WO2006090536A1 - 交通システム - Google Patents

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Abstract

【課題】架線を使用しない鉄道電気車量用の充電設備は大形、高価となる。 【解決手段】交流を直流に整流する整流器と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチョッパ部との直列回路と、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部とで充電装置を構成し、この充電装置を電気二重層キャパシタ及び回生機能を有する電力変換部を搭載した車両に適用することにより、設備を小型化したものである。

Description

明 細 書
交通システム
技術分野
[0001] 本発明は、電気車両用の交通システムに係り、特に電力供給が無い場合でも走行 可能な電気車両に好適な交通システムに関するものである。
背景技術
[0002] 近年、電力供給が無 、場合でも走行可能な蓄電手段搭載型の電気車両の検討が 進められている。この電気車両は、車両に蓄電池もしくはキャパシタ等の蓄電手段を 搭載し、車両が駅に停車している間に車両走行や車両内機器などで消費される必要 電力 (以下、単に必要電力という)を蓄電池などに充電して次の駅にまで走行し、当該 駅で停車しているときに次なる必要電力を蓄電手段に充電するものである。また、各 駅には車両に搭載された蓄電手段に電力を供給するための変電設備が必要となる。 これら電気車両用の変電設備や車両に搭載される蓄電手段としては、特許文献 1〜 6のようなものが公知となっている。
[0003] 特許文献 1には、移動体 (電気車両)に搭載した蓄電池が消耗した場合に、消耗し た蓄電池を車両外に引き出して充電済みの蓄電池と交換することで、短時間の停車 中でも必要とする電力補充を行うことが記載されている。特許文献 2には、直流き電 設備と並列に電気二重層キャパシタを接続し、直流き電設備の整流器容量の低減を 図ることが記載されている。特許文献 3には、電気車に電気エネルギーを蓄えるキヤ パシタ 'バンクを搭載し、電気車の回生電力をキャパシタ 'バンクに蓄えることで送電 電力の低減を図ることが記載されている。特許文献 4には、鉛蓄電池を電源とした電 気車両の充電時間を短縮するために鉛蓄電池と電気二重層キャパシタを並設して、 充電電力を電気二重層キャパシタに急速充電し、電気車両の走行時などには小電 流で鉛蓄電池に充電することが記載されている。更に、特許文献 5と 6には、蓄電設 備を搭載した鉄道車両において、き電線下では蓄電設備であるノ ッテリーに電力を 蓄え、き電線がなくなった部分ではバッテリーを放電して鉄道車両を走行させること が記載されている。 [0004] 特許文献 1 :日本国の公開特許である特開平 10— 224906号公報
特許文献 2:日本国の公開特許である特開平 11— 91415号公報
特許文献 3:日本国の公開特許である特開 2000— 4507号公報
特許文献 4:日本国の公開特許である特開 2000— 253508号公報
特許文献 5:日本国の公開特許である特開 2001— 78308号公報
特許文献 6:日本国の公開特許である特開 2002— 281610号公報
[0005] 電力供給が無い場合でも走行可能な蓄電手段搭載型の電気車両に必要電力を充 電するためには、車両が駅に停車している短時間のうちに充電を完了しなければな らず、短時間定格の大きな容量の変電設備を用いる必要があり、これを各駅に設置 することは莫大な設備投資を必要とすると共に、変電設備を据え付けるためのスぺー スも広く必要とする。また、短時間定格の大きな容量の変電設備から必要電力を車両 に供給するためには、低圧で供給した場合には大電流となって、更なる設備費用の 上昇や機器設置スペースの増大となる。このため、変電設備としては高圧または特別 高圧のものが必要となる。
[0006] この点を踏まえて各特許文献のものを考察すると、特許文献 1のものは、蓄電池が 複数必要となること、及び駅毎に蓄電池の交換要員が必要となる。
[0007] 特許文献 2のものは、電気車両の回生電力を利用することで整流器の容量低減が でき、電気二重層キャパシタを使用することで急速充電は可能であるが、変電設備に 電気二重層キャパシタを備えるだけでは、き電線のない区間での電気車両の走行を 実現する交通システムを構築することはできな 、。
[0008] 特許文献 3のものは、急速充電は可能である力 その場合における変電設備の整 流器用変圧器と整流器は急速充電時の定格以上の容量の設備が必要となり、設置 スペースの増大、コストアップとなる。
[0009] 特許文献 4のものは、急速充電可能であるが、設備容量を短時間定格に合わせて 増やす必要があることや、電気車両側に 2種類の蓄電手段を搭載する必要があり、 電気車両側での限られたスペースの中での搭載スペース増大や蓄電手段の重量増 加による走行性能低下となっている。
[0010] また、特許文献 5及び 6のものは、蓄電手段を搭載しているので、き電線のない区 間での走行は可能であるが、短時間で急速充電すると変電設備の容量増加が必要 となり、ノ ッテリーの充電効率低下や寿命低下が起きるため急速充電には不向きなも のとなつている。
発明の開示
[0011] 本発明は、力かる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、直流電源 設備の容量を低減し、且つ車両への蓄電手段の搭載スペースが縮小され、停車中 の短時間なよる車両への急速充電可能な電気車両を用いた交通システムの提供に ある。
[0012] 本発明の一つの観点によれば、電気車両への電力供給を行う変電設備によって充 電される蓄電手段を搭載してき電線又は第 3軌条が無い部分でも走行可能な電気車 両を用いる交通システムにお 、て、
電気二重層キャパシタと、回生機能を有する電力変換部と、前記電気二重層キャパ シタに蓄えられたエネルギーを電源とし、前記電力変換部を介して制御される駆動モ ータとからなる蓄電設備を電機車両に備えると共に、交流を直流に整流する整流器 と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチヨッパ部との直列回路と 、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両 に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部力 なる電力 供給装置とで構成したことを特徴としたものである。
[0013] 本発明の他の観点によれば、前記電力供給装置の電気二重層キャパシタと電流授 受部との間に充電開始用直流遮断器を設けたことをものである。
[0014] 本発明の別の観点によれば、前記電流授受部は、前記直流遮断器の反電気二重 層キャパシタ側の一端に接続された導体と、電気車両に配置された集電体にて構成 したことを特徴としたものである。
[0015] また、本発明の更に別の観点によれば、前記集電体はパンタグラフ又は第 3軌条の 何れかであることを特徴としたものである。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の実施形態を示す構成図。
[図 2]説明のための充放電模式図。 発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[0018] 図 1は、本発明の実施例を示す構成図である。 1は交流遮断器、 2は整流器用変圧 器で、この変圧器の交流出力は整流器 3によって整流される。 4は平滑用のコンデン サ、 5は電気二重層キャパシタで、この電気二重層キャパシタ 5と直列にチヨッパ部 6 が接続され、両者の直列回路は整流器 3と並列に接続されている。なお、チヨツバ部 6は、 IGBTなどのスイッチング素子と、この素子と逆並列に接続されたダイオードな どより構成され、スイッチング素子のゲートに対して図示省略された制御回路を介し 制御することにより、電気二重層キャパシタ 5への充放電制御が行われる。 7は直流 遮断器で、これら 1〜7の各要素により電力供給装置が構成され、必要とする充電駅 又はこの充電駅に対応する近辺に設置される。
[0019] 10は電気車両で、この車両には電気二重層キャパシタ 11が搭載されている。 12は 回生機能を有する電力変換部、 13は駆動用の交流モータ、 14はレールで、モータ 1 3は電気二重層キャパシタ 11を電源として駆動力を発生し、車両 10をレール 14に沿 つて走行させる。 15は電流授受部で、この電流授受部 15は、ここでは直流遮断器 7 の一端側に接続された導体 15aと、車両 10に設けられたパンタグラフ 15bによって構 成され、導体 15aは車両 10が停止したとき、パンタグラフ 15bの位置する部位に予め 設置されている。また、電気二重層キャパシタ 11は、パンタグラフ 15bとは電気的に 接続されており、電流授受部 15を介して充電される構成となっている。これら 10〜1 5の各要素によって、電気車両の蓄電設備と、この蓄電設備への通流系統が構成さ れる。
[0020] 以上のように構成された電力供給装置と蓄電設備を備えた交通システムにおいて、 交流遮断器 1が投入されると、交流は変圧器 2を介して整流器 3に出力され、この整 流器 3によって直流に変換された後、コンデンサ 4により平滑される。チヨッパ部 6の制 御回路は、電気二重層キャパシタ 5の充電状態を監視しながら充電電流を制御する 。したがって、電気二重層キャパシタ 5は、電気車両に対して次の充電駅にまで十分 に走行可能な電力供給が可能となる充電状態を維持しながら待機して 、る。電気二 重層キャパシタ 5の充電待機時間は、蓄電設備の電気二重層キャパシタ 11への急 速充電以外の時間とすることで、変圧器 2を介した整流器 3の出力は、急速充電時に 比べて長ぐ大電流による充電を必要としない。
[0021] 電気車両 10が駅構内に入ってきて停止すると、車両 10に搭載された電気二重層 キャパシタ 11は、自動的に電流授受部 15を介して電力供給装置と電気的に連結可 能状態となる。その後に直流遮断器 7を投入することによって、電力供給装置側の電 気二重層キャパシタ 5に充電されていた電荷は、チヨッパ部 6、直流遮断器 7及び電 流授受部 15を通して電気車両に搭載された電気二重層キャパシタ 11に短時間で急 速放電する。その結果、短時間で電気二重層キャパシタ 11は次の充電駅にまで十 分に走行可能な状態にまで充電される。
[0022] ところで、電気車両 10は、駅構内進入に当たってはブレーキがかけられ、その際、 モータ 13には回生電力が発生する。この回生電力は、電力変換部 12を通して電気 二重層キャパシタ 11に供給され、キャパシタ 11を充電する。すなわち、モータ 13が 回生状態となる都度キャパシタ 11は充電されるので、停車時には相当量のエネルギ 一が蓄積され、停車中における電力供給装置力 の充電は次の充電駅までの走行 に要する電力不足分のみでよい。このため、本来、蓄電設備搭載車両の必要電力を 全て変電所の整流器で賄うべきところ、電力不足分のみでよいので、電気二重層キ ャパシタ 5から車両への電力供給量は少なくなり、且つ高速での充放電特性が他の 蓄電池に比べて良好な電気二重層キャパシタを用 、たのでより一層の短時間による 電力供給が可能となる。
[0023] 本発明によれば、車両への電力供給量が少なぐ且つ停車中における蓄電設備へ の短時間充電が可能となる。また、電力供給装置の整流器容量も小さくできて低圧 受電が可能となり、変圧器及び配電盤も低圧設備とすることができ、変電所建設費用 を大幅に削減することができると共に、車両への搭載スペースの縮減、重量の軽減が できるものである。以下具体的な例にっ 、て説明する。
電気車両に設置されるモータ 13の容量を 600kWとし、駅区間におけるモータの力 行と回生の運転状態を 2対 1とする。図 2はこの運転状態の模式図で、縦軸は電力量 、横軸は時間である。また、電気車両の運転間隔を 180秒、停車時間を 30秒とすると 600*20*0. 5-600 * 10 * 0. 5 = 3000kW-S
となり、駅に停車したときの電気車両の電気二重層キャパシタ 11の充電量は 3000k W-Sが不足量となる(ここでの 0. 5は電力量係数で、車両カ行時の電力量の半分を 回生電力と仮定した場合)。つまり、次の充電駅まで走行させるためには、当該駅で 3 000kW-Sの充電が必要となる。この充電に必要とする整流器 3の容量は、
3000/ (180- 30) = 20kW
となる。したがって、本発明に基づく設備としては、車両に搭載する電気二重層キヤ パシタ容量: 3000kW-S、変電所に施設する整流器容量: 20kW、変電所に施設す る電気二重層キャパシタ容量: 3000kW-Sの各容量のもので実現できるものである。
[0024] 以上のとおり、本発明によれば、電気二重層キャパシタを用いた大電流の電力供 給が可能な電力供給装置と、電気車両に搭載されて電気二重層キャパシタを用いた 急速充電可能な蓄電装置との双方を備えると共に、電気車両に搭載された駆動モー タの回生電力を電気二重層キャパシタに蓄えるようにしたものである。
[0025] これによつて、停車中の短時間による車両への急速充電を可能とし、変電所の整流 器力も電気二重層キャパシタに充電する時間を長くとることが可能となり、更に、蓄電 設備による回生電力分を除いた少ない電力充電でよいので、整流器容量も小さくで きて低圧受電が可能となり、変圧器及び配電盤も低圧設備とすることができ、変電所 建設費用を大幅に削減することができる。
[0026] また、整流器容量が小さくできることによって短時間の急速充電が可能となることか ら、車両に搭載する蓄電手段は電気二重層キャパシタのみでよぐ従来のように蓄電 手段を 2種類搭載する車両に比べて、車両での搭載スペース縮小や車両重量の軽 減が図れるものである。

Claims

請求の範囲
[1] 電気車両への電力供給を行う変電設備によって充電される蓄電手段を搭載してき電 線又は第 3軌条が無 、部分でも走行可能な電気車両を用いる交通システムにお!/ヽ て、
電気二重層キャパシタと、回生機能を有する電力変換部と、前記電気二重層キャパ シタに蓄えられたエネルギーを電源とし、前記電力変換部を介して制御される駆動モ ータとからなる蓄電設備を電機車両に備えると共に、交流を直流に整流する整流器 と、この整流器と並列に接続される電気二重層キャパシタとチヨッパ部との直列回路と 、この電気二重層キャパシタに充電された電荷を前記電気車両に供給し、電気車両 に搭載された前記電気二重層キャパシタを充電するための電流授受部力 なる電力 供給装置とで構成したことを特徴とした交通システム。
[2] 前記電力供給装置の電気二重層キャパシタと電流授受部との間に充電開始用直流 遮断器を設けたことを特徴とした請求項 1記載の交通システム。
[3] 前記電流授受部は、前記直流遮断器の反電気二重層キャパシタ側の一端に接続さ れた導体と、電気車両に配置された集電体にて構成したことを特徴とした請求項 1又 は 2記載の交通システム。
[4] 前記集電体はパンタグラフ又は第 3軌条の何れかであることを特徴とした請求項 3記 載の交通システム。
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