JP2009113691A - 鉄道における電池駆動式車両の地上給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両故障・自然災害などによりどの駅または信号所に長時間停車するようになっても、補機に電力を供給すると共に蓄電池に充電することができ、不平衡負荷の問題が発生せず、コストダウンも図る。
【解決手段】電池駆動式車両１が走行する線路２（路線）に設置される全ての駅３（または信号所）に、交流給電方式の給電設備４がそれぞれ独立して設けられている。その各給電設備４は、一重系の設備で、特別高圧または高圧の三相交流が、変圧器、交流遮断器を介して、車両１側の充電制御装置５に適した電圧（例えば１５００Ｖまたは６００Ｖ）に降圧され、車両１のパンタグラフ６が接触する剛体式電車線７に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムに関するものである。

従来より、鉄道において、動力源として蓄電池が搭載される電池駆動式車両を用い、この蓄電池に蓄電された電力でもって誘導電動機を駆動することで、架線が設けられていない区間を走行できるようにすることは知られている（例えば特許文献１，２参照）。

例えば、都市交通システムとして、電気で駆動する路面電車が蓄電池及び地上の架線から集電するパンタグラフを備えており、路面電車の軌道が架線のない区間と架線を設置した区間とを有し、架線を設置した区間でパンタグラフにより架線から集電して路面電車に搭載した蓄電池を充電し、架線のない区間で蓄電池を電源として路面電車の走行を行うようにしたものは知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、そのようなシステムにおいて、停留所の軌道部分に架線を設置した区間を配して、路面電車が停車している間に電力を補給できるようにし、路面電車が走行する他の軌道部分に架線を設けないようにすることも知られている。
特開２００５−２３７１２５号公報（段落００２６〜００３０および図１〜図３） 特開２００７−６８２４１公報（段落００２２，００２５および図１，図３，図４） 特開２００２−２８１６１０号公報（段落００１２〜００１４および図１，図２）

ところで、そのような給電設備を停留所（駅または信号所）に設ける場合には、隣接する給電設備間がき電線または電車線で接続されていないので、すべて二重系の設備とする必要がある。つまり、鉄道では、車両故障（例えば、ブレーキ、ドアなどの故障）、自然災害（大雨、台風、地震など）により、長時間停車するような事態が発生する場合がある。そのような場合に、給電設備がない駅や、給電設備が故障している駅で停車することになると、車両の補機（冷暖房等）の負荷のため、車両に搭載の蓄電池が過放電となるおそれがあり、重大な運転阻害要因となる可能性がある。このような場合、全駅に給電設備を設置すれば解決するが、コスト高となり、非常に不経済な設備になる。

具体的には、通常、直流給電方式の給電設備が採用されるので、例えば図６に示すように、各駅１０１において、２つの給電設備１０２、１０２を設け、二重系の給電設備とし、三相交流の特別高圧または高圧をき電用変圧器で降圧し、直流の整流器や、断路器、直流高速度遮断器を介して直流変換して、直流剛体式電車線１０３に供給できるようにする必要がある。なお、１０４は線路である。

このように給電設備として直流給電方式を採用する場合には、直流の整流器や遮断器が必要となり、高価な設備となる。しかも、直流の整流器や遮断器は鉄道独特の特殊な機械であるため、保守管理に特別な電気技術者が必要となる。

そこで、給電設備として交流給電方式を採用することが考えられるが、単相交流給電とすると、不平衡負荷の問題が発生する。

本発明は、車両故障・自然災害などによりどの駅または信号所に長時間停車するようになっても、補機に電力を供給すると共に蓄電池に充電することができ、不平衡負荷の問題が発生せず、コストダウンも図れる鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムを提供する。

請求項１の発明は、動力源として蓄電池が搭載される電池駆動式車両が用いられ、前記電池駆動式車両の蓄電池には、前記電池駆動式車両が走行する路線に配置される給電設備によって充電される鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムであって、前記給電設備は、前記路線の駅または信号所毎に設けられ、剛体式電車線に三相交流を給電する小容量三相交流給電設備で、一重系の設備として設けられ、供給される三相交流特別高圧または高圧を、変圧器にて降圧して、剛体式電車線に供給する構成とされ、前記電池駆動式車両は、前記剛体式電車線に接触するパンタグラフと、前記剛体式電車線から供給される三相交流を直流に変換する充電制御装置とを備え、前記電池駆動式車両の蓄電池の容量を、前記路線におけるすべての駅または信号所において、連続する二つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量とすることを特徴とする。ここで、「路線におけるすべての駅または信号所において、連続する二つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量」とは、最も長い距離となる２つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量という意味で、ある駅または信号所の給電設備が故障などにより利用できなくても、次の駅または信号所まで走行できるという意味でもある。つまり、鉄道であるので、車両が走行する路線が定まっており、隣接する駅または信号所間の距離もわかるので、このような容量に設定することができる。

このようにすれば、各駅または信号所に給電設備を設けることにより、車両故障・自然災害などによりどの駅または信号所に長時間停車するようになっても、蓄電池に充電すると共に補機に電力を供給することができるので、列車運行管理上外乱に強い鉄道システムとすることが可能となる。

また、三相交流給電の給電設備としているので、不平衡負荷の問題が発生せず、さらに、車両側で交流を直流に変換するようにしているので、給電設備に高価な直流の整流器や遮断機が必要でなくなり、設備費が安くなる。しかも、保守管理も一般的な技術者でよく、コストダウンを図る上で有利となる。また、信頼性が高く、メンテナンスフリーに近い設備とすることができる。

ある駅または信号所の給電設備が故障または電力会社の停電により給電が停止しても、車両の蓄電池は連続する二つ以上の駅または信号所の間を走行可能な容量であるので、列車運行を継続でき、鉄道システムとしての信頼性を確保することができ、また、各駅または信号所の給電設備は、一重系の設備とすることができるので、コストダウンを図る上で有利である。

請求項２に記載のように、前記パンタグラフは、前記駅または信号所において、集電部が、前記剛体式電車線に対し接触可能となるように弾性付勢されている突放方式のパンタグラフとするが望ましい。

このようにすれば、車両のパンタグラフは、集電部が剛体式電車線に対し弾性付勢されているので、故障の原因となりやすい上げ下げ操作を必要とせず、給電システムとしての信頼性が向上する。

また、例えば路面電車のように、路線によっては、車両に搭載できる蓄電池の容量に比べて、駅または信号所間の距離が短い場合もあり、このような場合には、すべての駅または信号所に給電設備を設ける必要はなく、請求項３に記載のように構成することも可能である。即ち、請求項３の発明は、動力源として蓄電池が搭載される電池駆動式車両が用いられ、前記電池駆動式車両の蓄電池には、前記電池駆動式車両が走行する路線に配置される給電設備によって充電される鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムであって、前記給電設備は、前記電池駆動式車両が走行する路線の駅または信号所のうち隣の駅または信号所の距離が所定距離以下のものを除き設けられ、剛体式電車線に三相交流を給電する小容量三相交流給電設備で一重系の設備として設けられ、供給される三相交流特別高圧または高圧を、変圧器にて降圧して、剛体式電車線に供給する構成とされ、前記電池駆動式車両は、前記剛体式電車線に接触するパンタグラフと、前記剛体式電車線から供給される三相交流を直流に変換する充電制御装置とを備え、前記電池駆動式車両の蓄電池の容量を、前記路線におけるすべての駅または信号所において、連続する二つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量とすることを特徴とする。

以上のように構成したから、本発明は、車両故障・自然災害などによりどの駅または信号所に長時間停車するようになっても、蓄電池に充電すると共に補機に電力を供給することができるので、列車運行の管理上外乱に強いシステムとすることが可能となる。とくに、三相交流給電の給電設備としているので、不平衡負荷の問題が発生せず、また、高価な直流の整流器や遮断機を設ける必要がないので、設備費がやすく、保守管理も一般的な電気技術者でよく、コスト面でも有利となるとともに、信頼性が高く、メンテナンスフリーに近い設備とすることができる。

また、ある駅または信号所の給電設備が故障または電力会社の停電により給電が停止しても、車両の蓄電池は連続する二つ以上の駅または信号所を走行可能な容量であるので、列車運行を継続でき、鉄道システムとしての信頼性を確保することができ、さらに、各駅または信号所の給電設備は、一重系の設備とすることができるので、コストダウンを図る上で有利である。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムの概略構成を示す説明図、図２は地上側の給電設備と、車両側の充電制御装置との関係を示す説明図、図３は車両側の充電制御装置の概略説明図である。

図１〜図３に示すように、本システムにおいては、電池駆動式車両１が走行する線路２（路線）に設置される全ての駅３（または信号所）に、交流給電方式の給電設備４がそれぞれ独立して設けられている。その各給電設備４は、一重系の設備で、具体的に図示していないが、６０００Ｖの三相交流が、ヒューズ付きの保護回路を含む変圧器、交流遮断器を介して、車両１側の充電制御装置５に適した電圧（例えば１５００Ｖまたは６００Ｖ）に降圧され、車両１のパンタグラフ６が接触する剛体式電車線７に供給される。

剛体式電車線７からパンタグラフ６を通じて給電される三相交流が、充電制御装置５を介して変換されるが、その際、一定量の電流が流れるように電圧が制御され、蓄電池８（バッテリ）が充電される。また、蓄電池８の直流電力をＶＶＶＦインバータ９（電圧・周波数可変インバータ）で三相電力に変換して誘導電動機１０を駆動するようになっている。この車両１は、駅３（または信号所）で、車両１に搭載される蓄電池８に充電することで、架線を使用せずに、充電された蓄電池８を駆動源として車両１を、駆動モータで走行するようにしたものである。

この蓄電池の容量は、連続する二つ以上の駅３（または信号所）を走行可能な容量とされ、いずれかの駅３（または信号所）の給電設備４が故障していても、隣の駅３（または信号所）まで走行して、蓄電池８への充電が可能となるようにされている。これは、隣り合う２つの駅の給電設備４がともに故障などにより使用できなくなる確率は、二重系の給電設備で給電設備が２つとも使用できなくなる確率にほぼ等しいことに基づいている。

よって、各駅３（または信号所）に二重系の給電設備を設けなくても、蓄電池８の容量を前述したようにすることで、二重系の給電設備を設けた場合と同様の信頼性を確保することができる。

電池駆動式車両１のパンタグラフ装置１１は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、３つのパンタグラフ６を有し、それぞれの集電部６ａの上げ下げ操作が不要となるように、各集電部６ａが三相交流剛体式電車線７に対し弾性付勢されている突放方式とされている。つまり、パンタグラフ装置１１のベース１１ａが、車両１の車体１Ａに碍子アッセンブリ１２を介して取り付けられ、その各パンタグラフ６が、集電部６ａが先端部に取り付けられるリンク６ｂ，６ｃの基端部が、ベース６ｂ上の支持ブラケット部１１ｂに回転可能に支持されている。また、そのリンク６ｂの基端部側とベース１１ａ側の取付具１１ｃとの間に引張スプリング１３が設けられ、集電部６ａが図４（ａ）（ｂ）において上方向に変位するように常時付勢されるようになっている。よって、通常のパンタグラフのように上げ下げ操作を行うことなく、各駅３（または信号所）において、集電部６ａが剛体式電車線７に接触して集電できるようになっている。なお、剛体式電車線７は、車両の進行方向に沿って一定長さを有し、その両端部が傾斜部分７ａとなっており、パングラフ６の変位をスムーズに案内するようになっている。

上記のようなシステムにすれば、各駅３（または信号所）に給電設備４を設けることにより、車両故障・自然災害などによりいずれの駅３（または信号所）に長時間停車するようになっても、蓄電池８に充電すると共に補機に電力を供給することができるので、列車運行管理上外乱に強い鉄道システムとなる。

三相交流給電の給電設備としているので、不平衡負荷の問題が発生せず、また、車両側で三相交流を直流に変換するようにしているので、直流給電のように、給電設備４に高価な直流の整流器や遮断機を設けることが必要なくなり、設備費が安くなるし、保守管理も一般的な電気技術者でよく、コストダウンを図る上で有利となる。また、信頼性が高く、メンテナンスフリーに近い設備とすることができる。

ある駅３（または信号所）の給電設備４が故障または電力会社の停電により給電が停止しても、車両１の蓄電池８は、連続する二つ以上の駅３（または信号所）の間を走行可能な容量であるので、列車運行を継続でき、鉄道システムとしての信頼性を確保することができ、また、各駅３（または信号所）の給電設備４は、一重系の設備とすることができるので、コストダウンを図る上で有利である。

さらに車両１のパンタグラフ６は、集電部６ａが三相交流剛体式電車線７に対し弾性付勢されているので、故障の原因となりやすい上げ下げ操作を必要とせず、この点からも給電システムとしての信頼性が向上する。

前記実施の形態では、すべての駅３（または信号所）に給電設備４を設けているが、必ずしもその必要はなく、隣り合う駅３（または信号所）の間の距離が、所定距離以下で短いような場合には、例えば図５に示すように、給電設備４を設ける駅（または信号所）を間引くことも可能である。

前記実施の形態では、突放式のパンタグラフ６を用いているが、Ｚ形パンタグラフなどの他のパンタグラフを用いることができるのはもちろんである。この場合は、駅または信号所において、剛体式電車線が設けられている位置でパンタグラフを上げ前記電車線に接触させて充電し、パンタグラフを下げてその接触を解除して、走行することになる。

本発明の一実施の形態に係る鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムの概略構成を示す説明図である。 地上側の給電設備と、車両側の充電制御装置との関係を示す説明図である。 車両側の充電制御装置の概略説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ突放式のパンタグラフの平面図および正面図である。 他の実施の形態の説明図である。 直流を給電する場合の比較例を示す図１と同様の図である。

符号の説明

１ 電池駆動式車両
２ 線路
３ 駅（または信号所）
４ 給電設備
５ 充電制御装置
６ パンタグラフ
７ 剛体式電車線
７ａ，７ａ 傾斜部分
８ 蓄電池
１１ パンタグラフ装置
１３ スプリング

Claims (3)

1. 動力源として蓄電池が搭載される電池駆動式車両が用いられ、前記電池駆動式車両の蓄電池には、前記電池駆動式車両が走行する路線に配置される給電設備によって充電される鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムであって、
   前記給電設備は、前記路線の駅または信号所毎に設けられ、剛体式電車線に三相交流を給電する小容量三相交流給電設備で、一重系の設備として設けられ、供給される三相交流特別高圧または高圧を、変圧器にて降圧して、剛体式電車線に供給する構成とされ、
   前記電池駆動式車両は、前記剛体式電車線に接触するパンタグラフと、前記剛体式電車線から供給される三相交流を直流に変換する充電制御装置とを備え、
   前記電池駆動式車両の蓄電池の容量を、前記路線におけるすべての駅または信号所において、連続する二つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量とすることを特徴とする鉄道における電池駆動式車両の地上給電システム。
2. 前記パンタグラフは、前記駅または信号所において、集電部が、前記剛体式電車線に対し接触可能となるように弾性付勢されている突放方式のパンタグラフであることを特徴とする請求項１記載の鉄道における電池駆動式車両の地上給電システム。
3. 動力源として蓄電池が搭載される電池駆動式車両が用いられ、前記電池駆動式車両の蓄電池には、前記電池駆動式車両が走行する路線に配置される給電設備によって充電される鉄道における電池駆動式車両の地上給電システムであって、
   前記給電設備は、前記電池駆動式車両が走行する路線の駅または信号所のうち隣の駅または信号所の距離が所定距離以下のものを除き設けられ、剛体式電車線に三相交流を給電する小容量三相交流給電設備で一重系の設備として設けられ、供給される三相交流特別高圧または高圧を、変圧器にて降圧して、剛体式電車線に供給する構成とされ、
   前記電池駆動式車両は、前記剛体式電車線に接触するパンタグラフと、前記剛体式電車線から供給される三相交流を直流に変換する充電制御装置とを備え、
   前記電池駆動式車両の蓄電池の容量を、前記路線におけるすべての駅または信号所において、連続する二つ以上の駅または信号所にわたって走行可能な容量とすることを特徴とする鉄道における電池駆動式車両の地上給電システム。

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