JP2009165315A

JP2009165315A - 鉄道車両

Info

Publication number: JP2009165315A
Application number: JP2008002624A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yonetani; 弘米谷
Original assignee: Kinki Sharyo Co Ltd
Current assignee: Kinki Sharyo Co Ltd
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に対し、昇圧制御、降圧制御の一方によって簡易に対応できるようにする。
【解決手段】架線区間では架線８からの給電により走行するのに併せ充電される蓄電装置４を設けて、架線レス区間では蓄電装置４からの給電によって走行するようにし、
架線電圧Ｖ_Kおよび蓄電電圧Ｖ_Bの公称電圧値Ｖ_K0、Ｖ_B0に差−Ｖ_A（−Ｖ_A）を設けて架線８からの蓄電装置４への充電を制御することにより、上記の目的を達成する。
【選択図】図３

Description

本発明は鉄道車両に関し、特に、架線からの給電により走行する鉄道車両にするものである。

鉄道車両はディーゼル車両など特種な場合を除き、架線からの給電により走行するのが一般的である。これに対して、蓄電装置を床下機器の１つなどとして搭載した鉄道車両の開発が種々進められている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、これまでに実用されている蓄電装置を搭載した鉄道車両では蓄電装置の役割は回生電力を蓄電して有効利用することに限られてきた。
特開２００７−１８２２０８号公報

ところで、特許文献１が開示するような低床車は路面用車両であり、小型軽量化に、加え、回生電力の回収などの省エネ、架線からの給電により走行するいわゆる架線走行に対して、架線が設けられず蓄電による電力により自走できるようにする架線レス区間への対応が特に望まれている。本発明者はこれに応えるべく蓄電装置の実用に向け種々に実験および検討を重ねる中、蓄電装置の充放電が不安定であることを経験し、温度の不安定が原因であることを知見するのと同時に、架線電圧および蓄電電圧共に変動し、架線電圧の変動は送電距離の変化に伴う小さな範囲での変動に、回生や消費の変化による比較的大きな変動が重なるのに対し、蓄電電圧の変動は充放電による比較適一定した比較的小さな幅での変動となるので、蓄電装置への充電が不安定になり、架線レス区間での走行に必要な蓄電量の確保が困難なことも知見している。

そこで、本発明者は、架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に対して、図２を参照して実施の形態において例示しているように、架線電圧側をその時々の蓄電電圧に対して適正な大小関係を保つように充電制御することを先ず発想した。しかし、実変動に応動するだけの充電制御では、その時々で、昇圧制御になったり、降圧制御になったりするので制御が複雑になるし、架線区間走行時と架線レス区間走行時とでは充電の有無の違いがあって制御に無駄も生じ、装置の大型化、重量化、高コスト化につながる問題もある。

本発明の目的は、そのような新たな知見に基づき、特に、架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に対し、昇圧制御、降圧制御の一方によって簡易に対応できる鉄道車両を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の鉄道車両は、架線からの給電により走行する鉄道車両において、架線区間では架線からの給電により走行するのに併せ充電される蓄電装置を設けて、架線レス区間では蓄電装置からの給電によって走行するようにし、架線電圧および蓄電電圧の公称電圧値に差を設けて架線からの蓄電装置への充電を制御することを特徴としている。

このような構成では、架線区間では架線からの給電によって走行と、蓄電装置への充電とを確保しながら、架線レス区間では蓄電装置からの給電によって走行できるようにするのに、架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に対し、架線電圧および蓄電電圧の公称電圧値に差を持たせていることにより、変動幅の大きな架線電圧の変動域に対する変動幅の小さな蓄電電圧の変動域を、−側または＋側に片寄らせることができ、この片寄りによって架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に降圧制御のみか、昇圧制御のみかで対応して、架線電圧および蓄電電圧の蓄電装置への充電に適した大小関係を確保することができる。

公称電圧値の差は、架線電圧および蓄電電圧の変動に伴う充電制御が、降圧制御および昇圧制御の一方のみとなるように設定するものとすることができる。
このような構成では、架線電圧および蓄電電圧の蓄電装置への充電に適した大小関係が確実に得られる。

架線からの蓄電装置への充電を制御する充電制御回路と並列なバイパススイッチを設け、このバイパススイッチは架線レス区間走行時にオンするようにしたものとすることができる。

このような構成では、蓄電装置からの給電によって走行する架線レス区間において、架線からの充電と無縁になるところ、充電制御回路と並列なバイパススイッチをオンすることにより充電制御回路が無駄に給電され、働かされるのを阻止することができる。

本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴はそれ単独で、または可能な範囲で複合して採用することができる。

本発明の鉄道車両によれば、架線からの給電と、蓄電装置からの給電とを併用して、架線区間、架線レス区間を走行するのに、架線電圧および蓄電電圧の公称電圧値に差を持たせて変動幅の大きな架線電圧の変動域に対する変動幅の小さな蓄電電圧の変動域を、−側または＋側に片寄らせ、架線電圧および蓄電電圧の異なった幅での変動に降圧制御のみか、昇圧制御のみかで対応する簡単な充電制御により、架線電圧および蓄電電圧の蓄電装置への充電に適した大小関係を確保して、架線レス区間での走行を安定させられるし、装置の小型化、軽量化、低コスト化が実現する。

公称電圧値の差は、架線電圧および蓄電電圧の変動に伴う充電制御が、降圧制御および昇圧制御の一方のみとなるように設定して、架線電圧および蓄電電圧の蓄電装置への充電に適した大小関係が確実に得られる。

蓄電装置からの給電によって走行する架線レス区間において、充電制御回路と並列なバイパススイッチをオンすることにより充電制御回路が無駄に給電され、働かされるのを阻止することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る鉄道車両について、図を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明および図示は、本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載内容を限定するものではない。

本実施の形態の鉄道車両は、基本的に、床が車輪よりも高い通常車から床が車輪よりも低い低床車までの鉄道車両に適用することができ、図１に示す例のように車内１への新鮮気導入、車内１から車外２への排気、を伴い、車内１を所定の温度範囲Ｔに空調する換気空調システム３を備えた鉄道車両において、走行用の電動機ＭＭを始め運行用の空調システム３を含む電気機器へ電力を供給する蓄電装置４と、この蓄電装置４を所定の温度範囲Ｔに空調された車内１からの排気との熱交換を図って所定の温度範囲Ｔ１に保つよう強制温調する熱交換部５と、を設ける。このように、鉄道車両が蓄電装置４を搭載していることにより、図２に示すように架線走行中の架線８や設置され、または移動する充電装置９によって充電が行え、架線走行時には回生電力の回収充電もでき、充電度合いに応じて電動機ＭＭを始め空調システム３を含む電気機器に給電して運行できる。これら蓄電運行時、架線運行時のいずれにおいても、車内１、特に、客室内が換気空調システム３によって新鮮気の導入、排気による換気を伴い所定の温度範囲Ｔに常時空調されるのに併せ、所定の温度範囲Ｔに空調された車内１、客室内からの排気は熱交換部５によって蓄電装置４との熱交換を図って外部に排気され、蓄電装置４の初期低温状態や充放電中の昇温状態に関係なく車内１、客室内が空調されている所定の温度範囲Ｔの側に強制的に近付けるように常時温調される。

したがって、蓄電装置４の搭載で架線８や充電装置９によって充電して、架線走行時の回生電力の回収充電を併せ、蓄電装置４を含む電気機器に給電して運行でき、蓄電運行時、架線運行時を問わず、換気を伴い所定の温度範囲Ｔに空調されて快適な住空間が常時保たれるのに併せ、この空調での排気の蓄電装置４との熱交換を図った外部への排気により、蓄電装置４の低温状態や昇温状態に関係なく空調された所定の温度範囲Ｔの側に強制的に温調して蓄電装置４を所定の温度範囲Ｔ１に常時保てるので、温度が低すぎたり、高すぎたりする問題を回避できる。具体的には、蓄電装置４の温度が高過ぎることにより、電解液の劣化とそれによる蓄電容量の低下、寿命の短縮の原因になることが防止できる。また、逆に、冬季や寒冷地などでの走行初期などで温度が低すぎて、蓄電セルの内部抵抗が大きく、充放電特性が低下し電圧、電流共に出力が低下し、電圧、電流の変動が大きくなることにより、安定した運行を保証できない事態になるようなことを防止することができる。本発明者の実験によれば、Ｔ＝Ｔ１として蓄電装置４の充放電特性は満足に安定し、運行時間が経ることによりＴ＝Ｔ１に到達する。

ここで、熱交換部５は図１に示すように、車体６外に設けられ蓄電装置４を収容した温調ケース７内で、前記熱交換を行うようにしている。これにより、限られた温調ケース７内の設計された熱交換通路にて、車内１、客室内からの排気と蓄電装置４との熱交換を設定通りに効率よく安定して達成することができる。つまり、外部に開放されない限られたスペースとなる温調ケース７内での熱交換通路にて車内１、客室内からの排気と蓄電装置４との熱交換を効率よく安定して達成し、蓄電装置４の高い充放電特性を安定に保証することができる。

また、空調システム３は空調のための空調機３ａを持ち、この空調機３ａには図１に示す例のように空調機新鮮空気導入、室内空気の導入、空調空気の車内１所定範囲への送風を図るのための適数の吸気、送風ファン１１、１２などを設けて、車内１のほぼ均等な空調を達成するのが一般的であるが、排気ファン１３は、図１に実線で示すように車体６またはおよび図１に仮想線で示すように温調ケース７側に設けるものとすることができる。車体６側のみの排気ファン１３によると、特別な排気ファンの設置なしに車内１の一様な空調のための１か所または複数の適正カ所からの排気を図りながら蓄電装置４の強制的な温調ができ、この温調のための排気負荷を配慮した排気量の設定によって必要換気量を確保することができる。これは、温調ケース７側単独の図１に仮想線で示す排気ファン１３によっても同様に達成される。車体６側および温調ケース７側双方の排気ファン１３によれば、車体６側の排気ファン１３によっては蓄電装置４の温調に関係なく通常設置としながら、温調ケース７側の排気ファン１３によっては蓄電装置４の温調のための排気負荷を独立に補償することができる。結果、車体６側のみの排気ファン１３、または温調ケース７側単独の排気ファン１３により、特別な排気ファンの設置なしに蓄電装置４を強制温調して、しかも排気負荷を配慮した最終排気量の設定にて必要換気量を確保することができ、車体６側および温調ケース７側双方の排気ファン１３により、車体６側を通常設置として、温調ケース７側にて排気負荷を単独に補償し温調ケース７側で独自に対応できる。

さらに、温調ケース７は図１に示すように、車体６の排気口１４に接続された排気導入口１５と、蓄電装置４と熱交換後の排気を外部に排気する排気口１６とを持つものとしている。これにより、熱交換部５が温調ケース７を有して、車体６など他から独立して製作でき、車体６側の排気口１４に接続して設置するだけで実用できる。つまり、熱交換部５が温調ケース７を有して車体６など他から独立して製作し、車体６側の排気口１４に接続して設置するだけで実用でき、製作、設置共に簡易化する。

図５に示す例では、図１に示す例での温調ケース７が、発熱要素である蓄電セルを複数収容した蓄電モジュールＭをなし、この蓄電モジュールＭ単位で所定数搭載されるようにしている。このように、温調ケース７が発熱要素である蓄電セルを複数収容した蓄電モジュールＭであることにより、収容した蓄電セルの数に応じた配置、排気通路による温調保証を安定に確保し、蓄電モジュールＭの設置数の選択によって鉄道車両の運行に必要とする給電、例えば、低床車両での６００Ｖ、６００Ａ程度に見合う蓄電容量を、必要な温調を伴い満足することができる。つまり、温調ケース７が発熱要素である蓄電セルを複数収容した蓄電モジュールＭであることにより、収容した蓄電セルに応じ温調保証を安定に確保し、蓄電モジュールＭの設置数によって鉄道車両の運行に必要な給電を、必要な温調を伴い満足し、安定な運行を確保することができる。特に、図示例のように各蓄電モジュールＭが排気ファン１３を装備していることにより、蓄電モジュールＭの設置の増減に対応した熱交換のための排気補償がそのままで過不足なく満足できる。また、複数の蓄電モジュールＭの配置は、単段、複数段の配列のいずれによっても行える。図６に示す例では、蓄電モジュールＭを必要数設置するのに一定数の蓄電モジュールＭを収容した蓄電ユニットＵとして取扱い、蓄電モジュールＭの取り扱手間、着脱手間を簡略化することができる。このような配置に関する技術の詳細例は本出願人がした先の出願である特願２００７−２４６５５３号明細書および図面に詳細に記載している通りである。

図５、図６に示す例では、また、車体６の床２１を支持または形成する台枠２２を床面上に盛上がらせて、その裏側に車体６の床下および側方に開放した凹部２３を形成し、この凹部２３内に床下機器２０の１つとして蓄電装置４を持った熱交換５の温調ケース７を収容し、図５に示すように１つに組み上げ、あるいは図６に示すように単独にて、台枠２２に支持するようにしている。これにより、台枠２２を床面上に盛上がらせて裏側にできる凹部２３に他の床下機器と共に、蓄電装置４を含む熱交換部３を設置できるので、車両の走行方向での断面積をほとんど増大させないか増大させないし、台枠２２へは床下機器が対面する凹部２３の４面およびその周辺のどの部分をも支持部とすることができる。また、凹部２３は比較的多くの箇所で鉄道車両の通常機能を損なわずに設けられる。従って、台枠２２を床面上に盛上がらせて裏側にできる凹部２３に他の床下機器と共に、蓄電装置４を含む熱交換部３を設置して、車両の走行方向での断面積を増大させず、かつ、床下に突出しないので低床車に好適である。また、設置する蓄電装置４を含む床下機器は対面する凹部２３の台枠２２の面およびその周辺のどの部分をも支持部に利用して対面間の直近での簡単かつ確実に支持することができる。

この凹部２３は図６に示すように、ロングシート３１、図示しないクロスシート、寝台の設置域の範囲内に設けることができる。これにより、外部に開放した凹部２３が、各種シートや寝台の設置域に生じる下部空間を有効利用して居住空間を狭めることなく実現し、各種シートや寝台の凹部２３との重なりを利用して台枠２２で直に支持してそれらの必要設置高さを満足することができる。従って、外部に開放した凹部２３が、ロングシート３１やクロスシートなどの各種シートや寝台の設置域に生じる下部空間を有効利用して居住空間を狭めることなく実現し、各種シートや寝台の凹部２３との重なりを利用して台枠２２で直に支持してそれらの必要設置高さを満足することができ、その支持は、図５に示すような出し入れできるガイドレール３３、図６に示すような連結金具３４などによって着脱できるように適宜行えば、メンテナンスに便利である。

なお、熱交換部３での熱交換は、必要換気量以上の排気を確保して行うことにより、熱交換部３での排気負荷を含んで必要換気量が確保される。また、現時点の蓄電装置４としては、出力密度、エネルギ密度の上で、リチウムイオン電池が共に高く最適である。

ところで、蓄電装置４を持った熱交換部３以外の外部機器を床下機器２０として艤装するものには、図２に示す補助制御器ＳＩＶ２０ａ、インバータ方式の主制御器ＶＶＶＦ２０ｂのほか、リアクトルフィルタ、断路器、ブレーキ制御器、高速度遮断機、開閉器などの重くかさ高いものが主要機器例として挙げられる。

ここで、蓄電装置４の具体例としては、二次電池、キャパシタが挙げられる。いずれにしても、架線レス区間での充電ポストなど専用の充電装置９によっては蓄電装置４に対する充電は、蓄電装置４の最大充電電圧を上回る充電電圧Ｖ₁＞蓄電電圧Ｖ_Bの範囲で充電電流に応じた充電電圧の調整で安定して行うことができる。しかし、図３に示す架線区間での架線８からの充電では、架線８からのその時々での架線電圧Ｖ_Sと蓄電装置４の蓄電電圧Ｖ_Bとの大小関係が、互いに等しい公称電圧Ｖ_k0、Ｖ_B0としたとき、図４（ａ）に示すように、それぞれ異なった最大幅Ｖ_Kｍｉｎ〜Ｖ_Kｍａｘ、Ｖ_Bｍｉｎ〜Ｖ_Bｍａｘで変動し、Ｖ_Bｍｉｎ〜Ｖ_Bｍａｘの変動は蓄電装置９の充放電によるもので、蓄電装置９ごとに特定し、Ｖ_Kｍｉｎ〜Ｖ_Kｍａｘの大きな変動は、送電距離の変化による通常の変動範囲Ｖ_K１〜Ｖ_K２に比し回生効果などによる一時的なものであるが、充電電圧Ｖ₁および蓄電電圧Ｖ_Bの大小関係は、逆放電を生じたり、過剰充電を招いたりする結果になる。これに対応するため、図３に示すように架線８から蓄電装置４への充電回路に充電制御回路４１を設け、この充電制御回路４１によって架線電圧Ｖ_Kを蓄電電圧Ｖ_Bに対し適正な範囲の充電電圧Ｖ_Sに調整して蓄電装置９に印加し充電する。

しかし、このような電圧制御は、充電電圧Ｖ₁および蓄電電圧Ｖ_Bの大小関係の正逆に応じて、架線電圧Ｖ_Kを時には昇圧し、時には降圧する２通りに制御することを余儀なくされるので、制御機能が複雑になり大型化、重量化し高価にもつく。

これを回避するのに、本発明者は、充電電圧Ｖ₁および蓄電電圧Ｖ_Bの大小関係の適正化制御につき、架線電圧Ｖ_Kの公称架線電圧Ｖ_K0と蓄電電圧Ｖ_Bの公称蓄電電圧Ｖ_B0とに差、具体的には公称架線電圧Ｖ_K0に対する公称蓄電電圧Ｖ_B0の差を図４（ｂ）に示す−Ｖ_Aまたは、これとは逆の＋Ｖ_Aの差を付ける。

これにより、−Ｖ_Aの差を付ける例でいうと、蓄電装置９の蓄電電圧Ｖ_BがＶ_BｍｉｎとＶ_Bｍａｘの間で変動しても、架線電圧Ｖ_Kが蓄電電圧Ｖ_Bよりも低くなる範囲はＶ_KPに抑えられ、この場合の充電制御は降圧制御のみとなり、逆に、＋Ｖ_Aの差を付ける例では、蓄電装置９の蓄電電圧Ｖ_BがＶ_BｍｉｎとＶ_Bｍａｘの間で変動しても、架線電圧Ｖ_Kが蓄電電圧Ｖ_Bよりも高くなる範囲は＋Ｖ_KPに抑えられ、この場合の充電制御は昇圧制御のみとなる。従って、いずれの場合の充電制御も簡略化し、装置の小型化、軽量化、低コスト化が図れる。また、このような充電制御に関連して、架線レス区間では充電制御が不要になることから、図３に示す例では、充電制御回路４１に対してバイパススイッチ４２を設け、架線レス区間での蓄電装置９からの放電による放電走行時にバイパススイッチ４２をオンして充電制御回路４１を働かないものとすることで、さらに制御、および装置が簡略化し、さらなる小型、軽量化、低コスト化に貢献できる。

最後に、温調ケース７は必ずしも車体６外に設けなくてもよく、車体６の一部、車体６内の設置物として設けることもできる。また、温調ケース７での蓄電装置４と排気との熱交換において、車外２の新鮮気を導入して熱交換に併用してもよく、これにより、蓄電装置４の温調に必要な風量が必要換気量を上回って空調負荷を増大させてしまうようなことを防止することができる。

本発明は鉄道車両に実用でき、蓄電装置を搭載して架線レス区間でも走行できるようにするための、架線区間での架線からの充電を簡単な充電制御で適正化できる。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両の例とその空調システム例を平面視して示す模式図である。図１の鉄道車両に適用する蓄電装置の１つの充放電系例を示すブロック図である。図１の鉄道車両に適用する蓄電装置の別の充放電系例を示すブロック図である。図２に示す充放電系での架線電圧と蓄電電圧との公称電圧と電圧変動範囲の関係例と、図３に示す充放電系での架線電圧と蓄電電圧との公称電圧と電圧変動範囲の関係例と、を（ａ）（ｂ）で比較して示すグラフである。図１に示す蓄電装置の具体的な１つの配置例を示す斜視図である。図１に示す蓄電装置の具体的な別の配置例を示す斜視図である。従来の鉄道車両の例とその空調システム例を平面視して示す模式図である。

符号の説明

１車内
２車外
３空調システム
４蓄電装置
５熱交換部
６車体
７温調ケース
８架線
９充電制御回路
１１送風ファン
１２吸気ファン
１３排気ファン
１４、１６排気口
１５排気導入口
２０床下機器
２０ａＶＶＶＦ
２０ｂＳＩＶ
２１床
２２台枠
２３凹部
３１ロングシート
４１充電制御回路
４２バイパススイッチ

Claims

架線からの給電により走行する鉄道車両において、
架線区間では架線からの給電により走行するのに併せ充電される蓄電装置を設けて、架線レス区間では蓄電装置からの給電によって走行するようにし、
架線電圧および蓄電電圧の公称電圧値に差を設けて架線からの蓄電装置への充電を制御する
ことを特徴とする鉄道車両。
公称電圧値の差は、架線電圧および蓄電電圧の変動に伴う充電制御が、降圧制御および昇圧制御の一方のみとなるように設定する請求項１に記載の鉄道車両。
架線からの蓄電装置への充電を制御する充電制御回路と並列なバイパススイッチを設け、このバイパススイッチは架線レス区間走行時にオンするようにした請求項１または２に記載の鉄道車両。