充放電を繰り返す。
【００７９】
もし、き電線６の電圧低下によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ０％を検出した場合、第１サイリスタ４３を導通状態に保持しつつ、第２サイリスタ４４を遮断状態にすれば、き電線６からの回生電力は第１サイリスタ４３を通して蓄電装置５へ吸収されるものの、放電方向の電流は第２サイリスタ４４によって阻止されるため放電は行われず蓄電装置５のＳＯＣは上昇する。すなわち、図３に示す第１の実施形態と同等の動作となる。
【００８０】
また逆に、き電線６の電圧上昇によって電池監視装置１０が蓄電装置５のＳＯＣ１００％を検出した場合、第１サイリスタ４３を遮断状態にしつつ、第２サイリスタ４４を導通状態に保持すれば、蓄電装置５からき電線６への電力供給は第２サイリスタ４４を通して行われるものの、充電方向の電流は第１サイリスタ４３によって阻止されるため回生電力の吸収は行われず蓄電装置５のＳＯＣは低下する。すなわち、図５に示す第２の実施形態と同等の動作となる。なお、第１サイリスタ４３および第２サイリスタ４４の遮断後の再導通条件は、第１および第２実施形態と同じである。
【００８１】
以上、本発明によれば、図１に示す高価な昇降圧チョッパ等の電力変換装置を用いることなく、図２に示すように蓄電装置をき電線に直結する優位性を維持したまま、従来技術で問題となっていた、き電線６の電圧が大きく変動する場合の蓄電装置が過放電もしくは過充電するという問題を解決することが可能となる。
【００８２】
本実施形態は、蓄電装置と直列にダイオードなどの整流作用を有する手段と、開閉器などの電流を遮断する手段を追加することによって、図２における直結方式の優位性を保ちつつ、懸念事項となっていた、き電線６の電圧変動による蓄電装置の過充電・過放電を解決するための発明である。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る電気鉄道用蓄電装置の制御装置は、電気鉄道のき電システムの制御装置として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１ 電気車両
２ 架線
４ 走行用モータ
５ 蓄電装置
６ き電線
７ 帰線
８ 高速度遮断器
９ き電システム
１０ 電池監視装置
１１ 電流制御回路
１２ ダイオード
１３ 開閉器
１６ 配線
１７ 配線
１８ 配線
２１ 電流制御回路
２２ ダイオード
２３ 開閉器
３１ 電流制御回路
３２ 第１ダイオード
３３ 第１開閉器
３４ 第２ダイオード
３５ 第２開閉器
４１ 電流制御回路
４３ 第１サイリスタ
４４ 第２サイリスタ
１０１ 電気車両
１０２ 架線
１０４ 走行用モータ
１０５ 蓄電装置
１０６ き電線
１０８ 高速度遮断器
１０９ 電力変換装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置を有する電気鉄道のき電システムであって、
前記蓄電装置には電圧を調節する電力変換機が設けられておらず、
かつ、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間にダイオードとスイッチを有する電流制御回路が前記蓄電装置と直列に接続されてなる蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項２】
前記電流制御回路が前記蓄電装置に流れる電流の通流／遮断を行う請求項１に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項３】
前記電流制御回路が前記ダイオードと前記スイッチの並列回路で構成される請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項４】
前記電流制御回路において、
前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項５】
前記電流制御回路において、
前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項６】
前記スイッチがパワー半導体素子である請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項７】
前記電流制御回路が、第１ダイオードと第１スイッチを直列に接続した第１回路と、第２ダイオードと第２スイッチを直列に接続した第２回路を並列に接続した回路であって、
第１ダイオードは前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されており、第２ダイオードは前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に接続されている請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項８】
前記電流制御回路が２台のサイリスタの並列接続より構成される請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項９】
請求項１または２のいずれか一項に記載の電流制御回路であって、
スイッチと前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されたダイオードが並列に接続されている電流制御回路。
【請求項１】
蓄電装置を有する電気鉄道のき電システムであって、
前記蓄電装置には電圧を調節する電力変換機が設けられておらず、
かつ、き電システムの正の電位を有するき電線と負の電位を有する帰線の間にダイオードとスイッチを有する電流制御回路が前記蓄電装置と直列に接続されてなる蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項２】
前記電流制御回路が前記蓄電装置に流れる電流の通流／遮断を行う請求項１に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項３】
前記電流制御回路が前記ダイオードと前記スイッチの並列回路で構成される請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項４】
前記電流制御回路において、
前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項５】
前記電流制御回路において、
前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に前記ダイオードが接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項６】
前記スイッチがパワー半導体素子である請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項７】
前記電流制御回路が、第１ダイオードと第１スイッチを直列に接続した第１回路と、第２ダイオードと第２スイッチを直列に接続した第２回路を並列に接続した回路であって、
第１ダイオードは前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されており、第２ダイオードは前記き電線から前記帰線に流れる電流を遮断する方向に接続されている請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項８】
前記電流制御回路が２台のサイリスタの並列接続より構成される請求項１または２のいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた電気鉄道のき電システム。
【請求項９】
請求項１または２のいずれか一項に記載の電流制御回路であって、
スイッチと前記帰線から前記き電線に流れる電流を遮断する方向に接続されたダイオードが並列に接続されている電流制御回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１８４６４（Ｐ２０１３−１８４６４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５８８２（Ｐ２０１１−１５５８８２）
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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