JP2012065521A - 鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な制御により補助機器用の電源装置を不要とするとともに、運転時の騒音や振動を小さくし、更には燃料消費も少なく、しかも高い効率のもとに回生吸収を行うことのできる鉄道車両のハイブリッド駆動システムを提供する。
【解決手段】発電装置１を、車両の走行／停止の運転状況に係わらず常に一定の回転数のもとに駆動し、空調装置および照明を含む補助機器２の動力として、もっぱら発電装置１からの交流電力をコンバータ装置３を介することなく用いることで、制御の簡素化と、発電装置１用のエンジン１ａの小型化を実現し、騒音や振動を抑制するとともに、エンジン１ａの始動／停止を行わないことから低燃費化を達成する。
【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両の駆動システムに関し、更に詳しくは、いわゆるハイブリッド式の駆動システムに関する。

ハイブリッド式の鉄道車両駆動システムにおいては、一般に、ディーゼルエンジン等を駆動源とする発電装置と、その発電装置からの交流電力を直流に変換するコンバータ装置、およびそのコンバータ装置からの直流電力を蓄積する蓄電装置を備えるとともに、コンバータ装置もしくは蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置を備えた構成を採る（例えば特許文献１参照）。

図８にその基本的構成をブロック図で示す。
エンジン１０１の回転により誘導発電機１０２を回転させ、その誘導発電機１０２から出力される交流電力はコンバータ装置１０３で直流電力に変換される。コンバータ装置１０３からの直流電力はインバータ装置１０４により交流化され、走行のためのモータ（誘導電動機）１０５に対して運転指令に基づく電圧、周波数のもとに供給される。また、コンバータ装置１０３からの直流電力は、補助電源装置１０６により一定の周波数の交流電力に変換され、空調装置や照明等の補助機器１０７に供給される。更に、コンバータ装置１０３からの直流電力は蓄電装置１０８に蓄電される。

図９にこのようなハイブリッド方式の鉄道車両の駆動システムの動作例を示す。図９（Ａ）は横軸が時間で、縦軸は速度を表すグラフであり、同図（Ｂ）は横軸が同じく時間であり、縦軸には、車両全体としての電力の消費量もしくは回生量と、発電装置による発電量，および蓄電量（バッテリ残量）の合計３つの量を併記して示すグラフである。

停車中はエンジン１０１を停止して発電を行わず、その間、補助機器１０７の電力は蓄電装置１０８から供給される。停車状態から加速するに当たっては、エンジン１０１を起動し、誘導発電機１０２からコンバータ１０３を介して供給される直流電力と蓄電装置１０８からの直流電力をインバータ装置１０４で交流化した電力が走行用モータ１０５に供給される。惰行中はエンジン１０１を停止して発電を行わず、その状態で蓄電装置１０８の蓄電量が一定量を下回った時点で再びエンジン１０１を起動して蓄電装置１０８への蓄電を行い、蓄電量が規定量まで回復したらエンジン１０１を停止する。減速により生じる回生電力は蓄電装置１０８に蓄電される。

ここで、以上の構成から、静止型インバータなどからなる補助機器電源装置をなくすることを目的として、誘導発電機とコンバータ装置の間の交流電力部から変圧器を介して補助機器用の電源を取得するようにしたシステムも提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１０−１１６８４号公報 特開２００６−１７００５７号公報

ところで、この種のハイブリッド駆動システムは、電気鉄道車両が制動時に走行用の主電動機で発生する電気エネルギを架線に戻して他の車両のためのエネルギとして利用する電力回生制御を採用できるのに対し、気動車ではそのような回生エネルギを利用できないことに鑑みて開発されたもので、基本的には気動車の制動時に発生する回生エネルギを蓄電装置に蓄えて再利用することで、省エネルギを実現するものである。そのために、この種のハイブリッド駆動システムにおいては、エンジンのみで走行可能なように、エンジンは加速時の大電流に対応するために大型のものが用いられるとともに、それに比して蓄電装置は発車直後の加速と停車時の空調に対応できる程度の小さい容量のものが用いられる。

その結果、従来のハイブリッド駆動システムでは、大型のエンジンを用いるが故に、走行時における騒音並びに振動が大きく、また、コンバータも大きな容量のものが必要となる。また、システムの制御は運転状態に応じて行われるため複雑なものが必要であり、更に、図８に示した従来の基本的なハイブリッド駆動システムは、補助機器のための静止型インバータ等をはじめとする補助機器用の電源装置が必要であるという問題もある。更にまた、蓄電装置の容量が小さいが故に、下り坂等の連続回生に対応できず、その場合、回生可能なエネルギの一部を機械ブレーキで消費することになり、エネルギロスとなって吸収効率が悪くなるとともに、充放電電流が小さいのでピーク電力に対応できないという問題もある。

一方、特許文献２に開示されている技術では、補助機器のための電源装置が不要となる反面、誘導発電機をはじめとするシステム各部の制御に、誘導発電機の励磁電流やトルク電流から誘導発電機の制御定数を用いてすべり周波数を演算する必要があるなど、更に複雑な制御を行う必要がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、簡単な制御により補助機器用の電源装置を不要とするとともに、運転時の騒音や振動を小さくし、更には燃料消費も少なく、しかも高い効率のもとに回生吸収を行うことのできる鉄道車両のハイブリッド駆動システムの提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の鉄道車両のハイブリッド駆動システムは、エンジンを駆動源とする発電装置と、その発電装置からの交流電力を直流に変換するコンバータ装置と、そのコンバータ装置からの直流電力を蓄積する蓄電装置と、その蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置を備えた鉄道車両の駆動システムにおいて、上記発電装置は、車両の走行／停止の運転状況に係わらず一定の回転数のもとに駆動制御されるとともに、空調装置および照明を含む補助機器の電力は、上記発電装置からの交流電力が上記コンバータ装置を介することなく供給され、かつ，この補助機器はもっぱら上記発電装置からの交流電力のみを電源としていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記発電装置を、同期発電機とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、請求項２に係る発明において、上記コンバータ装置を、定出力かつ定電圧制御する構成（請求項３）を更に好適に採用することができる。

本発明は、エンジンを駆動源とする発電装置を、車両の走行／停止の運転状況に係わらず常に一定の回転数のもとに駆動し、かつ、空調装置や照明等の補助機器の動力源としてもっぱらその発電装置からの交流電力を用いることにより、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明においては、発電装置を走行／停止の運転状況に係わらず常に一定の回転数で駆動する。補助機器はこの発電装置からの交流電力をもっぱらその駆動源とすることで、静止型インバータ等の補助機器用の電源装置を不要とし、しかも前記した特許文献２に記載の技術に比して、制御の容易化を実現することができる。また、発電装置を運転状況に係わらず常に回転させておくことで、エンジンの始動／停止がなくなる分だけ燃料消費が少なくなり、かつ、発電装置並びにエンジンの容量を小さくすることが可能となる。その場合、発電装置からの電力のみでは走行が困難となり、かつ、蓄電装置を大型化する必要が生じるが、運転時の騒音や振動が小さくなり、更には、蓄電装置の大型化により、下り坂等の連続回生に対応することができ、また、充放電電流が大きくなるのでピーク電流に対応することが可能となる。

また、請求項２に係る発明のように、発電装置を同期発電機とすることにより、制御がより簡単となる。

更に、請求項３に係る発明のように、コンバータ装置を定出力かつ定電圧制御する構成を採用することにより、制御は更に簡単となる。すなわち、コンバータ装置を定出力制御することにより、コンバータ装置からインバータ装置を介して走行用モータに供給される電力が一定値を越えることがなくなり、加速時にモータに電力が消費されて補助機器への電力の供給が滞ることを防止することができ、また、コンバータ装置を定電圧制御することにより、発電装置からコンバータ装置を経由して蓄電装置に充電される電力が制限される結果、ブレーキ時に発生する回生電力を充電できない状況を回避することができる。このように、コンバータ装置を定出力、かつ、定電圧制御する、という簡単な制御により、直流化した電力を蓄電するか走行に供給するかの流れ等が自律的に制御され、しかも補助機器への電力供給が確実となるとともに、回生電力を無駄なく蓄電することができる。

本発明によれば、簡単な制御のもとに、補助機器用の電源装置を不要とすることができるとともに、発電装置を駆動するためのエンジンを従来のこの種のハイブリッド駆動システムに比して小型化することができ、発電装置の運転時における騒音や振動の発生を抑制することができる。また、発電装置を常時一定回転で駆動しているため、エンジンの始動／停止を行わない分だけ、同じ電力を発電するのに必要とする燃料を少なくすることができる。

また、請求項２に係る発明のように、発電装置として同期発電機を用いることにより、その制御が簡単となる。

更に、請求項３に係る発明のように、コンバータ装置を定出力かつ定電圧制御することによって、システム全体としての制御を更に簡単とすることができる。

本発明の実施の形態の要部構成を表すブロック図である。 本発明の実施の形態の動作を示す図であり、（Ａ）は横軸に時間、縦軸に車両速度をとった走行状態を示すグラフであり、（Ｂ）は横軸に同じく時間、縦軸に車両全体としての電力の消費量もしくは回生量、発電装置による発電量、および蓄電量（バッテリ残量）をとって示すグラフである。 本発明の実施の形態における停車並びに惰行時の電力の流れを示す図である。 本発明の実施の形態における停車並びに惰行時で、かつ、蓄電装置の蓄電量が増大してその電圧が規定値に達した状態での電力の流れを示す図である。 本発明の実施の形態における加速時における電力の流れを示す図である。 本発明の実施の形態における加速時で、かつ、走行用モータの電力が発電装置からの電力で賄えなくなった状態での電力の流れを示す図である。 本発明の実施の形態における制動時の電力の流れを示す図である。 従来の鉄道車両のハイブリッド駆動システムの基本的構成例を示すブロック図である。 図８のシステムの動作を示す図であり、（Ａ）は横軸に時間、縦軸に車両速度をとった走行状態を示すグラフであり、（Ｂ）は横軸に同じく時間、縦軸に車両全体としての電力の消費量もしくは回生量、発電装置による発電量、および蓄電量（バッテリ残量）をとって示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の要部構成を表すブロック図である。

発電装置１はエンジン１ａと同期発電機１ｂとからなり、同期発電機１ｂは車両の走行／停止の運行状況に係わらず常に一定の回転数のもとに駆動される。同期発電機１ｂにより発電された交流電力は、空調装置や照明等の補助機器２にその動力源として供給されるとともに、コンバータ装置３に導入される。

コンバータ装置３は、発電装置１からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力は蓄電装置（バッテリ）４に充電されるか、あるいはインバータ装置５によって所要周波数の交流電力に変換されて走行用モータ６に供給される。

コンバータ装置３は、定出力、かつ、定電圧制御するように設定されている。すなわち、このコンバータ装置３は、例えば最大６０ｋＷ、７００Ｖまで出力するように設定されている。この設定により、コンバータ装置３には、ブレーキ時に当該コンバータ装置３へ出力を停止させる信号を与える以外は外部から何ら信号を供給することなく、電力の流れは以下に示すように自律的に制御される。

また、車両の運行状況に係わらず発電装置１を常に一定の回転数のもとに駆動することから、エンジン１ａを小さくすることができ、その連続定格出力は１２５ｋＷ、同期発電機１ｂの出力は１００ｋＷ（１２５ｋＶＡ）であり、一方、蓄電装置４の容量は３６ｋＷである。ちなみに、従来のこの種のハイブリッド駆動システムに用いられる発電装置のエンジンの連続定格出力は例えば３３１ｋＷで、誘導発電機の出力は２７０ｋＷ（３３８ｋＶＡ）であり、蓄電装置の容量は１５．２ｋＷである。

図２は本発明の実施の形態の動作を示すグラフであり、図９と同様に、（Ａ）は横軸に時間、縦軸に車両速度をとって示す運転状況を表すグラフで、（Ｂ）は同じく横軸に時間をとり、縦軸には、車両全体としての電力の消費量もしくは回生量と、発電装置１による発電量，および蓄電量（バッテリ残量）の合計３つの量を併記して示している。また、図３〜図７には、運転状況に対応した電力の流れを示す。

図２に示すように、発電装置１は車両の運転状況に係わらず常に一定の回転数のもとに駆動され、発電された交流電力は、コンバータ装置３が定電力制御されるために、後述するように補助機器２に対して確実に供給される。

さて、図３は停車時並びに楕行時の状態を示す電力の流れである。発電装置１により発電された交流電力は補助機器２に交流のまま供給されるとともに、コンバータ装置３により直流化されて蓄電装置４に充電される。蓄電装置４の蓄電量が少なく、その電圧が７００Ｖに達していない間は、コンバータ装置３は定出力制御のもとに６０ｋＷの電力を出力し、蓄電装置４に充電される。その間、補助機器２の消費電力が変動しても、同期発電機１ｂの出力は当該発電機自体で軸トルクが変化することにより自動調整される。

停車中もしくは惰行時に蓄電装置４の充電が進行し、その電圧が７００Ｖに達した場合、図４に示すように、コンバータ装置３の出力電圧も７００Ｖになるため、定電圧制御のもとに電流が自動的に絞られ、やがて電流が０となってコンバータ３の出力は停止する。この場合においても同期発電機１ｂの出力は当該発電機自体で自動調整される。ここで、コンバータ装置３を定電圧制御して蓄電装置４への充電を制限するのは、後述する制動時における回生電力を可及的に多く蓄電装置４に充電できるようにするためであり、この簡単な制御によって、回生効率が向上する。

停車状態あるいは惰行状態から加速する場合には、図５に示すように、走行用モータ６の消費電力が６０ｋＷ以下ならば、６０ｋＷの定出力制御のコンバータ装置３を介してインバータ装置５に供給される発電装置１からの電力が当てられる。

そして、加速に要する電力が発電装置１の電力で賄えなくなると電圧降下が生じるので、図６に示すように自然に蓄電装置４から電力がインバータ装置５に供給され、走行動力に補充される。このとき、コンバータ装置３が定出力制御することにより、走行用モータ６に電力が消費されて補助機器２に電力が供給されなくなる恐れをなくすことができる。

制動時には、図７に示すように、制動制御装置などからコンバータ装置３に対して出力停止の指示が与えられる。これにより、発電装置１により発電された電力は補助機器２にのみ供給されるとともに、走行用モータ６で生じた回生電力がインバータ装置５を通じて直流化されて蓄電装置４に充電される。

以上の実施の形態において特に注目すべき点は、発電装置１の発電機として同期発電機１ｂを用い、これを車両の運転状況に係わらず常に一定の回転数のもとに駆動するとともに、補助機器２の電源はもっぱら同期発電機１ｂにより発電された交流電力を用いる点であり、これにより、簡単な制御のもとに補助機器用の静止型インバータ等の電源装置が不要となると同時に、発電装置１のエンジン１ａを従来のこの種のハイブリッド駆動システムに比して小型化することができ、騒音や振動を抑制することができる。エンジン１ａの小型化により、蓄電装置４は従来のこの種のハイブリッド駆動システムに比して大きな容量のものを用いることになるが、このことは、充放電電流が大きいのでピーク電流に対応できるとともに、容量が大きいために下り坂などの連続回生にも対応できるという利点が生じる。

また、以上の実施の形態において更に注目すべき点は、コンバータ装置３を定出力・定電圧制御する点であり、このような制御によって、コンバータ装置３に対して制動時に出力を停止する旨の指示を与えるだけで、他に外部から何ら制御信号等を供給することなく、加速時に走行用モータ６に電力が吸い取られることを抑制して補助機器２の動力を安定して確保することができるとともに、発電装置１で発電された電力を蓄電装置４に充電することを制限して、常に制動時の回生電力の充電の余力を残しているので、大きな容量の蓄電装置を用いることと併せて、回生効率を向上させることができる。

ここで、以上の実施の形態においては、発電装置の発電機として同期発電機を用いたが、誘導発電機としてこれを一定の回転数で回転駆動させてもよい。

また、コンバータ装置を定出力で、かつ、定電圧制御とした例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、上記した実施の形態の動作が得られるような制御信号を外部から供給してもよい。

ただし、同期発電機を用いることにより制御が簡単となり、しかも発電効率が良好なものとなるとともに、コンバータ装置の定出力・定電圧制御することにより、従来に比して制御を大幅に簡素化することができて好適である。

１ 発電装置
１ａ エンジン
１ｂ 同期発電機
２ 補助機器
３ コンバータ装置
４ 蓄電装置
５ インバータ装置
６ 走行用モータ

Claims (3)

1. エンジンを駆動源とする発電装置と、その発電装置からの交流電力を直流に変換するコンバータ装置と、そのコンバータ装置からの直流電力を蓄積する蓄電装置と、その蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置を備えた鉄道車両の駆動システムにおいて、
   上記発電装置は、車両の走行／停止の運転状況に係わらず一定の回転数のもとに駆動制御されるとともに、空調装置および照明を含む補助機器の電力は、上記発電装置からの交流電力が上記コンバータ装置を介することなく供給され、かつ，この補助機器はもっぱら上記発電装置からの交流電力のみを電源としていることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
2. 上記発電装置が、同期発電機であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
3. 上記コンバータ装置は、定出力かつ定電圧制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両の駆動システム。

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