JP7480416B2 - 鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両用駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ハイブリッド鉄道車両に適用する鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両用駆動方法に関する。
近年、エンジンとバッテリとを組み合わせたハイブリッド鉄道車両の開発が進められている。ハイブリッド鉄道車両は、制動時に発生する回生エネルギをバッテリに蓄電し、力行時にこれを放電して駆動力や補機負荷を補足することで、回生エネルギを再利用し、エネルギ化を図っている。
例えば、特許文献１には、ハイブリッド鉄道車両において、エンジンにより駆動され交流電力を発生する発電機と、発生した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、変換した直流電力を車輪駆動用の電動機に供給する交流電力に変換するインバータと、直流電力を充放電するバッテリと、空調機器や照明機器などの補機に交流電力を供給するサービス電源用インバータとを備える鉄道車両駆動システムが開示されている。
特許文献１に記載の鉄道車両駆動システムでは、車両毎に搭載するインバータに対応して、１台のエンジンを備えている。すなわち、編成車両に車載されている全てのインバータを駆動する際には、全てのエンジンを動かす必要が生じ、鉄道車両が構内や車庫内を小移動するようなパワーを必要としない状況でも全エンジンを動かす態様は変わらない。
そこで、本発明の目的は、上記事情に鑑み、通常駆動時に、エンジン発電機や燃料電池または蓄電池等に代表される電力供給装置を全て駆動させるだけでなく、構内や車庫内を小移動するようなパワーを必要としない状況下では、電力供給装置からの電力供給量（エンジンや燃料電池の燃料消費量または蓄電池からの放電量など）を低減できる鉄道車両用駆動システムを提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両用駆動システムの代表的な一つは、電力供給装置より供給される電力の電圧または周波数を変更して直流ステージ上に直流電力を出力するコンバータと、直流ステージ上の直流電力を交流電動機駆動用の交流電力に変換するインバータと、直流ステージ上の直流電力との充放電を行う電力蓄積装置とをそれぞれ有する第１および第２の主回路システム、および、第１の主回路システムの直流ステージと第２の主回路システムの直流ステージとを接続する開閉器、を備え、開閉器が開いて、第１および第２の主回路システムそれぞれが独立して駆動する第１の運転モードと、開閉器が閉じて、第１または第２の主回路システムのいずれかのコンバータと第１および第２の主回路システムそれぞれのインバータおよび電力蓄積装置とが駆動する第２の運転モードとを有するものである。
本発明によれば、鉄道車両が構内や車庫内を小移動するようなパワーを必要としない状況において、電力供給装置からの電力供給量を低減できる鉄道車両用駆動システムを実現できる
以下、本発明を実施するための形態として、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
図１は、本発明の実施例に係る鉄道車両用駆動システムを搭載した鉄道車両の概略構成を示す図である。
実施例に係る鉄道車両用駆動システムは、ハイブリッド型のシステムである。ここでいうハイブリッド型のシステムとは、代表的には、車両に搭載されるエンジンにより駆動される発電機が供給する電力と蓄電池が供給する電力のうち、少なくとも１つを用いて、車両に搭載される電動機などを駆動する構成を意味している。
実施例に係る鉄道車両用駆動システムは、ハイブリッド型のシステムである。ここでいうハイブリッド型のシステムとは、代表的には、車両に搭載されるエンジンにより駆動される発電機が供給する電力と蓄電池が供給する電力のうち、少なくとも１つを用いて、車両に搭載される電動機などを駆動する構成を意味している。
図１に示す鉄道車両用駆動システムは、第１の車両Ａに搭載される主回路システム１ａおよび第２の車両Ｂに搭載される主回路システム１ｂの２つの主回路システムから構成される。ここで、第１の車両Ａと第２の車両Ｂは共に、主回路システム１ａおよび１ｂを含めて同様の構成要素を備えているので、以下では、第１の車両Ａ側について説明する。
主回路システム１ａは、第１の車両Ａの駆動システムとして、第１の車両Ａに搭載されるエンジン２ａにより駆動される発電機３ａに接続されるコンバータ４ａ、直流ステージ５ａ、電力蓄積装置６ａ、第１の車両Ａに搭載される車両駆動用の誘導電動機８ａに接続されるインバータ７ａおよび制御装置１２ａから構成される。
また、主回路システム１ａおよび１ｂの直流ステージ５ａと直流ステージ５ｂとは、開閉器９を介して接続される。
また、主回路システム１ａおよび１ｂの直流ステージ５ａと直流ステージ５ｂとは、開閉器９を介して接続される。
エンジン２ａは、ディーゼルエンジンであり、発電機３ａと接続され、発電機３ａを駆動するものである。なお、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンなどの内燃機関でもよい。
発電機３ａは、誘導発電機であり、エンジン２ａを駆動することにより交流電力を発生させ、コンバータ４ａに出力する。ここで、エンジンにより駆動される発電機は、代表的な電力供給装置であるが、これに替えて、直流電力を発生する燃料電池または蓄電池といった直流電源、もしくは、直流または交流架線からの集電装置を、電力供給装置としてもよい。
コンバータ４ａは、一方は発電機３ａと接続され、もう一方は、直流ステージ５ａを介して、電力蓄積装置６ａおよびインバータ７ａと接続されている。コンバータ４ａは、エンジン２ａの起動後に発電機３ａから入力される交流電力を直流電力に変換し、直流ステージ５ａに出力する（交流架線からの集電装置を使用する場合も同様）。また、エンジン２ａおよび発電機３ａに替えて、直流電力を発生する燃料電池または蓄電池といった直流電源もしくは直流架線からの集電装置を使用する場合には、コンバータ４ａを、直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成する。
直流ステージ５ａは、発電機３ａと電力蓄積装置６ａとインバータ７ａとに接続されている。また、開閉器９が閉じると、加えて、主回路システム１ｂの直流ステージ５ｂとも接続されることになる。
電力蓄積装置６ａは、内部に蓄電池１３ａを備え、直流ステージ５ａを介して、コンバータ４ａとインバータ７ａとに接続されている。また、電力蓄積装置６ａは、内部の蓄電池１３ａの充放電を制御する機能を有し、そのために、例えばＤＣ／ＤＣチョッパ（図１で点線枠で表示）を備える。このＤＣ／ＤＣチョッパは、直流ステージ５ａと蓄電池１３ａ間の充放電を制御する。
ここで、蓄電池１３ａは、直流ステージ５ａとの間で直流電力を充放電する蓄電池である。例えば、蓄電池１３ａとしては、複数の２次電池が直列接続された直列ユニットを複数有し、これら複数の直列ユニットが並列接続される構成とすることができる。また、２次電池としては、例えばリチウムイオン蓄電池を用いることができる。
インバータ７ａは、直流ステージ５ａを介して、コンバータ４ａと電力蓄積装置６ａとに接続され、開閉器９が閉じると、加えて主回路システム１ｂの直流ステージ５ｂとも接続される。他方では、誘導電動機８ａと接続される。インバータ７ａは、エンジン２ａが起動された後に、コンバータ４ａと電力蓄積装置６ａとの少なくとも一方から入力される直流電力を交流電力に変換して、誘導電動機８ａに出力する。
誘導電動機８ａは、インバータ７ａと接続され、力行運転時には、インバータ７ａから入力される交流電力を、鉄道車両の車輪の軸トルクに変換することで、鉄道車両の車輪を駆動する。また、回生運転時には、誘導電動機８ａは発電機として機能する。
開閉器９は、主回路システム１ａと１ｂのそれぞれの直流ステージ５ａと５ｂとをつなぐための開閉器である。開閉器９が閉じると、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとが接続される。一方で、開閉器９が開くと、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとは接続されず、主回路システム１ａと１ｂそれぞれは、独立運転となる。
ここで、開閉器９の開閉によって、開閉器９が開いた場合の運転モードを「独立駆動モード」と呼び、開閉器９が閉じた場合の運転モードを「接続駆動モード」と呼び、運転モードを切り替えることができる。
制御装置１２ａは、例えば、エンジン２ａ、発電機３ａ、コンバータ４ａ、電力蓄積装置６ａおよびインバータ７ａの制御を行う。ここで、制御装置１２ａは、これら構成要素の制御を行うとしたが、制御装置１２ａおよび１２ｂとして主回路システム毎に個別に設けてもよいし、主回路システム１ａおよび１ｂで一つの制御装置として設けてもよい。
図２は、独立駆動モード時の直流ステージの制御態様を示す図である。
独立駆動モード時には、開閉器９が開いているので、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとは接続されないため、直流ステージ５ａの電圧は、コンバータ４ａからの出力電力、電力蓄積装置６ａからの入出力電力およびインバータ７ａからの入出力電力により決定される。
独立駆動モード時には、開閉器９が開いているので、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとは接続されないため、直流ステージ５ａの電圧は、コンバータ４ａからの出力電力、電力蓄積装置６ａからの入出力電力およびインバータ７ａからの入出力電力により決定される。
例えば、インバータ７ａの目標電圧が３０００Ｖとすると、コンバータ４ａでは、電流制御を行い、電力蓄積装置６ａでは、目標電圧と直流ステージ５ａの電圧との差から電圧制御を行う。他の方法としては、コンバータ４ａでは、目標電圧と直流ステージ５ａの電圧との差から電圧制御を行い、電力蓄積装置６ａでは、電流制御を行うことで、インバータ７ａの目標電圧を３０００Ｖに維持する制御態様も考えられる。
図３は、接続駆動モード時の直流ステージの制御態様を示す図である。
接続駆動モード時の一例として、図３は、エンジン２ｂを停止させ、エンジン２ａおよび電力蓄積装置６ａと６ｂでインバータ７ａと７ｂとを駆動する場合を示す。逆にエンジン２ａを停止させ、エンジン２ｂおよび電力蓄積装置６ａと６ｂでインバータ７ａと７ｂとを駆動する場合もある。
この接続駆動モード時には、開閉器９が閉じているので、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとが接続されているため、２つの直流ステージ５ａと５ｂとは同電位となる。ここで、開閉器９が閉じているときの直流ステージを、図３に示すように直流ステージ１０とする。
接続駆動モード時の一例として、図３は、エンジン２ｂを停止させ、エンジン２ａおよび電力蓄積装置６ａと６ｂでインバータ７ａと７ｂとを駆動する場合を示す。逆にエンジン２ａを停止させ、エンジン２ｂおよび電力蓄積装置６ａと６ｂでインバータ７ａと７ｂとを駆動する場合もある。
この接続駆動モード時には、開閉器９が閉じているので、主回路システム１ａと１ｂの直流ステージ５ａと５ｂとが接続されているため、２つの直流ステージ５ａと５ｂとは同電位となる。ここで、開閉器９が閉じているときの直流ステージを、図３に示すように直流ステージ１０とする。
図３に示す接続駆動モード時は、直流ステージ１０には、コンバータ４ａと４ｂ、電力蓄積装置６ａと６ｂおよびインバータ７ａと７ｂが接続されているが、エンジン２ｂは停止しているため、コンバータ４ｂから電力は出力されない。すなわち、コンバータ４ａの出力電力、電力蓄積装置６ａの入出力電力、電力蓄積装置６ｂの入出力電力、インバータ７ａの入出力電力およびインバータ７ｂの入出力電力によって、直流ステージ１０の電圧が決定される。
例えば、インバータ７ａと７ｂの目標電圧が３０００Ｖとすると、コンバータ４ａでは電流制御を行い、電力蓄積装置６ａでは目標電圧と直流ステージ１０の電圧との差から、直流ステージの電圧制御を行う。またこの時、電力蓄積装置６ｂは電流制御を行う。
図４は、接続駆動モード時の電力蓄積装置６ｂの電流制御態様を示す図である。
電力蓄積装置６ｂの入出力電力は、電力蓄積装置６ａの蓄電池１３ａと電力蓄積装置６ｂの蓄電池１３ｂとのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の差によって決定される。蓄電池１３ａのＳＯＣに追従するように、電力蓄積装置６ｂの入出力電力を電流制御することにより、直流ステージの電圧制御を実現し、２台の蓄電池１３ａおよび１３ｂのＳＯＣを等しくすることができる。また、ここでは、ＳＯＣによる制御態様を示したが、蓄電池１３ａおよび１３ｂの各電圧（すなわち、両者の電圧差）、電力蓄積装置６ａおよび６ｂの各入出力電圧（すなわち、両者の入出力電圧差）、による制御でもよい。
電力蓄積装置６ｂの入出力電力は、電力蓄積装置６ａの蓄電池１３ａと電力蓄積装置６ｂの蓄電池１３ｂとのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の差によって決定される。蓄電池１３ａのＳＯＣに追従するように、電力蓄積装置６ｂの入出力電力を電流制御することにより、直流ステージの電圧制御を実現し、２台の蓄電池１３ａおよび１３ｂのＳＯＣを等しくすることができる。また、ここでは、ＳＯＣによる制御態様を示したが、蓄電池１３ａおよび１３ｂの各電圧（すなわち、両者の電圧差）、電力蓄積装置６ａおよび６ｂの各入出力電圧（すなわち、両者の入出力電圧差）、による制御でもよい。
図５は、蓄電池１３ａのＳＯＣ情報を主回路システム１ｂ側へ伝送する方式を示す図である。
主回路システム１ａおよび１ｂそれぞれは、情報伝送装置１１ａおよび１１ｂを有し、蓄電池１３ａおよび１３ｂそれぞれのＳＯＣ情報を相互に伝送することで、それぞれのＳＯＣ情報を共有する。ここでは、情報伝送装置１１ａおよび１１ｂを主回路システム１ａおよび１ｂそれぞれに設けたが、情報伝送装置の数を１つにまとめてもよい。また、伝送する情報としては、ＳＯＣ情報に替えて、蓄電池１３ａおよび１３ｂの各電圧、電力蓄積装置６ａおよび６ｂの各入出力電圧、でもよい。
主回路システム１ａおよび１ｂそれぞれは、情報伝送装置１１ａおよび１１ｂを有し、蓄電池１３ａおよび１３ｂそれぞれのＳＯＣ情報を相互に伝送することで、それぞれのＳＯＣ情報を共有する。ここでは、情報伝送装置１１ａおよび１１ｂを主回路システム１ａおよび１ｂそれぞれに設けたが、情報伝送装置の数を１つにまとめてもよい。また、伝送する情報としては、ＳＯＣ情報に替えて、蓄電池１３ａおよび１３ｂの各電圧、電力蓄積装置６ａおよび６ｂの各入出力電圧、でもよい。
図２に示す独立駆動モードと図３に示す接続駆動モードとの切替え態様としては、電力蓄積装置６ａおよび６ｂ、コンバータ４ａおよび４ｂが停止している状態で、開閉器９の開閉操作を許可するハード処理によるものが挙げられる。また、その他に、両主回路システムの直流ステージの電圧がほぼ等しい状態で開閉器９の開閉操作を許可するソフト処理によるもの、両主回路システムの接続時に、主回路システム１ａ側はコンバータ４ａで電圧制御、主回路システム１ｂ側は電力蓄積装置６ｂで電圧制御している状態で開閉器９を閉にし、その瞬間に電力蓄積装置６ｂを電流制御に切り替える方法、開閉器９と並列に減流抵抗器（図示せず）を設ける方法などがある。
また、以上では、編成車両としては、第１および第２の車両ＡおよびＢの２車両を対象としたが、３両以上の編成であっても、本発明を適用することができる。その場合には、停止対象となるエンジンに対応する主回路システムと駆動するエンジンに対応する主回路システムとの間で、相互に電力蓄積装置それぞれのＳＯＣ情報などを共有すると共に、直流ステージの電圧制御および電流制御を行う。
以上で説明した本発明の実施例の構成により、構内、車庫内の小移動のようなパワーを必要としない状況において、運転モードを切り替えることにより、燃料消費量を低減できる鉄道車両用駆動システムを実現できる。
また、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
１ａ、１ｂ：主回路システム、２ａ、２ｂ：エンジン、３ａ、３ｂ：発電機、４ａ、４ｂ：コンバータ、５ａ、５ｂ、１０：直流ステージ、６ａ、６ｂ：電力蓄積装置、７ａ、７ｂ：インバータ、８ａ、８ｂ：誘導電動機、９：開閉器、１１ａ、１１ｂ：情報伝送装置、１２ａ、１２ｂ：制御装置、１３ａ、１３ｂ：蓄電池、Ａ：第１の車両、Ｂ：第２の車両
Claims (11)
- 電力供給装置より供給される電力の電圧または周波数を変更して直流ステージ上に直流電力を出力するコンバータと、
前記直流ステージ上の前記直流電力を交流電動機駆動用の交流電力に変換するインバータと、
前記直流ステージ上の前記直流電力との充放電を行う電力蓄積装置と
をそれぞれ有する第１および第２の主回路システム、および、
前記第１の主回路システムの前記直流ステージと前記第２の主回路システムの前記直流ステージとを接続する開閉器、
を備え、
前記開閉器が開いて、前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれが独立して駆動する第１の運転モードと、
前記開閉器が閉じて、前記第１または前記第２の主回路システムのいずれかの前記コンバータと、前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれの前記インバータおよび前記電力蓄積装置と、が駆動する第２の運転モードと
を有し、
前記第１の主回路システムの前記直流ステージの電圧と前記第２の主回路システムの前記直流ステージの電圧がほぼ等しい状態で前記開閉器を開閉する鉄道車両用駆動システム。 - 請求項１に記載の鉄道車両用駆動システムであって、
前記電力供給装置は、エンジンにより駆動される発電機である
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 - 請求項１または２に記載の鉄道車両用駆動システムであって、
前記電力蓄積装置は、充放電可能な蓄電池とＤＣ／ＤＣチョッパとを備え、
前記ＤＣ／ＤＣチョッパは、前記蓄電池と前記直流ステージとの間の充放電を制御する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 - 請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムであって、
前記第２の運転モードでは、前記コンバータを駆動する方の前記第１または前記第２の主回路システムのいずれかが、当該いずれかの主回路システムが備える前記電力蓄積装置により前記直流ステージの電圧制御を行う
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 - 請求項４に記載の鉄道車両用駆動システムであって、
前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれが有する前記電力蓄積装置の前記蓄電池それぞれのＳＯＣの差、当該蓄電池それぞれの電圧の差および当該電力蓄積装置それぞれの入出力電圧の差、のいずれか一つに応じて前記直流ステージの電流制御を行う
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 - 請求項５に記載の鉄道車両用駆動システムであって、
前記蓄電池それぞれのＳＯＣの情報、前記蓄電池それぞれの電圧の情報および前記電力蓄積装置それぞれの入出力電圧の情報のいずれか一つを前記第１の主回路システムと前記第２の主回路システムとの間で伝送する情報伝送装置
を更に備える鉄道車両用駆動システム。 - 電力供給装置より供給される電力の電圧または周波数を変更して直流ステージ上に直流電力を出力するコンバータと、
前記直流ステージ上の直流電力を交流電動機駆動用の交流電力に変換するインバータと、
前記直流ステージ上の直流電力との充放電を行う蓄電池を備える電力蓄積装置と
をそれぞれ有する第１および第２の主回路システムに対して、
前記第１の主回路システムの前記直流ステージと前記第２の主回路システムの前記直流ステージとを接続する開閉器を前記第１の主回路システムの前記直流ステージの電圧と前記第２の主回路システムの前記直流ステージの電圧がほぼ等しい状態で開閉操作し、前記開閉器を開いた状態では、第１の運転モードとして、前記第１の主回路システムと前記第２の主回路システムとをそれぞれ独立に駆動し、前記開閉器を閉じた状態では、第２の運転モードとして、前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれの前記直流ステージを接続し、前記第１または前記第２の主回路システムのいずれかのコンバータと前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれの前記インバータおよび前記電力蓄積装置とを駆動する鉄道車両用駆動方法。 - 請求項７に記載の鉄道車両用駆動方法であって、
前記電力供給装置は、エンジンにより駆動される発電機である
ことを特徴とする鉄道車両用駆動方法。 - 請求項７または８に記載の鉄道車両用駆動方法であって、
前記第２の運転モードでは、前記コンバータが駆動される方の前記第１または前記第２の主回路システムのいずれかが、当該いずれかの主回路システムが備える前記電力蓄積装置により前記直流ステージの電圧制御を行う
ことを特徴とする鉄道車両用駆動方法。 - 請求項９に記載の鉄道車両用駆動方法であって、
前記第１および前記第２の主回路システムそれぞれが有する前記電力蓄積装置の前記蓄電池それぞれのＳＯＣの差、当該蓄電池それぞれの電圧の差および当該電力蓄積装置それぞれの入出力電圧の差、のいずれか一つに応じて前記直流ステージの電流制御を行う
ことを特徴とする鉄道車両用駆動方法。 - 請求項１０に記載の鉄道車両用駆動方法であって、
前記蓄電池それぞれのＳＯＣの情報、前記蓄電池それぞれの電圧の情報および前記電力蓄積装置それぞれの入出力電圧の情報のいずれか一つを前記第１の主回路システムと前記第２の主回路システムとの間で伝送する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動方法。
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