JR貨物HD300型混合動力機車

HD300型混合動力機車是日本貨物鐵道自2010年開始製造，2012年正式投用的混合動力調車機車，由東芝公司生產。HD300型混合動力機車是JR貨物為替換老舊的DE10型調機，於21世紀初開始研製的日本首款柴油-電力混合動力機車。2012年，試製車901號機獲得了鐵道友之會的桂冠獎。

本車在JR貨物鐵道的正式名稱為「HD300型混合動力機車」。試製車（901號機）在開發階段的名稱為「混合動力驅動的新型專用調車機車 HD300型（試驗車）」，在JR貨物鐵道官方網站「支撐鐵路貨物運輸的各種車輛的開發」頁面中則稱為「HD300型混合動力調車機車（試製車）」。

## 概要

在貨物站內的調車作業中，JR貨物主要使用了從日本國有鐵道（國鐵）繼承下來的DE10型柴油機車等多種車型，但這些車輛的使用年限已超過40年，現有車輛的老化問題十分嚴重。為了替換這些車輛，JR貨物在開發時不再拘泥於傳統方式，而是引入了新的系統以減少排放，最終採用了混合動力驅動方式。

以「環保清潔機車」為概念，與DE10型相比，JR貨物在設計和開發時設定了以下目標：

- 有害廢氣排放減少30-40%以上
- 車外噪音水平降低10dB(A)以上
- 通過高效發動機運行和再生制動的應用，大幅減少CO2排放

2010年3月，首台試製車（901號機）完成，並進行了各種行駛試驗。根據試驗結果，自2012年2月起，量產車陸續投入使用。

## 結構

本機車是日本首台混合動力機車，它結合了以柴油引擎和發電機為動力源的柴電機車以及以蓄電瓶為動力源的電力機車的兩種要素。具體來說，它是通過協調控制來自柴油發電機和蓄電瓶的電力來驅動電機的「串聯式混合動力」系統，在該系統中，本機所搭載的柴油引擎並不直接用於提供驅動力，而僅用於驅動發電機發電。此外，為了大幅減少CO2排放量，該機車通過動力協調系統實現發動機的高效運行，並在再生制動時將電機產生的電力充入蓄電瓶。因此，其車輛型號的既不是代表柴油機車的「D」，也不是代表蓄電瓶機車的「A」，而是首個表示混合動力（Hybrid）方式的「H」，並與表示動軸數為4的「D」組合成「HD」。

在使用901號機進行的行駛試驗中，與DE10型相比，取得了以下結果：

- 在牽引行駛試驗中，燃油消耗量減少了36%，NOx排放量減少了61%，噪音降低了22分貝。
- 在考慮停留時間的一天運營評估中，燃油消耗量減少了41%，NOx排放量減少了64%，取得了顯著的減排效果。

### 車體

車體採用半中央駕駛室類型，從前端開始依次為主變流器模塊、蓄電池模塊、駕駛室模塊、發電機模塊。車體分為4個模塊結構以簡化維護。駕駛台與DE10型相同，橫向布置於行進方向。前端的車鉤周圍塗有黃色和黑色的警示色，車體則採用了與EF510型相同的貨運紅色，並在車身上繪有「Hybrid」的標識，以強調其混合動力機車的身份。儘管整備重量為60噸，比DE10型的65噸有所減輕，但由於動軸數量減少了1軸，軸重達到了15噸，比DE10型重2噸。

### 電氣設備

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發電模塊中的柴油發電機配備了FDMF9Z型發動機，該發動機符合日本國土交通省制定的第三階段排放法規，能夠有效降低噪音和有害氣體的排放。這款發動機採用的是康明斯製造、累計生產超過50萬台的經典工業用水冷四衝程直列六缸發動機，額定輸出功率為325馬力（242kW），額定轉速1,600rpm，最高轉速1,800rpm，採用電子燃油控制系統。在實際使用中，其輸出功率被調整為270馬力（197千瓦）。與發動機相連的發電機是1小時額定輸出功率為173千瓦/1600轉/分鐘的，可輸出三相交流電。柴油發電機的啟動和停止由系統自動控制，在牽引模式下啟動柴油發電機為主變流裝置供電，而在制動模式下則停止柴油發電機的供電。

儲能模塊搭載了公司製造的LIM30H-8A型鋰離子電池（量產車）。電池組由26個模塊串聯組成，並以3組並聯的方式連接。額定電壓為750V，電力容量在40至70kWh之間。即使在電池老化的情況下，也能確保足夠的輸出功率以滿足寒冷地區的啟動需求。在制動過程中，通過再生制動將電機產生的電能充電到電池中存儲；同時，在特定條件下，也可以通過主變流裝置從柴油發電機獲取電力進行充電。此外，電池由多個電池組構成，具備冗餘設計，當某一電池組發生故障時，可以通過斷開故障部分繼續運行。

主變流模塊中的由一個基於IGBT的電壓型PWM整流器和一個電壓型PWM逆變器組成。在牽引模式下，柴油發電機和蓄電池提供的電力通過主變流裝置進行，驅動主電動機運轉。即使主蓄電池出現故障，車輛仍可單獨通過發電機供電以最大114KW的踏面功率行駛。

主電動機首次在機車上採用了全封閉自冷式結構的FMT101型永磁同步電動機主電動機參數：單位時間輸出 80kW 6極 440V 117A 550rpm 1245kg。由於採用自然冷卻方式，省去了冷卻用風扇。雖然鐵路車輛通常使用感應電動機作為VVVF逆變控制驅動的電機，但永磁同步電動機具有更高的效率，並且能夠實現小型化和輕量化。本機搭載了4台FMT101型電動機，每台1小時額定輸出功率為80千瓦，最大額定輸出功率為125千瓦，從而使整車在1小時額定輸出功率下達到320千瓦，最大額定輸出功率達到500千瓦，最大牽引力可達20噸。電動機所使用的永磁體為最大能量積達41MGOe級別的釹鐵硼系磁體，並通過全封閉結構設計使其具備耐高溫性能。此外，通過採用反「八」字形磁極布置和磁通屏障的設計，優化了磁阻扭矩的利用效率。

壓縮空氣供應模塊配備了一款無潤滑油需求的空氣壓縮機，試製車型採用VV180-T型（Knorr-Bremse製造），量產車型採用FMH3110-FC1800型（兩種型號的排氣量均為1,750升/分鐘）。搭載了一台容量為55kVA的電壓型PWM整流器，用於為輔助電路或輔助設備供電。

### 模塊化設計

如前所述，由於採用了將設備按功能集成為單元的模塊化設計，因此可以獨立地對每個模塊進行性能改進：

- 如果鐵路車輛用燃料電池實現實用化，則可以通過將發電模塊替換為燃料電池堆棧及控制裝置，在不改變其他車體裝備的情況下實現。
- 蓄電模塊中預留了可比現行鋰離子電池（40-70kWh）增加約70%容量的空間。此外，也確保了可以搭載大型鎳氫電池的空間和電氣接口。通過組合安裝在發電模塊中的發動機與安裝在蓄電模塊中的電池容量，從中小貨物車站用的調機到幹線用機車，或是在環境法規嚴格的都市區貨物車站使用的全電池型調車機車都可實現。

### 轉向架

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轉向架採用了使用螺旋彈簧作為枕簧的無心盤FDT102型，1位側為FDT102，2位側為FDT102A。軸箱支持裝置採用了軸梁式設計，而從電機向輪軸傳遞動力（將電機安裝在台車上）的方式則採用了單級齒輪減速的軸懸式驅動方式。牽引力傳遞方式為低心盤Z連結式。採用了單側壓緊式的踏面制動單元制動器。

### 其他結構

在混合動力系統以外的新結構方面，該車配備了新開發的。此外，還加大了前後踏板的尺寸，並採用了大型的前後及側面扶手，以提高駕駛員和場內作業人員的操作便利性。同時，為消除調車作業時駕駛台的死角，在扶手上安裝了攝像頭（僅901號機）。前部標識燈為方形，每側扶手上各裝有兩盞，連接器正上方還設有用於夜間作業的連接器燈（LED燈）。

## 現況與動向

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自2020年1月25日，35輛HD300（901號試驗車、1-34號量產車）配屬和，在東北本線、高崎線、東海道本線、山陽本線、鹿兒島本線、大阪環狀線、阪和線沿線的20餘個貨運站投入使用。3輛HD300-500番台（501、502、503號機）配屬，在札幌貨運站投用。由於這些機車是站內專用調機，無法在幹線上單機運行，當其需要檢查時，需要無火回送到指定區域。

### 試驗車

2010年3月，試驗車HD300-901在東芝完工，並於3月25日公開。2011年1月下旬，試驗車在札幌貨運站站內進行了寒冷地區試驗。此後，還在北海道內的其他地區、東京貨運站、南松本站等地進行了試運行，以在各種條件下確認車輛性能。作為試驗車的901號機自2011年7月11日起開始在東京貨運站作為調車機投入使用。

### 量產車

2012年1月，量產型1號機HD300-1在東芝府中事業所完工，並通過甲種運輸方式運抵，自2012年2月8日起開始在東京貨運站內使用。

在量產機中，為防止前踏板被積雪掩埋，前排障器的寬度進行了加寬，並施加了警戒色；前照燈和尾燈被整合到一個整體式外殼中。前踏板尺寸縮小，並在照亮踏板腳部的照明上增加了蓋子。前扶手從弓形改為直線形，連接器燈從可調節角度的設計改為固定式並增加了蓋子。用於無火回送的不再採用常設方式，而是改為可拆卸式。1端側第2個蓄電池模塊的通風口被取消。

駕駛室方面，在下部新增了檢修口，因此區域、運用標識牌及製造銘牌的位置也進行了調整。為了提高調車信號的可視性，駕駛室出入口門的窗戶擴大，側面窗也進行了加大處理。側面窗上部新增了排水槽。駕駛室地板高度降低了20毫米，同時室內開關布局也進行了調整。轉向架型號方面，1位側為FDT102B型，2位側為FDT102C型。

2012年之後，雖然JR貨物計劃逐步替換老化的DE10型機車，但由於新造成本與幹線電力機車相當昂貴，初期投資較大，因此本車型將優先配置於調車作業密度較高的貨運車站；而對於調車作業密度較低的貨運車站，則計劃通過增設電化線路，改由電力機車進行調車作業。

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- 試驗車901號機（東京貨運站 2013年5月5日）

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- 量產車HD300-8的燈箱。前照燈與後部標識燈垂直排列，並配有連接器燈罩。（2014年1月17日 八王子站）

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- 量產車HD300-8車的FDT102C轉向架。（2014年1月17日 八王子站）

### 500番台

2014年，的500番台車型登場。2014年11月，以方式運送的501號機為首，共有3輛HD300（501-503號機）配屬苗穗車輛所，並在札幌貨運站投入使用。

該車型的蓄電池容量有所調整，轉向架型號方面，1位側為FDT102D型，2位側為FDT102E型。作為降雪時作業人員防寒措施的一部分，在冬季時可在駕駛室前部安裝可拆卸的擋風板。此外，為了彌補調車作業時因降雪導致的制動力和粘著力下降，轉向架上配備了16個撒砂裝置。相較於溫暖地區適用的0番台車型的8個撒砂裝置，增加了一倍以增強效果。

## 基本資料

- 日語原文：JR貨物HD300型混合動力機車（柴油電力機車）
- 使用方：日本貨物鐵道
- 生產商：東芝→東芝基礎設施服務公司
- builddate：2010年—
- 首次運行：2011年7月11日（試驗車）、2012年2月8日（量產車）
- UIC軸式：Bo-Bo
- 軌距：1,067 mm（窄軌）
- 長度：14,300 mm
- 重量：60.0 t
- 轉向架：川崎重工業製造的軸梁式無枕梁轉向架、試驗車：FDT102（1位側）、FDT102A（2位側）、量產車：FDT102B（1位側）、FDT102C（2位側）
- 軸距：2,300 mm
- 台車間距離：7,100 mm
- 輪徑：910 mm
- 軸重：15 t
- fuelcap：1,600 L
- 發動機：康明斯製造的FDMF9Z型
- 發動機功率：270 PS
- 牽引發電機：鼠籠式三相感應發電機FDM302型（160kVA）
- tractionmotors：FMT101型永磁同步電機
- 主電動機出力：80 kW （1時間定格）、125 kW （最大定格）
- 歯車比：64/15（4.27）
- 驅動方式：軸懸式驅動方式
- 制御方式：兩級PWM整流器、兩級VVVF逆變器控制
- 制御裝置：東芝製造的FMPU130A型主變換裝置，4個1C1M控制單元
- 制動方式：電氣指令式自動空氣制動（並用再生制動）
- 安全系統：ATS-SF
- 最高速度：45 km/h （調車時）、110 km/h （回送時）
- 定格出力：320 kW （1小時額定輸出）、500 kW （最大輸出）
- 起動牽引力：20,000 kgf
- 備註：52※獲獎車輛是試驗車901號