JP4184879B2 - 鉄道車両駆動システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電手段によって発電した電力を電力源として電力変換器を介して電動機を駆動することによって列車を加減速させる鉄道車両駆動システムに関連し、該鉄道車両駆動システムにおける発電手段の発電容量の最適化、小型・軽量化、ならびに鉄道車両駆動システムの電力効率の向上および信頼性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電手段が発電する電力を電力源として、列車を加減速するシステム（車両駆動システム）の一構成例を、図４に示す。図４の車両駆動システムでは、列車を駆動するための電力を発電する発電手段１０を搭載した第一の車両１と、前記発電手段１０が発電する電力を電力源とする電力変換器２０、および前記電力変換器２０によって制御され図示していない駆動電動機によって駆動される駆動輪３０を搭載する第二の車両２からなる。
【０００３】
すなわち図４の車両駆動システムは、発電手段１０を第一の車両１に集中配置するとともに、乗客の乗車する第二の車両２で駆動力を得る構成である。乗客が乗車しない第一の車両１に発電手段１０を集中配置し、乗客が乗車する第二の車両２に発電手段を配置しない構成とすることで、発電手段１０の発生する振動や騒音により乗客が不快感を受けないようにすることが可能であり、乗客に対し快適な車内環境を提供することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
標準的な列車特性の一例を図２に示す。図２は、列車の出力特性を示し、横軸に列車速度を、縦軸に電力変換器の入力すなわち駆動電動機の出力電力と駆動電動機のトルクを示している。列車速度の上昇に伴って出力電力は増加するが、ある速度に達すると電力は一定になり、更に速度が上昇すると電力は減少していく。また、発車時から列車速度の上昇に伴ってトルクは一定であり、ある速度に到達した以降は速度の上昇に伴ってトルクは減少していく。これは、列車を駆動する電動機の特性によって定まり、電力が一定になる速度、電力が減少し始める速度は異なるが、電動機特性は基本的に図２のような特性が一般的である。
【０００５】
ところで、図４に示した列車駆動システムにおいて、図２のような列車特性を得るためには、発電手段１０の発電電力容量は、最大電力量（図中Ａ点）以上に設定する必要がある。
【０００６】
しかしながら、列車は常に最大電力で加速するのではなく、平均的に見ると必要以上に大容量の発電手段を装備していることになり、発電手段の使用効率の点で最適な駆動システムとはいえない。
【０００７】
また、図４に示した列車駆動システムでは、減速時の運動エネルギーを回収する手段を持たないことから、大きな制動力を得ることができる機械式ブレーキを装備する必要があり、車両コストが上昇する。さらに、制動手段が上記機械式ブレーキのみであるために機械式ブレーキの使用頻度が高くなり、ブレーキシュー交換等の保守コストを低減できないといった課題が発生する。
【０００８】
一方で、抵抗器を装備して減速時に得られる回生エネルギーを熱として消費する発電ブレーキ方式も考えられるが、この方式では、新たに抵抗器が必要となるといった別の課題が生じる。
【０００９】
また、いずれの方式を採用したとしても、減速時に回収できるはずの運動エネルギーを有効活用できない。つまり、電車のように制動時に回収した運動エネルギーを回生エネルギーとして再利用することができないため、エネルギー効率を向上できないなどの課題が残る。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、発電手段によって発電した電力を電力源として電力変換器を介して駆動電動機を駆動して列車を加減速させる鉄道車両駆動システムにおいて、発電手段の発電容量を最適化し、発電手段を小型・軽量化するとともに、制動時に発生する電力を回生して、鉄道車両駆動システム全体の電力効率向上させ、さらに、回生エネルギーを確実に回収して制動手段の負担を軽減して鉄道車両駆動システムの安全性と信頼性を向上させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
列車を構成する車両の少なくとも一つの車両に配置した発電手段によって発電した電力を電力源として、列車を構成する車両に分散配置した電力変換器を介して駆動電動機を駆動して列車を加減速させる鉄道車両駆動システムにおいて、列車を構成する車両に電力蓄積手段を分散配置するとともに、必要に応じて発電手段の発生する電力（出力電力）および／または駆動手段を介して得られる回生エネルギーを電力蓄積手段に蓄積し、電力蓄積手段に蓄積したエネルギーを駆動手段に供給する。また、電力蓄積手段の電力、発電手段の出力電力（必要に応じて駆動手段の電力についても調整する）を調整する電力調整手段を設け、減速時の回生エネルギーおよび発電手段の出力電力を電力蓄積手段に蓄積するとともに、発電手段の出力電力および電力蓄積手段の電力によって列車を加速させる。
【００１２】
ただし、電力蓄積手段の蓄電容量が列車運行に必要な電力に対して十分大きくない場合、例えば、列車を構成する車両に搭載する装置の小型・軽量化のため電力蓄積手段の電力容量を必要最小限にした場合等に、加速に必要な駆動力が得られないという課題が発生する。また、電力蓄積手段に蓄積されている電力が多く、回生エネルギーを蓄積（吸収）できない状態にあると、減速に必要な制動力を回生運転によって得られないという課題が発生する。
【００１３】
そこで、上記の構成の鉄道車両駆動システムにおいて、電力蓄積手段の電力と発電手段の発電電力を調整する電力管理手段により、これらの手段の電力を管理、制御し、車両運行上必要な駆動力および回生運転による制動力を得られる状態にする。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、本発明にかかる鉄道車両駆動システムの実施形態の一例を、図１を用いて説明する。
【００１５】
図１において、本発明にかかる鉄道車両駆動システムは、発電手段１０と駆動輪３０を駆動する図示を省略した駆動電動機を制御する電力変換手段２０とを搭載した第一の鉄道車両１と、駆動輪３０を駆動する図示を省略した駆動電動機を制御する電力変換装置２０と電力蓄積手段５０をそれぞれ搭載した第二の鉄道車両２，２，２と、発電手段１０と各電力変換装置２０と各電力蓄積手段５０を接続し、発電手段１０の発生する電力を各電力変換装置２０に供給する電力伝達手段４０と、第一の鉄道車両１に搭載され発電手段１０の発電電力および各車両に搭載された電力蓄積手段５０の蓄積電力を管理する電力管理手段１００を有して構成される。
【００１６】
以下に、列車停止状態から加速、だ行、減速、停止までの動作を例にとって、本発明にかかる鉄道車両駆動システムの動作を説明する。なお、第一の鉄道車両１に搭載された発電手段１０、第一の鉄道車両１および第２の鉄道車両２に搭載された電力蓄積手段５０と電力変換装置２０の電力の制御は、電力管理手段１００が行う。
【００１７】
まず、停車時に発電手段１０の発電電力を各電力蓄積手段５０に蓄え、加速時に必要とする電力の一部を各電力蓄積手段５０に蓄積する。
【００１８】
列車は、発電手段１０と各電力蓄積手段５０の電力により駆動電動機を駆動して、第一の鉄道車両１と第二の鉄道車両２，２，２からなる列車を加速させる。このとき、発電手段１０の発電電力を平準化するため、例えば、図３（Ａ）に示すように各電力蓄積手段５０の出力電力と、発電手段１０の出力電力の割合を調整する。図３（Ａ）の例では、駆動電力の一部を各電力蓄積手段５０が負担するので、発電手段１０の発電電力の最大値を１／２程度にすることができる。
【００１９】
また、だ行中に発電手段１０が発生する電力を各電力蓄積手段５０に蓄積し、停車時の発電手段１０の動作期間を最小化することで、駅停車時に発電手段１０が発生する騒音の増加を防止でき、プラットホーム、駅周辺における騒音を低減することができる。
【００２０】
さらに、減速時には、電力変換装置２０を制御して駆動電動機を発電機として動作させて発生する電力を電力蓄積手段５０に蓄え、回生制動力を得る。回生制動時に電力蓄積手段５０に蓄えた回生電力を加速時における力行電力として使用することによって、エネルギー効率の向上をはかることができる。また、回生制動により列車を減速することで、機械ブレーキの負担が減少するので、ブレーキシュー交換などブレーキシステムの保守作業を低減でき、ランニングコストを低減することができる。
【００２１】
次に、電力蓄積手段５０の電力容量を必要最小限にするための電力管理方法について、図３（Ｂ）を用いて説明する。電力蓄積手段５０の蓄電容量Ｃが列車の運行に必要な電力に対して十分余裕がある場合には、上記に述べたような比較的簡単な電力制御でよいが、列車に搭載する装置の小型・軽量化のため電力蓄積手段５０の蓄電容量Ｃを列車の運行に必要な電力に対して必要最小限とした場合、電力蓄積手段５０の蓄積電力量が低下し加速時に十分な力行電力を供給できない場合や、回生制動による回生電力量Ｚが蓄電容量Ｃに対して過剰となり、すべての回生エネルギーを蓄電できないために十分な制動力が得られない場合が考えられる。
【００２２】
このような事態を避ける方式として、常に電力蓄積手段５０の蓄電量を監視し、列車の運転状態に応じて電力蓄積手段５０の蓄電量を調整する手法について、図３（Ｂ）を用いて説明する。
【００２３】
例えば、駅Ａを出発し、駅Ｂで停車する場合を例にとって説明する。加速時に電力蓄積手段５０が負担する電力蓄積手段負担電力量Ｘとし、発電手段１０が負担する電力量を発電手段負担電力量Ｙとする。この場合、電力管理手段１００は、駅Ａ出発までに、発電手段１０を運転して加速時に電力蓄積手段５０が負担する電力蓄積手段負担電力量Ｘを電力蓄積手段５０に蓄積する。
【００２４】
一方、運転時の減速開始から停止までの回生制動によって得られる回生エネルギー量（回生電力量）Ｚを、電力蓄積手段５０で吸収できるように、減速開始時に電力蓄積手段５０に残存する電力量（残存容量）Ｒが、下記（１）式となるように制御する。
【００２５】
残存容量Ｒ＜電力蓄積手段の蓄電容量Ｃ−回生エネルギー量Ｚ……式（１）
【００２６】
これによって、減速開始から停止まで回生制動を活用できるので、回生エネルギーを有効活用するとともに、安全に回生制動を利用することができる。
【００２７】
現実問題としては、電力蓄積手段負担電力量Ｘ、発電手段負担電力量Ｙ、回生エネルギー量Ｚは、駅間の線路条件、運転条件によって変化するので、電力蓄積手段５０にとって想定される最も過酷な条件（電力蓄積手段負担電力量Ｘ、回生エネルギー量Ｚが最も大きくなる条件）を考慮して電力制御を行うことで、車両の運行に影響を与えることなく電力蓄積手段５０の利用率を向上することができるので、エネルギー効率を向上することができる。
【００２８】
また、回生制動を効果的かつ安全に利用できるので、機械ブレーキの動作頻度を最小にでき、ブレーキシステムの保守を最小化することができる。なお、前述の線路条件、運転条件については、予め、電力管理手段１００の図示を省略した記憶装置等にデータを蓄えておき、これを参照してシステム制御を行えば、電力蓄積手段５０の利用率を最適化し、エネルギー効率をさらに向上することも可能である。
【００２９】
以上の例は、一台の電力管理手段１００が編成内の発電手段１０、電力蓄積手段５０および電力変換装置２０を管理する場合を例にとって説明したが、発電手段１０、電力蓄積手段５０および電力変換装置２０が個々に電力管理手段１００を有する構成とし、これらの電力管理手段１００が相互に各手段の電力状態に関する情報を交換しながら、それぞれが各手段の電力制御を行うことでも上記と同様の効果を得ることが出来る。
【００３０】
ところで、以上の例で述べている電力蓄積手段としては、充放電可能な各種電池、キャパシタ、フライホイールなどの適用が考えられる。
【００３１】
図１の例では、第一の車両が一両の構成であるが、編成中に第一の車両が複数存在しても同様の効果を得ることができる。また、図１の構成では、第一の車両と第二の車両からなっているが、このほかに電力蓄積手段のみ（発電手段、電動機および電力変換機を有しない）を有する第三の車両を編成中に接続しても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、前記電力蓄積積手段を、第一の車両または第二の車両のいずれか一方のみ、もしくは双方に設けることができる。さらに、前記電力蓄積手段は、発電手段が発電する電力または回生電力のいずれか一方のみ、もしくは双方の電力を蓄積するように構成することができる。また、発電手段の発電電力と電力蓄積手段の放電電力を電源とするか、もしくは電力蓄積手段の放電電力を電源として電力変換装置によって駆動電動機を駆動し、列車を駆動するができる。
【００３３】
また、電力管理手段を各車両に配置し、発電手段および電力変換装置ならびに電力蓄積手段の電力をそれぞれ独立して制御することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明により、鉄道車両駆動システムにおいて、回生エネルギーの有効利用、抵抗器の省略、機械ブレーキの省保守化を実現することができる。また、加速時に必要な電力を電力蓄積手段から供給することによって、発電手段の最大出力容量の増大を抑制することができるので、発電手段を小型・軽量化することができる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、電力蓄積手段を各車両に分散配置することで、電力蓄積手段を集中配置する場合と比較して、最大軸重（最も重い車両を軸数で除した重さであり、線路に加わる重量となる）を低減させることができるので、列車が線路に与えるダメージを小さくすることができ、線路の省保守化をはかることができる。もちろん、欧州のように列車の運行と線路の管理が別会社となる上下分離の鉄道システムにおいては、軸重によって線路使用料（アクセスチャージ）が定められるので、最大軸重を低減させることができる本発明によれば、アクセスチャージを低減できるといったメリットが得られる。
【００３６】
さらに、電力蓄積手段を各車両に分散配置することによって、大容量の蓄電容量が確保できる単一品種の電力蓄積手段を大量に使用することが可能となり、保守の面で有利となるとともに、システムの冗長性が改善され車両の信頼性を確保できるなどのメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる鉄道車両駆動システムの第1の実施形態の構成を説明する図。
【図２】鉄道車両駆動システムの電動機の出力特性の一例を説明する図。
【図３】本発明にかかる鉄道車両駆動システムにおける列車の消費電力量の一例を示す図。
【図４】従来の鉄道車両駆動システムの構成を説明する図。
【符号の説明】
１ 第一の鉄道車両
２ 第二の鉄道車両
１０ 発電手段
２０ 電力変換装置
３０ 駆動輪
４０ 電力伝達手段
５０ 電力蓄積手段
１００ 電力管理手段

Claims (6)

1. 発電手段と電力変換手段と駆動電動機と電力蓄積手段を搭載した第一の鉄道車両と、前記発電手段を電源とする電力変換手段と駆動電動機と電力蓄積手段を搭載した第二の鉄道車両とから構成される鉄道車両駆動システムにおいて、
   前記電力蓄積手段は、前記第一の鉄道車両の発電手段が発電する電力および前記列車制動時に得られる回生電力、または、前記発電手段が発電する電力もしくは前記回生電力のいずれか一方の電力を蓄積するとともに、前記発電手段および前記電力蓄積手段もしくは前記電力蓄積手段を電源として前記電力変換手段によって前記駆動電動機を駆動し、列車を駆動する
   ことを特徴とする鉄道車両駆動システム。
2. 請求項１に記載の鉄道車両駆動システムにおいて、
   電力蓄積手段を搭載した第三の鉄道車両を接続し、前記鉄道車両駆動システムにおける電力蓄積手段の容量を増加させた
   ことを特徴とした鉄道車両駆動システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両駆動システムにおいて、
   発電手段の発電電力および電力蓄積手段の蓄電量を制御し、発電手段の電力容量を最小化する電力管理手段を備えた
   ことを特徴とする鉄道車両駆動システム。
4. 請求項３に記載の鉄道車両駆動システムおいて、
   前記電力管理手段を各車両に配置し、前記発電手段および前記電力蓄積手段の電力を独立に制御する
   ことを特徴とした鉄道車両駆動システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両駆動システムにおいて、
   前記電力蓄積手段は充放電可能な電池である
   ことを特徴とする鉄道車両駆動システム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両駆動システムにおいて、
   前記電力蓄積手段はキャパシタもしくはフライホイールである
   ことを特徴とする鉄道車両駆動システム。

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