JP4574643B2 - バッテリ駆動の鉄道列車 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道用のインバータ駆動車両を有する列車に関し、特にインバータの電源がバッテリから供給されるバッテリ駆動の鉄道列車に関する。

従来技術として、インバータ制御式鉄道電気車両において、インバータの直流電力をバッテリより供給する方式の一例として特開平６−９８４０９号公報のものがある。同公報には、架線からの給電よりインバータ制御装置を介して交流電動機を駆動する運転モードと、車両に搭載した架線より低い電圧のバッテリから上記同一のインバータに給電する運転モードを有することが記載されている。

特開平６−９８４０９号公報

上記公報図１，図２記載におけるバッテリによる運転モードでは、インバータを搭載した同一車両にバッテリを搭載することから、バッテリ容量を大きく出来ないので、架線の無い非電化区間の車両入れ替え等の移動といった特殊な運転モードで一時的にバッテリを使用するものである。また、同公報図３には、長い非電化区間の走行には、大容量のバッテリを搭載した専用の車両をインバータ駆動車で牽引する方式が提案されている。
上記従来技術には、インバータ制御の鉄道車両におけるバッテリ給電という点での思想は開示されている。しかし、バッテリ給電によるインバータ制御の車両を複数連結した列車編成に関してどのような形態を取るのかの開示及びその示唆はなされていない。すなわち、従来技術の発明は、記載内容からみて電気機関車を対象としていることによる。
また、上記公報の他にバッテリ駆動電車及び充電に関するものとして特開２０００−８３３０２号公報がある。しかし、同公報にもバッテリ給電によるインバータ制御の車両を複数連結した列車編成に関してどのような形態を取るのかの開示及びその示唆はなされていない。
本発明の課題は、列車としてバッテリ駆動インバータ制御車両が連結された編成列車における、編成車両のバランス化，運転に帰する冗長性の向上，バッテリの小容量化を図ること、及び全線が非電化区間の路線の走行に最適な列車の提供にある。

上記課題を解決するために、車両駆動用の交流モータがバッテリを電源とするインバータにより駆動されるバッテリ駆動列車の鉄道システムにおいて、駅入出線の所定区間の軌道に沿って前記列車に交流又は直流の電力を給電する電力給電設備と、前記列車に、駅の入出線に設けられた地上子を検出する位置検知装置を配備し、前記列車が前記入出線への入線時にはブレーキモードになり、前記インバータから前記バッテリに電力を回生させるとともに、前記位置検出装置が前記地上子を検出した際、前記電力給電設備より前記列車に搭載されたバッテリを該列車に搭載されたバッテリ充電手段を介して充電し、かつ、前記回生された電力のうち、過剰な電力を前記電力給電設備に回収させる。
また、軌道に沿って間欠状の所定区間に配備され、かつ、前記列車に交流又は直流の電力を給電する電力給電設備と、前記列車に、軌道に沿って前記所定区間と対応する位置に配備された地上子を検出する位置検知装置を配備し、該位置検出装置が前記地上子を検出した際、前記電力給電設備より前記列車に搭載されたバッテリを該列車に搭載されたバッテリ充電手段を介して充電する。

本発明によれば、バッテリ駆動編成列車における、編成車両のバランス化、運転に帰する冗長性の向上、バッテリの小容量化を図ることができる。
また、非電化路線走行の列車に本発明のバッテリ駆動列車を適合することにより環境に対する無公害化が図れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を本発明の実施形態として図１から図９を用いて説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態による旅客用編成列車の形態を示す。
同図で示した車両の編成は、モータ車Ｍのｍ両とトレーラ車のｎ両を有し、そのｎ両のうち列車の先頭及び後尾にトレーラ車が接続されている。Ｍ(１)〜Ｍ(ｍ)のモータ車には、車両を駆動する交流モータ１とそれを可変速駆動するインバータ２とそのインバータを制御する制御装置３及びインバータの直流側の電圧を昇圧／降圧する昇降圧チョッパ装置４が搭載される。Ｔ(１)〜Ｔ(ｎ)のトレーラ車には、モータ車Ｍのインバータ２に直流電力を供給する例えば蓄電密度の大きいリチウム電池等のバッテリ５が搭載され、各トレーラ車に搭載されたバッテリ５は共通の正負のパワー線６，７で並列接続され、該パワー線から各モータ車のインバータに昇降圧チョッパ装置４を介して電力が供給される。
なお、モータ車，トレーラ車の各車両には連結する他車両とのパワー線６，７の接続装置Ｂｂが設けられる。
また、列車の先頭及び後尾にはトレーラ車が配備され、その車両には、列車の運行指令である力行／ブレーキ指令を発生する運転指令台８を有し、その各運転指令台と各車両の制御装置３，昇降圧チョッパ装置４とは車上ＬＡＮ９で接続される。
ここで、交流モータ１を駆動するインバータ２及びその制御装置３は、当業者間ではよく知られた技術であるので、その詳細な説明は省略する。

図２は、本実施形態における昇降圧チョッパ装置４の構成図を示す。
本実施形態では、バッテリ５の定格電圧は、バッテリとして車両に搭載可能な体積に制約があるため、インバータ２の定格直流電圧（例えば１５００Ｖ）よりも低く（例えば２００Ｖ）なっている。そのため列車の力行時にはバッテリ電圧をインバータの定格電圧まで昇圧し、また、ブレーキ時には交流モータに発生する回生エネルギーをインバータからバッテリまで回収するために、インバータ電圧をバッテリ電圧まで降圧する必要がある。

図２において、４１は昇圧及び降圧チョッパの回路で、バッテリ５とインバータ２の直流側端子間に設けられたコンデンサ間に接続される。このコンデンサ１０はインバータのスイッチングによる直流電流の高調波を吸収するために各インバータ毎に近接して設けらるものである。なお、この昇圧及び降圧チョッパ回路４１は、特開平６−２２５４５８号公報図４に記載されており、構成要素(４１１〜４１５）とその接続関係の説明は省略する。

本実施形態では、コンデンサ１０の電圧検出値Ｖｄと予め設定した設定値Ｖｄ*とを比較器４２で比較し、その結果の信号Ｓｄと運転指令台よりの力行／ブレーキ指令Ｓｕ（Ｐ，Ｂ）を制御器４３に入力し、その制御器４３の出力がチョッパ回路４１の素子を動作させるゲート駆動回路４４に入力される。

これにより、コンデンサの電圧検出値が設定値以下のとき又は列車運転指令台から力行指令Ｓｕ（Ｐ）を受けたとき、チョッパ回路４１の素子４１１がオンオフ動作されるので、コンデンサの電圧は定格の設定値まで昇圧される。一方、前記コンデンサの電圧検出値が設定値以上のとき又は運転指令台からブレーキ指令Ｓｕ（Ｂ）を受けたとき、チョッパ回路４１の素子４１３がオンオフ動作されるので、ブレーキ時交流モータに発生する回生エネルギーをインバータからバッテリに回収されることになる。

以上、本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）列車の車両編成として、複数のトレーラ車にバッテリを分散して搭載することにより、編成列車としてみたとき、各車両の重量のバランス化、及び特にカーブ走行時における各車両の重心移動の均等化が図れるので、列車走行時の安定化が図れる。
（２）モータ車を複数連結した列車を走行させたとき、走行方向の前部に比べ後部の方が粘着特性が良い。そのために、後部のモータ車の方がトルクの負担が大きくなる。したがって、モータ車は後部に行くにしたがいバッテリの電力消費量が大きくなる。それにもかかわらず、各モータ車のインバータ毎にバッテリを対応させていたのでは、後部モータ車のバッテリの電圧が早く低下することになり、そのためにはバッテリ容量を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態では、編成車両に分散させて搭載した各バッテリを共通のパワー線で並列接続させることにより、走行方向によって異なる各モータ車の電力消費量に対する電力供給側の平均化が図れ、列車全体として見た場合、バッテリ容量を小さくできる。
（３）各トレーラ車にバッテリが分散搭載され、且つ、各バッテリを共通のパワー線で並列接続されたことにより、何れかのバッテリに寿命等で異常低下したとしても、残された正常なバッテリより列車の全モータ車への電力の供給は可能であり、冗長性が向上する。
（４）昇降圧チョッパ装置４をモータ車に搭載させることにより、モータ車とトレーラ車を亘るパワー線６，７の電圧はバッテリ電圧となるので、パワー線の電気絶縁の低圧化が図れる。

なお、図示して説明はしていないが、バッテリに寿命がある為に、交換する必要がある。そのために各バッテリ間の電気接続を遮断する手段を設け、各バッテリに亘り電圧垂下度等を検出して、寿命の経年変化を履歴として記憶する手段を設けている。

また、本実施形態で示したバッテリ駆動列車では、バッテリへの電力の回生が行われるが、力行による仕事量の方が大きいために走行のたびにバッテリは垂下してくる。それには、バッテリをカートリッジ式にして交換してもよく、列車外部の充電設備から列車の各バッテリの充電を一括してできるように、パワー線６，７からの引き出し部を車両に設けるようにしてもよい。

図３は、本発明の第二の実施形態によるバッテリ駆動列車の形態を示す。
この形態で図１の形態と異なるところは、モータ車Ｍにもトレーラ車に搭載されるバッテリよりも容量の小さい補助バッテリ５Ｍを搭載し、そのバッテリ５Ｍの正負の出力端子がパワー線６，７に夫々接続したことにある。
この補助バッテリ５Ｍをモータ車に搭載することにより、短時間ではあるが、補助バッテリよりインバータに電力が供給できるので、モータ車単独で車両の編成替え等が可能となる効果が得られる。

ところで、図１及び図３で示した実施形態では、列車編成の前頭と後尾にトレーラ車を配備しているが、この限りではなく、列車編成の前頭と後尾にモータ車を配備しても、上記したと同様な効果が達成できることは言うまでもない。

次に、図１及び図３における列車のバッテリの充電方式について、次に説明する。

図４は、列車外部の電力給電設備より受電してモータ車搭載のバッテリを充電する装置をトレーラ車に搭載したものである。なお、搭載された充電装置１０の詳細な構成については図５，図６に説明する。
モータ車に搭載されたバッテリ５が接続されたパワー線６，７に充電装置１０の直流端子が接続される。充電装置１０への受電は、列車外部から直流又は交流電源に接続された架線１３に対して車両に搭載したパンタグラフ１１を介して得る。しかし、本発明のバッテリ駆動列車では、常時その架線から電力の供給を受けるものではないので、充電時のみ運転指令台８からの指令に基づきパンタ作動装置１２でパンタグラフ１１を作動させ、パンタグラフを架線に電気的に接触させるようにしている。

図５は、直流架線からの受電による充電装置の構成を示す。充電装置１０を構成する主回路１０１は、前記した昇降圧チョッパ４１と同様な回路構成を有し、直流架線１３からバッテリへ充電する機能に加え、回生時にバッテリへの過剰電力を架線に回生する機能を有している。
充電時には、運転指令台８からの充電指令信号Ｓｃとバッテリ電圧の検出信号Ｖｂを受けて充電制御器１０２により降圧チョッパ素子１０１１を制御する。一方、回生時には、バッテリ電圧の検出信号Ｖｂを受けてそれが設定値を越えたなら、回生制御器１０３により昇圧チョッパ素子１０１２を制御する。

図６は、交流架線からの受電による充電装置の構成を示す。充電装置１０には、交流架線１３からパンタグラフ１１を介して接続された１次巻線を有する変圧器１０５と、その変圧器の２次巻線に接続され、バッテリのパワー線６，７に交流を直流に変換して出力する又その逆変換をするＰＷＭコンバータ１０６と、そのＰＷＭコンバータを制御するＰＷＭ制御器１０７を有する。
充電時には、運転指令台８からの充電指令信号Ｓｃとバッテリ電圧の検出信号Ｖｂを受けて、ＰＷＭコンバータの直流出力電圧が設定値になるようにＰＷＭ制御器１０７より制御する。一方、回生時には、バッテリ電圧の検出信号Ｖｂを受けてそれが設定値を越えたなら、その期間ＰＷＭ制御器１０７よりＰＷＭコンバータを制御してインバータからバッテリへの過剰電力を交流架線に回収する。

以上、本実施形態によれば、列車外部からの給電によるバッテリ充電装置をバッテリが搭載されたトレーラ車に搭載することにより、トレーラ車とモータ車とを亘るパワー線の絶縁耐量はバッテリ電圧である低圧で対応できる。また、バッテリの充電の他に列車ブレーキ時にインバータからバッテリへ回生される過剰電力を外部電力設備に回収することができるので、バッテリの過充電に伴うバッテリの破壊防止、及び寿命の低下を抑えることができる効果がある。

なお、本発明における編成列車の基本走行はバッテリ駆動にあり、上記した充電装置は列車走行路全線にわたり動作させるものではなく、次に説明する特定の走行区間でのみ充電装置を動作させることに特徴を持たせている。

図７は、本発明の第三の実施形態であり、駅への入出線の軌道でのみ充電装置を動作させる構成を示す。
駅への入出線には、その軌道に沿って配備された架線１３と、その入出線の軌道に進入したことを列車より検知できる地上子６１，６２が軌道に設けられる。 この環境下で本発明のバッテリ駆動列車を次のように動作させる。
バッテリ駆動列車は駅の入力線の軌道に入るまではパンタグラフを下降しておき、地上子６１を列車側に設けられた位置検知装置により検知すると、図３で示したパンタ作動装置１２を作動させ、パンタグラフ１１を上昇させ、架線１３に接触させる。また、バッテリ駆動列車が駅を出発し、出線軌道の地上子６２を列車が検知すると、パンタグラフを下降させる。
これにより、バッテリ駆動列車が駅に入線し、出線するまでの区間で図４〜図６で示した充電装置１０により、外部電力設備から車両のバッテリの充電を行わせる。なお、入線時には列車はブレーキモードになり、インバータからバッテリに電力が回生されるが、この時バッテリが過充電にならないように充電装置１０が前記したように動作して過剰電力を外部電力設備に回収する。

図８は、本発明の第四の実施形態であり、図７の入出力線内の環境設備は路線の全ての駅には設ける必要はなく、図８のように、全路線で駅の海抜に高低差がある場合には海抜の低い駅に環境設備を設けるのみで良い。
すなわち、海抜の低い駅Ａから高い駅Ｅに向かう走行の場合には力行モードが続くので、バッテリの消費量に見合って充電しておく必要がある。しかし、その逆の走行時には、回生モードが多くなるので、高い駅Ｅでの充電設備環境は不要になる。
このように、本実施形態によるバッテリ駆動列車は、図２で示した昇降圧チョッパ装置４や図４〜図６で示した充電装置１０を車両に積載することで、バッテリによる駆動走行距離を長くできる。したがって、現在、非電気区路線で走行しているディーゼル気動車に代わり、本発明のバッテリ駆動列車を走行させることができるので、環境への無公害化が図れる。
なお、図８で示す駅Ａには、図７のような電力給電設備（架線等）を設ける代わりに、バッテリ交換設備を設ける場合には、搭載するバッテリはカートリッジ式とし、車両にはバッテリ端子とパワー線との電気的脱着が容易に出来る機構を設ける。

図９は、本発明の第五の実施形態であり、軌道に沿って間欠状に配備された外部から列車のバッテリへ電力を給電する電力給電設備を有する鉄道路線に、本発明の図１のバッテリ駆動列車に架線よりバッテリを充電する充電装置を備えた列車を走行させる場合について示す。
軌道に沿って間欠状に配備された外部から列車のバッテリへ電力を給電する電力給電設備を列車に検知させる地上子６３，６４が設置される。列車にはその地上子の位置を検知する手段と、該検知に伴い、電力給電設備と列車のバッテリとが充電装置を介して電気的に接続させたり、解除（地上子６３から６４）させたりする手段が備えられている。
すなわち、電化路線に本発明のバッテリ駆動列車を走行させる場合において、パンタグラフと架線との接触による電波ノイズによる電波障害区域が規制されている場合には、パンタグラフを下降させて外部からの電力を受電せずにバッテリのみで列車を駆動させるようにしたことにある。
これにより、列車走行に伴う環境へ及ぼす影響を小さくできる。

なお、図示していないが、架線が存在しないところで、特に高速運転でのブレーキモードによりインバータからバッテリへの回生電力が過大に発生すると、バッテリでその回生電力を補えきれない場合がある。それによりコンデンサ電圧が異常に上昇する。それにはコンデンサ又はバッテリと並列に抵抗とスイッチング素子の直列体を接続しておき、コンデンサ又はバッテリが所定電圧を超えると、そのスイッチング素子をオンさせることで回生電力を抵抗で消費させるようにする。

本発明は、バッテリ駆動編成列車における、編成車両のバランス化、運転に帰する冗長性の向上、バッテリの小容量化を図ることが可能となり、また、非電化路線走行の列車に本発明のバッテリ駆動列車を適合することにより環境に対する無公害化を図ることができ、バッテリ駆動の鉄道列車の提供に有用である。

本発明の第一の実施形態を示すバッテリ駆動編成列車の構成図 図１における昇降圧チョッパ装置の具体的構成図 本発明の第二の実施形態を示すバッテリ駆動編成列車の構成図 本発明の第一及び二の実施形態におけるバッテリを充電する構成図 図４における充電装置の具体的構成図 図４における充電装置の他の具体的構成図 本発明の第三の実施形態を示し、列車への充電形態を説明する図 本発明の第四の実施形態を示し、列車への充電形態を説明する図 本発明の第五の実施形態を示し、列車への充電形態を説明する図

符号の説明

１…交流モータ、２…インバータ、３…制御装置、４…昇降圧チョッパ装置、
５…バッテリ、６，７…パワー線、９…車上ＬＡＮ、Ｔ…トレーラ車、Ｍ…モー
タ車、Ｂｂ…バッテリパワー線接続装置。

Claims (2)

1. 車両駆動用の交流モータがバッテリを電源とするインバータにより駆動されるバッテリ駆動列車の鉄道システムにおいて、
   駅入出線の所定区間の軌道に沿って前記列車に交流又は直流の電力を給電する電力給電設備と、前記列車に、駅の入出線に設けられた地上子を検出する位置検知装置を配備し、
   前記列車が前記入出線への入線時にはブレーキモードになり、前記インバータから前記バッテリに電力を回生させるとともに、前記位置検出装置が前記地上子を検出した際、前記電力給電設備より前記列車に搭載されたバッテリを該列車に搭載されたバッテリ充電手段を介して充電し、かつ、前記回生された電力のうち、過剰な電力を前記電力給電設備に回収させることを特徴とするバッテリ駆動列車の鉄道システム。
2. 車両駆動用の交流モータがバッテリを電源とするインバータにより駆動されるバッテリ駆動列車の鉄道システムにおいて、
   軌道に沿って間欠状の所定区間に配備され、かつ、前記列車に交流又は直流の電力を給電する電力給電設備と、前記列車に、軌道に沿って前記所定区間と対応する位置に配備された地上子を検出する位置検知装置を配備し、
   該位置検出装置が前記地上子を検出した際、前記電力給電設備より前記列車に搭載されたバッテリを該列車に搭載されたバッテリ充電手段を介して充電することを特徴とするバッテリ駆動列車の鉄道システム。

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