JR西日本221系電車

221系電車（221けいでんしゃ）は、1989年（平成元年）に登場した西日本旅客鉄道（JR西日本）の直流近郊形電車。

1990年（平成2年、第30回）鉄道友の会ローレル賞受賞車。

 概要 
JR西日本が初めて設計・製造を行った形式である。1987年（昭和62年）4月の国鉄分割民営化直後、北海道旅客鉄道（JR北海道）以外のJR各社が新設計の特急形車両を登場させる中、新生JR西日本を象徴する車両として、東海道・山陽本線（琵琶湖線・JR京都線・JR神戸線）の新快速や関西本線（大和路線）の大和路快速といった関西私鉄との競合が激しいアーバンネットワーク（京阪神エリア）に投入された。

形式名は、213系の続形式として「215系・217系」とすることも検討されていたが、新生JR西日本の意気込みを込めて、一の位を1とした「221系」とされた。電動車方式の違いは形式の奇数・偶数で区別することとした（後述）。

開発にあたっては、1988年（昭和63年）に瀬戸大橋線用クロ212形の設計を担当した近畿車輛が、同車のエクステリアデザインを基本としつつ、同社の親会社である近畿日本鉄道（近鉄）向け5200系で採用した、3扉転換クロスシートや扉間の連窓構造などを盛り込んだ設計コンセプトを提案し、これを全面的に採用する形で実設計が行われた。製造は主に近畿車輛・川崎重工業・日立製作所が担当したが、一部は自社の鷹取工場と後藤車両所で組み立てられた。競合する私鉄に対抗するため、窓が大きく明るい車内など快適な居住性と高速走行性能を実現し、大量増備と集中投入が続けられ、新快速や大和路快速の主力車両となった。

新快速の運用車両には153系が「ブルーライナー」、117系が「シティライナー」と愛称があり、本形式にも「アメニティライナー」の愛称が付与された。現状、新快速用の車両として愛称が付与された最後の車両である。1994年（平成6年）以降、最高速度130 km/hでの走行が可能な後継の223系の登場により、新快速の最高速度も120 km/hから130 km/hに向上し、現在では221系は新快速の運用からは撤退している。大和路線やおおさか東線、奈良線、山陰本線（嵯峨野線）などの関西の路線を中心に使用されている。223系に愛称はない。

 構造 
本節では登場当時の仕様を基本として記述する。

 車体 

車体長は19,670/19,500 mm（先頭車/中間車）、車体幅は2,950 mm、20 m級車体に片側3箇所の両開き扉（開き幅1,300 mm）という、近郊形としてはオーソドックスな構成である。ただし、113系・115系と比較して両端の側出入口の位置を若干車端に寄せており、制御電動車・制御車の場合は運転台直後に乗降扉が配置される。

車体は相当数の増備が見込まれ、211系・213系での軽量ステンレス車体と比較して導入コストに大差が生じることや高さ1 mもの大窓（後述の側面窓）を使用したために構体の強度不足を懸念したことから普通鋼製であるが、既存の鋼製車体を工夫することで、どれだけ軽量化ができるか挑んだシステムとした。台枠は、側梁と横梁に一般構造用圧延鋼材 (SS400)、枕梁と中梁に溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（SMA50B）および高耐候性圧延鋼材（SPA）を使用した溶接組立構造である。外板には耐候性圧延鋼材（SPA）を使用し、板厚は側腰板が2.3 mm、幕板が1.6 mmである。屋根板は、0.6 mm厚のステンレス鋼（SUS）波板および1.6 mm厚の SPA を使用し、ポリウレタン樹脂による塗り屋根としている。床には1.0 mm厚のSUS波板を使用する。

床面高さはホームとの段差を小さくするために1,150mm（117系比75 mm縮小）とし、屋根高さを46 mm上昇、天井機器の小型化により客室高さを2,330 mm（117系比160mm拡大）とした。

前頭部形状は展望・空気抵抗・見た目の良さなどを重視して、クロ212のデザインを継承した。このため、一般車としては破格の大型曲面ガラスを使用し、上半分に15度の後退角がついた流線形となっており、スピード感を強調している。また、運転台は若干低く、窓ガラスは側面以上に巨大なものとなった。また、地下区間の走行を考慮して中央に非常用貫通扉が設置され、デザインおよび隙間風防止の観点から外開き式プラグドアとし、膨張性シールゴムで気密性を保つ。

側面窓は従来車に比べて天地方向に大幅に拡大され、高さ1mとなった。また、外の景色がどの席からも見られるように座席1つに対して1枚の幅狭窓が連続で配置され、腐食対策としては不利となる戸袋部にも窓が設けられた。そのため、窓配置は便所なしの運転台付きが「dD4D4D1」（d：乗務員扉、D：客用扉、：戸袋窓）、中間車は「1D4D4D1」となる。なお、客用扉間の4連窓の内寄り2枚は非常時の換気などを考慮して下降式窓となっており、400 mm下降する。後継系列の223系では側窓高さが50 mm縮小されて950 mmとなり、さらに2000番台以降は座席配置の変更で戸袋窓も廃止されたため、大窓が並ぶエクステリアは221系固有の特徴である。また、ガラス破損時に223系後期車と同等の緑色ガラスに交換された車両も出てきている。

「パノラマ通勤車」をコンセプトワードとし、カラープランは観光利用にも適するようにした。ピュアホワイトをベースに、新快速および関西急電シンボルカラーのベージュ・茶色（ぶどう色2号）と、JR西日本コーポレートカラーの青を組み合わせた帯を車体下部に配する。塗装案として、485系「スーパー雷鳥」に準じた白をベースにブルーとピンクの帯を配したものや、117系をイメージして車体下半分にクリームとブラウンの細帯を配したものがあった。

なお、本系列は2009年（平成21年）より進められた鋼製一般型車両の単色塗装化の対象外である。

先頭車前面には、上部に幕式の種別表示器のみを設けた。側面表示器は、種別を幕式、行先と号車番号をLED式とした。これは運用線区が多岐に渡ることを想定して、列車種別の文字色で運用線区を表すというもので、表示内容の多様化に対する対応が容易なLEDと、色の自由度が高い回転式字幕を併用する方式を採用した。側面表示器のLEDは寿命保持のため走行中は消灯する。

この方式がJR西日本の標準となり、後に登場する近畿圏の近郊・通勤型車両および681系・281系などの特急形電車にも採用され、225系1次車および287系まで踏襲された。

また、側面の形式と車両番号は国鉄時代からの書体のものであるが、本系列が最後の採用となった。

 車内 
新快速への投入と113系の置き換えを両立させた3扉車で、座席は2＋2列の転換クロスシートを基本に、扉間に6脚（シートピッチ910 mm、乗降ドア横は固定式）、車端部に4人掛けボックス席を配した。ボックス席のシートピッチも転換クロス部分を向かいあわせにした場合に近い寸法（約1,750 mm）が確保されている。従来車端部に設けられていた配電盤や機器箱などは、運転配電箱や共通配電箱として極力床下に移設して妻厚を100 mmとすることで中間車の座席定員を117系と同数の1両64席としている。先頭車は運転台直後に乗降扉を配し、座席定員を117系と比べトイレ設置車は6席、トイレ非設置車は4席の減少に抑えている。乗降扉は半自動対応のボタン式とされ、JR西日本の近郊・通勤型電車における標準仕様として他系列にも波及したほか、既存車両にものち改造で取り付けられた。

座席モケットは当初ブラウンとベージュの組み合わせであったが、2011年6月より順次、225系0番台に準じたモケットに変更された。座席ヘッドカバーは白色とされたが、後に優先座席は識別のため緑色のものに交換されている。

車端部妻面には号車番号表示器およびデジタル時計を組み合わせた、LED式車内案内表示装置が設けられている。トイレは和式を編成中に1か所（クハ221形・クハ220形の2位側）設置されていたが、体質改善工事ですべて車椅子対応の洋式に改造された。

冷房装置はそれまで国鉄が採用していた集中式AU75 1基搭載とは異なり、集約分散式の WAU701（冷凍能力20.93 kW≒18,000 kcal/h）2基を各車毎に搭載する方式が採用された。これにより冷房装置の重量が2分されるため、集中式1基搭載と比較して構体、特に冷房装置を支持する天井の梁や側柱の強度設計が容易になっている。冷房装置 WAU701 に加えて、横流送風機、マイコン式温度調節器、自動巻き取り式フィルタおよび電気暖房機をマイコン制御により全自動運転が可能である。また、車外放送向けに放送用スピーカーを内蔵している。

このほか、阪急6300系や京阪8000系などに既に設置されていた車内公衆電話を当系列にも設置する計画もあったが、最終的には見送られた。

 乗務員室 
運転台のマスター・コントローラー（マスコン）は、ブレーキとマスコンが別々の横軸ツインレバー型をJRグループで初めて採用した。他のJRグループでは1990年代以降JR四国を除いて左手ワンハンドル型の採用が相次いだが、JR西日本では221系以降、全ての在来線新造車両でこのマスコンを採用している。

車掌スイッチは個別開閉機能を設けた間接制御式（リレー式）を採用した。

 主要機器 
編成や車種構成の都合からMM'ユニット方式と1M方式の2種の主回路構成を採る形式が混在する。機構的には国鉄分割民営化後に製造された205系1000番台（MM'ユニット方式）および213系（1M方式）を基にしており、加えて耐雪ブレーキなどの耐寒・耐雪装備を備える。基本的なシステムは日本国有鉄道（国鉄）時代に新製した211系・213系に準ずるが、加速度の統一を目的に編成内のMT比1：1が維持された。編成両数は偶数両を基本とし、登場当初は2・4・6両編成、のちに8両編成が登場したが、奇数両編成も組成できるようになっている。

機器艤装での大きな特徴を以下に示す。
 海からの潮風の影響が考えられるJR京都線・JR神戸線での走行を考慮し、浜側（1 - 3位側）に空制部品関係、山側（2 - 4位側）に電気部品関係を集中的に配置。
 乗務員室内の機器や中間車の運転に関係する機器のうち、通常取り扱わないものを運転配電箱として床下に移設。
 客室妻面に納めていた機器のうち各車共通なものは、共通配電箱として床下に移設。

主制御器は、205系で開発された CS57（MM'ユニット方式）と、213系で開発された CS59（1M方式）をそれぞれ基本とする、WCS57B・WCS59A が搭載されている。制御方式は界磁添加励磁制御であり回生ブレーキを常用する設計となっているため、211系などと同様に勾配線での抑速ブレーキも使用可能である。国鉄時代すでに207系900番台で採用実績のあったVVVFインバータ制御の採用は信頼性や費用対効果の観点を考慮し断念した。制御用引き通しとしてKE96ジャンパ連結器が各車両連結面の2 - 4位寄りに設置されている。

補機用の電源として、213系（SC22）で実績のあるブースタ方式DC-DCコンバータと3相インバータで構成された静止形インバータ（SIV）WSC23 がクモハ220形・モハ221形・モハ220形に搭載される。集電装置からの直流1,500 Vを電源として三相交流440 V/60 Hz（定格容量130 kVA）および 単相交流600 V/180 Hz（定格容量30 kVA）を出力し、三相交流440 Vに関しては1 - 3位寄りに設置されたKE5Aジャンパ連結器を介して編成に引き通されており、後述する空気圧縮機や冷房装置、室内灯の電源となっている。単相交流600 Vに関しては自車搭載の励磁装置の電源である。各車には単巻変圧器が搭載され、三相交流440 Vを電源として単相交流100 V/60 Hzを出力する。これは、各車ヒーターなどの電源として用いられる。SIVが搭載されている車両には補助整流装置も搭載され、三相交流440 Vを電源として直流100 Vを出力する。モハ221形・クハ220形・サハ220形に搭載される鉛蓄電池（AB40、容量40 Ah）も直流100 Vを出力する。
+221系用主電動機の定格形式WMT61SWMT64S最高使用回転数4,579 rpm最高端子電圧力行時450 V900 Vブレーキ時950 V1,050 V最大許容電流720 A360 A

主電動機は713系用として開発された MT61 を基本とする WMT61S（端子電圧375 V時定格出力120 kW）および、213系用として開発された MT64 を基本とする WMT64S（端子電圧750 V時定格出力 120 kW）の2種がそれぞれ採用されている。これらは端子電圧は異なるが、磁気回路の工夫などにより出力特性が極力同一となるように設計されている。

駆動システムは中空軸平行カルダンを採用した。歯車比は211系と同じ5.19である。

電動空気圧縮機は、SIV出力の三相交流440 V/60 Hzを電源とし、低騒音および保守簡易構造である水平対向・レシプロ式4気筒タイプを採用する。モハ221形に WMH3093-WTC2000A（吐出し量2,075 L/min）が、サハ220形・クハ220形は WMH3094-WTC1000C（吐出し量1,120 L/min）が搭載され、信頼性向上のため除湿装置を設ける。

集電装置は、投影面積を小さくできるメリットを持つ下枠交差式パンタグラフ WPS27 をクモハ221形・クモハ220形およびモハ220形後位寄りに1基搭載する。ばね上昇空気下降式であり、微動すり板を採用することで離線の減少を図っている。これは以後207系・223系の各系列にも継承されている。

台車には円錐積層ゴムによる軸箱支持機構を備えるボルスタレス台車である DT50・TR235 を基本とする WDT50H（動台車）・WTR235H（付随台車）が使用されている。台車枠はプレス鋼板製の側梁にシームレスパイプを用いた横梁で構成されたH形形状である。横梁内部は空気ばねの補助空気室としている。車体支持装置は、牽引梁を2本の連結器で支持したZリンク式とし、波打一体圧延車輪および両つば式密封円筒ころ軸受を採用することでばね下重量の軽減を図っている。高速走行時の安定性向上を睨んだヨーダンパ設置準備工事を当初よりされていたが、これは1998年（平成10年）以降、順次追加取り付けが実施され、電動車は各台車の左右に、制御車と付随車は各台車の片側面にそれぞれ取り付けられた。

基礎ブレーキ装置は、WDT50Hが踏面片押しブレーキ、WTR235Hが踏面片押しブレーキと1車軸あたり1枚のディスクブレーキを備える。

細かな差異としては、先頭車両に装着される台車の一部（クモハ221形・クモハ220形の前位側台車およびクハ221形・クハ220形後位側台車）に排障器が取り付けられているほか、モハ220形前位およびサハ220形後位側に装着される台車は側バリ端面が鉛直となっており、排障器の取り付けが可能な設計がされている。

ブレーキは制御応答性に優れる電力回生併用電気指令式空気ブレーキ方式を採用する。常用ブレーキ、非常ブレーキ、抑速ブレーキ、耐雪ブレーキおよび直通予備ブレーキの5種類を備えるが、非常ブレーキに関しては最高速度が110 km/hから120 km/hへ引き上げられたため、増圧機構を有している。抑速ブレーキは回生ブレーキを使用するが、制動力が不足する場合は空気ブレーキによる補足が入る。回生ブレーキは20 km/h前後で失効する。

各車にブレーキ関係の機器（ブレーキ受量器〈クモハ221形・クモハ220形・モハ220形〉、電空変換弁〈電動車〉/多段式中継弁〈付随車〉、増圧電磁弁、応荷重弁など）を一体箱化したブレーキ制御装置を搭載する。電動車では、MM'ユニット方式の場合はクモハ221形に搭載されたブレーキ受量器でユニットを組むモハ221形も含めた2両分を、1M方式の場合はクモハ220形およびモハ220形に搭載され、自車のみの1両分を制御する。ブレーキ受量器で所要ブレーキ力と回生ブレーキ力を演算し、不足するブレーキ力は空気ブレーキで補足するが、ブレーキ受量器からの電気指令を電空変換弁を介して空気指令に変換し、供給空気ダメからブレーキシリンダーに加圧する。付随車では多段式中継弁で運転台からの電気指令を空気指令に変換し、供給空気ダメからブレーキシリンダーに加圧する。

連結器は1編成を1車両として運用する考え方を基本としたため、中間連結部は半永久連結器を使用する。先頭車運転台寄りの連結器は117系に倣い、増解結作業の容易化のために、電気連結器・自動解結装置付き密着連結器を採用する。

保安装置は、新製当初はATS-SWのみを搭載していたが、1998年（平成10年）から2001年（平成13年）にかけてATS-P取り付け工事が鷹取工場と網干総合車両所（以下網干と略称）で行われている。また、2006年（平成18年）から2011年（平成23年）にかけてEB・TE装置の取り付けが網干および吹田工場（以下吹田と略称）で行われている。

EB・TE装置の取り付けに合わせて、連結面間への旅客の転落を防ぐために中間車連結面への転落防止幌の取り付けが網干と吹田で行われた。2011年（平成23年）からは、運転台に映像音声記録装置（ドライブレコーダー）の取り付けが網干・吹田と下関総合車両所で行われている。

警笛は、AW-2およびAW-5が先頭車両床下に搭載されている。補助警笛（ミュージックホーンや電笛など）は装備されていない。

 形式 
当初からJR西日本の直流電化区域全域での運行を視野に入れ、常にMT比（編成内の電動車と付随車の比率）が1：1となる設計としたことから、電動車2両でユニットを組む221形グループと電動車1両と付随車1両の2両でペアを組む220形グループが並行して製造された。この結果、桜井線・和歌山線の2両編成から東海道・山陽本線の最大12両編成まで需要に応じた編成を自由に組成でき、また6両編成時の113系のように電動車比率が必要以上に高くなることもなくなった。

 MM'ユニット車グループ 
次車クモハ221形モハ221形クハ221形サハ221形1次車1 - 161 - 161 - 161 - 162次車17 - 3117 - 3117 - 3117 - 313次車32 - 4532 - 4532 - 4532 - 454次車46 - 6146 - 6146 - 6146 - 615次車62 - 7262 - 7262 - 7262 - 726次車73 - 8173 - 8173 - 8173 - 81

 クモハ221形（Mc）
 米原・近江今津・京都（山陰本線）・天王寺・JR難波寄りの先頭に連結される制御電動車。前位寄りに運転台を備え、パンタグラフと主制御器などを搭載し、モハ221形とユニットを組んで使用される。
 モハ221形（M'）
 クモハ221形とユニットを組む中間電動車。空気圧縮機（CP）などの空制系機器と冷暖房などのサービス電源を供給する静止形インバータ（SIV）などの補助機器を搭載する。
 クハ221形（Tc）
 上郡・播州赤穂・篠山口・園部・加茂寄りの先頭に連結される制御車。後位寄りに運転台を、2位寄りにトイレを備える。
 サハ221形（T）
 付随車。主要機器は搭載されておらず、連結位置はモハ221形の下り寄りに固定されている。

 1M車グループ 
次車クモハ220形モハ220形クハ220形サハ220形1次車1 - 51 - 51 - 51 - 52次車6 - 126 - 126 - 126 - 123次車13 - 3313 - 334次車34 - 5234 - 525次車53 - 6353 - 63

 クモハ220形（M1c）
 JR難波・天王寺（阪和線）寄りの先頭に連結される制御電動車。前位寄りに運転台を備える。パンタグラフ、主制御器と補助電源用SIVを搭載する。クハ220形とペアを組み、2両編成を組成した。後にサハ220形とペアを組み、4両に組成されている。京都・網干には配置されていない。
 モハ220形（M1）
 パンタグラフ、主制御器と補助電源用SIVを搭載する中間電動車。サハ220形またはクハ220形とペアを組み、6連および8連組成では、MM'ユニット車グループと混結される。
 クハ220形（T1c）
 加茂・京都寄りの先頭に連結される制御車。後位寄りに運転台を、2位寄りにトイレを備え、CPを搭載する。クモハ220形とペアを組み、2両編成を組成した。後にモハ220形とペアを組み、4両に組成されている。京都・網干には配置されていない。
 サハ220形（T1）
 CPを搭載する付随車。クモハ220形またはモハ220形とペアを組み、6連および8連組成では、MM'ユニット車グループと混結される。

+編成表8両編成形式クモハ221（Mc）モハ221（M'）サハ221（T）モハ220（M1）サハ220（T1）モハ220（M1）サハ220（T1）クハ221（Tc）搭載機器ContCP, SIVCont, SIVCPCont, SIVCP6両編成形式クモハ221（Mc）モハ221（M'）サハ221（T）モハ220（M1）サハ220（T1）クハ221（Tc）搭載機器ContCP, SIVCont, SIVCP4両編成形式クモハ221（Mc）モハ221（M'）サハ221（T）クハ221（Tc）クモハ221（Mc）モハ221（M'）サハ221（T）クハ221（Tc）搭載機器ContCP, SIV形式クモハ220（M1c）サハ220（T1）モハ220（M1）クハ220（T1c）搭載機器Cont, SIVCPCont, SIVCP2両編成形式クモハ220（M1c）クハ220（T1c）2両編成は2011年3月12日までに全て4両編成に組み替えられている。搭載機器Cont, SIVCP
 凡例
 Cont：主制御器
 CP：空気圧縮機
 SIV：補助電源装置

 次車別概説 

 1・2次車 
網干電車区（現在の網干総合車両所本所）には、1989年（平成元年）2月から3月にかけて1次車として6両編成×5本（M1 - M5）と4両編成×6本（E1 - E6）の54両、7月には2次車として6両編成×7本（M6 - M12）と4両編成×1本（E7）の46両、計100両が配置された。編成記号は、6両編成がM、4両編成がEとされた。4両編成は2編成連結の上で快速運用として同年3月6日から、6両編成は新快速用として4月1日から運用を開始した。

奈良電車区（現在の吹田総合車両所奈良支所）には、1989年（平成元年）2月から7月にかけて、1・2次車として4両編成×12本、2両編成×12本の計72両が配置された。同年4月10日から関西本線（大和路線）・大阪環状線で大和路快速を中心に運用を開始した。

これらのグループは当初扉間に吊り革を設けておらず、3次車以降の登場に合わせて増設した。このため、客用扉付近と扉間で吊り革の引き通し棒が分離している。また、半自動ドアボタンが車内・車外ともに後のグループより高い位置に取り付けられている。

 3・4次車 
1990年（平成2年）度に導入されたグループ。網干電車区向けの3次車は6両編成×14本（M13 - M26）とモハ220+サハ220のユニット×7組14両の合計98両が導入され、4次車は6両編成×16本（M34 - M49）96両が導入され、両者合わせて194両（6両編成×30本、モハ220+サハ220の7組14両）が導入された。モハ+サハユニットは、4両編成の6両増結用に充てられ、E編成はM27 - M33となった。この増備によって、同年3月10日ダイヤ改正ではデータイムの新快速の221系化および一部区間での120 km/h運転が実現するとともに、湖西線での運用を開始した。また、8月5日付運用修正で網干区から4両編成が一時消滅し、6両編成49本のみが所属することとなった。

奈良電車区向けには4両編成×3本の6両編成化用としてモハ+サハのユニットが3組6両導入され、この時点で奈良電車区には 6両編成×3本・4両編成×9本・2両編成×12本の計78両が配置された。

このグループから、車内の吊り革とその引き通し棒が全体に渡って設けられるようになり、半自動ドアボタンの取り付け位置が低くなった。4次車では乗務員室扉の雨樋が標準装備となった。

 5次車 
1991年（平成3年）には網干電車区に6両編成×11本（M50 - M60）が新たに配置された。3・4次車からの変更点はない。

また、同年11月21日付の運用修正で4両編成が復活するとともに、初の8両編成が誕生した。これは、6両編成新快速の輸送力増強によるものである。8両編成の登場に合わせて6両・4両編成共々編成記号が変更され、8両編成が A、6両編成が B、4両編成が Cとなった。同年3月16日改正では本格的に120 km/h運転を開始し、草津線での運用を開始した。同年9月14日ダイヤ改正では北陸本線長浜駅までの直流電化が完成したことから、運用が長浜駅まで拡大された。

 6次車 
1992年（平成4年）3月ダイヤ改正対応を名目とし、網干電車区に4両編成×9本（C19 - C27）が新製配置された。5次車と仕様は同一である。この増備により朝ラッシュ時を除く大半の新快速運用を221系で行うようになるとともに、データイムの新快速の8両編成化を行った。この時点で網干所には396両（8両編成×18本・6両編成×24本・4両編成×27本）が配置された。

 改造 

 体質改善工事 
+体質改善施工実績施工年度施工工場施工両数所属箇所施工済み車両割合合計吹田下関網干奈良京都2012年1200/1520%4/2262%8/968%123%2013年981632/15221%66/22629%28/9630%12627%2014年623268/15245%100/22644%52/9646%22045%2015年544292/15260%148/22665%76/9679%31667%2016年264058/12845%234/25090%92/9695%38481%2017年182878/12861%250/250100%96/96100%42490%2018年620112/13682%242/242100%96/96100%45094%2019年024136/136100%242/242100%96/96100%474100%

2010年代に入ると、当形式は初期車の製造から25年程度が経過し、車体腐食や電子機器劣化などが進行、後継車である223系や225系と比較すると品質面やサービス面が低下する傾向があった。そこで、接客設備の改善および安全性向上を目的に、2012年（平成24年）度から2019年（平成31年・令和元年）度にかけて、221系全474両を対象に体質改善工事を行った。体質改善第1号は吹田総合車両所京都支所所属のK12編成となり、2012年（平成24年）12月27日に出場試運転を行い、2013年（平成25年）1月11日に営業運転に復帰した。2017年（平成29年）度までに奈良車・京都車が、網干車も2020年（令和2年）3月に完了した。

221系を含めた車両の体質改善（リノベーション）に対して2014年度にグッドデザイン賞が授与されており、一部車両に記念プレートが掲示されている。

 車体
 前面部、戸袋部、側引戸に腐食対策から補強工事を施工。
 塗装は全剥離のうえ、下地処理より再塗装。
 事故での機器損傷や巻き込みを防止するために前面スカートを強化。
 乗務員室の側扉を交換（扉窓が縮小）。
 客用扉および乗務員用扉上への雨樋の追加。
 運転台上部に前面行先表示器を設置し、運行番号表示器を撤去。
 運転台前面の窓を縮小し、強化ガラスに交換（K12編成は未施工）。運転台前面の保護棒は撤去。

 主要機器
 ATS-Pの更新。
 多重設定装置を223系と同等のモニタ制御装置に変更。

 乗務員室
 前部標識灯をシールドビームからHIDに変更するとともに、補助灯（黄色）を追加して視認性を向上。尾灯は小型LEDに変更。これら灯具類は車内より交換可能とした。
 223系併結時を考慮し、放送装置の更新。
 NFBやスイッチ類の配置を223系・225系に準拠し、車掌スイッチのユニット化を実施。
 前面貫通扉にワイパーの追加。

 客室
 ラッシュ時の乗降時間短縮や混雑緩和に対応するため、ドア周辺の座席計12名分（転換式座席3列）が減少。代わりに収納式補助席を設置することで、閑散時間帯においては従来と同等の着席座席を確保。
 先頭車両車端部に車いすスペースを設置、クハ221形・クハ220形のトイレを車いすでの使用に対応するために円弧形ドアを採用して大型化。
 LED式案内表示器を車端部から鴨居部に移設。223系1000番台以降に揃えて、ドア上3箇所に千鳥配置とした。
 つり革は握りの大きさと太さを拡大して黄色（山吹色 以下同）に着色し、優先座席付近はスリーブを緑色にして区別。
 握り棒を大型化し、扉周囲とともに黄色に着色。
 室内化粧板の全張り替え。
 床材の張り替え。
 座席を225系と同じモケットに、座席枕カバーを個別タイプに交換。戸袋窓にあたる部分を除き、窓際のひじ掛けを撤去。
 車内の連結面の貫通扉を225系と同一形状のステンレス無塗装タイプに交換、車内温度維持や火災延焼対策の観点から扉のストッパーは廃止。
 ドアチャイムの新設。
 乗降ドアおよび側窓を複層ガラスタイプに変更。
 窓枠を交換し、カーテンを3段階式のストップ式に交換。
 出入口前に金属製の滑り止めを新設。

 先頭車間転落防止幌の取り付け 
2010年（平成22年）12月に舞子駅で発生した乗客転落死亡事故を受けて、複数編成を併結した運用の多い本系列にも、先頭車間転落防止幌が全編成に順次設置された。

 車外表示器フルカラーLED化 

 2017年（平成29年）4月より、奈良支所に所属するNB805編成およびNC608編成を皮切りに、京都支所と奈良支所の車両に対して側面行先表示器のフルカラーLED化が順次行われ、2019年（令和元年）12月までに完了した。 また、2020年（令和2年）より網干総合車両所所属車にも同内容の工事が施工されている。
 

いずれの変更も、体質改善工事に際して前面に設置された行先表示器は3色LEDのままとなっている。