(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの列車編成を構成する複数の車両のそれぞれに少なくとも１つずつ分散配置された前記１つの列車編成に複数の燃料電池を含む発電手段と、
前記複数の燃料電池からの電力を伝達する電力伝達手段と、
前記電力伝達手段により伝達された電力を、前記列車編成を走行させる駆動用の電動機の駆動電力に変換する電力変換装置と、
前記複数の燃料電池の発電を集中的に管理すると共に前記電力伝達手段を介して前記電力変換装置へ伝達される電力量を集中的に制御するために前記複数の車両の何れかに搭載された発電集中管理制御手段と、
を備えることを特徴とする車両駆動システム。
【請求項２】
前記発電手段は前記複数の燃料電池を含み、前記複数の車両のそれぞれには前記複数の燃料電池のそれぞれに供給される燃料を充填した複数の燃料タンクのそれぞれが搭載されると共に、前記発電集中管理制御手段は前記複数の燃料電池のそれぞれの起動および発電電力量の少なくとも一方の制御指令を出力させていることを特徴とする請求項１に記載の車両駆動システム。
【請求項３】
前記発電集中管理制御手段は、前記複数の燃料電池のそれぞれに供給される前記燃料タンクのそれぞれの燃料の残量情報に基づいて、前記複数の燃料電池のそれぞれの起動および発電電力量の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２に記載の車両駆動システム。
【請求項４】
前記発電集中管理制御手段は、１つの列車編成全体が必要とする電力量に基づいて各車両に搭載された前記複数の燃料電池の起動台数および発電電力量の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両駆動システム。
【請求項５】
前記発電集中管理制御手段は、路線情報データベースの情報に基づいて、前記複数の燃料電池のそれぞれの起動および発電電力量の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両駆動システム。
【請求項６】
前記電力伝達手段は、それぞれの車両に設けられた充放電変換装置を介してそれぞれの車両に設けられた複数のエネルギー蓄積装置に接続されており、前記発電集中管理制御手段は、前記複数のエネルギー蓄積装置のエネルギー残量の総エネルギー量に基づいて、前記複数の燃料電池のそれぞれの起動および発電電力量の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両駆動システム。
【請求項７】
前記複数のエネルギー蓄積装置に接続された前記充放電変換装置は、前記電力伝達手段のそれぞれの車両部分の電圧が一定となるように充放電電力を制御することを特徴とする請求項６に記載の車両駆動システム。
【請求項８】
前記複数のエネルギー蓄積装置に接続された前記充放電変換装置は、自らの充放電電力の関数となる電圧指令値に前記電力伝達手段の電圧が追従するように充放電電力を制御することを特徴とする請求項６に記載の車両駆動システム。
【請求項９】
前記複数のエネルギー蓄積装置は、前記複数の車両のそれぞれに搭載された電気２重層キャパシタであり、該電気２重層キャパシタの充電作用と放電作用を利用して前記エネルギー蓄積装置にエネルギーを補充することを特徴とする請求項６に記載の車両駆動システム。
【請求項１０】
前記電力伝達手段により伝達された電力を蓄積して前記電動機の前記駆動電力が不足するときにその不足電力分を補充する車両用の補助電源をさらに備える請求項６に記載の車両駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両駆動システムに関し、特に、発電手段として燃料電池を搭載する車両駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルカーやディーゼル機関車など発電手段を有する鉄道車両駆動システムにおいては、単独の車両で駆動するものがほとんどであった。また複数の車両を接続して編成を構成する編成列車駆動システムでは、地上に張り巡らされた架線からパンタグラフを介して電力を供給するものが一般的であるが、架線の保守低減などの目的から編成車両に発電手段を設ける架線レスシステムの検討が一部で進められている。
【０００３】
特許文献１に記載された「鉄道車両駆動システム」においては、図６に示すように、前記架線レスシステム検討の流れに類するものとして、発電手段４を集中的に搭載する車両３ａと、乗客を乗せる車両３ｂとから構成される編成システム２が一例として記載されている。このシステム２は、発電手段４と、電力伝達手段５と、図示されない駆動モータへの電力を変換する電力変換装置７と、車輪９とを備え、電力変換装置７はそれぞれの車両３ａ、３ｂに分散配置されている。発電手段４は例えば先頭車両３ａに集中的に配置されており、このシステム２は発電手段４が振動や騒音を発する例えばディーゼル発電機などより構成されている場合に有効なシステム構成である。
【０００４】
一方、将来の高効率発電手段として、近年、燃料電池が脚光を浴びており、その開発も精力的に進められている。鉄道車両駆動システムの発電手段として燃料電池を適用することを想定した場合、水素燃料タンクの配置、燃料電池の低騒音低振動特性、燃料電池が中小容量の方が構成しやすいという設計・適用特性などを考慮すると、列車編成の各車両に分散配置されるのが最適な構成であると考えられる。
【０００５】
しかしながら、このように分散配置した場合、各燃料電池の出力をそれぞれ独立して制御すると、駆動のための電力量があまり必要でない運転状態においても複数の燃料電池を無駄に動作させてしまうなど、全体効率を最適化することができず、無駄な動力を浪費することによる燃料消費量の増大などにより航続距離が低下したり、経済性が低下したりするという問題があった。
【特許文献１】特開２００５−２７４４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、列車編成全体でのエネルギー効率を最適化して無駄な燃料消費の防止と運行航続距離や経済性の維持を可能にする車両駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の基本構成による車両駆動システムは、１つの列車編成を構成する複数の車両のそれぞれに少なくとも１つずつ分散配置された前記１つの列車編成に複数の燃料電池を含む発電手段と、前記複数の発電手段の電力を伝達する電力伝達手段と、前記電力伝達手段により伝達された電力を、前記列車編成を走行させる駆動用の電動機の駆動電力に変換する電力変換装置と、前記複数の燃料電池の発電を集中的に管理すると共に前記電力伝達手段を介して前記電力変換装置へ伝達される電力量を集中的に制御するために前記複数の車両の何れかに搭載された発電集中管理制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記基本構成による車両駆動システムにおいて、前記複数の発電手段は燃料電池を含んでおり、前記複数の車両のそれぞれには前記燃料電池のそれぞれに供給される燃料を充填した燃料タンクが搭載されると共に、前記発電集中管理制御手段は前記複数の発電手段の起動および発電電力量の少なくとも一方の制御指令を出力させていても良い。
【０００９】
上記段落による車両駆動システムにおいて、前記発電集中管理制御手段は、前記複数の発電手段のそれぞれに供給される前記燃料タンクのそれぞれの燃料の残量情報に基づいてそれぞれの発電手段の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしても良い。
【００１０】
上記基本構成に係る車両駆動システムにおいて、前記発電集中管理制御手段は、１つの列車編成全体が必要とする電力量に基づいて各車両に搭載された発電手段の起動台数および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしても良い。
【００１１】
上記基本構成に係る車両駆動システムにおいて、前記発電集中管理制御手段は、路線情報データベースの情報に基づいて、それぞれの発電手段の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしても良い。
【００１２】
上記基本構成に係る車両駆動システムにおいて、前記電力伝達手段は、それぞれの車両に設けられた充放電変換装置を介してそれぞれの車両に設けられた複数のエネルギー蓄積装置に接続されており、前記発電集中管理制御手段は、前記複数のエネルギー蓄積装置のエネルギー残量の総エネルギー量に基づいて、それぞれの発電手段の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御する一態様を有するように構成しても良い。
【００１３】
上記一態様の構成による車両駆動システムにおいて、前記複数のエネルギー蓄積装置に接続された前記充放電変換装置は、前記電力伝達手段のそれぞれの車両部分の電圧が一定となるように充放電電力を制御するようにしても良い。
【００１４】
上記一態様の構成による車両駆動システムにおいて、前記複数のエネルギー蓄積装置に接続された前記充放電変換装置は、自らの充放電電力の関数となる電圧指令値に前記電力伝達手段の電圧が追従するように充放電電力を制御するようにしても良い。
【００１５】
上記一態様の構成による車両駆動システムにおいて、前記複数のエネルギー蓄積装置は前記複数の車両のそれぞれに搭載された電気２重層キャパシタであり、該電気２重層キャパシタの充電作用と放電作用を利用して前記エネルギー蓄積装置にエネルギーを補充するようにしても良い。
【００１６】
上記一態様に係る車両駆動システムにおいて、前記電力伝達手段により伝達された電力を蓄積して前記駆動電力が不足するときにその不足電力分を補充する車両用の補助電源をさらに備えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による車両駆動システムによれば、列車編成全体でのエネルギー効率を最適化して無駄な燃料消費を防止でき、運行航続距離や経済性を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る車両駆動システムの実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、この発明の基本構成としての第１実施形態の車両駆動システムを示すブロック図である。図１において、第１実施形態の車両駆動システム１は、１つの列車編成２を構成する複数の車両３のそれぞれに分散配置された複数の発電手段４と、複数の発電手段４の電力を伝達する電力伝達手段５と、電力伝達手段５により伝達された電力を、列車編成２を走行させる駆動用の電動機６の駆動電力に変換する電力変換装置７と、複数の発電手段４の発電を集中的に管理すると共に電力伝達手段５を介して電力変換装置７へ伝達される電力量を集中的に制御するために複数の車両３の何れかに搭載された発電集中管理制御手段８と、を備える。駆動用の電動機６は、車輪９に動力を伝達している。なお、発電手段４は、近年実用化に向けて急速に進歩している燃料電池１１を含んでいても良く、その場合、例えば水素やエタノール等の燃料を充填した燃料タンク１２も各車両３毎に配置されている。
【００２０】
上記構成を備える車両駆動システム１においては、複数の発電手段４の出力を電力伝達手段５で接続した上で、車両駆動用電動機６を制御する電力変換装置７に電力を供給するように構成しており、各発電手段４の出力電力または起動台数を、編成車両に搭載された発電集中管理制御手段７からの指令に基づいて動作させることにより、列車編成１全体の効率を最適化した駆動システムを構成することができる。
【００２１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る車両駆動システムについて図２を参照しながら説明する。この第２実施形態は、第１実施形態の発電手段４が燃料電池１１と燃料タンク１２とにより構成されていることを明示した構成を示している。図２において、第２実施形態における車両駆動システム１は、各車両３に搭載された燃料電池１１と、燃料タンク１２と、駆動モータ電力変換装置７と、各燃料電池１１と駆動モータ電力変換装置７とをそれぞれ接続する電力伝達手段５と、例えば先頭車両３に集中して搭載された発電集中管理制御手段８とで構成されている。
【００２２】
第１実施形態でも説明したように、燃料電池１１と燃料タンク１２とにより発電手段４が構成されており、燃料電池１１と燃料タンク１２を合わせた重量が、各車両３に均等に配分されるようになっている。発電集中管理制御手段８は、主として電子回路等により構成されているためにかなり軽量であるのに対して、燃料電池１１と燃料タンク１２は現状ではかなりの重量を有しており、そのためこれらの重量を有する構成要素はそれぞれの車両３に分散配置されていることが望ましい。
【００２３】
燃料電池１１は、現在開発されているものはかなりの重量を有しており、また、燃料タンク１２も液体水素等が充填されているために、燃料が満杯で充填されている場合には相当な重量となる。したがって、大容量の燃料電池１１と大容量の燃料タンク１２とを製造して１台の車両に搭載することは設計上からも好ましくない。このため、燃料電池を発電手段４として用いる車両駆動システムにおいては、中小規模の燃料電池１１とこれとセットとなった燃料タンク１２とを各車両３に分散配置している。
【００２４】
また、この第２実施形態による車両駆動システムにおいては、発電集中管理制御手段８は、発電手段４としての複数の燃料電池１１のそれぞれに供給される燃料タンク１２のそれぞれの燃料の残量情報に基づいて、それぞれの発電手段４の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしている。
【００２５】
さらに、第１および第２実施形態において、発電集中管理制御手段８は、１つの列車編成２の全体が必要とする電力量に基づいて各車両３に搭載された発電手段４の起動台数および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしている。
【００２６】
また、第１および第２実施形態において、発電集中管理制御手段８は、図１および図２には図示されない路線情報データベースの情報に基づいて、それぞれの発電手段４の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御するようにしている。
【００２７】
［第３実施形態］
次に、ＥＤＬＣ（Electric Double Layer Capacitor）をエネルギー蓄積要素として用いた電力貯蔵システムを併用した第３実施形態に係る車両駆動システムについて、図３に示すブロック図を用いて説明する。また、各車両に搭載されるシステムの具体的な回路構成図は、図４に示すとおりである。また、図５は、充放電装置の電圧指令の垂下特性の具体例を示している。
【００２８】
ＥＤＬＣとは、電気２重層キャパシタのことであり、固体と液体の異なる２層が接する面は電気を蓄える性質があり、この性質を“電気２重層”現象という。第３実施形態は、この電気２重層現象を動作原理とするキャパシタを適用したものである。この動作原理を有するＥＤＬＣは、活性炭と電解液の界面に発生する電気二重層を動作原理としたキャパシタである。固体として活性炭、液体として電解液（奇硫酸水溶液）を用いて、これらの個体および液体を接触させるとその界面にプラス、マイナスの電極が極めて短い距離を隔てて相対的に分布する。このような現象を電気的２重層という。イオン性溶液中に一対の電極を浸して電気分解が起こらない程度の電圧をかけると（電気分解が起こるとキャパシタとして働かなくなる）それぞれの電極の表面にイオンが吸着され、プラスとマイナスの電気が蓄えられる（充電）。外部に電気を放出すると正負のイオンは電極から離れて中和状態に戻る（放電）。
【００２９】
図３において、第３実施形態に係る車両駆動システムは、図２の第２実施形態の構成に加えて、それぞれの車両３に分散配置されると共に電力伝達手段５に接続された充放電変換装置１３と、複数のエネルギー蓄積装置としての複数の電気２重層キャパシタ（以下、ＥＤＬＣとする）１４とを備えている。電力伝達手段５は、それぞれの車両３に設けられた複数の充放電変換装置１３を介してそれぞれの車両に設けられた複数のエネルギー蓄積装置としてのＥＤＬＣ１４に接続されており、発電集中管理制御手段８は、複数のエネルギー蓄積装置としてのＥＤＬＣ１４のエネルギー残量の総エネルギー量に基づいて、それぞれの発電手段４の起動および発電電力量の少なくとも一方を制御している。
【００３０】
また、複数のエネルギー蓄積装置としてのＥＤＬＣ１４にそれぞれ接続された複数の充放電変換装置１３は、電力伝達手段５のそれぞれの車両部分の電圧が一定となるように充放電電力を制御している。さらに、複数のエネルギー蓄積装置としてのＥＤＬＣ１４にそれぞれ接続された充放電変換装置１３は、自らの充放電電力の関数となる電圧指令値に電力伝達手段５の電圧が追従するように充放電電力を制御している。図５は、この制御特性の具体例を示しており、図５において、横軸の充放電電力の充放電状況に対して電力伝達手段５の部分の直流電圧指令値は縦軸に示され、ＥＤＬＣ１４が略々１００％放電しているときの電圧指令値は約８００Ｖであり、充放電電力０％で充放電が略々拮抗しているときの電圧指令値は７５０Ｖであり、略々１００％充電されたときの電圧指令値は７００Ｖとなるように制御されている。
【００３１】
また、複数のエネルギー蓄積装置は、複数の車両３のそれぞれに搭載された電気２重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）１４であり、このＥＤＬＣ１４の充電作用と放電作用を利用してエネルギー蓄積装置はエネルギーを補充している。さらに、それぞれの車両３は、図４に示すように、電力伝達手段５に並列にそれぞれの構成要素が電気的に接続されており、燃料電池１１と駆動モータ用の電力変換装置７が直列に接続され、ＥＤＬＣ１４と補助電源１５とが従本殿変換装置１３を介して直列に接続されている。補助電源１５は、電力伝達手段５により伝達された電力を蓄積して駆動電力が不足するときにはその不足電力分を補充するためにそれぞれの車両３に搭載されたものである。燃料電池１１と電力変換装置７との間には並列にキャパシタとダイオードが設けられ、一方のダイオードと並列にトランジスタが配置されている。他方のダイオードとトランジスタの接続点と燃料電池１１との間には抵抗が生じている。補助電源１５とＥＤＬＣ１４との間に設けられた充放電変換装置の構成は、図４に示すように、直列ダイオードとこれに並列のトランジスタ対よりなりトランジスタ対の接続点とＥＤＬＣ１４との間にも抵抗が生じている。
【００３２】
以上の構成を有する第３実施形態による車両駆動システムにおいては、それぞれの発電手段４としての燃料電池１１に独立に燃料を供給する燃料タンク１２の残量を故意にアンバランスにさせることができて、車両基地での燃料供給を全燃料タンクではなく、完全に空になった燃料タンクにのみ補給することや、反対に、各燃料タンクから均等に燃料を消費することにより、車両基地で一斉に燃料供給した場合に最短時間での燃料補給を可能にするなど、燃料補給時の要求に合った燃料消費制御が可能になる。  
また、第３実施形態による車両駆動システムにおいては、路線情報データベースに基づいて、例えば下り勾配の多い路線では、発電手段４の起動台数を必要最小限の台数に制限することにより、全発電手段４が発電効率の低い低出力で動作し続けることを避け、起動している発電手段は略その発電手段の最高効率動作点付近で運転し、起動していない発電手段は完全に発電を停止することにより発生損失を最小限に抑えることが可能になる。特に、起動停止に時間のかかる燃料電池１１の場合、路線に応じて予め起動する台数を決めておくことは、その特長を生かした有効な運転方法となる。
【００３３】
また、第３実施形態では、駆動に必要な電力と、発電手段から発電される総電力の差分がエネルギー蓄積手段としてのＥＤＬＣ１４から出力されることとなり、システム全体の安定性につながる。さらに、第３実施形態では、エネルギー蓄積装置としてのＥＤＬＣ１４に接続された充放電変換装置１３が、自らの充放電電力の関数となる電圧指令値に電力伝達手段の電圧が追従するように充放電制御を行うが、特に、放電電力に対する電圧指令値に対して垂下特性を持たせることにより、複数の充放電変換装置が並列に接続されていても、自動的に充放電電力のバランスを図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態に係る車両駆動システムの構成を示すブロック図。
【図２】第２実施形態に係る車両駆動システムの構成を示すブロック図。
【図３】第３実施形態に係る車両駆動システムの構成を示すブロック図。
【図４】第３実施形態のシステムにおける詳細構成を示すブロック図。
【図５】車両駆動システムの動作を説明する特性図。
【図６】従来の車両駆動システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３５】
１  車両駆動システム
２  列車編成
３  車両
４  発電手段
５  電力伝達手段
６  電動機（電動モータ）
７  電力変換装置
８  発電集中管理制御手段
１１  燃料電池
１２  燃料タンク
１３  充放電変換装置
１４  エネルギー蓄積装置（ＥＤＬＣ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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