JP2006232102A - 交通システム - Google Patents

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Abstract

【課題】架線を使用しない鉄道電気車量用の充電設備は大形、高価となる。
【解決手段】交流を直流に整流する整流器と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチョッパ部との直列回路と、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部とで充電装置を構成し、この充電装置を電気二重層キャパシタ及び回生機能を有する電力変換部を搭載した車両に適用することにより、設備を小型化したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気車両用の交通システムに係り、特に電力供給が無い場合でも走行可能な電気車両に好適な交通システムに関するものである。
近年、電力供給が無い場合でも走行可能な蓄電手段搭載型の電気車両の検討が進められている。この電気車両は、車両に蓄電池もしくはキャパシタ等の蓄電手段を搭載し、車両が駅に停車している間に車両走行や車両内機器などで消費される必要電力(以下、単に必要電力という)を蓄電池などに充電して次の駅にまで走行し、当該駅で停車しているときに次なる必要電力を蓄電手段に充電するものである。また、各駅には車両に搭載された蓄電手段に電力を供給するための変電設備が必要となる。これら電気車両用の変電設備や車両に搭載される蓄電手段としては、特許文献１〜６のようなものが公知となっている。
特許文献１には、移動体(電気車両)に搭載した蓄電池が消耗した場合に、消耗した蓄電池を車両外に引き出して充電済みの蓄電池と交換することで、短時間の停車中でも必要とする電力補充を行うことが記載されている。特許文献２には、直流き電設備と並列に電気二重層キャパシタを接続し、直流き電設備の整流器容量の低減を図ることが記載されている。特許文献３には、電気車に電気エネルギーを蓄えるキャパシタ・バンクを搭載し、電気車の回生電力をキャパシタ・バンクに蓄えることで送電電力の低減を図ることが記載されている。特許文献４には、鉛蓄電池を電源とした電気車両の充電時間を短縮するために鉛蓄電池と電気二重層キャパシタを並設して、充電電力を電気二重層キャパシタに急速充電し、電気車両の走行時などには小電流で鉛蓄電池に充電することが記載されている。更に、特許文献５と６には、蓄電設備を搭載した鉄道車両において、き電線下では蓄電設備であるバッテリーに電力を蓄え、き電線がなくなった部分ではバッテリーを放電して鉄道車両を走行させることが記載されている。
特開平１０−２２４９０６号公報 特開平１１−９１４１５号公報 特開２０００−４５０７号公報 特開２０００−２５３５０８号公報 特開２００１−７８３０８号公報 特開２００２−２８１６１０号公報
電力供給が無い場合でも走行可能な蓄電手段搭載型の電気車両に必要電力を充電するためには、車両が駅に停車している短時間のうちに充電を完了しなければならず、短時間定格の大きな容量の変電設備を用いる必要があり、これを各駅に設置することは莫大な設備投資を必要とすると共に、変電設備を据え付けるためのスペースも広く必要とする。また、短時間定格の大きな容量の変電設備から必要電力を車両に供給するためには、低圧で供給した場合には大電流となって、更なる設備費用の上昇や機器設置スペースの増大となる。このため、変電設備としては高圧または特別高圧のものが必要となる。
この点を踏まえて各特許文献のものを考察すると、特許文献１のものは、蓄電池が複数必要となること、及び駅毎に蓄電池の交換要員が必要となる。特許文献２のものは、電気車両の回生電力を利用することで整流器の容量低減ができ、電気二重層キャパシタを使用することで急速充電は可能であるが、変電設備に電気二重層キャパシタを備えるだけでは、き電線のない区間での電気車両の走行を実現する交通システムを構築することはできない。特許文献３のものは、急速充電は可能であるが、その場合における変電設備の整流器用変圧器と整流器は急速充電時の定格以上の容量の設備が必要となり、設置スペースの増大、コストアップとなる。特許文献４のものは、急速充電可能であるが、設備容量を短時間定格に合わせて増やす必要があることや、電気車両側に２種類の蓄電手段を搭載する必要があり、電気車両側での限られたスペースの中での搭載スペース増大や蓄電手段の重量増加による走行性能低下となっている。また、特許文献５及び６のものは、蓄電手段を搭載しているので、き電線のない区間での走行は可能であるが、短時間で急速充電すると変電設備の容量増加が必要となり、バッテリーの充電効率低下や寿命低下が起きるため急速充電には不向きなものとなっている。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、直流電源設備の容量を低減し、且つ車両への蓄電手段の搭載スペースが縮小され、停車中の短時間なよる車両への急速充電可能な電気車両を用いた交通システムの提供にある。
本発明の第１は、電気車両への電力供給を行う変電設備によって充電される蓄電手段を搭載してき電線又は第３軌条が無い部分でも走行可能な電気車両を用いる交通システムにおいて、
電気二重層キャパシタと、回生機能を有する電力変換部と、前記電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギーを電源とし、前記電力変換部を介して制御される駆動モータとからなる蓄電設備を電機車両に備えると共に、交流を直流に整流する整流器と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチョッパ部との直列回路と、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部からなる電力供給装置とで構成したことを特徴としたものである。
本発明の第２は、前記電力供給装置の電気二重層キャパシタと電流授受部との間に充電開始用直流遮断器を設けたことをものである。
本発明の第３は、前記電流授受部は、前記直流遮断器の反電気二重層キャパシタ側の一端に接続された導体と、電気車両に配置された集電体にて構成したことを特徴としたものである。
本発明の第４は、前記集電体はパンタグラフ又は第３軌条の何れかであることを特徴としたものである。
以上のとおり、本発明によれば、電気二重層キャパシタを用いた大電流の電力供給が可能な電力供給装置と、電気車両に搭載されて電気二重層キャパシタを用いた急速充電可能な蓄電装置との双方を備えると共に、電気車両に搭載された駆動モータの回生電力を電気二重層キャパシタに蓄えるようにしたものである。これによって、停車中の短時間による車両への急速充電を可能とし、変電所の整流器から電気二重層キャパシタに充電する時間を長くとることが可能となり、更に、蓄電設備による回生電力分を除いた少ない電力充電でよいので、整流器容量も小さくできて低圧受電が可能となり、変圧器及び配電盤も低圧設備とすることができ、変電所建設費用を大幅に削減することができる。また、整流器容量が小さくできることによって短時間の急速充電が可能となることから、車両に搭載する蓄電手段は電気二重層キャパシタのみでよく、従来のように蓄電手段を2種類搭載する車両に比べて、車両での搭載スペース縮小や車両重量の軽減が図れるものである。
図１は、本発明の実施例を示す構成図である。１は交流遮断器、２は整流器用変圧器で、この変圧器の交流出力は整流器３によって整流される。４は平滑用のコンデンサ、５は電気二重層キャパシタで、この電気二重層キャパシタ５と直列にチョッパ部６が接続され、両者の直列回路は整流器３と並列に接続されている。なお、チョッパ部６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、この素子と逆並列に接続されたダイオードなどより構成され、スイッチング素子のゲートに対して図示省略された制御回路を介し制御することにより、電気二重層キャパシタ５への充放電制御が行われる。７は直流遮断器で、これら１〜７の各要素により電力供給装置が構成され、必要とする充電駅又はこの充電駅に対応する近辺に設置される。
１０は電気車両で、この車両には電気二重層キャパシタ１１が搭載されている。１２は回生機能を有する電力変換部、１３は駆動用の交流モータ、１４はレールで、モータ１３は電気二重層キャパシタ１１を電源として駆動力を発生し、車両１０をレール１４に沿って走行させる。１５は電流授受部で、この電流授受部１５は、ここでは直流遮断器７の一端側に接続された導体１５ａと、車両１０に設けられたパンタグラフ１５bによって構成され、導体１５ａは車両１０が停止したとき、パンタグラフ１５ｂの位置する部位に予め設置されている。また、電気二重層キャパシタ１１は、パンタグラフ１５ｂとは電気的に接続されており、電流授受部１５を介して充電される構成となっている。これら１０〜１５の各要素によって、電気車両の蓄電設備と、この蓄電設備への通流系統が構成される。
以上のように構成された電力供給装置と蓄電設備を備えた交通システムにおいて、交流遮断器１が投入されると、交流は変圧器２を介して整流器３に出力され、この整流器３によって直流に変換された後、コンデンサ4により平滑される。チョッパ部６の制御回路は、電気二重層キャパシタ５の充電状態を監視しながら充電電流を制御する。したがって、電気二重層キャパシタ５は、電気車両に対して次の充電駅にまで十分に走行可能な電力供給が可能となる充電状態を維持しながら待機している。電気二重層キャパシタ５の充電待機時間は、蓄電設備の電気二重層キャパシタ１１への急速充電以外の時間とすることで、変圧器２を介した整流器３の出力は、急速充電時に比べて長く、大電流による充電を必要としない。
電気車両１０が駅構内に入ってきて停止すると、車両１０に搭載された電気二重層キャパシタ１１は、自動的に電流授受部１５を介して電力供給装置と電気的に連結可能状態となる。その後に直流遮断器７を投入することによって、電力供給装置側の電気二重層キャパシタ５に充電されていた電荷は、チョッパ部６、直流遮断器７及び電流授受部１５を通して電気車両に搭載された電気二重層キャパシタ１１に短時間で急速放電する。その結果、短時間で電気二重層キャパシタ１１は次の充電駅にまで十分に走行可能な状態にまで充電される。
ところで、電気車両１０は、駅構内進入に当たってはブレーキがかけられ、その際、モータ１３には回生電力が発生する。この回生電力は、電力変換部１２を通して電気二重層キャパシタ１１に供給され、キャパシタ１１を充電する。すなわち、モータ１３が回生状態となる都度キャパシタ１１は充電されるので、停車時には相当量のエネルギーが蓄積され、停車中における電力供給装置からの充電は次の充電駅までの走行に要する電力不足分のみでよい。このため、本来、蓄電設備搭載車両の必要電力を全て変電所の整流器で賄うべきところ、電力不足分のみでよいので、電気二重層キャパシタ５から車両への電力供給量は少なくなり、且つ高速での充放電特性が他の蓄電池に比べて良好な電気二重層キャパシタを用いたのでより一層の短時間による電力供給が可能となる。
本発明によれば、車両への電力供給量が少なく、且つ停車中における蓄電設備への短時間充電が可能となる。また、電力供給装置の整流器容量も小さくできて低圧受電が可能となり、変圧器及び配電盤も低圧設備とすることができ、変電所建設費用を大幅に削減することができると共に、車両への搭載スペースの縮減、重量の軽減ができるものである。以下具体的な例について説明する。
電気車両に設置されるモータ１３の容量を６００ｋＷとし、駅区間におけるモータの力行と回生の運転状態を２対１とする。図２はこの運転状態の模式図で、縦軸は電力量、横軸は時間である。また、電気車両の運転間隔を１８０秒、停車時間を３０秒とすると、
６００*２０*０．５−６００＊１０＊０．５＝３０００ｋＷ-S
となり、駅に停車したときの電気車両の電気二重層キャパシタ１１の充電量は３０００ｋＷ-Sが不足量となる（ここでの０．５は電力量係数で、車両力行時の電力量の半分を回生電力と仮定した場合）。つまり、次の充電駅まで走行させるためには、当該駅で３０００ｋＷ-Sの充電が必要となる。この充電に必要とする整流器３の容量は、
３０００／（１８０−３０）＝２０ｋＷ
となる。したがって、本発明に基づく設備としては、車両に搭載する電気二重層キャパシタ容量：３０００ｋＷ-S、変電所に施設する整流器容量：２０ｋＷ、変電所に施設する電気二重層キャパシタ容量：３０００ｋＷ-Sの各容量のもので実現できるものである。
本発明の実施形態を示す構成図。 説明のための充放電模式図。
符号の説明
１… 交流遮断器
２… 整流器用変圧器
３… 整流器
４… コンデンサ
５… 電気二重層キャパシタ
６… チョッパ部
７… 直流遮断器
１０… 電気車両
１１… 電気二重層キャパシタ
１２… 電力変換部
１３… 駆動モータ
１４… レール
１５… 電流授受部

Claims (4)

  1. 電気車両への電力供給を行う変電設備によって充電される蓄電手段を搭載してき電線又は第３軌条が無い部分でも走行可能な電気車両を用いる交通システムにおいて、
    電気二重層キャパシタと、回生機能を有する電力変換部と、前記電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギーを電源とし、前記電力変換部を介して制御される駆動モータとからなる蓄電設備を電機車両に備えると共に、交流を直流に整流する整流器と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチョッパ部との直列回路と、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部からなる電力供給装置とで構成したことを特徴とした交通システム。
  2. 前記電力供給装置の電気二重層キャパシタと電流授受部との間に充電開始用直流遮断器を設けたことを特徴とした請求項１記載の交通システム。
  3. 前記電流授受部は、前記直流遮断器の反電気二重層キャパシタ側の一端に接続された導体と、電気車両に配置された集電体にて構成したことを特徴とした請求項１又は２記載の交通システム。
  4. 前記集電体はパンタグラフ又は第３軌条の何れかであることを特徴とした請求項３記載の交通システム。
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