(57)【要約】【課題】  非電化区間ではディーゼル機関を搭載し液体変速機を介して車輪を駆動する気動車が一般的であった。気動車は摺動部の多い機器を使用し電車に比べてメンテナンスに要する人的パワー、コストが増大するという問題点があった。またディーゼル機関から発生する排気ガスや騒音により環境面や乗客に不快感を与える問題点があった。更に気動車は電力回生動作が不可能で減速時の運動エネルギーを回収する手段をもたず、エネルギーの有効活用が図られていないという問題点もあった。【解決の手段】  発電手段４０と蓄電手段５０を有する電源車両１を設け、該車両１から電車編成２に電力を送受電することで非電化区間での電車編成の運転を可能とし、気動車車両を置き換える。【選択図】        図１
2005153760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電手段と蓄電手段を有する第一の鉄道車両と、前記第一の鉄道車両からの電力を電源とする電力変換手段と駆動電動機を搭載した第二の鉄道車両とを備えることを特徴とする鉄道車両駆動システム。
【請求項２】
請求項１の鉄道車両駆動システムにおいて、制動時、前記第二の鉄道車両の駆動電動機を発電機とし、前記電力変換手段により第一の鉄道車両の蓄電手段に蓄電する機能を有することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
【請求項３】
請求項２の鉄道車両駆動システムにおいて、前記蓄電手段は前記発電手段が発生する電力および第二の鉄道車両制動時に得られる回生電力、または前記発電手段が発生する電力もしくは第二の鉄道車両制動時に得られる回生電力のどちらか一方の電力を蓄積し、前記発電手段および前記蓄電手段または前記発電手段もしくは前記蓄電手段のどちらか一方からの電力を電源とし前記電力変換手段により前記駆動電動機を駆動し列車を駆動することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
【請求項４】
請求項３の鉄道車両駆動システムにおいて、前記発電手段にガスタービン発電機関を使用することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非電化区間で発電手段により発電した電力と蓄電手段からの電力を動力源とする電車駆動システムおよび回生電力を蓄電する蓄電手段を有する鉄道車両駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電化区間では電車による運転がなされている。電車運転では、加速時は架線からの電力で電動機を回転させ車輪を駆動する。また減速時は走行用の電動機を発電機として発電し、これを架線に返して他の車両で消費する電力回生機能が一般的で省エネルギー化が進んでいる。一方、非電化区間では一般的にディーゼル機関を搭載し液体変速機を介して車輪を駆動しで走行する気動車が一般的であった。
下記特許文献は、このような技術に関係するものを開示する。
【特許文献１】特開平８−３３１２２号公報
【特許文献２】特開平１０−６６２０４号公報
【特許文献３】特開２００１−３５２６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
気動車にはディーゼル機関、転換機、液体変速機等の摺動部の多い機器を用いており電車に比べてメンテナンスに要する人的パワー、コストが増大するという問題点があった。また、気動車にはディーゼル機関が搭載され、その特性から加速時に排気ガスを多く排出し、また騒音も大きくなる。そのため駅構内や市街地である駅の前後において発車時や加速時に大量の排気ガス及び騒音を発生するという問題点があった。また、ディーゼル機関が発生する振動及び騒音により乗客が不快感を感じることがあった。更に、気動車には電車のように走行用の電動機がなく、また回生先の架線も無いため、電力回生動作が不可能で減速時の運動エネルギーを回収する手段をもたず、エネルギーの有効活用が図られていないという問題点もあった。また減速時の運動エネルギーを回収する手段を持たないことから、大きな制動力を得ることができる機械式ブレーキを装備する必要があり、車両コストが上昇する。更に制動手段が上記機械式ブレーキのみであるため機械式ブレーキの使用頻度が高くなり、ブレーキシュー交換等の保守コストを低減できないといった問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の問題点を解決するために、本発明は発電手段と蓄電手段を有する電源車両を設け、該車両から電車編成に電力を送電受電することで、非電化区間での電車編成の運転を可能とし、気動車車両の置き換えをはかり、気動車の持つ前記問題点の解消を図るものである。
【発明の効果】
【０００５】
以上のように、本発明によれば非電化区間での電車編成の運転が可能になり、従来、気動車運転で問題となった種々の問題を解消することが可能となる。さらに現状では、電化区間用の電車編成と非電化区間用の気動車の別々の車両系列が必要であるが、本発明の電車駆動システムの構成とすることで、電車編成に一本化をはかることが可能になり、車両運用の効率化、部品の共通化によるメンテナンスコストの削減が可能になる。更に従来の気動車では不可能であった、減速時の運動エネルギーの回生動作が可能となり、エネルギー効率の向上も合わせて実行可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明に係る鉄道車両駆動システムの概要を図面に従い説明する。図１において、本発明にかかわる鉄道車両駆動システムは発電手段４０と蓄電手段５０及びこれらの電力を制御する電力統括制御部２０を有する電源車両１と、この電源車両１からの電力を受電送電し、電源車両１の電力統括制御部２０と協調動作可能な運転制御部１０を有する電車編成２から構成される。
【０００７】
以下に列車停止状態から加速、惰行、減速、停止までの動作を例にとって、本発明にかかる鉄道車両駆動システムの動作を説明する。まず停車中に電源車両１の発電手段４０の発電電力を蓄電手段５０に蓄え、加速時に必要とする電力の一部をアシストできる状態とする。すでに蓄電手段５０に十分な電力が蓄えられている場合は本動作を省略することができる。すなわち蓄電手段５０に十分な電力が蓄えられた状態では発電手段４０は停止することが可能で列車の停車中は発電手段４０からの排気ガスや騒音を無くすことができる。
【０００８】
発車時は電車編成２の運転制御部１０からの加速指令により電源車両１の電力統括制御部２０で必要な電力を算出し、発電手段４０と蓄電手段５０の電力を電車編成２に送電し、電車編成２はこの電力を使用して編成内の電力変換装置３０により駆動装置６０を駆動して列車を加速させる。
【０００９】
この時、電源車両１の電力統括制御部２０は発電手段４０の発電電力を平準化するため、発電手段４０の出力電力と蓄電手段５０の出力電力の割合を調整する。これにより、発電手段４０は効率の良い状態で運転することが可能で燃費の悪化を防ぐことが可能となる。加速動作により所定の速度に到達すると列車は惰行動作に移る。電車編成２の運転制御部１０からの惰行指令で電源車両１の統括電力制御部２０は電車編成２への送電電力を減らし、発電手段４０の発電電力の一部を蓄電手段５０に蓄積する。これにより加速時に減少した蓄電手段５０の蓄電量を回復させることができる。
【００１０】
さらに、減速時には電車編成２は運転制御部１０の減速指令により電力変換装置３０を制御して駆動装置６０を発電機として動作させ発生する電力を電源車両１へ送電する。電源車両１側では運転制御部１０の減速指令により、電源車両１の統括電力制御部２０は電車編成２からの電力を電源車１内部の蓄電手段５０に蓄え、電車編成２は回生動力を得る。減速時に回生制動することで電源車両１の蓄電手段５０に蓄えた回生電力を加速時における力行電力として使用することにより、エネルギー効率の向上をはかることができる。また回生制動により列車を減速することで、機械ブレーキの負担が減少するので、ブレーキシュー交換などブレーキシステムの保守作業を低減でき、ランニングコストを低減することができる。図１において黒塗りの●は駆動装置６０付の電動台車を白抜きの○は駆動装置６０の無い付属台車を表す。
【００１１】
この時の電源車両１と電車編成２の電力のやり取りの一例を図２を用いて説明する。図２（Ａ）において実線は電車編成２の加速時、惰行時に必要な電力および減速時に発生する回生電力を示す。点線は電源車両１の発電手段４０が発生する電力を示す。発電手段４０は効率の良い状態で運転するため、起動時、停止時を除きほぼ一定の出力電力となるように動作させる。
【００１２】
列車の加速時には加速に必要な電力は電源車両１の発電手段４０の出力電力を上回っているため、電力統括制御部２０は不足分（図２（Ａ）のＸの部分）を蓄電手段５０の出力電力で補い必要な電力を電車編成２に送電する。図２（Ｂ）に蓄電手段５０の蓄電量の推移を示す。
【００１３】
列車の加速時には蓄電手段５０からも電力を供給しているため蓄電量はＸだけ減少する。次に列車が所定の速度に達して惰行に移ると、電車編成２で必要な電力は減少し電源車両１の発電手段４０の出力電力を下回る。そこで、電源車両１の電力統括制御部２０は電車編成２に必要な電力だけを送電し、余った電力（図２（Ａ）のＹの部分）は蓄電手段５０に蓄電する。この時、図２（Ｂ）に示すように蓄電手段５０の蓄電量はＹだけ増加する。
【００１４】
続いて列車の減速時は、電車編成２は駆動装置６０を発電機として電力変換装置３０を介して回生電力（図２のＺの部分）を電源車両１に送電する、電源車両１の統括電力制御部２０はこの回生電力を受電し、蓄電手段５０に蓄電する。図２（Ｂ）に示すように減速時には蓄電手段５０の蓄電量はＺだけ増加する。電源車両１の電力統括制御部２０は蓄電手段５０の蓄電量を監視して、蓄電量が常に一定の蓄電量（最低蓄電量と最高蓄電量の間）に入るように発電手段４０の運転を制御して回生電力をすべて蓄電手段５０に蓄電できるように制御する。これによりエネルギー効率を高めることができる。
【００１５】
本説明では分かり易くするため電力の変換ロスや送電、蓄電の損失が無い理想状態での説明をしたが、実際にはこれらの損失のため図２（Ａ）のＸ、Ｙ、Ｚと図２（Ｂ）のＸ、Ｙ、Ｚの値は一致しない。本例は列車停車時、発電手段停止状態から、加速中に発電手段の発電運転を開始し、惰行中も発電を継続し、減速時に運転停止した時を示す。
【００１６】
図３に一般的な気動車の駆動系を示す。ディーゼル機関２００の回転エネルギーを液体変速機２１０、転換機２２０を介して減速機８０に伝達し車輪９０を回転させることで運転を行なう。転換機２２０は正転逆転の切り替えを行ない、前進、後退の切り替えを行うためのものである。図３において実線部は回転エネルギーで駆動されることを示す。このように気動車では摺動部の多い機器が多数をしめメンテナンスに要する人的パワー、コストが増大する原因となっている。また減速時に運動エネルギーを回収する手段を持たずエネルギー効率が低いことがわかる。
【００１７】
図４に電力変換装置３０と駆動装置６０の一実施例である交流電動機駆動の電車の駆動系を示す。電力変換装置はコンバータ１００とインバータ１１０で構成され、供給電力をコンバータで所定の直流出力に変換しインバータ１１０で交流出力を生成しＶＶＶＦ制御で交流モータを駆動する。駆動装置６０は駆動用電動機７０の回転出力を減速機８０を介して車輪９０を駆動する。図４において点線部は電気エネルギーの伝達経路を、実線部は回転エネルギーの伝達経路を示す。駆動用電動機７０は減速時には発電機として動作することで、回生電力を発生する。回生電力を消費または蓄積することでブレーキ力を発生し機械ブレーキの使用を低減することができる。これにより機械ブレーキのメンテナンスの低減およびエネルギー効率の向上の両方を実現できる。
【００１８】
ところで以上の例で述べている発電手段の例としてはディーゼル発電機関、ガスタービン発電機関、更に将来的には燃料電池などの適用が考えられる。また蓄電手段の例としてはハイブリッド自動車で使用される２次電池をはじめとした充放電可能な各種電池やキャパシタ、フライホイール装置等の適用が考えられる。
【００１９】
本実施例では、電源車両１は駆動装置６０を持たない付属台車の構成で説明したが、電源車両１にも駆動装置６０を持つ電動台車の構成も可能である。また電車編成２はすべて駆動装置６０を持つ電動車両であるが、これに限らず駆動装置６０を持たない付属車両と電動車両の組み合わせも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の鉄道車両駆動システムの概略の構成を示す図。
【図２】同じく列車運転時の消費電力、回生電力および蓄電手段の蓄電量の状態を示す図。
【図３】一般的な気動車の駆動系を示す図。
【図４】本発明の鉄道車両駆動システムの電力変換装置と駆動装置の一実施例である交流電動機駆動の電車の駆動系を示す図。
【符号の説明】
【００２１】
１  電源車、２  電車編成、１０  運転制御部、２０  電力統括制御部、３０  電力変換装置、４０  発電手段、５０  蓄電手段、６０  駆動装置、７０  駆動用電動機、８０  減速機、９０  車輪、１００  コンバータ、１１０  インバータ、２００  ディーゼル機関、２１０  液体変速機、２２０  転換機
【図１】
2005153760.tif 000003
【図２】
2005153760.tif 000004
【図３】
2005153760.tif 000005
【図４】
2005153760.tif 000006