JP2006069510A

JP2006069510A - 積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両

Info

Publication number: JP2006069510A
Application number: JP2004282721A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Yamauchi; 一良山内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】電気鉄道車両について、送電・変電施設の能力増強を行うことなく、最大出力の増大を可能とする。
【解決手段】車体の全部又は一部に蓄電池及び充電器を内蔵し、架線電力のほかに当該蓄電池の電力も併せて使用して当該電気鉄道車両の発電・電動機を駆動させることにより架線電力のみによる最大出力を上回る出力で運転するための回路等を有し、このほかに、これらの回路を切り替えて当該電気鉄道車両を１人の運転士により運転することができる運転制御装置を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を積載し、架線からの電力に加えて当該蓄電池の電力を併用して大出力を発揮することができる電気鉄道車両に関する。

従来の鉄道車両における蓄電池の活用法としては、列車の運動エネルギーを発電機により電気に変換して有効活用するため（特許文献１参照）、非電化区間又は架線が無い線路区間を走行するため（特許文献２〜４参照）、路面電車の架線を撤去するため（非特許文献１参照）といったものである。電化区間において架線からの電力に加えて蓄電池の電力も併せて動力源に使用する形態、特に電気鉄道車両の最大出力を増大させ、大出力を発揮させるという目的での活用法は見られない。
特開２００１−１３６６０３号特開２００３−１６４００３号特開２０００−３５０３０８号特開平９−２２５９号平成１６年１１月１日朝日新聞夕刊の記事（東京版では６面）「架線のいらない路面電車（鉄道総研）電池で走り充電自在」

通常、電気鉄道車両の最大出力を増大させるためには、目的の大出力を発揮できる電気鉄道車両を用意するとともに、その大出力を発揮させるために必要となる高電圧・大容量の電力を供給するために、送電・変電施設の能力増強を図る必要がある。しかし、それには相当の経費を要するので経済的に困難である場合が多く、結局、最大出力の増大を実現することができないこととなる。

近年、地球環境問題や省エネルギーの必要などから、トラック輸送から船舶輸送や鉄道輸送への貨物輸送のモーダルシフトの必要が言われてきており、受け皿となる鉄道貨物輸送の速達性の向上など輸送サービスの向上が必要である。大重量の貨物を運搬する貨物列車の加速性能や登坂能力を強化し速達性を向上させるためには、貨物列車を牽引する電気機関車として大出力を発揮できる電気機関車を開発するとともに送電・変電施設の能力増強を行うことが必要であるが、貨物列車だけのために送電・変電施設の能力増強を行うことは実際には困難な状況にある。このため、現状では電気機関車の最大出力を増大させることができない。本発明の主たる目的は、例えば、このような貨物列車を牽引する電気機関車などの電気鉄道車両について、送電・変電施設の能力増強を行うことなく、最大出力の増大を可能とすることにある。また、従たる目的としては、本発明に伴う機能を活用して、架線の無い線区でもある程度の距離を走行できる能力や省エネルギー効果などの性能を発揮させることにある。

これらの目的を達成するため、本発明に係る積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、車輪の車軸に歯車で連結され当該車輪を駆動する電動機として使用でき、かつ、当該車輪（以下「動輪」という。）の回転力を利用して発電機としても使用できる発電・電動機を有し、架線からパンタグラフを介して供給される電力（以下「架線電力」という。）を使用して当該発電・電動機を駆動することにより走行させる回路を有する電気鉄道車両であって、▲１▼当該車両又は当該車両と直接又は間接に連結される車両に蓄電池及び充電器を積載し、架線電力のほかに当該蓄電池の電力（以下「蓄電池電力」という。）も併せて使用して当該電気鉄道車両の発電・電動機を駆動させることにより架線電力のみによる最大出力を上回る出力で運転するための回路（架線電力と蓄電池電力を合わせて同一の発電・電動機を駆動する方式、架線電力と蓄電池電力とがそれぞれ別の発電・電動機を駆動する方式、又は運転の必要に応じてこれらの設定を切り替えることができる方式とする。）、▲２▼惰力運転時（列車の慣性力のみにより走行させて運転する場合をいう。以下同じ。）や停車時に架線電力から充電器により蓄電池に充電するための回路、▲３▼減速運転時及び抑速運転時（下り坂において走行速度が増加しないように抑制しながら運転する場合をいう。以下同じ。）に動輪の回転力を利用して発電・電動機を発電機として使用して制動力を得ると同時に得られる電力（以下「回生電力」という。）を充電器により蓄電池に充電するための回路（回生電力が十分でない場合には、架線電力と合わせて充電するための回路を含む。）、及び▲４▼蓄電池電力のみで発電・電動機を駆動させ当該電気鉄道車両を運転するための回路を有し、このほかに、これらの回路を切り替えて当該電気鉄道車両を１人の運転士により運転することができる運転制御装置を有するものである。これにより、本発明の積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、電化区間における出発時や登坂時においては、架線電力のほか蓄電池電力も使用して発電・電動機を駆動させることにより、架線電力のみによる最大出力を上回る出力を発揮させ、加速性能及び登坂能力を向上させることができるとともに、減速運転時や抑速運転時には、回生電力を蓄電池に充電するという形で列車の運動エネルギーを回収することにより、省エネルギー効果を発揮させることができ、また、架線のない線路区間においても蓄電池電力を使用して発電・電動機を駆動させることにより相応の距離を走行することができるものである。

例えば、本発明を適用した電気機関車（以下「本発明適用電気機関車」という。）でコンテナ貨物列車を運行させることとすれば、大出力の発揮により、出発時の加速性能の向上及び登坂能力の向上が図られるので、貨物列車ダイヤのスピードアップが可能となる。

また、現在、コンテナ貨物列車の荷役方式として、着発線荷役（貨車へのコンテナの積卸しを本線上で行うこと。）が導入され拡大しつつある。着発線荷役は、貨物列車の到着後直ちに、また、出発間際まで、コンテナの積卸しができるので、所要時間を節約でき、また、貨車の入れ替え作業も要しないという利点があるが、他方、着発線荷役を行う本線の上方には電力供給のための架線が引かれているため、これに起因する荷役作業の制約があるという欠点を有する。将来的に、貨物列車用の電気機関車が総て本発明適用電気機関車に置き換えられることとなれば、無架線区間でも蓄電池電力により走行できるので着発線荷役を行う本線上方の架線を撤去でき、架線に起因する荷役作業の制約を無くすことができる。そうなると、コンテナ貨物駅は着発線荷役のみとできるので、従来線路上方に架線のある着発線と線路上方に架線の無い荷役線とを設けることを原則とする貨物駅のレイアウト変更や、ディーゼル機関車を使用しての着発線と荷役線との間のコンテナ貨車の入れ替えなどの作業の廃止など、貨物駅の様子が一変し、貨物鉄道事業が様変わりしていくことが予想される。このように、本発明は、これが実用化された暁には、貨物鉄道事業を変革させる可能性を有している。

蓄電池は、重く、かさ張るものであり、一方、比較的軽量小型の高性能の蓄電池（例えばリチウムイオン電池）は高価である。このため、現状では、旅客電車に本発明を適用することは実用的ではなく、電気機関車、特にコンテナ貨物列車を牽引する電気機関車に適用することが相応しいと考える。今後、蓄電池の技術開発が進み、高性能の蓄電池が相応の価格で入手できるようになれば、実用化できる範囲も広がっていくものと考えられる。

現在、我が国のコンテナ貨物列車を牽引する電気機関車の電動機としては、定格電圧７５０Ｖの直流直巻電動機や定格電圧１，１００Ｖの三相交流かご形誘導電動機が使用され、定格電流も数百アンペアとなっている。これだけの高電圧及び大電流の電力を供給しなければならないので、蓄電池の電気容量は大きいに超したことはない。しかし、一方で重量や容積、そして価格が問題となってくる。貨物列車を牽引する本発明適用電気機関車については、所定の速度に達した後の惰力運転時に直ちに充電することができることから、積載する蓄電池の規模を実現可能な最小限に抑えることが可能であり、また、必要に応じて追加の蓄電池を別途貨車に積載して用意することによる対応も可能と考えられる。

以下、本発明を図面（図１及び図２）に示す実施形態例に基づいて説明する。いずれも本発明適用電気機関車の例である。

図１は、２車体連結の合計８軸の動輪と８基の発電・電動機を有する本発明適用電気機関車で、架線電力のみにより駆動される４基の発電・電動機と蓄電池電力のみで駆動される４基の発電・電動機で構成されているものの例を、概念図として示したものである。この図面では、発電・電動機４及び５は車体に積載されているように図示されているが、実際には、発電・電動機は、各動輪１軸に１基の発電・電動機が歯車を介して連結し、これらの動輪２軸と２基の発電・電動機が１組として１基の台車に組み付けられ、当該台車が車体を支える構造となっている。しかし、台車や発電・電動機をその通りに図示すると図が煩雑となる一方、本発明の説明上は台車の構造は本質的な意味を持つ事柄ではないので、ここでは台車を省略し、基本的な仕組みを説明することに重点を置いて概要を図示することとした。同様に、電気配線についても、必要最小限に簡略化し、また、矢印で電流の流れを表現して図示している。矢印が両方向に図示されている部分があるのは、回生電力の流れを図示しているためである。架線電力及び蓄電池電力の流れを示す矢印と回生電力の流れを示す矢印は異なる矢印を用いてある。図２においても同様である。

本発明適用電気機関車の力行（動力を使って走行することをいう。以下同じ。）時においては、運転制御装置３の力行時の回路設定に基づき、架線１からパンタグラフ２を介して運転制御装置３に架線電力が取り入れられ、車体Ａの４基の発電・電動機４に配電され、これら４基の発電・電動機を駆動してそれぞれ連結する動輪を回転させ、本発明適用電気機関車が運転されることとなる。また、大出力を必要とする力行時には、このほかに、運転制御装置３及び８の大出力力行時の回路設定に基づき、車体Ｂの蓄電池７（他の車両（コンテナ貨車１０）に追加の蓄電池として鉄道貨物コンテナ状の容器に収納された蓄電池ユニットＣが積載され、接続ケーブルにより接続されている場合には、当該蓄電池ユニットＣに収納されている蓄電池９を含む。）の電力が運転制御装置８を経由して車体Ｂの４基の発電・電動機５に導かれ、これら４基の発電・電動機を駆動してそれぞれ連結する動輪を回転させることにより、合計８基の発電・電動機の駆動力を利用して、本発明適用電気機関車が運転されることとなる。

惰力運転時や停車時等においては、運転制御装置３の惰力運転時又は停車時の回路設定に基づき、架線１からパンタグラフ２を介して運転制御装置３に取り入れられた架線電力は、充電器６により蓄電池７に充電される。また、他の車両（コンテナ貨車１０）に追加の蓄電池として鉄道貨物コンテナ状の容器に収納された蓄電池ユニットＣが積載され、接続ケーブルにより接続されている場合には、同様に、運転制御装置３に取り入れられた架線電力は、接続ケーブルを経由して当該蓄電池ユニットＣに収納されている充電器６により蓄電池９にも充電される。

減速運転時や抑速運転時においては、運転制御装置３及び運転制御装置８の減速運転時又は抑速運転時の回路設定に基づき、発電・電動機４及び５を発電機として使用して制動力を得ると同時に、発電・電動機４から得られる回生電力は運転制御装置３に、発電・電動機５から得られる回生電力は運転制御装置８に取り入れられ、いずれも充電器６により蓄電池７に充電される。この場合、他の車両（コンテナ貨車１０）に追加の蓄電池として鉄道貨物コンテナ状の容器に収納された蓄電池ユニットＣが積載され、接続ケーブルにより接続されている場合には、運転制御装置３又は８に取り入れられた回生電力は、接続ケーブルを経由して当該蓄電池ユニットＣに収納されている充電器６により蓄電池９にも充電される。なお、回生電力が十分でない場合には、架線電力と合わせて充電される。

無架線の線路区間においては、運転制御装置３及び運転制御装置８の無架線の線路区間の運転に対応した回路設定に基づき、蓄電池７（他の車両（コンテナ貨車１０）に追加の蓄電池として鉄道貨物コンテナ状の容器に収納された蓄電池ユニットＣが積載され、接続ケーブルにより接続されている場合には、当該蓄電池ユニットＣに収納されている蓄電池９を含む。）の電力が運転制御装置８に取り入れられ、車体Ｂの４基の発電・電動機５を駆動してそれぞれ連結する動輪を回転させ、本発明適用電気機関車が運転されることとなる。

図２は、１車体完結型の６軸の動輪及び６基の発電・電動機を有する本発明適用電気機関車で、架線電力により駆動される６基の発電・電動機が蓄電池電力でも駆動される構成となっているものの例を、概念図として示したものである。

本発明適用電気機関車の力行時においては、運転制御装置３の力行時の回路設定に基づき、架線１からパンタグラフ２を介して運転制御装置３に架線電力が取り入れられ、６基の発電・電動機４に配電され、これら６基の発電・電動機を駆動してそれぞれ連結する動輪を回転させ、本発明適用電気機関車が運転されることとなる。また、大出力を必要とする力行時には、このほかに、運転制御装置３の大出力力行時の回路設定に基づき、蓄電池７（他の車両（コンテナ貨車１０）に追加の蓄電池として鉄道貨物コンテナ状の容器に収納された蓄電池ユニットＣが積載され、接続ケーブルにより接続されている場合には、当該蓄電池ユニットＣに収納されている蓄電池９を含む。）の電力も運転制御装置３を経由して６基の発電・電動機４に導かれ、架線電力と蓄電池電力を合わせた大容量の電力により６基の発電・電動機４を大出力で駆動してそれぞれ連結する動輪を強力に回転させることにより、本発明適用電気機関車が運転されることとなる。

惰力運転時や停車時の充電の仕組み、減速運転時や抑速運転時の回生電力の充電の仕組み、及び無架線の線路区間における蓄電池電力による運転の仕組みは、図１の説明とほぼ同様であるので、ここでは説明を省略する。

本発明の実施形態例として、２車体連結で合計８軸の動輪と８基の発電・電動機を有し、架線電力のみにより駆動される４基の発電・電動機と蓄電池電力のみで駆動される４基の発電・電動機で構成されている本発明適用電気機関車の例を示す概念図である。

本発明の実施形態例として、１車体完結で６軸の動輪及び６基の発電・電動機を有し、架線電力により駆動される６基の発電・電動機が蓄電池電力でも駆動される構成となっている本発明適用電気機関車の例を示す概念図である。

符号の説明

Ａ…２車体連結の車両の一方の車体２…パンタグラフ７…蓄電池
Ｂ…２車体連結の車両の他方の車体３…運転制御装置８…運転制御装置
Ｃ…蓄電池ユニット４…発電・電動機９…蓄電池
Ｄ…１車体完結の車両５…発電・電動機１０…コンテナ貨車
１…架線６…充電器１１…動輪

Claims

車輪の車軸に歯車で連結され当該車輪を駆動する電動機として使用でき、かつ、当該車輪（以下「動輪」という。）の回転力を利用して発電機としても使用できる発電・電動機を有し、架線からパンタグラフを介して供給される電力（以下「架線電力」という。）を使用して当該発電・電動機を駆動することにより走行させる回路を有する電気鉄道車両であって、
蓄電池及び充電器を列車車両（当該電気鉄道車両自体又は当該電気鉄道車両と直接又は間接に連結された別の車両）に積載し、大出力を必要とする出発時、加速時及び登坂時においては、架線電力のほかに当該蓄電池（以下「積載蓄電池」という。）の電力も使用して発電・電動機を駆動することにより、架線電力のみによる最大出力を上回る出力で運転する回路を有するとともに、
惰力運転時（列車の慣性力のみにより走行させて運転する場合をいう。）及び停車時に、架線電力から上記積載の蓄電池（他の車両に積載する追加の蓄電池がある場合は当該蓄電池を含む。）に充電することができる回路を有する積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
上記積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、架線が無く架線からの電力を使用できない線路区間においては、積載蓄電池の能力の範囲内で、その電力を使用して発電・電動機を駆動させて運転することができる回路を有する積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
上記積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、減速運転時及び抑速運転時（下り坂において走行速度が増加しないように抑制しながら運転する場合をいう。以下同じ。）には発電・電動機を発電機として使用して制動力を得ると同時に発電し、その電力を積載蓄電池に充電する回路（当該電力が十分でない場合には、架線電力を合わせて充電する回路を含む。）を有する積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
上記積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、架線電力と積載蓄電池の電力を同時に合わせて使用して総ての発電・電動機を駆動する方式の積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
上記積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、架線電力を使用する発電・電動機と積載蓄電池の電力を使用する発電・電動機が別々である方式の積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
上記積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両は、運転の必要に応じて回路を切り替えることにより、個々の発電・電動機毎に駆動するために使用する電力の設定を変更し、架線電力のみ、蓄電池の電力のみ、又は架線電力と蓄電池の電力を合わせたもので、個別に発電・電動機を駆動することができる方式の積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。
積載蓄電池のうち積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両に直接又は間接に連結された車両に積載する蓄電池は、コンテナ貨物列車にあっては、鉄道貨物コンテナ状の筐体に収納されコンテナ貨車に積載することができる蓄電池ユニットであり、所要の充電器を含み、これとケーブルにより電気的に接続することができる請求項１〜６のいずれか１項に記載の積載蓄電池電力併用型大出力電気鉄道車両。