JP6055258B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に関する。

鉄道車両は、線路を列車として運転される。線路には交流電化区間、直流電化区間、非電化区間があるため、鉄道車両には、それぞれの区間に対応して、交流電車、直流電車及び気動車等がある。例えば、日本の在来線における電車線の標準電圧は、交流電化区間が２０ｋＶ、直流電化区間が１．５ｋＶと大幅に異なり、非電化区間では電車線が架設されていない。鉄道車両は、交流電車、直流電車及び気動車等として、それぞれ個別に設計・製造されるので、装置や部品の種類が多くなり、保守が容易ではない。

交流電化区間及び直流電化区間の両区間で走行可能な鉄道車両として、交直両用電車が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような交直両用電車は、交直両用専用として設計・製造されるので、装置や部品の種類が一層多くなる。

また、電化区間において、電車線電圧は、所定の電圧範囲に維持される必要がある。しかし、上り勾配等の力行区間では、列車の集電によって電車線に電圧降下が生じ、下り勾配等の制動区間では、列車の電力回生によって電車線に電圧上昇が生じる。このような電車線の電圧降下や電圧上昇を抑えるために、変電所等の地上設備が高コストとなる。

鉄道車両は、回生制動時に電力回生によって電車線電圧が過度に上昇した場合、電圧上昇を防ぐために回生失効や回生絞り込みが生じ、機械式ブレーキが動作する。機械式ブレーキの動作によって制動時にエネルギーの無駄が生じるとともに、ブレーキの制輪子の摩耗量が増加する。制輪子の摩耗量の増加によって、ブレーキの検修作業が増えるだけでなく、制輪子の粉塵で車体や台車が汚れ、車両保守の作業量が増大する。

電化区間を走行する従来の鉄道車両は、主回路システムと補助電源システムとを有する。例えば、電車線電圧が直流１５００Ｖの場合、主回路システムは、直流１５００Ｖを受けてモータに電力を供給する。補助電源システムは、直流１５００Ｖを三相交流４４０Ｖに変換する補助電源装置と、三相交流４４０Ｖを電源としてＯＮ／ＯＦＦ動作をする補助機器とを有する。補助機器は、空気圧縮機、空調装置、照明装置、機器冷却器等である。電子機器を有する補助機器は、各補助機器で電源を電子機器用の直流２４Ｖに変換している。このような主回路システム及び補助電源システムでは、電車線電圧の変動と、集電装置の離線や電車線のセクションによる集電電流の瞬断とに起因する入力電圧及び入力電流の不安定が、構成する装置の主要素子、フィルタコンデンサ、リアクトル等への負担となり、小型化、信頼性向上、故障率低減が困難である。

従来の鉄道車両では、補助機器は、ＯＮ／ＯＦＦ動作となっており、入力電圧及び入力電流が不安定なため、負荷電流を調整する制御を導入することが容易ではない。例えば、空気圧縮機と空調装置は、いずれも圧縮機及び電動機を有し、設定値に基づく接触器の入、切によって電動機が動作・停止するので、接触器のＯＮ／ＯＦＦ動作の繰り返し及び圧縮機の急稼働・停止によって故障率が高くなる。また、空気圧縮機と空調装置は、単純なＯＮ／ＯＦＦ動作であるので、省エネルギーではない。鉄道車両では、照明器具も、単純なＯＮ／ＯＦＦ動作であり、調光機能（照度調整機能）が無く、省エネルギーではない。

主回路システムは、可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦインバータ制御）を用いたものが増えている。ＶＶＶＦインバータ制御を用いた鉄道車両は、従前の抵抗制御を用いたものよりも集電電流が大きい傾向がある。集電電流が大きいと、集電装置が離線した時に発生する離線アークが増大し、集電装置のすり板の摩耗と電車線の摩耗が増える。離線アークによって電車線に局部摩耗が生じると、電車線の局部摩耗箇所で集電装置が離線し、すり板の摩耗と電車線の摩耗が一層増える。電車線の摩耗を低減するには、集電装置にカーボンすり板を用いることが有効である。しかし、カーボンすり板は、金属すり板と比べて離線アークに弱いため、カーボンすり板を搭載した車両を増やすことが困難となっている。

特開平１１−１５５２０４号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、車両の保守が容易で、地上設備のコスト低減が可能な鉄道車両を提供することを目的とする。

本発明の鉄道車両は、列車の力行及び回生制動のためのモータを有するものであって、所定の電圧範囲の直流電圧が印加される母線と、前記母線から前記モータに電力を供給して該モータの回転を制御し、該モータが発生する回生電力を母線に戻す動力装置と、前記母線から電力が供給される補助機器と、前記母線との間で充放電される蓄電池と、前記母線に電力を供給するための電源ユニットと、前記蓄電池の充放電、前記電源ユニットの電力供給、及び前記補助機器への電力供給を制御する制御部とを備え、前記電源ユニットとして、ＤＣ−ＤＣ電源ユニット、ＡＣ−ＤＣ電源ユニット及び発電ユニットの少なくとも１つを有し、前記ＤＣ−ＤＣ電源ユニットは、直流電車線と前記母線との間の電圧変換をするユニットであり、前記ＡＣ−ＤＣ電源ユニットは、交流電車線と前記母線との間の電圧変換及び交直変換をするユニットであり、前記発電ユニットは、エンジン発電機又は燃料電池を有し、発電によって直流電圧を発生するユニットであることを特徴とする。

この鉄道車両において、前記母線に印加される直流電圧は、標準電圧が６００Ｖであることが好ましい。

この鉄道車両において、前記各々の補助機器は、入力電力を調整するインバータを有することが好ましい。

この鉄道車両において、前記電源ユニットは、前記ＤＣ−ＤＣ電源ユニット又はＡＣ−ＤＣ電源ユニットであり、前記母線から電車線に電力を回生する機能を有する。

この鉄道車両において、自列車の位置を検知する位置検知装置をさらに備え、前記制御部は、前記電源ユニットによる電力供給及び回生の有無と、前記蓄電池の放電及び充電とを制御する複数の制御モードを有し、前記位置検知装置が検知した自列車の位置と、自列車の力行、惰行、停止及び制動のいずれかの運転状態とに基づいて、前記制御モードを選択する。

この鉄道車両において、複数の前記制御モードは、第１乃至第５の制御モードを含み、前記第１の制御モードにおいて、前記蓄電池が放電されるとともに、前記動力装置及び補助機器に供給する合計の電流が前記蓄電池が放電可能な電流を超過した場合、その超過分を前記電源ユニットが供給し、前記第２の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記電源ユニットが前記母線に電力を供給し、前記第３の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記動力装置が回生する電流が、前記蓄電池が充電可能な電流及び前記補助機器に供給する合計の電流を超過した場合、その超過分を前記電源ユニットが電車線に回生し、前記第４の制御モードにおいて、前記蓄電池が放電されるとともに、前記電源ユニットによる電力供給及び回生が停止し、前記第５の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記電源ユニットによる電力供給及び回生が停止し、前記制御部は、前記位置検知装置が検知した自列車の位置が非電化区間又は停電中の電化区間であるとき、前記第４及び第５の制御モードのいずれかを選択し、かつ、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止のとき、前記第１、第２及び第４のいずれかの制御モードを選択し、自列車の運転状態が制動のとき、前記第３及び第５のいずれかの制御モードを選択する。

この鉄道車両において、前記蓄電池の残存電気量を検知する蓄電池チェッカを備え、前記制御部は、所定の充電設定区間において、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止であって、前記蓄電池チェッカが検知した残存電気量が所定の充電目標値以下のとき、前記蓄電池を充電する制御モードを選択することが好ましい。

この鉄道車両において、前記充電設定区間は、非電化区間の手前又は停電中の電化区間の手前の電化区間に設定されることが好ましい。

この鉄道車両において、前記充電設定区間は、通常の運転において列車が力行する区間の手前の電化区間に設定されることが好ましい。

この鉄道車両において、前記充電設定区間は、上り勾配の手前又は停車駅内の電化区間に設定されることが好ましい。

この鉄道車両において、前記制御部は、所定の放電設定区間において、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止であって、前記蓄電池チェッカが検知した残存電気量が所定の放電目標値以上のとき、前記蓄電池を放電する制御モードを選択することが好ましい。

この鉄道車両において、前記放電設定区間は、通常の運転において列車が回生する区間の手前の電化区間に設定されることが好ましい。

この鉄道車両において、前記放電設定区間は、下り勾配の手前の電化区間に設定されることが好ましい。

この鉄道車両において、前記制御部は、列車の位置に応じて選択可能な制御モードと、前記放電設定区間及び充電設定区間の位置と、前記充電目標値及び放電目標値とを記憶している記憶部を有することが好ましい。

この鉄道車両において、前記電源ユニットは、発電ユニットであり、前記制御部は、列車が力行する時、前記蓄電池を放電するとともに、前記動力装置及び補助機器に供給する合計の電流が前記蓄電池の放電電流を超過した分を前記発電ユニットが供給するように、前記蓄電池及び前記発電ユニットを制御する制御モードを有してもよい。

この鉄道車両において、自列車の位置を検知する位置検知装置を備え、前記発電ユニットは、エンジン発電機を有し、前記制御部は、前記位置検知装置が検知した自列車の位置に基づいて、前記エンジン発電機を停止する制御モードを有することが好ましい。

この鉄道車両において、前記蓄電池の残存電気量を検知する蓄電池チェッカを備え、前記制御部は、前記蓄電池チェッカが検知した蓄電池の残存電気量に基づいて前記補助機器への電力供給を制御することが好ましい。

この鉄道車両において、前記制御部は、前記蓄電池が放電されるとき、所定の補助機器に供給される電流を所定値以下に制限してもよい。

本発明の鉄道車両によれば、線路が交流電化区間、直流電化区間にかかわらず母線によって動力装置及び補助機器に用いられる電圧が統一されるので、装置や部品の種類を低減でき、保守が容易になる。電化区間、非電化区間にかかわらずモータで走行するので、保守が一層容易になる。また、蓄電池の放電によって母線に電力を供給できるので、電化区間と非電化区間とを直通運転することができる。このため、非電化区間を拡大して地上設備のコストを低減することができる。また、電化区間において、蓄電池の充放電を利用することにより、鉄道車両が集電及び回生する電流を抑えることが可能となるので、地上設備のコストを低減することができる。また、制御部によって鉄道車両における電力の流れについて所望の制御を行うことが可能となるので、集電及び回生する電流を抑える等が容易になる。

本発明の第１の実施形態に係る鉄道車両のブロック構成図。 同鉄道車両における制御モードを示す表。 同鉄道車両における第１の制御モードでの電力の流れを示す図。 同鉄道車両における第２の制御モードでの電力の流れを示す図。 同鉄道車両における第３の制御モードでの電力の流れを示す図。 同鉄道車両における第４の制御モードでの電力の流れを示す図。 同鉄道車両における第５の制御モードでの電力の流れを示す図。 同鉄道車両における制御モードの選択を示す表。 同制御モードの選択を示すフローチャート。 第１の制御モード及び第２の制御モードの選択を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る鉄道車両のブロック構成図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る鉄道を図１乃至図１０を参照して説明する。図１に示されるように、鉄道車両１は、列車の力行及び回生制動のためのモータ２を有する。鉄道車両１は、モータ２以外に、母線３と、動力装置４と、補助機器５と、蓄電池６と、電源ユニット７と、制御部８とを備える。

母線３は、所定の電圧範囲の直流電圧が印加される。電圧範囲は、例えば標準電圧プラス・マイナス１０％程度である。本実施形態では、標準電圧は、６００Ｖである。標準電圧として他の値、例えば１５００Ｖ又は７５０Ｖを採用してもよい。

動力装置４は、例えばＶＶＶＦインバータであり、母線３からモータ２に電力を供給してモータ２の回転を制御し、モータ２が発生する回生電力を母線３に戻す。動力装置４は、運転操作等によって制御される。

補助機器５は、空気圧縮機、空調装置、照明装置、機器冷却器等の負荷である。補助機器５の台数は限定されない。各々の補助機器５は、入力電力を調整するインバータ５１を有する。補助機器５は、インバータ５１を介して母線３に接続され、母線３から電力が供給される。補助機器５の電子機器に低圧の直流（例えば直流２４Ｖ）を集中して供給するために、鉄道車両１に低圧母線と、母線３の電圧を降圧して低圧母線に電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを設けてもよい。

蓄電池６は、充放電回路６１を介して母線３に接続され、母線３との間で充放電される。このため、母線３は、少なくとも蓄電池６によって直流電圧が印加される。蓄電池６以外の電圧源には、電源ユニット７と、回生中の動力装置４とがある。本実施形態では、蓄電池６は、リチウムイオン電池である。充放電回路６１は、制御部８によって制御され、蓄電池６の充放電電圧及び電流を調節する。充放電回路６１は、蓄電池６の残存電気量を検知する蓄電池チェッカ６２を有する。充放電回路６１は、蓄電池チェッカ６２が検知した残存電気量に基づいて、蓄電池６を過充電や過放電から保護する。

電源ユニット７は、母線３に電力を供給するためのユニット化された装置である。鉄道車両１は、電源ユニット７として、ＤＣ−ＤＣ電源ユニット、ＡＣ−ＤＣ電源ユニット及び発電ユニットの少なくとも１つを有する。ＤＣ−ＤＣ電源ユニットは、例えば直流チョッパを有し、直流電車線と母線３の間の電圧変換をするユニットである。ＡＣ−ＤＣ電源ユニットは、変圧器及び交直変換装置を有し、交流電車線と母線３との間の電圧変換及び交直変換をするユニットである。発電ユニットは、発電によって直流電圧を発生するユニットである。

電源ユニット７がＤＣ−ＤＣ電源ユニット又はＡＣ−ＤＣ電源ユニットである場合、電源ユニット７は、集電装置７１を介して電車線Ｔから電力を集電し、母線３から電車線Ｔに電力を回生する機能を有する。本実施形態では、電源ユニット７をＤＣ−ＤＣ電源ユニットとしている。電車線Ｔは、架線（架空電車線）又は第三軌条等である。電化区間には、電車線Ｔが架設されている。電車線Ｔは、変電所からき電（饋電）される。電車線Ｔがき電中のとき、すなわち停電していないとき、電源ユニット７は、電車線Ｔから電力が供給され、電車線Ｔに電力を回生する。

制御部８は、制御プログラムを実行するＣＰＵ等を有し、蓄電池６の充放電、電源ユニット７の電力供給、及び補助機器５への電力供給を制御する。なお、通常は複数の補助機器５が鉄道車両１に搭載されており、制御部８は、それら複数の補助機器５のうち１つ以上の補助機器５への電力供給を制御すればよい。制御部８は、制御に用いられるデータを記憶する記憶部８１を有する。記憶部８１は、例えば読み書き可能な不揮発性のメモリである。

鉄道車両１は、自列車の位置を検知する位置検知装置９を有する。位置検知装置９は、例えば、速度発電機を有し、車輪の回転に基づいて走行距離を積算することによって自列車の位置を検知する。位置検知装置９が検知した自列車の位置情報は、制御部８に入力される。

制御部８は、電源ユニット７による電力供給及び回生の有無と、蓄電池６の放電及び充電とを制御する複数の制御モードを有する。図２に示されるように、複数の制御モードは、第１乃至第５の制御モードを含む。これらの制御モードは代表的な制御モードであり、制御部８は、これら以外の制御モードを有してもよい。

図３に示されるように、第１の制御モードにおいて、蓄電池６が放電されるとともに、動力装置４及び補助機器５に供給する合計の電流が蓄電池６が放電可能な電流を超過した場合、その超過分を電源ユニット７が供給する。電源ユニット７が供給する電力は、集電装置７１を介して電車線Ｔから集電される。なお、図３において、電力の流れの向きを三角矢印で示している（図４〜図７においても同様）。

図４に示されるように、第２の制御モードにおいて、蓄電池６が充電されるとともに、電源ユニット７が母線３に電力を供給する。

図５に示されるように、第３の制御モードにおいて、蓄電池６が充電されるとともに、動力装置４が回生する電流が、蓄電池６が充電可能な電流及び補助機器５に供給する合計の電流を超過した場合、その超過分を電源ユニット７が電車線Ｔに回生する。

図６に示されるように、第４の制御モードにおいて、蓄電池６が放電されるとともに、電源ユニット７による電力供給及び回生が停止する。

図７に示されるように、第５の制御モードにおいて、蓄電池６が充電されるとともに、電源ユニット７による電力供給及び回生が停止する。

図８に示されるように、制御部８は、位置検知装置９が検知した自列車の位置と、自列車の力行、惰行、停止及び制動のいずれかの運転状態とに基づいて、制御モードを選択する。運転状態の情報は、例えば、動力装置４から制御部８に入力される。

制御部８による制御モードの選択について説明する。図９に示されるように、位置検知装置９が自列車の位置を検知する（ステップＳ１０１）。制御部８は、自列車の位置がき電中の電化区間か、非電化区間又は停電中の電化区間かを判定する（ステップＳ１０２）。電化区間及び非電化区間の位置（キロ程等）と、停電中の電化区間の位置とは、記憶部８１に予め記憶されている。制御部８は、判定の際、記憶部８１を参照する。

自列車の位置がき電中の電化区間の場合（ステップＳ１０２で左）、制御部８は、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止のとき（ステップＳ１０３でＮｏ）、第１の制御モード及び第２の制御モードのいずれかを選択し（ステップＳ１０４）、自列車の運転状態が制動のとき（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、第３の制御モードを選択する（ステップＳ１０５）。

自列車の位置がき電中の非電化区間又は停電中の電化区間の場合（ステップＳ１０２で右）、制御部８は、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止のとき（ステップＳ１０６でＮｏ）、第４の制御モードを選択し（ステップＳ１０７）、自列車の運転状態が制動のとき（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、第５の制御モードのを選択する（ステップＳ１０５）。

自列車の運転状態が力行、惰行又は停止のときの第１の制御モード及び第２の制御モードの選択について、さらに詳述する。図１０に示されるように、制御部８は、所定の充電設定区間において（ステップＳ２０１で下）、蓄電池チェッカ６２が検知した残存電気量が所定の充電目標値以下のとき（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、蓄電池６を充電する制御モード（第２の制御モード）を選択する（ステップＳ２０３）。制御部８は、残存電気量が充電目標値を超えたとき（ステップＳ２０２でＮｏ）、第１の制御モードを選択する（ステップＳ２０５）。なお、制御モードの切替を安定させるため、充電目標値はヒステリシス特性を有することが望ましい。

制御部８は、所定の放電設定区間において（ステップＳ２０１で左）、蓄電池チェッカ６２が検知した残存電気量が所定の放電目標値以上のとき（ステップＳ２０４でＹｅｓ）、蓄電池６を放電する制御モード（第１の制御モード）を選択する（ステップＳ２０５）。制御部８は、残存電気量が放電目標値を下回ったとき（ステップＳ２０４でＮｏ）、第２の制御モードを選択する（ステップＳ２０３）。なお、制御モードの切替を安定させるため、放電目標値はヒステリシス特性を有することが望ましい。

制御部８は、上記以外の区間において（ステップＳ２０１で右）、自列車の運転状態が力行のとき（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、蓄電池６を放電する制御モード（第１の制御モード）を選択する（ステップＳ２０５）。自列車の運転状態が惰行又は停止のとき（ステップＳ２０６でＮｏ）、蓄電池６を充電する制御モード（第２の制御モード）を選択する（ステップＳ２０３）。

充電設定区間は、非電化区間の手前又は停電中の電化区間の手前の電化区間に設定される。

充電設定区間を通常の運転において列車が力行する区間の手前の電化区間に設定してもよい。このような充電設定区間は、例えば、上り勾配の手前又は停車駅内の電化区間に設定される。ここで、通常の運転とは、列車ダイヤ通りの運転である。

放電設定区間は、通常の運転において列車が回生する区間の手前の電化区間に設定される。このような充電設定区間は、例えば、下り勾配の手前の電化区間に設定される。

放電設定区間及び充電設定区間の位置と、充電目標値及び放電目標値とは、記憶部８１に予め記憶されている。これらのデータは、列車ダイヤ作成時のランカーブ等に基づいて作成され、実際の走行に基づいて調整される。

制御部８は、上述の制御に加え、蓄電池チェッカ６２が検知した蓄電池６の残存電気量に基づいて補助機器５への電力供給を制御する。例えば、制御部８は、蓄電池６の残存電気量の低下の程度に応じて、照明装置を自動的に減光する。

制御部８は、蓄電池６が放電されるとき、すなわち、第１又は第４の制御モードが選択されるとき、所定の補助機器５に供給される電流を所定値以下に制限してもよい。所定の補助機器５は、例えば、空調装置、機器冷却器である。

本実施形態の鉄道車両１によれば、線路が交流電化区間、直流電化区間にかかわらず母線３によって動力装置４及び補助機器５に用いられる電圧が統一されるので、装置や部品の種類を低減でき、保守が容易になる。電化区間、非電化区間にかかわらずモータ２で走行するので、保守が一層容易になる。また、蓄電池６の放電によって母線３に電力を供給できるので、電化区間と非電化区間とを直通運転することができる。このため、非電化区間を拡大して地上設備のコストを低減することができる。電化区間が停電していても鉄道車両１を運転することができるので、電車線の停電を要する地上設備の保守が容易になる。電化区間において、集電装置７１の離線等によって集電電流が瞬断しても、蓄電池６の放電によって母線３に電力を供給できるので、電力供給が安定化されるとともに、離線アークが減少して集電装置７１のすり板や電車線の摩耗が軽減される。離線アークの減少によって、集電装置７１にカーボンすり板を用いることが容易になり、カーボンすり板によって電車線Ｔの摩耗が一層減少する。また、電化区間において、蓄電池６の充放電を利用することにより、鉄道車両１が集電及び回生する電流を抑えることが可能となるので、地上設備のコストを低減することができる。母線３は、蓄電池６によって電圧が安定化されるので、動力装置４及び補助機器５は、入力電圧が安定化され、信頼性が向上し、故障率が低減され、小型化が容易になる。補助機器５は、入力電圧が安定化されることによって、負荷電流を調整する制御が容易になる。また、制御部８によって鉄道車両１における電力の流れについて所望の制御を行うことが可能となるので、集電及び回生する電流を抑える等が容易になる。さらに、交流電化区間、直流電化区間及び非電化区間に対応して電源ユニット７を変更することにより、鉄道車両１が走行可能な区間を容易に変更することができる。

このように、制御部８は、母線３に接続された蓄電池６、電源ユニット７、補助機器５を総括制御することができるので、鉄道車両１におけるエネルギーの発生及び利用を効率化し、一層のコスト低減と省エネルギーを図ることが可能となる。従来から地上の発送配電網においてスマートグリッドが提唱されているが、鉄道車両のスマートグリッドは無かった。本実施形態の鉄道車両１は、母線３を中心に車内の電力網が構築され、電力の流れが制御部８によって制御されるので、鉄道車両のスマートグリッドを実現したものと言える。このような鉄道車両のスマートグリッド化は、省エネルギー、省メンテナンス、車載の機器の小型化、故障の防止等に寄与する。また、この鉄道車両１は、発送配電網におけるスマートグリッド技術を適用することが容易になるとともに、地上のスマートグリッドとの連携が容易になる。

直流電化における電車線電圧には、１５００Ｖ、７５０Ｖ、６００Ｖがある。電車線電圧が１５００Ｖや７５０Ｖである場合、わざわざ降圧せず、動力装置４等に印加される電圧を電車線電圧に合わせて１５００Ｖ又は７５０Ｖにすることが従来の技術常識であった。本実施形態では、母線３を設け、電車線電圧にかかわらず、母線３に印加される直流電圧の標準電圧を６００Ｖとしているので、６００Ｖ電化区間の鉄道車両用に広く用いられている装置や部品等を動力装置４及び補助機器５に用いることができ、鉄道車両１が低コスト化される。６００Ｖは、鉄道車両用の電圧としては、比較的低いので、絶縁が容易である。このため、車載機器を小型化でき、鉄道車両１の低床化が容易になる。

従来の鉄道車両は、補助機器に電力を供給するために、集電電圧を交流４４０Ｖに変換する補助電源装置を搭載し、補助機器用の交流４４０Ｖの配線を設け、各補助機器は接触器によってＯＮ／ＯＦＦ動作をしていた。本実施形態の鉄道車両１では、各々の補助機器５は、母線３から電力が供給され、インバータ５１を有するので、補助電源装置及び補助機器用の配線が不要になる。また、補助機器５は、ＯＮ／ＯＦＦ動作ではないので故障率が低くなり、インバータ５１によって連続的な電力調整ができるので省エネルギーである。

電源ユニット７が母線３から電車線Ｔに電力を回生する機能を有するので、鉄道車両１が省エネルギーとなる。

制御部８が制御モードの選択において自列車の位置情報を利用するので、列車の運転状態だけでなく、地上設備等の地上側の条件に応じた制御を行うことができ、鉄道車両１をさらに省エネルギーにすることができる。

第１の制御モードにおいて、電車線Ｔよりも蓄電池６からの電力が優先的に利用されるので、電車線Ｔの電圧降下が小さくなるとともに、電力使用量のピークが抑えられ、変電所等の地上設備のコスト及び電気料金が低減される。また、電車線Ｔからの集電電流が小さくなるので、集電装置７１のすり板の摩耗と電車線Ｔの摩耗が減少する。

第２の制御モードにおいて、電車線Ｔから蓄電池６を充電することができるので、二酸化炭素の排出量が低減される。

第３の制御モードにおいて、電車線Ｔよりも蓄電池６に優先的に回生電力が戻されるので、電車線Ｔの電圧上昇が小さくなるとともに、制動で発生する回生電力が有効活用され、地上設備への負担が小さく、省エネルギーとなる。また、電車線Ｔに戻る回生電流が小さくなるので、集電装置７１のすり板の摩耗と電車線Ｔの摩耗が減少する。

第４の制御モードにおいて、専ら蓄電池６からの電力が利用されるので、電車線Ｔを利用せずに鉄道車両１を運転することができる。

第５の制御モードにおいて、専ら蓄電池６に回生電力が戻されるので、電車線Ｔを利用せずに鉄道車両１を回生制動することができる。

制御部８は、所定の充電設定区間において、残存電気量が所定の充電目標値以下のとき、蓄電池６を充電する制御モードを選択するので、充電設定区間の設定によって、蓄電池６の残存電気量を高めることができる。

充電設定区間を非電化区間の手前又は停電中の電化区間の手前の電化区間に設定することにより、その区間に進入する前に蓄電池６の残存電気量を高め、非電化区間又は停電中の電化区間で蓄電池６からの電力を活用することができる。

充電設定区間を通常の運転において列車が力行する区間の手前の電化区間に設定することにより、鉄道車両１は、列車の力行する区間で蓄電池６からの電力を活用することができる。

充電設定区間を上り勾配の手前又は停車駅内の電化区間に設定することにより、鉄道車両１は、上り勾配や停車駅からの出発において、蓄電池６からの電力を活用することができる。

制御部８は、所定の放電設定区間において、残存電気量が所定の放電目標値以上のとき、蓄電池６を放電する制御モードを選択するので、放電設定区間の設定によって、蓄電池６の残存電気量を低下して蓄電池６に回生電力を吸収する容量を確保することができる。

放電設定区間を通常の運転において列車が回生する区間の手前の電化区間に設定することにより、その区間に進入する前に蓄電池６の残存電気量を低下し、列車が回生する区間で蓄電池６に回生電力を戻し、回生失効や回生絞り込みを防ぐことができる。回生失効等の防止によって、制動時にエネルギーが有効利用されるとともに、ブレーキの制輪子の摩耗量が減少する。制輪子の摩耗量の減少によって、ブレーキの検修作業が減るだけでなく、制輪子の粉塵による車体や台車の汚れが減り、車両保守の作業量が軽減される。さらに、回生失効等の防止によって、回生ブレーキの信頼性が向上し、全電気ブレーキの実現が可能になる。

放電設定区間を下り勾配の手前の電化区間に設定することにより、鉄道車両１は、下り勾配において、蓄電池６に回生電力を吸収し、回生失効や回生絞り込みを防ぐことができる。

列車の位置に応じて選択可能な制御モードと、放電設定区間及び充電設定区間の位置と、充電目標値及び放電目標値とが記憶部８１に記憶されているので、制御部８は、容易に自列車の位置に応じた制御をすることができる。

制御部８は、蓄電池チェッカ６２が検知した蓄電池６の残存電気量に基づいて補助機器５への電力供給を制御するので、蓄電池６の残存電気量が少ないときに放電時間を長くする制御や、残存電気量が多いときに過充電を防ぐ制御等が可能となる。

制御部８は、蓄電池６が放電されるとき、所定の補助機器５に供給される電流を制限することにより、蓄電池６の放電時間を長くすることができる。なお、このような電流の制限による電力供給の制御は、蓄電池６を用いた母線３の電圧の安定化によって容易になっている。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る鉄道車両１を図１１を参照して説明する。本実施形態の鉄道車両１は、第１の実施形態と同様の構成を有し、電源ユニット７が発電ユニット７２である点が異なる。第２の実施形態において、第１の実施形態と同等の箇所には同じ符号を付している。以下の説明において、第１の実施形態と同等の箇所の詳細な説明は省略する。本実施形態では、発電ユニット７２は、エンジン発電機７３を有する。エンジン発電機７３は、発電機と、発電機を駆動するエンジンとを有する。なお、発電ユニット７２としてエンジン発電機７３に替えて、燃料電池を用いてもよい。

制御部８は、列車が力行する時、蓄電池６を放電するとともに、動力装置４及び補助機器５に供給する合計の電流が蓄電池６の放電電流を超過した分を発電ユニット７２が供給するように、蓄電池６及び発電ユニット７２を制御する制御モードを有する。

このように、本実施形態の鉄道車両１は、発電ユニット７２を有するので、非電化区間を長距離走行することができる。

制御部８は、位置検知装置９が検知した自列車の位置に基づいて、エンジン発電機７３を停止する制御モードを有する。

このように、本実施形態の鉄道車両１は、制御部８がエンジン発電機７３を停止する制御モードを有するので、特定の区間でエンジン発電機７３を停止して騒音を低減することができる。鉄道車両１は、蓄電池６を有するので、エンジン発電機７３の停止中も、動力装置４及び補助機器５に電力を供給することができる。制御部８は、自列車が特定の区間を通過した後、エンジン発電機７３を起動する。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、列車が停車駅の手前で制動する区間のさらに手前の区間に放電設定区間を設定してもよい。放電設定区間及び充電設定区間の位置を記憶部８１に記憶することに替えて、勾配や曲線等の線路条件やランカーブを記憶部８１に記憶し、制御部８が自列車の位置よりも前方の線路条件等を記憶部８１から読み出して制御モードを選択してもよい。また、制御部８による制御は、前述の制御に限定されず、例えば、変電所に近い位置では、電車線電圧が比較的高いので蓄電池６を充電し、変電所から遠い位置では、電車線電圧が低いので蓄電池６の放電を利用するように制御してもよい。鉄道車両１は、在来線の車両に限定されず、新幹線鉄道（全国新幹線整備法第二条で定義されている新幹線鉄道）の車両であってもよい。

１ 鉄道車両
２ モータ
３ 母線
４ 動力装置
５ 補助機器
５１ インバータ
６ 蓄電池
６２ 蓄電池チェッカ
７ 電源ユニット
７２ 発電ユニット
７３ エンジン発電機
８ 制御部
８１ 記憶部
９ 位置検知装置

Claims (17)

1. 列車の力行及び回生制動のためのモータを有する鉄道車両であって、
   所定の電圧範囲の直流電圧が印加される母線と、
   前記母線から前記モータに電力を供給して該モータの回転を制御し、該モータが発生する回生電力を母線に戻す動力装置と、
   前記母線から電力が供給される補助機器と、
   前記母線との間で充放電される蓄電池と、
   前記母線に電力を供給するための電源ユニットと、
   前記蓄電池の充放電、前記電源ユニットの電力供給、及び前記補助機器への電力供給を制御する制御部と、
   自列車の位置を検知する位置検知装置とを備え、
   前記電源ユニットとして、ＤＣ−ＤＣ電源ユニット及びＡＣ−ＤＣ電源ユニットの少なくとも１つを有し、該電源ユニットは、前記母線から電車線に電力を回生する機能を有し、
   前記ＤＣ−ＤＣ電源ユニットは、直流電車線と前記母線との間の電圧変換をするユニットであり、
   前記ＡＣ−ＤＣ電源ユニットは、交流電車線と前記母線との間の電圧変換及び交直変換をするユニットであり、
   前記制御部は、前記電源ユニットによる電力供給及び回生の有無と、前記蓄電池の放電及び充電とを制御する複数の制御モードを有し、前記位置検知装置が検知した自列車の位置と、自列車の力行、惰行、停止及び制動のいずれかの運転状態とに基づいて、前記制御モードを選択し、
   複数の前記制御モードは、第１乃至第５の制御モードを含み、
   前記第１の制御モードにおいて、前記蓄電池が放電されるとともに、前記動力装置及び補助機器に供給する合計の電流が前記蓄電池が放電可能な電流を超過した場合、その超過分を前記電源ユニットが供給し、
   前記第２の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記電源ユニットが前記母線に電力を供給し、
   前記第３の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記動力装置が回生する電流が、前記蓄電池が充電可能な電流及び前記補助機器に供給する合計の電流を超過した場合、その超過分を前記電源ユニットが電車線に回生し、
   前記第４の制御モードにおいて、前記蓄電池が放電されるとともに、前記電源ユニットによる電力供給及び回生が停止し、
   前記第５の制御モードにおいて、前記蓄電池が充電されるとともに、前記電源ユニットによる電力供給及び回生が停止し、
   前記制御部は、前記位置検知装置が検知した自列車の位置が非電化区間又は停電中の電化区間であるとき、前記第４及び第５の制御モードのいずれかを選択し、かつ、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止のとき、前記第１、第２及び第４のいずれかの制御モードを選択し、自列車の運転状態が制動のとき、前記第３及び第５のいずれかの制御モードを選択することを特徴とする鉄道車両。
2. 前記母線に印加される直流電圧は、標準電圧が６００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記各々の補助機器は、入力電力を調整するインバータを有することを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両。
4. 前記蓄電池の残存電気量を検知する蓄電池チェッカを備え、
   前記制御部は、所定の充電設定区間において、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止であって、前記蓄電池チェッカが検知した残存電気量が所定の充電目標値以下のとき、前記蓄電池を充電する制御モードを選択することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鉄道車両。
5. 前記充電設定区間は、非電化区間の手前又は停電中の電化区間の手前の電化区間に設定されることを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両。
6. 前記充電設定区間は、通常の運転において列車が力行する区間の手前の電化区間に設定されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の鉄道車両。
7. 前記充電設定区間は、上り勾配の手前又は停車駅内の電化区間に設定されることを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両。
8. 前記制御部は、所定の放電設定区間において、自列車の運転状態が力行、惰行又は停止であって、前記蓄電池チェッカが検知した残存電気量が所定の放電目標値以上のとき、前記蓄電池を放電する制御モードを選択することを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の鉄道車両。
9. 前記放電設定区間は、通常の運転において列車が回生する区間の手前の電化区間に設定されることを特徴とする請求項８に記載の鉄道車両。
10. 前記放電設定区間は、下り勾配の手前の電化区間に設定されることを特徴とする請求項９に記載の鉄道車両。
11. 前記制御部は、列車の位置に応じて選択可能な制御モードと、前記放電設定区間及び充電設定区間の位置と、前記充電目標値及び放電目標値とを記憶している記憶部を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の鉄道車両。
12. 列車の力行及び回生制動のためのモータを有する鉄道車両であって、
    所定の電圧範囲の直流電圧が印加される母線と、
    前記母線から前記モータに電力を供給して該モータの回転を制御し、該モータが発生する回生電力を母線に戻す動力装置と、
    前記母線から電力が供給される補助機器と、
    前記母線との間で充放電される蓄電池と、
    前記母線に電力を供給するための電源ユニットと、
    前記蓄電池の充放電、前記電源ユニットの電力供給、及び前記補助機器への電力供給を制御する制御部とを備え、
    前記電源ユニットとして、発電ユニットを有し、
    前記発電ユニットは、エンジン発電機又は燃料電池を有し、発電によって直流電圧を発生するユニットであり、
    前記制御部は、列車が力行する時、前記蓄電池を放電するとともに、前記動力装置及び補助機器に供給する合計の電流が前記蓄電池の放電電流を超過した分を前記発電ユニットが供給するように、前記蓄電池及び前記発電ユニットを制御する制御モードを有することを特徴とする鉄道車両。
13. 前記母線に印加される直流電圧は、標準電圧が６００Ｖであることを特徴とする請求項１２に記載の鉄道車両。
14. 前記各々の補助機器は、入力電力を調整するインバータを有することを特徴とする請求項１３に記載の鉄道車両。
15. 自列車の位置を検知する位置検知装置を備え、
    前記発電ユニットは、エンジン発電機を有し、
    前記制御部は、前記位置検知装置が検知した自列車の位置に基づいて、前記エンジン発電機を停止する制御モードを有することを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか一項に記載の鉄道車両。
16. 前記蓄電池の残存電気量を検知する蓄電池チェッカを備え、
    前記制御部は、前記蓄電池チェッカが検知した蓄電池の残存電気量に基づいて前記補助機器への電力供給を制御することを特徴とする請求項３又は請求項１４に記載の鉄道車両。
17. 前記制御部は、前記蓄電池が放電されるとき、所定の補助機器に供給される電流を所定値以下に制限することを特徴とする請求項１６に記載の鉄道車両。

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