JP2003111210A - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非電化区間を走行する鉄道車両の駆動装置と
して最適であり、所要の動力を確保しつつ床下機器配置
の自由度を向上させ、良好な輪重バランスが得られ、機
器重量の分散によって台枠を含めた鉄道車両全体の軽量
化も図れる鉄道車両の駆動装置を提供する。 【解決手段】 複数の車軸３を有する鉄道車両１におい
て、各車軸３に設けられた複数の電動機４と、該複数の
電動機４にそれぞれ電力を供給する複数の燃料電池９
と、前記各電動機４に供給する電力量をそれぞれ制御す
る複数の電動機制御装置６と、前記各燃料電池９の発電
量をそれぞれ制御する複数の燃料電池制御装置１１と、
該鉄道車両１の速度制御を行う主制御器１３と、燃料電
池９からの電力及び前記電動機４からの回生電力を蓄積
可能な二次電池とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両の駆動装
置に関し、主として非電化区間を走行する鉄道車両に適
した駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非電化区間に使用する鉄道車両の駆動方
法としては、ディーゼルエンジンの駆動力をそのまま推
進力として利用する方法や、ディーゼルエンジンと発電
機とを組み合わせて発生させた電力で電動機を駆動する
方法等があり、日本国内の旅客用には前者が、海外や機
関車用には後者が多く用いられている。また、後者は、
一般的に、１台の大型ディーゼルエンジンと発電機とを
組み合わせて構成されている。前者はやや安価、後者は
動力の制御が容易という特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者は
熱効率が悪く、得られる動力に比べて二酸化炭素や窒素
酸化物の排出量が多い欠点がある。また、両者とも、大
型のディーゼルエンジンや発電機を必要とし、補機類に
要する容積・重量が大きく、かつ、制御機器も大型・大
容量のものが必要となる。したがって、床下機器配置の
自由度が低下し、輪重バランスをとるのが困難となる。
また、台枠の特定箇所の横梁に荷重が集中するため、こ
の部分の横梁に強度と剛性とが必要で、そのために台枠
の重量が重くなりがちであった。さらに、ディーゼルエ
ンジンや発電機が大型化することにより、特注品の使用
を余儀なくされ、高価になってしまう問題もある。

【０００４】そこで本発明は、非電化区間を走行する鉄
道車両の駆動装置として最適であり、所要の動力を確保
しつつ床下機器配置の自由度を向上させ、良好な輪重バ
ランスが得られ、機器重量の分散によって台枠を含めた
鉄道車両全体の軽量化も図れる鉄道車両の駆動装置を提
供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の鉄道車両の駆動装置は、複数の車軸を有す
る鉄道車両の駆動装置において、各車軸に設けられた複
数の電動機と、該複数の電動機にそれぞれ電力を供給す
る複数の燃料電池と、前記各電動機に供給する電力量を
それぞれ制御する複数の電動機制御装置と、前記各燃料
電池の発電量をそれぞれ制御する複数の燃料電池制御装
置と、該鉄道車両の速度制御を行う主制御器とを備えた
ことを特徴としている。

【０００６】また、本発明の鉄道車両の駆動装置は、前
記電動機に電力を供給可能な二次電池を備えていること
を特徴とし、特に、該二次電池が、前記燃料電池からの
電力及び前記電動機からの回生電力を蓄積可能であるこ
とを特徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の鉄道車両の駆動装
置の一形態例を示す概略図である。まず、本形態例に示
す鉄道車両１は、走行装置として一対の二軸ボギー台車
２を有するものであって、両台車２の合計４本の車軸３
には、電動機４が減速機（歯車装置）５を介してそれぞ
れ設けられている。各電動機４には、各電動機４に供給
する電力量を調節して各電動機４の回転数を制御するた
めの電動機制御装置６が電線７を介してそれぞれ接続さ
れており、また、電動機制御装置６には、各車軸３の端
部に設けられた速度検出器８が電線７ａを介して接続さ
れている。さらに、各電動機制御装置６には、該制御装
置６を介して前記電動機４に駆動電力を供給するための
燃料電池９と二次電池１０とが接続されており、各燃料
電池９には、各電池９の発電量を制御する燃料電池制御
装置１１と燃料となる水素を供給する水素供給源１２と
が設けられている。また、電動機制御装置６、燃料電池
９及び燃料電池制御装置１１は、これらを一体化し、モ
ジュール（ユニット）化した状態で床下に装着されてい
る。

【０００８】そして、車両１には、該車両１の速度を制
御するための主制御器１３が設けられており、この主制
御器１３から前記電動機制御装置６に列車速度を制御す
るための制御信号（速度指令）が信号線１４を通して出
力される。この制御信号を伝達する信号線１４は、複数
の車両１を連結した状態で信号線同士を接続することに
より、複数の車両に同時に制御信号を伝達できるように
して連結運転も可能に形成されている。また、信号線１
４の制御信号には、ブレーキ制御信号等の各種信号を含
めることができる。

【０００９】前記電動機４及び前記電動機制御装置６
は、従来から鉄道車両用として用いられている各種のも
のを使用することができるが、電動機４に交流電動機を
使用し、電動機制御装置６には、燃料電池９で発生した
直流を、所定電圧、所定周波数の交流に変換するＶＶＶ
Ｆ制御装置を使用することが最適である。ＶＶＶＦ制御
装置からなる電動機制御装置６は、前記主制御器１３か
らの制御信号と、前記速度検出器８からの速度信号とに
基づいて電動機４に供給する電圧及び周波数を調節し、
電動機４を所定の回転数で回転させて加速や減速を行
う。

【００１０】前記燃料電池制御装置１１は、電動機制御
装置６から電動機４に供給される電力に応じた電力を発
生するように前記燃料電池９の運転制御を行う。このと
き、電動機４の消費電力と燃料電池８の発生電力との関
係は、二次電池１０が設けられていない場合は、両電力
は略等しい関係となり、発車（起動）時のように電動機
４が大量の電力を消費するときには、燃料電池８で大量
の電力を発生させて電動機制御装置６を介して電動機４
に供給する必要がある。したがって、この場合は、発車
時や登坂時のように大電力を必要とする走行条件に対応
させるために、高出力で応答性にも優れた燃料電池８を
必要とする。

【００１１】一方、二次電池１０を設置し、この二次電
池１０を燃料電池８の補助電源として使用する場合は、
発進時や登坂時に燃料電池８からの電力と二次電池１０
からの電力とを合わせて電動機駆動用とすることによ
り、平均的な消費電力に対応した中程度の出力で応答性
もそれほど問題にしないで中型の燃料電池８を使用する
ことができる。このとき、二次電池１０への充電（電力
蓄積）は、電動機４への電力供給を行わない惰行運転時
や停車時に燃料電池８を運転することによって行うこと
ができる。また、減速時や抑速運転時に電動機４から得
られる回生電力を利用して充電を行うことができ、これ
によってエネルギーの有効利用が図れ、燃料電池８の燃
料消費量も低減できる。

【００１２】また、二次電池１０を主電源として使用
し、燃料電池８を補助電源として使用することも可能で
ある。この場合、車両１の走行に必要な電力は、そのほ
とんどが二次電池１０から供給される状態となり、燃料
電池８は、二次電池１０への充電用電力を発生する状態
となる。このとき、燃料電池８は、一定の出力で連続運
転を行って二次電池１０への充電を行えばよいので、前
二者に比べて小形で小出力の燃料電池８を使用すること
ができる。

【００１３】ここで、燃料電池８を主電源とする場合
と、二次電池１０を主電源とする場合とを比較すると、
燃料電池８を主電源とする場合は、二次電池１０の容量
を小さくできるが燃料電池８には比較的大きな出力のも
のを使用する必要があり、二次電池１０を主電源とする
場合は、燃料電池８は比較的小型のものを使用できるが
二次電池１０には大きな容量のものを使用する必要があ
る。したがって、燃料電池８と二次電池１０とのいずれ
かを主電源とするかの選択は、該鉄道車両１の走行条件
や車両運用、燃料電池及び二次電池の能力等に応じて選
定することになる。また、燃料電池８や二次電池１０の
能力及び電動機４の能力は、これらのユニットの一つが
故障して作動不能となった場合でも、残りのユニットで
走行可能なように設定すべきである。

【００１４】なお、二次電池１０としては、使用条件や
コストに応じて適当な種類の二次電池を使用することが
でき、コンデンサーのような蓄電装置を使用することも
できる。また、二次電池１０への充電は、車両基地や長
時間停車の駅等で外部電源を利用して行うようにしても
よい。

【００１５】さらに、前記水素供給源１２には、高圧容
器内に充填した高圧水素ガスや液体水素のように水素を
搭載して燃料電池８へ水素を直接供給するものや水素吸
蔵合金を使用したもの、メタノール改質器のように液体
燃料から触媒によって水素を取り出すものなどを適当に
選択して使用することができる。このとき、鉄道車両１
においては、その運用形態や走行条件があらかじめ決め
られていることが多いので、高圧水素ガスや液体水素の
充填も車両基地で定期的に行えばよく、これらを水素供
給源１２として用いても、水素の供給体制や安全性の問
題はほとんどない。

【００１６】また、鉄道車両１における各種機器類、例
えば、冷暖房、室内照明、前後標識灯、空気圧縮機、制
御用回路等への電力供給は、別に発電機や燃料電池を設
置して行うこともできるが、前記燃料電池８や二次電池
１０からの電力の一部を利用することが好ましい。

【００１７】このように、鉄道車両１における各車軸３
にそれぞれ電動機４を設けるとともに、各電動機４に対
応させて燃料電池８及び二次電池１０を設けることによ
り、従来のように大型のディーゼルエンジンや発電機を
設置する場合に比べて、小型の機器を使用することがで
きるので、床下機器配置の自由度が向上し、全体のバラ
ンスをみて各種機器を車両床下等に分散配置することが
可能となる。これにより、輪重バランスを考慮した床下
機器配置が可能となり、輪重の偏りを原因とする脱線事
故を防ぐことができる。また、台枠にかかる荷重の平均
化や最適化が図れるので、台枠の簡素化や重量軽減が図
れるとともに、車両全体の軽量化にも寄与し、より小容
量かつ安価な燃料電池や電動機等が使用可能となる。こ
れにより、車両全体の製作コストを一層低減することが
できる。

【００１８】さらに、適切な燃料電池８や二次電池１０
を選定することにより、これらに汎用品を使用すること
も可能となるので、従来の特注品に比べて各種機器に要
するコストを大幅に削減することができ、保守や部品調
達等に要する手間及び経費も軽減できる。しかも、小型
の燃料電池等を使用することにより、これらをユニット
化して交換可能に形成しておくことが可能となり、これ
によって保守作業や故障原因の追及が容易になるととも
に、車両の稼働率を向上させることができる。さらに、
鉄道車両駆動用のエネルギー源として燃料電池８や二次
電池１０を使用することにより、環境に与える負荷が小
さくなるという利点もある。

【００１９】なお、本形態例では、全ての車軸に電動機
を設けたが、車両重量や走行条件、電動機出力等の条件
によっては、両台車の一方の車軸に一つずつ電動機を設
けるようにしてもよく、他の機器との関係から、一方の
台車の２本の車軸に電動機を設け、他方の台車はトレー
ラーとすることもできる。また、電動機と燃料電池との
関係において、一つの燃料電池に対して複数の電動機を
設けることもでき、一つの電動機に対して複数の燃料電
池を設けることも可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の鉄道車両
の駆動装置によれば、複数の車軸に設けた複数の電動機
を複数の燃料電池からの電力でそれぞれ回転させて鉄道
車両を走行させるようにしたので、各電動機に対応させ
て小型の燃料電池を使用することができ、従来のディー
ゼルエンジンや発電機に比べて大幅な小型軽量化を図る
ことができる。さらに、複数の燃料電池を使用すること
によって小型で汎用の燃料電池を使用することが可能と
なり、コスト削減を図れるとともに、床下機器配置の自
由度が向上するので、各機器を車両床下に分散配置する
ことにより、最適な輪重バランスを得ることが可能とな
るだけでなく台枠の軽量化も図れる。しかも、ディーゼ
ルエンジンのような有害排気ガスを発生しないので、環
境にも優しいものとなる。したがって、非電化区間を走
行する鉄道車両の駆動装置として最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の鉄道車両の駆動装置の一形態例を示
す概略図である。

【符号の説明】

１…鉄道車両、２…台車、３…車軸、４…電動機、５…
減速機、６…電動機制御装置、７…電線、８…速度検出
器、９…燃料電池、１０…二次電池、１１…燃料電池制
御装置、１２…水素供給源、１３…主制御器、１４…信
号線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の車軸を有する鉄道車両の駆動装置
   において、各車軸に設けられた複数の電動機と、該複数
   の電動機にそれぞれ電力を供給する複数の燃料電池と、
   前記各電動機に供給する電力量をそれぞれ制御する複数
   の電動機制御装置と、前記各燃料電池の発電量をそれぞ
   れ制御する複数の燃料電池制御装置と、該鉄道車両の速
   度制御を行う主制御器とを備えたことを特徴とする鉄道
   車両の駆動装置。
2. 【請求項２】 前記電動機に電力を供給可能な二次電池
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両
   の駆動装置。
3. 【請求項３】 前記二次電池は、前記燃料電池からの電
   力及び前記電動機からの回生電力を蓄積可能であること
   を特徴とする請求項２記載の鉄道車両の駆動装置。