JP5394665B2

JP5394665B2 - 鉄道車両の駆動装置

Info

Publication number: JP5394665B2
Application number: JP2008170293A
Authority: JP
Inventors: 政臣小西出; 嶋田　　基巳; 正浩長洲; 豊田　　瑛一; 浩野元; 亮平島宗; 良介古田; 哲朗大村
Original assignee: Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Current assignee: Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010011683A

Description

本発明は鉄道車両の駆動装置に係り、特に発電手段と電力蓄積手段を設備し、この両手段の発生する電力を利用して、鉄道車両を駆動する技術に関する。

運行本数の比較的少ない地方の鉄道路線において、ディーゼルエンジンを動力源とする気動車の替わりに、地上側のインフラストラクチュアを簡素な構成にするとともに、車両のメンテナンスに要する人的パワー・コストを低減した鉄道車両として、発電手段と電力蓄積手段を設備し、この両手段の発生する電力により鉄道車両を駆動する技術が例えば特許文献１に開示されている。この構成を図７に示す。以下、この技術を搭載した鉄道車両をハイブリッド車と称す。

図７にはエンジン１により駆動される発電手段２が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置３を有する直流電力発生手段と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、直流電力を充電および放電する機能を持つ電力蓄積手段８と、これらの各手段を制御する制御装置１１と、鉄道車両を駆動する電動機５を備えており、電力蓄電装置８は、コンバータ装置３とインバータ装置４間の直流部に接続して、コンバータ装置３からの直流出力電力とインバータ装置４が必要とする直流入力電力の差分の直流電力を出力，または吸収する。

ハイブリッド車は、直流電力発生手段が発生する直流電力と、電力蓄積手段８の発生する直流電力をインバータ装置４に供給することにより、電気車と同等の高速運転を行うことが可能である。また、車両速度の減速時には、電動機５がブレーキトルクを出力するようにインバータ装置４を回生動作させ、インバータ装置４が出力する回生電力を電力蓄積手段８に吸収することで省エネルギー化を図っている。
特開２００４−２８２８５９号公報

しかしながら、地方路線に限らず、鉄道車両は数十年と長い期間運用するものであり、ハイブリッド車の導入を決めても順々に気動車をハイブリッド車に置き換えていくため、気動車とハイブリッド車が共存することになる。

この状態でハイブリッド車が気動車よりも速い速度で運転を行う場合には、例えば、踏切で遮断機を下ろすタイミングや運行ダイヤは気動車だけが走行するという前提で決められているため、踏切で列車が近づいてくることを検知して遮断機を下ろす前に列車が通過してしまうとか、前の列車に追いついてしまうという不都合が生じる。

遮断機をおろすタイミングを変更したり、運行ダイヤを変更するのは人的パワー・コストがかかることにより、高速運転できるハイブリッド車でも、速度の遅い気動車の走行パターンに合わせて運転している。

また、気動車パターンで走行する遅い列車が、高速で密なダイヤで運行している電気車の走行区間にそのまま乗り入れると、他の高速運転する電気車が遅い列車を追い抜くためにダイヤが乱れる不都合も生じる。

上記課題を解決するために、本発明の鉄道車両の駆動装置では、エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電および放電する機能を持つ電力蓄積手段と、これらの各手段を制御する制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機と、前記鉄道車両が走行する路線の電化又は非電化の情報及び列車種別の情報を含む路線情報を判別する路線情報検出手段を備え、前記発電手段と前記電力蓄積手段の両手段の発生する電力により駆動するハイブリッド車の駆動装置において、前記制御手段では、前記路線情報検出手段から入力された前記路線情報から架線の有無による電化／非電化の情報、特急／普通列車という列車種別により各走行路線に異なる走行パターンを有する路線情報パターンを設定し、前記路線情報検出手段により判別した前記路線情報パターンに基づいて、走行路線毎に前記走行パターンを切り替え、運転台からのノッチ指令に応じて、前記走行路線毎に切り替えられた前記走行パターンに沿って、前記エンジンから出力される軸トルクを制御する制御指令と、前記コンバータ手段から出力される直流電流を制御する制御指令と、前記電動機から出力される軸トルクが制御された値となるように前記インバータからの電圧振幅と交流電流周波数を制御した交流電流の出力を制御する制御指令と、前記電力蓄積手段からの直流電力の出力又は回収を制御する制御指令とを切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、走行路線に応じて他の気動車および電気車と同じ走行パターンで運転できることにより、踏切等の地上側の設備、運行ダイヤを変更する必要がなく、容易に現行車両からの置換えができる。また、電化区間と非電化区間にまたがって直通運転を行う場合に、走行パターンの切替により、単独で高速運転を行うことと、気動車と同じパターンで走行することのいずれも可能であるため、途中駅での列車の併結・切り離し作業が不要になり、列車の運行時の人的パワー・コストを抑えることができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による鉄道車両の駆動装置の第１の実施例の基本構成を示す。
図１において、エンジン１は、制御装置１１の指令に基づいた軸トルクを出力する。誘導発電機２は、エンジン１の軸トルクを入力として、これを交流出力に変換して出力する。コンバータ装置３は、誘導発電機２から出力される交流電力を入力として、これを直流電力に変換して出力する。

インバータ装置４は、コンバータ装置３出力される直流電力を入力として、これを交流電力に変換して出力する。誘導電動機５は、インバータ装置４が出力する交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。

電力蓄電装置８は、コンバータ装置３とインバータ装置４間の直流部に接続して、コンバータ装置３からの直流出力電力とインバータ装置４が必要とする直流入力電力の差分の直流電力を出力，または回収する。

この誘導電動機５から出力される軸トルクにより、図示していない輪軸を駆動して鉄道車両を可減速する。鉄道車両を加速する時は、インバータ装置４の入力電力をコンバータ装置３が出力する直流電力と、電力蓄積装置８が出力する直流電力で負担する。

ここで、誘導電動機５の軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置４の入力電力が、コンバータ装置３から供給する直流電力では不足する場合には、電力蓄積装置８から出力する直流電力で補充する。逆に、誘導電動機５の軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置４の入力電力に対して、コンバータ装置３から供給する直流電力が過剰である場合には、電力蓄積装置８により余剰電力を吸収する。

一方、鉄道車両を減速する時は、誘導電動機５がブレーキトルクを出力するようにインバータ装置４を回生動作させ、インバータ装置４が出力する回生電力を電力蓄積装置８で吸収する。この吸収した電力は鉄道車両を加速する時に優先的に活用することにより、鉄道車両の運転に必要なエネルギーを有効活用できる。

図１において、エンジン１からは、制御装置１１からの指令Ｓｅに基づいて制御された軸トルクを出力し、コンバータ装置３からは、制御装置１１からの指令Ｓｃに基づいて制御された直流電力を出力し、インバータ装置４からは、誘導電動機５から出力される軸トルクが制御装置１１からの指令Ｓｉに基づいて制御された値となるように電圧振幅と交流電流周波数を制御した交流電力を出力し、電力蓄積装置８からは、制御装置１１からの指令Ｓｐに基づいて直流電力を出力、または回収する。

この制御装置１１からの各指令値は路線情報検出装置１２から出力された路線情報ＳＬに基づいて、その走行区間で最適値となるように指令値を切り替える。

一例として、図２に制御装置１１からインバータ装置４に与える指令Ｓｉについて、走行路線ごとに切替を行うフローチャートを示す。制御装置１１では、路線情報検出装置１２から入力された路線情報ＳＬから架線の有無，高速運転要否などを割り出した路線情報パターンを設定し、誘導電動機５の出力トルクが現在の走行路線に最適となるように指令Ｓｉを制御する。

表１は、第１の実施例において制御装置１１で設定した路線情報パターンの一例を示した表である。

一例として、表１に示す路線情報パターンを設定していた場合、運転台からのノッチ指令を応じて走行路線１では図３の（ａ）、走行路線２では図３の（ｂ）、走行路線３では図３の（ｃ）のトルクを誘導電動機５から出力するように指令Ｓｉを切り替える。

以上の説明は、制御装置１１からインバータ装置４に与える指令Ｓｉを切り替える方法であったが、指令Ｓｅ、指令Ｓｃおよび指令Ｓｐを切り替える方法についても同様である。また、上記の表１に示す路線情報パターンは、架線の有無による電化／非電化の情報、特急／普通列車という列車種別により走行パターンを切り替える場合であったが、走行パターンを切り替える条件は電化／非電化と列車種別に限定したものではなく、鉄道車両の運転に関係すれば、勾配、車両編成などのどの条件であってもよい。

図４に、本発明の第１の実施例における路線情報の検出方法の一例を示す。路線情報検出装置１２は車内にある路線情報ＳＬ２受信装置２１と車外にある路線情報ＳＬ２送信装置２２から構成される。

運行ダイヤに基づいて、指令所２３から路線情報送信装置２２に次に通過する列車について特急／各停の種別、次区間の電化／非電化状況などの路線情報ＳＬ１を送信し、路線情報送信装置２２では列車が近づいたときに車内の路線情報受信装置２１に路線情報ＳＬ２を送信する。この路線情報ＳＬ２は路線情報送信装置２２から図示していないレール，車輪を経由して車内の路線情報受信装置２１に送信する。または、無線で路線情報送信装置２２から直接路線情報受信装置２１に送信する。

図５に、本発明の第２の実施例における路線情報の検出方法の一例を示す。第２の実施例の基本構成は図１と同じ構成であるため説明は省略する。

実施例１と異なる点は、車内に設けた路線情報検出装置３１には、カメラ等により車外の景色を画像情報として認識できる機能を設けている点である。

路線情報検出装置３１では入力された画像情報から走行中の路線の架線の有無等の路線情報を判断し、制御装置１１では路線情報検出装置３１から出力された路線情報ＳＬに応じた最適な走行パターンを出力するようにエンジン１への制御指令Ｓｅ、コンバータ装置３への制御指令Ｓｃ、およびインバータ装置４への制御指令Ｓｉを切り替える。

図６に、本発明の第３の実施例における路線情報の検出方法の一例を示す。第３の実施例の基本構成は図１と同じ構成であるため説明は省略する。

実施例１および実施例２と異なる点は、車内に設けた路線情報検出装置４１には、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の車外の位置検出装置４２からの情報により現在の列車の走行位置を検出する機能を設けている点である。

路線情報検出装置４１では、ＧＰＳ等から送信されてきた位置情報および路線情報検出装置４１に運行ダイヤに基づいて設定している路線判別パターンにより現在の走行路線を特定し、制御装置１１に路線情報ＳＬを送信する。制御装置１１では送信された路線情報ＳＬに応じた最適な走行パターンを出力するようにエンジン１への制御指令Ｓｅ、コンバータ装置３への制御指令Ｓｃ、およびインバータ装置４への制御指令Ｓｉを切り替える。

上記の実施例では、発電手段として誘導電動機２を用い、電動機として誘導電動機５を用いた構成としているが、これは、特定の発電機および電動機方式に限定するものではなく、例えば発電手段に同期電動機、電動機に同期電動機を用いた構成でもよい。また、直流電力発生手段として、エンジン１、発電機２、コンバータ３の替わりに、燃料電池と燃料電池から出力される直流電力を調整する出力電力調整機能を用いた場合でも同様にして走行路線に応じて走行パターンを切り替えることができる。

さらに、上記の実施例は、電力蓄積装置８は、２次電池、キャパシタ等の特定の蓄電手段に限定したものではなく、直流電力を充電、放電できる構成であればどの構成を用いてもよい。

なお、上記の実施例ではインバータ装置、電動機はそれぞれ１台としているが、電動機を複数台設けて、各々の電動機を駆動する複数台のインバータ装置を設けた場合でも、同様にして走行路線に応じて走行パターンを切り替えることができる。

本発明は、エンジン等の発電手段から発生する直流電力と、電力蓄積装置から発生する直流電力の両方を入力として、インバータ装置により交流電力に変換して電動機を駆動する鉄道車両に利用できる。特に、気動車が走行している地方路線において、非電化区間から電化区間に直通運転する運行ダイヤでは、走行路線ごとに走行パターンを切り替えることで、どちらの区間でも効率よく列車を運転させることができる。

図１は、本発明の第１の実施例を示した図である。図２は、第１の実施例において制御装置１１でのトルク指令出力を切り替える方法を示した図である。図３は、第１の実施例における走行パターンの一例を示した図である。（ａ）走行路線１での走行パターン（電化区間，普通列車用の走行パターン）（ｂ）走行路線２での走行パターン（非電化区間，普通列車用の走行パターン）（ｃ）走行路線３での走行パターン（電化区間，特急列車用の走行パターン）図４は、第１の実施例において路線情報の検出方法の一例を示した図である。図５は、本発明の第２の実施例を示した図である。図６は、本発明の第３の実施例を示した図である。図７は、従来技術の駆動装置の基本構成を示した図である。

符号の説明

１エンジン
２発電機
３コンバータ装置
４インバータ装置
５電動機
８電力蓄電装置
１１制御装置
１２路線情報検出装置
２１路線情報ＳＬ２受信装置
２２路線情報ＳＬ２送信装置
２３指令所
３１画像情報認識機能を有する路線情報検出装置
４１位置情報受信機能を有する路線情報検出装置
４２位置検出装置

Claims

エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電および放電する機能を持つ電力蓄積手段と、これらの各手段を制御する制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機と、前記鉄道車両が走行する路線の電化又は非電化の情報及び列車種別の情報を含む路線情報を判別する路線情報検出手段を備え、前記発電手段と前記電力蓄積手段の両手段の発生する電力により駆動するハイブリッド車の駆動装置において、
前記制御手段では、前記路線情報検出手段から入力された前記路線情報から架線の有無による電化／非電化の情報、特急／普通列車という列車種別により各走行路線に異なる走行パターンを有する路線情報パターンを設定し、前記路線情報検出手段により判別した前記路線情報パターンに基づいて、走行路線毎に前記走行パターンを切り替え、運転台からのノッチ指令に応じて、前記走行路線毎に切り替えられた前記走行パターンに沿って、前記エンジンから出力される軸トルクを制御する制御指令と、前記コンバータ手段から出力される直流電流を制御する制御指令と、前記電動機から出力される軸トルクが制御された値となるように前記インバータからの電圧振幅と交流電流周波数を制御した交流電流の出力を制御する制御指令と、前記電力蓄積手段からの直流電力の出力又は回収を制御する制御指令とを切り替えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
請求項１に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記路線情報検出手段には画像情報認識手段を設け、前記路線情報検出手段に取り込んだ車外の景色の画像情報により走行路線の前記電化／非電化を判別し、前記制御手段では、前記路線情報検出手段で判別した前記電化／非電化の情報を含む路線情報により各走行路線に異なる走行パターンを有する路線情報パターンを設定し、前記路線情報検出手段により判別した前記路線情報に基づいて、走行路線毎に前記走行パターンを切り替え、運転台からのノッチ指令に応じて、走行路線毎に切り替えられた前記走行パターンに沿って、前記制御指令を切り替えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記直流電力発生手段として、前記エンジンにより駆動される前記発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換する前記コンバータ装置の替わりに、燃料電池と燃料電池の出力電力を調整する出力調整手段を設けており、前記制御装置は、前記路線情報検出手段により判別した前記路線情報に基づいて、走行路線毎に前記走行パターンを切り替え、運転台からのノッチ指令に応じて、走行路線毎に切り替えられた前記走行パターンに沿って、
前記燃料電池から出力される直流電力を調整する制御指令を切り替えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記電動機を複数台設け、前記複数の電動機の各々を駆動する複数のインバータ手段を備えており、前記制御装置は、前記路線情報検出手段により判別した前記路線情報に基づいて、走行路線毎に前記走行パターンを切り替え、運転台からのノッチ指令に応じて、走行路線毎に切り替えられた前記走行パターンに沿って、前記複数のインバータ手段の制御指令を切り替えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。